CHƯƠNG V: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
5.1. Kết quả tính toán
Ta sử dụng phần mềm lập trình FORTRAN để liên kết mô hình tính toán chu trình nhiệt động của động cơ và phương trình động học của NOx áp dụng cho xe Wave α với các thông số đầu vào như sau:
Bảng 5.1. Các thông số đầu vào xe Wave α
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Đường kính piston b 5 cm
Hành trình piston S 4,95 cm
Tỷ số nén r 9,0:1
Tham số kết cấu của cơ
cấu thanh truyền tay quay ε 0,27
Tốc độ vòng quay n 7000 Vòng/phút
Hệ số lọt khí c 0,6875
Hệ số khí sót f 0,11
Hệ số dư lượng không khí φ 0,87
Nhiệt độ cửa nạp T1 300 K
Nhiệt độ thành xylanh Tw 300 K
Nhiệt độ piston Tp 300 K
Nhiệt độ nắp máy Th 300 K
Góc quay trục khuỷu bắt
đầu 1 chu trình θe -355 Độ
Số vùng zn 5 Vùng
Góc cháy θb 60 Độ
Góc đánh lửa sớm θs -25 Độ
Áp suất nạp p1 0,85 Bar
Số chu trình chạy j 300 Chu trình
Sau khi chạy trên phần mềm FORTRAN với 5 vùng ta thu được các kết quả sau:
a) Áp suất khí thể
Áp suất khí thể tính toán ở chế độ toàn tải, tốc độ 5500 v/p (90km/h), lam da
=0,95 được thể hiện trên đồ thị hình 5.1 và hình 5.2.
Áp suất khí thể (bar)
Góc quay trục khuỷu (độ)
Hình 5.1. Áp suất theo góc quay trục khuỷu Nhận xét:
Ban đầu quá trình nạp thì áp suất suốt quá trình nạp coi bằng áp suất trên đường nạp pa = 0,85bar. Sau khi kết thúc quá trình nạp (xupáp nạp đóng) bắt đầu quá trình nén áp suất trong xylanh bắt đầu tăng. Tiếp đó là quá trình cháy pmax = pz = 35,1164
bar, giãn nở áp suất lại giảm dần như đồ thị. Quá trình thải (xupap thải mở) áp xuất trong xylanh pr = 1,0231bar. Sau khi kết thúc quá trình thải để bắt đầu quá trình nạp, trong xylanh chứa đầy khí sót. Khi piston đi xuống, khí sót giãn nở, áp suất trong xylanh giảm xuống và xupap thải đóng muộn. Từ thời điểm áp suất trong xylanh bằng áp suất trước xupap nạp trở đi, khí nạp mới thực sự đi vào trong xylanh hoà trộn với khí sót tạo thành hoà khí công tác.
Áp suất khí thể (bar)
Thể tích xi lanh (cm3)
Hình 5.2. Đồ thị công Nhận xét:
Từ đồ thị công (hình 5.2) ta tính được công suất của động cơ để so sánh với kết quả thí nghiệm.
Công suất động cơ (công suất có ích) để kéo máy công tác là hiệu của công suất chỉ thị và công suất tổn thất cơ khí được tính theo công thức sau:
Ne = Ni - Nm (5.1) + Tính công suất chỉ thị:
Ni = f.Li (5.2)
Ở đây:
f là số chu trình trong một giây 1.7000 175
30 30.4 3
f in
= τ = =
Với: i là số xylanh , τ là số kỳ.
Li là công chỉ thị của chu trình thực tế, đó là tổng đại số của công dương và công âm của chu trình. Khi làm thực nghiệm lấy đồ thị công, áp suất đường nạp và đường thải thường khác nhau ít và rất thấp so với đường nén và cháy nên phần công bơm khá nhỏ, khó xác định chính xác và coi nó là một phần trong các tổn thất cơ khí của động cơ.
Từ đồ thị công và theo công thức (5.2) ta thu tính được công suất chỉ thị của động cơ là:
Ni = 5,19 (kW) + Tính công suất tổn thất cơ khí:
Đó là các tổn thất do ma sát giữa các mối ghép động, công suất dẫn động các cơ cấu phụ của động cơ như bơm dầu, bơm nước, quạt gió…và công bơm của quá trình nạp thải. Được tính như sau:
.
30
m h
m m
p V in N f L
= = τ (5.3) Ở đây: pm là áp suất tổn thất cơ khí được xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc bậc nhất vào tốc độ trung bình của piston cm. Đối với động cơ xe máy ta có:
pm = 0,05 +0,015.cm (5.4) = 0,05 +0,015.11,55=0,22 (MPa)
Với
49,5.10 .70003
11,55 (m/s)
30 30
m
c Sn
= = − =
Vh là thể tích công tác:
2 . 0,5( )2 3 3
.0,495 97,2.10 (dm )
4 4
h
V πD S π −
= = =
3175
0,22.97,2.10 . 1, 25 (k )
m m h 3
N p V f − W
⇒ = = =
Vậy Ne = Ni - Nm = 5,19 - 1,25 = 3,94 (kW) so với kết quả thí nghiệm với Ne = 3,82 kW ta thấy kết quả tính toán hoàn toàn chấp nhận được. Vì kết quả tính là công suất động cơ phải lớn hơn kết quả đo khoảng 3% (kết quả đo là đo trên bánh xe = công suất động cơ – (tổn hao bộ truyền xích, ma sát bánh xe).
b) Nhiệt độ khí thể
Kết quả tính toán nhiệt độ khí thể được thể hiện trên hình 5.3. 5.4 và 5.5. Hình 5.3 biểu diễn nhiệt độ khí thể cục bộ ở từng vùng.
Góc quay trục khuỷu (độ) Nhiệt độ khí thể (K)
Hình 5.3. Môi chất chưa cháy (Tunburn)
và nhiệt độ khí cháy từng vùng (Tb1, Tb2, Tb3, Tb4, Tb5)
Tại vùng 1 ứng với nhiệt độ Tb1 ta thấy sự khác biệt rõ ràng so với các vùng còn lại. Thực vậy, khi bắt đầu quá trình cháy áp suất trong xylanh đạt cực đạt do đó nhiệt độ lớn nhất.
Tại các vùng từ Tb2 trở đi nhiệt độ diễn biến không theo chiều giảm mà có thể vùng sau nhiệt độ nhô cao hơn vùng trước hoặc gần như trùng nhau. Do tổn thất nhiệt cho xylanh và vùng lân cận….nhưng khi chia số vùng càng nhiều thì thể hiện nhiệt độ theo chiều giảm xuống sẽ rõ rệt hơn.
Nhiệt độ chưa cháy chỉ diễn biến đến khi nhiên liệu cháy kiệt và lúc đó không còn vùng chưa cháy. Còn nhiệt độ các vùng từ 1 đến 5 sẽ gảm theo chiều tăng của góc quay trục khuỷu do áp suất giảm và mất nhiệt vì truyền nhiệt cho các chi tiết động cơ.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
-25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350
Tb (K)
Crank Angle ( degree) Góc quay trục khuỷu (độ)
Hình 5.4. Nhiệt độ chung của khí đã cháy theo góc quay trục khuỷu
Nhiệt độ trung bình của khí đã cháy tại mỗi thời điểm được biểu diễn trên hình 5.4. Nhìn vào đồ thị ta thấy từ lúc bắt đầu cháy nhiệt độ bắt đầu tăng nhanh đến 2200K và lớn nhất là khoảng 2460K rồi giảm xuống do áp suất giảm và truyền nhiệt cho piston, xylanh, nắp máy.
Góc quay trục khủyu (độ) Nhiệt độ khí thể (K)
Hình 5.5. Nhiệt độ trung bình của khí thể trong xylanh (Tgas) theo góc quay trục khuỷu
Nhiệt độ trung bình của khí thể tại mỗi thời điểm tính theo góc quay trục khuỷu được biểu diễn trên hình 5.5. Nhìn vào đồ thị ta thấy từ lúc bắt đầu cháy nhiệt tăng dần dần từ 620K đến 2221K sau đó giảm như phân tích ở đồ thị 5.4 về nhiệt độ khí đã cháy.
c) Hàm lượng NOx
Hàm lượng NOx tạo thành ở mỗi chu trình được biểu diễn trên hình 5.6.
Nồng độ NOx tại từng vùng rất khác biệt và theo chiều giảm. Đặc biệt nồng độ NOx
tại vùng 1 rất cao, vì NOx phụ thuộc lớn vào nhiệt độ mà nhiệt độ tại vùng 1 lại cao so với vùng còn lại. Nồng độ tại các vùng còn lại giảm tương đối đều và có trị số tương đối nhỏ.
Hàm lượng NOx (ppm)
Góc quay trục khuỷu (độ)
Hình 5.6. Nồng độ NOx từng vùng
Đồ thị hình 5.7 biểu diễn nồng độ NOx trung bình thay đổi theo thời gian (số chu trình), ban đầu nồng độ NOx thay đổi theo chiều tăng vì lúc đó động cơ đang ở thời kỳ quá độ nóng dần để đi đến ổn định. Sau khi động cơ ổn định thì nồng độ NOx
trung bình tương đối ổn định không thay đổi với nồng độ là 423,412 ppm.
Hàm lượng NOx (ppm)
Số chu trình
Hình 5.7. Nồng độ NOx trung bình theo chu trình
d) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo thành NOx - Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp:
0 100 200 300 400 500 600 700
0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3
Lam da
Hàm lượng NOx (ppm)
Hình 5.8. Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy đến NOx
Hình 5.8 thể hiện ảnh hưởng của lambda đến nồng độ NOx tạo thành. Có thể thấy NOx có cực đại khi hỗn hợp hơi nhạt (lambda = 1,05-1,1).
- Anh hưởng của góc đánh lửa sớm: Hình 5.9 biểu diễn ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới NOx. Tăng góc đánh lửa sớm sẽ làm tăng nồng độ NOx trong khí thải.
0 200 400 600 800 1000
10 15 20 25 30 35 40
Góc đánh lửa sớm (độ)
hàm lượng NOx (ppm)
Hình 5.9 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến hàm lượng NOx