NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ KHÍ NẠP ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ KHÍ NẠP ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 49 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ KHÍ NẠP ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT A SIMULATION STUDY ON EFFECT OF PRESSURE AND TEMPERATURE OF INTAKE AIR ON COMBUSTION CHARACTERISTICS OF A HOMOGENOUS CHARGE COMPRESSION INGNITION ENGINE Trần Thị Thu Hương Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; huong.tranthithu@hust.edu.vn Tóm tắt - Các kết nghiên cứu mô đặc tính cháy động hoạt động theo nguyên lý cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI) thay đổi áp suất nhiệt độ khơng khí nạp thể báo Nghiên cứu thực phần mềm mô AVL Boost Động sử dụng cho nghiên cứu động xilanh AVL 5402 với nhiên liệu phun đường nạp Chế độ làm việc động tốc độ 2000 vịng/phút, lượng nhiên liệu chu trình thay đổi từ 10 mg đến 11,2 mg với bước thay đổi 0,4 mg, ứng với giá trị lượng nhiên liệu chu trình áp suất khí nạp biến thiên từ bar đến 1,3 bar (nhiệt độ khí nạp giữ 298K), nhiệt độ khí nạp thay đổi từ 298K đến 398K (áp suất khí nạp cố định bar) Kết nghiên cứu cho thấy thời điểm bắt đầu cháy diễn sớm tăng áp suất nạp nhiệt độ khí nạp Tuy nhiên tăng nhiệt độ khí nạp dẫn đến hiệu suất nhiệt giảm Abstract - This papers presents a study of HCCI combustion characteristics of a single cylinder internal combustion (IC) engine, named AVL-5402, fueled with n-heptane under different intake pressures (from bar to 1.3 bar) using a turbocharger, while intake temperature is kept constant of 298K For a study of intake temperature on the combustion process, the temperature is varied from 298K to 338K, while intake air pressure is bar The research is carried out on AVLBoost software The e n g i n e speed is2000 rpm, fuel mass-flow rate is 10, 10.4, 10.8 and 11.2 mg The simulation results show that the start of ignition timing becomes advanced when the inlet air pressure and temperature increase However, indicated efficiency decreases when the temperature increases Từ khóa - cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI); áp suất nạp; nhiệt độ khí nạp; mơ phỏng; n-heptane Key words - HCCI; intake air temperature; intake air pressure; simulation; n-heptane Đặt vấn đề Động cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI) hội tụ ưu điểm động đốt cháy cưỡng tự cháy (cháy nén) Phương pháp cho phát thải NOx thấp phát thải bồ hóng gần khơng hiệu suất tương đương cao so với động diesel thông thường [1-3] Tuy nhiên việc điều khiển q trình cháy cịn thách thức, bên cạnh hàm lượng phát thải CO HC cao khó khăn việc mở rộng dải tải trọng làm việc động [4, 5] Vì việc nghiên cứu yếu tố định để điều khiển đặc tính cháy HCCI cần thiết Trên giới có nhiều nghiên cứu nhằm tìm thơng số điều khiển q trình cháy động [6]: tỷ số nén, áp suất nạp, nhiệt độ khí nạp, ln hồi khí xả, hình dạng đỉnh piston, đặc điểm phun, áp suất phun Trong thơng số điều khiển áp suất nhiệt độ khí nạp dễ dàng thay đổi mà phải can thiệp đến kết cấu động Các yếu tố dùng để điều khiển trình cháy thông qua việc làm tăng vận động rối tăng nhiệt độ để nhiên liệu dễ bay hơn, tạo thành hỗn hợp đồng nhiên liệu phun đường nạp Nghiên cứu thử nghiệm Mustafa Canakci [7] xác định ảnh hưởng áp suất khí nạp đến hoạt động phát thải động xăng DI-HCCI Các thí nghiệm thực áp suất khí nạp 14,7 psi (1,01 bar), 17 psi (1,17 bar) 20 psi (1,38 bar) giữ động với hệ số dư lượng khơng khí 4,54 nhiệt độ khơng khí nạp 119oC Nghiên cứu khẳng định, tăng áp suất nạp thời điểm bắt đầu cháy diễn sớm hơn, hiệu suất nhiệt tăng, nhiệt độ khí xả tăng, mơ men động tăng Đồng thời phát thải CO tăng, phát thải HC giảm xuống Ở giá trị áp suất nạp dải tốc độ động cơ, xu hướng phát thải NOx ngược với phát thải HC Phát thải NOx tăng với tốc độ động Sự hình thành NOx nhạy cảm với thời điểm bắt đầu cháy, điều cho phụ thuộc nhiều vào tính đồng hỗn hợp Singh, A Agarwal [9] sử dụng phần mềm mô chiều nghiên cứu hiệu suất đặc tính phát thải động HCCI, thực động xilanh, tăng áp tua bin máy nén có hiệu suất 0,64 Nghiên cứu khẳng định hiệu suất nhiệt tăng lên tăng tỷ số nén nhiệt độ khí nạp thấp Trên động có tỷ số nén 21 áp suất tăng áp 1,9 bar, hiệu suất nhiệt lên đến 0,43 phát thải NOx 10ppm thấp Các nghiên cứu trên, xét đến ảnh hưởng áp suất tăng áp đến hoạt động, hiệu suất phát thải động HCCI, có nghiên cứu động xăng, có nghiên cứu thực động disel, nhiên tác giả chưa nghiên cứu ảnh hưởng áp suất nhiệt độ khí nạp đến đặc tính cháy HCCI Trong báo này, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng hai thông số điều khiển làm sở giải thích xu hướng thay đổi thông số làm việc động HCCI, thông qua phần mềm mô chiều AVL Boost Quy trình mơ 2.1 Cơ sở lý thuyết Trong mơ hình mơ xây dựng phần mềm AVL Boost, mơ hình truyền nhiệt Woschni [9], mơ hình cháy HCCI vùng [10] lựa chọn Tốc độ tỏa nhiệt dQF/dα mơ hình cháy HCCI xác định 50 Trần Thị Thu Hương sau: =∑ ̇ (1) Tỷ lệ theo khối lượng thành phần khí tính tốn theo biểu thức sau: = ̇ (2) Trong đó: n - số lượng thành phần chất khí [-]; MW - khối lượng mol thành phần [kg/kmol]; u - nội thành phần [J/kg.K]; w - tỷ lệ khối lượng thành phần [-]; ρ - khối lượng riêng hỗn hợp [kg/m3]; ̇ - tốc độ phản ứng [kmol/m3s] 2.2 Đối tượng mô Bảng Thông số kỹ thuật động Thơng số Tên động Kiểu động Đường kính xylanh Hành trình piston Dung tích xylanh Tỷ số nén Xupap nạp Xupap thải 10,4mg; 10,8mg; 11,2mg, giá trị lượng nhiên liệu chu trình, áp suất nạp thay đổi từ bar đến 1,3 bar Trong nghiên cứu nhiệt độ khí nạp, giá trị lượng nhiên liệu chu trình nhiệt độ thay đổi từ 298K đến 338K Tại điểm làm việc đó, kết mơ tốc độ tỏa nhiệt, áp suất xylanh hiệu suất nhiệt động phân tích để khảo sát ảnh hưởng thơng số điều khiển q trình cháy xác định giá trị tối ưu thông số cho q trình làm việc động HCCI sử dụng nhiên liệu n-heptane Bảng Chế độ làm việc động mô Thông số Giá trị Tốc độ động [v/ph] 2000 Lượng nhiên liệu chu trình [mg] 10; 10,4; 10,8; 11,2 Áp suất khí nạp [bar] 1; 1,15; 1,25; 1,3 Nhiệt độ khí nạp [K] 298; 308; 318; 328; 338 Giá trị AVL 5402 xylanh, kỳ 85 mm 90 mm 510,7 cm3 17,3:1 Mở sớm 16oTK Đóng muộn 46oTK Mở sớm 53,5oTK Đóng muộn 16,5oTK Động mơ động nghiên cứu xylanh AVL 5402, đường nạp cải tiến lắp vòi phun để cung cấp nhiên liệu bên ngồi xylanh Các thơng số kỹ thuật động cho Bảng Nhiên liệu sử dụng mô n-heptane với số tính chất hóa lý Bảng Hình Mơ hình động AVL 5402 lắp tua bin tăng áp Bảng Tính chất lý hóa nhiên liệu Tính chất Giá trị Cơng thức hố học n-C7H16 Khối lượng mol 100,16 g/mol Khối lượng riêng 0,692 g/ml Nhiệt trị thấp 44,5 MJ/kg Nhiệt ẩn hóa 0,317 MJ/kg Hệ số A/F 15,132 2.3 Mơ hình mơ AVL Boost Mơ hình động AVL 5402 xây dựng phần mềm AVL Boost cho nghiên cứu ảnh hưởng áp suất nhiệt độ khí nạp tương ứng Hình Hình Trong Hình cụm tua bin máy nén TC1 dùng để thay đổi áp suất khí nạp, làm mát trung gian CO1 hạn chế nhiệt độ khí nạp tăng cao ảnh hưởng đến hệ số nạp 2.4 Chế độ mô Chế độ làm việc động mô thể Bảng Trong tốc độ động 2000 v/ph Lượng nhiên liệu chu trình thay đổi với bốn giá trị 10mg; Hình Mơ hình mơ động AVL 5402 sấy khí nạp Kết thảo luận Hình thể ảnh hưởng áp suất khí nạp đến tốc độ tỏa nhiệt động giá trị lưu lượng cấp chu trình: 10mg, 10,4mg, 10,8 mg, 11,2 mg Kết mô cho thấy, tất giá trị lượng nhiên liệu chu trình, tăng áp suất khí nạp, tốc độ tỏa nhiệt tăng trình cháy diễn sớm Đặc biệt, có khác biệt lớn so sánh trường hợp có tăng áp so với ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 trường hợp khơng tăng áp (1 bar) Điều lý giải sau: Khi áp suất khí nạp tăng làm tăng nhiệt độ mật độ khơng khí xilanh tăng cường khả vận động rối hỗn hợp nhiên liệu khơng khí, dẫn đến tăng 51 lượng xy tham gia vào q trình cháy, làm cho hỗn hợp đồng dễ dàng, nhanh chóng đạt điều kiện để trình cháy bắt đầu Vì trình cháy triệt để, dẫn đến tốc độ tỏa nhiệt lớn Hình Biến thiên áp suất xi lanh tốc độ tỏa nhiệt thay đổi áp suất khí nạp Hình Tốc độ tăng áp suất thay đổi áp suất khí nạp Áp suất khí nạp tăng làm khối lượng hỗn hợp nạp vào xilanh chu trình nhiều hơn, cố định lượng nhiên liệu chu trình hệ số dư khơng khí tăng lên Trong trường hợp lượng nhiên liệu cấp 10 mg/chu trình, áp suất tăng áp p1 = bar, p2 = 1.15 bar; p3 = 1.2 bar, p4 = 1.25 bar, p5 = 1.3 bar hệ số dư lượng khơng khí tương ứng: λ1 = 3.74, λ2 = 4.00, λ3 = 4.04, λ4 = 4.15, λ5 = 4.23 Kết mô biến thiên tốc độ tỏa nhiệt cho thấy tăng áp cao tốc độ tỏa nhiệt tăng, thời gian đạt nhiệt độ tự cháy hỗn hợp sớm Điều giải thích tăng áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp tăng lên, áp suất cuối trình nén tăng lượng khơng khí tham gia q trình cháy nhiều hơn, dẫn đến điều kiện để hỗn hợp tự cháy đạt sớm trình cháy diễn triệt để đồng hơn, dẫn đến nhiệt độ 52 Trần Thị Thu Hương Kết tính tốn hiệu suất nhiệt (Hình 5) động áp suất khí nạp thay đổi thể xu hướng phù hợp Khi động làm việc với hỗn hợp nhạt dần tương ứng với áp suất tăng áp tăng dần hiệu suất nhiệt động tăng Cụ thể, áp suất nạp lên 1,15 bar hiệu suất nhiệt tăng lên đáng kể với ηi = 42,54% so với chế độ không tăng áp ηi = 23,38% Công suất động cao tăng áp Trường hợp áp suất nạp p = 1.2 bar (λ = 4.04) công suất động đạt 3,26 kW so với không tăng áp 1,8 kW 0.5 Hiệu suất nhiệt [-] xilanh trước sau trình cháy tăng Trên Hình thể ảnh hưởng tăng áp đến tốc độ tăng áp suất xilanh Kết cho thấy, tăng áp tăng lượng nhiên liệu chu trình tốc độ tăng áp suất xilanh tăng lên Khi tốc độ tăng áp suất tăng lên cao, vượt giới hạn “10 bar/độ ”, tạo nên xung áp suất đập vào bề mặt chi tiết buồng cháy, gây nên tiếng gõ đanh, sắc Điều giải thích tăng áp dẫn đến áp suất cuối trình nén nhiệt độ hỗn hợp tăng lên, hỗn hợp hịa trộn hồn hảo Kết hỗn hợp bùng cháy mạnh mẽ hơn, làm cho tốc độ tăng áp suất tăng Trên đồ thị cho ta thấy, tăng lượng nhiên liệu chu trình tốc độ tăng, áp suất tăng lên, với lượng nhiên liệu chu trình 10mg/chu trình 10.4 mg/chu trình tốc độ tăng áp suất nằm giới hạn cho phép, động làm việc êm dịu Khi tăng lượng nhiên liệu chu trình (tăng tải), 10.8mg/chu trình, 11.2mg/chu trình, tốc độ tăng áp suất lớn “10 bar/độ” Ở chế độ này, chi tiết hệ thống động chịu xung áp suất gây va đập dẫn tới hỏng hóc Vì vậy, để khắc phục tượng cần tăng áp cao động làm việc chế độ tải nhỏ, động làm việc chế độ tải cao tăng áp 0.4 0.3 10 mg 10.8 mg 10.4 mg 11.2 mg 0.2 1.1 1.2 Áp suất khí nạp [bar] 1.3 Hình Hiệu suất nhiệt động theo áp suất khí nạp Hình Biến thiên áp suất xi lanh tốc độ tỏa nhiệt thay đổi nhiệt độ khí nạp Hình thể ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến biến thiên áp suất xi lanh tốc độ tỏa nhiệt giá trị lượng nhiên liệu chu trình khác Kết mơ cho thấy, nhiệt độ khí nạp tăng áp suất xi lanh tốc độ tỏa nhiệt tăng, trình cháy diễn sớm Tuy nhiên trình cháy diễn sớm, lượng khí nạp giảm dẫn đến hiệu suất nhiệt động (Hình 7) giảm Hình Biến thiên hiệu suất nhiệt động theo nhiệt độ khí nạp Kết luận Từ kết nghiên cứu rút kết luận sau: Tăng áp suất khí nạp thời điểm hỗn hợp cháy diễn sớm Tại giá trị áp suất nạp, thời điểm cháy diễn sớm tỷ lệ với lượng nhiên liệu chu trình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 Khi áp suất khí nạp nhỏ trung bình, hiệu suất nhiệt động tăng tỷ lệ với áp suất nạp chế độ tải nhỏ Khi áp suất khí nạp lớn, đặc biệt chế độ tải lớn, động làm việc rung ồn hiệu suất nhiệt giảm Nhiệt độ khí nạp tăng làm hiệu suất nhiệt động giảm hỗn hợp cháy sớm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Onishi S, Jo SH, Shoda K, Jo PD, Kato S., “Active thermoatmosphere combustion (ATAC) a new combustion process for internal combustion engines”, SAE paper 790501, 1979 [2] Duret P, Gatellier B, Monteiro L, Miche M, Zima P, Maroteaux D, et al., “Progress in diesel HCCI combustion within the European SPACE LIGHT project”, SAE paper 2004-01-1904, 2004 [3] Sjoberg M, Dec JE, “An investigation of the relationship between measured intake temperature, BDC temperature, and combustion phasing for premixed and DI HCCI engines”, SAE paper 2004-011900, 2004 53 [4] Hampson GJ, “Heat release design method for HCCI in diesel engines”, SAE paper 2005-01-3728, 2005 [5] Hosseini V, Checkel MD, “Using reformer gas to enhance HCCI combustion of NG in a CFR engine”, SAE paper 2006-01-3247, 2006 [6] Suyin Gan, Hoon Kiat Ng, Kar Mun Pang, “Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion: Implementation and effects on pollutants in direct injection diesel engines”, Applied Energy 88, p.559–567, 2011 [7] Mustafa Canakci, “An experimental study for the effects of boost pressure on the performance and exhaust emissions of a DI-HCCI gasoline engine”, Fuel 87, pages 1503-1514, 2005 [8] Singh, A and Agarwal, A., “Effect of intake charge temperature and EGR on biodiesel fuelled HCCI engine”, SAE technical paper 201628-0257, 2016, doi: 10.4271/2016-28-0257 [9] G Woschni, “A Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in Internal Combustion Engines”, SAE 6700931, 1967 [10] AVL-List GmbH, BOOST v.2009 Users Guide & Theory, Hans-List-Platz 1, A-8020 Graz, Austria, 2009 (BBT nhận bài: 16/05/2016, phản biện xong: 23/05/2016) ... 1.2 Áp suất khí nạp [bar] 1.3 Hình Hiệu suất nhiệt động theo áp suất khí nạp Hình Biến thiên áp suất xi lanh tốc độ tỏa nhiệt thay đổi nhiệt độ khí nạp Hình thể ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến. .. tốc độ tỏa nhiệt lớn Hình Biến thiên áp suất xi lanh tốc độ tỏa nhiệt thay đổi áp suất khí nạp Hình Tốc độ tăng áp suất thay đổi áp suất khí nạp Áp suất khí nạp tăng làm khối lượng hỗn hợp nạp vào... máy nén TC1 dùng để thay đổi áp suất khí nạp, làm mát trung gian CO1 hạn chế nhiệt độ khí nạp tăng cao ảnh hưởng đến hệ số nạp 2.4 Chế độ mô Chế độ làm việc động mô thể Bảng Trong tốc độ động