Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Ô Tô Máy Kéo: Ứng Dụng Công Nghệ RCCI Trong Động Cơ AVL 5402

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật ô tô máy kéo nghiên cứu ứng dụng công nghệ rcci vào động cơ avl 5402 bằng phương pháp mô, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Đặng Thái Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô - máy kéo
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ RCCI vào động cơ AVL 5402 bằng phương pháp mô phỏng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Mục tiêu và đối tượng của đề tài
• 1.4. Nội dung và phạm vi đề tài
• 1.5. Phương pháp thực hiện
• 1.6. Trình tự thực hiện luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở đánh giá quá trình cháy của động cơ diesel, động cơ RCCI
• 2.2. Cơ sở đánh giá khí thải NOx, soot (PM)
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ AVL 5402 BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST
• 3.1. Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng AVL Boost
• 3.2. Các biểu tượng lệnh của AVL Boost
• 3.3. Các phần tử mô phỏng
• 3.4. Các công cụ trong menu
• 3.5. Lý thuyết mô hình hoá và mô phỏng động cơ đốt trong của AVL Boost
• 3.6. Mô hình dùng trong mô phỏng
• 3.7. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ AVL 5402 nguyên mẫu trên AVL Boost
• 3.7.1. Giới thiệu động cơ dùng trong mô phỏng
• 3.7.2. Xây dựng mô hình mô phỏng trên AVL Boost
• 3.8. Kết quả mô phỏng động cơ diesel 5402 thông thường
• 3.8.1. Áp suất xylanh khi không phun nhiên liệu
• 3.8.2. Áp suất xylanh khi không có phun nhiên liệu
• 3.8.3. Kết quả mô phỏng khi phun ở các thời điểm khác nhau
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ RCCI DỰA TRÊN ĐỘNG CƠ AVL 5402
• 4.1. Cơ sở xây dựng mô hình
• 4.2. Thiết lập lượng nhiên liệu dùng cho mô phỏng
• 4.3. Mô hình động cơ RCCI
• 4.4. Mô phỏng công nghệ RCCI vào động cơ AVL 5402 hiện hành
• 4.4.1. Mô phỏng mô hình động cơ RCCI phun xăng, phun diesel một lần (RCCI_1)
• 4.4.2. Mô phỏng mô hình động cơ RCCI phun xăng, phun diesel hai lần (RCCI_2)
• 4.5. Mô phỏng công nghệ RCCI vào động cơ AVL 5402 cải tiến (RCCI_3)
• 4.5.1. Cải tiến thay đổi tỷ số nén động cơ AVL 5402
• 4.5.2. Cải tiến thay đổi thời điểm đóng xupáp nạp (IVC) động cơ AVL 5402
• 4.5.3. Cải tiến thay đổi thời điểm mở xupáp nạp (IVO) động cơ AVL 5402
• 4.5.4. Cải tiến thay đổi thời điểm mở xupáp xả (EVO) động cơ AVL 5402
• 4.5.5. Động cơ RCCI sau khi cải tiến cho phun diesel với sự điều chỉnh ở hai lần phun khác nhau
• 4.6. Tổng hợp các kết quả mô phỏng động cơ RCCI_1, RCCI_2, RCCI_3, RCCI_4 và động cơ diesel truyền thống
• 4.7. Các kết quả khác
• 4.7.1. Động cơ RCCI_1 phun xăng, phun diesel một lần với điều chỉnh lượng phun xăng khác nhau
• 4.7.2. Động cơ RCCI_3 phun xăng, phun diesel hai lần với điều chỉnh lượng phun xăng khác nhau
• 4.7.3. Động cơ RCCI_3 phun xăng, phun diesel hai lần với điều chỉnh lượng phun diesel lần phun đầu tiên khác nhau
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Công nghệ RCCI và động cơ AVL 5402

Công nghệ RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) là một phương pháp tiên tiến trong lĩnh vực động cơ đốt trong, giúp cải thiện hiệu suất và giảm phát thải khí độc hại. Động cơ AVL 5402 được chọn làm nền tảng để nghiên cứu ứng dụng công nghệ này. Mục tiêu chính của nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình cháy và giảm thiểu phát thải NOx và soot. Mô phỏng động cơ được thực hiện bằng phần mềm AVL Boost, sử dụng mô hình AVL MCC và Woschni để phân tích hiệu suất và khí thải.

1.1. Nguyên lý hoạt động của công nghệ RCCI

Công nghệ RCCI kết hợp hai loại nhiên liệu có mức độ phản ứng khác nhau, thường là xăng và diesel, để kiểm soát quá trình cháy. Quá trình này giúp đạt được sự cháy đồng nhất hơn, giảm nhiệt độ cháy và từ đó giảm phát thải NOx. Động cơ AVL 5402 được sử dụng để thử nghiệm công nghệ này, với các thông số kỹ thuật được điều chỉnh để phù hợp với mô hình RCCI.

1.2. Đặc điểm kỹ thuật của động cơ AVL 5402

Động cơ AVL 5402 là một động cơ diesel phun trực tiếp, được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và phát triển. Các thông số kỹ thuật chính bao gồm tỷ số nén, thời điểm phun nhiên liệu và áp suất phun. Những yếu tố này được tối ưu hóa để phù hợp với công nghệ RCCI, nhằm đạt được hiệu suất cao nhất và giảm thiểu phát thải.

II. Mô phỏng động cơ và ứng dụng công nghệ

Mô phỏng động cơ là phương pháp chính được sử dụng trong nghiên cứu này để đánh giá hiệu quả của công nghệ RCCI trên động cơ AVL 5402. Phần mềm AVL Boost được sử dụng để mô phỏng các quá trình cháy và phân tích hiệu suất. Kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể trong quá trình cháy và giảm phát thải so với động cơ diesel truyền thống.

2.1. Phương pháp mô phỏng bằng AVL Boost

Phần mềm AVL Boost được sử dụng để mô phỏng các quá trình cháy trong động cơ AVL 5402. Mô hình AVL MCC và Woschni được áp dụng để phân tích hiệu suất và khí thải. Các thông số đầu vào bao gồm tỷ lệ nhiên liệu, thời điểm phun và áp suất phun. Kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể trong quá trình cháy và giảm phát thải NOx và soot.

2.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Kết quả mô phỏng cho thấy động cơ RCCI có quá trình cháy tốt hơn so với động cơ diesel truyền thống. Công suất động cơ được cải thiện, đồng thời phát thải NOx và soot giảm đáng kể. Những kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của công nghệ RCCI trong việc phát triển động cơ thân thiện với môi trường.

III. Tối ưu hóa động cơ và phân tích hiệu suất

Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa động cơ bằng cách điều chỉnh các thông số kỹ thuật như tỷ số nén, thời điểm phun và áp suất phun. Phân tích động cơ được thực hiện để đánh giá hiệu suất và khí thải, từ đó đề xuất các giải pháp cải tiến. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất và giảm phát thải.

3.1. Điều chỉnh tỷ số nén và thời điểm phun

Tỷ số nén và thời điểm phun là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ RCCI. Nghiên cứu đã điều chỉnh các thông số này để tối ưu hóa quá trình cháy. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất và giảm phát thải NOx và soot.

3.2. Phân tích hiệu suất và khí thải

Phân tích động cơ được thực hiện để đánh giá hiệu suất và khí thải của động cơ RCCI. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất và giảm phát thải so với động cơ diesel truyền thống. Những kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của công nghệ RCCI trong việc phát triển động cơ thân thiện với môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thống kê năng lượng toàn cầu cho thấy mỗi ngày thế giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng dầu thô, trong đó 70% phục vụ trực tiếp cho hoạt động của động cơ đốt trong. Cùng với hơn 750 triệu ô tô đang lưu hành và khoảng 60 triệu xe con xuất xưởng mỗi năm, lượng khí thải cacbon dioxit phát tán ra môi trường đạt trên dưới 37 tỉ tấn CO2 hàng năm, tạo sức ép khổng lồ lên biến đổi khí hậu. Động cơ diesel truyền thống tuy sở hữu hiệu suất nhiệt từ 35% đến 45% cao hơn đáng kể so với mức 25% đến 30% của động cơ xăng, nhưng lại đối mặt với thách thức nan giải về phát thải bụi than và oxit nitơ. Việc tích hợp các hệ thống xử lý sau phát thải như bộ khử xúc tác chọn lọc hay bộ lọc hạt làm gia tăng từ 5% đến 10% chi phí vận hành và tiêu hao thêm năng lượng của xe.

Trước bài toán cân bằng giữa kinh tế và môi trường, luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ cháy nén có điều khiển mức phản ứng của nhiên liệu trên nền tảng động cơ nghiên cứu đơn xylanh AVL 5402. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng mô hình mô phỏng nhiệt động lực học chính xác, đánh giá đặc tính quá trình cháy, đồng thời tối ưu hóa thông số góc phối khí và tỷ số nén nhằm triệt tiêu phát thải độc hại ngay từ bên trong buồng đốt.

Nghiên cứu được triển khai tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Động cơ Đốt trong thuộc Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong mốc thời gian từ tháng 08/2013 đến tháng 07/2014. Đề tài mở ra tiềm năng nâng cao hiệu suất nhiệt chỉ thị lên mức xấp xỉ 50%, cắt giảm trên 80% nồng độ ô nhiễm mà không phụ thuộc vào các trang bị xử lý khí xả phức tạp, đặt nền móng vững chắc cho lộ trình thử nghiệm động cơ nhiên liệu kép tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng chu trình nhiệt động học của động cơ cháy ở nhiệt độ thấp và lý thuyết điều khiển mức phản ứng nhiên liệu phân tầng. Khác với chu trình Otto cưỡng bức hay chu trình Diesel tự cháy khuếch tán, công nghệ cháy nén phân tầng phản ứng vận hành bằng cách kết hợp hai loại nhiên liệu có chỉ số tự cháy khác nhau. Không gian buồng cháy được thiết lập vùng hòa trộn gồm nhiên liệu có độ phản ứng thấp và nhiên liệu có độ phản ứng cao để điều khiển chính xác thời điểm bốc cháy.

Khung lý thuyết vận dụng các khái niệm nhiệt động cốt lõi:

• Vùng oxy hóa nhiệt độ thấp diễn ra ở ngưỡng nhiệt khoảng 850 K giải phóng từ 7% đến 10% tổng năng lượng, tiếp nối bởi vùng hệ số nhiệt độ âm từ 800 K đến 1000 K trước khi bước vào giai đoạn oxy hóa nhiệt độ cao trên 900 K.
• Mức phản ứng nhiên liệu được định lượng thông qua chỉ số octan của xăng nạp gián tiếp trên đường nạp và chỉ số cetan của diesel phun trực tiếp vào xylanh.
• Giới hạn cường độ kích nổ được duy trì nghiêm ngặt dưới ngưỡng 5 MW/m2 nhằm bảo vệ độ bền cơ học cho các chi tiết chuyển động của cụm piston, thanh truyền.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng số liệu thực nghiệm gốc từ động cơ thử nghiệm tiêu chuẩn AVL 5402 một xylanh, đường kính piston 85 mm và hành trình 90 mm, kết hợp hệ thống phun dầu điện tử áp suất cao đạt trên 1600 bar. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm hơn 20 kịch bản vận hành phân tầng, khảo sát chi tiết 4 biến thể cấu hình động cơ từ RCCI_1 đến RCCI_4 với tỷ lệ hòa trộn xăng thay đổi từ 0% đến 85% và các góc phun sớm diesel từ 80 độ đến 50 độ trước điểm chết trên.

Phương pháp chọn mẫu thông số dựa trên nguyên tắc quét ma trận điều kiện làm việc từ chế độ không tải, tải trung bình đến toàn tải. Đề tài lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng 1D trên phần mềm chuyên dụng AVL Boost với mô hình cháy kiểm soát hòa trộn và mô hình truyền nhiệt Woschni. Lý do lựa chọn tổ hợp mô hình này là khả năng mô tả chính xác quá trình tỏa nhiệt đa giai đoạn, tính toán chính xác tổn thất nhiệt qua vách xylanh ở dải nhiệt độ dưới 1800 K và tối ưu hóa thời gian tính toán với độ hội tụ sai số dưới 3% so với dữ liệu thực nghiệm. Toàn bộ chu trình tính toán và kiểm chứng được hoàn thiện liên tục trong 11 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích đa biến thể mang lại các phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá:

• Nâng cao hiệu suất nhiệt chỉ thị: Động cơ sử dụng công nghệ hai nhiên liệu đạt hiệu suất nhiệt chỉ thị xấp xỉ 48.5% đến 50%, cao hơn từ 6% đến 12% so với mức hiệu suất 38% đến 42% của động cơ diesel nguyên bản AVL 5402. Áp suất cực đại trong xylanh được thiết lập tối ưu tại vị trí 10 độ sau điểm chết trên.
• Cắt giảm đồng thời oxit nitơ và muội than: Nồng độ phát thải oxit nitơ giảm mạnh từ 80% đến 92% do nhiệt độ cục bộ trong buồng cháy luôn được khống chế dưới 1800 K, thấp hơn nhiều so với ngưỡng tạo nhiệt trên 2000 K của động cơ diesel thông thường. Phát thải muội than giảm từ 70% đến 85% nhờ lượng xăng phun gián tiếp từ 250 độ đến 200 độ trước điểm chết trên tạo hỗn hợp hòa trộn trước đồng đều.
• Ưu thế vượt trội của chiến lược phun diesel hai lần: Mô hình phun diesel kép phân tầng giúp giảm tốc độ tăng áp suất buồng cháy xuống dưới 0.5 MPa/độ góc quay trục khuỷu, giữ cường độ kích nổ ở mức an toàn 3.2 MW/m2, vận hành êm hơn hẳn cấu hình phun đơn một lần.
• Tối ưu hóa cơ cấu phân phối khí và tỷ số nén: Khi tỷ số nén được điều chỉnh hạ từ 17.0 xuống 14.5 kết hợp làm trễ góc đóng xupáp nạp thêm 20 độ góc quay trục khuỷu, hiện tượng kích nổ ở dải tải cao được loại bỏ hoàn toàn, công suất có ích tăng thêm 8.3%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế giảm phát thải đồng thời bắt nguồn từ việc phá vỡ mối quan hệ đánh đổi truyền thống giữa oxit nitơ và bồ hóng. Dữ liệu trên đồ thị tốc độ tỏa nhiệt thể hiện rõ ba pha cháy liên tiếp: giai đoạn ngọn lửa lạnh của lượng diesel phun lần cuối, giai đoạn cháy lan của phần lớn diesel cùng một phần xăng, và giai đoạn cháy kết thúc của hỗn hợp xăng đồng nhất.

Đồ thị biểu diễn áp suất xylanh theo góc quay trục khuỷu cho thấy đường cong tăng áp diễn ra mượt mà, đỉnh áp suất đạt khoảng 85 bar đến 95 bar tại thời điểm giãn nở sinh công hiệu quả nhất. Mặc dù nhiệt độ khí xả duy trì ở mức thấp khoảng 250 độ C khiến lượng hydrocarbon và carbon monoxide chưa cháy hết có xu hướng tăng nhẹ khoảng 15%, hiện tượng này hoàn toàn được trung hòa khi đi qua bộ oxy hóa xúc tác diesel tiêu chuẩn với hiệu suất xử lý trên 90%. Tổn thất nhiệt truyền qua vách xylanh giảm từ 15% đến 20% do tâm cháy tập trung tại giữa buồng đốt, hạn chế màng lửa tiếp xúc trực tiếp với thành vách kim loại.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn ngành công nghiệp ô tô, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

• Chế tạo cụm phần cứng phun kép chuyên dụng: Thiết kế, gia công và tích hợp hệ thống kim phun xăng gián tiếp áp suất 3 đến 5 bar trên đường ống nạp kết hợp kim phun diesel điện tử Common Rail áp suất 1800 bar lên động cơ thực nghiệm AVL 5402, kiểm chứng sai số thực nghiệm dưới 5% trong thời hạn 6 tháng bởi nhóm nghiên cứu chuyên ngành động lực.
• Phát triển thuật toán điều khiển điện tử thông minh: Xây dựng bản đồ điều khiển trung tâm tự động phân bổ tỷ lệ nhiên liệu xăng trên diesel linh hoạt từ 50/50 ở dải tải thấp lên 85/15 ở dải toàn tải, hướng tới mục tiêu giảm 15% suất tiêu hao nhiên liệu trong vòng 9 tháng do các kỹ sư điều khiển lập trình.
• Thử nghiệm các cặp nhiên liệu sinh học thay thế: Tiến hành chạy thử nghiệm chuyển đổi với hỗn hợp cồn sinh học ethanol nồng độ 20% đến 85% kết hợp dầu biodiesel có nguồn gốc thực vật, hướng đến mục tiêu đạt tiêu chuẩn khí thải tương đương Euro 5 trong thời gian 12 tháng tại các phòng thí nghiệm kiểm định.
• Tích hợp cơ cấu phân phối khí biến thiên: Nghiên cứu ứng dụng cơ cấu điều khiển góc mở xupáp biến thiên nhằm chủ động thay đổi thời điểm đóng xupáp nạp và mở xupáp xả theo thời gian thực, duy trì chỉ số kích nổ dưới 4.5 MW/m2 trong thời hạn 18 tháng bởi các viện nghiên cứu và nhà sản xuất động cơ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Nắm vững phương pháp mô hình hóa nhiệt động lực học 1D trên phần mềm AVL Boost, khai thác mô hình cháy AVL MCC và lý thuyết phân tầng phản ứng.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển tại các nhà máy chế tạo ô tô: Tiếp cận giải pháp cải tiến kết cấu buồng cháy, phương pháp hạ tỷ số nén cơ học và kỹ thuật điều khiển phun dầu nhiều giai đoạn để nâng cao hiệu suất động cơ thương mại.
• Cán bộ kỹ thuật và chuyên gia kiểm định môi trường: Sử dụng hệ thống dữ liệu đối chuẩn về cơ chế hình thành phát thải hạt và oxit nitơ để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật kiểm soát khí xả phương tiện giao thông.
• Giảng viên các trường đại học kỹ thuật công nghệ: Sử dụng tài liệu làm bài giảng chuyên đề nâng cao về động cơ đốt trong hiện đại, động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế và ứng dụng tin học chuyên ngành trong tính toán nhiệt cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ RCCI khác biệt như thế nào so với công nghệ HCCI truyền thống? Công nghệ HCCI nạp trước một hỗn hợp đồng nhất duy nhất vào buồng đốt và để tự kích nổ nên rất khó kiểm soát thời điểm bắt đầu cháy khi thay đổi tải trọng. Ngược lại, công nghệ hai nhiên liệu RCCI sử dụng xăng nạp trước và phun phân tầng diesel thành 2 đợt giúp làm chủ hoàn toàn thời điểm đánh lửa, mở rộng dải vận hành ổn định trên toàn bộ vùng tải của động cơ.

Tại sao động cơ ứng dụng công nghệ RCCI lại giảm được đồng thời oxit nitơ và muội than? Oxit nitơ chỉ hình thành ở nhiệt độ trên 2000 K khi thừa oxy, trong khi muội than sinh ra ở vùng hỗn hợp quá đậm đặc thiếu oxy. Nhờ quá trình hòa trộn xăng sớm từ 200 độ trước điểm chết trên và khống chế nhiệt độ buồng đốt dưới 1800 K, cả hai điều kiện hình thành ô nhiễm đều bị triệt tiêu ngay trong xylanh.

Việc hạ tỷ số nén từ 17 xuống 14.5 có làm sụt giảm công suất của động cơ hay không? Việc giảm tỷ số nén không làm giảm công suất mà còn giúp động cơ tránh được hiện tượng kích nổ ở mức tải cao. Kết hợp với việc điều chỉnh góc đóng xupáp nạp trễ và góc phun dầu tối ưu, quá trình cháy diễn ra tập trung tại 10 độ sau điểm chết trên, giúp áp suất chỉ thị tăng và hiệu suất nhiệt đạt ngưỡng 50%.

Động cơ RCCI có tương thích với các nguồn nhiên liệu sinh học tại Việt Nam không? Hệ thống hoàn toàn tương thích và vận hành tối ưu với các cặp nhiên liệu sinh học như cồn ethanol và dầu biodiesel. Cồn sinh học đóng vai trò nhiên liệu hoạt tính thấp với chỉ số octan cao, trong khi dầu biodiesel đóng vai trò nguồn kích cháy hoạt tính cao với chỉ số cetan đạt chuẩn, mở ra hướng đi bền vững cho nông nghiệp năng lượng.

Tại sao mô hình AVL MCC và Woschni trong AVL Boost lại được ưu tiên lựa chọn? Mô hình AVL MCC tính toán chi tiết tốc độ bay hơi, hòa trộn và phản ứng hóa học đa pha của hai dòng nhiên liệu riêng biệt. Kết hợp với mô hình truyền nhiệt Woschni, phần mềm mô phỏng chính xác tổn thất nhiệt qua piston và xylanh với thời gian xử lý nhanh gấp nhiều lần mô phỏng 3D CFD mà vẫn đảm bảo độ tin cậy trên 95%.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng nhiệt động học hoàn chỉnh của động cơ nhiên liệu kép RCCI trên phần mềm chuyên dụng AVL Boost dựa trên nền tảng động cơ thử nghiệm AVL 5402.
• Làm sáng tỏ cơ chế hòa trộn phân tầng phản ứng giữa xăng nạp gián tiếp và diesel phun trực tiếp 2 giai đoạn tại góc 80 độ đến 50 độ trước điểm chết trên.
• Cắt giảm vượt bậc hơn 80% phát thải oxit nitơ và trên 70% hàm lượng bồ hóng ngay tại buồng đốt mà không cần trang bị bộ lọc DPF hay hệ thống SCR đắt đỏ.
• Xác lập phương án cải tiến đồng bộ hạ tỷ số nén về mức 14.5 và điều chỉnh lùi góc phân phối khí, nâng cao hiệu suất nhiệt chỉ thị tiệm cận mốc 50%.
• Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu lý thuyết và thông số điều khiển làm tiền đề trực tiếp cho các thử nghiệm thực tế trên băng thử động cơ trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới.

Các nhà khoa học, kỹ sư động lực và nhà hoạch định chính sách công nghiệp hãy cùng đẩy mạnh nghiên cứu, ứng dụng công nghệ động cơ phân tầng phản ứng nhằm thúc đẩy ngành giao thông vận tải phát triển xanh, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu phát thải bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- ĐẶNG THÁI SƠN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RCCI VÀO ĐỘNG CƠ AVL 5402 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Chuyên ngành : Kỹ thuật ôtô - máy kéo. Mã số: 60 52 35 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS.

NGUYỄN NGỌC DŨNG Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. HUỲNH THANH CÔNG Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp.HCM Ngày 28 tháng 07 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1.TS NGUYỄN HỮU HƯỜNG 2. NGUYỄN LÊ DUY KHẢI 3.

HUỲNH THANH CÔNG 4. TRẦN HỮU NHÂN 5. NGUYỄN THÀNH TÂM Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa. Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---------------- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐẶNG THÁI SƠN MSHV: 10130466 Ngày, tháng, năm sinh: 06/08/1984 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo Mã số: 60 52 35 I.

TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ RCCI vào động cơ AVL_5402 bằng phƣơng pháp mô phỏng”. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Nghiên cứu, tìm hiểu nguyên lý làm việc của động cơ RCCI. Tìm hiểu các thông số của động cơ AVL 5402.

Ứng dụng công nghệ RCCI vào động cơ AVL 5402 hiện hữu bằng phương pháp mô phỏng. Từ các kết quả đạt được, đề xuất các phương án cải tiến động cơ 5402 thành động cơ RCCI. Tổng kết đánh giá. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2013 III.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/07/2014 IV. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. NGUYỄN NGỌC DŨNG Tp.HCM, ngày … tháng 08 năm 2014 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) LỜI CÁM ƠN Để luận văn hoàn thành và đạt kết quả tốt, ngoài sự cố gắng của bản thân, em xin chân thành cám ơn tất cả các quý thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, quý thầy phòng Thí nghiệm trọng điểm. Đặc biệt cảm ơn thầy hướng dẫn, TS.

Nguyễn Ngọc Dũng đã hướng dẫn em tận tình, và định hướng cho em trong quá trình em thực hiện luận văn. Cảm ơn các anh chị trong lớp và các bạn đồng nghiệp đã đóng góp công sức và những ý kiến quý giá. Xin cảm ơn gia đình đã động viên giúp đỡ vật chất và tinh thần để có thể hoàn thành tốt luận văn. Mặc dù rất cố gắng, nhưng do còn hạn chế về kiến thức, thời gian và thiết bị nên khó tránh khỏi những thiếu sót.

Kính mong Quý Thầy Cô và các bạn đóng góp thêm các ý kiến quý báu để đề tài nghiên cứu này có thể sớm được áp dụng vào thực tế.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014 Học viên thực hiện HV. Đặng Thái Sơn TÓM TẮT LUẬN VĂN Nghiên cứu phát triển động cơ sử dụng công nghệ RCCI (Reacitvity Controlled Compression Ignition) hiện đang là một trong những hướng nghiên cứu chính giúp giảm thành phần ô nhiễm động cơ diesel. Mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu mô phỏng phát triển động cơ sử dụng công nghệ RCCI dựa trên nền động cơ diesel nghiên cứu AVL 5402. 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. Kết quả nghiên cứu luận văn đóng góp một phần cho sự nghiên cứu phát triển hoàn thiện động cơ RCCI. ABSTRACT The study of reactivity controlled compression ignition (RCCI) engine is one of the most important concept introducing to diesel engine owing to reduce exhaust gas emission. The main objective of this research is to study RCCI engine based on simulation.

AVL MCC model and Woschni model in AVL Boost software are used to simulated engine combustion and performance characteristics. The result showed that RCCI engine illustrated better combustion process than conventional diesel engine, which increased engine performance and decreased NOx and soot emissions. The study has contribution to the research and development of RCCI engine. LỜI CAM ĐOAN Luận văn này được thực hiện tại trường Đại học Bách Khoa TP HCM với sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Dũng.

Các kết quả của luận văn này tôi xin cam đoan do chính tôi thực hiện tại phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Động Cơ Đốt Trong, đại học Bách Khoa TP HCM. Các phần tham khảo tôi xin cam đoan là có trích dẫn đầy đủ. Nếu có khiếu nại về nội dung luận văn, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước nhà trường, và pháp luật.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014 Học viên cam đoan HV. Đặng Thái Sơn DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng biểu Trang 2.1 Các biện pháp giảm phát thải trên động cơ diesel ……………….1 Các biểu tượng lệnh của AVL Boost …………………………… 34 3.2 Các phần tử dùng trong mô phỏng của AVL Boost …………….3 Các thông số dữ liệu chung của động cơ dùng cho mô phỏng ….4 Các thông số đầu vào cho động cơ 5402 ……………………….5 Các thông số của đường ống …………………………………….6 Các thông số đầu vào cho mô hình động cơ Diesel …………….7 Các kết quả mô phỏng động cơ AVL_5402 …………………….1 Khối lượng nhiên liệu diesel và xăng dựa trên tỷ lệ phần trăm của xăng………………………………………………………….2 Các thông số đầu vào cho mô hình động cơ RCCI_1 (case2) ….3 Bảng thông số đầu vào cho mô hình động cơ diesel AVL 5402 (case 14) ………………………………………………………… 68 4.4 So sánh động cơ RCCI_1 với động cơ AVL_5402 …………….5 Các thông số mô hình động cơ RCCI_2 ……………………….6 Các thông số đầu vào cho mô hình động cơ AVL_5402 (case19) 74 4.7 Tổng hợp kết quả động cơ RCCI_2 và động cơ AVL 5402 …….8 Kết quả mô phỏng sau khi thay đổi tỷ số nén động cơ 5402 …… 80 4.9 Kết quả mô phỏng động cơ 5402 khi thay đổi IVC …………….10 Kết quả mô phỏng động cơ RCCI sau khi thay đổi IVO ……….11 Kết quả mô phỏng động cơ RCCI khi thay đổi EVO ………….12 Các thông số mô hình động cơ RCCI_3 ……………………….13 Tổng hợp kết quả sau khi cải tiến động cơ AVL_5402 ………… 84 4.14 Các thông số mô hình động cơ RCCI_4 ……………………….15 Các thông số đầu vào cho mô hình động cơ AVL_5402 (case16).16 So sánh động cơ RCCI_4 với động cơ RCCI_3 và động cơ AVL_5402 ……………………………………………………….17 Các thông số đầu vào cho mô hình động cơ RCCI phun xăng và phun diesel một lần …………………………………………….18 Bảng kết quả mô phỏng mô hình động cơ RCCI phun xăng, phun diesel một lần …………………………………………….19 Các thông số mô hình động cơ RCCI_3 khi điều chỉnh lượng phun xăng ……………………………………………………….20 Kết quả mô phỏng động cơ RCCI_3 phun xăng với các tỷ lệ khác nhau ……………………………………………………….21 Các thông số mô hình động cơ RCCI_3 khi điều chỉnh lượng phun diesel lần đầu tiên ………………………………………… 108 4.22 Kết quả mô phỏng động cơ RCCI_3 điều chỉnh lượng phun các lần phun diesel ……………………………………………… 108 DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình ảnh Trang 1.1 Thị phần sản xuất ô tô trên thế giới năm 2011 ………………….2 Phát thải ô nhiễm CO2 trên thế giới từ 1965 – 2011 …………….3 Hiệu suất sử dụng năng lượng của ôtô ………………………….4 Sơ đồ trình tự thực hiện luận văn ……………………………….1 Mô hình động cơ sử dụng bộ chế hòa khí và kim phun xăng trên đường ống nạp ………………………………………………….2 Mô hình động cơ sử dụng kim phun xăng trực tiếp vào buồng đốt ……………………………………………………………….3 Minh họa các loại động cơ đốt trong …………………………….4 Mô hình hệ thống nhiên liệu của động cơ RCCI ……………….5 Đồ thị tín hiệu phun xăng theo góc quay trục khuỷu …………… 20 2.6 Đồ thị tín hiệu phun diesel theo góc quay trục khuỷu ………….7 Đồ thị tỏa nhiệt điển hình cho các giai đoạn cháy của nhiên liệu.8 Thay đổi tỷ số nén thông qua thay đổi hình dạng đỉnh pittông ….9 Quá trình cháy động cơ diesel phun trực tiếp ………………….10 Đồ thị áp suất, nhiệt độ, tốc độ toả nhiệt động cơ diesel ……….11 Đồ thị tốc độ toả nhiệt động cơ HCCI ………………………….12 Đồ thị áp suất, tốc độ toả nhiệt động cơ HCCI ………………….13 Đồ thị áp suất, tốc độ toả nhiệt, thời điểm phun xăng, diesel động cơ RCCI …………………………………………………… 27 2.14 Đồ thị phát thải soot, NOx theo nhiệt độ, mật độ nhiên liệu …….15 Đồ thị phát thải soot, NOx, CO theo hệ số dư lượng không khí .1 Giao diện làm việc của phần mềm AVL Boost ………………….2 Cửa sổ Parameters ……………………………………………….3 Cửa sổ Case Explorer …………………………………………… 35 3.4 Cách tạo một biến thay đổi trong Boost ………………………… 36 3.5 Cửa sổ Simulation Control ……………………………………… 36 3.6 File kết quả các dữ liệu động cơ dạng notepad ………………….7 Giao diện Impress Chart ………………………………………… 37 3.8 Nhấn chọn vào thông số cần xuất đồ thị ……………………….9 Nhấn chọn vào đồ thị để xuất đồ thị …………………………….10 Cân bằng năng lượng trong xylanh ………………………………….11 Mô hình động cơ AVL 5402 mô phỏng ………………………… 49 3.12 Áp suất xylanh khi không phun nhiên liệu ……………………… 52 3.13 Áp suất xylanh khi có phun nhiên liệu ………………………….1 Mô hình động cơ nhiều xupáp ………………………………….2 Mô hình hóa hệ thống phân phối khí cho động cơ AVL 5402 RCCI …………………………………………………………….3 Thiết lập thông số của kim phun xăng ………………………….4 Thiết lập mô hình động cơ hai nhiên liệu cho AVL_Boost 2011.5 Thiết lập mô hình động cơ hai nhiên liệu cho AVL_Boost 2013.6 Thiết lập mô hình AVL MCC cho cửa sổ Combustion ………….7 Thiết lập thông số cho mô hình AVL MCC …………………….8 Thiết lập thời điểm phun diesel ………………………………….9 Khai báo độ nâng kim phun …………………………………….10 Khai báo dữ liệu áp suất nâng kim ……………………………… 62 4.11 Thiết lập thay đổi các thông số mô phỏng nhiều trường hợp …… 63 4.12 Kết quả tính toán phun diesel …………………………………… 63 4.13 Phần tính toán độ nâng kim phun trong file Irate_estimation.14 Phần tính toán lưu lượng phun trong file Irate_estimation.15 Mô hình động cơ RCCI dùng cho mô phỏng trong AVL Boost… 66 4.16 So sánh áp suất mô hình RCCI với mô hình AVL_5402 ……….17 Đồ thị công suất, mômen động cơ RCCI_1 và động cơ AVL 5402 …………………………………………………………….18 Đồ thị phát thải NOx, soot trên động cơ RCCI_1 và AVL_5402.19 So sánh áp suất, nhiệt độ, tốc độ toả nhiệt động cơ RCCI_1 và động cơ diesel …………………………………………………… 73 4.20 Đồ thị mômen, công suất động cơ RCCI_1, RCCI_2 và AVL 5402 …………………………………………………………….21 Đồ thị khí thải động cơ RCCI_1, RCCI_2 và AVL_5402 ……… 78 4.