Luận văn ThS: Nghiên cứu mô phỏng chu trình công tác và đặc tính cháy động cơ HCCI

Luận văn thạc sĩ mô phỏng chu trình công tác, đặc tính cháy động cơ HCCI. Phân tích ảnh hưởng các thông số nhằm nâng cao hiệu suất, giảm phát thải.

• Tác giả: Nguyễn Thiêu Quang
• Người hướng dẫn: GS.TS Lê Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Mô Phỏng Chu Trình Công Tác Và Đặc Tính Cháy Động Cơ HCCI
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về động cơ HCCI và nguyên lý hoạt động

Động cơ HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) là một công nghệ động cơ cách mạng, kết hợp ưu điểm của động cơ xăng và động cơ diesel. Khác với động cơ truyền thống, HCCI sử dụng phương thức cháy tự phát khi nén hỗn hợp nhiên liệu-không khí đồng nhất. Nguyên lý hoạt động của động cơ HCCI dựa trên việc nạp nhiên liệu vào đường nạp thay vì tiêm trực tiếp vào buồng cháy, giúp tạo ra hỗn hợp đồng nhất với nồng độ nhiên liệu phân bố đều. Khi hỗn hợp này được nén đến một nhiệt độ và áp suất nhất định, quá trình cháy tự phát đồng thời xảy ra trên toàn bộ buồng cháy. Điều này tạo ra tốc độ cháy nhanh, giúp nâng cao hiệu suất nhiên liệu đáng kể so với các động cơ truyền thống, đồng thời giảm phát thải NOx và soot một cách hiệu quả.

1.1. Ưu điểm nổi bật của công nghệ HCCI

Động cơ HCCI mang lại nhiều ưu điểm vượt trội: hiệu suất nhiên liệu cao hơn 20-30% so với động cơ diesel truyền thống, giảm phát thải NOx và soot đáng kể, chi phí vận hành thấp hơn. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe. Hơn nữa, HCCI có thể hoạt động với nhiều loại nhiên liệu thay thế như biodiesel, ethanol, hoặc khí thiên nhiên.

1.2. Thách thức trong chế tạo và điều khiển HCCI

Mặc dù có nhiều ưu điểm, động cơ HCCI gặp phải những thách thức đáng kể: khó khăn trong kiếm soát quá trình cháy do cháy tự phát không thể dễ dàng điều chỉnh, vùng hoạt động ổn định bị hạn chế, nhiệt độ buồng cháy cao dẫn tới phát thải NOx ở tải lớn. Việc thay đổi các thông số động cơ như độ sấy nóng khử nạp, luân hồi khí thải, tỉ số nén có thể cải thiện hiệu suất.

II. Mô phỏng chu trình công tác động cơ HCCI bằng phần mềm AVL Boost

Mô phỏng chu trình công tác là công cụ quan trọng để nghiên cứu các đặc tính cháy của động cơ HCCI mà không cần thực nghiệm trực tiếp. Trong luận văn này, phần mềm AVL Boost được sử dụng để mô phỏng động cơ diesel Kubota BD178F(E) được cải tiến thành HCCI. Phần mềm này cho phép mô phỏng toàn diện quá trình hình thành hỗn hợp, cháy động cơ, và phát thải. Mô hình HCCI được tạo bằng cách thay đổi kiến trúc từ tiêm nhiên liệu trực tiếp sang cấp nhiên liệu trên đường nạp, đảm bảo hỗn hợp đồng nhất. Nhiên liệu n-heptan được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu do tính chất vật lý hóa học phù hợp. Kết quả mô phỏng giúp phân tích ảnh hưởng của các thông số động cơ, từ đó tối ưu hóa hiệu suất.

2.1. Phần mềm AVL Boost và khả năng mô phỏng

AVL Boost là phần mềm mô phỏng một chiều (1D) phát triển bởi công ty AVL, được sử dụng rộng rãi trong ngành ô tô. Phần mềm này có khả năng mô phỏng động cơ chi tiết, từ quá trình nạp-xả đến cháy và phát thải. AVL Boost cho phép thay đổi các thông số động cơ và quan sát tác động trực tiếp.

2.2. Cải tiến mô hình Kubota BD178F để thành HCCI

Động cơ Kubota BD178F ban đầu là diesel tiêm trực tiếp. Để mô phỏng HCCI, mô hình được cải tiến: thay hệ thống tiêm nhiên liệu bằng cấp nhiên liệu trên đường nạp, loại bỏ van tiêm, điều chỉnh thời gian van nạp-xả. Những thay đổi này đảm bảo hỗn hợp đồng nhất trong buồng cháy.

III. Ảnh hưởng của các thông số động cơ đến đặc tính cháy HCCI

Luận văn tập trung phân tích ba thông số chính: độ sấy nóng khử nạp, mức độ luân hồi khí thải, và tỉ số nén đến đặc tính cháy của động cơ HCCI. Độ sấy nóng khử nạp ảnh hưởng trực tiếp tới nhiệt độ đầu vào và mức độ chuẩn bị cháy của hỗn hợp. Việc tăng sấy nóng giúp tăng nhiệt độ, thúc đẩy cháy sớm hơn, nhưng quá cao sẽ gây cáu cạnh. Luân hồi khí thải làm giảm nồng độ oxy, ảnh hưởng tới tốc độ cháy và phát thải NOx. Tỉ số nén quyết định áp suất và nhiệt độ nén, ảnh hưởng lớn tới điều kiện cháy tự phát. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương tác phức tạp giữa các thông số này, yêu cầu tối ưu hóa đồng thời.

3.1. Tác động của độ sấy nóng khử nạp

Độ sấy nóng khử nạp là yếu tố kiểm soát nhiệt độ hỗn hợp trước khi cháy. Khi tăng sấy nóng, nhiệt độ hỗn hợp tăng, làm cháy sớm hơn, nâng cao công suất. Tuy nhiên, quá sấy nóng dễ gây cáu cạnh tự phát bất thường, làm hỏng động cơ. Cần cân bằng tối ưu giữa hiệu suất và độ an toàn.

3.2. Ảnh hưởng của luân hồi khí thải và tỉ số nén

Luân hồi khí thải là khí thải được tái nạp vào buồng cháy, giảm nồng độ oxy, làm chậm quá trình cháy, giảm phát thải NOx. Tuy nhiên, quá nhiều luân hồi làm giảm công suất động cơ. Tỉ số nén cao tăng nhiệt độ-áp suất, hỗ trợ cháy tự phát, nhưng tăng độ khó chế tạo, chi phí cao.

IV. Kết luận và hướng phát triển nghiên cứu động cơ HCCI

Mô phỏng chu trình công tác động cơ HCCI bằng AVL Boost đã cho thấy khả năng tối ưu hóa các thông số để nâng cao hiệu suất. Kết quả nghiên cứu giúp xác định vùng hoạt động tối ưu của động cơ HCCI, giảm thời gian và chi phí so với thực nghiệm. Tuy nhiên, mô hình hiện tại còn hạn chế: chưa mô phỏng phát thải độc hại chi tiết, chỉ sử dụng n-heptan thay vì diesel thực tế. Để khắc phục, nghiên cứu tiếp theo nên kết hợp AVL Fire (phần mềm mô phỏng 3D) để phân tích chi tiết quá trình cháy và phát thải. Ngoài ra, cần thử nghiệm với nhiều loại nhiên liệu thay thế như biodiesel, ethanol để mở rộng ứng dụng HCCI. Động cơ HCCI hứa hẹn là giải pháp tương lai cho vận tải xanh, kết hợp hiệu suất cao với phát thải thấp.

4.1. Những phát hiện chính từ mô phỏng

Mô phỏng AVL Boost xác nhận rằng ba thông số chính (sấy nóng, luân hồi, tỉ số nén) ảnh hưởng đáng kể tới đặc tính cháy HCCI. Tồn tại vùng tối ưu cho mỗi thông số để cân bằng giữa công suất và phát thải. Các kết quả này có giá trị thực tiễn cao cho thiết kế động cơ.

4.2. Hướng phát triển tiếp theo

Để hoàn thiện nghiên cứu, cần tích hợp AVL Fire cho mô phỏng 3D chi tiết, thử nghiệm nhiên liệu như biodiesel, ethanol, thực hiện thí nghiệm thực tế để xác thực mô hình. Động cơ HCCI sẽ là công nghệ chủ chốt trong vận tải bền vững tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Đông cơ chảy đo nén (HCCD) có phương thức chảy tương đổi khác biệt so với động cơ tuyên thông (động cơ xăng và diosel). Bằng sự kếi hợp nghèo của không khí, nhiền liệu và quá trinh chảy đa điểm trong toàn bộ buồng cháy đá giúp loại bỏ các vùng chảy có nhiệt độ cao, giám sự hình thành của muội và NÓ; (vốn là nhược điểm lớn trên các thé hé déng co diesel). Déng thời, sử dụng kết hop haa khí nghèo và luân hồi Khí thải cũng giúp nâng cao hiện suất nhiệt của động cơ TICCT so vỏi động cơ xăng truyền (hồng [1] Mặc dù những lợi Ích của động eo HCCI la rt rỡ ràng, nhưng việc chế tạo. động cơ HCCI cũng gặp rất nhiều thách thức như khỏ khăn trong việc kiểm soát quả trình cháy, giới hạn về vùng hoạt động én định và phát thải HC cao.

Do đó, trơng thời gian gần đây, đã có rất nhiều dông trình nghiên cứu cả bằng mnô phỏng (2]+[7]) và thực nghiễm ([8]z[I2]) nhằm hiểu chỉ tiết hơn về quá trình hóa, lý của phương pháp cháy đo nén (HOCD) này, cũng như các giải pháp kỹ thuật để có thé dua loại động cơ này được ứng đụng trong các đông cơ thương mại [1]. Nếu khắc phục được các nhược điểm kế trên của động cơ TICCI thì các thể hệ động, cơ HCCI sẽ mang đền một hiệu suất cao, giảm lượng phát thải độc hại, cải thiện đặc tính kinh tế và đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thái ngày một ngặt nghèo. được đặt Ta. : Tiên chuẩn phát hỏi cửa 6 16 (lai Hiệu [1] trang 4) Cure Wear [nghe CO IICNMOG NOx C+NOx PM Standard type (g/km)- lg/km} (gk taikm (gãml Euro Ml 2001 SI HH.

018 - - cy one 15 ORB 1.05 Euoly 2005 BI 108 at nos - - a 08 045 043 0.033 004 - - {LEV ID TLEV - - - - - Lev 2001-10 HH.1, c6 thể thây yêu cầu cúa các tiêu chuẩn Khí thải ngày một tầng cao khiên cho các thể hệ đông cơ ngáy nay đều phải bổ sung thêm các bỏ xử lý khí thai đẻ có thé dap ứng được các tiêu chuân khi thải hiện hành. Tuy mhién, 1 ANH MỤC HÌNH Tinh 1.1: Sự thay đổi của hiện suất nhiệt theo phần trăm hyđro trong hỗn hợp nhiên liêuở 60% và 80% tai (tài liệu [15]) 2 Hình 12: Sự thay đối của phát thải NOx theo ghin tam hydro trong hdn hop nhiên liệuở 60% và 80% tai (tai liệu [15]) - 3 Hình 1.3: Sự thay đổi của phat thai HC theo phan tim hydro trong hỗn hợp nhiền liệu ở 60% va 80% tai (tai liêu [15]).4: Sơ đồ của các sản phẩm có thể được tạo ra từ quả trình, đồng phân hóa RO: vi cdc chudi mych hyörocacbon thẳng (tải liệu [1], trang 440).5: Sơ đồ của quá trinh đồng phân hóa RO- (gôm 6 phân tử C trong vòng chuyển tiếp) (lời liệu [1], trang 439). 10 Tình 16: Giới hạn hoạt động của động cơ HCCI cho động cơ xăng (tải liệu [1], trang 23) 13 Hình 1.7: Đặc điểm của quá trình cháy khi thay đối lệ hiên hồi khí thải (GR) (Góc phun sớm 40° trước điểm chết trên) (tài liệu [1] trang 279).8: Đặc điểm của quá trình cháy khi thay đối tỉ lệ luân hồi khí thải (SGR) (Góc phun sớm 30° trước điểm chết trên) (tải liệu | | trang 280 Hình 1.9: Đặc điểm của quá trình chảy khi thay đối tí lệ luân (Góc phun som 20° trước dig chếttrên) (ta liệu II trang 281). Hiệu su thải ở tải nhẹ (tải Tiêu [] trang 28) 21 Hình 1.11: Sự thay đổi của phát thải độc hại khi (hay đối gúe phụm sém và lệ luận hỗi khí thai đi liều [1] trang 23) - 22 Hình 1.12: 5o sảnh kết cầu giữa đông cơ điesel truyền thông wéi ding co cháy do nén với nhiên liệu được hôa trộn trước (tái liệu [1], trang 273) 23 Hinh 2.1: Mé hinh mé phéng dong co AVL-5402 với nguyên lý cháy HCCI (tài liệu [18]).2: Mé hinh mô phóng đông cơ HCCI voi động eo nhiêu xylanh (li liêu IE0).

“ 27 Hình 23: Diễn biến áp suất theo gúc quay của trục Khưệu g giữa mỗ Tỉnh mồ phống và thực nghiệm (tải liện [18]) se 28 Tinh 2.4: Diễn biến dp suÃI theo góc quay của huc khuỷu giữa mô hình mô phóng và thực nghiệm (tài liệu [20]) 28 Hình 2.5: Mê hình chia Hới của động cơ trong hai trường hop: a) piston ở điểm chết trên: Đ) piston ở điểm chết dưới (hỉnh 4, tai liệu [32]) 29 Hình 2.6: So sánh điển biến áp suật trong xylanh giita mô phóng với thực nghiệm.8: Giao điện phần mềm AVL Boost.9: Mô lành rô phông động cơ Kubou BDI2BE(E) sau lớn được thay đổi 32 DANH MỤC BẰNG Bảng L1: Tiêu chuẩn phát thải của ô tõ (tài liệu [1] trang 4) 1 Báng 2.]: Một số thòng số cơ bản của động cơ Kưbota BD178F().2: Các phản tử chính trong mỏ hình mô phỏng.3: Lượng nhiên liệu cáp ứng với từng chế đỏ tái trọng và tóc độ của động, CƠ.1: Công suất động cơ với nhiệt độ sấy nóng và mức luân hồi ki thai khác nhau và hoạt động ở tốc độ 1600, 2000 và 2400 vòng/phúi.2: Công suât đồng cơ hoạt động với tỉ số nén 14 các chế độ khác nhau và ở tốc độ 1600, 2000 và 2400 vòng/phút Ag Bing 5.1: Công suất đông cơtheo tỉ số nén, tốo độ và tái trong ở cáo chế đô Khác Hình 2.10: Trỗn thất do ma sát của động cơ.1 : Thông số quá trinh cháy động cơ _.12: Thông số quả tình truyền nhiệt của đông cơ.13: Bảng thông số của các phẩn tử.14: Thông số của một số phần tử trong mô hình.15: Kết quả sau khi thực hiện rô phỏng.16: Đường đặc tính ngoài động cơ Kuboin BD12BF(R) .1: Diễn biển áp suất và tốc độ tổa nhiệt giữa nd phông và thực nghiệm ở tốc độ 1600 vòng/phút vàti trọng là 30% 39 Hình 3.2: Diễn biễn áp suất và tốc độ tôa nhiệt giữa mồ phông và thực nghiêm ở tc độ 2000 vòng/phút và tải trọng là 30% - 39 Hình 3.3: Diễn bidn áp suất và tốc độ tòa nhiệt giữa mô phông và thực nghiệm ở tốc đồ 2400 vòng/phút vá tải trọng là 30%.4: Ảnh hưởng cúa nhiệt đồ sẵy 4 nóng không khi nạp đến công suất đồng cơ ở tốc độ 2000 vòng/phút và 30% - -41 Hình 3.5: Tôc độ lồ» nhiệt ở nuôi số các hột độ sẵy nông khí nạp ở tắc độ 2000 vững/phúi và 30% lãi 42 nh 36: Ảnh hưởng của nhiệt đô đếm công suÃi động cơ ở tốc độ 2000 vòng/phút và 20% tai 4 Tình 3.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ sây nóng khí nạp đến công suắt đông cơ ở tắc dé 2000 véng/pinit và không sây nóng khí nạp ở các tái trọng khác nhau 43 Hình 3.8: Ảnh hưởng của luân hồi khí thái đến công suất động cơ ở tốc đỏ 2000 'vòng/phủi vả không sảy nóng khí nạp ở các ái trọng khác nhau.9: Anh hưởng của tỉ số nén đến công suất cúa déng cơ ở tốc độ 2000 vòng/phúi và 30% tải và khí nạp được sảy nóng đến nhiệt độ 66.10: Thời gian quả trình chảy diễn ra theo gốc quay trục khuỷu ở tải trọng 30% ở cúc lộc độ 1800, 2000 và 2400 vững/phủi. SO ANH MỤC HÌNH Tinh 1.1: Sự thay đổi của hiện suất nhiệt theo phần trăm hyđro trong hỗn hợp nhiên liêuở 60% và 80% tai (tài liệu [15]) 2 Hình 12: Sự thay đối của phát thải NOx theo ghin tam hydro trong hdn hop nhiên liệuở 60% và 80% tai (tai liệu [15]) - 3 Hình 1.3: Sự thay đổi của phat thai HC theo phan tim hydro trong hỗn hợp nhiền liệu ở 60% va 80% tai (tai liêu [15]).4: Sơ đồ của các sản phẩm có thể được tạo ra từ quả trình, đồng phân hóa RO: vi cdc chudi mych hyörocacbon thẳng (tải liệu [1], trang 440).5: Sơ đồ của quá trinh đồng phân hóa RO- (gôm 6 phân tử C trong vòng chuyển tiếp) (lời liệu [1], trang 439). 10 Tình 16: Giới hạn hoạt động của động cơ HCCI cho động cơ xăng (tải liệu [1], trang 23) 13 Hình 1.7: Đặc điểm của quá trình cháy khi thay đối lệ hiên hồi khí thải (GR) (Góc phun sớm 40° trước điểm chết trên) (tài liệu [1] trang 279).8: Đặc điểm của quá trình cháy khi thay đối tỉ lệ luân hồi khí thải (SGR) (Góc phun sớm 30° trước điểm chết trên) (tải liệu | | trang 280 Hình 1.9: Đặc điểm của quá trình chảy khi thay đối tí lệ luân (Góc phun som 20° trước dig chếttrên) (ta liệu II trang 281). Hiệu su thải ở tải nhẹ (tải Tiêu [] trang 28) 21 Hình 1.11: Sự thay đổi của phát thải độc hại khi (hay đối gúe phụm sém và lệ luận hỗi khí thai đi liều [1] trang 23) - 22 Hình 1.12: 5o sảnh kết cầu giữa đông cơ điesel truyền thông wéi ding co cháy do nén với nhiên liệu được hôa trộn trước (tái liệu [1], trang 273) 23 Hinh 2.1: Mé hinh mé phéng dong co AVL-5402 với nguyên lý cháy HCCI (tài liệu [18]).2: Mé hinh mô phóng đông cơ HCCI voi động eo nhiêu xylanh (li liêu IE0).

“ 27 Hình 23: Diễn biến áp suất theo gúc quay của trục Khưệu g giữa mỗ Tỉnh mồ phống và thực nghiệm (tải liện [18]) se 28 Tinh 2.4: Diễn biến dp suÃI theo góc quay của huc khuỷu giữa mô hình mô phóng và thực nghiệm (tài liệu [20]) 28 Hình 2.5: Mê hình chia Hới của động cơ trong hai trường hop: a) piston ở điểm chết trên: Đ) piston ở điểm chết dưới (hỉnh 4, tai liệu [32]) 29 Hình 2.6: So sánh điển biến áp suật trong xylanh giita mô phóng với thực nghiệm.8: Giao điện phần mềm AVL Boost.9: Mô lành rô phông động cơ Kubou BDI2BE(E) sau lớn được thay đổi 32 Hình 2.10: Trỗn thất do ma sát của động cơ.1 : Thông số quá trinh cháy động cơ _.12: Thông số quả tình truyền nhiệt của đông cơ.13: Bảng thông số của các phẩn tử.14: Thông số của một số phần tử trong mô hình.15: Kết quả sau khi thực hiện rô phỏng.16: Đường đặc tính ngoài động cơ Kuboin BD12BF(R) .1: Diễn biển áp suất và tốc độ tổa nhiệt giữa nd phông và thực nghiệm ở tốc độ 1600 vòng/phút vàti trọng là 30% 39 Hình 3.2: Diễn biễn áp suất và tốc độ tôa nhiệt giữa mồ phông và thực nghiêm ở tc độ 2000 vòng/phút và tải trọng là 30% - 39 Hình 3.3: Diễn bidn áp suất và tốc độ tòa nhiệt giữa mô phông và thực nghiệm ở tốc đồ 2400 vòng/phút vá tải trọng là 30%.4: Ảnh hưởng cúa nhiệt đồ sẵy 4 nóng không khi nạp đến công suất đồng cơ ở tốc độ 2000 vòng/phút và 30% - -41 Hình 3.