Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng thông số kết cấu đến đặc tính động cơ diesel chuyển đổi dùng khí thiên nhiên nén (CNG) - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THANH TÂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THANH TÂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: 1. LÊ ANH TUẤN 2. TRẦN ĐĂNG QUỐC HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THANH TÂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: 1. LÊ ANH TUẤN 2.

TRẦN ĐĂNG QUỐC HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, tháng … năm 2022 TM TT HƯỚNG DẪN Nghiên cứu sinh GS. Lê Anh Tuấn TS. Trần Đăng Quốc Trần Thanh Tâm i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn và TS Trần Đăng Quốc đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn Động cơ đốt trong và Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Trần Thanh Tâm ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC.

iii DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU. vi DANH MỤC HÌNH VẼ. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU. xi MỞ ĐẦU.

Lý do chọn đề tài. Mục tiêu của đề tài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Các điểm mới của luận án. Bố cục luận án .5 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN. Nguồn gốc của khí thiên nhiên.

Nguồn gốc hữu cơ. Nguồn gốc vô cơ. Phân biệt về nguồn gốc khí thiên nhiên. Trữ lượng khí thiên nhiên.

Đặc điểm của khí thiên nhiên. Tính chất đặc trưng. So sánh khí thiên nhiên với nhiên liệu gốc dầu mỏ. Khái niệm về thông số kết cấu và vận hành.

Thông số kết cấu. Thông số vận hành. Tổng quan nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên. Các nghiên cứu ngoài nước.

Các nghiên cứu trong nước. Kết luận chương 1 .23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƯỠNG BỨC SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN. Tổng quan về cháy cưỡng bức. Định luật bảo toàn khối lượng.

Định luật thứ nhất của nhiệt động học. Một số mô hình cháy cưỡng bức. Mô hình cháy không chiều (Zero dimensional combustion model). Mô hình cháy Fractal (Fractal combustion model).

Mô hình xác định trị số Ốc-tan yêu cầu (ON: Required Octane Number). Mô hình xác định vận tốc squish ở bên trong xylanh động cơ (Squish velocity)43 2. Kết luận chương 2. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN.

Giới thiệu chung. Xây dựng và điều khiển mô hình mô phỏng động cơ. Lựa chọn các phần tử cho mô hình và kết nối các phần tử. Nhập dữ liệu chung cho mô hình.

Nhập dữ liệu cho từng phần tử. Điều khiển mô hình để xác định ảnh hưởng của thông số vận hành và thông số kết cấu đến trị số Ốc-tan yêu cầu. Điều khiển mô hình để xác định ảnh hưởng kết cấu buồng cháy, vị trí đặt bugi đến thời gian cháy. Điều khiển mô hình để xác định ảnh hưởng của thông số kết cấu đến đặc tính làm việc của động cơ.

Kết cấu hình học đỉnh piston. Hiệu chuẩn và đánh giá độ chính xác của mô hình. Kết quả mô phỏng và thảo luận. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến trị số ốc tan yêu cầu.

Ảnh hưởng của tỷ số nén đến mô men và công suất. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và vận hành đến thời gian cháy. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy đến mô men và công suất. Ảnh hưởng của thông số kết cấu đến khí thải.

Kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. Chuyển đổi động cơ diesel một xylanh S1100 thành động cơ khí thiên nhiên 84 4. Lắp đặt hệ thống đánh lửa.

Vị trí lắp cảm biến áp suất. Cảm biến lưu lượng khí nạp. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên. Lựa chọn kết cấu hình học và thay đổi tỷ số nén động cơ.

Mục đích thử nghiệm. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm. Trang thiết bị thử nghiệm. Phanh điện APA100.

Thiết bị đo lượng nhiên liệu. Tủ phân tích khí CEB-II. Cảm biến đo áp suất. Quy trình và phạm vi thử nghiệm.

Quy trình thử nghiệm. Phạm vi thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm và thảo luận. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến mô men, công suất.

Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến khả năng cháy. Ảnh hưởng của hình dạng đỉnh piston và tỷ số nén đến khí thải. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm. Kết luận chương 4.

111 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 121 v DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu/ viết tắt Diễn giải AVL Boost Phần mềm mô phỏng của hãng AVL A/F Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu BMEP Áp suất có ích trung bình CNG Nhiên liệu khí thiên nhiên nén LNG Khí thiên nhiên hoá lỏng IMEP Áp suất chỉ thị trung bình QLHV Nhiệt trị thấp của nhiên liệu ε Tỷ số nén λ Hệ số dư lượng không khí CO Cacbon monoxide CO2 Điôxít cacbon HC Hydro cacbon NOx Nitric oxide PM Các chất thải dạng hạt CH4 Methane O2 Ô xi He Hê-li Ar Argon N2 Nitơ H2S Hyđrô sulfít Me Mô men có ích Ne Công suất có ích ge Suất tiêu hao nhiên liệu Gnl Lượng nhiên liệu IT Thời điểm đánh lửa n Tốc độ động cơ ma Lưu khối khí nạp mf Lưu khối nhiên liệu cấp HRR Tốc độ giải phóng nhiệt ON Chỉ số Ốc-tan vi Ký hiệu/ viết tắt Diễn giải TKE Động năng rối của dòng môi chất MFB Hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy ĐCT Điểm chết trên ĐCD Điểm chết dưới Db Đường kính lõm trên đỉnh piston Hb Độ sâu vết lõm trên đỉnh piston OB Vị trí tâm lõm trên đỉnh piston OS Vị trí lắp đặt bugi α Góc quay trục khuỷu MFB Khối lượng nhiên liệu đã cháy P Áp suất trong xylanh V Thể tích buồng cháy Q Nhiệt lượng Cm Tốc độ trung bình của piston ∆αc Thời gian cháy ηv Hệ số nạp WOT Bướm gió IEA Cơ quan năng lượng quốc tế TNHH Trách nhiệm hữu hạn MTV Một thành viên Air Không khí Fuel Nhiên liệu vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.

Thông số kết cấu của đỉnh piston. Động cơ nhiên liệu liệu kép cỡ nhỏ sử dụng phương pháp hòa trộn. Sơ đồ hình dạng hình học của các buồng cháy. Buồng đốt phụ của động cơ.

Quá trình cháy của động cơ làm việc theo chu trình Otto. Mô hình tiếp xúc của màng lửa với thành xylanh. Hình dạng đỉnh piston và vùng xuất hiện squish. Động cơ nghiên cứu được mô phỏng bằng AVL Boost.

Cửa sổ nhập thông số phần tử động cơ. Cửa sổ nhập thông số cho mô hình tính ma sát động cơ. Cửa sổ nhập thông số cho phần tử xylanh động cơ. Cửa sổ lựa chọn mô hình cháy cho mô hình mô phỏng.

Các thông số nhập vào trong mô hình cháy Fractal. Các thông số hình dạng buồng cháy được nhập vào mô hình. Các thông số của hàm tính trị số Octan yêu cầu. Cửa sổ nhập thông số cho phần Heat Tranfer.

Nhập thông sổ điều khiển vòi phun nhiên liệu. Thông số đường ống nạp. Biểu diễn vị trí dịch chuyển tâm lõm và bugi. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến tổn hao cơ giới.

Kết quả hiệu chuẩn mô hình. Ảnh hưởng tỷ số nén đến trị số Ốc-tan yêu cầu. Ảnh hưởng tỷ số nén đến vùng làm việc của của động cơ. Ảnh hưởng của lambda đến trị số Ốc-tan yêu cầu.

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến trị số Ốc-tan yêu cầu. Sự thay đổi của tốc độ cháy theo góc quay trục khuỷu. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu. Động năng rối (TKE) thay đổi theo góc quay trục khuỷu (CA).

Tỷ lệ nhiên liệu được đốt cháy theo góc quay trục khuỷu. Tốc độ giải phóng nhiệt thay đổi theo góc quay trục khuỷu. Ảnh hưởng thời điểm đánh lửa đến trị số Ốc-tan yêu cầu .