Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:178

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô "Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan và cơ sở lý thuyết về quá trình cháy HCCI với các loại nhiên liệu khác nhau; mô phỏng quá trình cháy HCCI; chuyển đổi động cơ CI nguyên bản sang sử dụng tổ hợp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel và thiết lập quá trình cháy HCCI;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật ô tô: Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MINH THẮNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT (HCCI) SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU N-HEPTAN/ETHANOL/DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ Hà Nội – 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MINH THẮNG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT (HCCI) SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU N-HEPTAN/ETHANOL/DIESEL Ngành: Kỹ thuật Ô tô Mã số: 9520130 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. Lê Anh Tuấn 2. TS. Phạm Minh Hiếu Hà Nội - 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng 05 năm 2024 Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh GS.TS. Lê Anh Tuấn TS. Phạm Minh Hiếu Nguyễn Minh Thắng ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TL. GIÁM ĐỐC TRƯỞNG BAN ĐÀO TẠO i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Đào tạo, Trường Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Ban Đào tạo và Khoa Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Lê Anh Tuấn, TS. Phạm Minh Hiếu đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý Thầy, Cô Nhóm chuyên môn hệ thống động lực ô tô và Trung tâm nghiên cứu các nguồn động lực và phương tiện tự hành - Trường Cơ khí, 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 ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy phản biện, các Thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. 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 công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Minh Thắng ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................... x MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 i. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1 ii. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 2 iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2 iv. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 2 v. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 vi. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án........................................................... 3 vii. Các điểm đóng góp mới của luận án .................................................................... 3 viii. Bố cục của luận án .............................................................................................. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 4 1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhiên liệu thay thế ....................................... 4 1.1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường từ ĐCĐT .......................................................... 4 1.1.2 Sử dụng nhiên liệu thay thế ........................................................................... 5 1.2 Tổng quan về động cơ HCCI......................................................................... 7 1.2.1 Nguyên lý của động cơ HCCI ....................................................................... 7 1.2.2 Thuận lợi và thách thức của động cơ HCCI .................................................. 9 1.2.3 Động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu ethanol ................................................. 13 1.2.4 Động cơ HCCI sử dụng nhiên liệu n-heptan .................................................. 16 1.3 Tình hình nghiên cứu về công nghệ HCCI trong nước ............................... 18 1.4 Thiết lập và điều khiển chế độ cháy HCCI ................................................. 19 1.4.1 Chế độ phun và nhiệt độ khí nạp ................................................................. 19 1.4.2 Thay đổi tỉ số nén ........................................................................................ 20 1.4.3 Sử dụng đa nhiên liệu và nhiên liệu thay thế .............................................. 20 1.4.4 Luân hồi khí xả ............................................................................................ 21 iii
1.5 Kết luận chương 1 ....................................................................................... 21 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI ........................... 23 2.1 Hình thành hỗn hợp và cháy HCCI ............................................................. 23 2.1.1 Hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI) ........................................................... 24 2.1.2 Hình thành hỗn hợp bên trong xi lanh ......................................................... 26 2.2 Cơ chế phản ứng và các thông số đặc trưng của quá trình cháy HCCI ....... 31 2.2.1 Cơ chế phản ứng cháy HCCI....................................................................... 31 2.2.2 Đặc điểm quá trình tỏa nhiệt của động cơ HCCI ........................................ 32 2.2.3 Xác định thời điểm bắt đầu cháy ................................................................. 39 2.2.4 Điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI ............................................ 40 2.3 Phương án thiết kế chuyển đổi động cơ CI sang động cơ cháy HCCI ........ 43 2.3.1 Phương án cung cấp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel cho động cơ HCCI .. ..................................................................................................................... 43 2.3.2 Cơ sở lý thuyết thay đổi nhiệt độ khí nạp ................................................... 45 2.3.3 Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ n-heptan thay thế ................... 46 2.3.4 Xác định lượng nhiên liệu cung cấp ............................................................ 46 2.4 Kết luận chương 2 ....................................................................................... 47 CHƯƠNG 3. CHUYỂN ĐỔI VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 1 XI LANH VẬN HÀNH THEO CHẾ ĐỘ HCCI ................................................................................. 48 3.1 Chuyển đổi động cơ để vận hành theo chế độ HCCI .................................. 48 3.1.1 Đặc điểm của động cơ nghiên cứu .............................................................. 48 3.1.2 Thiết kế và chế tạo các chi tiết, hệ thống cho động cơ HCCI chuyển đổi .. 49 3.1.2.1 Thiết kế, cải tiến hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử ................... 49 3.1.2.2 Điều chỉnh giảm tỷ số nén của động cơ ...................................................... 51 3.1.2.3 Thiết kế chế tạo hệ thống sấy nóng khí nạp mới ......................................... 53 3.1.2.4 Thiết kế, chế tạo hệ thống phun nhiên liệu hỗn hợp n-heptan/ethanol gián tiếp ..................................................................................................................... 53 3.1.2.5 Thiết kế và điều chỉnh đường ống thải ........................................................ 54 3.1.2.6 Thiết kế và chế tạo hệ thống luân hồi khí thải ............................................ 54 3.1.2.7 Thiết kế lắp đặt cảm biến trục khuỷu và trục cam ...................................... 59 3.1.2.8 Hệ thống đo áp suất xi lanh và rung động cơ .............................................. 60 iv
3.1.2.9 Hệ thống ECU điều khiển động cơ.............................................................. 63 3.1.2.10 Bộ điều khiển EDU (Electronic Diesel Unit) .............................................. 64 3.1.3 Xây dựng đặc tính vòi phun ........................................................................ 65 3.1.3.1 Đặc tính vòi phun n-heptan/ethanol ............................................................ 65 3.1.3.2 Đặc tính vòi phun CR .................................................................................. 66 3.2 Nghiên cứu mô phỏng động cơ HCCI trên phần mềm Ansys Forte ........... 67 3.2.1 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Ansys Forte ................................................ 68 3.2.1.1 Các phương trình cơ bản ............................................................................. 68 3.2.1.2 Mô hình cháy trong Ansys Forte ................................................................. 71 3.2.1.3 Giải thuật trong phần mềm Ansys Forte ...................................................... 73 3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng ...................................................................... 74 3.2.2.1 Mô phỏng trên phần mềm Ansys-ICE ......................................................... 74 3.2.2.2 Nhập thông số đầu vào của bài toán cho mô hình động cơ trên Ansys-ICE 75 3.2.2.3 Chia lưới mô hình ........................................................................................ 78 3.2.2.4 Cài đặt các thông số, điều kiện biên cho mô phỏng .................................... 80 3.2.2.5 Cài đặt chạy và chế độ mô phỏng................................................................ 81 3.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận ................................................................... 82 3.2.3.1 Đánh giá độ chính xác của mô hinh mô phỏng ........................................... 85 3.2.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu đến quá trình làm việc của động cơ ... 87 3.2.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới quá trình làm việc của động cơ ..................................................................................................................... 89 3.3 Kết luận chương 3 ....................................................................................... 90 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................................... 91 4.1 Mục đích thử nghiệm................................................................................... 91 4.2 Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm............................................................ 91 4.2.1 Đối tượng thử nghiệm ................................................................................. 91 4.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................. 91 4.3 Quy trình và phạm vi thử nghiệm ............................................................... 92 4.4 Sơ đồ và trang thiết bị thử nghiệm .............................................................. 94 4.4.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm ............................................................................... 94 4.4.2 Trang thiết bị thử nghiệm ............................................................................ 96 v
4.5 Kết quả thử nghiệm và thảo luận................................................................. 99 4.5.1 Xây dựng đặc tính của động cơ CI .............................................................. 99 4.5.2 Kết quả thử nghiệm hoạt động ở chế độ HCCI ......................................... 101 4.5.3 Đặc tính cháy của động cơ HCCI khi có phun mồi diesel ........................ 117 4.5.4 Đánh giá tính năng kinh tế của động cơ .................................................... 119 4.5.5 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới quá trình làm việc của động cơ ................................................................................................................... 119 4.5.6 Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ luân hồi khí thải tới quá trình làm việc của động cơ ................................................................................................................... 123 4.5.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới các thành phần phát thải độc hại ........... 127 4.5.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi chất nạp mới tới các thành phần phát thải độc hại ................................................................................................................... 129 4.5.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi tới các thành phần phát thải độc hại .......... 131 4.6 Kết luận chương 4 ..................................................................................... 133 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............... 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .............................................. 137 CỦA LUẬN ÁN ..................................................................................................... 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 138 DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC ............................................................................. PL-1 PHỤ LỤC 1 .......................................................................................................... PL-2 PHỤ LỤC 2 .......................................................................................................... PL-7 PHỤ LỤC 3 .......................................................................................................... PL-9 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, Diễn giải Đơn vị chữ viết tắt A/F Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu - ABE Acetone-Butanol-Ethanol - ARC Hoạt động cháy triệt để - ATAC Hoạt động gia nhiệt cho buồng cháy - BSEC Năng lượng tiêu hao có ích CA Góc quay trục khuỷu Độ CAI Tự cháy có điều khiển - CI Động cơ diesel - CIHC Nén đốt cháy hỗn hợp nạp đồng nhất - CFR Động cơ nguyên cứu nhiên liệu - CR Đường ống chung COV Coefficient of variation: Đại lượng đo độ phân tán tương đối của một biến số, là tỷ số giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình của biến số đó COVimep Hệ số dao động áp suất có ích chỉ thị trung bình ĐCD Điểm chết dưới - ĐCĐT Động cơ đốt trong - ĐCT Điểm chết trên - EDU Electronic Diesel Unit EVC Đóng van xả - EVO Mở van xả - EGR Luân hồi khí xả - FAME Este metyl axit béo - FTM Kiểm soát nhanh nhiệt độ khí nạp - HCCI PFI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hình thành hỗn hợp bên - ngoài HCCI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất - HCCI-DI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, phun trực tiếp - HCLI Phun muộn hình thành hỗn hợp nạp đồng nhất - HiMICS Hệ thống phun thông minh nhiều giai đoạn hỗn hợp đồng - nhất HPLI Phun muộn hỗn hợp được hòa trộn cao - vii
HRR Tốc độ giải phóng nhiệt KW HTHR Tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao - IMEP Áp suất chỉ thị trung bình bar IVC Đóng van nạp - IVO Mở van nạp IVO LTC Nhiệt độ thấp - LRF Nhiên liệu có độ phản ứng thấp - LTHR Tỏa nhiệt độ ở nhiệt độ thấp - MAPE Mean absolute percentage error) MK Điều biến động lực học - Me Mô men có ích MULDIC Cháy nén hỗn hợp được hình thành nhiều giai đoạn - NADI Thu hẹp góc phun nhiên liệu - NCS Nghiên cứu sinh NG Khí tự nhiên - Ne Công suất có ích NTC Vùng hệ số nhiệt độ âm - PCCI Cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trước - PCI Cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn - PHCCI Nạp nén đồng nhất một phần - PFI Hình thành hỗn hợp bên ngoài - PM Phát thải hạt - PREDIC Cháy do nén hỗn hợp nghèo hình thành từ trước - PRR Tốc độ tăng áp suất Pa/s RCCI Nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu - RMSE Root-mean-square error SI Động cơ xăng - SOI Thời điểm cháy - SOC1 Thời điểm bắt đầu cháy đối với ngọn lửa lạnh SOC2 Thời điểm bắt đầu cháy đối với ngọn lửa nóng tsn Tỷ số nén - UNIBUS Hệ thống cháy đồng nhất vùng lớn - VCR Thay đổi tỷ số nén VVT Thay đổi pha phối khí - λ Hệ số dư lượng không khí - viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm n-heptan .......................................... 17 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ Yanmar DB178F ............................................ 48 Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của vòi phun Toyota Hilux ...................................... 50 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của van EGR ............................................................... 57 Bảng 3.4 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến đo áp suất xi lanh. ......................... 60 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật cơ bản của ECU điều khiển ......................................... 64 Bảng 4.1 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm ......................................................... 92 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật cơ bản của băng thử .................................................... 97 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị đo khí thải ..................................... 98 Bảng 4.4 Kết quả đo tại 30% tải ............................................................................. 100 Bảng 4.5 Kết quả đo tại 20% tải ............................................................................. 100 Bảng 4.6 Kết quả đo tại 10% tải ............................................................................. 100 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Dự đoán tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035 ........................................................................................................... 5 Hình 1.2 Vùng làm việc của động HCCI, PCCI và RCCI ......................................... 7 Hình 1.3 Tốc độ tỏa nhiệt của HCCI với n-heptan ..................................................... 9 Hình 1.4 Đặc tính làm việc của động cơ HCCI ........................................................ 11 Hình 2.1 So sánh quá trình cháy động cơ SI và CI với động cơ HCCI. ................... 23 Hình 2.2 Các phương pháp phun nhiên liệu của động cơ HCCI. ............................. 24 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống PFI HCCI phun ngoài....................................................... 25 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm........................................................................ 26 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống PCCI ................................................................................. 28 Hình 2.6 So sánh quá trình phun PREDIC và phun nhiên liệu diesel truyền thống 28 Hình 2.7 Quá trình phun nhiên liệu .......................................................................... 29 Hình 2.8 Các giai đoạn phun nhiên liệu trong hệ thống HiMICS ............................ 30 Hình 2.9 Quá trình cháy trong hệ thống UNIBUS. .................................................. 30 Hình 2.10 Đặc tính tỏa nhiệt của các loại động cơ ................................................... 34 Hình 2.11 Các pha của quá trình cháy trong một chu kỳ ......................................... 36 Hình 2.12 Tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu ........................ 39 Hình 2.13 Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu ......... 40 Hình 2.14 Phương pháp cô lập các điểm cực đại của đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu ............................................................ 40 Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI..................................... 41 Hình 2.16 Mô hình cung cấp nhiên liệu cho động cơ .............................................. 44 Hình 2.17 Đặc tính bay hơi của n-heptan. ................................................................ 45 Hình 3.1 Động cơ Yanmar DB178F ......................................................................... 48 Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu cải tiến sang phun dầu điện tử ......................... 49 Hình 3.3 Vòi phun nguyên bản (a) và vòi phun CR (b) ........................................... 49 Hình 3.4 Vị trí vòi phun và hình dáng tia phun nhiên liệu ....................................... 50 Hình 3.5 Ống tích áp ................................................................................................ 51 Hình 3.6 Cảm biến áp suất và van điều khiển áp suất .............................................. 51 Hình 3.7 Tỷ số nén của động cơ theo độ dày đệm nắp máy..................................... 52 x
Hình 3.8 Thiết kế đường nạp (a) và hệ thống sấy nóng khí nạp mới sau khi chế tạo (b) ............................................................................................................ 53 Hình 3.9 Vòi phun n-heptan/ethanol ........................................................................ 54 Hình 3.10 Đường thải động cơ và ống luân hồi khí thải .......................................... 54 Hình 3.11 Sơ đồ bố trí hệ thống luân hồi khí thải .................................................... 54 Hình 3.12 Sơ đồ tính toán tiết diện lưu thông của van EGR .................................... 56 Hình 3.13 Van EGR lựa chọn phục vụ thí nghiệm ................................................... 56 Hình 3.14 Mạch điện điều khiển van EGR............................................................... 57 Hình 3.15 Hệ thống điều khiển van EGR ................................................................. 57 Hình 3.16 Cấu tạo của bộ làm mát khí luân hồi ....................................................... 58 Hình 3.17 Hệ thống luân hồi khí thải sau khi chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh ........... 59 Hình 3.18 Cấu tạo cảm vị trí trục khuỷu .................................................................. 59 Hình 3.19 Cấu tạo cảm vị trí trục cam...................................................................... 59 Hình 3.20 Cảm biến vị trí trục khuỷu và trục cam ................................................... 60 Hình 3.21 Cảm biến áp suất (a) và kết cấu cảm biến áp suất (b). ............................ 60 Hình 3.22 Hệ thống đo AVL Indicom Mobile .......................................................... 61 Hình 3.23 Hình ảnh bộ thu thập và hiển thị Indicom Mobile .................................. 61 Hình 3.24 Nguyên lý làm việc của cảm biến đo rung .............................................. 62 Hình 3.25 Bộ encoder (a) lắp đặt trên bệ thử (b)...................................................... 62 Hình 3.26 Bộ ECU điều khiển ECM‐0565‐128‐0701‐C .......................................... 63 Hình 3.27 Sơ đồ điều khiển EDU và bộ EDU sử dụng trong thí nghiệm ................ 65 Hình 3.28 Sơ đồ thử nghiệm xây dựng đặc tính vòi phun n-heptan/ethanol............ 65 Hình 3.29 Kết quả đường đặc tính vòi phun n-heptan/ethanol ở áp suất 3 bar ........ 66 Hình 3.30 Sơ đồ thử nghiệm xây dựng đặc tính vòi phun CR ................................. 66 Hình 3.31 Hệ thống tạo nhiên liệu cao áp và vòi phun CR ...................................... 66 Hình 3.32 Kết quả đặc tính vòi phun diesel với 2 trường hợp áp suất phun 40 và 100 MPa ......................................................................................................... 67 Hình 4.1 Quy trình thực hiện nghiên cứu thử nghiệm ............................................. 92 Hình 4.2 Sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm .............................................................. 95 Hình 4.3 Lắp đặt động cơ thử nghiệm và thiết bị đo trên bệ thử công suất ............. 96 Hình 4.4 Băng thử DW16 ......................................................................................... 96 Hình 4.5 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu và nguyên lý làm việc .............................. 97 Hình 4.6 Thiết bị đo thành phần khí thải Horiba Mexa 584L .................................. 98 xi
Hình 4.7 Đặc tính ngoài của động cơ CI .................................................................. 99 Hình 4.8 Đặc tính phát thải của động cơ CI ở chế độ toàn tải ............................... 101 Hình 4.9 So sánh COVIMEP của động cơ CI và HCCI- n-heptan ............................ 104 Hình 4.10 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt của động cơ ở chế độ nguyên bản và HCCI 105 Hình 4.11 Đồ thị diễn biến áp suất xi lanh và tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy ............................................................................................................... 110 Hình 4.12 Đồ thị diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy .............................. 114 Hình 4.13 Xác định chế độ thử nghiệm kiểm soát quá trình cháy động cơ HCCI . 115 Hình 4.14 Đồ thị COVIMEP ở một số chế độ tải, tốc độ và tỷ lệ ethanol khác nhau 116 Hình 4.15 Đồ thị diễn biến áp suất xi lanh ở một số chế độ tải, tốc độ 2000 v/ph, 30% ethanol ........................................................................................... 117 Hình 4.16 Thời điểm cháy ở một số chế độ tải, tốc độ 2000 v/ph, 30% ethanol ... 118 Hình 4.17 So sánh mức tiêu hao năng lượng khi sử dụng các loại nhiên liệu có tỷ lệ ethanol khác nhau .................................................................................. 119 Hình 4.18 So sánh diễn biến áp suất trong xi lanh khi thay đổi nhiệt độ môi chất nạp mới ở tốc độ 2000 v/ph, tải thay đổi 10%, 20% và 30% với n-heptan/E30 ............................................................................................................... 121 Hình 4.19 Kết quả đánh giá hệ số dao động COVimep khi thay đổi nhiệt độ khí nạp ............................................................................................................... 121 Hình 4.20 Sự thay đổi thời điểm hình thành ngọn lửa khi thay đổi nhiệt độ môi chất nạp mới .................................................................................................. 122 Hình 4.21 So sánh mức tiêu hao năng lượng khi thay đổi nhiệt độ môi chất nạp mới ............................................................................................................... 123 Hình 4.22 Diễn biến áp suất bên trong xi lanh ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau ...... 124 Hình 4.23 Kết quả đánh giá hệ số dao động COVIMEP ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau ............................................................................................................... 125 Hình 4.24 Sự thay đổi thời điểm hình thành ngọn lửa ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau ............................................................................................................... 126 Hình 4.25 So sánh mức tiêu hao năng lượng ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau......... 126 Hình 4.26 So sánh phát thải của động cơ CI với HCCI: (a) NOx, (b) CO và (c) HC ............................................................................................................... 128 Hình 4.27 So sánh phát thải của động cơ HCCI ở các nhiệt độ môi chất nạp mới 130 Hình 4.28 So sánh phát thải của động cơ HCCI ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau .... 132 xii
MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Là một nguồn động lực quan trọng đóng góp vào sự phát triển của nhân loại, động cơ đốt trong vẫn luôn khẳng định được vai trò của mình trong tương lai. Bên cạnh đó, động cơ đốt trong vẫn có những nhược điểm như phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, phát thải độc hại. Trong những năm gần đây, cùng với việc cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự khắt khe của các tiêu chuẩn khí thải đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu không ngừng phát triển động cơ. Xu hướng đang giành được nhiều sự quan tâm đó nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ, đồng thời giảm phát thải độc hại. Hiện nay, động cơ đốt trong đã sử dụng rất nhiều biện pháp mới như: Sử dụng nhiên liệu thay thế nhằm giảm áp lực cho nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch; nghiên cứu nâng cao hiệu quả quá trình cháy và cháy mới, xử lý khí thải. Trong các xu hướng này thì xu hướng kết hợp quá trình cháy mới với các loại nhiên liệu khác nhau được quan tâm hơn cả, trong đó có mô hình cháy HCCI sử dụng hỗn hợp nhiên liệu. Mô hình cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) có nhiều ưu điểm. Mô hình cháy này có hiệu suất nhiệt cao tương tự động cơ CI và có lượng khí thải thấp như động cơ SI, trong đó hai thành phần phát thải NOx và PM giảm đi đáng kể. Mô hình cháy HCCI hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu của phát thải không cần trang bị thêm bộ xử lý khí thải đắt tiền và thu được hiệu suất nhiệt cao. Tuy nhiên thách thức lớn nhất với mô hình cháy mới này là: Điều khiển quá trình cháy, phát thải HC và CO cao, khả năng mở rộng dải tải trọng làm việc của động cơ. Đã có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước nghiên cứu về việc khắc phục các nhược điểm này, trong đó có việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu như diesel với ethanol, diesel với methanol, diesel với butanol hay diesel với n-heptan, cũng có những nghiên cứu kết hợp ba loại nhiên liệu với nhau như: ethanol/n-butanol/n-heptan hay acetone-butanol- ethanol. Tuy nhiên, n-heptan/ethanol/diesel chưa từng được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ HCCI. Tại Việt Nam, động cơ CI cỡ nhỏ một xi lanh đang được sử dụng phổ biến với số lượng lớn trong ngành nông nghiệp. Trong quá trình làm việc, động cơ này sinh ra nhiều khí thải độc hại. Cùng với việc khuyến khích phát triển và khai thác các nguồn nhiên liệu mới thay thế dần nhiên liệu hóa thạch, việc nghiên cứu chuyển đổi chế độ cháy của động cơ CI truyền thống sang chế độ cháy HCCI là một hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng. Với mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật của động cơ khi cháy HCCI, đưa ra một giải pháp hiệu quả giảm phát thải và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu n- heptan/ethanol/diesel” nhằm từng bước làm chủ các công nghệ hoán cải động cơ truyền thống sang động cơ sử dụng đa nhiên liệu, thiết lập chế độ làm việc HCCI 1
với nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel nhằm nâng cao tính kinh tế, giảm phát thải độc hại của động cơ nguyên bản và thúc đẩy việc sử dụng nhiên liệu sinh học. ii. Mục đích nghiên cứu Thiết lập thành công trên mô hình mô phỏng và bằng thực nghiệm chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI trên động cơ CI 1 xi lanh sử dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Đánh giá được ảnh hưởng của các tổ hợp nhiên liệu và một số thông số vận hành đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi cháy HCCI. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ CI 1 xi lanh sử dụng trong lĩnh vực nông nghiệp, vận hành với tổ hợp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel. Nghiên cứu mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Nguồn động lực và phương tiện tự hành, Đại học Bách khoa Hà Nội. - Phạm vi nghiên cứu: Chế độ vận hành của động cơ được giới hạn trong vùng làm việc tải thấp và tải trung bình theo các chế độ vận hành ổn định về tải trọng và tốc độ vòng quay của động cơ. Chế độ HCCI được thiết lập và điều khiển thông qua các tổ hợp và tỷ lệ nhiên liệu n-heptan/ethanol cung cấp vào đường nạp, nhiên liệu diesel phun trực tiếp vào buồng cháy kết hợp với điều chỉnh nhiệt độ khí nạp, tỷ lệ luân hồi khí thải, thời điểm và lượng phun nhiên liệu diesel. iv. Nội dung nghiên cứu Nội dung chính của luận án: - Tổng quan và cơ sở lý thuyết về quá trình cháy HCCI với các loại nhiên liệu khác nhau. - Mô phỏng quá trình cháy HCCI. - Chuyển đổi động cơ CI nguyên bản sang sử dụng tổ hợp nhiên liệu n- heptan/ethanol/diesel và thiết lập quá trình cháy HCCI. - Thực nghiệm đánh giá các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi làm việc ở chế độ HCCI với các tổ hợp nhiên liệu và tỉ lệ nhiên liệu trong tổ hợp. v. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm. 2
- Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở để thiết kế hệ thống chuyển đổi động cơ sử dụng đơn nhiên liệu sang sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel và thiết lập chế độ vận hành HCCI cho động cơ. - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá chế độ vận hành HCCI cho động cơ cũng như xây dựng bộ thông số điều khiển cho việc thiết lập và mở rộng chế độ HCCI. vi. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu góp phần đánh giá tính khả thi về phương án sử dụng nhiên liệu thay thế và đa dạng hóa nguồn nhiên liệu trên động cơ CI nguyên bản. Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung vào cơ sở khoa học về thiết lập, mở rộng chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI với các tổ hợp nhiên liệu khác nhau. Luận án có ý nghĩa trong việc trong việc 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 quả cao và phát thải sạch hơn. Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu mô phỏng, thực nghiệm và động cơ CI 1 xi lanh chuyển đổi sang sử dụng tổ hợp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel là cơ sở thực tiễn để chuyển đổi động cơ CI nguyên bản thành động cơ sử dụng tổ hợp nhiên liệu n- heptan/ethanol/diesel, vận hành ở chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI. vii. Các điểm đóng góp mới của luận án Xây dựng mô hình và mô phỏng thành công chế độ cháy HCCI sử dụng tổ hợp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel. Xác định được các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ khí nạp, tỷ lệ luân hồi khí thải, tỷ lệ nhiên liệu trong tổ hợp tại các chế độ tải tới đặc điểm quá trình HCCI. Đưa ra định hướng bộ tham số điều khiển nhằm thiết lập và mở rộng chế độ cháy HCCI trên một động cơ nghiên cứu. viii. Bố cục của luận án Luận án gồm các phần: Mở đầu. Chương 1. Tổng quan. Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy HCCI. Chương 3. Chuyển đổi và mô phỏng động cơ 1 xi lanh vận hành theo chế độ HCCI. Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm. Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. 3
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhiên liệu thay thế 1.1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường từ ĐCĐT Trong những thập kỷ gần đây, tổng mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới đã tăng đáng kể. Nhu cầu sử dụng tài nguyên tăng khoảng 2,3% hàng năm, trong đó sản lượng dầu thô sử dụng cho động cơ đốt trong chiếm 70%. Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng sẽ đạt khoảng 53% vào năm 2030 theo báo cáo của IEA (Tổ chức Năng lượng Quốc tế)[1]. Như vậy, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đã xuất hiện một cách rõ ràng ở tương lai gần. Mặt khác, khí thải từ động cơ đốt trong ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người 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. Để giải quyết vấn đề này, hầu hết các nước trên thế giới ban hành luật phát thải ngày càng nghiêm ngặt hơn. Do đó đặt ra yêu cầu động cơ đốt trong hiện đại cần có hiệu suất nhiệt cao hơn và cháy sạch hơn. Hai loại động cơ được sử dụng phổ biến hiện nay trên ô tô động cơ phun trực tiếp cháy do nén (CI) và động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI). Động cơ CI đã thể hiện được nhiều ưu điểm hơn so với động cơ SI như hiệu suất nhiệt tăng và giảm đáng kể độ rung động nhờ sử dụng các công nghệ kiểm soát tốc độ tăng áp suất trong xi lanh như common rail, luân hồi khí thải EGR,… Các công nghệ này ngoài việc làm tăng hiệu suất động cơ còn làm giảm các phát thải độc hại như nitrogen oxides (NOx), hạt bồ hóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), carbon dioxide (CO2)… Các công nghệ trên bằng việc kiểm soát quá trình cháy đã hạn chế việc hình thành phát thải độc hại chủ yếu thông qua việc điều chỉnh thông số phun nhiên liệu, nhiệt độ khí nạp mới trong xi lanh, áp suất cháy,… Bên cạnh đó, việc sử dụng các thiết bị xử lý khí thải cũng đang được áp dụng phổ biến 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). Tuy nhiên, việc thiết kế chế tạo, bảo dưỡng chúng rất phức tạp và chi phí cao đã ảnh hướng lớn đến sự phát triển của động cơ phun trực tiếp cháy do nén. Hiện tại, động cơ điện và động cơ hybrid đang là công nghệ dành được nhiều sự quan tâm bởi khả năng kiểm soát phát thải rất tốt gần như không có của chúng, cùng với đó là hiệu suất và công suất cao. Tuy nhiên, giá thành của các phương tiện sử dụng hai loại động cơ này lại cao hơn rất nhiều so với phương tiện sử dụng động cơ đốt trong. Cùng với đó, sự khan hiếm nhiên liệu thô (đất hiếm) khó lòng đáp ứng được nhu cầu của phần lớn người tiêu dùng. Hình 1.1 dự đoán sự tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035. 4
Hình 1.1 Dự đoán tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035 Hình 1.1 cho thấy phương tiện sử dụng động cơ đốt trong vẫn chiếm số lượng lớn. Vì vậy, động cơ đốt trong vẫn 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 độc hại ra môi trường. Nhiều mô hình cháy được nghiên cứu trên thế giới nổi bật lên là nghiên cứu về mô hình cháy nhiệt độ thấp (LTC) là có triển vọng đáp ứng được những thách thức nghiêm ngặt về phát thải mà động cơ đốt trong đang phải đối mặt. Các nhà nghiên cứu tập trung vào phát triển công nghệ cháy LTC do lượng phát thải NOx, PM cực thấp và hiệu suất cao [2]. 1.1.2 Sử dụng nhiên liệu thay thế Nguồn dầu mỏ thế giới đang cạn kiệt dần, cộng với tình hình bất ổn tại các khu vực nhiều dầu mỏ Iran, Iraq, Nigeria, Nga khiến nguồn cung không đảm bảo liên tục gây lo ngại sự phát triển ổn định của các nền kinh tế trên thế giới. Vì thế, tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang được các nước đặt lên hàng đầu. Trong số những nhiên liệu thay thế, ethanol nổi lên như một lựa chọn sáng giá nhất, đáp ứng được các tiêu chuẩn như dễ sản xuất, giá rẻ và “thân thiện” với môi trường. Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế dạng cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, như bắp, lúa mì, lúa mạch. Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose, gọi là ethanol sinh học. Ethanol là chất phụ gia để tăng trị số và giảm phát thải độc hại của động cơ đốt trong. Trong chính sách năng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản đều chú trọng đến ứng dụng ethanol. Ở Việt Nam, việc phát triển nhiên liệu thay thế đang dành được sự quan tâm lớn của các nhà sản xuất, nhà nghiên cứu và các cơ quản lý. Trong đó, ethanol đang được quan tâm hơn cả, là nhiên liệu được sử dụng phổ biến thay thế một phần cho nhiên liệu xăng, diesel truyền thống. Các nghiên cứu cho thấy, với nồng độ ethanol từ 10% hoặc thấp hơn, người sử dụng sẽ không cảm thấy sự khác biệt về hiệu suất 5
và công suất so với khi sử dụng nhiên liệu diesel. Ở Việt Nam hiện nay việc sử dụng ethanol để thay thế một phần cho nhiên liệu xăng đã được phổ biến. Tại tất cả các trạm nhiên liệu đều cung cấp xăng E5. Tuy nhiên, sử dụng ethanol để thay thế một phần cho nhiên liệu diesel còn nhiều hạn chế, cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để tìm hiểu cũng như nâng cao nhận thức của người tiêu dùng. Yuris IM và các cộng sự đã kiểm nghiệm hiệu suất và khí thải động cơ cháy do nén và cháy do đánh lửa sử dụng nhiên liệu từ nhóm cồn, bao gồm methanol, ethanol, propanol và butanol, và đưa ra kết luận rằng nhiên liệu cồn có thể cải thiện quá trình đốt cháy trong động cơ [3]. Edwin Geo V và cộng sự tập trung vào quá trình cháy, hiệu suất và đặc tính khí thải của hỗn hợp xăng với ethanol và cồn benzyl theo tỷ lệ 10% và 20% trên tổng thể tích. Ảnh hưởng của các tỷ lệ pha trộn xăng-ethanol E0-E85 tới các đặc tính phát thải đã được nghiên cứu. So với nhiên liệu có hàm lượng ethanol thấp (E0 và E10), khả năng giảm phát thải bụi mịn của nhiên liệu có ethanol 30–85% là vượt trội, do quá trình đốt cháy được cải thiện bởi việc tăng hàm lượng oxy và sự tham gia của hydrocacbon nhẹ hơn. Hơn nữa, các nghiên cứu đã thiết lập một phương pháp đốt cháy có hiệu quả cao và thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong (ĐCĐT). Các thí nghiệm đang được thực hiện để xác định chế độ làm việc phù hợp với việc sử dụng các loại nhiên liệu thay thế. Cháy ở nhiệt độ thấp (LTC) cho thấy một tương lai hứa hẹn trong việc tuân thủ các tiêu chuẩn về môi trường [4]. Các nhà nghiên cứu đã tập trung nỗ lực vào phương pháp LTC mới, làm giảm lượng phát thải đồng thời tăng hiệu suất so với các phương pháp đốt cháy truyền thống. Cháy ở nhiệt độ thấp (LTC) được chia thành nhiều loại như nạp nén đồng nhất (HCCI), nén cháy hòa trộn trước (PCCI), nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI).v.v. Có thể chia thành ba dạng để xác định khả năng ứng dụng của từng loại LTC để phát triển động cơ LTC bao gồm quá trình nạp nén đồng nhất HCCI, nén cháy hòa trộn trước PCCI và chuyển đổi chế độ giữa quá trình đốt cháy CI thông thường và LTC. Việc thương mại hóa công nghệ LTC được hỗ trợ bằng cách chuyển đổi chế độ, kết hợp các chế độ cháy kép phụ thuộc vào điều kiện vận hành. Ngoài ra, chế độ cháy hỗn hợp đồng nhất sử dụng tổ hợp một số loại nhiên liệu như xăng, dầu diesel khoáng, các loại nhiên liệu sinh học như n-heptan, ethanol, biodiesel,…góp phần đa dạng hóa nhiên liệu sử dụng và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Chế độ cháy hỗn hợp đồng nhất khó kiểm soát trực tiếp thời điểm bắt đầu cháy mà cần thông qua các thông số điều khiển như tỉ số nén, nhiệt độ khí nạp, tỉ lệ EGR,.. Đây là trở ngại lớn nhất của chế độ cháy HCCI. Chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất còn bị hạn chế về chế độ tải ở mức thấp đến trung bình. 6