Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến tính năng động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức được cải tạo từ động cơ Diesel ZH1115

GATEC

         Bài viết này giới thiệu tóm tắt một số kết quả nghiên cứu mô phỏng động cơ biogas của nhóm GATEC. Chi tiết của nghiên cứu được trình bày trong luận án Tiến sĩ của NCS Lê Xuân Thạch sẽ được bảo vệ trong thời gian tới tại Đại học Đà Nẵng.

            1. Thiết lập mô hình tính toán

       Tính toán được thực hiện trong 2 trường hợp: buồng cháy Omega và buồng cháy phẳng.
  

          

      Trong trường hợp buồng cháy Omega, piston nguyên thủy của động cơ được tiện bỏ phần đỉnh một lớp để giảm tỷ số nén. Phần lõm của buồng cháy không thay đổi.
      Trong trường hợp buồng cháy phẳng, phần lõm của piston được hàn đắp sau đó tiện đỉnh piston một lớp để đạt các tỉ số nén cần thiết.
      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. Diễn biến quá trình cháy

       Hình 3 và hình 4 giới thiệu biến thiên của một số thông số tiêu biểu trong quá trình cháy ứng với trường hợp buồng cháy Omega và buồng cháy phẳng trong cùng điều kiện tính toán. Ở đây chúng ta biểu diễn tượng trưng biến thiên của nồng độ khối lượng CH₄, nhiệt độ và tốc độ. Trường CH₄ và nhiệt độ được biểu diễn dưới dạng đồ thị màu đồng mức. Trường tốc độ được biểu diễn dưới dạng vecteur với màu theo cường độ Vy.
        Kết quả tính toán cho thấy màng lửa có dạng chỏm cầu, lan dần từ vị trí đánh lửa đến khu vực xa nhất của buồng cháy. Trong trường hợp buồng cháy Omega có trục lệch so với trục xi lanh được sử dụng trong tính toán này, do không đối xứng nên cuối quá trình cháy vẫn còn một bộ phận hỗn hợp ở khu vực lệch xa trục buồng cháy chưa cháy hết. Tuy nhiên trong trường hợp này tốc độ lan tràn màn lửa rất cao do vận động xoáy lốc của hỗn hợp trong buồng cháy thấy rõ qua trường tốc độ.
      Trong trường hợp buồng cháy phẳng, ta giả sử nến đánh lửa được đặt trên trục xi lanh, đối xứng hoàn toàn để so sánh với trường hợp buồng cháy Omega có đến đánh lửa đặt tại vị trí vòi phun nguyên thủy của động cơ.
 

            Mặc dầu vị trí đặt nến đánh lửa đã giả định tối ưu nhưng do buồng cháy không xoáy lốc mạnh như trường hợp buồng cháy Omega nên quá trình cháy diễn ra chậm hơn. Cuối quá trình cháy, một bộ phận hỗn hợp phía culasse vẫn không cháy hết.
            Kết quả mô phỏng 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.

3. Ảnh hưởng của dạng buồng cháy đến tính năng động cơ

            Tốc độ tiêu thụ hỗn hợp thể hiện qua tốc độ giảm nồng độ O₂ và CH₄ khi động cơ có buồng cháy Omega và buồng cháy phẳng chạy với biogas chứa 70% hàm lượng thể tích CH₄ được giới thiệu trên hình 5 và hình 6. Kết quả này cho thấy sau khi bén lửa đường công biến thiên nồng độ O₂ hay CH₄ ứng với động cơ có buồng cháy Omega dốc hơn nhiều so với động cơ có buồng cháy phẳng. Điều này có nghĩa là tốc độ tiêu thụ hỗn hợp của động cơ có buồng cháy Omega cao hơn động cơ có buồng cháy phẳng.

            Do tốc độ cháy cao hơn nên tốc độ gia tăng nhiệt độ của môi chất công tác đối với động cơ có buồng cháy Omega cao hơn động cơ có buồng cháy phẳng (hình 7). Do quá trình cháy trong động cơ có buồng cháy phẳng diễn ra chậm nên hỗn hợp tiếp tục cháy trong giai đoạn dãn nở khiến nhiệt độ khí thải tăng cao.
            Những yếu tố nêu trên làm cho áp suất cực đại giữa hai trường hợp khác biệt khá xa (hình 8). Cùng điều kiện vận hành, áp suất chỉ thị cực đại trong trường hợp động cơ có buồng cháy Omega tăng gần 40% so với động có có buồng cháy phẳng làm công chỉ thị chu trình của động cơ tăng khoảng 30% (hình 9).

Wi_omega: 1235(J)

Wi_phẳng: 956(J)

                     4. Kết luận

          Từ các kết quả tính toán trên đây chúng ta thấy 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 nang cao hiệu quả công tác. Về mặt kỹ thuật việc giữ nguyên buồng cháy Omega khi chuyển động cơ diesel sang chạy bằng biogas đơn giản hơn nhiều so với trường hợp cải tạo đỉnh piston để thành buồng cháy phẳng.