Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang hoạt động theo nguyên lý cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trên cơ sở động cơ nghiên cứu là động cơ diesel 1 xy lanh BD178FE đã qua sử dụng, không tăng áp, làm mát bằng không khí, tỷ số nén 20.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI KHI SỬ DỤNG HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI STUDY ON HOMOGENOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION (HCCI) BY USING EXHAUST GAS RECIRCULATION SYSTEM Khương Thị Hà1,*, Nguyễn Cao Văn1, Văn Đăng Cương2, Bùi Văn Chinh2 TÓM TẮT Nghiên cứu chuyển đổi động diesel truyền thống sang hoạt động theo nguyên lý cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI) sở động nghiên cứu động diesel xy lanh BD178FE qua sử dụng, khơng tăng áp, làm mát khơng khí, tỷ số nén 20 Động chuyển đổi sang q trình cháy HCCI tỷ số nén 15,4, có tỷ lệ luân hồi thay đổi từ 10 ÷ 30%, khoảng chia 5%, chế độ tốc độ từ 1200vg/ph đến 2400vg/ph với khoảng chia 400vg/ph chế độ tải: 10%, 20%, 30% 50% tương ứng với mô men có giá trị là: 1,24Nm; 2,48Nm; 3,72Nm 6,2Nm Kết động HCCI hoạt động ổn định chế độ nghiên cứu với mơ men có ích tương đương với động diesel nguyên nhiên trình cháy diễn sớm trước điểm chết Tăng dần tỷ lệ khí luân hồi giảm tượng cháy sớm cháy khuếch tán lửa nóng Từ khóa: Cháy nén hỗn hợp đồng nhất, luân hồi khí thải, thời điểm bắt đầu cháy ABSTRACT Studying the conversion from traditional diesel engine to engine operating on fire principle due to Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) based on research of single cylinder diesel engine BD178FE which is used, nonturbocharged, air-cooled, and has a compression ratio of 20 This engine converts to HCCI combustion process at a compression ratio of 15.4, it has a 10 ÷ 30% change Exhaust Gas Recirculation (EGR), rate with 5% division, speed mode from 1200rpm to 2400rpm with division of 400rpm and load modes 10%, 20%, 30% and 50%, which corresponds to a torque of 1.24Nm; 2.48Nm; 3.72Nm and 6.2Nm The results show that, the HCCI engine operates stably in the research mode with useful torque and is equivalent to the original diesel engine, but the combustion occurs early before the dead point Gradually increasing the rate of EGR will reduce premature burning and diffuse burning in hot flames Keywords: HCCI, EGR, SOC Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thơng Vận tải Khoa Cơng nghệ Ơ tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: khuongha82@gmail.com Ngày nhận bài: 03/8/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/9/2020 Ngày chấp nhận đăng: 21/10/2020 GIỚI THIỆU Động đốt truyền thống đóng góp phần đáng kể cho phát triển kinh tế xã hội lồi người, phần khơng thể thiếu công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải sống ngày Lợi ích động đốt mang lại lớn nhược điểm gây nhiều tác hại cho xã hội cho người, vấn đề khí thải nâng cao hiệu suất để tiết kiệm nhiên liệu Hiện có hai loại động tiêu biểu động xăng động diesel Một công nghệ nghiên cứu thiết lập động hoạt động theo nguyên lý cháy HCCI, động hoạt động theo nguyên lý lần giới khoa học thừa nhận công trình nghiên cứu mơ hình cháy CAI (Control auto ignition - Cháy có điều khiển) thực Onishi [4] Noguchi [3] năm 1979 Sau công trình Onishi Noguchi, bùng nổ xu hướng nghiên cứu phát triển động sử dụng mơ hình cháy này, điển hình hãng Honda với động CAI sản xuất lắp ô tô, động xe máy ARC kỳ Đến thập niên 90, nghiên cứu bắt đầu có hệ thống tập trung vào khả ứng dụng mơ hình cháy HCCI cho động diesel ô tô Các nghiên cứu toàn giới động cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI - Homogeneous compression charge ignition) cho khắc phục nhược điểm động truyền thống với ưu thế: phát thải NOx PM thấp (Động HCCI giảm NOx giảm nhiệt độ cháy so với động nguyên cháy với nhiều tâm cháy phân bố đồng không gian buồng cháy nên cháy sạch, giảm PM), hiệu suất nhiệt tương đương động phun xăng trực tiếp, có khả sử dụng đa dạng loại nhiên liệu thay Dưới vài nghiên cứu động HCCI giới: Cũng nghiên cứu việc hình thành HCCI cách phun nhiên liệu sớm phun đa điểm, Suyin Gan cộng [6] tiến hành thử nghiệm động diesel Ngồi nhóm nghiên cứu thuộc trường đại học Nottingham Malaysia Campus thử nghiệm với góc phun muộn Các thông số điều khiển động hoạt động theo nguyên lý HCCI thông số vịi phun, áp suất phun, thơng số hình học đỉnh piston, tỷ số nén, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ khí ln hồi q trình trao đổi khí tăng áp Kết nghiên cứu ảnh hưởng thơng số 76 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 đến q trình cháy khí thải cho thấy khả điều khiển mở rộng dải làm việc cho động HCCI cách phun nhiều lần Ngoài nhiên liệu truyền thống, nhà nghiên cứu động HCCI sử dụng loại nhiên liệu thay khác DME, hydro, khí sinh học [7],… Can Cinar [1] cộng nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ diethyl ether (DEE) đến trình cháy khí thải động xy lanh phun nhiên liệu trực tiếp hoạt động theo nguyên lý HCCI Các thí nghiệm tiến hành tốc độ 2200v/ph 19N.m, lượng DEE điều khiển ECU phun vào đường ống nạp nhờ bơm áp suất thấp Tỷ lệ nhiên liệu diesel DEE thay đổi từ - 40%, lượng DEE hòa trộn trước đường ống nạp tính dựa tỷ lệ nhiệt lượng DEE tổng nhiệt lượng nhiên liệu tỏa trình cháy Kết thực nghiệm cho thấy tỷ lệ DEE 10% q trình cháy ổn định, cịn 40% DEE bắt đầu xảy tượng cháy kích nổ, NOx bồ hóng đồng thời giảm đến 19,4% 76,1%, nhiệt độ khí thải giảm 23,8%, cịn CO HC tăng S Swami Nathan [5] nghiên cứu thử nghiệm việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel khí sinh học cho động HCCI, việc điều khiển trình cháy thơng qua nhiệt độ khí nạp lượng nhiên liệu diesel phun đường nạp để điều khiển thời điểm cháy Trong khí sinh học có CO2, khí giảm tốc độ tỏa nhiệt nhiên liệu diesel dùng động HCCI Thông thường sử dụng khí sinh học làm giảm hiệu suất nhiệt hai loại động truyền thống xăng diesel, kết thí nghiệm nghiên cứu lại cho thấy động HCCI sử dụng nhiên liệu khí sinh học hiệu suất nhiệt cao 50%, gần với động diesel Bên cạnh lượng NO cịn 20ppm độ khói 0,1 HSU tất chế độ thử nghiệm HC mức độ cao, nhiên giảm xuống nhiệt độ khí nạp tăng lên nhờ tận dụng nhiệt khí xả để sấy nóng Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng khí sinh học cho động HCCI hoàn toàn khả thi Tuy nhiên, nhiều vấn đề cần phải giải động HCCI như: điều khiển cách trực tiếp trình cháy, phát thải CO HC cao, vùng làm việc tập trung tải nhỏ [2, 8] Vấn đề điều khiển thời điểm tự cháy động HCCI không đơn giản động xăng diesel, cần đảm bảo tính chất hỗn hợp cho thời điểm cháy bắt đầu gần điểm chết Trên động xăng, phần hỗn hợp nhiên liệukhơng khí bám khe kẽ, piston xuống, thành phần đốt cháy nhiệt độ cao (lớn 2500K) Tuy nhiên, động HCCI, nhiệt độ cháy thấp (nhỏ 1800K), nên phần hỗn hợp không phân huỷ, phát thải CO HC cao Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt độ lớn nhỏ (chỉ khoảng 1200K), không đủ để CO chuyển hố thành CO2, q trình tự cháy khó khăn Trong tải lớn, hỗn hợp cháy thời điểm, tốc độ toả nhiệt diễn nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, gây ảnh hưởng xấu đến động Vùng làm việc động HCCI bị giới hạn hai yếu tố: khơng cháy Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn kích nổ, tốc độ cao, hỗn hợp khó tự cháy khơng đủ thời gian để phản ứng Trong nghiên cứu trình bày phương pháp chuyển đổi động diesel truyền thống sang hoạt động theo q trình cháy HCCI thơng qua giải pháp luân hồi khí thải với mong muốn thiết lập trình cháy HCCI cho động truyền thống mà khơng phải thay đổi kết cấu động nguyên NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI THƠNG QUA GIẢI PHÁP LN HỒI KHÍ THẢI 2.1 Cơ sở lý thuyết Trên động đánh lửa, q trình cháy diễn thơng qua q trình đánh lửa bugi, màng lửa từ bugi lan tràn khắp buồng cháy Phần hỗn hợp chưa cháy ngăn cách với phần cháy thông qua màng lửa Tổng nhiệt lượng toả động đánh lửa tính sau: Q = ∫ qdm (1) Hình Nhiệt lượng loại động Trong đó: q nhiệt lượng đơn vị khối lượng hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí dm phần khối lượng màng lửa cháy (hình 1a) Trên động diesel, nhiên liệu phun trực tiếp vào khí có nhiệt độ cao sau trình nén Một lượng nhỏ hỗn hợp đạt điều kiện tự cháy giống q trình cháy HCCI, lượng lớn nhiên liệu lại cháy khuếch tán sau trình cháy diễn Vì vậy, động diesel, trình toả nhiệt chia làm hai giai đoạn kết trình cháy nhanh cháy khuếch tán: Q = ∫ m dq + ∫ m dq (2) Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 77 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Trong đó: mp dqp khối lượng nhiệt lượng hỗn hợp trình cháy nhanh (premixed); md dqd khối lượng nhiệt lượng hỗn hợp vùng trình cháy khuếch tán (diffusion) (hình 1b) Giá trị nhiệt lượng toả phụ thuộc vào độ đậm nhạt (λ) vùng đó, cháy, vùng có lượng nhiệt toả khác Trên động HCCI trình cháy diễn gần đồng thời, khơng có 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 1c): Q = ∫ mdq (3) P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trên hình thể tốc độ tăng áp suất động HCCI, thay đổi tỷ lệ luân hồi chế độ tải từ 10 ÷ 30, tốc độ 1200 ÷ 2400vg/ph động HCCI làm việc ổn định, khơng xuất cháy “kích nổ”, giá trị lớn 1,2bar/độ GQTK, động làm việc êm Tuy nhiên thực tế, hỗn hợp khơng hồn tồn đồng nên q trình cháy phần giống với trình cháy khuếch tán động diesel 2.2 Giải pháp ln hồi khí thải Hình Sơ đồ bố trí hệ thống luân hồi khí thải động thí nghiệm Khí luân hồi sau làm mát đưa lại đường ống nạp kết hợp với khơng khí sấy nóng nhiên liệu n-heptan phun trước cửa nạp, hòa trộn đưa vào xy lanh động cơ, khơng phải thay đổi kết cấu động nguyên bản, kết đo áp suất, thành phần khí thải nội dung nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab để tính tốn tốc độ tăng áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, thời điểm bắt đầu cháy động nhằm khảo sát trình cháy HCCI 2.3 Đối tượng nghiên cứu Động nghiên cứu động diesel xy lanh BD178FE qua sử dụng, khơng tăng áp, làm mát khơng khí, tỷ số nén 20, có mơ men lớn 12,4N.m 2000vg/ph Động chuyển đổi sang trình cháy HCCI tỷ số nén 15,4, có tỷ lệ luân hồi thay đổi từ 10 ÷ 30%, khoảng chia 5%, chế độ tốc độ từ 1200vg/ph đến 2400vg/ph với khoảng chia 400 vg/ph chế độ tải: 10%, 20%, 30% 50% tương ứng với mô men có giá trị là: 1,24N.m; 2,48N.m; 3,72N.m 6,2N.m, động HCCI có mơ men có ích tương đương với động diesel nguyên 78 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Hình Tốc độ tăng áp suất động HCCI Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY Hình Tốc độ tỏa nhiệt động HCCI Tốc độ tỏa nhiệt động HCCI thể hình cho thấy thay đổi tỷ lệ luân hồi động chuyển đổi hình thành trình cháy HCCI tốc độ tỏa nhiệt có hình thành lửa lạnh lửa nóng theo lý thuyết trình cháy HCCI, nhiên giai đoạn sau lửa nóng cịn có xu hướng cháy khuếch tán tỷ lệ luân hồi nhỏ trình cháy diễn sớm trước điểm chết trên, cần điều chỉnh tỷ lệ luân hồi phù hợp với chế độ làm việc động nhằm giảm tượng cháy sớm trước điểm chết Thời điểm bắt đầu cháy động HCCI thể qua hình bao gồm SOC1 - Start of combustion thời điểm xuất lửa lạnh SOC2- Start of combustion thời điểm xuất lửa nóng, kết cho thấy chế độ tải tốc độ nghiên cứu tỷ lệ luân hồi nhỏ thời điểm bắt đầu cháy sớm, tăng dần tỷ lệ luân hồi thời điểm bắt đầu cháy muộn dần Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 79 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Bộ Giao thông vận tải đề tài mã số DT203070 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Can Cinar, Özer Can, Fatih Sahin, H Serdar Yucesu, 2010 Effects of premixed diethyl ether (DEE) on combustion and exhaust emissions in a HCCI-DI diesel engine Applied Thermal Engineering, (30), pp360–365 [2] P Moulali, T H Prasad, B D Prasad, 2019 Influence of EGR and Inlet Temperature on Combustion and Emission Characteristics of HCCI Engine with Micro Algae Oil Journal of Scientific & Industrial Research Vol 78, pp 317-322 [3] Noguchi, M., Tanaka., et al, 1979 A study on gasoline engine combustion by observation on intermediate reactive products during combustion SAE paper 790840 [4] O Onishi, S., et al, 1979 Active thermo-atmosphere combustion (ATAC) A new combustion process for internal combustion engines SAE, paper 790507 [5] S Swami Nathan, J.M Mallikarjuna, A Ramesh, 2010 An experimental study of the biogas–diesel HCCI mode of engine operation Energy Conversion and Management 51, 1347–1353 [6] Suyin Gan, Hoon Kiat Ng, Kar Mun Pang, 2011 Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion: Implementation and effects on pollutants in direct injection diesel engines Applied Energy 88, 559–5 [7] Toshio Shudo, Yosuke Shima, Tatsuya Fujii, 2009 Production of dimethyl ether and hydrogen by methanol reforming for an HCCI engine system with waste heat recovery - Continuous control of fuel ignitability and utilization of exhaust gas heat International journal of hydrogen energy 34 7638 – 7647 [8] Tuan Le Anh, Vinh Nguyen Duy, Ha Khuong Thi, Hoi Nguyen Xa, 2018 Experimental Investigation on Establishing the HCCI Process Fueled by N-Heptane in a Direct Injection Diesel Engine at Different Compression Ratios Sustainability 2018, Volume 10, Issue 11, 3878 AUTHORS INFORMATION Khuong Thi Ha1, Nguyen Cao Van1, Nguyen Van Cuong2, Bui Van Chinh2 Faculty of Mechanical Engineering, University of Transport and Communications Faculty of Autombile Technology, Hanoi University of Industry Hình Thời điểm bắt đầu cháy động HCCI KẾT LUẬN Khi sử dụng luân hồi khí thải chế độ nghiên cứu động diesel truyền thống chuyển đổi sang trình cháy HCCI, động hoạt động ổn định với mơ men có ích tương đương với động diesel nguyên nhiên trình cháy diễn sớm trước điểm chết Tăng dần tỷ lệ khí luân hồi giảm tượng cháy sớm cháy khuếch tán lửa nóng 80 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... tồn đồng nên q trình cháy phần giống với q trình cháy khuếch tán động diesel 2.2 Giải pháp ln hồi khí thải Hình Sơ đồ bố trí hệ thống luân hồi khí thải động thí nghiệm Khí luân hồi sau làm mát... of Industry Hình Thời điểm bắt đầu cháy động HCCI KẾT LUẬN Khi sử dụng luân hồi khí thải chế độ nghiên cứu động diesel truyền thống chuyển đổi sang trình cháy HCCI, động hoạt động ổn định với mơ... truyền thống sang hoạt động theo q trình cháy HCCI thơng qua giải pháp luân hồi khí thải với mong muốn thiết lập trình cháy HCCI cho động truyền thống mà khơng phải thay đổi kết cấu động nguyên NGHIÊN