Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng nguồn nhiệt từ nước làm mát
Luận Văn Thạc Sỹ
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIA NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ SỬ
DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ NƯỚC LÀM MÁT
STUDY ON CREATING THE HEAT SYSTEM FOR ENGINE USING HEAT
SOURCE FROM COOLING WATER
[1] PGS.TS. Đỗ Văn Dũng , [2]KS. Mang Tấn Thụ
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
2Học viên Cao học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
TÓM TẮT
Từ khi động cơ đốt trong ra đời, đó cũng chính là nền công nghiệp bắt đầu phát triển mạnh
mẽ, nhu cầu sử dụng xe ô tô ngày càng phổ biến, theo thời gian thì nguồn nhiên liệu hoá
thạch ngày càng cạn kiệt, do đó nhu cầu cấp thiết đặt ra cho các nhà nghiên cứu đó là làm
sao cải tiến một cách có hiệu quả vừa đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật, môi trường và độ bền.
Như ta đã biết động cơ đốt trong muốn hoạt động tốt nhất là trong dãi nhiệt độ từ 850 C –
1020 C, thực tế khi mới khởi động vào buổi sáng thì động cơ vẫn còn lạnh theo nhiệt độ môi
trường. Chính vì vậy mà các nhà nghiên cứu đã tính toán đưa ra giải pháp là phun một lượng
nhiên liệu đủ lớn để cho động cơ nhanh nóng lên để đạt dải nhiệt độ tối ưu. Với ý tưởng này
thì có những điểm hạn chế là: thứ nhất một lượng nhiên liệu sẽ bị thải ra môi trường gây ô
nhiễm và làm tiêu hao nhiên liệu hơn mức bình thường, thứ hai là lượng nhiên liệu còn lại
trong buồng đốt không cháy được sẽ rửa trôi nhớt bôi trơn và làm mài mòn dần xecmang và
xylanh động cơ. Với ý tưởng là làm sao cho nhiệt độ động cơ khi khởi động lạnh tiến gần hơn
với dải nhiệt độ hoạt động tối ưu của động cơ, đó là tận dụng nguồn nhiệt từ nước giải nhiệt
để gia nhiệt cho động cơ trước khi khởi động lạnh. Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng
động lực học Catia kết hợp với phần mềm mô phỏng nhiệt Comsol, nghiên cứu dự đoán suất
tiêu hao nhiên liệu của động cơ một cách chính xác và hiệu quả vừa tiết kiệm được thời gian
và nguồn chi phí. Trong luận văn này tôi sử dụng phần mềm Matlab dùng để tính toán tốc độ
cầm chừng, thời gian cầm chừng, suất tiêu hao nhiên liệu của quá trình khởi động có hệ
thống gia nhiệt và không có hệ thống gia nhiệt cho động cơ. Từ đó so sánh hai trường hợp và
rút ra kết luận.
Từ khoá: động cơ; hệ thống gia nhiệt cho động cơ; suất tiêu hao nhiên liệu; tốc độ cầm
chừng; thời gian cầm chừng; truyền nhiệt; phần mềm CATIA; phần mềm Comsol.
Abtract:
Since the introduction of the internal combustion engine, it is also the industry that began to
develop strongly, the demand for cars is becoming more and more popular, over time, the
source of fossil fuels is increasingly exhausted, because It is an urgent need for researchers to
improve the efficiency of the economy, technology, environment and durability. As we know
the internal combustion engine wants to work best in the temperature range of 85o C -
102oC, in fact when it is started in the morning, the engine is still cold according to the
ambient temperature. Therefore, the researchers calculated the solution is to spray a sufficient
amount of fuel to let the engine heat up quickly to reach the optimum temperature range.
With this idea, there are limitations: the first amount of fuel will be discharged into the
environment causing pollution and fuel consumption than normal, and the second is the
amount of fuel remaining in the combustion chamber. Combustion will wash away lubricant
HVTH: Mang Tấn Thụ
68
MSHV: 1780511
Luận Văn Thạc Sỹ
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
and gradually wear out the cylinder and engine cylinder. The idea is to bring the engine
temperature on cold start closer to the optimum operating temperature range of the engine,
which is to take advantage of the heat source from the cooling water to heat the engine before
starting cold. By using Catia fluid dynamics simulation software in conjunction with Comsol,
the study predicts engine fuel consumption accurately and efficiently while saving time and
cost. In this dissertation, I use Matlab software to calculate the moderation speed, time delay,
fuel consumption of the start process with heating system and no heating system for the
engine. From there compare the two cases and draw conclusions.
Keywords: engine; heating system for the engine; fuel consumption rate; moderate speed;
time moderately; heat Transfer; CATIA software; Comsol software.
HVTH: Mang Tấn Thụ
69
MSHV: 1780511
Luận Văn Thạc Sỹ
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
tăng thời gian trao đổi nhiệt. Mặt ngoài của
bộ trao đổi nhiệt được bố trí nhiều dãy các
mô-đun nhiệt điện được chế tạo từ vật liệu
Skutterudite và Bi-Te, mặt nóng tiếp xúc với
bộ thu nhiệt, mặt lạnh tiếp xúc với nước làm
mát Kết quả như trong Hình 1.5 cho thấy khi
dòng khí vào bộ thu có nhiệt độ 5500 C nhiệt
độ bên nóng của bộ Skutterudite đạt 4500 C
và 2500 C với bộ Bi-Te và tổng công suất
của 24 cặp Skutterudite và 18 cặp Bi-Te đạt
250W. Jihad G. Haidar [3] nghiên cứu lý
thuyết về vật liệu cặp nhiệt điện, khảo sát
phân bố nhiệt lượng và hiệu suất sử dụng
trong động cơ đốt trong. Nhiệt độ khí xả đạt
trên 5000 C với mức tải 88% cánh bướm ga
và tốc độ 1.800 RPM. Bộ thu nhiệt được
thiết kế kiểu ống trụ, trao đổi nhiệt đối lưu
cưỡng bức. Tuy nhiên, chỉ bố trí sử dụng 98
cặp nhiệt điện nên công suất mới đạt 45W ở
mức điện áp 14V. Theo đó, các cặp nhiệt
điện bố trí dài trên đường ống nên không
đồng nhất về nhiệt độ làm việc.
I.GIỚI THIỆU
Hiện nay, có nhiều công trình khoa học tập
trung giải quyết vấn đề trên của động cơ đốt
trong như nâng cao hiệu suất, giảm khí thải
gây ô nhiễm. Nhiều nghiên cứu mô phỏng
được áp dụng nhiều trong cải tiến động cơ
chủ yếu là cải tiến đường ống nạp, cải tiến
đường ống xả, riêng với đề tài tôi chọn cải
tiến về suất tiêu hao nhiên liệu, tăng tuổi thọ
động cơ và giảm khí thải gây ô nhiễm môi
trường bằng hệ thống gia nhiệt động cơ.
Douglas T. và cộng sự [1] đã chế tạo thành
công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực
tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải
trên ô tô. Cấu trúc của máy phát điện. Công
trình này được đầu tư với kinh phí đến 12
triệu USD trong đó vốn từ DOE là 7 triệu
USD, 5 triệu USD còn lại đến từ các nguồn
đầu tư khác trong đó có BMW và Ford. Kết
quả thu được có đặc Công trình này chủ yếu
tập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt phát
thải bằng cách chế tạo máy phát nhiệt điện
đặt trên đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu
bán dẫn và dùng chất lỏng làm mát và được
thử nghiệm trên xe Ford Lincoln và BMW
X6. Kết quả cho thấy, công suất máy phát
điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng của cặp
nhiệt điện đạt 5000 C và hiệu suất tiết kiệm
nhiên liệu tăng 10%. Tuy nhiên, công trình
này chỉ mới nằm trong phòng thí nghiệm,
tốn kinh phí lớn và tuổi thọ chỉ đạt khoảng 6
tháng. Kết cấu của vật liệu bán dẫn phức tạp
kéo dài theo sự phân bố nhiệt độ không
đồng đều trên đường ống xả. Cùng nằm
trong đề án này, Gregory P. Meisner [2] chế
tạo bộ thu hồi nhiệt với các mô-đun nhiệt
điện tách rời Công trình này tham gia hội
thảo ứng dụng nhiệt điện lần thứ 3 ngày
21/03/2012 ở Baltimore, Maryland và bộ
năng lượng Mỹ đầu tư với kinh phí 12 triệu
USD. Công trình này sử dụng một bộ thu
hình hộp nhỏ, dẹt có bề rộng lớn đặt trên
đường ống xả để làm chậm vận tốc khí xả
Phần mềm CATIA được dùng để
thiết kế mô hình hóa của động cơ bao gồm
cả đường nước và không khí bao quanh. Đó
là phần mềm hỗ trợ được ứng dụng trong bài
báo. Phần mềm Comsol được sử dụng để mô
phỏng truyền nhiệt của hệ thống.
Ta có ống nước là một vật thể hình
trụ, cho nên ở trường hợp này ta thấy rằng
nhiệt lượng truyền qua vách ống được tính
bởi công thức. [4]
푄
2휋휆(푇 −푇
)
푊
퐾퐾
=
(1)
푑
ln(
2
퐿
)
푑
1
Q: là nhiệt lượng tỏa ra (W)
L: là chiều dài đoạn ống nước (m)
λ là hệ số truyền nhiệt của ống nước
(W/m.C)
TW : nhiệt độ của nước giải nhiệt. (C)
TKK : nhiệt độ của không khí (C)
d2 : đường kính ngoài của ống nước (m)
d1 : đường kính trong của ống nước (m)
HVTH: Mang Tấn Thụ
70
MSHV: 1780511
Luận Văn Thạc Sỹ
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
Nhiệt lượng tỏa ra nước giải nhiệt được tính
bằng công thức
Phương pháp tính toán thiết kế, mô phỏng,
đọc số liệu, so sánh.
Q=m.C.(T1 – T2)
(2)
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
m là khối lượng nước giải nhiệt.
3.1 Thiết kế mô hình mô phỏng.
C là nhiệt dung riêng của nước giải nhiệt.
T1 là nhiệt độ của nước ban đầu.
Đầu tiên tôi sử dụng phần mềm CATIA vào
modul Part Design để thiết kế mô hình đơn
giản của khối động cơ bao gồm 3 phần: khối
giả lập động cơ, khối gia lập đường nước
tuần hoàn trong động cơ, khối không khí
bao xung quang động cơ. Sau đó, ta vào
Modul Assembly Design để lắp cái khối này
thành một hệ thống nhất.
T2 là nhiệt độ của nước sau khi đã mất mát
một lượng nhiệt lượng nhất định.
Vì phần lớn các đường nước giải nhiệt trong
động cơ là dạng vách cho nên ta có công
thức NEWTON để tính toán nhiệt lượng thất
thoát. [5]
Q = α.F( Tw - Tkk )
(3)
α hệ số trao đổi nhiệt đối lưu. (W/m2.K)
F diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. (m2)
Tw nhiệt độ trung bình của chất lỏng. (0K)
Tkk nhiệt độ trung bình của bề mặt vách.
(0K)
Ta có α là một hệ số tỏa nhiệt phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố. [6]
Hình 4.4: Khối động cơ, nước giải nhiệt,
không khí.
α = f(Tw, Tkk, ω, λ, .......) (4)
Chính vì vậy mà α được xác định từ thực
nghiệm bằng phương pháp lý luận đồng
dạng. [7]
Các thông số đầu vào, điều kiện biên.
Bảng 3.1: Giá trị đầu vào của hệ
thống.
Ta có chuẩn số Nuselt.
Nu = 훼.푙
(5)
(6)
휆
Các thông số đầu vào
Giá trị
700C
Nu = f(Re, Gr, Pr)
Nhiệt độ nước vào động cơ
Trường hợp này là trường hợp truyền nhiệt
đối lưu cưỡng bức cho nên ta tính toán hai
chuẩn số đó là: Prantl (Pr) đặc trưng cho
tính chất vật lý của chất tải nhiệt và Reynold
(Re) đặc trưng cho chế độ chuyển động
0.5m/s
Vận tốc nước giải nhiệt trong
động cơ
1,5 bar
Áp suất nước giải nhiệt trong
động cơ
cưỡng bức của chất tải nhiệt.
Pr = 퐶 .휇
(7)
(8)
푏
0.1kg/s
300C
Lưu lượng dòng chảy
Nhiệt độ không khí quanh động
cơ
λ
Re = 푙.푣.휌
휇
II.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Quá trình nghiên cứu đề tài đã sử
dụng các phương pháp chủ yếu sau:
Phương pháp khảo sát đối tượng.
1 atm
0 m/s
Áp suất không khí quanh động
cơ
Phương pháp nghiên cứu tài liệu, internet.
Phương pháp xây dựng mô hình thệ thống .
Tốc độ không khí quanh động cơ
HVTH: Mang Tấn Thụ
71
MSHV: 1780511
Luận Văn Thạc Sỹ
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
Tiếp theo, ta đưa mô hình này vào phần
mềm COMSOL để tính toán mô phỏng
truyền nhiệt và xuất ra kết quả nhiệt lượng
hao tổn của nước giải nhiệt, nhiệt độ còn lại
sau khi gia nhiệt vào động cơ, áp suất nước
giải nhiệt, vận tốc nước... theo thời gian gia
nhiệt.
3.2 Kết quả mô phỏng.
Ta thấy rằng, sự truyền nhiệt khác nhau từ
đầu vô đến đầu ra của mô hình. Đồ thị biểu
diễn nhiệt độ của khối nước giải nhiệt truyền
với không khí bên ngoài thông qua động cơ.
Đó cũng chính là nhiệt độ mà nước giải
nhiệt đã gia nhiệt cho động cơ để hâm nóng
động cơ chuẩn bị cho giai đoạn khởi động.
Hình 3.3: Biểu đồ thể hiện nhiệt độ của
nước giải nhiệt trong động cơ.
Hình 3.4: Biểu đồ thể hiện mặt cắt ngang
nhiệt độ của nước giải nhiệt trong động
IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Có rất nhiều cách để cải thiện việc khởi
động khi động cơ còn lạnh.
Hình 3.1: Biểu đồ thể hiện nhiệt độ của
khối mô hình.
-
Hâm nóng động cơ trước khi khởi
động.
-
-
-
-
-
Hâm nóng dầu bôi trơn.
Pha loãng dầu bôi trơn.
Sấy nóng không khí khởi động.
Hâm nóng nhiên liệu.
Làm giàu thêm khả năng tự bốc cháy
của nhiên liệu.
Thông qua việc tính toán mô phỏng thì ta
thấy rằng. Việc sử dụng lắp đặt hệ thống này
lên xe ô tô phổ thông dùng bơm nước cơ và
xe có hệ thống phun nhiên liệu trên đường
ống nạp, thì chế độ hâm nóng khi khởi động
của động cơ không còn nữa. Điều này có ý
nghĩa rất lớn trong việc tiết kiệm nhiên liệu,
tăng tuổi thọ động cơ, giảm ô nhiễm môi
trường do khí thải trên ô tô.
Hình 3.2: Biểu đồ thể hiện mặt cắt ngang
nhiệt độ của khối mô hình.
Những đồ thị ở trên thể hiện nhiệt độ của
nước trao đổi với không khí trong 1 giây.
Nhìn chung thì nhiệt độ không mất đi đang
kể. Cứ sau 1 giây nước sẽ trao đổi nhiệt với
không khí xung quanh động cơ và nhiệt độ
nước sẽ giảm đi 0.70C.
HVTH: Mang Tấn Thụ
72
MSHV: 1780511
Luận Văn Thạc Sỹ
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
Trên xe phổ thông đời cũ bây giờ thì chế độ
này vẫn còn. Điều này cho thấy một lượng
nhiên liệu được phun nhiều vào buổi sáng để
giúp động cơ đạt được nhiệt độ tối thiểu đề
hoạt động ổn định. Ngoài ra thì lượng nhiên
liệu dư còn bám vào đường ống nạp và
thành xilanh động cơ sẽ tràn xuống rửa trôi
màn nhớt giữ bạc xecmang và xilanh làm
cho sự bôi trơn trong quá trình piston đi lên
xuống không còn tốt. Tình trạng này kéo dài
dẫn đến thành xylanh sẽ mau bị xước và bạc
xecmang sẽ mau mòn hơn. Bên cạnh đó
lượng xăng dư cháy không hết sẽ thải ra ống
xả gây ô nhiễm môi trường.
sau khi mô phỏng và tính toán thì ta thấy
rằng hiệu quả mà hệ thống này mang lại là
rất tích cực. Hệ thống này hoàn toàn có thể
chế tạo và lắp đặt thương mại hóa trên xe
phổ thông.
Tuy vậy, đề tài cũng chỉ dừng lại ở mức tính
toán, mô phỏng việc so sánh sự tối ưu của
xe khi gắn hệ thống này và khi chưa gắn. Đề
tài này chưa đi sâu về tính toán lượng nhiên
liệu tiêu hao bao nhiêu hay tính toán những
thông số kỹ thuật của hệ thống. Chính vì thế
việc tính toán mô phỏng như thế này cũng
mở ra một hướng đi mới trong việc tính toán
thiết kế hệ thống, ứng dụng các công nghệ,
hệ thống trên xe hiện đại để cải thiện những
nhược điểm mà xe ô tô phổ thông đời cũ còn
mắc phải.
Mặc dù đề tài chỉ dừng ở việc tính toán, mô
phỏng và so sánh cho nên các thông số
không chính xác một cách tuyệt đối. Nhưng
V. LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu này,
tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại
học Sư phạm Kỹ thuật đã tài trợ kinh phí.
HVTH: Mang Tấn Thụ
73
MSHV: 1780511
Luận Văn Thạc Sỹ
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Douglas T., Peterson, C. Matthew (Eds.). Reproductive Endocrinology and Infertility.
[2] Gregory P. Meisner. System and method to determine the state of charge of a battery using
magnetostriction to detect magnetic response of battery material. October 2014.
[3] Ghojel, J. I., & Haidar, J. G. (2002). Waste heat recovery in heat engines by direct heat-to-
electricity energy conversion. In F. N. Ani (Ed.), Cleaner Combustion for a Green Environment:
Proceedings of the 6th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy
Utilization (pp. 518 - 524). Malaysia: Universiti Teknologi Malaysia.
HVTH: Mang Tấn Thụ
74
MSHV: 1780511
Luận Văn Thạc Sỹ
GVHD: PGS.TS. Đỗ Văn Dũng
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Mang Tấn Thụ
Đơn vị: Học viên Cao họcTrường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
Điện thoại: 0332717090
Email: [email protected]
HVTH: Mang Tấn Thụ
75
MSHV: 1780511
8 trang
10/01/2024
19960
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng nguồn nhiệt từ nước làm mát", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_che_tao_he_thong_gia_nhiet_cho_dong_co_su_dung_ng.pdf
