Luận văn Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - Diesel

động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất động cơ. Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn trong quá trình sử dụng. 22 * Ethanol phun trực tiếp Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một động cơ, trong đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun của ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất. Theo nghiên cứu của Savage LD [39], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên tới 90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm dịu, độ mờ khói và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp. * Ethanol phun trên đường ống nạp Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đi vào xy lanh động cơ. Theo phương pháp này M.Abu-Qudais và các cộng sự [40] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đường ống nạp và diesel - ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơ diesel một xy lanh, bốn kỳ, làm mát bằng dung dịch. Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% và 5,4% trên toàn dải tốc độ lần lượt trong hai trường hợp: phun ethanol trên đường ống nạp và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn. Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi độ khói và soot giảm so với khi sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản. Tỷ lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20% và 15% trong lần lượt hai trường hợp phun ethanol và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn. Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng và phát thải độ khói và soot đều giảm. Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệ ethanol có thể sử dụng bị giới hạn. Ngoài ra, sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên 23 phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó. Ogawa H và cộng sự [41] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơ diesel một xy lanh 0,83 dm3 phun trực tiếp sử dụng hai hệ thống nhiên liệu, bao gồm hệ thống phun diesel Common - Rail (CR) và hệ thống phun ethanol trên đường ống nạp, đồng thời sử dụng phương pháp luân hồi khí thải EGR. Kết quả cho thấy với 20% ethanol và lượng oxy trong khí nạp giảm 15%, độ khói và NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ. Nếu kết hợp tốt giữa việc phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không đồng thời hàm lượng NOx giảm mạnh. Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ số nén nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại bỏ hiện tượng mất lửa và gõ trong xy lanh. Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [42] đã nghiên cứu điều khiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ nông nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối piston hướng kính, ethanol được phun vào đường ống nạp, trong đó nhiên liệu diesel được phun vào buồng cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy chính. Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảm bảo mặc dù tỷ lệ ethanol thay thế từ 60 ÷ 85% tại chế độ tải 100%. Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa khí hoặc sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp phun trước xupáp nạp. Mặc dù phương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập, làm tăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp này giải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và có các ưu điểm như sau: 24 - Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp. - Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp; - Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng; - Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ không khí nạp nạp vào động cơ; - Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ. 1.4. Kết luận chương 1 - Từ các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy phương án sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ diesel bằng hai hệ thống phun riêng biệt thích hợp hơn cả khi nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol. - Từ phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp cung cấp ethanol như đã phân tích ở trên cho thấy phương pháp được lựa chọn là phun ethanol vào xupáp nạp là hoàn toàn khả thi. Đây là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng, tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó. - Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol vào xupáp bằng cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp. Phương pháp này có một vài ưu điểm nổi bật như: Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp; việc ngắt phun ethanol dễ dàng; dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ. Chính vì vậy, luận văn sẽ sử dụng phương pháp này để thiết lập mô hình mô phỏng xác định đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel. 25 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU 2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong 2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường. Các thành phần độc hại chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hydrocacbon (HC), ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con người. Theo số liệu thống kê ở Mỹ năm 1997, các chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm 40 ÷ 50% tổng hàm lượng HC trong không khí, 50% tổng hàm lượng NOx và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố. Ở các nước phát triển khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự. Trong những năm gần đây, số lượng phương tiện vận tải ngày càng tăng cao, trung bình hàng năm thế giới sản xuất và đưa vào sửa dụng thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, nên càng làm vấn đề ô nhiễm môi trường thêm trầm trọng. Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn. Thứ nhất là khí thải trên đường ống xả. Đó là những khí độc hại phát sinh trong quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả. Khí thải bao gồm những thành phần chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng 83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahydro (HC), và các loại ô xít ni tơ (NOx). Thứ hai là các khí rò lọt bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2 chiếm tới 90% phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx. Thứ ba là các khí bay hơi gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bay hơi từ các thiết bị nhiên liệu. Trong ba nguồn này thì khí thải từ đường ống thải là nguồn gây ô nhiễm chính 26 của động cơ với các thành phần độc hại là CO, HC, NOx, khói và chất thải rắn. Với động cơ xăng, các thành phần phát thải độc hại chủ yếu gồm CO, HC, NOx. Đối với nguồn khí rò lọt và khí bay hơi, thành phần độc hại chủ yếu là HC chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng phát thải HC của động cơ nên thường không được quan tâm nhiều. Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không khí và nhiên liệu, điều kiện cháy Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh ra sản phẩm cháy không độc hại như là CO2, H2O. Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn và sự thiếu đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong không khí. Kết quả là trong sản vật cháy, ngoài các sản phẩm cháy hoàn toàn còn có các thành phần độc hại CO và HC. Thêm nữa, quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh ra chất độc hại NOx trong khí thải. Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ. Hàm lượng CO tăng khi hệ số dư lượng không khí  giảm. Nồng độ CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn. Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi. Do vậy, mặc dù  chung có thể > 1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO. 27 Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra. Nguồn chính của khí thải HC là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm. Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở. Một phần Hydrocacbon này được ôxy hoá khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC. Mức độ ôxy hóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa Sự đánh lửa muộn hơn thích hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy. Nguồn phát sinh khác của HC là sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém. Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu. Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp đậm hơn, đặc biệt là với  < 1. Đối với hỗn hợp quá nghèo thành phần khí xả HC cũng tăng do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của các chu kỳ vận hành động cơ. Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi chung dưới cái tên NOx trong đó NO chiếm đa phần trên 80%. Khí thải NOx được hình thành ở nhiệt độ cháy cao. Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy. 28 Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ôxy và thời gian. Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi động cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và  = 1,05 ÷ 1,1 thì NOx lớn. 2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại Việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải cho động cơ đã được quan tâm từ lâu. Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng hiện nay có thể được chia thành ba nhóm. Nhóm thứ nhất: giảm phát thải tại nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng cách tối ưu hoá chất lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ. Các biện pháp công nghệ của nhóm này bao gồm cải tiến hệ thống phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp, áp dụng hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ, điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí - nhiên liệu và thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp trong động cơ xăng, tối ưu kết cấu buồng cháy, luân hồi khí thải, và một số công nghệ khác. Nhìn chung các động cơ hiện đại đều đã được tối ưu hóa kết cấu với việc sử dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến cho phép giảm tối thiểu thành phần phát thải độc hại khí thải thoát ra khỏi xi lanh động cơ. Tuy nhiên, hàm lượng phát thải độc hại của động cơ vẫn chưa thể đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo trong khi khó có thể giảm thêm được bằng cách áp dụng các biện pháp cải tiến kết cấu động cơ. Nhóm thứ hai: Xử lý khí thải sau nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi các thành phần độc hại của khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý xúc tác trung hòa khí thải. Ở phương pháp này, các thành phần độc hại CO, HC được ô xi hóa tiếp trong các bộ xử lý xúc tác ô xi hóa; còn NOx được chuyển thành N2 trong bộ xủa lý xúc tác giảm NOx hoặc việc ô xi hóa CO, HC, và giảm NOx được thực hiện đồng thời trong cùng một bộ xử lý xúc tác 3 29 chức năng trên động cơ xăng; khói bụi thì được xử lý trong các bộ xử lý xúc tác đặc biệt. Việc xử lý xúc tác khí thải cho phép giảm đến trên 95% hàm lượng các thành phần độc hại. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý xúc tác này chỉ đạt được ở chế độ làm việc ổn định của động cơ khi bộ xử lý xúc tác đã nóng hoàn toàn. Ở chế độ khởi động lạnh, chạy ấm máy, chạy không tải và chế độ chuyển tiếp, hiệu quả của bộ xủa lý xúc tác rất thấp làm tăng lượng phát thải độc hại vào môi trường. Nhóm thứ ba: Liên quan đến sử dụng nhiên liệu sạch, bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha phụ gia cải thiện nhiên liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế. Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên các động cơ hiện hành ngày càng được quan tâm nhằm mục đích vừa để bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt do nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vừa để giảm phát thải cho động cơ. Do đó, yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế là phải có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có khả năng cháy tốt, cháy kiệt và có nồng độ phát thải độc trong khí thải thấp. Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành hai nhóm, nhóm nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch và nhóm có nguồn gốc tái tạo. Nhóm nhiên liệu thay thế có nguồn gốc hóa thạch có thể gồm khí thiên nhiên (khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dimethyl ether (DME) và một số khí khác. Các loại khí này có tỷ lệ các bon (C/H) nhỏ nên sản vật cháy chứa ít thành phần độc hại CO, HC và CO2 hơn so với khí thải của xăng và diesel [6, 11]. Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo có thể gồm khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio- methanol), hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa (HVO - Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng (BTL - Bio-mass To Liquid). Các nhiên liệu tái tạo có ưu điểm nổi bật là có thể nuôi trồng chế biến 30 được nên không bao giờ cạn, mặt khác các nhiên liệu này cũng có hàm lượng C nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel và đặc biệt là khí hydro không chứa C nên phát thải độc hại thấp hơn. Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro (H2) là loại khí có nhiệt trị khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và CO như các loại nhiên liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hydro có trữ lượng gần như vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay được coi là nhiên liệu của tương lai và là nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ đốt trong [4]. Viễn cảnh lựa chọn nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được giới thiệu trên hình 2.1. Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế 2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong Chu trình công tác của động cơ được đặc trưng bằng các thông số mà khi tính toán cũng như khi phân tích cần phải xét đến như áp suất chỉ thị trung bình, hiệu suất chỉ thị, áp suất cực đại và tốc độ tăng áp suất trong quá trình cháy, nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy và các thông số trạng thái của môi chất công tác. Toàn bộ các thông số đặc trưng đó được phản ánh tổng quát thông qua quy luật phát triển của áp suất và nhiệt độ trong quá trình cháy có xét đến 31 quy luật cháy của nhiên liệu và quy luật trao đổi nhiệt giữa khí cháy và thành vách [2], [3]. Phương pháp tính toán lý thuyết gần đúng đầu tiên được sử dụng cho việc tính toán chu trình công tác dựa trên cơ sở của chu trình lý tưởng, trong đó quá trình cháy được thay bằng các quá trình cấp nhiệt tương đương đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp đã được trình bày trong các giáo trình nhiệt động kỹ thuật. Nhược điểm của phương pháp này là khi tính không xét đến sự thay đổi môi chất công tác về mặt hóa học trong quá trình cháy, những tổn thất khí động trong quá trình nạp, sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng của môi chất công tác vào nhiệt độ cũng như những tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn và do truyền nhiệt. Do đó, kết quả tính toán chỉ mang tính chất định tính. Để nâng cao kết quả tính toán lý thuyết sát với kết quả của chu trình thực, sau này người ta đã áp dụng phương pháp của giáo sư Grinheveski (1906 - 1907) và được các nhà khoa học Liên Xô như viện sĩ Briling, Streekin, giáo sư Mading phát triển. Việc tính nhiệt của chu trình công tác theo phương pháp Grinheveski - Mading có xét đến sự thay đổi trạng thái môi chất công tác về mặt hóa học trong quá trình cháy, những tổn thất khí động trong quá trình nạp - thải, sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ và tổng lượng nhiệt tổn thất do cháy không hoàn toàn và do truyền nhiệt thông qua các hệ số. Phương pháp này chủ yếu dựa trên việc tính toán nhiệt động các quá trình đã được đơn giản hóa khá nhiều (ví dụ: chọn áp suất của các quá trình nạp, thải pa, pr bằng hằng số theo kinh nghiệm mà không tính quá trình trao đổi khí; hay chọn hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z(z) và tại điểm b (b) chứ không tính toán diễn biến quá trình tỏa nhiệt khi cháy nên kết quả tính toán có độ chính xác không cao. Mặc dù vậy, phương pháp Grinheveski-Mading vẫn phản ánh được bản chất của các quá trình cũng như toàn bộ chu trình công tác của động cơ [3]. 32 Đối với động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả, các quá trình công tác trong xi lanh động cơ và trong bộ tua bin - máy nén có mối liên hệ và phụ thuộc lẫn nhau, điều đó không được đề cập đến trong phương pháp của Grinheveski và Mading [4]. Phương pháp này cũng không thể xác định được đặc tính thay đổi các thông số chủ yếu của các quá trình công tác của động cơ theo động lực học tỏa nhiệt, trao đổi nhiệt với thành xi lanh và các thông số điều chỉnh. Vì vậy cần phải có mô hình toán học cho phép tính đến các yếu tố này trong các quá trình công tác và cho phép đánh giá ảnh hưởng của chúng đến đặc tính diễn biến quá trình công tác, tính kinh tế nhiên liệu và độ tin cậy làm việc của động cơ. Mô hình toán học các quá trình công tác của động cơ là hệ các phương trình vi phân khép kín. Với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên đã cho, mỗi hệ phương trình này mô tả đầy đủ mối quan hệ của các thông số quá trình công tác với sự thay đổi năng lượng, khối lượng và các thông số kết cấu của động cơ [3]. Hiện nay có hai phương pháp tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi đó là phương pháp cân bằng năng lượng và phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics). Phương pháp cân bằng năng lượng là phương pháp mô phỏng chu trình làm việc của động cơ trên cơ sở xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi khí trong động cơ; hệ phương trình bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng, phương trình cân bằng khối lượng và phương trình trạng thái. Phương pháp này do GS Vô-lô-đin (Liên Xô cũ) đề xuất những năm 80 của thế kỷ 20 và được GS Woschni (CHLB Đức) tiếp tục phát triển, được dùng khá phổ biến để tính toán nhiệt độ và áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu và qua đó xây dựng được đồ thị công của chu trình. Hệ phương trình vi phân cùng các điều kiện biên kèm theo chỉ có thể giải gần đúng bằng phương pháp số, ví dụ phương pháp Runge - Kutta. Đầu tiên người 33 ta chọn thông số của môi chất tại một điểm nào đó của chu trình, thông thường chọn tại điểm đóng xu páp nạp, làm điều kiện đầu. Điểm chọn được gọi là điểm đầu của chu trình. Sau đó tiến hành tính toán theo bước cho đến khi kết thúc chu trình tức là quay lại điểm đầu. So sánh kết quả nhận được với giá trị chọn ban đầu nói chung có sự sai lệch. Căn cứ vào độ lệch sẽ chọn lại những thông số tại điểm đầu rồi tiến hành tính lần 2, lần 3 cho đến khi kết quả tính trùng với kết quả chọn thì dừng lại. Kết quả của lần tính cuối cùng chính là nghiệm của hệ phương trình vi phân, đó là khối lượng m, áp suất p và nhiệt độ T của môi chất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu. Quá trình giải đòi hỏi một khối lượng tính toán rất lớn nên thường phải lập trình giải trên máy tính. So với phương pháp tính toán nhiệt động của Grinheveski - Mading thì mô hình mô tả các quá trình thành phần sát thực hơn nên kết quả chính xác hơn. Hiện nay, nhiều phần mềm mô phỏng xây dựng trên cơ sở phương pháp cân bằng năng lượng được phát triển và áp dụng khá phổ biến trong nghiên cứu - phát triển động cơ như AVL Boost (Áo), GT-Power (Mỹ) Phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp mô phỏng hiện đại cho đối tượng là dòng lưu chất trong không gian 3 chiều. Cơ sở lý thuyết của phương pháp CFD là hệ phương trình Navier - Strockes mô tả trao đổi năng lượng, động lượng và trao đổi chất của dòng môi chất là chất lỏng nhớt trong không gian 3 chiều. Đối với dòng lưu động là chất khí cần phải bổ sung thêm phương trình trạng thái. Ngoài ra, còn có các điều kiện biên để xác định các thông số trong các phương trình nói trên. Tất cả tạo thành hệ phương trình mô phỏng dòng khí thực. Giải hệ phương trình mô phỏng thường dùng phương pháp thể tích hữu hạn (tương tự như phương pháp phần tử hữu hạn FEM - Finite Element Method). Kết quả tính toán ở mỗi thời điểm, tại mỗi thể tích khảo sát thông thường gồm 6 giá trị là vx, vy, vz (xác định véc tơ vận tốc v), nhiệt độ T, áp suất p và mật độ . Nếu như thêm vào hệ phương trình mô 34 phỏng các phương trình tính toán động học phản ứng trong quá trình cháy thì còn nhận được nồng độ các chất độc hại như CO, NOx, PM Do số thể tích khảo sát thường rất lớn và bước thời gian tính toán thường rất nhỏ nên để bảo đảm độ chính xác, khối lượng tính toán sẽ rất lớn cần phải sử dụng máy tính lớn có tốc độ tính toán rất cao. Mặc dù vậy, thời gian tính toán một chu trình công tác của động cơ vẫn rất lâu, có thể đến nhiều ngày tùy theo bài toán và cấu hình của máy tính. Ngoài ra, việc chuẩn bị những số liệu, những thông số cần thiết để đưa vào mô hình mô phỏng cũng mất rất nhiều thời gian và công sức. Vì vậy, phương pháp CFD chỉ được sử dụng ở các phòng thiết kế và các trường đại học lớn. Đây là phương pháp mô phỏng hiện đại và có tiềm năng phát triển. Hiện nay có nhiều phần mềm CFD trên thị trường như Fluent và Kiva (Mỹ), AVL-Fire (Áo), Star-CD (Anh), Promo (Đức) Những phần mềm này đã được áp dụng tính toán các quá trình bên trong động cơ tạo nên chu trình làm việc bao gồm cả hình thành các chất độc hại cho kết quả rất phù hợp với số liệu đo bằng thực nghiệm. 2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol Hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol bao gồm hai hệ thống làm việc độc lập: hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel và hệ thống phun ethanol như được giới thiệu chi tiết trên hình 2.2 [1]. 35 Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol, [1] 1- Đường ống cấp nhiên liệu diesel đến bơm cao áp; 2- Bơm cao áp; 3- Lọc không khí; 4- Lọc nhiên liệu alcohol; 5- Bơm nhiên liệu alcohol; 6- Thùng chứa nhiên liệu alcohol; 7- Vòi phun alcohol; 8- Đường ống thải; 9- Buồng cháy; 10- Xupáp thải; 11- Vòi phun diesel; 12- Xupáp nạp; 13- Đường hồi nhiên liệu diesel từ vòi phun nhiên liệu diesel về bơm cao áp; 14- Đường cấp