Nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp nhiên liệu có hoạt tính khác nhau (RCCI) trên động cơ diesel

TÓM TẮT KẾT LUẬN MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Luận án đã đưa ra cơ sở lý thuyết của quá trình cháy LTC, từ đó đưa ra được phương pháp xác định thời điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy... 2. Đã xây dựng thành công động cơ Yanmar DB178F(E) trên phần mềm AVLBoost. Đánh giá ảnh hưởng của thông số thời điểm phun đến quá trình cháy RCCI nhằm tạo cơ sở cho quá trình thực nghiệm. 3. Luận án đã chuyển đổi thành công động cơ diesel truyền thống sang động cơ diesel common rail từ đó làm cơ sở để chuyển sang động cơ RCCI. 4. Luận án đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thông số thời điểm phun nhiên liệu diesel đến quá trình cháy của động cơ RCCI. Từ đó lựa chọn thời phun nhiên liệu diesel trong động cơ RCCI như sau: Tại tải thấp động cơ RCCI phun 2 lần: tại 41o và tại 30o góc quay trục khủy trước điểm chết trên. Tại tải trung bình động cơ RCCI phun 2 lần: tại 66o và tại 55o góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên. Tại tải cao động cơ RCCI phun một lần tại 15o góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên. 5. Đã thực nghiệm đánh giá động cơ RCCI và đưa ra kết luận như sau: Lượng phát thải HC và CO của động cơ RCCI luôn cao hơn so với động cơ diesel. Lượng phát thải NOx của động cơ RCCI giảm 38,85% so với động cơ diesel. Lượng phát thải soot của động cơ RCCI giảm 44,61% so với động cơ diesel.

mã số B2018-BKA-59, là đề tài Khoa học và Công nghệ cấp Bộ năm 2018 do Ths Nguyễn Duy Tiến là chủ nhiệm đề tài Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ vào việc viết luận án

Tôi xin cam đoan số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong các công trình nào khác!

Nghiên cứu sinh

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Trường Cơ Khí, Khoa Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận

án

Tôi xin chân thành biết ơn thầy, cô trong Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường

Cơ Khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm Tổng Công Ty Máy Động Lực và Máy Nông Nghiệp Việt Nam - CTCP, Ban Kỹ Thuật Nghiên Cứu Phát Triển và các đồng nghiệp đã hậu thuẫn, động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này

Hà Nội, ngày 20 tháng 08 năm 2022

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Tuấn Thành

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

MỞ ĐẦU xiii

i Lý do chọn đề tài xiii

ii Mục đích nghiên cứu xiv

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xiv

iv Phương pháp nghiên cứu xiv

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn xiv

vi Điểm mới của luận án xv

vii Bố cục của luận án xv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường 1

1.2 Tổng quan về động cơ cháy ở nhiệt độ thấp 2

1.2.1 Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) 4

1.2.2 Động cơ nén cháy hòa trộn trước PCCI 5

1.2.3 Động cơ RCCI 6

1.3 Tổng quan về các phương pháp điều khiển hoạt tính nhiên liệu trên động cơ RCCI 7

1.3.1 Điều khiển phun cho động cơ dùng lưỡng nhiên liệu 9

1.3.2 Sử dụng đơn nhiên liệu kết hợp phụ gia 10

1.4 Tình hình nghiên cứu về RCCI 11

1.4.1 Nghiên cứu ngoài nước 11

1.4.2 Nghiên cứu trong nước 16

1.5 Tổng quan về các giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ RCCI 18

1.5.1 Tỷ lệ nhiên liệu 18

1.5.2 Phương pháp phun 19

1.5.3 Luân hồi khí thải EGR 21

iv

1.5.4 Tỷ số nén 21

1.5.5 Hình dạng đỉnh piston 22

1.5.6 Nghiên cứu về mặt kết cấu nhằm chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang động cơ RCCI 22

1.6 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 28

1.6.1 Cách tiếp cận 28

1.6.2 Phương pháp nghiên cứu 29

1.7 Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ RCCI 30

2.1 Quá trình cháy trong động cơ LTC 30

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình cháy trong động cơ RCCI 33

2.2.1 Xác định thời điểm bắt đầu cháy (SOC) 34

2.2.2 Xác định thời gian cháy 37

2.2.3 Xác định góc cháy 50% (CA50) 38

2.3 Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình cháy RCCI trên phần mềm AVL-BOOST 39

2.3.1 Phương trình nhiệt động học 1 39

2.3.2 Mô hình cháy 41

2.3.3 Mô hình truyền nhiệt 43

2.3.4 Mô hình tính toán các thành phần khí thải 44

2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh 45

2.5 Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3 CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL 1 XY LANH SANG ĐỘNG CƠ RCCI VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM AVL-BOOST 50

3.1 Đối tượng chuyển đổi và nhiên liệu 50

3.1.1 Đối tượng chuyển đổi 50

3.1.2 Nhiên liệu lựa chọn 51

3.2 Thiết kế, chế tạo các chi tiết, hệ thống nhằm chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ RCCI 51

3.2.1 Thiết kế thay đổi hệ thống nhiên liệu diesel 51

3.2.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng 61

3.2.3 Thay đổi tỉ số nén động cơ 64

3.2.4 Chế tạo đường ống thải 65

v

3.2.5 Động cơ sau khi chuyển đổi sang động cơ common rail 66

3.3 Mô phỏng động cơ RCCI 71

3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 71

3.3.2 Chế độ mô phỏng 72

3.3.3 Đánh giá tính chính xác mô hình mô phỏng 73

3.3.4 Kết quả mô phỏng động cơ RCCI trên phần mềm AVL-BOOST 75 3.4 Kết luận chương 3 79

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 80

4.1 Mục đích thực nghiệm 80

4.2 Sơ đồ bố trí thực nghiệm 80

4.3 Quy trình và phạm vi thực nghiệm 81

4.4 Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun đến động cơ RCCI 82

4.4.1 Đặc điểm quá trình cháy 82

4.4.2 Đặc điểm khí thải và tiêu hao nhiên liệu 85

4.4.3 Kết luận 87

4.4.4 So sánh động cơ RCCI và động cơ truyền thống trên vùng làm việc 88 4.5 Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm 94

4.5.1 Đánh giá các số chỉ thị, có ích giữa mô phỏng và thực nghiệm 94

4.5.2 Đánh giá về áp suất mô phỏng và thực nghiệm 94

4.6 Kết luận chương 4 97

KẾT LUẬN CHUNG 98

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 109

vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

aTDC after Top Dead Center Sau điểm chết trên

BDM Burn Duration Model Mô hình cháy thời gian thực

BMEP

Brake Mean Effective

Pressure Áp suất chỉ thị trung bình

bTDC before Top Dead Center Trước điểm chết trên

CA50 Crank Angle 50 Góc quay tại đó hỗn hợp cháy được

Riccati Equation Phương trình Riccati rời rạc

DI Direct Injection Phun trực tiếp

DICI Direct Injection

Compression Ignition Động cơ phun trực tiếp cháy do nén DOC Diesel Oxidation Catalyst Bộ xúc tác ô xi hóa

DPF Diesel Particulate Filter Bộ lọc chất thải dạng hạt

EGO Exhaust Gas Oxygen Cảm biến ô xi trong khí thải

EGR Exhaust Gas Recycling Luân hồi khí thải

EOC End of Combustion Kết thúc quá trình cháy

EVC Exhaust Valve Closing Thời điểm đóng xu páp xả

EVO Exhaust Valve Opening Thời điểm mở xu páp xả

GHG Green House Gas Khí gây hiệu ứng nhà kính

HCCI Homogeneous Charge

Compression Ignition

Động cơ hỗn hợp đồng nhất cháy do nén

HRF High Reactivity Fuel Nhiên liệu hoạt tính cao

HTHR High Temperature Heat

HRR Heat Release Rate Tốc độ tỏa nhiệt

HTO High Temperature

Oxidation Oxy hóa nhiệt độ cao

vii

ICE Internal Combustion Engine Động cơ đốt trong

IVC Intake Valve Closure Thời điểm đóng xu páp nạp

IVO Intake Valve Opening Thời điểm mở xu páp nạp

KIM Knock Integral Model Mô hình kích nổ tích hợp

LRF Low Reactivity Fuel Nhiên liệu hoạt tính thấp

LNT Lean NOx Trap Bộ bẫy NOx hòa khí nghèo

LTC Low Teamperature

LTHR Low Temperature Heat

LQI Linear Quadratic Integral Tích phân bậc 2 tuyến tính

LTO Low Temperature Oxidation Oxy hóa nhiệt độ thấp

MKIM Modified Knock Integral

Model Mô hình kích nổ tích hợp sửa đổi

PCCI Partially Premixed

Compression Ignition

Động cơ cháy nén hỗn hợp hòa trộn trước một phần

PCI Premixed Compression

Ignition Động cơ cháy nén hỗn hợp

PM Particualte Matter Phát thải dạng hạt

PFI Port Fuel Injection Hệ thống phun xăng trước xupap nạp PFS Partial Fuel Stratification Nhiên liệu phân lớp một phần

PPRR Peak Pressure Rise Rate Tốc độ đạt đỉnh áp suất

RCCI Reactivity Controlled

Compression Ignition

Động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu

RCM Rapid Compression

RHS Right Hand Side Phía bên phải

RI Ringing Intensity Cường độ rung

RON Research Octane Number Chỉ số Octan

SCR

Selective Catalytic

SOC Start of Combustion Bắt đầu cháy

SOI Start of Injection Bắt đầu phun

viii

VGT Variable Geometry Turbine Tua bin có biên dạng cánh thay đổi FAR Fuel-air ratio Tỉ lệ nhiên liệu trên không khí COV coefficient of variant Chỉ số dao động

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Dự đoán tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm

2035 [3] 2

Hình 1.2: Nguyên lý động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC [4] 3

Hình 1.3: Vùng làm việc của động HCCI, PCCI và RCCI 4

Hình 1.4: So sánh quá trình cháy của động cơ xăng, HCCI và động cơ diesel 5

Hình 1.5: So sánh quá trình cháy của động cơ PCCI, diesel và động cơ xăng 6

Hình 1.6: Bố trí vị trí phun nhiên liệu trong động cơ RCCI [27] 8

Hình 1.7: Đồ thị tốc độ toả nhiệt của động cơ RCCI [30] 9

Hình 1.8: Sơ đồ chạy thử nghiệm động cơ RCCI [62] 14

Hình 1.9: Đặc điểm chế độ chạy thử nghiệm [62] 15

Hình 1.10: Cơ chế cháy khi thay đổi thời điểm phun và tỷ lệ nhiên liệu[18] 19

Hình 1.11: Tốc độ tỏa nhiệt và giá trị đỉnh của nhiệt tỏa ra khi thay đổi thời điểm bắt đầu phun 20

Hình 1.12 Hình dạng của các đỉnh piston trong động cơ RCCI, (a) đỉnh piston động cơ RCCI hạng nặng, (b) đỉnh piston động cơ diesel GM 1.9, (c) đỉnh piston động cơ RCCI hạng nhẹ [50] 22

Hình 1.13: Sơ đồ thực nghiệm của động cơ diesel truyền thống chuyển đổi sang phun diesel điện tử CR [51] 24

Hình 1.14: Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu [53] 25

Hình 1.15: Ảnh hưởng của áp suất phun tới (a) tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu / không khí (1/) và (b) nhiệt độ xy lanh tại mặt cắt buồng cháy, các hạt nhiên liệu diesel thể hiện là các hạt ngũ giác màu xanh lục [54] 26

Hình 1.16: Thông số hoạt động của bơm cao áp và phân loại theo kích thước của bơm [55] 27

Hình 1.17: Sơ đồ tổng quát hệ thống phun nhiên liệu hoạt tính thấp và lựa chọn vị trí lắp vòi phun hoạt tính thấp 28

Hình 2.1: Phân bố hàm lượng các chất khí độc hại theo nhiệt độ cháy và tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu không khí ( = 1/λ) cục bộ trong buồng cháy [71] 31

Hình 2.2: Sơ đồ phản ứng của phản ứng cháy nhiên liệu ethanol, R thể hiện gốc OH, HO2 và H trong sơ đồ [71] 32

Hình 2.3: Đặc điểm phun nhiên liệu LRF và HRF trong động cơ RCCI 33

Hình 2.4: Khái niệm cơ bản về quá trình cháy RCCI [72] 34

Hình 2.5: Đồ thị tích phân 1/wt từ thời điểm IVC đến SOC [72] 35

Hình 2.6: Cân bằng năng lượng trong xylanh 40

Hình 3.1: Động cơ Yanmar DB178F(E) 50

x

Hình 3.2: Sơ đồ HTNL nguyên bản (a) và sơ đồ HTNL CR chuyển đổi (b) 52

Hình 3.3: Hình ảnh vòi phun nguyên bản (trái) và vòi phun common rail (phải) 53

Hình 3.4: Hình ảnh góc tia phun của vòi phun CR (trái) và vòi phun nguyên bản(phải) 54

Hình 3.5: Hình ảnh số tia phun của vòi phun common rail (trái) và vòi phun nguyên bản (phải) 54

Hình 3.6: Gá vòi phun 55

Hình 3.7: Vòi phun được lắp đặt trên động cơ 55

Hình 3.8: Cấu tạo ống tích áp 56

Hình 3.9: Vị trí lắp đặt ống phân phối 57

Hình 3.10: Van điều khiển áp suất ống tích áp 57

Hình 3.11: Cảm biến áp suất ống rail 58

Hình 3.12: Bơm cao áp của động cơ nguyên bản 59

Hình 3.13: Hình ảnh bên trong tủ ECU 60

Hình 3.14: Hình ảnh EDU 61

Hình 3.15: Kết cấu đường ống nạp trên động cơ RCCI 62

Hình 3.16: Hình ảnh ống nạp trên thực tế 62

Hình 3.17: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng 63

Hình 3.18: Thiết bị cung cấp nhiên liệu xăng 63

Hình 3.19: Vòi phun xăng của động cơ 64

Hình 3.20: Bản vẽ chi tiết đệm nắp máy 65

Hình 3.21: Kết cấu đường ống thải 66

Hình 3.22: Momen và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ trước và sau khi thay đổi 67

Hình 3.23: Lượng phát thải PM 68

Hình 3.24: Lượng phát thải CO2 68

Hình 3.25: Lượng phát thải HC 69

Hình 3.26: Lượng phát thải CO 69

Hình 3.27: Lượng phát thải NOx 70

Hình 3.28: Mô hình động cơ Yanmar 178F 71

Hình 3.29: Tỉ lệ nhiên liệu xăng/ nhiên liệu diesel trong mô phỏng 72

Hình 3.30: Đồ thị so sánh momen, công suất giữa mô phỏng và thực tế 73

Hình 3.31: Đồ thị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực 73

Hình 3.32: Đồ thị so sánh phát thải CO, NOx giữa mô phỏng và thực tế 73

Hình 3.33: Đồ thị so sánh phát thải PM giữa mô phỏng và thực tế 73

Hình 3.34: Đặc tính ngoài động cơ RCCI khi mô phỏng 75

xi

Hình 3.35: Phát thải động cơ RCCI tại 100% tải khi mô phỏng 75

Hình 3.36: Diễn biến áp suất tại 2Nm 76

Hình 3.37: Phát thải mô phỏng tại 2Nm 76

Hình 3.38: Diễn biến áp suất cháy tại 6Nm 77

Hình 3.39: Phát thải động cơ RCCI tại 6Nm 78

Hình 3.40: Diễn biến áp suất cháy tại 10Nm 78

Hình 3.41: Phát thải động cơ RCCI tại 10Nm 79

Hình 4.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 80

Hình 4.2: Động cơ thử nghiệm và các hệ thống trên băng thử 81

Hình 4.3: Áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại 2Nm 82

Hình 4.4: Áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại 6Nm 83

Hình 4.5: Áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt động cơ RCCI tại 10Nm 84

Hình 4.6: Góc cháy 50% (CA50), tốc độ tỏa nhiệt cao nhất (HRR) và chỉ số dao động áp suất của áp suất chỉ thị trung bình (COV of IMEP) theo thời điểm phun nhiên liệu diesel hai trường hợp RCCI và diesel truyền thống của ba mức tải 0,84, 2,75 và 4,24 bar tương tứng (2 Nm, 6 Nm và 10 Nm) 85

Hình 4.7: Đặc điểm khí thải và tiêu hao nhiên liệu của 3 mức tải 0,84 bar, 0,75 bar và 4,24 bar BMEP (tương tứng với 2 Nm, 6 Nm và 10 Nm) 87

Hình 4.8: Đặc tính phát thải HC của động cơ RCCI (trái) và động cơ diesel common rail (phải) 89

Hình 4.9: Đặc tính phát thải CO của động cơ RCCI (trái) và động cơ diesel common rail (phải) 90

Hình 4.10: Đặc tính phát thải NOx động cơ RCCI (trái) và động cơ diesel common rail (phải) 91

Hình 4.11: Đặc tính phát thải soot của động cơ RCCI (trái) và của động cơ diesel common rail (phải) 92

Hình 4.12: Đặc tính tiêu thụ nhiên liệu của động cơ RCCI (trái) và của động cơ diesel common rail (phải) 93

Hình 4.13: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/ phút 2Nm 25 độ 96

Hình 4.14: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng /phút 2Nm 40 độ 96

Hình 4.15: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/ phút 6Nm 10 độ 96

Hình 4.16: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/phút 6Nm 40 độ 96

Hình 4.17: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/phút 10Nm 5 độ 96

Hình 4.18: So sánh áp suất xy lanh tại 2000 vòng/phút 10Nm 15 độ 96

xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các phản ứng hình thành NOx trong khí xả 44

Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của động cơ Yanmar DB178F(E) 50

Bảng 3.2: Tính chất hóa lý của nhiên liệu dùng trong mô phỏng 51

Bảng 3.3: Các thông số của vòi phun diesel 53

Bảng 3.4: Thông số kích thước của ống tích áp 56

Bảng 3.5: Đặc tính vòi phun nhiên liệu hoạt tính thấp 64

Bảng 3.6: Thông số momen và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ trước và sau khi thay đổi 67

Bảng 3.7: Thông số phát thải của động cơ truyền thống 70

Bảng 3.8: Thông số phát thải của động cơ common rail 70

Bảng 3.9: Tỷ lệ nhiên liệu xăng/ diesel trong mô phỏng 72

Bảng 3.10: So sánh kết quả mô phỏng và thực tế 74

Bảng 4.1: Phát thải HC của động cơ common rail và động cơ RCCI 89

Bảng 4.2: Phát thải CO của động cơ common rail và động cơ RCCI 90

Bảng 4.3: Phát thải NOx của động cơ common rail và động cơ RCCI 91

Bảng 4.4: Phát thải soot của động cơ common rail và động cơ RCCI 92

Bảng 4.5: Tiêu thụ nhiên liệu của động cơ common rail và động cơ RCCI 93

Bảng 4.6: Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm tại chế độ 100% tải 94

Những nghiên cứu trên động cơ đốt trong ngày nay thường tập trung vào quá trình cháy của nhiên liệu, thành phần hóa học của nhiên liệu, nâng cao khả năng hòa trộn của nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu suất động cơ Nhiều mô hình cháy với hiệu suất cao, phát thải thấp được ra đời như động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC (Low Temperature Combusion) Động cơ cháy ở nhiệt độ thấp (PCCI, HCCI, RCCI) có thể mang lại hiệu suất nhiệt cao hơn động cơ diesel thông thường (có thể đạt hiệu suất nhiệt tới 60%) đồng thời nhiệt độ cháy giảm dẫn đến giảm các thành phần khí thải độc hại

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng động cơ HCCI có phát thải NOx và PM thấp nhưng vẫn giữ được hiệu suất nhiệt Tuy nhiên vấn đề điều khiển quá trình cháy, thời điểm bắt đầu cháy rất khó khăn và vùng làm việc rất hạn chế chủ yếu ở vùng tải thấp Động cơ PCCI được phát triển từ động cơ HCCI với nhiên liệu được phun rất sớm và kết hợp luân hồi khí thải EGR để hỗn hợp được hòa trộn đồng nhất ở thời điểm cháy Dù đã mở rộng được vùng làm việc rộng hơn so với động cơ HCCI nhưng vấn đề điều khiển quá trình cháy của động cơ PCCI vẫn rất khó khăn

Thực tế cho thấy với động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC ở tải thấp cần dùng nhiên liệu có số xêtan cao, trong khi ở tải trung bình và cao thì cần nhiên liệu có số xêtan thấp Do đó động cơ RCCI được phát triển là sự kết hợp của của động cơ HCCI và động cơ PCCI khi sử dụng hai loại nhiên liệu có chỉ số xêtan khác nhau được gọi là nhiên liệu hoạt tính cao HRF (High Reactivity Fuel) và nhiên liệu hoạt tính thấp LRF (Low Reactivity Fuel)

Khác với động cơ lưỡng nhiên liệu thông thường, động cơ RCCI có thời điểm bắt đầu cháy hoàn toàn độc lập với thời điểm kết thúc phun nhiên liệu của nhiên liệu HRF phun trực tiếp Thời điểm phun nhiên liệu HRF được lựa chọn sao cho sự đồng nhất giữa nhiên liệu HRF - LRF - không khí đạt mức cao nhất khi piston nén lên đến nhiệt độ và áp suất nhất định để nhiên liệu HRF cháy trước tạo mồi lửa đốt cháy nhiên liệu LRF Bằng cách này động cơ RCCI có thể đạt hiệu suất lên tới 60% cao hơn động cơ HCCI và PCCI trong khi NOx và PM giảm thấp hơn

xiv

Do các yếu tố trên nên tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp nhiên liệu có hoạt tính khác nhau (RCCI) trên động cơ diesel”

ii Mục đích nghiên cứu

Luận án có mục đích tổng thể là đánh giá khả năng thiết lập chế độ cháy RCCI trên động cơ chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống

Thiết lập được chế độ cháy RCCI trên động cơ chuyển đổi từ động cơ diesel truyền thống với nhiên liệu diesel được phun trực tiếp trong buồng cháy, nhiên liệu xăng được phun vào đường ống nạp

Đánh giá các thông số có ích và các phát thải chủ yếu của động cơ RCCI được thiết lập với động cơ truyền thống

Đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu diesel đến quá trình cháy của động cơ RCCI

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel Yanmar DB178F(E) Đây là động cơ diesel truyền thống, một xy lanh, không tăng áp làm mát bằng không khí, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 xupap nạp, 1 xupap thải) buồng cháy thống nhất

Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel đến quá trình cháy của động cơ và đánh giá với động cơ truyền thống ở các chế độ tải

Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội

iv Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết,

mô phỏng và thực nghiệm Nghiên cứu tổng quan về động cơ cháy ở nhiệt độ thấp, nghiên cứu động cơ RCCI trong và ngoài nước nhằm tạo cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung chi tiết trong luận án Cụ thế luận án sử dụng các phương pháp sau đây:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động

xv

Ý nghĩa khoa học:

Kết quả đề tài góp phần nhằm nâng cao khả năng làm chủ và phát triển các công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang động cơ cháy kiểu mới có hiệu suất nhiệt cao và phát thải sạch hơn

Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của thời điểm phun sớm nhiên liệu diesel đến quá trình cháy và hình thành phát thải trên động cơ RCCI tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về động cơ RCCI

Ý nghĩa thực tiễn:

Luận án đã đưa ra được phương pháp chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang động cơ RCCI với ưu thế về hiệu suất nhiệt cao cũng như phát thải NOx và PM rất nhỏ Qua đó nhằm đảm bảo những yêu cầu ngày càng khắt khe về phát thải của động cơ và giảm áp lực cho nguồn nhiên liệu hóa thạch

vi Điểm mới của luận án

Thiết lập được quá trình cháy RCCI khi chuyển đổi từ động cơ diesel 1 xylanh truyền thống tại một số chế độ tải và tốc độ, tại đó thời điểm cháy độc lập với thời điểm phun nhiên liệu HRF đồng thời động cơ có tính năng kinh tế, kỹ thuật tương đương động cơ diesel truyền thống và phát thải NOx, PM nhỏ

vii Bố cục của luận án

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Vấn đề tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

Giao thông vận tải hiện nay là một thành phần thiết yếu trong cuộc sống con người Xã hội càng phát triển càng yêu cầu các phương tiện giao thông an toàn, tin cậy và thân thiện với môi trường do đó việc phát triển các công nghệ ô tô mới ngày càng trở nên quan trọng Theo World Energy Outlook (2011) của cơ quan Năng lượng thế giới (IEA) nhu cầu về năng lượng thế giới tăng 1/3 từ năm 2010 đến năm

2035 và lượng phát thải CO2 liên quan đến năng lượng dự kiến tăng 20% (tăng đến 37GtCO2 vào năm 2035) [1] Dự trữ xăng dầu đang cạn kiệt nhanh chóng ảnh hướng lớn đến quá trình phát triển của động cơ ô tô do đó các nghiên cứu tập trung vào phát triển năng lượng thay thế và các mô hình động cơ mới có hiệu suất nhiệt cao giảm thiểu phát thải độc hại ra môi trường

Động cơ phun trực tiếp cháy do nén và động cơ đánh lửa điện tử (SI) là những động cơ phổ biến trên ô tô hiện nay Trong quá trình phát triển động cơ phun trực tiếp cháy do nén đã trở nên hiệu quả hơn, hiệu suất nhiệt tăng và giảm đáng kể độ rung động nhờ sử dụng các công nghệ kiểm soát quá trình cháy như common rail, luân hồi khí thải EGR,… Các công nghệ này ngoài tăng hiệu suất động cơ còn giảm các phát thải độc hại như nitrogen oxides (NOx), hạt bồ hóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), carbon dioxide (CO2)… Nguyên tắc chính của các công nghệ này là kiểm soát quá trình cháy nhằm hạn chế quá trình hình thành phát thải độc hại chủ yếu được điều chỉnh bởi thông số phun nhiên liệu, nhiệt độ không khí trong xi-lanh, áp suất cháy,… Ngoài ra nhằm giảm phát thải thụ động các

bộ xử lý khí thải cũng đã được phát triển như bộ xử lý khí thải ba thành phần, bộ lọc phát thải dạng hạt (DPF) bộ lọc oxy hóa nhiên liệu (DOC), bộ xúc tác khử có chọn lọc (SCR), và bẫy NOx tinh gọn (LNT) là những công nghệ phổ biến Tuy nhiên chi phí và phức tạo trong quá trình chế tạo lắp đặt cũng ảnh hướng lớn đến sự phát triển của động cơ phun trực tiếp cháy do nén [2]

Việc sử dụng động cơ điện và động cơ hybrid cũng là công nghệ nhằm kiểm soát khí thải do động cơ điện có hiệu suất và công suất cao nhưng không có phát thải Tuy nhiên xe sử dụng động cơ điện và động cơ hybrid cũng gặp phải hạn chế

do giá thành cao hơn động cơ đốt trong và khan hiếm nhiên liệu thô (đất hiếm) mặt khác kính thước và trọng lượng lớn khiến tỷ lệ xe điện và xe hybrid cũng còn khá nhỏ Hình 1.1 dự đoán sự tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035

2

Hình 1.1: Dự đoán tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035

[3]

Từ Hình 1.1 có thể thấy ô tô sử dụng động cơ đốt trong vẫn còn rất phổ biến

do đó rất cần các công nghệ kiểm soát quá trình cháy giúp động cơ cháy sạch hơn

và hiệu quả hơn, giảm thiểu phát thải khí nhà kính ra môi trường Nhiều mô hình cháy được nghiên cứu trên thế giới nổi bật lên là nghiên cứu về quá trình cháy nhiệt

độ thấp (LTC) có triển vọng đáp ứng được những thách thức nghiêm ngặt về phát thải mà động cơ đốt trong phải đối mặt Các nhà nghiên cứu tập trung vào phát triển công nghệ cháy LTC do lượng phát thải NOx và PM cực thấp và hiệu suất cao [2]

1.2 Tổng quan về động cơ cháy ở nhiệt độ thấp

Trong động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC, hỗn hợp nhiên liệu-không khí đồng nhất được đưa vào trong xy lanh trong quá trình nạp Sau khi xupap nạp đóng piston bắt đầu nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí làm tăng nhiệt độ và áp suất trong xy lanh Khi piston tiệm cận điểm chết trên áp suất và nhiệt độ cao dẫn tới quá trình oxi hóa và tự cháy của nhiên liệu Thời điểm bắt đầu cháy SOC của động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC có thể được kiểm soát bằng sự hợp của tỉ số nén, nhiệt độ khí nạp, áp suất,… Quá trình oxy hóa và cháy trong động cơ LTC xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí trên toàn bộ xy lanh động cơ, quá trình giải phóng nhiệt nhanh làm tăng

áp suất trong thời gian ngắn trong khi nhiệt độ của xy lanh thấp hơn đáng kể so với động cơ thông thường Hình 1.2 thể hiện quá tình cháy trong động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC

3

Hình 1.2: Nguyên lý động cơ cháy nhiệt độ thấp LTC [4]

Theo Wahlin F (2007) [5], động cơ cháy nhiệt độ thấp là một quá trình cháy

có thể tích không đổi trong thời gian cháy rất ngắn do đó hiệu suất nhiệt cao nhiệt

độ cháy thấp hơn Động cơ cháy nhiệt độ thấp có tiềm năng phát thải thấp hơn đáng

kể so với động cơ thông thường với việc giảm phát thải NOx và PM Do hỗn hợp đồng nhất nên không có những vùng có nhiên liệu đậm dẫn tới không có vùng nhiệt

độ cháy cao là giảm sự hình thành phát thải NOx và PM

Ngoài ra động cơ cháy nhiệt độ thấp còn có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu như xăng, dầu diesel khoáng, các loại nhiên liệu sinh học như ethanol, biodiesel,…

có thể làm giảm tốc độ cạn kiệt nhanh chóng của trữ lượng dầu mỏ trên thế giới 8]

[6-Động cơ cháy nhiệt độ thấp không kiểm soát trực tiếp thời điểm bắt đầu cháy

mà cần thông qua các thông số như tỉ số nén, nhiệt độ khí nạp, tỉ lệ EGR, do đó quá trình kiểm soát quá trình cháy còn nhiều khó khăn Ngoài ra động cơ cháy nhiệt

độ thấp còn bị hạn chế về tải, động cơ cháy nhiệt độ thấp hoạt động tại mức tải từ thấp đến trung bình Để ứng dụng động cơ cháy nhiệt độ thấp trên động cơ thương mại cần phải chuyển đổi qua lại giữa động cơ cháy nhiệt độ thấp tại tải thấp và tải trung bình và chế độ động cơ thông thường tại mức tải cao hơn

Ngoài ra động cơ cháy nhiệt độ thấp có hỗn hợp đồng nhất và nhiệt độ trong

xy lanh thấp dẫn tới giảm quá trình oxy hóa HC và chuyển hóa CO thành CO2 Do

đó động cơ cháy nhiệt độ thấp có phát thải CO và HC cao hơn so với động cơ thông thường

Các động cơ ứng dụng cơ chế cháy nhiệt độ thấp LTC hiện nay có thể kể đến

là động cơ nạp đồng nhất cháy do nén HCCI, động cơ hòa trộn trước cháy do nén

4

PCCI và động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu RCCI

Hình 1.3: Vùng làm việc của động HCCI, PCCI và RCCI [9]

Hình 1.3 cho thấy động cơ cháy LTC hoạt động ở vùng có phát thải NOx và soot thấp tuy nhiên CO và HC cao hơn so với động cơ nguyên bản Động cơ HCCI

có vùng làm việc khá nhỏ chủ yếu tập trung vào vùng tải thấp Động cơ RCCI và PCCI có vùng làm việc rộng hơn tuy nhiên động cơ PCCI tiện cận gần đến vùng

NOx và soot cao

1.2.1 Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI)

Động cơ HCCI là động cơ kết hợp giữa động cơ xăng và động cơ diesel trong

đó nhiên liệu được phun trên đường ống nạp nhằm tạo hỗn hợp hòa khí đồng nhất giống động cơ xăng Vào kì nạp hòa khí được nạp vào trong xylanh, ở quá trình nén hỗn hợp được nén đến ngưỡng nhiệt độ tự cháy ở cuối kỳ nén giống động cơ diesel [10] Động cơ HCCI có hiệu suất nhiệt cao phát thải NOx và PM thấp tuy nhiên do động cơ HCCI không điểu khiển một cách trực tiếp quá trình cháy dẫn tới vùng làm việc hạn chế, ngoài ra phát thải CO và HC cao hơn so với động cơ diesel thông thường

5

Hình 1.4: So sánh quá trình cháy của động cơ xăng, HCCI và động cơ diesel

1.2.2 Động cơ nén cháy hòa trộn trước PCCI

Được phát triển từ động cơ HCCI, động cơ nén cháy hoà trộn trước PCCI có khả năng điều khiển quá trình cháy hiệu quả hơn [6] Với động cơ HCCI hỗn hợp cháy hoàn toàn đồng nhất, động cơ PCCI là sự kết hợp của động cơ HCCI và động

cơ diesel truyền thống, với thời điểm phun nhiên liệu diesel được điều khiển phun sớm kết hợp với luân hồi khí thải EGR để hỗn hợp cháy đồng nhất còn gọi là cháy hoà trộn trước một phần PCCI [11,12] Mặc dù phát thải NOx và PM, có cao hơn động cơ HCCI nhưng vẫn thấp hơn động cơ diesel truyền thống Thay đổi tỉ số nén giúp động cơ PCCI mở rộng vùng làm việc và giảm NOx và PM tuy nhiên CO và

HC lại tăng cao [13-14] Khi tăng thời điểm phun chính, NOx và PM giảm, hiệu suất

có ích BTE (Brake Thermal Efficiency) tăng, tuy nhiên tốc độ gia tăng áp suất của động cơ tăng dẫn tới vùng làm việc của động cơ PCCI giảm Để giải quyết vấn đề này có thể tách thành 2 lần phun [15] Tại tải thấp lần phun thứ 2 sẽ được tính toán

và phun trước quá trình cháy của lần phun thứ nhất Khi ở tải cao lần phun thứ nhất được tính toán lựa chọn sao cho giảm lượng muội trong khí thải, trong khi đó lần phun thứ 2 được phun sát điểm chết trên nhằm giữ hiệu suất nhiệt Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng có thể sử dụng nhiên liệu xăng trong quá trình cháy PCCI Tia phun của nhiên liệu xăng ngắn hơn tia phun của nhiên liệu diesel do tốc độ bay hơi của nhiên liệu xăng tốt hơn, tốc độ toả nhiệt và cháy trễ của 2 nhiên liệu cũng khác nhau, phân bố muội của xăng thấp hơn và quá trình cháy tốt hơn [16] Ngoài ra theo Zhang X, Kalghatgi G và các cộng sự cũng cho thấy khi sử dụng nhiên liệu xăng việc điều khiển tốc độ toả nhiệt tốt hơn đồng thời NOx và soot giảm [17,18] Tuy nhiên, ở tải thấp chỉ số octan của xăng cần được điều chỉnh giảm nhằm đảm bảo cho

Động cơ RCCI là sự kết hợp của động cơ HCCI và động cơ PCCI khi sử dụng

hai loại nhiên liệu khác nhau trong đó một loại nhiên liệu có chỉ số octan cao gọi là

nhiên liệu hoạt tính thấp LRF (Low Reactivity Fuel) và một loại nhiên liệu có chỉ số

xetan cao gọi là nhiên liệu hoạt tính cao HRF (High Reactivity Fuel) Nhiên liệu

LRF được phun trên đường ống nạp giống động cơ HCCI nhằm tạo hỗn hợp đồng

nhất Nhiên liệu HRF được phun trực tiếp trong buồng cháy [19] Việc sử dụng hai

loại nhiên liệu trong động cơ RCCI khác với động cơ lưỡng nhiên liệu ở chỗ: với

động cơ lưỡng nhiên liệu thông thường ví dụ diesel-ethanol, sau khi phun nhiên liệu

diesel thời điểm cháy được tính sau khi thời gian cháy trễ kết thúc Khoảng thời

gian cháy trễ thường rất nhỏ từ 3 đến 10 độ góc quay trục khuỷu, với động cơ hiện

đại, áp suất phun càng lớn thì thời gian cháy trễ càng giảm [20], sau khi nhiên liệu

diesel cháy sẽ đốt cháy nhiên liệu ethanol Trong khi đó, động cơ RCCI có thời

điểm bắt đầu cháy độc lập hoàn toàn với thời điểm phun nhiên liệu HRF được phun

trực tiếp vào trong xylanh [21] Thời điểm phun nhiên liệu HRF được tính toán sao

cho hỗn hợp nhiên liệu HRF-LRF-không khí có tỉ lệ đồng nhất cao Khi piston nén

đến nhiệt độ và áp suất nhất định nhiên liệu HRF sẽ cháy trước sau đó mồi cho

nhiên liệu LRF cháy Reitz, R D., & Duraisamy, G cùng các cộng sự cho biết động

cơ RCCI có thể đạt hiệu suất nhiệt lên tới 60% cao hơn động cơ HCCI và PCCI

trong khi NOx và soot giảm mạnh [22] Salahi, M M., Esfahanian cũng cho kết quả

tương tự [23] Mặt khác động cơ RCCI còn dễ dàng điều khiển quá trình cháy hơn

7

động cơ HCCI và PCCI nhờ điều khiển hoạt tính nhiên liệu theo chế độ làm việc của động cơ [24] Bằng các nghiên cứu thực nghiệm, Benajes và các cộng sự [25] cho thấy: khi thay đổi thời điểm phun và số lần phun nhiên liệu hoạt tính cao có thể nâng cao chất lượng khí thải động cơ diesel từ EURO IV lên EURO VI Tại vùng tải thấp, nhiên liệu HRF được phun hai lần sát nhau ở 45o CA trước điểm chết trên nhằm tạo hỗn hợp đồng nhất do đó phát thải NOx và soot có thể đạt mức siêu thấp [26] Với tải trung bình, nhiên liệu HRF được phun thành hai lần cách xa nhau với lần phun trước tại 45o CA trước điểm chết trên trong khi đó lần phun thứ hai được phun sát điểm chết trên nhằm tạo nguồn lửa đốt cháy hỗn hợp Ở vùng tải cao, nhiên liệu được phun một lần tại sát điểm chết trên, khi đó động cơ hoạt động giống động cơ lưỡng nhiên liệu thông thường

Từ các đánh giá trên cho thấy động cơ RCCI có thể đạt hiệu suất nhiệt cao hơn HCCI và PCCI trong khi điều khiển quá trình cháy dễ dàng hơn

1.3 Tổng quan về các phương pháp điều khiển hoạt tính nhiên liệu trên động cơ RCCI

Động cơ RCCI là động cơ sử dụng ít nhất hai loại nhiên liệu khác nhau, thông qua quá trình điểu khiển phun nhiên liệu, điều chỉnh lượng luân hồi khí thải,… để tối ưu quá trình cháy, nhờ đó đạt hiệu suất nhiệt cao đồng thời phát thải soot và NOx

- Nhiên liệu hoạt tính cao (HRF): thông thường là nhiên liệu diesel, được phun trực tiếp vào buồng cháy với số lần phun có thể là 1, 2 hay 3 lần Lần phun sớm có vai trò đưa nhiên liệu diesel tới các vùng thể tích bị chèn ép hoặc khe hẹp trong xy lanh Lần phun nhiên liệu HRF muộn có vai trò tạo nguồn lửa

để sinh công

8

Hình 1.6: Bố trí vị trí phun nhiên liệu trong động cơ RCCI [28]

Phản ứng trong động cơ RCCI được chia thành hai loại [29]:

- Phản ứng toàn cục: Phản ứng này được xác định từ khối lượng của từng loại nhiên liệu và chỉ số phản ứng của các loại nhiên liệu trong quá trình cháy (chỉ số xetan và chỉ số octan)

- Phản ứng phân lớp: Phản ứng không thể dự đoán trước được, phụ thuộc vào tia phun và sự hoà trộn của nhiên liệu được phun trực tiếp trong buồng cháy Phản ứng này có thể kiểm soát thời điểm bắt đầu cháy, giảm nhiệt lượng giải phóng và giảm tỉ lệ tăng áp suất Từ đó động cơ RCCI có thể hoạt động trong vùng tải rộng [30]

Trong động cơ RCCI khi hỗn hợp HRF-LRF-không khí đạt đến nhiệt độ và áp suất nhất định nhiên liệu hoạt tính cao bắt đầu cháy sau đó hướng tới vị trí của nhiên liệu hoạt tính thấp Tuy nhiên quá trình lan tràn màng lửa còn phụ thuộc vào loại động cơ, thời điểm phun nhiên liệu, góc phun,…

Quá trình giải phóng nhiệt của động cơ RCCI được chia thành hai quá trình (Hình1.7)

- Quá trình giải phóng nhiệt ở nhiệt độ thấp LTHR (Low Temperature Heat Release): đỉnh của LTHR chủ yếu phụ thuộc vào nhiên liệu hoạt tính cao với hiệu suất nhiệt âm

- Quá trình giải phóng nhiệt ở nhiệt độ cao HTHR (High Temperature Heat Release): Quá trình này phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu hoạt tính thấp được hoà trộn trước

9

Hình 1.5: Đồ thị tốc độ toả nhiệt của động cơ RCCI [31]

Điều khiển phun nhiên liệu trong động cơ RCCI là vấn đề quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố của các hạt nhiên liệu trong buồng cháy từ đó ảnh hưởng đến đặc tính cháy của động cơ Có nhiều nghiên cứu đánh giá về động cơ RCCI khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau Theo các nghiên cứu đó việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ RCCI được chia thành hai kiểu là đơn nhiên liệu và lưỡng nhiên liệu Đơn nhiên liệu được các nhà nghiên cứu đưa ra nhằm giảm chi phí cho việc sử dụng nhiều hệ thống cung cấp nhiên liệu, việc điều khiển hoạt tính nhiên liệu được thực hiện bằng cách pha thêm phụ gia vào nhiên liệu Còn kiểu lưỡng nhiên liệu là sử dụng hai loại nhiên liệu khác nhau và cần có hai hệ thống cung cấp nhiên liệu độc lập

1.3.1 Điều khiển phun cho động cơ dùng lưỡng nhiên liệu

1.3.1.1 Nhiên liệu hoạt tính thấp

Trên thế giới hiện nay phố biến nhất là nhiên liệu xăng và diesel, đây cũng là lựa chọn ban đầu cho hầu hết các nghiên cứu về động cơ RCCI Trong đó nhiên liệu xăng là nhiên liệu hoạt tính thấp LRF và nhiên liệu diesel là nhiên liệu hoạt tính cao (HRF) Ngoài ra nhiên liệu hoạt tính thấp còn được một số nghiên cứu lựa chọn như khí thiên nhiên (CH4), methanol (CH3OH) và ethanol (C2H5OH)

Nhiên liệu xăng là nhiên liệu phổ biến, dễ dàng sử dụng cho động cơ, rất nhiều nghiên cứu đã lựa chọn nhiên liệu này Tuy nhiên do là nhiên liệu hoá thạch nên ảnh hưởng rất lớn về vấn đề thiếu hụt năng lượng đồng thời xăng còn chứa chất thơm có thể tạo thành muội than

10

Giống như xăng, nhiên liệu khí thiên nhiên (NG) cũng có nguồn gốc từ hoá thạch và không thể tái tạo, hiện nay nhiên liệu khí thiên nhiên cũng đã phổ biến ở nhiều nước trên thế giới với giá thành rẻ và có chỉ số octan cao nên cho phép động

cơ hoạt động tại tỉ số nén cao Tuy nhiên, do nhiệt độ cháy của khí thiên nhiên lớn làm tăng tổn thất nhiệt dẫn tới hiệu suất nhiệt của NG/diesel sẽ thấp hơn so với sử dụng xăng/diesel [32]

Do vòng đời CO2 ngắn nên ethanol và methanol là nhiên liệu có thể tái tạo và thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu xăng trong tương lai, do đó có nhiều nghiên cứu động cơ RCCI sử dụng nhiên liệu ethanol, methanol làm nhiên liệu hoạt tính thấp Giống như nhiên liệu NG, ethanol và methanol có chỉ số octan cao hơn xăng do đó

có thể mở động vùng làm việc của chế độ RCCI Mặt khác nhiệt hoá hơi cao nên làm giảm mạnh nhiệt độ hỗn hợp khí nạp từ đó làm giảm phát thải NOx Hơn nữa nhiên liệu ethanol và methanol có chứa oxy trong nhiên liệu và không chứa chất thơm nên soot giảm so với sử dụng xăng/diesel Tuy nhiên, nhiệt trị thấp dẫn tới tăng tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng ethanol và methanol làm nhiên liệu hoạt tính thấp

Từ các nghiên cứu cho thấy, nhiên liệu khí thiên nhiên, ethanol, methanol cho phép động cơ hoạt động ở vùng làm việc rộng hơn khi sử dụng nhiên liệu xăng Trong đó ethanol và methanol có chứa sẵn oxy và nhiệt hoá hơn cao nên phát thải

NOx và Soot giảm tuy nhiên suất tiêu hao nhiên liệu tăng do nhiệt trị thấp

1.3.1.2 Nhiên liệu hoạt tính cao

Nhiên liệu hoạt tính cao thông thường được sử dụng có hai loại là diesel và biodiesel Khi sử dụng nhiên liệu biodiesel thông thường sẽ cho kết quả phát thải

NOx cao hơn so với sử dụng nhiên liệu diesel do nhiên liệu biodiesel có sẵn oxy trong nhiên liệu Tuy nhiên, theo nghiên cứu [33] khi mô phỏng so sánh giữa hai loại nhiên liệu hoạt tính cao là diesel và biodiesel (nhiên liệu hoạt tính thấp là xăng) cho kết quả phát thải NOx trong trường hợp biodiesel giảm hơn so với tường hợp diesel Nghiên cứu [34] cũng cho kết quả tương tự

1.3.2 Sử dụng đơn nhiên liệu kết hợp phụ gia

Nhằm giảm bớt hệ thống cung cấp nhiên liệu trong khi vẫn tạo ra nhiên liệu có hoạt tính khác nhau, một số chất phụ gia làm tăng chỉ số xetan được hoà trộn với nhiên liệu hoạt tính thấp và phun trực tiếp vào xy lanh giống như nhiên liệu hoạt tính cao Có hai chất thường được sử dụng làm tăng chỉ số xetan: 2-EHN (2-ethylhexyl nitrate) C8H17NO3 và DTBP (di-tert-butyl peroxide) C8H18O2

Nghiên cứu [35] trên động cơ xe tải chuyển đổi sang RCCI, thí nghiệm tại vùng tải thấp có giá trị áp suất chỉ thị trung bình (IMEP) tại 2 và 4,5 bar, tốc độ

và nhiệt độ ngọn lửa cao hơn

Nghiên cứu [36] đã sử dụng phụ gia DTBP để tăng chỉ số xetan của nhiên liệu xăng trên động cơ RCCI sử dụng đơn nhiên liệu tại hai mức áp suất chỉ thị trung bình là 6 và 9bar Kết quả cho thấy, với một lượng nhỏ DTBP đã giúp hiệu suất nhiệt cũng như phát thải tương đương khi sử dụng lưỡng nhiên liệu xăng/diesel Dempsey và các cộng sự [37] tiến hành so sánh khi pha hai loại phụ gia 2-EHN và DTBP vào xăng, methanol và ethanol Kết quả cho thấy, 2-EHN có hiệu quả rõ rệt hơn trong việc tăng hoạt tính nhiên liệu tuy nhiên NOx cũng cao hơn trường hợp dùng DTBP

1.4 Tình hình nghiên cứu về RCCI

1.4.1 Nghiên cứu ngoài nước

Động cơ cháy nén có kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI) là một hướng phát triển mới của mô hình động cơ cháy ở nhiệt độ thấp Năm 2010, giáo sư R.D Reitz, Khoa Cơ khí, Đại học Wisconsin (Mỹ) đã nộp đơn xin cấp bằng phát minh về điều khiển quá trình cháy động cơ thông qua điều khiển quá trình phản ứng của nhiên liệu (động cơ RCCI) Đây là hướng phát triển mới trong ngành động cơ đốt trong thế giới trong việc giải quyết bài toán về năng lượng, môi trường và nâng cao tính kinh tế của động cơ

Động cơ RCCI là động cơ sử dụng hai nhiên liệu, trong đó việc điều khiển quá trình cháy thông qua điều khiển quá trình phản ứng của nhiên liệu RCCI là một biến thể từ động cơ HCCI, trong đó động cơ RCCI cung cấp quá trình điều khiển quá trình đốt cháy nhiên liệu tốt hơn bằng cách điều khiển trực tiếp tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu tương ứng với từng điều kiện hoạt động cụ thể của động cơ Mức phát thải NOx và PM có thể thỏa mãn tiêu chuẩn khí thải hiện tại bên trong buồng cháy

mà không cần các thiết bị xử lý khí thải diesel (SCR, DPF) Các cặp nhiên liệu có thể được sử dụng trong động cơ RCCI là hỗn hợp xăng và diesel, ethanol và bio-diesel, xăng và xăng pha thêm phụ gia làm tăng chỉ số cetane

Đã có một số nghiên cứu thử nghiệm động cơ cháy theo cơ chế RCCI trên động cơ hạng nặng (2.44L Caterpillar 3401) tại các chế độ tải thấp [38-39] Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các cặp nhiên liệu: xăng-diesel và xăng-xăng pha phụ gia tăng chỉ số xetan, trong đó xăng được phun gián tiếp tại vị trí trước xupap nạp và nhiên liệu còn lại được phun trực tiếp vào xilanh động cơ Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất nhiệt chung của động cơ đạt gần 50% ở tất cả các chế độ thử nghiệm,

12

mức phát thải NOx và PM đều nằm trong giới hạn cho phép của luật định Các tác giả cũng chỉ ra rằng có sự giảm rõ rệt về hiệu suất nhiệt khi tăng tốc độ động cơ do các tổn thất bơm và quá trình cháy

Trong một nghiên cứu khác, Kokjohn và cộng sự [40] đã đưa ra những so sánh giữa động cơ diesel truyền thống với động cơ làm việc theo cơ chế cháy RCCI tại cùng chế độ làm việc với áp suất chỉ thị trung bình là 9 bar Các tác giả cho biết, so với động cơ diesel truyền thống thì động cơ cháy theo cơ chế RCCI có mức phát thải NOx thấp hơn 3 lần, mức phát thải bồ hóng thấp hơn 6 lần trong khi hiệu suất nhiệt chỉ thị cao hơn 16,4% Tuy nhiên, khi làm việc ở chế độ RCCI thì động cơ có tốc độ tăng áp suất cao hơn, rung ồn và các tổn thất quá trình cháy cũng cao hơn Nhiều nghiên cứu đã công bố cho thấy hiệu suất nhiệt của động cơ khi cháy ở chế độ RCCI cao hơn đáng kể so với các động cơ truyền thống cùng kích thước Trong nghiên cứu của mình, Splitter và cộng sự [41] đã thực hiện thử nghiệm trên động cơ diesel 1 xilanh sử dụng lưỡng nhiên liệu với một nhiên liệu có hoạt tính thấp được phun vào trước cửa nạp và một nhiên liệu có hoạt tính cao được phun trực tiếp vào trong xilanh động cơ Các tác giả đã sử dụng một số biện pháp nhằm tăng hiệu suất nhiệt của động cơ như: không làm mát piston, tăng hệ số khí sót và tối ưu mức độ phân lớp nhiên liệu bên trong xilanh động cơ bằng cách dùng 2 loại nhiên liệu có hoạt tính khác nhau Với những điều chỉnh như trên, nhóm tác giả đã đạt được hiệu suất nhiệt cao nhất của động cơ lên tới gần 60%

Ogawa và các cộng sự [42] đã tiến hành thử nghiệm xây dựng đặc tính của động cơ diesel 1 xilanh 0.83L phun diesel với ống tích áp và phun ethanol trên đường nạp, kết hợp với hệ thống luân hồi khí thải (EGR) Các tác giả cho biết, khi cấp ethanol với tỷ lệ 20% thì độ khói và NOx đều giảm trên toàn dải tốc độ làm việc của động cơ Nếu điều khiển tốt việc phun ethanol với luân hồi khí thải thì có thể cho phép giảm độ khói bằng không và giảm đáng kể lượng phát thải NOx Kết quả của nghiên cứu này cũng cho biết, cần phải giảm tỷ số nén để đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol, loại bỏ hiện tượng mất lửa và kích nổ trong xilanh Trong một nghiên cứu khác, Volpato và cộng sự [43] đã nghiên cứu điều khiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol cho động cơ nông nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối piston hướng kính Ethanol được phun và đường ống nạp, diesel phun trực tiếp vào buồng cháy chính (dạng phun mồi) nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy chính Kết quả cho biết, công suất và momen động cơ vẫn đảm bảo ở chế độ 100% tải, trong khi tỷ lệ ethanol thay thế lên tới 60-85%

Trong nghiên cứu của mình Jesús Benajies và các cộng sự [44] đã nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ một xylanh, thỏa mãn tiêu chuẩn EURO VI với tỉ số nén

13

của động cơ là 17,5 Những nghiên cứu thực nghiệm trước chỉ ra rằng với tỉ số nén này chế độ vận hành của động cơ RCCI bị giới hạn trong một vùng hẹp từ 25%-35% tải mặc dù sử dụng nhiên liệu LRF hòa trộn giữa E20-95 Nếu giảm tỉ số nén của động cơ xuống 12,75 thì vùng vận hành của động cơ mở rộng đến 80% tải động

cơ, ngoại trừ khi động cơ làm việc ở vùng dưới 25% tải thì hiệu suất nhiệt thấp hơn

so với động cơ diesel thông thường Do đó trong nghiên cứu này tỉ số nén của động

cơ đặt ở 15,3:1 nhờ tăng thể tích đỉnh piston Để vận hành ở chế độ RCCI động cơ đươc trang bị thêm một hệ thống kim phun để có thể thay đổi được đặc điểm của nhiên liệu hòa trộn phù hợp với điều kiện vận hành của động cơ Nhiên liệu được sử dụng trong động cơ RCCI là xăng và diesel Động cơ được trang bị hệ thống phun common-rail phụ trách việc phun trực tiếp diesel vào trong xylanh Hệ thống phun nhiên liệu thứ hai phụ trách việc phun xăng trên đường nạp PFI Hệ thống cung cấp nhiên liệu bao gồm một bơm nhiên liệu, một thùng chứa, lọc nhiên liệu và hệ thống phun nhiên liệu đã đề cập ở trên Hệ thống PFI được đặt trên đường ống nạp đảm bảo cung cấp đủ lượng nhiên liệu xăng trong suốt kỳ nạp, nhằm tránh hiện tượng đọng nhiên liệu tại xupap nạp, thời điểm phun sẽ bắt đầu tại 10 độ trục khuỷu sau khi xupap nạp mở Lúc này khoảng cách giữa xupap nạp và kim phun đã đủ lớn để nhiên liệu không bị cản trở

Hình 1.15 cho thấy sơ đồ chạy thử nghiệm động cơ Đây là động cơ bốn xylanh trong đó một xylanh được cô lập như một động cơ một xylanh và ba xylanh còn lại chạy như một động cơ thông thường Ưu điểm của phương pháp này là giúp tiết kiệm chi phí so với cách nghiên cứu động cơ một xylanh truyền thống, có thể

mở rộng được phạm vi nghiên cứu Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là không thể thu được kết quả về mô men xoắn vì cùng sử dụng chung một trục khuỷu

14

Hình 1.7: Sơ đồ chạy thử nghiệm động cơ RCCI [44]

Tất cả những thành phần cần thiết để tách riêng một xylanh được thể hiện trong Hình 1.8 Trong đó hệ thống nạp để cung cấp không khí nạp cho riêng xylanh làm việc theo chế độ RCCI được lấy từ máy nén khí trục vít, ngoài ra để đảm bảo về điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của không khí nạp thì hệ thống trang bị một bộ làm mát, sấy khô và sấy nóng khí nạp đặt sau máy nén khí để điều chỉnh điều kiện của dòng khí nạp đảm bảo phù hợp với mọi điều kiện vận hành của động cơ, dòng khí nạp trước khi đi vào động cơ được đưa qua bình ổn áp nhằm ổn định dao động áp suất trên đường nạp giúp đo lưu lượng khí nạp chính xác hơn Đường khí thải cũng được đưa qua bình ổn áp nhằm ổn định dòng khí luân hồi Một van chống ngược được đặt trên đường thải vì lý do khi máy nén hút khí thải quay trở lại đường nạp có thể dẫn đến hiện tượng tụt áp suất trên đường thải, lúc này áp suất trên đường thải thấp hơn áp suất ngoài môi trường dẫn đến hiện tượng hút ngược không khí trở lại đường thải nên lúc này van một chiều này sẽ đóng lại đảm bảo không khí không bị hút ngược vào trong Khí thải luân hồi được đưa qua bộ lọc muội và được điều khiển lưu lượng thông qua van EGR

Có ba phương pháp phun khác nhau được sử dụng trong động cơ RCCI dùng lưỡng nhiên liệu để tối ưu với từng chế độ làm việc của động cơ giới thiệu trong Hình 1.9

Từ chế độ không tải đến 40% tải (8 bar IMEP): là quá trình hòa trộn trước hoàn toàn sử dụng xung phun kép với khoảng cách gần nhau cho nhiên liệu diesel (Hình

15

1.9), với thời điểm phun ~450CA BTDC Vì có thời gian chuẩn bị hòa khí trước khi quá trình cháy bắt đầu nên phát thải NOx và bồ hóng giảm mạnh Thời điểm bắt đầu phun diesel không ảnh hưởng nhiều đến quá trình cháy bởi quá trình cháy được quyết định bởi lượng nhiên liệu phản ứng thông qua lượng xăng phun vào đường ống nạp

Từ 40% - 75% tải: (15 bar IMEP) là quá trình hòa trộn trước gần mức hoàn toàn Chế độ này sử dụng một xung phun kép nhưng trong trường hợp này khoảng cách 2 xung cách xa nhau, trong đó xung phun thứ hai phun nhiên liệu ở vùng gần điểm chết trên Xung phun thứ nhất nhằm cải thiện khả năng phản ứng của nhiên liệu ở những khe rãnh vì ở đó sẽ có một lượng xăng bị giữ lại Tia phun thứ 2 có áp suất

và nhiệt độ cao nên đóng vai trò như một nguồn lửa chính Vì có thời gian chuẩn bị hỗn hợp ít hơn nên lượng phát thải cao hơn so với quá trình hòa trộn hoàn toàn, tuy nhiên vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn EURO VI

Từ 75% - toàn tải: là quá trình cháy khuếch tán Sử dụng một xung phun đơn với thời gian phun trễ hơn để đảm bảo cung cấp đủ lượng nhiên liệu để đạt được tải trọng cần thiết mà không vượt quá giới hạn kỹ thuật của động cơ

Hình 1.8: Đặc điểm chế độ chạy thử nghiệm [62]

 Kết quả của chế độ RCCI so với động cơ diesel thông thường:

- Lượng phát thải NOx giảm mạnh từ 75 đến 98%

- Ở những vùng áp suất trên 8 bar hiệu quả đốt cháy chỉ ít hơn 4% so với động

cơ thông thường và có thể cải thiện bằng cách giảm sự trao đổi nhiệt

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu khác nữa thực hiện chế độ cháy RCCI trên động cơ diesel hạng nhẹ và hạng nặng với rất nhiều cặp nhiên liệu khác nhau Các tác giả đều thống nhất rằng RCCI là một kỹ thuật tiềm năng, có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn phát thải hiện tại và tương lai mà không cần sử dụng các kỹ thuật xử lý phía sau cửa thải Hơn nữa, hiệu suất nhiệt của động cơ cũng rất cao, có thể lên tới 56-60% Ngoài ra, một số loại nhiên liệu thay thế như khí thiên nhiên, diesel sinh học, xăng sinh học,… cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ RCCI

1.4.2 Nghiên cứu trong nước

Động cơ cháy nén có kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI) là một hướng phát triển mới của mô hình động cơ cháy ở nhiệt độ thấp nhằm giải quyết bài toán về năng lượng, môi trường và nâng cao tính kinh tế của động cơ Động cơ RCCI sử dụng hai nhiên liệu, trong đó việc điều khiển quá trình cháy thông qua điều khiển quá trình phản ứng của nhiên liệu bằng cách điều khiển trực tiếp tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu tương ứng với từng điều kiện hoạt động cụ thể của động cơ Mức phát thải NOx

và PM có thể thỏa mãn tiêu chuẩn khí thải hiện tại bên trong buồng cháy mà không cần các thiết bị xử lý khí thải diesel (SCR, DPF) Các cặp nhiên liệu có thể được sử dụng trong động cơ RCCI là hỗn hợp xăng và diesel, ethanol và bio-diesel, xăng và xăng pha thêm phụ gia làm tăng chỉ số xetan

Động cơ cháy ở nhiệt độ thấp (LTC), điển hình là động cơ RCCI, là một hướng phát triển mới cho ngành động cơ đốt trong trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Tuy nhiên, ở Việt Nam thì việc nghiên cứu các loại động cơ cháy ở nhiệt độ thấp còn khá mới mẻ Hiện tại, mới chỉ có một số công trình nghiên cứu về động cơ nén cháy hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous Compression Combustion Ignition - HCCI) của các tác giả từ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [45-50] và

17

Đại học Đà Nẵng [51]

Trong các công trình đã công bố của mình [45-50], nhóm tác giả từ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp n-heptan trên đường nạp, hệ thống luân hồi khí xả, bộ gia nhiệt khí nạp và các đệm nắp máy có độ dày khác nhau nhằm thiết lập và mở rộng vùng làm việc cho động cơ HCCI, đưa ra sơ đồ lắp ráp và bố trí thử nghiệm đảm bảo dễ dàng lắp đặt

và điều chỉnh đáp ứng được yêu cầu làm việc và đảm bảo độ tin cậy để sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm của đề tài

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và thiết lập thành công động cơ làm việc theo nguyên lý HCCI với giải pháp phun nhiên liệu trên đường nạp, đánh giá, so sánh các thông số chỉ thị, có ích và các phát thải của động

cơ HCCI với động cơ diesel nguyên bản Kết quả cho thấy, động cơ HCCI chuyển đổi hoạt động ổn định tại chế độ tốc độ và tải thấp từ 1600 vg/ph đến 2000 vg/ph và 10% tải đến 20% tải, thời điểm bắt đầu cháy diễn ra quá sớm trước ĐCT làm ảnh hưởng đến các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật của động cơ

Ngoài ra, nhóm tác giả còn tiến hành thực nghiệm khảo sát, đánh giá các thông

số (tỷ số nén, tỷ lệ khí thải luân hồi, và nhiệt độ sấy nóng khí nạp) ảnh hưởng đến khả năng mở rộng vùng làm việc Kết quả khảo sát cho thấy, khi giảm tỷ số nén từ 20:1 xuống 14,87:1, không áp dụng luân hồi khí xả và nhiệt độ sấy nóng khí nạp giữ nguyên thì động cơ làm việc ổn định tới 30% tải, 2000 vg/ph Thời điểm bắt đầu cháy diễn ra muộn hơn, nhưng giảm tỷ số nén ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của động cơ, không nên giảm tỷ số nén xuống thấp hơn 14,87

Công trình nghiên cứu về động cơ RCCI của nhóm tác giả Nguyễn Ngọc Dũng và Nguyễn Văn Đông (Đại học Đà Nẵng) [51] nghiên cứu mô phỏng phát triển động cơ sử dụng công nghệ RCCI dựa trên nền động cơ diesel nghiên cứu AVL 5402 và phần mềm mô phỏng AVL Boost Mô hình AVL MCC và mô hình truyền nhiệt là Woschni trong phần mềm AVL Boost được sử dụng để mô phỏng động cơ Kết quả mô phỏng cho thấy, động cơ sử dụng công nghệ RCCI cho quá trình cháy tốt hơn so với động cơ diesel truyền thống giúp nâng cao công suất, giảm thành phần phát thải NOx và soot Nghiên cứu này mới chỉ dừng ở mức khảo sát và tính toán lý thuyết, hoàn toàn chưa có thực nghiệm kiểm chứng, do đó kết quả có được là khá hạn chế

Trong một nghiên cứu khác gần đây [52], nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel D4BB lắp trên xe tải Huyndai 1,25 tấn khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại 100% tải với tỷ lệ ethanol thay thế được lựa chọn ở sát giới hạn kích nổ Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng tốc độ động cơ thì tỷ lệ thay thế ethanol giảm,

18

suất tiêu thụ năng lượng, phát thải CO và độ khói giảm, trong khi phát thải CO2, HC

và NOx lớn hơn so với khi chạy diesel truyền thống trên toàn dải tốc độ Như vậy, nghiên cứu này mới chỉ chú trọng tới việc tăng tỷ lệ ethanol thay thế khi chạy lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm đảm bảo động cơ làm việc ổn định, tuy nhiên các chỉ tiêu phát thải, đặc biệt là NOx lại tăng so với động cơ nguyên thủy

1.5 Tổng quan về các giải pháp công nghệ chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ RCCI

1.5.1 Tỷ lệ nhiên liệu

Tỉ lệ nhiên liệu là thông số quan trọng ảnh hưởng đến các phản ứng bên trong xylanh [29]

Mức độ phản ứng của nhiên liệu có thể xác định bằng trị số xetan Do động cơ

sử dụng nhiều loại nhiên liệu nên trị số xetan của hỗn hợp trong xy lanh được xác định từ công thức sau:

CNdual-fuel = Trong đó CNdual-fuel là trị số xetan của hỗn hợp nhiên liệu trong xy lanh,

CNlow và CNhigh là trị số xetan của nhiên liệu LRF và HRF, low và high là tỷ lệ mole của LRF và HRF Bằng cách thay đổi tỉ lệ nhiên liệu sẽ thay đổi khả năng phản ứng trong xy lanh từ đó thay đổi góc cháy trễ Thông thường, tỷ lệ nhiên liệu LRF tăng thì góc cháy trễ tăng

Rất nhiều nghiên cứu ảnh hưởng giữa tỉ lệ nhiên liệu tới hiệu suất và hình thành phát thải trong động cơ RCCI Tỉ lệ nhiên liệu LRF có thể đạt tới 90% trong động cơ RCCI, khi tăng tỉ lệ nhiên liệu LRF góc cháy trễ tăng dẫn tới vị trí nhiên liệu cháy được 50% (CA50) bị lùi lại Nghiên cứu [53,54] cho rằng khi tăng tỉ lệ nhiên liệu LRF giúp cải thiện công suất và phát thải của động cơ Nhưng nghiên cứu [55,56] lại cho kết quả ngược lại Điều này có thể do sự khác biệt về đặc điểm kỹ thuật của các động cơ nghiên cứu, thời điểm bắt đầu phun và đặc tính của nhiên liệu Khi tăng tỉ lệ nhiên liệu LRF giúp cho phát thải NOx giảm do tốc độ gia tăng

áp suất giảm dẫn đến nhiệt độ cháy giảm Kết quả phát thải soot cũng tương tự NOx

do quá trình cháy của nhiên liệu phun trực tiếp HRF chuyển từ cháy khuếch tán sang cháy lan tràn [57,58]

19

Hình 1.9: Cơ chế cháy khi thay đổi thời điểm phun và tỷ lệ nhiên liệu[59]

Từ Hình 1.10 cho thấy động cơ hoạt động tại góc phun sớm từ -18o đến 0o

ATDC giống động cơ lưỡng nhiên liệu với tỷ lệ nhiên liệu hoạt tính thấp (methanol) lớn hơn 0,7 cho phát thải NOx thấp và tiêu thụ nhiên liệu lớn Khi thời điểm phun nhiên liệu nhỏ hơn -18o CA ATDC động cơ hoạt động theo cơ chế cháy LTC, với tỷ

lệ nhiên liệu hoạt tính thấp nhỏ hơn 0,2 động cơ hoạt động theo cơ chế cháy PCCI Động cơ RCCI hoạt động trong vùng tỉ lệ giữa nhiên liệu hoạt tính thấp (methanol)

từ 0,2 đến 0,7 Trong vùng từ 0,5 đến 0,7 động cơ RCCI cho phát thải NOx và và mức tiêu hao nhiên liệu thấp

1.5.2 Phương pháp phun

Cũng như tỉ lệ nhiên liệu, phương pháp phun là yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của động cơ Do nhiên liệu LRF phun trên đường ống nạp và tạo hỗn hợp đồng nhất trước khi vào trong xy lanh nên thay đổi phương pháp phun trong động cơ RCCI chủ yếu là thay đổi quá trình phun nhiên liệu HRF Có rất nhiều thông số điều chỉnh trong quá trình phun nhiên liệu HRF như số lần phun trong một chu kỳ, lượng nhiên liệu phun giữa từng lần, thời điểm phun của từng lần phun cũng cần được điều chỉnh để được giá trị tối ưu

1.5.2.1 Số lần phun trong một chu kỳ

Số lần phun trong một chu kỳ ảnh hưởng lớn đến phân bố của nhiên liệu HRF

và đặc tính của hỗn hợp bên trong xy lanh Splitter D, và các cộng sự [21] nghiên cứu so sánh giữa một lần phun và hai lần phun khi sử dụng nhiên liệu iso-octane và

20

n-heptane với IMEP tại 4,75 bar Trường hợp phun hai lần, khoảng cách giữa các lần phun cố định tại 25o CA và lượng HRF tại lần phun đầu tiên chiếm 55% tổng lượng nhiên liệu HRF phun vào trong xy lanh Kết quả cho thấy, tại thời điểm phun

35oCA trước điểm chết trên tia phun kép có đỉnh tốc độ toả nhiệt cao hơn trường hợp một lần phun Nguyên nhân do khoảng cách giữa 2 lần phun cố định là 25oCA nên lần phun thứ 2 là 10oCA trước điểm chết trên dẫn tới mức độ phân lớp của nhiên liệu HRF cao do đó tốc độ cháy cao Tại 50oCA trước điểm chết trên, giá trị đỉnh tốc độ toả nhiệt của hai lần phun vẫn cao hơn một lần phun Nguyên nhân là do tại lần phun thứ nhất phun vào vùng thể tích bị chèn trên đỉnh piston và lần phun thứ hai phun vào vùng thể tích lõm của đỉnh dẫn tới nhiệt độ của cả hai vùng đều cao Từ 70oCA trở đi tia phun nhiên liệu HRF chạm thành vách xy lanh nên chất lượng khí thải giảm Trường hợp phun hai lần NOx và CO cao trong khi soot và HC tương đương trường hợp phun một lần (Hình 1.11)

Hình 1.10: Tốc độ tỏa nhiệt và giá trị đỉnh của nhiệt tỏa ra khi thay đổi thời điểm bắt đầu

phun

1.5.2.2 Thời điểm bắt đầu phun

Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu HRF là thông số quan trọng nhất trong nhiều thông số có thể điều chỉnh được trong phương pháp phun nhiên liệu vì nó điều khiển trực tiếp quá trình hoà trộn nhiên liệu phun với hỗn hợp nhiên liệu LRF- không khí được nạp vào buồng cháy, từ đó điều khiển được đặc tính cháy Nếu thời điểm phun nhiên liệu càng xa điểm chết trên thì quá trình phản ứng càng dễ kiểm soát Nghiên cứu [60] khi nghiên cứu điều chỉnh thời điểm phun của nhiên liệu HRF

21

dùng xetan giảm từ 30oCA đến 20oCA trước điểm chết trên cho thấy tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy chính được chia thành hai đỉnh trong đó đỉnh thứ nhất là của nhiên liệu hoạt tính cao HRF phun muộn nên cháy nhanh và đỉnh thứ hai là của nhiên liệu LRF

Nghiên cứu [61] đã sử dụng một phương pháp để xác định phân bố của nhiên liệu trước khi cháy, khi bắt đầu cháy và trong quá trình cháy của động cơ sử dụng

hệ thống nhiên liệu common-rail với thời điểm phun lần lượt là 155°,50°,15° CA trước điểm chết trên Kết quả cho thấy tại góc phun 155o và 15o có nhiệt lượng giải phóng cao hơn so với góc phun 50o Từ các nghiên cứu có thể kết luận góc phun quá sớm hoặc quá muộn làm cho tốc độ toả nhiệt tăng nhanh

1.5.3 Luân hồi khí thải EGR

Theo Inagaki K, Fuyuto và các cộng sự [31,62] luân hồi khí thải EGR trên động cơ RCCI đạt hiệu quả không cao khi so sánh với động cơ truyền thống Tuy nhiên, để tối ưu hoá quá trình hoạt động của động cơ RCCI thì cần sự hỗ trợ của EGR đặc biệt tại tải cao nhằm giảm tốc độ gia tăng áp suất, phát thải NOx và soot Điều này là do nhiệt độ cháy giảm vì hỗn hợp bị pha loãng và ảnh hưởng của nhiệt khí thải luân hồi Tuy nhiên, khi sử dụng EGR phát thải HC và CO tăng lên do xuất hiện vùng nhiều nhiên liệu cục bộ

Li cùng các cộng sự [63] đã nghiên cứu mô phỏng đánh giá về việc sử dụng EGR trên động cơ RCCI tại tải trung bình sử dụng nhiên liệu methanol làm nhiên liệu LRF và nhiên liệu diesel làm nhiên liệu HRF Kết quả cho thấy, việc sử dụng EGR phụ thuộc vào nhiệt độ ban đầu tại thời điểm xupap nạp đóng Khi nhiệt độ thấp hơn một giá trị ngưỡng thì không cần sử dụng EGR, chỉ cần điều chỉnh lượng nhiên liệu hoạt tính thấp Ngoài ra, khi so sánh giữa sử dụng EGR có làm mát và không làm mát Yu và các cộng sự [64] đã cho thấy khi làm mát EGR sẽ làm giảm phát thải NOx tuy nhiên phát thải HC và soot sẽ tăng

1.5.4 Tỷ số nén

Tỷ số nén là thông số kết cấu quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ đốt trong Jia và các cộng sự [65] cho thấy tỷ số nén của các nghiên cứu về động cơ RCCI đã công bố nằm trong khoảng từ 11 đến 17, tuy nhiên ở tỷ số nén thấp sẽ cho tốc độ cháy thấp và hiệu suất nhiệt thấp hơn ở tỷ số nén cao Nghiên cứu [63] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số nén 14 và 17 đối với động cơ RCCI sử dụng nhiên liệu CNG/diesel Kết quả cho thấy với tỉ số nén 14 nhiệt độ của EGR cao hơn so với tỉ số nén 17, điều này là do quá trình cháy của tỉ số nén 14 chậm hơn Tại tốc độ 1200 vòng/phút hiệu suất nhiệt của động cơ có tỉ số nén 14 cao hơn động cơ có tỉ số nén 17 tuy nhiên khi tăng lên tốc độ 1800 vòng/phút động

cơ có tỉ số nén 14 lại có hiệu suất nhiệt thấp hơn Mặt khác phát thải NOx của động

22

cơ có tỉ số nén 14 thấp hơn động cơ có tỉ số nén 17 tuy nhiên HC lại cao hơn Ngoài

ra tại nhiều chế độ, động cơ tỉ số nén 14 có thời gian cháy trễ lớn và lượng nhiệt giải phóng cũng thấp hơn so với động cơ có tỷ số nén 17

1.5.5 Hình dạng đỉnh piston

Hình dạng đỉnh piston là thông số kết cấu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hoà trộn nhiên liệu do đó nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy của động cơ Động cơ diesel với đặc điểm phun nhiên liệu trực tiếp trong buồng cháy nên có đỉnh piston có hình dạng với những đặc điểm nhất định nhằm tối ưu quá trình hoà trộn nhiên liệu với không khí Tuy nhiên, trong động cơ RCCI nhiên liệu LRF được hoà trộn trước với không khí do đó cần có đỉnh piston phù hợp Theo nghiên cứu [66,67] diện tích của đỉnh piston ảnh hưởng lớn tới quá trình trao đổi nhiệt trong buồng cháy động cơ RCCI Hanson và các cộng sự [68] đã tối ưu biên dạng đỉnh piston nhằm giảm tổn thất trao đổi nhiệt, đỉnh piston được điều chỉnh sao cho tỉ lệ giữa diện tích bề mặt đỉnh piston với thể tích buồng cháy nhỏ, tăng đường kính buồng cháy cho phép tăng thời điểm phun sớm và làm tăng hiệu suất cháy, giảm

HC và CO Hình 1.12 thể hiện hình dạng đỉnh piston với Hình 1.12a là hình dạng đỉnh piston động cơ RCCI hạng nặng, Hình 1.12b là hình dạng piston động cơ diesel GM 1.9, Hình 1.12c là hình dạng piston động cơ RCCI hạng nhẹ Đồng thời kết hợp với điều khiển quá trình phun nhiên liệu động cơ RCCI sử dụng piston Hình 1.12c có hiệu suất nhiệt tăng từ 37% lên tới 40% tại 2600 vòng/phút, 6,9 bar IMEP

và phát thải NOx và PM nằm dưới giới hạn quy định mà không cần xử lý khí thải và thấp hơn nhiều so với động cơ RCCI sử dụng đỉnh piston Hình 1.12a

23

nhiên liệu hoạt tính thấp và nhiên liệu hoạt tính cao, hình dạng của đỉnh pisotn, tỉ số nén của động cơ, tỷ lệ luân hồi khí thải EGR Do đó trong nghiên cứu này NCS lựa chọn áp suất phun, thời điểm phun, số lần phun, tỉ lệ nhiên liệu và tỉ số nén là các thông số điều chỉnh và điều khiển nhằm chuyển động cơ truyền thống sang động cơ RCCI

Nghiên cứu của Benajes và các cộng sự [69] cho thấy thời điểm và số lần phun của nhiên liệu HRF thay đổi theo mức tải của động cơ, trong đó tại vùng tải thấp và trung bình sử dụng hai xung phun với khoảng cách gần nhau, thời điểm phun

~450CA trước ĐCT, từ 40% ÷ 75% tải sử dụng hai xung phun nhưng khoảng cách 2 xung cách xa nhau, xung phun thứ hai phun nhiên liệu ở vùng gần điểm chết trên, từ 75% ÷ 100% toàn tải sử dụng một xung phun với thời điểm phun muộn sát ĐCT

Từ vấn đề trên cho thấy để chuyển đổi động cơ diesel sang RCCI, thì động cơ trước khi chuyển đổi bắt buộc phải cho phép điều khiển thời điểm, số lần và lượng phun bằng điện tử Nói cách khác, động cơ diesel phải được trang bị hệ thống phun diesel điện tử CR (Common Rail) Do đó với động cơ diesel truyền thống đầu tiên cần chuyển đổi sang động cơ common rail sau đó chuyển đổi sang động cơ RCCI

1.5.6.1 Giải pháp chuyển đổi động cơ diesel thông thường sang động cơ RCCI

Trong nghiên cứu [70], Dipak và các cộng sự đã thiết kế hệ thống CR trên động cơ 1 xy lanh cỡ nhỏ bằng cách thay bơm cao áp nguyên bản bằng bơm cao áp của hệ thống CR của Bosch CP4.1 đạt được áp suất phun tới 1400 bar đồng thời lắp đặt đường ống tích áp và thay kim phun điện tử cho kim phun nguyên bản của động

cơ (Hình 1.13), kết quả cho thấy hệ thống hoạt động bình thường, phát thải và tiêu hao nhiên liệu giảm nhẹ, tuy nhiên cần phải có một số điều chỉnh ở tải cao để mang lại hiệu quả cao hơn động cơ nguyên bản

cơ dùng bộ điều tốc cơ khí hoạt động với tốc độ định mức tại 3600vg/ph Tác giả đã chuyển đổi sang sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử sử dụng kim phun Delphi DFI1.5, đầu kim phun được thiết kế riêng, bơm cao áp là loại CP4 kết hợp với đường ống tích áp của Audi có trang bị cảm biến áp suất và van điều khiển lượng hồi trên ống, bơm cao áp được điều khiển dẫn động riêng bằng động cơ điện,

sơ đồ hệ thống được thể hiện trong Hình 1.14 Hệ thống được điều khiển bởi bộ điều khiển hãng Woodward’s Motohawk ECM-5554-112, bộ điều khiển vòi phun

sử dụng của hãng National Instruments Kết quả cho thấy khí thải NOx và muội đều giảm, tuy nhiên CO và HC tăng nhẹ, với thiết kế hiện tại cho thấy tiêu hao nhiêu liệu tăng nhẹ so với động cơ nguyên bản

25

Hình 1.13: Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu [71]

Từ các nghiên cứu trên cho thấy việc chuyển đổi động cơ diesel dùng điều tốc

cơ khí sang hệ thống phun diesel tích áp điều khiển điện tử hoàn toàn khả thi, giúp cho chất lượng khí thải và hiệu suất nhiệt của động cơ đều tăng, tuy nhiên việc sử dụng bơm cao áp CR của động cơ nhiều xy lanh và tăng cao áp suất phun cũng làm tổn thất cơ giới tăng, làm tăng tiêu hao nhiên liệu và giảm công suất của động cơ, đặc biệt với động cơ cỡ nhỏ 1 xy lanh thì việc này ảnh hưởng khá lớn đến chất lượng động cơ [71] Nazemi và Shahbakhti [72] đã nghiên cứu xây dựng mô hình

mô phỏng trên CFD động cơ RCCI, mô hình này ứng dụng cho xe tải hạng nhẹ của hãng General Motor 4 xy lanh 1.9 lít và sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các thông số vòi phun đến chất lượng quá trình cháy của động cơ, bao gồm góc tia phun, thời điểm phun, áp suất phun, tỷ lệ hòa trộn Với kết quả thay đổi áp suất phun, các tác giả nhận định: đây là một thông số quan trọng ảnh hưởng tới sự tơi, hóa hơi và phân tán của nhiên liệu diesel khi phun vào buồng cháy Nếu áp suất phun cao sẽ làm nhiên liệu diesel hóa hơi nhanh, đẩy nhanh quá trình hòa trộn của nhiên liệu trong buồng cháy, do đó hỗn hợp sẽ tăng khả năng đồng nhất, việc này dẫn tới khó điều khiển thời điểm cháy của động cơ RCCI Mặt khác, khi tăng áp suất phun sẽ làm giảm kích thước hạt nhiên liệu, dẫn tới giảm quán tính của hạt