Ngồi ra, nghiên cứu q trình cháy thơng thường và quá trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel.Tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và việc sử dụng phương pháp đốt cháy
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS CAO ĐÀO NAM NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN VỚI HỖN HỢP HAI GIAI ĐOẠN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS CAO ĐÀO NAM NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN VỚI HỖN HỢP HAI GIAI ĐOẠN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS.TS HOÀNG ANH TUẤN PGS TS TRẦN THỊ THU HƯƠNG Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài : “Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy nén với hỗn hợp hai giai đoạn động diesel” cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn PGS.TS Hoàng Anh Tuấn PGS.TS Trần Thị Thu Hương Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Các tài liệu liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ! Tp.HCM, ngày 15 tháng 02 năm 2024 Nghiên cứu sinh Cao Đào Nam ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian triển khai nghiên cứu hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồng Anh Tuấn PGS.TS Trần Thị Thu Hương dành nhiều thời gian, cơng sức hướng dẫn đóng góp ý kiến q giá giúp tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu - Trường Đại học giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện đào tạo sau đại học Viện khí tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành nhiệm vụ nghiên cứu Tôi xin chân thành biết ơn TS Dhinesh Balasubramanian - Viện khí phịng thực nghiệm động cơ, Mepco Schlenk Engineering College, Sivakasi, Tamil Nadu, Ấn Độ giúp đỡ tơi để hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy cô hội đồng, nhà khoa học, đồng nghiệp có góp ý quý báu suốt trình thực luận án Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè chia sẻ, ủng hộ giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn hoàn thành luận án Mặc dù có nhiều cố gắng suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án, cịn hạn chế kinh nghiệm kiến thức, nên luận án tồn sai sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp quý báu từ nhà khoa học bạn đọc nhằm hoàn thành luận án tốt Nghiên cứu sinh Cao Đào Nam iii TÓM TẮT Nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngày tăng, nhu cầu tìm kiếm nguồn lượng tái tạo ngày trở nên quan trọng toàn giới Biodiesel sản xuất từ dầu thực vật có đặc tính tương tự nhiên liệu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ quan tâm sử dụng làm nhiên liệu thay cho động diesel Sự phát thải oxit nitơ từ dầu thực vật hỗn hợp thấp so với nhiên liệu diesel nguyên chất Một giải pháp thay cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học sử dụng dầu ăn thải làm nhiên liệu Việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học kéo dài tuổi thọ động diesel bơi trơn tốt nhiên liệu diesel truyền thống Nhiên liệu diesel sinh học sản xuất từ dầu ăn thải tái tạo cải thiện an ninh nhiên liệu tính độc lập kinh tế PCCI viết tắt "Premixed charge compression ignition", phương pháp đốt cháy sử dụng động diesel để cải thiện hiệu sử dụng nhiên liệu giảm lượng khí thải Động PCCI dựa kết hợp phun nhiên liệu áp suất cao, nén không khí hịa trộn trước nhiên liệu khơng khí để đạt q trình đốt cháy có kiểm sốt Phương pháp hịa trộn trước nhiên liệu khơng khí, động hoạt động với tỷ lệ khơng khí - nhiên liệu hơn, giúp giảm lượng khí thải cải thiện hiệu suất nhiên liệu WCO viết tắt " Waste cooking oil ", loại dầu tái chế có nguồn gốc từ dầu ăn sử dụng để chiên thức ăn WCO sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu diesel sinh học, việc sử dụng làm nguồn nhiên liệu giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch giảm tác động đến môi trường Đối với động diesel, công nghệ đốt cháy PCCI sử dụng kết hợp với WCO làm nguồn nhiên liệu để tiếp tục giảm lượng khí thải cải thiện hiệu suất nhiên liệu Chỉ số cetane cao WCO tạo thuận lợi cho trình đốt cháy động PCCI việc sử dụng WCO làm nguồn nhiên liệu giúp giảm lượng khí thải carbon động diesel Trong điều kiện cụ thể Việt Nam nay, việc nghiên cứu để tìm phương pháp đốt cháy kết hợp loại nhiên liệu thay mới, có hiệu tốt điều cần thiết cấp bách iv Xuất phát từ lý trên, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy nén với hỗn hợp hai giai đoạn động diesel ” Để đạt mục tiêu đề ra, luận án giải vấn đề theo trình tự sau: - Nghiên cứu tác động kiểm sốt phát thải NOx PM Ngồi ra, nghiên cứu q trình cháy thơng thường q trình cháy nhiệt độ thấp động diesel Tìm hiểu tình hình nghiên cứu ngồi nước việc sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI động diesel làm sở để nghiên cứu sinh tìm khoảng trống cần nghiên cứu cho luận án Đề tài tập trung nghiên cứu việc sử dụng phương pháp PCCI cho động diesel tương ứng với góc phun nhiên liệu khác nhằm đánh giá thơng số q trình cháy phát thải sử dụng phương pháp đốt cháy động diesel Nghiên cứu PPCI kết hợp với nhiều loại nhiên liệu EGR (Exhaust gas recirculation), sở lý thuyết để nghiên cứu sinh tính tốn mơ động diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO - Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ trình cháy động diesel với hỗ trợ phần mềm ANSYS Fluent nhằm đánh giá đặc tính làm việc phát thải động diesel sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với Biodiesel WCO Kết nghiên cứu dựa mơ hình rối RNG k- ε thực để đánh giá tác động việc phun hai giai đoạn trình đốt cháy WCO (B10, B20, B30, B40) nhiên liệu diesel (D100) - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng động diesel xi lanh nhằm so sánh với kết mô đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO Từ kết q trình nghiên cứu mơ thực nghiệm cho thấy việc sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO động diesel mang lại nhiều lợi ích kỹ thuật, kinh tế môi trường Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường Từ khóa- PCCI, WCO, động diesel, đặc tính kỹ thuật động cơ, đặc tính phát thải v ABSTRACT The demand for fossil fuels is increasing, and the need to find renewable energy sources is becoming increasingly important around the world Biodiesel produced from vegetable oil has similar properties to diesel fuel derived from petroleum and has been used as an alternative fuel for diesel engines Emissions of nitrogen oxides from vegetable oils and their mixtures are lower than from pure diesel fuel An alternative to using biodiesel fuel is to use waste cooking oil as fuel Using biodiesel fuel can prolong the life of diesel engines because it lubricates better than traditional diesel fuel Biodiesel fuel is produced from renewable waste cooking oil thereby improving fuel security and economic independence PCCI stands for "Premixed charge compression ignition", which is a combustion method used in diesel engines to improve fuel efficiency and reduce emissions The PCCI engine relies on a combination of high-pressure fuel injection, air compression, and pre-mixing of fuel and air to achieve controlled combustion By pre-mixing fuel and air, the engine can operate with less air-fuel ratio, which reduces emissions and improves fuel efficiency WCO stands for "Waste cooking oil", which is a recycled oil derived from cooking oil that has been used to fry food WCO can be used as a feedstock to produce biodiesel fuel, its use as a fuel source can help reduce dependence on fossil fuels and reduce environmental impact For diesel engines, PCCI combustion technology can be used in combination with WCO as a fuel source to further reduce emissions and improve fuel efficiency The high cetane number of WCO can facilitate the combustion process in PCCI engines, and the use of WCO as a fuel source can help reduce the carbon emissions of diesel engines In the current specific conditions in Vietnam, research to find a combustion method that combines a new, more effective alternative fuel is extremely necessary and urgent Based on the above reason, the author chose the topic: " Research on establishing a compression combustion mode with a two-stage mixture for diesel engines " To achieve the set goals, the thesis has solved the problems in the following order: - Research the impacts and control of NOx and PM emissions In addition, research on conventional combustion and low-temperature combustion in diesel engines Learn about the current state of research at home and abroad and the use of PCCI combustion vi method on diesel engines as a basis for graduate students to find gaps that need to be researched for this thesis This topic will focus on researching the use of PCCI method for diesel engines corresponding to other fuel injection angles in order to evaluate the combustion process parameters and emissions when using this combustion method on the engine diesel Researching PPCI combined with many types of fuel and EGR (Exhaust gas recirculation), which is the basic theoretical basis for graduate students to calculate and simulate diesel combustion engines using the PCCI method using fuel mixtures WCO - Research and build a model to simulate the combustion process of diesel engines with the support of ANSYS Fluent software to evaluate the working and emission characteristics of diesel engines when using the combined PCCI combustion method with Biodiesel WCO Research results based on the RNG k- ε turbulence model were carried out to evaluate the impact of two-stage injection on the combustion processes of WCO (B10, B20, B30, B40) and diesel fuel (D100) - Controlled experimental research on a single-cylinder diesel engine to compare with simulation results as well as evaluate factors affecting technical characteristics and emissions when using the PCCI combustion method combined with WCO fuel The results of simulation and experimental research show that using the PCCI combustion method combined with WCO fuel on diesel engines brings many technical, economic and environmental benefits Using WCO fuel blends helps reduce dependence on traditional fuels and reduces emissions that cause environmental pollution Keywords- PCCI, WCO, diesel engine, engine technical characteristics, emission characteristics vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiv MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài .1 a) Mục tiêu lý thuyết: b) Mục tiêu thực nghiệm: 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu b) Phạm vi nghiên cứu: Ý nghĩa khoa học thực tiễn a) Về khoa học b) Về thực tiễn 5 Phương pháp nghiên cứu a) Nghiên cứu lý thuyết b) Nghiên cứu mô c) Nghiên cứu thực nghiệm .6 d) Phương pháp phân tích tổng hợp 6 Điểm luận án Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan NOx phát thải PM .8 1.1.1 Cơ chế hình thành NOx phát thải PM động diesel 10 1.1.2 Tác động kiểm soát phát thải NOx PM 13 1.2 Tổng quan trình cháy động diesel 17 viii 1.2.1 Q trình cháy động diesel thơng thường 17 1.2.2 Quá trình cháy nhiệt độ thấp động diesel 22 1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng động PCCI giới Việt Nam 26 1.3.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng động PCCI giới 26 1.3.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng động PCCI Việt Nam 30 1.4 Kết luận chương 31 CHƯƠNG QUÁ TRÌNH ĐỐT CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP 32 2.1 Nguyên lý đốt cháy nhiệt độ thấp .32 2.2 Nạp hỗn hợp đồng đốt cháy nén 39 2.2.1 Nguyên lý trình cháy đồng 39 2.2.2 Quá trình tự cháy giải phóng nhiệt HCCI 42 2.2.3 Đặc điểm trình cháy HCCI 44 2.3 Đốt cháy hỗn hợp đồng hòa trộn trước nén 47 2.4 Kết luận chương 54 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL ĐỐT CHÁY THEO PHƯƠNG PHÁP PCCI SỬ DỤNG CÁC HỖN HỢP NHIÊN LIỆU WCO 55 3.1 Đặt vấn đề .55 3.2 Đối tượng nghiên cứu nhiên liệu mô 56 3.2.1 Động nghiên cứu 56 3.2.2 Nhiên liệu nghiên cứu 56 3.3 Xây dựng mơ hình mơ .59 3.3.1 Phần mềm mô ANSYS Fluent 59 3.3.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình lửa q trình đốt cháy PCCI phần mềm ANSYS Fluent 60 3.4 Xây dựng mơ hình mơ 65 3.4.1 Mơ hình phần tử hữu hạn thiết lập mô 65 3.4.2 Điều kiện biên .68 3.5 Kết mô 69 3.5.1 Nhiên liệu diesel – PCCI : 60% 40% 69