Nghiên cứu tính toán đường ống nạp cho động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất

đường ống nạp động cơ BD178F. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng đường ống nạp thỏa mãn được các yêu cầu cơ bản cho động cơ hoạt động theo mô hình cháy HCCI như: hệ số nạp của động cơ nằm trong giới hạn hoạt động của động cơ và vị trí lắp vòi phun đảm bảo tạo ra hỗn hợp nhiên liệu không khí tương đối đồng nhất. Từ khóa: HCCI, Đường ống nạp động cơ HCCI, Mô hình cháy tiên tiến THE RESEARCH CALCULATION OF INTAKE MANIFOLD FOR HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION ENGINE Abstract The paper presents calculation results, design of intake manifold for the Homogeneous Charge Compression Ignition engine (HCCI). The research objective is to select the structure of the intake manifold, calculation of main parameters for engine intake manifold engine BD178F. The research results show that the intake manifold satisfies the basic requirements for engine operating under the HCCI model as: The engine's volumetric efficiency is within the engine operating limits and nozzle mounting position ensures a relatively homogeneous fuel-air mixture. Keywords: HCCI, Intake HCCI engine, Advanced combustion model 5. ĐẶT VẤN ĐỀ Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất có ưu điểm vượt trội so với động cơ truyền thống như: giảm phát thải NOx, phát thải dạng hạt, hiệu suất cháy cao hơn [1- 6]. Động cơ hoạt động theo nguyên lý này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm chưa được sản xuất đưa vào sử dụng. Nên cách tiếp cận nghiên cứu thử nghiệm cho loại động cơ này thông thường dựa trên các động cơ truyền thống và cải tiến các hệ thống để nó có thể hoạt động theo mô hình cháy mới này. Nguyên tắc làm việc của động cơ HCCI là phải tạo ra được hỗn hợp đồng nhất trong xylanh và hỗn -127- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải hợp tự cháy do quá trình nén lên nhiệt độ và áp suất đủ lớn. Khi chuyển đổi từ động cơ truyền thống sang hoạt động theo nguyên lý cháy HCCI, cần thiết phải cải tạo lại hệ thống cấp nhiên liệu và đường ống nạp cho phù hợp. Động cơ diesel sử dụng hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy, để chuyển đổi sang hoạt động theo nguyên lý HCCI hệ thống nhiên liệu được cải tiến phun trên đường nạp (mục tiêu là tạo được hỗn hợp đồng nhất trước khi đi vào xylanh). Khi thay đổi phương pháp cấp nhiên liệu cho động cơ từ phun trực tiếp vào xylanh sang phun nhiên liệu trên đường nạp cần phải tính toán lại đường ống nạp cho phù hợp để khắc phục các hiện tượng như nhiên liệu bám thành không bay hơi, vị trí lắp vòi phun, hướng tia phun nhiên liệu vào dòng khí nạp, khả năng hòa trộn đồng đều nhiên liệu và không khí, hệ số nạp của động cơ phải đảm bảo đủ lớn. Trong nội dung nghiên cứu này tác giả tập chung nghiên cứu tính toán và thiết kế lại đường ống nạp cho động cơ HCCI. 6. CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với sử dụng các phần mềm hỗ trợ cho quá trình thiết kế và tính toán. Đối tượng nghiên cứu là động cơ Kubota BD178F, đây là động cơ diesel một xylanh, không tăng áp, làm mát bằng không khí, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải), có buồng cháy thống nhất với thông số kỹ thuật cho ở bảng 1. Bảng 1. Thông số kỹ thuật động cơ BD178F 1 xilanh, 4 kỳ, sử dụng nhiên liệu Kiểu động cơ Diezel phun trực tiếp, làm mát bằng không khí. Mô men cực đại [Nm]/ Số vòng 13/2000 quay [vòng/phút] Công suất cực đại [kW]/ Số vòng 4,4/3600 quay [vòng/phút] Dung tích xylanh [cm3] 360 Mở sớm 16oTK trước ĐCT Xupap nạp Đóng muộn 46oTK sau ĐCD Mở sớm 53,5oTK trước ĐCD Xupap thải Đóng muộn 16,5oTK sau ĐCT Tỷ số nén 20 Đường kính xylanh [mm] 87 Hành trình piston [mm] 57 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán đường ống nạp 2.2.1. Tính toán lựa chọn kết cấu đường ống nạp Đường ống nạp trên động cơ phải đảm bảo kết cấu đơn giản, tổn thất trên đường ống nhỏ, lắp trên động cơ dễ dàng. Dựa trên kết cấu thực tế của động cơ Kobuta -128- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải BD178F và các yêu cầu cơ bản của đường ống nạp động cơ, tác giả đã lựa chọn kích thước và kết cấu đường ống nạp như hình bên dưới. Kết cấu ống gồm 2 góc 135o nghiêng với mục đích tạo dòng khí nạp đi vào trong xylanh tạo ra dòng xoáy lốc để hòa trộn nhiên liệu. Để biết được kết cấu này có đảm bảo cho động cơ hoạt động được theo nguyên lý cháy HCCI hay không. Ta cần thiết phải tính toán xác định các thông số chính như: hệ số nạp, khả năng vận động rối của dòng khí, khả năng hình thành hỗn hợp đồng nhất trong xylanh. Hình 1. Kết cấu đường ống nạp được lựa chọn tính toán 2.2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán dòng chảy đường ống nạp Cơ sở lý thuyết của tính toán dòng chảy đường ống nạp là hệ phương trình Navier-Stokes mô tả trao đổi năng lượng, động lượng và trao đổi chất của dòng môi chất là chất lỏng nhớt trong không gian 3 chiều gồm 3 phương trình như sau [7,8]: Phương trình liên tục:  + .( .v) = S t m (1) Phương trình động lượng:  ( .v )+  .( .v.v) = − p + p . f t (2) Phương trình năng lượng:  vv22 [ (e+ )] +  .[ (e + )v] = − (p v) + pq + p .( f v) (3) t 22 Trong đó: t - thời gian,  - khối lượng riêng, v - tốc độ dòng, p - áp suất dòng, Sm - khối lượng được thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán thứ 2 và các nguồn do người dùng định nghĩa, q - nhiệt lượng chuyển hóa riêng, e - nội năng, f - nội lực. -129- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 2.2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán hệ số nạp động cơ Để đánh giá hiệu quả của đường nạp trong quá trình nạp người ta thường dựa vào hệ số nạp v được xác định như sau [9,10]: GMV1 1 1 (4) ηv = = = GMVh h h Trong đó: V1: là thể tích của lượng khí nạp mới quy về điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất Pk. Vh: thể tích công tác xylanh 2 π.D 3 V = .S [m ] (5) h 4 Tk : nhiệt độ của khí nạp tại cửa nạp [K] Pk: áp suất của khí nạp tại cửa nạp [Pa] Gh, Mh: là lượng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể tích Vh trong điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất Pk được tính lần lượt theo kg và mol. pkh .V M=h [mol] (6) 8,314.Tk Gh = 29.Mh [kg] G1, M1: là lượng khí nạp mới thực tế trong xylanh khi kết thúc quá trình nạp được tính lần lượt theo kg và mol. t2 t2 (7) G1 = g( t).. dt  g( tii)  t  t1 t1 t1: thời gian mở sớm xupap nạp. t2: thời gian đóng muộn xu páp nạp. g(ti): là lưu lượng khối dòng khí nạp vào xylanh, [kg/s]. Δt: thời gian không khí đi vào đường ống nạp, [s]. φ = ω.Δt φ: góc quay trục khuỷu, [rad]. ω: vận tốc góc, [rad/s]. 2.2.4. Các thông số đầu vào cho quá trình tính toán đường ống nạp Khi tính toán dòng chảy đường ống nạp cần các dữ liệu đầu vào như: độ nâng xupap theo góc quay trục khuỷu, vị trí của piston, vận tốc dòng khí đầu vào theo góc quay trục khuỷu. Các thông số này được tính toán, đo đạc từ động cơ thực tế và được cho như bảng 2. Bảng 2. Các thông số đầu tính toán đường ống nạp Góc Độ nâng Vị trí Vận tốc dòng khí (m/s) STT quay trục xupap piston Tại 2200 v/p Tại 3600 v/p khuỷu (o) (mm) (mm) -130- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 1 18 0,4 1,7 6,2 11,6 2 36 1,4 6,7 22,3 20,4 3 54 3,0 14,1 35,7 46,1 4 72 4,3 22,9 37,7 78,8 5 90 6,3 32,1 36,8 87,9 6 108 8,0 40,5 32,1 76,5 7 126 6,3 47,6 25,6 52,4 8 144 4,3 52,8 17,7 32,3 9 162 3,0 55,9 10,0 19,1 10 180 1,4 57,0 2,0 6,5 11 198 0,4 55,9 0,15 0,3 2.3. Kết quả thảo luận 2.3.1. Kết quả tính toán dòng chảy trong xylanh Hình 2. Kết quả tính toán dòng chảy rối xylanh tại tốc độ 2200 v/p Hình 3. Tính toán dòng chảy rối trong xylanh tại tốc độ 3600 v/p -131- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Khi động cơ làm việc, vận tốc dòng chảy của lưu chất trong xylanh rất cao và hình thành hiện tượng rối của dòng chảy. Sự chuyển động rối của dòng chảy khí nạp mới trong xylanh có lợi ích trong việc cải thiện quá trình truyền năng lượng, hòa trộn nhiên liệu và bay hơi. Hơn nữa, sự hiện diện của chuyển động rối có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cháy bởi chúng quyết định sự phân bố của hỗn hợp nhiên liệu chi phối động lực học của dòng chảy trong xylanh. Từ kết quả tính toán dòng chảy trong xylanh tại hai chế độ tốc độ 2200 v/p và 3600 v/p chỉ ra rằng kết cấu đường ống nạp đã tạo ra được dòng chảy rối tương đối mạnh. Khả năng vận động rối mạnh là cơ sở chính để tạo ra được hỗn hợp hòa trộn đồng nhất và tăng cường khả năng hóa hơi của nhiên liệu. Đầu quá trình nạp và cuối quá trình nạp dòng vận động rối nhỏ do vận tốc của piston nhỏ. Trong khoảng góc quay trục khuỷu (72o -144o) vận tốc của piston lớn nên dòng vận động rối lớn. Cuối quá trình nạp dòng vận động rối giảm dần do lúc này vận tốc của piston giảm. Dòng chảy rối cuối quá trình nạp lớn hơn đầu quá trình nạp điều này được lý giải là do quán tính dòng khí ở cuối quá trình nạp lớn hơn đầu quá trình nạp. 2.3.2. Tính toán hệ số nạp Để đánh giá hiệu quả của đường nạp trong quá trình nạp người ta thường dựa vào hệ số nạp v được tính toán theo công thức (4). Trong đó Gh xác định được bằng tính toán lý thuyết. -3 pkh .V 101325.0,34.10 Mh = = 8,314.Tk 8,314.300 = 0,0138 (mol) Hình 4. Kết quả tính toán lưu lượng khí nạp Gh = 29.Mh = 29.0,0138 = 0,4 (g) vào xylanh G1 được tính toán thông qua công thức (7). Trong đó g(ti) là lưu lượng khối dòng khí nạp vào xylanh được xác định thông qua tính toán đường ống nạp. Hình 4 thể hiện kết quả tính toán g(ti) tại hai chế độ tốc độ 2200 v/p và 3600 v/p. Từ kết quả tính toán g(ti) ta xác định được lượng không khí thực tế nạp vào xylanh G1 và hệ số nạp v như sau: + Tại tốc độ 2200 v/p t2 -4 G1 = g( t i) .Δt i = 0,2315.0,00136 = 3,1484.10 t1 G 3,1484.10-4 η = 1 = = 0,78 v -3 Gh 0,4.10 + Tại tốc độ 3600 v/p -132- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải t2 -4 G1 = g( t i) .Δt i = 0,3698.0,0008 = 2,958.10 (kg) t1 G 2,958.10-4 η = 1 = = 0,74 v -3 Gh 0,4.10 Tại hai chế độ tốc độ 2200 v/p và 3600 v/p, giá trị hệ số nạp nằm trong giới hạn làm việc bình thường động cơ. Vì vậy kết cấu đường ống lựa chọn thỏa mãn yêu cầu của đường ống nạp khi lắp trên động cơ. 2.3.3. Kết quả tính toán xoáy lốc trong xylanh Hình 5. Kết quả tính toán xoáy lốc hỗn hợp hòa khí tại tốc độ 2200 v/p Hình 6. Kết quả tính toán xoáy lốc hỗn hợp hòa khí tại 3600 v/p Xoáy lốc tạo điều kiện thuận lợi cho hỗn hợp được xé tơi và hòa trộn với không khí, tăng cường khả năng bay hơi của nhiên liệu. Vận tốc dòng xoáy lốc lớn hay nhỏ phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy, vận tốc dòng khí nạp, hướng dòng khí đi vào trong xilanh. Hình 5 và Hình 6 thể hiện kết quả tính toán dòng xoáy lốc trong xylanh tại hai tốc độ 2200 v/p và 3600 v/p. Từ kết quả tính toán ta thấy tại đầu quá trình nạp hiện tượng xoáy lốc nhỏ và có xu hướng mạnh dần lên tại các góc quay trục khuỷu lớn. -133- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Cuối quá trình nạp dòng xoáy lốc có xu hướng giảm dần. Với kết cấu đường ống lựa chọn đã tạo ra được dòng xoáy lốc lớn khi động cơ hoạt động. Đây là điều kiện thuận lợi tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong xylanh. 2.3.4. Tính toán hòa trộn nhiên liệu trong xylanh Hình 7. Tính toán hòa trộn nhiên liệu tại tốc độ 2200 v/p Hình 8. Tính toán hòa trộn nhiên liệu tại tốc độ 3600 v/p Từ kết quả tính toán hòa trộn ở Hình 7 và Hình 8 ta thấy, ở cả 2 tốc độ của động cơ khi góc quay trục khuỷu còn nhỏ sự phân bố của các hạt nhiên liệu trong xylanh vẫn chưa được đồng đều, các hạt nhiên liệu thường tập trung chủ yếu tại không gian giữa buồng cháy và xung quanh vị trí xupap. Khi góc quay trục khuỷu càng lớn, lượng hỗn hợp không khí và nhiên liệu đi vào xylanh ngày một nhiều hơn, đồng thời sự phân bố của các hạt nhiên liệu lúc đó cũng trở nên đồng đều hơn trước. Tuy nhiên, ở một số vùng (chiếm tỷ lệ nhỏ) vẫn có hiện tượng nhiên liệu tập trung không đều, điều này sẽ gây ảnh hưởng không tốt tới quá trình cháy của động cơ. Cuối quá trình nạp tại góc quay trục khuỷu 198o, sự phân bố nhiên liệu đạt đến mức độ đồng đều nhất, tỷ lệ các vùng nhiên liệu tâp trung không đều giảm đi rõ rệt. Với kết cấu đường ống lựa chọn và vị trí lắp vòi phun nhiên liệu, hướng phun nhiên liệu ta thấy khi động cơ làm việc đã tạo ra được hỗn hợp tương đối đồng nhất trong xylanh. Trong quá trình hình thành hỗn -134- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải hợp vẫn còn vùng nhiên liệu tập chung không đều, hiện tượng này có thể được giải quyết bằng phương án khác như tăng cường khả năng bay hơi nhiên liệu bằng các biện pháp sấy nóng khí nạp hoặc sấy nhiên liệu. 3. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này tác giả đã tính toán và xác định được kết cấu đường ống nạp, vị trí lắp vòi phun nhiên liệu cho động cơ Kobuta BD178F khi chuyển đổi sang chạy theo mô hình cháy mới HCCI. Kết quả tính toán cho thấy đường ống nạp có hệ số nạp nằm trong giới hạn cho phép của động cơ, vị trí lắp vòi phun đảm bảo được hỗn hợp hình thành tương đối đồng đều. Kết quả tính toán được dùng để thiết kế chế tạo đường ống nạp cho động cơ HCCI thử nghiệm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Euijoon Shim, Hyunwook Park, Choongsik Bae, Comparisons of advanced combustion technologies (HCCI, PCCI, and dual-fuel PCCI) on engine performance and emission characteristics in a heavy-duty diesel engine, Fuel, Volume 262, 15 February 2020, 116436. [2]. Alper Calam, Hamit Solmaz, Emre Yılmaz, Yakup İçingür, Investigation of effect of compression ratio on combustion and exhaust emissions in A HCCI engine, Energy, Volume 168, 1 February 2019, Pages 1208-1216. [3]. Yang Wang, Hu Wang, Mingfa Yao, Effects of low-temperature reforming products of PRF50 on combustion and emission characteristics in an HCCI engine, Applied Thermal Engineering, Volume 151, 25 March 2019, Pages 451-458. [4]. Rakesh Kumar Maury, Avinash Kumar Agarwal, Experimental investigations of performance, combustion and emission characteristics of ethanol and methanol fueled HCCI engine, Fuel Processing Technology, Volume 126, October 2014, Pages 30-48. [5]. Rakesh Kumar Maurya, Avinash Kumar Agarwal, Experimental study of combustion and emission characteristics of ethanol fuelled port injected homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion engine, Applied Energy, Volume 88, Issue 4, April 2011, Pages 1169-1180. [6]. Gajendra Singh, Akhilendra Pratap Singh, Avinash Kumar Agarwal, Experimental investigations of combustion, performance and emission characterization of biodiesel fuelled HCCI engine using external mixture formation technique, Sustainable Energy Technologies and Assessments, Volume 6, June 2014, Pages 116- 128. [7]. T. Nguyễn, T. Trần, Cơ học chất lỏng, Nhà xuất bản xây dựng, Năm 2019. [8]. H K. Versteeg, W. Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics, Second Edition, Bell & Bain Limited, Glasgow, published 2007. [9]. T. Nguyễn, Nguyên lý động cơ đốt trong, Tái bản lần 2, Nhà xuất bản giáo dục, Năm 2003. [10]. T. Phạm, Lý thuyết động cơ đốt trong, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Năm 2008. -135-