Báo cáo nghiên cứu khoa học: KÍCH NỔ TRONG ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ

Cháy kích nổ ở động cơ đốt trong gây nhiều tác hại đến kết cấu động cơ đốt cháy cưỡng bức. Vì vậy tìm giải pháp hoàn hảo khắc phục hiện tượng này giúp tăng lượng nhiên liệu khí động cơ nén cháy đang được nghiên cứu. Bài báo này trình bày nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm việc sử dụng nhiên liệu LPG (nhiên liệu sạch) trên động cơ nén cháy có tỉ số nén cao; nhằm xác định giới hạn cần thiết của loại khí trơ (CO2) có thể hạn chế kích nổ và tăng được......
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo nghiên cứu khoa học: "KÍCH NỔ TRONG ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ" TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 KÍCH NỔ TRONG ĐỘNG CƠ NÉN CHÁY SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ KNOCKING IN THE COMPRESSION IGNITION ENGINE USING GASEOUS FUELS Trần Thanh Hải Tùng, Trần Văn Nam Nguyễn Văn Phụng Trường ĐHBK, Đại học Đà Nẵng Trường Trung cấp Nghề tỉnh Quảng Nam TÓM TẮT Cháy kích nổ ở động cơ đốt trong gây nhiều tác hại đến kết cấu động cơ đốt cháy cưỡng bức. Vì vậy tìm giải pháp hoàn hảo khắc phục hiện tượng này giúp tăng lượng nhiên liệu khí động cơ nén cháy đang được nghiên cứu. Bài báo này trình bày nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm việc sử dụng nhiên liệu LPG (nhiên liệu sạch) trên động cơ nén cháy có tỉ số nén cao; nhằm xác định giới hạn cần thiết của loại khí trơ (CO2) có thể hạn chế kích nổ và tăng được lượng nhiên liệu LPG khi tăng tốc độ động cơ tối đa cho phép. Chúng tôi thiết kế chế tạo một họng khuếch tán và dùng các thiết bị đo tốc độ động cơ AVL-Dispeed 490, các lưu lượng kế điều chỉnh nhiên liệu LPG và khí CO2 để thử nghiệm, đo đạc các thông số của động cơ thí nghiệm. Trên cơ sở đó, chọn lượng CO2 và nhiên liệu mồi hợp lý khi tăng dần lượng nhiên liệu LPG cho động cơ, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. ABSTRACT Detonation combustion in spark-ignition internal combustion engines causes many damages to the structure of an engine. Therefore, the perfect solution to overcome this phenomenon is to help increase the amount of fuel gas in the compression ignition engine. This paper presents the theoretical and experimental use of the LPG fuel (clean fuel) on the compression ignition engine with a high compression ratio to determine the necessary limits of the inert gases (CO2) that can limit detonation and increase the amount of the LPG fuel when the engine runs with maximum allowed speeds. We design and manufacture a diffuser throat using the AVL- Dispeed 490 device that measures the speed of an engine and the gaseous flow meter to adjust LPG fuel and CO2 gas for testing and measuring parameters of the engines in the experiment. Based on this method, we choose the CO2 amount and reasonable diesel pilot fuel while gradually increasing the amount of LPG fuel so that this engine may aim at minimizing environmental pollution. 1. Đặt vấn đề Kích nổ là một trong những hiện tượng cháy bất thường ở động cơ đốt trong. Cháy kích nổ đã được nghiên cứu rất sớm trong các công trình của Midgley (1920), Ricardo - Thornycraft (1928), Mason – Hesselberg (1954) [10]. Hiện nay, các nhà khoa học và các hãng xe hơi tiếp tục tìm những giải pháp tối ưu khắc phục tình trạng này. Phần lớn các nghiên cứu đã nêu đều tập trung vào lĩnh vực kích nổ trong động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng xăng [1], [3], [4]… hoặc động cơ diesel dùng hai nhiên liệu mà khí thiên nhiên, methane, ethane làm nhiên liệu cơ bản. O. M. Inwafor kết luận có ba loại kích nổ trong động cơ hai nhiên liệu: kích nổ diesel (diesel knock) kích nổ cưỡng bức 279 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 (spark knock) và kích nổ bất thường (erratic knock). Cháy kích nổ trong động cơ hai nhiên liệu có thể xảy ra nặng hoặc nhẹ phụ thuộc vào tốc độ, chế độ tải của động cơ, nhiệt độ cháy, tỉ lệ khí/nhiên liệu mồi và sự nhiễu loạn hòa khí trong xy lanh [8]. Trong bài báo này, kích nổ được nghiên cứu và thực nghiệm trên động cơ Toyota 1KZ-TED do hãng Toyota Nhật Bản sản xuất năm 2000, được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam hiện nay. Đây là động cơ diesel tỷ số nén 21,2:1; đường kính xy lanh 96[mm]; hành trình pít tông 103[mm]; công suất cực đại 95,68[kW] ở tốc độ động cơ 3600[v/ph] và mômen cực đại 289,1[Nm]. Nhiên liệu cơ bản dùng trong thí nghiệm là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) và nhiên liệu mồi là diesel. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Nghiên cứu lý thuyết 2.1.1. Đặc tính cháy trong động cơ hai nhiên liệu Quá trình cháy trong động cơ hai nhiên liệu (dual fuel engine) khác với động cơ diesel bình thường. Sự khác nhau này xuất phát từ việc nạp hỗn hợp hòa trộn trước nhiên liệu–không khí vào xy lanh động cơ trong kỳ Hình 1. Sơ đồ hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu LPG-Diesel cho động cơ nén cháy. nạp. Quá trình này tương tự như (I: Đường cung cấp LPG; II: Đường cung cấp CO2; III: Đường động cơ đánh lửa cưỡng bức (hòa cấp nhiên liệu mồi Diesel; IV:Đường ống nạp; V:Đường ống khí nạp vào buồng cháy được thải.) nén tới nhiệt độ và áp suất cao 1: Van điện từ; 2: Bộ hóa hơi - giảm áp; 3: Lưu lượng kế đo rồi đốt cháy) nhưng thay vì bugi LPG; 4: Không khí vào; 5:Họng khuếch tán; 6: Vòi phun Diesel; 7: Xy lanh; 8: Pittông; 9 : Lưu lượng kế đo CO2; 10: đánh lửa người ta dùng nhiên Nước ra; 11: Nước vào; 12:Van điện từ và áp kế. liệu phun mồi diesel. Hiện tượng cháy bất thường gồm nhiều dạng khác nhau như: cháy sớm xảy ra do xuất hiện từ những điểm hay bề mặt cực nóng đốt cháy hòa khí trong buồng cháy trước khi có tia lửa cưỡng bức; cháy kích nổ xảy ra do tỉ số nén cao đã làm cho hoà khí tự cháy khi màng lửa chưa lan tới [4], [8]. Nhiều nghiên cứu xem đây là phản ứng động hóa học của phần hỗn hợp hòa trộn trước nhiên liệu khí– không khí và phần nhiên liệu mồi[10]. Khi đó trong quá trình cháy có thể xuất hiện hiện tượng phóng thích rất nhanh phần lớn năng lượng hóa học của nhiên liệu khí trong buồng cháy động cơ, làm cho tốc độ lan tràn màng lửa rất lớn (tăng gấp khoảng 50 lần so với cháy thuần Diesel [4]), tạo ra áp suất cục bộ rất cao tác động lên thành b ...