Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: 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:26

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ "Nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp nhiên liệu có hoạt tính khác nhau (RCCI) trên động cơ diesel" trình bày các nội dung tổng quan về: Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường; Tổng quan về động cơ cháy ở nhiệt độ thấp; Tình hình nghiên cứu về RCCI...

Chủ đề:

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

Lưu

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

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)… 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 hại (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 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 thiếu 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
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 xi-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 xi- 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 Theo Wåhlin 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 đãng 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 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 PCCI và động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu RCCI. 1.2.1 Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) Động cơ HCCI đã cho thấy hiệu quả giảm phát thải NOx và PM trong khi vẫn giữ được hiệu suất cao [6, 7]. Về bản chất động cơ HCCI là kết hợp giữa động cơ xăng và động cơ diesel, trong đó nhiên liệu được phun trên đường ống nạp nhằm hình thành hỗn hợp đồng nhất giống động cơ xăng, hỗn hợp này được nạp vào trong xy lanh ở thời kỳ hút, ở quá trình nén hỗn hợp được nén đến ngưỡng nhiệt độ tự cháy ở cuối kỳ nén giống động cơ diesel [8], tuy nhiên điểm bắt đầu cháy sẽ xuất phát tại nhiều vị trí trong buồng cháy khác với động cơ xăng là cháy lan tràn từ vị trí bugi đánh lửa, hay động cơ diesel là nguồn lửa bắt đầu từ những khu vực hỗn hợp giàu (hình 1.1).Nhược điểm lớn nhất của động cơ HCCI là vấn đề điều khiển quá trình cháy và độ bền của các chi tiết trong buồng cháy [9]. 1.2.2 Động cơ nén cháy hòa trộn trước PCCI Động cơ hòa trộn trước nén cháy PCCI phát triển từ động cơ HCCI nhằm điều khiển thời điểm cháy hiệu quả hơn [15]. Không giống như động cơ HCCI có hỗn hợp trong xy lanh hoàn toàn đồng nhất, động cơ PCCI là động cơ lai giữa động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống, trong đó thời điểm phun nhiên liệu diesel được điều khiển phun sớm kết hợp với luân hồi khí thải EGR để hỗn hợp trong xy lanh đạt mức độ gần đồng nhất ở thời điểm cháy [16, 17] còn gọi là cháy hòa trộn trước 1 phần PPC (Partially Premixed Combustion), kết quả cho thấy mặc dù khí thải NOx và PM có cao hơn động cơ HCCI tuy nhiên vẫn thấp hơn nhiều động cơ diesel truyền thống. Vùng làm việc của động cơ PCCI có thể chuyển từ tải thấp lên tải cao bằng cách điều chỉnh giảm tỷ số nén [18, 19], bằng biện pháp này cũng cho thấy NOx và Soot giảm thấp hơn 2
so với động cơ diesel truyền thống, tuy nhiên CO và HC lại tăng cao hơn. Việc tăng thời điểm phun chính lên cao có thể giảm NOx và PM đồng thời tăng hiệu suất có ích BTE (Brake Thermal Efficiency), tuy nhiên sẽ làm tăng tốc độ tăng áp suất điều này sẽ làm giảm vùng hoạt động của động cơ PCCI, Các nghiên cứu [22, 23] cũng cho thấy triển vọng tốt trong việc điều khiển tốc độ tỏa nhiệt đồng thời giảm khí thải NOx và Soot khi dùng nhiên liệu xăng. Tuy nhiên một số nghiên cứu cho thấy trị số octane của xăng cần phải điều chỉnh khi thay đổi tải, ở tải thấp trị số octane cần phải điều chỉnh giảm xuống nhằm đảm bảo ổn định cho quá trình cháy [24], hoặc sử dụng bugi đánh lửa hỗ trợ vùng hoạt động của PPC ở tải thấp [25]. 1.2.3 Động cơ RCCI Động cơ RCCI là một biến thể khác của động cơ HCCI và PCCI sử dụng lưỡng nhiên liệu, trong đó hai loại nhiên liệu được sử dụng là nhiên liệu hoạt tính cao HRF (High Reactivity Fuel) và nhiên liệu hoạt tính thấp LRF (Low Reactivity Fuel), với nhiên liệu hoạt tính thấp có số ốctan cao (xăng) được phun trên đường ống nạp giống động cơ HCCI hình thành hỗn hợp đồng nhất, và nhiên liệu hoạt tính cao có số xêtan cao (diesel) được phun trực tiếp vào buồng cháy[28]. Động cơ RCCI dễ dàng điều khiển quá trình cháy hơn động cơ đơn nhiên liệu HCCI và PCCI là nhờ việc điều chỉnh hoạt tính nhiên liệu theo chế độ làm việc của động cơ [33]. Benajes và các cộng sự [34] nghiên cứu thực nghiệm dùng nhiên liệu hoạt tính cao là diesel và hoạt tính thấp là xăng đã cho thấy: bằng việc điều khiển thời điểm phun và số lần phun của nhiên liệu hoạt tính cao có thể nâng chất lượng khí thải của động cơ diesel phun tích áp điều khiển điện tử CR từ EURO IV lên EURO VI, trong đó ở vùng tải thấp nhiên liệu hoạt tính cao được phun 2 lần liền nhau ở 45 độ CA trước điểm chết trên nhằm đạt được hỗn hợp hòa trộn hoàn toàn (fully premixed) nhờ đó khí thải NOx và Soot có thể đạt mức siêu thấp [35]. Ở vùng tải trung bình, nhiên liệu hoạt tính cao được phun 2 lần cách xa nhau, với 1 lần phun mồi ở 45 độ CA và lần phun thứ hai ở sát ĐCT và đạt được hỗn hợp hòa trộn cao (highly premixed), trong đó lần phun mồi thứ nhất giúp cho nhiên liệu hoạt tính cao xâm nhập được vào các khe kẽ của đỉnh piston nơi mà một lượng lớn hỗn hợp nhiên liệu hoạt tính thấp lưu trú và dễ tạo thành HC [36, 37], trong khi đó lần phun thứ hai nhằm tạo nguồn lửa đốt cháy hỗn hợp. Do phun ở sát ĐCT có ít thời gian hòa trộn nên không đạt được hòa trộn hoàn toàn vì thế soot cao hơn mức hòa trộn hoàn toàn, tuy nhiên khí thải NOx vẫn thấp hơn giới hạn EURO VI [38]. Ở vùng tải cao, nhiên liệu hoạt tính cao được phun một lần gần sát ĐCT, lúc này động cơ hoạt động giống như động cơ lưỡng nhiên liệu thông thường. Từ các đánh giá ở trên cho thấy, động cơ RCCI có thể đạt hiệu quả cao hơn HCCI và PCCI trong khi điều khiển quá trình cháy dễ dàng hơn. 1.3 Tình hình nghiên cứu về RCCI 1.3.1 Nghiên cứu ngoài nước Đã có một số nghiên cứu thử nghiệm động cơ cháy theo cơ chế RCCI trên động cơ hạng nặng (2.44L Caterpillar 3401) tại các chế độ tải thấp [56,57]. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất nhiệt chung của động cơ đạt gần 50% ở tất cả các chế độ thử nghiệm, mức phát thải NOx và PM đều nằm trong giới hạn cho phép của luật định. Kokjohn và cộng sự [58] so sánh giữa động cơ diesel truyền thống với động cơ làm việc theo cơ chế cháy RCCI tại cùng chế độ làm việc với áp suất chỉ thị trung bình là 9 bar. Các tác giả cho biết, so với động cơ diesel truyền thống thì động cơ cháy theo cơ chế RCCI có mức phát thải NOx thấp hơn 3 lần, mức phát thải bồ hóng thấp hơn 6 lần trong khi hiệu suất nhiệt chỉ thị cao hơn 16.4%. Tuy nhiên, khi làm việc ở chế độ RCCI thì động cơ có tốc độ tăng áp suất cao hơn, rung ồn và các tổn thất quá trình cháy cũng cao hơn. Splitter và cộng sự [59] đã thực hiện thử nghiệm trên động cơ diesel nghiên cứu 1. Các tác giả đã sử dụng một số biện pháp nhằm tăng hiệu suất nhiệt của động cơ như không làm mát piston, tăng hệ số khí sót và tối ưu mức độ phân lớp nhiên liệu bên trong xilanh động cơ bằng cách dùng 2 loại nhiên liệu có hoạt tính 3
khác nhau nhiều. Với những điều chỉnh như trên, nhóm tác giả đã đạt được hiệu suất nhiệt cao nhất của động cơ lên tới gần 60%. Ogawa và các cộng sự [60] đã tiến hành thử nghiệm xây dựng đặc tính của động cơ diesel 1 xilanh 0.83L phun diesel với ống tích áp và phun ethanol trên đường nạp, kết hợp với hệ thống luân hồi khí thải (EGR). Các tác giả cho biết, khi cấp ethanol với tỷ lệ 20% thì độ khói và NOx đều giảm trên toàn dải tốc độ làm việc của động cơ. Nếu điều khiển tốt việc phun ethanol với luân hồi khí thải thì có thể cho phép giảm độ khói bằng không và giảm đáng kể lượng phát thải NOx. Kết quả của nghiên cứu này cũng cho biết, cần phải giảm tỷ số nén để đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol, loại bỏ hiện tượng mất lửa và kích nổ trong xilanh. Trong một nghiên cứu khác, Volpato và cộng sự [61] đã nghiên cứu điều khiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol cho động cơ nông nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối piston hướng kính. Ethanol được phun và đường ống nạp, diesel phun trực tiếp vào buồng cháy chính (dạng phun mồi) nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy chính. Kết quả cho biết, công suất và momen động cơ vẫn đảm bảo ở chế độ 100% tải, trong khi tỷ lệ ethanol thay thế lên tới 60-85%. Trong nghiên cứu của mình Jesús Benajies và các cộng sự [62] đã nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ một xylanh, thỏa mãn tiêu chuẩn EURO VI với tỉ số nén của động cơ là 17,5. Những nghiên cứu thực nghiệm trước chỉ ra rằng với tỉ số nén này chế độ vận hành của động cơ RCCI bị giới hạn trong một vùng hẹp từ 25%-35% tải mặc dù sử dụng nhiên liệu LRF hòa trộn giữa E20-95. Nếu giảm tỉ số nén của động cơ xuống 12,75 thì vùng vận hành của động cơ mở rộng đến 80% tải động cơ, ngoại trừ khi động làm việc ở vùng dưới 25% tải thì hiệu suất nhiệt thấp hơn so với động cơ diesel thông thường.  Kết quả của chế độ RCCI so với động cơ diesel thông thường: - Lượng phát thải NOx giảm mạnh từ 75 đến 98%. - Phát thải bồ hóng giảm nhiều trong vùng áp suất dưới 10 bar và trên 1800 rpm, những vùng còn lại bồ hóng nhiều hơn là do:  Mức bồ hóng rất thấp mà động cơ truyền thống đạt được do tiêu chuẩn EURO VI.  Một lượng phát thải bồ hóng tương đối cao đến từ sự khuếch tán nhiên liệu trong quá trình cháy do sử dụng lưỡng nhiên liệu. - Lưỡng nhiên liệu có hiệu suất nhiệt thấp hơn ở tải thấp do quá trình cháy không hoàn toàn. - Ở những vùng áp suất trên 8 bar hiệu quả đốt cháy chỉ ít hơn 4% so với động cơ thông thường và có thể cải thiện bằng cách giảm sự trao đổi nhiệt. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu khác nữa thực hiện chế độ cháy RCCI trên động cơ diesel hạng nhẹ và hạng nặng với rất nhiều cặp nhiên liệu khác nhau. Các tác giả đều thống nhất rằng RCCI là một kỹ thuật tiềm năng, có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn phát thải hiện tại và tương lai mà không cần sử dụng các kỹ thuật xử lý phía sau cửa thải. Hơn nữa, hiệu suất nhiệt của động cơ cũng rất cao, có thể lên tới 56-60%. Ngoài ra, một số loại nhiên liệu thay thế như khí thiên nhiên, diesel sinh học, xăng sinh học,… cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ RCCI. 1.3.2 Nghiên cứu trong nước 1.4 Tổng quan về các phương pháp điều khiển hoạt tính nhiên liệu trên động cơ RCCI RCCI là một loại động cơ đốt trong sử dụng ít nhất hai loại nhiên liệu khác nhau để hòa trộn tạo hoạt tính cháy bên trong xy lanh, 4
thông qua nhiều phương thức phun và điều chỉnh tỉ lệ EGR thích hợp để tối ưu quá trình cháy, nhờ đó động cơ RCCI đạt được hiệu suất nhiệt cao đồng thời khí thải NOx và Soot thấp [40]. Nhiên liệu sử dụng trong động cơ RCCI gồm hai loại riêng biệt (hình 1.2): - Nhiên liệu hoạt tính thấp (LRF): xăng thường được lựa chọn làm LRF, được phun trên đường ống nạp trước khi kỳ nạp bắt đầu nhằm đạt được hỗn hợp đồng nhất hoàn toàn. - Nhiên liệu hoạt tính cao (HRF): HRF thường sử dụng nhiên liệu diesel, được phun trực tiếp vào xy lanh trong kỳ nén với số lần phun có thể là 1, 2 hay 3 lần. Thời điểm cháy của động cơ RCCI bắt đầu xuất hiện với nhiên liệu được phun trực tiếp do nó là nhiên liệu hoạt tính cao (chỉ số xetan cao), sau đó hướng đến vị trí của nhiên liệu hoạt tính thấp (chỉ số octan cao). Tuy nhiên, sự lan tràn màng lửa còn phụ thuộc vào loại động cơ, thời điểm phun nhiên liệu và góc phun của tia phun. Một số nghiên cứu cho thấy điểm bắt đầu cháy nằm ở gần khu vực thành xi lanh và lan vào tâm của xy lanh [43], tuy nhiên một vài nghiên cứu lại cho thấy điểm bắt đầu cháy xuất hiện bên trong thể tích lõm của đỉnh pistông [44, 45] Quá trình tỏa nhiệt của động cơ RCCI được chia thành 2 quá trình (Hình 1.3): - Tỏa nhiệt ở nhiệt độ thấp LTHR (Low Temperature Heat Release): Đỉnh của LTHR chủ yếu phụ thuộc vào nhiên liệu hoạt tính cao HRF với hiệu suất nhiệt âm. - Tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao HTHR (High Temperature Heat Release): Quá trình tỏa nhiệt này phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu được hòa trộn trước (LRF). Ví dụ với động cơ RCCI sử dụng nhiên liệu ethanol/n-heptane [47], khi tăng lượng ethanol cùng với đó giảm lượng n-heptane thì vùng làm việc của LTHR sẽ mở rộng, kéo dài hơn và đỉnh của nó sẽ thấp đi. Tương tự với một động cơ RCCI sử dụng nhiên liệu xăng/diesel [48], khi tăng lượng xăng thì đỉnh của LTHR sẽ giảm và của HTHR được tăng lên. Điều khiển phun nhiên liệu trong động cơ RCCI là vấn đề quan trọng do ảnh hưởng đến sự phân bố của nhiên liệu trong buồng cháy và hệ quả là ảnh hưởng đến đặc tính cháy của động cơ. Đã có nhiều nghiên cứu đánh giá về động cơ RCCI khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau hoặc kết hợp nhiên liệu HRF và LRF khác nhau. Theo các nghiên cứu đó, việc cấp nhiên liệu cho động cơ RCCI được chia thành hai kiểu là đơn nhiên liệu và lưỡng nhiên liệu. Lưỡng nhiên liệu là sử dụng hai loại nhiên liệu khác nhau để điều khiển hoạt tính nhiên liệu, do đó động cơ loại này cần phải hai hệ thống cung cấp nhiên liệu độc lập nhau. Đơn nhiên liệu được các nhà khoa học đưa ra nằm giảm chi phí cho việc sử dụng 2 hệ thống nhiên liệu, việc điều khiển hoạt tính nhiên liệu thực hiện bằng cách thêm 1 số phụ gia để thay đổi mức độ hoạt tính của nhiên liệu so với nhiên liệu gốc. 1.4.1 Điều khiển phun cho động cơ dùng lưỡng nhiên liệu 1.4.1.1. Nhiên liệu hoạt tính thấp Hiện nay, phổ biến nhất là nhiên liệu xăng và diesel, đây cũng là lựa chọn ban đầu cho các nghiên cứu về động cơ RCCI và có nhiều nghiên cứu tập trung về 2 nhiên liệu này, trong đó xăng là nhiên liệu hoạt tính thấp (LRF) và diesel là nhiên liệu hoạt tính cao (HRF). Ngoài nhiên liệu xăng, một số nghiên cứu đưa ra ứng dụng cho nhiên liệu thay thế như khí thiên nhiên (CH4), methanol (CH3OH) và ethanol (C2H5OH) làm nhiên liệu hoạt tính thấp, diesel làm nhiên liệu hoạt tính cao. Dưới đây sẽ đánh giá từng loại nhiên liệu - Nhiên liệu xăng là nhiên liệu phổ thông, có thể dễ dàng sử dụng cho ô tô, do đó hiện nay vẫn còn rất nhiều nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu này , tuy nhiên nhược điểm của xăng là nhiên liệu hóa thạch nên 5
tương lai sẽ vướng phải vấn đề thiếu hụt năng lượng, đồng thời xăng còn chứa chất thơm có thể tạo thành muội than - Khí thiên nhiên (NG) cũng là nguồn gốc hóa thạch, hiện nay khí thiên nhiên đã phổ biến ở nhiều nước trên thế giới với giá thành thấp hơn so với xăng, nhờ có số octane =120 cao hơn xăng 92-99 nên cho phép sử dụng cho động có có tỷ số nén cao. - Ethanol và methanol là nhiên liệu tái tạo có thể thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu xăng trong tương lai, do đó cũng được nghiên cứu cho động cơ RCCI. Do số octane cao hơn xăng vì thế vùng hoạt động ở chế độ RCCI cũng được mở rộng giống như NG. Tổng hợp lại các nghiên cứu trên cho thấy, nhiên liệu thay thế bao gồm khí thiên nhiên, ethanol và methanol cho phép mở rộng vùng hoạt động của động cơ hơn nhiên liệu xăng, trong đó 2 nhiên liệu ethanol và methanol thu nhiệt khi bay hơi và chưa ô xi trong nhiên liệu nên có cơ hội làm giảm khí thải NOx và soot, tuy nhiên do có nhiệt trị thấp hơn xăng nên tiêu hao nhiên liệu cao hơn. 1.4.1.2. Nhiên liệu hoạt tính cao Nhiên liệu hoạt tính cao thông thường được sử dụng có hai loại là diesel và biodiesel. Khi sử dụng nhiên liệu biodiesel thông thường sẽ cho kết quả phát thải NOx cao hơn so với sử dụng nhiên liệu diesel do nhiên liệu biodiesel có sẵn oxy trong nhiên liệu. Tuy nhiên, theo nghiên cứu [32] khi mô phỏng so sánh giữa hai loại nhiên liệu hoạt tính cao là diesel và biodiesel (nhiên liệu hoạt tính thấp là xăng) cho kết quả phát thải NOx trong trường hợp biodiesel giảm hơn so với tường hợp diesel. Nghiên cứu [33] cũng cho kết quả tương tự. 1.4.2 Sử dụng đơn nhiên liệu kết hợp phụ gia Việc sử dụng đơn nhiên liệu nhằm giảm bớt số bình nhiên liệu trên ô tô. Để tạo ra nhiên liệu có hoạt tính khác, một vài chất giúp làm tăng chỉ số xetan được hòa trộn với nhiên liệu hoạt tính thấp và phun trực tiếp và xy lanh giống như nhiên liệu hoạt tính cao 1.5 Tổng quan về các giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ RCCI 1.5.1 Tỷ lệ nhiên liệu Tỉ lệ nhiên liệu là một thông số có thể ảnh hưởng đến các phản ứng bên trong xylanh [41]. Mức độ phản ứng của nhiên liệu có thể được xác định bằng chỉ số xêtan. Số xêtan trong xy lanh được xác định từ công thức sau: CNdual-fuel = Trong đó CNdual-fuel là số xêtan của nhiên liệu trong xy lanh, CNlow và CNhigh là số xêtan của nhiên liệu LRF và HRF, low và high là tỷ lệ mole của LRF và HRF. Bằng cách thay đổi tỷ lệ nhiên liệu, thì khả năng phản ứng trong xy lanh sẽ thay đổi dẫn tới góc cháy trễ thay đổi. Thông thường góc cháy trễ sẽ tăng khi tỷ lệ nhiên liệu LRF tăng. Động cơ RCCI hoạt động trong vùng tỉ lệ giữa nhiên liệu hoạt tính thấp (methanol) từ 0,2 đến 0,7 và góc phun sớm nhiên liệu hoạt tính cao lớn hơn 17 độ góc quay trục khuỷu [18]. Trong vùng từ 0,5 đến 0,7 động cơ RCCI cho phát thải NOx và và mức tiêu hao nhiên liệu thấp. 1.5.2 Phương pháp phun Phương pháp phun là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất của động cơ. Thay đổi phương pháp phun trong động cơ RCCI chính là thay đổi quá trình phun HRF. Có nhiều thông số điều chỉnh trong trường hợp này. Ví dụ: HRF có thể được phun vào trong xylanh một, hai hay ba lần phun trong một chu kỳ, hơn nữa lượng phun của từng lần phun có thể thay đổi. Thời điểm bắt đầu phun của từng lần phun cũng cần được hiệu chính để đạt được giá trị tối tưu. 6
1.5.3 Luân hồi khí thải EGR Các nghiên cứu cho thấy sử dụng EGR trên động cơ RCCI đạt hiệu quả không cao khi so sánh với động cơ diesel truyền thống [46, 63]. Tuy nhiên để tối ưu hóa điều kiện vận hành của động cơ RCCI thì cần sự hỗ trợ của EGR, đặc biệt tại tải cao nhằm làm giảm tốc độ tăng áp suất. 1.5.4 Tỷ số nén Tỉ số nén là một thông số kết cấu quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ. Jia và cộng sự [69] đã tiến hành thực nghiệm với động cơ có tỉ số nén 14 và 17 sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên và diesel ở nhiều tốc độ khác nhau, kết quả cho thấy hiệu suất nhiệt của động cơ tỉ số nén 14 tại 1200 vòng/phút cũng cao hơn so với động cơ tỉ số nén 17, tuy nhiên khi tốc độ động cơ tăng lên 1800 vòng/phút thì hiệu suất nhiệt của động cơ tỉ số nén 17 lại cao hơn. Phát thải NOx của động cơ tỉ số nén 14 thấp hơn tuy nhiên HC tăng cao, tại nhiều chế độ tải khác nhau động cơ tỉ số nén 14 có thời gian cháy trễ lớn hơn, thời gian cháy và tỉ lệ nhiệt lượng giải phóng cũng thấp hơn. Do đó có thể kết luận nên dùng tỷ số nén thấp tại tải cao vì có thể làm giảm tốc độ tăng áp suất của động cơ. 1.5.5 Hình dạng đỉnh piston Hình dạng đỉnh piston là thông số kết cấu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hoà trộn nhiên liệu do nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy của động cơ. Động cơ diesel với đặc điểm phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy nên có đỉnh piston có hình dạng với những đặc điểm nhất định nhằm tối ưu quá trình hoà trộn nhiên liệu với không khí. Tuy nhiên, trong động cơ RCCI nhiên liệu LRF được hoà trộn trước với không khí do đó cần có đỉnh piston phù hợp. Theo nghiên cứu [48,49] diện tích của đỉnh piston ảnh hưởng lớn tới quá trình trao đổi nhiệt trong buồng cháy động cơ RCCI. Splitter và các cộng sự [50] đã tối ưu biên dạng đỉnh piston nhằm giảm tổn thất trao đổi nhiệt, đỉnh piston được điều chỉnh sao cho tỉ lệ giữa diện tích bề mặt đỉnh piston với thể tích buồng cháy nhỏ, tăng đường kính buồng cháy cho phép tăng thời điểm phun sớm và làm tăng hiệu suất cháy, giảm HC và CO. Hình 1.7 thể hiện hình dạng đỉnh piston với Hình 1.7a là hình dạng đỉnh piston động cơ RCCI thương mại, Hình 1.7b là hình dạng piston động cơ diesel nguyên bản, Hình 1.7c là hình dạng piston được Hanson và các cộng sự thiết kế lại. Đồng thời kết hợp với điều khiển quá trình phun nhiên liệu động cơ RCCI sử dụng piston Hình 1.7c có hiệu suất nhiệt tăng từ 37% lên tới 40% tại 2600 vòng/phút, 6,9 bar IMEP và phát thải Nx và PM nằm dưới giới hạn quy định mà không cần xử lý khí thải và thấp hơn nhiều so với động cơ RCCI sử dụng đỉnh piston Hình 1.6a 1.5.6 Nghiên cứu về mặt kết cấu nhằm chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang động cơ RCCI Nghiên cứu của Benajes và các cộng sự [51] cho thấy thời điểm và số lần phun của nhiên liệu HRF thay đổi theo mức tải của động cơ, trong đó tại vùng tải thấp và trung bình sử dụng hai xung phun với 7
khoảng cách gần nhau, thời điểm phun ~450CA trước ĐCT, từ 40% ÷ 75% tải sử dụng hai xung phun nhưng khoảng cách 2 xung cách xa nhau, xung phun thứ hai phun nhiên liệu ở vùng gần điểm chết trên, từ 75% ÷ 100%toàn tải sử dụng một xung phun với thời điểm phun muộn sát ĐCT. Từ vấn đề trên cho thấy để chuyển đổi động cơ diesel sang RCCI, thì động cơ trước khi chuyển đổi bắt buộc phải cho phép điều khiển thời điểm, số lần và lượng phun bằng điện tử. Nói cách khác, động cơ diesel phải được trang bị hệ thống phun diesel điện tử CR (Common Rail). Do đó với động cơ diesel truyền thống đầu tiên cần chuyển đổi sang động cơ common rail sau đó chuyển đổi sang động cơ RCCI. 1.5.6.1. Giải pháp chuyển đổi động cơ diesel thông thường sang động cơ RCCI Trong nghiên cứu [52], Dipak và các cộng sự đã thiết kế hệ thống CR trên động cơ 1 xy lanh cỡ nhỏ bằng cách thay bơm cao áp nguyên bản bằng bơm cao áp của hệ thống CR của Bosch CP4.1 đạt được áp suất phun tới 1400 bar, kết quả cho thấy hệ thống hoạt động bình thường, phát thải và tiêu hao nhiên liệu giảm nhẹ, tuy nhiên cần phải có một số điều chỉnh ở tải cao để mang lại hiệu quả cao hơn động cơ nguyên bản. Carpenter và các cộng sự [53] đã chuyển đổi sang sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử sử dụng kim phun Delphi DFI1.5, đầu kim phun được thiết kế riêng, bơm cao áp là loại CP4 kết hợp với đường ống tích áp của Audi. Nghiên cứu [54] khẳng định những nhận định nêu trên, với áp suất phun 380 bar lượng nhiên liệu diesel phân bố xung quanh thể tích chèn của đỉnh piston nhiều hơn trường hợp 580 bar, thể hiện ở vùng tăng nhiệt độ màu đỏ thời điểm 6 độ góc quay trục khuỷu sau điểm chết trên. Như kết quả cho thấy tại thời điểm 6 độ, áp suất 380 bar xuất hiện điểm tự cháy mạnh hơn trường hợp 580 bar tại vùng thể tích chèn, giúp cho áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt tăng cao hơn. Tác giả Poorghasemi và các cộng sự [53] cũng có các nhận định tương tự. Từ các nghiên cứu trên kết hợp đánh giá tài liệu của các hãng sản xuất động cơ diesel truyền thống sử dụng bơm cao áp kết hợp điều tốc cơ khí dùng quả văng của hãng Bosch [55] cho thấy, áp suất của bơm cao áp dành cho động cơ cỡ nhỏ và vừa có thể đạt tới 550 bar (Hình 1.13). Do đó nhằm giảm thiểu chi phí khi chuyển đổi các động cơ diesel truyền thống sang động cơ phun diesel điện tử CR để bước tiếp theo chuyển sang động cơ RCCI, thì giải pháp đưa ra là giữ nguyên bơm cao áp nguyên bản của động cơ, chỉ thay thế vòi phun cơ khí bằng vòi phun điều khiển điện tử và sử dụng thêm đường ống tích áp. 1.5.6.2. Giải pháp chuyển đổi sang động cơ RCCI Sơ đồ chung của hệ thống nhiên liệu hoạt tính thấp, vị trí vòi phun được lựa chọn sao cho tia phun xuôi theo chiều không khí nạp và hướng vào vị trí xu páp nạp nhằm tận dụng nhiệt của xu páp nạp giúp hóa hơi nhanh nhiên liệu hoạt tính thấp, vòi phun nhiên liệu hoạt tính thấp có thể lựa chọn vòi phun của động cơ phun xăng đường ống nạp thông thường, có dung tích tương đương với động cơ chuyển đổi RCCI. Hệ thống cấp nhiên liệu bao gồm thùng chứa nhiên liệu hoạt tính thấp, bơm nhiên liệu và lọc nhiên liệu hoạt tính thấp, nhiên liệu sau lọc được đưa đến giàn vòi phun. Áp suất phun của hệ thống này cần được giữ cố định đảm bảo áp suất trước vòi phun và sau vòi phun không thay đổi giống như động cơ xăng, thông thường van hằng áp sẽ điều khiển áp suất này, hoặc nếu không trang bị van hằng áp thì trong bộ điều khiển cần phải có đặc tính vòi phun theo áp suất chênh áp. Tuy nhiên, với động cơ diesel không tăng áp thì không cần van này, do không có bướm ga nên áp suất trong đường ống nạp hầu như rất ít thay đổi và chênh lệch rất thấp so với áp suất khí trời, do đó bơm nhiên liệu hoạt tính thấp sẽ sử dụng loại của động cơ xăng thông thường có áp suất ổn định nhờ van an toàn 8
trong bơm. 1.6 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1.6.1 Cách tiếp cận - Tổng hợp, phân tích và kế thừa kết quả các nghiên cứu liên quan đã có trước đây trên thế giới, qua đó định hướng và đề xuất hướng nghiên cứu cụ thể của đề tài. - Trao đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp nghiên cứu. - Phối hợp với các đơn vị sản xuất và nghiên cứu có liên quan để triển khai, cải tiến và hoàn thiện sản phẩm của đề tài. 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: - Nghiên cứu lý thuyết:  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán quá trình cháy trong động cơ cháy nhiệt độ thấp (Low Temperature Combustion - LTC).  Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về việc chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang động cơ nén cháy có điều khiển hoạt tính nhiên liệu (RCCI), đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của các động cơ RCCI sau khi chuyển đổi, phương pháp và công nghệ điều khiển hệ thống nhiên liệu trên các động cơ này.  Ứng dụng phần mềm chuyên dụng AVL-Boost để đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu phản ứng cao đến quá trình cháy trên động cơ RCCI sử dụng lưỡng nhiên liệu làm cơ sở để thực nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm:  Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống điều khiển và cung cấp lưỡng nhiên liệu cho động cơ nén cháy có điều khiển hoạt tính nhiên liệu (RCCI).  Nghiên cứu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel truyền thống sau khi chuyển đổi sang động cơ RCCI. 1.7 Kết luận chương 1 Qua các nghiên cứu có thể thấy động cơ RCCI là động cơ mới được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Động cơ RCCI có hiệu suất nhiệt cao đồng thời có mức phát thải NOx và PM thấp. Các nghiên cứu cho thấy việc chuyển đổi từ động cơ diesel sẽ mang hiệu quả rất lớn. Có rất nhiều nghiên cứu về chuyển đổi động cơ trên thế giới tuy nhiên đều sử dụng động cơ phun diesel điện tử common rail để chuyển đổi, chưa có nghiên cứu nào thực hiện chuyển đổi cho động cơ diesel truyền thống sử dụng bơm cao áp truyền thống. Động cơ này còn được sử dụng và sản xuất ở nhiều nước trên thế giới đặc biệt ở Việt Nam hiện nay. Do đó, nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sử dụng bơm cao áp điều tốc cơ khí sang động cơ RCCI là việc làm rất thiết thực và cần thiết. 9
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ RCCI 2.1 Quá trình cháy trong động cơ LTC Quá trình cháy trong động cơ LTC phụ thuộc chủ yếu vào động học phản ứng, quản lý quá trình cháy LTC thông qua điều khiển động học. Quá trình cháy trong động cơ LTC được xác định thông qua các phản ứng tự cháy, thời điểm bắt đầu cháy là do hỗn hợp nhiên liệu- không khí tự bốc cháy khi có sự gia tăng về nhiệt độ và áp suất trong xi lanh ở kỳ nén. Quá trình tự bốc cháy chủ yếu được điều khiển bởi một số gốc quan trọng như H, OH, HO2 và gốc bền hơn H2O2. Các gốc H2O2 và HO2 có liên quan đến quá trình giải phóng nhiệt ở nhiệt độ thấp (LTHR), các gốc này tăng chậm và tăng mạnh nhất tại gần điểm cháy chính. Để hiểu rõ hơn bản chất quá trình cháy LTC, hình 3.2 giới thiệu sơ đồ phản ứng cháy của nhiên liệu ethanol, các phản ứng nhiệt độ thấp được thể hiện trên đường màu xanh (low T) 2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình cháy trong động cơ RCCI. Do quá trình cháy của động cơ RCCI là quá trình cháy của lưỡng nhiên liệu, khá phức tạp và khác hoàn toàn so với quá trình cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu thông thường, vì thế khi xây dựng mô hình của quá trình cháy động cơ RCCI cần đưa ra 1 số giả thiết để xây dựng mô hình cháy đơn giản hơn. Nhiên liệu hoạt tính cao được phun từ giữa tâm xy lanh, tia phun hướng về phía xa tâm buồng cháy, gần với thành xy lanh, do đó ở khu vực này sẽ tập trung nhiều nhiên liệu hoạt tính cao, sau đó hỗn hợp bắt đầu cháy từ khu vực này lan ra làm tăng nhiệt độ và áp suất trong xy lanh thời điểm cuối quá trình nén. Vùng tự cháy xuất hiện gần khu vực thể tích chèn của pittông, nơi có hoạt tính nhiên liệu lớn nhất. màng lửa từ các vùng tự cháy sẽ lan tràn đến các khu vực có hoạt tính nhiên liệu thấp hơn. Do đó có thể nói quá trình cháy xuất phát từ vùng thể tích chèn của pittông và lan tràn về tâm của pisttông vị trí đặt vòi phun, đây là nơi có hoạt tính nhiên liệu thấp nhất. 2.2.1 Xác định thời điểm bắt đầu cháy (SOC) Do quá trình cháy của động cơ RCCI xuất phát từ nhiều vị trí trong buồng cháy, do đó thời điểm bắt đầu cháy được xác định từ mô hình kích nổ tích hợp (KIM), thời điểm bắt đầu cháy được xác định là thời điểm hỗn hợp nhiên liệu/không khí cháy được 10%  b n   P   Ae  T (2.1) 2.2.2 Xác định thời gian cháy Có thể coi cơ chế cháy chính của động cơ RCCI là lan tràn màng lửa từ các điểm tự cháy do đó tốc độ màng lửa tức thời (Sig) được sử dụng để xác định thời gian cháy (DB). Biểu thức 2.7 thể hiện mối quan hệ giữa DB và Sig t BD  K 2 Sig (2.7) Trong đó K2 và t là các hệ số thực nghiệm Sig được xác định theo (2.8): 10
1 (2.8) Sig  d  SOC d SOC 2.2.3 Xác định góc cháy 50% (CA50) CA50 được các đinh theo đạo hàm Vibe như biểu thức 2.17     SOC  m 1  xb    1  exp  a   (2.17)   BD      Trong đó xb là phần khối lượng nhiên liệu đã cháy (0…1), SOC là góc bắt đầu cháy SOC, (SOC tương ứng với hỗn hợp đã cháy 10% CA10) và BD là khoảng góc quay trục khuỷu từ CA10 đến CA90. Từ đây xác định được tham số a bằng cách tính hàm Vibe tại CA90 như biểu thức 2.18   CA90  CA10  m 1  0.9  1  exp   a     a   ln 1  0.9   2.303  (2.18)   BD    2.3 Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình cháy RCCI trên phần mềm AVL-BOOST 2.3.1 Phương trình nhiệt động học 1 Định luật nhiệt động học 1 cho phép xác định mối tương quan giữa trạng thái đầu và cuối của quá trình cháy mà không cần phải biết diễn biến các giai đoạn trung gian của quá trình cháy. Định luật này biểu thị mỗi quan hệ giữa biến thiên nội năng với sự biến thiên nhiệt và công (công thức 2.19) (2.19) 2.3.2 Mô hình cháy Do đặc điểm quá trình cháy của động cơ RCCI là quá trỉnh tự cháy của nhiên liệu hoạt tính cao (diesel) và hỗn hợp trong buồng cháy là hỗn hợp phân lớp với vùng sát thành xy lanh có chỉ số xe tan cao hơn. Mặt khác mô hình AVL-MCC cho phép mô phỏng quá trình cháy khi sử dụng kết hợp giữa nhiên liệu phun trực tiếp và nhiên liệu hòa trộn trước. Do đó NCS lựa chọn mô hình cháy cháy AVL-MCC để mô phỏng quá trình cháy trong động cơ RCCI. Tốc độ toả nhiệt trong mô hình cháy MCC được mô tả như sau: Phương trình tính toán cân bằng nhiệt như sau: dQtotal dQMCC dQPMC (2.23)   d d d 2.3.3 Mô hình truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành vách xylanh, piston, nắp máy ra ngoài được tính toán theo phương trình truyền nhiệt sau: (2.27) 2.3.4 Mô hình tính toán các thành phần khí thải 11
2.3.4.1. Mô hình tính toán NOx Mô hình hình thành NOx trong phần mềm AVL-Boost dựa trên nguyên lý Pattas và Hafner 6 phản ứng sau (dựa trên cơ chế Zeldovich). 2.3.4.2. Mô hình tính toán soot Phát thải soot có thể được tính toán theo mô hình Hiroyasu. Trong mô hình này, sự thay đổi của khối lượng soot qua công thức: (2.31) 2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh Phương trình nhiệt động thứ nhất cho môi chất trong xylanh được giới thiệu trong công thức 2-1: dQ  dU  pdV  dQw   hi .dmi (2.34) 2.5 Kết luận chương 2 Trong chương này nghiên cứu sinh đã tìm hiểu và đưa ra cơ sở lý thuyết của cơ chế cháy của động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC và đưa ra cơ sở phản ứng cháy LTC. Từ đó đưa ra cơ sở lý thuyết của quá trình cháy trong động cơ RCCI với đặc trưng là cháy kích nổ động cơ xăng với khu vực xuất hiện cháy xuất phát từ gần thành xy lanh và lan dần vào tâm. Đó là cơ sở để xác định thời điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy và thời điểm hỗn hợp cháy được 50% CA50. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết trước khi tiến hành mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng AVL-Boost nhằm củng cố thêm về lý thuyết trước khi tiến hành các nghiên cứu khác. CHƯƠNG 3. CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL 1 XY LANH SANG ĐỘNG CƠ RCCI VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM AVL-BOOST 3.1 Đối tượng chuyển đổi và nhiên liệu 3.1.1 Đối tượng chuyển đổi Đối tượng chuyển đổi được nghiên cứu sinh lựa chọn là động cơ Yanmar DB178F(E). Đây là động cơ một xy lanh không tăng áp làm mát bằng không khí. Động cơ này có hai xupap nạp (một xupap nạp và một xupap thải), buồng cháy thống nhất. Hình 3.1 thể hiện hình ảnh thực tế động cơ Yanmar DB178F(E) các thông số cơ bản của động cơ được trình bày trong Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của động cơ Yanmar 178F 3.1.2 Nhiên liệu lựa chọn STT Thông số Đơn vị Giá trị Động cơ RCCI sử dụng hai loại nhiên liệu Hình 3.1 Động cơ Yanmar DB178F(E) 1 Đường kính xylanh, (D) mm 78 có hoạt tính nhiên liệu khác nhau (nhiên liệu hoạt tính cao HRF và nhiên liệu hoạt tính thấp LRF). 2 Hành trình piston, (S) mm 62 Nhằm phù hợp với ứng dụng trong thực nghiệm 3 3 Tể tích công tác, (Vh) cm 296 Bảng 3.2: Tính chất hóa lý của nhiên liệu dùng trong mô 4 Tỷ số nén, (ɛ) - 20 phỏng Diesel Gasoline 5 Công suất định mức, (Neđm) kW 4.4 Khối lượng riêng [kg/m3] 824 720 (T=15oC) 12 6 Tốc độ định mức, (nđm) vg/ph 3600 Độ nhớt [mm2/s] (T=40oC) 2.8 – 7 Mômen cực đại, (Memax) Nm 13 Số ốc tan [-] – 95 Tỷ lệ Biodiesel [% volume] < 0.2 – 8 Tốc độ tại Memax, (nM) vg/ph 2000 Số xê tan [-] 50 – Suất tiêu hao nhiên liệu, 9 g/kw.h 378 Nhiệt trị thấp [Mj/kg] 45.19 44.7 (gemin) 10 Tốc độ tại gemin, (nge) vg/ph 2400
cũng như ứng dụng động cơ RCCI nghiên cứu sinh lựa chọn hai loại nhiên liệu phổ biến, thông dụng và dễ mua. Nhiên liệu hoạt tính cao HRF là nhiên liệu diesel, nhiên liệu hoạt tính thấp là nhiên liệu xăng. Các tính chất hoá lý cơ bản của nhiên liệu được thể hiện trong Bảng 3.2 3.2 Thiết kế, chế tạo các chi tiết, hệ thống nhằm chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ RCCI 3.2.1 Thiết kế thay đổi hệ thống nhiên liệu diesel Trong động cơ RCCI số lần phun, thời điểm phun nhiên liệu diesel ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ. Có trường hợp nhiên liệu diesel phun rất sớm trước điểm chết trên, có trường hợp nhiên liệu diesel phun sát điểm chết trên. Do đó với đặc điểm hệ thống nhiên liệu diesel truyền thống trên động cơ Yanmar DB178F(E) không đáp ứng được. Để chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ RCCI cần thay đổi hệ thống nhiên liệu nguyên bản sang hệ thống nhiên liệu phun tích áp điều khiển điện tử common rail. Hình 3.1: Sơ đồ HTNL nguyên bản (a) và sơ đồ HTNL CR chuyển đổi (b) 3.2.1.1. Thay đổi vòi phun Vòi phun động cơ Yanmar DB178F(E) nguyên bản (Hình 3.3 bên trái) là vòi phun cơ khí có góc nghiêng giữa thân kim và mặt máy 25o. Vòi phun trên động cơ diesel common rail D4DD có góc nghiêng tương tự được lựa chọn để thay thế. 3.2.1.2. Ống tích áp. NCS sử dụng ống tích áp có sẵn của động cơ 4 xylanh phổ thông ở Việt Nam có kích thước như Hình 3.8, kích thước đường ống thể hiện trong Bảng 3.4, vị trí lắp đặt ống tích áp trên động cơ thể hiện trên Hình 3.9 3.2.1.3. Van điều khiển áp suất nhiên liệu tích áp 3.2.1.4. Cảm biến áp suất đường ống rail Cảm biến áp suất đường ống tích áp có nhiệm vụ gửi tín hiệu phản hồi về cho bộ điều khiển để điều khiển van điều khiển áp suất ống tích áp thông qua bộ điều khiển vòng kín, 3.2.1.5. Bơm cao áp Do bơm cao áp động cơ common rail hiện tại đều áp dụng cho động cơ nhiều xy lanh do đó nếu sử 13
dụng sẽ rất phức tạp trong kết cấu cơ khí, đồng thời lưu lượng bơm lớn trong khi chỉ cung cấp cho một xylanh nên gây tổn thất cơ giới lớn. Vì vậy nghiên cứu sinh sử dụng bơm nguyên bản của động cơ. 3.2.1.6. Bộ điều khiển động cơ ECU Để điều khiển hệ thống nhiên liệu này thì NCS đã nghiên cứu sử dụng ECU trắng để điều khiển. Mã hiệu của ECU điều khiển: ECM‐0565‐128‐0701‐C của hãng Woodward (Part No.8237‐1238). Đây là bộ điều khiển nhúng lập trình bằng ngôn ngữ Matlab, hoạt động trong môi trường khắc nghiệt ứng dụng trên ô tô, tàu thủy và đầu máy diesel đường sắt. 3.2.1.7. Bộ điều khiển vòi phun EDU Do bộ điều khiển ECM-0565-182-0701-C không thể điều khiển trực tiếp vòi phun diesel mà cần qua bộ điều khiển EDU. Hình 3.14 là hình ảnh bộ EDU được sử dụng điều khiển vòi phun. EDU này là nghiên cứu của TS.Trần Anh Trung và các cộng sự được công bố trong tài liệu tham khảo [67]. 3.2.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng Hệ thống cung cấp nhiên liệu LRF mà cụ thể là nhiên liệu xăng như trong chương 3 đã đưa ra bao gồm thùng đựng nhiên liệu, bơm nhiên liệu, van ổn áp và vòi phun nhiên liệu như trong sơ đồ hình 4.21. Hình 4.22 là thiết bị cung cấp xăng, bao gồm Hình 3.17: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu xăng bơm xăng, lọc xăng và van ổn áp và điều chỉnh áp suất. Bơm Bảng 3.5: Đặc tính vòi phun nhiên liệu hoạt tính xăng sử dụng trong hệ thống này của hãng BOSCH. Vòi phun thấp nhiên liệu trên đường ống nạp có thể lựa chọn từ những động cơ Mã hiệu Piaggio 3V ie phun xăng thông thường. Do đó nghiên cứu này sử dụng vòi injector phun dành cho xe máy của hãng PIAGGIO. Do chỉ có 1 thiết bị Lưu lượng trung bình 133 @2.8bar [cm3/min] cân nhiên liệu, trong khi cần đo khối lượng của hai loại nhiên Góc tia phun [o] 30 liệu là xăng và diesel, vì thế cần xây dựng đặc tính cung cấp của Áp suất phun [bar] 2.8 1 nhiên liệu, nhiên liệu còn lại xác định thông qua cân nhiên Đặc tính điều khiển phun Phun đơn liệu Thời điểm phun Kỳ cháy giãn nở 3.2.3 Thay đổi tỉ số nén động cơ Như mục 1.3.4 có nói động cơ RCCI thông thường sử dụng tỉ số nén từ 11 đến 17. Trong nghiên cứu này NCS lựa chọn tỷ số nén 17. Mặt khác động cơ diesel Yanmar 178F có tỉ số nén nguyên bản là 20, việc giảm tỉ số nén từ 20 xuống 17 bằng cách thay đổi chiều dày đệm nắp máy độ dày đệm nắp máy cần lắp là 1.4mm. 3.2.4 Chế tạo đường ống nạp Để phun nhiên liệu xăng vào đường nạp động cơ Yanmar 178F thì cần phải thiết kế lại đường nạp động cơ cho phù hợp với quá trình cung cấp nhiên liệu. Dựa vào kết cấu đường nạp ban đầu của động cơ, thiết kế lại đường nạp để có thể bố trí được vòi phun xăng với mục đích phun nhiên liệu vào nấm xupáp nạp để nhiên liệu có thể bay hơi tốt nhất, đồng thời không khí nạp sau khi được sấy nóng sẽ hòa trộn với xăng trên đường nạp trước khi được hút vào xy lanh của động cơ Hình 3.15: Kết cấu đường ống nạp mới 3.2.5 Chế tạo đường ống thải 14
Dựa vào kết cấu đường thải ban đầu của động cơ Yanmar 178F thiết kế lại đường thải để có thể trích khí thải quay trở lại đường ống nạp đồng thời lắp thêm các cảm biến nhiệt độ khí thải, cảm biến lamda và lắp đầu đo nồng độ khói. Kết cấu đường ống thải và mặt bích được thể hiện như hình 3.21. 3.2.6 Động cơ sau khi chuyển đổi sang động cơ common rail Từ những kết quả thực nghiệm ta thấy khi thay đổi hệ thống nhiên liệu từ truyền thống sang hệ thống nhiên liệu phun Hình 3.21: Kết cấu đường ống thải của động cơ tích áp common rail như sau:: - Momen của động cơ được cải thiện, khi tải trọng càng tăng momen được cải thiện càng rõ rệt. - Suất tiêu hao nhiên liệu giảm, giảm đáng kể tại vùng tải cao. - Lượng phát thải PM, CO, HC đều giảm do nhiên liệu được phun tơi và cháy sạch hơn. - Phát thải CO2 và NOx tăng so với động cơ truyền thống do nhiên liệu được cháy kiệt và nhiệt độ cháy cao hơn. 3.3 Mô phỏng động cơ RCCI 3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng Trên cơ sở các thông số kết cấu, các tài liệu liên quan về động cơ thực tế Yanmar 178F(E), từ những phần tử có sẵn tương ứng trong AVL-Boost, nhóm nghiên cứu đã thực hiện xây dựng được mô hình động cơ Yanmar 178F như thể hiện trên hình 3.6, bao gồm các phần tử: điều kiện biên (số lượng 2); động cơ (số lượng 1); xy lanh (số lượng 1); phần tử cản dòng (số lượng 1); Bình ổn áp (số lượng 2); đường ống (số lượng 6); điểm đo (số lượng 2) 3.3.2 Chế độ mô phỏng - Mô phỏng xác định đường đặc tính ngoài (100% tải) của động cơ Yanmar 178F sau khi chuyển đổi sang động cơ common rail: tốc độ từ 1500 đến 3500 vòng/phút với khoảng chia 500 vòng/phút. - Mô phỏng thiết lập quá trình cháy RCCI cho động cơ diesel. Mô hình được chạy ở tốc độ 2000 vg/ph với các momen 2Nm, 6Nm, 10Nm và thay đổi thời điểm phun nhiên liệu từ 10 độ với bước nhảy 5 độ cho đến khi hiệu suất động cơ giảm. - Khi thay đổi thời điểm phun nhiên liệu thì momen và công suất sẽ thay đổi. Vì vậy muốn giữ được momen ở 2Nm, 6Nm, 10Nm khi thay đổi thời điểm phun thì trong khi mô phỏng phải thay đổi lượng xăng phun vào để momen không đổi. Do đó tỉ lệ giữa nhiên liệu xăng và nhiên liệu diesel thay đổi, Hình 3.29 thể thể hiện tỉ lệ nhiên liệu xăng và nhiên liệu diesel trong mô phỏng. 3.3.3 Đánh giá tính chính xác mô hình mô phỏng Sau khi nhập các số liệu vào mô hình, chạy mô hình trên phần mềm và đưa ra kết quả mô phỏng. Từ kết quả mô phỏng, đối chiếu với kết quả thực nghiệm đo được ở các phòng thí nghiệm, ta đưa ra được độ tin cậy của mô hình của động cơ trên phần mềm AVL-Boost. 15 Hình 3.7: Đồ thị momen, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực tế
Từ mô hình ta đưa ra các thông số là công suất động cơ Ne, suất tiêu hao nhiên liệu ge, momen Me và phát thải CO, NOx, PM để so sánh, đánh giá độ tin cậy của mô hình. Từ đồ thị so sánh giữa mô phỏng và thực tế của công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, momen và phát thải của động cơ Yanmar 178F ứng với các tốc độ khác nhau. Sai số công suất giữa mô phỏng với thực nghiệm khoảng 1,2%, sai số momen giữa mô phỏng với thực nghiệm khoảng 3,5%. Sai số ge giữa mô phỏng và thực nghiệm là 1,2%, sai số phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm là khoảng 0,8%. Vậy mô hình mô phỏng động cơ Yanmar 178F trên phần mềm AVL-Boost là tin cậy. 3.3.4 Kết quả mô phỏng động cơ RCCI trên phần mềm AVL-BOOST 3.3.4.1. Các thông số chỉ thị, có ích của động cơ RCCI Hình 3.33 và Hình 3.34 thể hiện các thông số có ích và chỉ thị của động cơ RCCI khi mô phỏng. Tại tốc độ 2000 vòng phút động cơ đạt momen cao nhất (12,42 Nm) và ge nhỏ nhất (306,39 g/kWh). Đồng thời khi tăng tốc độ NOx có xu hướng giảm trong khi HC và CO có xu hướng tăng. Hình 3.3: Phát thải động cơ RCCI tại 100% tải khi Hình 3.2: Đặc tính ngoài động cơ RCCI khi mô mô phỏng phỏng 3.3.4.2. Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu hoạt tính cao đến quá trình cháy động cơ RCCI Hình 3.4: Diễn biến áp suất tại 2Nm Hình 3.5: Phát thải mô phỏng tại 2Nm Tại 2000 vòng/phút 2Nm khi thay đổi thời điểm phun nhiên liệu hoạt tính cao từ 10 đến 20 độ trước điểm chết trên đỉnh áp suất có xu hướng tăng dần. Khi thời điểm phun sớm nhiên liệu hoạt tính cao rất sớm (trên 25 độ), đỉnh áp suất cháy không thay đổi đáng kể. Hình 3.36 thể hiện phát thải động cơ RCCI khi mô phỏng tại 2Nm góc phun thay đổi từ 10 đến 40 độ trước điểm chết trên. Ta thấy phát thải NOx tăng dần từ 10 đến 20 độ sau đó giảm dần, phát thải CO thấp nhất tại 15 độ và tăng dần khi tăng góc phun sớm. 16
Hình 3.6: Diễn biến áp suất cháy tại 6Nm Hình 3.7: Phát thải động cơ RCCI tại 6Nm Tại 6Nm khi thay đổi góc phun sớm từ 10 đến 25 độ, đỉnh áp suất cháy có xu hướng tăng và dịch dần về bên trái. Tuy nhiên khi phun sớm tại 30 và 40 độ đỉnh áp suất cháy giảm và đỉnh áp suất cháy vào khoảng 10 độ sau điểm chết trên. Hình 3.38 thể hiện phát thải động cơ RCCI khi thay đổi thời điểm phun tại 6Nm ta thấy khi tăng thời điểm phun sớm nhiên liệu hoạt tính cao từ 10 đến 25 độ phát thải NOx có xu hướng tăng, phát thải CO2 có xu hướng giảm tuy nhiên khi tiếp tục tăng từ 25 đến 40 độ phát thải NOx giảm đồng thời phát thải CO2 tăng. Trong khi đó phát thải HC và CO thay đổi không đáng kể khi thay đổi thời điểm phun sớm nhiên liệu hoạt tính cao. Hình 3.8: Diễn biến áp suất cháy tại 10Nm Hình 3.9: Phát thải động cơ RCCI tại 10Nm 3.4 Kết luận chương 3 Trong Chương này NCS đã nghiên cứu và đưa ra các bước chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống sang động cơ common rail làm cơ sở để chuyển đổi sang động cơ RCCI. Trong đó bơm cao áp của động cơ được tận dụng và lắp thêm hệ thống tích áp và vòi phun điện tử (thay thế cho vòi phun truyền thống). Một vòi phun xăng được lắp đặt trên đường ống nạp mới và hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng nhằm cung cấp nhiên liệu xăng cho động cơ RCCI. Hệ thống ECU và cảm biến (cảm biến trục cam, trục khuỷu, áp suất rail…) được tính toán lắp đặt nhằm điều khiển động cơ chính xác. Ngoài ra NCS đã mô phỏng động cơ Yanmar DB178F(E) trên phần mềm AVL-BOOST, từ đó thiết lập mô phỏng động cơ RCCI làm tiền để cho quá trình thực nghiệm sau này. Do động cơ RCCI là động cơ mới nên các kết quả mô phỏng có thể chưa đánh giá đúng thực chất cơ chế cháy của động cơ RCCI, tuy nhiên đây cũng là cơ sở để điều chỉnh các thông số cho quá trình thực nghiệm nhằm đạt kết quả nhanh nhất. 17
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Nhằm đánh giá khả năng thiết lập và xác định vùng làm việc của động cơ diesel truyền thống 1 xylanh Yanmar DB178F(E) chuyển đổi sang hoạt động theo nguyên lý RCCI, nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel 1 xylanh đã chuyển đổi với nhiên liệu hoạt tính thấp là xăng và nhiên liệu hoạt tính cao là diesel. Từ các thông số về đặc tính cháy sẽ kiểm chứng được khả năng chuyển đổi động cơ truyền thống sang hoạt động theo nguyên lý RCCI so với động cơ truyền thống. 4.1 Mục đích thực nghiệm Chạy thực nghiệm trên băng thử chuyên dụng nhằm xác định các thông số cơ bản sau: N e, Me, ge, diễn biến áp suất trong xy lanh, phát thải của động cơ thử nghiệm. Từ đó đánh giá khả năng chuyển đổi từ động cơ common rail sang động cơ RCCI. Ngoài ra, chạy thử nghiệm còn nhằm thiết lập chế độ cháy RCCI cho động cơ diesel 1 xylanh. 4.2 Sơ đồ bố trí thực nghiệm. Hình 4.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình 4.2: Lắp đặt động cơ thử nghiệm và các hệ thống trên băng thử 4.3 Quy trình và phạm vi thực nghiệm Thử nghiệm đánh giá hiệu quả của động cơ RCCI khi thay đổi thời điểm phun nhiên liệu hoạt tính cao (diesel) so với động cơ diessel sau khi chuyển đổi hệ thông nhiên liệu common rail. Tốc độ động cơ được cố định tại 2000 vòng/phút, áp suất phun nhiên liệu diesel tại 400 bar, momen thay đổi lần lượt từ 2 Nm, 6 Nm và 10 Nm tương ứng với tải thấp, trung bình và cao của động cơ. Với chế độ RCCI nhiên liệu hoạt tính thấp (xăng) được điều chỉnh nhằm giữ mức tải động cơ, tỉ lệ nhiên liệu xăng phun vào so với nhiên liệu diesel nằm trong khoảng 0,6 đến 0,9. Tại chế độ động cơ diesel với hệ thống nhiên liệu liệu common rail thời điểm phun được cố định tại 15oCA trước điểm chết trên. Trong thí nghiệm này các thông số về thời điểm phun, số lần phun, lượng nhiên liệu phun của nhiên liệu hoạt tính cao, lượng nhiên liệu phun của nhiên liệu hoạt tính thấp là các thông số cần điều chỉnh. Nhằm giới hạn các thông số điều chỉnh thì số lần phun của nhiên liệu hoạt tính cao được lựa chọn: - Nhiên liệu hoạt tính cao được phun 1 lần tại 2Nm 6Nm, 10Nm. - Trong cả ba mức tải thời điểm phun được điều chỉnh từ cho đến khi gặp giới hạn hệ số dao động áp suất chỉ thị trung bình (COV of IMEP) >10% hoặc 55o trước ĐCT hoặc kích nổ thông qua cảm biến kích nổ lắp trên thân máy. - Thời gian phun nhiên liệu diesel được cố định không đổi trong quá trình thí nghiệm và được giữ thấp nhất giống như phun mồi trong động cơ diesel common rail thông thường (tỉ lệ xăng/diesel vào khoảng từ 0,6 đến 0,9 tùy từng mức tải). Do đó nhiên liệu hoạt tính cao đóng vai trò kích hoạt quá 18
trình cháy, nhiên liệu hoạt tính thấp sử dụng để điều khiển tải. 4.4 Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun đến động cơ RCCI. 4.4.1 Đặc điểm quá trình cháy Hình 4.1: Áp suất xy lanh và tốc Hình 4.2: Áp suất xy lanh và tốc Hình 4.3: Áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại 2Nm 6Nm 10Nm Hình 4.4: 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) 4.4.2 Đặc điểm khí thải và tiêu hao nhiên liệu. 19
4.4.3 Kết luận Từ các kết quả trên cho thấy: - Động cơ RCCI hoạt động hiệu quả nhất tại vùng tải trung bình nhờ hỗn hợp xăng và không khí đủ đậm để đảm bảo quá trình cháy khi nhiên liệu diesel cháy. Nhờ đó có thể tăng thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel nhằm tạo hỗn hợp đồng nhất giữa xăng-diesel-không khí trước khi cháy. - Tại tải thấp thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel bị giới hạn bởi COV of IMEP, tại tải cao thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel bị giới hạn bởi kích nổ. - Thời điểm phun nhiên liệu diesel lớn hơn 40o góc quay trục khuỷu giúp tăng tỷ lệ đồng nhất giữa xăng-diesel-không khí nhờ đó giảm phát thải NOx và soot. - Phát thải CO và HC của động cơ RCCI cao hơn động cơ common rail. - Tiêu hao nhiên liệu của động cơ RCCI ít thay đổi so với động cơ common rail ở tải trung bình và cao, tại tải thấp động cơ RCCI cho tiêu hao nhiên liệu cao hơn do còn dư nhiều CO và HC. Từ kết quả trên tác giả lựa chọn thời gian phun nhiên liệu diessel cho động cơ RCCI như sau: - Tại tải thấp động cơ RCCI phun 1 lần tại 40o góc quay trục khủy trước điểm chết trên. - Tại tải trung bình động cơ RCCI phun 1 lần tại 55o góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên. - Tại tải cao động cơ RCCI phun 1 lần tại 15o góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên. 4.4.4 So sánh động cơ RCCI và động cơ truyền thống trên vùng làm việc Từ kết luận tại mục 4.4.3 NCS tiến hành chạy thí nghiệm trên toàn vùng làm việc của động cơ và so sánh với động cơ truyền thống. 4.4.4.1. Đánh giá đặc tính phát thải Hình 4.5: Đặc tính phát thải HC của động cơ RCCI (trái) và động cơ diesel common rail (phải) Từ Hình 4.8 và bảng 4.1 ta thấy được trong động cơ RCCI lượng phát thải HC tại tải thấp là cao nhất và giảm dần khi tăng tải. Nguyên nhân là do tại tải thấp lượng nhiên liệu phun vào thấp dẫn tới hỗn hợp xăng-không khí nghèo dẫn tới nhiều khu vực màng lửa không cháy tới, khi tăng tải, tăng lượng nhiên liệu phun do đó hỗn hợp xăng-không khí đậm khả năng cháy tốt hơn làm giảm phát thải HC. Tuy nhiên lượng phát thải HC của động cơ RCCI đều cao hơn động cơ diessel common rail tại mọi chế độ và tải. Lượng phát thải HC sinh ra từ động cơ RCCI cao hơn gấp 18 lần so với động cơ diesel common rail. 20