Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)

Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel (Tóm tắt LA tiến sĩ)

-1MỞ ĐẦU i Lý chọn đề tài Mô hình cháy HCCI với ưu điểm hiệu suất nhiệt cao phát thải NOx PM nhỏ hướng nghiên cứu phát triển động tương lai, bên cạnh động thích hợp sử dụng loại nhiên liệu thay có nguồn gốc sinh học Đó lý em chọn đề tài: Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI) động diesel ii Mục đích nghiên cứu  Thiết lập động cháy theo nguyên lý HCCI với nhiên liệu nheptan phun trước xu páp nạp sở chuyển đổi từ động diesel truyền thống; Đánh giá so sánh thông số thị, có ích phát thải chủ yếu động HCCI thiết lập với động diesel nguyên bản;  Đánh giá ảnh hưởng tỷ số nén, tỷ lệ EGR nhiệt độ sấy nóng khí nạp đến thời điểm bắt đầu cháy động HCCI thiết lập; iii Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu động diesel xy lanh, kỳ không tăng áp, làm mát không khí Nhiên liệu dùng thử nghiệm n – heptan Các nội dung nghiên cứu thực Phòng thí nghiệm Động đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội iv Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án kết hợp chặt chẽ nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, cụ thể:  Nghiên cứu sở lý thuyết trình hình thành hỗn hợp cháy động HCCI;  Nghiên cứu mô trình cháy động HCCI sử dụng nhiên liệu n-heptan;  Thiết kế chế tạo chi tiết hệ thống chuyển đổi từ động diesel nguyên sang động cháy theo nguyên lý HCCI;  Thực nghiệm đánh giá khả thiết lập trình cháy theo nguyên lý HCCI đánh giá, so sánh thông số thị, có ích phát thải chủ yếu (NOx, PM, CO, CO2, HC) động HCCI với động diesel nguyên bản;  Thực nghiệm khảo sát, đánh giá thông số (tỷ số nén, tỷ lệ khí thải luân hồi) ảnh hưởng đến khả mở rộng vùng làm việc động HCCI thiết lập v Ý nghĩa khoa học thực tiễn Khẳng định khả thiết lập động HCCI -2Xác định xu hướng ảnh hưởng thông số điều chỉnh tỷ số nén động cơ, tỷ lệ khí thải luân hồi nhiệt độ không khí nạp đến thời điểm bắt đầu cháy động HCCI Trên sở đánh giá khả mở rộng phạm vi điều khiển trình cháy HCCI, loại động cháy theo nguyên lý mới, nghiên cứu phát triển giới Đưa định hướng cụ thể việc khẳng định khả thiết lập mở rộng vùng làm việc động HCCI vi Điểm luận án Thiết lập trình cháy HCCI cho động diesel xy lanh, số chế độ tải tốc độ động có tính kinh tế, kỹ thuật tương đương động diesel truyền thống, phát thải NOx bồ hóng thấp vii Bố cục luận án  Mở đầu  Chương Tổng quan  Chương Cơ sở lý thuyết trình hình thành hỗn hợp cháy động HCCI  Chương Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp n – heptan mô động HCCI  Chương Nghiên cứu thực nghiệm  Kết luận chung hướng phát triển Chƣơng Tổng quan 1.1 Động HCCI Đối với động diesel chuyển đổi sang HCCI hỗn hợp hoà trộn từ sớm, nên tạo hỗn hợp đồng nhất, kết dẫn đến hỗn hợp tự cháy piston tiến gần đến ĐCT, với động xăng trình gọi “dieseling” tính chất giai đoạn giống với trình cháy động diesel: cháy không cần tia lửa điện Thực tế, nghiên cứu động xăng cháy theo nguyên lý HCCI/CAI Onishi [43] Noguchi [30] cộng năm 1979 thúc đẩy nhà khoa học sau tiếp tục nghiên cứu nhằm điều khiển trình cháy không đồng giúp cho trình cháy nghèo trở nên ổn định 1.2 Nguyên lý động HCCI Trên động xăng nguyên bản, màng lửa lan tràn bắt nguồn từ bugi, động hoạt động với nguyên lý HCCI, tượng lan tràn màng lửa xylanh, trình cháy diễn đồng thời vị trí xylanh -3Đối với động diesel HCCI, hỗn hợp nhiên liệu không khí hình thành từ trước (trên đường nạp xylanh) Sau hỗn hợp nén lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén, tương tự với động diesel 1.3 Ƣu, nhƣợc điểm động HCCI • Hiệu suất nhiệt cao, phát thải dạng hạt PM NOx thấp • Không thể điều khiển cách trực tiếp trình cháy; • Phát thải CO HC cao; • Vùng làm việc tập trung tải nhỏ, tốc độ thâp 1.4 Các phƣơng pháp thiết lập chế độ cháy HCCI Trong vòng hai thập niên trở lại đây, số lượng lớn thuật ngữ gán cho mô hình cháy động cơ, bao gồm ATAC (Active Thermo- Atmospheric Combustion) [33], TS (Toyota-Soken) [30], ARC (Active Radical Combustion) [11] động kỳ, CIHC (Compression-Ignited Homogenous Charge) [26], Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) [37], Controlled Auto-ignition (CAI) [30,44,19,21], UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System) [62], PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion) [29], MK (Modulated Kinetics) [10], Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) [63], OKP (Optimised Kinetic Process) [42], Tất thuật ngữ mô tả nguyên lý mô hình cháy mới: (1) hỗn hợp nhiên liệu không khí hình thành từ trước, (2) hỗn hợp tự cháy 1.5 Tình hình nghiên cứu sử dụng HCCI 1.5.1 Tình hình nghiên cứu HCCI giới 1.5.1.1 Giải pháp hình thành hỗn hợp cháy Đối với động hình thành hoà khí bên ngoài, cách đơn giản phun nhiên liệu trực tiếp vào đường nạp (PFI) Đối với trường hợp hình thành hoà khí bên trong, có hai phương án: Phun sớm phun muộn Phun sớm giải pháp sử dụng nhiều cho động HCCI sử dụng nhiên liệu diesel có thời gian cháy trễ lớn 1.5.1.2 Các nghiên cứu điều khiển trình cháy động HCCI Để điều khiển trình cháy diễn thời điểm, phương pháp sử dụng điều khiển vòng tuần hoàn kín (closed loop control) -41.5.1.3 Giải pháp sử dụng lƣỡng nhiên liệu  Ethanol Diethyl Ether: Mack cộng [50]  Lưỡng nhiên liệu LPG xăng: Kitae Yeom  Lưỡng nhiên liệu diesel khí sinh học: S Swami Nathan  Iso-octane n-heptane, ethanol n-heptane: Olsson cộng [31, 32] 1.5.1.4 Điều khiển lƣợng khí sót xylanh Fiveland SB cộng [20] nghiên cứu điều khiển lượng khí sót xylanh thông qua việc sử dụng pha phối khí linh hoạt (variable valve actuation - VVA Hệ thống điện tử dẫn động xupap sử dụng động cỡ lớn xylanh để điều khiển độ nâng thời gian nâng xupap, trình cháy diễn trễ 1.5.1.5 Điều khiển hiệu suất nén Strandh cộng [35] điều khiển pha cháy xylanh riêng biệt nhờ thay đổi góc đóng muộn xupap nạp, đóng muộn xupap nạp, hiệu suất nén động giảm xuống, giảm nhiệt độ cuối trình nén, thời điểm CA50 trễ 1.5.1.6 Điều khiển tỷ số nén Haraldsson [8,9] Hyvönen cộng [16] kết luận dải làm việc động HCCI mở rộng nhờ gia nhiệt khí nạp thay đổi tỷ số nén (ở dải cao) so sánh với động CAI xăng tỷ số nén thấp lượng khí sót lớn 1.5.1.7 Điều khiển tỷ lệ luân hồi khí thải Luân hồi nội tại: Khí sót giữ lại xy lanh thông qua thay đổi góc đóng mở pha phối khí, thời điểm cháy diễn sớm Luân hồi ngoài: Khi tăng tỷ lệ khí luân hồi trì nhiệt độ khí nạp không đổi thời điểm cháy diễn muộn hơn, áp suất lớn lớn xilanh giảm, tốc độ tăng áp suất giảm động làm việc êm 1.5.1.8 Điều khiển nhiệt độ sấy nóng khí nạp Tăng nhiệt độ sấy nóng khí nạp, thời điểm đạt nhiệt độ tự cháy nhiên liệu sớm hơn, trình cháy diễn sớm, tốc độ toả nhiệt nhanh, động làm việc rung giật, độ ồn lớn Từ 210C đến 660C lượng nhiên liệu cung cấp (Φ =0,3) 1.5.1.9 Nhiên liệu thay sử dụng cho động HCCI • Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hydro: Goldsborough [17], Marinov NM [37] Fiveland Assanis [16] • Nghiên cứu sử dụng khí mêtan hydro làm nhiên liệu: Ng Thomson [41] • Sử dụng nhiên liệu ethanol: n-heptan, DME methyl decanoate đốt cháy theo chế HCCI: Hofmann [22] -5• Nghiên cứu sử dụng DME: Curran HJ [10, 11], Dongwon Jung a [13], Fischer SL [15], Hyung Jun Kim [24] • Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu DEE Can Cinar cộng [7] • nghiên cứu thay n-heptan cho diesel, hỗn hợp 2/3 nheptan 1/3 methyl butanoate: Brakora Reitz [6] • Nghiên cứu dùng nhiên liệu biodiesel: Akhilendra Pratap Singh [5], D Ganesh [12], Herbinet O [21] , Szybist JP [53] 1.5.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam  Các công trình nghiên cứu Việt Nam dừng lại việc mô phần mềm chuyên dụng thực nghiệm kiểm chứng việc thiết lập mô hình cháy HCCI  Chưa thực nghiệm nhằm điều khiển thời điểm cháy động HCCI chưa có nghiên cứu thực nghiệm nước kiểm chứng kết mô 1.6 Kết luận chƣơng  Lựa chọn giải pháp: Hình thành hỗn hợp đồng cung cấp cho động nhằm thiết lập trình cháy HCCI cho động diesel  Nghiên cứu mô hình hóa mô phần mềm chuyên dụng trình cháy HCCI động cụ thể nhằm kiểm tra khả thiết lập trình cháy HCCI trước nghiên cứu thực nghiệm  Các thông số: Thay đổi tỷ số nén, nhiệt độ sấy khí nạp, tỷ lệ EGR để điều khiển thời điểm bắt đầu cháy  Lựa chọn nhiên liệu n-heptan để nghiên cứu mô Chƣơng Cơ sở lý thuyết trình hình thành hỗn hợp cháy động HCCI 2.1 Các phƣơng pháp hình thành hỗn hợp động HCCI Theo phương pháp phun nhiên liệu có phương pháp hình thành hỗn hợp động HCCI:  Hình thành hỗn hợp đồng bên  Hỗn hợp hình thành đồng bên -62.2 Quá trình cháy động HCCI Tính chất toả nhiệt trình cháy HCCI có vài điểm khác biệt so với trình cháy thông thường hình 2.9 Trên động HCCI trình cháy diễn gần đồng thời, tượng lan tràn màng lửa, tổng lượng nhiệt toả tính tổng nhiệt lượng vùng dq từ trình cháy hỗn hợp xylanh với khối lượng vùng m (hình 2.9c) Hình 2.9 Đặc tính tỏa nhiệt loại động 2.3 Các thông số đặc trƣng trình cháy 2.3.1 Tốc độ tỏa nhiệt xy lanh động Tốc độ tỏa nhiệt xy lanh có hai giá trị cực đại tương ứng với hai đỉnh lửa lạnh lửa nóng đặc trưng cho trình cháy Hình 2.12 Tốc độ tỏa nhiệt xylanh theo góc quay trục khuỷu động HCCI 2.3.2 Xác định thời điểm bắt đầu cháy SOC Hình 2.13 Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt xylanh theo góc quay trục khuỷu Hình 2.14 Phương pháp cô lập điểm cực đại Thời điểm bắt đầu trình cháy xác định thông qua cực trị tốc độ tỏa nhiệt theo GQTK (hình 2.12), giá trị điểm cực đại đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt tương ứng với thời điểm bắt đầu trình cháy -7ngọn lửa nóng SOC Sau xác định điểm cực đại xác định SOC1 cách đưa giá trị lân cận điểm cực đại giá trị thông qua phương pháp cô lập điểm cực đại (Hình 2.14), giá trị cực trị lại xác định SOC 2.4 Cơ sở lý thuyết thiết kế chi tiết, hệ thống cho động HCCI chuyển đổi từ động diesel xy lanh 2.4.1 Phƣơng án cung cấp n – heptan cho động HCCI Để chuyển đổi trình cháy động diesel sang HCCI mà thay đổi kết cấu giải pháp phun n – heptan đường nạp đơn giản phù hợp 2.4.2 Lựa chọn phƣơng án mở rộng vùng làm việc cho động HCCI Để mở rộng vùng làm việc cho động HCCI có phương án: Thay đổi tỷ số nén, thay đổi tỷ lệ luân hồi, thay đổi nhiệt độ khí nạp 2.5 Cơ sở lý thuyết mô trình công tác động HCCI phần mềm AVL-Boost 2.5.1 Cơ sở lý thuyết tính toán mô hình cháy HCCI AVL – Boost Phƣơng trình chuyển đổi lƣợng Phương trình tính toán trạng thái nhiệt động học xy lanh động dựa vào phương trình nhiệt động học [6]: d (mcu ) dQ dm dm dm dm dV dQF  - pc  -  w - hBB BB   i hi -  e h - qev f ev 2.32 d d d d d d d dt 2.5.2 Mô hình cháy HCCI vùng AVL - BOOST Đối với mô hình cháy HCCI, thông số dQF/dα phương trình 2.32 tính toán sau [6]: (2.38) Tỷ lệ khối lượng thành phần tính sau: (2.39) 2.6 Kết luận • Lựa chọn phương án chuyển đổi trình cháy cho động diesel truyền thống sang HCCI: phun n - heptan đường nạp • Đưa sở lý thuyết tính toán, thiết kế trình chuyển đổi động truyền thống sang HCCI • Đưa giải pháp mở rộng vùng làm việc cho động HCCI -8• Nghiên cứu sở lý thuyết trước tiến hành xây dựng mô hình mô phần mềm chuyên dụng nhằm củng cố thêm lý thuyết trước tiến hành thực nghiệm Chƣơng Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp n – heptan mô động HCCI 3.1 Thiết kế chế tạo chi tiết, hệ thống cho động HCCI chuyển đổi từ động diesel xy lanh 3.1.1 Thiết kế điều chỉnh đƣờng ống nạp Hình 3.1 Kết cấu đường ống nạp động Kubota BD178F(E) Hình 3.2 Đường nạp động Kubota BD178F(E) chế tạo Đường ống nạp thiết kế chế tạo hình 3.1 hình 3.2 3.1.2 Thiết kế điều chỉnh đƣờng ống thải Đường ống thải thiết kế chế tạo hình 3.3 hình 3.4 Hình 3.3 Kết cấu đường ống thải mặt bích động Kubota BD178F(E) Hình 3.4 Đường ống thải mặt bích động Kubota BD178F(E) chế tạo 3.1.3 Thiết kế chế tạo hệ thống luân hồi khí thải Đường ống luân hồi thiết kế chế tạo hình 3.8 hình 3.9 Hình 3.8 Kết cấu ống luân hồi khí thải mặt bích Hình 3.9 Ống luân hồi khí thải lắp động Kubota BD178F(E) -93.2 Sơ đồ lắp đặt hệ thống thí nghiệm động HCCI Sau hoàn thiện công việc chế tạo chi tiết, hệ thống động tác giả đưa sơ đồ bố lắp đặt chi tiết hình 3.14, sơ đồ bố trí gàng khoa học, dễ dàng tháo lắp, thực nghiệm riêng thông số mà Hình 3.14 Sơ đồ lắp đặt hệ thống thí nghiệm tháo lắp, gá đặt lại động HCCI 3.3 Mô động HCCI 3.3.1 Xây dựng mô hình mô Đối tƣợng mô phỏng: Đối tượng nghiên cứu động xy lanh Kubota BD178F(E) với thông số kỹ thuật bảng 3.2 Bảng 3.2 Các thông số động thử nghiệm Thông số Giá trị Đường kính xylanh D, [mm] 78 Hành trình piston S, [mm] 57 Thể tích công tác Vh, [cm3] 273 Tỷ số nén động 20:1 Công suất định mức Neđm/ nđm , [kW/vg/ph] 4,0/ 3200 Mômen cực đại Memax/nM , [Nm/vg/ph] 13/2000 Suất tiêu hao nhiên liệu gemin/ nge , [g/kW.h/vg/ph] 378/2400 Mô hình mô a) Phun n – heptan đường nạp a) b) Hình 3.15 Mô hình mô động hoạt động theo nguyên lý HCCI AVL – Boost b) Thay đổi tỷ số nén, tỷ lệ khí luân hồi nhiệt độ khí nạp 3.3.2 Chế độ mô  Mô thiết lập trình cháy HCCI: Tốc độ từ 1200 vg/ph đến - 10 3200 vg/ph; khoảng chia 400 vg/ph; chế độ tải: 10%, 20%, 30% 50% tương ứng với mô men là: 1,24 (N.m); 2,48 (N.m); 3,72 (N.m) 6,2 (N.m) 3.3.3 Đánh giá tính xác mô hình mô Sai lệch cực đại mô thực nghiệm mô men, suất tiêu hao nhiên liệu động là: 5,12% 5,48% sai Hình 3.16 Kết so sánh công suất, mô men lệch trung bình là: suất tiêu hao nhiên liệu mô thực 3,6% 3,0% nghiệm động diesel Kubota BD178F(E) 3.3.4 Kết mô thiết lập trình cháy HCCI động diesel Đặc tính cháy HCCI động Đặc tính cháy HCCI động bao gồm: Áp suất, tốc độ tăng áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, nhiệt độ xy lanh, hệ số dư lượng không khí λ thời điểm bắt đầu cháy động cơ, kết mô thể qua hình 3.17 đến 3.22 Tại tốc độ nhỏ 2400vg/ph, tải nhỏ 30% áp suất ổn định, tốc độ cao tải cao động HCCI có xu hướng cháy sớm hơn, áp suất không ổn định (Hình 3.17) Tăng tải động cơ, giá trị cực đại tốc độ tăng áp suât tăng dần, 50% tải tốc độ tăng áp suất tăng đột ngột, động làm HCCI việc không ổn định nữa, 2400 vg/ph tốc độ tăng áp suất không theo quy luật (Hình 3.18) đường tốc độ tỏa nhiệt có hai đỉnh đặc trưng cho lửa lạnh lửa nóng (Hình3.19) Nhiệt độ xy lanh động thể qua hình 3.20, tăng tải tốc độ nhiệt độ tăng, giá trị cực đại tăng dần nhỏ 2000oK Hình 3.17 Áp suất xy lanh động HCCI mô 2400 vg/ph Hình 3.18 Tốc độ tăng áp suất xy lanh động HCCI mô 2400 vg/ph - 11 - Hình 3.19 Tốc độ tỏa nhiệt động HCCI mô 2400 vg/ph Hình 3.20 Nhiệt độ xy lanh động HCCI mô 2400 vg/ph Hình 3.21 Hệ số dư không khí động HCCI mô Hình 3.22 Thời điểm bắt đầu cháy động HCCI mô λ giảm dần tăng tải tăng tốc độ nên thời điểm bắt đầu cháy sớm dần (Hình 3.21) SOC1, SOC2 giảm dần tăng tải tăng tốc độ, trình cháy ngày sớm trước ĐCT ảnh hưởng tới tiêu kỹ thuật động (Hình 3.22) Các thông số có ích thị động HCCI mô Các thông số có ích thị động HCCI mô thể qua hình 3.23 hình 3.24 Hình 3.23 Các thông số có ích động HCCI mô - 12 Động HCCI phát huy thông số có ích tương đương với động diesel nguyên chế độ tải tốc độ, chế độ tải nhỏ 30% tốc độ nhỏ 2400 vg/ph thông số thị có xu hướng tăng, 50% tải tốc độ lớn 2400 vg/ph thông số thị giảm nhanh Hình 3.24 Các thông số thị động HCCI mô 3.4 Kết luận chƣơng  Đưa phương án thiết kế cải tạo hệ thống nạp thải nhằm thiết lập trình cháy HCCI cho động  Thiết kế, chế tạo, hệ thống luân hồi khí thải, gia nhiệt khí nạp, thay đổi độ dày đệm nắp máy nhằm mở rộng vùng làm việc cho động HCCI thiết lập  Kết mô phỏng: Động diesel chuyển đổi sang hoạt động theo nguyên lý HCCI hoạt động ổn định 2000vg/ph 30% tải CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục đích thử nghiệm Thiết lập chế độ cháy HCCI cho động đốt với phương án: Phun n – heptan đường nạp Thử nghiệm nhằm mở rộng vùng làm việc động HCCI với phương án: Thay đổi tỷ số nén; Thay đổi tỷ lệ khí luân hồi thay đổi nhiệt độ khí nạp 4.2 Đối tƣợng nhiên liệu thử nghiệm 4.2.1 Đối tƣợng thử nghiệm Động thử nghiệm có thông số bảng 3.1 4.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm Tính chất nhiên liệu thử nghiệm thể bảng 4.1 - 13 STT Bảng 4.1 Tính chất nhiên liệu thử nghiệm Tính chất PP thử nghiệm Giá trị Công thức hoá học, [-] n-C7H16 Độ nhớt động học 40oC, [mm2/s] ASTM D445 - 00 0,567 Nhiệt độ chớp cháy cốc kín, [oC] ASTM D93 - 02 -4 Tỷ trọng 15oC, [g/cm3] ASTM D1298 - 05 0,68873 Áp suất 37,8oC, [PSIG] ASTM D323 - 99 1,8 Nhiệt trị, [Kcal/kg] ASTM D240 - 02 11,125 Hàm lượng n – heptan, [%] GC/MS 97,5 Trị số cetane, [-] 56 Hệ số A/F, [-] 15,132 4.3 Quy trình phạm vi thử nghiệm 4.3.1 Xác định đặc tính thực tế động thử nghiệm 4.3.2 Xây dựng đặc tính vòi phun 4.3.3 Thực nghiệm thiết lập đặc tính cháy HCCI 4.3.4 Thực nghiệm nhằm đánh giá khả mở rộng dải làm việc cho động HCCI đƣợc thiết lập Thử nghiệm với giải pháp:  Giảm tỷ số nén động từ 20 xuống 14,87  Thay đổi tỷ lệ luân hồi từ 10% ÷ 30%, khoảng chia: 5%;  Thay đổi nhiệt độ khí nạp từ 50oC ÷ 90oC, khoảng chia: 10oC Chế độ tốc độ từ 2000(vg/ph) ÷ 2800(vg/ph), khoảng chia: 400vg/ph, tải 30%, 50% 4.4 Sơ đồ bố trí thử nghiệm trang thiết bị 4.4.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm Sơ đồ bố trí thử nghiệm lắp băng thử hình 4.5, 4.6 Hình 4.5 Sơ đồ bố trí thử nghiệm Hình 4.6 Lắp đặt động thử nghiệm băng thử 4.4.2 Trang thiết bị thử nghiệm  Băng thử động DW16  Cân nhiên liệu (Fuel Balance) AVL733S  Tủ phân tích khí CEB-II  Thiết bị Smoke meter  ECU điều khiển: ECM‐0565‐128‐0701‐C - 14 4.5 Kết thử nghiệm thảo luận 4.5.1 Thiết lập động HCCI 4.5.1.1 Đặc tính cháy động  Biến thiên áp suất xy lanh động Hình 4.8a 4.8b tương ứng đồ thị áp suất xy lanh động diesel động HCCI • Động diesel nguyên hoạt động ổn định, trì tốt công suất chế độ thử nghiệm • Cùng tốc độ tải áp suất động HCCI gần áp suất động nguyên Động chuyển đổi làm việc ổn định vùng tải nhỏ 10% - 20% tải, chế độ 30% tải xuất cháy “kích nổ”, cháy sớm, động làm việc rung ồn • Tại tốc độ 2400vg/ph trì chế độ cháy HCCI 30% tải, 20% tải bắt đầu xuất hiện tượng cháy sớm a) b) n = 2000 vg/ph Hình 4.8 Áp suất xy lanh a) Động diesel; b) Động HCCI Tốc độ tỏa nhiệt a) b) n = 2000 vg/ph Hình 4.10 Tốc độ tỏa nhiệt a)Động diesel b) Động HCCI Hình 4.10a hình 4.10b đồ thị tốc độ tỏa nhiệt động nguyên động HCCI Tốc độ tỏa nhiệt động HCCI có thay đổi rõ rệt so với động diesel, đường tốc độ tỏa nhiệt động thực nghiệm chuyển sang hình thức hình thành hỗn hợp đồng bên xy lanh thông qua giải pháp sử dụng n – heptan phun đường nạp có hình dạng tuân theo lý thuyết nguyên lý cháy HCCI - 15 - λ động HCCI nhỏ n – heptan phun đường nạp chiếm chỗ không khí (Hình 4.11) SOC1 SOC giảm dần, trình cháy diễn sớm trước ĐCT (Hình 4.12) Hình 4.11 Hệ số dư không khí động HCCI Hình 4.12 Thời điểm bắt đầu cháy động HCCI 4.5.1.2 Các thông số có ích thị động thiết lập đặc tính cháy HCCI Hình 4.13 Các thông số có ích động thiết lập đặc tính cháy HCCI Động HCCI có mô men, áp suất thị hiệu suất thị ngang với động diesel chế độ tải 10% tải 20% tải, tốc độ thấp 1200vg/ph đến 2000vg/ph, chế độ lại thông số có ích thị động HCCI giảm dần chế độ cháy HCCI không ổn định (Hình 4.13 hình 4.14) - 16 - Hình 4.14 Các thông số thị động thiết lập đặc tính cháy HCCI 4.5.1.3 Phát thải động chuyển đổi sang HCCI Hình 4.15 Phát thải NOx động thiết lập đặc tính cháy HCCI Phát thải NOx (Hình 4.15)của động HCCI thấp so với động diesel nhiều, tính trung bình chế độ tải từ 10% đến 30% cho tất tốc độ tỷ lệ phát thải NOx động nguyên cao động HCCI 389, 405 108 lần Trong trình thực nghiệm không đo thành phần phát thải PM động HCCI Phát thải CO động HCCI cao chế độ tải thấp giảm dần tăng tải Khi tính trung bình chế độ tải từ 10% đến 30% cho tất tốc độ tỷ lệ HC động HCCI tăng so với động diesel - 17 nguyên là: 4,6; 1,93 1,34 lần lúc, thời gian cháy ngắn lại lượng CO không kịp ô xi hóa thành CO2 tăng Phát thải CO2 động HCCI so với động nguyên hơn, tăng tải CO2 động HCCI giảm dần Khi tính trung bình chế độ tải từ 10% đến 30% cho tất tốc độ tỷ lệ giảm phát thải CO2 động HCCI so với động diesel là: 14,1%, 8,1% 0,3% Phát thải CO2 giảm lượng CO ô xi hóa thành thành CO2 giảm Hình 4.19 Phát thải HC động thiết lập đặc tính cháy HCCI Phát thải HC (hình 4.19) động HCCI lớn so với động diesel nguyên Do trình cháy xảy gần đồng thời nên phần hòa khí rìa tâm cháy không kịp cháy dẫn đến HC tăng cao Khi tính trung bình chế độ tải từ 10% đến 30% cho tất tốc độ tỷ lệ tăng HC động HCCI so động diesel là: 3,2; 3,4 lần 4.5.2 Khả mở rộng vùng làm việc động HCCI thay đổi tỷ số nén 4.5.2.1 Đặc tính cháy HCCI động thay đổi tỷ số nén Giảm tỷ số nén áp suất tốc độ tăng áp suất động HCCI giảm, thời điểm đạt giá trị cực đại muộn dần Khi giảm dần tỷ số nén động hoạt động theo nguyên lý cháy HCCI, điều thể qua đường đặc tính tốc độ tỏa nhiệt tuân theo lý thuyết cháy HCCI (Hình 4.22) λ tăng dần giảm dần tỷ số nén (Hình Hình 4.22 Tốc độ tỏa nhiệt động 4.23) Thời điểm bắt đầu cháy tỷ số nén thay đổi 2000 diễn muộn (Hình 4.24) vg/ph 30% tải - 18 - Hình 4.23 Hệ số dư không khí động thay đổi tỷ số nén 2000 vg/ph 30% tải Hình 4.24 Thời điểm bắt đầu cháy với tỷ số nén thay đổi 2000vg/ph 30% tải 4.5.2.2 Các thông số có ích thị động thay đổi tỷ số nén Hình 4.25 Các thông số có ích động thay đổi tỷ số nén 2000 vg/ph 30% tải Hình 4.26 Các thông số thị động thay đổi tỷ số nén 2000 vg/ph 30% tải • Tại tỷ số nén 20, động chuyển đổi sang HCCI có công suất, mô men, áp suất thị, hiệu suất thị nhỏ so với động diesel nguyên • Khi giảm dần tỷ số nén động HCCI làm việc ổn định hơn, phát huy công suất có ích ngang với động diesel nguyên  Với động HCCI giảm tỷ số nén đến 16,93 áp suất thị hiệu suất thị tăng dần thời điểm bắt đầu cháy muộn dần, công trình giãn nở tăng Tiếp tục giảm tỷ số nén áp suất xy lanh giảm dần nên áp suất thị hiệu suất thị giảm - 19 4.5.2.3 Phát thải động thay đổi tỷ số nén Hình 4.27 Phát thải PM NOx động HCCI thay đổi tỷ số nén 2000 vg/ph 30% tải Hình 4.28 Phát thải CO, HC, CO2 động HCCI tỷ số nén thay đổi 2000 vg/ph 30% tải Khi tỷ số nén giảm từ 20 xuống 18 thấy NOx không thay đổi nhiều, sau NOx tăng nhanh đạt giá trị lớn tỷ số nén 16,3, tiêp tục giảm tỷ số nén NOx giảm dần, không phát thành phần PM khí xả (Hình 4.27) Phát thải CO, HC, CO2 động HCCI giảm tỷ số nén có xu hướng tăng (Hình 4.28)) 4.5.3 Kết mở rộng vùng làm việc động HCCI thay đổi tỷ lệ khí luân hồi 4.5.3.1 Đặc tính cháy động HCCI thay đổi tỷ lệ luân hồi Khi tăng tỷ lệ luân hồi, mật độ hòa khí loãng hơn, giảm tốc độ cháy nên áp suất, tốc độ tăng áp suất tốc độ tỏa nhiệt giảm, thời điểm đạt giá trị cực đại muộn hơn, đồng thời đặc tính tỏa nhiệt tuân theo lý thuyết cháy HCCI Khi tăng tỷ lệ luân hồi λ giảm dần (Hình 4.32) Bên cạnh lượng khí luân hồi tăng giúp pha loãng hòa khí, làm giảm tốc độ cháy đẩy thời điểm bắt đầu cháy muộn lại Hình 4.32 Hệ số dư không khí động 2400 vg/ph, 50% tải thay đổi tỷ lệ EGR Hình 4.31 Tốc độ tỏa nhiệt động HCCI 2400 vg/ph, 50% tải thay đổi tỷ lệ EGR Hình 4.33 Thời điểm bắt đầu cháy động HCCI 2400 vg/ph, 50% tải thay đổi tỷ lệ EGR - 20 4.5.3.2 Các thông số có ích thị động HCCI thay đổi tỷ lệ luân hồi Hình 4.34 Thông số có ích động HCCI 2400 vg/ph, 50% tải thay đổi tỷ lệ EGR Hình 4.35 Thông số thị động HCCI 2400 vg/ph, 50% tải thay đổi tỷ lệ EGR Khi tăng tỷ lệ luân hồi thông số thị có ích động HCCI có xu hướng tăng dần, đến 20% EGR giảm chế độ cháy HCCI dần trở lên không ổn định, lớn 30% EGR thông số giảm nhanh, không trì đặc tính cháy HCCI (Hình 4.34 hình 4.35) 4.5.3.3 Phát thải động HCCI thay đổi tỷ lệ luân hồi 4.5.4 Kết mở rộng vùng làm việc động HCCI thay đổi nhiệt độ sấy nóng khí nạp 4.5.4.1 Đặc tính cháy động HCCI thay đổi nhiệt độ sấy nóng khí nạp Giá trị cực đại áp suất gần không thay đổi đỉnh đạt giá trị cực có xu hướng sớm tăng nhiệt độ sấy nóng khí nạp Khi nhiệt độ khí nạp tăng dần, tôc độ tăng áp suất tăng theo Tăng nhiệt độ khí nạp động hoạt động theo nguyên lý cháy HCCI (Hình 4.40) λ tăng dần nhiệt độ khí nạp tăng (Hình 4.41) Quá trình cháy diễn sớm làm cho thời điểm bắt đầu Hình 4.40 Tốc độ tỏa nhiệt động HCCI thay đổi nhiệt độ khí cháy sớm trước ĐCT (Hình nạp 2400 vg/ph 30% tải 4.42) Hình 4.41 Hệ số dư không khí động HCCI thay đổi nhiệt độ khí nạp 2400 vg/ph 30% tải Hình 4.42 Thời điểm bắt đầu cháy động HCCI thay đổi nhiệt độ khí nạptại 2400 vg/ph 30% tải - 21 4.5.4.2 Các thông số có ích thị động HCCI thay đổi nhiệt độ sấy nóng khí nạp Hình 4.43 Thông số có ích động HCCI thay đổi nhiệt độ khí nạp 2400 vg/ph 30% tải Hình 4.44 Thông số thị động HCCI thay đổi nhiệt độ khí nạp 2400 vg/ph 30% tải Mô men, áp suất thị hiệu suất thị có xu hướng giảm tăng nhiệt độ sấy nóng khí nạp, đến 90oC thông số thị giảm nhanh 4.5.4.3 Phát thải động HCCI thay đổi nhiệt độ sấy nóng khí nạp 4.6 Đánh giá kết mô thử nghiệm Kết thực nghiệm mô so sánh đại diện động Kubota BD178F(E) chuyển sang hoạt động theo trình cháy HCCI Dữ liệu thực nghiệm sử dụng mô hình mô động Kubota BD178F(E) phần mềm AVL – Boost Sai lệch mô thực nghiệm trình bày qua bảng sau: Thiết lập HCCI STT Thông số Thay đổi ε Sai lệch cực đại, (%) Sai lệch TB, (%) Sai lệch cực đại, (%) Sai lệch TB, (%) Me 8,39 1,33 8,74 2,8 SOC1 5,83 3,23 3,45 2,54 SOC2 6,06 4,24 5,88 5,1 pi 6,48 1,11 8,07 2,68 ηi 6,13 1,65 9,23 5,97 Gnl 6,41 1,42 6,41 3,92 λ 6,04 2,56 4,46 2,41 - 22 Thay đổi %EGR Thông STT số Thay đổi nhiệt độ khí nạp Sai lệch cực đại, (%) Sai lệch TB, (%) Sai lệch cực đại, (%) Sai lệch TB, (%) Me 4,27 3,8 4,84 3,58 SOC1 5,81 4,76 5,05 4,07 SOC2 7,27 2,86 5,71 3,7 pi 6,09 4,83 4,05 3,3 ηi 4,58 3,86 4,14 3,48 Gnl 5,68 2,72 4,24 3,05 λ 4,94 2,0 4,76 4,15 Với mức sai lệch nhỏ trên, khẳng định mô hình luận án phát triển phù hợp, đồng thời khẳng định độ tin cậy liệu sử dụng luận án 4.7 Kết luận chƣơng  Thử nghiệm thành công việc chuyển đổi trình cháy động diesel truyền thống sang HCCI, động làm việc ổn định 1600vg/ph 10% ÷ 20% tải  Khi giảm tỷ số nén động làm việc ổn định tới 30% tải, 2000 vg/ph, thời điểm bắt đầu cháy diễn muộn hơn, không nên giảm tỷ số nén xuống thấp 14,87  Khi thay đổi tỷ lệ luân hồi, tỷ số nén 15,4 động HCCI hoạt động ổn định chế độ nhỏ 50% tải, tốc độ 2400 vg/ph tăng tỷ lệ luân hồi thời điểm bắt đầu cháy muộn dần, động HCCI làm việc hiệu 20% EGR  Khi thay đổi nhiệt độ khí nạp, tỷ số nén 15,4 động HCCI hoạt động ổn định chế độ 30% tải, tốc độ 2400 vg/ph, tăng nhiệt độ khí nạp thời điểm bắt đầu cháy muộn dần, động HCCI làm việc hiệu 50oC÷70oC - 23 KẾT LUẬN CHUNG Luận án phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu sử dụng động HCCI (Homogenous charge compression ignition – Cháy nén hỗn hợp đồng nhất) giới Việt Nam, đưa giải pháp thiết lập trình cháy HCCI động diesel xy lanh, bốn kỳ, không tăng áp, với phương án phun nhiên liệu n – heptan đường nạp, đồng thời đưa phương án mở rộng vùng làm việc cho động HCCI thiết lập là: Thay đổi tỷ số nén, thay đổi tỷ lệ khí luân hồi thay đổi nhiệt độ khí nạp Đã xây dựng thành công mô hình mô chiều động HCCI phun nhiên liệu đường nạp, sử dụng nhiên liệu n-heptan sở động diesel Kubota BD178F(E) phần mềm AVLBoost Đánh giá ảnh hưởng số thông số điều khiển đến trình cháy động HCCI, sở để giải thích, đánh giá kết thực nghiệm Mô hình mô kiểm nghiệm với kết thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy Đã nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp n – heptan đường nạp, hệ thống luân hồi khí xả, gia nhiệt khí nạp đệm nắp máy có độ dày khác nhằm thiết lập mở rộng vùng làm việc cho động HCCI, đưa sơ đồ lắp ráp bố trí thử nghiệm đảm bảo dễ dàng lắp đặt điều chỉnh đáp ứng yêu cầu làm việc đảm bảo độ tin cậy để sử dụng nghiên cứu thực nghiệm đề tài Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thiết lập thành công động làm việc theo nguyên lý HCCI với giải pháp phun nhiên liệu đường nạp, đánh giá, so sánh thông số thị, có ích phát thải động HCCI với động diesel nguyên Kết cho thấy động HCCI chuyển đổi hoạt động ổn định chế độ tốc độ tải thấp từ 1600 vg/ph đến 2000 vg/ph 10% tải đến 20% tải, thời điểm bắt đầu cháy diễn sớm trước ĐCT làm ảnh hưởng đến tiêu kinh tế, kỹ thuật động Đã tiến hành thực nghiệm khảo sát, đánh giá thông số (tỷ số nén, tỷ lệ khí thải luân hồi, nhiệt độ sấy nóng khí nạp) ảnh hưởng đến khả mở rộng vùng làm việc Ảnh hưởng thông số đến động HCCI sau:  Khi giảm tỷ số nén từ 20:1 xuống 14,87:1 thông qua việc thay đổi độ dày đệm nắp máy, không áp dụng luân hồi khí xả nhiệt độ sấy nóng khí nạp giữ nguyên, thấy động làm việc ổn định tới 30% tải, 2000 vg/ph với tỷ số nén thuộc dải khảo sát - 24 Thời điểm bắt đầu cháy diễn muộn hơn, giảm tỷ số nén ảnh hưởng đến hiệu làm việc động cơ, không nên giảm tỷ số nén xuống thấp 14,87  Thử nghiệm ảnh hưởng luân hồi khí xả đến trình cháy HCCI thấy rằng: tỷ số nén 15,4, tỷ lệ luân hồi 25%, động HCCI hoạt động ổn định chế độ nhỏ 50% tải, tốc độ 2400 vg/ph, , thời điểm bắt đầu cháy muộn dần tăng tỷ lệ luân hồi  Thử nghiệm ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp tới trình cháy HCCI thấy rằng: tỷ số nén 15,4, nhiệt độ khí nạp tăng từ 50oC đến 70oC, động làm việc ổn định 2400vg/ph, 30% tải, thời điểm bắt đầu cháy sớm dần PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI  Nghiên cứu thiết lập động HCCI sử dụng nhiên liệu truyền thống, phổ biến thị trường  Tiếp tục nghiên cứu giải pháp mở rộng dải tải trọng làm việc động HCCI  Nghiên cứu điều khiển thời điểm cháy động HCCI cách sử dụng dụng xúc tác nhiên liệu kép  ... Đặc tính cháy động  Biến thiên áp suất xy lanh động Hình 4.8a 4.8b tương ứng đồ thị áp suất xy lanh động diesel động HCCI • Động diesel nguyên hoạt động ổn định, trì tốt công suất chế độ thử nghiệm... Tốc độ tỏa nhiệt a )Động diesel b) Động HCCI Hình 4.10a hình 4.10b đồ thị tốc độ tỏa nhiệt động nguyên động HCCI Tốc độ tỏa nhiệt động HCCI có thay đổi rõ rệt so với động diesel, đường tốc độ tỏa... thành hỗn hợp động HCCI Theo phương pháp phun nhiên liệu có phương pháp hình thành hỗn hợp động HCCI:  Hình thành hỗn hợp đồng bên  Hỗn hợp hình thành đồng bên -62.2 Quá trình cháy động HCCI