Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số 5 (06/2022) 540 551 540 Transport and Communications Science Journal RESEARCH OF HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION CHARACTERISTICS ON 1 CYLINDER D[.]
Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (06/2022) 540-551 Transport and Communications Science Journal RESEARCH OF HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION CHARACTERISTICS ON CYLINDER DIESEL ENGINE - BD178F(E) WHEN CHANGING COMPRESSION RATIO BY AVL BOOST SOFTWARE Ha Khuong Thi Faculty of Mechanical Engineering, University of Transport and Communications, No.3 Cau Giay Str., Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 28/04/2022 Revised: 10/05/2022 Accepted: 08/06/2022 Published online: 15/06/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.5.8 Corresponding author: khuongha82@utc.edu.vn; Tel: 84-985477788 Abstract The engine works according to the homogeneous charge compression ignition characteristic received a lot of attention due to the great advantage of reducing most of PM and NOx emissions while effective and indicative parameters are still equivalent Therefore, study the conversion of diesel engines to operate according to the HCCI characteristic is necessary This research presents the results of the influence of compression ratio on the combustion characteristics of HCCI engines on simulation software AVL - BOOST The simulation process was carried out on a single cylinder engine Kubota BD178F(E) equipped with the modified intake manifold at engine speed from 1200rpm to 3200 rpm and Load modes:10%, 20%, 30% and 50%; compression ratio reduced from 20 to 18.1; 17.0; 15.4 and 13.5 The simulation results show that: Reducing the engine compression ratio still works according to the HCCI characteristic, the time of starting combustion is gradually delayed, the compression ratio should not be reduced to less than 13.5 Keywords: Homogeneous charge compression ignition, compression ratio, AVL – Boost software © 2022 University of Transport and Communications 540 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022) 540-551 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY HCCI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL XI LANH - BD178F(E) KHI THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST Khương Thị Hà Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thơng vận tải, Số Cầu Giấy, Láng Thượng, Đống Đa, Hà Nội, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 28/04/2022 Ngày nhận sửa: 10/05/2022 Ngày chấp nhận đăng: 08/06/2022 Ngày xuất Online: 15/06/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.5.8 Tác giả liên hệ: khuongha82@utc.edu.vn; ĐT: +84 985477788 Tóm tắt Động hoạt động theo nguyên lý cháy nén hỗn hợp đồng nhận nhiều quan tâm có ưu điểm lớn giảm phần lớn phát thải PM NOx thơng số có ích thị tương đương động nguyên bản, nghiên cứu chuyển đổi động diesel truyền thống sang hoạt động theo nguyên lý HCCI cần thiết Trong nghiên cứu trình bày kết ảnh hưởng tỷ số nén tới đặc tính cháy động HCCI phần mềm mô AVL – BOOST Động sử dụng cho nghiên cứu động xylanh Kubota BD178F(E) với đường nạp cải tiến Các chế độ làm việc động mô là: Tốc độ từ 1200 vg/ph đến 3200 vg/ph; Các chế độ tải: 10%, 20%, 30% 50%; Tỷ số nén giảm từ 20 xuống 18,1; 17; 15,4 13,5 Kết mô cho thấy: Giảm tỷ số nén động làm việc theo nguyên lý HCCI, thời điểm bắt đầu cháy muộn dần, không nên giảm tỷ số nén nhỏ 13,5 Từ khóa: cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI), tỷ số nén, AVL – Boost, © 2022 Trường Đại học Giao thơng vận tải 541 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (06/2022) 540-551 ĐẶT VẤN ĐỀ Năm 1979 coi mốc đời mô hình cháy có tên gọi cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI - Homogeneous compression charge ignition) [1,2] Kể từ đời tới nay, động HCCI nhà khoa học toàn giới tập trung nghiên cứu loại động cho khắc phục nhược điểm động truyền thống với ưu thế: phát thải NOx PM thấp (Động HCCI giảm NOx giảm nhiệt độ cháy so với động nguyên cháy với nhiều tâm cháy phân bố đồng không gian buồng cháy nên cháy sạch, giảm PM) [3,4,5], hiệu suất nhiệt tương đương động phun xăng trực tiếp [1,2,6], có khả sử dụng đa dạng loại nhiên liệu thay dimethyl ether (DME), diethyl ether (DEE), biodiesel [7-12] Mơ hình cháy HCCI có khác biệt so với mơ hình cháy thơng thường thể hình số Hình Q trình cháy thơng thường q trình cháy HCCI Trên động xăng nguyên bản, màng lửa lan tràn bắt nguồn từ bugi, động hoạt động với ngun lý HCCI, khơng có tượng lan tràn màng lửa xi lanh, trình cháy diễn đồng thời vị trí xi lanh (trường hợp bugi không đánh lửa, bugi phục vụ cho q trình chuyển tiếp chế độ thơng thường chế độ HCCI) Tương tự động xăng, khác với động diesel thông thường với động HCCI hỗn hợp nhiên liệu khơng khí hình thành từ trước (trên đường nạp xi lanh) Sau hỗn hợp nén lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén, tương tự với động diesel Hiện Việt Nam việc nghiên cứu động HCCI bắt đầu thực hiện, nhiên việc nghiên cứu cịn gặp nhiều khó khăn trang thiết bị thử nghiệm nghiên cứu lý thuyết nhằm giảm chi phí tiến hành thực nghiệm cần thiết Trong nội dung nghiên cứu trình bày ảnh hưởng tỷ số nén tới động phần mềm mơ AVL – Boost phần mềm chuyên dụng cho mô động đốt mơ hình cháy động cơ, kết thu mơ hình có giá trị tương đương động thực tế dó giúp ích cho nghiên cứu thực nghiệm băng thử, đồng thời giảm thời gian chi phí thực nghiệm 542 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022) 540-551 Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ HCCI Hình Đặc tính tỏa nhiệt loại động Tính chất toả nhiệt q trình cháy HCCI có vài điểm khác biệt so với q trình cháy thơng thường hình [13] Trên động đánh lửa, q trình cháy diễn thơng qua q trình đánh lửa bugi, màng lửa từ bugi lan tràn khắp buồng cháy Phần hỗn hợp chưa cháy ngăn cách với phần cháy thông qua màng lửa Tổng nhiệt lượng toả động đánh lửa tính sau: 𝑄 = ∫ 𝑞𝑑𝑚 (1) 𝑚𝑖𝑥 Trong đó: q nhiệt lượng đơn vị khối lượng hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí dm phần khối lượng màng lửa cháy (hình 2a) Trên động diesel, nhiên liệu phun trực tiếp vào khí có nhiệt độ cao sau q trình nén Một lượng nhỏ hỗn hợp đạt điều kiện tự cháy giống q trình cháy HCCI, lượng lớn nhiên liệu lại cháy khuếch tán sau trình cháy diễn Vì vậy, động diesel, trình toả nhiệt chia làm hai giai đoạn kết trình cháy nhanh cháy khuếch tán: 𝑄= ∫ 𝑝𝑟𝑒𝑚𝑖𝑥 𝑚𝑝 𝑑𝑞𝑝 + ∫ 𝑚𝑑 𝑑𝑞𝑑 (2) 𝑑𝑖𝑓 Trong đó: mp dqp khối lượng nhiệt lượng hỗn hợp trình cháy nhanh (premixed); md dqd khối lượng nhiệt lượng hỗn hợp vùng trình cháy khuếch tán (diffusion) (hình 2b) Giá trị nhiệt lượng toả phụ thuộc vào độ đậm nhạt (λ) vùng đó, cháy, vùng có lượng nhiệt toả khác Trên động HCCI trình cháy diễn gần đồng thời, khơng có tượng lan tràn màng lửa, tổng lượng nhiệt toả tính tổng nhiệt lượng vùng dq 543 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (06/2022) 540-551 từ trình cháy hỗn hợp xylanh với khối lượng vùng m (hình 2c): 𝑄 = ∫ 𝑚𝑑𝑞 (3) 𝑚𝑖𝑥 Tuy nhiên thực tế, hỗn hợp khơng hồn tồn đồng nên q trình cháy phần giống với trình cháy khuếch tán động diesel MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ HCCI KHI THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN TRÊN TRÊN AVL – BOOST 3.1 Đối tượng mô phỏng Bảng Các thông số động thử nghiệm STT Thông số Đơn vị Giá trị Đường kính xylanh, (D) mm 78 Hành trình piston, (S) mm 57 Thể tích cơng tác, (Vh) cm Tỷ số nén, () Công suất định mức, (Neđm) 273 - 20 kW 4.4 Tốc độ định mức, (nđm) vg/ph 3.600 Mômen cực đại, (Memax) Nm 13 Tốc độ Memax, (nM) vg/ph 2000 Suất tiêu hao nhiên liệu, (gemin) g/kW.h 378 vg/ph 2.400 10 Tốc độ gemin, (nge) Động nghiên cứu động diesel Kubota BD178F (E) xI lanh kỳ, không tăng áp, làm mát khơng khí, có xupap (1nạp 1xả) sử dụng buồng cháy thống có thống số kỹ thuật bảng Lựa chọn động diesel xy lanh Kubota BD178F(E) sản xuất Nhật Bản để nghiên cứu thử nghiệm động nhỏ gọn, độ bền tốt, có tính kinh tế nhiên liệu tốt, xi lanh nên tiêu hao nhiên liệu Các kết nghiên cứu động xi lanh tham khảo áp dụng động nhiều xi lanh 3.2 Mơ hình mơ phỏng Dựa vào kết cấu thực tế động thử nghiệm, ta có phương án kết nối mơ hình động Kubota BD178F(E) Trong hình xây dựng mơ hình mơ động với đường nạp cải tiến để cấp nhiên liệu bên xy lanh nhờ phần tử vịi phun I1 bố trí đoạn ống P2-3, nhiên liệu sau hịa trộn với khơng khí phần tử PL1 trước vào xy lanh C1 544 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022) 540-551 thông qua đường ống P4, sau khí xả đưa ngồi nhờ phần tử đường ống P5, phần tử PL2 SB2 Sau kết nối ta có mơ hình động ta có mơ hình mơ động Kubota Hình Mơ hình mơ động hoạt động theo nguyên lý HCCI AVL – Boost BD178F(E) AVL – BOOST với mục đích chuyển đổi q trình cháy động diesel nguyên sang HCCI [13] 3.3 Chế độ mơ phỏng • Mơ xác định đường đặc tính ngồi động diesel ngun bản: Tốc độ từ 1200 vg/ph đến 3200 vg/ph với khoảng chia 400 vg/ph 100% tải (Tải động tính thơng qua giá trị mơ men tương ứng với 10%, 20%, 30% 50% mô men cực đại động diesel ngun bản) • Mơ thiết lập q trình cháy HCCI cho động diesel: Mơ hình chạy chế độ tốc độ từ 1200 vg/ph đến 3200 vg/ph với khoảng chia 400 vg/ph chế độ tải: 10%, 20%, 30% 50% tương ứng với mơ men có giá trị là: 1,24 (N.m); 2,48 (N.m); 3,72 (N.m) 6,2 (N.m) • Mô ảnh hưởng thay đổi tỷ số nén tới động HCCI thiết lập, chế độ mơ phỏng: Mơ hình chạy chế độ tốc độ từ 2000 vg/ph đến 3200 vg/ph với khoảng chia 400 vg/ph chế độ tải: 10%, 20%, 30% 50% tương ứng với mơ men có giá trị là: 1,24 (N.m); 2,48 (N.m); 3,72 (N.m) 6,2 (N.m) 3.4 Đánh giá tính xác mơ hình mơ phỏng Đặc tính ngồi động Kubota BD178F(E) mô thực nghiệm thể qua hình Các kết thấy rằng: Sai lệch cực đại mô thực nghiệm mô men, suất tiêu hao nhiên liệu động là: 5,12% 5,48% sai lệch trung bình là: 3,6% 3,0% Với kết trên, ta thấy mơ hình mơ xây dựng phần mềm AVL - Boost hợp lý, đạt độ tin cậy 545 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (06/2022) 540-551 Hình Kết so sánh công suất, mô men suất tiêu hao nhiên liệu mô thực nghiệm động diesel Kubota BD178F(E) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết mơ phỏng thiết lập q trình cháy HCCI động diesel Kết mô động HCCI mơ gồm: Đặc tính cháy, thơng số thị có ích động HCCI tỷ số nén 20:1, tốc độ 1200vg/ph ÷3200vg/ph, 10%tải ÷ 50% tải 4.1.1 Đặc tính cháy động HCCI mô phỏng Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt động HCCI mơ (Hình 5) cho thấy động diesel chuyển sang trình cháy HCCI với đặc trưng đường tốc độ tỏa nhiệt có hai đỉnh đặc trưng cho lửa lạnh lửa nóng Tuy nhiên hỗn hợp hình thành từ trước, n – heptan lại có khả bay tốt nên q trình cháy diễn sớm trước ĐCT Giá trị cực đại tốc độ tỏa nhiệt tăng dần tăng tải thời điểm bắt đầu cháy sớm dần Hệ số dư khơng khí động HCCI mơ thể qua hình 6, λ giảm dần tăng tải tăng tốc độ nên thời điểm bắt đầu cháy (SOC1 – Thời điểm xuất lửa lạnh; SOC2 – Thời điểm xuất lửa nóng) sớm dần (Hình 7), trình cháy ngày sớm trước ĐCT ảnh hưởng tới tiêu kỹ thuật động 546 ... 540-5 51 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY HCCI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL XI LANH - BD178F(E) KHI THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST Khương Thị Hà Bộ môn Máy động lực,... hưởng tỷ số nén tới đặc tính cháy động HCCI phần mềm mô AVL – BOOST Động sử dụng cho nghiên cứu động xylanh Kubota BD178F(E) với đường nạp cải tiến Các chế độ làm việc động mô là: Tốc độ từ 12 00... động HCCI mô gồm: Đặc tính cháy, thơng số thị có ích động HCCI tỷ số nén 20 :1, tốc độ 12 00vg/ph ÷3200vg/ph, 10 %tải ÷ 50% tải 4 .1. 1 Đặc tính cháy động HCCI mô phỏng Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt động