Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel

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

NCS CAO ĐÀO NAM

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN VỚI HỖN HỢP HAI GIAI ĐOẠN TRÊN

NCS CAO ĐÀO NAM

NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN VỚI HỖN HỢP HAI GIAI ĐOẠN TRÊN

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài : “Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel” là công trình nghiên

cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Anh Tuấn và PGS.TS Trần Thị Thu Hương Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình khác Các tài liệu và dữ liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ!

Tp.HCM, ngày 15 tháng 02 năm 2024

Nghiên cứu sinh

Cao Đào Nam

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian triển khai nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Anh Tuấn và PGS.TS Trần Thị Thu Hương đã dành nhiều thời gian, công sức hướng dẫn và đóng góp những

ý kiến quý giá giúp tôi hoàn 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 và Viện cơ khí đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu

Tôi xin chân thành biết ơn TS Dhinesh Balasubramanian - Viện cơ khí và phòng thực nghiệm động cơ, Mepco Schlenk Engineering College, Sivakasi, Tamil Nadu, Ấn

Độ đã giúp đỡ tôi để hoàn thành luận án này

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong hội đồng, các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã có những góp ý quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ tôi vượt qua các khó khăn và hoàn thành luận án này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận

án, nhưng còn hạn chế kinh nghiệm và kiến thức, nên luận án vẫn tồn tại sai sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu từ các nhà khoa học và bạn đọc nhằm hoàn thành luận án tốt nhất

Nghiên cứu sinh

Cao Đào Nam

TÓM TẮT

Nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng, nhu cầu tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo ngày càng trở nên quan trọng trên toàn thế giới Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật có đặc tính tương tự như nhiên liệu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ

đã được quan tâm sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel

Sự phát thải các oxit nitơ từ dầu thực vật và hỗn hợp của nó thấp hơn so với nhiên liệu diesel nguyên chất Một giải pháp thay thế cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học là sử dụng dầu ăn thải làm nhiên liệu Việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có thể kéo dài tuổi thọ của động cơ diesel vì nó bôi trơn tốt hơn nhiên liệu diesel truyền thống Nhiên liệu diesel sinh học được sản xuất từ dầu ăn thải có thể tái tạo do đó cải thiện an ninh nhiên liệu và tính độc lập của nền kinh tế

PCCI là viết tắt của "Premixed charge compression ignition", là một phương pháp đốt cháy được sử dụng trong động cơ diesel để cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm lượng khí thải Động cơ PCCI dựa trên sự kết hợp của phun nhiên liệu áp suất cao, nén không khí và hòa trộn trước nhiên liệu và không khí để đạt được quá trình đốt cháy

có kiểm soát Phương pháp hòa trộn trước nhiên liệu và không khí, động cơ có thể hoạt động với tỷ lệ không khí - nhiên liệu ít hơn, giúp giảm lượng khí thải và cải thiện hiệu suất nhiên liệu WCO là viết tắt của " Waste cooking oil ", là một loại dầu tái chế có nguồn gốc từ dầu ăn đã được sử dụng để chiên thức ăn WCO có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu diesel sinh học, việc sử dụng nó làm nguồn nhiên liệu

có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm tác động đến môi trường Đối với động cơ diesel, công nghệ đốt cháy PCCI có thể được sử dụng kết hợp với WCO làm nguồn nhiên liệu để tiếp tục giảm lượng khí thải và cải thiện hiệu suất nhiên liệu Chỉ số cetane cao của WCO có thể tạo thuận lợi cho quá trình đốt cháy trong động cơ PCCI và việc sử dụng WCO làm nguồn nhiên liệu có thể giúp giảm lượng khí thải carbon của động cơ diesel

Trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu để tìm ra phương pháp đốt cháy kết hợp một loại nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quả tốt hơn là điều hết sức cần thiết và cấp bách

Xuất phát từ lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy

do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel ” Để đạt được mục tiêu đề ra,

luận án đã giải quyết các vấn đề theo trình tự sau:

- Nghiên cứu các tác động và kiểm soát phát thải NOx và PM Ngoài ra, nghiên cứu quá trình cháy thông 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 PCCI trên động cơ diesel làm cơ sở để nghiên cứu sinh tìm ra các khoảng trống cần nghiên cứu cho luận án này Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu việc sử dụng phương pháp PCCI cho động cơ diesel tương ứng với các góc phun nhiên liệu khác nhằm đánh giá các thông số quá trình cháy và phát thải khi sử dụng phương pháp đốt cháy này trên động cơ diesel Nghiên cứu PPCI kết hợp với nhiều loại nhiên liệu và EGR (Exhaust gas recirculation), đó là cơ sở lý thuyết cơ bản để nghiên cứu sinh tính toán mô phỏng động

cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu WCO

- Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy của động cơ diesel với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS Fluent nhằm đánh giá các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với Biodiesel WCO Kết quả nghiên cứu dựa trên mô hình rối RNG k- ε đã được thực hiện để đánh giá tác động của việc phun hai giai đoạn đối với các quá trình đốt cháy của WCO (B10, B20, B30, B40) và nhiên liệu diesel (D100)

- Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng trên động cơ diesel một xi lanh nhằm so sánh với kết quả mô phỏng cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO

Từ kết quả của quá trình nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO trên động cơ diesel mang lại rất nhiều lợi ích về kỹ thuật, kinh tế và môi trường Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường

Từ khóa- PCCI, WCO, động cơ diesel, đặc tính kỹ thuật của động cơ, đặc tính

phát thải

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

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

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

1 Lý do chọn đề tài 1

a) Mục tiêu lý thuyết: 3

b) Mục tiêu thực nghiệm: 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

a) Đối tượng nghiên cứu 3

b) Phạm vi nghiên cứu: 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

a) Về khoa học 4

b) Về thực tiễn 5

5 Phương pháp nghiên cứu 5

a) Nghiên cứu lý thuyết 5

b) Nghiên cứu mô phỏng 6

c) Nghiên cứu thực nghiệm 6

d) Phương pháp phân tích và tổng hợp 6

6 Điểm mới của luận án 6

7 Nội dung nghiên cứu 7

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 8

1.1 Tổng quan về NO x và phát thải PM 8

1.1.1 Cơ chế hình thành NOx và phát thải PM trong động cơ diesel 10

1.1.2 Tác động và kiểm soát phát thải NOx và PM 13

1.2 Tổng quan về quá trình cháy trong động cơ diesel 17

1.2.1 Quá trình cháy trong động cơ diesel thông thường 17

1.2.2 Quá trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel 22

1.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI trên thế giới và Việt Nam 26

1.3.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI trên thế giới 26

1.3.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI ở Việt Nam 30

1.4 Kết luận chương 1 31

CHƯƠNG 2 QUÁ TRÌNH ĐỐT CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP 32

2.1 Nguyên lý đốt cháy ở nhiệt độ thấp 32

2.2 Nạp hỗn hợp đồng nhất và đốt cháy do nén 39

2.2.1 Nguyên lý quá trình cháy đồng nhất 39

2.2.2 Quá trình tự cháy và giải phóng nhiệt HCCI 42

2.2.3 Đặc điểm quá trình cháy HCCI 44

2.3 Đốt cháy hỗn hợp đồng nhất hòa trộn trước do nén 47

2.4 Kết luận chương 2 54

CHƯƠNG 3 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 và nhiên liệu mô phỏng 56

3.2.1 Động cơ nghiên cứu 56

3.2.2 Nhiên liệu nghiên cứu 56

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng 59

3.3.1 Phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent 59

3.3.2 Cơ sở lý thuyết mô hình ngọn lửa trong quá trình đốt cháy PCCI trong phần mềm ANSYS Fluent 60

3.4 Xây dựng mô hình mô phỏng 65

3.4.1 Mô hình phần tử hữu hạn và thiết lập mô phỏng 65

3.4.2 Điều kiện biên 68

3.5 Kết quả mô phỏng 69

3.5.1 Nhiên liệu diesel – PCCI : 60% và 40% 69

3.5.2 Nhiên liệu diesel 90% - WCO 10% (B10) – PCCI: 60% và 40% 71

3.5.3 Nhiên liệu diesel 80% - WCO 20% (B20) – PCCI: 60% và 40% 74

3.5.4 Nhiên liệu diesel 70% - WCO 30% (B30) – PCCI: 60% và 40% 76

3.5.5 Nhiên liệu diesel 60% - WCO 40% (B40) – PCCI: 60% và 40% 78

3.6 Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 83

4.1 Mục tiêu thực nghiệm 83

4.1.1 Đặt vấn đề 83

4.1.2 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm 83

4.2 Phạm vi và điều kiện thực nghiệm 83

4.3 Quy trình, chế độ và trang thiết bị thử nghiệm 84

4.3.1 Nhiên liệu thử nghiệm 84

4.3.2 Trang thiết bị thử nghiệm 86

4.3.3 Quy trình thử nghiệm 87

4.3.4 Chế độ thử nghiệm 93

4.4 Kết quả thực nghiệm và thảo luận 93

4.4.1 Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ 93

4.4.2 Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ khi sử dụng B20 và EGR 98

4.4.3 Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ khi sử dụng B20 -EGR (20%) và phun hai giai đoạn 102

4.4.4 Kết quả thực nghiệm đánh giá các thông số quá trình cháy động cơ 106

4.4.5 Kết quả thực nghiệm đánh giá phát thải động cơ 123

4.5 So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm 129

4.6 Kết luận chương 4 131

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 132

Kết luận chung 132

Hướng phát triển 133

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 150

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ATDC After top dead center (Sau điểm chết trên)

A/F Air/Fuel ratio (Tỷ lệ không khí/nhiên liệu)

ARC Active radical combustion (Quá trình đốt cháy gốc tự do)

ATAC Active thermo - atmosphere combustion (Quá trình đốt cháy

nhiệt khí chủ động)

BR Burn rate (Tốc độ cháy)

BTDC Before top dead center (Trước điểm chết trên)

BTE Brake thermal efficiency (Hiệu suất nhiệt)

CA Crank angle (Góc quay trục khuỷu)

CAD Crank angle degree (Độ quay trục khuỷu)

CD Combustion duration (Quá trình cháy)

CFD Computational fluid dynamics (Tính toán động lực học chất

lỏng) CHRR Cumulative heat release rate (Lượng nhiệt giải phóng tích lũy)

CI Compression ignition (Động cơ cháy do nén)

CIHC Compression ignited homogeneous charge (Đốt cháy đồng nhất

do nén)

CN Cetane number (Chỉ số cetan)

CO Carbon monoxide (Nồng độ CO)

CP Cylinder pressure (Áp suất xi lanh)

CR Compresstion ratio (Tỷ số nén)

DCN Derived cetane number (Chỉ số cetan nguồn gốc)

DE Diesel engine (Động cơ diesel)

DI Direct injection (Động cơ phun nhiên liệu trực tiếp)

DOC Diesel oxidation catalyst (Xúc tác oxi hoá động cơ diesel)

DPF Diesel particulate filter (Bộ lọc muội than)

ECL Exhaust center lift timing (Thời điểm nâng xú páp thải)

EGR Exhaust gas recirculation (Hệ thống tuần hoàn khí xả)

EOC End of combustion (Kết thúc cháy)

EOI End of injection (Kết thúc phun)

EVC Exhaust valve closing timing (Thời điểm đóng xú páp thải)

HCCI Homogeneous charge compression (Nén hỗn hợp đồng nhất)

HRR Heat release rate (Tốc độ giải phóng nhiệt)

IMEP Indicated mean effective pressure (Áp suất trung bình chỉ thị)

IMP Intake manifold pressure (Áp suất đường ống nạp)

IP Injection pressure (Áp suất phun)

IT Injection time (Thời gian phun)

LTC Low temperature combustion (Cháy nhiệt độ thấp)

MFB Mass fraction burned (Phần khối lượng bị đốt cháy)

MGT Mean gas temperature (Nhiệt độ khí trung bình)

MK Modulated kinetics (Động học điều biến)

NHRR Net heat release rate (Tốc độ tỏa nhiệt ròng)

OKP Optimized kinetic process (Quá trình động học tối ưu hóa)

PCCI Partially premixed compression ignition (Cháy do nén hỗn hợp

trước một phần)

PM Particulate matters (Muội than)

PREDIC Premixed Lean Diesel Combustion (Đốt cháy diesel hỗn hợp

nghèo hòa trộn trước)

RON Research octane number (Chỉ số octan)

RP Rail pressure (Áp suất đường ống chung)

RPR Rate of pressure rise (Tốc độ tăng áp suất)

SCCI Stratified Charge Compression Ignition (Đốt cháy do nén hỗn

hợp phân tầng) SCR Selective catalytic reduction (Kiểm soát khí thải chọn lọc)

SI Spark ignition (Góc đánh lửa)

SR Swirl rate (Tỉ lệ xoáy lốc)

SOC Start of combustion (Bắt đầu cháy)

SOC Start of combustion (Bắt đầu cháy)

SOI Start of ignition (Bắt đầu đánh lửa)

SOMI Start Of main injection (Bắt đầu phun chính)

SOPI Start Of pilot injection (Bắt đầu phun phụ)

TDC Top dead center (Điểm chết trên)

TS Toyota - Soken

UNIBUS Unifrom bulky combustion system (Hệ thống đốt cháy cồng

kềnh đồng nhất) VCR Variable compression ratio (Tỉ số nén biên thiên)

VGT Variable geometry turbocharger (Bộ tăng áp thay đổi hình dạng)

WCO Waste cooking oil (Dầu ăn thải)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình hình thành PM cùng với thành phần điển hình của PM [36] 12 Hình 1 2 Tiêu chuẩn khí thải NOx và PM trên thế giới [43] 14 Hình 1.3 Trình tự hình ảnh của quá trình đốt cháy diesel ở 1200 vòng/phút và áp suất phun 160 MPa [43] 18 Hình 1.4 HRR và hình ảnh ngọn lửa phát quang ở mức tải 20 bar IMEP và áp suất phun

2500 bar trong động cơ diesel [55] 19 Hình 1.5 Sự hình thành phát triển của động cơ diesel [54] 21 Hình 1.6 Mô hình về quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel [59] 22 Hình 1.7 Trình bày sơ đồ ba chế độ đốt cháy chính và các quá trình trung gian trong động cơ đốt trong [61] 24 Hình 1.8 Các phương pháp đốt cháy dựa trên phản ứng nhiên liệu [43] 25 Hình 1.9 Xu hướng hợp nhất công nghệ động cơ diesel và động cơ xăng thông thường vào động cơ LTC [43] 25 Hình 2.1 (a) Minh họa về quá trình hình thành NOx và muội than trong quá trình đốt cháy động cơ diesel [58][85]; (b) Vùng vận hành LTC trên bản đồ φ-T [79][86][87][88] 34 Hình 2.2 Sự phát triển của các phương pháp đốt cháy khác nhau trong động cơ IC 38 Hình 2.3 (a) Quá trình đốt cháy HCCI (b) So sánh quá trình đốt cháy của động cơ xăng, động cơ diesel và HCCI trong chu kỳ bốn kỳ 40 Hình 2.4 Minh họa giải phóng nhiệt một và hai giai đoạn trong quá trình đốt cháy HCCI cho hai loại nhiên liệu khác nhau [102] 43 Hình 2.5 Ưu điểm của động cơ HCCI, những khó khăn lớn và các giải pháp 45 Hình 2.6 Sự thay đổi của HHR cho PCCI phun trực tiếp sớm - muộn và động cơ diesel thông thường [58][119][120] 50 Hình 2.7 Mô hình khái niệm cho quá trình đốt cháy diesel thông thường và LTC (phun một lần pha loãng) cho động cơ hạng nặng [91] 52 Hình 2.8 Sự biến đổi của NOx và muội than với EGR ở 8 bar IMEP cho (a) CR = 12.4

và (b) CR = 17.1 [147]) 53

Hình 3.1 Sơ đồ ternary cho nhũ tương WCO với ethanol và nước 58

Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán tách biệt trên cơ sở áp suất 64

Hình 3.3 Hình học của buồng đốt với các lựa chọn được đặt tên 65

Hình 3.4 Mô hình phần tử hữu hạn 65

Hình 3.5 Số liệu chất lượng phần tử 66

Hình 3.6 Vận tốc của nhiên liệu(Điều kiện biên tuần hoàn) 67

Hình 3.6 Nhiệt độ bên trong xi lanh 67

Hình 3.8 Phần khối lượng của diesel 68

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 19,5 Nm 69

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 14,625 Nm 69

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 9,75 Nm 70

70

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm 70

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 19,5 Nm 71

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 14,625 Nm 72

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 9,75 Nm 72

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm 73

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 19,5 Nm 74

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 14,625 Nm 74

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 9,75 Nm 75

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm 75

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 19,5 Nm 76

Hình 3.22 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 14,625 Nm 77

Hình 3.23 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 9,75 Nm 78

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm 78

Hình 3.25 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 19,5 Nm 79

Hình 3.26 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 14,625 Nm 79

Hình 3.27 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 9,75 Nm 80

Hình 3.28 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm 80

Hình 4.1 Quy trình sản xuất metyl este dầu ăn thải 85

Hình 4.2 Động cơ Kirloskar TV1 86

Hình 4.3 Thiết lập góc phun chính 89

Hình 4.4 Thiết lập góc phun theo phương pháp đốt cháy PCCI 90

Hình 4.5 Thiết lập lượng phun theo phương pháp đốt cháy PCCI 90

Hình 4.6 Sơ đồ bố trí thử nghiệm PCCI 91

Hình 4.7 Sơ đồ bố trí chi tiết về các bộ phận của hệ thống nhiên liệu 92

Hình 4.8 Đồ thị thể hiện công suất động cơ tại các mức tải trọng và loại nhiên liệu khác nhau 94

Hình 4.9 Đồ thị thể hiện hiệu suất nhiệt động cơ tại các mức tải trọng và loại nhiên liệu khác nhau 95

Hình 4.10 Đồ thị thể hiện suất tiêu hao nhiên liệu tại các mức tải trọng và loại nhiên liệu khác nhau 96

Hình 4.11 Đồ thị thể hiện áp suất có ích trung bình tại các mức tải trọng, và loại nhiên liệu khác nhau 97

Hình 4.12 Đồ thị thể hiện công suất động cơ với nhiên liệu B20 và EGR 98

Hình 4.13 Đồ thị thể hiện hiệu suất nhiệt động cơ với nhiên liệu B20 và EGR 99

Hình 4.14 Đồ thị thể hiện suất tiêu hao nhiên liệu với nhiên liệu B20 và có hệ thống EGR làm việc 100

Hình 4.15 Đồ thị thể hiện áp suất có ích trung bình động cơ sử dụng nhiên liệu B20 và có hệ thống EGR làm việc 101

Hình 4.16 Đồ thị thể hiện công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ thống EGR làm việc 20% ứng với các góc phun khác nhau 103

Hình 4.17 Đồ thị thể hiện hiệu suất nhiệt động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ thống EGR làm việc 20% ứng với các góc phun khác nhau 104

Hình 4.18 Đồ thị thể hiện suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ thống EGR làm việc 20% ứng với các góc phun khác nhau 105

Hình 4.19 Đồ thị thể hiện Áp suất có ích trung bình của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ thống EGR làm việc 20% ứng với các góc phun khác nhau 106

Hình 4.20 Đồ thị thể hiện áp suất xi lanh của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30, B40 107 Hình 4.21 Đồ thị thể hiện khối lượng nhiên liệu đốt cháy của động cơ khi sử dụng khối nhiên liệu B10, B20, B30, B40 108 Hình 4.22 Đồ thị thể hiện thời gian đốt cháy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30, B40 109 Hình 4.23 Đồ thị thể hiện lượng nhiệt giải phóng tích lũy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30, B40 110 Hình 4.24 Đồ thị thể hiện nhiệt độ khí trung bình của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30, B40 111 Hình 4.25 Đồ thị thể hiện áp suất xi lanh của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 112 Hình 4.26 Đồ thị thể hiện khối lượng nhiên liệu đốt cháy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 113 Hình 4.27 Đồ thị thể hiện thời gian đốt cháy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 114 Hình 4.28 Đồ thị thể hiện lượng nhiệt giải phóng tích lũy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 115 Hình 4.29 Đồ thị thể hiện nhiệt độ khí trung bình của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 116 Hình 4.30 Đồ thị thể hiện áp suất xy lanh của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 117 Hình 4.31 Đồ thị thể hiện khối lượng nhiên liệu đốt cháy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 118 Hình 4.32 Đồ thị thể hiện thời gian cháy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 120 Hình 4.33 Đồ thị thể hiện lượng nhiệt giải phóng tích lũy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 121 Hình 4.34 Đồ thị thể nhiệt độ khí trung bình của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 122

Hình 4.35 Đồ thị thể hiện thông số phát thải của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu.

124

Hình 4.36 Đồ thị thể hiện thông số phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR thay đổi 126

Hình 4.37 Đồ thị thể hiện thông số phát thải của động cơ khi sử dụng B20 EGR 20% và PCCI 128

Hình 4.38 Đồ thị so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx của động cơ khi sử dụng B20 EGR 20% và PCCI 50o -20o 129

Hình 4.39 Đồ thị so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải muội than của động cơ khi sử dụng B20 EGR 20% và PCCI 50o -20o 130

Hình PL1.1 Sơ đồ bố trí các thiết bị thử nghiệm tại phòng thử nghiệm động cơ, Mepco Schlenk Engineering College, Sivakasi, Tamil Nadu, Ấn Độ 152

Hình PL1.2 Bố trí băng thử tại phòng thực nghiệm 153

Hình PL1.3 Sơ đồ bố trí băng thử động cơ 154

Hình PL1.4 Bố trí băng thử tại phòng thực nghiệm 155

Hình PL1.5 AVL DIGAS 444 156

Hình PL1.6 AVL 437C 157

Hình PL1.7 ECU điều khiển và phần mềm NIRA i7r 157

Hình PL1.8 Sơ đồ điều khiển lượng phun nhiên liệu 158

Hình PL2.1 Quá trình gá đặt và cân chỉnh động cơ trên bệ thử 159

Hình PL2.2 Kiểm tra kết nối máy tính với băng thử trước khi chạy thử nghiệm 159

Hình PL2.3 Xuất kết quả sau khi chạy thử nghiệm 160

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ Kirloskar TV1 56

Bảng 3.2 Tính chất của WCO và nhiên liệu diesel 57

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật động cơ thực hiện các thực nghiệm ứng với các mức tải trọng và loại nhiên liệu khác nhau 93

Bảng 4.2 Công suất động cơ tại các mức tải trọng và loại nhiên liệu khác nhau 93

Bảng 4.3 Hiệu suất nhiệt động cơ tại các mức tải trọng, và loại nhiên liệu 94

Bảng 4.4 Suất tiêu hao nhiên liệu tại các mức tải trọng, và loại nhiên liệu 95

Bảng 4.5 Áp suất có ích trung bình tại các mức tải trọng, và loại nhiên liệu 97

Bảng 4.6 Công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 và có hệ thống EGR 98

Bảng 4.7 Hiệu suất nhiệt động cơ với nhiên liệu B20 và có hệ thống EGR 99

Bảng 4.8 Suất tiêu hao nhiên liệu với nhiên liệu B20 và có hệ thống EGR làm việc 100 Bảng 4.9 Áp suất có ích trung bình động cơ sử dụng nhiên liệu B20 và EGR 101

Bảng 4.10 Công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ thống EGR làm việc 20% ứng với các góc phun khác nhau trước điểm chết trên 102

Bảng 4.11 Hiệu suất nhiệt động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ thống EGR làm việc 20% ứng với các góc phun khác nhau trước điểm chết trên 103

Bảng 4.12 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ thống EGR làm việc 20% ứng với các góc phun khác nhau 104

Bảng 4.13 Áp suất có ích trung bình của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ thống EGR làm việc 20% ứng với các góc phun khác nhau 105

Bảng 4.14 Thông số phát thải của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu 123

Bảng 4.15 Thông số phát thải của động cơ khi sử dụng B20 và EGR 125

Bảng 4.16 Thông số phát thải của động cơ khi sử dụng B20 EGR 20% và PCCI 127

Bảng PL 1.1 Thông số các dụng cụ đo……….157

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường và sự suy giảm các nguồn tài nguyên thiên nhiên đang là mối quan tâm hàng đầu trên toàn cầu Trong đó, khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải, đặc biệt là các loại xe sử dụng động cơ đốt trong như động cơ xăng và động cơ diesel đóng vai trò quan trọng Theo thống kê, lượng khí thải từ phương tiện giao thông chiếm tới 70% lượng khí thải tổng thể ở các đô thị Các thành phần khí thải độc hại như CO, NOx, HC, hạt mịn PM không những gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người

Các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra nhiều giải pháp để giảm thiểu lượng khí thải độc hại từ động cơ đốt trong Trong đó, giải pháp thay đổi phương pháp đốt cháy trong động cơ được xem là triển vọng và hiệu quả, ví dụ như chuyển từ cháy nhiệt độ cao chuyển từ cháy nhiệt dộ thấp trong động cơ diesel Các phương thức đốt cháy mới như HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) cho phép đốt cháy nhiên liệu đồng nhất hơn, giảm hình thành các vùng hỗn hợp đậm, từ đó hạn chế quá trình hình thành khí NOx Đối với động cơ diesel, các phương pháp đốt cháy mới này cũng cho phép giảm thiểu sự hình thành hạt mịn PM trong khí thải

Tuy nhiên, việc ứng dụng các phương pháp đốt cháy mới trên động cơ diesel cũng gặp nhiều thách thức Cụ thể, động cơ HCCI dù có ưu điểm là giảm NOx và PM nhưng lại bị hạn chế về phạm vi hoạt động và khó khăn trong việc điều khiển quá trình cháy Trong khi đó, động cơ PCCI dù có thể mở rộng phạm vi hoạt động nhưng vẫn còn tồn tại vấn đề về độ ổn định quá trình cháy và mức độ giảm NOx chưa cao Chính vì vậy, các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu cải tiến quá trình đốt cháy PCCI để khai thác tối đa ưu điểm của phương pháp này Một trong số các hướng nghiên cứu đó là kết hợp PCCI với nhiên liệu sinh học để cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy

Bên cạnh đó, nhiên liệu cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình cháy và phát thải của động cơ diesel Việc sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như dầu

thực vật, dầu tái chế trong động cơ diesel cũng cho thấy nhiều triển vọng trong việc cải thiện đặc tính cháy và giảm phát thải Tuy nhiên, ảnh hưởng của nhiên liệu đến động

cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI còn chưa được nghiên cứu một cách toàn diện Chính vì vậy, việc kết hợp nhiên liệu thay thế với phương pháp đốt cháy PCCI được kỳ vọng sẽ phát huy được hiệu quả của cả hai phương diện

Về mặt lý luận, đề tài sẽ góp phần làm sáng tỏ cơ chế hoạt động và cải tiến quá trình đốt cháy PCCI nhờ ứng dụng kỹ thuật phun nhiên liệu hai giai đoạn, đồng thời làm

rõ ảnh hưởng của nhiên liệu thay thế đến quá trình cháy và phát thải của động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI

Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp luận cứ và cơ sở khoa học cho việc vận dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp nhiên liệu sinh học nhằm nâng cao hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Điều này phù hợp với chủ trương và định hướng phát triển công nghiệp ô tô của Việt Nam theo thông

tư số 06/2021/TT-BGTVT của Bộ giao thông vận tải

Như vậy, có thể thấy rằng vấn đề nghiên cứu nâng cao hiệu quả đốt cháy và giảm thiểu ô nhiễm khí thải trên động cơ diesel thông qua việc cải tiến quá trình đốt cháy theo phương pháp PCCI và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế là hết sức cấp thiết Đặc biệt tại Việt Nam, các nghiên cứu về vấn đề này còn rất hạn chế, trong khi động cơ diesel vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong các phương tiện giao thông hiện nay Chính vì vậy, đề tài

“Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel” có ý nghĩa rất lớn cả về mặt lý luận và thực tiễn Việc nghiên cứu đề tài này là

cực kỳ cấp thiết và cần thiết để góp phần giải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường

do khí thải động cơ diesel hiện nay

2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu để tìm ra phương pháp đốt cháy kết hợp một loại nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quả tốt hơn Phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO trên động cơ diesel mang lại rất nhiều lợi ích về kỹ thuật, kinh tế và môi trường Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống và giảm phát thải NOx và PM gây ô nhiễm môi trường

- Thực nghiệm đánh giá đặc tính công suất và phát thải của động cơ PCCI

sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu sinh học/diesel có kết hợp hệ thống lưu hồi khí thải EGR;

- So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm để đánh giá tính khả thi của mô hình mô phỏng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

- Động cơ diesel;

- Nhiên liệu sinh học: biodiesel hoặc dầu nhiệt phân;

- Quá trình cháy nhiệt độ thấp;

b) Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm quá trình cháy hoà trộn trước một phần (PCCI) của động cơ diesel có công suất nhỏ hơn 50 kW, sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học/diesel và so sánh đối chứng với nhiên liệu diesel truyền thống (D100)

• Nghiên cứu mô phỏng:

- Ứng dụng phần mềm Ansys Fluent; xây dựng mô hình phần tử hữu hạn buồng cháy động cơ dạng hình trụ có 2 đáy bằng, cửa nạp và cửa thải bố trí trên

bề mặt trụ, đối nhau, vòi phun nhiên liệu bố trí ở giữa của nạp, nhiên liệu là hỗn hợp diesel và nhiên liệu sinh học có tỷ lệ của nhiên liệu sinh học thay đổi từ 0% đến 40%

- Xác định diễn biến thay đổi của C10H22, nhiệt độ, muội than, NOx trong không gian buồng cháy ở các mức tải khác nhau

• Nghiên cứu thực nghiệm:

- Động cơ thí nghiệm chạy ở chế độ tải tại vòng quay định mức = 1.500 v/ph trong điều kiện có luân hồi khí thải EGR (từ 0% đến 20%) và phun hai giai đoạn

- Hỗn hợp nhiên liệu diesel - nhiên liệu sinh học với tỷ lệ của nhiên liệu sinh học thay đổi từ 0% đến 40%;

- Đánh giá đặc tính công suất và phát thải của động cơ diesel làm việc ở chế độ PCCI với các quá trình thiết lập như trên;

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Làm rõ cơ sở khoa học và cơ chế hoạt động của động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI, cụ thể là quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu - không khí, sự hình thành của hỗn hợp, quá trình tỏa nhiệt và các quá trình đốt cháy

- Phân tích ảnh hưởng của các thông số như tỷ lệ EGR, thời điểm phun nhiên liệu,

áp suất phun, nhiệt độ lên quá trình cháy và các thông số công tác của động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI

- Xây dựng các mô hình mô phỏng mô tả quá trình cháy và phát thải của động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI để dự báo phát thải của động cơ

- Làm rõ cơ chế hình thành và biến thiên của các thành phần khí thải NOx, PM, trong quá trình đốt cháy của động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI

- Mở ra hướng sử dụng các nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học trong động cơ PCCI

5 Phương pháp nghiên cứu

a) Nghiên cứu lý thuyết

Phương pháp này được sử dụng để làm rõ cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu: Nghiên cứu, tổng hợp các cơ sở lý thuyết về quá trình cháy trong động cơ diesel và phương pháp đốt cháy PCCI trên động cơ diesel Mô hình mô tả quá trình cháy, tỏa nhiệt, phát thải

của động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI

b) Nghiên cứu mô phỏng

Sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến quá trình cháy của động cơ diesel: Mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel theo phương pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu dầu ăn thải bằng phần mềm ANSYS Fluent, xây dựng các bài toán mô phỏng với các điều kiện khác nhau về tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu, các chế độ PCCI khác nhau

c) Nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp này được sử dụng nhằm đánh giá thực tế hoạt động của động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu dầu ăn thải: Điều khiển

hệ thống phun nhiên liệu hai giai đoạn cho động cơ diesel thực nghiệm, tiến hành các thí nghiệm khảo sát các đặc tính của động cơ PCCI, đo đạc, phân tích các thông số của

quá trình cháy và thành phần khí thải

d) Phương pháp phân tích và tổng hợp

Phương pháp này được sử dụng để tổng hợp và đánh giá các kết quả thu được nhằm đưa ra kết luận: Phân tích, so sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

6 Điểm mới của luận án

- Xây dựng thành công mô hình của quá trình cháy nhiệt độ thấp PCCI, sử dụng phun hai giai đoạn và luân hồi khí thải, từ động cơ diesel truyền thống;

- Thiết lập thành công phương pháp để mô phỏng quá trình cháy nhiệt độ thấp PCCI sử dụng hỗn hợp diesel và nhiên liệu sinh học và so sánh đối chứng với quá trình cháy của động cơ diesel truyền thống

- Xây dựng thành công mô hình và phương pháp thực nghiệm để đánh giá các đặc tính công suất và đặc tính phát thải của động cơ diesel cháy ở chế độ PCCI, sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu diesel - nhiên liệu sinh học với tỷ lệ của nhiên liệu sinh học thay đổi từ 0% đến 40%;

7 Nội dung nghiên cứu

Mở đầu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 2: Quá trình đốt cháy nhiệt độ thấp

Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI

sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu WCO

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về NO x và phát thải PM

NOx là tên gọi chung cho các hợp chất gồm oxit nitơ (NO) và dioxide nitơ (NO2),

là sản phẩm của quá trình đốt cháy nhiên liệu trong các phương tiện giao thông, nhà máy điện, nhà máy công nghiệp và các hoạt động đốt cháy khác NOx được coi là một trong những chất gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, góp phần làm tăng sự biến đổi khí hậu, gây hại cho sức khỏe con người và gây tổn thương cho cây trồng và động vật

PM là phần tử hạt bụi, còn được gọi là muội than, là các hạt rắn hoặc lỏng nhỏ hơn 10 micromet (µm) được phát thải bởi các hoạt động đốt cháy, quá trình sản xuất, vận chuyển và các hoạt động công nghiệp khác PM có thể được phân loại theo kích thước của chúng, với PM10 là các hạt có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10 µm và PM2.5 là các hạt có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 µm PM2.5 là loại hạt nhỏ hơn

và có thể xâm nhập sâu vào phổi, gây ra các vấn đề về sức khỏe như viêm phổi, suy giảm chức năng phổi, ung thư phổi và các vấn đề về hô hấp khác

Cả NOx và PM đều được coi là các chất gây ô nhiễm không khí quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng không khí và sức khỏe của con người và môi trường tự nhiên Việc giảm thiểu phát thải NOx và PM là một trong những mục tiêu chính được quan tâm trên toàn thế giới

Việc phát minh và sử dụng động cơ diesel đã góp phần tích cực vào sự phát triển ngày càng cao của nền văn minh nhân loại, hiện đại hóa và công nghiệp hóa Thực tế cho thấy động cơ diesel đóng góp đáng kể vào sự phát triển kinh tế của mọi quốc gia trên toàn thế giới [1] Động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, giao thông vận tải và xây dựng do hiệu suất nhiệt cao hơn và tỷ

số nén cao hơn so với các động cơ xăng [2] Tuy nhiên, phát thải từ động cơ diesel, đặc biệt là NOx và PM, đã gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng liên quan đến sự phát triển kinh

tế và xã hội cũng như sức khỏe con người [3] Vì lý do đó, nhiều nghiên cứu khác nhau

đã được thực hiện về động cơ diesel trong suốt nhiều thập kỷ qua để tìm ra cách giảm thiểu phát thải NOx và PM [4][5] Hầu hết các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng nhiệt độ oxy hóa của nhiên liệu và tỷ lệ tương đương nhiên liệu - không khí (φ) là những yếu tố

chính ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của động cơ (BTE), đặc tính phát thải của NOx và

PM Nhiệt độ đốt cháy càng cao thì sự phát thải PM càng thấp và ngược lại [6][7] Do

đó, hiệu quả của việc sử dụng động cơ diesel có thể được nâng cao bằng cách hạn chế các khí thải này Có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành về việc cải thiện hiệu suất động

cơ và lượng khí thải bằng cách tăng cường hệ thống phun nhiên liệu [8][9] Ví dụ, một

số động cơ vận hành theo sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu áp suất cao, tuần hoàn khí xả (EGR), turbo tăng áp suất khí nạp đã được nghiên cứu nhằm mục đích giảm lượng khí thải cũng như nâng cao hiệu suất động cơ [10][11][12] Thực tế cho thấy rằng việc sử dụng các công nghệ xử lý khí thải trong đường ống xả Ví dụ, bộ lọc hạt động cơ diesel (DPF), hệ thống kiểm soát khí thải chọn lọc (SCR), chất xúc tác oxy hóa diesel (DOC) hoặc các phương pháp thu hồi nhiệt thải được cho là để đáp ứng lượng khí thải quy định [13][14][15] Các công nghệ xử lý khí thải được thể hiện thì không làm giảm tất cả thành phần khí thải đến mức mong muốn, luôn có các tác dụng phụ và có thể tăng áp suất ngược dẫn đến giảm hiệu suất nhiệt [16][17] Hơn nữa, việc áp dụng các công nghệ xử

lý khí thải có thể tốt hơn trong việc giảm phát thải muội than và NOx nhưng lại tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn [18] Do đó, việc cải thiện quá trình đốt cháy để nâng cao hiệu suất động cơ cũng như kiểm soát lượng khí thải ở mức nhất định là vô cùng quan trọng Hỗn hợp đồng nhất của không khí và nhiên liệu được chứng minh là yếu tố làm giảm sự hình thành của muội than Trong khi đó, tỷ lệ tương đương thấp hơn làm giảm phát thải NOx

Trong những năm gần đây, để thực hiện giảm phát thải NOx, PM và đạt được hiệu suất động cơ cần thiết, việc kiểm soát quá trình đốt cháy động cơ ở nhiệt độ thấp được coi là một phương pháp hiệu quả [19] Trong số các khái niệm đốt cháy ở nhiệt độ thấp (LTC) được giới thiệu với động cơ diesel, quá trình cháy do nén hỗn hợp hoà trộn trước (PCCI) được coi là một phương pháp tiềm năng nhằm mục đích kiểm soát phát thải NOx và PM dựa trên việc kiểm soát nhiệt độ của quá trình đốt cháy Có một số kỹ thuật được áp dụng để kiểm soát quá trình cháy của chế độ PCCI như phun hai hoặc ba giai đoạn kết hợp với phun sớm hoặc phun muộn, sử dụng góc phun hẹp, sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau hoặc EGR Ngoài các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình cháy được đề cập ở trên, áp suất phun (IP) cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình cháy trong động cơ diesel theo phương pháp PCCI

Các thông số áp suất phun, thời gian phun (IT) và nhiên liệu đóng một vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt và lượng phát thải của động cơ ở chế độ LTC [20][21] Bằng cách trì hoãn thời gian phun, nhiều nhà nghiên cứu phát hiện

ra rằng có thể hạn chế phát thải NOx [22][23] Do giảm áp suất lớn nhất trong xi lanh làm chậm thời gian phun, dẫn đến nhiệt độ đốt cháy lớn nhất thấp hơn gây ra giảm phát thải NOx [24] Ngược lại, cải tiến thời gian phun được chứng minh là hạn chế phát thải hydrocarbon chưa cháy (HC) và carbon monoxide (CO) [25] Tuy nhiên, việc cải tiến thời gian phun sẽ làm giảm hiệu suất động cơ, sự chậm lại của thời gian phun làm giảm thời gian đốt cháy vì thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu muộn và do đó nó làm giảm áp suất lớn nhất trong xi lanh cũng như làm tăng hiện tượng cháy không hoàn toàn Do đó, BTE và công suất đầu ra của động cơ giảm, nhưng mức tiêu thụ nhiên liệu (BSFC) lại tăng lên [26][27] Do đó, sự kết hợp giữa phương pháp phun nhiên liệu ở áp suất cao với việc kiểm soát quá trình đốt cháy động cơ diesel ở chế độ PCCI được cho là sẽ mang lại hiệu quả để giảm phát thải NOx và PM

1.1.1 Cơ chế hình thành NO x và phát thải PM trong động cơ diesel

Cơ chế hình thành NOx trong động cơ diesel là do quá trình đốt cháy không hoàn toàn, trong đó khí nitơ trong không khí phản ứng không khí nạp vào động cơ sẽ được oxy hóa thành NOx Ngoài ra, áp suất và nhiệt độ cao trong động cơ cũng có thể làm tăng tốc độ hình thành NOx Phát thải PM trong động cơ diesel cũng là vấn đề quan trọng, đặc biệt đối với các phương tiện vận tải lớn như tàu thủy, tàu cá và xe tải PM được tạo ra trong quá trình đốt cháy và do các phản ứng hóa học của các chất hữu cơ Kích cỡ và thành phần của PM phụ thuộc vào loại nhiên liệu được sử dụng và điều kiện vận hành của động cơ

Trong số các thành phần NOx, nitric oxide (NO) là oxit chính được tạo ra bên trong buồng đốt Quá trình oxy hóa nitơ trong khí quyển góp phần chủ yếu tạo thành

NO, được gọi là NOx nhiệt Dưới nhiệt độ đốt cháy cao, liên kết của các phân tử nitơ bị phá vỡ và trạng thái nguyên tử tách rời của nitơ tham gia vào một loạt phản ứng với oxy dẫn đến sự hình thành NOx dựa trên cơ chế nhiệt (cơ chế Zeldovich) hoặc cơ chế nhanh (cơ chế Fenimore) [28][29] Trong trường hợp mức nitơ cao hơn nó bao gồm các hợp chất bị oxy hóa sau đó chuyển thành nguồn NOx Thành phần NOx bao gồm các loại

trung gian khác nhau Hình thái của NOx chủ yếu dựa vào sự hợp nhất oxy, nhiệt độ trong buồng đốt, hệ số dư lượng không khí cao, cũng như thời gian hình thành Sự phát thải NOx không chỉ ở phía trước ngọn lửa mà còn ở khí phía sau ngọn lửa [30] Theo cơ chế Fenimore, NO được hình thành từ các thành phần HC trung gian trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, các gốc HC trung gian này phản ứng với N2 sinh ra các loại trung gian chứa CN Sau đó, NO được tạo ra thông qua các con đường phản ứng liên quan đến oxy [31] Tuy nhiên, cơ chế Fenimore chỉ phổ biến trong điều kiện giàu nhiên liệu, nơi có sẵn một lượng hợp lý các thành phần HC để phản ứng với N2 trong buồng đốt Do đó,

cơ chế Zeldovich được cho là nguyên nhân chính góp phần hình thành NOx trong hầu hết các điều kiện đốt cháy Phản ứng hóa học trong cơ chế Zeldovich ,trong điều kiện

hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO [32]:

Về cơ bản, phát thải PM từ động cơ diesel được hình thành trong quá trình đốt cháy khi một số hỗn hợp các thành phần hữu cơ được tích tụ [30], PM phát triển thông qua chất khí đến quá trình chuyển đổi hạt Chính xác PM là một hợp chất phức tạp đáng

kể của các hạt mịn cùng với các giọt chất lỏng như muội than, tro, HC và phần hữu cơ hòa tan trong nước [34] Thông thường, các kích thước, hình dạng, số lượng, diện tích

bề mặt, độ hòa tan, thành phần hóa học và nguồn gốc khác nhau được đặc trưng trong

PM được trình bày ở ba chế độ riêng biệt, đó là các hạt thô, mịn và siêu mịn trong phân

bố kích thước [35]

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình hình thành PM cùng với thành phần điển hình của PM [36]

Do sự đa dạng về hình dạng và mật độ của PM, đường kính khí động học được

sử dụng để xác định kích thước của PM trong khí quyển [37] Nói chung, cơ chế hình thành PM được minh họa trong hình 1.1

Có thể thấy rằng kích thước PM được tìm thấy ở trạng thái đầu tiên rất nhỏ từ 1nm đến 2 nm [28] Hơn nữa, các vòng gặp nhau gây ra sự đông tụ, giống như một chuỗi, giúp cho muội than phát triển thành kết tụ với kích thước từ 100 nm đến 1000

nm Các độ mờ của khói có thể cho biết hàm lượng muội than trong khí thải ra, vì vậy thông số này có thể cho thấy mối tương quan với xu hướng tạo ra PM của nhiên liệu sử dụng trong quá trình đốt cháy [38]

Hiện tượng đốt cháy không hoàn toàn các thành phần HC trong nhiên liệu được cho là tạo ra hầu hết các PM mà không có sự hiện diện của dầu bôi trơn, bắt nguồn từ các vùng cháy giàu nhiên liệu, nơi có tỷ lệ đương lượng cao hơn một Do đó, có thể hiểu rằng các hạt chủ yếu tập trung ở khu vực trung tâm của mỗi lần phun nhiên liệu trong

hệ thống phun trực tiếp (DI) của động cơ diesel [29] Nhìn chung, nhiệt độ môi trường trên 1800 Ko trong buồng đốt động cơ diesel xảy ra quá trình hình thành PM Sự phân biệt giữa cấu trúc và quá trình oxy hóa của PM tương ứng chặt chẽ với nhiệt độ xác định

sự giải phóng PM Kết quả là, sự hình thành PM và NOx có cùng mối quan hệ nghịch đảo, thường được coi là sự đánh đổi giữa PM - NOx [39]

1.1.2 Tác động và kiểm soát phát thải NO x và PM

PM được gọi là các hạt rắn hoặc lỏng, có thể là muội than hoặc khói do kích thước lớn hoặc màu tối của nó Trong khi đó, hầu hết PM là hạt mịn, được hình thành bởi các vật thể nhỏ tồn tại trong khí quyển, chẳng hạn như bột, bụi bẩn, bồ hóng, khói

và các giọt chất lỏng Các PM diesel mịn chiếm 90% thường được gọi là PM2.5 (đường kính <2,5 µm) [40] PM được hít sâu vào phổi dẫn đến bệnh hen suyễn trở nên tồi tệ hơn là viêm phếquản mãn tính và các chức năng khác của phổi Mặc dù các cơ quan hô hấp của cơ thể con người lọc ra hầu hết các hạt lớn, những hạt nhỏ hơn vẫn bị mắc kẹt trong phổi [41] Nghiêm trọng hơn, các hạt nhỏ đi qua phổi vào máu, dẫn đến ho và khó thở, hen suyễn, viêm phế quản, suy yếu chức năng phổi và tim, thậm chí đột qụy tim và

tử vong sớm

Khí thải NOx không chỉ ảnh hưởng đến tình trạng sức khỏe con người mà còn ảnh hưởng đến hệ sinh thái Nitơ dioxide (NO2) làm rối loạn phổi và khiến hệ hô hấp dễ

bị tổn thương Mặt khác, khí thải NOx là thủ phạm chính gây ra mưa axit, làm suy thoái

cả hệ sinh thái dưới nước và trên cạn [42]

Hình 1.2 cho thấy đây là những quy định về giới hạn của từng loại khí thải phát đối với các xe trong Liên minh Châu Âu (EU) và các quốc gia thành viên của khu vực kinh tế Châu Âu (EEA) Trong đó cũng bao gồm những quy định khác nhằm hạn chế biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí ở châu Âu và Mỹ Những tiêu chuẩn này được xác định trong hàng loạt chỉ thị của EU và ngày càng nghiêm ngặt

Tại Việt Nam, VinFast là đơn vị đi đầu trong việc áp dụng các tiêu chuẩn khí phát thải Euro vào những sản phẩm mà hãng sản xuất Những dòng ô tô của VinFast đều chú trọng đến yếu tố môi trường, đảm bảo tiêu chuẩn khí thải từ mức 5 (Euro 5) trở lên

Hình 1 2 Tiêu chuẩn khí thải NOx và PM trên thế giới [43]

Nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất để giảm thiểu phát thải NOx và

PM, trong đó việc áp dụng EGR đã được tìm thấy để cắt giảm phát thải NOx Mặt khác, việc sử dụng EGR làm tăng lượng khí thải PM cũng như bổ sung các cặn bám có nguồn gốc từ muội than trên các bộ phận cơ khí của động cơ Sự hiện diện của cặn là nguyên nhân chính làm suy yếu độ bền của động cơ và thậm chí nó còn làm hỏng động cơ [12] [44] Đối với ứng dụng EGR, khí thải được sử dụng để loại bỏ một phần không khí sạch trong xi lanh động cơ Kết quả là lượng oxy trong hỗn hợp nhiên liệu - không khí đầu vào cần thiết cho quá trình đốt cháy bị giảm xuống, dẫn đến tỷ lệ không khí - nhiên liệu đạt hiệu quả thấp hơn Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí nạp (hỗn hợp này bao gồm không khí trong lành và khí thải) được tăng lên, và hàm lượng oxy của hỗn hợp khí nạp

bị giảm do sự có mặt của khí thải và nhiệt dung riêng của khí thải cao hơn nhiều so với không khí sạch Do đó, hàm lượng oxy không đủ để đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp nhiên liệu - không khí và nhiệt độ ngọn lửa giảm dẫn đến hiệu suất cháy giảm, thậm chí là nhiệt độ đốt cháy Do đó, tỷ lệ hình thành NOx giảm xuống tương phản với xu hướng phát thải PM ngày càng tăng tiếp theo là giảm BTE và tổn thất công suất động cơ [45] Một phương pháp để giảm thiểu phát thải là thực hiện một trong các công nghệ xử lý

khí thải như DPF và SCR, trong đó DPF dùng để thu giữ và loại bỏ PM diesel Trong khi đó, SCR biến thành phần NOx thành nitơ và nước thông qua các phản ứng dựa trên xúc tác Mặc dù các công nghệ xử lý khí thải được cho là giảm thiểu phát thải NOx và

PM với số lượng lớn hơn, nhưng việc đầu tư và thực hiện bảo trì sẽ rất tốn kém [16] Loại bỏ các chất ô nhiễm tại nguồn là cách tiếp cận được ưa chuộng nhất trong số nhiều phương pháp giảm phát thải đã biết Ngày nay, hệ thống phun nhiên liệu diesel điện tử tiên tiến, giúp hạn chế lượng khí thải mà không làm thay đổi hiệu suất của động cơ, chắc chắn sẽ sớm được nâng cao và trở nên phổ biến trong việc cải tiến động cơ diesel [8] Một số phương pháp nhằm cải thiện sự hòa trộn nhiên liệu-không khí và động cơ diesel vận hành theo phương pháp đốt cháy khuếch tán nhằm giảm thiểu sự hình thành NOx và

PM như theo sau [46]: (i) Tăng áp suất phun nhằm kiểm soát đầu phun nhiên liệu độ xuyên thấu; (ii) Nhiên liệu được phân phối chủ yếu trong phạm vi trong xi lanh để làm ướt thành vách xi lanh ít nhất

Liên quan đến cơ chế kiểm soát giảm phát thải NOx và PM, LTC đã và đang nổi lên như một phương pháp tiềm năng trong đó nhiệt độ đốt cháy trong xylanh được giảm đáng kể thông qua việc quản lý giai đoạn đốt cháy, chế độ LTC của động cơ yêu cầu nhiệt độ cháy thấp hơn so với động cơ diesel thông thường Trong điều kiện LTC, bằng cách sử dụng EGR lớn hoặc với tỷ lệ không khí 𝜆 ≫ 1, nhiệt độ hoạt động của động cơ giảm đáng kể [47] Trong điều kiện cân bằng, quá trình đốt cháy phun nhiên liệu hoà trộn với không khí ở nhiệt độ cao được coi là nguyên nhân hình thành lượng lớn NOx, trong khi nó làm giảm lượng oxy có sẵn xung quanh nhiên liệu phun vào trong quá trình đốt cháy thông thường dẫn đến phát thải muội than cao hơn [48] Các vấn đề về hoá hơi

và hoà trộn có thể được giải quyết bằng cách áp dụng áp suất phun cao [49] Một số phương pháp như giảm tỷ số nén, tăng mức EGR và điều khiển thời gian biến thiên của

xú páp để có thêm thời gian cho quá trình hoà trộn nhiên liệu - không khí thông qua việc kéo dài độ trễ quá trình cháy (ID) Do đó, hỗn hợp loãng trong xylanh với yêu cầu về độ

đồng nhất cao khó mà hình thành trước khi bắt đầu quá trình cháy (SOC), ngay cả với

ID dài hơn Giảm nhiệt độ và áp suất cực đại trong xi-lanh đòi hỏi tỷ lệ EGR cao, nhưng

nó gây ra phạm vi hoạt động hạn chế và tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn Khó khăn hơn nữa, tỷ lệ EGR cao còn làm giảm chất lượng quá trình đốt cháy đồng thời làm giảm BTE của động cơ

Việc sử dụng chế độ LTC ở tải cao hơn cho động cơ diesel thường gặp khó khăn đáng kể trong điều kiện thực tế Mặc dù việc cung cấp tỷ lệ EGR cao hơn có thể không được áp dụng trong các động cơ hiện có, nhưng thiết bị tăng cường nạp thêm là cần thiết

để bù đắp sự thiếu hụt oxy đầu vào và giữ cho BTE của động cơ ở mức cao [50] Có thể thấy áp suất cao hơn trong buồng đốt trong khi động cơ được vận hành với tỷ lệ EGR trung bình cùng với bộ tăng áp khí nạp Vùng hòa trộn nhiên liệu - không khí không phù hợp với các vùng tỷ lệ tương đương khác nhau được cho là sẽ ảnh hưởng đáng kể đến quá trình đốt cháy và gây ra nhiều khó khăn hơn trong điều kiện vận hành động cơ diesel [29] Các động cơ diesel ngày này được sử dụng với nhiên liệu kép, nhiều lần phun, cũng như các phương pháp chồng chéo nhằm tận dụng tối đa lợi thế của chế độ LTC, mặc dù vậy nó rất tốn kém và phức tạp Những cách tiếp cận này chủ yếu tập trung vào việc tăng khả năng hòa trộn trước, giảm nhiệt độ đốt cháy trong xi lanh bằng cách hạn chế các vùng giàu nhiên liệu [51] Ngoài ra, tỷ lệ xoáy lốc cao (SR) với IP cao cho nhiên liệu phun vào sẽ nâng cao chất lượng hòa trộn của nhiên liệu và không khí trong khi giai đoạn SOC Chế độ LTC có thể cắt giảm lượng khí thải NOx và PM tương ứng xuống 85

% và 95% nhiều hơn so với động cơ diesel thông thường [52]

Trong số các phương pháp LTC, chế độ đốt cháy PCCI được coi là một biến thể của LTC được kiểm soát nhiều hơn trong quá trình đốt cháy Quá trình đốt cháy PCCI được vận hành với phương pháp phun nhiên liệu tiên tiến là phương pháp trung gian giữa HCCI (Đốt cháy do nén hỗn hợp đồng nhất) và đốt cháy DE thông thường, cung cấp đủ thời gian để hòa trộn không khí với nhiên liệu trước giai đoạn SOC [53] Trong quá trình đốt cháy PCCI, tính đồng nhất của hỗn hợp không khí - nhiên liệu tương đối kém hơn so với chế độ đốt cháy dựa trên HCCI Tuy nhiên, đốt cháy PCCI cũng giống như đốt cháy HCCI ở chỗ hầu hết nhiên liệu được đốt cháy trong giai đoạn đốt cháy hòa trộn trước dẫn đến không có giai đoạn cháy khuếch tán Quá trình này dẫn đến việc giảm đáng kể lượng phát thải NOx và PM trong điều kiện PCCI, mặc dù chế độ PCCI cũng

có trạng thái phát thải HC và CO cao hơn so với động cơ diesel thông thường Tuy nhiên,

HC và CO tương đối thấp hơn so với quá trình đốt cháy HCCI Nói chung, quá trình cháy PCCI là một cách tiếp cận trung gian giữa HCCI và động cơ diesel thông thường cho phép phát thải NOx và PM thấp hơn cũng như giữ cho việc kiểm soát tốt hơn trong giai đoạn cháy

1.2 Tổng quan về quá trình cháy trong động cơ diesel

1.2.1 Quá trình cháy trong động cơ diesel thông thường

Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt chuyển đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu thành cơ năng Trong các động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốt cháy và các sản phẩm của quá trình đốt cháy trực tiếp tác dụng lực lên piston động cơ Các loại động cơ đốt trong được sử dụng thường xuyên nhất trong xe ô tô là động cơ cháy do nén Phần lớn các động cơ cháy do nén là động cơ bốn kỳ, tức là có bốn giai đoạn riêng biệt trong một chu trình hoàn chỉnh của động cơ cháy do nén, cụ thể là, kì nạp, kì nén, kì nổ hoặc giãn

nở và kì thải

Động cơ cháy do nén khác về cơ bản với động cơ cháy nhờ tia lửa điện Không giống như động cơ cháy nhờ tia lửa điện, trong động cơ diesel chỉ có không khí được hút vào xi lanh trong quá trình nạp khí Không khí được đưa vào sau đó được nén và đến cuối hành trình nén, ngay trước TDC, nhiên liệu được phun ở áp suất cao vào không khí được nén với nhiệt độ cao trong buồng đốt Nhiên liệu có áp suất cao được đưa vào buồng đốt thông qua kim phun có năm đến tám lỗ phun nhiên liệu, tùy thuộc vào kích thước của xi lanh Nhiên liệu bị xé tơi, bay hơi và hòa trộn với không khí được nén với nhiệt độ cao và tự động bốc cháy trong xi lanh Trái ngược với động cơ xăng, thời gian hình thành hỗn hợp không khí - nhiên liệu rất ngắn trong động cơ diesel Do đó, việc phun nhanh và xé tơi nhiên liệu có thể được yêu cầu để hình thành hỗn hợp nhanh hơn trong động cơ diesel [54] Độ sáng màu vàng của ngọn lửa bắt nguồn từ các hạt muội than nóng Khi quá trình phun nhiên liệu bắt đầu, một lượng nhiên liệu bị xé tơi, hóa hơi

và hòa trộn với một phần không khí trước khi quá trình tự cháy xảy ra

Hình 1.3 minh họa quá trình đốt cháy điển hình trong động cơ diesel Hình 1.3

mô tả chuỗi hình ảnh về quá trình đốt cháy của động cơ diesel với tốc độ 1200 vòng / phút Nhiên liệu được phun vào xi lanh ở áp suất phun nhiên liệu 160 MPa bằng cách

sử dụng kim phun tám lỗ có đường kính lỗ 190 μm Bản chất không đồng nhất của quá trình đốt cháy diesel và phát triển ngọn lửa khuếch tán cùng với tiến trình của nó được minh họa như hình 1.3 Ở nhiệt độ đốt cháy cao (2000 oC - 2500oC), các hạt carbon trong ngọn lửa khuếch tán có đủ độ sáng và xuất hiện dưới dạng vùng màu vàng

Hình 1.3 Trình tự hình ảnh của quá trình đốt cháy diesel ở 1200 vòng/phút và áp suất

phun 160 MPa [43]

Khi ngọn lửa nguội đi, bức xạ từ các hạt chuyển màu từ màu cam sang màu đỏ [30] Sự xuất hiện của vùng màu nâu biểu thị vùng hỗn hợp quá giàu, nơi sinh ra muội than đáng kể Hình 1.3 ban đầu 0 CAD và 1 CAD hình ảnh chủ yếu là màu nâu do hỗn hợp giàu hơn và hòa trộn tương đối thấp hơn với không khí Khi quá trình đốt cháy diễn

ra, sự thẩm thấu không khí diễn ra nhiều hơn, quá trình hòa trộn xảy ra và quá trình đốt cháy của chúng dẫn đến nhiệt độ cao hơn, làm thay đổi màu sắc hình ảnh ở vị trí góc quay tiếp theo

Hình 1.4 cho thấy tốc độ giải phóng nhiệt (HRR) và tiến trình đốt cháy diesel đối với vị trí trục khuỷu từ khi bắt đầu đốt cháy đến khi kết thúc quá trình đốt cháy ở

1000 vòng / phút Trong hình ảnh đầu tiên, quá trình đốt cháy chỉ mới bắt đầu và hình ảnh thứ hai tất cả các lỗ phun đã phát triển ngọn lửa khuếch tán Hai hình ảnh về quá trình đốt cháy tiếp theo có cường độ cao nhất dựa trên HRR Cũng có thể quan sát được

từ hình 1.4 rằng HRR bị ảnh hưởng bởi các số lần xoáy lốc khác nhau [55] HRR tăng với số lần xoáy lốc (SN) trong suốt thời gian đốt cháy khuếch tán và ngược lại HRR giảm trong thời gian sau quá trình oxy hóa Quá trình đốt cháy hỗn hợp hòa trộn trước xuất hiện nổi bật hơn trong các đường cong HRR hiển thị cho phun nhiên liệu áp suất thấp [30] Động cơ diesel hiện đại chỉ cho thấy một phần rất nhỏ (tùy thuộc vào tải động

cơ) quá trình giải phóng nhiệt cho quá trình đốt cháy hòa trộn trước do quá trình hòa trộn được tăng tốc và giảm thời gian trì hoãn bắt lửa do áp suất phun nhiên liệu rất cao [56]

Hình 1.4 HRR và hình ảnh ngọn lửa phát quang ở mức tải 20 bar IMEP và áp suất

phun 2500 bar trong động cơ diesel [55]

Hệ thống phun nhiên liệu diesel và hệ thống kiểm soát được phát triển để phun nhiên liệu rất chính xác ở áp suất phun rất cao khoảng 2000 bar Sự phát triển của động

cơ diesel trong năm thập kỷ qua liên quan đến hệ thống phun nhiên liệu và kiểm soát của chúng được trình bày trong hình 1.5 [54] Trước kia, các động cơ diesel bắt đầu sử dụng bộ phun nhiên liệu trực tiếp được điều khiển bằng vi xử lý cùng với các bộ tăng

áp khí thải Trong những năm sau đó, tuần hoàn khí thải (EGR), chất xúc tác oxy hóa và

bộ tăng áp với hình dạng biến đổi được phát triển Các động cơ diesel hiện tại được trang

bị áp suất phun nhiên liệu cao khoảng 2000 bar, kim phun áp điện, phun trực tiếp common rail, tỷ lệ EGR cao, tăng áp kép hoặc VGT và các công nghệ xử lý sau phát thải