MỤC LỤC
MỤC LỤC...............................................................................................................................................................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................................................................................................................................................3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ........................................................................................................5
1.1. Sự cần thiết phải dùng nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong..................................................................................................................................................5
1.1.1. Sự gia tăng của các phương tiện giao thông...............................................................................................................................................................................5
1.1.2. Vấn đề ô nhiễm môi trường.........................................................................................................................................................................................................7
1.2. Các nhiên liệu sạch thay thế nguồn nhiên liệu diesel truyền thống................................................................................................................................................8
1.2.1. Nhiên liệu LPG.............................................................................................................................................................................................................................9
1.2.2. Nhiên liệu diesel sinh học (Biodiesel)..........................................................................................................................................................................,...............11
1.2.3. Cồn ethanol...............................................................................................................................................................................................................,.................13
1.2.4. Khí thiên nhiên (CNG)...................................................................................................................................................................................................,.............14
1.2.5. Nhiên liệu khí Hydro.....................................................................................................................................................................................................,..............15
1.3. Nhiên liệu Methanol ......................................................................................................................................................................................................................16
1.3.1. Đặc điểm của Methanol..............................................................................................................................................................................................................16
1.3.2. Tình hình sản xuất Methanol ở Việt Nam và thế giới..................................................................................................................................................................19
CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP METHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ........................................................................................................22
2.1 Hệ thống trộn nhiên liệu diesel với methanol ở dạng lỏng trước khi phun vào buồng đốt .............................................................................................................22
2.2. Hệ thống phun methanol vào đường ống nạp................................................................................................................................................................................23
2.3. Hệ thống phun trực tiếp methanol vào buồng đốt..........................................................................................................................................................................24
2.4. Hệ thống phun trực tiếp methanol vào buồng đốt cháy cưỡng bức......................................................................................................................................,........25
CHƯƠNG III. KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ DIESEL ISUZU 4BD1T KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-METHANOL BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST...27
3.1. Mô phỏng nhiệt động học và chu trình công tác của động cơ bằng phần mềm AVL BOOST........................................................................................................27
3.1.1. Tính năng và ứng dụng của phần mềm AVL – BOOST...............................................................................................................................................................27
3.1.2. Giới thiệu về phần mềm AVL – BOOST.......................................................................................................................................................................................28
3.2. Xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng nhiên liệu DME trên phần mềm AVL – BOOST ........................................................................................................41
3.2.1. Giới thiệu động cơ diesel ISUZU 4BD1T.....................................................................................................................................................................................41
3.2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ diesel ISUZU 4BD1T...........................................................................................................................................,.........43
3.2.3. Nhập các thông số và chế độ làm việc cho động cơ diesel ISUZU 4BD1T…………………………………………………………………………….............,...…...49
3.3. Kết quả tính toán mô phỏng và thảo luận.............................................................................................................................................................................,........60
3.3.2. Đánh giá công suất động cơ...............................................................................................................................................................................................,,......63
3.3.3. Đánh giá các chỉ tiêu môi trường của động cơ..........................................................................................................................................................,,...............64
KẾT LUẬN..............................................................................................................................................................................................................................,,............69
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................................................................................................................................,,........71
LỜI NÓI ĐẦU
Trước sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật trong thời đại cách mạng Công nghiệp 4.0, sức lao động của con người dần dần được giải phóng. Hầu hết các công việc bằng sức người được thay thế bằng các loại máy móc tinh vi được lập trình sẵn để làm việc thay con người, không những thay thế lao động chân tay mà nó còn có thể thay thế cả lao động trí óc. Có thể minh chứng cho điều này một cách rất cụ thể và trực quan, đó là máy vi tính. Việt Nam cũng đang bước vào thời kì phát triển, việc ứng dụng máy vi tính cũng đang phát triển mạnh. Máy tính dần dần len lõi vào tất cả các ngành, các lĩnh vực. Việc ứng dụng nó trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết, nó giúp chúng ta giải quyết vô số các vấn đề.
Nghiên cứu khoa học trong ngành động cơ nói chung và động cơ đốt trong nói riêng thì việc ứng dụng máy vi tính vào công việc là tất yếu. Với nhiều phát minh khoa học về tất cả các lĩnh vực toán học, vật lý, tin học, ... thì ngày càng có nhiều công cụ hơn để có thể khảo sát các loại động cơ hơn. Một trong số các công cụ cần thiết cho việc nghiên cứu các động cơ đó là có thể xây dựng được một mô hình mô phỏng động cơ nhằm tăng tính trực quan của hệ thống cũng như rút ngắn thời gian nghiên cứu, thời gian chế tạo thử, giảm chi phí trong thiết kế và nghiên cứu, ... Qua các quá trình mô hình hóa và mô phỏng có thể làm cho các nhà khoa học có thể tối ưu hóa các quá trình công tác, các kết cấu mới phù hợp hơn cho người sử dụng.
Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều phần mềm có liên quan đến động cơ nói chung và quá trình nhiệt động học của động cơ nói riêng như phần mềm đa phương KIVA, phần mềm nhiệt động học quá trình công tác của động cơ PROMO của Đức dựa trên lý thuyết tính toàn động lực học chất lỏng CFD (Computational Fluit Dynamics), các phần mềm BOOST, FIRE, HYDSIM, EXCITE, GLIDE, TYCON, BRICKS của hãng AVL (Cộng hòa Áo). Các phần mềm này có thể dùng để nghiên cứu một cách chuyên sâu về các chu trình công tác làm việc của động cơ, có khả năng thiết kế mẫu, thử nghiệm mẫu trên lý thuyết, ... Ở Việt Nam các phầm mềm này mới được đưa vào sử dụng trong vài năm gần đây nên đang ở giai đoạn nghiên cứu.
Phần mềm BOOST là một phần mềm chuyên về tính toán các quá trình nhiệt động trong động cơ và dòng chảy. Phần mềm đã được ứng dung khá rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển cũng như các hãng ô tô hiện đại. Tại Việt Nam phần mềm cũng đã được một số cán bộ và sinh viên nghiên cứu và ứng dụng.
Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy: TS………………., em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp: “Khảo sát động cơ diesel ISUZU 4BD1T khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-methanol bằng phần mềm AVL - Boost”. Nội dung đồ án trình bày các kết quả nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-methanol đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ diesel ISUZU 4BD1T bằng phần mềm mô phỏng AVL- Boost. Lượng methanol được thay thế nhiên liệu diesel với tỷ lệ 10% và 20% về khối lượng khi động cơ làm việc theo đặc tính ngoài và đặc tính tải. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-methanol công suất động cơ thay đổi không đáng kể, mức phát thải Nox, PM và CO giảm. Trong quá trình làm không thể tránh được những thiếu sót và hạn chế, em kính mong các thầy chỉ dạy và góp ý thêm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Sinh viên thực hiện
………………….
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Sự cần thiết phải dùng nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong
Từ những năm 1970, trước áp lực của các cuộc khủng hoảng dầu mỏ và vấn đề giảm thải các chất gây ô nhiễm môi trường, nhiều nước trên thế giới đã hoạch định những chính sách nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế cho nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ trên các động cơ đốt trong nói chung, động cơ diesel nói riêng. Đây cũng là hướng nghiên cứu được các nhà khoa học và chính phủ Việt Nam quan tâm trong thời gian gần đây.
1.1.1. Sự gia tăng của các phương tiện giao thông
Ở Việt Nam, với số lượng phương tiện xe máy khoảng 40 triệu chiếc, ô tô khoảng 4 triệu chiếc hàng năm tiêu tốn lượng nhiên liệu lớn cũng như phát ra lượng khí thải độc hại đáng kể ra môi trường. Chỉ tính riêng Hà Nội tính đến Quý 1/2019, CSGT Hà Nội phải quản lý 6.649.596 phương tiện. Trong đó có 739.731 ôtô, 5.761.436 xe máy và xe máy điện là 148.429 chiếc. Đánh giá tổng hợp 2014 - 2019 cho thấy, trong năm 2017, số lượng phương tiện tăng 5,3%, đến năm 2018 tăng 4,2% và năm 2019 so với 2018 đã tăng 1,5%. Năm 2020 mặc dù ảnh hưởng bởi dịch Covid 19 nhưng lượng xe ô tô bán ra vẫn đạt mốc 400000 xe. Còn tại thành phố HCM theo thống kê của Sở Giao thông vận tải thành phố HCM, năm 2010 toàn thành phố có khoảng 4,9 triệu xe (gồm 4,49 triệu xe gắn máy và 446.956 ôtô).
1.1.2. Vấn đề ô nhiễm môi trường
Ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề không chỉ của một quốc gia, một khu vực mà là mối quan tâm chung của toàn nhân loại. Quá trình phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia trên thế giới dẫn đã đến những tác động to lớn đến môi trường, làm cho môi trường sống của loài người bị biến đổi và có xu hướng ngày càng trở nên xuống cấp trầm trọng. Đó là sự biến đổi của khí hậu - nóng lên toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mưa axít… đặc biệt là ô nhiễm không khí do hoạt động giao thông vận tải gây ra. Ở Việt Nam ô nhiễm môi trường trên địa bàn các đô thị lớn đang trở thành một vấn đề bức xúc. Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chỉ số chất lượng không khí thấp nhất (đứng thứ 123) và được dự đoán có thể rơi xuống vị trí thứ 125 trong tương lai gần.
1.2. Các nhiên liệu sạch thay thế nguồn nhiên liệu diesel truyền thống
Hiện nay các nước trên thế giới đang nghiên cứu những nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống với mức giá thành thấp, nguôn nhiên liệu có thể tái tạo, nguồn cung cấp từ những sản phẩm nông nghiệp cũng như chất thải và điều quan trọng là nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấp.
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm:
- Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch gồm: ethanol từ nguồn hóa thạch, khí thiên nhiên (NG – Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG – Liquefied Petroleum Gas), methanol, hyđrô, khí hóa lỏng (GTL – Gas To Liquid), than đá hóa lỏng (CTL – Coal To Liquid) và dimethyl ether (DME).
- Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol), hyđrô, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/ mỡ động vật qua xử lý hyđrô (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil), sinh khối hóa lỏng (BTL – Biomass To Liquid) và DME.
1.2.1. Nhiên liệu LPG
Khí dầu mỏ hóa lỏng – LPG (Liquefied Petroleum Gas), (chủ yếu là phần C3 và C4), có thể dùng nhiên liệu cho động cơ. Cho đến giữa những năm 1950, nhiên liệu LPG được sử dụng tại một số quốc gia. Nhiên liệu LPG có trạng thái tương đối căn bằng giữa ưu nhược điểm. Tuy nhiên, quá trình cháy LPG sản sinh rất ít chất gây ô nhiễm, nên còn gọi là nhiên liệu sạch.
LPG có nhiệt trị khối (NHVm) cao hơn so với nhiên liệu xăng hoặc Diesel. Tỷ trọng LPG tương đối thấp và nhiệt trị theo thể tích (NHVv) là thấp hơn so với nhiên liệu lỏng. Đây là một điểm hạn chế của nhiên liệu LPG vì giá nhiên liệu tính theo lít không kể đến thực tế này.
1.2.3. Cồn ethanol
Ethanol là nhiên liệu cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường, củ sắn... Ethanol còn được sản xuất từ các loại cây có chứa cellulose. Nhiên liệu này có thể làm giảm lượng khí phát thải của xăng và là chất phụ gia để tăng trị số ốc-tan. Ethanol là ethyl alcohol, được chế tạo từ phương pháp tổng hợp hay lên men các chất hữu cơ như nước ép trái cây, rỉ đường, bã mía, tinh bột sắn, tinh bột ngô, ... Ethanol có thể được sản xuất dưới hai dạng hydro (có nước) hoặc anhydro (tính chất không có nước). Ethanol sản xuất trong công nghiệp thường là anhydro, chứa 93% đến 96% ethanol và 4% đến 7% nước (theo thành phần thể tích). Ethanol (hoặc ethyl alcohol) có công thức hóa học là CH3CH2OH.
1.2.4. Khí thiên nhiên (CNG)
Khí thiên nhiên CNG (Compressed Natural Gas) là nguồn năng lượng sơ cấp rất quan trọng. Trong những năm gần đây, sản lượng CNG hằng năm trên thế giới đạt xấp xỉ 2 tỷ Tep (1000m3 = 0,85 Tep), tương đương khoảng 60% sản lượng dầu thô. Người ta ước tính đến năm 2020, sản lượng CNG trên thế giới sẽ là 2,6 tỷ Tep/ năm so với sản lượng dầu thô là 3,5 tỷ Tep.
Trữ lượng CNG hiện nay khoảng 150 tỷ Tep, xấp xỉ với trữ lượng dầu thô. Mặt khác, CNG có ưu điểm là phân bố gần như hầu khắp trên địa cầu nên đảm bảo được sử cung cấp an toàn và thuận tiện hơn dầu thô.
1.3. Nhiên liệu methanol
1.3.1. Đặc điểm của methanol
Methanol là một chất lỏng hóa học phổ biến có cấu tạo phân tử là CH3OH hay CH4O (thường viết tắt là MeOH). Tuy được xem giống với rượu về mọi mặt nhưng Methanol lại có tính gây độc mạnh và không thể uống được. Methanol là nguyên liệu hóa học được sử dụng rộng rãi và được ứng dụng làm năng lượng sạch giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường môi trường. Là một chất cồn tồn tại dưới dạng chất lỏng nhẹ, Methanol thường được sử dụng như một loại dung môi giúp hòa tan các nguyên liệu trong quá trình sản xuất của các ngành công nghiệp.
1.3.2. Tình hình sản xuất methanol ở Việt Nam và thế giới
1.3.2.1. Tình hình sản xuất methanol ở Việt Nam
Hiện nay, tại Việt Nam do nền kinh tế ngày càng phát triển nên nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu tăng lên nhanh chóng. Trong tổng sản lượng tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu thì dầu diesel là sản phẩm chiếm tỉ trọng lớn nhất, bên cạnh đó, nhu cầu tiêu thụ LPG cũng khá cao. Tuy nhiên, sản lượng của LPG, diesel sản xuất trong nước chưa đáp ứng được nhu cầu làm nhiên liệu trong sinh hoạt và sản xuất.
Tuy nhiên, công nghệ sản xuất methanol vẫn chủ yếu từ khí tổng hợp (hỗn hợp CO, H2 và một lượng nhỏ CO2). Oxy hóa không hoàn toàn metan được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ 200°C, 100atm, xúc tác Cu theo phương trình phản ứng sau:
CH4 + O2 → CH3OH
- MeOH có thể được điều chế trực tiếp từ H2 và CO, CO2 có xúc tác nhiệt độ, chất xúc tác và áp suất thấp. Phương trình phản ứng:
CO + 2H2 → CH3OH
Methanol có thể sản xuất từ than hay từ khí thiên nhiên qua giai đoạn sản xuất khí tổng hợp.
1.3.2.2. Tình hình sản xuất methanol trên thế giới
Sản xuất methanol trên toàn cầu đã liên tục tăng trong vài năm qua. Dự kiến vào năm 2022, sản lượng methanol sẽ đạt hơn 111 triệu tấn (metric tons), tăng gần 4% so với năm trước đó.
Kết luận chương I :
Trước sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông, để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do giao thông thì sử dụng các nhiên liệu thay thế là điều cấp thiết. Giải pháp sử dụng nhiên liệu methanol sẽ được em lựa chọn trình bày trong phần tiếp theo.
CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP METHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1 Hệ thống trộn nhiên liệu diesel với methanol ở dạng lỏng trước khi phun vào buồng đốt
Hệ thống cung cấp nhiên liệu loại này gồm có bình chứa methanol, hệ thống van kết nối với bình chứa điều khiển lưu lượng methanol, bộ trộn (Hình 2.1). Hệ thống van điều tiết, kiểm soát lưu lượng được điều khiển bằng mô đun điều khiển trung tâm, căn cứ vào các tín hiệu từ các cảm biến theo nhu cầu nhiên liệu của động cơ. Nhiên liệu methanol được nén bằng bơm để đưa vào buồng trộn. Lượng methanol cung cấp được điều khiển bằng van kiểm soát lưu lượng và được điều khiển bởi bộ điều khiển điện tử.
2.2. Hệ thống phun methanol vào đường ống nạp
Hệ thống bao gồm bình chứa methanol, bơm nhiên liệu, lọc nhiên liệu và vòi phun methanol (Hình 2.2). Methanol từ bình chứa được lưu chuyển thông qua bơm nhiên liệu đi qua lọc rồi đến đường ống nạp và vào buồng đốt cảu động cơ.
* Ưu điểm:
- Kết cấu gọn nhẹ, lắp đặt đơn giản.
- Không phải cải tạo động cơ diesel nguyên bản.
* Nhược điểm:
- Methanol có giá trị nhiệt thấp hơn diesel, do đó có thể làm giảm công suất và mô-men xoắn của động cơ.
- Methanol là chất độc hại và dễ cháy, cần được xử lý cẩn thận.
2.3. Hệ thống phun trực tiếp methanol vào buồng đốt
Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một động cơ, trong đó methanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun của methanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất.
2.4. Hệ thống phun trực tiếp methanol vào buồng đốt cháy cưỡng bức
Một công nghệ khác là chỉ sử dụng nhiên liệu methanol và có thêm bugi đánh lửa. trong đó methanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng tia lửa từ bugi đánh lửa. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống đánh lửa.
* Ưu điểm:
- Giảm phát thải: Methanol cháy sạch hơn so với diesel, do đó có thể giúp giảm thiểu lượng khí thải độc hại như NOx, CO và muội than.
- Cải thiện hiệu suất: Methanol có thể cải thiện hiệu suất đốt cháy và tiết kiệm nhiên liệu.
- Giảm chi phí: Methanol thường rẻ hơn so với diesel, do đó có thể giúp tiết kiệm chi phí vận hành.
* Nhược điểm:
- Ăn mòn: Methanol có tính axit và có thể gây ăn mòn các bộ phận động cơ bằng kim loại.
- An toàn: Methanol là chất độc hại và dễ cháy, do đó cần phải xử lý cẩn thận.
CHƯƠNG III. KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ DIESEL ISUZU 4BD1T KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP
NHIÊN LIỆU DIESEL-METHANOL BẰNG PHẦN MỀM AVL-BOOST
3.1. Mô phỏng nhiệt động học và chu trình công tác của động cơ bằng phần mềm AVL BOOST
3.1.1. Tính năng và ứng dụng của phần mềm AVL – BOOST
Phần mềm BOOST có nhiều tính năng và tác dụng trong cả lĩnh vực thiết kế cũng như thí nghiệm, sau đây là một số tính năng và tác dụng cơ bản:
- Mô phỏng các quá trình công tác của động cơ với độ chính xác và tính tin cậy cao, tạo thuận lợi trong mục tiêu thiết kế động cơ hoặc phân tích các quá trình nhiệt động học
- Có thể mô phỏng các động cơ từ loại một xilanh đến nhiều xilanh, cho loại động cơ xăng hay động cơ diesel, động cơ hai kỳ hay động cơ bốn kỳ với dải công suất khác nhau từ đông cơ cở nhỏ như xe máy đến các động cơ cở lớn như tàu thuỷ, mô phỏng được các chế độ làm việc của động cơ.
3.1.2. Giới thiệu về phần mềm AVL – Boost
Phần mềm BOOST là một phần mềm nằm trong bộ phần mềm của hãng AVL, cửa sổ khởi động phần mềm BOOST được thể hiện trên Hình 3.1.
Cửa sổ giao diện của phần mềm BOOST khi khởi động xong để chuẩn bị bước vào quá trình xây dựng mô hình để mô phỏng được thể hiện ở Hình 3.2. Thanh công cụ Programs, File, Edit, Element, Model, Simulation, Options, Utilities và Help. Chức năng của các thanh công cụ thể hiện rõ ở phần Help. Các phần tử có sẵn của chương trình được đặt phía bên trái màn hình.
Các biểu tượng sử dụng theo các chức năng riêng biệt khác nhau. Các chức năng của các biểu tượng được mô tả cụ thể hơn ở Bảng 3.1.
3.1.3. Cơ sở lý thuyết tính toán
3.1.3.1. Mô hình vật lý của định luật nhiệt động học thứ nhất
mC : Khối lượng môi chất bên trong xylanh
u : Nội năng
pc : Áp suất bên trong xylanh
V : Thể tích xylanh
QF : Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp
α: Góc quay trục khuỷu
hBB : Trị số enthalpy
dmi : Khối lượng khí nạp vào xilanh
Phương trình (3.1) được áp dụng cho cả động cơ hình thành hỗn hợp bên trong và bên ngoài xi lanh. Tuy nhiên sự thay đổi thành phần hỗn hợp của hai trường hợp trên là khác nhau, vì vậy đối với từng trường hợp thì sẽ có thêm các giả thiết riêng. Đối với quá trình hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh thì có thêm các giả thiết sau:
- Nhiên liệu cấp vào xi lanh được đốt cháy tức thì;
- Hỗn hợp cháy được hòa trộn tức thì với lượng khí sót trong xi lanh;
- Tỷ lệ A/F giảm liên tục từ giá trị cao ở thời điểm bắt đầu đến giá trị thấp ở thời điểm kết thúc.
3.1.3.2. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu
Với phần mềm AVL-Boost, việc mô phỏng các loại nhiên liệu truyền thống, nhiên liệu thay thế hoặc hỗn hợp các loại nhiên liệu được thực hiện một cách dễ dàng với nguồn dữ liệu phong phú trong thư viện của phần mềm. Việc miêu tả hỗn hợp khí dựa trên cơ sở các phần tử được định nghĩa và có thể thay đổi được bằng tuỳ chọn General Species Transport. Các thông số ban đầu về động cơ, nhiên liệu, số chu trình chạy... được thiết lập một cách dễ dàng trong bước này.
3.1.3.3. Mô hình truyền nhiệt
` Truyền nhiệt trong xi lanh
Qwi: Nhiệt lượng truyền cho thành (xi lanh, piston, nắp máy)
Ai: Diện tích truyền nhiệt (nắp xylanh, piston, xi lanh)
αW : Hệ số truyền nhiệt đối lưu cho các bề mặt truyền nhiệt.
Tc : Nhiệt độ môi chất trong xylanh
Twi : Nhiệt độ thành (nắp xylanh, piston, ống lót xylanh)
Để xác định hệ số truyền nhiệt đối lưu cho các bề mặt (αW) thì ta có các mô hình truyền nhiệt sau:
- Mô hình Woschni 1978.
- Mô hình Woschni 1990.
- Mô hình Hohenberg.
- Mô hình Lorenz.
* Mô hình Woschni:
VD : Thể tích công tác của 1 xylanh.
pC : Áp suất môi chất trong xylanh.
pc,o : Áp suất nén thuần túy (không có cháy).
Tc,1 : Nhiệt độ môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupap nạp.
Pc,1 : Áp suất môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupap nạp.
Trong đó mô hình Woschni xuất bản năm 1990 sử dụng cho trường hợp xác định hệ số truyền nhiệt đối lưu ở tải trung bình và tải nhỏ.
3.1.3.5. Mô hình cháy
Quá trình cháy chịu ảnh hưởng của rất nhiều thông số, người ta mô tả quá trình cháy thông qua qui luật tỏa nhiệt khí cháy, chu trình cháy lý thuyết. Có các qui luật tỏa nhiệt như:
- Qui luật tỏa nhiệt của Vibe
- Qui luật Vibe hai vùng
- Qui luật Vibe kép
- Qui luật Woschni/ Anisitis
- Qui luật Hires et al.
* Mô hình cháy AVL MCC :
Để mô tả quá trình cháy trong động cơ diesel có nhiều mô hình khác nhau.
Hãng AVL đã phát triển mô hình cháy AVL MCC tính toán quy luật cháy trên cơ sở kết hợp mô hình cháy Vibe và mô hình cháy xét đến năng lượng động học rối của tia nhiên liệu.
3.1.3.6. Mô hình tính toán các thành phần khí xả của động cơ
* Mô hình sự hình thành và tính toán NOX.
Mô hình sự hình thành NOx trong khí xả thực hiện trong phần mềm Boost dựa trên nguyên lý Pattas và Hafner 6 phản ứng sau (dựa trên cơ chế Zeldovich) được đưa vào trong tính toán. Các phản ứng hình thành NOx trong khí xả được thể hiện trong Bảng 3.4.
3.2. Xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-methanol trên phần mềm AVL – Boost
3.2.1. Giới thiệu động cơ diesel ISUZU 4BD1T
Động cơ ISUZU 4BD1T là động cơ diesel tăng áp được sản xuất tại Nhật Bản (Hình 3.4). Loại động cơ này được sử dụng trên các ô tô khách, ô tô tải cỡ nhỏ và trung bình. Các thông số cơ bản của động cơ nghiên cứu được trình bày trong Bảng 3.6. Trên cơ sở đó, số phần tử trong mô hình động cơ ISUZU 4BD1T được xây dựng dựa trên các dữ liệu sau:
- Động cơ diesel 4 xi lanh thẳng hàng, tăng áp bằng tuabin khí xả, phun nhiên liệu trực tiếp, điều tốc cơ khí, làm mát bằng nước, thứ tự làm việc của các xi lanh 1-3-4-2.
- Kết cấu đường nạp bao gồm: Các đường ống nạp, bình lọc khí nạp, máy nén khí, ống góp chung.
Các thông số cơ bản của động cơ diesel ISUZU 4BD1T như bảng 3.6.
3.2.3. Nhập các thông số và chế độ làm việc cho động cơ diesel ISUZU 4BD1T
Nhập dữ liệu cho mô hình là vấn đề quyết định thành bại của mô hình đó. Một mô hình muốn có được kết quả theo đúng mong muốn thì dữ liệu nhập vào phải chính xác. Trong phần mềm BOOST việc nhập dữ liệu là vấn đề hết sức quan trọng. BOOST chia ra việc nhập dữ liệu cho các phần tử khác nhau là khác nhau để tăng tính chính xác cho mô hình. Có thể chia ra việc nhập dữ liệu trong BOOST thành hai phần: nhập dữ liệu chung và nhập dữ liệu cho các phần tử.
3.2.3.1. Dữ liệu điều khiển chung mô hình (Simulation Control)
Dữ liệu chung là dữ liệu chi phối toàn bộ quá trình mô phỏng của mô hình. Dữ liệu chung cần phải nhập đầu tiên trước khi nhập dữ liệu cho các phần tử cụ thể của BOOST. Màn hình nhập dữ liêu chung được thể hiện ở hình 3.6. Các dữ liệu này được nhập thông qua các của sổ giao diện. Trong suốt quá trình tính các dữ liệu chung này sẽ là thông số điều khiển bên ngoài, điều khiển các quá trình chạy, truy xuất dữ liệu, cách tính cơ bản
Việc khai báo dữ liệu chung bao gồm việc khai báo các thông số sau:
* General Control (điều khiển chung): trên cửa sổ giao diện (hình 3.7) cần xác định tham số:
- Date, Project ID và Run ID: Dữ liệu date sẽ được phần mềm tự động ghi vào. Còn Project ID và Run ID chính là đường dẫn để nhận biết trong quá trình chạy và xem kết quả.
- Tốc độ động cơ (Engine Speed): Tốc độ động cơ được định nghĩa theo tốc độ quay trục khuỷu. Trong trường hợp mô phỏng một chế độ ổn định thì giá trị tốc độ được giữ không đổi, còn khi mô phỏng quá trình chuyển tiếp, tăng hoặc giảm tốc thì tốc độ động cơ sẽ được giữ nguyên giá trị ở 3 chu kỳ đầu, còn chu kỳ tiếp theo tốc độ sẽ thay đổi.
- Miture Preparation: Phương pháp hình thành hỗn hợp cháy:
+) Internal: quá trình hình thành hỗn hợp cháy bên trong xylanh động cơ;
+) External: Quá trình hình thành hỗn hợp cháy được thực hiện bên ngoài xylanh, trường hợp này sử dụng cho động cơ sử dụng carburetor hoặc phun xăng.
- Reference Condition (điều kiện chuẩn); các điều kiện về nhiệt độ, áp suất được xác định thông qua điều kiện chuẩn, các thông số này có ảnh hưởng đến tỷ lệ phân chia lượng khí nạp cho từng xylanh, hệ số nạp, vv..
* Firing order (thứ tự nổ): Được thể hiện trên hình 3.8.
Thứ tự làm việc của các xylanh được xác định theo xylanh thứ nhất.
* Driver (hệ thống dẫn động):
Đối với Driver yêu cầu cần cung cấp các dữ liệu sau:
- Maximum Clutch Torque (mômen lớn nhất của ly hợp).
- Shifting Time (thời gian sang số).
- Acceleration Pedal Off (không chọn chế độ tăng tốc).
- Acceleration Pedal On (chọn chế độ tăng tốc).
* Vehicle (ôtô):
Mômen cản của xe được xác định theo biểu thức (28) với các hệ số được lựa chọn phù hợp với điều kện vận hành xe.
* Gas properties (đặc tính hỗn hợp khí):
Thành phần của hỗn hợp khí trong trường hợp này được lựa chọn là không thay đổi.
3.2.3.2. Phần tử Cylinder (xi lanh)
* General (dữ liệu chung): Thể hiện trên hình 3.12.
Bao gồm các thông tin Auther, Comment, Data và các dữ liệu về hình học sau:
- Bore (đường kính xylanh);
- Stroke (hành trình);
- Compression Ratio (tỷ số nén);
- Con-Rod Length (chiều dài thanh chuyển);
- Piston Pin offset (độ lệch tâm của chốt pittông);
- Initial Condition at EO (điều kiện trong buồng cháy tại thời điểm xupáp thải mở) bao gồm các tham số sau:
+) Pressure (áp suất cuối quá trình cháy);
+) Temprature (nhiệt độ cuối quá trình cháy);
- Initial Gas Composition (điều kiện ban đầu của hỗn hợp khí) bao gồm các tham số sau:
* Heat Transfer (truyền nhiệt): Thể hiện trên hình 3.16, truyền nhiệt trong buồng cháy được tính theo mô hình chọn và cần xác định các tham số diện tích, nhiệt độ của pittông, xylanh.
3.3. Kết quả tính toán mô phỏng và thảo luận
3.3.1. Đánh giá các thông số nhiệt động
a) Diễn biến áp suất trong xylanh
Kết quả mô phỏng cho thấy khi thay thế hỗn hợp diesel-methanol cho nhiên liệu diesel thì áp suất trong xylanh giảm. Kết quả so sánh diễn biến áp suất trong xylanh với các loại nhiên liệu khác nhau biểu thị trên hình 3.20.
b) Diễn biến nhiệt độ trong xylanh
Kết quả mô phỏng cho thấy khi thay thế hỗn hợp diesel-methanol cho nhiên liệu diesel thì nhiệt độ trong xylanh giảm. Kết quả so sánh diễn biến nhiệt độ trong xylanh với các loại nhiên liệu khác nhau biểu thị trên hình 3.21.
3.3.2. Đánh giá công suất động cơ
Khi thay thế hỗn hợp nhiên liệu diesel-methanol cho nhiên liệu diesel thì công suất của động cơ giảm do nhiệt trị của methanol thấp. Kết quả mô phỏng tính toán công suất khi thay thế DM10, DM20 khi động cơ làm việc theo đặc tính ngoài (100% tải) tại các tốc độ từ n = 1000 (vg/ph) đến n = 2500 (vg/ph) được thể hiện trên hình 3.23.
3.3.3. Đánh giá các chỉ tiêu môi trường của động cơ
3.3.3.1. Đánh giá phát thải NOx
Các kết quả tính toán mô phỏng đánh giá phát thải NOx của động cơ ISUZU 4BD1T hoạt động theo đặc tính ngoài tại các tốc từ n = 1000 (vg/ph) đến n = 2500 (vg/ph) được thể hiện trên hình với các loại nhiên liệu diesel, DM10, DM20 được thể hiện trên Hình 3.25.
3.3.3.3. Đánh giá phát thải PM
Các kết quả tính toán mô phỏng đánh giá phát thải PM của động cơ ISUZU 4BD1T hoạt động theo đặc tính ngoài tại các tốc từ n = 1000 (vg/ph) đến n = 2500 (vg/ph) với các loại nhiên liệu diesel, DM10 và DM20 được thể hiện trên Hình 3.29.
Kết luận:
Đã tìm hiểu và sử dụng được phần mềm AVL BOOST.
Đã xây dựng mô hình động cơ diesel ISUZU 4BD1T.
Dùng kết quả mô phỏng của phần mềm đã phân tích và đánh giá được ảnh hưởng của DME đến các chỉ tiêu năng lượng và môi trường của động cơ diesel ISUZU 4BD1T khi làm việc theo đường đặc tính tải tại và đặc tính ngoài.
Kết quả mô phỏng cho thấy:
- Công suất động cơ giảm khoảng 3,83% - 4,63% với DM10 và giảm 8,3% - 9,4% với DM20.
- Phát thải NOx giảm 12,3 - 45% với DM10 và giảm 16,5% - 60,8%
- Phát thải CO giảm khoảng từ 24% đến 26% với DM10 và 38% đến 43% với DM20.
- Phát thải PM giảm 2,75% - 10,17% khi sử dụng DM10, giảm 26,61% - 43,29% với DM20.
KẾT LUẬN
Qua quá trình thực hiện đồ án em đã thu được các kết quả sau:
Đã tìm hiểu về hỗn hợp nhiên liệu diesel-methanol (DM) là nhiên liệu có thể thay thể cho nhiên liệu hóa thạch.
Đã phân tích các phương pháp cung cấp DM cho động cơ diesel qua đó lựa chọn phương pháp cấp DM vào hệ thống nhiên liệu.
Đã tìm hiểu và sử dụng phần mềm AVL Boost để mô phỏng động cơ diesel ISUZU 4BD1T.
Dùng kết quả mô phỏng của phần mềm em đã phân tích và đánh giá được ảnh hưởng của DM đến các chỉ tiêu năng lượng và môi trường của động cơ diesel ISUZU 4BD1T khi làm việc theo đường đặc tính tải và đặc tính ngoài.
Kết quả mô phỏng cho thấy:
- Công suất động cơ giảm khoảng 3,83% - 4,63% với DM10 và giảm 8,3% - 9,4% với DM20.
- Phát thải NOx giảm 12,3 - 45% với DM10 và giảm 16,5% - 60,8%
- Phát thải CO giảm khoảng từ 24% đến 26% với DM10 và 38% đến 43% với DM20.
- Phát thải PM giảm 2,75% - 10,17% khi sử dụng DM10, giảm 26,61% - 43,29% với DM20.
Từ kết quả phân tích cho thấy DM có những tính chất phù hợp và nhiều ưu điểm để sử dụng làm nhiên liệu thay thế giúp giảm phát thải và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu cho động cơ diesel. Mong rằng nhiên liệu DM sẽ được sử dụng phổ biến trong tương lai gần.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Anh Tuấn. Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong / Lê Anh Tuấn (ch.b.), Phạm Hữu Tuyến, Đinh Văn Sơn Thọ. – H.: Bách khoa Hà Nội, 2016. - 292tr.
2. Nguyễn Hoàng Vũ. Ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong. Học viện kỹ thuật quân sự, 2004.
3. NGUYỄN TẤT TIẾN: Nguyên lý động cơ đốt trong, Nhà xuất bản Giáo dục năm 2000.
4. KHỔNG VŨ QUẢNG: Mô phỏng quá trình nhiệt động và trao đổi chất trong động cơ bằng phần mềm BOOST, Luận văn cao học, Trường ĐHBKHN 2000.
5. LÊ VIẾT VƯỢNG: Lý thuyết động cơ diezel, Nhà xuất bản Giáo dục 2000.
6. Bộ tài nguyên và môi trường. Báo cáo môi trường quốc gia 2016, Hà Nội 2016.
7. NGUYỄN VĂN NHỈNH: “Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel”, Trường ĐHBKHN 2021.
8. Cổng thông tin điện tử Cục Đăng kiểm Việt Nam. Tổng hợp số liệu phương tiện giao thông trong cả nước, 2022.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"