Nghiên Cứu Chế Độ Cháy Do Nén Trên Động Cơ Diesel Với Hỗn Hợp Hai Giai Đoạn

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

0.1. Lý do chọn đề tài

0.2. a) Mục tiêu lý thuyết

0.3. b) Mục tiêu thực nghiệm

0.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

0.4.1. a) Đối tượng nghiên cứu

0.4.2. b) Phạm vi nghiên cứu

0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

0.5.1. a) Về khoa học

0.5.2. b) Về thực tiễn

0.6. Phương pháp nghiên cứu

0.6.1. a) Nghiên cứu lý thuyết

0.6.2. b) Nghiên cứu mô phỏng

0.6.3. c) Nghiên cứu thực nghiệm

0.6.4. d) Phương pháp phân tích và tổng hợp

0.7. Điểm mới của luận án

0.8. Nội dung nghiên cứu

1. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về NOx và phát thải PM

1.1.1. Cơ chế hình thành NOx và phát thải PM trong động cơ diesel

1.1.2. Tác động và kiểm soát phát thải NOx và PM

1.2. Tổng quan về quá trình cháy trong động cơ diesel

1.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel thông thường

1.2.2. Quá trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel

1.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI trên thế giới và Việt Nam

1.3.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI trên thế giới

1.3.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI ở Việt Nam

1.4. Kết luận chương 1

2. CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH ĐỐT CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP

2.1. Nguyên lý đốt cháy ở nhiệt độ thấp

2.2. Nạp hỗn hợp đồng nhất và đốt cháy do nén

2.2.1. Nguyên lý quá trình cháy đồng nhất

2.2.2. Quá trình tự cháy và giải phóng nhiệt HCCI

2.3. Đặc điểm quá trình cháy HCCI

2.4. Đốt cháy hỗn hợp đồng nhất hòa trộn trước do nén

2.5. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL ĐỐT CHÁY THEO PHƯƠNG PHÁP PCCI SỬ DỤNG CÁC HỖN HỢP NHIÊN LIỆU WCO

3.1. Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu mô phỏng

3.1.1. Động cơ nghiên cứu

3.1.2. Nhiên liệu nghiên cứu

3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng

3.2.1. Phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent

3.2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình ngọn lửa trong quá trình đốt cháy PCCI trong phần mềm ANSYS Fluent

3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng

3.3.1. Mô hình phần tử hữu hạn và thiết lập mô phỏng

3.3.2. Điều kiện biên

3.4. Kết quả mô phỏng

3.4.1. Nhiên liệu diesel – PCCI : 60% và 40%

3.4.2. Nhiên liệu diesel 90% - WCO 10% (B10) – PCCI: 60% và 40%

3.4.3. Nhiên liệu diesel 80% - WCO 20% (B20) – PCCI: 60% và 40%

3.4.4. Nhiên liệu diesel 70% - WCO 30% (B30) – PCCI: 60% và 40%

3.4.5. Nhiên liệu diesel 60% - WCO 40% (B40) – PCCI: 60% và 40%

3.5. Kết luận chương 3

4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1. Mục tiêu thực nghiệm

4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm

4.2. Phạm vi và điều kiện thực nghiệm

4.3. Quy trình, chế độ và trang thiết bị thử nghiệm

4.3.1. Nhiên liệu thử nghiệm

4.3.2. Trang thiết bị thử nghiệm

4.3.3. Quy trình thử nghiệm

4.3.4. Chế độ thử nghiệm

4.4. Kết quả thực nghiệm và thảo luận

4.4.1. Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ

4.4.2. Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ khi sử dụng B20 và EGR

4.4.3. Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ khi sử dụng B20 - EGR (20%) và phun hai giai đoạn

4.4.4. Kết quả thực nghiệm đánh giá các thông số quá trình cháy động cơ

4.4.5. Kết quả thực nghiệm đánh giá phát thải động cơ

4.4.6. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm

4.5. Kết luận chương 4

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

appendix.1. Kết luận chung

appendix.2. Hướng phát triển

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

I. Tổng Quan Chế Độ Cháy Do Nén CCI và Hỗn Hợp Hai Giai Đoạn

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Chế độ cháy do nén (CCI), đặc biệt khi kết hợp với hỗn hợp hai giai đoạn nhiên liệu, nổi lên như một hướng đi đầy hứa hẹn. Phương pháp này, cùng với việc sử dụng nhiên liệu sinh học như dầu ăn thải (WCO), có tiềm năng cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm phát thải và tăng cường an ninh năng lượng. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết lập và tối ưu hóa chế độ cháy do nén (CCI) trên động cơ diesel thông qua việc sử dụng hỗn hợp hai giai đoạn nhiên liệu, góp phần vào sự phát triển của động cơ diesel cải tiến và động cơ diesel thân thiện môi trường.

1.1. Giới Thiệu Chế Độ Cháy HCCI và Ứng Dụng của HCCI

Chế độ cháy HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) là một phương pháp đốt cháy tiên tiến trong động cơ đốt trong, cho phép nhiên liệu tự bốc cháy do nén ở nhiệt độ và áp suất cao. Ưu điểm của chế độ cháy HCCI bao gồm hiệu suất nhiệt cao, giảm phát thải NOx và PM. Tuy nhiên, việc kiểm soát thời điểm cháy và phạm vi hoạt động còn gặp nhiều thách thức. Ứng dụng của HCCI đang được nghiên cứu rộng rãi trên cả động cơ diesel và xăng nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt.

1.2. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Chế Độ Cháy Do Nén CCI

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và các vấn đề ô nhiễm môi trường trở nên cấp bách, việc nghiên cứu và phát triển chế độ cháy do nén CCI có ý nghĩa quan trọng. Chế độ cháy CCI hứa hẹn cải thiện hiệu quả đốt cháy, giảm phát thải NOx và PM, đồng thời mở ra khả năng sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như dầu ăn thải (WCO) và biodiesel. Nghiên cứu này tập trung vào tối ưu hóa quá trình cháy và phân tích quá trình cháy trong động cơ diesel.

II. Thách Thức Phát Thải NOx PM và Kiểm Soát trong Động Cơ Diesel

Động cơ diesel truyền thống đối mặt với thách thức lớn trong việc giảm thiểu phát thải NOx và PM. Cơ chế hình thành NOx và PM phức tạp, liên quan đến nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ không khí/nhiên liệu và tính chất nhiên liệu diesel. Việc kiểm soát phát thải NOx và PM đòi hỏi các giải pháp đồng bộ, bao gồm cải tiến thiết kế động cơ, sử dụng hệ thống xử lý khí thải và áp dụng các chiến lược đốt cháy tiên tiến như chế độ cháy HCCI và hỗn hợp hai giai đoạn nhiên liệu.

2.1. Cơ Chế Hình Thành NOx và Phát Thải PM Chi Tiết

NOx được hình thành chủ yếu ở vùng nhiệt độ cao trong buồng đốt, nơi nitơ trong không khí phản ứng với oxy. PM, hay còn gọi là muội than, hình thành do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu, đặc biệt trong điều kiện thiếu oxy. Nghiên cứu cơ chế hình thành NOx và PM là cơ sở quan trọng để phát triển các biện pháp kiểm soát phát thải hiệu quả. Cần xem xét các yếu tố như nhiệt độ khí nạp, áp suất khí nạp và chất lượng nhiên liệu diesel.

2.2. Các Phương Pháp Kiểm Soát Phát Thải NOx và PM Hiệu Quả

Nhiều phương pháp đã được phát triển để kiểm soát phát thải NOx và PM từ động cơ diesel. Các phương pháp này bao gồm sử dụng hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR), bộ lọc muội than (DPF), bộ xúc tác oxy hóa (DOC) và bộ khử xúc tác chọn lọc (SCR). Ngoài ra, việc áp dụng các chiến lược đốt cháy tiên tiến như chế độ cháy HCCI và phun nhiên liệu trực tiếp cũng góp phần quan trọng vào việc giảm phát thải NOx và PM. Cần nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ diesel một cách toàn diện.

2.3. Tác Động của Nhiên Liệu Sinh Học Lên Phát Thải Động Cơ Diesel

Việc sử dụng nhiên liệu sinh học như biodiesel và dầu ăn thải (WCO) có thể ảnh hưởng đáng kể đến phát thải từ động cơ diesel. Nhìn chung, biodiesel có xu hướng giảm phát thải PM so với nhiên liệu diesel truyền thống, nhưng có thể làm tăng phát thải NOx trong một số điều kiện. Việc sử dụng dầu ăn thải (WCO) cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của động cơ. Cần xem xét tính chất nhiên liệu diesel một cách chi tiết.

III. Nghiên Cứu Mô Phỏng Cháy PCCI với Hỗn Hợp Nhiên Liệu WCO

Nghiên cứu sử dụng phần mềm CFD động cơ diesel (ANSYS Fluent) để mô phỏng cháy động cơ diesel theo phương pháp PCCI, kết hợp với hỗn hợp nhiên liệu WCO. Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên mô hình rối RNG k-ε để đánh giá tác động của phun nhiên liệu hai giai đoạn lên quá trình đốt cháy của WCO (B10, B20, B30, B40) và nhiên liệu diesel (D100). Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về áp suất, nhiệt độ, tốc độ giải phóng nhiệt và nồng độ các chất ô nhiễm trong buồng đốt.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Quá Trình Cháy PCCI

Quá trình xây dựng mô hình mô phỏng bao gồm tạo lưới phần tử hữu hạn cho buồng đốt, thiết lập các điều kiện biên (áp suất, nhiệt độ, vận tốc), lựa chọn mô hình rối phù hợp và xác định các thông số của quá trình phun nhiên liệu. Mô hình CFD động cơ diesel phải được hiệu chỉnh và kiểm chứng bằng dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ tin cậy. Cần xem xét mô hình hóa quá trình cháy một cách chính xác.

3.2. Đánh Giá Ảnh Hưởng của WCO Đến Đặc Tính Cháy

Mục tiêu của mô phỏng là đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn WCO (B10, B20, B30, B40) đến các đặc tính cháy như thời điểm bắt đầu cháy, tốc độ giải phóng nhiệt, áp suất cực đại trong xi lanh và nhiệt độ khí thải. Kết quả mô phỏng giúp xác định tỷ lệ pha trộn WCO tối ưu để đạt được hiệu suất cao và phát thải thấp. Cần phân tích hiệu suất động cơ diesel và emissions động cơ diesel.

3.3. Phân Tích Tác Động của Phun Nhiên Liệu Hai Giai Đoạn

Mô phỏng được sử dụng để nghiên cứu tác động của phun nhiên liệu hai giai đoạn đến quá trình đốt cháy PCCI. Các thông số phun nhiên liệu (thời điểm phun, lượng nhiên liệu phun trong mỗi giai đoạn) được thay đổi để tìm ra cấu hình tối ưu giúp cải thiện quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí, kiểm soát thời điểm cháy và giảm phát thải. Cần nghiên cứu chiến lược phun nhiên liệu một cách chi tiết.

IV. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Chế Độ Cháy PCCI Trên Động Cơ Diesel

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel một xi lanh để kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng chế độ cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO. Các thông số động cơ (áp suất xi lanh, nhiệt độ khí thải, tốc độ động cơ) và các chỉ số phát thải (NOx, PM, CO, HC) được đo đạc và phân tích để đánh giá hiệu quả của phương pháp đốt cháy PCCI và tác động của nhiên liệu WCO.

4.1. Thiết Kế và Thực Hiện Thí Nghiệm Động Cơ Diesel

Quá trình thiết kế và thực hiện thí nghiệm bao gồm lựa chọn động cơ nghiên cứu, chuẩn bị nhiên liệu thử nghiệm (diesel, WCO), lắp đặt các thiết bị đo đạc (cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, máy phân tích khí thải) và thiết lập các chế độ thử nghiệm (tốc độ, tải trọng). Cần tuân thủ các quy trình an toàn và đảm bảo độ chính xác của các phép đo. Cần thực hiện nghiên cứu thực nghiệm động cơ diesel một cách bài bản.

4.2. Đánh Giá Đặc Tính Động Cơ Sử Dụng Nhiên Liệu WCO

Mục tiêu của thí nghiệm là đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn WCO đến các đặc tính động cơ như công suất, mô-men xoắn, tiêu thụ nhiên liệu và hiệu suất nhiệt. Kết quả thí nghiệm giúp xác định tỷ lệ pha trộn WCO tối ưu để đạt được hiệu suất cao và độ bền của động cơ. Cần phân tích động cơ diesel hiệu quả.

4.3. So Sánh Kết Quả Thực Nghiệm và Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ tin cậy của mô hình và xác định các yếu tố cần cải thiện. Sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng có thể do sai số trong mô hình, điều kiện thí nghiệm không lý tưởng hoặc các yếu tố khác chưa được xem xét. Cần có sự đối chiếu giữa phương pháp nghiên cứu cháy HCCI và mô phỏng cháy động cơ diesel.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Triển Vọng Phát Triển Chế Độ Cháy PCCI

Kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc sử dụng chế độ cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO trên động cơ diesel mang lại nhiều lợi ích về kỹ thuật, kinh tế và môi trường. Việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa chế độ cháy PCCI và giải quyết các vấn đề liên quan đến độ bền và độ tin cậy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu WCO.

5.1. Lợi Ích của Chế Độ Cháy PCCI và Nhiên Liệu WCO

Việc áp dụng chế độ cháy PCCI và sử dụng nhiên liệu WCO có thể mang lại nhiều lợi ích cho động cơ diesel, bao gồm tăng hiệu suất, giảm phát thải NOx và PM, giảm chi phí nhiên liệu và tăng cường an ninh năng lượng. Tuy nhiên, cần xem xét các yếu tố như độ nhớt, chỉ số cetan và độ ổn định oxy hóa của WCO để đảm bảo hiệu suất và độ bền của động cơ. Cần nghiên cứu động cơ diesel đốt sạch nhiên liệu.

5.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Tương Lai

Các hướng nghiên cứu và phát triển tương lai bao gồm tối ưu hóa chiến lược phun nhiên liệu và hệ thống điều khiển động cơ diesel để cải thiện khả năng kiểm soát chế độ cháy PCCI, nghiên cứu các phụ gia nhiên liệu để cải thiện tính chất nhiên liệu diesel, và phát triển các vật liệu mới cho buồng đốt để chịu được nhiệt độ và áp suất cao. Cần tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa quá trình cháy.

VI. Kết Luận Tương Lai Nghiên Cứu Chế Độ Cháy Do Nén CCI Diesel

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết lập và đánh giá chế độ cháy do nén CCI trên động cơ diesel sử dụng hỗn hợp hai giai đoạn với nhiên liệu WCO. Các kết quả cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong việc cải thiện hiệu suất và giảm phát thải. Tuy nhiên, để ứng dụng rộng rãi, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy, tối ưu hóa hệ thống điều khiển và đảm bảo độ bền của động cơ.

6.1. Tóm Tắt Những Thành Quả Chính Đạt Được

Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng quá trình cháy PCCI với nhiên liệu WCO, thực hiện thí nghiệm trên động cơ diesel một xi lanh, và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn WCO và chiến lược phun nhiên liệu đến hiệu suất và phát thải. Các kết quả cho thấy việc sử dụng PCCI và WCO có thể giảm phát thải NOx và PM so với động cơ diesel truyền thống. Cần chú trọng nghiên cứu động cơ đốt trong.

6.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng

Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm nghiên cứu ảnh hưởng của các loại nhiên liệu sinh học khác (ví dụ: biodiesel từ các nguồn khác nhau), phát triển các hệ thống điều khiển tiên tiến để tối ưu hóa quá trình cháy PCCI trong các điều kiện vận hành khác nhau, và đánh giá độ bền của động cơ khi sử dụng nhiên liệu WCO trong thời gian dài. Cần có ứng dụng của HCCI rộng rãi hơn.

Nghiên Cứu Thiết Lập Chế Độ Cháy Do Nén Với Hỗn Hợp Hai Giai Đoạn Trên Động Cơ Diesel