Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số nạp đến đặc tính cháy Quá trình cháy hỗn hợp đồng nhất HCCI đang là xu hướng nghiên cứu chính của các nhà khoa học về động cơ đốt trong. Cháy HCCI có nhiều ưu điểm là nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm được các thành phần độc hại trong khí thải. Bài báo nghiên cứu thực nghiệm mô hình cháy HCCI sử dụng nhiên liệu PRF80 (Primary Reference Fuel, 80% iso-Octane và 20% n-heptane). Các thông số đầu vào như nhiệt độ, áp suất khí nạp, tỷ lệ hòa khí tương đương ER (ER- equivalence ratio) và mức độ làm loãng dòng khí nạp bằng N2 lần lượt được khảo sát nhằm đánh giá đặc tính cháy của nhiên liệu PRF80. Kết quả cho thấy, khi tăng tỷ lệ hòa khí tương đương ER, tăng áp suất đường ống nạp đều làm cho nhiệt độ, áp suất trong xylanh tăng lên ở cả hai pha cháy. Nhiệt độ khí nạp có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trính cháy, khi thay đổi nhiệt độ khí nạp từ 50 ÷ 150o C, tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xylanh đều tăng và giá trị cực đại gần với điểm chết trên. Ngoài ra, bài báo còn khảo sát quá trình cháy được điều khiển bằng cách bổ sung khí N2 vào đường ống nạp. Kết quả cho thấy, tăng tỷ lệ pha loãng N2 sẽ làm trễ pha cháy chính nhưng không ảnh hưởng ở pha cháy với ngọn lửa lạnh. sử dụng nhiên liệu PRF80.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ NẠP ĐẾN ĐẶC TÍNH CHÁY HCCI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU PRF80 A RESEARCH STUDY ON THE EFFECTS OF INTAKE CONDITIONS ON COMBUSTION CHARACTERISTICS HCCI ENGINE FUELED BY PRF80 FUEL Ngô Văn Thanh1,*, Nguyễn Tùng Lâm2,3 TĨM TẮT Q trình cháy hỗn hợp đồng HCCI xu hướng nghiên cứu nhà khoa học động đốt Cháy HCCI có nhiều ưu điểm nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm thành phần độc hại khí thải Bài báo nghiên cứu thực nghiệm mơ hình cháy HCCI sử dụng nhiên liệu PRF80 (Primary Reference Fuel, 80% iso-Octane 20% n-heptane) Các thông số đầu vào nhiệt độ, áp suất khí nạp, tỷ lệ hòa khí tương đương ER (ER- equivalence ratio) mức độ làm lỗng dòng khí nạp N2 khảo sát nhằm đánh giá đặc tính cháy nhiên liệu PRF80 Kết cho thấy, tăng tỷ lệ hòa khí tương đương ER, tăng áp suất đường ống nạp làm cho nhiệt độ, áp suất xylanh tăng lên hai pha cháy Nhiệt độ khí nạp có ảnh hưởng trực tiếp đến trính cháy, thay đổi nhiệt độ khí nạp từ 50 ÷ 150oC, tốc độ tỏa nhiệt áp suất xylanh tăng giá trị cực đại gần với điểm chết Ngoài ra, báo khảo sát q trình cháy điều khiển cách bổ sung khí N2 vào đường ống nạp Kết cho thấy, tăng tỷ lệ pha lỗng N2 làm trễ pha cháy khơng ảnh hưởng pha cháy với lửa lạnh Từ khóa: HCCI, nhiêu liệu PRF80, đặc tính cháy ABSTRACT Recently, HCCI mode in the internal combustion engine is one of a trend study of the scientist The advantages of HCCI mode are increased heat performance and decreased emission In this paper, PRF80 (Primary Reference Fuel, 80% -iso Octane and 20% n-heptane) was evaluated The intake conditions such as intake temperature, intake pressure and dilution ratio by nitrogen (N2) were investigated to study the characteristics of combustion with PRF80 fuel Results shown that, rise ER and intake pressure lead to in-cylinder temperature and pressure increased of both combustion phases The intake temperature effect directly in HCCI combustion mode, intake temperature from 50oC to 150oC, results on in-cylinder pressure and heat release rate vary both value and position of peaks near the top dead center Besides, this work also was researched dilution by nitrogen (N2) for control the combustion, the result shown that, increasing N2 lead to delay of the combustion timing, but not influence the cool flame Keywords: HCCI mode, PRF80 fuel, characteristics of combustion Trường Đại học Điện lực Trường Đại học Orléans, Cộng hòa Pháp Trường Đại học Giao thông vận tải * Email: ngovanthanhdc@gmail.com Ngày nhận bài: 25/8/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/12/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2019 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xu hướng phát triển động đốt nay, cháy hỗn hợp đồng HCCI hướng ưu tiên nhà khoa học tập trung nghiên cứu Cháy HCCI có nhiều ưu điểm nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm thành phần độc hại khí thải [1-3] Xu hướng nghiên cứu nhà khoa học giới động HCCI tập trung vào điều khiển trình cháy Một phương án tập trung nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu động cháy đồng HCCI Ví dụ Olsson cộng nghiên cứu lưỡng nhiên liệu iso-Octane n-heptane với trị số Octane 100 để kiểm soát khoảng rộng đặc tính tự cháy [4] Tuy nhiên, nghiên cứu chưa khảo sát đến tính làm lỗng tỷ số số hòa khí tương đương hỗn hợp (ERequivalence ratio) cấp vào động Luân hồi khí thải phương án sử dụng phổ biến để điều khiển cháy động HCCI Với phương án này, phần khí thải quay trở lại đường nạp nhằm làm thay đổi thành phần hỗn hợp nạp qua làm thay đổi tính chất cháy hỗn hợp công tác [5] Khi kết hợp số Octane nhiên liệu tỷ lệ luân hồi khí thải hợp lý làm cho hiệu suất nhiệt tăng lên, phát thải NOx giảm tất chế độ tải [6] Các tham số đường ống nạp có ảnh hưởng trực tiếp đến điều khiển trình cháy Chenxu Cheng cộng [7] nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp kết hợp với thay đổi trị số octane nhiên liệu PRF90, PRF80, PRF70, PRF60 nâng cao hiệu suất cháy động tất chế độ tải Phương án điều khiển tỷ số nén động tập trung nghiên cứu [8] Tuy nhiên, nhiều động trang bị thay đổi tỷ số nén nên phương án lựa chọn Trong báo này, phương pháp nghiên cứu đánh giá đặc tính cháy nhiên liệu PRF80 đồng thời khảo sát tham số ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất khí nạp phương án làm lỗng khí nạp khí Nito (N2) góp phần làm hồn thiện thêm q trình điều khiển cháy động HCCI MƠ HÌNH TỐN Q TRÌNH CHÁY Quy luật tỏa nhiệt xylanh động dựa mơ hình Woschni sau [9]: No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 81 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 dQ γ dV dP dQ w dQcrevice P V dθ dθ γ dθ γ dθ dθ (1) Trong đó, Q nhiệt lượng tỏa ra, p áp suất xylanh, V thể tích xylanh, số đoạn nhiệt ( = ), góc quay trục khuỷu, Qw tổn thất nhiệt qua thành xylanh, Qcreavice tổn thất nhiệt qua khe kẽ (có thể bỏ qua tính tốn) Lượng tổn thất nhiệt qua thành vách xylanh tính theo công thức sau: dQw Achc ( Tg Tw ) / ω dθ (2) Trong đó, Ac diện tích tiếp xúc hỗn hợp khí cháy với thành vách xylanh, Tg (K) nhiệt độ hỗn hợp khí cháy, Tw (K) nhiệt độ thành vách xylanh, (rad/s) vận tốc góc trục khuỷu Đối với mơ hình cháy động HCCI, hệ số truyền nhiệt hc (W/m2 K) tính theo cơng thức [9] hc 3, 26.D0,2 (p.w)0,8 T 0,3 W / m2 K (3) Vận tốc cháy xylanh tính theo công thức Woschni 1967 sau: T w C1.cm C2 a V.(p pm ) pa Va (4) 3.2 Nhiên liệu thí nghiệm Chỉ số RON n-heptane 0, số RON Iso-Octane 100 đơn vị Khi hòa trộn n-heptane iso-octane theo tỷ lệ phần trăm thể tích ta có số RON nhiên liệu thay đổi từ ÷ 100 đơn vị Trong thực nghiệm này, nhiên liệu PRF80 với số RON 80 đơn vị, nghĩa hòa trộn 20% n-heptane với 80% iso-octane Tính chất nhiên liệu thử nghiệm cho bảng Bảng Các thông số nhiên liệu PRF80 [7] TT Thơng số Ở hành trình trình thải: C1 6, 18 0, 417 vs cm C1 2, 28 0, 308 cm: tốc độ trung bình piston; v s vs cm D.ωp , với ωp tốc độ xoáy lốc xylanh Khi chưa có cháy nhiên liệu, C2 = 0, cháy nhiên liệu C2 = 3,24.10-3 Công thức phân tử C7H16 C8H18 C1.8H17.6 Khối lượng mol 100 114 112 o Tỷ trọng 15 C (g/ml) 0,684 0,692 0,6904 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 44,6 44,3 44,36 93,38 99,3 o Nhiệt độ sôi áp suất 1atm ( C) Nhiệt độ tự cháy ( C) 220 396 A/F 15,14 15,09 15,096 RON/MON 100 80 3.3 Điều kiện thí nghiệm Các thơng số áp đặt điều kiện hoạt động động thí nghiệm cho bảng Trong giữ tốc độ động số vòng quay 1500 vòng/phút, áp suất đường ống nạp 1bar Tiến hành thay đổi nhiệt độ khí nạp tỷ lệ hòa khí tương đương động để khảo sát trình cháy HCCI nhiên liệu PRF80 động Để điều khiển q trình cháy, pha lỗng khí nạp Nitơ (N2) cách bổ sung khí N2 vào đường ống nạp Pha loãng N2 (kiểu luân hồi đơn giản) bước đầu để đánh giá luân hồi khí thải EGR (Exhaust Gas Recirculation) Tỷ lệ bổ sung N2 cho sau: N2 % Air N2 ĐỘNG CƠ VÀ ĐIỀU KIỆN THÍ NGHIỆM EGR 3.1 Động thí nghiệm Bảng Thơng số động Bảng Các chế độ thí nghiệm TT Thông số Trị số Kiểu động Peugeot PSA DW10 Số xylanh Đường kính xylanh (mm) 85 Hành trình piston (mm) 88 Thể tích cơng tác (lít) 0,499 Tỷ số nén 16:1 82 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 55.2019 n-heptane Iso-octane PRF80 pa, Va, Ta áp suất, thể tích nhiệt độ khí xylanh thời điểm đó, thường chọn cuối kì nạp; p, V áp suất thể tích xylanh thời điểm; pm áp suất khí xylanh (xác định vị trí góc quay trục khuỷu với p) động kéo không nổ điều kiện làm việc C1 hệ số xoáy lốc, C2 hệ số cháy Ở hành trình khác: Việc nghiên cứu thực thực nghiệm xylanh xylanh động (từ nguyên mẫu động diesel xylanh) với thông số đặc trưng động cho bảng Khi thực nghiệm cho xylanh hoạt động, xylanh lại ngắt nhiên liệu tạo lỗ thông xylanh với môi trường bên ngồi để loại bỏ hành trình nén Mơ hình lắp đặt thiết bị động thí nghiệm giới thiệu hình TT Tham số Đường ống nạp Nhiệt độ khí nạp (oC) Áp suất (bar) Tỷ lệ hòa khí ER Động Tốc độ (vòng/phút) Áp suất thị (bar) (5) Giá trị Thay đổi Thay đổi 1500 Thay đổi P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY suất khí nạp thay đổi tăng lên phạm vi p = [1 ÷ 1,3]bar Rõ ràng tăng áp suất khí nạp làm tăng áp suất tốc độ tỏa nhiệt xylanh động Tốc độ tỏa nhiệt áp suất xylanh lớn p = 1,3bar Trong thực tế, tăng áp suất đường nạp cách tăng áp động Tuy nhiên, áp suất nhiệt độ khí nạp tham số phụ thuộc Do đó, ta cần phải xem xét yếu tố nhiệt độ khí nạp đến quy luật cháy xylanh động Hình Mơ hình lắp đặt động thí nghiệm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ hòa khí Ảnh hưởng tỷ lệ hòa khí đánh giá thông qua số ER, (ER = vừa đủ oxy, ER < hỗn hợp nhạt, thừa oxy) Thay đổi tỷ lệ hòa khí ER làm thay đổi lượng buồng cháy, đồng thời điều khiển phản ứng cháy nhiên liệu xylanh động Hình biểu thị quy luật thay đổi áp suất tốc độ tỏa nhiệt xylanh động giữ nguyên nhiệt độ, áp suất đường ống nạp thay đổi số ER từ khoảng ER = [0,300 ÷ 0,390] Kết rằng, tăng ER đồng nghĩa với việc tăng lượng nhiên liệu cấp vào buồng cháy động Khi tỷ lệ hòa ER = 0,39 áp suất xylanh tốc độ tỏa nhiệt lớn Hơn nữa, ta thấy tỷ lệ ER tăng lên đỉnh áp suất cực đại đỉnh tốc độ tỏa nhiệt cực đại có xu hướng dịch chuyển vể phía gần điểm chết Hình Quy luật thay đổi áp suất xylanh tốc độ tỏa nhiệt nhiệt độ khí nạp 100oC, ER= 0,30 Hình Quy luật thay đổi áp suất xylanh tốc độ tỏa nhiệt thay đổi nhiệt độ khí nạp 4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp tỷ lệ pha lỗng Hình Quy luật thay đổi áp suất xylanh tốc độ tỏa nhiệt cháy nhiên liệu PRF80 nhiệt độ khí nạp 100oC, áp suất 1bar 4.2 Ảnh hưởng áp suất khí nạp Để khảo sát quy luật thay đổi áp suất quy luật tỏa nhiệt thay đổi áp suất đường ống nạp, nhiệt độ khí nạp (1000C) tỷ lệ hòa khí ER (ER = 0,30) giữ nguyên Áp 4.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp Nhiệt độ khí nạp có ảnh hưởng trực tiếp đến động học trình phản ứng cháy HCCI thơng số dùng để điều khiển trình cháy Hình quy luật thay đổi áp suất xylanh tốc độ tỏa nhiệt thay đổi nhiệt độ khí nạp T = [500C ÷ 1500C] Từ đồ thị ta thấy, áp suất tốc độ tỏa nhiệt cực đại chuyển dịch lại gần vị trí điểm chết nhiệt độ khí nạp cao Điều trình phản ứng cháy xảy sớm hai pha cháy cải thiện tốc độ phản ứng đến gần điểm chết Diễn biến trình cháy pha lửa lạnh từ -20 ÷ 10oTK trước điểm chết cho thấy, nhiệt độ khí nạp T = 500C đỉnh tốc độ tỏa nhiệt xảy chậm lớn Khảo sát vùng No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 83 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ cháy lửa lạnh, giữ tỷ lệ ER = 0,3 nhiệt độ áp suất cháy lửa lạnh đạt giá trị T = [ 800 ÷ 850K], p = [30 ÷ 40bar] Như vậy, tăng nhiệt độ khí nạp thời điểm đạt nhiệt độ tự cháy nhiên liệu hai pha cháy diễn sớm Điều dẫn đến tốc độ tỏa nhiệt tốc độ tăng áp suất diễn nhanh, động làm việc rung giật, ồn 4.3.2 Ảnh hưởng pha loãng dòng khí nạp Điều khiển q trình cháy HCCI nhiên liệu PRF80 cách bổ sung khí N2 hòa trộn vào đường ống nạp Tỷ lệ làm loãng thấp giữ áp suất đường ống nạp 1bar tỷ lệ làm lỗng cao, tăng áp suất khí nạp lên 1,3bar Quy luật thay đổi áp suất xylanh quy luật tỏa nhiệt cho hình Kết cho thấy, tăng tỷ lệ pha loãng N2 làm trễ pha cháy khơng ảnh hưởng pha cháy với lửa lạnh áp suất đường ống nạp 1bar 1,3bar Trễ pha cháy giải pháp để giảm tốc độ tăng áp dp/dt, gradient áp suất giảm, động làm việc êm Hình Quy luật thay đổi áp suất xylanh tốc độ tỏa nhiệt thay áp suất khí nạp tỷ lệ pha loãng EGR, giữ nguyên nhiệt độ khí nạp 100oC, áp suất khí nạp 1bar 1,3bar KẾT LUẬN Qua phân tích đánh giá tham số ảnh hưởng đến trình cháy HCCI nhiên liệu PRF80, thấy, thay đổi tham nhiệt độ tỷ lệ hòa khí tương đương ER (các thông số đầu vào động cơ) làm thay đổi đặc tính cháy nhiên liệu PFR80 mơ hình cháy động HCCI Khi tăng tỷ lệ hòa khí giảm nhiệt độ khí nạp làm tăng giới hạn tải động HCCI Tuy nhiên, động làm việc rung giật ồn Điều khiển pha cháy cách tăng tỷ lệ pha lỗng N2 đường nạp làm trễ pha cháy cung cấp lượng nhiên liệu áp suất thị đầu Tuy nhiên, trễ pha cháy pha cháy giai đoạn lửa lạnh khơng bị ảnh hưởng 84 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 55.2019 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Christensen M., 2002 HCCI combustion PhD thesis, Lund University, Faculty of Engineering [2] Christensen M, Johansson B., 1998 Influence of mixture quality on homogeneous charge compression ignition SAE International, SAE no 982454 [3] Eng JA., 2010 Characterization of Pressure Waves in HCCI Combustion SAE Tech Pap Ser., doi:10.4271/2002-01-2859 [4] Olsson J-O, Tunestål P, Johansson B., 2001 Closed-loop control of an HCCI engine SAE [5] Ng CKW, Thomson MJ, 2004 A computational study of the effect of fuel reforming, EGR and initial temperature on lean ethanol HCCI combustion SAE, paper 2004-01-0556 [6] Chenxu Jiang, Guan Huang, Guibin Liu, Yong Qian, Xingcai Lu, 2019 Optimizing gasoline compression ignition engine performance and emissions: Combined effects of exhaust gas recirculation and fuel octane number Applied Thermal Engineering, 153(2019), 669-677 [7] Chenxu Jiang, Zilong Li, Guibin Liu, Yong Qian, Xingcai Lu, 2019 Achieving high efficient gasoline compression ignition (GCI) combustion through the cooperative-control of fuel octane number and air intake conditions Fuel, 242(2019), pp 23-34 [8] P Saisirirat, C Togbe´,S Chanchaona, F Foucher C Mounaim-Rousselle, P Dagaut, 2011 Auto-ignition and combustion characteristics in HCCI and JSR using 1-butanol/n-heptane and ethanol/n-heptane blends Proceedings of the Combustion Institute, (33), pp 3007–3014 [9] Woschni G., 1967 A universally applicable equation for the instantaneous heat transfer coefficient in the internal combustion engine SAE, paper 670931 AUTHORS INFORMATION Ngo Van Thanh1, Nguyen Tung Lam2,3 Electric Power University Univ Orléans, INSA CVL, PRISME, EA 4229, F45072 Orléans, France University of Transport and Communications ... này, nhiên liệu PRF80 với số RON 80 đơn vị, nghĩa hòa trộn 20% n-heptane với 80% iso-octane Tính chất nhiên liệu thử nghiệm cho bảng Bảng Các thông số nhiên liệu PRF80 [7] TT Thông số Ở hành trình... đương ER (các thông số đầu vào động cơ) làm thay đổi đặc tính cháy nhiên liệu PFR80 mơ hình cháy động HCCI Khi tăng tỷ lệ hòa khí giảm nhiệt độ khí nạp làm tăng giới hạn tải động HCCI Tuy nhiên, ... áp suất khí nạp tỷ lệ pha lỗng EGR, giữ nguyên nhiệt độ khí nạp 100oC, áp suất khí nạp 1bar 1,3bar KẾT LUẬN Qua phân tích đánh giá tham số ảnh hưởng đến trình cháy HCCI nhiên liệu PRF80, thấy,