TIỂU LUẬN môn học ĐỘNG cơ đốt TRONG NÂNG CAO đề tài ĐỘNG cơ HCCI

ĐỘNG CƠ HCCI• What is Homogeneuos Charge Compression IgnitionHCCI - HCCI là quá trình thay đổi quá trình cháy của động cơ dạng piston , có thể cung cấp hiệu suất cao như động cơ nén nổ,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI:

ĐỘNG CƠ HCCI

GVHD: PGS TS PHẠM XUÂN MAI.

HVTH: TRẦN LƯƠNG THỤY BÙI TẤT ĐẠT

NGUYỄN TRƯỜNG AN

NGUYỄN ANH TUẤN

THÁNG 05-2008

NỘI DUNG BÁO CÁO:

ĐỘNG CƠ HCCI

• What is Homogeneuos Charge Compression Ignition(HCCI)

- HCCI là quá trình thay đổi quá trình cháy của động cơ dạng piston , có thể cung cấp hiệu suất cao như động cơ nén nổ, phun trực tiếp (compression-ignition, direct- injection CIDI) trong khi đó, không giống như động cơ CIDI)nó phát ra ở mức thấp oxide của nitrogen (NOx) và PM (particulate matter) Động cơ HCCI vận hành dựa trên nguyên tắc hỗn hợp nhạt hòa trộn trước nạp vào phản ứng và cháy trong toàn bộ buồng đốt động cơ khi được nén bởi piston Ở một vài đánh giá,

HCCI kết hợp những ưu điểm của cả động cơ đánh lửa (SI) và nén nổ (CI) , như minh họa ở hình 1 Như động cơ SI , hỗn hợp được hòa trộn tốt , nó giảm thiểu lượng PM , và như động cơ CIDI hỗn hợp bị nén nổ và không có tổn thất ở họng nạp, do đó nó dẫn đến hiệu suất cao.

- Tuy nhiên, không giống như động cơ truyền thống sự cháy diễn ra trong toàn bộ thể tích buồng đốt hơn là trước màng lửa Đặc tính quan trọng này của HCCI cho

phép sự cháy diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn, đột ngột giảm lượng NOx phát ra từ động cơ.

- Hầu hết động cơ dùng HCCI có hai hệ thống phương thức cháy trong đó sự cháy truyền thống SI hoặc CI được sử dụng trong điều kiện vận hành khi mà vận hành HCCI khó khăn.Đặc biệt, khi động cơ SI hoặc CI khởi động nguội, sau đó chuyển sang chế độ HCCI ở chế độ cầm chừng và chế độ tải thấp đến trung để đạt được cái lợi của HCCI ,gặp ở hầu hết chu kỳ vận hành đặc trưng của máy móc động cơ Cho chế độ tải lớn, động cơ sẽ được chuyển qua vận hành như SI hoặc CIDI

NỘI DUNG BÁO CÁO: ĐỘNG CƠ HCCI

SO SÁNH QUÁ TRÌNH CHÁY CÁC LOẠI ĐỘNG

CƠ

Fuel iniector

riame

Compression ignition (Cl)

Homogeneous Charge Compression ignition (HCCI)

NỘI DUNG BÁO CÁO:

Bắt nguồn từ năm 1897 từ sáng chế động cơ HOT-BULT của Carl

W Wiess Ví dụ về bố trí của Hot-Bult được minh họa như hình :

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ

HCCI

NỘI DUNG BÁO CÁO:

(b) Active Thermo-Atmoiphere Combustion

(o) Spark Iqnltion Combustion

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ HCCI

•Hỗn hợp nhiên liệu / không khí được hòa trộn trước khi đưa vào buồng đốt

•Hỗn hợp nhiên liệu / không khí được kích nổ bằng áp suất cao và nhiệt độ cao ở cuối

quá trình nén

•Khi được kích nổ, hỗn hợp nhiên liệu /t1 không khí cháy nhanh, cháy và sinh ra áp

suất và nhiệt độ cao Việc tự kích nổ sớm với nhiên liệu có thể gây ra áp suất lớn phá hỏng động cơ vì vậy động cơ HCCI hoạt động với hỗn hợp loãng

•Tuy nhiên vẫn cần tăng nhiệt độ và áp suất để tăng hiệu suất động cơ

•Vấn đề điều khiển quá trình cháy

ĐỒ THỊ CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ HCCI

Crank Angle Degrees [CAD]

Va íve kft

s | m m|

ĐỒ THỊ CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ HCCI

Figure 17 Measured cylinder pressure and estimated cylinder temperature for the HCCI engine according to Table 2 operated at 1000 rpm an inlet pressure of 1.5 bar absolute, mlet temperature of 60 °c and at an netlMEP of 6.0 bar Also shown is the estimated isentropic pressure that would have occurred dunng a motored cycle The estimated parameters are calculated dunng the part of the cycle when all engine valves are closed.

ĐỒ THỊ NĂNG SUẤT TỎA NHIỆT ĐỘNG CƠ

HCCI

Figure 18 Calculated heat release based on the measured pressure trace in Figure 18

MỘT VÀI CÁCH ĐỂ TĂNG NHIỆT ĐỘ, ÁP SUẤT (HOẶC CẢ HAI) ĐỘNG CƠ HCCI

•Tăng tỉ số nén

•Làm nóng khí nạp trước khi đưa vào buồng đốt

•Nạp cưỡng bức (dùng turbocharge, Super charge)

•Hồi lưu khí thải

ƯU ĐIỂM ĐỘNG CƠ HCCI

•Chu trình của động cơ HCCI gần với chu trình Otto (lý tưởng hơn động cơ SI )

•Hoạt động ở chế độ loãng nên hiệu suất cao hơn động cơ SI

•Hỗn hợp nhiên liệu / không khí được hòa trộn đều được hòa trộn trước khi vào buồng đốt nên

nhiên liệu được đốt cháy kiệt hơn

NHƯỢC ĐIỂM ĐỘNG CƠ HCCI

•Áp suất đỉnh cao (nổ theo kiểu kích nổ, áp suất cao)

•Tốc độ tỏa nhiệt cao

•Khó kiểm soát quá trình cháy động cơ (vì có nhiều tâm cháy)

•Tầm công suất bị giới hạn

•Hàm lượng HC và CO trong khí cao

Tỉ số nén

Nhiệt độ khí nạp

Áp suất khí nạp

KIỂM SOÁT ĐỘNG CƠ HCCI

Để động cơ HCCI phổ biến rộng rãi thì việc kiểm soát động cơ là một trở ngại:

Hồi lưu khí thải

THAY ĐỔI TỈ SỐ NÉN ĐỘNG CƠ HCCI

Có một vài giải pháp để thay đổi tỉ số nén, nhưng nhìn chung có 2 giải pháp chính là:

•Thay đổi dung tích xylanh Một giải pháp thay đổi dung tích là sử dụng 1 piston đặt phía trên

nắp xylanh

•Thay đổi hiệu suất nén: thay đổi thời điểm đóng mở valve

THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ KHÍ NẠP ĐỘNG CƠ HCCI

Giải pháp này đòi hỏi phải có kỹ thuật điều khiển nhiệt độ nhanh:

•Nhiệt độ khí nạp cần được kiểm soát theo từng chu kỳ Do đó cũng là một trở ngại cho việc áp

dụng

NỘI DUNG BÁO CÁO:

THAY ĐỔI THỜI ĐIỂM ĐÓNG MỞ VALVE ĐỘNG CƠ HCCI (VVA-Variable Valve actuation)

•Điều khiển hiệu suất nén

•Kiểm soát lượng khí xả hồi lưu, từ đó kiểm soát được nhiệt độ buồng đốt

THAY ĐỔI HÀM LƯỢNG KHÍ XẢ

Khí xả được hồi lưu được hòa trộn với hỗn hợp khí nạp sạch trước khi đưa vào buồng đốt

động cơ Việc này đem lại 2 lợi ích:

•Trì hoãn QTC, giảm công suất động cơ

•Tăng nhiệt độ khí nạp, thuận lợi cho kích nổ (cho sự cháy được)

NỘI DUNG BÁO CÁO:

THAY ĐỔI TỐC ĐỘ SINH NHIỆT VÀ ÁP SUẤT ĐỈNH

•Trong động cơ SI và CI quá trình cháy diễn ra thông qua màng lửa

•Trong động cơ HCCI, toàn bộ nhiên liệu không khí gần như cháy cùng lúc,dẫn đến áp suất

cao Do đó ảnh hưởng tuổi bền động cơ

•Để khắc phục điều này có 1 giải pháp hòa trộn nhiều loại nhiên liệu có nhiệt độ cháy khác

nhau (để nhiệt độ cháy không tăng đột ngột)

TĂNG GIẢM CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

•Trong động cơ SI, công suất động cơ có thể tăng giảm hỗn hợp nhiên liệu / không khí vào

buồng đốt

•Trong động cơ CI, công suất động cơ có thể thay đổi lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt ở

cuối kỳ nén

•Trong động cơ HCCI, tăng lượng nhiên liệu đi vào động cơ tức là tăng tốc độ sinh nhiệt và

tăng áp suất đỉnh Đồng thời có thể gây ra hiện tượng Nocking rất nguy hiểm cho động cơ

TĂNG GIẢM CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

GiẢI PHÁP KHẮC PHỤC:

•Tăng nhiệt độ khí nạp đi vào động cơ để giảm mật độ và khối lượng nhiên liệu đi vào buồng

đốt nhằm giảm công suất động cơ

•Một giải pháp khác là sử dụng động cơ hỗn hợp trong một điều kiện tải nhất định thì chạy

HCCI và chạy ở chế độ SI hoặc CI ở đầy tải hoặc gần đầy tải

Figure 1 Experimental demonsơation of SI to HCCI

transinon using coxnpensanon for valve timnig

induced fùel excursiõns (XHT).

Động cơ HCCI hoạt động ở chế độ loãng nên nhiệt độ đỉnh thấp hơn CI, SI

Tại nhiệt độ thấp NOx hình thành nhưng dẫn đến việc cháy không hoàn toàn của nhiên liệu

•Khi chạy động cơ có thể thay đổi được tỉ số nén, điều này có thể thay đổi áp suất động cơ

(Variable Compression Ratio-VCR)

KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ HCCI

LowCR Hỉgh CR

Monohead

Pivot point

Eccentric shaft Crankcase

Figure 21 The prmciple íor the variable compression ratio in the SAAB svc engine

concept used in [54] Picture from [54].

Salvador Aceves, Daniel Flowers, Joel Martinez-Frias, J Ray Smith

Lawrence Livermore National Laboratory

and Robert Dibble University of Caliíornia, Berkeley

Sixth Diesel Engine Emissions Reduction VVorkshop

August 20-24, 2000 Hyatt Islandia Hotel in San Diegos Mission Bay

NỘI DUNG BÁO CÁO:

TIỀM NĂNG GIẢM NOx ĐỘNG CƠ HCCI

m

dd

X

O

NỘI DUNG BÁO CÁO:

ĐỘNG CƠ HCCI

+ 10

Spark ignition HCCI

Recent HCCI experiments by Honda

Numerical and Experimental Studies

of HCCI combustỉon

Tigure 1 Hiđi-SpeedMovie Sequence of HCCI The

interval benveen frames 15 100 ns (0.71 ’CA)

for the first fíve Ễranies and 200 JIS (1.42°CẢ)

for the last fíve ửames: exposure time 15 49 |1S

per írame: ♦ = 0.24 CA50 = TDC 1200 rpm.

operation at very low NO X

• Obtained good agreement

betvveen experimental results and detailed Chemical kinetics model (SAE 2000-01-0328)

Single-cvlinder experiments in the CFR engine have provided insight into the HCCI combustion process

NỘI DUNG BÁO CÁO:

ĐỘNG CƠ CFR

bu

m du rat io

n de gr ee s

Chemical kinetics provides us with an understanding of

experimentalỉy observed phenomena

-<D - _ _0 2

-crank angle, degrees

0.1

-NỘI DUNG BÁO CÁO:

NỘI DUNG BÁO CÁO:

ĐỘNG CƠ TDI 4-cylinder engine

crank angle (degrees)

ĐỘNG CƠ TDI 4-cylinder engine

Experiments are being conducted on the TDI 4-cylinder engine to look at optỉmuni combustỉon tỉniing

Numerical and Experimental Studies

of HCCI combustion ANALYSYS OF HCCI COMBUSTION

• Assuming truly homogeneous charge, HCCI is dominated by

Chemical kinetics, with little effect írom turbulence and no flame propagation

• Use a detailed Chemical kinetics code (HCT: hydrodynamics,

chemistry, and transport) for prediction of HCCI combustion

• Single-zone engine model being used to develop a thermal control System for the TDI engine running on natural gas

• Engine model linked to SuperCode optimizer to determine operating conditions for maximum efficiency and maximum power, under

bar)

The effĩciency of the HCCI engine is higher than the TD1 engine operated as a diesel for the same torque

Numerical and Experimental Studies

of HCCI combustion ANALYSYS OF HCCI COMBUSTION

ANALYSYS OF HCCI COMBUSTION

Multi-zone model: divide cylinder into 10 ỉsothermal zones and use temperature liistories for detaỉled kinetics model

Multi-zone model yỉelds excellent agreement with experimental pressure traces for natural gas (SAE 2000-01-0327)

ANALYSYS OF HCCI COMBUSTION

Crevice Boundary Core

Layer

Multỉ-zone HCCI analysis determines that HC emissỉons originate

at crevices, co at the boundary layer, and NO X at core

ANALYSYS OF HCCI COMBUSTION

HCCI combustion occurs at 1050 - 1100K due to the decomposition

H 2 O 2 (+M) -4 OH + OH (+M)

crank angle, degrees

Multi-zone IICT analysỉs gives us ỉnsight into the initiation of the HCCĨ combustion process

ĐỘNG CƠ HCCI

— Exp

E>q p

Figure 2 Combusnon Phasing Sxveeps for ±e

Expenmen: (smooth curves) and Mulù-Zone

Model with Four Active Zones The higher

Tbdctemperatures correspond to the more

advanced combustion phasings ộ = 0.367

Tbđc»401 5K Tb<fc - 2Í‘86K

- 3969K Tboc • 305.6 K

— »-Z Tbôc ma* « 40C K

— 5-Z nxx.max s 356 K

— Ttxx nu1 s 1SÍÌ K

ĐỘNG CƠ HCCI

• ExpÉíiimêiit

■ S-zone mod&l

• 1-zone model

Eigure 3 10-90°o Biira Duration vs lơ% Bum Pomt for

5-Zone Model Computed from the Data m

E

350 355 360 365 370 375 380

Crank angle [ CA ATDC]

Figure 4 Cylinder Presstire and Heat-R.eỉease Rate for

Three Cases with Varying Themial

Sưaníication ệ = 0.367

[í] oiica 93U9|C/Mnba

SCO 930 tro ro oro 310 ®0 0 W'O

Fu

el C ar bo

n int

o E mi ss io ns [%

I33H 03 ĐNỎa

:oyo oya ĐNna IỘN

NỘI DUNG BÁO CÁO:

ĐỘNG CƠ HCCI

NỘI DUNG BÁO CÁO:

Figuie 5 Changes in the Major (Figure 5a) and Minor

(Figure 5b) Emissions Species as a Punction of

NỘI DUNG BÁO CÁO:

ĐỘNG CƠ HCCI

Eigure 1 Emissions Measured During a

condinonỉ (íòr all ồgures): mtake temperature

and pressure = 120 °c & 120 kPa;

fuel - PRE 50: speed = 1200 rpm.

Figure 2 Peak and Indicated Pressure íbr a Sweep of

Iniecnon TrniinE (Sưatiốed Operanon).Equivalence ratio õxed at 0.20

ĐỘNG CƠ HCCI

Equivalence ratio

ĐỘNG CƠ HCCI

-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50

SOI, CAD

Figui e 5 Predic:ed co Enussions (sỵmbols) During

Sưatiíied Operation Compared with MeasuredEmissions (curve)

50

-Measured

30

Predĩcte d20

10

-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50

SOI, CAD

Figure 6 Predicted COỊ Enussions (symbols) Durũig

Sừaníied Operation Compared with MeasuredEmissions (curve)

ĐỘNG CƠ HCCI

80

Cám ơn thây và các bạn đã lăng nghe !