Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp nhiên liệu có hoạt tính khác nhau (RCCI) trên động cơ diesel

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp nhiên liệu có hoạt tính khác nhau (RCCI) trên động cơ diesel" trình bày cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ RCCI; Chuyển đổi động cơ diesel 1 xy lanh sang động cơ RCCI và mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp nhiên liệu có hoạt tính khác nhau (RCCI) trên động cơ diesel

LỜI CAM ĐOAN Tôi, Nguyễn Tuấn Thành, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cấp nhiên liệu và điều khiển động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI) nhằm giảm phát thải và tiêu thụ nhiên liệu”, mã số B2018-BKA-59, là đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Bộ năm 2018 do Ths Nguyễn Duy Tiến là chủ nhiệm đề tài. Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ vào việc viết luận án. Tôi xin cam đoan số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng 08 năm 2022 Nghiên cứu sinh Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 GS.TS Phạm Minh Tuấn TS Trần Anh Trung Nguyễn Tuấn Thành i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Trường Cơ Khí, Khoa Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn thầy, cô trong Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường Cơ Khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm Tổng Công Ty Máy Động Lực và Máy Nông Nghiệp Việt Nam - CTCP, Ban Kỹ Thuật Nghiên Cứu Phát Triển và các đồng nghiệp đã hậu thuẫn, động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này. Hà Nội, ngày 20 tháng 08 năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Tuấn Thành ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... ix DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................. xiii i. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. xiii ii. Mục đích nghiên cứu ....................................................................................... xiv iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ................................................................. xiv iv. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. xiv v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ......................................................................... xiv vi. Điểm mới của luận án. ...................................................................................... xv vii. Bố cục của luận án. ....................................................................................... xv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1 1.1 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường ......................................... 1 1.2 Tổng quan về động cơ cháy ở nhiệt độ thấp................................................... 2 1.2.1 Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI).......................... 4 1.2.2 Động cơ nén cháy hòa trộn trước PCCI .......................................... 5 1.2.3 Động cơ RCCI ................................................................................. 6 1.3 Tổng quan về các phương pháp điều khiển hoạt tính nhiên liệu trên động cơ RCCI ........................................................................................................................ 7 1.3.1 Điều khiển phun cho động cơ dùng lưỡng nhiên liệu ..................... 9 1.3.2 Sử dụng đơn nhiên liệu kết hợp phụ gia........................................ 10 1.4 Tình hình nghiên cứu về RCCI .................................................................... 11 1.4.1 Nghiên cứu ngoài nước ................................................................. 11 1.4.2 Nghiên cứu trong nước .................................................................. 16 1.5 Tổng quan về các giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ RCCI .................................................................................................................... 18 1.5.1 Tỷ lệ nhiên liệu .............................................................................. 18 1.5.2 Phương pháp phun ......................................................................... 19 1.5.3 Luân hồi khí thải EGR................................................................... 21 iii
1.5.4 Tỷ số nén ....................................................................................... 21 1.5.5 Hình dạng đỉnh piston ................................................................... 22 1.5.6 Nghiên cứu về mặt kết cấu nhằm chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang động cơ RCCI ................................................................................ 22 1.6 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu................................................... 28 1.6.1 Cách tiếp cận ................................................................................. 28 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu ............................................................... 29 1.7 Kết luận chương 1 ........................................................................................ 29 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ RCCI ................................................................. 30 2.1 Quá trình cháy trong động cơ LTC .............................................................. 30 2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình cháy trong động cơ RCCI. .................... 33 2.2.1 Xác định thời điểm bắt đầu cháy (SOC) ....................................... 34 2.2.2 Xác định thời gian cháy ................................................................. 37 2.2.3 Xác định góc cháy 50% (CA50).................................................... 38 2.3 Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình cháy RCCI trên phần mềm AVL- BOOST ..................................................................................................................... 39 2.3.1 Phương trình nhiệt động học 1 ...................................................... 39 2.3.2 Mô hình cháy ................................................................................. 41 2.3.3 Mô hình truyền nhiệt ..................................................................... 43 2.3.4 Mô hình tính toán các thành phần khí thải .................................... 44 2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh .............................. 45 2.5 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 48 CHƯƠNG 3. CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL 1 XY LANH SANG ĐỘNG CƠ RCCI VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM AVL-BOOST ...................... 50 3.1 Đối tượng chuyển đổi và nhiên liệu ............................................................. 50 3.1.1 Đối tượng chuyển đổi .................................................................... 50 3.1.2 Nhiên liệu lựa chọn ....................................................................... 51 3.2 Thiết kế, chế tạo các chi tiết, hệ thống nhằm chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ RCCI ........................................................................................................... 51 3.2.1 Thiết kế thay đổi hệ thống nhiên liệu diesel.................................. 51 3.2.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng .................................. 61 3.2.3 Thay đổi tỉ số nén động cơ ............................................................ 64 3.2.4 Chế tạo đường ống thải ................................................................. 65 iv
3.2.5 Động cơ sau khi chuyển đổi sang động cơ common rail .............. 66 3.3 Mô phỏng động cơ RCCI ............................................................................. 71 3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng ........................................................ 71 3.3.2 Chế độ mô phỏng .......................................................................... 72 3.3.3 Đánh giá tính chính xác mô hình mô phỏng ................................. 73 3.3.4 Kết quả mô phỏng động cơ RCCI trên phần mềm AVL-BOOST 75 3.4 Kết luận chương 3 ........................................................................................ 79 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.................................................. 80 4.1 Mục đích thực nghiệm .................................................................................. 80 4.2 Sơ đồ bố trí thực nghiệm. ............................................................................. 80 4.3 Quy trình và phạm vi thực nghiệm ............................................................... 81 4.4 Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun đến động cơ RCCI. ..................... 82 4.4.1 Đặc điểm quá trình cháy................................................................ 82 4.4.2 Đặc điểm khí thải và tiêu hao nhiên liệu. ...................................... 85 4.4.3 Kết luận ......................................................................................... 87 4.4.4 So sánh động cơ RCCI và động cơ truyền thống trên vùng làm việc 88 4.5 Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm ................................................ 94 4.5.1 Đánh giá các số chỉ thị, có ích giữa mô phỏng và thực nghiệm.... 94 4.5.2 Đánh giá về áp suất mô phỏng và thực nghiệm ............................ 94 4.6 Kết luận chương 4 ........................................................................................ 97 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .......................................... 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 101 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 109 v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng việt aTDC after Top Dead Center Sau điểm chết trên BDM Burn Duration Model Mô hình cháy thời gian thực Brake Mean Effective BMEP Pressure Áp suất chỉ thị trung bình bTDC before Top Dead Center Trước điểm chết trên Góc quay tại đó hỗn hợp cháy được CA50 Crank Angle 50 50% CAD Crank Angle Degrees Góc quay trục khuỷu Conventional Diesel Quá trình cháy động cơ diesel truyền CDC Combustion thống COM Control Oriented Model Mô hình điểu khiển Discrete-time Algebraic DARE Riccati Equation Phương trình Riccati rời rạc DI Direct Injection Phun trực tiếp Direct Injection DICI Compression Ignition Động cơ phun trực tiếp cháy do nén DOC Diesel Oxidation Catalyst Bộ xúc tác ô xi hóa DPF Diesel Particulate Filter Bộ lọc chất thải dạng hạt EGO Exhaust Gas Oxygen Cảm biến ô xi trong khí thải EGR Exhaust Gas Recycling Luân hồi khí thải EOC End of Combustion Kết thúc quá trình cháy EVC Exhaust Valve Closing Thời điểm đóng xu páp xả EVO Exhaust Valve Opening Thời điểm mở xu páp xả GHG Green House Gas Khí gây hiệu ứng nhà kính Homogeneous Charge Động cơ hỗn hợp đồng nhất cháy do HCCI Compression Ignition nén HRF High Reactivity Fuel Nhiên liệu hoạt tính cao High Temperature Heat HTHR Tỏa nhiệt nhiệt độ cao Release HRR Heat Release Rate Tốc độ tỏa nhiệt High Temperature HTO Oxy hóa nhiệt độ cao Oxidation vi
ICE Internal Combustion Engine Động cơ đốt trong IVC Intake Valve Closure Thời điểm đóng xu páp nạp IVO Intake Valve Opening Thời điểm mở xu páp nạp KIM Knock Integral Model Mô hình kích nổ tích hợp LRF Low Reactivity Fuel Nhiên liệu hoạt tính thấp LNT Lean NOx Trap Bộ bẫy NOx hòa khí nghèo Low Teamperature LTC Cháy nhiệt độ thấp Combustion Low Temperature Heat LTHR Tỏa nhiệt nhiệt độ thấp Release NG Natural Gas Khí tự nhiên LQI Linear Quadratic Integral Tích phân bậc 2 tuyến tính LTO Low Temperature Oxidation Oxy hóa nhiệt độ thấp Modified Knock Integral MKIM Mô hình kích nổ tích hợp sửa đổi Model ON Octane Number Chỉ số Octan Partially Premixed Động cơ cháy nén hỗn hợp hòa trộn PCCI Compression Ignition trước một phần Premixed Compression PCI Động cơ cháy nén hỗn hợp Ignition PM Particualte Matter Phát thải dạng hạt PFI Port Fuel Injection Hệ thống phun xăng trước xupap nạp PFS Partial Fuel Stratification Nhiên liệu phân lớp một phần PPRR Peak Pressure Rise Rate Tốc độ đạt đỉnh áp suất Reactivity Controlled Động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính RCCI Compression Ignition nhiên liệu Rapid Compression RCM Máy nén nhanh Machine RHS Right Hand Side Phía bên phải RI Ringing Intensity Cường độ rung RON Research Octane Number Chỉ số Octan Selective Catalytic Bộ xúc tác khử NOx SCR Reduction SOC Start of Combustion Bắt đầu cháy SOI Start of Injection Bắt đầu phun vii
VGT Variable Geometry Turbine Tua bin có biên dạng cánh thay đổi FAR Fuel-air ratio Tỉ lệ nhiên liệu trên không khí COV coefficient of variant Chỉ số dao động viii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Dự đoán tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035 [3]....................................................................................................................... 2 Hình 1.2: Nguyên lý động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC [4]......................................... 3 Hình 1.3: Vùng làm việc của động HCCI, PCCI và RCCI ........................................ 4 Hình 1.4: So sánh quá trình cháy của động cơ xăng, HCCI và động cơ diesel.......... 5 Hình 1.5: So sánh quá trình cháy của động cơ PCCI, diesel và động cơ xăng .......... 6 Hình 1.6: Bố trí vị trí phun nhiên liệu trong động cơ RCCI [27] ............................... 8 Hình 1.7: Đồ thị tốc độ toả nhiệt của động cơ RCCI [30] .......................................... 9 Hình 1.8: Sơ đồ chạy thử nghiệm động cơ RCCI [62] ............................................. 14 Hình 1.9: Đặc điểm chế độ chạy thử nghiệm [62] ................................................... 15 Hình 1.10: Cơ chế cháy khi thay đổi thời điểm phun và tỷ lệ nhiên liệu[18] .......... 19 Hình 1.11: Tốc độ tỏa nhiệt và giá trị đỉnh của nhiệt tỏa ra khi thay đổi thời điểm bắt đầu phun.............................................................................................................. 20 Hình 1.12 Hình dạng của các đỉnh piston trong động cơ RCCI, (a) đỉnh piston động cơ RCCI hạng nặng, (b) đỉnh piston động cơ diesel GM 1.9, (c) đỉnh piston động cơ RCCI hạng nhẹ [50].................................................................................................. 22 Hình 1.13: Sơ đồ thực nghiệm của động cơ diesel truyền thống chuyển đổi sang phun diesel điện tử CR [51] ...................................................................................... 24 Hình 1.14: Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu [53] ..................................................... 25 Hình 1.15: Ảnh hưởng của áp suất phun tới (a) tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu / không khí (1/) và (b) nhiệt độ xy lanh tại mặt cắt buồng cháy, các hạt nhiên liệu diesel thể hiện là các hạt ngũ giác màu xanh lục [54] .............................................................. 26 Hình 1.16: Thông số hoạt động của bơm cao áp và phân loại theo kích thước của bơm [55] ................................................................................................................... 27 Hình 1.17: Sơ đồ tổng quát hệ thống phun nhiên liệu hoạt tính thấp và lựa chọn vị trí lắp vòi phun hoạt tính thấp................................................................................... 28 Hình 2.1: Phân bố hàm lượng các chất khí độc hại theo nhiệt độ cháy và tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu không khí ( = 1/λ) cục bộ trong buồng cháy [71] 31 Hình 2.2: Sơ đồ phản ứng của phản ứng cháy nhiên liệu ethanol, R thể hiện gốc OH, HO2 và H trong sơ đồ [71]. ....................................................................................... 32 Hình 2.3: Đặc điểm phun nhiên liệu LRF và HRF trong động cơ RCCI ................. 33 Hình 2.4: Khái niệm cơ bản về quá trình cháy RCCI [72] ....................................... 34 Hình 2.5: Đồ thị tích phân 1/wt từ thời điểm IVC đến SOC [72] ............................ 35 Hình 2.6: Cân bằng năng lượng trong xylanh .......................................................... 40 Hình 3.1: Động cơ Yanmar DB178F(E) ................................................................. 50 ix
Hình 3.2: Sơ đồ HTNL nguyên bản (a) và sơ đồ HTNL CR chuyển đổi (b) ........... 52 Hình 3.3: Hình ảnh vòi phun nguyên bản (trái) và vòi phun common rail (phải).... 53 Hình 3.4: Hình ảnh góc tia phun của vòi phun CR (trái) và vòi phun nguyên bản(phải) ................................................................................................................... 54 Hình 3.5: Hình ảnh số tia phun của vòi phun common rail (trái) và vòi phun nguyên bản (phải) .................................................................................................................. 54 Hình 3.6: Gá vòi phun .............................................................................................. 55 Hình 3.7: Vòi phun được lắp đặt trên động cơ ......................................................... 55 Hình 3.8: Cấu tạo ống tích áp ................................................................................... 56 Hình 3.9: Vị trí lắp đặt ống phân phối ...................................................................... 57 Hình 3.10: Van điều khiển áp suất ống tích áp ........................................................ 57 Hình 3.11: Cảm biến áp suất ống rail ....................................................................... 58 Hình 3.12: Bơm cao áp của động cơ nguyên bản. .................................................... 59 Hình 3.13: Hình ảnh bên trong tủ ECU .................................................................... 60 Hình 3.14: Hình ảnh EDU. ....................................................................................... 61 Hình 3.15: Kết cấu đường ống nạp trên động cơ RCCI ........................................... 62 Hình 3.16: Hình ảnh ống nạp trên thực tế ................................................................ 62 Hình 3.17: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng ............................................... 63 Hình 3.18: Thiết bị cung cấp nhiên liệu xăng .......................................................... 63 Hình 3.19: Vòi phun xăng của động cơ .................................................................... 64 Hình 3.20: Bản vẽ chi tiết đệm nắp máy .................................................................. 65 Hình 3.21: Kết cấu đường ống thải .......................................................................... 66 Hình 3.22: Momen và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ trước và sau khi thay đổi .................................................................................................................................. 67 Hình 3.23: Lượng phát thải PM ................................................................................ 68 Hình 3.24: Lượng phát thải CO2............................................................................... 68 Hình 3.25: Lượng phát thải HC ................................................................................ 69 Hình 3.26: Lượng phát thải CO ................................................................................ 69 Hình 3.27: Lượng phát thải NOx .............................................................................. 70 Hình 3.28: Mô hình động cơ Yanmar 178F ............................................................. 71 Hình 3.29: Tỉ lệ nhiên liệu xăng/ nhiên liệu diesel trong mô phỏng ........................ 72 Hình 3.30: Đồ thị so sánh momen, công suất giữa mô phỏng và thực tế ................. 73 Hình 3.31: Đồ thị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực ............. 73 Hình 3.32: Đồ thị so sánh phát thải CO, NOx giữa mô phỏng và thực tế ................ 73 Hình 3.33: Đồ thị so sánh phát thải PM giữa mô phỏng và thực tế ......................... 73 Hình 3.34: Đặc tính ngoài động cơ RCCI khi mô phỏng ......................................... 75 x
Hình 3.35: Phát thải động cơ RCCI tại 100% tải khi mô phỏng .............................. 75 Hình 3.36: Diễn biến áp suất tại 2Nm ...................................................................... 76 Hình 3.37: Phát thải mô phỏng tại 2Nm ................................................................... 76 Hình 3.38: Diễn biến áp suất cháy tại 6Nm ............................................................. 77 Hình 3.39: Phát thải động cơ RCCI tại 6Nm ............................................................ 78 Hình 3.40: Diễn biến áp suất cháy tại 10Nm ........................................................... 78 Hình 3.41: Phát thải động cơ RCCI tại 10Nm.......................................................... 79 Hình 4.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ............................................................................. 80 Hình 4.2: Động cơ thử nghiệm và các hệ thống trên băng thử. ............................... 81 Hình 4.3: Áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại 2Nm .................... 82 Hình 4.4: Áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại 6Nm .................... 83 Hình 4.5: Áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại 10Nm .................. 84 Hình 4.6: Góc cháy 50% (CA50), tốc độ tỏa nhiệt cao nhất (HRR) và chỉ số dao động áp suất của áp suất chỉ thị trung bình (COV of IMEP) theo thời điểm phun nhiên liệu diesel hai trường hợp RCCI và diesel truyền thống của ba mức tải 0,84, 2,75 và 4,24 bar tương tứng (2 Nm, 6 Nm và 10 Nm) ............................................. 85 Hình 4.7: Đặc điểm khí thải và tiêu hao nhiên liệu của 3 mức tải 0,84 bar, 0,75 bar và 4,24 bar BMEP (tương tứng với 2 Nm, 6 Nm và 10 Nm) ................................... 87 Hình 4.8: Đặc tính phát thải HC của động cơ RCCI (trái) và động cơ diesel common rail (phải) .................................................................................................................. 89 Hình 4.9: Đặc tính phát thải CO của động cơ RCCI (trái) và động cơ diesel common rail (phải) .................................................................................................................. 90 Hình 4.10: Đặc tính phát thải NOx động cơ RCCI (trái) và động cơ diesel common rail (phải) .................................................................................................................. 91 Hình 4.11: Đặc tính phát thải soot của động cơ RCCI (trái) và của động cơ diesel common rail (phải) ................................................................................................... 92 Hình 4.12: Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của động cơ RCCI (trái) và của động cơ diesel common rail (phải) ......................................................................................... 93 Hình 4.13: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/ phút 2Nm 25 độ ....................... 96 Hình 4.14: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng /phút 2Nm 40 độ ....................... 96 Hình 4.15: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/ phút 6Nm 10 độ ....................... 96 Hình 4.16: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/phút 6Nm 40 độ ........................ 96 Hình 4.17: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/phút 10Nm 5 độ ........................ 96 Hình 4.18: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/phút 10Nm 15 độ ...................... 96 xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các phản ứng hình thành NOx trong khí xả ............................................. 44 Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của động cơ Yanmar DB178F(E) ........................... 50 Bảng 3.2: Tính chất hóa lý của nhiên liệu dùng trong mô phỏng ............................ 51 Bảng 3.3: Các thông số của vòi phun diesel ............................................................. 53 Bảng 3.4: Thông số kích thước của ống tích áp ....................................................... 56 Bảng 3.5: Đặc tính vòi phun nhiên liệu hoạt tính thấp ............................................. 64 Bảng 3.6: Thông số momen và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ trước và sau khi thay đổi ..................................................................................................................... 67 Bảng 3.7: Thông số phát thải của động cơ truyền thống .......................................... 70 Bảng 3.8: Thông số phát thải của động cơ common rail .......................................... 70 Bảng 3.9: Tỷ lệ nhiên liệu xăng/ diesel trong mô phỏng. ........................................ 72 Bảng 3.10: So sánh kết quả mô phỏng và thực tế .................................................... 74 Bảng 4.1: Phát thải HC của động cơ common rail và động cơ RCCI ...................... 89 Bảng 4.2: Phát thải CO của động cơ common rail và động cơ RCCI ...................... 90 Bảng 4.3: Phát thải NOx của động cơ common rail và động cơ RCCI .................... 91 Bảng 4.4: Phát thải soot của động cơ common rail và động cơ RCCI ..................... 92 Bảng 4.5: Tiêu thụ nhiên liệu của động cơ common rail và động cơ RCCI ............ 93 Bảng 4.6: Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ 100% tải .................. 94 xii
MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Theo ước tính của Cơ quan thông tin năng lượng Hoa Kỳ (EIA), năm 2006 tài nguyên xăng dầu chiếm 36,8% năng lượng trên toàn thế giới, mỗi năm nhu cầu sử dụng tài nguyên tăng khoảng 2,3% trong đó sản lượng dầu thô sử dụng cho động cơ đốt trong chiếm 70%. Mặt khác lượng phát thải các chất gây ô nhiễm không khí từ các phương tiện giao thông như nitrogen oxides (NOx), hạt bồ hóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), cacrbon dioxide (CO2)… chiếm tỉ trọng khoảng 45-55% tổng lượng phát thải toàn cầu. Do đó đặt ra yêu cầu động cơ đốt trong hiện đại cần có hiệu suất nhiệt cao hơn và cháy sạch hơn. Những nghiên cứu trên động cơ đốt trong ngày nay thường tập trung vào quá trình cháy của nhiên liệu, thành phần hóa học của nhiên liệu, nâng cao khả năng hòa trộn của nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu suất động cơ. Nhiều mô hình cháy với hiệu suất cao, phát thải thấp được ra đời như động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC (Low Temperature Combusion). Động cơ cháy ở nhiệt độ thấp (PCCI, HCCI, RCCI) có thể mang lại hiệu suất nhiệt cao hơn động cơ diesel thông thường (có thể đạt hiệu suất nhiệt tới 60%) đồng thời nhiệt độ cháy giảm dẫn đến giảm các thành phần khí thải độc hại. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng động cơ HCCI có phát thải NOx và PM thấp nhưng vẫn giữ được hiệu suất nhiệt. Tuy nhiên vấn đề điều khiển quá trình cháy, thời điểm bắt đầu cháy rất khó khăn và vùng làm việc rất hạn chế chủ yếu ở vùng tải thấp. Động cơ PCCI được phát triển từ động cơ HCCI với nhiên liệu được phun rất sớm và kết hợp luân hồi khí thải EGR để hỗn hợp được hòa trộn đồng nhất ở thời điểm cháy. Dù đã mở rộng được vùng làm việc rộng hơn so với động cơ HCCI nhưng vấn đề điều khiển quá trình cháy của động cơ PCCI vẫn rất khó khăn. Thực tế cho thấy với động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC ở tải thấp cần dùng nhiên liệu có số xêtan cao, trong khi ở tải trung bình và cao thì cần nhiên liệu có số xêtan thấp. Do đó động cơ RCCI được phát triển là sự kết hợp của của động cơ HCCI và động cơ PCCI khi sử dụng hai loại nhiên liệu có chỉ số xêtan khác nhau được gọi là nhiên liệu hoạt tính cao HRF (High Reactivity Fuel) và nhiên liệu hoạt tính thấp LRF (Low Reactivity Fuel). Khác với động cơ lưỡng nhiên liệu thông thường, động cơ RCCI có thời điểm bắt đầu cháy hoàn toàn độc lập với thời điểm kết thúc phun nhiên liệu của nhiên liệu HRF phun trực tiếp. Thời điểm phun nhiên liệu HRF được lựa chọn sao cho sự đồng nhất giữa nhiên liệu HRF - LRF - không khí đạt mức cao nhất khi piston nén lên đến nhiệt độ và áp suất nhất định để nhiên liệu HRF cháy trước tạo mồi lửa đốt cháy nhiên liệu LRF. Bằng cách này động cơ RCCI có thể đạt hiệu suất lên tới 60% cao hơn động cơ HCCI và PCCI trong khi NOx và PM giảm thấp hơn. xiii
Do các yếu tố trên nên tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp nhiên liệu có hoạt tính khác nhau (RCCI) trên động cơ diesel” ii. Mục đích nghiên cứu Luận án có mục đích tổng thể là đánh giá khả năng thiết lập chế độ cháy RCCI trên động cơ chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống. Thiết lập được chế độ cháy RCCI trên động cơ chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống với nhiên liệu diesel được phun trực tiếp trong buồng cháy, nhiên liệu xăng được phun vào đường ống nạp. Đánh giá các thông số có ích và các phát thải chủ yếu của động cơ RCCI được thiết lập với động cơ truyền thống. Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu diesel đến quá trình cháy của động cơ RCCI. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel Yanmar DB178F(E). Đây là động cơ diesel truyền thống, một xy lanh, không tăng áp làm mát bằng không khí, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 xupap nạp, 1 xupap thải) buồng cháy thống nhất. Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel đến quá trình cháy của động cơ và đánh giá với động cơ truyền thống ở các chế độ tải. Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. iv. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Nghiên cứu tổng quan về động cơ cháy ở nhiệt độ thấp, nghiên cứu động cơ RCCI trong và ngoài nước nhằm tạo cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung chi tiết trong luận án. Cụ thế luận án sử dụng các phương pháp sau đây: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ RCCI. - Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy động cơ RCCI khi sử dụng cặp nhiên liệu diesel - xăng. - Thiết kế và chế tạo các chi tiết, hệ thống chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống sang động cơ cháy theo nguyên lý RCCI. - Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel đến quá trình cháy trong động cơ RCCI. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn xiv
Ý nghĩa khoa học: Kết quả đề tài góp phần nhằm nâng cao khả năng làm chủ và phát triển các công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang động cơ cháy kiểu mới có hiệu suất nhiệt cao và phát thải sạch hơn. Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel đến quá trình cháy và hình thành phát thải trên động cơ RCCI tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về động cơ RCCI. Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã đưa ra được phương pháp chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang động cơ RCCI với ưu thế về hiệu suất nhiệt cao cũng như phát thải NO x và PM rất nhỏ. Qua đó nhằm đảm bảo những yêu cầu ngày càng khắt khe về phát thải của động cơ và giảm áp lực cho nguồn nhiên liệu hóa thạch. vi. Điểm mới của luận án. Thiết lập được quá trình cháy RCCI khi chuyển đổi từ động cơ diesel 1 xylanh truyền thống tại một số chế độ tải và tốc độ, tại đó thời điểm cháy độc lập với thời điểm phun nhiên liệu HRF đồng thời động cơ có tính năng kinh tế, kỹ thuật tương đương động cơ diesel truyền thống và phát thải NOx, PM nhỏ. vii. Bố cục của luận án. Mở đầu - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ RCCI. - Chương 3: Chuyển đổi động cơ diesel 1 xy lanh sang động cơ RCCI và mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. xv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Giao thông vận tải hiện nay là một thành phần thiết yếu trong cuộc sống con người. Xã hội càng phát triển càng yêu cầu các phương tiện giao thông an toàn, tin cậy và thân thiện với môi trường do đó việc phát triển các công nghệ ô tô mới ngày càng trở nên quan trọng. Theo World Energy Outlook (2011) của cơ quan Năng lượng thế giới (IEA) nhu cầu về năng lượng thế giới tăng 1/3 từ năm 2010 đến năm 2035 và lượng phát thải CO2 liên quan đến năng lượng dự kiến tăng 20% (tăng đến 37GtCO2 vào năm 2035) [1]. Dự trữ xăng dầu đang cạn kiệt nhanh chóng ảnh hướng lớn đến quá trình phát triển của động cơ ô tô do đó các nghiên cứu tập trung vào phát triển năng lượng thay thế và các mô hình động cơ mới có hiệu suất nhiệt cao giảm thiểu phát thải độc hại ra môi trường. Động cơ phun trực tiếp cháy do nén và động cơ đánh lửa điện tử (SI) là những động cơ phổ biến trên ô tô hiện nay. Trong quá trình phát triển động cơ phun trực tiếp cháy do nén đã trở nên hiệu quả hơn, hiệu suất nhiệt tăng và giảm đáng kể độ rung động nhờ sử dụng các công nghệ kiểm soát quá trình cháy như common rail, luân hồi khí thải EGR,… Các công nghệ này ngoài tăng hiệu suất động cơ còn giảm các phát thải độc hại như nitrogen oxides (NOx), hạt bồ hóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), carbon dioxide (CO2)… Nguyên tắc chính của các công nghệ này là kiểm soát quá trình cháy nhằm hạn chế quá trình hình thành phát thải độc hại chủ yếu được điều chỉnh bởi thông số phun nhiên liệu, nhiệt độ không khí trong xi-lanh, áp suất cháy,… Ngoài ra nhằm giảm phát thải thụ động các bộ xử lý khí thải cũng đã được phát triển như bộ xử lý khí thải ba thành phần, bộ lọc phát thải dạng hạt (DPF) bộ lọc oxy hóa nhiên liệu (DOC), bộ xúc tác khử có chọn lọc (SCR), và bẫy NOx tinh gọn (LNT) là những công nghệ phổ biến. Tuy nhiên chi phí và phức tạo trong quá trình chế tạo lắp đặt cũng ảnh hướng lớn đến sự phát triển của động cơ phun trực tiếp cháy do nén [2]. Việc sử dụng động cơ điện và động cơ hybrid cũng là công nghệ nhằm kiểm soát khí thải do động cơ điện có hiệu suất và công suất cao nhưng không có phát thải. Tuy nhiên xe sử dụng động cơ điện và động cơ hybrid cũng gặp phải hạn chế do giá thành cao hơn động cơ đốt trong và khan hiếm nhiên liệu thô (đất hiếm) mặt khác kính thước và trọng lượng lớn khiến tỷ lệ xe điện và xe hybrid cũng còn khá nhỏ. Hình 1.1 dự đoán sự tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035 1
Hình 1.1: Dự đoán tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035 [3] Từ Hình 1.1 có thể thấy ô tô sử dụng động cơ đốt trong vẫn còn rất phổ biến do đó rất cần các công nghệ kiểm soát quá trình cháy giúp động cơ cháy sạch hơn và hiệu quả hơn, giảm thiểu phát thải khí nhà kính ra môi trường. Nhiều mô hình cháy được nghiên cứu trên thế giới nổi bật lên là nghiên cứu về quá trình cháy nhiệt độ thấp (LTC) có triển vọng đáp ứng được những thách thức nghiêm ngặt về phát thải mà động cơ đốt trong phải đối mặt. Các nhà nghiên cứu tập trung vào phát triển công nghệ cháy LTC do lượng phát thải NOx và PM cực thấp và hiệu suất cao. [2] 1.2 Tổng quan về động cơ cháy ở nhiệt độ thấp Trong động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC, hỗn hợp nhiên liệu-không khí đồng nhất được đưa vào trong xy lanh trong quá trình nạp. Sau khi xupap nạp đóng piston bắt đầu nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí làm tăng nhiệt độ và áp suất trong xy lanh. Khi piston tiệm cận điểm chết trên áp suất và nhiệt độ cao dẫn tới quá trình oxi hóa và tự cháy của nhiên liệu. Thời điểm bắt đầu cháy SOC của động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC có thể được kiểm soát bằng sự hợp của tỉ số nén, nhiệt độ khí nạp, áp suất,… Quá trình oxy hóa và cháy trong động cơ LTC xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí trên toàn bộ xy lanh động cơ, quá trình giải phóng nhiệt nhanh làm tăng áp suất trong thời gian ngắn trong khi nhiệt độ của xy lanh thấp hơn đáng kể so với động cơ thông thường. Hình 1.2 thể hiện quá tình cháy trong động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC 2
Hình 1.2: Nguyên lý động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC [4] Theo Wahlin F (2007) [5], động cơ cháy nhiệt độ thấp là một quá trình cháy có thể tích không đổi trong thời gian cháy rất ngắn do đó hiệu suất nhiệt cao nhiệt độ cháy thấp hơn. Động cơ cháy nhiệt độ thấp có tiềm năng phát thải thấp hơn đáng kể so với động cơ thông thường với việc giảm phát thải NOx và PM. Do hỗn hợp đồng nhất nên không có những vùng có nhiên liệu đậm dẫn tới không có vùng nhiệt độ cháy cao là giảm sự hình thành phát thải NOx và PM Ngoài ra động cơ cháy nhiệt độ thấp còn có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu như xăng, dầu diesel khoáng, các loại nhiên liệu sinh học như ethanol, biodiesel,… có thể làm giảm tốc độ cạn kiệt nhanh chóng của trữ lượng dầu mỏ trên thế giới [6- 8]. Động cơ cháy nhiệt độ thấp không kiểm soát trực tiếp thời điểm bắt đầu cháy mà cần thông qua các thông số như tỉ số nén, nhiệt độ khí nạp, tỉ lệ EGR,.. do đó quá trình kiểm soát quá trình cháy còn nhiều khó khăn. Ngoài ra động cơ cháy nhiệt độ thấp còn bị hạn chế về tải, động cơ cháy nhiệt độ thấp hoạt động tại mức tải từ thấp đến trung bình. Để ứng dụng động cơ cháy nhiệt độ thấp trên động cơ thương mại cần phải chuyển đổi qua lại giữa động cơ cháy nhiệt độ thấp tại tải thấp và tải trung bình và chế độ động cơ thông thường tại mức tải cao hơn. Ngoài ra động cơ cháy nhiệt độ thấp có hỗn hợp đồng nhất và nhiệt độ trong xy lanh thấp dẫn tới giảm quá trình oxy hóa HC và chuyển hóa CO thành CO2. Do đó động cơ cháy nhiệt độ thấp có phát thải CO và HC cao hơn so với động cơ thông thường. Các động cơ ứng dụng cơ chế cháy nhiệt độ thấp LTC hiện nay có thể kể đến là động cơ nạp đồng nhất cháy do nén HCCI, động cơ hòa trộn trước cháy do nén 3
PCCI và động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu RCCI. Hình 1.3: Vùng làm việc của động HCCI, PCCI và RCCI [9] Hình 1.3 cho thấy động cơ cháy LTC hoạt động ở vùng có phát thải NO x và soot thấp tuy nhiên CO và HC cao hơn so với động cơ nguyên bản. Động cơ HCCI có vùng làm việc khá nhỏ chủ yếu tập trung vào vùng tải thấp. Động cơ RCCI và PCCI có vùng làm việc rộng hơn tuy nhiên động cơ PCCI tiện cận gần đến vùng NOx và soot cao. 1.2.1 Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) Động cơ HCCI là động cơ kết hợp giữa động cơ xăng và động cơ diesel trong đó nhiên liệu được phun trên đường ống nạp nhằm tạo hỗn hợp hòa khí đồng nhất giống động cơ xăng. Vào kì nạp hòa khí được nạp vào trong xylanh, ở quá trình nén hỗn hợp được nén đến ngưỡng nhiệt độ tự cháy ở cuối kỳ nén giống động cơ diesel [10]. Động cơ HCCI có hiệu suất nhiệt cao phát thải NOx và PM thấp tuy nhiên do động cơ HCCI không điểu khiển một cách trực tiếp quá trình cháy dẫn tới vùng làm việc hạn chế, ngoài ra phát thải CO và HC cao hơn so với động cơ diesel thông thường. 4
Hình 1.4: So sánh quá trình cháy của động cơ xăng, HCCI và động cơ diesel. 1.2.2 Động cơ nén cháy hòa trộn trước PCCI Được phát triển từ động cơ HCCI, động cơ nén cháy hoà trộn trước PCCI có khả năng điều khiển quá trình cháy hiệu quả hơn [6]. Với động cơ HCCI hỗn hợp cháy hoàn toàn đồng nhất, động cơ PCCI là sự kết hợp của động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống, với thời điểm phun nhiên liệu diesel được điều khiển phun sớm kết hợp với luân hồi khí thải EGR để hỗn hợp cháy đồng nhất còn gọi là cháy hoà trộn trước một phần PCCI [11,12]. Mặc dù phát thải NOx và PM, có cao hơn động cơ HCCI nhưng vẫn thấp hơn động cơ diesel truyền thống. Thay đổi tỉ số nén giúp động cơ PCCI mở rộng vùng làm việc và giảm NOx và PM tuy nhiên CO và HC lại tăng cao [13-14]. Khi tăng thời điểm phun chính, NOx và PM giảm, hiệu suất có ích BTE (Brake Thermal Efficiency) tăng, tuy nhiên tốc độ gia tăng áp suất của động cơ tăng dẫn tới vùng làm việc của động cơ PCCI giảm. Để giải quyết vấn đề này có thể tách thành 2 lần phun [15]. Tại tải thấp lần phun thứ 2 sẽ được tính toán và phun trước quá trình cháy của lần phun thứ nhất. Khi ở tải cao lần phun thứ nhất được tính toán lựa chọn sao cho giảm lượng muội trong khí thải, trong khi đó lần phun thứ 2 được phun sát điểm chết trên nhằm giữ hiệu suất nhiệt. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng có thể sử dụng nhiên liệu xăng trong quá trình cháy PCCI. Tia phun của nhiên liệu xăng ngắn hơn tia phun của nhiên liệu diesel do tốc độ bay hơi của nhiên liệu xăng tốt hơn, tốc độ toả nhiệt và cháy trễ của 2 nhiên liệu cũng khác nhau, phân bố muội của xăng thấp hơn và quá trình cháy tốt hơn [16]. Ngoài ra theo Zhang X, Kalghatgi G và các cộng sự cũng cho thấy khi sử dụng nhiên liệu xăng việc điều khiển tốc độ toả nhiệt tốt hơn đồng thời NOx và soot giảm [17,18]. Tuy nhiên, ở tải thấp chỉ số octan của xăng cần được điều chỉnh giảm nhằm đảm bảo cho 5