Nghiên cứu mô phỏng đánh giá động cơ RCCI so với động cơ diesel nguyên bản trên phần mềm AVL BOOST

ISSN 2354-0575
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ĐỘNG CƠ RCCI
SO VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL NGUYÊN BẢN TRÊN PHẦN MỀM AVL-BOOST
Nguyễn Tuấn Thành1, Phạm Minh Tuấn1, Bùi Nhật Huy2,*,
Khổng Văn Nguyên3, Vũ Văn Quang2
1
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2
Trường Đại học Phenikaa
3
Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên
* Tác giả liên hệ:
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 08/10/2020
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 26/11/2020
Ngày bài báo được duyệt đăng: 28/01/2021
Tóm tắt:
Nghiên cứu này đánh giá mô phỏng động cơ Yanmar 178F cháy theo cơ chế RCCI so với động cơ
nguyên bản trên phần mềm AVL-Boost. Nghiên cứu sử dụng mơ hình cháy Vibe và mơ hình truyền nhiệt
Woschni trong phần mềm AVL-Boost để mơ phỏng động cơ. Kết quả cho thấy động cơ RCCI có nhiều ưu
điểm vượt trội như nâng cao cơng suất, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm thành phần phát thải NOx và
PM. Kết quả nghiên cứu là tiền đề cho các nghiên cứu khác về động cơ RCCI.
Từ khóa: Động cơ nén cháy kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu, phát thải, phần mềm AVL-Boost.
1. Đặt vấn đề
Hiện nay có rất nhiều những nguồn động lực
mới được nghiên cứu phát triển và áp dụng nhằm
thay thế cho động cơ đốt trong (như động cơ điện,
động cơ hydrogen,…). Tuy nhiên với chi phí hợp
lý, bền bỉ, tiện lợi cùng với sử dụng nhiên liệu phổ
biến nên động cơ đốt trong (ĐCĐT) vẫn là nguồn
động lực chính cho các vận dụng phục vụ cho đời
sống hàng ngày (máy bơm, máy cắt cỏ, máy phát

điện,…), các phương tiện giao thông vận tải, xây
dựng và hằng hải,…[1]
Mặt khác, trên toàn thế giới tiêu thụ khoảng
86 triệu thùng dầu thơ mỗi ngày trong đó 70% dùng
cho ĐCĐT. Đối với ô tô sử dụng ĐCĐT khoảng
18% năng lượng được sử dụng đến được hệ thống
động lực do mất mát bởi hiệu suất của động cơ do
tỏa nhiệt và ma sát, các hệ thống phụ trợ,… Sau đó
chỉ khoảng 12% năng lượng được truyền đến bánh
xe do mất mát của hệ thống truyền lực. Vì vậy việc
nâng cao hiệu suất của ĐCĐT có ý nghĩa vơ cùng
to lớn.
Xét về hiệu suất động cơ diesel hay động cơ
cháy do nén có hiệu suất vượt trội hơn so với động
cơ xăng hay động cơ cháy cưỡng bức nhờ tỉ số nén
cao hơn và công bơm giảm. Tuy nhiên động cơ

Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng 3 - 2021

diesel thơng thường có mức độ đồng nhất của nhiên
liệu và khơng khí thấp, tồn tại nhiều vùng hỗn hợp
“giàu” và “nghèo” dẫn đến xuất hiện những vùng có
nhiệt độ cao và vùng có nhiệt độ thấp trong buồng
cháy. Những yếu tố này dẫn tới phát thải NOx và
PM trong động cơ diesel cao và rất khó xử lý.
Từ những áp lực về chi phí nhiên liệu cũng
như yêu cầu khắt khe về khí thải đã thúc đầy nhu
cầu nghiên cứu nâng cao hiệu suất làm việc và giảm
thiểu phát thải của ĐCĐT nổi bật lên là mơ hình
động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC (Low temperature

combustion). Ứng dụng LTC có thể kể đến hiện này
là động cơ nạp đồng nhất cháy do nén HCCI, động
cơ cháy hòa trộn trước PCCI và động cơ nén cháy
kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu RCCI.
Với động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất
(HCCI) và động cơ cháy hỗn hợp hòa trộn trước
(PCCI) cho thấy những ưu điểm nổi bật về phát thải
như phát thải PM không đáng kể và NOx gần như
bằng không, hiệu suất nhiệt tương đương hoặc cao
hơn động cơ thông thường. Tuy nhiên điều khiển
thời điểm cháy, giới hạn làm việc còn hạn chế và
phát thải HC và CO cao. Để khắc phục nhược điểm
trên thì động cơ cháy nén kiểm sốt hoạt tính nhiên
liệu RCCI được phát triển [2].

Journal of Science and Technology

13


ISSN 2354-0575
Động cơ RCCI sử dụng hai loại nhiên liệu là
nhiên liệu hoạt tính thấp có chỉ số octan cao LRF
như nhiên liệu xăng, etanol, LPG, CNG,…và nhiên
liệu hoạt tính cao có chỉ số cetan cao HRF như
nhiên liệu diesel, biodiesel, dimethyl ether (DME).
Nhiên liệu hoạt tính thấp được phun trên đường ống
nạp trong khi đó nhiên liệu hoạt tính cao được phun
trực tiếp trong buồng cháy. Thời điểm phun càng
sớm các hạt nhiên liệu càng phân bố đồng đều trong

buồng cháy. Khi Piston nén đến nhiệt độ và áp suất
nhất định nhiên liệu HRF cháy trước và kích cháy
cho hỗn hợp. Do đó hạn chế những vùng hỗn hợp
giàu nghèo dẫn tới NOx và Soot đều giảm. Có nhiều
thơng số ảnh hướng đến quá trình cháy của động cơ
RCCI như tỉ lệ giữa hai loại nhiên liệu; thời điểm
phun, số lần phun nhiên liệu HRF; tỉ số nén; tỷ lệ
luân hồi khí thải EGR …
Động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC, điển hình
là động cơ RCCI là xu hướng phát triển mới cho
ngành động cơ đốt trong trên thế giới nói chung và
ở Việt Nam nói riêng. Tuy nhiên ở Việt Nam nghiên
cứu thử nghiệm động cơ RCCI cịn chưa nhiều đặc
biệt nghiên cứu trên động cơ thơng thường. Do đó
bài báo này sẽ tập trung nghiên cứu và đánh giá
động cơ RCCI so với động cơ diesel thông thường
trên phần mềm AVL-BOOST.
2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy RCCI
Hình 1 thể hiện khái niệm cơ bản về quá trình
cháy động cơ RCCI và được dùng để xây dựng mơ
hình cháy, trong đó đường viền màu thể hiện tỷ lệ
nhiên liệu HRF và LRF tương đương số xêtan của
nhiên liệu. Nhiên liệu hoạt tính cao được phun từ
giữa tâm xy lanh, tia phun hướng về phía xa tâm
buồng cháy, gần với thành xy lanh, do đó ở khu vực
này sẽ tập trung nhiều nhiên liệu hoạt tính cao, sau
đó hỗn hợp bắt đầu cháy từ khu vực này lan ra làm
tăng nhiệt độ và áp suất trong xy lanh thời điểm
cuối quá trình nén. Vùng tự cháy xuất hiện gần khu
vực thể tích chèn của pittơng, nơi có hoạt tính nhiên

liệu lớn nhất. màng lửa từ các vùng tự cháy sẽ lan
tràn đến các khu vực có hoạt tính nhiên liệu thấp
hơn. Do đó có thể nói q trình cháy xuất phát từ
vùng thể tích chèn của pittơng và lan tràn về tâm
của pisttơng vị trí đặt vịi phun, đây là nơi có hoạt
tính nhiên liệu thấp nhất.

14

Hình 1. Quá trình cháy RCCI
2.1. Xác định thời điểm bắt đầu cháy (SOC)
Đặc điểm quá trình cháy của RCCI xuất phát
từ nhiều vị trí trong buồng cháy, do đó thời điểm
bắt đầu cháy được xác định từ mơ hình kích nổ tích
hợp (KIM) thời điểm bắt đầu cháy được xác định là
thời điểm hỗn hợp nhiên liệu khơng khí cháy được
10% (CA10), vì thế thay vì xác định thời điểm cháy
thì chuyển sang tính thời gian cháy trễ, là khoảng thời
gian từ lúc phun nhiên liệu diesel đến thời điểm CA10.
Tuy nhiên do đặc điểm quá trình cháy của
động cơ RCCI khác biệt, và được giả định là có mối
quan hệ giữa tỷ lệ hỗn hợp đã cháy (x/xc) với thời
gian tương đối (t/τ) do đó thời điểm cháy được xác
định theo biểu thức của “Máy nén nhanh” (RCM)
[3] ở những điều kiện làm việc khác nhau
SOC
SOC 1
x
=∫
dθ = ∫

IVC
IVC wτ
xc

1

Awe

b n
 P
T 

dθ

(1)

Giá trị tích phân sẽ tăng dần như kết quả ở Hình 2.

Hình 2. Đồ thị tích phân 1/wt từ thời điểm IVC đến SOC

Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng 3 - 2021

Journal of Science and Technology


ISSN 2354-0575
Động cơ RCCI được coi như là quá trình cháy
kích nổ trong động cơ xăng, do đó mơ hình KIM
được phát triển để đánh giá thêm các ảnh hưởng của
các thơng số khác đến tính tự cháy trong q trình

cháy RCCI và được biểu diễn bởi phương trình:

∫

SCO

IVC

(

A2 N ϕ DI B2 DI + ϕ PFI B2 PFI
= 1− ∫

SCO

IVC

)

dθ
D2

PIVC vc kc
a

exp
 ( CN mix + b ) TIVC vc kc −1


(

dθ
 C P v kc
IVC c
1
B2
A1 Nϕ PFI exp 
 TIVC vc kc −1


(

)

D1

)

Thể tích cơng tác, (Vh)











cm3

296

Tỷ số nén động cơ nguyên bản,
(ɛ)

-

20

Tỷ số nén động cơ RCCI, (ɛ)

-

17

Công suất định mức (Neđm)

kW

4,4

Tốc độ định mức, (nđm)

v/ph

3600

Mômen cực đại, (Memax)

Nm

13

Tốc độ tại Memax, (nM)

v/ph

2000

g/kw.h

378

v/ph

2400

Suất tiêu hao nhiên liệu (gemin)
(2)

2.2. Xác định thời gian cháy
Cơ chế cháy chính của RCCI là lan tràn màng
lửa từ các điểm tự cháy, do đó tốc độ màng lửa tức
thời (Sig) được sử dụng để tìm thời gian cháy (BD),
mối quan hệ được thể hiện ở cơng thức:
BD = K2 Sigt
Trong đó tốc độ màng lửa tức thời được xác
định theo công thức [3]:

1
(3)
SSigig =
dτ
∇ϕ SOC
dϕ SOC
2.3. Xác định góc cháy 50%
Khi đã biết BD và SOC, thì CA50 được xác
định dựa vào hàm Vibe
m+1
i-i
(4)
xb ^ih = 1 - exp ^- a : BDSOCD )
Trong đó xb là là phần khối lượng nhiên liệu đã cháy
(0…1), θSOC chính là góc bắt đầu cháy SOC, ở đây
SOC tương ứng với hỗn hợp đã cháy 10% CA10 và
BD chính là khoảng góc quay trục khuỷu từ CA10
đến CA90.
3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng động cơ Yanmar
178F trên phần mềm AVL BOOST
Động cơ Yanmar 178F là động cơ diesel một
xylanh, không tăng áp, làm mát bằng khơng khí,
động cơ này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải), có
buồng cháy thống nhất. Các thơng số của động cơ
được thể hiện ở Bảng 1[4]
Bảng 1. Thông số cơ bản của động cơ Yanmar 178F
Thông số
Đơn vị Giá trị
Đường kính xylanh x Hành
mm 78x62

trình piston (DxS)

Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng 3 - 2021

Tốc độ tại gemin (nge)

Trên cơ sở các thông số kết cấu, các tài liệu
liên quan về động cơ thực tế Yanmar 178F, từ những
phần tử có sẵn tương ứng trong AVL-Boost, nhóm
nghiên cứu đã thực hiện xây dựng được mơ hình
động cơ Yanmar 178F như thể hiện trên Hình 3, bao
gồm các phần tử: điều kiện biên (số lượng 2); động
cơ (số lượng 1); xy lanh (số lượng 1); phần tử cản
dịng (số lượng 1); Bình ổn áp (số lượng 2); đường
ống (số lượng 6); điểm đo (số lượng 2).

Hình 3. Mơ hình động cơ Yanmar 178F
Sau khi nhập các số liệu vào mơ hình, chạy mơ
hình trên phần mềm và đưa ra kết quả mô phỏng.
Từ kết quả mô phỏng, đối chiếu với kết quả thực
nghiệm đo được ở phịng thí nghiệm, nhóm nghiên
cứu đưa ra được độ tin cậy của mơ hình của động cơ
trên phần mềm AVL-Boost.

Journal of Science and Technology

15


ISSN 2354-0575

Hình 4. Đồ thị so sánh momen, cơng suất giữa mơ
phỏng và thực tế

Hình 5. Đồ thị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa
mơ phỏng và thực tế

Hình 6. Đồ thị so sánh phát thải CO, NOx giữa mơ
phỏng và thực tế
Do phần mềm AVL boost chỉ tính ra được soot
nhóm nghiên cứu đã chuyển sang PM (g/kWh) bằng
công thức:
Soot ^Ah ^m air + m fuelh $ 3.6
g

(5)
PM 9kWhC = 1000 $
1.165 $ BP

16

Hình 7. Đồ thị so sánh phát thải PM giữa mô
phỏng và thực tế
Từ đồ thị so sánh giữa mô phỏng và thực tế
của công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, momen và
phát thải của động cơ Yanmar 178F ứng với các tốc
độ khác nhau. Sai số công suất giữa mô phỏng với
thực nghiệm khoảng 1,2%, sai số momen giữa mô
phỏng với thực nghiệm khoảng 3,5%. Sai số ge giữa
mô phỏng và thực nghiệm là 1,2%, sai số phát thải

giữa mô phỏng và thực nghiệm là khoảng 0,8%.
Vậy mơ hình mơ phỏng động cơ Yanmar 178F trên
phần mềm AVL-Boost là tin cậy.
4. So sánh động cơ Yanmar 178F nguyên bản và
động cơ cháy theo cơ chế RCCI trên phần mềm
AVL BOOST
4.1. Xây dựng mơ hình động cơ Yanmar 178F
cháy theo cơ chế RCCI

Hình 8. Mơ hình động cơ Yanmar 178F cháy theo
cơ chế RCCI
Mơ hình động cơ Yanmar 178F cháy theo cơ
chế RCCI được biểu diễn như trong Hình 8. Mơ
hình bao gồm các phần tử: điều kiện biên (số lượng
2); động cơ (số lượng 1); xy lanh (số lượng 1); phần
tử cản dòng (số lượng 1); Bình ổn áp (số lượng 2);

Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng 3 - 2021

Journal of Science and Technology


ISSN 2354-0575
đường ống (số lượng 6); điểm đo (số lượng 2), vịi
phun xăng I1 (số lượng 1).
4.2. Mơ hình hệ thống nhiên liệu
Phần mềm AVL-Boost khơng mơ hình hóa hệ
thống nhiên liệu của động cơ thành một phần tử cụ
thể nào. Do đó để điều chỉnh hệ thống nhiên liệu
bằng cách điều chỉnh các thơng số thơng qua mơ

hình cháy và mơ hình truyền nhiệt. Trong nghiên cứu
này sử dụng mơ hình cháy Vibe và mơ hình truyền
nhiệt Woschin 1978 trong phần mềm AVL-Boost.
4.3. Chế độ mô phỏng so sánh
So sánh kết quả thực nghiệm của động cơ
nguyên bản (thực nghiệm tại trung tâm nghiên cứu
động cơ, nhiên liệu và khí thải trường đại học Bách
Khoa Hà Nội) với kết quả mô phỏng của động cơ
khi chuyển sang chế độ RCCI ở tốc độ 2000 vòng/
ph, thời điểm phun nhiên liệu là 15 độ trước ĐCT và
momen là 2 Nm, 4 Nm, 6 Nm.
4.4. So sánh
Kết quả so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng
cháy động cơ:

Hình 11. Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong
buồng cháy tại momen 10 Nm
Qua đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong
buồng cháy ta thấy rằng động cơ khi chuyển sang
RCCI thì nhiệt độ trong xylanh thấp hơn so động cơ
nguyên bản là do quá trình cháy diễn ra muộn hơn
mà piston đang có xu hướng đi xuống do đó thể tích
tăng dẫn đến nhiệt độ trong xylanh thấp hơn.
Do động cơ RCCI sử dụng hai loại nhiên liệu
khác nhau là diesel với xăng có nhiệt trị khác nhau.
Do đó lượng nhiên liệu tiêu thụ được tính quy về
nhiên liệu diesel theo công thức sau:
LHVxăng
mfuel = mDiesel + mxăng $ c LHV m
(6)

Diesel
Trong đó: LHVxăng là nhiệt trị thấp của xăng.
LHVDiesel là nhiệt trị thấp của xăng.
Kết quả so sánh công suất và suất tiêu hao
nhiên liệu:

Hình 9. Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong
buồng cháy tại momen 2 Nm

Hình 12. Đồ thị so sánh cơng suất và suất tiêu hao
nhiên liệu

Hình 10. Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong
buồng cháy tại momen 6 Nm

Khoa học & Cơng nghệ - Số 29/Tháng 3 - 2021

Từ Hình 12 ta có thể thấy rằng cơng suất của
động cơ khi chuyển sang RCCI lớn hơn khoảng 9%
và suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ hơn khoảng 8.6% so
với động cơ nguyên bản ở tốc độ 2000 vg/ph, thời
điểm phun nhiên liệu là 15 độ trước ĐCT.

Journal of Science and Technology

17


ISSN 2354-0575
Kết quả so sánh phát thải:

Hình 13. Đồ thị so sánh phát thải NOx

Hình 14. Đồ thị so sánh phát thải PM

Hình 15. Đồ thị so sánh phát thải CO

Qua đồ thị so sánh phát thải ta thấy phát thải
NOx và PM sau khi chuyển sang RCCI nhỏ hơn
đáng kể so với động cơ nguyên bản. Cụ thể, phát
thải NOx nhỏ hơn khoảng 87% so với động cơ
nguyên bản, phát thải PM nhỏ hơn khoảng 90% so
với động cơ nguyên bản. Sở dĩ việc NOx và PM
giảm là do nhiệt độ cháy trong xylanh khi chuyển
sang RCCI nhỏ hơn so với động cơ nguyên bản.
Phát thải CO ở momen 2 Nm nhỏ hơn so với động
cơ nguyên bản nhưng từ khoảng 4 Nm thì CO khi
chuyển sang RCCI lại tăng vọt so với động cơ
nguyên bản. Nguyên nhân là do khi động cơ chuyển
sang RCCI thì hệ số dư lượng khơng khí nhỏ hơn
so với động cơ ngun bản.
5. Kết luận
Động cơ RCCI với đặc trưng là quá trình cháy
kích nổ của động cơ xăng nhưng khu vực xuất hiện
cháy xuất phát từ gần thành xy lanh và lan dần vào
tâm xy lanh, đồng thời do mức độ đồng nhất cao của
hỗn hợp cháy nên hạn chế những vùng hỗn hợp giàu
và nghèo dẫn tới phát thải NOx và PM được cải
thiện rõ rệt. Cụ thể NOx đã giảm được 87% và PM
giảm được 90% so với động cơ nguyên bản.

Ngoài giảm được phát thải NOx và PM với
ưu điểm cháy của động cơ RCCI cũng đã cải thiện
công suất (tăng khoảng 9%) và giảm tiêu hao nhiên
liệu (khoảng 8,6%) so với động cơ nguyên bản.
Tuy nhiên đây cũng là một cơ sở để điều chỉnh
các thông số điều khiển của động cơ tạo tiền để cho
các nghiên cứu khác về động cơ RCCI.
Lời cảm ơn
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn đề tài cấp
Bộ Giáo dục và Đào tạo: B2018-BKA-59 đã hỗ trợ
kinh phí cho nhóm tác giả hoàn thành nghiên cứu
này.

Tài liệu tham khảo
[1]. Turns SR. An introduction to combustion: concepts and applications. 2nd ed. Boston (Massachusetts):
WCB/McGraw-Hill, 1999.
[2]. Reitz RD, Duraisamy G. Review of high efficiency and clean reactivity controlled compression
ignition (RCCI) combustion in internal combustion engines. Prog Energy Combust Sci, 2015; 46:12–71.
[3]. Kaveh Khodadadi Sadabadi, Modelling and control of combustion phasing of an rcci engine,
Luận án thạc sĩ Đại học công nghệ Michigan, 2015.
[4]. Yanmar service manual, industrial diesel engine, model: L-A series.

18

Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng 3 - 2021

Journal of Science and Technology


ISSN 2354-0575

RESEARCH FOR ENGINEERING SIMULATION OF RCCI ENGINE
WITH ORIGINAL DIESEL ENGINE ON THE AVL-BOOST SOFTWARE
Abstract:

This study evaluates the simulation of a Yanmar 178F engine that burns according to the RCCI engine
compared to the original engine on the AVL-Boost software. Research using Vibe fire model and Woschni
heat transfer model in AVL-Boost software to simulate the engine. The results show that RCCI engines have
many outstanding advantages such as increasing capacity, reducing fuel consumption, reducing components
of NOx and PM emissions. The research results are the premise for other studies on RCCI engines.
Keywords: Engine RCCI, Exhaust-gas emissions, AVL-Boost.

Khoa học & Công nghệ - Số 29/Tháng 3 - 2021

Journal of Science and Technology

19