Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ô tô máy kéo nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu đến công suất và khí thải của động cơ diesel phun trực tiếp bằng phương pháp mô phỏng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ô tô máy kéo nghiên cứu ảnh hưởng quá trình phun nhiên liệu đến công suất và khí thải động cơ diesel phun trực tiếp qua mô phỏng.

• Tác giả: Triệu Minh Phúc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
• Trường học: Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu đến công suất và khí thải của động cơ Diesel phun trực tiếp bằng phương pháp mô phỏng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của phun nhiên liệu đến công suất và khí thải động cơ diesel phun trực tiếp

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu đến công suất động cơ và khí thải động cơ trong động cơ diesel phun trực tiếp. Phương pháp mô phỏng được sử dụng để đánh giá tác động của các thông số như thời điểm phun và thời gian phun. Kết quả cho thấy, việc thay đổi các thông số này có ảnh hưởng đáng kể đến lượng NOx và bồ hóng trong khí thải. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, tối ưu hóa động cơ thông qua điều chỉnh quá trình phun có thể cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm ô nhiễm không khí.

1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam

Trên thế giới, các nghiên cứu về công nghệ phun nhiên liệu đã được thực hiện rộng rãi, tập trung vào việc cải thiện hiệu suất động cơ và giảm khí thải độc hại. Tại Việt Nam, nghiên cứu này là một trong những nỗ lực đầu tiên áp dụng phương pháp mô phỏng để phân tích ảnh hưởng của phun nhiên liệu trong động cơ diesel phun trực tiếp. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc thiết kế và cải tiến động cơ, đặc biệt là trong bối cảnh yêu cầu ngày càng cao về bảo vệ môi trường.

II. Cơ sở lý thuyết về quá trình phun nhiên liệu và khí thải động cơ diesel

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về quá trình phun nhiên liệu và khí thải động cơ diesel. Các yếu tố như cấu trúc tia phun, góc mở tia phun, và sự phân bố kích thước hạt được phân tích chi tiết. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đề cập đến các mô hình toán học được sử dụng trong mô phỏng, bao gồm mô hình KH-RT và RNG k-epsilon. Các mô hình này giúp dự đoán chính xác hơn về hiệu suất nhiên liệu và ô nhiễm khí thải.

2.1. Các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ diesel

Khí thải từ động cơ diesel chứa nhiều chất ô nhiễm như NOx, bồ hóng, và CO2. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích cấu trúc và quá trình hình thành các chất này. Bồ hóng được hình thành từ quá trình cháy không hoàn toàn, trong khi NOx là sản phẩm của phản ứng oxy hóa ở nhiệt độ cao. Việc hiểu rõ các quá trình này giúp đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí.

III. Phương pháp mô phỏng và thiết lập thông số động cơ

Nghiên cứu sử dụng phần mềm KIVA3V để mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và cháy trong động cơ diesel phun trực tiếp. Các thông số động cơ được thiết lập dựa trên dữ liệu thực nghiệm từ động cơ 1 xy lanh của hãng AVL. Quá trình mô phỏng bao gồm việc đồng nhất các thông số như áp suất xy lanh và nhiệt độ để đảm bảo độ chính xác của kết quả. Phương pháp này cho phép đánh giá chi tiết ảnh hưởng của thời điểm phun và thời gian phun đến công suất động cơ và khí thải.

3.1. Thiết lập lưới và điều kiện mô phỏng

Việc thiết lập lưới mô phỏng là bước quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả. Nghiên cứu sử dụng mô hình lưới buồng đốt piston AVL với góc mô phỏng 72 độ. Các điều kiện mô phỏng được thiết lập dựa trên dữ liệu thực nghiệm, bao gồm áp suất xy lanh và nhiệt độ. Quá trình này giúp đảm bảo rằng kết quả mô phỏng phản ánh chính xác hiệu suất thực tế của động cơ.

IV. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến công suất và khí thải

Nghiên cứu chỉ ra rằng, thời điểm phun có ảnh hưởng đáng kể đến công suất động cơ và khí thải. Khi thời điểm phun sớm hơn, lượng NOx tăng lên trong khi lượng bồ hóng giảm xuống. Ngược lại, khi thời điểm phun muộn hơn, lượng bồ hóng tăng lên nhưng NOx giảm. Kết quả này cho thấy sự cần thiết của việc tối ưu hóa động cơ thông qua điều chỉnh thời điểm phun để đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và bảo vệ môi trường.

4.1. Phân tích ảnh hưởng của thời điểm phun đến áp suất và nhiệt độ xy lanh

Khi thời điểm phun thay đổi, áp suất và nhiệt độ trong xy lanh cũng thay đổi đáng kể. Nghiên cứu chỉ ra rằng, thời điểm phun sớm hơn dẫn đến áp suất và nhiệt độ cao hơn, điều này làm tăng lượng NOx. Ngược lại, thời điểm phun muộn hơn làm giảm áp suất và nhiệt độ, dẫn đến lượng bồ hóng tăng lên. Kết quả này cho thấy sự cần thiết của việc điều chỉnh thời điểm phun để đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và khí thải.

V. Ảnh hưởng của thời gian phun đến công suất và khí thải

Nghiên cứu cũng phân tích ảnh hưởng của thời gian phun đến công suất động cơ và khí thải. Khi thời gian phun tăng lên, lượng NOx giảm rõ rệt, trong khi lượng bồ hóng tăng lên trong giai đoạn đầu và sau đó giảm xuống. Kết quả này cho thấy rằng, việc điều chỉnh thời gian phun có thể giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm không khí.

5.1. Phân tích ảnh hưởng của thời gian phun đến hình thành bồ hóng và NOx

Khi thời gian phun tăng lên, lượng bồ hóng hình thành trong buồng đốt tăng lên trong giai đoạn đầu, nhưng sau đó giảm xuống do quá trình oxy hóa. Ngược lại, lượng NOx giảm rõ rệt khi thời gian phun tăng lên. Kết quả này cho thấy rằng, việc điều chỉnh thời gian phun có thể giúp kiểm soát lượng bồ hóng và NOx trong khí thải, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm không khí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn ñề tài: 1. Xu thế phát triển của ñộng cơ Diesel: Do hiệu suất nhiệt của ñộng cơ Diesel cao hơn những dòng ñộng cơ khác nên chúng ñược ứng dụng rộng rãi trên các phương tiện vận tải; ñặc biệt là vận tải hàng hóa, chẳng hạn như: ôtô khách, ôtô tải, xe lửa, tàu thủy… Chính vì lý do này, thị trường ñộng cơ Diesel ngày càng phát triển, không chỉ ở riêng Việt Nam mà cả những thị trường khó tính trên thế giới. Với một nền công nghiệp phát triển, chắc hẳn không thể thiếu việc vận chuyển sản phẩm, hàng hóa từ nơi này sang nơi khác.

Từ ñó, dòng ñộng cơ Diesel cũng phát triển theo. Sau ñây là một số số liệu cụ thể về thị trường của ñộng cơ Diesel tại các nước trên thế giới:
Tại thị trường các nước liên minh Châu Âu EU: (nguồn AutomotiveWorld.com) Vào năm 1990, ôtô trang bị ñộng cơ Diesel tại thị trường các nước Tây Âu chỉ chiếm 13,8% nhưng theo thống kê năm 2007 của ACEA (European Automobile Manufacturers Association), ôtô gắn ñộng cơ Diesel chiếm 53,3% thị phần ôtô tại thị trường này. Thị trường Luxembourg ñạt tỉ lệ cao nhất 77,2%; tiếp theo là Bỉ (77%) và ngay sau ñó là Pháp (73,8%) và Tây Ban Nha ñạt tỉ lệ xấp xỉ 70,9%. Dung tích xy lanh trung bình của dòng ñộng cơ Diesel trên ôtô chở khách là 1.740cc vào năm 2007 so với 1.745cc của những năm 2006 và 2004.

Trong bản báo cáo này cũng chú ý ñến công suất trung bình của dòng ñộng cơ này cũng tăng lên, vươn ñến 87kW vào năm 2007.
Thế hệ ñộng cơ Diesel mới tại thị trường Châu Âu: (nguồn Frost & Sullivan Research Service) Thị phần ñộng cơ Diesel của thị trường này ngày càng tăng, từ xấp xỉ 14% vào những năm 1987 lên 33% năm 2000 và ñạt 45% vào năm 2003; và ngày càng LVThS - Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp bằng mô phỏng -2- tăng khi xuất hiện các dòng ñộng cơ Diesel phun trực tiếp kết hợp công nghệ Common Rail và sử dụng tăng áp khí nạp. Trung tâm nghiên cứu Frost & Sullivan cũng ñưa ra dự ñoán của mình về thị trường ñộng cơ Diesel trong giai ñoạn 2001-2012 khi ứng dụng các công nghệ mới chẳng hạn như sử dụng bộ lọc bồ hóng, công nghệ CRDI (common rail trên ñộng cơ Diesel phun trực tiếp). Theo dự ñoán, vào năm 2012 giá trị sẽ ñạt 147 tỉ Euro với số lượng lên ñến 4,4 triệu xe.

Dự báo thị phần ñộng cơ Diesel thế giới giai ñoạn 2012-2017: (nguồn Freedonia Group, Inc) - Nhu cầu về ñộng cơ Diesel sẽ tăng 3%/năm vào 2012. - Thị trường Châu Á sẽ tăng ñột biến: Châu Á hiện ñang là thị trường ñộng cơ Diesel lớn nhất thế giới, vượt hẳn các nước Tây Âu, tập trung ở thị trường các nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc. Theo dự báo, vào năm 2012 thị phần sẽ tăng thêm 1/3 so với hiện nay. Tại Nhật, mặt dù phân khúc xe gia ñình tăng nhanh nhưng dòng xe tải và xe khách vẫn tăng tuyệt ñối.

- Thị trường Bắc Mỹ tăng nhanh hơn Tây Âu: tại Nam Mỹ, Hoa Kỳ là thị trường tiềm năng cho sự phát triển của phân khúc xe thương mại ñến 2012. Tại Đông Âu và Mỹ Latinh, nhu cầu xe sử dụng ñộng cơ Diesel dự báo tăng khoảng 4%/năm từ 2007 ñến 2012. Tuy nhiên, hai thị trường này cũng chỉ mới chiếm khoảng 6% nhu cầu của cả khu vực. - Nhu cầu sử dụng ñộng cơ Diesel trong các lĩnh vực khác cũng tăng nhanh: Sự phát triển của dòng ñộng cơ Diesel ở những lĩnh vực khác cũng tăng mạnh vào 2012, tương ñương 2% ñến 4%.

Thị trường này ñược trông chờ phát triển mạnh hằng năm trong khi phân khúc Ôtô ñược dự báo sẽ chuyển sang nhu cầu mới. LVThS - Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp bằng mô phỏng -3- 1. Ưu ñiểm của phương pháp mô phỏng:[16]
Khái niệm: - Mô phỏng là quá trình diễn tả một sự vật hoặc một hiện tượng cho một ñối tượng khác hiểu và làm ñược. Đối với những hiện tượng lớn mà mô phỏng theo phương pháp trên khó thực hiện ñược nên người ta chuyển qua một hàm theo thời gian t: f(t).

Tuy nhiên, phải nén thời gian lại theo môt cách riêng ñể có thể diễn tả f(t). - Mô phỏng là việc tạo ra một mô hình ñơn giản cho vật thể hoạt ñộng dựa trên những quy luật mô phỏng theo ñiều kiện thực tế, trên mô hình này ta có thể xác ñịnh những thông số tác ñộng và các ñặc tính làm việc của vật thể ñó.
Ưu và nhược ñiểm của phương pháp mô phỏng: Ưu ñiểm: - Tiết kiệm thời gian và chi phí do không phải chế tạo nhiều vật mẫu ñể thử nghiệm. - Có thể xem xét gần như không hạn chế mức ñộ chi tiết của các kết quả mô phỏng.

- Có thể áp ñặt các ñiều kiện ban ñầu rất khắc nghiệt mà phương pháp thực nghiệm khó tạo ra. - Tránh việc chế tạo các vật mẫu nghiên cứu không cần thiết. - Khắc phục trước các sai sót có thể khi chế tạo vật mẫu. - Loại bỏ tính ước lượng, ñoán chừng trong thiết kế vật nghiên cứu.

Nhược ñiểm: - Kết quả mô phỏng phụ thuộc nhiều vào các thông số ban ñầu nên mức ñộ chính xác chưa hoàn toàn như thực tế. - Do sự hạn chế về tốc ñộ xử lý của máy tính nên ñối với những bài toán phức tạp vẫn ñòi hỏi mất nhiều thời gian và tương ñối tốn kém. LVThS - Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp bằng mô phỏng -4- 1. Mục tiêu ñề tài và ñối tượng nghiên cứu: 1.

Mục tiêu ñề tài: - Giảm ô nhiễm môi trường; - Tăng công suất ñộng cơ bằng cách thay ñổi một số thông số của quá trình phun nhiên liệu trong ñộng cơ Diesel. Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu mô phỏng quá trình phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel có công suất dưới 300 mã lực, buồng cháy trực tiếp. Giới hạn ñề tài: Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu trên ñộng cơ thí nghiệm một xylanh của hãng AVL 1. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp mô phỏng trên ñộng cơ cụ thể 1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới: Như chúng ta ñã biết, quá trình phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel ñóng vai trò chính trong việc phát thải ra các chất gây ô nhiễm và tác ñộng lớn ñến suất tiêu hao nhiên liệu cũng như công suất của ñộng cơ. Tùy thuộc vào phương thức và thời ñiểm mà nhiên liệu phun vào buồng ñốt có thể làm cho ô nhiễm trong khí xả và tiêu hao nhiên liệu khác nhau. Có rất nhiều công trình nghiên cứu ñã chứng minh và góp phần vào sự phát triển của hệ thống phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel ngày nay ñể giảm thiểu ñáng kể các chất ñộc hại trong khí xả. Weaver và nhóm tác giả ñã chỉ ra rằng khi giảm góc phun sớm sẽ làm cho lượng NOx trong khí xả giảm.

Nhưng vấn ñề xảy ra khi nồng ñộ NOx giảm thì lượng bồ hóng lại tăng (Weaver và nhóm tác giả,1994, [33]). Điều này cũng ñã ñược chứng minh qua rất nhiều công trình nghiên cứu khác, chẳng hạn như nghiên cứu về tác ñộng của áp suất phun kết hợp phun tách (Okude và nhóm tác giả, 2007, [28]); ảnh hưởng của thời ñiểm phun và tuần hoàn khí xả (Miyamoto và nhóm tác giả,1999, [26]); hoặc nghiên cứu ảnh hưởng của xoáy lốc dòng khí nạp trên ñộng cơ Diesel phun trực tiếp… cũng nhằm mục ñích giảm ô nhiễm khí xả và nâng cao công suất LVThS - Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp bằng mô phỏng -5- ñộng cơ. Hệ thống nhiên liệu “common Rail” ra ñời ñể tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu, với áp suất phun tạo ra cao sẽ làm cho nồng ñộ bồ hóng giảm vì ñiều này giúp cải thiện cho quá trình phân rã hạt nhân, bay hơi và hòa trộn với không khí của tia nhiên liệu (Flaig và nhóm tác giả,1999, [11]). Tuy nhiên, như ñã trình bày ở trên, áp suất phun tăng lại làm cho nồng ñộ NOx tăng theo, nguyên nhân do nhiệt ñộ cháy cao và các vùng không khí giàu ôxi xung quanh ñiểm lửa gây ra (Gunabalan và nhóm tác giả, 2010, [12]).

Việc kết hợp của hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR) và hiệu chỉnh góc phun sớm trên ñộng cơ Diesel có thể giảm ñược NOx nhưng lại làm tăng lượng bồ hóng phát thải (Han và nhóm tác giả, 1996, [15]). Hoặc kết hợp giữa kỹ thuật phun tách và EGR (Mingfa và nhóm tác giả, 2009, [25]), hay kết hợp ưu ñiểm của hệ thống “common rail” với EGR (Millo và nhóm tác giả, 2009, [24]) có thể cải thiện công suất ñộng cơ và giảm ô nhiễm nhưng NOx và bồ hóng luôn luôn có sự xuất hiện trái ngược nhau trong khí xả ñộng cơ Diesel. LVThS - Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phun nhiên liệu ñến công suất và khí thải của ñộng cơ Diesel phun trực tiếp bằng mô phỏng -6- CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Khái quát về các chất ô nhiễm trong khí thải ñộng cơ Diesel phun trực tiếp: [9];[16] Tương tự như ñộng cơ xăng, khí thải ñộng cơ Diesel là sự kết hợp của Nitơ, Oxi, Hidrocarbon và CO2.

Khí thải của ñộng cơ Diesel bao gồm phần lớn các phần tử của không khí, nhưng chất này không làm nguy hại lớn ñến môi trường. Còn lại khoảng 6,5% là các chất khí có thể ảnh hưởng lớn ñến môi trường cần ñược kiểm soát. Carbon Dioxide (CO2) quan hệ trực tiếp ñến hiệu suất của 1 ñơn vị quá trình cháy. Hiệu suất càng cao bao nhiêu thì lượng khí CO2 thải ra càng thấp bấy nhiêu.

Động cơ Diesel có hiệu suất cao vì thế lượng khí CO2 thải ra thấp hơn rất nhiều so với các loại ñộng cơ ñốt trong sử dụng nhiên liệu khác[16]. CO2 là khí gây nên hiệu ứng nhà kính, vì vậy cần ñược cần ñược kiểm soát ở mức ñộ có thể chấp nhận ñược. CO và HC trực tiếp liên quan ñến quá trình cháy. Nếu quá trình cháy xảy ra hoàn hảo thì lượng khí CO và HC sẽ thấp.

Tương tự như CO2, CO và HC cũng cần ñược kiểm soát khi nói ñến ô nhiễm do khí thải của ñộng cơ ñốt trong. SOx lại liên quan ñến việc chọn nhiên liệu sử dụng. Nếu nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao thì khí thải sẽ có nhiều SOx.