Nghiên cứu ảnh hưởng thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

Khí thiên nhiên có thành phần chính là metan. Phân tử nhẹ và sạch. Trị số octane đạt mức cao. Nhờ vậy động cơ chịu được tỷ số nén lớn mà không kích nổ. Nhiệt trị tính theo khối lượng vượt trội. Khí thiên nhiên nén được nén tới áp suất khoảng 200 bar. Thể tích thu nhỏ giúp lưu trữ trên phương tiện. Dạng hóa lỏng LNG phục vụ vận chuyển đường dài. CNG phù hợp cho ô tô và xe buýt đô thị. Chi phí nhiên liệu thấp. Mức phát thải khí nhà kính giảm. Đây là lợi thế cốt lõi của nguồn năng lượng này.

Hệ thống cung cấp quyết định hiệu quả của động cơ CNG. Khí nén được giữ trong bình áp suất cao. Van giảm áp đưa khí về mức làm việc. Vòi phun đưa nhiên liệu vào đường nạp hoặc buồng cháy. Hai dạng phổ biến là phun trên đường ống nạp và phun trực tiếp. Bộ điều khiển định lượng theo tải và tốc độ. Lượng khí cấp ảnh hưởng trực tiếp tới tỷ lệ hòa khí. Chất lượng hòa trộn quyết định quá trình cháy. Hệ thống phun chính xác giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải.

Động cơ CNG hình thành theo nhiều hướng. Hướng thứ nhất dùng lưỡng nhiên liệu. Động cơ chạy đồng thời CNG và diesel. Hướng thứ hai chuyển đổi từ động cơ xăng. Việc thay đổi tương đối đơn giản nhờ cùng nguyên lý cháy cưỡng bức. Hướng thứ ba chuyển đổi từ động cơ diesel. Cách này đòi hỏi lắp bugi và hệ thống đánh lửa. Tỷ số nén phải hạ xuống. Luận án chọn hướng chuyển đổi từ diesel sang CNG. Đây là hướng có giá trị thực tiễn cao cho đội xe hiện hữu.

Hỗn hợp đồng nhất là điều kiện cháy tốt. Khí CNG hòa trộn với không khí trên đường nạp hoặc trong xilanh. Thời điểm phun và vị trí vòi phun chi phối sự hòa trộn. Đường kính ống nạp ảnh hưởng tới chuyển động dòng khí. Xoáy lốc giúp khí phân tán đều. Tỷ lệ tương đương lambda đo độ đậm nhạt của hỗn hợp. Lambda gần một cho cháy hoàn toàn. Hỗn hợp nghèo giảm phát thải nhưng dễ cháy chậm. Việc kiểm soát hình thành hỗn hợp là chìa khóa của động cơ CNG.

Mô hình cháy không chiều mô tả diễn biến tỏa nhiệt. Các giả thuyết đơn giản hóa bài toán nhiệt động. Khối lượng hỗn hợp đã cháy tăng theo góc quay trục khuỷu. Mô hình một vùng coi buồng cháy có nhiệt độ đồng nhất. Tốc độ giải phóng nhiệt liên hệ trực tiếp với áp suất xilanh. Áp suất đỉnh quyết định mô men sinh ra. Mô hình cho phép dự đoán hiệu suất theo từng thông số phun. Kết quả mô hình là cơ sở so sánh với dữ liệu thực nghiệm.

Hai phần mềm hỗ trợ nghiên cứu mô phỏng. AVL Boost mô tả chu trình nhiệt động toàn động cơ. Phần mềm tính công suất, mô men và phát thải theo chế độ làm việc. Ansys Fluent giải bài toán động lực học dòng chảy. Phần mềm thể hiện trường tốc độ, áp suất và phân bố nhiên liệu trong xilanh. Mô phỏng tiết kiệm chi phí so với thử nghiệm thật. Mô hình cần hiệu chuẩn bằng số liệu đo. Sau hiệu chuẩn, mô phỏng dự báo ảnh hưởng của từng thông số phun nhiên liệu.

Thời điểm bắt đầu phun đổi khoảng cách giữa phun và đánh lửa. Phun sớm cho thời gian hòa trộn dài. Hỗn hợp đồng đều hơn. Phun muộn rút ngắn thời gian này. Hòa khí kém đồng nhất. Cả hai cực đoan đều giảm hiệu suất. Có một thời điểm tối ưu cho mỗi tốc độ. Thời gian phun quyết định lượng khí cấp vào động cơ. Thời gian dài cấp nhiều nhiên liệu, làm hỗn hợp giàu. Thời gian ngắn cho hỗn hợp nghèo. Việc cân chỉnh hai thông số này giữ cho động cơ chạy ổn định và tiết kiệm.

Lambda đo tỷ lệ không khí trên nhiên liệu. Lambda bằng một cho cháy hoàn toàn và công suất cao. Lambda lớn hơn một tạo hỗn hợp nghèo. Hỗn hợp nghèo giảm NOx và tiết kiệm khí. Tuy nhiên cháy có thể chậm và mất ổn định. Áp suất phun chi phối lưu lượng và độ tơi của tia khí. Áp suất cao đẩy nhiên liệu nhanh và đều. Hòa trộn cải thiện. Áp suất thấp làm tia yếu và phân bố kém. Cân bằng lambda và áp suất phun mang lại hiệu suất tối ưu cho động cơ CNG.

Đường kính ống nạp đổi vận tốc dòng khí. Ống nhỏ tăng tốc độ và xoáy lốc. Hòa trộn mạnh hơn nhưng tổn thất nạp tăng. Ống lớn giảm trở lực nhưng dòng khí yếu. Vị trí đặt vòi phun đổi điểm đưa nhiên liệu vào dòng. Vị trí gần xupáp giúp khí theo dòng vào xilanh nhanh. Vị trí xa cho thời gian hòa trộn dài hơn. Góc đánh lửa sớm cũng được khảo sát. Đánh lửa đúng thời điểm cho áp suất đỉnh hợp lý. Các yếu tố kết cấu này phối hợp nâng cao chất lượng cháy.

Mô hình động cơ dựng trên thông số hình học thực. Xilanh, đường nạp, đường thải và buồng cháy được mô tả chi tiết. AVL Boost ghép các phần tử thành chu trình kín. Ansys Fluent chia lưới không gian xilanh. Lưới mịn cho kết quả chính xác. Điều kiện biên lấy từ chế độ vận hành. Nhiên liệu CNG khai báo theo thành phần metan. Mô hình tái hiện nạp, nén, cháy và thải. Cấu trúc mô hình bám sát động cơ chuyển đổi từ diesel. Đây là nền cho mọi kịch bản khảo sát thông số phun.

Hiệu chuẩn đưa mô hình về sát thực tế. Số liệu công suất và mô men đo trên băng thử làm chuẩn. Các hệ số cháy được điều chỉnh. AVL Boost được hiệu chuẩn theo đường đặc tính. Ansys Fluent được điều khiển qua điều kiện biên và bước thời gian. Khi sai số nhỏ, mô hình đạt độ tin cậy. Mô hình hiệu chuẩn tốt phản ánh đúng xu hướng. Bước này bảo đảm kết quả khảo sát có giá trị. Hiệu chuẩn là điều kiện bắt buộc trước khi mô phỏng hàng loạt kịch bản.

Kết quả mô phỏng cho bức tranh tổng thể. Thời điểm phun tối ưu nâng công suất rõ rệt. Lambda hợp lý cân bằng giữa hiệu suất và phát thải. Thời gian phun chuẩn giữ hỗn hợp ổn định. Đường kính ống nạp phù hợp tăng độ xoáy. Vị trí vòi phun tốt cải thiện hòa trộn. Áp suất phun cao cho tia khí tơi và đều. Trường tốc độ và phân bố nhiên liệu hiển thị trực quan. Mỗi thông số có một vùng giá trị tốt nhất. Kết quả này được dùng để thiết kế thí nghiệm kiểm chứng.

Vòi phun điều khiển bằng điện cho độ chính xác cao. Bộ điều khiển định thời gian mở van theo tín hiệu. Lượng nhiên liệu điều chỉnh linh hoạt theo tải. Vòi phun cơ khí phụ thuộc áp suất đường ống. Khả năng điều chỉnh của loại cơ khí hạn chế. Luận án chọn vòi phun điện cho động cơ CNG. Lựa chọn này giúp khảo sát áp suất phun trên dải rộng. Đáp ứng nhanh của vòi phun điện phù hợp với chế độ thay đổi. Đây là cơ sở cho các phép đo thực nghiệm tiếp theo.

Áp suất phun tác động trực tiếp tới hiệu suất. Áp suất tăng làm tia khí tơi và đều hơn. Hòa trộn cải thiện. Công suất và mô men tăng tới một ngưỡng. Vượt ngưỡng, lợi ích giảm dần. Lượng nhiên liệu cấp cũng thay đổi theo áp suất. Khí thải phản ứng rõ với mức áp suất. Cháy tốt giảm CO và HC. Nhiệt độ cao có thể tăng NOx. Việc chọn áp suất phun hợp lý cân bằng giữa công suất và mức phát thải. Đây là kết quả thực nghiệm quan trọng của luận án.

Hai giải pháp phun được đặt cạnh nhau. Vòi phun điện cho công suất cao hơn ở nhiều chế độ. Mức phát thải cũng thấp hơn nhờ định lượng chính xác. Vòi phun cơ khí đơn giản nhưng kém linh hoạt. Kết quả thực nghiệm được so với mô phỏng. Hai bộ dữ liệu cho xu hướng trùng khớp. Sai lệch nằm trong giới hạn chấp nhận. Sự phù hợp khẳng định mô hình đáng tin. Giải pháp phun điện được khuyến nghị cho động cơ CNG chuyển đổi. So sánh này khép lại chuỗi nghiên cứu thông số phun.

Quá trình chuyển đổi đổi nguyên lý cháy của động cơ. Động cơ diesel dùng cháy do nén. Động cơ CNG dùng cháy cưỡng bức. Tỷ số nén được hạ xuống để tránh kích nổ. Bugi và hệ thống đánh lửa được lắp đặt. Vòi phun khí thay cho hệ thống phun diesel. Sau chuyển đổi, đặc tính làm việc được dựng lại. Đường công suất và mô men theo tốc độ được đo. Động cơ vận hành ổn định. Kết quả cho thấy hướng chuyển đổi khả thi về mặt kỹ thuật.

Hiệu quả động cơ được đánh giá toàn diện. Công suất đạt mức phù hợp với nhu cầu sử dụng. Mô men ổn định trên dải làm việc. Suất tiêu hao nhiên liệu được kiểm soát. Mức phát thải là điểm sáng lớn nhất. CO, HC và bụi mịn giảm mạnh so với diesel. Khí thiên nhiên cháy sạch hơn. Lợi ích môi trường rõ ràng. Hiệu quả kinh tế đến từ giá nhiên liệu thấp. Động cơ CNG chuyển đổi đáp ứng cả yêu cầu kỹ thuật và môi trường.

Luận án có nhiều đóng góp mới. Bộ thông số phun tối ưu cho động cơ CNG được xác định. Mô hình mô phỏng được hiệu chuẩn và kiểm chứng. Giải pháp vòi phun điện được chứng minh ưu việt. Dữ liệu thực nghiệm tại điều kiện Việt Nam được công bố. Hướng phát triển mở rộng sang phun trực tiếp áp suất cao. Nghiên cứu tiếp theo có thể tích hợp điều khiển điện tử nâng cao. Việc thử nghiệm trên xe thực tế là bước kế tiếp. Kết quả tạo nền tảng cho năng lượng sạch trong giao thông.