Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ kệ luân hồi khí thải tới thời điểm bắt đầu cháy của động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI)

sion charge ignition), kết quả như sau: tại chế độ tốc độ 1200 ÷ 2400vg/ph, 50% tải, tỷ lệ luân hồi nhỏ hơn 30% động cơ HCCI làm việc ổn định, tăng dần tỷ lệ luân hồi thời điểm bắt đầu cháy của động cơ muộn dần; khơng nên luân hồi quá 30%, tại chế độ tốc độ lớn hơn 2400vg/ph động cơ HCCI xuất hiện cháy “kích nổ”. Từ khĩa: Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI), Luân hồi khí thải, Thời điểm bắt đầu cháy 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay sức khỏe và mơi trường sống của con người đang ngày càng bị ảnh hưởng nhiều hơn của ơ nhiễm khơng khí, trong đĩ phát thải của động cơ diesel là một trong những nguồn gĩp phần làm cho vấn đề này thêm nghiêm trọng. Trong thành phần phát thải của động cơ diesel hai thành phần NOx và phát thải dạng hạt là tác nhân trực tiếp gây ra các bệnh về đường hơ hấp, về da, tĩc, mắt, thậm chí là ung thư phổi. Bên cạnh đĩ nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong phục vụ nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hĩa, phục vụ cho sản xuất lại khơng ngừng tăng lên mà cơ sở hạ tầng, đường xá lại khơng kịp mở rộng dẫn đến hệ lụy tắc đường giờ cao điểm, đây là thời điểm phát thải độc hại tập trung một chỗ, khả năng khuếch tán kém nên con người bị ảnh hưởng rất nhiều. Chính vì vậy, các cơ quan quản lý nhà nước đã và đang yêu cầu cao hơn đối với hàm lượng phát thải từ động cơ đốt trong nhằm bảo vệ mơi trường sống của con người. Đứng trước các yêu cầu từ thực tiễn, các nhà khoa học nghiên cứu về động cơ đốt trong tập trung một số định hướng sau: Giảm ơ nhiễm mơi trường do động cơ gây ra, tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất, tìm nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu cĩ nguồn gốc hĩa thạch đang cạn kiệt dần trên tồn cầu [1,2,3,4]. Vào năm 1979 trong cơng trình nghiên cứu về mơ hình cháy CAI (Control auto ignition – Cháy cĩ điều khiển) được thực hiện bởi Onishi [6] và Noguchi [5]. Sau cơng trình đầu tiên này đã bùng nổ một xu hướng nghiên cứu và phát triển động cơ sử dụng -136- Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải mơ hình cháy cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI - Homogeneous compression charge ignition) cho động cơ diesel trên ơ tơ. Các nghiên cứu trên tồn thế giới về động cơ HCCI được cho là sẽ khắc phục các nhược điểm của động cơ truyền thống với các ưu thế: phát thải NOx và PM thấp (Động cơ HCCI giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy so với động cơ nguyên bản và cháy với nhiều tâm cháy phân bố đồng đều trong khơng gian buồng cháy nên cháy sạch, giảm PM, [7,8,9,10]), hiệu suất nhiệt tương đương động cơ phun xăng trực tiếp [4], cĩ khả năng sử dụng đa dạng các loại nhiên liệu thay thế [1,2,3,7,9,10]. Trong các nghiên cứu về động cơ HCCI cho thấy đây là một mơ hình cháy hồn tốn mới với các đặc trưng khác biệt so với mơ hình cháy của động cơ xăng và diesel truyền thống [4,5,6], trên hình 1 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ thơng thường và Hình 1. Quá trình cháy trên động cơ xăng, động cơ HCCI. diesel thơng thường và quá trình cháy HCCI Trên động cơ xăng nguyên bản, màng lửa lan tràn bắt nguồn từ bugi, trong khi trên động cơ hoạt động với nguyên lý HCCI, khơng cĩ hiện tượng lan tràn màng lửa trong xylanh, quá trình cháy diễn ra đồng thời ở mọi vị trí trong xylanh (trường hợp này bugi khơng đánh lửa, bugi phục vụ cho quá trình chuyển tiếp giữa chế độ thơng thường và chế độ HCCI. Khác với động cơ diesel thơng thường với động cơ HCCI hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí được hình thành từ trước (trên đường nạp hoặc trong xylanh), sau đĩ hỗn hợp được nén lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén. Ngồi ra cĩ thể tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối kỳ nạp thơng qua gia nhiệt khí nạp, sấy nĩng bằng bugi sấy hoặc tận dụng khí sĩt trong xylanh. Tuy nhiên, vẫn đang cịn nhiều vấn đề cần phải giải quyết đối với động cơ HCCI như: khơng thể điều khiển một cách trực tiếp quá trình cháy, phát thải CO và HC cao, cũng như là vùng làm việc tập trung ở tải nhỏ [4]. Vấn đề điều khiển thời điểm tự cháy trên động cơ HCCI khơng đơn giản như trên động cơ xăng và diesel, cần đảm bảo tính chất của hỗn hợp sao cho thời điểm cháy bắt đầu ở gần ĐCT. Trên động cơ xăng, một phần hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí bám trong các khe kẽ, khi piston đi xuống, thành phần này sẽ được đốt cháy do nhiệt độ cao (lớn hơn 2500K). Tuy nhiên, trên động cơ HCCI, nhiệt độ cháy rất thấp (nhỏ hơn 1800K), nên phần hỗn hợp này khơng được cháy hồn tồn dẫn tới phát thải CO và HC cao. Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt độ lớn nhất rất nhỏ (chỉ khoảng 1200K), khơng đủ để CO chuyển hố thành CO2, vì vậy quá trình tự cháy khĩ khăn hơn. Trong khi tại tải lớn, do hỗn hợp được cháy cùng một thời điểm, tốc độ toả nhiệt diễn ra rất nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, gây ảnh hưởng xấu đến động cơ. Vùng làm việc của động cơ HCCI bị giới hạn bởi hai yếu tố: khơng cháy và kích nổ, tại tốc độ cao, hỗn hợp khĩ tự cháy hơn do khơng đủ thời gian để phản ứng. -137- Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải Trong nghiên cứu này trình bày phương pháp chuyển đổi động cơ diesel truyền thống sang hoạt động theo quá trình cháy HCCI thổng qua giải pháp luân hồi khí thải với mong muốn mở rộng quá trình cháy HCCI cho động cơ này. 2. NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG QUÁ TRÌNH CHÁY HCCI THƠNG QUA GIẢI PHÁP LUÂN HỒI KHÍ THẢI 2.1. Cách xác định thời điểm cháy của động cơ HCCI Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh động cơ HCCI như trên hình 2, từ đồ thì này thấy rằng tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh cĩ hai giá trị cực đại tương ứng với hai đỉnh của ngọn lửa lạnh và ngọn lửa nĩng đặc trưng cho quá trình cháy của động cơ HCCI. Xác định thời điểm bắt đầu quá trình cháy (SOC – start of combustion) thơng qua việc đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh động cơ [11,12], đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh động cơ như hình 3. Hình 2. Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo gĩc quay trục khuỷu Thơng qua đồ thị thấy rằng cĩ hai giá trị điểm cực đại của đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt tương ứng với thời điểm bắt đầu quá trình cháy của hai quá trình cháy: SOC 1 và SOC 2 -Thời điểm bắt đầu cháy đối với ngọn lửa lạnh và ngọn lửa nĩng. Việc xác định điểm cực đại liên quan tới SOC 2 là khơng khĩ khăn, sau khi xác định được điểm cực đại đầu tiên thì điểm cực đại tiếp theo được xác định bằng cách đưa các giá trị lân cận điểm cực đại đầu tiên về giá trị bằng 0 thơng qua phương pháp cơ lập các điểm cực đại (Hình 4), xác định được SOC 1 một cách dễ dàng. Hình 3. Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong Hình 4. Phương pháp cơ lập các điểm cực xylanh theo gĩc quay trục khuỷu đại -138- Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 2.2. Giải pháp luân hồi khí thải Hình 5. Sơ đồ bố trí hệ thống luân hồi khí thải trên động cơ nghiên cứu nhằm chuyển đổi quá trình cháy sang HCCI Khí luân hồi sau khi làm mát được đưa lại đường ống nạp kết hợp với khơng khí đã được sấy nĩng và nhiên liệu n hep tan phun trước cửa nạp, hịa trộn và đưa vào xy lanh của động cơ, kết quả đo được sẽ là áp suất, các thành phần khí thải. Trong nội dung nghiên cứu này sử dụng phần mềm matlab để tính tốn tốc độ tăng áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, thời điểm bắt đầu cháy của động cơ nhằm khảo sát quá trình cháy HCCI. 2.3. Đối tượng nghiên cứu Động cơ nghiên cứu là động cơ diesel 1 xy lanh BD178FE đã qua sử dụng, khơng tăng áp, làm mát bằng khơng khí, tỷ số nén 20, cĩ mơ men lớn nhất là 12,4 N.m tại 2000vg/ph. Động cơ này chuyển đổi sang quá trình cháy HCCI tại tỷ số nén 15.4 thơng qua giải pháp tăng chiều dày đệm nắp máy, tỷ lệ luân hồi thay đổi từ 10÷30%, khoảng chia 5%, chế độ tốc độ từ 1200 vg/ph đến 2800 vg/ph với khoảng chia 400 vg/ph và các chế độ tải: 10%, 20%, 30% và 50% tương ứng với mơ men cĩ giá trị lần lượt là: 1,24 (N.m); 2,48 (N.m); 3,72 (N.m) và 6,2 (N.m). 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong phần này trình bày các kết quả tại 50% tải, tốc độ 1200 ÷ 2800vg/ph với các tỷ lệ luân hồi khác nhau nhằm đánh giá khả năng hoạt động tối đa của động cơ HCCI. Các kết quả cụ thể như sau: Trên hình 6 thấy rằng khi tỷ lệ luân hồi tăng dần, tại tốc độ thấp 1200÷1600vg/ph động cơ cĩ xu hướng cháy “kích nổ” do tốc độ tăng áp suất lớn hơn 2bar/độ GQTK, tốc độ nhỏ hơn 2400vg/ph động cơ HCCI hoạt động ổn định, tại 2800vg/ph khơng duy trì được tốt do tốc độ tăng áp suất giảm dần và giảm nhanh khi tăng tỷ lệ luân hồi tới 30%EGR thì khơng duy trì được quá trình cháy HCCI từ 2400vg/ph. -139- Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 10%EGR 15%EGR 20%EGR 25%EGR 30%EGR Hình 6. Tốc độ tăng áp suất khi Hình 7. Tốc độ tỏa nhiệt khi thay đổi tỷ lệ EGR thay đổi tỷ lệ EGR -140- Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải Trên hình 7 cho thấy tại các tốc độ nghiên cứu khi thay đổi tỷ lệ EGR động cơ cĩ đường tốc độ tỏa nhiệt theo lý SOC thuyết cháy HCCI, tuy SOC 2 nhiên tại tốc độ 1 2400÷2800vg/ph thì quá trình cháy khuếch tán xảy ra nhiều hơn ở ngọn lửa nĩng và tới 30%EGR thì khơng duy trì được hoạt động của động cơ HCCI nữa do đĩ các kết quả sau sẽ Hình 8. Thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khơng trình bày phần khi thay đổi tỷ lệ luân hồi kết quả tại tốc độ 2800vg/ph. Trên hình 8 thể hiện thời điểm bắt đầu cháy của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ lệ khí luân hồi thấy rằng khi tăng tỷ lệ luân hồi sẽ làm thời điểm bắt đầu cháy muộn dần vì khí luân hồi đã làm lỗng khí nạp, đồng thời trong thành phần của khí luân hồi cĩ các thành phần khí trơ nên khi hịa trộn cùng khí nạp sẽ giảm tốc độ quá trình cháy, đây là một trong những yếu tố giúp cho quá trình cháy của động cơ HCCI chậm lại và cháy với nhiệt độ thấp dẫn tới giảm thành phần phát thải NOx, bên cạnh đĩ quá trình cháy HCCI cháy với hỗn hợp đồng nhất nên giảm phát thải bồ hĩng. Hình 9. Mơ men cĩ ích của động cơ Hình 10. Hiệu suất chỉ thị của động cơ HCCI khi thay đổi tỷ lệ luân hồi HCCI khi thay đổi tỷ lệ luân hồi -141- Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải Bên cạnh đĩ động cơ diesel khi chuyển sang quá trình cháy HCCI với mong muốn giữ nguyên mơ men như động cơ nguyên bản, nên khi so sánh mơ men cĩ ích của động cơ HCCI tại 50% tải tương ứng 6,2N.m thì thấy rằng tại các tỷ lệ luân hồi nhỏ hơn 25% thì động cơ HCCI cĩ mơ men cĩ ích tương đương động cơ diesel (Hình 9), từ 25÷30%EGR thì giá trị mơ men cĩ ích giảm, tính trung bình tại 30%EGR khi so với động cơ nguyên bản giảm 6.2%, do đĩ khơng nên luân hồi quá 30%. Từ kết quả hiệu suất chỉ thị của động cơ (Hình 10) thấy rằng với các tỷ lệ luân hồi nhỏ hơn hoặc bằng 25% thì hiệu suất chỉ thị bằng hoặc cao hơn động cơ nguyên bản nhưng tính trung bình giá trị hiệu suất chỉ thị tại 30% thì thấy là giảm 0.9% do đĩ đây cũng là nguyên nhân khơng nên tăng thêm tỷ lệ luân hồi nữa. 4. KẾT LUẬN • Động cơ HCCI cĩ thời điểm bắt đầu cháy muộn dần khi tăng dần tỷ lệ khí luân hồi. • Tại tỷ lệ luân hồi nhỏ hơn 30%, chế độ tốc độ nhỏ hơn 2400vg/ph, 50% tải thì động cơ HCCI làm việc ổn định cĩ mơ men cĩ ích tương đương động cơ nguyên bản • Khơng nên luân hồi quá 30%, với chế độ tốc độ lớn hơn 2400vg/ph khi đĩ khơng duy trì được đặc tính cháy HCCI do xảy ra cháy “kích nổ” gây giảm hiệu suất chỉ thị, giảm mơ men cĩ ích của động cơ. LỜI CẢM ƠN Cảm ơn Bộ Giao thơng vận tải đã tài trợ cho cho nghiên cứu này trong khuơn khổ đề tài mã số DT203070. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Can Cinar, Ưzer Can, Fatih Sahin, H. Serdar Yucesu, (2010), “Effects of premixed diethyl ether (DEE) on combustion and exhaust emissions in a HCCI-DI diesel engine”, Applied Thermal Engineering, (30), pp360–365. [2]. Hyung Jun Kim, Kwan Soo Lee, Chang Sik Lee. A study on the reduction of exhaust emissions through HCCI combustion by using a narrow spray angle and advanced injection timing in a DME engine. Fuel Processing Technology 92 (2011) 1756–1763 [3]. Kitae Yeom, Jinyoung Jang, Choongsik Bae, Homogeneous charge compression ignition of LPG and gasoline using variable valve timing in an engine, Fuel 86, pp. 494–503, 2007. [4]. MaximilianWicka, JulianBedeib., et al (2020), “Dynamic measurement of HCCI combustion with self-learning of experimental space limitations”, Applied Energy, Volume 262, 15 March 2020, 114364 -142- Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải [5]. Noguchi, M., Tanaka., et al (1979) “A study on gasoline engine combustion by observation on intermediate reactive products during combustion”, SAE paper 790840. . [6]. 0. Onishi, S., et al, (1979), “Active thermo-atmosphere combustion (ATAC) – A new combustion process for internal combustion engines”, SAE, paper 790507. [7]. S. Swami Nathan, J.M. Mallikarjuna, A. Ramesh. An experimental study of the biogas–diesel HCCI mode of engine operation. Energy Conversion and Management 51 (2010) 1347–1353. [8]. Suyin Gan, Hoon Kiat Ng, Kar Mun Pang. Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion: Implementation and effects on pollutants in direct injection diesel engines. Applied Energy 88 (2011) 559–5. [9]. Toshio Shudo, Yosuke Shima, Tatsuya Fujii. Production of dimethyl ether and hydrogen by methanol reforming for an HCCI engine system with waste heat recovery – Continuous control of fuel ignitability and utilization of exhaust gas heat. International journal of hydrogen energy 34 7638 – 7647, 2009. [10]. Tuan Le Anh 1, Vinh Nguyen Duy 1,*, Ha Khuong Thi 2,* and Hoi Nguyen Xa 3, Experimental Investigation on Establishing the HCCI Process Fueled by N-Heptane in a Direct Injection Diesel Engine at Different Compression Ratios, Sustainability 2018, Volume 10, Issue 11, 3878 [11]. Vahid Hosseini, et.al., “Controlling n-Heptane HCCI Combustion With PartialReforming: Experimental Resultsand Modeling Analysis,” ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 131, 5, pp. 052801-1-052801-11, 2009-09. [12]. Vittorio Ravaglioli, et.al., “MFB50 On-Board Evaluation Based on a Zero- Dimensional ROHR Model,” SAE International, 2011, doi:10.4271/2011-01-1420. -143-