nghiên cứu ứng dụng nguyên lý HCCI trên động cơ Diesel công suất nhỏ

luận văn về nghiên cứu ứng dụng nguyên lý HCCI trên động cơ Diesel công suất nhỏ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ HCCI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL CÔNG SUẤT NHỎ

APPLIED RESEARCH PRINCIPLE HCCI FOR THE SMALL POWER DIESEL

SVTH: LÊ MINH ĐỨC, TRẦN NAM VIỆT

Lớp 03C4A

NGUYỄN VĂN CÔNG TỨ

Lớp 03C4B

GVHD: TS DƯƠNG VIỆT DŨNG

Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Tóm tắt:

Báo cáo trình bày phương án thiết kế cải tạo động cơ Diesel công suất nhỏ thành động cơ làm việc theo nguyên lý HCCI : Phương án thiết kế là giảm tỷ số nén, thiết kế hệ thống đánh lửa, thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG, thiết kế hệ thống hồi lưu khí thải Tính toán phương

án cải tạo lý thuyết , lắp đặt mô hình thí nghiệm, kiểm chứng kết quả bằng thực nghiệm

Từ khóa: Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)

Abstract:

What a little power Diesel engine reclamation design variant representation Report to become

the engine to work according to the principle HCCI: detract from the compression ratio, design the ignition system, the design is the fuel supply LPG system, the design is synstematic the

sewage gas reflux Calculate the reclamation variant theoretically, model instal and experiment according to the principle HCCI

Keyword: Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)

1 Mở đầu

Hiện nay, thế giới đang phải đối mặt với nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ do tốc độ khai thác và sử dụng ồ ạt, kéo theo đó là tình trạng ô nhiễm môi trường cũng gia tăng

Đề tài nghiên cứu theo hướng giảm tiêu hao nhiên liệu, hạn chế ô nhiễm môi trường và nâng cao tính năng của động cơ diesel công suất nhỏ bằng cách ứng dụng công nghệ HCCI HCCI

là một công nghệ mới của ngành động cơ đốt trong, cho phép động cơ tiết kiệm 15% nhiên liệu và giảm độ phát thải các chất ô nhiễm ra môi trường so với các loại động cơ truyền thống [8],[9],[10] Trong động cơ HCCI , nhiệt độ cháy thấp hơn so với các loại động cơ truyền thống, do hỗn hợp nạp nghèo , không có hiện tượng ngọn lửa lan truyền suốt buồng đốt mà tất

cả nhiên liệu trong buồng đ ốt được cháy đồng thời , giảm thiểu ô nhiễm NOx và bồ hóng phát

ra từ động cơ Động cơ HCCI có thể thích nghi với nhiều loại nhiên liệu khác nhau [1], [2], [3].Việc nghiên cứu nghiên cứu áp dụng nguyên lý HCCI cho động cơ gặp phải khó khăn là không kiểm soát được quá trình cháy của nhiên liệu trong xilanh động cơ

Báo cáo trình bày một số kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ HCCI cho động cơ diesel cỡ nhỏ Động cơ được chọn để cải tạo và xây dựng mô hình thí nghiệm là động cơ diesel 1 xylanh DONGFENG S1100A, công suất 12 kW/ 2200 (vòng/phút)

2 Nội dung nghiên cứu

2.1 Lý thuyết

2.1.1 Điều kiện cháy đồng nhất của nhiên liệu theo nguyên lý HCCI

Để nhiên liệu có thể cháy đồng nhất theo nguyên lý HCCI thì phải thỏa mãn điều kiện [12]:

1 ( , )

i

t

i t

dt

T p



) ( T t

B n

 - thời gian cháy trễ, t-thời điểm đóng van nạp, ti-thời điểm

cháy

Với: A =0.01869(ON/100)3.4017

, ON là chỉ số octane của nhiên liệu, n = 1.7, B = 3800

Nhiệt lượng của động cơ phát ra được xác

định theo công thức Wiebe [12]:

4

5 1

1

SOC

C

C b

 





 

     

 

Trong đó: SOC- Góc quay trục khuỷu

tương ứng tại thời điểm cháy, -góc quay trục

khuỷu tương ứng thời gian cháy, xb-nhiệt lượng

phản ứng, C4 và C5 là các hằng số xác định bằng thực nghiệm

Trong đó: SOC- Góc quay trục khuỷu tương ứng tại thời điểm cháy, -góc quay trục khuỷu tương ứng thời gian cháy, xb-nhiệt lượng phản ứng, C4 và C5 là các hằng số xác định bằng thực nghiệm

2.1.2 Phương án lý thuyết

 Thiết kế hệ thống hồi lưu khí thải ( Exhaust Gas Recirculation – EGR): Mục tiêu của tuần hoàn khí thải là giảm nhiệt độ cháy đoạn nhiệt hay giảm nồng độ ôxi trong hỗn hợp cháy động cơ diesel, tăng nhiệt dung riêng của khí nạp nên giảm nhiệt độ cháy, với mục tiêu giảm thiểu sự phát thải NOx của động cơ ra môi trường [2]

 Thiết kế thay đổi tỉ số nén của động cơ (Variable Compression Ratio - VCR):

Thay đổi tỉ số nén động cơ cho phù hợp có thể giúp động cơ phát huy hết tính năng vốn

có của công nghệ HCCI.[2]

 Thay đổi thời điểm đóng mở van (Variable Valve Timing - VVT):

Trên động cơ HCCI, van xả sẽ được điều khiển đóng sớm hơn và van nạp được điều khiển mở muộn hơn so với động cơ thông thường [2], [3], [4], [5], [6]

 Cải thiện sự cháy của động cơ

Trong phạm vi của đề tài, chỉ áp dụng phương pháp hồi lưu khí thải, thay đổi tỷ số nén của động cơ, nhiên liệu sử dụng cho động cơ là LPG, Diesel

2.1.3 Thiết kế cải tạo động cơ DONGFENG S1100A

a Thông số kỹ thuật động cơ thí nghiệm DONGFENG S1100A

Động cơ diesel DONGFENG S1100A 4kỳ 1 xilanh, tỷ số nén =20, công suất 12 kW,

số vòng quay định mức n=2200 v/ph

b Giảm tỷ số nén của động cơ

Tỷ số nén của động cơ diesel DONGFENG S1100A là = 20, với tỷ số nén này thì động cơ không thể làm việc ổn định khi sử dụng nhiên liệu có chỉ số octane cao, khả năng kích

nổ mạnh sẽ xảy ra Chính vì vậy, giảm tỷ số nén cho động cơ là bắt buộc , khoét đỉnh piston là phương án được lựa chọn để tăng thể tích buồng cháy(Bảng 2)

Bảng2.1: Giá trị chiều sâu khoét đỉnh piston tương ứng tỷ số nén cần đạt

16 60213.81 12700.7 1.6171 3.52749 6.34949

Hình 2.1: Tương quan áp suất cháy

và nhiệt lượng tỏa ra của động cơ

c Thií́t kí́ hệ thống cung cấp nhiín liệu LPG

Nhiín liệu LPG được chọn lăm nhiín liệu HC Cốc đo 2 vă van 3 đí̉ kií̉m soât lưu lượng LPG Thií́t bị AVL 442 Blow By meter dùng đí̉ xác đinh chính xác lưu lượng LPG

1- Van giảm âp.2- Cốc đo lưu lượng

3- Van điều chỉnh lưu lựơng

4- Đường ống dẫn LPG

5- Đường ống nạp.6- Động cơ

7- Bơm cao âp.8- Bầu lọc

9- Thùng dầu 10 - Vòi phun nhiín liệu

11-Thií́t bị đo tiíu hao LPG

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiín liệu

LPG cho động cơ

d Thií́t kí́ hệ thống hồi lưu khí thải (EGR)

Khí thải hồi lưu có tâc dụng gia nhiệt cho khí nạp (LPG) tới nhiệt độ đủ đí̉ nhiín liệu

có thí̉ bốc chây khi piston ở kỳ nĩn đi lín tới đií̉m chết trín của động cơ Kết cấu hệ thống hồi lưu khí thải cho động cơ như (hình 8)

56

100

 

56

8

72

Khí nạp Không khí

Kết cấu đường ống nạp sau cải tạo

45

105

Khí nạp

Không khí

16

8

Vị trí cấp khí thải hồi lưu

Vị trí cấp LPG

Khí thải

Khí thải

81,5

72

60

55

Kết cấu đường ống thải sau cải tạo

100

Khí thải Khí thải

16

60

Vị trí trích khí thải hồi lưu

Hình 2.3: Kết cấu đường ống nạp-thải thiết kế

2.2 Thực nghiệm

Động cơ DONGFENG S1100A được thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm động cơ vă ô tô AVL -Khoa Cơ khí Giao thông-Đại học Bâch khoa Đă Nẵng Câc thiết bị sử dụng trong thí nghiệm: Băng thử điện APA 100, Fuel-Balance 733, AVL-442 Blow by meter, Digas 4000 vă một văi trang thiết bị khâc liín quan

Hình 2.4: Bố trí lắp đặt thí nghiệm động cơ DONGFENG S1100A tại phòng thí nghiệm AVL 2.2.1 Phương phâp tiến hănh thực nghiệm

AVL 442 BLOW BY METER

LPG

6 4

7 8

9

10

5 11

Tiến hành thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cũng như mức phát ô nhiễm của động cơ khi làm việc theo nguyên lý HCCI ở các chế độ tốc độ tương ứng với lượng hồi lưu khí xả (0.1418 - 0.4419) [l/ph]

2.2.2 Kết quả thí nghiệm

a Động cơ ở chế độ 5% tải với nhiên liệu diesel

Bảng 2.2: Số liệu các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ

n

[v/ph]

Ne [kW]

Me [Nm]

Ge [g/kW.h]

Gnl [Kg/h]

T_IN

°C

T_EXH

°C

TWI

°C

800 3 35.81 771 2.31 38.04 427.96 92.98

900 4 42.44 700 2.80 38.34 451.24 94.96

1000 5.62 53.67 608 3.42 37.9 465.63 97.3

1200 7.89 62.79 380 3.00 37.04 527 99.66

1300 8.28 60.82 223 1.85 38 427.61 99.86

Bảng 2.3: Số liệu đo ô nhiễm khí thải

b Kết quả thí nghiệm động cơ dùng nhiên liệu LPG; 0.1418 [l/ph] EGR

Bảng2.4: Số liệu các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ

n [v/ph] Ne

[kW]

Me [Nm]

ge-LPG [g/kW.h]

T_IN

°C

T_EXH

°C

TWI

°C

1000 5.57 53.19 350.22 38.53 462.11 99.64

1100 7.02 60.94 289.74 38.46 484.18 99.66

1200 7.31 58.17 285.94 38.73 515.9 99.67

Bảng 2.5: Số liệu đo ô nhiễm khí thải

Chất

n[v/ph]

c Kết quả thí nghiệm động cơ dùng nhiên liệu LPG; 0,4419 [l/ph] EGR

Bảng 2.6: Số liệu các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ

n [v/ph] Ne

[kW]

Me [Nm]

ge-LPG [g/kW.h]

T_IN

°C

T_EXH

°C

TWI

°C

700 3.4 46.38 390.441 40.43 324.36 97.65

800 4.4 52.52 370.227 40.23 329.52 98.88

900 5.11 54.22 350.930 40.03 355.6 99.05

1000 5.34 50.99 354.775 41.05 426.09 98.63

1100 4.4 38.20 450.000 41.55 432.2 99.35

Bảng 2.7: Số liệu đo ô nhiễm khí thải

Chất

n[v/ph]

3 Đánh giá kết quả

Trên đồ thị hình 3.1 ta thấy công suất phát ra của động cơ khi sử dụng LPG tương đương với khi chỉ sử dụng diesel thuần túy , tương ứng với một giá trị của 20% EGR (tương đương 0.1418 [l/ph]) Tuy nhiên điều này chỉ t ồn tại trong phạm vi tốc độ [700-1200] v/ph Sau 1200 v/ph, do kích nổ làm giảm công suất của động cơ Khi tăng lượng hồi lưu khí thải lên 40% độ mở van EGR (tương đương 0.4419 [l/ph]) và vẫn giữ nguyên cơ cấu điều khiển cung cấp LPG , công suất của động cơ tăng cao hơn hẳn [700-1000] do nhiệt độ khí nạp tăng, tạo điều kiện tổ chức quá trình cháy tốt hơn, tốc độ phản ứng cháy tăng Sau 1000 v/ph do kich

nổ nên công suất động cơ giảm

Cũng trong phạm vi tốc độ [700-1200] v/ph, tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm khi tăng lượng khí thải hồi lưu từ 20% lên 40% (hình 3.2)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

n[v/ph]

P[kW]

P [LPG, 20%EGR]

P [5%D, 20%EGR]

P[LPG, 40%EGR]

Hình 3.1: Đồ thị công suất

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

n[v/ph]

ge[g/kw.h]

ge[D, 20%EGR]

ge[LPG, 20%EGR]

ge[LPG, 40%EGR]

Hình 3.2: Tiêu hao nhiên liệu

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

n[v/ph]

HC[ppm]

0 5 10 15 20 25

30 CO2, CO [%Vol]

HC [LPG]

HC[D]

CO2[LPG]

CO2[D]

CO[LPG]

CO[D]

0 10 20 30 40 50 60 70

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

n[v/ph]

NOx[%vol]

NOx[Diesel]

NOx[ LPG, 20%EGR]

NOx[LPG, 40%EGR]

Hình 3.4: Độ phát thải NOx

Động cơ làm việc theo nguyên lý HCCI , trong pham vi tốc độ nhỏ [700-1200] (v/ph), lượng các chất ô nhiễm phát ra ít hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thuần túy Khi tăng lượng khí thải hồi lưu lên , phạm vi từ 20% tới 40%, các chất ô nhiễm giảm mạnh , đặc biệt là

HC và NOx, do quá trình cháy được cải thiện, nhiên liệu cháy kiệt hơn do được gia nhiệt lớn , hình 3.3, 3.4

4 Kết luận

Tuy kết quả thực nghiệm còn phản ánh nhiều hạn chế do điều kiện thời gian cũng như kinh phí đầu tư, song bước đầu cho thấy sự khả quan khi ứng dụng công nghệ HCCI trên động

cơ Diesel công suất nhỏ cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu giảm đáng kể, đồng thời mức đo phát thải các chất ô nhiễm thấp Hướng nghiên cứu tiếp theo là tối ưu hóa quá trìng hình thành hỗn hợp và lượng hồi lưu khí xả để mở rộng phạm vi làm việc của động cơ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu nước ngoài

[1] Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Technology, A Report to the U.S Congress, April 2001

[2] Shawn Midlam, Mohler, Diesel HCCI with External Mixture Preparation, 2004 Ohio [3] State University

[4] Roy Ogink, Computer Modeling of HCCI Combustion, chalmers university of technology, Göteborg, Sweden, 2004

Các bài báo trong nước:

[5] Báo điện tử VietNamnet.com.vn: GM THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ XĂNG KHÔNG CẦN

ĐÁNH LỬA, Đăng lúc: 27/8/2007, 14:29GMT+7

[6] Báo điện tử Vietbao.com.vn: HCCI: Tương lai của động cơ đốt trong, đăng tải thứ năm,

09/2007, 13:40 GMT+7

[7] Báo điện tử Dantri.com.vn, Động cơ mới của GM giảm tiêu hao năng lượng 15%, đăng

ngày 27/8/2007