[Luận] Phân tích tỏa nhiệt quá trình cháy động cơ diessel buồng cháy xoáy lốc

[ledaauto]

SỰ CHÊNH LỆCH TRONG KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TỎA NHIỆT QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DIESSEL BUỒNG CHÁY XOÁY LỐC BẰN MÔ HÌNH NHIỆT ĐỘNG MỘT VÀ HAI KHU VỰC

COMPARISON IN PREDICTED HEAT RELEASE OF AN INDIRECT INJECTION COMPRESSION IGNITION ENGINE BY SINGLE-ZONE AND TWO-ZONE MODEL
Ths.NGUYỄN CHÂU AN
Trung tâm Đăng kiểm Phương tiện Cơ giới Đường bộ thành phố Đà Nẵng
Ts. PHAN MINH ĐỨC
Khoa Cơ khí Giao thông, trường Đại học Bách Khoa​

​

TÓM TẮT
Bài báo so sánh kết quả phân tích quá trình cháy của động cơ diesel buồng cháy (BC) xoáy lốc FORD WL 2.5L bằng mô hình nhiệt động hai khu vực (dùng 2 tín hiệu áp suất BC xoáy lốc và BC chính) và mô hình một khu vực (chỉ dùng áp suất BC xoáy lốc). Các chế độ làm việc của động cơ được khảo sát là các điểm có tần suất hoạt động cao. Kết quả so sánh tốc độ tỏa nhiệt tính bởi hai mô hình cho thấy có sự khác biệt rất lớn giữa tốc độ tỏa nhiệt ở giai đoạn đầu của quá trình cháy, sự khác biệt về tốc độ tỏa nhiệt dao động quanh giá trị 0 trong quá trình cháy, chênh lệch tương đối về nhiệt lượng tỏa ra đến khi kết thúc quá trình cháy có thể đến 9,3%. Sự chênh lệch tốc độ tỏa nhiệt phản ánh tổn thất do truyền nhiệt qua thành BC chính và do ống thông hai BC.
ABSTRACT
This study presents comparison in heat release predicted by single-zone and two-zone models for an indirect injection compression ignition engine, FORD WL 2.5L. Test points were selected corresponding with ECE15+EUDC test cycle. Comparative results from the two models revealed that there was significant difference in heat release rate and heat release in the first stage of the combustion process, the differences fluctuated around zero during the combustion process, and the relative difference of heat release at the stop of combustion between the two models reached 9.3%. The total of heat transfered across main combustion chamber wall and heat loss due to the passage was also recognized as the diference in heat release predicted by the two models.
1. Đặt vấn đề:
Nghiên cứu quá trình cháy là biện pháp cơ bản để hoàn thiện chu trình công tác động cơ đốt trong. Có nhiều phương pháp nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel, trong đó phân tích áp suất buồng cháy (BC) được sử dụng khá phổ biến do có chi phí thấp hơn phương pháp khác. Đối với động cơ diesel, kết quả phân tích cho biết thời gian cháy trễ, thời điểm bắt đầu cháy, thời điểm kết thúc cháy, thời gian cháy, diễn biến tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu, nhiệt tỏa ra tích lũy trong chu trình công tác.
Đối với động cơ BC thống nhất, mô hình nhiệt động 1 khu vực (KV) được sử dụng và chỉ cần lắp một cảm biến để đo áp suất xy lanh. Đối với động cơ BC ngăn cách, mô hình nhiệt động 2KV được sử dụng và đòi hỏi phải sử dụng hai cảm biến cho hai BC. Tuy vậy, trong một số trường hợp việc lắp đặt cảm biến đo áp suất BC chính không khả thi nên bắt buộc phải sử dụng mô hình 1KV. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá sự khác biệt khi dùng mô hình 2KV với hai tín hiệu áp suất trong hai BC với mô hình 1KV với chỉ tín hiệu áp suất BC chính, để có đủ độ tin cậy khi đưa ra các kết luận từ sự phân tích kết quả thực nghiệm.
2. Mô hình nhiệt động cho động cơ diesel buồng cháy xoáy lốc
2.1. Mô hình nhiệt động hai khu vực

Mô hình nhiệt động 2KV [1] đối với động cơ diesel có BC xoáy lốc được mô tả như Hình 1. Hai KV 1 và 2, tương ứng với BC chính có thể tích V1 thay đổi theo góc quay trục khuỷu và BC xoáy lốc có thể tích V2 cố định, thông với nhau qua ống thông giữa chúng. Mô hình được xây dựng với giả thiết:

• Môi chất là khí lý tưởng và có tính chất đồng nhất trong mỗi BC;

Không có lọt khí qua các su-pap và các séc-măng).
Tốc độ tỏa nhiệt “biểu kiến” trong các BC (dQ1/dt và dQ2/dt) được tính từ áp suất p1 và p2, sự thay đổi thể tích dV1/dt, nội năng (dU1/dt và dU2/dt), enthanpy của nhiên liệu (hf) và của hệ (h21) như phương trình (1). Tốc độ tỏa nhiệt “biểu kiến” là tổng của tốc độ tỏa nhiệt do nhiên liệu cháy và tốc độ truyền nhiệt qua vách BC:

Nhiệt lượng “biểu kiến” tỏa ra của động cơ trong chu trình kể từ thời điểm bắt đầu phun, SOI, tương ứng với góc quay trục khuỷu q được xác định bởi:

2.2. Mô hình nhiệt động một khu vực
Nếu hợp nhất 2 không gian V2, V1 và cho rằng áp suất trong đó là đồng nhất (có giá trị bằng giá trị đo được của áp suất trong BC xoáy lốc, p2), động cơ sẽ được mô tả bởi mô hình 1KV, có phương trình nhiệt động như sau:

3. Dữ liệu và chương trình tính toán
Dữ liệu thí nghiệm động cơ FORD WL 2.5L [2] được sử dụng trong nghiên cứu này. Động cơ có công suất định mức 60 [kW] ở 4100 [v/ph], lắp cho ô tô FORD RANGER. Các chế độ khảo sát là các chế độ vận hành có tần suất xuất hiện cao tương ứng với chu trình ECE15+EUDC. Chương trình[2] được sử dụng cho việc tính toán với mô hình 2KV. Thời điểm phun nhiên liệu được xác định theo phương pháp mà Phan Minh Đức[2] đề nghị. Mã chương trình được bổ sung để tính toán theo mô hình 1KV.
4. Kết quả và phân tích
Hình 2 minh họa diễn biến tốc độ tỏa nhiệt “biểu kiến” ở chế độ 2000 v/ph 30 Nm tính toán bởi mô hình 2KV (đường 2000-30-D) và 1KV (đường 2000-30-D-P). Hình 3 minh họa diễn biến nhiệt “biểu kiến” tỏa ra ở chế độ 2000 v/ph 30 Nm cho bởi mô hình 2KV (đường 2000-30-D) và 1KV (đường 2000-30-D-P).
Góc phun sớm, thời điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy trễ, thời điểm kết thúc cháy, thời gian cháy và thời gian cháy 50% ở các chế độ thử được xác định bởi chương trình [2] và thống kê ở Hình 4, 5, 6, 7 và 8.
Ở 1250 và 2000 v/ph, thời điểm bắt đầu cháy và thời gian cháy trễ tính bởi mô hình 1KV không sai khác nhiều so với mô hình 2KV. Ở mỗi số vòng quay động cơ, thời điểm bắt đầu cháy diễn ra sớm hơn khi tăng mô men động cơ. Điều này do khi tăng tải của động cơ, nhiệt độ của động cơ và của khí sót tăng, giúp giảm thời gian cháy trễ.

Tuy nhiên, ở 2750 v/ph, mặc dù có xu hướng giảm khi tăng mô men động cơ, thời gian cháy trễ tính bởi mô hình 1KV có giá trị nhỏ hơn so với các giá trị tương ứng cho bởi mô hình 2KV. Thời gian cháy trễ này, thậm chí bằng 0 khi mô men động cơ là 70 Nm. Kết quả này có thể do ảnh hưởng bởi sự tăng nhiệt độ của môi chất trong BC xoáy lốc dưới tác dụng sấy của nửa dưới BC xoáy lốc, mà nó có nhiệt độ cao khi tăng số vòng quay động cơ, làm cho áp suất BC xoáy lốc tăng liên tục ở giai đoạn cuối quá trình nén, kể cả sau những góc quay trục khuỷu đầu tiên sau khi nhiên liệu đã được phun vào.
So sánh diễn biến tốc độ tỏa nhiệt được tính bởi hai mô hình cho thấy:

• Các mô hình đều cho dQ/dt hợp lý, phản ánh đúng đặc trưng các giai đoạn của quá trình cháy của động cơ diesel BC xoáy lốc.
• Giá trị lớn nhất của sự chênh lệch của dQ/dt tính bởi 2 mô hình có thể đến khoảng 15% so với giá trị lớn nhất của dQ/dt (chế độ 2000 v/ph 40 Nm, giá trị lớn nhất của độ chênh lệch khoảng 5 J/độ trong khi giá trị lớn nhất của dQ/dt khoảng 40 J/độ.
• Chênh lệch này dao động quanh 0, trong quá trình cháy giãn nở của động cơ.

Thời gian cháy tính bởi mô hình 1KV là dài hơn so với mô hình 2KV:

• Trừ phạm vi tốc độ và mô men rất thấp, thời gian cháy tính bởi mô hình 1KV là lớn hơn. Lượng chênh lệch lớn nhất lần lượt là là 0,4 độ ở 40 Nm; 1,8 độ ở 20 Nm và 3,6 độ ở 20 Nm ở 1250, 2000 và 2750 v/ph. Sự khác biệt về thời gian cháy này do sự truyền nhiệt qua thành BC chính và tổn thất năng lượng của môi chất khi đi qua ống thông không được xét đến trong mô hình 1KV.
• Thời gian cháy 50% “biểu kiến” tính bằng mô hình 1KV dịch ra xa điểm chết trên, ngoại trừ ở số vòng quay thấp 1250 v/ph. Lượng dịch chuyển vị trí này, ứng với số vòng quay 2000 và 2750 v/ph, trung bình là 0,2 và 0,3 độ.

Chênh lệch tương đối lớn nhất và chênh lệch tương đối của nhiệt lượng tỏa ra tính đến thời điểm kết thúc cháy (EOC), ở Hình 9 và 10, khi tính bởi 2 mô hình như sau:

• Chênh lệch tương đối lớn nhất giữa nhiệt lượng tỏa ra, ở lân cận thời điểm bắt đầu cháy có giá trị rất lớn. Đây là sự khác biệt lớn giữa hai mô hình.
• Chênh lệch tương đối giữa nhiệt lượng tỏa ra trong động cơ khi tính bởi hai mô hình, tính đến thời điểm kết thúc cháy không vượt quá 1%, 5% và 10% tương ứng ở 1250, 2000 và 2750 v/ph.
• Ở cùng một số vòng quay, lượng chênh lệch tương đối này có xu hướng giảm dần khi tăng mô men động cơ.

5. Kết luận
Nghiên cứu này đánh giá quá trình cháy của động cơ diesel BC xoáy lốc bằng phương pháp phân tích áp suất BC, theo mô hình nhiệt động 1KV và 2KV. Kết quả nghiên cứu cho thấy:

• Giữa 2 mô hình, có sự khác biệt khá lớn của dQ/dt ở giai đoạn bắt đầu cháy. Mô hình nhiệt động 1KV không nên dùng để xác định thời điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy trễ cho hệ thống BC xoáy lốc.
• Cả 2 mô hình đều cho diễn biến dQ/dt hợp lý, phản ánh đúng đặc trưng các giai đoạn của quá trình cháy của động cơ diesel BC xoáy lốc. Tuy nhiên, giá trị lớn nhất của sự chênh lệch dQ/dt tính bởi hai mô hình có thể đến khoảng 15% so với (dQ/dt)max. Trong quá trình cháy giãn nở, sự chênh lệch này dao động quanh 0.
• Trừ phạm vi tốc độ và mô men rất thấp, thời gian cháy tính với mô hình 1KV là lớn hơn. Thời gian cháy 50% “biểu kiến” tính bằng mô hình 1KV dịch xa điểm chết trên khoảng 0,2-0,3 độ, ngoại trừ ở số vòng quay thấp (1250 v/ph).
• Chênh lệch tương đối giữa Qnet tính đến thời điểm kết thúc cháy không vượt quá 1%, 5% và 10% tương ứng ở 1250, 2000 và 2750 v/ph. Ở cùng số vòng quay, lượng chênh lệch tương đối này có xu hướng giảm dần khi tăng mô men động cơ.
• Chênh lệch dQ/dt tính bởi 2 mô hình đúng bằng tổng tốc độ truyền nhiệt qua thành BC chính và tổn thất tại ống thông giữa hai BC. Từ đó, cho phép tiến hành nghiên cứu liên quan đến truyền nhiệt qua vách BC để nâng cao hiệu suất động cơ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO​

[1] Heywood JB. Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw-Hill; 1988.
[2] Phan Minh Duc. A Study on the LPG Dual Fuel Combustion Characteristics of an Indirect Injection Compression Ignition Engine. PhD. Thesis. Bangkok: Chulalongkorn University; 2007.