Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong luận

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác! Đà Nẵng, tháng 4 năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Mạnh Cƣờng I MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .IX DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

XII MỞ ĐẦU. 1 Chương 1: TỔNG QUAN. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học.

Giới thiệu chung về biodiesel. Tổng quan về biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su. Đặc điểm chung của cây cao su và dầu hạt cao su. Đặc điểm về tính chất hóa học của dầu hạt cao su.

Đặc điểm về tính chất vật lý của dầu hạt cao su. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam.

Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ diesel. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn biodiesel.

Tình hình nghiên cứu quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel. Trên thế giới. Tại Việt Nam. Kết luận chương 1.

Mô hình cháy hỗn hợp khuếch tán không hòa trộn trước. Mô hình rối. Hệ phương trình tổng quát biểu diễn tia phun rối. Mô hình cháy chính của J.

Mô hình cháy trễ của Kong và Reitz. Đại lượng bảo toàn. Tốc độ màng lửa rối. Tính toán nhiệt độ.

Tính toán các đại lượng trung bình. Mô hình hình thành bồ hóng. Mô hình hình thành NOx. Mô hình phát thải HC.

Mô hình phát thải CO. Tính toán mô phỏng quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel. Các phần mềm dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ. Giới thiệu về mô phỏng CFD và phần mềm ANSYS FLUENT.

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi mô phỏng. Xây dựng mô hình hình học buồng cháy và rời rạc hóa mô hình. Cài đặt các thông số mô hình. Chế độ mô phỏng và thiết lập mô hình mô phỏng.

Khởi động tính toán và xử lý kết quả. Thiết lập điều kiện biên và xác định hệ số hiệu chỉnh mô hình. Đánh giá độ chính xác của mô hình. Kết luận chương 2.

66 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. Mục tiêu và đối tượng thực nghiệm. Mục tiêu thực nghiệm. Đối tượng thực nghiệm.

Bố trí và lắp đặt thực nghiệm. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. Lắp đặt động cơ thực nghiệm. Bố trí và lắp đặt thực nghiệm nội soi buồng cháy.

Giới thiệu các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm. Phương pháp thực nghiệm. Điều kiện thực nghiệm. Nội dung các chế độ thực nghiệm.

Quy trình thực nghiệm. Điều kiện giới hạn của thực nghiệm. Phân tích đánh giá các yếu tố tác động đến kết quả thực nghiệm. Ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu.

Ảnh hưởng của thiết bị thí nghiệm. Ảnh hưởng sai số khi phân tích dữ liệu thực nghiệm. Xử lý kết quả thực nghiệm. Phương pháp toán học trong xử lý kết quả thực nghiệm.

Giới thiệu về phần mềm Matlab/Simulink. Mã code chương trình tính toán trong phần mềm Matlab/Simulink. Kết luận chương 3. 83 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

Đặc trưng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL. Sự ổn định của quá trình cháy trong động cơ. Biến thiên áp suất cháy trong xylanh động cơ. Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh động cơ.

Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh động cơ. Tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy MFBR và khoảng thời gian cháy. Hiệu suất cháy. Hiệu suất nhiệt.

Nhiệt độ khí thải. Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel. Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ. Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu kinh tế của động cơ.

Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu phát thải của động cơ. Trực quan hóa đặc trưng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL. Kết quả mô phỏng diễn biến quá trình cháy trong động cơ Mazda WL. Trực quan hóa quá trình cháy của biodiesel trong động cơ Mazda WL bằng phương pháp nội soi buồng cháy.

Kết luận chương 4. 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. - 1 - TÀI LIỆU THAM KHẢO. - 3 - V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1.

Các ký hiệu mẫu tự La Tinh : D [mm] Đường kính xylanh Gnl [kg/h] Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ gi [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích i [-] Số xylanh Li [N/m] Công chỉ thị Me [N/m] Mô men đầu ra trục khuỷu Memax [N/m] Mô men cực đại M0 [Kmol/kg] Lượng không khí lý thuyết Ne [kW] Công suất có ích động cơ Nedm [kW] Công suất định mức Nemax [kW] Công suất có ích cực đại n [v/ph] Số vòng quay động cơ ndm [v/ph] Số vòng quay định mức ngemin [v/ph] Số vòng quay ứng với ge nhỏ nhất nmax [v/ph] Số vòng quay cực đại nM [v/ph] Số vòng quay ứng với Me cực đại pe [N/m2] Áp suất có ích trung bình pi [N/m2] Áp suất chỉ thị trung bình pk [N/m2] Áp suất trước xú-páp nạp Ta [K] Nhiệt độ cuối quá trình nạp pa [N/m2] Áp suất cuối quá trình nạp QH [J/kg] Nhiệt trị thấp của một kg nhiên liệu S [mm] Hành trình pít-tông Tk [K] Nhiệt độ trước xú-páp nạp Vh [m3] Thể tích công tác qi [j/kW.h] Nhiệt lượng tiêu hao VI wphun [m/s] Vận tốc phun p’ [kG/cm2] Áp suất phun trung bình p'k [kG/cm2] Áp suất không khí nén trong xylanh t [s] Thời gian phun v [dm3/ct] Thể tích nhiên liệu cấp cho 1 xylanh g [kg/ct] Lượng nhiên liệu cấp cho 1 xylanh M1 [kg/s] Lưu lượng nhiên liệu ban đầu khi ra khỏi vòi phun M [kg/s] Lưu lượng tổng cộng của hỗn hợp khí Yox [-] Nồng độ oxy Yf [-] Nồng độ nhiên liệu Tox [oC] Nhiệt độ nguồn oxy Tf [oC] Nhiệt độ nguồn nhiên liệu Tad [oC] Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt của nhiên liệu trong oxy 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp :  [-] Số kỳ động cơ  [rad/s] Tốc độ góc của động cơ i [-] Hiệu suất chỉ thị  [-] Hệ số tăng áp  [kg/m3] Khối lượng riêng vt [-] Độ nhớt động học rối U, V [-] Đại lượng tốc độ dòng rối L [-] Độ dài hỗn hợp Kv [-] Hằng số tỷ lệ Prt [-] Hằng số Prantl  [-] Hệ số giản nở nhiệt của môi trường t [-] Hệ số nhớt rối Mt [-] Số Mach VII a [m/s] Vận tốc âm thanh k [-] Hệ số năng lượng rối động học  [-] Hệ số tiêu tán động năng rối  [-] Đại lượng bảo toàn 3. Các chữ viết tắt : ASTM American Society for Testing and Materials (Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ) EN Europe standard (Tiêu chuẩn Châu Âu) RBDF Rubber Biodiesel Fuel (Nhiên liệu sinh học từ dầu hạt cao su) FFA Free Fatty Acid (Axit béo tự do) RSO Rubber Seed Oil (Dầu hạt cao su) BMEP Brake Mean Effective Pressure (Áp suất có ích trung bình) IMEP Indicate Mean Effective Pressure (Áp suất chỉ thị trung bình) MFBR Mass Fraction Burn Rate (Tỷ lệ khối lượng cháy) BTE Brake Thermal Efficiency (Hiệu suất nhiệt) HRR Heat Release Rate (Tốc độ tỏa nhiệt) Ce Combustion efficiency (Hiệu suất cháy) Cd Combustion duration (Khoảng thời gian cháy) COV Coefficient of Variation (Hệ số biến thiên) COV of IMEP Hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình SOC Start of Combustion (Thời điểm bắt đầu cháy) EOC End of Combustion (Thời điểm kết thúc cháy) SOI Start of Injection (Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu) ID Ignition Delay (Thời gian cháy trễ) BSFC Brake Specific Fuel Consumption (Suất tiêu hao nhiên liệu) AVL Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List (Tên công ty) APA Asynchron Pendelmaschinen Anlage (Băng thử công suất) DO Diesel Oil (Nhiên liệu Diesel) B15 Biodiesel 15% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 15%) VIII B20 Biodiesel 20% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 20%) B25 Biodiesel 25% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 25%) B30 Biodiesel 30% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 30%) PTN Phòng thí nghiệm ppm parts per million (Một phần triệu) rpm revolutions per minute (Tốc độ vòng trên phút) TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam NLSH Năng lượng sinh học PM Particulate Metter (Bồ hóng hoặc vật chất hạt rắn) CFD Computational Fuild Dynamics (Động lực học chất lỏng) FDM Finite Difference Methods (Phương pháp sai phân hữu hạn) FEM Finite Element Methods (Phương pháp phần tử hữu hạn) FVM Finite Volume Methods (phương pháp thể tích hữu hạn) TĐCT Trước điểm chết trên SĐCT Sau điểm chết trên ĐCD Điểm chết dưới ĐCT Điểm chết trên DI Direct Injection (Phun trực tiếp) IDI Indirect Injection (Phun gián tiếp) CO Carbon monoxide CO2 Carbon dioxide HC Unburned hydrocarbons NOx Nitrogen oxides Opac Opacity (Độ mờ khói) CA Crank Angle (Góc trục khuỷu) o TK Độ trục khuỷu TĐ Thay đổi MP Mô phỏng TN Thực nghiệm IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hình ảnh cây, quả và dầu hạt cao su .2: Thống kê diện tích và sản lượng cao su tại Việt Nam [113] .3: Các khả năng chế biến từ hạt cao su .4: Sản lượng diesel sinh học ở châu Âu từ năm 1998 đến 2013 [112] .5: Sự phát triển ngọn lửa trong quá trình cháy của B0 và B100 [28] .1: Biến thiên áp suất cháy, tốc độ phun nhiên liệu, tốc độ tỏa nhiệt [61] .2: Tốc độ cháy và tỷ lệ nhiên liệu cháy theo góc quay trục khuỷu [61] .3: Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” [69] .4: Buồng cháy ngăn cách của động cơ Mazda WL- Turbo .5: Chia lưới buồng cháy ngăn cách của động cơ Mazda WL- Turbo .6: Lưu đồ thuật toán mô hình cháy trong mô phỏng Ansys [27].7: So sánh đường cong áp suất nén giữa mô phỏng và thực nghiệm .8: So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa MP và TN .1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm động cơ Mazda WL-Turbo .2: Lắp đặt động cơ thực nghiệm.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nội soi buồng cháy .4: Lắp đặt động cơ thực nghiệm nội soi buồng cháy trên băng thử AVL .