Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải

Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ tên tác giả luận văn TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Chuyên ngành : LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC … (ghi chuyên ngành học vị công nhận) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Hà Nội – Năm BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐỨC KHÁNH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ HCCI BĂNG PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ ANH TUẤN Hà Nội – Năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác! Hà Nội, tháng 09 năm 2012 Học viên Nguyễn Đức Khánh i LỜI CẢM ƠN Với tư cách tác giả luận văn này, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Lê Anh Tuấn, người có tạo điều kiện có góp ý hữu ích mặt chun mơn để tơi hồn thành luận văn Đồng thời xin trân trọng cảm ơn thầy cô môn Động đốt Phịng thí nghiệm Động đốt – Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học giúp đỡ sở vật chất suốt thời gian học tập làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ông Lương Minh Báu – Viện Khoa học Công nghệ Quốc gia Ulsan, Hàn Quốc; ông Primoz Tominc – công ty AVL, Cộng hoà Áo với những ý kiến, đóng góp trao đổi mặt chun mơn công cụ mô AVL Boost Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình bạn bè, người động viên chia sẻ với nhiều suốt thời gian học tập làm luận văn Học viên Nguyễn Đức Khánh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI .8 1.1 Lịch sử phát triển động HCCI/CAI 1.1.1 Động xăng CAI .8 1.1.2 Động diesel HCCI .11 1.2 Định nghĩa động HCCI/CAI 13 1.3 Hình thành hỗn hợp động HCCI/CAI 14 1.4 Nguyên lý động HCCI 18 1.5 Ưu, nhược điểm động HCCI 21 1.6 Điều khiển trình cháy động HCCI 22 1.6.1 Hệ thống nhiên liệu 23 1.6.2 Điều khiển lượng khí sót xylanh 24 1.6.3 Điều khiển hiệu suất nén 25 1.6.4 Điều khiển tỷ số nén 25 1.6.5 Điều khiển tỷ lệ luân hồi khí thải 26 1.6.6 Điều khiển nhiệt độ khí nạp 27 1.7 Kết luận 27 CHƯƠNG II ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI BẰNG PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI .29 2.1 Ảnh hưởng luân hồi khí thải đến đặc tính cháy HCCI 29 2.1.1 Ảnh hưởng khí luân hồi nhiệt độ thấp 30 2.1.2 Ảnh hưởng khí luân hồi nhiệt độ cao .33 2.2 Tổng quan luân hồi khí thải động HCCI 35 iii 2.3 Kết luận 39 CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ HCCI TRÊN PHẦN MỀM AVL BOOST 40 3.1 Tổng quan phần mềm AVL Boost 40 3.1.1 Giới thiệu phần mềm AVL Boost .40 3.1.2 Lý thuyết mô phần mềm .41 3.2 Trình tự mơ 44 3.2.1 Xây dựng mơ hình mô 44 3.2.2 Chế độ mô .46 3.3 Kết luận 47 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .48 4.1 Ảnh hưởng luân hồi nội 48 4.2 Ảnh hưởng luân hồi bên .51 4.3 Kết luận 66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ĐCĐT Động đốt GTVT Giao thông vận tải PM Phát thải dạng hạt LNT Bộ xử lý NOx hỗn hợp nghèo DPF Bộ lọc phát thải dạng hạt CARB Uỷ ban tài ngun khí California ZEV Phương tiện khơng phát thải HCCI Cháy nén hỗn hợp đồng CAI Tự cháy điều khiển ĐCT Điểm chết ĐCD Điểm chết A/F Tỷ lệ khơng khí / nhiên liệu PTN Phịng thí nghiệm DME Dimethyl Ether Độ trục khuỷu TK EGR Luân hồi khí thải K Nhiệt độ Kelvin TEGR Nhiệt độ khí luân hồi Gct Lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình dp/dα Tốc độ tăng áp suất v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Tiêu chuẩn phát thải theo tiêu chuẩn châu Âu CARB cho xe Bảng 3.1 Thông số động AVL 5402 45 Bảng 3.2 Tính chất nhiên liệu n-heptane 45 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các phương pháp hình thành hỗn hợp động HCCI 15 Hình 1.2 Quy luật xung phun trình phun sớm 16 Hình 1.3 So sánh tia phun động HCCI động diesel truyền thống 17 Hình 1.4 Nghiên cứu mơ số hình thành hỗn hợp động HCCI 18 Hình 1.5 So sánh trình cháy thông thường HCCI động xăng 19 Hình 1.6 Đặc tính toả nhiệt trình cháy loại động 20 Hình 1.7 Vùng làm việc động HCCI 21 Hình 1.8 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy động HCCI 22 Hình 1.9 Tín hiệu CA50 thu từ q trình điều chỉnh lưỡng nhiên liệu 23 Hình 1.10 Ảnh hưởng tỷ lệ n-pentane iso-pentane đến tốc độ toả nhiệt 24 Hình 1.11 Sự thay đổi thời gian cháy thay đổi góc đóng muộn xupap thải 25 Hình 1.12 Động thay đổi tỷ số nén hãng SAAB, Thuỵ Điển 26 Hình 1.13 Diễn biến tốc độ toả nhiệt thay đổi tỷ lệ luân hồi 26 Hình 1.14 Diễn biến tốc độ toả nhiệt thay đổi nhiệt độ khí nạp 27 Hình 2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến độ trễ thời điểm tự cháy 31 Hình 2.2 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến thay đổi thời gian cháy 32 Hình 2.3 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến giá trị lớn tốc độ tăng áp suất 32 Hình 2.4 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến nhiệt độ hỗn hợp lambda 34 Hình 2.5 Ảnh hưởng gia nhiệt luân hồi đến thời gian thời điểm cháy 34 Hình 3.1 Mơ hình cân lượng xylanh động 41 Hình 3.2 Mơ hình động AVL 5402 trước sau lắp luân hồi khí thải 45 Hình 3.3 Các pha phối khí sử dụng q trình mơ 46 Hình 4.1 Ảnh hưởng pha phối khí xupap thải đến tốc độ toả nhiệt 48 Hình 4.2 Ảnh hưởng pha phối khí xupap thải đến áp suất xylanh 49 Hình 4.3 Ảnh hưởng pha phối khí xupap thải đến tốc độ tăng áp suất 49 Hình 4.4 Ảnh hưởng pha phối khí xupap thải đến nhiệt độ xylanh 50 Hình 4.5 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =10,3 mg 51 Hình 4.6 Áp suất xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =10,3 mg 52 Hình 4.7 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =10,3 mg 52 Hình 4.8 Nhiệt độ xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =10,3 mg 53 vii Hình 4.9 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =10,9 mg 55 Hình 4.10 Áp suất xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =10,9 mg 55 Hình 4.11 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =10,9 mg 56 Hình 4.12 Nhiệt độ xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =10,9 mg 56 Hình 4.13 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =11,5 mg 57 Hình 4.14 Áp suất xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =11,5 mg 58 Hình 4.15 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ nhiệt độ khí ln hồi Gct =11,5 mg 59 Hình 4.16 Nhiệt độ xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =11,5 mg 60 Hình 4.17 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =12 mg 61 Hình 4.18 Áp suất xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =12 mg 61 Hình 4.19 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =12 mg 62 Hình 4.20 Nhiệt độ xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =12 mg 62 Hình 4.21 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến tốc độ toả nhiệt TEGR = 298 K 63 Hình 4.22 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến áp suất xylanh TEGR = 298 K 64 Hình 4.23 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến tốc độ tăng áp suất TEGR = 298 K 65 Hình 4.24 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến nhiệt độ xylanh TEGR = 298 K 65 viii a) b) 240 240 EGR 21.08% 180 EGR 27.09% 150 EGR 32.50% EGR 36.44% 120 90 60 30 12 mg/chu trình EGR 0% 210 T = 355 K EGR 12.43% Tốc độ toả nhiệt [J/độ] Tốc độ toả nhiệt [J/độ] 12 mg/chu trình EGR 0% 210 EGR 20.92% 180 EGR 26.96% 150 EGR 32.14% EGR 36.08% 120 90 60 30 0 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 Góc quay trục khuỷu [độ] -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] c) d) 240 270 12 mg/chu trình EGR 0% EGR 20.61% 180 EGR 27.02% 150 EGR 32.04% EGR 35.92% 120 90 60 30 12 mg/chu trình EGR 0% 240 T = 375 K EGR 12.24% Tốc độ toả nhiệt [J/độ] 210 Tốc độ toả nhiệt [J/độ] T = 365 K EGR 12.32% T = 385 K EGR 12.2% 210 EGR 20.41% 180 EGR 26.65% EGR 32.02% 150 EGR 35.87% 120 90 60 30 0 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 Góc quay trục khuỷu [độ] -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Hình 4.17 Tốc độ toả nhiệt theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =12 mg a) b) 120 120 12 mg/chu trình EGR 12.43% 100 T = 355 K EGR 21.08% EGR 27.09% 80 EGR 32.50% EGR 36.44% 60 12 mg/chu trình EGR 0% Áp suất xylanh [bar] Áp suất xylanh [bar] EGR 0% 40 20 EGR 12.32% 100 EGR 26.96% 80 EGR 32.14% EGR 36.08% 60 40 20 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 Góc quay trục khuỷu [độ] -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] c) d) 120 120 12 mg/chu trình EGR 12.24% 100 T = 375 K EGR 20.61% EGR 27.02% 80 EGR 32.04% EGR 35.92% 60 12 mg/chu trình EGR 0% Áp suất xylanh [bar] EGR 0% Áp suất xylanh [bar] T = 365 K EGR 20.92% 40 20 EGR 12.2% 100 T = 385 K EGR 20.41% EGR 26.65% 80 EGR 32.02% EGR 35.87% 60 40 20 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 Góc quay trục khuỷu [độ] -30 -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Hình 4.18 Áp suất xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =12 mg 61 a) b) 25 12 mg/chu trình EGR 0% T = 355 K EGR 12.43% 15 Tốc độ tăng áp suất [bar/độ] Tốc độ tăng áp suất [bar/độ] 20 EGR 21.08% EGR 27.09% 10 EGR 32.50% EGR 36.44% -5 12 mg/chu trình EGR 0% 20 T = 365 K EGR 12.32% EGR 20.92% 15 EGR 26.96% EGR 32.14% 10 EGR 36.08% -5 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 -20 Góc quay trục khuỷu [độ] -10 c) 10 20 30 40 d) 20 25 12 mg/chu trình EGR 0% T = 375 K EGR 12.24% 15 Tốc độ tăng áp suất [bar/độ] Tốc độ tăng áp suất [bar/độ] Góc quay trục khuỷu [độ] EGR 20.61% EGR 27.02% 10 EGR 32.04% EGR 35.92% -5 12 mg/chu trình EGR 0% 20 T = 385 K EGR 12.2% EGR 20.41% 15 EGR 26.65% EGR 32.02% 10 EGR 35.87% -5 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 -20 Góc quay trục khuỷu [độ] -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Hình 4.19 Tốc độ tăng áp suất theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =12 mg a) b) 2000 12 mg/chu trình EGR 0% 1800 T = 355 K EGR 12.43% Nhiệt độ xylanh [K] Nhiệt độ xylanh [K] 2000 EGR 21.08% 1600 EGR 27.09% 1400 EGR 32.50% EGR 36.44% 1200 1000 800 600 12 mg/chu trình EGR 0% 1800 EGR 20.92% 1600 EGR 26.96% 1400 EGR 32.14% EGR 36.08% 1200 1000 800 600 400 400 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 Góc quay trục khuỷu [độ] -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] c) d) 2000 2000 12 mg/chu trình EGR 0% 1800 T = 375 K EGR 12.24% Nhiệt độ xylanh [K] Nhiệt độ xylanh [K] T = 365 K EGR 12.32% EGR 20.61% 1600 EGR 27.02% 1400 EGR 32.04% EGR 35.92% 1200 1000 800 600 12 mg/chu trình EGR 0% 1800 T = 385 K EGR 12.2% EGR 20.41% 1600 EGR 26.65% 1400 EGR 32.02% EGR 35.87% 1200 1000 800 600 400 400 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 Góc quay trục khuỷu [độ] -30 -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Hình 4.20 Nhiệt độ xylanh theo tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi Gct =12 mg 62 Để đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến đặc tính cháy mà khơng quan tâm đến ảnh hưởng nhiệt độ, điều chỉnh giảm nhiệt độ khí luân hồi xuống giá trị 298 K, tương đương với nhiệt độ mơi trường Khi đó, yếu tố định đến trình cháy ảnh hưởng nhiệt dung riêng hỗn hợp chiếm chỗ khí ln hồi thành phần khí nạp Hình 4.21 thể diễn biến tốc độ toả nhiệt giá trị Gct khác Tại hỗn hợp nhạt, với tỷ lệ luân hồi nhỏ, ảnh hưởng phần tử hoạt tính khí thải giúp cho trình phản ứng cháy (hình 4.21a, b) Khi đó, ảnh hưởng mặt hoá học đáng kể so với yếu tố nhiệt dung riêng hỗn hợp hay pha loãng Khi tiếp tục tăng tỷ lệ luân hồi, tốc độ toả nhiệt giảm dần chịu ảnh hưởng hai yếu tố Tại tải lớn, hỗn hợp đậm hơn, nên ảnh hưởng phần tử hoạt tính khơng cịn rõ ràng trường hợp hỗn hợp nhạt Ta thấy, tốc độ toả nhiệt luân hồi 13,33% có giá trị lớn nhất, khoảng 150 J/độ, cao nhiều so với giá trị 110 J/độ khơng ln hồi (hình 4.21c) Khi tăng Gct lên 12 mg, ảnh hưởng mặt hố học khơng đáng kể đến tốc độ toả nhiệt xylanh a) b) 45 100 EGR 0% 10,3 mg/chu trình EGR 13.09% 35 EGR 21.91% 30 EGR 27.10% EGR 32.26% 25 EGR 0% 90 T = 298 K Tốc độ toả nhiệt [J/độ] Tốc độ toả nhiệt [J/độ] 40 EGR 35.98% 20 15 10 10,9 mg/chu trình EGR 13.09% 80 T = 298 K EGR 21.91% 70 EGR 27.10% 60 EGR 32.26% 50 EGR 35.98% 40 30 20 10 0 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 Góc quay trục khuỷu [độ] -20 -10 c) 10 20 30 40 d) 160 240 EGR 0% 11,5 mg/chu trình EGR 13.33% EGR 22% 120 EGR 27.84% 100 EGR 34.03% 80 EGR 38.79% 60 40 20 12 mg/chu trình EGR 0% 210 T = 298 K Tốc độ toả nhiệt [J/độ] 140 Tốc độ toả nhiệt [J/độ] Góc quay trục khuỷu [độ] T = 298 K EGR 13.51% EGR 22.12% 180 EGR 27.98% 150 EGR 34.32% EGR 38.99% 120 90 60 30 0 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 Góc quay trục khuỷu [độ] -30 -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Hình 4.21 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến tốc độ toả nhiệt TEGR = 298 K 63 Như trình bày, có ảnh hưởng phần tử hoạt tính, q trình cháy cải thiện tỷ lệ luân hồi nhỏ, nên áp suất xylanh tăng lên bổ sung khí cháy vào đường nạp chế độ sử dụng hỗn hợp nhạt (hình 4.22) Đối với trường hợp Gct = 10,3 mg, động đạt hiệu suất cao luân hồi 13,09% với ηi = 44,64% Tuy nhiên, tiếp tục tăng tỷ lệ luân hồi, hiệu suất động giảm, ηi thấp luân hồi 15,98% có q nhiều thành phần cháy khí nạp, ηi = 28,04% Tại Gct = 10,9 mg, hiệu suất động tăng tăng tỷ lệ luân hồi đạt cực đại với ηi = 45,82% luân hồi 27,83%, sau hiệu suất giảm tiếp tục tăng tỷ lệ khí thải đường nạp Đối với hai trường hợp hỗn hợp đậm (Gct = 11,5 12 mg), thời điểm cháy động nguyên sớm, nên bổ sung khí luân hồi vào đường nạp, thời gian cháy trễ thời gian cháy tăng lên, điều giúp cho trình cháy diễn muộn kéo dài sau ĐCT, giúp nâng cao khả tận dụng nhiệt trình cháy Vì vậy, tăng tỷ lệ luân hồi, hiệu suất động tăng, ηi = 45,36% Gct = 11,5 mg, ηi = 44,44% Gct = 12 mg với tỷ lệ luân hồi khoảng 39% a) b) 100 EGR 0% EGR 13.09% EGR 21.91% EGR 27.10% EGR 32.26% EGR 35.98% 70 60 50 40 10,3 mg/chu trình EGR 0% EGR 13.19% EGR 21.93% EGR 27.83% EGR 33.56% EGR 37.28% 90 T = 298 K Áp suất xylanh [bar] Áp suất xylanh [bar] 80 30 20 10 80 70 60 50 10,9 mg/chu trình T = 298 K 40 30 20 10 0 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 Góc quay trục khuỷu [độ] -20 -10 c) 10 20 30 40 d) 120 120 EGR 0% EGR 13.33% EGR 22% EGR 27.84% EGR 34.03% EGR 38.79% 100 80 60 11,5 mg/chu trình 12 mg/chu trình EGR 0% Áp suất xylanh [bar] Áp suất xylanh [bar] Góc quay trục khuỷu [độ] T = 298 K 40 20 EGR 13.51% 100 T = 298 K EGR 22.12% EGR 27.98% 80 EGR 34.32% EGR 38.99% 60 40 20 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 Góc quay trục khuỷu [độ] -30 -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Hình 4.22 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến áp suất xylanh TEGR = 298 K 64 a) b) 10 10 EGR 0% 10,3mg/chu trình EGR 13.09% Tốc độ tăng áp suất [bar/độ] Tốc độ tăng áp suất [bar/độ] EGR 0% T = 298 K EGR 21.91% EGR 27.10% EGR 32.26% EGR 35.98% -2 -4 10,9 mg/chu trình EGR 13.09% T = 298 K EGR 21.91% EGR 27.10% EGR 32.26% EGR 35.98% -2 -4 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 -20 Góc quay trục khuỷu [độ] -10 c) 10 20 30 40 d) 14 20 EGR 0% 12 11,5 mg/chu trình EGR 13.33% 10 Tốc độ tăng áp suất [bar/độ] Tốc độ tăng áp suất [bar/độ] Góc quay trục khuỷu [độ] T = 298 K EGR 22% EGR 27.84% EGR 34.03% EGR 38.79% -2 -4 12 mg/chu trình EGR 0% T = 298 K EGR 13.51% 15 EGR 22.12% EGR 27.98% 10 EGR 34.32% EGR 38.99% -5 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 -20 Góc quay trục khuỷu [độ] -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Hình 4.23 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến tốc độ tăng áp suất TEGR = 298 K a) b) 1800 1800 1600 EGR 0% 10,3 mg/chu trình EGR 13.09% T = 298 K Nhiệt độ xylanh [K] Nhiệt độ xylanh [K] EGR 0% EGR 21.91% 1400 EGR 27.10% EGR 32.26% 1200 EGR 35.98% 1000 800 600 400 1600 10,9 mg/chu trình EGR 13.09% EGR 27.10% EGR 32.26% 1200 EGR 35.98% 1000 800 600 400 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 Góc quay trục khuỷu [độ] -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] c) d) 2000 2000 EGR 0% 1800 11,5 mg/chu trình EGR 13.33% T = 298 K Nhiệt độ xylanh [K] Nhiệt độ xylanh [K] T = 298 K EGR 21.91% 1400 EGR 22% 1600 EGR 27.84% 1400 EGR 34.03% EGR 38.79% 1200 1000 800 600 12 mg/chu trình EGR 0% 1800 T = 298 K EGR 13.51% EGR 22.12% 1600 EGR 27.98% 1400 EGR 34.32% EGR 38.99% 1200 1000 800 600 400 400 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 Góc quay trục khuỷu [độ] -30 -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Hình 4.24 Ảnh hưởng tỷ lệ luân hồi đến nhiệt độ xylanh TEGR = 298 K 65 Hình 4.23 thể diễn biến tốc độ tăng áp suất xylanh động ứng với trường hợp Có thể thấy, giá trị (dp/dα)max hai trường hợp (hình 4.23a, b) nhỏ 10 bar/độ, động khơng xảy tượng “kích nổ” Khi tăng tải, giá trị (dp/dα)max tăng dần vượt qua ngưỡng “kích nổ” Như hình 4.23c 4.23d trình bày, khơng ln hồi, động hoạt động vùng “kích nổ”, gây nguy hiểm đến tính năng, độ bền tuổi thọ động Sử dụng giải pháp luân hồi khí thải nhiệt độ thấp cách khả thi để tránh tượng Có thể thấy, luân hồi khoảng 39% (mức luân hồi để động đạt hiệu suất cao nhất), giá trị tốc độ tăng áp suất nhỏ, động làm việc êm hơn, ổn định Vì vậy, phương pháp sử dụng khí thải cháy sau làm mát để đưa vào đường nạp cách hữu hiệu nhằm giảm khả kích nổ tăng tải, giúp nâng cao hiệu suất động cơ, đồng nghĩa với việc cải thiện tính kinh tế nhiên liệu 4.3 Kết luận Với kết trình mơ phần mềm AVL Boost, ta thấy, diễn biến áp suất xylanh, tốc độ toả nhiệt, nhiệt độ xylanh tốc độ tăng áp suất tương tự với cơng trình nghiên cứu trước giới Kết mơ giải pháp ln hồi khí thải mang lại hiệu suất cao so với không luân hồi Khi tăng nhiệt độ khí luân hồi, hiệu suất nhiệt thị động giảm với tỷ lệ khí cháy hỗn hợp khí nạp Thơng thường nhiệt độ khí ln hồi vùng từ 355 K đến 385 K, giá trị này, hiệu suất động không cải thiện đáng kể Trong đó, với nhiệt độ TEGR = 298 K, tương đương với nhiệt độ môi trường, giá trị ηi động cải thiện rõ rệt, cịn giảm khả kích nổ động Kết mô phần mềm AVL Boost sở cho trình nghiên cứu mở rộng dải tải trọng làm việc động AVL 5402 hoạt động chế độ HCCI tương lai 66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Qua kết nghiên cứu khả điều khiển trình cháy HCCI ĐCĐT thơng qua phương pháp sử dụng khí thải ln hồi, đưa kết luận sau: Việc ứng dụng mơ hình cháy HCCI động giải pháp khả thi để giảm phát thải ô nhiễm mơi trường, nâng cao tính kinh tế nhiên liệu nhằm giảm gánh nặng đến nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch Đề tài tổng kết ảnh hưởng pha phối khí, góc trùng điệp, tỷ lệ luân hồi nhiệt độ nước làm mát động đến đặc tính cháy HCCI thơng qua cơng trình nghiên cứu khoa học cơng bố rộng rãi tồn giới Xây dựng thành cơng mơ hình động AVL 5402 hoạt động với nguyên lý HCCI phần mềm AVL Boost, tảng để tiến hành nghiên cứu động HCCI tương lai thông qua công cụ mô Đánh giá ảnh hưởng pha phối khí xupap thải đến diễn biến q trình cháy HCCI động cơ, đề phương án giúp nâng cao hiệu suất hoạt động mơ hình cháy mà không cần thiết phải cải tiến nhiều mặt kết cấu, liên quan trực tiếp đến giá thành Xác định tỷ lệ luân hồi (bên ngồi) nhiệt độ khí ln hồi tối ưu chế độ làm việc thông qua ma trận thử nghiệm Với nhiệt độ khí luân hồi thông thường, động đạt hiệu suất cao tỷ lệ luân hồi khoảng 36%, với ηi 44,07%, 43,19%, 42,23% 41,44% ứng với Gct 10,3 mg, 10,9 mg, 11,5 mg 12 mg Khi tăng nhiệt độ khí luân hồi, hiệu suất động giảm Nếu giữ nhiệt độ khí luân hồi giá trị nhiệt độ môi trường (298 K), khí thải luân hồi giúp nâng cao hiệu suất động cơ, giảm tốc độ tăng áp suất, giảm nguy “kích nổ” Khi Gct = 10,9 mg, tỷ lệ luân hồi 27%, động đạt hiệu suất cao với ηi = 45,82% Với trường hợp tải lớn, trình cháy diễn nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, động làm việc ổn định Khi tăng tỷ lệ luân hồi, trình cháy diễn muộn hơn, tốc độ tăng áp suất giảm, hiệu suất động tăng 67 Giải pháp luân hồi khí thải (nội bên ngoài) hoàn toàn khả thi để điều khiển trình cháy HCCI động đốt Trong thời gian tới, đề tài cần hoàn thiện theo hướng sau: - Nghiên cứu xây dựng điều khiển tự động phần mềm AVL Boost để điều chỉnh pha phối khí, tỷ lệ nhiệt độ khí luân hồi bên nhằm đạt hiệu làm việc cao - Tiếp tục nghiên cứu sâu phản ứng hoá học, động lực học thành phần mơ hình cháy HCCI - Tiến hành thử nghiệm thực tế băng thử để đánh giá khả làm việc ổn định động chế độ HCCI - Nghiên cứu khả điều khiển trình cháy HCCI thông qua số thông số khác tỷ số nén, trị số cetane nhiên liệu 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Mahrous, et al (2009), “A modelling study into the effects of variable valve timing on the gas exchange process and performance of a 4-valve DI homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine”, Energy Conversion and Management, no 50, pp 393–398 Agrell F, et al (2003), “Integrated simulation and engine test of closed loop HCCI control by aid of variable valve timings”, SAE Paper 2003-01-0748 Aoyama T, et al (1996), “An experimental study on premixed-charge compression ignition gasoline engine”, SAE Paper 960081 Arcoumanis C, Kamimoto T (2009), Flow and Combustion in Reciprocating Engines, Springer-Verlag Berlin Heidelberg AVL–List GmbH (2011), BOOST Users Guide, Hans–List–Platz 1, A–8020 Graz, Austria AVL–List GmbH (2011), BOOST Theory Hans–List–Platz 1, A–8020 Graz, Austria BMW Group (2003), “Recent developments in BMW’s diesel technology”, DOE DEER conference Buchwald R, et al (2004), “Adaption of injection system parameters to homogeneous diesel combustion”, SAE Paper 2004-01-0936 C Baumgarten (2005), Mixture formation in Internal Combustion Engines, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 10 Duffy K, et al (2003), “Diesel HCCI results at Caterpillar”, DOE DEER conference 11 Francesco Contino (2011), Combustion in Homogeneous Charge Compression Ignition engines : experimental analysis using ethyl esters and development of a method to include detailed chemistry in numerical simulations, PhD thesis, Université catholique de Louvain 69 12 Fürhapter A, et al (2003), “CAI – Controlled Auto Ignition – the Best Solution for the Fuel Consumption – Versus Emission Trade-Off?”, SAE paper 2003-010754 13 G Barroso (2006), Chemical Kinetic Mechanism Reduction, Multizone and 3DCRFD Modelling of Homogeneous Charge Compression Ignition Engines, PhD dissertation, ETH Zurich, Nr 16437 14 Gussak L A, et al (1975), “The application of lag-process in prechamber engines”, SAE Paper 750890 15 Haraldsson G, et al (2002), “HCCI combustion phasing in a multi cylinder engine using variable compression ratio”, SAE Paper 2002-01-2858 16 Haraldsson G, et al (2003), “HCCI combustion phasing with closed-loop combustion control using variable compression ratio in a multi-cylinder engine”, SAE Paper 2003-01-1830 17 Hardy W, Reitz R D (2006), “A study of the effects of high EGR, high equivalence ratio, and mixing time on emissions levels in a heavy-duty Diesel engine for PCCI combustion”, SAE paper 2006-01-0026 18 “Honda readies activated radical combustion two-stroke engine for production motorcycle”, Automotive Engineer (1997), SAE, pp 90–92 19 Hot-bulb engine: http://en.wikipedia.org/wiki/Hot_bulb_engine 20 Hua Zhao (2007), HCCI and CAI engines for the automotive industry, Woodhead Publishing 21 Hua Zhao, et al (2007), “Effect of recycled burned gases on homogeneous charge compression ignition combustion”, Combustion Science and Technology, 177:10, pp 1863-1882 22 Hyvönen J, et al (2003), “Operating range in a multi-cylinder HCCI engine using variable compression ratio”, SAE Paper 2003-01-1829 23 Jinyoung Jang, Choongsik Bae (2009), “Effects of valve events on the engine efficiency in a homogeneous charge compression ignition engine fueled by dimethyl ether”, Fuel, No 88, pp 1228–1234 70 24 Johnson T.V (2000), “Mobile Emissions Control technologies in review”, International Conference on 21st Century Emissions Technology IMechE Conference Transactions 2000-2 25 John E Dec (2009), “Advanced compression-ignition engines—understanding the in-cylinder processes”, Proceedings of the Combustion Institute, No 32, pp 2727–2742 26 K Sudheesh, J M Mallikarjuna (2010), “Development of an exhaust gas recirculation strategy for an acetylene-fuelled homogeneous charge compression ignition engine”, Proc ImechE, Part D: J Automobile Engineering, Vol 224, no 6, pp 941-952 27 Kimura S, et al (1999), “New Combustion Concept for Ultra-clean and High Efficiency Small DI Diesel Engines”, SAE Paper 1999-01-3681 28 Kitae Yeom, et al (2007), “Homogeneous charge compression ignition of LPG and gasoline using variable valve timing in an engine”, Fuel, No 86, pp 494– 503 29 Koopmans L, Denbratt I (2001), “A four-stroke camless engine, operated in homogeneous charge compression ignition mode with a commercial gasoline”, SAE paper 2001-01-3610 30 Lavy J, et al (2000), “Innovative ultra-low NOx controlled auto-ignition combustion process for gasoline engines: the 4-SPACE project”, SAE paper 2000-01-1837 31 Law D, et al (2000), “Controlled combustion in an IC-engine with a fully variable valve train”, SAE paper 2000-01-0251 32 Lei Shi, et al (2006), “Study of low emission homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine using combined internal and external exhaust gas recirculation (EGR)”, Energy, no 31 pp 2665–2676 33 Li Cao, et al (2005), “Understanding the influence of valve timings on controlled autoignition combustion in a four-stroke port fuel injection engine”, Proc ImechE, Part D: J Automobile Engineering, Vol 219, pp 807–823 71 34 Malcolm A Weiss, et al (2000), ON THE ROAD IN 2020 A life-cycle analysis of new automobile technologies”, Energy Laboratory Report, MIT 35 M Nakano, et al (2000), “Effects of exhaust gas recirculation in homogeneous charge compression ignition engines”, International Journal of Engine Research, Vol 1, no 3, pp 269-279 36 Mingfa Yao, et al., (2009), “Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines”, Progress in Energy and Combustion Science, No 35, pp 398–437 37 Najt P.M., Foster D.E (1983), “Compression-ignited homogeneous charge combustion”, SAE paper 830264 38 Nebojsa Milovanovic, et al (2004), “Influence of the Variable Valve Timing Strategy on the Control of a Homogeneous Charge Compression (HCCI) Engine”, SAE Paper 2004-01-1899 39 Nishijima Y, et al (2001), “Premixed Lean Diesel Combustion (PREDIC) using Impingement Spray System”, SAE Paper 2001-01-1892 40 Noguchi, M., et al (1979), “A study on gasoline engine combustion by observation of intermediate reactive products during combustion”, SAE paper 790840 41 Olsson J, Tunestål P, Johansson B (2011), “Closed loop control of an HCCI engine”, SAE paper 2001-01-1031 42 Olsson Jan-Ola, et al (2001), “A Turbo Charged Dual Fuel HCCI Engine”, SAE Paper 2001-01-1896 43 Onishi, S., et al (1979), Active thermo-atmosphere combustion (ATAC) – A new combustion process for internal combustion engines”, SAE paper 790507 44 Rui Chen, Nesa Milovanovic (2002), “A computational study into the effect of exhaust gas recycling on homogeneous charge compression ignition combustion in internal combustion engines fuelled with methane”, International Journal of Thermal Sciences, No 41, pp 805–813 72 45 Ryan III T.W, Callahan T.J (1996), “Homogeneous charge compression ignition of diesel fuel”, SAE paper 961160 46 Stockinger V, et al (1992), “Investigations on a gasoline engine working with self-ignition by compression:, MTZ vol 53, pp 80–85 47 Strandh P, et al (2005), “Variable valve actuation for timing control of a homogeneous charge compression ignition engine”, SAE Paper 2005-01-0147 48 Su W H, et al (2005), “Research and Development of an Advanced Combustion System for the Direct Injection Diesel Engine”, Proc Ins Mech Engrs Part D, Vol 219, pp 241–252 49 Tetsuo OHMURA, et al (2009), “Combustion control of a small HCCI engine fuelled with DME using hot and cold EGR gas”, Journal of Environment and Engineering, Vol 4, no 1, pp 112-123 50 Thring, R.H (1989), “Homogeneous-charge compression – ignition engines”, SAE paper 892068 51 Walter B, Gatellier B (2002), “Development of the High Power NADI Concept Using Dual Mode Diesel Combustion to Achieve Zero NOx and Particulate Emissions”, SAE Paper 2002-01-1744 52 Walter B, Gatellier B (2002), “Development of the High Power NADI Concept Using Dual Mode Diesel Combustion to Achieve Zero NOx and Particulate Emissions”, SAE Paper 2002-01-1744 53 Xingcai Lu, et al., (2011), “Fuel design and management for the control of advanced compression-ignition combustion modes”, Progress in Energy and Combustion Science, No 37, pp 741–783 54 Xing-Cai Lu, Wei Chen, Zhen Huang (2005), “A fundamental study on the control of the HCCI combustion and emissions by fuel design concept combined with controllable EGR Part Effect of operating conditions and EGR on HCCI combustion”, Fuel, No 84, pp 1084–1092 73 55 Xing-Cai Lu, et al (2006), “The effects of external exhaust gas recirculation and cetane number improver on the gasoline homogeneous charge compression ignition engines”, Combustion Science & Technology, pp 1237-1249 56 Yanagihara H., et al (1996), “A simultaneous reduction of NOx and soot in diesel engines under a new combustion system (Uniform Bulky Combustion System – UNIBUS)”, 17th Int Vienna Motor Symposium 57 Yang J, et al (2002), “Development of a Gasoline Engine System using HCCI Technology – the Concept and the Test Results”, SAE Paper 2002-01-2832 58 Zhao H, et al (2001), “Performance and analysis of a 4-stroke multi-cylinder gasoline engine with CAI combustion”, SAE paper 2002-01-0420 74 ... giá khả điều khiển q trình cháy thơng qua giải pháp luân hồi khí thải, đề tài ? ?Nghiên cứu khả điều khiển trình cháy động HCCI phương pháp luân hồi khí thải? ?? hướng nhằm giúp cho trình tìm hiểu nghiên. .. KHÁNH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHÁY TRÊN ĐỘNG CƠ HCCI BĂNG PHƯƠNG PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG... nghiên cứu động HCCI thời gian tới i Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận văn a) Mục đích nghiên cứu Đánh giá khả điều khiển trình cháy HCCI ĐCĐT phương pháp luân hồi khí thải (luân hồi nội