BUỒNG CHÁY PHÙ HỢP VỚI ĐỘNG CƠ BIOGAS ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
GATEC
Bài báo trình bày kết quả tính toán mô phỏng ảnh hưởng của dạng buồng cháy và tỉ số nén đến tính năng công tác của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ Diesel có buồng cháy nguyên thủy dạng omega.
1. Giới thiệu
Động cơ Diesel có thể chuyển sang chạy bằng biogas bằng 2 cách: động cơ nhiên liệu kép (dual fuel) và động cơ đánh lửa cưỡng bức. Động cơ nhiên liệu kép hoạt động theo nguyên lý động cơ hỗn hợp hòa trộn trước nhưng được đánh lửa bằng tia diesel phun mồi thay cho bougie. Động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ Diesel, phương án cải tạo này có thể tận dụng được tỉ số nén cao của động cơ diesel nguyên thủy để cải thiện hiệu suất nhiệt nhờ biogas có tính chống kích nổ tốt hơn nhiên liệu truyền thống. Mặt khác tốc độ cháy của hỗn hợp biogas-không khí thấp hơn nhiên liệu lỏng nên rất phù hợp với thiết kế của động cơ diesel. Bài báo này phân tích việc lựa chọn dạng buồng cháy và tỉ số nén phù hợp khi cải tạo động cơ Diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức.
2. Thiết lập mô hình tính toán
Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ Diesel ZH1115 do Trung Quốc chế tạo. Động cơ có đường kính xi lanh D=115mm, hành trình piston S=115mm, tỉ số nén e=17 đạt công suất cực đại 24HP ở tốc độ định mức 2200 vòng/phút. Đây là chủng loại động cơ dùng khá phổ biến hiện nay ở nước ta.
Trong nghiên cứu này chúng ta sẽ so sánh tính năng của động cơ biogas khi sử dụng lại buồng cháy xoáy lốc có sẵn của động cơ diesel và khi cải tạo buồng cháy này thành buồng cháy phẳng đơn giản. Trong trường hợp thứ nhất, piston nguyên thủy của động cơ được tiện bỏ phần đỉnh một lớp để giảm tỷ số nén. Phần lõm dạng omega của buồng cháy không thay đổi. Trong trường hợp thứ hai, phần lõm của piston được hàn đắp sau đó tiện đỉnh piston một lớp để đạt các tỉ số nén cần thiết.
Xác lập không gian tính toán đối với 2 dạng buồng cháy nói trên, chia lưới và đặt điều kiện biên cho bài toán được thực hiện trong phần mềm GAMBIT (hình 1 và hình 2). Áp dụng Dynamic Mesh cho phép chúng ta cài đặt các thông số kết cấu động cơ trước khi thực hiện việc tính toán bằng phần mềm động lực học thủy khí FLUENT [2].
3. Diễn biến quá trình cháy
Hình 3: Trường tốc độ ở vị trí 345°của môi chất công tác trong động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức có buồng cháy Omega (a) và buồng cháy phẳng (b) (e=11,63; n=1500 vòng/phút; js=50°; f=1,08; nhiên liệu chứa 70% thể tích CH4)
Kết quả tính toán quá trình cháy động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cho thấy màng lửa có dạng chỏm cầu, lan dần từ vị trí đánh lửa đến khu vực xa nhất của buồng cháy. Do trục buồng cháy omega lệch so với trục xi lanh nên cuối quá trình cháy vẫn còn một bộ phận hỗn hợp ở khu vực xa trục buồng cháy chưa cháy hết. Tuy nhiên do vận động xoáy lốc mạnh của hỗn hợp trong buồng cháy nên màng lửa lan tràn rất nhanh.
Hình 3 thể hiện trường tốc độ dòng khí dưới dạng vector trong buồng cháy trong quá trình cháy. Chúng ta thấy trong trường hợp buồng cháy omega, vận động xoáy lốc của dòng khí mạnh hơn rất nhiều so với trường hợp buồng cháy phẳng. Khi tính toán buồng cháy phẳng, mặc dầu vị trí đặt nến đánh lửa đã giả định đặt trên đỉnh buồng cháy đối xứng hoàn toàn nhưng do buồng cháy không xoáy lốc nên quá trình cháy diễn ra chậm. Cuối quá trình cháy, một bộ phận hỗn hợp phía culasse vẫn không cháy hết.
Kết quả bước đầu này cho thấy nên tận dụng khả năng xoáy lốc có sẵn trong động cơ diesel nguyên thủy để tăng tốc độ cháy khi chuyển sang chạy bằng biogas.
4. Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến tính năng động cơ
Hình 4: Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến biến thiên nồng độ O2 (a) và CH4 (b) trong quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (e=11,63; n=2200 vòng/phút; js=50°; f=1,08; nhiên liệu chứa 70% thể tích CH4)
Tốc độ tiêu thụ hỗn hợp thể hiện qua tốc độ giảm nồng độ O2 và CH4 trong quá trình cháy. Hình 4a và b giới thiệu biến thiên nồng độ của chất oxy hóa và nhiên liệu khi động cơ sử dụng buồng cháy omega và buồng cháy phẳng có tỉ số nén 11,63 chạy ở tốc độ 2200 vòng/phút với biogas chứa 70% thể tích CH4. Đường cong càng dốc thì tốc độ tiêu thụ hỗn hợp càng cao. Kết quả này cho thấy tốc độ tiêu thụ hỗn hợp của động cơ có buồng cháy omega cao hơn đáng kể so với động cơ có buồng cháy phẳng. Điều này dẫn đến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy omega cao làm cho nhiệt độ cực đại của môi chất trong buồng cháy này lớn hơn nhiệt độ của chúng trong buồng cháy phẳng (hình 5). Ngược lại, trong trường hợp buồng cháy phẳng do màng lửa lan tràn với tốc độ thấp nên quá trình cháy tiếp tục diễn ra trong quá trình dãn nở khiến cho nhiệt độ khí thải tăng so với trường hợp buồng cháy omega. Trong điều kiện vận hành nêu trên với hỗn hợp có độ đậm đặc f=1,08, nhiệt độ cực đại của môi chất trong trường hợp buồng cháy omega lớn hơn nhiệt độ cực đại trong trường hợp buồng cháy phẳng khoảng 350K nhưng nhiệt độ khí thải thấp hơn khoảng 100K.
Hình 5: Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến biến thiên nhiệt độ trong quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức
Do tốc độ tỏa nhiệt và nhiệt độ tăng cao nên áp suất cực đại trong trường hợp buồng cháy omega cao hơn đáng kể so với áp suất cực đại trong trường hợp buồng cháy phẳng (hình 6a). Cùng điều kiện vận hành với biogas chứa 70% thể tích CH4 ở tốc độ động cơ 2200 vòng/phút, áp suất chỉ thị cực đại trong trường hợp động cơ có buồng cháy omega tăng gần 20 bar so với trường hợp động có có buồng cháy phẳng. Điều này dẫn đến áp suất trên đường dãn nở của động cơ buồng cháy omega cao hơn áp suất tương ứng của động cơ buồng cháy phẳng trên đồ thị công (hình 6b). Công chỉ thị chu trình được tính trên diện tích đồ thị công trong 2 trường hợp: Wiomega=1235J, Wiphẳng=956J. Như vậy công chỉ thị chu trình giảm khoảng 22% khi chuyển buồng cháy omega sang buồng cháy phẳng.
Hình 6: Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến đồ thị áp suất chỉ thị (a) và đồ thị công chỉ thị (b) của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức (e=11,63; n=2200 vòng/phút; js=50°; f=1,08; nhiên liệu chứa 70% thể tích CH4)
5. Ảnh hưởng của tỉ số nén
Hình 7 giới thiệu biến thiên nồng độ CH4 trong quá trình cháy của động cơ có buồng cháy omega sử dụng tỉ số nén 9,11; 12,82 và 16,10. Chúng ta thấy tỉ số nén động cơ càng nhỏ thì đường cong biến thiên nồng độ CH4 càng dốc nghĩa là tốc độ lan tràn màng lửa càng cao [3].
Ảnh hưởng rõ rệt nhất của tỉ số nén động cơ đến tính năng công tác của nó thể hiện qua đồ thị áp suất chỉ thị. Các hình 8 a, b giới thiệu biến thiên áp suất chỉ thị của động cơ có tỉ số nén 9,11 và 16,10 với góc đánh lửa sớm 20°, 30°, 40°. Kết quả cho thấy ở giá trị góc đánh lửa sớm cho trước, khi tăng tỉ số nén, áp suất chỉ thị cực đại của động cơ tăng. Tuy nhiên công chỉ thị của động cơ không tăng tỉ lệ với áp suất chỉ thị cực đại hay tỉ số nén. Khi tỉ số nén tăng cao thì phần công nén cũng tăng theo. Do đó nếu phần tăng công dãn nở không bù đắp được giá trị tăng của công nén thì công chỉ thị chu trình của động cơ lại giảm. Vì vậy việc tăng tỉ số nén vượt qua một giá trị ngưỡng tối ưu không có lợi về công suất cũng như tuổi thọ của động cơ.
Hình 9a giới thiệu biến thiên công chỉ thị chu trình theo tỉ số nén động cơ ứng với các giá trị góc đánh lửa sớm khác nhau khi động cơ chạy ở tốc độ định mức 2200 vòng/phút. Hình 9b giới thiệu kết quả tương tự khi động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút. Kết quả này cho thấy khi góc đánh lửa sớm bé, công chỉ thị chu trình của động cơ tăng gần như tuyến tính với tỉ số nén. Ở góc đánh lửa sớm 40° và động cơ chạy với tốc độ 2200 vòng/phút thì công chỉ thị đạt giá trị cực đại ở tỉ số nén khoảng 12. Để đạt được giá trị công chỉ thị cực đại này khi động cơ có góc đánh lửa sớm 30° thì tỉ số nén của động cơ phải có giá trị khoảng 16,5. Khi động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút, công chỉ thị của động cơ đạt được ở giá trị tỉ số nén khoảng 14-16 (hình 9b).
Khi tăng tỉ số nén của động cơ thì tổn thất ma sát tăng đồng thời công cần thiết để nén môi chất trong xi lanh cũng tăng. Những yếu tố này làm giảm công có ích của động cơ. Do đó mặc dù khi tăng tỉ số nén, hiệu suất nhiệt động cơ có được cải thiện nhưng nếu sự cải thiện này không đáng kể so với tổn thất công vừa nêu thì hiệu quả công tác của động cơ bị giảm. Do đó khi chuyển động cơ Diesel thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức chúng ta cần lựa chọn tỉ số nén phù hợp nhất. Kết quả tính toán mô phỏng này cho thấy trong trường hợp động cơ ZH1115 chạy bằng biogas ở tốc độ định mức 2200 vòng/phút và góc đánh lửa sớm 40°, ta nên chọn tỉ số nén động cơ trong khoảng từ 11,5 đến 12,5.
5. Kết luận
Từ các kết quả tính toán mô phỏng trên đây chúng ta có thể rút ra các kết luận sau đây:
1. Khi chuyển động cơ diesel thành động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas ta nên giữ các điều kiện tạo xoáy lốc trong buồng cháy để nâng cao hiệu quả công tác.
2. Công chỉ thị của động cơ ZH1115 khi sử dụng buồng cháy phẳng nhỏ hơn công chỉ thị của nó khi sử dụng buồng cháy omega khoảng 22% khi chạy bằng biogas ở tốc độ định mức 2200 vòng/phút
3. Ở tốc độ định mức với góc đánh lửa sớm 40°, tỉ số nén tối ưu của động cơ ZH1115 khi chuyển thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức nằm trong khoảng từ 11,5 đến 12,5
