Nghiên cứu động cơ HCCI tính toán cải tạo động cơ diesel hoạt động theo nguyên lý HCCI

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ HCCI TÍNH TOÁN CẢI TẠO ĐỘNG CƠ DIESEL HOẠT ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ HCCI Sinh viên thực hiện: LÊ ĐỨC HIỀN Đà Nẵng – Năm 2019 i LỜI NÓI ĐẦU Sự đời động đốt bước tiến vĩ đại khoa học giới Động đốt sử dụng nguồn động lực phổ biến lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, quân sự, giao thông vận tải… Tuy nhiên thập kỷ gần lo ngại nghiêm trọng đặt liên quan đến tác động mơi trường khí thải phát sinh từ hoạt động động Ngoài ra, trữ lượng dầu mỏ hữu hạn giới dần cạn kiệt Vì xu hướng phát triển động đốt nâng cao hiệu suất, nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, giảm thành phần phát thải độc hại Để giải vấn đề cơng nghệ đốt cháy cơng nghệ HCCI (nén cháy hỗn hợp đồng nhất) đưa với ưu điểm hiệu suất nhiệt cao, tiết kiệm nhiên liệu lượng phát thải NOx PM thấp Cơng nghệ HCCI có khả đáp ứng u cầu khắt khe khí thải giảm áp lực đến nguồn nhiên liệu dầu mỏ Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu động HCCI” làm rõ vấn đề động HCCI: Giới thiệu, phân tích hoạt động, kết cấu số hệ thống, ưu nhược điểm, khả ứng dụng cho động HCCI Được giúp đỡ bảo tận tình thầy giáo Trần Văn Nam, toàn thể thầy Khoa Cơ Khí Giao Thơng tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án Nhưng chưa có kinh nghiệm trình độ thân cịn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót Rất mong bảo, đóng góp thầy, bạn để đồ án ngày hoàn thiện Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Sinh viên thực Lê Đức Hiền Tô Bá Hiếu ii LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu động HCCI” cơng trình nghiên cứu thân Đề tài sản phẩm mà chúng em nỗ lực nghiên cứu thời gian làm đồ án tốt nghiệp Trong q trình viết có tham khảo số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, nêu rõ phần tài liệu tham khảo, số liệu trình bày đồ án hoàn toàn trung thực Sinh viên thực iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU .12 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 1.1 Sự phát triển động HCCI 1.2 HCCI gì? 1.3 Cơ sở lý thuyết 1.3.1 Đặc điểm trình cháy động HCCI .7 1.3.2 Hình thành hỗn hợp đồng động HCCI 10 1.4 Ưu điểm nhược điểm động HCCI .15 1.4.1 Ưu điểm động HCCI 15 1.4.2 Nhược điểm động HCCI 16 Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 19 2.1 Nguyên lý hoạt đông động HCCI 19 2.1.1 Chu trình làm việc động HCCI .19 2.1.2 Vùng hoạt động động HCCI phương pháp điều khiển trình cháy .21 2.2 Kết cấu động HCCI .25 iv 2.2.1 Khái quát hệ thống 25 2.2.2 Hệ thống nhiên liệu động HCCI .26 2.2.2.1 Hệ thống nhiên liệu diesel HCCI 26 2.2.2.2 Hệ thống nhiên liệu GDI - HCCI 35 2.2.3 Hệ thống đánh lửa HCCI .37 2.2.4 Hệ thống phân phối khí thơng minh 41 2.2.5 Hệ thống tuần hoàn khí xả EGR 50 2.2.6 Hệ thống điều khiển 53 2.2.6.1 Bộ điều khiển trung tâm ECU 54 2.2.6.2 Các cảm biến dùng hệ thống .55 Chương 3: ĐỘNG CƠ HCCI LÀM NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ .63 3.1 Nghiên cứu, tính tốn, cải tạo động diesel làm việc theo nguyên lý HCCI 63 3.1.1 Phương án cải tạo động 65 3.1.1.1 Cung cấp nhiên liệu vào động 65 3.1.1.2 Bộ giảm áp suất CNG 66 3.1.1.3 Điều chỉnh tải cho động 68 3.1.1.4 Giảm tỷ số nén điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel 70 3.1.2 Tính tốn cải tạo động 72 3.1.2.1 Tính toán giảm tỷ số nén động 72 3.1.2.2 Tính tốn nhiệt động 73 3.1.2.3 Tính tốn hịa trộn venturi .77 3.1.2.4 Tính tốn thiết kế van tiết lưu .82 3.2 Tính kinh tế kỹ thuật động HCCI 85 3.3 Đánh giá phát thải động HCCI 91 3.3.1 NOx .91 3.3.2 PM .92 v 3.3.3 HC CO 92 3.4 Nghiên cứu tính tốn động SKYACTIVcủa Mazda 93 3.4.1 Giới thiệu công nghệ SKYACTIV Mazda .93 3.4.2 Ưu điểm động SKYACTIV-X 93 3.4.3 Công nghệ SPCCI Mazda .94 3.4.4 Những giải pháp công nghệ nâng cao hiệu suất động SKYACTIV-X 97 3.4.5 Cấu tạo động SKYACTIV-X 103 3.3.6 Chu trình làm việc động SKYACTIV-X 104 3.3.7 Đánh giá hiệu động 105 Chương 4: KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT 109 4.1 Kết luận 109 4.2 Kiến nghị đề xuất 110 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 vi DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cải tạo Bảng 3.2: Thành phần khí CNG Bảng 3.3: Các thơng số chọn dùng tính tốn nhiệt cho diesel Bảng 3.4: Các thơng số chọn sử dụng tính tốn nhiệt cho CNG Bảng 3.5: Kết tính tốn nhiệt động trước cải tạo sau cải tạo Bảng 3.6: Bảng giá trị hệ số an Bảng 3.7: Xác định tiết diện lưu thông van ứng với hành trình L Bảng 3.8: Bốn kỳ hoạt động cuả bốn xy lanh Hình 1.1: Mơ hình phát triển động HCCI (động diesel bầu nhiệt kỳ) Hình 1.2: Minh họa đặc tính cháy động đánh lửa (SI), động nén cháy (CI) động nén cháy hỗn hợp đồng (HCCI) Hình 1.3: Đặc điểm tỏa nhiệt động xăng đánh lửa cưỡng Hình 1.4: Đặc điểm tỏa nhiệt động HCCI Hình 1.5: Đặc điểm tỏa nhiệt động diesel nén cháy Hình 1.6: Các phương pháp hình thành hỗn hợp động động HCCI Hình 1.7: Quy luật phun xung nhiên liệu Hình 1.8: So sánh tia phun nhiên liệu động diesel thông thường (a) động HCCI (b) Hình 1.9: So sánh bố trí kim phun buồng đốt diesel thơng thường động HCCI Hình 2.1: Chu trình làm việc động HCCI hình thành hỗn hợp bên ngồi Hình 2.2: Chu trình làm việc động HCCI hình thành hỗn hợp bên Hình 2.3: Vùng hoạt động động HCCI với nhiên liệu xăng Hình 2.4: Các giá trị áp suất trung bình (bar) vùng hoạt động HCCI vii Hình 2.5: Hệ thống nhiên liệu Common Rail - HCCI Hình 2.6: Cấu tạo lọc nhiên liệu Hình 2.7: Bơm bánh ăn khớp Hình 2.8: Cấu tạo bơm cao áp loại ba piston Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động bơm cao áp Hình 2.10: Cấu tạo hoạt động ống phân phối Hình 2.11: Bộ hạn chế áp suất Hình 2.12: Van xả áp Hình 2.13: Cấu tạo vịi phun Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch điều khiển Hình 2.15: Động trang bị hệ thống phun xăng trực tiếp Hình 2.16: Nguyên lý hoạt động hệ thống nhiên liệu GDI – HCCI Hình 2.17: Hoạt động mạch điều khiển hệ thống nhiên liệu GDI - HCCI Hình 2.18: Hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS Hình 2.19: Nguyên lý hoạt động hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS Hình 2.21: Các thành phần hệ thống đánh lửa trực tiếp Hình 2.20: Bản đồ ESA Hình 2.22: Cấu tạo bơ bin bugi đánh lửa Hình 2.23: Cấu tạo điều khiển trục cam Hình 2.24: Van điều khiển dầu phối khí trục cam Hình 2.25 : Làm sớm thời điểm phối khí Hình 2.26 : Làm muộn thời điểm phối khí Hình 2.27: Giữ ngun thời điểm phối khí Hình 2.28: Trục cam cị mổ Hình 2.29: Cấu tạo van điều khiển dầu vấu cam Hình 2.30: Mạch thủy lực hệ thống VVTL-i Hình 2.31: Động hoạt động tốc độ thấp trung bình viii Hình 2.32: Động hoạt động tốc độ cao Hình 2.33: Sơ đồ hệ thống điều khiển thay đổi góc phối khí VVT-i Hình 2.34: Hệ thống tuần hồn khí xả EGR Hình 3.35: Cấu tạo van EGR chân khơng Hình 2.36: Cấu tạo van EGR điện từ Hình 2.37: Sơ đồ ngun lí điều khiển Hình 2.38: Sơ đồ cấu tạo ECU Hình 2.39: Cấu tạo hoạt động cảm biến vị trí trục khuỷu Hình 2.40: Cấu tạo cảm biến trục cam Hình 2.41: Cấu tạo hoạt động cảm biến kích nổ Hình 2.42: Cảm biến áp suất ống phân phối Hình 2.43: Cấu tạo hoạt động cảm biến oxy Hình 2.44: Sơ đồ mạch điện cảm biến Hình 2.45: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát Hình 2.46: Sơ đồ mạch điện cảm biến nước làm mát Hình 2.47: Cảm biến bàn đạp ga loại phần tử Hall Hình 2.48: Cấu tạo cảm biến lưu lượng khí nạp Hình 2.49: Ngun lí hoạt động cảm biến Hình 3.1: Đơng diesel YANMAR TS 230R Hình 3.2: Bộ hịa trộn loại chiều Hình 3.3: Bộ hịa trộn loại trực giao Hình 3.4: Kết cấu giảm áp Hình 3.5: Kết cấu van Hình 3.6: Kết cấu van cánh Hình 3.7: Kết cấu van cầu Hình 3.8: Cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu bơm cao áp ix Hình 3.9: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cải tạo Hình 3.10: Kết cấu hịa trộn thiết kế Hình 3.11: Sơ đồ tính tốn van tiết lưu Hình 3.12: Cấu tạo van tiết lưu thiết kế Hình 3.13: Thơng số có ích động thiết lập q trình cháy HCCI Hình 3.14: Các thơng số thị động thiết lập trình cháy HCCI Hình 3.15: Quan hệ ηe pe Hình 3.16: Quan hệ ge pe Hình 3.17: Quan hệ NOx pe Hình 3.18: Quan hệ HC pe Hình 3.19: Quan hệ CO2 pe Hình 3.20: Quan hệ SMOKE pe Hình 3.21: So sánh phát thải NOx loại động Hình 3.22: Động SKYACTIV-X Mazda Hình 3.23: Cơng nghệ SPCCI Hình 3.24: Phân phối hỗn hợp nhiên liệu khơng khí SPCCI Hình 3.25: Các yếu tố ảnh hưởng lộ trình kỹ thuật cho việc đốt cháy lý tưởng Hình 3.26: Hệ thống khí xả 4-2-1 Hình 3.27: Tác động áp lực khí thải xylanh trước lên xylanh sau Hình 3.28: Piston động SKYACTIV-X Hình 3.29: Ảnh hưởng tỷ số nén đoạn nhiệt đến hiệu suất nhiệt Hình 3.30: Mối quan hệ nhiệt độ đốt cháy tỷ số nén đoạn nhiệt Hình 3.31: Hệ số tỷ số nén đoạn nhiệt tỷ lệ hỗn hợp khác Hình 3.32: Cấu tạo động SKYACTIV-X Hình 3.33: Chu trình làm việc động SKYACTIV-X Hình 3.34: Biểu đồ so sánh mô-men xoắn x ... thống .55 Chương 3: ĐỘNG CƠ HCCI LÀM NGUỒN ĐỘNG LỰC CHO Ô TÔ .63 3.1 Nghiên cứu, tính tốn, cải tạo động diesel làm việc theo nguyên lý HCCI 63 3.1.1 Phương án cải tạo động 65 3.1.1.1... học tập nghiên cứu sau II Đối tượng, phạm vi mục đích nghiên cứu − Đối tượng nghiên cứu: Động HCCI − Phạm vi nghiên cứu: Nguyên lý hoạt động, kết cấu khả ứng dụng động HCCI làm nguồn động lực... (trong động HCCI) dễ dàng nhiều so với q trình khử hóa học NOx oxy hóa PM Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ HCCI 2.1 Nguyên lý hoạt đông động HCCI 2.1.1 Chu trình làm việc động HCCI Động HCCI hoạt động