Nghiên cứu mô phỏng và đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG DIESEL

Nghiên cứu mô phỏng và đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG DIESEL Nghiên cứu mô phỏng và đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG DIESEL Nghiên cứu mô phỏng và đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG DIESEL

TÓM TẮT

Để đánh giá hiệu quả sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel, việc đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ CNG diesel đến các đặc tính của động cơ là cần thiết Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu giữa mô phỏng và thực nghiệm về các đặc tính kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125

sử dụng nhiên liệu kép thông qua việc so sánh moment, công suất và mức độ phát thải của động cơ khi thay đổi tỷ lệ sử dụng CNG diesel Kết quả nghiên cứu mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm trên băng thử, qua đó có thể định hướng cho công việc thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nguyên liệu kép CNG diesel trên mô hình thực nghiệm Đây là cơ sở cho việc xây dựng bản đồ tỷ lệ CNG diesel (engine map) cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép, góp phần nghiên cứu, ứng dụng nguồn nhiên liệu sạch CNG trên các động cơ nén cháy có tỷ số nén cao

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình viii

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

CHƯƠNG 3.XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125 Error! Bookmark not defined.5 CHƯƠNG 4.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 73

CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

PHỤ LỤC 107

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần CNG 8

Bảng 2.2 Các phần tử và tính năng cơ bản của chúng 38

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 46

Bảng 3.2 Thống kê các phần tử trong mô hình mô phỏng 49

Bảng 3.3 Dữ liệu các phần tử đường ống 56

Bảng 3.4 Chi tiết các thông số của phần tử điểm đo 58

Bảng 3.5 Chi tiết các thông số của phần tử tiết lưu 59

Bảng 3.6 Chi tiết các thông số của phần tử lọc khí 60

Bảng 3.7 Chi tiết các thông số của phần tử xy lanh 62

Bảng 3.8 Độ nâng xupáp nạp theo góc quay trục khuỷu 64

Bảng 3.9 Độ nâng xupáp thải theo góc quay trục khuỷu 65

Bảng 3.10 Các thông số của phần tử bình ổn áp 68

Bảng 3.11 Tỷ lệ nhiên liệu CNG diesel 71

Bảng 4.1 Kết quả mô phỏng đặc tính tốc độ của moment động cơ và tỷ lệ hòa trộn CNG–diesel 74

Bảng 4.2 Độ sai lệch Moment giữa mô phỏng và thực nghiệm ứng vơi tỷ lệ 70%CNG 30%DO 77

Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng công suất động cơ theo tốc độ động cơ và tỷ lệ hòa trộn CNG–diesel 77

Bảng 4.4 Độ sai lệch công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm ứng với tỷ lệ 70%CNG 30%DO 80

Bảng 4.5 Nhiệt độ quá trình cháy của động cơ theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn CNG

Bảng 4.8 Phần trăm mức tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu kép sơ với

động cơ đơn thuần 96

Bảng 4.9 Phần trăm lượng phát thải sinh ra khi sử dụng nhiên liệu kép sơ với động

cơ đơn thuần 98

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sự giảm phát thải khí CNG và nhiên liệu khác 9

Hình 2.2 Trị số Octan của khí CNG và nhiên liệu khác 9

Hình 2.3 Giá CNG so với giá LPG và giá FO 10

Hình 2.4 Biểu đồ sản xuất CNG trên toàn cầu 11

Hình 2.5 Ôtô Bus Super Aero City_CNG do Huyndai sản xuất 12

Hình 2.6 Biểu đồ dự kiến tăng trưởng của phương tiện sử dụng CNG 13

Hình 2.7 Xe buýt TPHCM chạy bằng khí thiên nhiên CNG 15

Hình 2.8 Phân chia vùng cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel18 Hình 2.9 Hướng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy 19

Hình 2.10 Cân bằng năng lượng trong xy lanh động cơ 21

Hình 2.11 Đường kính đế xupáp 24

Hình 2.12 Sơ đồ tính toán chuyển vị của piston 25

Hình 2.13 Tóm tắt quá trình hình thành bồ hóng của Fusco 34

Hình 2.14 Cơ chế trung gian về động hóa học của quá trình hình thành bồ hóng từ các phân tử aromatics 35

Hình 2.15 Mô hình cơ chế tạo hạt bồ hóng từ aromatics và aliphatics 36

Hình 2.16 Cửa sổ khởi động của phần mềm AVL Boost 38

Hình 3.1 Động cơ Vikyno RV125 45

Hình 3.2 Mặt cắt ngang động cơ Vikyno RV125 47

Hình 3.3 Mặt cắt dọc động cơ Vikyno RV125 47

Hình 3.4 Đồ thị đặc tính ngoài của độ 48

Hình 3.5 Các phần tử của động cơ Vikyno RV125 trong AVL Boost 50

Hình 3.6 Biểu tưởng Pipe 50

Hình 3.7 Mô hình ban đầu khi chưa nhập dữ liệu của động cơ Vikyno RV125 51

Hình 3.8 Biểu tượng Simulation Control 52

Hình 3.9 Giao diện nhập dữ liệu chung cho mô hình 52

Hình 3.10 Giao diện chọn loại nhiên liệu 53

Hình 3.11 Giao diện điều kiện biên 54

Hình 3.12 Giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống 55

Hình 3.13 Giao diện khai báo điều kiện biên 57

Hình 3.14 Giao diện khai báo hệ số lưu lượng 57

Hình 3.15 Giao diện khai báo phần tử lọc khí 59

Hình 3.16 Giao diện chung của phần tử xy lanh 61

Hình 3.17 Giao diện chung của phần tử động cơ 66

Hình 3.18 Khai báo tổn thất ma sát trong động cơ 67

Hình 3.19 Khai báo dữ liệu chung của bình ổn áp 68

Hình 3.20 Giao diện thiết lập tỷ lệ nhiên liệu CNG diesel 70

Hình 3.21 Giao diện tỷ lệ nhiên liệu 50%CNG 50%diesel 71

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn đặc tính tốc độ moment và tỷ lệ hòa trộn CNG–diesel theo mô phỏng 75

Hình 4.2 Đồ thị so sánh đặc tính tốc độ của moment giữa mô phỏng và thực nghiệm ở chế độ 100% diesel 75

Hình 4.3 Đồ thị so sánh đặc tính tốc độ của moment giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tỷ lệ 70DO, 30DO 76

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn đặc tính tốc độ của công suất và tỷ lệ hòa trộn CNG–

diesel từ mô phỏng 78

Hình 4.5 Đồ thị so sánh đặc tính tốc độ của công suất giữa mô phỏng và thực

nghiệm ở chế độ 100% diesel 79

Hình 4.6 Đồ thị so sánh đặc tính tốc độ của công suất giữa mô phỏng và thực

nghiệm ở tỷ lệ 70DO, 30DO 79

Hình 4.7 Đồ thị so sánh công suất theo tốc độ động cơ giữa mô phỏng và thực

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn áp suất quá trình cháy của động cơ thay đổi theo tỷ lệ

hòa trộn nhiên liệu ở tốc độ động cơ 1800v/p 85

Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn

CNG diesel theo mô phỏng 86

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn suất tiêu hao năng lượng theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn

CNG diesel theo mô phỏng 87

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn khí thải NOx theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn CNG diesel88

Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn khí thải CO theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn CNG diesel 89

Hình 4.15 Đồ thị biểu diễn bồ hóng theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn CNG diesel 90

Đồ thị biểu diễn nồng độ NOx khi thay đổi góc phun sớm của động cơ

sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30%DO 70%CNG 91

Đồ thị biểu diễn nồng độ CO khi thay đổi góc phun sớm của động cơ sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30%DO 70%CNG 92

Đồ thị biểu diễn nồng độ SOOT khi thay đổi góc phun sớm của động cơ

sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30%DO 70%CNG 93

Đồ thị biểu diễn moment của động cơ sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30%DO 70%CNG 95

Đồ thị biểu diễn công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30%DO 70%CNG 95

Đồ thị so sánh mức tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu kép với nhiên liệu diesel đơn thuần 97

Đồ thị so sánh lượng khí thải NOx khi sử dụng nhiên liệu kép so với nhiên liệu diesel đơn thuần 99

3 Đồ thị so sánh lượng khí thải CO khi sử dụng nhiên liệu kép so với

nhiên liệu diesel đơn thuần 99

Đồ thị so sánh lượng khí thải SOOT khi sử dụng nhiên liệu kép so với nhiên liệu diesel đơn thuần 101

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan

Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải từ các loại động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel tạo ra ngày càng trở nên nghiêm trọng

Quan trọng hơn là khi nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt Theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác như hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại chỉ đủ để con người khai thác trong vòng không quá 45 năm nữa (khoảng năm 2060) Tất cả những điều này ảnh hưởng không nhỏ đến sự phát triển của nền công nghiệp ô tô trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Để giải quyết những khó khăn trên thì việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới để thay thế là vấn đề vô cùng cấp bách Vấn đề được đặt ra là phải tìm một nguồn năng lượng sạch, trữ lượng lớn, không (hoặc ít) gây ô nhiễm môi trường Những loại nhiên liệu có thể dùng thay thế cho xăng và dầu diesel hiện nay:

 Khí thiên nhiên: CNG (Compressed Natural Gas), LNG (Liquefied Natural Gas)

 Khí gas hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas)

 Khí Biogas, cồn Methanol, Ethanol, dầu thực vật, mỡ động vật,…

Nhằm bắt kịp về sự phát triển năng lượng mới của thế giới, giải quyết vấn đề giảm ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống

và nâng cao tính kinh tế Gần đây những nghiên cứu về sử dụng khí thiên nhiên CNG trên động cơ đốt trong ở Việt Nam đã được triển khai Tuy nhiên, giá thành của một động cơ nhập khẩu chạy hoàn toàn bằng CNG thì rất cao Do đó, phương

án đặt ra là tận dụng động cơ diesel cũ, nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu dùng diesel thông thường sang dùng CNG mang lại hiệu quả cao Việc chuyển đổi bao gồm có hai phương án:

 Thay thế toàn bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel truyền thống bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG, lắp thêm hệ thống đánh lửa, bình chứa Nhiên liệu CNG sẽ được đốt cháy cưỡng bức, hệ thống này có thể điều khiển bằng cơ khí hoặc điện tử

 Cải tiến động cơ diesel truyền thống thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel, trong đó diesel đóng vai trò là nhiên liệu mồi được phun vào để đốt cháy lượng CNG trong buồng cháy, hệ thống này có thể điều khiển bằng cơ khí hoặc điện tử

Từ những phân tích trên các nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu cho động

cơ Vikyno RV125 được thực hiện Trong đó, nhóm tác giả đã chọn phương án cải tạo hệ thống nhiên diesel cơ khí thông thường thành hệ thống sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel điều khiển bằng điện tử CRDI (Common Rail Diesel Injection)[1]

Hệ thống nhiên liệu CRDI được điều khiển bằng điện tử có các ưu điểm lớn như: áp suất phun cao, có thể thay đổi áp suất và thời điểm phun phù hợp tùy theo chế độ làm việc của động cơ Nhờ việc điều khiển thời điển phun chính xác, áp suất nhiêu liệu cao nên có thể cháy tốt trong điều kiện hỗn hợp nghèo Điều này thích hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel làm tia phun mồi để đốt cháy hỗn hợp CNG với không khí trong buồng đốt Sự kết hợp hệ thống CRDI sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel là một bước mới trong thiết kế cải tiến hệ thống nhiên liệu động cơ diesel

Nhằm góp phần nghiên cứu hoàn thiện hệ thống nhiên liệu cho động cơ

Vikyno RV125 đã cải tạo, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng và đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel”

Đề tài này sử dụng phần mềm AVL Boost để tính toán mô phỏng các đặc tính

kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 dùng nhiên liệu kép CNG diesel

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng nhiên liệu kép

CNGdiesel

1.2.1 Kết quả nghiên cứu trong nước

Hiện nay, việc nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu trên động cơ diesel

đã và đang được tiến hành Chủ yếu là các nhóm nghiên cứu của các trường tiêu biểu như: Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Hiện đã có một số ứng dụng trong việc sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel trên ôtô nhằm giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu Điển hình

là nghiên cứu chuyển đổi động cơ Diesel sang động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG

diesel trên ôtô bus năm 2011 của Sở Giao Thông Vận Tải Tp Hồ Chí Minh cùng Công Ty Saigon Bus Nghiên cứu này, CNG thay thế tối ưu khoảng 26,5% nhiên liệu diesel, trong khi động cơ vẫn đạt được moment và công suất cực đại như động

cơ nguyên thuỷ

Công trình nghiên cứu của Trần Thanh Hải Tùng và các cộng sự [1], kết quả thử nghiệm trên động cơ Vikyno RV125, bước đầu cho thấy động cơ hoạt động ổn định ở các tốc độ khác nhau Kết quả này là cơ sở cho việc tổ chức điều khiển cung cấp CNG cho động cơ tự cháy Đây là bước khởi đầu trong việc ứng dụng hệ thống nhiên liệu kép CNG – diesel trên động cơ diesel 1 xylanh, trong đó hệ thống CRDI nhằm phun mồi tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel

Mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel bằng phần mềm Fluent của tác giả Trần Thanh Hải Tùng và các cộng

sự [2] Công trình này trình bày kết quả nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel bằng phần mềm FLUENT 6.3 Kết quả mô phỏng đã chỉ ra được sự biến thiên của các thông số áp suất, nhiệt độ, nồng độ CH4, O2, CO trong quá trình cháy Kết quả này giúp cho

việc định hướng thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNGdiesel trên mô hình thực nghiệm Nghiên cứu này cũng có ý nghĩa cho phép giảm bớt các thử nghiệm phức tạp, giảm chi phí cũng như tiết kiệm thời gian thử nghiệm

Việc thực nghiệm đánh giá công suất và mức độ phát thải của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel [3], của tác giả Trần Thanh Hải Tùng

và các cộng sự đã cho thấy được thấy động cơ hoạt động ổn định ở các chế độ tải, công suất động cơ được bảo toàn; mức độ phát thải ở hai chế độ công suất và moment cực đại: CO giảm đến 90%, độ mờ khói giảm 30 ÷ 70% ứng với động cơ

sử dụng nhiên liệu kép với tỉ lệ khoảng 30% diesel/ 70% CNG so với động cơ nguyên thủy sử dụng hoàn toàn diesel

Bên cạnh, còn có kết quả nghiên cứu của Trần Thanh Hải Tùng và Lê Minh Xuân [4] đã cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp diesel – LPG đến các thành phần khí thải của động cơ Các tác giả cũng đã chỉ ra được những vấn đề kỹ thuật cần giải quyết khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG trên động cơ diesel

Ngoài ra, mức độ phát thải của các loại động cơ ô tô đã được nhóm nghiên cứu gồm: Lê Anh Tuấn, Nguyễn Duy Vinh, Nguyễn Đức [5] xác định bằng thực nghiệm tại phòng thí nghiệm động cơ thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Kết quả là

đã xác định được hệ số phát thải các chất độc hại của một số động cơ lắp trên các ô

tô như Ford Laser, Ford Ranger, Toyota Innova, Toyota Prado

Tóm lại, ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG  diesel Các kết quả bước đầu đã cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất, cũng như giảm thiểu lượng khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường của ô tô khi sử dụng nhiên liệu kép CNG  diesel, đặc biệt là khả năng giảm phát thải PM trên một số động cơ Tuy nhiên, các công trình trong nước chỉ dừng lại ở mức độ thử nghiệm một số trường hợp cụ thể như chế độ tải cố định, đo một số thông số cụ thể về lượng tiêu hao nhiên liệu, nồng độ khí thải giữa hai chế

độ dùng nhiên liệu kép CNGdiesel và chế độ 100% diesel, nên việc đánh giá chung nhất và toàn diện nhất vẫn còn hạn chế

1.2.2 Kết quả nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về việc sử dụng động cơ nhiên liệu kép CNG diesel, LPG diesel Tuy nhiên việc nghiên cứu, chủ yếu tập trung vào loại động cơ lắp trên ôtô khách, ôtô tải trọng lớn, ôtô chuyên dùng, Các công trình nghiên cứu sử dụng động cơ CNG diesel lắp trên ôtô cỡ nhỏ còn rất hạn chế Việc đánh giá hiệu suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel và phân tích khí thải với sự trợ giúp của mạng trí tuệ nhân tạo của tác giả Talal F.Yusaf

và các cộng sự được đề cập trong [8] Trong nghiên cứu trên, tác giả đã sử dụng động cơ diesel 1 xy lanh, 4 kỳ đã được sửa đổi thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel Tác giả đã sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo ANN (Artificial Neural Network) để phân tích và mô phỏng quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép, và kết quả thu được là: hiệu suất nhiệt có ích tăng khoảng 13%, mức tiêu hao nhiên liệu thấp, lượng khí thải NOx và CO giảm 30%, nhiệt độ khí thải giảm so với động cơ dùng diesel đơn thuần

Kết quả nghiên cứu của Bhaskor J Bora and Ujjwal K Saha [9] trên động cơ diesel_1 xy lanh, 4 kỳ đã được cải tiến thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel Nghiên cứu đã tối ưu hóa thời gian phun và tỉ số nén của động cơ sử dụng nhiên liệu kép Và đặc biệt kết quả nghiên cứu đã tối ưu hoá cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép này có thể tăng hiệu suất nhiệt có ích tối đa 25,44% Hơn nữa,

sự phát thải nồng độ CO và HC là ít nhất

Khả năng giảm phát thải độc hại của động cơ diesel khi sử dụng phương án phun CNG vào đường ống nạp đã được các tác giả Dong Jian và các cộng sự [10] nghiên cứu thành công trên một động cơ diesel lắp trên ô tô buýt Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi đưa thêm CNG vào nhiên liệu diesel, lượng phát thải PM và NOx giảm mạnh Các tác giả cũng đã xem xét ảnh hưởng của các thông số như áp suất

phun, thời gian phun và đường kính lỗ phun đến độ ổn định của động cơ diesel khi

sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel

Kết quả nghiên cứu của Thomas Renald C.Ja và Somasundaram P [11] trên một động cơ diesel có hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho thấy mức giảm phát thải NOx khi pha thêm tỷ lệ % CNG khác nhau ở các chế độ tải trọng khác nhau

Các công trình kể trên đã cho thấy các phương pháp xác định hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải, cũng như hiệu suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel và động cơ diesel đơn thuần Với các động cơ sử dụng nhiên liệu kép, việc tính toán các thành phần khí thải thường sử dụng phương pháp mô phỏng kết hợp với thực nghiệm Chất lượng quá trình cháy và hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như phương pháp hòa trộn hỗn hợp CNGdiesel, tỷ lệ hòa trộn, thành phần nhiên liệu

1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng mô hình bằng phần mềm AVLBoost để mô phỏng các đặc tính kỹ thuật của động cơ 1 xy lanh Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel Dựa vào kết quả mô phỏng xác định các thông số tối ưu cho mô hình để so sánh với thực nghiệm

Góp phần đánh giá hiệu quả của việc sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel trên động cơ Vikyno RV125 nói riêng và động cơ cỡ nhỏ nói chung

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ Vikyno RV125, đã được cải tạo thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel điều khiển bằng điện tử

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài

Đề tài được tập trung nghiên cứu với những nhiệm vụ chính sau:

 Tìm hiểu về nhiên liệu CNG: sản xuất và sử dụng trong và ngoài nước

 Tìm hiểu về phần mềm AVL Boost

 Ứng dụng phần mềm AVL Boost để mô phỏng các đặc tính kỹ thuật của động cơ 1 xy lanh Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel

 Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng đồng thời so sánh với kết quả thực nghiệm để hoàn thành mô hình mô phỏng góp phần đánh giá việc sử dụng hệ thống nhiên liệu kép trên động cơ diesel tĩnh tại cỡ nhỏ

1.4.2 Phạm vi của đề tài

Đề tài chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình cháy của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel Từ đó, xác định các thông số tối ưu cho việc sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel trên động cơ diesel

cỡ nhỏ

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:

 Phương pháp thống kê và phân tích tài liệu: thu thập, phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu từ các tài liệu sưu tầm được và kết quả nghiên cứu liên quan

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa: nghiên cứu mô hình hóa quá trình cháy hỗn hợp CNG diesel ứng với các chế độ vận hành của động cơ Sử dụng phần mềm AVL Boost để mô phỏng quá trình làm việc và phát thải của động cơ.Kết quả mô hình hóa giúp ta giảm bớt chi phí thực nghiệm

 Phương pháp nghiên cứu quan sát và phân tích tổng hợp: từ kết quả mô phỏng ta quan sát và phân tích các thông số kỹ thuật, đồng thời kết hợp với kết quả thực nghiệm của động cơ Vikyno RV125 khi sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel ta

so sánh với kết quả từ mô hình mô phỏng

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu về khí thiên nhiên CNG

2.1.1 Tổng quát về khí thiên nhiên CNG

CNG (Compressed Natural Gas) là loại khí tự nhiên được tìm thấy phía trên hoặc bên dưới mỏ dầu, hoặc trong các túi khí nằm sâu trong mặt đất, từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ Và được nén dưới áp suất cao khoảng 200250bar tại nhiệt độ môi trường, về cơ bản đó là hợp chất hữu cơ, thành phần chủ yếu gồm CH4(metane) chiếm 85% và C2H6(etane) khoảng 10%, và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn C3H8(propan), C4H10 (butan), C5H12 (pentan), và các chất khác

Hình 2.1 Lượng phát thải khí CNG và nhiên liệu khác khi cháy[6]

Khí thiên nhiên là khí không màu, không mùi, không vị, được tìm thấy sâu trong lòng Trái Đất, là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành qua hàng triệu năm dưới áp lực và sự thay đổi của địa chất Khí thiên nhiên có hàm lượng ô nhiễm môi trường rất thấp, đặc biệt khi cháy không sinh ra lưu huỳnh cũng như các hợp chất của lưu huỳnh

Khí thiên nhiên là một loại nhiên liệu nhiều và rẻ với nồng độ phát thải khi cháy thấp hơn so với Diesel và xăng Trị số Octan nghiên cứu (RON) của khí thiên nhiên là 120130, trong khi xăng là 92100, vì vậy khả năng chống kích nổ cao hơn, có thể nâng cao tỉ số nén để tăng hiệu suất của động cơ

Hình 2.2 Trị số Octan của khí CNG và nhiên liệu khác [6]

Giá bán khí nén thiên nhiên dựa theo giá LPG và dầu hỏa (FO) nội địa Giá CNG rẻ hơn giá dầu hỏa và LPG từ 10% đến 20% và tương đối ổn định, do đó ngày càng hấp dẫn đối với người tiêu dùng sử dụng CNG làm nhiên liệu cho xe Đối với

CNG Việt Nam, 85% tiêu thụ CNG có giá dựa theo giá FO, và phần còn lại được tham chiếu theo giá LPG

Hình 2.3 Giá CNG so với giá LPG và giá FO [6]

Khí thiên nhiên có rất nhiều ưu điểm như nó có thể thay thế hoàn toàn xăng mặc dù động cơ phải cải tiến cho phù hợp Tuy nhiên cũng có nhược điểm về việc lưu trữ, để đủ năng lượng cung cấp thì cần phải có bình chứa lớnvàáp suất cao Khí thiên nhiên có hai loại chính là khí nén thiên nhiên (Compressed Natural GasCNG) và khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural GasLNG)

2.1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng CNG

2.1.2.1 Tình hình sản xuất CNG

2.1.2.1.1 Tình hình sản xuất CNG trên thế giới

Theo số liệu thống kê của hãng tư vấn năng lượng quốc tế Purvin & Gertz của

Mỹ [12], sản lượng CNG sản xuất trên thế giới liên tục tăng (trung bình 510%/năm) kể từ thập kỷ 90 đến nay và dự đoán vẫn tiếp tục tăng trong những năm tới Tổng nguồn cung CNG trên thế giới năm 2000 đạt mức 198 triệu tấn, năm

2008 đạt 239 triệu tấn Tốc độ tăng trưởng nguồn cung CNG thế giới tăng khoảng 2,4% một năm trong giai đoạn 20002008 Năm 2013 nguồn cung thế giới có thể đạt 260 triệu tấn và dự báo năm 2015 đạt 291,7 triệu tấn Trong tổng lượng CNG

cung cấp trên thị trường, 60% CNG được sản xuất từ quá trình xử lý khí, 39,5% sản xuất từ các nhà máy lọc dầu, còn lại 0,5% sản xuất từ các nguồn khác

Hình 2.4 Sản lượng sản xuất CNG trên toàn cầu [12]

2.1.2.1.2 Tình hình sản xuất CNG ở Việt Nam

Nước ta có nguồn khí thiên nhiên tương đối dồi dào, theo nghiên cứu có thể đạt tới 2694 tỷ m3, đã phát hiện khoảng 962 tỷ m3 và được tìm thấy trên khu vực thềm lục địa của Việt Nam Các mỏ: Bạch Hổ, Rạng Đông, Nam Côn Sơn được khai thác với sản lượng trên 10 triệu m3/ngày [17]

Công nghệ khí nén CNG đã có mặt tại Việt Nam vào cuối tháng 82008, và được đánh dấu bằng nhà máy sản xuất khí nén tại Khu Công nghiệp Phú Mỹ 1, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa  Vũng Tàu với tổng công suất 70 triệu m3 mỗi năm[6]

Hiện nay, tổng sản lượng CNG sản xuất và tiêu thụ khoảng 150 triệu m3/năm tại ba nhà máy thuộc PVGas South(CTCP Kinh doanh Khí hóa lỏng Miền Nam) [18], bao gồm:

 Nhà máy CNG Phú Mỹ, công suất: 95 triệu m3/năm

 Nhà máy CNG Mỹ Xuân, công suất: 100 triệu m3/năm

 Nhà máy CNG Hiệp Phước, công suất: 20 triệu m3/năm

2.1.2.2 Tình hình sử dụng CNG

2.1.2.2.1 Tình hình sử dụng CNG trên thế giới

Khí CNG được sử dụng cho ôtô sớm nhất ở Italia vào những năm 30 thế kỷ trước Vào năm 1950, ở Pháp có khoảng 10.000 xe có động cơ chạy bằng nhiên liệu CNG Các nước New Zealand, Canada, Mỹ đã có xe chạy bằng khí CNG vào những năm 1970 và 1980[19]

Năm 2001 hãng Huyndai của Hàn Quốc đã cho ra đời xe Bus cao cấp với tên

là Super Aero City có động cơ sử dùng hoàn toàn CNG

Hình 2.5 Ôtô Bus Super Aero City_CNG do Huyndai sản xuất [19]

Năm 2008 để phục vụ cho thế vận hội, Trung Quốc đã có 90% trong số 11.000

xe chở khách ở Bắc Kinh dùng khí CNG [19]

Trong những năm trở lại đây để giảm thiểu tác hại của khí xả do động cơ diesel thải ra, các nước trong khu vực Châu Á đã nghiên cứu chuyển đổi qua sử dụng khí thiên nhiên CNG thay cho nhiên liệu diesel trong hoạt động vận tải hàng khách công cộng với những lợi ích của xe CNG mang lại như: giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm chi phí nhiên liệu

Theo thống kê của NGV Global (Natural Gas Vehicle), tính đến năm 2012 toàn thế giới có 15.192.884 phương tiện có động cơ sử dụng khí CNG và 19.963 trạm cung cấp nhiên liệu khí CNG [20]

Cũng theo NGV Global (Natural Gas Vehicle) thì dự báo mức tăng trưởng của phương tiện sử dụng nhiên liệu thiên nhiên đến năm 2014 số lượng sẽ đạt gần 30 triệu phương tiện (hình 2.6)

Hình 2.6 Biểu đồ dự kiến tăng trưởng của phương tiện sử dụng CNG[20] 2.1.2.2.2 Tình hình sử dụng CNG ở Việt Nam

Nhu cầu khí thiên nhiên từ các nhà máy này chiếm 8590% nguồn cung khí quốc gia, và các nhà máy phân bón chiếm 5% Với sự phát triển của các khối sản xuất mới tại các bể Cửu Long, Nam Côn Sơn và Malay Thổ Chu, nguồn cung khí tại Việt Nam dự kiến sẽ tăng 11% trong vòng bốn năm tới, từ 9,2 tỷ m3 lên 13,8 tỷ

m3 vào năm 2016 [6]

Hộ công nghiệp chỉ chiếm 45% tổng nguồn cung khí, trong đó vận chuyển bằng đường ống chiếm 80% và vận chuyển như khí nén thiên nhiên chiếm 20% Hiện nay, các sản phẩm CNG chỉ cung cấp cho miền Đông Nam Việt Nam bởi Công ty khí CNG Việt Nam và Công ty mẹ CTCP Kinh doanh Khí hóa lỏng Miền Nam( PV Gas South), cả hai có tổng công suất là 150 triệu m3, chiếm 1,7% tổng nguồn cung khí thiên nhiên Theo nghiên cứu của VCSC [21], 477 công ty sản xuất

có thể là khách hàng tiềm năng của các sản phẩm CNG hoặc khí thiên nhiên theo đường ống trong các khu công nghiệp tại các tỉnh Bà Rịa–Vũng Tàu, Bình Dương,

Thủ Đức và Long An Các công ty có trong các khu công nghiệp này chủ yếu hoạt động trong ngành vật liệu xây dựng (thủy tinh công nghiệp, sắt thép, gạch men ), một ngành tiêu thụ một lượng lớn điện và nhiệt cho sản xuất

Theo nghiên cứu của CNG Việt Nam, nhu cầu bổ sung tiềm năng đối với CNG, được tính trên cơ sở nhu cầu dầu hỏa, dầu diesel và LPG, đạt 338,7 triệu m3 mỗi năm

2.1.3 Triển vọng sử dụng khí thiên nhiên CNG trong động cơ

Khí thiên nhiên CNG chỉ chiếm khoảng 1/200 thể tích so với khí thiên nhiên ở trạng thái bình thường, dễ chuyên chở đi xa và có chỉ số Octane cao nên được sử dụng rộng rãi trên thế giới làm nhiên liệu động cơ thay thế xăng, dầu Vì không giải phóng nhiều khí độc như NO, CO, SO2 khi cháy và hầu như không phát sinh bụi Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 93% lượng CO2, 33% lượng NO và đến 50% lượng hydrocarbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng Giá thành CNG

rẻ hơn xăng khoảng 10% đến 30% và có tính ổn định trong thời gian dài so với giá các sản phẩm dầu mỏ Do khí cháy hoàn toàn, không gây đóng cặn trong thiết bị đốt

và tại bộ chế hòa khí của các phương tiện nên CNG giúp nâng cao hiệu suất, kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng và tuổi thọ máy

Ô tô sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) đã không còn là vấn đề mới mẻ trên thế giới, đã từ lâu loại ô tô này đã được chế tạo thành công và đã được đưa vào sử dụng Ngày này nó đã trở nên rất phổ biến trên khắp thế giới Trên toàn thế giới, đã

có 14,8 triệu ô tô sử dụng nhiên liệu CNG vào năm 2011, dẫn đầu là Iran với 2,86 triệu xe, Pakistan có 2,85 triệu xe, Argentina có 2,07 triệu xe, Brazil có 1,7 triệu xe,

và Ấn Độ có 1,1 triệu xe sử dụng nhiên liệu CNG Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương dẫn đầu thế giới với 6,8 triệu ô tô sử dụng nhiên liệu CNG, tiếp theo là Châu

Mỹ Latinh có 4,2 triệu xe Ở khu vực Mỹ Latinh có đến gần 90% ô tô sử dụng nhiên liệu kép, cho phép chúng có thể chạy với nhiên liệu xăng truyền thống hoặc với nhiên liệu CNG Những loại ô tô sử dụng nhiên liệu xăng hiện đang tồn tại có thể được chuyển đổi thành ô tô sử dụng nhiên liệu CNG, hoặc ô tô nhiên liệu kép (chạy

với nhiên liệu xăng hoặc nhiên liệu CNG) Động cơ diesel dành cho xe tải nặng và các xe buýt có thể cải tiến thành động cơ chỉ sử dụng nhiên liệu CNG hoặc động cơ chạy nhiên liệu kết hợp CNG và dầu diesel, với nhiên liệu sử dụng chính là CNG và một lượng nhỏ dầu diesel được sử dụng trong lúc khởi động.

Hình 2.7 Xe buýt TPHCM chạy bằng khí thiên nhiên CNG

Ngày 18/4/2013 Tổng Công ty Cơ khí Giao thông vận tải Sài Gòn (Samco) cho xuất xưởng chiếc xe buýt mang nhãn hiệu Samco City H.75 CNG Chiếc xe buýt nhiên liệu sạch này có 38 chỗ ngồi và 37 chỗ đứng Đây là loại xe buýt chạy bằng khí CNG đầu tiên được lắp ráp tại Việt Nam trên cơ sở động cơ của hãng Huyndai Hàn Quốc Xe đạt tiêu chuẩn khí thải EURO 4, tiếng ồn giảm so với xe chạy dầu DO

Hiện tại, toàn TP.HCM có khoảng 100 xe buýt sử dụng khí CNG làm nhiên liệu, ngoài 65 xe của Liên hiệp HTX Xe buýt TPHCM, số còn lại thuộc Công ty Xe khách Sài Gòn TP.HCM đã xây dựng đề án đổi mới 1.670 xe buýt nhằm thay thế toàn bộ hơn 1.300 xe buýt đã cũ Trong đó đặc biệt đầu tư, triển khải mở rộng hơn nữa mạng lưới cung cấp nhiên liệu CNG cho phương tiện giao thông tại TP.HCM bằng cách xây mới thêm các trạm nạp, nhanh chóng gia tăng lượng xe buýt CNG

mới, sớm triển khai và hoàn thiện chủ chương đầu tư 300 xe buýt của TP trong năm

2015, đồng thời triển khai ứng dụng CNG cho xe buýt tại TP Vũng Tàu

CNG đã được Việt Nam đưa vào sử dụng trên xe buýt hơn hai năm qua, lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường của việc sử dụng CNG làm nhiên liệu so với sử dụng diesel là rất lớn Ước tính giá thành vận chuyển của xe buýt công suất 290 mã lực chạy bằng CNG chỉ bằng khoảng 70% giá thành vận chuyển của xe buýt cùng công suất chạy bằng nhiên liệu diesel

Với đặc tính là sạch và hiệu quả, do vậy khí CNG và các sản phẩm của khí là nguồn nhiên liệu lý tưởng để phục vụ nền công nghiệp điện, giao thông vận tải, sinh hoạt, phân bón và nhựa Trong cơ cấu tiêu thụ năng lượng toàn cầu, tỉ trọng khí thiên nhiên chiếm 23,9% tổng nguồn năng lượng và tỉ trọng này đang gia tăng nhanh chóng Dự kiến đến năm 2020 sẽ chiếm 30% nguồn năng lượng toàn cầu

2.2 Phần mềm AVL Boost

2.2.1 Tính năng và ứng dụng của phần mềm AVL Boost

Hiện nay, vấn đề mô phỏng trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật được sử dụng rất rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau như: giảm thời gian và giá thành thiết kế mới, có thể nghiên cứu các hệ thống mà thực nghiệm rất khó hoặc không thể thực hiện được, có khả năng nghiên cứu các hệ thống nằm trong những điều kiện nguy hiểm vượt quá giới hạn hoạt động bình thường, có thể đưa ra một số kết quả không giới hạn một cách hết sức chi tiết

Trong lĩnh vực động cơ đốt trong, phương pháp mô hình hóa và mô phỏng đã

và đang được ứng dụng rộng rãi Các phần mềm ngày càng được cải tiến để phù hợp với xu hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực động cơ đốt trong Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng trong quá trình nghiên cứu động cơ có tác dụng giảm chi phí, rút ngắn thời gian nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm Ngoài ra, ứng dụng phần mềm mô hình hóa, mô phỏng còn cho phép tối ưu hóa các quá trình công tác cũng như thông số kết cấu của các hệ thống trong động cơ để tối ưu hóa tính kinh tế, hiệu quả và giảm ô nhiễm môi trường

Có nhiều phần mềm mô phỏng để xác định phát thải động cơ như phần mềm AVLBoost của Áo, phần mềm Fluent, phần mềm GTPower của Mỹ, phần mềm MOBILE của Nhật, phần mềm COPERT của Liên minh Châu Âu, Hiện nay các nhóm nghiên cứu thường sử dụng phần mềm AVL Boost của Áo để đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ, cũng như xác định các thành phần khí xả của động cơ diesel bởi phần mềm tính toán này có khả năng tính toán chính xác được các thông

số của quá trình cháy trong động cơ

Ưu điểm nổi bật của phần mềm AVL Boost là có thể tính toán chính xác được các thông số đầu ra của quá trình nhờ áp dụng các quy luật cháy và quy luật truyền nhiệt của động cơ Đồng thời có thể tính toán được phát thải của động cơ chạy đa nhiên liệu nhờ vào việc thay đổi dữ liệu đầu vào của nhiên liệu

Phần mềm AVL Boost của hãng AVL được xây dựng dựa trên quy luật nhiệt động học thứ nhất, trên cơ sở thiết lập phương trình tính toán cho các quá trình trao đổi nhiệt, trao đổi chất trong xylanh Đồng thời, dựa vào quy luật cháy AVLMCC

để tính toán các thông số kinh tế, kỹ thuật và nồng độ các chất phát thải của động

cơ Dựa trên các kết quả mô phỏng, AVL Boost có thể phân tích lựa chọn và đưa

ra các thông số tối ưu trong quá trình làm việc của động cơ

Phần mềm AVL Boost bao gồm những tính năng cơ bản sau:

 Mô phỏng động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ không tăng áp, động cơ tăng áp

 Mô phỏng các chế độ làm việc, chế độ chuyển tiếp của động cơ

 Tính toán thiết kế và tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ như quá trình cháy, quá trình trao đổi khí, quá trình phát thải độc hại,

 Có khả năng kết nối với các phần mềm khác (liên kết động) để mô phỏng với các dữ liệu động

Đối với bài toán sử dụng nhiên liệu kép trên động cơ diesel, công cụ AVL Boost có đủ khả năng để tính toán mô phỏng được quá trình cháy, truyền nhiệt và hình thành phát thải độc hại của động cơ

2.2.2 Cơ sở mô hình hóa quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy

trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel

2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép

CNG – diesel

Trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG  diesel, CNG được phun vào đường ống nạp, hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp đi vào xy lanh động cơ.Cuối kỳ nén, hỗn hợp khí bị nén lại, áp suất và nhiệt độ tăng lên, khi piston gần tới điểm chết trên, nhiên liệu diesel được phun vào trong xy lanh Môi chất trong xy lanh sẽ hòa trộn với hơi nhiên liệu ở phần vỏ hình nón của tia nhiên liệu [15] Đường bao của tia nhiên liệu chia không gian buồng cháy thành 2 vùng: vùng chưa cháy và vùng cháy (Hình 2.8)

Hình 2.8 Phân chia vùng cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG 

diesel

Vùng chưa cháy là vùng hỗn hợp đồng nhất của CNG và không khí, nằm bên ngoài hình nón của tia nhiên liệu Vùng cháy nằm bên trong hình nón của tia nhiên liệu là nơi diễn ra quá trình cháy, thành phần môi chất trong vùng này gồm sản phẩm cháy, nhiên liệu diesel chưa cháy, hỗn hợp CNG và không khí chưa cháy Quá trình cháy của hỗn hợp môi chất nạp diễn ra sau khi hơi nhiên liệu diesel

tự cháy Trong quãng thời gian cháy trễ, nhiệt độ và áp suất của môi chất trong cả 2 vùng đều tăng nhanh khi piston vẫn tiếp tục chuyển động tới gần điểm chết trên,

đồng thời lượng diesel bay hơi tiếp tục tăng lên và hòa trộn với môi chất nạp tạo hỗn hợp cháy và thâm nhập vào vùng cháy Khi quá trình cháy xảy ra, 2 vùng trên

bị phân cách bởi màng lửa bao phủ bề mặt của tia nhiên liệu diesel với chiều dày màng lửa khoảng 0,2mm [15] Màng lửa này sẽ lan truyền qua toàn bộ không gian buồng cháy theo phương vuông góc với bề mặt ngoài của vùng cháy (Hình 2.9)

Hình 2.9 Hướng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy

2.2.2.2 Phương trình nhiệt động học thứ nhất

Trong động cơ đốt trong, quá trình cháy là quá trình không thuận nghịch biến năng lượng hoá học thành nhiệt năng Việc xác định trạng thái của môi chất tại từng thời điểm của quá trình cần phải biết cụ thể các phản ứng trung gian biến đổi từ hỗn hợp ban đầu thành sản phẩm cháy cuối cùng Cho tới nay, các phản ứng đó chỉ mới được xác định đối với những nhiên liệu đơn giản như hydrogene và methane, Tuy nhiên trong tất cả các trường hợp, chúng ta đều có thể dùng định luật nhiệt động học thứ nhất để xác định mối tương quan giữa trạng thái đầu và cuối của quá trình cháy Việc áp dụng định luật này không đòi hỏi phải biết diễn biến các giai đoạn trung gian của quá trình Định luật nhiệt động học thứ nhất thể hiện mối quan hệ giữa sự biến thiên của nội năng (hay enthalpie) với sự biến thiên của nhiệt và công Khi áp dụng định luật này đối với hệ thống mà thành phần hoá học của nó thay đổi chúng ta cần phải xác định trạng thái chuẩn zero của nội năng hay enthanpie của tất

cả các chất trong hệ thống

Trạng thái nhiệt động diễn ra trong xy lanh động cơ được tính toán dựa trên phương trình nhiệt động học thứ nhất.

 dmi: lượng khí đi vào xy lanh

 dme: lượng khí đi ra khỏi xy lanh

 hi: entanpy của môi chất đi vào xy lanh

 he: entanpy của môi chất đi ra khỏi xy lanh

 qev: nhiệt hóa hỏi của nhiên liệu

 f: phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xy lanh

 mew: khối lượng nhiên liệu bay hơi

 mc: khối lượng môi chất bên trong xy lanh

 u: nội năng

 pc: áp suất bên trong xy lanh

 V: thể tích xy lanh

 QF: nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp

 Qw: nhiệt lượng tổn thất cho thành

 : góc quay trục khuỷu

 hBB: trị số entanpy

Hình 2.10 Cân bằng năng lượng trong xy lanh động cơ

Định luật nhiệt động học thứ nhất cho thấy sự thay đổi nội năng của môi chất trong xy lanh bằng tổng công sinh ra trên đỉnh piston, nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp, tổn thất nhiệt cho thành vách và tổn thất entanpy do lọt khí Nhiên liệu diesel phun vào trong xy lanh hình thành hỗn hợp với môi chất nạp bên trong xy lanh nên có thể giả thiết:

 Nhiên liệu phun vào trong buồng cháy được đốt cháy ngay

 Sản phẩm của quá trình cháy được hòa trộn tức thì với phần hỗn hợp chưa cháy còn lại tạo thành hỗn hợp đồng nhất

 Hệ số dư lượng không khí giảm dần từ giá trị cao khi bắt đầu cháy đến giá trị

thấp khi kết thúc quá trình cháy

2.2.2.3 Mô hình hỗn hợp môi chất

Hỗn hợp môi chất trong động cơ CNGdiesel được mô tả bởi các thành phần

hình thành lên hỗn hợp gồm: CNG (CH4, C2H6), nhiên liệu diesel, O2, N2, CO2,

H2O, CO, H2 Đặc tính của hỗn hợp được tính toán trên cơ sở đặc tính của từng

thành phần hợp thành trên cơ sở xét đến tỷ trọng khối lượng của thành phần đó

trong hỗn hợp Đối với một thành phần thứ k, các đặc trưng cơ bản gồm nhiệt dung

riêng cpk , entanpy Hk và entropy Sk là các hàm đa thức đối với nhiệt độ trong điều

kiện áp suất không đổi:

2.2.2.4 Tính toán lượng môi chất vào và ra khỏi xy lanh

Theo Blair, G P [13], lượng môi chất đi vào xy lanh trong hành trình nạp và

đi ra trong hành trình thải được tính toán trên cơ sở lưu lượng khối lượng môi chất

qua khe hẹp, với giả thiết dòng chảy liên tục và ổn định:

 Aeff : diện tích tiết diện lưu thông

 p01 : áp suất môi chất trước họng tiết lưu

 T01 : nhiệt độ môi chất trước họng tiết lưu

 R0 : hằng số chất khí

  : hệ số phụ thuộc tỷ lệ áp suất môi chất

Đối với dòng dưới âm:

 p2 : áp suất môi chất sau họng tiết lưu

 k : tỷ số nhiệt dung riêng của môi chất

Đối với dòng đồng âm (sonic flow)

Đường kính bên trong của đế xupáp dùng cho việc xác định độ nâng van định mức được thể hiện trên hình 2.11

Hình 2.11 Đường kính đế xupáp

Quá trình xả khí cháy khỏi xy lanh qua cửa xả được trình bày trong mô hình quét khí

2.2.2.5 Tính toán chuyển vị của piston

Chuyển vị của piston tính theo công thức (2.7)

 l: chiều dài thanh truyền

 : góc giữa đường nối tâm quay với piston ở điểm chết trên với trục thẳng đứng (trường hợp xy lanh lệch tâm);

 Qwi : nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xy lanh, piston, lót xy lanh)

 Ai : diện tích truyền nhiệt (nắp xy lanh, piston, lót xy lanh)

 w : hệ số truyền nhiệt

 Tc : nhiệt độ môi chất trong xy lanh

 Twi : nhiệt độ thành (nắp xy lanh, piston, lót xy lanh)

Trong trường hợp nhiệt độ của thành lót xy lanh, biến đổi nhiệt độ dọc trục giữa vị trí ĐCT và ĐCD được tính theo biểu thức sau:

c.x

L L, DCT

––

Trong đó:

 TL : nhiệt độ thành lót xy lanh

 TL, ĐCT : nhiệt độ thành lót xy lanh tại vị trí ĐCT

 TL, ĐCD : nhiệt độ thành lót xy lanh tại vị trí ĐCD

 x : dịch chuyển tương đối của piston (vị trí thực tế của piston so với toàn

 Lorenz (chỉ dùng cho động cơ có buồng cháy ngăn cách)

Công thức Woschni 1978 áp dụng phổ biến để tính hệ số truyền nhiệt cho động cơ diesel nói chung, công thức này chỉ xét đến các thông số rất cơ bản của động cơ như diện tích ống lót xylanh, diện tích đỉnh piston… Trong nghiên cứu này

sử dụng công thức Woschni 1978 bởi dễ áp dụng và có độ chính xác phù hợp, thể hiện qua kết quả kiểm chứng giữa mô phỏng và thực nghiệm

Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni 1978 được tính theo phương trình sau:

0,8

D c,1 0,2 0,8 0,53

 C2 = 0,00324 đối với động cơ phun trực tiếp

 C2 = 0,00622 đối với động cơ phun gián tiếp

 D : đường kính xy lanh

 cm: tốc độ trung bình của piston

 c =u π.D.nd

60 : tốc độ tiếp tuyến

với: nd : tốc độ xoáy của môi chất; nd = 8,5 n

 VD: thể tích công tác của 1 xy lanh

 pc: áp suất môi chất trong xy lanh

 pc,o: áp suất khí trời

 Tc,1: nhiệt độ môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xupáp nạp

 pc,1 : áp suất môi chất trong xy lanh tại thời điểm đóng xupáp nạp

2.2.2.7 Mô hình cháy trong xy lanh

2.2.2.7.1 Mô hình cháy Vibe 2 vùng

Quá trình cháy chịu ảnh hưởng của rất nhiều thông số, phần mềm AVLBoost

mô tả quá trình cháy thông qua đặc tính tỏa nhiệt, chu trình cháy lý thuyết, quá trình cháy do người sử dụng định nghĩa hoặc đặc tính tỏa nhiệt dự tính Trong đó cách thức tiếp cận tiện lợi và phổ biến nhất là sử dụng phương trình cháy Vibe

Quy luật Vibe được xác định thông qua các tham số như: điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy, tham số đặc trưng cháy “m” Các thông số trên có thể là không đổi hoặc thay đổi phụ thuộc vào từng chế độ làm việc của động cơ thông qua phương trình sau:

  – m+1

m c

 c: khoảng thời gian cháy

 m =2 : tham số đặc trưng cháy

Với x : phần trăm khối lượng môi chất đốt cháy

Với mô hình cháy Vibe 2 vùng, môi chất trong xylanh được chia thành 2 vùng: vùng cháy và vùng chưa cháy Phương trình nhiệt động thứ nhất được viết cho 2 vùng này như sau:

2.2.2.7.2 Mô hình cháy 2 giai đoạn ( Mixing Controlled Combustion , MCC)

Nhiệt lượng tỏa ra trong xy lanh tập trung chủ yếu trong giai đoạn cháy nhanh

và cháy chính, vì vậy có thể tính lượng nhiệt tỏa ra theo công thức:

dα : biến thiên nhiệt lượng trong giai đoạn cháy nhanh

Nhiệt lượng trong giai đoạn cháy chính được tính bằng:

dQMCC Comb 1.  F,QMCC 2 k,V 

dα  (2.23) Trong đó:

  MCC   Rate

F MCC F Oxygen,available 1

CQ

 QMCC: lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn cháy chính (kJ)

 CComb: hằng số cháy (kJ/kg/độ trục khuỷu)

 CRate: hằng số hòa trộn hỗn hợp

 K: thế năng của dòng chuyển động rối (J)

 mF: lượng nhiên liệu được hóa hơi (kg)

 LCV: nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg)

 V: thể tích xy lanh (m3)

 : Góc quay trục khuỷu (độ)

 WOxygen,available : tỷ lệ khối lượng ôxy có trong hỗn hợp khi bắt đầu phun nhiên liệu

 CEGR : hằng số xét đến ảnh hưởng của khí thải luân hồi

Thế năng của dòng chuyển động rối được xác định như sau:

k =

Trong đó:

 Ekin : thế năng của tia nhiên liệu (J)

 Cturb : hằng số năng lượng chuyển động rối

 CDiss : hằng số suy giảm

 mF,I : lượng nhiên liệu phun vào (kg)

 v : tốc độ nhiên liệu

 mstoich : khối lượng không khí lý tưởng để đốt cháy hết nhiên liệu (kg)

 λDiff : hệ số dư lượng không khí trong quá trình cháy chính

Nhiệt lượng trong giai đoạn cháy nhanh: sử dụng phương trình Vibe 2.15 để tính toán tốc độ tỏa nhiệt:

 ∆c = mfuel,id .CPMC

 mfuel, id : tổng lượng nhiên liệu được phun vào trong giai đoạn cháy trễ

 CPMC-Dur : hệ số xét đến thời gian cháy nhanh

2.2.3 Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành khí thải trong động cơ

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xy hóa nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số Sản phẩm độc hại của quá trình cháy trong động cơ diesel và CNG diesel bao gồm các chất: CO, NOx và SOOT (bồ hóng) [14]

2.2.3.1 Hình thành phát thải CO

Mônôxit cácbon được hình thành từ phản ứng [16]:

2C + O2 = 2CO (2.28) Đây là phản ứng cháy thiếu ôxy, từ phương trình này có thể thấy rằng, nếu  càng nhỏ thì nồng độ CO càng lớn và ngược lại Tuy nhiên, trong quá trình giãn nở, một phần CO sẽ kết hợp với hơi nước (trong sản phẩm cháy) để tạo thành CO2:

CO + H2O = CO2 + H2 (2.29) Khi  > 1, về lý thuyết thừa ôxy nhưng vẫn có một lượng nhỏ CO Lý do là trong buồng cháy vẫn có những vùng cục bộ có < 1, tại đó quá trình cháy thiếu ôxy Mặt khác, tại những vùng sát vách, do hiệu ứng làm lạnh còn gọi là hiệu ứng sát vách nên CO không ôxy hoá tiếp thành CO2 Trong khi đó, phần lớn CO sinh ra trong quá trình cháy sẽ kết hợp tiếp với ôxy trong quá trình giãn nở ở điều kiện nhiệt độ từ 1700 K đến 1900 K để tạo thành CO2 theo phản ứng sau:

CO + O2 = CO2 (2.30) Khi nhiệt độ trong quá trình giãn nở < 1700 K, nồng độ CO không đổi.Đây chính là nồng độ CO trong khí thải