TỔNG QUAN
Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính lỗ tia phun nhiên liệu đến công suất động cơ Diesel
- Đề xuất phương án tối ưu hóa công suất động cơ Diesel.
Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Lý thuyết cháy, phun nhiên liệu và hình thành khí xả trong động cơ
- Phần mềm mô phỏng AVL Fire
Bài viết này tập trung phân tích ảnh hưởng của đường kính lỗ kim phun đến công suất động cơ Diesel, với các thông số mô phỏng trên phần mềm AVL Fire được giữ nguyên, chỉ thay đổi đường kính lỗ tia phun.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Động cơ Diesel đã trải qua quá trình cải tiến và phát triển liên tục, nhằm nâng cao hiệu suất và năng suất Trong những năm gần đây, tối ưu hóa công suất động cơ trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu động lực học, đặc biệt là tại Việt Nam với nhiều nghiên cứu nổi bật.
Nghiên cứu của Nguyễn Văn Tổng Em và Nguyễn Lê Duy Khải về ảnh hưởng của thời gian phun đến quá trình cháy và khí thải trên động cơ Diesel phun trực tiếp sử dụng phần mềm KIVA-3V cho thấy rằng, khi thời gian phun được điều chỉnh từ 6° đến 12° góc quay trục khuỷu (CA), công suất động cơ đạt giá trị tối ưu và phát thải bồ hóng cũng như NOx giảm đáng kể Cụ thể, thời gian phun từ 6° đến 9° CA mang lại hiệu suất tốt nhất cho động cơ RV125-2, với công suất cao nhất và mức phát thải thấp nhất.
Nghiên cứu của Nguyễn Lê Duy Khải và Nguyễn Đắc Khánh Hưng về ảnh hưởng hình dạng buồng cháy đến công suất và khí thải của động cơ Diesel Vikyno RV125-2 sử dụng phần mềm mô phỏng KIVA-3V Nghiên cứu tập trung vào việc thay đổi độ sâu, đường kính đáy và đường kính miệng buồng cháy, trong khi giữ nguyên tỷ số nén Kết quả cho thấy, việc tăng đường kính miệng buồng cháy từ 3.98cm lên 4.7cm mang lại hiệu quả tốt nhất, với công suất tăng 6.22% và nồng độ NOx giảm 0.85%, nhưng đồng thời bồ hóng cũng tăng 45.83%.
Trong bài viết "Mô phỏng quá trình phun nhiên và quá trình cháy trong động cơ D1146TIS sử dụng phần mềm CFD AVL-Fire" của tác giả Trần Quang Vinh, tác giả giới thiệu về phần mềm CFD AVL-Fire, nhấn mạnh tính năng và mô đun của nó trong việc mô phỏng 3 chiều cho động cơ đốt trong hiện đại Bài viết cũng trình bày lý thuyết về mô phỏng động lực học chất lỏng, bao gồm các quá trình phun nhiên liệu, hòa trộn trong buồng cháy, đốt cháy nhiên liệu, và sự hình thành khí xả NOx cùng muội than.
1.3.2 Ngoài nước Để tuân thủ các quy định về phát thải khí xả nghiêm ngặt, đặc biệt là trên động cơ Diesel áp dụng tiêu chuẩn EURO 4 ở Việt Nam, tiêu chuẩn EURO 6 ở các nước Châu Âu năm 2014, và tiếp theo là tiêu chuẩn EURO 6D thử nghiệm phát thải khi cho xe chạy thực tế (real driving Emissions) có thể sẽ áp dụng vào năm 2020 Trước nguy cơ phải dừng sản xuất động cơ Diesel do không đạt tiêu chuẩn, nhưng do ưu điểm quá lớn về tiết kiệm nhiên liệu cũng như vượt trội về sức kéo Nên từ sớm đã có những nghiên cứu của các chuyên gia nước ngoài nhằm cải thiện công suất và khí thải cho động cơ Diesel Các nghiên cứu này nhằm tối ưu hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel, phun nhiên liệu ở áp suất cao hơn – Hệ thống nhiên liệu Common Rail, cải tiến kim phun phun nhiên liệu chính xác đáp ứng cho hệ thống nhiên liệu,… Các nghiên cứu nổi bật như:
The research article titled "Experimental Study of the Effect of Fuel Injector Nozzle Holes on Direct Injection Diesel Engine" by authors Rohit Sharma, Rana Ranjit Singh, and Shailendra Kumar Vishwakarma highlights critical parameters influencing engine performance, including fuel particle size, fuel concentration, and injection speed into the combustion chamber.
Các tia phun nhiên liệu nhỏ hơn với kích thước giọt nhỏ hơn, ngay cả khi áp suất phun giảm, vẫn duy trì khả năng nguyên tử hóa tốt hơn, bay hơi nhanh hơn và trộn hiệu quả hơn.
Nghiên cứu “Effect of Nozzle Holes and Turbulent Injection on Diesel Engine Performance” của Dr Hiregoudar Yerrennagoudaru và Kullaya Swamy K B chỉ ra rằng, hướng phun nhiên liệu trong động cơ Diesel có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và khí thải Hướng phun đóng vai trò quan trọng trong việc hòa trộn không khí và nhiên liệu Hình dạng vòi phun và đặc tính lưu lượng nhiên liệu ảnh hưởng đáng kể đến quá trình nguyên tử hóa, đốt cháy và hình thành khí thải ô nhiễm Thí nghiệm đã nghiên cứu ảnh hưởng của các lỗ tia phun và cho thấy quá trình phun nhiên liệu tác động đến hiệu suất và tiêu thụ nhiên liệu trong xi lanh Nghiên cứu cũng làm rõ tác động của xoáy lốc trong buồng đốt, phụ thuộc vào hình dạng, góc và diện tích luồng khí, ảnh hưởng đến áp suất trong buồng đốt.
Bài viết “Injector Nozzle Hole Parameters and their Influence on Real DI Diesel Performance” của tác giả Mikael Lindström phân tích chi tiết quá trình nguyên tử hóa của chùm tia nhiên liệu và quá trình xâm thực trong lỗ phun của kim phun Hai quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc phun nhiên liệu vào động cơ, từ đó ảnh hưởng lớn đến hiệu suất động cơ và lượng phát thải NOx, muội than Nghiên cứu này mở ra hướng giải quyết nhằm cải thiện hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm.
Nghiên cứu của Abdul Rahim Ismail về "Ảnh hưởng của lỗ vòi phun đến hiệu suất động cơ Diesel" sử dụng phần mềm GT-POWER để mô phỏng tác động của kích thước lỗ phun nhiên liệu đến công suất động cơ Nghiên cứu tập trung vào hiệu suất động cơ với các đường kính và tốc độ khác nhau, từ 500 đến 3500 vòng/phút Mô hình động cơ được thử nghiệm với số lượng lỗ phun từ 1 đến 10 lỗ Kết quả cho thấy vòi phun 7 lỗ mang lại hiệu suất đốt tốt nhất, với khả năng đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong xi lanh ở mọi tốc độ động cơ, đặc biệt hiệu quả nhất là ở tốc độ thấp.
Nghiên cứu cho thấy, tất cả các vòi phun đã được kiểm tra, và vòi 5 lỗ mang lại hiệu suất tốt nhất về công suất, mô-men xoắn và mức tiêu hao nhiên liệu ở các tốc độ động cơ khác nhau Đặc biệt, việc giảm đường kính lỗ phun của vòi phun là một phương pháp hiệu quả để cải thiện sự trộn lẫn giữa không khí và nhiên liệu trong quá trình phun.
Nội dung nghiên cứu
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết
Chương 3: Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Kia - JD K3500
Chương 4: Trình bày đánh giá bàn luận về các kết quả
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
Sơ lược về sự phát triển của động cơ Diesel
Động cơ Diesel, do kỹ sư Rudolf Diesel phát minh vào năm 1892, là loại động cơ đốt trong hoạt động dựa trên sự tự cháy của nhiên liệu trong buồng đốt nhờ nhiệt độ và áp suất cao Với hiệu suất cao hơn và chi phí nhiên liệu thấp hơn so với động cơ xăng, động cơ Diesel đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, đặc biệt là giao thông vận tải Sự xuất hiện của động cơ Diesel trong ô tô bắt đầu từ những năm 1930, với Mercedes là nhà sản xuất đầu tiên trang bị động cơ này cho mẫu xe 260D Thành công của Mercedes đã thúc đẩy nhiều hãng xe khác như Audi, Ford và BMW tham gia vào lĩnh vực này Động cơ Diesel càng trở nên quan trọng hơn trong bối cảnh hai cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970 và 1980 Mặc dù động cơ Diesel tiết kiệm nhiên liệu hơn khoảng 30% so với động cơ xăng và tạo ra ít carbon dioxide hơn, nhưng vẫn gặp phải một số hạn chế về giá thành sản xuất, tiếng ồn và khí thải, dẫn đến việc nó ít phổ biến hơn so với động cơ xăng.
Lý thuyết phun nhiên liệu và phân tích chùm tia phun
2.2.1 Lý thuyết phun nhiên liệu
2.2.1.1 Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Diesel
Quá trình hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu trong lòng xy lanh diễn ra trong khoảng thời gian ngắn từ 1,6 đến 60 𝜇s, tạo ra sự rối loạn giữa không khí áp suất cao và nhiên liệu dạng sương có động năng lớn Chất lượng và thời gian chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cháy và các thông số liên quan.
Chất lượng và thời gian cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt động cơ Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, tính kinh tế và mức độ ô nhiễm môi trường của động cơ Để tối ưu hóa hiệu quả cung cấp nhiên liệu cho động cơ Diesel, hệ thống nhiên liệu cần đáp ứng các thông số kỹ thuật nhất định.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình cần phải đồng nhất ở tất cả các xy lanh, phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ.
Chất lượng và vận tốc của các hạt nhiên liệu khi vào buồng đốt cần phải đồng đều để đảm bảo quá trình cháy diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.
- Thời gian bắt đầu phun và kết thúc luôn phải được đảm bảo theo từng chế độ tải của động cơ
Chất lượng phun nhiên liệu được xác định bởi đặc tính phun và độ mịn của hạt nhiên liệu Việc phun với áp suất cao và đột ngột giúp cải thiện cả hai yếu tố này, từ đó tăng cường diện tích tiếp xúc giữa không khí và hạt nhiên liệu.
7 trong buồng đốt Nhờ đó mà quá trình cháy được tốt hơn, tốc độ và công suất của động cơ tăng lên [4].
Hình 2.2 Đặc tính phun nhiên liệu [4] Áp suất trong buồng đốt cũng ảnh hưởng lớn từ áp suất phun nhiên liệu được mô tả trong biểu đồ bên dưới:
Hình 2.3 Sự thay đổi áp suất trong xi lanh khi thay đổi đường kính lỗ tia phun nhiên liệu [4]
Số lượn g hạt, % Đường kớnh hạt, àm Đường kính lỗ phun 0.4 mm Đường kính lỗ phun 0.57 mm Đường kính lỗ phun 0.8 mm
2.2.1.2 Ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun trong quá trình mô phỏng phun nhiên liệu trong AVL Fire Ảnh hưởng của kim phun nhiên liệu rất quan trọng đối với hiệu suất và khí thải của động cơ diesel Một trong những vấn đề khó khăn nhất gặp phải trong quá trình phát triển động cơ Diesel hoạt động ở tốc độ cao là phải nguyên tử hóa nhiên liệu thích hợp trong buồng đốt trong thời gian cực ngắn Một số thông số quan trọng bao gồm kích thước lỗ tia phun, xâm thực, độ côn của chùm tia, vận tốc nhiên liệu, mật độ không khí mà nhiên liệu được bơm vào ảnh hưởng đến việc tăng cường nguyên tử hóa nhiên liệu Nguyên tử hóa chủ yếu xảy ra do xâm thực và nhiễu loạn trong vùng lân cận của vòi phun Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng lỗ có đường kính đầu ra nhỏ hơn làm tăng hệ số phun đến phạm vi nhất định gây ra sự gia tăng quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu
Quá trình phun nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong công suất động cơ, nhưng hiện tượng xâm thực có thể xảy ra, gây giảm hiệu suất phun và xói mòn kim phun Để hạn chế xâm thực, cần nắm rõ mối liên hệ giữa đường kính lỗ kim phun và quá trình xâm thực của dòng nhiên liệu.
Hình 2.4 Tổng quan về các quá trình xảy ra trong kim phun nhiên liệu [12]
Khi áp suất trong dòng nhiên liệu giảm xuống dưới áp suất hóa hơi, hiện tượng xâm thực xảy ra, dẫn đến việc hình thành bọt khí Hiện tượng này thường gặp ở các máy bơm thủy khí, cánh quạt và hệ thống phun nhiên liệu Diesel, và có thể gây ra xói mòn vật liệu xung quanh nếu xâm thực quá mạnh Sự thay đổi đột ngột về áp suất khi chùm bong bóng gần bề mặt chi tiết tạo ra phản lực, có thể làm hư hại bề mặt vật liệu Khi bề mặt bị rỗ, quá trình xâm thực diễn ra nhanh hơn, làm tăng độ nhám bề mặt và thúc đẩy sự hình thành bọt khí Nếu xâm thực xảy ra trong các lỗ của vòi phun nhiên liệu Diesel, nó có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình phun Với áp suất cao có thể lên tới 2000 bar, xâm thực là hiện tượng không thể tránh khỏi Tuy nhiên, nếu được kiểm soát, xâm thực có thể mang lại lợi ích, như tăng cường quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu và ngăn ngừa cặn bẩn tích tụ trong vòi phun.
Khi nhiên liệu đi vào lỗ tia phun, một vùng áp suất thấp sẽ hình thành, dẫn đến sự tuần hoàn và giảm diện tích nhiên liệu đi vào Khu vực này được gọi là “vena contracta”, nơi có đường kính dòng nhỏ nhất.
Hình 2.5 Vị trí xảy ra xâm thực trong kim phun nhiên liệu [14]
Thông lượng khối và động lượng qua lỗ kim phun có thể được xác định thông qua vận tốc u, mật độ ρ và diện tích dòng A:
Hệ số Ca được xác định nhằm liên kết diện tích lỗ tia phun thực tế với diện tích lỗ tia phun toàn phần, loại trừ lớp biên.
𝐴 𝑔𝑒𝑜 𝜌 1 Trong đó A và ρ là các giá trị cho trường hợp thực tế và Ageo và ρl là các giá trị lý tưởng không có lớp biên
Hình 2.6 Hiện tượng xâm thực xả ra trong lỗ tia phun nhiên liệu [14]
Khu vực có diện tích nhỏ nhất (tại ‘’vena Contracta’’) được đánh dấu là c trong hình 2.6 theo đinh nghĩa Nurick [19] Hệ số co Cc đc xác định như sau:
𝐴 𝑔𝑒𝑜 Trong đó Ac là diện tích lỗ tia phun tại vị trí c trong hình 2.6 và Ageo là diện tích lỗ tia phun lý thuyết
Vận tốc thực tế hoặc có ích qua lỗ kim phun được xác định bằng cách sử dụng thông lượng khối và động lượng:
𝑚̇ 𝑓 Vận tốc tổn thất lý thuyết được tính từ phương trình Bernoulli:
Hệ số vận tốc Cv được định nghĩa là tỉ số giữa vận tốc có ích và lý thuyết:
Cường độ xâm thực, hay còn gọi là số xâm thực, có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau Theo Nurick, số xâm thực được xác định dựa trên các tiêu chí cụ thể, phản ánh mức độ ảnh hưởng của xâm thực trong các quá trình tự nhiên.
𝑃 1 − 𝑃 2 Trong đó P là áp suất, số 1 là đầu vào lỗ tia phun và 2 là đầu ra lỗ tia phun , Pvapor là áp suất hơi của nhiên liệu
Hệ số phun Cd trong vòi phun là tỷ lệ giữa lưu lượng thực tế và lưu lượng lý thuyết, được tính toán qua các phương trình hiện tượng Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số này bao gồm lưu lượng dòng chảy, đặc điểm hình học của vòi phun, bán kính đầu vào lỗ tia phun, và tỷ lệ chiều dài so với đường kính của lỗ vòi phun Hệ số phun Cd được xác định thông qua các tham số đầu vào C1 và C2, từ đó cho phép ước tính áp suất đầu vào p1 cho dòng chảy rối.
Để kiểm tra xem dòng chảy có bị xâm thực hay không trong các điều kiện cụ thể, chúng ta giả định vận tốc là phẳng và áp dụng biểu thức Nurick cùng với hệ số co Cc Điều này cho phép xác định vận tốc liên tục tại khu vực dòng chảy nhỏ nhất, được gọi là điểm c.
Tốc độ dòng chảy lý thuyết (Ugeo) của dòng chảy tầng qua lỗ vòi phun với cấu hình vận tốc phẳng được xác định bởi hệ số co (Cc), tính từ bán kính đầu vào lỗ tia phun Trong trường hợp xâm thực, có thể áp dụng phương trình Bernoulli từ điểm 1 đến c với giả định không có tổn thất nào xảy ra.
2∙ 𝑈 𝑐 2 Nếu p c thấp hơn p vapor , giả định rằng tạo ra được dòng chảy hoàn toàn và áp suất đầu vào và hệ số xả mới được tính bằng:
Khi hệ số K tăng lên đến điểm tới hạn xâm thực (Kcrit), hiện tượng xâm thực sẽ biến mất Ở các giá trị K cao hơn Kcrit, dòng chảy nhiên liệu chỉ tồn tại dưới dạng lỏng và hệ số phun chủ yếu phụ thuộc vào số Reynolds Trong vùng này, hệ số phun có thể được coi là gần như không đổi.
Các điều kiện ảnh hưởng tại đầu ra của lổ phun được tính theo công thức [19]
𝜋 Trong đó: pvapor là áp suất hóa hơi nhiên liệu
Ugeo là vận tốc phun lý thuyết
Ueff là vận tốc phun thực tế
Aeff là tiết diện thực tế tại vị trí phun
Ageo tiết diện lý thuyết (thiết kế) tại vị trí phun
Deff đường kính lỗ tia phun thực tế
Hình 2.8 Ảnh hưởng của tỷ số L/D đến vận tốc phun nhiên liệu [18]
Quá trình hình thành khí xả
Khí quyển trái đất thường gọi là không khí, là một hỗn hợp của nhiều khí, trong đó khí
Ni tơ chiếm 78%, Oxy chiếm khoảng 21%, 1% còn lại bao gồm Cacbonic (CO2), hơi nước,…
Các khí thải như CO, HC, NOx, và SO2 chứa nhiều chất độc hại, gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Những chất này thường phát sinh từ các nguồn như nhà máy nhiệt điện, hệ thống sưởi ấm, lò thiêu, và đặc biệt là từ khí thải của động cơ xe.
Car emissions contain several harmful chemicals, including nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide, sulfur dioxide, benzene, formaldehyde, and soot, all of which can negatively impact human health.
Hầu hết các ôtô hiện đại sử dụng xăng hoặc dầu để cung cấp năng lượng cho động cơ, từ đó tạo ra các phản ứng cơ học và hóa học cần thiết cho hoạt động của xe Tất cả các quá trình này diễn ra dưới nắp ca-pô, chủ yếu là việc đốt cháy nhiên liệu, dẫn đến việc phát thải khí và hạt, thường được gọi là khí xả.
Khí xả là sản phẩm phụ từ quá trình đốt cháy các loại nhiên liệu như dầu, xăng, khí tự nhiên và dầu mazut Khi xe ô tô hoạt động, khí xả được thải ra và hòa vào môi trường xung quanh.
Dưới đây là một số chất độc hại có trong khí thải xe hơi và sự tác động tới con người cũng như môi trường:
Carbon monoxide là khí độc không màu, không mùi và không vị, có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người Khi hít phải quá nhiều khí này, khả năng hấp thụ oxy sẽ giảm, dẫn đến tổn hại mô nghiêm trọng và nguy cơ tử vong Đây là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trong các vụ ngộ độc khí, với các triệu chứng bao gồm cảm giác bần thần, nhức đầu, buồn nôn, khó thở và cuối cùng có thể dẫn đến hôn mê.
Benzen là một hợp chất hữu cơ bay hơi, tồn tại tự nhiên trong dầu thô và có mặt trong xăng dầu cũng như khí thải từ các phương tiện giao thông Chất này rất nguy hiểm do khả năng gây hại cho máu.
Nó gây ra tình trạng tủy xương không sản xuất đủ tế bào hồng cầu, đồng thời làm suy yếu hệ miễn dịch bằng cách không tạo ra đủ tế bào bạch cầu.
Vào năm 2013, Cơ quan Y tế Canada đã cảnh báo về nguy cơ từ benzen có trong khí thải xe hơi khi để xe gần hoặc trong nhà, vì nó làm tăng nguy cơ mắc ung thư máu và các loại ung thư khác.
Hầu hết tài xế đều biết không nên để xe nổ máy trong garage, nhưng ít ai biết rằng động cơ vẫn phát thải hơi benzen ngay cả khi đã tắt máy, dẫn đến ô nhiễm không khí trong garage Bên cạnh đó, sơn và các dung môi thường được lưu trữ trong garage cũng phát tán benzen khi bốc hơi, gây nguy hiểm cho sức khỏe.
Khí không màu có mùi khó chịu xâm nhập qua đường hô hấp như mũi và họng, gây ra ho và khó thở Nếu tiếp xúc lâu dài, loại khí này có thể dẫn đến bệnh hen suyễn và các vấn đề sức khỏe tương tự.
Muội than, còn gọi là bồ hóng, là nguyên nhân khiến khí xả từ ôtô có màu đen Tác hại của muội than rất nghiêm trọng, bao gồm các bệnh như cúm, hen suyễn và thậm chí là ung thư.
Muội than cũng tác động xấu tới môi trường khi thực tế, muội than chiếm hơn 25% ô nhiễm độc hại trong không khí
Khí xả từ cả ôtô nhỏ và nhà máy lớn đều chứa chất độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường Vì vậy, nhiều quốc gia đang nỗ lực giảm thiểu khí thải để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.
Kể từ năm 1992, Liên minh châu Âu đã triển khai các quy định nhằm cải thiện chất lượng không khí cho các loại ô tô mới Hiện nay, tiêu chuẩn khí thải Euro 6 được áp dụng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
20 tiêu chuẩn khó nhất và có khả năng loại bỏ phần lớn các chất ô nhiễm thải có ảnh hưởng đến chất lượng không khí
Theo Liên minh Châu Âu, khí thải từ vận tải là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến chất lượng không khí tại châu Âu, bên cạnh các nguồn ô nhiễm khác như sản xuất công nghiệp và nhà máy điện.
Mục tiêu của tiêu chuẩn khí thải Euro là giảm mức khí thải độc hại, chủ yếu là:
Mức phát thải hợp pháp của NOx và PM cho xe tải nặng theo tiêu chuẩn khí thải châu Âu (Tiêu chuẩn Euro) được quy định rõ ràng Động cơ đốt trong tạo ra động năng thông qua quá trình đốt cháy nhiên liệu, trong đó phản ứng giữa nhiên liệu và ô xy trong không khí là yếu tố cơ bản Lượng nhiên liệu được sử dụng để đốt cháy phụ thuộc vào lượng ô xy có sẵn trong xi lanh.
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng để nghiên cứu tốt ưu công suất cho động cơ Diesel
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU TRÊN ĐỘNG CƠ KIA –
Thông số kết cấu động cơ Kia - JD K3500
3.1.1 Thông số động cơ Kia - JD K3500 Động cơ Diesel KIA - JD K3500 là động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel, 4 kỳ, 4 piston và sử dụng hệ thống nhiên liệu bơm cao áp kiểu phân phối PE Động cơ KIA - JD K3500 được bố trí trên nhiều loại xe như xe du lịch 16 chổ ngồi, xe tải 1.25 tấn, 2.5 tấn, xe nâng hàng và trên một vài loại xe công trình khác
Hình 3.1 Động cơ Diesel KIA - JD K3500
Động cơ KIA - JD K3500 sở hữu những đặc điểm kết cấu nổi bật và thông số kỹ thuật cơ bản đáng chú ý Các thông số này không chỉ phản ánh hiệu suất mà còn thể hiện sự bền bỉ và tin cậy của động cơ, góp phần nâng cao trải nghiệm lái xe cho người dùng.
- Kiểu động cơ: 4 xy lanh thẳng hàng
- Động cơ Diesel 4 kỳ, buồng đốt hình cầu ở giữa piston
- Thứ tự nổ của động cơ: 1 - 3 - 4 - 2
- Dung tích xy lanh: 3455 cc
- Công suất cực đại: Nemax = 120(Kw)/4000(v/p)
- Momen cực đại: Memax = 180(Nm)/2200(v/p)
- Piston chế tạo bằng kim loại nhẹ
- Trục khuỷu được rèn dập và có 5 cổ bạc
Góc mở sớm xupap nạp: α1 0°
Góc đóng muộn xupap nạp: α 2 = 400°
Góc mở sớm xupap thải: α 3 = 500°
Góc đóng muộn xupap thải: α 4 0°
- Hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp PE thẳng hàng
- Hệ thống bôi trơn cưởng bức thông qua bơm bánh răng
- Động cơ làm mát cưởng bức bằng nước thông qua bơm ly tâm
3.1.2 Thông số biên dạng piston động cơ Kia - JD K3500
Hình 3.2 Piston của động cơ Kia - JD K3500
Hình 3.3 Biên dạng thiết kế piston của động cơ Kia - JD K3500 [9]
Hình 3.4 Biên dạng thiết kế piston của động cơ Kia - JD K3500 sau khi thiết lập
Thiết lập các thông số cơ bản trong phần mềm AVL Fire công cụ ESE Diesel
Trong mô phỏng buồng cháy động cơ Diesel, việc tính toán hành trình nạp thường bị bỏ qua để giảm khối lượng phần tử và thời gian tính toán Do đó, quá trình tính toán bắt đầu từ thời điểm xú-pap nạp đã đóng, không tính đến hành trình nạp của piston.
Quy ước góc quay trục khuỷu trong phần mềm AVL Fire khi kết thúc kỳ nén tại điểm chết trên (TDC) là 720° Thể hiện ở hình dưới:
Hình 3.5 Quy ước góc quay trục khuỷu trong phần mềm AVL Fire [18]
Một biên dạng hình học đơn giản được áp dụng để giảm số lượng lưới không cần thiết trong mô hình Khi mô phỏng, các chi tiết như cổng nạp và thể tích phần lõm xú-pap trên đỉnh piston không được xem xét Đối với buồng đốt đối xứng tâm, nếu lưu lượng khối nhiên liệu đồng nhất cho tất cả các lỗ kim phun, chỉ cần sử dụng một phần buồng đốt cho mỗi lần phun để giảm khối lượng tính toán Góc của phần mô phỏng phụ thuộc vào số lỗ tia phun trong kim phun, được tính theo công thức: Góc của phần được mô phỏng = 360° / số lỗ của kim phun.
Mật độ lưới trong khu vực phun cần được tăng cường gấp mười lần so với đường kính của lỗ kim phun, như mô phỏng trong hình 3.6 với kim phun có 4 lỗ tia phun [18].
Quá trình chuẩn bị mô hình bao gồm việc nhập thông tin về động cơ, định dạng và phân vùng, chia lưới, cùng với việc nhập các thông số tính toán cần thiết cho mô hình.
3.2.1 Thông tin chung về động cơ (General Engine Data)
Dữ liệu thông tin chung về động cơ cho phép người dùng nhập các thông số cơ bản của động cơ được mô phỏng trong dự án hiện tại, cung cấp những thông tin đặc trưng cho động cơ này.
28 do đó giúp xác định động cơ trong khảo sát được thực hiện trước đó hoặc đang được thực hiện
Các tham số được tách thành hai bảng:
Bảng thông số chung của động cơ bao gồm các tham số quan trọng như tên động cơ, số lượng xi lanh, đường kính xy-lanh và tỷ số nén, giúp người dùng hiểu rõ hơn về hiệu suất và cấu trúc của động cơ.
- Thông số chuyển động của piston chứa các tham số đầu vào cho bán kính quay trục khuỷu, chiều dài thanh truyền, độ lệch tâm của chốt piston, v.v
Các thông số nhập của động cơ thể hiện ở bảng dưới:
Hình 3.7 Các thông số chung về động cơ
Hình 3.8 Các thông số về chuyển dịch piston
Bảng 3.1 Bảng thông số chung của động cơ và chuyển dịch piston
Thông số Giá trị nhập Chú thích
General engine parameters - Các thông số chung về động cơ
Engine name Kia - JD K3500 Tên động cơ
Engine layout Inline Kiểu động cơ (thẳng hàng)
No of cylinder 4 Số xi lanh
Bore (m) 0.098 Đường kính xi lanh
Compress ratio 22 Tỷ số nén
Piston movement specification - Các thông số về chuyển dịch piston
Crank radius (m) 0.0052 Bán kính quay trục khuỷu
0 Độ lệch tâm của chốt piston
3.2.2 Phác thảo hình dạng đỉnh piston, kim phun nhiên liệu (Sketcher)
Trong bài viết này, người dùng có thể định nghĩa hình học của phần đỉnh piston, xác định khu vực chứa vòi phun và phân chia mô hình thành các khối với đặc điểm hình học đa dạng.
Phác thảo được biên dạng hình học piston, kim phun nhiên liệu phải trải qua 5 bước [6]:
- Xác định hình dạng đỉnh piston (Piston)
- Xác định hình dạng kim phun nhiên liệu (Injector)
- Sửa đổi cấu trúc khối của mẫu có sẵn (Block structure)
- Xác định chi tiết liên quan đến các lựa chọn (Selections)
- Cố định tỷ lệ nén cho các thay đổi đường chia cuối cùng (Const CR)
Với động cơ Kia - JD K3500 do hình dáng đỉnh piston gần giống với dạng có sẵn nên có thể sửa đổi theo mẫu số 19
Hình 3.9 Mẫu piston dạng ωtrong AVL Fire [18]
Sau khi điều chỉnh một số kích thức của mẫu piston ta được hình dạng piston động cơ Kia - JD K3500 cần tính như sau:
Hình 3.10 Hình dạng hình học piston động cơ Kia - JD K3500
Hình 3.11 Mẫu hình học mẫu kim phun trong AVL Fire Bảng tóm tắt các thông số hình dạng của piston động cơ Kia - JD K3500 được thiết lập như sau:
Hình 3.12 Thông số hình học của piston
Hình 3.13 Thông số hình học của kim phun
Bảng 3.2 Thông số hình học của piston và kim phun
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
1 Thông số hình học của piston 2 Thông số hình học của kim phun
TDC clearance gap (m) 0.001 Number of nozzle holes (-) 4
Db (m) bowl diameter 0.051 Inj Nozzle position Z- coordinate (m)
T (m) bowl depth 0.01811 Nozzle diameter at hole center position (m)
Tm (m) bowl crown height 0.0091 Nozzle hole outer diameter
R4 (m) radius 0.009 Nozzle hole inner diameter
User C4 R 0.035 Nozzle hole half outer cone angle (deg)
S3 (m) distance 0.00812 Nozzle hole half inner cone angle (deg)
S2 (m) distance 0.01501 Inj Spray angle delta 1
R4 X (m) center of radius 0.0175 Recessed injector
R4 Z (m) center of radius 0.00911 Recessed injector width
Các thông số dùng để chia lưới gồm có:
- Kích thước trung bình của ô (cell) (m): 0.001
Hình 3.14 Các khối trong mô hình piston
Hình 3.15 Mô hình piston dộng cơ Kia - JD K3500 sau khi chia lưới
3.2.4 Thiết lập các tham số mô hình hóa (Simulation Parameters)
Các thông số điều khiển tính toán (Solver Control) được nhập qua file ssf (Solver Steering File) cho từng mô hình tính toán cụ thể (Case), bao gồm chế độ chạy (Run mode).
Trong Fire đã xác định các chế độ chạy bao gồm: tĩnh (Steady), theo thời gian (Timestep) và theo góc quay trục khuỷu (Crank-Angle) Đối với mô hình tính toán động cơ Kia - JD K3500, chế độ được lựa chọn là theo góc quay trục khuỷu (Crank-Angle).
- Góc tính toán: 560 đến 860 độ
- Tốc độ động cơ: 1800 vòng/phút
- Bước tính toán (Delta_alpha): thay đổi tùy theo kỳ làm việc
Hình 3.16 Thiết lập chế độ mô phỏng
Bảng 3.3 Thay đổi bước tính toán
Thứ tự Vị trí piston Bước tính toán (Delta_alpha)
7 850 1 b Lựa chọn mô đun tính toán (Module Activation)
Lựa chọn mô đun Species transport, Spray, Combustion và Emission
- Species transport: Cung cấp các phương trình vi phân chuyển động của các hợp chất hóa học thể khí trong vùng mô phỏng
Quá trình combustion bao gồm việc tính toán sự hòa trộn và chuyển động của các thành phần, đồng thời mô phỏng quá trình cháy trong động cơ đốt trong hoặc thiết bị lò đốt Các điều kiện có thể là chuẩn bị trước, chuẩn bị một phần hoặc không chuẩn bị trước hỗn hợp.
Hình 3.17 Thiết lập các mô đun tính toán
Mô-đun Spray tính toán các vấn đề liên quan đến dòng chảy nhiều pha, giải các phương trình bảo toàn cho hỗn hợp pha lỏng và pha khí Nó sử dụng phương pháp giọt rời rạc (Discrete Droplet Method - DDM) để mô phỏng các tia phun Điều kiện biên là yếu tố quan trọng cần thỏa mãn cho nghiệm của bài toán tại mỗi thời điểm, tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Đặc biệt, trong các bài toán về dòng chảy, nếu nhiệt độ bao quanh vật rắn có bề mặt không thẩm thấu, điều kiện biên sẽ đảm bảo không có sự thẩm thấu và truyền nhiệt qua bề mặt đó.
Trong mô phỏng, nhiệt độ bề mặt của bạc lót xi lanh, đầu xi lanh và piston được xác định dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm và phụ thuộc vào các điểm vận hành như tải trọng và tốc độ Điều kiện biên của nắp máy được thiết lập là mặt cố định, trong khi điều kiện biên của biên dạng đỉnh piston được xác định là mặt di chuyển.
Hình 3.18 Tổng quan về các loại điều kiện biên [18]
Điều kiện biên đối xứng được áp dụng cho bề mặt bán kính dọc theo trục trung tâm của lưới phân đoạn có thể gây ra vấn đề với kết quả tính toán nhiệt độ Do đó, trong những trường hợp này, điều kiện biên tường cố định đáng tin cậy có thể được sử dụng như một giải pháp thay thế.
Hình 3.19 Vị trí áp dụng điều kiện biên đối xứng [18]
Các điều kiện biên liên quan đến thể tích bù cần được xác định cho các mặt bên ngoài, bên trong và bên dưới của phần thể tích, với yêu cầu rằng mặt di chuyển đoạn nhiệt có thông lượng nhiệt bằng 0.
Hình 3.20 Vị trí mặt di chuyển đoạn nhiệt [18]
Các mặt theo hướng cực được chỉ định là điều kiện biên tuần hoàn
Hình 3.21 Các lựa chọn cho điều kiện biên theo chu kỳ [18]
Hình 3.22 Thiết lập điều kiện biên Piston Bảng 3.4 Thiết lập điều kiện biên Piston
BND_Piston Điều kiện đầu cho piston
Sel for BC BND_Piston
Name of BC BND_Piston Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Mesh Movement Sự chuyển động
Hình 3.23 Thiết lập điều kiện biên cho xi lanh
Bảng 3.5 Thiết lập điều kiện biên cho xi lanh
BND_Liner Điều kiện biên cho xi lanh
Sel for BC BND_Liner
Name of BC BND_Liner Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Hình 3.24 Thiết lập điều kiện biên của trục Bảng 3.6 Thiết lập điều kiện biên của trục
BND_Axis Điều kiện biên của trục
Sel for BC BND_Axis
Name of BC BND_Axis Tên điều kiện biên
Type of BC Symmetry Loại điều kiện biên: Đối xứng
Hình 3.25 Thiết lập điều kiện biên đầu mặt chuyển
Bảng 3.7 Thiết lập điều kiện biên đầu mặt chuyển
BND_Segment _1 Điều kiện đầu mặt chuyển tiếp 1
Sel for BC BND_Segment_1
Name of BC BND_Segment_1 Tên điều kiện biên
Type of BC Inlet/Outlet Loại điều kiện biên: Cổng vô/
Inlet/Outlet Periodic Chu kỳ
Hình 3.26 Thiết lập điều kiện biên phần thể tích bù Bảng 3.8 Thiết lập điều kiện biên phần thể tích bù
BND_Comp_ Vol Điều kiện biên phần thể tích bù
Sel for BC BND_Comp_Vol
Name of BC BND_Comp_Vol Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Mesh Movement Sự chuyển động
Thermal Heat Flux: 0 W/m² Nhiệt độ
Hình 3.27 Thiết lập điều kiện biên đầu nắp xi lanh Bảng 3.9 Thiết lập điều kiện biên đầu nắp xi lanh
BND_Head Điều kiện biên đầu nắp xi lanh
Sel for BC BND_Head
Name of BC BND_Head Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Velocity Sự chuyển động
Thermal Temperature: 570.15 K Nhiệt độ d Thuộc tính nhiên liệu (không khí):
Trong thư mục thuộc tính chất lỏng của cây tham số, hãy chọn FP (1): NoName để truy cập vào thuộc tính chất lỏng của trường đầu vào Hệ thống sẽ tự động chọn các tính chất chất lỏng của không khí.
Hình 3.28 Thiết lập thuộc tính nhiên liệu (không khí) e Điều kiện đầu (Initial Conditions)
Hình 3.29 Thiết lập điều kiện ban đầu
Các giá trị nhập dùng làm điều kiện đầu cho toàn bộ mô hình bao gồm:
Bảng 3.10 Thiết lập điều kiện ban đầu
Nội dung Giá trị nhập Chú thích
Density (kg/m 3 ) 0 Khối lượng riêng
Turb.kin.energy (m 2 /s 2 ) 10 Năng lượng động học rối
Turb.length scale (m) 0.0045 Chiều dài dòng chảy rối
Initialization mode Swirl/Tumble( Xoáy/Trộn) Chế độ khởi tạo ban đầu
Swirl / Tumble (1/min) 2880 Tốc độ Xoáy / Trộn
Velcocity u (m/s) 0 Vận tốc theo phương u
Velcocity v (m/s) 0 Vận tốc theo phương v
Velcocity w (m/s) 0 Vặn tốc theo phương w
Scalar 0 Đại lượng vô hướng
Mô hình phương trình nhiễu loạn
Reinitialization Deactivate ( không kích hoạt)
Smoothing Deactivate ( không kích hoạt)
Type of hydrocarbon fuel DIESEL Loại nhiên liệu hydrocarbon Equivalence ratio Activate ( kích hoạt) Tỉ số tương đương
44 f Phương pháp giải (Solver Control):
Hình 3.30 Thiết lập các phương trình được kích hoạt tính toán Bảng 3.11 Thiết lập tuyến tính hóa
Nội dung Giá trị nhập
Simple/PISO Activated Các thuật toán mặc định
Equation Control (Điều kiện việc giải phương trình)
Equation (Các phương trình được sử dụng tính toán)
Turbulence k-zeta-f Phương trình mô phỏng rối
Energy Yes Kích hoạt giải phương trình năng lượng enthaphy Two stage pressure correction
No Hiệu chỉnh áp suất 2 cấp g Thiết kế việc xuất kết quả (Output Control):
Nhập các giá trị hiển thị cho tần số đầu ra theo hình 4.31:
Hình 3.31 Thiết lập tần số giá trị đầu ra Thiết lập các thông số theo bảng 4.12:
Hình 3.32 Khởi động các mô đun tính toán kết quả dạng 3 chiều
Bảng 3.12 Khởi động các mô đun tính toán kết quả dạng 3 chiều
Nội dung Giá trị nhập
Density Yes Trọng lượng riêng
Mach number No Số Mach
Passive scalar No Đại lượng vô hướng bị động
TKE and dissip rate Yes TKE và tỉ số hòa tan
Wall heat transfer (greyed out) Yes Truyền nhiệt qua vách
Momentum error Yes Thất thoát động năng
Tạo file khởi động lại: chọn Select Write restart file và Output frequency (ghi giá trị
Hình 3.33 Tạo file khởi động lại Tạo file sao lưu: chọn Write backup file và Output frequency (ghi giá trị 500)
Hình 3.34 Tạo file sao lưu h Nhập các thông số cho mô đun (Model):
Hình 3.35 Thiết lập vận chuyển nhiên liệu
Hình 3.36 Khởi chạy đầu ra mở rộng
Hình 3.37 Thiết lập mô hình cháy
Hình 3.38 Thiết lập mô hình khí xả NO
Hình 3.39 Thiết lập mô hình khí xả muội than
Bảng 3.13 Thiết lập mô hình khí xả muội than
Module Parameter Tree GUI Options Action
2D Results Sum of mass fractions Activate
NO models Extended Zeldovich Activate
Soot models Kinetic model Activate i Nhập các thông số cho mô hình phun (Spray):
Hình 3.40 Thiết lập nhiên liệu đầu vào
Hình 3.41 Thiết lập đối tượng mô phỏng
50 Hình 3.42 Thiết lập dữ liệu chung cho kim phun
Hình 3.43 Thiết lập kích thước hạt nhiên liệu
Hình 3.44 Thiết lập dữ liệu hình học kim phun Bảng 3.14 Thiết lập mô hình phụ
Nội dung Giá trị nhập Chú thích
Liquid properties Property set Diesel-1 Đặc tính nhiên liệu
Duration Activate 2.975 ms Thời gian phn
Total mass 1.7286E-5 kg Khối lượng nhiên liệu phun
Fluid temperature 350 K Nhiệt độ nhiên liệu Geometry
Data at holes 160 Góc tia phun
Outer diameter Theo bảng 4.15 Đường kính lỗ tia phun Half outer cone angle 8 Góc côn tia phun Particle sizes Theo bảng 4.15 Đường kính hạt nhiên liệu
ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Kết quả mô phỏng trên phần mềm mô phỏng AVL Fire
Bảng 4.1 Bảng giá trị kết quả mô phỏng AVL FIRE (600 – 2400 rpm)
Tốc độ động cơ (rpm) Đường kính lỗ tia phun (mm)
Công suất động cơ 1 xi lanh (kW)
Mô men động cơ (Nm)
Suất tiêu hao nhiên liệu BSFC (kg/kWh)
Khí xả NOx Muội than
Bảng 4.2 Bảng giá trị kết quả mô phỏng AVL FIRE (3000 – 5000 rpm)
(rpm) Đường kính lỗ tia phun
Công suất động cơ 1 xi lanh (kW)
Mô men động cơ (Nm)
Suất tiêu hao nhiên liệu BSFC (kg/kWh)
Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến động cơ
Hình 4.1.Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chính trên ô tô [18]
4.2.1 Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến công suất và mô men động cơ
Biểu đồ công suất – mô men cho thấy mô-men xoắn cực đại khoảng 130Nm của động cơ đạt được ở vòng tua 1800 vòng/phút và giảm dần khi lên đến 5000 vòng/phút Công suất, đại diện cho tốc độ sinh công, tỷ lệ thuận với vòng tua máy, tức là tốc độ quay của trục khuỷu Nhìn vào biểu đồ, có thể thấy đồ thị công suất tăng nhanh theo vòng tua.
Chiếc xe đạt cực đại công suất tại 5000 vòng/phút, với sự gia tăng mạnh mẽ từ 600 đến 1800 vòng/phút, cho thấy mô-men xoắn tăng nhanh trong giai đoạn đầu Điều này chứng tỏ rằng tốc độ xe có khả năng tăng nhanh nhất trong giai đoạn này.
Theo biểu đồ công suất mô men:
- Tại tốc độ động cơ từ 600 ÷ 1800 (vòng/phút)
Công suất của các thiết lập đường kính lỗ phun từ D1 đến D4 (0,16 mm đến 0,19 mm) gần như tương đương nhau, tuy nhiên, thiết lập với đường kính lớn hơn thường cho giá trị công suất cao hơn Đặc biệt, thiết lập D5 (0,2 mm) có đường kính lỗ tia lớn nhất nhưng lại cho công suất thấp nhất so với các thiết lập có đường kính nhỏ hơn.
Mô men xoắn tăng lên khi thiết lập đường kính lỗ phun từ D1 (0,16 mm) đến D4 (0,19 mm) được sử dụng, với D5 (0,2 mm) là trường hợp ngoại lệ khi có mô men xoắn quá nhỏ so với các thiết lập khác.
- Tại tốc độ động cơ 1800 (vòng phút)
Công suất: Tất cả các thiết lập D1, D2, D3, D4 và D5 nhận được giá trị công suất là tương tự nhau
Tất cả các thiết lập D1, D2, D3 và D4 đều nhận được giá trị công suất bằng nhau, trong khi thiết lập đường kính D5 (0,2 mm) lại có giá trị mô men lớn nhất so với các thiết lập khác.
- Tốc độ động cơ từ 1800 ÷ 5000 (vòng/phút):
Công suất của thiết lập với đường kính lỗ tia nhỏ nhất D1 (0,16 mm) vượt trội hơn so với các thiết lập khác, đặc biệt khi tốc độ động cơ tăng Đồ thị cho thấy giá trị công suất đạt tối đa ở tốc độ 4000 vòng/phút và có xu hướng giảm khi tốc độ đạt 5000 vòng/phút.
Giá trị mô men của thiết lập D1 (0,16 mm) là lớn nhất so với các thiết lập khác và sự chênh lệch này càng rõ rệt khi tốc độ động cơ tăng Theo đồ thị, mô men có xu hướng giảm dần khi tốc độ động cơ vượt quá 2000 vòng/phút.
Tốc độ động cơ từ 4000 (vòng/phút):
Công suất giảm lần lượt là D1 D2 D3 D4 D5 : 2,44% ; 2,42% ; 2,63% ; 2,95%
Moment giảm lần lượt là D1 D2 D3 D4 D5 : 2,36% ; 2,24% ; 2,32% ; 2,58%
4.2.2 Sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 4.3 Biểu đồ suất tiêu hao nhiên liệu
Tốc độ thấp nhất để đạt được hiệu suất tối ưu của động cơ gemin là 1500 vòng/phút Nếu tốc độ dưới 1500 vòng/phút, hiệu suất sẽ tăng, dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu Ngược lại, nếu tốc độ vượt quá 1500 vòng/phút, mức tiêu hao nhiên liệu sẽ gia tăng.
Theo biểu đồ suất tiêu hao nhiên liệu:
Tại tốc độ động cơ từ 600 đến 1500 vòng/phút, suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng giảm Các thiết lập với đường kính lỗ tia lớn hơn thường tiêu hao ít nhiên liệu hơn, ngoại trừ thiết lập D5 với đường kính 0,2 mm, lại có suất tiêu hao nhiên liệu cao nhất.
Tại tốc độ động cơ từ 1500 đến 1800 vòng/phút, suất tiêu hao nhiên liệu đạt mức thấp nhất, nhưng sẽ có xu hướng tăng khi tốc độ vượt quá 1800 vòng/phút.
Tại tốc độ động cơ từ 1800 đến 3600 vòng phút, các thiết lập với đường kính lỗ tia nhỏ hơn cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn so với các thiết lập có đường kính lớn hơn Xếp hạng từ thiết lập tiêu hao nhỏ nhất đến lớn nhất lần lượt là D1, D2, D3, D4 và D5 Ngoài ra, suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng nhẹ khi tốc độ động cơ cao hơn.
Tại tốc độ động cơ từ 3600 đến 4200 vòng phút, các thiết lập với đường kính lỗ tia nhỏ hơn tiếp tục cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn so với các thiết lập có đường kính lớn hơn Tuy nhiên, suất tiêu hao có xu hướng tăng mạnh hơn, đặc biệt tại tốc độ 4200 vòng phút, với BSFC tăng lần lượt là 2,59% cho D1, 2,52% cho D2, 2,76% cho D3 và 3,11% cho D4 và D5.
Khi động cơ hoạt động ở tốc độ từ 4200 đến 5000 vòng/phút, suất tiêu hao nhiên liệu giảm đáng kể khi tốc độ vượt quá 4200 vòng/phút Các thiết lập với đường kính lỗ tia nhỏ hơn cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn so với các thiết lập có đường kính lớn hơn, cụ thể là D1, D2, D3, D4 và D5.
4.2.3 Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến phát thải khí xả 4.2.3.1 Đánh giá sự ảnh hưởng của đường kính lỗ tia phun đến phát thải NOx
Tại tốc độ động cơ 600 vòng/phút, tỷ lệ NOx được ghi nhận với các giá trị đường kính lỗ tia phun D 0.16 mm, D 0.17 mm, D 0.18 mm và D 0.19 mm Lưu ý rằng giá trị NOx từ thiết lập đường kính lỗ tia phun D 0.20 mm quá nhỏ so với các giá trị còn lại, do đó đồ thị chỉ thể hiện các giá trị lớn hơn để đảm bảo tính trực quan.
Kết luận
Hình 4.23 Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc 1800(vòng/phút) Nhận xét:
Tại tốc độ động cơ 1800 vòng/phút, công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của các đường kính lỗ tia phun khác nhau đều có giá trị gần bằng nhau.
Theo phân tích về phát thải NOx, đường kính D5 cho thấy mức phát thải thấp nhất so với các đường kính khác Điều này cho thấy rằng khi đường kính giảm, lượng phát thải NOx sẽ tăng lên đáng kể.
Theo phân tích về phát thải muội than, đường kính D1 cho thấy lượng phát thải thấp nhất so với các đường kính khác Khi đường kính tăng lên, lượng phát thải muội than cũng có xu hướng gia tăng.
Suất tiêu hao nhiên NOx liệu
Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc
Hình 4.24 Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc 3000(vòng/phút) Nhận xét:
Tại tốc độ động cơ 3000 vòng/phút, sự khác biệt rõ ràng về công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu được thể hiện qua các đường kính lỗ tia phun khác nhau Cụ thể, đường kính lỗ tia phun nhỏ hơn dẫn đến công suất và mô men tăng lên, trong khi suất tiêu hao nhiên liệu giảm xuống.
Đường kính D5 có mức phát thải NOx thấp nhất so với các đường kính khác Khi đường kính giảm, lượng phát thải NOx sẽ tăng lên.
Phát thải muội than đạt mức thấp nhất với đường kính D5, trong khi đó, khi đường kính giảm, lượng phát thải NOx lại tăng lên.
Suất tiêu hao nhiên NOx liệu
Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc
Hình 4.25 Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc 4200(vòng/phút) Nhận xét:
Tại tốc độ động cơ 4200 vòng/phút, sự khác biệt về công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu giữa các đường kính lỗ tia phun trở nên rõ ràng hơn so với các tốc độ thấp hơn Đường kính lỗ tia phun nhỏ hơn giúp tăng công suất và mô men, đồng thời giảm suất tiêu hao nhiên liệu.
Đường kính D5 cho thấy mức phát thải NOx thấp nhất so với các đường kính khác Khi đường kính giảm, lượng phát thải NOx sẽ tăng lên.
Phát thải muội than với đường kính D5 là thấp nhất so với các đường kính khác, trong khi đó, khi đường kính giảm, lượng phát thải NOx lại tăng lên.
Suất tiêu hao nhiên liệu NOx
Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc