(Luận án tiến sĩ) Nghiên Cứu Thiết Lập Chế Độ Cháy Do Nén Với Hỗn Hợp Hai Giai Đoạn Trên Động Cơ Diesel

NCS CAO ĐÀO NAM

NGHIÊN CĄU THI¾T L¾P CH¾ Đì CHÁY DO NÉN VîI HêN HþP HAI GIAI ĐO¾N TRÊN

ĐìNG C¡ DIESEL

LU¾N ÁN TI¾N S)

Ngành: Kỹ thuật c¡ khí động lực Mã sá: 9520116

NCS CAO ĐÀO NAM

NGHIÊN CĄU THI¾T L¾P CH¾ Đì CHÁY DO NÉN VîI HêN HþP HAI GIAI ĐO¾N TRÊN

ĐìNG C¡ DIESEL LU¾N ÁN TI¾N S)

Ngành: Kỹ thuật c¡ khí động lực Mã sá: 9520116

NG¯ðI H¯îNG DẪN : 1 PGS.TS HOÀNG ANH TUÂN 2 PGS TS TRÄN THÞ THU H¯¡NG

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2024

LðI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài : <Nghiên cąu thi¿t l¿p ch¿ đí

cháy do nén vïi hën hÿp hai giai đo¿n trên đíng c¢ diesel= là công trình nghiên

cāu cÿa cá nhân tôi d°ới sự h°ớng dẫn cÿa PGS.TS Hoàng Anh TuÃn và PGS.TS Trần Thị Thu H°¡ng Các sá liệu kết quÁ nêu trong luận án là trung thực và ch°a từng đ°ợc ai công bá trong các công trình khác Các tài liệu và dữ liệu tham khÁo đều đ°ợc trích dẫn đầy đÿ!

Tp.HCM, ngày 15 tháng 02 năm 2024

Nghiên cąu sinh

Cao Đào Nam

LðI CÀM ¡N

Sau thßi gian triển khai nghiên cāu và hoàn thành luận án, nghiên cāu sinh xin bày tß lòng kính trọng và biết ¡n sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Anh TuÃn và PGS.TS Trần Thị Thu H°¡ng đã dành nhiều thßi gian, công sāc h°ớng dẫn và đóng góp những ý kiến quý giá giúp tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cÁm ¡n Ban giám hiệu - Tr°ßng Đ¿i học giao thông vận tÁi Thành phá Hồ Chí Minh, Viện đào t¿o sau đ¿i học và Viện c¡ khí đã t¿o điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cāu

Tôi xin chân thành biết ¡n TS Dhinesh Balasubramanian - Viện c¡ khí và phòng thực nghiệm động c¡, Mepco Schlenk Engineering College, Sivakasi, Tamil Nadu, Ân Độ đã giúp đỡ tôi để hoàn thành luận án này

Tôi xin đ°ợc bày tß lòng biết ¡n sâu sắc đến các thầy cô trong hội đồng, các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã có những góp ý quý báu trong suát quá trình thực hiện luận án

Tôi xin gửi lßi biết ¡n sâu sắc đến gia đình, b¿n bè đã chia sẻ, ÿng hộ và giúp đỡ tôi v°ợt qua các khó khăn và hoàn thành luận án này

Mặc dù đã có nhiều cá gắng trong suát quá trình nghiên cāu và hoàn thành luận án, nh°ng còn h¿n chế kinh nghiệm và kiến thāc, nên luận án vẫn tồn t¿i sai sót Tôi rÃt mong nhận đ°ợc ý kiến đóng góp quý báu từ các nhà khoa học và b¿n đọc nhằm hoàn thành luận án tát nhÃt

Nghiên cąu sinh Cao Đào Nam

TÓM TÀT

Nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa th¿ch ngày càng tăng, nhu cầu tìm kiếm nguồn năng l°ợng tái t¿o ngày càng trá nên quan trọng trên toàn thế giới Biodiesel đ°ợc sÁn xuÃt từ dầu thực vật có đặc tính t°¡ng tự nh° nhiên liệu diesel có nguồn gác từ dầu mß đã đ°ợc quan tâm sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động c¡ diesel

Sự phát thÁi các oxit nit¡ từ dầu thực vật và hỗn hợp cÿa nó thÃp h¡n so với nhiên liệu diesel nguyên chÃt Một giÁi pháp thay thế cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học là sử dụng dầu ăn thÁi làm nhiên liệu Việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có thể kéo dài tuổi thọ cÿa động c¡ diesel vì nó bôi tr¡n tát h¡n nhiên liệu diesel truyền tháng Nhiên liệu diesel sinh học đ°ợc sÁn xuÃt từ dầu ăn thÁi có thể tái t¿o do đó cÁi thiện an ninh nhiên liệu và tính độc lập cÿa nền kinh tế

PCCI là viết tắt cÿa "Premixed charge compression ignition", là một ph°¡ng pháp đát cháy đ°ợc sử dụng trong động c¡ diesel để cÁi thiện hiệu quÁ sử dụng nhiên liệu và giÁm l°ợng khí thÁi Động c¡ PCCI dựa trên sự kết hợp cÿa phun nhiên liệu áp suÃt cao, nén không khí và hòa trộn tr°ớc nhiên liệu và không khí để đ¿t đ°ợc quá trình đát cháy có kiểm soát Ph°¡ng pháp hòa trộn tr°ớc nhiên liệu và không khí, động c¡ có thể ho¿t động với tỷ lệ không khí - nhiên liệu ít h¡n, giúp giÁm l°ợng khí thÁi và cÁi thiện hiệu suÃt nhiên liệu WCO là viết tắt cÿa " Waste cooking oil ", là một lo¿i dầu tái chế có nguồn gác từ dầu ăn đã đ°ợc sử dụng để chiên thāc ăn WCO có thể đ°ợc sử dụng làm nguyên liệu để sÁn xuÃt nhiên liệu diesel sinh học, việc sử dụng nó làm nguồn nhiên liệu có thể giúp giÁm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa th¿ch và giÁm tác động đến môi tr°ßng Đái với động c¡ diesel, công nghệ đát cháy PCCI có thể đ°ợc sử dụng kết hợp với WCO làm nguồn nhiên liệu để tiếp tục giÁm l°ợng khí thÁi và cÁi thiện hiệu suÃt nhiên liệu Chỉ sá cetane cao cÿa WCO có thể t¿o thuận lợi cho quá trình đát cháy trong động c¡ PCCI và việc sử dụng WCO làm nguồn nhiên liệu có thể giúp giÁm l°ợng khí thÁi carbon cÿa động c¡ diesel

Trong điều kiện cụ thể á Việt Nam hiện nay, việc nghiên cāu để tìm ra ph°¡ng pháp đát cháy kết hợp một lo¿i nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quÁ tát h¡n là điều hết sāc cần thiết và cÃp bách

XuÃt phát từ lý do trên, tác giÁ đã chọn đề tài: <Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy

do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel = Để đ¿t đ°ợc mục tiêu đề ra,

luận án đã giÁi quyết các vÃn đề theo trình tự sau:

- Nghiên cāu các tác động và kiểm soát phát thÁi NOx và PM Ngoài ra, nghiên cāu quá trình cháy thông th°ßng và quá trình cháy nhiệt độ thÃp trong động c¡ diesel.Tìm hiểu tình hình nghiên cāu trong và ngoài n°ớc và việc sử dụng ph°¡ng pháp đát cháy PCCI trên động c¡ diesel làm c¡ sá để nghiên cāu sinh tìm ra các khoÁng tráng cần nghiên cāu cho luận án này Đề tài này sẽ tập trung nghiên cāu việc sử dụng ph°¡ng pháp PCCI cho động c¡ diesel t°¡ng āng với các góc phun nhiên liệu khác nhằm đánh giá các thông sá quá trình cháy và phát thÁi khi sử dụng ph°¡ng pháp đát cháy này trên động c¡ diesel Nghiên cāu PPCI kết hợp với nhiều lo¿i nhiên liệu và EGR (Exhaust gas recirculation), đó là c¡ sá lý thuyết c¡ bÁn để nghiên cāu sinh tính toán mô phßng động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu WCO

- Nghiên cāu xây dựng mô hình mô phßng quá trình cháy cÿa động c¡ diesel với sự hỗ trợ cÿa phần mềm ANSYS Fluent nhằm đánh giá các đặc tính làm việc và phát thÁi cÿa động c¡ diesel khi sử dụng ph°¡ng pháp đát cháy PCCI kết hợp với Biodiesel WCO Kết quÁ nghiên cāu dựa trên mô hình rái RNG k- ε đã đ°ợc thực hiện để đánh giá tác động cÿa việc phun hai giai đo¿n đái với các quá trình đát cháy cÿa WCO (B10, B20, B30, B40) và nhiên liệu diesel (D100)

- Nghiên cāu thực nghiệm đái chāng trên động c¡ diesel một xi lanh nhằm so sánh với kết quÁ mô phßng cũng nh° đánh giá các yếu tá Ánh h°áng đến đặc tính kỹ thuật và phát thÁi khi sử dụng ph°¡ng pháp đát cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO

Từ kết quÁ cÿa quá trình nghiên cāu mô phßng và thực nghiệm cho thÃy việc sử dụng ph°¡ng pháp đát cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO trên động c¡ diesel mang l¿i rÃt nhiều lợi ích về kỹ thuật, kinh tế và môi tr°ßng Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO giúp giÁm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền tháng và giÁm phát thÁi gây ô nhiễm môi tr°ßng

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

phát th¿i

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

b) Māc tiêu thăc nghiám: 3

3 Đåi t°ÿng và ph¿m vi nghiên cąu 3

a) Đåi t°ÿng nghiên cąu 3

a) Nghiên cąu lý thuy¿t 5

b) Nghiên cąu mô phãng 6

c) Nghiên cąu thăc nghiám 6

d) Ph°¢ng pháp phân tích và téng hÿp 6

6 Điám mïi căa lu¿n án 6

7 Níi dung nghiên cąu 7

CH¯¡NG 1 NGHIÊN CĄU TèNG QUAN 8

1.1 Téng quan vß NOxvà phát thÁi PM 8

1.1.1 C¡ chế hình thành NOx và phát thÁi PM trong động c¡ diesel 10

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

1.2 Téng quan vß quá trình cháy trong đíng c¢ diesel 17

1.2.1 Quá trình cháy trong động c¡ diesel thông th°ßng 17

1.2.2 Quá trình cháy nhiệt độ thÃp trong động c¡ diesel 22

1.3 Tình hình nghiên cąu và sÿ dāng đíng c¢ PCCI trên th¿ giïi và Viát Nam 26

1.3.1 Tình hình nghiên cāu và sử dụng động c¡ PCCI trên thế giới 26

1.3.2 Tình hình nghiên cāu và sử dụng động c¡ PCCI á Việt Nam 30

1.4 K¿t lu¿n ch°¢ng 1 31

CH¯¡NG 2 QUÁ TRÌNH ĐäT CHÁY NHIàT Đì THÂP 32

2.1 Nguyên lý đåt cháy ó nhiát đí thÃp 32

2.2 N¿p hën hÿp đçng nhÃt và đåt cháy do nén 39

2.2.1 Nguyên lý quá trình cháy đồng nhÃt 39

2.2.2 Quá trình tự cháy và giÁi phóng nhiệt HCCI 42

2.2.3 Đặc điểm quá trình cháy HCCI 44

2.3 Đåt cháy hën hÿp đçng nhÃt hòa trín tr°ïc do nén 47

2.4 K¿t lu¿n ch°¢ng 2 54

CH¯¡NG 3 NGHIÊN CĄU MÔ PHâNG ĐìNG C¡ DIESEL ĐäT CHÁY THEO PH¯¡NG PHÁP PCCI Sþ DĀNG CÁC HêN HþP NHIÊN LIàU WCO 55

3.1 Đặt vÃn đß 55

3.2 Đåi t°ÿng nghiên cąu và nhiên liáu mô phãng 56

3.2.1 Động c¡ nghiên cāu 56

3.2.2 Nhiên liệu nghiên cāu 56

3.3 Xây dăng mô hình mô phãng 59

3.3.1 Phần mềm mô phßng ANSYS Fluent 59

3.3.2 C¡ sá lý thuyết mô hình ngọn lửa trong quá trình đát cháy PCCI trong phần mềm ANSYS Fluent 60

3.4 Xây dăng mô hình mô phãng 65

3.4.1 Mô hình phần tử hữu h¿n và thiết lập mô phßng 65

3.4.2 Điều kiện biên 68

3.5 K¿t quÁ mô phãng 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 K¿t lu¿n ch°¢ng 3 81

CH¯¡NG 4 NGHIÊN CĄU THĂC NGHIàM 83

4.1 Māc tiêu thăc nghiám 83

4.1.1 Đặt vÃn đề 83

4.1.2 Mục tiêu nghiên cāu thực nghiệm 83

4.2 Ph¿m vi và đißu kián thăc nghiám 83

4.3 Quy trình, ch¿ đí và trang thi¿t bß thÿ nghiám 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 K¿t quÁ thăc nghiám và thÁo lu¿n 93

4.4.1 Kết quÁ thực nghiệm đánh giá các đặc tính động c¡ 93

4.4.2 Kết quÁ thực nghiệm đánh giá các đặc tính động c¡ khi sử dụng B20 và EGR 98

4.4.3 Kết quÁ thực nghiệm đánh giá các đặc tính động c¡ khi sử dụng B20 -EGR (20%) và phun hai giai đo¿n 102

4.4.4 Kết quÁ thực nghiệm đánh giá các thông sá quá trình cháy động c¡ 106

4.4.5 Kết quÁ thực nghiệm đánh giá phát thÁi động c¡ 123

4.5 So sánh k¿t quÁ tính toán mô phãng vïi k¿t quÁ thăc nghiám 129

DANH MĀC CÁC KÝ HIàU VÀ CHĀ VI¾T TÀT Ký hiáu,

chā vi¿t

Ghi chú

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 đát cháy gác tự do) ATAC Active thermo - atmosphere combustion (Quá trình đát cháy

nhiệt khí chÿ động) BR Burn rate (Tác độ cháy)

BTDC Before top dead center (Tr°ớc điểm chết trên) BTE Brake thermal efficiency (Hiệu suÃt 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 chÃt lßng)

CHRR Cumulative heat release rate (L°ợng nhiệt giÁi phóng tích lũy) CI Compression ignition (Động c¡ cháy do nén)

CIHC Compression ignited homogeneous charge (Đát cháy đồng nhÃt do nén)

CN Cetane number (Chỉ sá cetan) CO Carbon monoxide (Nồng độ CO) CP Cylinder pressure (Áp suÃt xi lanh) CR Compresstion ratio (Tỷ sá nén)

DCN Derived cetane number (Chỉ sá cetan nguồn gác) DE Diesel engine (Động c¡ diesel)

DI Direct injection (Động c¡ phun nhiên liệu trực tiếp)

Ký hiáu, chā vi¿t

Ghi chú

DOC Diesel oxidation catalyst (Xúc tác oxi hoá động c¡ diesel) DPF Diesel particulate filter (Bộ lọc muội than)

ECL Exhaust center lift timing (Thßi điểm nâng xú páp thÁi) EGR Exhaust gas recirculation (Hệ tháng tuần hoàn khí xÁ) EOC End of combustion (Kết thúc cháy)

EOI End of injection (Kết thúc phun)

EVC Exhaust valve closing timing (Thßi điểm đóng xú páp thÁi) HCCI Homogeneous charge compression (Nén hỗn hợp đồng nhÃt) HRR Heat release rate (Tác độ giÁi phóng nhiệt)

IMEP Indicated mean effective pressure (Áp suÃt trung bình chỉ thị) IMP Intake manifold pressure (Áp suÃt đ°ßng áng n¿p)

IP Injection pressure (Áp suÃt phun) IT Injection time (Thßi gian phun)

LTC Low temperature combustion (Cháy nhiệt độ thÃp) MFB Mass fraction burned (Phần khái l°ợng bị đát cháy) MGT Mean gas temperature (Nhiệt độ khí trung bình) MK Modulated kinetics (Động học điều biến)

NHRR Net heat release rate (Tác độ tßa nhiệt ròng)

OKP Optimized kinetic process (Quá trình động học tái °u hóa) PCCI Partially premixed compression ignition (Cháy do nén hỗn hợp

tr°ớc một phần)

PM Particulate matters (Muội than)

PREDIC Premixed Lean Diesel Combustion (Đát cháy diesel hỗn hợp nghèo hòa trộn tr°ớc)

Ký hiáu, chā vi¿t

Ghi chú

RCCI Reactivity controlled compression ignition (Kiểm soát phÁn āng cháy do nén)

ROI Rate of injection (Tỷ lệ phun)

RON Research octane number (Chỉ sá octan) RP Rail pressure (Áp suÃt đ°ßng áng chung) RPR Rate of pressure rise (Tác độ tăng áp suÃt)

SCCI Stratified Charge Compression Ignition (Đát cháy do nén hỗn hợp phân tầng)

SCR Selective catalytic reduction (Kiểm soát khí thÁi chọn lọc) SI Spark ignition (Góc đánh lửa)

SR Swirl rate (Tỉ lệ xoáy lác)

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 tháng đát cháy cồng kềnh đồng nhÃt)

VCR Variable compression ratio (Tỉ sá nén biên thiên)

VGT Variable geometry turbocharger (Bộ tăng áp thay đổi hình d¿ng) WCO Waste cooking oil (Dầu ăn thÁi)

DANH MĀC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 S¡ đồ quá trình hình thành PM cùng với thành phần điển hình cÿa PM [36] 12Hình 1 2 Tiêu chuẩn khí thÁi NOx và PM trên thế giới [43] 14 Hình 1.3 Trình tự hình Ánh cÿa quá trình đát cháy diesel á 1200 vòng/phút và áp suÃt phun 160 MPa [43] 18Hình 1.4 HRR và hình Ánh ngọn lửa phát quang á māc tÁi 20 bar IMEP và áp suÃt phun 2500 bar trong động c¡ diesel [55] 19 Hình 1.5 Sự hình thành phát triển cÿa động c¡ diesel [54] 21 Hình 1.6 Mô hình về quá trình phun nhiên liệu trong động c¡ diesel [59] 22 Hình 1.7 Trình bày s¡ đồ ba chế độ đát cháy chính và các quá trình trung gian trong động c¡ đát trong [61] 24 Hình 1.8 Các ph°¡ng pháp đát cháy dựa trên phÁn āng nhiên liệu [43] 25 Hình 1.9 Xu h°ớng hợp nhÃt công nghệ động c¡ diesel và động c¡ xăng thông th°ßng vào động c¡ LTC [43] 25 Hình 2.1 (a) Minh họa về quá trình hình thành NOx và muội than trong quá trình đát cháy động c¡ diesel [58][85]; (b) Vùng vận hành LTC trên bÁn đồ φ-T [79][86][87][88] 34 Hình 2.2 Sự phát triển cÿa các ph°¡ng pháp đát cháy khác nhau trong động c¡ IC 38 Hình 2.3 (a) Quá trình đát cháy HCCI (b) So sánh quá trình đát cháy cÿa động c¡ xăng, động c¡ diesel và HCCI trong chu kỳ bán kỳ 40 Hình 2.4 Minh họa giÁi phóng nhiệt một và hai giai đo¿n trong quá trình đát cháy HCCI cho hai lo¿i nhiên liệu khác nhau [102] 43 Hình 2.5 ¯u điểm cÿa động c¡ HCCI, những khó khăn lớn và các giÁi pháp 45 Hình 2.6 Sự thay đổi cÿa HHR cho PCCI phun trực tiếp sớm - muộn và động c¡ diesel thông th°ßng [58][119][120] 50 Hình 2.7 Mô hình khái niệm cho quá trình đát cháy diesel thông th°ßng và LTC (phun một lần pha loãng) cho động c¡ h¿ng nặng [91] 52 Hình 2.8 Sự biến đổi cÿa NOx và muội than với EGR á 8 bar IMEP cho (a) CR = 12.4 và (b) CR = 17.1 [147]) 53

Hình 3.1 S¡ đồ ternary cho nhũ t°¡ng WCO với ethanol và n°ớc 58

Hình 3.2 S¡ đồ thuật toán tách biệt trên c¡ sá áp suÃt 64

Hình 3.3 Hình học cÿa buồng đát với các lựa chọn đ°ợc đặt tên 65

Hình 3.4 Mô hình phần tử hữu h¿n 65

Hình 3.5 Sá liệu chÃt l°ợng phần tử 66

Hình 3.6 Vận tác cÿa nhiên liệu(Điều kiện biên tuần hoàn) 67

Hình 3.6 Nhiệt độ bên trong xi lanh 67

Hình 3.8 Phần khái l°ợng cÿa diesel 68

Hình 3.9 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 19,5 Nm 69

Hình 3.10 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 14,625 Nm 69

Hình 3.11 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 9,75 Nm 70

70

Hình 3.12 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 4,875 Nm 70

Hình 3.13 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 19,5 Nm 71

Hình 3.14 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 14,625 Nm 72

Hình 3.15 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 9,75 Nm 72

Hình 3.16 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 4,875 Nm 73

Hình 3.17 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 19,5 Nm 74

Hình 3.18 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 14,625 Nm 74

Hình 3.19 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 9,75 Nm 75

Hình 3.20 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 4,875 Nm 75

Hình 3.21 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 19,5 Nm 76

Hình 3.22 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 14,625 Nm 77

Hình 3.23 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 9,75 Nm 78

Hình 3.24 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 4,875 Nm 78

Hình 3.25 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 19,5 Nm 79

Hình 3.26 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 14,625 Nm 79

Hình 3.27 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 9,75 Nm 80

Hình 3.28 Kết quÁ mô phßng āng với mômen xoắn 4,875 Nm 80

Hình 4.1 Quy trình sÁn xuÃt metyl este dầu ăn thÁi 85

Hình 4.2 Động c¡ Kirloskar TV1 86

Hình 4.3 Thiết lập góc phun chính 89

Hình 4.4 Thiết lập góc phun theo ph°¡ng pháp đát cháy PCCI 90

Hình 4.5 Thiết lập l°ợng phun theo ph°¡ng pháp đát cháy PCCI 90

Hình 4.6 S¡ đồ bá trí thử nghiệm PCCI 91

Hình 4.7 S¡ đồ bá trí chi tiết về các bộ phận cÿa hệ tháng nhiên liệu 92

Hình 4.8 Đồ thị thể hiện công suÃt động c¡ t¿i các māc tÁi trọng và lo¿i nhiên liệu khác nhau 94

Hình 4.9 Đồ thị thể hiện hiệu suÃt nhiệt động c¡ t¿i các māc tÁi trọng và lo¿i nhiên liệu khác nhau 95

Hình 4.10 Đồ thị thể hiện suÃt tiêu hao nhiên liệu t¿i các māc tÁi trọng và lo¿i nhiên liệu khác nhau 96

Hình 4.11 Đồ thị thể hiện áp suÃt có ích trung bình t¿i các māc tÁi trọng, và lo¿i nhiên liệu khác nhau 97

Hình 4.12 Đồ thị thể hiện công suÃt động c¡ với nhiên liệu B20 và EGR 98

Hình 4.13 Đồ thị thể hiện hiệu suÃt nhiệt động c¡ với nhiên liệu B20 và EGR 99

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

Hình 4.15 Đồ thị thể hiện áp suÃt có ích trung bình động c¡ sử dụng nhiên liệu B20 và có hệ tháng EGR làm việc 101

Hình 4.16 Đồ thị thể hiện công suÃt động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ tháng EGR làm việc 20% āng với các góc phun khác nhau 103

Hình 4.17 Đồ thị thể hiện hiệu suÃt nhiệt động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ tháng EGR làm việc 20% āng với các góc phun khác nhau 104

Hình 4.18 Đồ thị thể hiện suÃt tiêu hao nhiên liệu cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ tháng EGR làm việc 20% āng với các góc phun khác nhau 105

Hình 4.19 Đồ thị thể hiện Áp suÃt có ích trung bình cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ tháng EGR làm việc 20% āng với các góc phun khác nhau 106

Hình 4.20 Đồ thị thể hiện áp suÃt xi lanh cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30, B40 107Hình 4.21 Đồ thị thể hiện khái l°ợng nhiên liệu đát cháy cÿa động c¡ khi sử dụng khái nhiên liệu B10, B20, B30, B40 108 Hình 4.22 Đồ thị thể hiện thßi gian đát cháy cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30, B40 109Hình 4.23 Đồ thị thể hiện l°ợng nhiệt giÁi phóng tích lũy cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30, B40 110 Hình 4.24 Đồ thị thể hiện nhiệt độ khí trung bình cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30, B40 111Hình 4.25 Đồ thị thể hiện áp suÃt xi lanh cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 112Hình 4.26 Đồ thị thể hiện khái l°ợng nhiên liệu đát cháy cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 113 Hình 4.27 Đồ thị thể hiện thßi gian đát cháy cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 114Hình 4.28 Đồ thị thể hiện l°ợng nhiệt giÁi phóng tích lũy cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 115 Hình 4.29 Đồ thị thể hiện nhiệt độ khí trung bình cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 và EGR khác nhau 116Hình 4.30 Đồ thị thể hiện áp suÃt xy lanh cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 117 Hình 4.31 Đồ thị thể hiện khái l°ợng nhiên liệu đát cháy cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 118 Hình 4.32 Đồ thị thể hiện thßi gian cháy cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 120Hình 4.33 Đồ thị thể hiện l°ợng nhiệt giÁi phóng tích lũy cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 121 Hình 4.34 Đồ thị thể nhiệt độ khí trung bình cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 - EGR 20% - PCCI khác nhau 122

Hình 4.35 Đồ thị thể hiện thông sá phát thÁi cÿa động c¡ khi sử dụng các lo¿i nhiên liệu.

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

Hình PL1.8 S¡ đồ điều khiển l°ợng phun nhiên liệu 158

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

Hình PL2.2 Kiểm tra kết nái máy tính với băng thử tr°ớc khi ch¿y thử nghiệm 159

Hình PL2.3 XuÃt kết quÁ sau khi ch¿y thử nghiệm 160

DANH MĀC BÀNG BIàU

BÁng 3.1 Thông sá kỹ thuật cÿa động c¡ Kirloskar TV1 56

BÁng 3.2 Tính chÃt cÿa WCO và nhiên liệu diesel 57

BÁng 4.1 Thông sá kỹ thuật động c¡ thực hiện các thực nghiệm āng với các māc tÁi trọng và lo¿i nhiên liệu khác nhau 93

BÁng 4.2 Công suÃt động c¡ t¿i các māc tÁi trọng và lo¿i nhiên liệu khác nhau 93

BÁng 4.3 Hiệu suÃt nhiệt động c¡ t¿i các māc tÁi trọng, và lo¿i nhiên liệu 94

BÁng 4.4 SuÃt tiêu hao nhiên liệu t¿i các māc tÁi trọng, và lo¿i nhiên liệu 95

BÁng 4.5 Áp suÃt có ích trung bình t¿i các māc tÁi trọng, và lo¿i nhiên liệu 97

BÁng 4.6 Công suÃt động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 và có hệ tháng EGR 98

BÁng 4.7 Hiệu suÃt nhiệt động c¡ với nhiên liệu B20 và có hệ tháng EGR 99

BÁng 4.8 SuÃt tiêu hao nhiên liệu với nhiên liệu B20 và có hệ tháng EGR làm việc 100 BÁng 4.9 Áp suÃt có ích trung bình động c¡ sử dụng nhiên liệu B20 và EGR 101

BÁng 4.10 Công suÃt động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ tháng EGR làm việc 20% āng với các góc phun khác nhau tr°ớc điểm chết trên 102

BÁng 4.11 Hiệu suÃt nhiệt động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ tháng EGR làm việc 20% āng với các góc phun khác nhau tr°ớc điểm chết trên 103

BÁng 4.12 SuÃt tiêu hao nhiên liệu cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ tháng EGR làm việc 20% āng với các góc phun khác nhau 104

BÁng 4.13 Áp suÃt có ích trung bình cÿa động c¡ khi sử dụng nhiên liệu B20 – hệ tháng EGR làm việc 20% āng với các góc phun khác nhau 105

BÁng 4.14 Thông sá phát thÁi cÿa động c¡ khi sử dụng các lo¿i nhiên liệu 123

BÁng 4.15 Thông sá phát thÁi cÿa động c¡ khi sử dụng B20 và EGR 125

BÁng 4.16 Thông sá phát thÁi cÿa động c¡ khi sử dụng B20 EGR 20% và PCCI 127

BÁng PL 1.1 Thông sá các dụng cụ đo……….157

Mò ĐÄU 1 Lý do chán đß tài

Hiện nay, vÃn đề ô nhiễm môi tr°ßng và sự suy giÁm các nguồn tài nguyên thiên nhiên đang là mái quan tâm hàng đầu trên toàn cầu Trong đó, khí thÁi từ các ph°¡ng tiện giao thông vận tÁi, đặc biệt là các lo¿i xe sử dụng động c¡ đát trong nh° động c¡ xăng và động c¡ diesel đóng vai trò quan trọng Theo tháng kê, l°ợng khí thÁi từ ph°¡ng tiện giao thông chiếm tới 70% l°ợng khí thÁi tổng thể á các đô thị Các thành phần khí thÁi độc h¿i nh° CO, NOx, HC, h¿t mịn PM không những gây ô nhiễm môi tr°ßng mà còn Ánh h°áng trực tiếp đến sāc khße con ng°ßi

Các nhà khoa học trên thế giới đã đ°a ra nhiều giÁi pháp để giÁm thiểu l°ợng khí thÁi độc h¿i từ động c¡ đát trong Trong đó, giÁi pháp thay đổi ph°¡ng pháp đát cháy trong động c¡ đ°ợc xem là triển vọng và hiệu quÁ, ví dụ nh° chuyển từ cháy nhiệt độ cao chuyển từ cháy nhiệt dộ thÃp trong động c¡ diesel Các ph°¡ng thāc đát cháy mới nh° HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) cho phép đát cháy nhiên liệu đồng nhÃt h¡n, giÁm hình thành các vùng hỗn hợp đậm, từ đó h¿n chế quá trình hình thành khí NOx Đái với động c¡ diesel, các ph°¡ng pháp đát cháy mới này cũng cho phép giÁm thiểu sự hình thành h¿t mịn PM trong khí thÁi

Tuy nhiên, việc āng dụng các ph°¡ng pháp đát cháy mới trên động c¡ diesel cũng gặp nhiều thách thāc Cụ thể, động c¡ HCCI dù có °u điểm là giÁm NOx và PM nh°ng l¿i bị h¿n chế về ph¿m vi ho¿t động và khó khăn trong việc điều khiển quá trình cháy Trong khi đó, động c¡ PCCI dù có thể má rộng ph¿m vi ho¿t động nh°ng vẫn còn tồn t¿i vÃn đề về độ ổn định quá trình cháy và māc độ giÁm NOx ch°a cao Chính vì vậy, các nhà khoa học đang tích cực nghiên cāu cÁi tiến quá trình đát cháy PCCI để khai thác tái đa °u điểm cÿa ph°¡ng pháp này Một trong sá các h°ớng nghiên cāu đó là kết hợp PCCI với nhiên liệu sinh học để cÁi thiện quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy

Bên c¿nh đó, nhiên liệu cũng là một yếu tá quan trọng Ánh h°áng đến quá trình cháy và phát thÁi cÿa động c¡ diesel Việc sử dụng các lo¿i nhiên liệu thay thế nh° dầu

thực vật, dầu tái chế trong động c¡ diesel cũng cho thÃy nhiều triển vọng trong việc cÁi thiện đặc tính cháy và giÁm phát thÁi Tuy nhiên, Ánh h°áng cÿa nhiên liệu đến động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI còn ch°a đ°ợc nghiên cāu một cách toàn diện Chính vì vậy, việc kết hợp nhiên liệu thay thế với ph°¡ng pháp đát cháy PCCI đ°ợc kỳ vọng sẽ phát huy đ°ợc hiệu quÁ cÿa cÁ hai ph°¡ng diện

Về mặt lý luận, đề tài sẽ góp phần làm sáng tß c¡ chế ho¿t động và cÁi tiến quá trình đát cháy PCCI nhß āng dụng kỹ thuật phun nhiên liệu hai giai đo¿n, đồng thßi làm rõ Ánh h°áng cÿa nhiên liệu thay thế đến quá trình cháy và phát thÁi cÿa động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI

Về mặt thực tiễn, kết quÁ nghiên cāu sẽ cung cÃp luận cā và c¡ sá khoa học cho việc vận dụng ph°¡ng pháp đát cháy PCCI kết hợp nhiên liệu sinh học nhằm nâng cao hiệu suÃt động c¡, tiết kiệm nhiên liệu và giÁm thiểu ô nhiễm môi tr°ßng Điều này phù hợp với chÿ tr°¡ng và định h°ớng phát triển công nghiệp ô tô cÿa Việt Nam theo thông t° sá 06/2021/TT-BGTVT cÿa Bộ giao thông vận tÁi

Nh° vậy, có thể thÃy rằng vÃn đề nghiên cāu nâng cao hiệu quÁ đát cháy và giÁm thiểu ô nhiễm khí thÁi trên động c¡ diesel thông qua việc cÁi tiến quá trình đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI và āng dụng các lo¿i nhiên liệu thay thế là hết sāc cÃp thiết Đặc biệt t¿i Việt Nam, các nghiên cāu về vÃn đề này còn rÃt h¿n chế, trong khi động c¡ diesel vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong các ph°¡ng tiện giao thông hiện nay Chính vì vậy, đề tài <Nghiên cąu thi¿t l¿p ch¿ đí cháy do nén vïi hën hÿp hai giai đo¿n trên đíng c¢

diesel= có ý nghĩa rÃt lớn cÁ về mặt lý luận và thực tiễn Việc nghiên cāu đề tài này là cực kỳ cÃp thiết và cần thiết để góp phần giÁi quyết các vÃn đề về ô nhiễm môi tr°ßng do khí thÁi động c¡ diesel hiện nay

2 Māc tiêu căa đß tài

Nghiên cāu để tìm ra ph°¡ng pháp đát cháy kết hợp một lo¿i nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quÁ tát h¡n Ph°¡ng pháp đát cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO trên động c¡ diesel mang l¿i rÃt nhiều lợi ích về kỹ thuật, kinh tế và môi tr°ßng Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO giúp giÁm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền tháng và giÁm phát thÁi NOxvà PM gây ô nhiễm môi tr°ßng

b) Māc tiêu thăc nghiám:

- Thiết lập chế độ thử nghiệm cho quá trình cháy PCCI trên động c¡ diesel truyền tháng;

- Thực nghiệm đánh giá Ánh h°áng cÿa thßi điểm phun và áp suÃt phun đến quá trình cháy và phát thÁi;

- Thực nghiệm đánh giá đặc tính công suÃt và phát thÁi cÿa động c¡ PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu sinh học/diesel có kết hợp hệ tháng l°u hồi khí thÁi EGR;

- So sánh kết quÁ mô phßng và kết quÁ thực nghiệm để đánh giá tính khÁ thi cÿa mô hình mô phßng

3 Đåi t°ÿng và ph¿m vi nghiên cąu a) Đåi t°ÿng nghiên cąu

- Động c¡ diesel;

- Nhiên liệu sinh học: biodiesel hoặc dầu nhiệt phân; - Quá trình cháy nhiệt độ thÃp;

b) Ph¿m vi nghiên cąu:

Nghiên cāu mô phßng và thực nghiệm quá trình cháy hoà trộn tr°ớc một phần (PCCI) cÿa động c¡ diesel có công suÃt nhß h¡n 50 kW, sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học/diesel và so sánh đái chāng với nhiên liệu diesel truyền tháng (D100)

• Nghiên cąu mô phãng:

- Āng dụng phần mềm Ansys Fluent; xây dựng mô hình phần tử hữu h¿n buồng cháy động c¡ d¿ng hình trụ có 2 đáy bằng, cửa n¿p và cửa thÁi bá trí trên bề mặt trụ, đái nhau, vòi phun nhiên liệu bá trí á giữa cÿa n¿p, nhiên liệu là hỗn hợp diesel và nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cÿa nhiên liệu sinh học thay đổi từ 0% đến 40%

- Xác định diễn biến thay đổi cÿa C10H22, nhiệt độ, muội than, NOx trong không gian buồng cháy á các māc tÁi khác nhau

• Nghiên cąu thăc nghiám:

- Động c¡ thí nghiệm ch¿y á chế độ tÁi t¿i vòng quay định māc = 1.500 v/ph trong điều kiện có luân hồi khí thÁi EGR (từ 0% đến 20%) và phun hai giai đo¿n

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

- Đánh giá đặc tính công suÃt và phát thÁi cÿa động c¡ diesel làm việc á chế độ PCCI với các quá trình thiết lập nh° trên;

4 Ý ngh*a khoa hác và thăc tißn

a) Về khoa học

Đề tài "Nghiên cąu thi¿t l¿p ch¿ đí cháy do nén vïi hën hÿp hai giai đo¿n trên

đíng c¢ diesel" có ý nghĩa khoa học to lớn trong việc cÁi tiến và nâng cao hiệu quÁ cÿa

động c¡ diesel bằng cách áp dụng ph°¡ng pháp đát cháy PCCI tiên tiến Về mặt lý thuyết, đề tài đóng góp các luận cā khoa học sau:

- Làm rõ c¡ sá khoa học và c¡ chế ho¿t động cÿa động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI, cụ thể là quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu - không khí, sự hình thành cÿa hỗn hợp, quá trình tßa nhiệt và các quá trình đát cháy

- Phân tích Ánh h°áng cÿa các thông sá nh° tỷ lệ EGR, thßi điểm phun nhiên liệu, áp suÃt phun, nhiệt độ lên quá trình cháy và các thông sá công tác cÿa động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI

- Xây dựng các mô hình mô phßng mô tÁ quá trình cháy và phát thÁi cÿa động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI để dự báo phát thÁi cÿa động c¡

- Làm rõ c¡ chế hình thành và biến thiên cÿa các thành phần khí thÁi NOx, PM, trong quá trình đát cháy cÿa động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI

- Má ra h°ớng sử dụng các nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học trong động c¡ PCCI

5 Ph°¢ng pháp nghiên cąu

a) Nghiên cứu lý thuyết

Ph°¡ng pháp này đ°ợc sử dụng để làm rõ c¡ sá lý thuyết cho nghiên cāu: Nghiên cāu, tổng hợp các c¡ sá lý thuyết về quá trình cháy trong động c¡ diesel và ph°¡ng pháp đát cháy PCCI trên động c¡ diesel Mô hình mô tÁ quá trình cháy, tßa nhiệt, phát thÁi

cÿa động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI

b) Nghiên cứu mô phỏng

Sử dụng để đánh giá Ánh h°áng cÿa các thông sá đến quá trình cháy cÿa động c¡ diesel: Mô phßng quá trình cháy trong động c¡ diesel theo ph°¡ng pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu dầu ăn thÁi bằng phần mềm ANSYS Fluent, xây dựng các bài toán mô phßng với các điều kiện khác nhau về tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu, các chế độ PCCI khác nhau

c) Nghiên cứu thực nghiệm

Ph°¡ng pháp này đ°ợc sử dụng nhằm đánh giá thực tế ho¿t động cÿa động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu dầu ăn thÁi: Điều khiển hệ tháng phun nhiên liệu hai giai đo¿n cho động c¡ diesel thực nghiệm, tiến hành các thí nghiệm khÁo sát các đặc tính cÿa động c¡ PCCI, đo đ¿c, phân tích các thông sá cÿa

quá trình cháy và thành phần khí thÁi

d) Phương pháp phân tích và tổng hợp

Ph°¡ng pháp này đ°ợc sử dụng để tổng hợp và đánh giá các kết quÁ thu đ°ợc nhằm đ°a ra kết luận: Phân tích, so sánh kết quÁ mô phßng và kết quÁ thực nghiệm

6 Điám mïi căa lu¿n án

- Xây dựng thành công mô hình cÿa quá trình cháy nhiệt độ thÃp PCCI, sử dụng phun hai giai đo¿n và luân hồi khí thÁi, từ động c¡ diesel truyền tháng;

- Thiết lập thành công ph°¡ng pháp để mô phßng quá trình cháy nhiệt độ thÃp PCCI sử dụng hỗn hợp diesel và nhiên liệu sinh học và so sánh đái chāng với quá trình cháy cÿa động c¡ diesel truyền tháng

- Xây dựng thành công mô hình và ph°¡ng pháp thực nghiệm để đánh giá các đặc tính công suÃt và đặc tính phát thÁi cÿa động c¡ diesel cháy á chế độ PCCI, sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu diesel - nhiên liệu sinh học với tỷ lệ cÿa nhiên liệu sinh học thay đổi từ 0% đến 40%;

7 Níi dung nghiên cąu

Má đầu

Ch°¡ng 1: Nghiên cāu tổng quan

Ch°¡ng 2: Quá trình đát cháy nhiệt độ thÃp

Ch°¡ng 3: Nghiên cāu mô phßng động c¡ diesel đát cháy theo ph°¡ng pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu WCO

Ch°¡ng 4: Nghiên cāu thực nghiệm Kết luận chung và h°ớng phát triển

CH¯¡NG 1 NGHIÊN CĄU TèNG QUAN 1.1 Téng quan vß NOx và phát thÁi PM

NOxlà tên gọi chung cho các hợp chÃt gồm oxit nit¡ (NO) và dioxide nit¡ (NO2), là sÁn phẩm cÿa quá trình đát cháy nhiên liệu trong các ph°¡ng tiện giao thông, nhà máy điện, nhà máy công nghiệp và các ho¿t động đát cháy khác NOx đ°ợc coi là một trong những chÃt gây ô nhiễm môi tr°ßng nghiêm trọng, góp phần làm tăng sự biến đổi khí hậu, gây h¿i cho sāc khße con ng°ßi và gây tổn th°¡ng cho cây trồng và động vật

PM là phần tử h¿t bụi, còn đ°ợc gọi là muội than, là các h¿t rắn hoặc lßng nhß h¡n 10 micromet (µm) đ°ợc phát thÁi bái các ho¿t động đát cháy, quá trình sÁn xuÃt, vận chuyển và các ho¿t động công nghiệp khác PM có thể đ°ợc phân lo¿i theo kích th°ớc cÿa chúng, với PM10 là các h¿t có đ°ßng kính nhß h¡n hoặc bằng 10 µm và PM2.5 là các h¿t có đ°ßng kính nhß h¡n hoặc bằng 2.5 µm PM2.5 là lo¿i h¿t nhß h¡n và có thể xâm nhập sâu vào phổi, gây ra các vÃn đề về sāc khße nh° viêm phổi, suy giÁm chāc năng phổi, ung th° phổi và các vÃn đề về hô hÃp khác

CÁ NOx và PM đều đ°ợc coi là các chÃt gây ô nhiễm không khí quan trọng, Ánh h°áng đến chÃt l°ợng không khí và sāc khße cÿa con ng°ßi và môi tr°ßng tự nhiên Việc giÁm thiểu phát thÁi NOx và PM là một trong những mục tiêu chính đ°ợc quan tâm trên toàn thế giới

Việc phát minh và sử dụng động c¡ diesel đã góp phần tích cực vào sự phát triển ngày càng cao cÿa nền văn minh nhân lo¿i, hiện đ¿i hóa và công nghiệp hóa Thực tế cho thÃy động c¡ diesel đóng góp đáng kể vào sự phát triển kinh tế cÿa mọi quác gia trên toàn thế giới [1] Động c¡ diesel đ°ợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau nh° nông nghiệp, giao thông vận tÁi và xây dựng do hiệu suÃt nhiệt cao h¡n và tỷ sá nén cao h¡n so với các động c¡ xăng [2] Tuy nhiên, phát thÁi từ động c¡ diesel, đặc biệt là NOx và PM, đã gây ra nhiều vÃn đề nghiêm trọng liên quan đến sự phát triển kinh tế và xã hội cũng nh° sāc khße con ng°ßi [3] Vì lý do đó, nhiều nghiên cāu khác nhau đã đ°ợc thực hiện về động c¡ diesel trong suát nhiều thập kỷ qua để tìm ra cách giÁm thiểu phát thÁi NOx và PM [4][5] Hầu hết các nhà nghiên cāu nhận thÃy rằng nhiệt độ oxy hóa cÿa nhiên liệu và tỷ lệ t°¡ng đ°¡ng nhiên liệu - không khí (φ) là những yếu tá

chính Ánh h°áng đến hiệu suÃt nhiệt cÿa động c¡ (BTE), đặc tính phát thÁi cÿa NOx và PM Nhiệt độ đát cháy càng cao thì sự phát thÁi PM càng thÃp và ng°ợc l¿i [6][7] Do đó, hiệu quÁ cÿa việc sử dụng động c¡ diesel có thể đ°ợc nâng cao bằng cách h¿n chế các khí thÁi này Có rÃt nhiều nghiên cāu đ°ợc tiến hành về việc cÁi thiện hiệu suÃt động c¡ và l°ợng khí thÁi bằng cách tăng c°ßng hệ tháng phun nhiên liệu [8][9] Ví dụ, một sá động c¡ vận hành theo s¡ đồ hệ tháng phun nhiên liệu áp suÃt cao, tuần hoàn khí xÁ (EGR), turbo tăng áp suÃt khí n¿p đã đ°ợc nghiên cāu nhằm mục đích giÁm l°ợng khí thÁi cũng nh° nâng cao hiệu suÃt động c¡ [10][11][12] Thực tế cho thÃy rằng việc sử dụng các công nghệ xử lý khí thÁi trong đ°ßng áng xÁ Ví dụ, bộ lọc h¿t động c¡ diesel (DPF), hệ tháng kiểm soát khí thÁi chọn lọc (SCR), chÃt xúc tác oxy hóa diesel (DOC) hoặc các ph°¡ng pháp thu hồi nhiệt thÁi đ°ợc cho là để đáp āng l°ợng khí thÁi quy định [13][14][15] Các công nghệ xử lý khí thÁi đ°ợc thể hiện thì không làm giÁm tÃt cÁ thành phần khí thÁi đến māc mong muán, luôn có các tác dụng phụ và có thể tăng áp suÃt ng°ợc dẫn đến giÁm hiệu suÃt nhiệt [16][17] H¡n nữa, việc áp dụng các công nghệ xử lý khí thÁi có thể tát h¡n trong việc giÁm phát thÁi muội than và NOx nh°ng l¿i tiêu tán nhiều nhiên liệu h¡n [18] Do đó, việc cÁi thiện quá trình đát cháy để nâng cao hiệu suÃt động c¡ cũng nh° kiểm soát l°ợng khí thÁi á māc nhÃt định là vô cùng quan trọng Hỗn hợp đồng nhÃt cÿa không khí và nhiên liệu đ°ợc chāng minh là yếu tá làm giÁm sự hình thành cÿa muội than Trong khi đó, tỷ lệ t°¡ng đ°¡ng thÃp h¡n làm giÁm phát thÁi NOx

Trong những năm gần đây, để thực hiện giÁm phát thÁi NOx, PM và đ¿t đ°ợc hiệu suÃt động c¡ cần thiết, việc kiểm soát quá trình đát cháy động c¡ á nhiệt độ thÃp đ°ợc coi là một ph°¡ng pháp hiệu quÁ [19] Trong sá các khái niệm đát cháy á nhiệt độ thÃp (LTC) đ°ợc giới thiệu với động c¡ diesel, quá trình cháy do nén hỗn hợp hoà trộn tr°ớc (PCCI) đ°ợc coi là một ph°¡ng pháp tiềm năng nhằm mục đích kiểm soát phát thÁi NOx và PM dựa trên việc kiểm soát nhiệt độ cÿa quá trình đát cháy Có một sá kỹ thuật đ°ợc áp dụng để kiểm soát quá trình cháy cÿa chế độ PCCI nh° phun hai hoặc ba giai đo¿n kết hợp với phun sớm hoặc phun muộn, sử dụng góc phun hẹp, sử dụng nhiều lo¿i nhiên liệu khác nhau hoặc EGR Ngoài các yếu tá quan trọng Ánh h°áng đến quá trình cháy đ°ợc đề cập á trên, áp suÃt phun (IP) cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình cháy trong động c¡ diesel theo ph°¡ng pháp PCCI

Các thông sá áp suÃt phun, thßi gian phun (IT) và nhiên liệu đóng một vai trò quan trọng trong việc Ánh h°áng đến hiệu suÃt nhiệt và l°ợng phát thÁi cÿa động c¡ á chế độ LTC [20][21] Bằng cách trì hoãn thßi gian phun, nhiều nhà nghiên cāu phát hiện ra rằng có thể h¿n chế phát thÁi NOx [22][23] Do giÁm áp suÃt lớn nhÃt trong xi lanh làm chậm thßi gian phun, dẫn đến nhiệt độ đát cháy lớn nhÃt thÃp h¡n gây ra giÁm phát thÁi NOx [24] Ng°ợc l¿i, cÁi tiến thßi gian phun đ°ợc chāng minh là h¿n chế phát thÁi hydrocarbon ch°a cháy (HC) và carbon monoxide (CO) [25] Tuy nhiên, việc cÁi tiến thßi gian phun sẽ làm giÁm hiệu suÃt động c¡, sự chậm l¿i cÿa thßi gian phun làm giÁm thßi gian đát cháy vì thßi điểm bắt đầu phun nhiên liệu muộn và do đó nó làm giÁm áp suÃt lớn nhÃt trong xi lanh cũng nh° làm tăng hiện t°ợng cháy không hoàn toàn Do đó, BTE và công suÃt đầu ra cÿa động c¡ giÁm, nh°ng māc tiêu thụ nhiên liệu (BSFC) l¿i tăng lên [26][27] Do đó, sự kết hợp giữa ph°¡ng pháp phun nhiên liệu á áp suÃt cao với việc kiểm soát quá trình đát cháy động c¡ diesel á chế độ PCCI đ°ợc cho là sẽ mang l¿i hiệu quÁ để giÁm phát thÁi NOx và PM

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

C¡ chế hình thành NOx trong động c¡ diesel là do quá trình đát cháy không hoàn toàn, trong đó khí nit¡ trong không khí phÁn āng không khí n¿p vào động c¡ sẽ đ°ợc oxy hóa thành NOx Ngoài ra, áp suÃt và nhiệt độ cao trong động c¡ cũng có thể làm tăng tác độ hình thành NOx Phát thÁi PM trong động c¡ diesel cũng là vÃn đề quan trọng, đặc biệt đái với các ph°¡ng tiện vận tÁi lớn nh° tàu thÿy, tàu cá và xe tÁi PM đ°ợc t¿o ra trong quá trình đát cháy và do các phÁn āng hóa học cÿa các chÃt hữu c¡ Kích cỡ và thành phần cÿa PM phụ thuộc vào lo¿i nhiên liệu đ°ợc sử dụng và điều kiện vận hành cÿa động c¡

Trong sá các thành phần NOx, nitric oxide (NO) là oxit chính đ°ợc t¿o ra bên trong buồng đát Quá trình oxy hóa nit¡ trong khí quyển góp phần chÿ yếu t¿o thành NO, đ°ợc gọi là NOx nhiệt D°ới nhiệt độ đát cháy cao, liên kết cÿa các phân tử nit¡ bị phá vỡ và tr¿ng thái nguyên tử tách rßi cÿa nit¡ tham gia vào một lo¿t phÁn āng với oxy dẫn đến sự hình thành NOxdựa trên c¡ chế nhiệt (c¡ chế Zeldovich) hoặc c¡ chế nhanh (c¡ chế Fenimore) [28][29] Trong tr°ßng hợp māc nit¡ cao h¡n nó bao gồm các hợp chÃt bị oxy hóa sau đó chuyển thành nguồn NOx Thành phần NOx bao gồm các lo¿i

trung gian khác nhau Hình thái cÿa NOx chÿ yếu dựa vào sự hợp nhÃt oxy, nhiệt độ trong buồng đát, hệ sá d° l°ợng không khí cao, cũng nh° thßi gian hình thành Sự phát thÁi NOx không chỉ á phía tr°ớc ngọn lửa mà còn á khí phía sau ngọn lửa [30] Theo c¡ chế Fenimore, NO đ°ợc hình thành từ các thành phần HC trung gian trong quá trình đát cháy nhiên liệu, các gác HC trung gian này phÁn āng với N2 sinh ra các lo¿i trung gian chāa CN Sau đó, NO đ°ợc t¿o ra thông qua các con đ°ßng phÁn āng liên quan đến oxy [31] Tuy nhiên, c¡ chế Fenimore chỉ phổ biến trong điều kiện giàu nhiên liệu, n¡i có sẵn một l°ợng hợp lý các thành phần HC để phÁn āng với N2 trong buồng đát Do đó, c¡ chế Zeldovich đ°ợc cho là nguyên nhân chính góp phần hình thành NOx trong hầu hết các điều kiện đát cháy PhÁn āng hóa học trong c¡ chế Zeldovich ,trong điều kiện hệ sá d° l°ợng không khí xÃp xỉ 1, những phÁn āng chính t¿o thành và phân hÿy NO [32]:

O + N2⇆ NO + N (1.1) N + O2 ⇆ NO + O (1.2) N + OH ⇆ NO + H (1.3) PhÁn āng (1.3) xÁy ra khi hỗn hợp rÃt giàu NO t¿o thành trong màng lửa và trong sÁn phẩm cháy phía sau màng lửa Trong động c¡, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suÃt cao, vùng phÁn āng rÃt mßng và thßi gian cháy rÃt ngắn; thêm vào đó, áp suÃt trong xilanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ cÿa khí cháy tr°ớc cao h¡n nhiệt độ đ¿t đ°ợc ngay sau khi ra khßi khu vực màng lửa nên đ¿i bộ phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa Dựa trên phân tích động học, biểu thāc tổng thể cho tác độ hình thành NOx nhiệt (d [NOx] / dt, mol / ml.s) đ°ợc biểu diễn trong ph°¡ng trình sau [33]:

þþ =6.10�㕇0.516 × exp (269,090�㕇 ) × [ý2] × [þ2 ]0.5 (1.4) Với, : [N2] – Nồng độ N2, mol/ml;

[O2] –Nồng độ O2, mol/ml; T – Nhiệt độ tuyệt đái, Ko

Về c¡ bÁn, phát thÁi PM từ động c¡ diesel đ°ợc hình thành trong quá trình đát cháy khi một sá hỗn hợp các thành phần hữu c¡ đ°ợc tích tụ [30], PM phát triển thông qua chÃt khí đến quá trình chuyển đổi h¿t Chính xác PM là một hợp chÃt phāc t¿p đáng kể cÿa các h¿t mịn cùng với các giọt chÃt lßng nh° muội than, tro, HC và phần hữu c¡ hòa tan trong n°ớc [34] Thông th°ßng, các kích th°ớc, hình d¿ng, sá l°ợng, diện tích bề mặt, độ hòa tan, thành phần hóa học và nguồn gác khác nhau đ°ợc đặc tr°ng trong PM đ°ợc trình bày á ba chế độ riêng biệt, đó là các h¿t thô, mịn và siêu mịn trong phân bá kích th°ớc [35]

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

Do sự đa d¿ng về hình d¿ng và mật độ cÿa PM, đ°ßng kính khí động học đ°ợc sử dụng để xác định kích th°ớc cÿa PM trong khí quyển [37] Nói chung, c¡ chế hình thành PM đ°ợc minh họa trong hình 1.1

Có thể thÃy rằng kích th°ớc PM đ°ợc tìm thÃy á tr¿ng thái đầu tiên rÃt nhß từ 1nm đến 2 nm [28] H¡n nữa, các vòng gặp nhau gây ra sự đông tụ, giáng nh° một chuỗi, giúp cho muội than phát triển thành kết tụ với kích th°ớc từ 100 nm đến 1000 nm Các độ mß cÿa khói có thể cho biết hàm l°ợng muội than trong khí thÁi ra, vì vậy thông sá này có thể cho thÃy mái t°¡ng quan với xu h°ớng t¿o ra PM cÿa nhiên liệu sử dụng trong quá trình đát cháy [38]

Hiện t°ợng đát cháy không hoàn toàn các thành phần HC trong nhiên liệu đ°ợc cho là t¿o ra hầu hết các PM mà không có sự hiện diện cÿa dầu bôi tr¡n, bắt nguồn từ các vùng cháy giàu nhiên liệu, n¡i có tỷ lệ đ°¡ng l°ợng cao h¡n một Do đó, có thể hiểu rằng các h¿t chÿ yếu tập trung á khu vực trung tâm cÿa mỗi lần phun nhiên liệu trong hệ tháng phun trực tiếp (DI) cÿa động c¡ diesel [29] Nhìn chung, nhiệt độ môi tr°ßng trên 1800 Ko trong buồng đát động c¡ diesel xÁy ra quá trình hình thành PM Sự phân biệt giữa cÃu trúc và quá trình oxy hóa cÿa PM t°¡ng āng chặt chẽ với nhiệt độ xác định sự giÁi phóng PM Kết quÁ là, sự hình thành PM và NOx có cùng mái quan hệ nghịch đÁo, th°ßng đ°ợc coi là sự đánh đổi giữa PM - NOx [39]

1.1.2 Tác động và kiểm soát phát thải NOx và PM

PM đ°ợc gọi là các h¿t rắn hoặc lßng, có thể là muội than hoặc khói do kích th°ớc lớn hoặc màu tái cÿa nó Trong khi đó, hầu hết PM là h¿t mịn, đ°ợc hình thành bái các vật thể nhß tồn t¿i trong khí quyển, chẳng h¿n nh° bột, bụi bẩn, bồ hóng, khói và các giọt chÃt lßng Các PM diesel mịn chiếm 90% th°ßng đ°ợc gọi là PM2.5 (đ°ßng kính <2,5 µm) [40] PM đ°ợc hít sâu vào phổi dẫn đến bệnh hen suyễn trá nên tồi tệ h¡n là viêm phếquÁn mãn tính và các chāc năng khác cÿa phổi Mặc dù các c¡ quan hô hÃp cÿa c¡ thể con ng°ßi lọc ra hầu hết các h¿t lớn, những h¿t nhß h¡n vẫn bị mắc kẹt trong phổi [41] Nghiêm trọng h¡n, các h¿t nhß đi qua phổi vào máu, dẫn đến ho và khó thá, hen suyễn, viêm phế quÁn, suy yếu chāc năng phổi và tim, thậm chí đột qụy tim và tử vong sớm

Khí thÁi NOx không chỉ Ánh h°áng đến tình tr¿ng sāc khße con ng°ßi mà còn Ánh h°áng đến hệ sinh thái Nit¡ dioxide (NO2) làm rái lo¿n phổi và khiến hệ hô hÃp dễ bị tổn th°¡ng Mặt khác, khí thÁi NOx là thÿ ph¿m chính gây ra m°a axit, làm suy thoái cÁ hệ sinh thái d°ới n°ớc và trên c¿n [42]

Hình 1.2 cho thÃy đây là những quy định về giới h¿n cÿa từng lo¿i khí thÁi phát đái với các xe trong Liên minh Châu Âu (EU) và các quác gia thành viên cÿa khu vực kinh tế Châu Âu (EEA) Trong đó cũng bao gồm những quy định khác nhằm h¿n chế biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí á châu Âu và Mỹ Những tiêu chuẩn này đ°ợc xác định trong hàng lo¿t chỉ thị cÿa EU và ngày càng nghiêm ngặt

T¿i Việt Nam, VinFast là đ¡n vị đi đầu trong việc áp dụng các tiêu chuẩn khí phát thÁi Euro vào những sÁn phẩm mà hãng sÁn xuÃt Những dòng ô tô cÿa VinFast đều chú trọng đến yếu tá môi tr°ßng, đÁm bÁo tiêu chuẩn khí thÁi từ māc 5 (Euro 5) trá lên

Hình 1 2 Tiêu chuẩn khí th¿i NOx và PM trên thế giới [43]

Nhiều ph°¡ng pháp khác nhau đã đ°ợc đề xuÃt để giÁm thiểu phát thÁi NOx và PM, trong đó việc áp dụng EGR đã đ°ợc tìm thÃy để cắt giÁm phát thÁi NOx Mặt khác, việc sử dụng EGR làm tăng l°ợng khí thÁi PM cũng nh° bổ sung các cặn bám có nguồn gác từ muội than trên các bộ phận c¡ khí cÿa động c¡ Sự hiện diện cÿa cặn là nguyên nhân chính làm suy yếu độ bền cÿa động c¡ và thậm chí nó còn làm hßng động c¡ [12] [44] Đái với āng dụng EGR, khí thÁi đ°ợc sử dụng để lo¿i bß một phần không khí s¿ch trong xi lanh động c¡ Kết quÁ là l°ợng oxy trong hỗn hợp nhiên liệu - không khí đầu vào cần thiết cho quá trình đát cháy bị giÁm xuáng, dẫn đến tỷ lệ không khí - nhiên liệu đ¿t hiệu quÁ thÃp h¡n Nhiệt dung riêng cÿa hỗn hợp khí n¿p (hỗn hợp này bao gồm không khí trong lành và khí thÁi) đ°ợc tăng lên, và hàm l°ợng oxy cÿa hỗn hợp khí n¿p bị giÁm do sự có mặt cÿa khí thÁi và nhiệt dung riêng cÿa khí thÁi cao h¡n nhiều so với không khí s¿ch Do đó, hàm l°ợng oxy không đÿ để đát cháy hoàn toàn hỗn hợp nhiên liệu - không khí và nhiệt độ ngọn lửa giÁm dẫn đến hiệu suÃt cháy giÁm, thậm chí là nhiệt độ đát cháy Do đó, tỷ lệ hình thành NOx giÁm xuáng t°¡ng phÁn với xu h°ớng phát thÁi PM ngày càng tăng tiếp theo là giÁm BTE và tổn thÃt công suÃt động c¡ [45] Một ph°¡ng pháp để giÁm thiểu phát thÁi là thực hiện một trong các công nghệ xử lý

khí thÁi nh° DPF và SCR, trong đó DPF dùng để thu giữ và lo¿i bß PM diesel Trong khi đó, SCR biến thành phần NOx thành nit¡ và n°ớc thông qua các phÁn āng dựa trên xúc tác Mặc dù các công nghệ xử lý khí thÁi đ°ợc cho là giÁm thiểu phát thÁi NOx và PM với sá l°ợng lớn h¡n, nh°ng việc đầu t° và thực hiện bÁo trì sẽ rÃt tán kém [16] Lo¿i bß các chÃt ô nhiễm t¿i nguồn là cách tiếp cận đ°ợc °a chuộng nhÃt trong sá nhiều ph°¡ng pháp giÁm phát thÁi đã biết Ngày nay, hệ tháng phun nhiên liệu diesel điện tử tiên tiến, giúp h¿n chế l°ợng khí thÁi mà không làm thay đổi hiệu suÃt cÿa động c¡, chắc chắn sẽ sớm đ°ợc nâng cao và trá nên phổ biến trong việc cÁi tiến động c¡ diesel [8] Một sá ph°¡ng pháp nhằm cÁi thiện sự hòa trộn nhiên liệu-không khí và động c¡ diesel vận hành theo ph°¡ng pháp đát cháy khuếch tán nhằm giÁm thiểu sự hình thành NOx và PM nh° theo sau [46]: (i) Tăng áp suÃt phun nhằm kiểm soát đầu phun nhiên liệu độ xuyên thÃu; (ii) Nhiên liệu đ°ợc phân phái chÿ yếu trong ph¿m vi trong xi lanh để làm °ớt thành vách xi lanh ít nhÃt

Liên quan đến c¡ chế kiểm soát giÁm phát thÁi NOx và PM, LTC đã và đang nổi lên nh° một ph°¡ng pháp tiềm năng trong đó nhiệt độ đát cháy trong xylanh đ°ợc giÁm đáng kể thông qua việc quÁn lý giai đo¿n đát cháy, chế độ LTC cÿa động c¡ yêu cầu nhiệt độ cháy thÃp h¡n so với động c¡ diesel thông th°ßng Trong điều kiện LTC, bằng cách sử dụng EGR lớn hoặc với tỷ lệ không khí ÿ ≫ 1, nhiệt độ ho¿t động cÿa động c¡ giÁm đáng kể [47] Trong điều kiện cân bằng, quá trình đát cháy phun nhiên liệu hoà trộn với không khí á nhiệt độ cao đ°ợc coi là nguyên nhân hình thành l°ợng lớn NOx, trong khi nó làm giÁm l°ợng oxy có sẵn xung quanh nhiên liệu phun vào trong quá trình đát cháy thông th°ßng dẫn đến phát thÁi muội than cao h¡n [48] Các vÃn đề về hoá h¡i và hoà trộn có thể đ°ợc giÁi quyết bằng cách áp dụng áp suÃt phun cao [49] Một sá ph°¡ng pháp nh° giÁm tỷ sá nén, tăng māc EGR và điều khiển thßi gian biến thiên cÿa xú páp để có thêm thßi 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 nhÃt cao khó mà hình thành tr°ớc khi bắt đầu quá trình cháy (SOC), ngay cÁ với

ID dài h¡n GiÁm nhiệt độ và áp suÃt cực đ¿i trong xi-lanh đòi hßi tỷ lệ EGR cao, nh°ng nó gây ra ph¿m vi ho¿t động h¿n chế và tiêu tán nhiều nhiên liệu h¡n Khó khăn h¡n nữa, tỷ lệ EGR cao còn làm giÁm chÃt l°ợng quá trình đát cháy đồng thßi làm giÁm BTE cÿa động c¡

Việc sử dụng chế độ LTC á tÁi cao h¡n cho động c¡ diesel th°ßng gặp khó khăn đáng kể trong điều kiện thực tế Mặc dù việc cung cÃp tỷ lệ EGR cao h¡n có thể không đ°ợc áp dụng trong các động c¡ hiện có, nh°ng thiết bị tăng c°ßng n¿p thêm là cần thiết để bù đắp sự thiếu hụt oxy đầu vào và giữ cho BTE cÿa động c¡ á māc cao [50] Có thể thÃy áp suÃt cao h¡n trong buồng đát trong khi động c¡ đ°ợc vận hành với tỷ lệ EGR trung bình cùng với bộ tăng áp khí n¿p Vùng hòa trộn nhiên liệu - không khí không phù hợp với các vùng tỷ lệ t°¡ng đ°¡ng khác nhau đ°ợc cho là sẽ Ánh h°áng đáng kể đến quá trình đát cháy và gây ra nhiều khó khăn h¡n trong điều kiện vận hành động c¡ diesel [29] Các động c¡ diesel ngày này đ°ợc sử dụng với nhiên liệu kép, nhiều lần phun, cũng nh° các ph°¡ng pháp chồng chéo nhằm tận dụng tái đa lợi thế cÿa chế độ LTC, mặc dù vậy nó rÃt tán kém và phāc t¿p Những cách tiếp cận này chÿ yếu tập trung vào việc tăng khÁ năng hòa trộn tr°ớc, giÁm nhiệt độ đát cháy trong xi lanh bằng cách h¿n chế các vùng giàu nhiên liệu [51] Ngoài ra, tỷ lệ xoáy lác cao (SR) với IP cao cho nhiên liệu phun vào sẽ nâng cao chÃt l°ợng hòa trộn cÿa nhiên liệu và không khí trong khi giai đo¿n SOC Chế độ LTC có thể cắt giÁm l°ợng khí thÁi NOx và PM t°¡ng āng xuáng 85 % và 95% nhiều h¡n so với động c¡ diesel thông th°ßng [52]

Trong sá các ph°¡ng pháp LTC, chế độ đát cháy PCCI đ°ợc coi là một biến thể cÿa LTC đ°ợc kiểm soát nhiều h¡n trong quá trình đát cháy Quá trình đát cháy PCCI đ°ợc vận hành với ph°¡ng pháp phun nhiên liệu tiên tiến là ph°¡ng pháp trung gian giữa HCCI (Đát cháy do nén hỗn hợp đồng nhÃt) và đát cháy DE thông th°ßng, cung cÃp đÿ thßi gian để hòa trộn không khí với nhiên liệu tr°ớc giai đo¿n SOC [53] Trong quá trình đát cháy PCCI, tính đồng nhÃt cÿa hỗn hợp không khí - nhiên liệu t°¡ng đái kém h¡n so với chế độ đát cháy dựa trên HCCI Tuy nhiên, đát cháy PCCI cũng giáng nh° đát cháy HCCI á chỗ hầu hết nhiên liệu đ°ợc đát cháy trong giai đo¿n đát cháy hòa trộn tr°ớc dẫn đến không có giai đo¿n cháy khuếch tán Quá trình này dẫn đến việc giÁm đáng kể l°ợng phát thÁi NOx và PM trong điều kiện PCCI, mặc dù chế độ PCCI cũng có tr¿ng thái phát thÁi HC và CO cao h¡n so với động c¡ diesel thông th°ßng Tuy nhiên, HC và CO t°¡ng đái thÃp h¡n so với quá trình đát cháy HCCI Nói chung, quá trình cháy PCCI là một cách tiếp cận trung gian giữa HCCI và động c¡ diesel thông th°ßng cho phép phát thÁi NOx và PM thÃp h¡n cũng nh° giữ cho việc kiểm soát tát h¡n trong giai đo¿n cháy

1.2 Téng quan vß quá trình cháy trong đíng c¢ diesel

1.2.1 Quá trình cháy trong động cơ diesel thông thường

Động c¡ đát trong là động c¡ nhiệt chuyển đổi năng l°ợng hóa học cÿa nhiên liệu thành c¡ năng Trong các động c¡ đát trong, nhiên liệu đ°ợc đát cháy và các sÁn phẩm cÿa quá trình đát cháy trực tiếp tác dụng lực lên piston động c¡ Các lo¿i động c¡ đát trong đ°ợc sử dụng th°ßng xuyên nhÃt trong xe ô tô là động c¡ cháy do nén Phần lớn các động c¡ cháy do nén là động c¡ bán kỳ, tāc là có bán giai đo¿n riêng biệt trong một chu trình hoàn chỉnh cÿa động c¡ cháy do nén, cụ thể là, kì n¿p, kì nén, kì nổ hoặc giãn ná và kì thÁi

Động c¡ cháy do nén khác về c¡ bÁn với động c¡ cháy nhß tia lửa điện Không giáng nh° động c¡ cháy nhß tia lửa điện, trong động c¡ diesel chỉ có không khí đ°ợc hút vào xi lanh trong quá trình n¿p khí Không khí đ°ợc đ°a vào sau đó đ°ợc nén và đến cuái hành trình nén, ngay tr°ớc TDC, nhiên liệu đ°ợc phun á áp suÃt cao vào không khí đ°ợc nén với nhiệt độ cao trong buồng đát Nhiên liệu có áp suÃt cao đ°ợc đ°a vào buồng đát thông qua kim phun có năm đến tám lỗ phun nhiên liệu, tùy thuộc vào kích th°ớc cÿa xi lanh Nhiên liệu bị xé t¡i, bay h¡i và hòa trộn với không khí đ°ợc nén với nhiệt độ cao và tự động bác cháy trong xi lanh Trái ng°ợc với động c¡ xăng, thßi gian hình thành hỗn hợp không khí - nhiên liệu rÃt ngắn trong động c¡ diesel Do đó, việc phun nhanh và xé t¡i nhiên liệu có thể đ°ợc yêu cầu để hình thành hỗn hợp nhanh h¡n trong động c¡ diesel [54] Độ sáng màu vàng cÿa ngọn lửa bắt nguồn từ các h¿t muội than nóng Khi quá trình phun nhiên liệu bắt đầu, một l°ợng nhiên liệu bị xé t¡i, hóa h¡i và hòa trộn với một phần không khí tr°ớc khi quá trình tự cháy xÁy ra

Hình 1.3 minh họa quá trình đát cháy điển hình trong động c¡ diesel Hình 1.3 mô tÁ chuỗi hình Ánh về quá trình đát cháy cÿa động c¡ diesel với tác độ 1200 vòng / phút Nhiên liệu đ°ợc phun vào xi lanh á áp suÃt phun nhiên liệu 160 MPa bằng cách sử dụng kim phun tám lỗ có đ°ßng kính lỗ 190 μm BÁn chÃt không đồng nhÃt cÿa quá trình đát cháy diesel và phát triển ngọn lửa khuếch tán cùng với tiến trình cÿa nó đ°ợc minh họa nh° hình 1.3 à nhiệt độ đát cháy cao (2000 oC - 2500oC), các h¿t carbon trong ngọn lửa khuếch tán có đÿ độ sáng và xuÃt hiện d°ới d¿ng vùng màu vàng

Hình 1.3 Trình tự hình ¿nh của quá trình đốt cháy diesel ở 1200 vòng/phút và áp suÁt phun 160 MPa [43]

Khi ngọn lửa nguội đi, bāc x¿ từ các h¿t chuyển màu từ màu cam sang màu đß [30] Sự xuÃt hiện cÿa vùng màu nâu biểu thị vùng hỗn hợp quá giàu, n¡i sinh ra muội than đáng kể Hình 1.3 ban đầu 0 CAD và 1 CAD hình Ánh chÿ yếu là màu nâu do hỗn hợp giàu h¡n và hòa trộn t°¡ng đái thÃp h¡n với không khí Khi quá trình đát cháy diễn ra, sự thẩm thÃu không khí diễn ra nhiều h¡n, quá trình hòa trộn xÁy ra và quá trình đát cháy cÿa chúng dẫn đến nhiệt độ cao h¡n, làm thay đổi màu sắc hình Ánh á vị trí góc quay tiếp theo

Hình 1.4 cho thÃy tác độ giÁi phóng nhiệt (HRR) và tiến trình đát cháy diesel đái với vị trí trục khuỷu từ khi bắt đầu đát cháy đến khi kết thúc quá trình đát cháy á 1000 vòng / phút Trong hình Ánh đầu tiên, quá trình đát cháy chỉ mới bắt đầu và hình Ánh thā hai tÃt cÁ các lỗ phun đã phát triển ngọn lửa khuếch tán Hai hình Ánh về quá trình đát cháy tiếp theo có c°ßng độ cao nhÃt dựa trên HRR Cũng có thể quan sát đ°ợc từ hình 1.4 rằng HRR bị Ánh h°áng bái các sá lần xoáy lác khác nhau [55] HRR tăng với sá lần xoáy lác (SN) trong suát thßi gian đát cháy khuếch tán và ng°ợc l¿i HRR giÁm trong thßi gian sau quá trình oxy hóa Quá trình đát cháy hỗn hợp hòa trộn tr°ớc xuÃt hiện nổi bật h¡n trong các đ°ßng cong HRR hiển thị cho phun nhiên liệu áp suÃt thÃp [30] Động c¡ diesel hiện đ¿i chỉ cho thÃy một phần rÃt nhß (tùy thuộc vào tÁi động

c¡) quá trình giÁi phóng nhiệt cho quá trình đát cháy hòa trộn tr°ớc do quá trình hòa trộn đ°ợc tăng tác và giÁm thßi gian trì hoãn bắt lửa do áp suÃt phun nhiên liệu rÃt cao [56]

Hình 1.4 HRR và hình ¿nh ngọn lửa phát quang ở mức t¿i 20 bar IMEP và áp suÁt phun 2500 bar trong động c¡ diesel [55]

Hệ tháng phun nhiên liệu diesel và hệ tháng kiểm soát đ°ợc phát triển để phun nhiên liệu rÃt chính xác á áp suÃt phun rÃt cao khoÁng 2000 bar Sự phát triển cÿa động c¡ diesel trong năm thập kỷ qua liên quan đến hệ tháng phun nhiên liệu và kiểm soát cÿa chúng đ°ợc trình bày trong hình 1.5 [54] Tr°ớc kia, các động c¡ diesel bắt đầu sử dụng bộ phun nhiên liệu trực tiếp đ°ợc điều khiển bằng vi xử lý cùng với các bộ tăng áp khí thÁi Trong những năm sau đó, tuần hoàn khí thÁi (EGR), chÃt xúc tác oxy hóa và bộ tăng áp với hình d¿ng biến đổi đ°ợc phát triển Các động c¡ diesel hiện t¿i đ°ợc trang bị áp suÃt phun nhiên liệu cao khoÁng 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 thÁi