Khoa học công nghệ

Ảnh hưởng của nhiên liệu, tỷ số nén và góc đánh lửa sớm đến quá trình cháy hỗn hợp xăng-ethanol trong động cơ Daewoo

Saturday, 07 July 2018 10:27 PDF  | Print |  E-mail
There are no translations available.

Effects of Fuel Components, Compression Ratio and Advance Ignition Timing to
Combustion of Gasoline-Ethanol Blended Fuel in Daewoo Engine


Bùi Văn Ga (1), Bùi Văn Tấn (2), Nguyễn Văn Đông (3)
1. Bộ Giáo dục và Đào tạo; This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it
2. Trung tâm Đăng kiểm xe cơ giới Đà Nẵng
3. Trường Đại học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng


Tóm tắt


   Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu, các thông số kết cấu và vận hành động cơ đến quá trình cháy và tính năng của động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng xăng pha ethanol. Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng ethanol pha vào xăng từ 10% lên 20%, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm nhẹ khoảng 1% nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm. Khi hàm lượng cồn trong xăng tăng thì có thể tăng tỷ số nén động cơ. Đối với động cơ Daewoo chạy bằng xăng E15 khi tăng tỉ số nén từ 9,5 lên 10,3 thì công chỉ thị chu trình tăng khoảng 12%. Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ Daewoo chạy bằng xăng E15 với tỷ số nén nguyên thủy 9,5 thay đổi từ 25o đến 32o trong phạm vi tốc độ động cơ từ 1500 vòng/phút đến 4000 vòng/phút. Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm khi tăng tỷ số nén động cơ nhưng tăng nhẹ theo hàm lượng cồn trong xăng. Khi tăng hàm lượng cồn trong xăng từ 10% lên 20% thì góc đánh lửa sớm tối ưu tăng khoảng 2o-3o ở tốc độ động cơ 1500 vòng/phút.


Abstract


   The paper presents the results of research on effects of fuel components, structural and operational parameters of engine to the combustion in spark ignition engine fueled with gasoline-ethanol blended fuel. Results showed that while increasing ethanol content in fuel mixture from 10% to 20%, indicated engine cycle work slightly decreases about 1% if advance ignition is kept constant. Compression ratio of engine can be increased with increasing of methanol component in fuel mixture. Indicated engine cycle work of Daewoo engine fueled with E15 gasoline-ethanol blended fuel increases about 12% as compression ratio increases from 9.5 to 10.3. Optimal advance ignition angle of Daewoo engine fueled with E15 with original compression ratio of 9.5 increases from 250 to 320 as engine speed increases from 1500rpm to 4000rpm. Optimal advance ignition angle decreases with increasing compression ratio but slightly increases with ethanol content in fuel mixture. As ethanol content in fuel mixture increases from 10% to 20%, the optimal advance ignition angle increased approximately 2o-3o at engine speed 1500rpm.


   Keywords: Renewable energy; alternative fuel; gasoline-ethanol blended fuel combustion


   1. Giới thiệu


   Xăng pha ethanol đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới với tỉ lệ pha chế khác nhau. Theo qui định của Chính phủ Việt Nam, xăng pha 5% thể tích ethanol (gọi là xăng E5) được sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ ngày 1-12-2015. Ethanol là hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của cồn etylic, có số octane cao hơn so với xăng. Do đó Ethanol có thể được sử dụng để nâng cao trị số octane của nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình cháy trong động cơ đốt trong [1].


   Mustafa Koc nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha ethanol E50 và E85 đến tính năng động cơ và mức độ phát ô nhiễm ở tỷ số nén 10 và 11 và tốc độ động cơ biến thiên từ 1500 đến 5000 vòng/phút. Kết quả cho thấy khi pha ethanol vào xăng, momen động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng nhưng mức độ phát thải ô nhiễm giảm [2]. Nghiên cứu này cũng cho thấy xăng pha ethanol cho phép tăng tỷ số nén động cơ mà không xảy ra kích nổ. Do nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol và nhiệt độ bốc cháy của ethanol cao hơn xăng nên thời gian cháy trễ của ethanol bị kéo dài. Vì vậy, để tăng hiệu quả động cơ chạy bằng xăng pha ethanol chúng ta cần tăng góc đánh lửa sớm của động cơ theo hàm lượng ethanol. Richie Daniel nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ chạy bằng xăng pha ethanol [3]. Kết quả cho thấy ở tốc độ 1500 vòng/phút, góc đánh lửa sớm động cơ chạy bằng xăng khoảng 7-8o, trong khi đó góc đánh lửa sớm của ethanol khoảng 22o [3]. Phuangwongtrakul thử nghiệm xăng pha cồn với thành phần khác nhau. Kết quả cho thấy momen lớn nhất khi động cơ chạy ở 5000 vòng/phút đạt được với góc đánh lửa sớm là 30o, 35o và 40o ứng với xăng E10, E30 và E85 [4].


   Trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát quá trình cháy và tính năng động cơ khi chạy bằng xăng pha ethanol với hàm lượng khác nhau. Ảnh hưỏng của góc đánh lửa sớm và tỷ số nén động cơ cũng được khảo sát, đánh giá.


   Thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thí nghiệm động cơ-ô tô, Trường Đại học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng. Hệ thống thí nghiệm được trang bị đồng bộ của hãng AVL. Mô tả chi tiết hệ thống thí nghiệm động cơ được trình bày trong [5]. Động cơ Daewoo A16DMS được cải tạo để thí nghiệm chạy bằng hỗn hợp xăng pha ethanol. Đó là động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh, đường kính xi lanh 79 mm, hành trình piston 81,5mm, thể tích tổng cộng xi lanh 1598 cm3, tỉ số nén động cơ 9,5. Công suất cực đại của động cơ khi chạy bằng xăng là 78 kW ở 5800 vòng/phút.


   Hỗn hợp nhiên liệu thí nghiệm chính là E15 được pha trộn 15% thể tích ethanol và 85% thể tích xăng thương mại RON92.


   2. Tính toán mô phỏng quá trình cháy

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 1: Chia lưới xi lanh và buồng cháy động cơ Daewoo


   Hình 1 giới thiệu xi lanh và buồng cháy động cơ Daewoo và chia lưới để tính toán mô phỏng bằng phần mềm ANSYS FLUENT. Trong tính toán chúng tôi sử dụng mô hình chảy rối k-, mô hình cháy hòa trộn trước cục bộ. Qui trình xây dựng mô hình tính toán và thiết lập lưới động khi piston dịch chuyển trong xi lanh động cơ được trình bày trong [6]. Thành phần nhiên liệu được điều chỉnh và các đặc trưng nhiệt động hóa học của hỗn hợp cháy được thiết lập trong bảng pdf để truy suất nhanh chóng trong quá trình giải hệ phương trình mô tả diễn biến lưu cháy trong xi lanh.

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 2: Diễn biến quá trình cháy trong buồng cháy động cơ Daewoo tại mặt cắt ngang buồng cháy cách đỉnh 8mm (xăng E15, tỉ số nén =9,5, tốc độ động cơ 2000 vòng/phút, đánh lửa tại =335o)
07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 3: Biến thiên áp suất và nhiệt độ (a); biến thiên áp suất, nồng độ oxy và nhiên liệu (b) trong buồng cháy động cơ Daewoo chạy bằng xăng E15, tỉ số nén =9,5, tốc độ động cơ 2000 vòng/phút, góc đánh lửa sớm 25o


   Hình 2 biểu diễn phát triển khu vực cháy của động cơ trên mặt cắt ngang buồng cháy cách đỉnh 8 mm. Trên mặt cắt ngang này ta thấy màng lửa hình tròn với bán kính tăng dần theo góc quay trục khuỷu. Hình 3a biểu diễn biến thiên áp suất và nhiệt độ trong xi lanh động cơ; hình 3b biểu diễn biến thiên áp suất và nồng độ O2, xăng và ethanol theo góc quay trục khuỷu. Khi bắt đầu cháy, nồng độ các chất giảm dần đồng thời nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng nhanh. Điểm cực đại của nhiệt độ trễ hơn điểm cực đại của áp suất khoảng 20o.


   3. Kết quả và bình luận


   3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng cồn trong xăng

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 4: So sánh đồ thị công (a) và biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm b) khi động cơ Daewoo chạy bằng xăng pha ethanol với hàm lượng khác nhau, 
tỉ số nén =9,5, tốc độ động cơ 1500 vòng/phút, hệ số tương đương =1,1


   Hình 4a biểu diễn đồ thị công của động cơ Daewoo giữ nguyên tỷ số nén nguyên thủy, góc đánh lửa sớm 20o chạy bằng nhiên liệu E10, E15 và E20. Công chỉ thị tương ứng là 522J, 520J và 517J. Điều này cho thấy khi tăng hàm lượng cồn trong xăng nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm thì công chỉ thị của động cơ có giảm nhưng rất nhẹ. Khi tăng thể tích cồn pha vào xăng từ 10% thể tích lên 20% thể tích thì công chỉ thị động cơ giảm chưa đến 1%.


   Hình 4b biểu diễn biến thiên của Wi theo góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng nhiên liệu E10 và E20 ở tốc độ 1500 vòng/phút. Ta thấy khi góc đánh lửa sớm tăng thì đỉnh đường cong áp suất dịch chuyển về gần ĐCT và áp suất cực đại tăng. Tuy nhiên phân tích đồ thị công cho thấy, công chỉ thị của động cơ không tăng theo áp suất cực đại mà tăng theo diện tích đồ thị công. Biến thiên công chỉ thị theo góc đánh lửa sớm được trình bày trên hình 4b. Kết quả cho thấy trong trường hợp này góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ 25-27o.

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 5: Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến đồ thị công chỉ thị khi động cơ Daewoo chạy bằng xăng E15, góc đánh lửa sớm 25o ở tốc độ 3000 vòng/phút (a) và 4000 vòng/phút (b), hệ số tương đương =1,1


   3.2. Ảnh hưởng của tỷ số nén động cơ:


   Do xăng E15 có chỉ số octan cao hơn xăng A92 nên nếu động cơ được cải tạo để chạy bằng nhiên liệu này thì ta có thể tăng tỉ số nén để tăng hiệu quả công tác của động cơ. Hình 5a và hình 5b so sánh đồ thị công chỉ thị của động cơ khi chạy bằng xăng E15 khi giữ nguyên tỉ số nén ban đầu 9,5 và khi tăng tỉ số nén động cơ lên 10,3 ở tốc độ 3000 vòng/phút và 4000 vòng/phút. Tính toán công chỉ thị cho thấy ở tốc độ 4000 vòng/phút công chỉ thị của động cơ có tỉ số nén 10,3 là 504J, tăng so với động cơ có tỉ số nén 9,5 (463J). Ở tốc độ 3000 vòng/phút, giá trị công chỉ thị là 458J và 421J tương ứng với tỉ số nén động cơ là 9,5 và 10,3.

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 6: Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ đến công chỉ thị khi động cơ Daewoo 
chạy bằng xăng E15, góc đánh lửa sớm 25o


   Hình 6 so sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc độ động cơ chạy bằng xăng E15 với tỉ số nén 9,5 và 10,3 và góc đánh lửa sớm được giữ cố định 25o trước ĐCT. Chúng ta thấy khi tốc độ động cơ tăng mà không thay đổi góc đánh lửa sớm thì công chu trình giảm. Chênh lệch công chỉ thị chu trình khi động cơ có tỉ số nén 9,5 và 10,3 hầu như ít thay đổi theo tốc độ động cơ. Ở tốc độ 1500 vòng/phút mức chênh lệch này là 30J/chu trình và ở tốc độ 4000 vòng/phút, mức chênh lệch này là 32J/chu trình.


   3.3. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm


   Hình 7a giới thiệu đồ thị áp suất trong xi lanh động cơ và hình 7b giới thiệu đồ thị công của động cơ khi chạy bằng xăng E15 với góc đánh lửa sớm 20o, 23o, 25o, 27o và 30o ở 1500 vòng/phút. Chúng ta thấy khi góc đánh lửa sớm tăng thì đỉnh đồ thị áp suất cũng tăng và dịch về phía ĐCT. Tuy nhiên khi tăng góc đánh lửa sớm thì phần công âm trước khi piston đến ĐCT cũng tăng làm giảm công chung của chu trình. Khi giảm góc đánh lửa sớm, áp suất cực đại giảm dẫn đến giảm công chỉ thị của động cơ.

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 7: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đồ thị áp suất (a) và đồ thị công chỉ thị (b) khi động cơ Daewoo chạy bằng xăng E15, ở tốc độ 1500 vòng/phút


   Trên thực tế trong các điều kiện như nhau thì khi tốc độ động cơ tăng, thời gian dành cho quá trình cháy giảm. Để cho đỉnh đường cong áp suất nằm ở vị trí tối ưu (thường khoảng 16o sau ĐCT), ta phải tăng góc đánh lửa sớm. Mặt khác do khi tăng tốc độ động cơ cường độ cháy rối do đó góc đánh lửa sớm tối ưu không tăng tuyến tính theo tốc độ động cơ.


   Hình 8a giới thiệu biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm khi động cơ giữ nguyên tỷ số nén 9,5 ban đầu và chạy bằng xăng E15 ở tốc độ 1500 vòng/phút và 3000 vòng/phút. Chúng ta thấy góc đánh lửa tối ưu ứng với hai chế độ tốc độ này theo thứ tự là 26o và 32o. Tương tự như vậy, hình 8b giới thiệu biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm khi động cơ được nâng tỷ số nén lên 10,3 chạy bằng xăng E15 ở 2 chế độ tốc độ như trường hợp đầu. Chúng ta thấy góc đánh lửa tối ưu ứng với hai chế độ tốc độ này theo thứ tự là 23o và 30o, nhỏ hơn từ 2o-3o so với trường hợp tỷ số nén động cơ 9,5.

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 8: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm khi 
động cơ Daewoo chạy bằng xăng E15, với tỉ số nén 9,5 (a) và 10,3 (b)


   3.4. So sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm


   Thực nghiệm được tiến hành đầu tiên để so sánh đường đặc tính cục bộ của động cơ khi chạy bằng xăng và chạy bằng xăng pha ethanol. Hình 9 so sánh biến thiên công suất của động cơ ở độ mở bướm ga 30% khi chạy bằng xăng RON92 và bằng xăng E15 với góc đánh lửa sớm giữ cố định ở 25o. Kết quả thực nghiệm cho thấy nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm như động cơ xăng thì công suất của động cơ khi chạy bằng E15 thấp hơn công suất khi chạy bằng xăng. Tốc độ càng cao thì khoảng chênh lệch càng lớn. Như đã trình bày ở các phần trên, để nâng cao tính năng công tác của động cơ, khi chuyển sang chạy bằng xăng pha ethanol chúng ta cần điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm.

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 9: So sánh được đặc tính cục bộ của động cơ Daewoo khi chạy bằng xăng 
RON92 và xăng E15 (30% tải, với tỉ số nén 9,5)


   Hình 10 so sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm đường đặc tính ngoài của động cơ Daewoo khi chạy bằng xăng E15 với góc đánh lửa sớm 20o và 25o. Công suất có ích của động cơ được tính toán dựa trên công chỉ thị chu trình và hiệu suất cơ giới. Ở đây hiệu suất cơ giới được chọn =0,8. Kết quả cho thấy đường đặc tính ngoài cho bởi mô phỏng phù hợp với đường đặc tính ngoài thực nghiệm. Khi đánh lửa muộn (20o), công suất ngoài của động cơ hơi thấp hơn công suất khi đánh lửa sớm (25o).

 

07072018 BaiVietBuiVanTan 1
Hình 10: So sánh đường đặc tính ngoài của động cơ Daewoo khi chạy bằng xăng E15 
cho bởi mô phỏng và thực nghiệm ứng với góc đánh lửa sớm 20o và 25o


   4. Kết luận


   - Cùng một chế độ vận hành của động cơ khi thay đổi hàm lượng ethanol trong xăng công suất động cơ thay đổi rất nhẹ. Khi tăng hàm lượng ethanol pha vào xăng từ 10% lên 20%, công suất động cơ giảm khoảng 1% nếu không điều chỉnh góc đánh lửa sớm.


   - Khi tăng tỉ số nén động cơ từ 9,5 lên 10,3 công chỉ thị chu trình của động cơ tăng khoảng 12%. Mức tăng này không thay đổi nhiều khi thay đổi tốc độ động cơ.


   - Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ với tỷ số nén nguyên thủy 9,5 chạy bằng xăng pha cồn thay đổi từ 26o đến 32o khi tốc độ động cơ biến thiên từ 1500 vòng/phút lên 4000 vòng/phút. Khi nâng tỉ số nén lên 10,3 góc đánh lửa sớm tối ưu thay đổi từ 23o đến 30o trong cùng khoảng thay đổi tốc độ động cơ.


   - Góc đánh lửa sớm tối ưu tăng nhẹ theo hàm lượng cồn trong xăng. Khi tăng hàm lượng ethanol trong xăng từ 10% lên 20% thì góc đánh lửa sớm tối ưu tăng khoảng 2o ở tốc độ động cơ 1500 vòng/phút.


Bùi Văn Tấn - Trung tâm đăng kiểm XCG Đà Nẵng



Tài liệu tham khảo


[1] Huseyin Serdar Yucesu, Tolga Topgul, Can Cinat, Melih Okur: Effect of ethanol–gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in different compression ratios. Applied Thermal Engineering, Volume 26, Issues 17-18, December 2006, Pages 2272–2278.


[2] Mustafa Koc, Yakup Sekmen, Tolga Topgül, Hüseyin Serdar Yücesu: The effects of ethanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a spark-ignition engine. Renewable Energy, Volume 34, Issue 10, October 2009, Pages 2101–2106.


[3] Richie Daniel, Guohong Tian, Hongming Xu, Shijin Shuai: Ignition tiiming sensivities of oxygenated biofuels compared to gasoline in direct-injection SI engine. Fuel 99 (2012), pp. 72-82


[4] S. Phuangwongtrakul, K.Wannatong, T. Laungnarutai and W. Wechsatol: Suitable Ignition Timing and Fuel Injection Duration for Ethanol-Gasoline Blended Fuels in a Spark Ignition Internal Combustion Engine. Proc. of the Intl. Conf. on Future Trends in Structural, Civil, Environmental and Mechanical Engineering, FTSCEM 2013, ISBN: 978-981-07-7021-1, pp. 39-42


[5] Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh, Võ Anh Vũ, Bùi Văn Hùng: Phân tích biến thiên áp suất trong động cơ dual fuel biogas-diesel cho bởi mô phỏng và thực nghiệm. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 01(86), 2015, pp.24-29


[6] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Tran Thanh Hai Tung: A Simulation of Effects of Compression Ratios on the Combustion in Engines Fueled With Biogas with Variable CO2 Concentrations. Journal of Engineering Research and Application www.ijera.com Vol. 3, Issue 5, Sep-Oct 2013, pp.516-523 (Impact Factor 1,69).

  

CAC_BAI_VIET_KHAC

Sông hanEU  

Video clip