Nghiên cứu ứng dụng nguyên lý HCCI trên động cơ diesel công suất nhỏ

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 12 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. DƢƠNG 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 trƣờng cũng gia tăng. Đề tài nghiên cứu theo hƣớng giảm tiêu hao nhiên liệu, hạn chế ô nhiễm môi trƣờng 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 trƣờng 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 tƣợng ngọn lƣ̉a lan truyền suốt buồng đốt mà tất cả nhiên liệu trong buồng đ ốt đƣợc cháy đồng thời , giảm thiểu ô nhiễm NO x và bồ hóng phát ra tƣ̀ 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 đƣợc 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 đƣợc 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]: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 13 1 ( , ) it it dt T p  Trong đó: )()( tT B n i etAp  - 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 lƣợng của động cơ phát ra đƣợc xác định theo công thức Wiebe [12]: 4 5 11 SOCC C bx e            Trong đó: SOC- Góc quay trục khuỷu tƣơng ứng tại thời điểm cháy, -góc quay trục khuỷu tƣơng ứng thời gian cháy, xb-nhiệt lƣợng phản ứng, C4 và C5 là các hằng số xác định bằng thực nghiệm. Trong đó: SOC- Góc quay trục khuỷu tƣơng ứng tại thời điểm cháy, -góc quay trục khuỷu tƣơng ứng thời gian cháy, xb-nhiệt lƣợng 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 lƣu 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 trƣờng. [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 đƣợc điều khiển đóng sớm hơn và van nạp đƣợc điều khiển mở muộn hơn so với động cơ thông thƣờng. [2], [3], [4], [5], [6]  Cải thiện sƣ̣ 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 phƣơng án đƣợc 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 i Vc[mm 3 ] Vci [mm 3 ] hi [mm] pc[MN/m 2 ] pz[MN/m 2 ] 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 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 14 c. Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG Nhiên liệu LPG đƣợc chọn làm nhiên liệu HC . Cốc đo 2 và van 3 để kiểm soát lƣu lƣợng LPG. Thiết bị AVL 442 Blow By meter dùng để xác đinh chính xác lƣu lƣợng LPG. 1- Van giảm áp.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 áp.8- Bầu lọc. 9- Thùng dầu. 10 - Vòi phun nhiên liệu. 11-Thiết bị đo tiêu hao LPG Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ d. Thiết kế hệ thống hồi lưu khí thải (EGR) Khí thải hồi lƣu có tác dụng gia nhiệt cho khí nạp (LPG) tới nhiệt độ đủ để nhiên liệu có thể bốc cháy khi piston ở kỳ nén đi lên tới điểm chết trên của động cơ. Kết cấu hệ thống hồi lƣu khí thải cho động cơ nhƣ (hình 8).  56  100   56  8  72 Khê naûp Khäng khê Kãút cáúu âæåìng äúng naûp sau caíi taûo 10 0 45 105 12 0 Khê naûp Khäng khê  16 8 11 Vë trê cáúp khê thaíi häöi læu Vë trê cáúp LPG Khê thaíi Khê thaíi 81,5  72  60 55 Kãút cáúu âæåìng äúng thaíi sau caíi taûo 1 0 0 100 6 0 5 5 Khê thaíi Khê thaíi  16  60 Vë trê trêch khê thaíi häöi læu Hình 2.3: Kết cấu đường ống nạp-thải thiết kế 2.2. Thực nghiệm Động cơ DONGFENG S1100A đƣợc thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm động cơ và ô tô AVL -Khoa Cơ khí Giao thông-Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm: Băng thử điện APA 100, Fuel-Balance 733, AVL-442 Blow by meter, Digas 4000 và một vài trang thiết bị khác liên quan. Hình 2.4: Bố trí lắp đặt thí nghiệm động cơ DONGFENG S1100A tại phòng thí nghiệm AVL 2.2.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm AVL 442 BLOW BY METER LPG 1 2 3 6 4 7 8 9 10 5 11 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 15 Tiến hành thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cũng nhƣ mức phát ô nhiễm của động cơ khi làm việc theo nguyên lý HCCI ở các chế độ tốc độ tƣơng ứng với lƣợng hồi lƣu 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 700 2.58 35.20 800 2.06 38.6 388.87 90.82 800 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 1100 7 60.77 462 3.23 37.33 497 99.36 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 Chất n[v/ph] 700 800 900 1000 1100 1200 1300 CO2[%Vol] 7 6.77 6.58 6.94 6.53 8.08 7.77 CO [%Vol] 8.65 8.03 7.88 7.25 6.17 5.13 0.65 HC [ppm] 430 392 363.4 346.3 301 275 200 NOx[%Vol] 58 66.5 55 35 17 12 8 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 700 2.62 35.74 589.98 37.7 414.26 92.3 800 3 35.81 571.50 38.26 431.39 95.71 900 4.09 43.40 454.95 38.36 446.08 98.09 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 1300 6.14 45.10 144.75 38.85 530 99.89 Bảng 2.5: Số liệu đo ô nhiễm khí thải Chất n[v/ph] 700 800 900 1000 1100 1200 1300 CO2 [%Vol] 6.17 5.85 5.85 5.65 5.05 8.86 12.24 CO [%Vol] 7.56 7.41 7.25 6.58 6.5 7.31 1.09 HC [ppm] 323 304 294 273 236 201 283 NOx [%Vol] 45 57.1 50.8 35 18.9 11 20.5 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 16 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] 700 800 900 1000 1100 CO2[%Vol] 4.26 4.03 4.35 4.86 5.2 CO [%Vol] 6.49 7.25 7.68 8.84 9.25 HC [ppm] 627 747 825 907 965 NOx[%Vol] 35 44.6 37.5 23.3 30.8 3. Đánh giá kết quả Trên đồ thị hình 3.1 ta thấy công suất phát ra của động cơ khi sử dụng LPG tƣơng đƣơng với khi chỉ sử dụng diesel thuần túy , tƣơng ứng với một giá trị của 20% EGR (tƣơng đƣơng 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 lƣợng hồi lƣu khí thải lên 40% độ mở van EGR (tƣơng đƣơng 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 lƣợng khí thải hồi lƣu tƣ̀ 20% lên 40% (hình 3.2). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 00 700 800 900 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 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 17 0 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] Hình 3.3: Độ phát thải HC, CO, CO 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), lƣợng các chất ô nhiễm phát ra ít hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thuần túy . Khi tăng lƣợng khí thải hồi lƣu lên , phạm vi từ 20% tới 40%, các chất ô nhiễm giảm mạnh , đặc biệt là HC và NOx, do quá trình cháy đƣợc cải thiện , nhiên liệu cháy kiệt hơn do đƣợc 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 nhƣ kinh phí đầu tƣ, song bƣớc 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. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo là tối ƣu hóa quá trìng hình thành hỗn hợp và lƣợng hồi lƣu 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.