Nghiên cứu điều khiển động cơ rcci khi chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu điều khiển động RCCI chuyển đổi từ động diesel truyền thống BÙI NHẬT HUY Nhathuy.20125136@gmail.com Ngành Kỹ thuật ô tô Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Anh Trung Viện: Cơ khí động lực Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 06/2020 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Học viên: Bùi Nhật Huy Lớp: 19AKTOTO Khóa: 19 Ngành: Kỹ thuật ô tô Giáo viên hướng dẫn: TS.Trần Anh Trung Tên đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu điều khiển động RCCI chuyển đổi từ động diesel truyền thống Các số liệu ban đầu: • Dựa kết cấu thơng số kỹ thuật động diesel Kubota BD178F(E) • Dựa tài liệu động RCCI Nội dung phần thuyết minh tính tốn: • Tổng quan vấn đề lượng ô nhiễm môi trường • Tổng quan động RCCI • Chuyển đổi động diesel truyền thống sang động RCCI thiết lập thực nghiệm • Kết thảo luận Ngày giao làm luận văn: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Hà Nội, ngày .tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Lời cảm ơn Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày phát triển với tốc độ nhanh chóng, cơng năng, hiệu suất thiết bị máy móc nói chung động đốt nói riêng ngày cải thiện đáng kể Động đốt đóng vai trị quan trọng kinh tế, nguồn động lực cho phương tiện vận tải ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thuỷ, máy bay máy công tác máy phát điện, bơm nước Động đốt nguồn cung cấp 80% lượng giới Việc nghiên cứu cải tiến động đạt tiêu kinh tế, kỹ thuật ngày tốt xu hướng phát triển động đốt Được phân công hướng dẫn TS Trần Anh Trung, học viên thực nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu điều khiển động RCCI chuyển đổi từ động diesel truyền thống” Để hoàn thành luận văn học viên xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Động đốt nói riêng thầy giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung tận tình hướng dẫn suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Đại học Bách khoa Hà Nội Mặc dù học viên cố gắng hoàn thành luận văn cách hồn chỉnh song khơng thể tránh khỏi thiếu sót mà thân chưa thấy Nên em mong nhận góp ý thầy, giáo để viết hồn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Anh Trung thầy môn động đốt tận tình giúp đỡ, hướng dẫn dạy cho em suốt q trình học tập Tóm tắt nội dung đồ án Đồ án phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu sử dụng động RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition – Động cháy nén có kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu) giới Việt Nam, đưa phương pháp thiết lập trình cháy RCCI động diesel xy lanh, bốn kỳ, không tăng áp, với phương án phun nhiên liệu xăng đường nạp phun diesel trực tiếp vào buồng cháy động cơ, đồng thời đưa phương án mở rộng vùng làm việc cho động RCCI thiết lập là: Thay đổi tỷ số nén, phương pháp phun, hình dạng đỉnh piston Đã chế tạo hệ thống cung cấp xăng đường nạp, phận sấy khí nạp thiết lập mở rộng vùng làm việc cho động RCCI, 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 Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên thực Bùi Nhật Huy MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 1.2 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu ô nhiễm môi trường 1.1.1 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu 1.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường Động RCCI 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Động RCCI 1.2.3 Quá trình giải phóng nhiệt động RCCI 1.2.4 Sử dụng nhiên liệu động RCCI 1.2.5 Các thông số ảnh hưởng đến trình cháy RCCI 11 1.3 Tổng quan phương pháp chạy kiểm nghiệm động RCCI 16 1.4 Kết luận chương 19 CHƯƠNG CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL TRUYỀN THỐNG SANG ĐỘNG CƠ RCCI 21 2.1 Đối tượng chuyển đổi 21 2.2 Sơ đồ bố trí hệ thống 22 2.3 Những vấn đề cần chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động thông thường sang động RCCI 23 2.3.1 Chuyển đổi động diesel nguyên sang động diesel common rail 24 2.3.2 2.4 Lắp đặt hệ thống nhiên liệu phản ứng thấp 33 Trang thiết bị thí nghiệm 39 2.4.1 Băng thử động DW16 39 2.4.2 Cân nhiên liệu 41 2.4.3 Tủ phân tích khí thải CEB-II 43 2.4.4 Cảm biến đo áp suất 48 2.4.5 ECU điều khiển 49 2.4.6 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp Bosch 50 2.4.7 Encoder 52 2.4.8 Hệ thống thử nghiệm AVL 620 Indiset Measuring Configuration 53 2.4.9 Cảm biến lamda dải rộng LSU4 54 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 56 3.1 Đánh giá ảnh hưởng thời điểm phun đến đặc tính cháy động RCCI 56 3.2 Đánh giá đặc tính phát thải kinh tế động RCCI 58 3.2.1 Đánh giá đặc tính phát thải HC 58 3.2.2 Đánh giá đặc tính phát thải CO 58 3.2.3 Đánh giá đặc tính phát thải NOx 59 3.2.4 Đặc tính phát thải muội 59 3.2.5 Đánh giá đặc tính tiêu hao nhiên liệu 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN 61 4.1 Kết luận 61 4.2 Hướng phát triển 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 64 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hàm lượng chất khí khí xả Hình 1.2 Xu hướng phát triển động xăng diesel Hình 1.3 Bố trí phun nhiên liệu đông RCCI Hình 1.4 Phân vùng làm việc buồng cháy động diesel Hình 1.5 Kích thước muội phân bố bên buồng cháy Hình 1.6 Biều đồ tỉ lệ giải phóng nhiệt Hình 1.7 Tốc độ tỏa nhiệt giá trị đỉnh nhiệt độ tỏa thay đổi thời điểm bắt đầu phun 13 Hình 1.8 Nhiệt lương giải phóng với góc phụ khác 14 Hình 1.9 Hình dạng đỉnh piston độn RCCI 16 Hình 1.10 Sơ đồ chạy thí nghiệm động RCCI 17 Hình 1.11 Đặc điểm chế độ thử nghiệm 19 Hình 2.1 Hình ảnh thực tế động Kubota178F(E) 21 Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 22 Hình 2.3 Lắp đặt động thử nghiệm hệ thống băng thử 23 Hình 2.4 Hình ảnh vịi phun ngun (bên trái) vịi phun common rail (bên phải) 24 Hình 2.5 Hình ảnh góc tia phun vịi phun nguyên (bên phải) vòi phun diesel common rail (bên trái) 24 Hình 2.6 Hình ảnh số tia phun vòi phun nguyên (bên trái) vòi phun common rail (bên phải) 25 Hình 2.7 Hình ảnh thiết kế gá vòi phun 25 Hình 2.8 Vịi phun gá đặt lên động 26 Hình 2.9 Cấu tạo ống phân phối 26 Hình 2.10 Vị trí lắp đặt ống phân phối 27 Hình 2.11 Van điều khiển áp suất ống Rail 28 Hình 2.12 Cảm biến áp suất ống rail 28 Hình 2.13 Bơm cao áp động nguyên tận dụng 29 Hình 2.14 Vị trí lắp cảm biến trục khuỷu 29 Hình 2.15 Cảm biến trục khuỷu 30 Hình 2.16 Sơ đồ mạch điện dạng song tín hiệu 31 Hình 2.17 Hình ảnh xung tín hiệu thực tế 31 Hình 2.18 Đĩa xung lắp đặt 32 Hình 2.19 Kết cấu cảm biến trục cam 32 Hình 2.20 Vị trí lắp cảm biến trục cam 33 Hình 2.21 Hệ thống cung cấp nhiên liệu phản ứng thấp (xăng) 33 Hình 2.22 Vòi phun xăng sử dụng 34 Hình 2.23 Thiết bị xác định đặc tính kim nhiên liệu 35 Hình 2.24 Đường đặc tính kim nhiên liệu 35 Hình 2.25 Vòi phun gá đường ống nạp 36 Hình 2.26 Hình ảnh bơm xăng Bosch sử dụng 36 Hình 2.27 Van điều áp nhiên liệu 37 Hình 2.28 Kết cấu đường ống nạp động Kubota BD178F(E) 38 Hình 2.29 Kết cấu đường ống thải mặt bích động Kubota BS178F(E) 39 Hình 2.30 Nguyên lý điều khiển lực phanh băng thử eddy current DW16 40 Hình 2.31 Hệ thống đo tiêu thụ nhiên liệu 41 Hình 2.32 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 42 Hình 2.33 Hình vẽ thiết kế cân nhiên liệu 43 Hình 2.34 Tủ phân tích khí thải CEB-II 43 Hình 2.35 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CO 44 Hình 2.36 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC 45 Hình 2.37 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo NO NOx 47 Hình 2.38 Cấu tạo cảm biến đo áp suất 48 Hình 2.39 Cảm biến đo lưu lượng Bosch 50 Hình 2.40 Mặt cắt ngang cảm biến đo lưu lượng Bosch 50 Hình 2.41 Cấu tạo cảm biến Bosch 51 Hình 2.42 Thiết bị encoder 52 Hình 2.43 Cấu tạo kích thước encoder 53 Hình 2.44 Sơ đồ lắp đặt hệ thống AVL 620 54 Hình 2.45 Cảm biến lamda dải rộng LSU4 54 Hình 3.1 Áp suất xy lanh tốc độ tỏa nhiệt mức tải động 56 Hình 3.4 Đặc tính phát thải HC đơng RCCI (trái) động diesel nguyên (phải) 58 Hình 3.5 Đặc tính phát thải CO động RCCI (trái) động diesel nguyên (phải) 58 Hình 3.6 Đặc tính phát thải NOx động RCCI (trái) động diesel truyền thống (phải) 59 Hình 3.7 Đặc tính phát thải Soot động RCCI (trái) động diesel truyền thống (phải) 59 Hình 3.8 Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu động RCCI (trái) động diesel truyển thống (phải) 60 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc tính nhiên liệu phụ gia nâng số cetane 11 Bảng 1.2 Ảnh hưởng thông số thay đổi tỉ lệ LRF 12 Bảng 1.3 Ảnh hưởng EGR tới hiệu suất phát thải động 14 Bảng 2.1 Các thông số động thử nghiệm 21 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật ống phân phối 27 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật bơm xăng 36 - cổng giao tiếp chuẩn RS-485 2.4.6 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp Bosch Hình 2.39 Cảm biến đo lưu lượng Bosch Dùng để đo lưu lượng khí nạp qua, đo lường khối khí lên đến 1000kg/h Đặc điểm cảm biến Bosh sau: + Thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng thấp + Phản ứng nhanh, đầu vào cơng suất thấp + Đo khối khơng khí theo đơn vị thời gian, độc lập với nhiệt độ + Phạm vi đo rộng + Độ nhạy cao, đặc biệt cho thay đổi nhỏ tốc độ dòng chảy + Không bị ảnh hưởng bụi bẩn ô nhiễm Đặc biệt đo phát có dịng chảy qua Hình 2.40 Mặt cắt ngang cảm biến đo lưu lượng Bosch 50 Cấu tạo cảm biến Bosch bao gồm: Cảm biến plug-in Hướng dịng chảy Ống đo lường Hình 2.41 Cấu tạo cảm biến Bosch Cảm biến plug – in cấu tạo sau: Thước đoạn; Cảm biến; Tấm đỡ; Mạch bìa hybrid; Mạch hybrid điện tử; Cảm biến plug-in; Vành bao; Cảm biến nhiệt độ Nguyên lý hoạt động: Cảm biến lưu lượng kiểu màng nóng hoạt động dựa nguyên lý cảm biến nhiệt độ Phần tử cảm biến đặt đế cảm biến sấy nóng điện trở sấy đặt giữ nhiệt độ số Nhiệt độ giảm dần phía vùng sấy nóng Nhiệt độ phân bố đế cảm biến xác định hai cảm biến nhiệt điện trở đặt đối xứng trước sau điện trở sấy (M1, M2) Khi chưa có dịng khí qua nhiệt độ hai điểm đo (T1=T2) Ngay có dịng khí qua phần tử cảm biến, nhiệt độ hai bên thay đổi Bên phía dịng khí vào nhiệt độ giảm xuống cịn bên phía đối diện dịng khí bị đốt nóng điện trở sấy làm tăng nhiệt độ phía này, dẫn đến nhiệt độ hai điểm đo M1 M2 chênh lệch mức ΔT Độ lệch nhiệt độ hàm lượng khơng khí nạp vào Độ lệch hồn tồn độc lập với nhiệt độ 51 khơng khí nạp Hơn với loại cảm biến không xác định lưu lượng khơng khí nạp mà cịn xác định chiều dịng khí Do phần tử cảm biến dạng màng mỏng nên có độ nhạy cao ( 30 oCA BTDC) giúp cho tăng khả đồng hỗn hợp xăng – diesel – khơng khí nhờ làm giảm khí thải NOx soot Khí thải HC CO động cháy RCCI cao đông diesel nguyên 4.2 Hướng phát triển Động RCCI động cần nghiên cứu phát triển nhiều nữa: - Thay đổi đánh giá ảnh hưởng tỉ số nén đến thông số kinh tế kỹ thuật phát thải động - Thay đổi đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu khác , - Nghiên cứu chế độ chuyển tiếp chế độ cháy RCCI 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Johnson TV Review of diesel emissions and control Int J Engine Res 2009;10: 275e85 [2] Li, J., Yang, W., & Zhou, D (2017) Review on the management of RCCI engines Renewable and Sustainable Energy Reviews, 69, 65–79 [3] Benajes, J., García, A., Monsalve-Serrano, J., & Boronat, V (2017) Achieving clean and efficient engine operation up to full load by combining optimized RCCI and dual-fuel diesel-gasoline combustion strategies Energy Conversion and Management, 136, 142–151 [4] GS.TS Phạm Minh Tuấn (2005), “Động đốt trong” Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Jing Li, Wenming Yang , Dezhi Zhou (2017) “Renewable and Sustainable Energy Reviews” [6] Jesús Benajes, Antonio García, Javier Monsalve-Serrano, Vicente Boronat “Energy Conversion and Management” [7] Võ Nghĩa – Trần Quang Vinh “Kỹ thuật đo động đốt ô tô” Nhà xuất khoa học kỹ thuật [8] Lawler B, Splitter D, Szybist J, Kaul B Thermally stratified compression ignition: a new advanced low temperature combustion mode with load flexibility Appl Energy 2017;189:122–32 [9] Bression, G., Soleri, D., Savy, S., Dehoux, S et al., “A Study of Methods to Lower HC and CO Emissions in Diesel HCCI,” SAE Int J Fuels Lubr 1(1):3749, 2009, doi:10.4271/2008-01-0034 [10] Maurya RK, Agarwal AK Experimental study of combustion and emission characteristics of ethanol fuelled port injected homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion engine Appl Energy 2011;88:1169–80 [11] Yao M, Zheng Z, Liu H Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines Prog Energy Combust Sci 2009;35: 398– 437 [12] Cerit M, Soyhan HS Thermal analysis of a combustion chamber surrounded by deposits in an HCCI engine Appl Therm Eng 2013;50(1):81–8 [13] Bessonette PW, Schleyer CH, Duffy KP, Hardy WL, Liechty MP Effects of fuel property changes on heavy-duty HCCI combustion SAE paper 2007-010191; 2007 [14] Xie H, Li L, Chen T, Zhao H Investigation on gasoline homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion implemented by residual gas trapping combined with intake preheating through waste heat recovery Energy Convers Manage 2014;86:8–19 62 [15] Dongwon Jung a,*, Norimasa Iida b (2014), “Closed-loop control of HCCI combustion for DME using external EGR and rebreathed EGR to reduce pressure-rise rate with combustion-phasing retard”, Applied Energy 138 (2015) 315–330 [16] Fiveland SB, Assanis DN, (2000), “A four-stroke homogeneous charge compression ignition engine simulation for combustion and performance studies”, SAE, paper 2000-01-0332 [17] Benajes, J., Pastor, J V., García, A., & Boronat, V (2016) A RCCI operational limits assessment in a medium duty compression ignition engine using an adapted compression ratio Energy Conversion and Management, 126, 497–508 [18] Duraisamy, G., Rangasamy, M., & Govindan, N (2019) A comparative study on methanol/diesel and methanol/PODE dual fuel RCCI combustion in an automotive diesel engine Renewable Energy doi:10.1016/j.renene.2019.06.044 [19] Smoke Value Measurement with the Filter Paper Method, Application Notes, AVL1007E, Rev 02, June 2005 63 PHỤ LỤC Các thông số khí thải đo từ emission bench CEB II bao gồm CO (ppm), HC (ppm), NOx (ppm) chuyển sang g/kWh theo mối quan hệ sau [17,18] BSNOx= [ g / kWh] NOx( ppm) ⋅ BSCO[= g / kWh] CO( ppm) ⋅ (m air + m fuel ) ⋅1.587 (m air + m fuel ) ⋅ 0.966 1000 ⋅ BP [ kW ] BSHC[= g / kWh] HC ( ppm) ⋅ 1000 ⋅ BP [ kW ] (m air + m fuel ) ⋅ 0.479 1000 ⋅ BP [ kW ] (1) (2) (3) Trong 1.587; 0.966 0.479 khối lượng mole NOx, CO HC BP: công suất đo băng thử (kW) m air : lưu lượng khơng khí nạp (kg/h) m fuel : lượng nhiên liệu tiêu thụ (kg/h) Do sử dụng hai loại nhiên liệu xăng diesel, lượng nhiên liệu tiêu thụ tính quy nhiên liệu diesel theo công thức  LHVGasoline  m fuel =mDiesel + mGasoline ⋅    LHVDiesel  (4) Tỷ lệ nhiên liệu phản ứng thấp xăng (gasoline fraction) tính theo tỷ lệ lượng nhiên liệu xăng tổng lượng xăng diesel theo công thức Gasoline _ fraction = mGasoline ⋅ LHVGasoline (0 1) mGasoline ⋅ LHVGasoline + mDiesel ⋅ LHVDiesel (5) Khí thải smoke đo AVL 439 Opacimeter có kết đầu N % Opacity, giá trị chuyển sang thứ nguyên g/kWh theo mối quan hệ sau [17,18,19] smoke [ %Opacity ] N = 0.12 FSN + 0.62 FSN + 3.96 FSN 4.95 FSN ( 0.38⋅FSN ) ⋅e 0.405 (7) Soot ( A ) ( mair + m fuel ) ⋅ 3.6 ⋅ 1000 1.165 ⋅ BP (8) Soot ( A) = mg m3  Soot [ = g kWh ] (6) FSN: Filter smoke number 64 ... tốt nghiệp: Nghiên cứu điều khi? ??n động RCCI chuyển đổi từ động diesel truyền thống Các số liệu ban đầu: • Dựa kết cấu thông số kỹ thuật động diesel Kubota BD178F(E) • Dựa tài liệu động RCCI Nội... CHƯƠNG CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL TRUYỀN THỐNG SANG ĐỘNG CƠ RCCI 2.1 Đối tượng chuyển đổi Đối tượng chuyển đổi động Kubota BD178F(E) Đây động diesel xylanh, không tăng áp, làm mát khơng khí, động. .. học viên thực nghiên cứu đề tài: ? ?Nghiên cứu điều khi? ??n động RCCI chuyển đổi từ động diesel truyền thống? ?? Để hoàn thành luận văn học viên xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Động đốt nói riêng