Nghiên cứu mô phỏng đánh giá động cơ RCCI so với động cơ diesel nguyên bản trên phần mềm AVL BOOST

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ĐỘNG CƠ RCCI SO VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL NGUYÊN BẢN TRÊN PHẦN MỀM AVL-BOOST Nguyễn Tuấn Thành1, Phạm Minh Tuấn1, Bùi Nhật Huy2,*, Khổng Văn Nguyên3, Vũ Văn Quang2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Phenikaa Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên * Tác giả liên hệ: nhathuy.20125136@gmail.com Ngày tòa soạn nhận báo: 08/10/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 26/11/2020 Ngày báo duyệt đăng: 28/01/2021 Tóm tắt: Nghiên cứu đánh giá mơ động Yanmar 178F cháy theo chế RCCI so với động nguyên phần mềm AVL-Boost Nghiên cứu sử dụng mơ hình cháy Vibe mơ hình truyền nhiệt Woschni phần mềm AVL-Boost để mô động Kết cho thấy động RCCI có nhiều ưu điểm vượt trội nâng cao công suất, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm thành phần phát thải NOx PM Kết nghiên cứu tiền đề cho nghiên cứu khác động RCCI Từ khóa: Động nén cháy kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu, phát thải, phần mềm AVL-Boost Đặt vấn đề Hiện có nhiều nguồn động lực nghiên cứu phát triển áp dụng nhằm thay cho động đốt (như động điện, động hydrogen,…) Tuy nhiên với chi phí hợp lý, bền bỉ, tiện lợi với sử dụng nhiên liệu phổ biến nên động đốt (ĐCĐT) nguồn động lực cho vận dụng phục vụ cho đời sống hàng ngày (máy bơm, máy cắt cỏ, máy phát điện,…), phương tiện giao thông vận tải, xây dựng hải,…[1] Mặt khác, toàn giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng dầu thô ngày 70% dùng cho ĐCĐT Đối với tô sử dụng ĐCĐT khoảng 18% lượng sử dụng đến hệ thống động lực mát hiệu suất động tỏa nhiệt ma sát, hệ thống phụ trợ,… Sau khoảng 12% lượng truyền đến bánh xe mát hệ thống truyền lực Vì việc nâng cao hiệu suất ĐCĐT có ý nghĩa vơ to lớn Xét hiệu suất động diesel hay động cháy nén có hiệu suất vượt trội so với động xăng hay động cháy cưỡng nhờ tỉ số nén cao công bơm giảm Tuy nhiên động Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 diesel thông thường có mức độ đồng nhiên liệu khơng khí thấp, tồn nhiều vùng hỗn hợp “giàu” “nghèo” dẫn đến xuất vùng có nhiệt độ cao vùng có nhiệt độ thấp buồng cháy Những yếu tố dẫn tới phát thải NOx PM động diesel cao khó xử lý Từ áp lực chi phí nhiên liệu yêu cầu khắt khe khí thải thúc đầy nhu cầu nghiên cứu nâng cao hiệu suất làm việc giảm thiểu phát thải ĐCĐT bật lên mơ hình động cháy nhiệt độ thấp LTC (Low temperature combustion) Ứng dụng LTC kể đến động nạp đồng cháy nén HCCI, động cháy hòa trộn trước PCCI động nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu RCCI Với động cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI) động cháy hỗn hợp hòa trộn trước (PCCI) cho thấy ưu điểm bật phát thải phát thải PM không đáng kể NOx gần không, hiệu suất nhiệt tương đương cao động thông thường Tuy nhiên điều khiển thời điểm cháy, giới hạn làm việc hạn chế phát thải HC CO cao Để khắc phục nhược điểm động cháy nén kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu RCCI phát triển [2] Journal of Science and Technology 13 ISSN 2354-0575 Động RCCI sử dụng hai loại nhiên liệu nhiên liệu hoạt tính thấp có số octan cao LRF nhiên liệu xăng, etanol, LPG, CNG,…và nhiên liệu hoạt tính cao có số cetan cao HRF nhiên liệu diesel, biodiesel, dimethyl ether (DME) Nhiên liệu hoạt tính thấp phun đường ống nạp nhiên liệu hoạt tính cao phun trực tiếp buồng cháy Thời điểm phun sớm hạt nhiên liệu phân bố đồng buồng cháy Khi Piston nén đến nhiệt độ áp suất định nhiên liệu HRF cháy trước kích cháy cho hỗn hợp Do hạn chế vùng hỗn hợp giàu nghèo dẫn tới NOx Soot giảm Có nhiều thơng số ảnh hướng đến q trình cháy động RCCI tỉ lệ hai loại nhiên liệu; thời điểm phun, số lần phun nhiên liệu HRF; tỉ số nén; tỷ lệ luân hồi khí thải EGR … Động cháy nhiệt độ thấp LTC, điển hình động RCCI xu hướng phát triển cho ngành động đốt giới nói chung Việt Nam nói riêng Tuy nhiên Việt Nam nghiên cứu thử nghiệm động RCCI chưa nhiều đặc biệt nghiên cứu động thơng thường Do báo tập trung nghiên cứu đánh giá động RCCI so với động diesel thông thường phần mềm AVL-BOOST Cơ sở lý thuyết trình cháy RCCI Hình thể khái niệm trình cháy động RCCI dùng để xây dựng mơ hình cháy, đường viền màu thể tỷ lệ nhiên liệu HRF LRF tương đương số xêtan nhiên liệu Nhiên liệu hoạt tính cao phun từ tâm xy lanh, tia phun hướng phía xa tâm buồng cháy, gần với thành xy lanh, khu vực tập trung nhiều nhiên liệu hoạt tính cao, sau hỗn hợp bắt đầu cháy từ khu vực lan làm tăng nhiệt độ áp suất xy lanh thời điểm cuối trình nén Vùng tự cháy xuất gần khu vực thể tích chèn pittơng, nơi có hoạt tính nhiên liệu lớn màng lửa từ vùng tự cháy lan tràn đến khu vực có hoạt tính nhiên liệu thấp Do nói q trình cháy xuất phát từ vùng thể tích chèn pittơng lan tràn tâm pisttơng vị trí đặt vịi phun, nơi có hoạt tính nhiên liệu thấp 14 Hình Q trình cháy RCCI 2.1 Xác định thời điểm bắt đầu cháy (SOC) Đặc điểm trình cháy RCCI xuất phát từ nhiều vị trí buồng cháy, thời điểm bắt đầu cháy xác định từ mô hình kích nổ tích hợp (KIM) thời điểm bắt đầu cháy xác định thời điểm hỗn hợp nhiên liệu khơng khí cháy 10% (CA10), thay xác định thời điểm cháy chuyển sang tính thời gian cháy trễ, khoảng thời gian từ lúc phun nhiên liệu diesel đến thời điểm CA10 Tuy nhiên đặc điểm trình cháy động RCCI khác biệt, giả định có mối quan hệ tỷ lệ hỗn hợp cháy (x/xc) với thời gian tương đối (t/τ) thời điểm cháy xác định theo biểu thức “Máy nén nhanh” (RCM) [3] điều kiện làm việc khác SOC SOC x =∫ dθ = ∫ IVC IVC wτ xc Awe b n  P T  dθ (1) Giá trị tích phân tăng dần kết Hình Hình Đồ thị tích phân 1/wt từ thời điểm IVC đến SOC Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Động RCCI coi q trình cháy kích nổ động xăng, mơ hình KIM phát triển để đánh giá thêm ảnh hưởng thông số khác đến tính tự cháy q trình cháy RCCI biểu diễn phương trình: ∫ SCO IVC ( A2 N ϕ DI B2 DI + ϕ PFI B2 PFI = 1− ∫ SCO IVC ) dθ D2  PIVC vc kc a  exp  ( CN mix + b ) TIVC vc kc −1  ( dθ  C P v kc IVC c B2 A1 Nϕ PFI exp   TIVC vc kc −1  ( ) D1 ) Thể tích cơng tác, (Vh)         cm3 296 Tỷ số nén động nguyên bản, (ɛ) - 20 Tỷ số nén động RCCI, (ɛ) - 17 Công suất định mức (Neđm) kW 4,4 Tốc độ định mức, (nđm) v/ph 3600 Mômen cực đại, (Memax) Nm 13 Tốc độ Memax, (nM) v/ph 2000 g/kw.h 378 v/ph 2400 Suất tiêu hao nhiên liệu (gemin) (2) 2.2 Xác định thời gian cháy Cơ chế cháy RCCI lan tràn màng lửa từ điểm tự cháy, tốc độ màng lửa tức thời (Sig) sử dụng để tìm thời gian cháy (BD), mối quan hệ thể công thức: BD = K2 Sigt Trong tốc độ màng lửa tức thời xác định theo công thức [3]: (3) SSigig = dτ ∇ϕ SOC dϕ SOC 2.3 Xác định góc cháy 50% Khi biết BD SOC, CA50 xác định dựa vào hàm Vibe m+1 i-i (4) xb ^ih = - exp ^- a : BDSOCD ) Trong xb là phần khối lượng nhiên liệu cháy (0…1), θSOC góc bắt đầu cháy SOC, SOC tương ứng với hỗn hợp cháy 10% CA10 BD khoảng góc quay trục khuỷu từ CA10 đến CA90 Xây dựng mô hình mơ động Yanmar 178F phần mềm AVL BOOST Động Yanmar 178F động diesel xylanh, khơng tăng áp, làm mát khơng khí, động sử dụng xupap (1 nạp, thải), có buồng cháy thống Các thơng số động thể Bảng 1[4] Bảng Thông số động Yanmar 178F Thông số Đơn vị Giá trị Đường kính xylanh x Hành mm 78x62 trình piston (DxS) Khoa học & Cơng nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Tốc độ gemin (nge) Trên sở thông số kết cấu, tài liệu liên quan động thực tế Yanmar 178F, từ phần tử có sẵn tương ứng AVL-Boost, nhóm nghiên cứu thực xây dựng mơ hình động Yanmar 178F thể Hình 3, bao gồm phần tử: điều kiện biên (số lượng 2); động (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) Hình Mơ hình động Yanmar 178F Sau nhập số liệu vào mơ hình, chạy mơ hình phần mềm đưa kết mô Từ kết mô phỏng, đối chiếu với kết thực nghiệm đo phịng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đưa độ tin cậy mơ hình động phần mềm AVL-Boost Journal of Science and Technology 15 ISSN 2354-0575 Hình Đồ thị so sánh momen, cơng suất mơ thực tế Hình Đồ thị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu mô thực tế Hình Đồ thị so sánh phát thải CO, NOx mô thực tế Do phần mềm AVL boost tính soot nhóm nghiên cứu chuyển sang PM (g/kWh) công thức: Soot ^Ah ^m air + m fuelh $ 3.6 g (5) PM 9kWhC = 1000 $ 1.165 $ BP 16 Hình Đồ thị so sánh phát thải PM mô thực tế Từ đồ thị so sánh mô thực tế công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, momen phát thải động Yanmar 178F ứng với tốc độ khác Sai số công suất mô với thực nghiệm khoảng 1,2%, sai số momen mô với thực nghiệm khoảng 3,5% Sai số ge mô thực nghiệm 1,2%, sai số phát thải mô thực nghiệm khoảng 0,8% Vậy mơ hình mô động Yanmar 178F phần mềm AVL-Boost tin cậy So sánh động Yanmar 178F nguyên động cháy theo chế RCCI phần mềm AVL BOOST 4.1 Xây dựng mơ hình động Yanmar 178F cháy theo chế RCCI Hình Mơ hình động Yanmar 178F cháy theo chế RCCI Mơ hình động Yanmar 178F cháy theo chế RCCI biểu diễn Hình Mơ hình bao gồm phần tử: điều kiện biên (số lượng 2); động (số lượng 1); xy lanh (số lượng 1); phần tử cản dòng (số lượng 1); Bình ổn áp (số lượng 2); Khoa học & Cơng nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 đường ống (số lượng 6); điểm đo (số lượng 2), vòi phun xăng I1 (số lượng 1) 4.2 Mơ hình hệ thống nhiên liệu Phần mềm AVL-Boost khơng mơ hình hóa hệ thống nhiên liệu động thành phần tử cụ thể Do để điều chỉnh hệ thống nhiên liệu cách điều chỉnh thơng số thơng qua mơ hình cháy mơ hình truyền nhiệt Trong nghiên cứu sử dụng mơ hình cháy Vibe mơ hình truyền nhiệt Woschin 1978 phần mềm AVL-Boost 4.3 Chế độ mô so sánh So sánh kết thực nghiệm động nguyên (thực nghiệm trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải trường đại học Bách Khoa Hà Nội) với kết mô động chuyển sang chế độ RCCI tốc độ 2000 vòng/ ph, thời điểm phun nhiên liệu 15 độ trước ĐCT momen Nm, Nm, Nm 4.4 So sánh Kết so sánh diễn biến nhiệt độ buồng cháy động cơ: Hình 11 Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ buồng cháy momen 10 Nm Qua đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ buồng cháy ta thấy động chuyển sang RCCI nhiệt độ xylanh thấp so động nguyên trình cháy diễn muộn mà piston có xu hướng xuống thể tích tăng dẫn đến nhiệt độ xylanh thấp Do động RCCI sử dụng hai loại nhiên liệu khác diesel với xăng có nhiệt trị khác Do lượng nhiên liệu tiêu thụ tính quy nhiên liệu diesel theo công thức sau: LHVxăng mfuel = mDiesel + mxăng $ c LHV m (6) Diesel Trong đó: LHVxăng nhiệt trị thấp xăng LHVDiesel nhiệt trị thấp xăng Kết so sánh cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu: Hình Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ buồng cháy momen Nm Hình 12 Đồ thị so sánh công suất suất tiêu hao nhiên liệu Hình 10 Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ buồng cháy momen Nm Khoa học & Cơng nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Từ Hình 12 ta thấy cơng suất động chuyển sang RCCI lớn khoảng 9% suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ khoảng 8.6% so với động nguyên tốc độ 2000 vg/ph, thời điểm phun nhiên liệu 15 độ trước ĐCT Journal of Science and Technology 17 ISSN 2354-0575 Kết so sánh phát thải: Hình 13 Đồ thị so sánh phát thải NOx Hình 14 Đồ thị so sánh phát thải PM Hình 15 Đồ thị so sánh phát thải CO Qua đồ thị so sánh phát thải ta thấy phát thải NOx PM sau chuyển sang RCCI nhỏ đáng kể so với động nguyên Cụ thể, phát thải NOx nhỏ khoảng 87% so với động nguyên bản, phát thải PM nhỏ khoảng 90% so với động nguyên Sở dĩ việc NOx PM giảm nhiệt độ cháy xylanh chuyển sang RCCI nhỏ so với động nguyên Phát thải CO momen Nm nhỏ so với động nguyên từ khoảng Nm CO chuyển sang RCCI lại tăng vọt so với động nguyên Nguyên nhân động chuyển sang RCCI hệ số dư lượng khơng khí nhỏ so với động nguyên Kết luận Động RCCI với đặc trưng q trình cháy kích nổ động xăng khu vực xuất cháy xuất phát từ gần thành xy lanh lan dần vào tâm xy lanh, đồng thời mức độ đồng cao hỗn hợp cháy nên hạn chế vùng hỗn hợp giàu nghèo dẫn tới phát thải NOx PM cải thiện rõ rệt Cụ thể NOx giảm 87% PM giảm 90% so với động nguyên Ngoài giảm phát thải NOx PM với ưu điểm cháy động RCCI cải thiện công suất (tăng khoảng 9%) giảm tiêu hao nhiên liệu (khoảng 8,6%) so với động nguyên Tuy nhiên sở để điều chỉnh thông số điều khiển động tạo tiền nghiên cứu khác động RCCI Lời cảm ơn Chúng xin chân thành cảm ơn đề tài cấp Bộ Giáo dục Đào tạo: B2018-BKA-59 hỗ trợ kinh phí cho nhóm tác giả hồn thành nghiên cứu Tài liệu tham khảo [1] Turns SR An introduction to combustion: concepts and applications 2nd ed Boston (Massachusetts): WCB/McGraw-Hill, 1999 [2] Reitz RD, Duraisamy G Review of high efficiency and clean reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion in internal combustion engines Prog Energy Combust Sci, 2015; 46:12–71 [3] Kaveh Khodadadi Sadabadi, Modelling and control of combustion phasing of an rcci engine, Luận án thạc sĩ Đại học công nghệ Michigan, 2015 [4] Yanmar service manual, industrial diesel engine, model: L-A series 18 Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 RESEARCH FOR ENGINEERING SIMULATION OF RCCI ENGINE WITH ORIGINAL DIESEL ENGINE ON THE AVL-BOOST SOFTWARE Abstract: This study evaluates the simulation of a Yanmar 178F engine that burns according to the RCCI engine compared to the original engine on the AVL-Boost software Research using Vibe fire model and Woschni heat transfer model in AVL-Boost software to simulate the engine The results show that RCCI engines have many outstanding advantages such as increasing capacity, reducing fuel consumption, reducing components of NOx and PM emissions The research results are the premise for other studies on RCCI engines Keywords: Engine RCCI, Exhaust-gas emissions, AVL-Boost Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng - 2021 Journal of Science and Technology 19 ... thường Do báo tập trung nghiên cứu đánh giá động RCCI so với động diesel thông thường phần mềm AVL- BOOST Cơ sở lý thuyết trình cháy RCCI Hình thể khái niệm trình cháy động RCCI dùng để xây dựng... chuyển sang RCCI nhỏ so với động nguyên Phát thải CO momen Nm nhỏ so với động nguyên từ khoảng Nm CO chuyển sang RCCI lại tăng vọt so với động nguyên Nguyên nhân động chuyển sang RCCI hệ số dư... Trong nghiên cứu sử dụng mơ hình cháy Vibe mơ hình truyền nhiệt Woschin 1978 phần mềm AVL- Boost 4.3 Chế độ mô so sánh So sánh kết thực nghiệm động nguyên (thực nghiệm trung tâm nghiên cứu động cơ,