Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel

1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

CAO ĐÀO NAM
NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN VỚI HỖN HỢP

HAI GIAI ĐOẠN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2024

2
Công trình được hồn thành tại Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ
Chí Minh

Người hướng dẫn: 1- PGS. TS. Hoàng Anh Tuấn
2- PGS. TS. Trần Thị Thu Hương

Phản biện độc lập 1:
Phản biện độc lập 2:

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
Vào hồi ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM

3

MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng, nhu cầu tìm kiếm nguồn
năng lượng tái tạo ngày càng trở nên quan trọng trên toàn thế giới. Biodiesel được
sản xuất từ dầu thực vật có đặc tính tương tự như dầu diesel có nguồn gốc từ dầu
mỏ đã được quan tâm, sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel.

PCCI là viết tắt của "Premixed Charge Compression Ignition", là một phương
pháp đốt cháy được sử dụng trong động cơ diesel để cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên
liệu và giảm lượng khí thải. Động cơ PCCI dựa trên sự kết hợp của phun nhiên liệu
áp suất cao, nén khơng khí và hịa trộn trước nhiên liệu và khơng khí để đạt được
q trình đốt cháy có kiểm sốt. Bằng cách hịa trộn trước nhiên liệu và khơng khí,
động cơ có thể hoạt động với tỷ lệ khơng khí-nhiên liệu ít hơn, giúp giảm lượng khí
thải và cải thiện hiệu suất nhiên liệu. WCO là viết tắt của " Waste cooking oil ", là
một loại dầu tái chế có nguồn gốc từ dầu ăn đã được sử dụng để chiên thức ăn. WCO
có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất dầu diesel sinh học và việc sử dụng
nó làm nguồn nhiên liệu có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và
giảm tác động đến môi trường. Đối với động cơ diesel, công nghệ PCCI có thể được
sử dụng kết hợp với WCO làm nguồn nhiên liệu để tiếp tục giảm lượng khí thải và
cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Chỉ số cetane cao của WCO có thể tạo thuận lợi cho
q trình đốt cháy trong động cơ PCCI và việc sử dụng WCO làm nguồn nhiên liệu
có thể giúp giảm lượng khí thải carbon của động cơ diesel. Trong điều kiện cụ thể ở
Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu để tìm ra phương pháp đốt cháy kết hợp một

loại nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quả tốt hơn là điều hết sức cần thiết và cấp bách.

Xuất phát từ lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết lập chế độ
cháy do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel” nhằm mục đích phân
tích, đánh giá cơng nghệ PCCI kết hợp với WCO làm nhiên liệu cho động cơ diesel,
giúp hạn chế sự phụ thuộc vào các loại nhiên liệu truyền thống và giảm ô nhiễm môi
trường.

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu để tìm ra phương pháp đốt cháy kết hợp một loại nhiên liệu thay
thế mới, có hiệu quả tốt hơn. Phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu
WCO trên động cơ diesel mang lại rất nhiều lợi ích về kỹ thuật, kinh tế và mơi
trường. Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu
truyền thống và giảm phát thải NOx và PM gây ô nhiễm môi trường.

4

a) Mục tiêu lý thuyết
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy trong động cơ diesel theo phương
pháp đốt cháy PCCI;
- Xây dựng mơ hình và mơ phỏng q trình cháy PCCI trên động cơ diesel truyền
thống;
- Phân tích ảnh hưởng của các thông số đầu vào như tỷ lệ nhiên liệu, thời điểm
phun, áp suất phun, đến quá trình cháy PCCI;
- Nghiên cứu cơ chế hình thành các thành phần khí thải NOx, PM của q trình
cháy PCCI;
b) Mục tiêu thực nghiệm
- Thiết lập chế độ thử nghiệm cho quá trình cháy PCCI trên động cơ diesel truyền
thống;

- Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời điểm phun và áp suất phun đến quá
trình cháy và phát thải;
- Thực nghiệm đánh giá đặc tính cơng suất và phát thải của động cơ PCCI sử
dụng các hỗn hợp nhiên liệu sinh học/diesel có kết hợp hệ thống lưu hồi khí thải
EGR;
- So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm để đánh giá tính khả thi của
mơ hình mơ phỏng.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
a) Đối tượng nghiên cứu
- Động cơ thí nghiệm là Kirloskar TVI.
- Nhiên liệu: diesel, hỗn hợp nhiên liệu diesel - WCO;
- Quá trình cháy của nhiên liệu diesel, của hỗn hợp nhiên liệu diesel-WCO được
tổ chức theo phương thức hòa trộn trước một phần ở bên ngoài xy lanh động cơ.
b) Phạm vi nghiên cứu
- Ứng dụng phần mềm Ansys Fluent; xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn buồng
cháy động cơ dạng hình trụ có 2 đáy bằng, cửa nạp và cửa thải bố trí trên bề mặt trụ,
đối nhau, vịi phun nhiên liệu bố trí ở giữa của nạp, nhiên liệu là hỗn hợp diesel-
WCO có tỷ lệ WCO thay đổi từ 0% đến 40%.
- Xác định diễn biến thay đổi của C10H22, nhiệt độ, muội than, NOx trong không
gian buồng cháy ở các mức tải khác nhau.
– Động cơ thí nghiệm chạy ở số vịng quay định mức (1.500 v/ph), ở 5 mức tài
(khơng tải đến toàn tài); EGR thay đổi 4 mức (từ 0% đến 20%). Hỗn hợp nhiên liệu
diesel - WCO với tỷ lệ WCO thay đổi 4 mức từ 0% đến 40%;

5

– Đánh giá khả năng phát công suất, hiệu suất, phát thải ô nhiễm PM và NOx
trong khi xả.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a) Nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp này được sử dụng để làm rõ cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu: Nghiên

cứu, tổng hợp các cơ sở lý thuyết về quá trình cháy trong động cơ diesel và phương
pháp đốt cháy PCCI trên động cơ diesel. Mơ hình mơ tả q trình cháy, tỏa nhiệt,
phát thải của động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI.

b) Nghiên cứu mô phỏng
Sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các thơng số đến q trình cháy của động

cơ diesel: Mơ phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel theo phương pháp PCCI
sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu dầu ăn thải bằng phần mềm ANSYS Fluent, xây
dựng các bài toán mô phỏng với các điều kiện khác nhau về tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu,
các chế độ PCCI khác nhau.

c) Nghiên cứu thực nghiệm
Phương pháp này được sử dụng nhằm đánh giá thực tế hoạt động của động cơ

diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu dầu ăn thải:
Điều khiển hệ thống phun nhiên liệu hai giai đoạn cho động cơ diesel thực nghiệm,
tiến hành các thí nghiệm khảo sát các đặc tính của động cơ PCCI, đo đạc, phân tích
các thơng số của q trình cháy và thành phần khí thải.

d) Phương pháp phân tích và tổng hợp

Phương pháp này được sử dụng để tổng hợp và đánh giá các kết quả thu được nhằm
đưa ra kết luận: Phân tích, so sánh kết quả mơ phỏng và kết quả thực nghiệm.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

a) Về khoa học

- Luận án có ý nghĩa trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết và chuyển đổi động cơ
diesel truyền thống sang sử dụng nhiên liệu WCO - diesel kết hợp phương pháp đốt
cháy PCCI. Đây là cơ sở cho việc cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải cho động
cơ diesel truyền thống khi sử dụng các nguồn nhiên liệu tái tạo có tiềm năng ở nước
ta.

- Nghiên cứu sẽ góp phần đưa ra đánh giá về mặt kỹ thuật khi sử dụng WCO -
diesel làm nhiên liệu thay thế cho diesel, phương pháp đốt cháy PCCI hiện đang
được các nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu và phát triển.

6

b) Về thực tiễn

Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho
động cơ diesel. Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ
khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu diesel pha trộn với WCO theo một tỷ lệ hòa trộn
hợp lý.

5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Xây dựng thành cơng mơ hình của q trình cháy nhiệt độ thấp PCCI, sử dụng
phun hai giai đoạn và luân hồi khí thải, từ động cơ diesel truyền thống;

- Thiết lập thành cơng phương pháp để mơ phỏng q trình cháy nhiệt độ thấp PCCI
sử dụng hỗn hợp diesel và nhiên liệu sinh học và so sánh đối chứng với quá trình

cháy của động cơ diesel truyền thống.

- Xây dựng thành cơng mơ hình và phương pháp thực nghiệm để đánh giá các đặc
tính cơng suất và đặc tính phát thải của động cơ diesel cháy ở chế độ PCCI, sử dụng
các hỗn hợp nhiên liệu diesel - nhiên liệu sinh học với tỷ lệ của nhiên liệu sinh học
thay đổi từ 0% đến 40%.

6. KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN

Mở đầu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 2: Quá trình đốt cháy nhiệt độ thấp

Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI
sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu WCO

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung và hướng phát triển

7

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về NOx và phát thải PM

Cả NOx và PM đều được coi là các chất gây ô nhiễm không khí quan trọng, ảnh
hưởng đến chất lượng khơng khí và sức khỏe của con người và mơi trường tự nhiên.

Việc giảm thiểu phát thải NOx và PM là một trong những mục tiêu chính được quan
tâm trên tồn thế giới [1].

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

Cơ chế Zeldovich được cho là ngun nhân chính góp phần hình thành NOx
trong hầu hết các điều kiện đốt cháy. Phản ứng hóa học trong cơ chế Zeldovich có
thể được tóm tắt như sau [32]:

O + N2 ⇆ NO + N (1.1)

N + O2 ⇆ NO + O (1.2)

N + OH ⇆ NO + H (1.3)

Dựa trên phân tích động học, biểu thức tổng thể cho tốc độ hình thành NOx nhiệt
(d [NOx] / dt, mol / ml.s) được biểu diễn trong phương trình sau:

𝑑[𝑁𝑂𝑥] 𝑑𝑡 = 𝑇0.5 6.1016 × exp (−69,090 𝑇 ) × [𝑁2] × [𝑂2 ]0.5 (1.4)

Với: [N2] – Nồng độ N2, mol/ml

[O2] –Nồng độ O2, mol/ml

T – Nhiệt độ tuyết đối, Ko

1.1.2 Tác động và kiểm soát phát thải NOx và PM

PM được gọi là các hạt rắn hoặc lỏng, có thể là muội than hoặc khói do kích
thước lớn hoặc màu tối của nó. Trong khi đó, hầu hết chúng là PM mịn, được hình

thành bởi các vật thể nhỏ tồn tại trong khí quyển, chẳng hạn như bột, bụi bẩn, muội
than, khói và các giọt chất lỏng. Các PM diesel mịn chiếm 90% thường được gọi là
PM2.5 (đường kính <2,5 µm) [40]. Nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất
để giảm thiểu phát thải NOx và PM, việc áp dụng EGR đã được tìm thấy để cắt giảm
phát thải NOx. Mặt khác, việc sử dụng EGR làm tăng lượng khí thải PM cũng như
bổ sung các cặn bám có nguồn gốc từ muội than trên các bộ phận cơ khí của động
cơ.

8

Liên quan đến cơ chế kiểm soát phương pháp giảm phát thải NOx và PM, LTC
đã và đang nổi lên trong đó nhiệt độ đốt cháy trong xylanh được giảm đáng kể thông
qua việc quản lý giai đoạn đốt cháy, chế độ LTC của động cơ yêu cầu nhiệt độ cháy
thấp hơn so với động cơ diesel thông thường.

Trong số các phương pháp LTC, chế độ đốt cháy PCCI được coi là một biến thể
của LTC được kiểm soát nhiều hơn trong quá trình đốt cháy. Quá trình đốt cháy
PCCI được vận hành với phương pháp phun nhiên liệu tiên tiến (con đường trung
gian giữa HCCI (Đốt cháy do nén hỗn hợp đồng nhất) và đốt cháy động cơ diesel
thông thường), cung cấp đủ thời gian để hịa trộn khơng khí với nhiên liệu trước giai
đoạn SOC [53]. Nói chung, q trình cháy PCCI là một cách tiếp cận trung gian
giữa HCCI và động cơ diesel thông thường cho phép phát thải NOx và PM thấp hơn
cũng như giữ cho việc kiểm soát tốt hơn trong giai đoạn cháy.
1.2 Tổng quan về quá trình cháy trong động cơ diesel

1.2.1 Q trình cháy trong động cơ diesel thơng thường
Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt chuyển đổi năng lượng hóa học liên kết trong
nhiên liệu thành cơ năng. Trong các động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốt cháy và
các sản phẩm của quá trình đốt cháy trực tiếp tác dụng lực lên piston động cơ. Các
loại động cơ đốt trong được sử dụng thường xuyên nhất trong xe ô tô là động cơ

cháy do nén. Phần lớn các động cơ diesel là động cơ bốn kỳ, tức là có bốn giai đoạn
riêng biệt trong một chu trình hồn chỉnh của động cơ CI, cụ thể là, kì nạp, kì nén,
kì nổ hoặc giãn nở và kì thải.

Hình 1.6 Mơ hình về quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel [59].
1.2.2 Quá trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel

Các yếu tố như sự nóng lên tồn cầu, cải thiện chất lượng khơng khí ở khu vực
thành thị, hiệu quả năng lượng và an ninh năng lượng chi phối sự phát triển của động

9
cơ diesel mới hơn và nhiên liệu thay thế. Thách thức này có thể được giải quyết
bằng cách phát triển các hệ truyền động thay thế (pin nhiên liệu, hybrid, xe điện)
hoặc bằng cách cải thiện hiệu suất của động cơ diesel thông thường bằng cách phát
triển các chế độ đốt cháy động cơ.

Hình 1.8 Các phương pháp đốt cháy dựa trên phản ứng nhiên liệu [43]

1.3.2 Hình 1.9 Xu hướng hợp nhất công nghệ động cơ diesel và động cơ xăng thông
thường vào động cơ LTC [43]

1.3 Tình hình nghiên cứu và 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

1.3.1.1 Đặc tính cháy, phát thải, hiệu suất, tiếng ồn của động cơ

1.3.1.2 PCCI cho các loại nhiên liệu khác nhau

1.3.1.3 Chế độ làm việc và thay đổi kết cấu động cơ

Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI ở Việt Nam
Hiện tại, nghiên cứu về động cơ PCCI cũng như ứng dụng ở Việt Nam đang

được quan tâm và phát triển. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng động cơ PCCI là một công
nghệ mới và vẫn còn đang được nghiên cứu và phát triển, đặc biệt là trong ngành
công nghiệp ô tô.

Một số viện nghiên cứu và trường đại học tại Việt Nam đã có những nghiên cứu
lý thuyết về động cơ PCCI. Hiện nay chưa có một nghiên cứu cụ thể về mô phỏng
và thực nghiệm trên động cơ. Các cơng trình nghiên cứu vể quá trình cháy trong

10

động cơ diesel thông thường trong nước rất nhiều. Hiện nay chưa có cơng trình
nghiên cứu nào về đốt cháy do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel
(PCCI).

Kết luận chương 1

Nội dung chương này đã trình bày nghiên cứu tổng quan phát thải NOx và PM,
cơ chế hình NOx và phát thải PM trong động cơ diesel. Đồng thời nghiên cứu các
tác động và kiểm sốt phát thải NOx và PM. Ngồi ra, nghiên cứu q trình cháy
thơng thường và q trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel. Việc tìm hiểu
tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và việc sử dụng phương pháp đốt cháy
PCCI trên động cơ diesel làm cơ sở để nghiên cứu sinh tìm ra các khoảng trống cần
nghiên cứu cho luận án này.

Chính vì thế, đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu việc sử dụng phương pháp PCCI
cho động cơ diesel tương ứng với các góc phun nhiên liệu khác nhằm đánh giá các

thơng số q trình cháy và phát thải khi sử dụng phương pháp đốt cháy này trên
động cơ diesel, làm cơ sở ban đầu cho việc ứng dụng phương pháp đốt cháy này
trong tương lai tại Việt Nam.

CHƯƠNG 2. QUÁ TRÌNH ĐỐT CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP

2.1 Nguyên lý đốt cháy ở nhiệt độ thấp

Đặc tính phóng của ngọn lửa phụ thuộc vào nhiệt độ và mật độ xung quanh (khí
trong xi lanh), đường kính lỗ phun, áp suất phun và nồng độ oxy [83, 84]. Pickett et
al. [83] đã đưa ra một mối quan hệ thực nghiệm để ước tính chiều dài phóng (H) cho
bởi công thức:

H = 𝐶𝑇−3.74𝑝𝑎−0.85𝑑0.34𝑈1𝑍−1𝑎 (2.1)
𝑠𝑡

Trong đó C là hằng số tỷ lệ, Ta [K] là nhiệt độ môi trường xung quanh, ρa [kg/m3]
là mật độ môi trường xung quanh, d [μm] là đường kính đầu kim phun, U [m/s] là
tốc độ phun và Zst là phần hỗn hợp nhiên liệu cân bằng hóa học, ảnh hưởng của
nồng độ oxy trong mơi trường xung quanh. Chiều ngang trung bình φ của một mơ
hình kim phun như là một hàm của khoảng cách từ lỗ kim phun có thể được ước
lượng bằng phương trình 2.2:

∅= 2(𝐴⁄𝐹)𝑠 (2.2)

√1+16(𝑥⁄𝑥+)2−1

Với 𝑥+ = √ 𝑎 𝑝𝑓 √𝑐𝑎𝑑 và tan(𝑎) = 𝑎𝑐1((𝑝𝑎)0.19 − 𝐶2√𝑝𝑎

𝑝𝑎 tan (2) 2 𝑝𝑓 𝑝𝑓

11
Trong đó ρf và ρa là mật độ nhiên liệu và môi trường xung quanh. Ca là hệ số
co lại của vịi phun, d là đường kính lỗ phun và α là góc phát tán của tia phun.

Hình 2.1 (a) Minh họa về quá trình hình thành NOx và muội than trong quá
trình đốt cháy trong động cơ diesel [58][85] (b) Vùng vận hành LTC trên bản đồ

φ-T [79] [86] [87] [88].
2.2 Nạp hỗn hợp đồng nhất và đốt cháy do nén

2.2.1 Nguyên tắc cơ bản HCCI
HCCI là cháy do nén với hỗn hợp đồng nhất. Đây là một loại cơng nghệ kết hợp
các tính năng của cả động cơ xăng và động cơ diesel để đạt được hiệu suất nhiên
liệu được cải thiện và lượng khí thải thấp hơn. Động cơ HCCI sử dụng sự kết hợp
giữa áp suất và nhiệt độ để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí đồng nhất.
Điều này dẫn đến quá trình đốt cháy sạch hơn và hiệu suất cao hơn so với động cơ
cháy truyền thống, đồng thời thải ra các chất gây ô nhiễm ở mức độ thấp hơn như
oxit nitơ (NOx).

Hình 2.3 (a) Quá trình đốt cháy HCCI. (b) So sánh quá trình đốt cháy của động cơ
xăng, động cơ diesel và HCCI trong chu kỳ bốn kỳ.

12
2.2.2 Quá trình tự cháy và giải phóng nhiệt HCCI
Q trình tự cháy và giải phóng nhiệt trong HCCI được thực hiện bằng cách kết
hợp áp suất và nhiệt độ cao để kích hoạt q trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu và
khơng khí.

Hình 2.4 Minh họa giải phóng nhiệt một và hai giai đoạn trong quá trình đốt cháy

HCCI cho hai loại nhiên liệu khác nhau [102].

2.2.3 Đặc điểm quá trình cháy HCCI
Một điểm mạnh khác của động cơ HCCI là đồng thời giảm phát thải NOx và PM

xuống mức rất thấp do nhiệt độ đốt cháy thấp hơn (các phản ứng tạo NOx thấp hơn)
và hoạt động nạp hỗn hợp hịa trộn trước (sự hình thành muội than thấp hơn do
khơng có vùng giàu trong quá trình nạp) tại khu vực LTC.

Hình 2.5 Ưu điểm của động cơ HCCI, những khó khăn lớn và các giải pháp.

13

Mặc dù quá trình đốt cháy HCCI có ưu điểm so với động cơ thơng thường nhưng
nó cũng có một số thách thức về kỹ thuật cần được giải quyết trước khi áp dụng nó
cho sản xuất động cơ. Một trong những thách thức chính trong quá trình đốt cháy
HCCI là kiểm sốt q trình đốt cháy, nó điều chỉnh tốc độ đốt cháy và áp suất cực
đại trong xi lanh. Thách thức lớn khác là mở rộng phạm vi giới hạn hoạt động HCCI,
đồng thời duy trì được tồn bộ ưu điểm của q trình đốt cháy HCCI. Để đạt được
vận hành động cơ với tải cao hơn, lượng nhiên liệu tương đối cần phải được đốt
cháy ở thời gian đốt cháy thích hợp.
2.3 Đốt cháy hỗn hợp đồng nhất hòa trộn trước do nén

Trong chế độ PCCI, có hai phương án phun nhiên liệu trực tiếp khác nhau được
sử dụng gọi là phun trực tiếp sớm và phun trực tiếp trễ đối với thời gian phun của
động cơ diesel thông thường. Ở phương án phun trực tiếp sớm, nhiên liệu được phun
trực tiếp vào trong lịng xilanh trong kì nén. Trước điểm chết trên để cho phép đủ
thời gian hòa trộn nhiên liệu và khơng khí. Q trình đốt cháy chung với phun nhiên
liệu trực tiếp sớm được gọi là nạp hỗn hợp hòa trộn trước và đốt cháy do nén (PCCI).

Khi kết hợp PCCI diesel và WCO, người ta có thể sử dụng WCO như một nguồn
nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel thông thường trong công nghệ PCCI diesel.
Việc sử dụng WCO trong PCCI diesel có thể giảm thiểu lượng khí thải và tiêu hao
nhiên liệu so với việc sử dụng nhiên liệu diesel thơng thường.

Do đó, việc sử dụng PCCI diesel kết hợp với WCO đòi hỏi sự chú ý đến việc
chuẩn bị và xử lý WCO để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc sử dụng nó như
một nguồn nhiên liệu tái chế cho động cơ PCCI diesel.

Hình 2.6 Sự thay đổi của HHR cho PCCI phun trực tiếp sớm - muộn và động cơ
diesel thơng thường [58][119][120].

Ngồi ra, việc kết hợp PCCI diesel và WCO cũng đòi hỏi việc điều chỉnh các
thông số của động cơ, bao gồm áp suất và thời điểm phun nhiên liệu để đảm bảo sự
hòa trộn tối ưu giữa nhiên liệu và khơng khí và đạt được hiệu suất động cơ tốt nhất.
2.6 Kết luận chương 2

14

Nội dung chương 2 đã trình bày về cơ sở lý thuyết quá trình cháy nhiệt độ thấp
của động cơ. Một số phương án LTC khác nhau để giảm thiểu khí thải và tăng hiệu
suất đốt cháy. Một số phương án phổ biến bao gồm: HCCI (Homogeneous Charge
Compression Ignition); PCCI (Premixed Charge Compression Ignition).

PCCI kết hợp với nhiều loại nhiên liệu và EGR (Exhaust Gas Recirculation), có
thể đạt được một số lợi ích như sau:

-Giảm khí thải độc hại: Khi sử dụng nhiều loại nhiên liệu và EGR, PCCI giúp
giảm mức độ oxy trong động cơ, từ đó giảm lượng NOx được tạo ra trong quá trình
đốt cháy.

-Tăng hiệu suất động cơ: Khi sử dụng nhiều loại nhiên liệu và EGR, PCCI cung
cấp thêm nhiên liệu vào hỗn hợp cháy, từ đó giúp tăng áp suất và hiệu suất của động
cơ.

-Tối ưu hóa hiệu quả nhiên liệu: Khi sử dụng nhiều loại nhiên liệu và EGR, PCCI
cho phép cung cấp thêm nhiên liệu vào hỗn hợp cháy, từ đó giúp tối ưu hóa hiệu quả
nhiên liệu của động cơ.

-Giảm tiếng ồn: Khi sử dụng nhiều loại nhiên liệu và EGR, PCCI giảm khả năng
phát sinh tiếng ồn trong q trình đốt cháy.

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

3.1. Đặt vấn đề

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học WCO sử dụng trên động cơ diesel
đốt cháy theo phương pháp PCCI đến các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ
diesel, ta tiến hành tính tốn mơ phỏng động cơ động cơ Kirloskar TV1 khi sử dụng
hỗn hợp WCO với các tỉ lệ B10, B20, B30 và B40 theo thể tích trong hỗn hợp với
diesel ở các chế độ mômen xoắn 4,875 Nm, 9,75 Nm, 14,625 Nm và 19,5 Nm, tốc
độ vòng quay 1500 vg/ph, EGR từ 5%, 10%, 15% và 20%; góc phun hai giai đoạn
gồm : 40o - 10o, 45o - 15o, 50o - 20o và 55o - 25o.

3.2 Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu thử nghiệm

3.2.1 Động cơ nghiên cứu

Động cơ được sử dụng để xây dựng mơ hình nghiên cứu trong luận án này là
động cơ Kirloskar TV1. Đây là loại động cơ diesel, gồm 1 xi lanh.

15

3.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm

Q trình mơ phỏng động cơ được thực hiện ở chế độ tải là 100%, 75%, 50%,
25% cho lần lượt các loại nhiên liệu là diesel, WCO với các tỉ lệ B10, B20, B30 và
B40 theo thể tích trong hỗn hợp với diesel.

Dầu ăn thải được coi là nhiên liệu động cơ diesel hấp dẫn do tính sẵn có của nó
và có các đặc tính rất gần với dầu diesel [128] [129]. Tính khả dụng của WCO trên
tồn thế giới là rất lớn. Tuy nhiên, một phần lớn của WCO bị đổ xuống sông và các
bãi đất hoang gây ô nhiễm môi trường. Một cách hiệu quả để xử lý WCO là biến đổi
nó và sử dụng nó làm nhiên liệu trong động cơ diesel [130].

3.3 Xây dựng mơ hình mơ phỏng

3.3.1 Phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent

ANSYS Fluent là gói phần mềm tính tốn động lực học chất lỏng (CFD) được
phát triển bởi ANSYS Inc. Đây là một công cụ mạnh mẽ được sử dụng để mô phỏng
dòng chất lỏng, truyền nhiệt và các hiện tượng liên quan khác. ANSYS Fluent có
thể được sử dụng trong nhiều ngành cơng nghiệp khác nhau, thiết kế và phân tích
các hệ thống dòng chất lỏng, chẳng hạn như động cơ đốt trong.

3.3.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình ngọn lửa trong q trình đốt cháy PCCI
trong phần mềm ANSYS Fluent

3.3.2.1 Sự lan truyền của ngọn lửa

Sự lan truyền phía trước ngọn lửa được mơ hình hóa bằng cách giải phương trình
vận chuyển cho phản ứng trung bình, ký hiệu là :

∂∂𝑡 (𝜌𝑐) + ∇ ⋅ (𝜌𝑣⃗𝑐) = ∇ ⋅ ( 𝜇𝑡 𝑆𝑐𝑡 ∇𝑐) + 𝜌𝑆𝑐 (3.1)

3.3.2.2 Tốc độ ngọn lửa hỗn loạn

Trong ANSYS Fluent, tốc độ ngọn lửa xốy Zimont được tính tốn bằng cách
sử dụng một mơ hình cho các mặt trước ngọn lửa hỗn loạn và dày lên [137]

𝑈 = 𝐴(𝑢′)3/4𝑈1/2𝛼−1/4ℓ1/4𝑡 𝑙 𝑡

= 𝐴𝑢′ (𝜏𝑡)1/4 (3.4) (3.5)

𝜏𝑐

3.4. Kết quả và đánh giá

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

16

Hình 3.9, 3.10, 3.11, 3.12 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm, 9,75
Nm, 14,625 Nm và 19,5 Nm.

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

Hình 3.13, 3.14, 3.15, 3.16 Kết quả mơ phỏng ứng với mômen xoắn 4,875

Nm, 9,75 Nm, 14,625 Nm và 19,5 Nm.

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

17

Hình 3.17, 3.18, 3.19, 3.20 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm,
9,75 Nm, 14,625 Nm và 19,5 Nm.

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

Hình 3.21, 3.22, 3.23, 3.24 Kết quả mô phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm,
9,75 Nm, 14,625 Nm và 19,5 Nm.

3.3.5 Nhiên liệu Diesel 60% - WCO 40% (B40) – PCCI: 60% và 40%

18

Hình 3.25, 3.26, 3.27, 3.28 Kết quả mơ phỏng ứng với mômen xoắn 4,875 Nm,
9,75 Nm, 14,625 Nm và 19,5 Nm.

3.5 Kết luận chương 3
Kết quả nghiên cứu dựa trên mơ hình rối RNG k- ε đã được thực hiện để đánh

giá tác động của việc phun hai giai đoạn đối với các quá trình đốt cháy của WCO
(B10, B20, B30, B40) và nhiên liệu diesel (D100). Ảnh hưởng của nhiệt độ, phần
khối lượng của NOx, muội than và phần khối lượng của C10H22 cũng được trình bày.
Các kết quả thu được trong nghiên cứu này được tóm tắt như sau:

-Nhiên liệu diesel sinh học của WCO là một trong những nhiên liệu thay thế đầy

hứa hẹn cho động cơ diesel do chi phí thấp và tính chất tương tự như nhiên liệu
diesel.

-Thời điểm phun rất quan trọng để kiểm sốt nhiệt độ và lượng khí thải NOx.
Lần phun đầu tiên được xác định thời gian để làm mát buồng đốt trước khi lượng
nhiên liệu thứ cấp được phun vào.

-Áp suất phun cũng rất quan trọng để kiểm soát nhiệt độ và lượng khí thải NOx.
Áp suất phun cao hơn có thể giúp giảm lượng khí thải NOx, nhưng chúng cũng có
thể làm tăng nhiệt độ cao nhất trong buồng đốt.

19

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1 Mục tiêu thực nghiệm

4.1.1 Đặt vấn đề

4.1.2 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá các đặc tính kỹ thuật và phát thải của
động cơ diesel khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu WCO - diesel ở các tỉ lệ hòa trộn
khác nhau kết hợp phương pháp đốt cháy PCCI.

- Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm
ANSYS Fluent để từ đó khẳng định lại tính chính xác của mơ hình mơ phỏng.

4.2 Phạm vi và điều kiện thực nghiệm

Quy trình bao gồm thực nghiệm động cơ lần lượt với nhiên liệu D100, các hỗn
hợp nhiên liệu hòa trộn 10WCO (B10), 20WCO (B20), 30WCO (B30) và 40WCO
(B40) ở các chế độ làm việc, cụ thể như sau:

Tại số vòng quay 1500 v/ph ổn định, tiến hành đo công suất, hiệu suất nhiệt,
suất tiêu hao nhiên liệu áp suất có ích trung bình của D100, B10, B20, B30, B40;
B20 và EGR thay đổi 5%, 10%, 15% và 20%; B20 , EGR 20% và các chế độ PCCI
(40o - 10o; 45o - 15o; 50o - 20o; 55o - 25o). Vòng quay 1500 v/ph ổn định, tiến hành đo
áp suất xi lanh, khối lượng nhiên liệu đốt cháy, thời gian đốt cháy, tốc độ tỏa nhiệt
ròng, tốc độ tỏa nhiệt tích lũy, nhiệt độ khí trung bình của các loại nhiên liệu B10,
B20, B30, B40; B20 và EGR thay đổi 5%, 10%, 15% và 20%; B20, EGR 20% và
các chế độ PCCI (40o - 10o; 45o - 15o; 50o - 20o; 55o - 25o). Tại số vòng quay 1500
v/ph ổn định, tiến hành đo phát thải của ba trường hợp trên.

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

4.3.1. Nhiên liệu thử nghiệm

Nhiên liệu cho quá trình thử nghiệm bao gồm nhiên liệu diesel thương phẩm và
các hỗn hợp hòa trộn giữa WCO với nhiên liệu diesel như sau: 10WCO (10% WCO
và 90% nhiên liệu diesel theo thể tích), 20WCO (20% WCO và 80% nhiên liệu
diesel), 30WCO (30% WCO và 70% nhiên liệu diesel) và 40WCO (40% WCO và
60% nhiên liệu diesel). Nhiên liệu diesel dùng trong quá trình thử nghiệm là loại
nhiên liệu đang được sử dụng rộng rãi trên thị trường, còn WCO được sản xuất và
cung cấp bởi phòng thực nghiệm động cơ, Mepco Schlenk Engineering College,

Sivakasi, Tamil Nadu, Ấn Độ.

20

4.3.2 Trang thiết bị thử nghiệm

Động cơ Kirloskar TV1 là một loại động cơ diesel công suất thấp được sản xuất
bởi công ty Kirloskar Oil Engines Limited (KOEL) tại Ấn độ. Động cơ này có thiết
kế đơn giản và độ bền cao, được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như máy
phát điện, máy nơng nghiệp, máy bơm nước, máy nén khí và các thiết bị công nghiệp
khác. Động cơ Kirloskar TV1 có dung tích xi lanh 661cc và cơng suất tối đa khoảng
7 mã lực (5,2 kW) ở số vòng quay 1500 vịng/phút. Nó sử dụng hệ thống làm mát
bằng nước và hệ thống phun dầu. Động cơ này cũng được trang bị hệ thống bôi trơn
bằng dầu áp lực cao để tăng tuổi thọ và độ bền của nó. Tổng thể, động cơ Kirloskar
TV1 là một loại động cơ diesel đáng tin cậy và hiệu quả với nhiều ứng dụng khác
nhau trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp và giao thông.

Hình 4.2 Động cơ Kirloskar TV1.
4.3.3. Quy trình thử nghiệm
4.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
4.4.1 Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ

Hình 4.8: Đồ thị thể hiện cơng suất Hình 4.9: Đồ thị thể hiện hiệu suất
động cơ tại các mức mômen xoắn và nhiệt động cơ tại các mức mômen xoắn
loại nhiên liệu khác nhau. và loại nhiên liệu khác nhau.