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

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

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH CAO ĐÀO NAM NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN VỚI HỖN HỢP HAI GIAI ĐOẠN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2024 2 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: 1- PGS TS Hoàng Anh Tuấn 2- PGS TS Trần Thị Thu Hương Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM 3 MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 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 dầu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ đã được quan tâm, sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel 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 Bằng cách 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 dầu diesel sinh học và 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 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” nhằm mục đích phân tích, đánh giá công nghệ PCCI kết hợp với WCO làm nhiên liệu cho động cơ diesel, giúp hạn chế sự phụ thuộc vào các loại nhiên liệu truyền thống và giảm ô nhiễm môi trường 2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 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 4 a) Mục tiêu lý thuyết - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy trong động cơ diesel theo phương pháp đốt cháy PCCI; - Xây dựng mô hình và mô phỏng quá trình cháy PCCI trên động cơ diesel truyền thống; - Phân tích ảnh hưởng của các thông số đầu vào như tỷ lệ nhiên liệu, thời điểm phun, áp suất phun, đến quá trình cháy PCCI; - Nghiên cứu cơ chế hình thành các thành phần khí thải NOx, PM của quá trình cháy PCCI; b) Mục tiêu thực nghiệm - Thiết lập chế độ thử nghiệm cho quá trình cháy PCCI trên động cơ diesel truyền thống; - Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun và áp suất phun đến quá trình cháy và phát thải; - 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 thí nghiệm là Kirloskar TVI - Nhiên liệu: diesel, hỗn hợp nhiên liệu diesel - WCO; - Quá trình cháy của nhiên liệu diesel, của hỗn hợp nhiên liệu diesel-WCO được tổ chức theo phương thức hòa trộn trước một phần ở bên ngoài xy lanh động cơ b) Phạm vi nghiên cứu - 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- WCO có tỷ lệ WCO 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 – Động cơ thí nghiệm chạy ở số vòng quay định mức (1.500 v/ph), ở 5 mức tài (không tải đến toàn tài); EGR thay đổi 4 mức (từ 0% đến 20%) Hỗn hợp nhiên liệu diesel - WCO với tỷ lệ WCO thay đổi 4 mức từ 0% đến 40%; 5 – Đánh giá khả năng phát công suất, hiệu suất, phát thải ô nhiễm PM và NOx trong khi xả 4 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 5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN a) Về khoa học - Luận án có ý nghĩa trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết và chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang sử dụng nhiên liệu WCO - diesel kết hợp phương pháp đốt cháy PCCI Đây là cơ sở cho việc cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải cho động cơ diesel truyền thống khi sử dụng các nguồn nhiên liệu tái tạo có tiềm năng ở nước ta - Nghiên cứu sẽ góp phần đưa ra đánh giá về mặt kỹ thuật khi sử dụng WCO - diesel làm nhiên liệu thay thế cho diesel, phương pháp đốt cháy PCCI hiện đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu và phát triển 6 b) Về thực tiễn Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu diesel pha trộn với WCO theo một tỷ lệ hòa trộn hợp lý 5 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% 6 KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN 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 7 CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về NOx và phát thải PM 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 [1] 1.1.1 Cơ chế hình thành NOx và phát thải PM trong động cơ diesel 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 có thể được tóm tắt như sau [32]: O + N2 ⇆ NO + N (1.1) N + O2 ⇆ NO + O (1.2) N + OH ⇆ NO + H (1.3) Dựa trên phân tích động học, biểu thức tổng thể cho tốc độ hình thành NOx nhiệt (d [NOx] / dt, mol / ml.s) được biểu diễn trong phương trình sau: 𝑑[𝑁𝑂𝑥] 𝑑𝑡 = 𝑇0.5 6.1016 × exp (−69,090 𝑇 ) × [𝑁2] × [𝑂2 ]0.5 (1.4) Với: [N2] – Nồng độ N2, mol/ml [O2] –Nồng độ O2, mol/ml T – Nhiệt độ tuyết đối, Ko 1.1.2 Tác động và kiểm soát phát thải NOx 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 chúng là PM mịn, được hình thành bởi các vật thể nhỏ tồn tại trong khí quyển, chẳng hạn như bột, bụi bẩn, muội than, khói và các giọt chất lỏng Các PM diesel mịn chiếm 90% thường được gọi là PM2.5 (đường kính