Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀNỘI

NGUYỄN MINH THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN HỖN HỢP
ĐỒNG NHẤT (HCCI) SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
N-HEPTAN/ETHANOL/DIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hà Nội – 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN MINH THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN HỖN HỢP

ĐỒNG NHẤT (HCCI) SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

N.H EPTAN/ETHANOL/DIESEL

Ngành: Kỹ thuật Ơ tơ
Mã số: 9520130

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ô TÔ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS. Lê AnhTuấn

2. TS. Phạm MinhHiếu

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài
nghiên cứu nào khác.

TẬP THỂHƯỚNGDẪN Hà Nội, tháng 03 năm2024
Nghiên cứu sinh
Ngườihướngdẫn1 Ngườihướngdẫn2

GS.TS. LêAnhTuấn TS. Phạm Minh Hiếu Nguyễn Minh Thắng

i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Đào tạo, Trường
Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực đã cho phép tơi thực hiện luận án tại Đại học Bách
khoa Hà Nội.

Xin cảm ơn Ban Đào tạo và Khoa Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ
trong suốt q trình tơi làm luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Lê Anh Tuấn, TS. Phạm Minh Hiếu đã
hướng dẫn tơi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chun mơn để tơi có thể thực hiện
và hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành biết ơn QuýThầy,Cô Nhóm chun mơn hệ thống động
lực ơ tơ và Trung tâm nghiên cứu các nguồn động lực và phương tiện tự hành -
Trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những
điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận ánnày.

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã hậu
thuẫn và động viên tơi trong suốt q trình nghiên cứu học tập.

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các Thầy phản biện, các Thầy trong
hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể
hồn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và
thực hiện cơng trình này.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Minh Thắng

ii

MỤC LỤC

LỜICAMĐOAN......................................................................................................... i
LỜICẢMƠN............................................................................................................. ii
MỤCLỤC................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮVIẾTTẮT.............................................vii
DANH MỤCCÁCBẢNG.........................................................................................ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒTHỊ......................................................................x
MỞĐẦU.................................................................................................................... 1
i. Lý do chọnđềtài......................................................................................................1
ii. Mục đíchnghiêncứu...............................................................................................2
iii. Đối tượng và phạm vinghiêncứu...........................................................................2
iv. Nội dungnghiêncứu...............................................................................................2
v. Phương phápnghiêncứu..........................................................................................2
vi. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn củal u ậ n án..........................................................3
vii. Các điểm đóng góp mới củaluậnán......................................................................3
viii. Bố cục củaluậnán................................................................................................3

CHƯƠNG 1.TỔNGQUAN.....................................................................................4
1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhiên liệuthaythế..........................................4
1.1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trườngtừ ĐCĐT............................................................4
1.1.2 Sử dụng nhiên liệuthaythế.............................................................................5
1.2 Tổng quan về động cơHCCI.........................................................................7
1.2.1 Nguyên lý của độngcơHCCI.........................................................................7
1.2.2 Thuận lợi và thách thức của độngcơHCCI....................................................9
1.2.3 Động cơ HCCI sử dụng nhiênliệuethanol...................................................13
1.2.4 Động cơ HCCI sử dụng nhiênliệun-heptan....................................................16
1.3 Tình hình nghiên cứu về cơng nghệ HCCItrongnước.................................18
1.4 Thiết lập và điều khiển chế độcháyHCCI....................................................19
1.4.1 Chế độ phun và nhiệt độkhínạp...................................................................19
1.4.2 Thay đổi tỉsốnén.........................................................................................20
1.4.3 Sử dụng đa nhiên liệu và nhiên liệuthaythế.................................................20
1.4.4 Luân hồikhíxả.............................................................................................21

iii

1.5 Kết luậnchương1.........................................................................................21

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNHCHÁYHCCI...............................23
2.1 Hình thành hỗn hợp vàcháyHCCI...............................................................23
2.1.1 Hình thành hỗn hợp bênngồi(PFI).............................................................24
2.1.2 Hình thành hỗn hợp bên trongxilanh...........................................................26
2.2 Cơ chế phản ứng và các thơng số đặc trưng của q trìnhcháyHCCI..........31
2.2.1 Cơ chế phản ứngcháy HCCI........................................................................31
2.2.2 Đặc điểm quá trình tỏa nhiệt của độngcơ HCCI..........................................31
2.2.3 Xác định thời điểm bắtđầucháy...................................................................38
2.2.4 Điều khiển quá trình cháy trên độngcơHCCI..............................................39
2.3 Phương án thiết kế chuyển đổi động cơ CI sang động cơcháyHCCI...........42
2.3.1 Phương án cung cấp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel cho động cơHCCI..

.....................................................................................................................42
2.3.2 Cơ sở lý thuyết thay đổi nhiệt độkhínạp......................................................44
2.3.3 Xác định hệ số dư lượng khơng khí vàtỷlệ n-heptanthaythế........................44
2.3.4 Xác định lượng nhiên liệucungcấp..............................................................45
2.4 Kết luậnchương2.........................................................................................46

CHƯƠNG 3. CHUYỂN ĐỔI VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 1 XI LANH
VẬNHÀNH THEO CHẾĐỘHCCI...........................................................................47
3.1 Chuyển đổi động cơ để vận hành theo chếđộ HCCI.....................................47
3.1.1 Đặc điểm của động cơnghiêncứu................................................................47
3.1.2 Thiết kế và chế tạo các chi tiết, hệ thống cho động cơ HCCIchuyểnđổi......48
3.1.2.1 Thiết kế, cải tiến hệ thống phun nhiên liệu điều khiểnđiện tử......................48
3.1.2.2 Điều chỉnh giảm tỷ số nén củađộngcơ.........................................................51
3.1.2.3 Thiết kế chế tạo hệ thống sấy nóng khínạpmới...........................................52
3.1.2.4 Thiết kế, chế tạo hệ thống phun nhiên liệu hỗn hợp n-heptan/ethanol
giántiếp 53
3.1.2.5 Thiết kế và điều chỉnh đườngốngthải..........................................................53
3.1.2.6 Thiết kế và chế tạo hệ thống luân hồikhí thải...............................................54

3.1.2.7 Thiết kế lắp đặt cảm biến trục khuỷu vàtrụccam.........................................59
3.1.2.8 Hệ thống đo áp suất xi lanh và rungđộngcơ................................................59

iii

3.1.2.9 Hệ thống ECU điều khiểnđộngcơ...............................................................62
3.1.2.10Bộ điều khiển EDU (ElectronicDieselUnit).................................................64
3.1.3 Xây dựng đặc tínhvịi phun..........................................................................65
3.1.3.1 Đặc tính vịiphunn-heptan/ethanol..............................................................65
3.1.3.2 Đặc tính vịiphun CR...................................................................................66
3.2 Nghiên cứu mơ phỏng động cơ HCCI trên phần mềmAnsysForte................67
3.2.1 Cơ sở lý thuyết của phần mềmAnsysForte...................................................68
3.2.1.1 Các phương trìnhcơbản...............................................................................68
3.2.1.2 Mơ hình cháy trongAnsysForte......................................................................70
3.2.1.3 Giải thuật trong phần mềmAnsysForte.........................................................73
3.2.2 Xây dựng mơ hìnhmơ phỏng.......................................................................74
3.2.2.1 Mơ phỏng trên phầnmềmAnsys-ICE.............................................................74
3.2.2.2 Nhập thơng số đầu vào của bài tốn cho mơ hình động cơ trên Ansys-
ICE753.2.2.3 Chia lướimơhình.................................................................................77
3.2.2.4 Cài đặt các thông số, điều kiện biên chomôphỏng......................................79
3.2.2.5 Cài đặt chạy và chế độmô phỏng.................................................................81
3.2.3 Kết quả mô phỏng vàthảoluận.....................................................................82
3.2.3.1 Đánh giá độ chính xác của mơ hinhmơphỏng.............................................85
3.2.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu đến quá trình làm việc củađộngcơ.......87
3.2.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới quá trình làm việc của độngcơ

.....................................................................................................................89
3.3 Kết luậnchương3.........................................................................................90
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨUTHỰCNGHIỆM........................................................91
4.1 Mục đíchthửnghiệm....................................................................................91

4.2 Đối tượng và nhiên liệuthửnghiệm..............................................................91
4.2.1 Đối tượngthử nghiệm..................................................................................91
4.2.2 Nhiên liệuthửnghiệm..................................................................................91
4.3 Quy trình và phạm vithử nghiệm.................................................................92
4.4 Sơ đồ và trang thiết bịthử nghiệm................................................................94
4.4.1 Sơ đồ bố tríthử nghiệm................................................................................94
4.4.2 Trang thiết bịthửnghiệm..............................................................................96

iii

4.5 Kết quả thử nghiệm vàthảoluận..................................................................98
4.5.1 Xây dựng đặc tính của độngcơCI................................................................98
4.5.2 Kết quả thử nghiệm hoạt động ở chếđộHCCI...........................................100
4.5.3 Đặc tính cháy của động cơ HCCI khi có phunmồidiesel..............................116
4.5.4 Đánh giá tính năng kinh tế củađộngcơ........................................................118
4.5.5 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp tới q trình làm việc của độngcơ

...................................................................................................................118
4.5.6 Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ ln hồi khí thải tới q trình làm việc
củađộngcơ..............................................................................................................

122
4.5.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới các thành phần phát thảiđộchại..............126
4.5.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi chất nạp mới tới các thành phần phát thải
độchại 128
4.5.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi tới các thành phần phát thảiđộc hại.............130
4.6 Kết luậnchương4.......................................................................................132
KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂNĐỀTÀI.................134
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃCƠNGBỐ................................................136
CỦALUẬNÁN...................................................................................................... 136

TÀI LIỆUTHAM KHẢO.......................................................................................137
DANHMỤCCÁCPHỤLỤC.............................................................................PL-1
PHỤLỤC1..........................................................................................................PL-2
PHỤLỤC2..........................................................................................................PL-7
PHỤLỤC3..........................................................................................................PL-9

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, Diễn giải Đơn vị
chữ viết tắt Tỷ lệ khơng khí trên nhiên liệu -
A/F

ABE Acetone-Butanol-Ethanol -

ARC Hoạt động cháy triệt để -

ATAC Hoạt động gia nhiệt cho buồng cháy -

BSEC Năng lượng tiêu hao có ích

CA Góc quay trục khuỷu Độ

CAI Tự cháy có điều khiển -

CI Động cơ diesel -

CIHC Nén đốt cháy hỗn hợp nạp đồng nhất -

CFR Động cơ nguyên cứu nhiên liệu -

CR Đường ống chung

COV Coefficient of variation: Đại lượng đo độ phân tán tương

đối của một biến số, là tỷ số giữa độ lệch chuẩn và giá trị

trung bình của biến số đó

COVimep Hệ số dao động áp suất có ích chỉ thị trung bình

ĐCD Điểm chết dưới -

ĐCĐT Động cơ đốt trong -

ĐCT Điểm chết trên -

EDU Electronic Diesel Unit

EVC Đóng van xả -

EVO Mở van xả -

EGR Luân hồi khí xả -

FAME Este metyl axit béo -

FTM Kiểm sốt nhanh nhiệt độ khí nạp -

HCCI PFI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hình thành hỗn hợpb ê n -

ngoài

HCCI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất -

HCCI-DI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, phun trực tiếp -

HCLI Phun muộn hình thành hỗn hợp nạp đồng nhất -

HiMICS Hệ thống phun thông minh nhiều giai đoạn hỗn hợp đồng -

nhất

HPLI Phun muộn hỗn hợp được hòa trộn cao -

HRR Tốc độ giải phóng nhiệt KW

vii

HTHR Tỏa nhiệt ở nhiệt độ cao -

IMEP Áp suất chỉ thị trung bình bar

IVC Đóng van nạp -

IVO Mở van nạp IVO

LTC Nhiệt độ thấp -

LRF Nhiên liệu có độ phản ứng thấp -

LTHR Tỏa nhiệt độ ở nhiệt độ thấp -

MAPE Mean absolute percentage error)

MK Điều biến động lực học -

Me Mô men có ích

MULDIC Cháy nén hỗn hợp được hình thành nhiều giai đoạn -

NADI Thu hẹp góc phun nhiên liệu -

NCS Nghiên cứu sinh

NG Khí tự nhiên -

Ne Cơng suất có ích

NTC Vùng hệ số nhiệt độ âm -

PCCI Cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trước -

PCI Cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn -

PHCCI Nạp nén đồng nhất một phần -

PFI Hình thành hỗn hợp bên ngoài -

PM Phát thải hạt -

PREDIC Cháy do nén hỗn hợp nghèo hình thành từ trước -

PRR Tốc độ tăng áp suất Pa/s

RCCI Nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu -

RMSE Root-mean-square error

SI Động cơ xăng -

SOI Thời điểm cháy -

SOC1 Thời điểm bắt đầu cháy đối với ngọn lửa lạnh

SOC2 Thời điểm bắt đầu cháy đối với ngọn lửa nóng

tsn Tỷ số nén -

UNIBUS Hệ thống cháy đồng nhất vùng lớn -

VCR Thay đổi tỷ số nén

VVT Thay đổi pha phối khí -

λ Hệ số dư lượng khơng khí -

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất của nhiên liệu thửnghiệmn-heptan............................................17
Bảng 3.1 Thông sốkỹthuật động cơYanmarDB178F...............................................47
Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của vịi phunToyotaHilux........................................49
Bảng 3.3 Thơng sốkỹthuật củavanEGR...................................................................56
Bảng 3.4 Bảng thơng số kỹ thuật của cảm biến đo áp suấtxilanh.............................60
Bảng 3.5 Thơng sốkỹthuật cơ bản của ECUđiềukhiển.............................................63
Bảng 4.1 Tính chất của nhiên liệuthử nghiệm..........................................................92
Bảng 4.2 Thông sốkỹthuật cơ bản củabăngthử.........................................................96
Bảng 4.3 Thơng sốkỹthuật cơ bản của thiết bị đokhíthải..........................................98
Bảng 4.4 Kết quả đo tại30%tải................................................................................99
Bảng 4.5 Kết quả đo tại20%tải................................................................................99
Bảng 4.6 Kết quả đo tại10%tải................................................................................99

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Dự đốn tăng trưởng tương đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới
năm2035.................................................................................................... 5

Hình 1.2 Vùng làm việc của động HCCI, PCCIvàRCCI............................................7
Hình 1.3 Tốc độ tỏa nhiệt của HCCIvới n-heptan........................................................9
Hình 1.4 Đặc tính làm việc của độngcơHCCI...............................................................11
Hình 2.1 So sánh quá trình cháy động cơ SI và CI với độngcơHCCI........................23
Hình 2.2 Các phương pháp phun nhiên liệu của độngcơHCCI................................24
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống PFI HCCIphunngồi.........................................................25
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thốngthửnghiệm.........................................................................26
Hình 2.5 Sơ đồ hệthốngPCCI...................................................................................28

Hình 2.6 So sánh quá trình phun PREDIC và phun nhiên liệu diesel truyền thống
28Hình 2.7 Quá trình phunnhiênliệu...........................................................................29
Hình 2.8 Các giai đoạn phun nhiên liệu trong hệthốngHiMICS...............................29
Hình 2.9 Quá trình cháy trong hệthốngUNIBUS......................................................30
Hình 2.10 Đặc tính tỏa nhiệt của các loạiđộngcơ.....................................................33
Hình2.11Các pha của q trình cháy trong mộtchukỳ.............................................35
Hình 2.12 Tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quaytrụckhuỷu...........................38
Hình 2.13 Đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh theo góc quaytrụckhuỷu.............39
Hình 2.14 Phương pháp cô lập các điểm cực đại của đạo hàm tốc độ tỏa nhiệt

trongxi lanh theo góc quaytrục khuỷu........................................................39
Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy độngcơHCCI.......................................40
Hình 2.16 Mơ hình cung cấp nhiên liệu chođộngcơ.................................................43
Hình 2.17 Đặc tính bay hơicủan-heptan...................................................................44
Hình 3.1 Động cơYanmarDB178F..........................................................................47
Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu cải tiến sang phun dầuđiệntử............................48
Hình 3.3 Vịi phun ngun bản (a) và vịi phunCR(b).............................................49
Hình 3.4 Vị trí vịi phun và hình dáng tia phunnhiênliệu..........................................50
Hình 3.5 Ốngtích áp.................................................................................................50
Hình 3.6 Cảm biến áp suất và van điều khiểnápsuất................................................50
Hình 3.7Tỷsố nén của động cơ theo độ dày đệmnắpmáy.........................................52

1
0

Hình 3.8 Thiết kế đường nạp (a) và hệ thống sấy nóng khí nạp mới sau khi chế
tạo(b)...................................................................................................... 52

Hình 3.9 Vịiphunn-heptan/ethanol...........................................................................53
Hình 3.10 Đường thải động cơ và ống ln hồikhíthải.............................................53

Hình3.11Sơ đồ bố trí hệ thống ln hồikhíthải........................................................54
Hình 3.12 Sơ đồ tính tốn tiết diện lưu thơng củavanEGR......................................56
Hình 3.13VanEGR lựa chọn phục vụthí nghiệm......................................................56
Hình 3.14 Mạch điện điều khiểnvanEGR.................................................................57
Hình 3.15 Hệ thống điều khiểnvanEGR...................................................................57
Hình 3.16 Cấu tạo của bộ làm mát khílnhồi.........................................................58
Hình 3.17 Hệ thống ln hồi khí thải sau khi chế tạo và lắp đặthồnchỉnh..............58
Hình 3.18 Cấu tạo cảm vị trítrục khuỷu.....................................................................59
Hình 3.19 Cấu tạo cảm vị trítrụccam.......................................................................59
Hình 3.20 Cảm biến vị trí trục khuỷu vàtrụccam.....................................................59
Hình 3.21 Cảm biến áp suất (a) và kết cấu cảm biến ápsuất(b)................................60
Hình 3.22 Hệ thống đoAVLIndicomMobile...............................................................61
Hình 3.23 Hình ảnh bộ thu thập và hiển thịIndicomMobile......................................61
Hình 3.24 Nguyên lý làm việc của cảm biếnđorung................................................61
Hình 3.25 Bộ encoder (a) lắp đặt trên bệthử (b).......................................................62
Hình 3.26 Bộ ECU điềukhiểnECM‐0565‐128‐0701‐C......................................63
Hình 3.27 Sơ đồ điều khiển EDU và bộ EDU sử dụng trongthínghiệm...................64
Hình 3.28 Sơ đồ thử nghiệm xây dựng đặc tính vịiphun n-heptan/ethanol.................65
Hình 3.29 Kết quả đường đặc tính vịi phun n-heptan/ethanol ở áp suất3bar...........65
Hình 3.30 Sơ đồ thử nghiệm xây dựng đặc tính vịiphun CR....................................66
Hình 3.31 Hệ thống tạo nhiên liệu cao áp và vịiphunCR.........................................66
Hình 3.32 Kết quả đặc tính vịi phun diesel với 2 trường hợp áp suất phun 40 và

100MPa.................................................................................................. 67
Hình 4.1 Quy trình thực hiện nghiên cứuthử nghiệm................................................92
Hình 4.2 Sơ đồ bố trí hệ thốngthửnghiệm................................................................95
Hình 4.3 Lắp đặt động cơ thử nghiệm và thiết bị đo trên bệ thửcơngsuất.................95
Hình 4.4 BăngthửDW16..........................................................................................96
Hình 4.5 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu và nguyên lýlàmviệc.................................97
Hình 4.6 Thiết bị đo thành phần khí thải HoribaMexa584L.....................................97

Hình 4.7 Đặc tính ngồi của độngcơCI....................................................................98
Hình 4.8 Đặc tính phát thải của động cơ CI ở chế độtồntải..................................100
Hình 4.9 So sánh COVIMEPcủa động cơCIvàHCCI-n-heptan......................................103
Hình 4.10 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt của động cơ ở chế độ nguyên bản và HCCI
104Hình 4.11 Đồ thị diễn biến áp suất xi lanh và tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy

...............................................................................................................109
Hình 4.12 Đồ thị diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trongbuồngcháy....................................113
Hình 4.13 Xác định chế độ thử nghiệm kiểm sốt q trình cháy động cơ HCCI.
114Hình 4.14 Đồ thị COVIMEPở một số chế độ tải, tốc độ và tỷ lệ ethanol khác
nhau115Hình 4.15 Đồ thị diễn biến áp suất xi lanh ở một số chế độ tải, tốc độ 2000
v/ph,

30%ethanol........................................................................................... 116
Hình 4.16 Thời điểm cháy ở một số chế độ tải, tốc độ 2000 v/ph, 30% ethanol117
Hình 4.17 So sánh mức tiêu hao năng lượng khi sử dụng các loại nhiên liệu có tỷ

lệethanolkhác nhau................................................................................118
Hình 4.18 So sánh diễn biến áp suất trong xi lanh khi thay đổi nhiệt độ môi chất

nạpmới ở tốc độ 2000 v/ph, tải thay đổi 10%, 20% và 30%
vớin-heptan/E30
............................................................................................................... 120
Hình 4.19 Kết quả đánh giá hệ số dao động COVimep khi thay đổi nhiệt độ khí nạp
...............................................................................................................120
Hình 4.20 Sự thay đổi thời điểm hình thành ngọn lửa khi thay đổi nhiệt độ môi
chấtnạpmới........................................................................................... 121
Hình 4.21 So sánh mức tiêu hao năng lượng khi thay đổi nhiệt độ môi chất nạpmới
...............................................................................................................122

Hình 4.22 Diễn biến áp suất bên trong xi lanh ở các tỷ lệ luân hồikhácnhau..........123
Hình 4.23 Kết quả đánh giá hệ số dao động COVIMEPở các tỷ lệ luân hồi khác nhau
............................................................................................................... 124
Hình 4.24 Sự thay đổi thời điểm hình thành ngọn lửa ở các tỷ lệ luân hồi khác nhau
...............................................................................................................125
Hình 4.25 So sánh mức tiêu hao năng lượng ở các tỷ lệ luân hồikhácnhau............125
Hình 4.26 So sánh phát thải của động cơ CI với HCCI: (a) NOx, (b) CO và (c) HC
...............................................................................................................127

xii

Hình 4.27 So sánh phát thải của động cơ HCCI ở các nhiệt độ mơi chất nạp mới
129Hình 4.28 So sánh phát thải của động cơ HCCI ở các tỷ lệ luân hồikhácnhau.......131

xii

MỞ ĐẦU

i. Lý do chọn đềtài Là một nguồn động lực quan trọng đóng
góp vào sự phát triển của nhân loại, động cơ đốt
trong vẫn luôn khẳng định được vai trò của
mình trong tương lai. Bên cạnh đó, động cơ đốt
trong vẫn có những nhược điểm như phụ thuộc
vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, phát thải độc
hại. Trong những năm gầnđây,cùng với việc cạn
kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự khắt khe
của các tiêu chuẩn khí thải đã thúc đẩy các nhà
nghiên cứu không ngừng phát triển động cơ. Xu
hướng đang giành được nhiều sự quan tâm đó
nâng cao tính năng kinh tế,kỹthuật của động cơ,

đồng thời giảm phát thải độc hại. Hiện nay,
động cơ đốt trong đã sử dụng rất nhiều biện
pháp mới như: Sử dụng nhiên liệu thay thế
nhằm giảm áp lực cho nhiên liệu có nguồn gốc
hóa thạch; nghiên cứu nâng cao hiệu quả quá
trình cháy và cháy mới, xử lý khí thải. Trong
các xu hướng này thì xu hướng kết hợp quá
trình cháy mới với các loại nhiên liệu khác nhau
được quan tâm hơn cả, trong đó có mơ hình
cháy HCCI sử dụng hỗn hợp nhiênliệu.

Mơ hình cháy do nén hỗn hợp đồng nhất

(HCCI) có nhiều ưu điểm. Mơ hình cháy này có

hiệu suất nhiệt cao tương tự động cơ CI và có

lượng khí thải thấp như động cơ SI, trong đó hai

thành phần phát thải NOxvà PM giảm đi đáng

kể. Mô hình cháy HCCI hồn tồn có thể đáp

ứng được yêu cầu của phát thải không cần trang

bị thêm bộ xử lý khí thải đắt tiền và thu được

hiệu suất nhiệt cao. Tuy nhiên thách thức lớn

nhất với mơ hình cháy mới này là: Điều khiển

quá trìnhcháy,phát thải HC và CO cao, khả năng

mở rộng dải tải trọng làm việc của động cơ. Đã

có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước nghiên

cứu về việc khắc phục các nhược điểmnày,trong

đó có việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu như

diesel với ethanol, diesel với methanol, diesel

với butanol hay diesel với n-heptan, cũng có

những nghiên cứu kết hợp ba loại nhiên liệu với

nhau như: ethanol/n-butanol/n-

1

heptanhay mới thay thế dần nhiên liệu hóa thạch, việc
acetone- nghiên cứu chuyển đổi chế độ cháy của động cơ
butanol- CI truyền thống sang chế độ cháy HCCI là một
ethanol. hướng nghiên cứu có nhiều triểnvọng.
Tuy nhiên,
n-heptan/e Với mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của
thanol/dies hỗn hợp nhiên liệu đến đặc tính kinh tế,kỹthuật
el chưa của động cơ khi cháy HCCI, đưa ra một giải
từng được pháp hiệu quả giảm phát thải và sự phụ thuộc

sử dụng vào nhiên liệu hóa thạch, nghiên cứu sinh chọn
làm nhiên đề tài“Nghiên cứu chế độ cháy do nén hỗn
liệu cho hợp đồng nhất (HCCI) sử dụng nhiên liệu n-
động heptan/ethanol/diesel”nhằm từng bước làm
cơHCCI. chủ các cơng nghệ hốn cải động cơ
truyềnt h ố n g s a n g đ ộ n g c ơ s ử d ụ n g đ a n h i ê n l i ệ
Tại u,thiếtlậpchếđộlàmviệcHCCI
ViệtNam,
động cơ CI 2
cỡ nhỏ
một xi
lanh đang
được sử
dụng phổ
biến với số
lượng lớn
trong
ngành
nơng
nghiệp.
Trong q
trình làm
việc, động
cơ này
sinh ra
nhiều khí
thải độc
hại. Cùng
với việc
khuyến

khích phát
triển và
khai thác
các nguồn
nhiên liệu

với nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel nhằm nâng cao tính kinh tế, giảm phát thải
độc hại của động cơ nguyên bản và thúc đẩy việc sử dụng nhiên liệu sinh học.

ii. Mục đích nghiêncứu

Thiết lập thành cơng trên mơ hình mơ phỏng và bằng thực nghiệm chế độ
cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI trên động cơ CI 1 xi lanh sử dụng trong lĩnh
vực nông nghiệp.

Đánh giá được ảnh hưởng của các tổ hợp nhiên liệu và một số thông số vận
hành đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi cháy HCCI.

iii. Đối tượngvàphạmvinghiêncứu

- Đối tượng nghiêncứu:
Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ CI 1 xi lanh sử dụng trong lĩnh vực
nông nghiệp, vận hành với tổ hợp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel.
Nghiên cứu mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Trung
tâm nghiên cứu Nguồn động lực và phương tiện tự hành, Đại học Bách khoa Hà
Nội.
- Phạm vi nghiêncứu:
Chế độ vận hành của động cơ được giới hạn trong vùng làm việc tải thấp và
tải trung bình theo các chế độ vận hành ổn định về tải trọng và tốc độ vòng quay của
động cơ.

Chế độ HCCI được thiết lập và điều khiển thông qua các tổ hợp và tỷ lệ
nhiên liệu n-heptan/ethanol cung cấp vào đường nạp, nhiên liệu diesel phun trực
tiếp vào buồng cháy kết hợp với điều chỉnh nhiệt độ khí nạp,tỷlệ luân hồi khí thải,
thời điểm và lượng phun nhiên liệudiesel.

iv. Nội dung nghiêncứu

Nội dung chính của luận án:

- Tổng quan và cơ sở lý thuyết về quá trình cháy HCCI với các loại nhiên liệu
khácnhau.

- Mơ phỏng q trình cháyHCCI.

- Chuyển đổi động cơ CI nguyên bản sang sử dụng tổ hợp nhiên liệu n- heptan/
ethanol/diesel và thiết lập quá trình cháyHCCI.

- Thực nghiệm đánh giá các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động
cơ khi làm việc ở chế độ HCCI với các tổ hợp nhiên liệu và tỉ lệ nhiên liệu
trong tổhợp.

v. Phương pháp nghiêncứu

Kết hợp lý thuyết mô hình hóa với thực nghiệm.

- Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở để thiết kế hệ thống chuyển đổi động cơ sử
dụng đơn nhiên liệu sang sử dụng nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel và thiết
lập chế độ vận hành HCCI cho độngcơ.

- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá chế độ vận hành

HCCI cho động cơ cũng như xây dựng bộ thông số điều khiển cho việc thiết
lập và mở rộng chế độHCCI.

vi. Ýnghĩa khoa họcvàthực tiễn của luậnán

Ý nghĩa khoa học:

Nghiên cứu góp phần đánh giá tính khả thi về phương án sử dụng nhiên liệu
thay thế và đa dạng hóa nguồn nhiên liệu trên động cơ CI nguyên bản. Kết quả
nghiên cứu góp phần bổ sung vào cơ sở khoa học về thiết lập, mở rộng chế độ cháy
do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI với các tổ hợp nhiên liệu khác nhau.

Luận án có ý nghĩa trong việc trong việc nâng cao khả năng làm chủ và phát
triển các công nghệ chuyển đổi động cơ truyền thống sang động cơ cháy kiểu mới
có hiệu quả cao và phát thải sạchhơn.

Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả nghiên cứu mô phỏng, thực nghiệm và động cơ CI 1 xi lanh
chuyển đổi sang sử dụng tổ hợp nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel là cơ sở thực tiễn
để chuyển đổi động cơ CI nguyên bản thành động cơ sử dụng tổ hợp nhiên liệu n-
heptan/ethanol/diesel, vận hành ở chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhấtHCCI.

vii. Các điểm đóng góp mới của luậnán

Xây dựng mơ hình và mơ phỏng thành công chế độ cháy HCCI sử dụng tổ hợp
nhiên liệu n-heptan/ethanol/diesel.

Xác định được các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ khí nạp, tỷ lệ luân hồi khí
thải, tỷ lệ nhiên liệu trong tổ hợp tại các chế độ tải tới đặc điểm quá trình HCCI.

Đưa ra định hướng bộ tham số điều khiển nhằm thiết lập và mở rộng chế độ
cháy HCCI trên một động cơ nghiên cứu.

viii. Bố cục của luậnán

Luận án gồm các phần:
Mở đầu.
Chương 1. Tổng quan.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết q trình cháy HCCI.
Chương 3. Chuyển đổi và mơ phỏng động cơ 1 xi lanh vận hành theo chế độ HCCI.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm.
Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhiên liệu thaythế

1.1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường từĐCĐT

Trong những thập kỷ gầnđây,tổng mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới
đã tăng đáng kể. Nhu cầu sử dụng tài nguyên tăng khoảng 2,3% hàng năm, trong đó
sản lượng dầu thô sử dụng cho động cơ đốt trong chiếm 70%.Tỷlệ tiêu thụ năng
lượng sẽ đạt khoảng 53% vào năm 2030 theo báo cáo của IEA (Tổ chức Năng lượng
Quốc tế)[1]. Nhưvậy,sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đã xuất hiện một cách
rõ ràng ở tương lai gần. Mặt khác, khí thải từ động cơ đốt trong ảnh hưởng xấu đến
môi trường và sức khỏe con người như nitrogen oxides (NOx), hạt bồ hóng (PM),
carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), cacrbon dioxide (CO2)… chiếm tỉ trọng
khoảng 45-55% tổng lượng phát thải toàn cầu. Để giải quyết vấn đềnày,hầu hết các
nước trên thế giới ban hành luật phát thải ngày càng nghiêm ngặt hơn. Do đó đặt ra

yêu cầu động cơ đốt trong hiện đại cần có hiệu suất nhiệt cao hơn và cháy sạchhơn.

Hai loại động cơ được sử dụng phổ biến hiện nay trên ô tô động cơ phun trực
tiếp cháy do nén (CI) và động cơ đốt cháy cưỡng bức (SI). Động cơ CI đã thể hiện
được nhiều ưu điểm hơn so với động cơ SI như hiệu suất nhiệt tăng và giảm đáng kể
độ rung động nhờ sử dụng các cơng nghệ kiểm sốt tốc độ tăng áp suất trong xi lanh
như common rail, luân hồi khí thải EGR,… Các cơng nghệ này ngồi việc làm tăng
hiệu suất động cơ còn làm giảm các phát thải độc hại như nitrogen oxides (NOx),
hạt bồ hóng (PM), carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), carbon dioxide
(CO2)… Các cơng nghệ trên bằng việc kiểm sốt quá trình cháy đã hạn chế việc
hình thành phát thải độc hại chủ yếu thông qua việc điều chỉnh thông số phun nhiên
liệu, nhiệt độ khí nạp mới trong xi lanh, áp suấtcháy,…Bên cạnh đó, việc sử dụng
các thiết bị xử lý khí thải cũng đang được áp dụng phổ biến như bộ xử lý khí thải ba
thành phần, bộ lọc phát thải dạng hạt (DPF), bộ lọc oxy hóa nhiên liệu (DOC), bộ
xúc tác khử có chọn lọc (SCR), và bẫy NOxtinh gọn (LNT). Tuy nhiên, việc thiếtkế
chế tạo, bảo dưỡng chúng rất phức tạp và chi phí cao đã ảnh hướng lớn đến sự phát triển của động cơ phun trực tiếp cháy
donén.

Hiện tại, động cơ điện và động cơ hybrid đang là công nghệ dành được nhiều
sự quan tâm bởi khả năng kiểm soát phát thải rất tốt gần như khơng có của chúng,
cùng với đó là hiệu suất và công suất cao. Tuy nhiên, giá thành của các phương tiện
sử dụng hai loại động cơ này lại cao hơn rất nhiều so với phương tiện sử dụng động
cơ đốt trong. Cùng với đó, sự khan hiếm nhiên liệu thơ (đất hiếm) khó lịng đáp ứng
được nhu cầu của phần lớn người tiêu dùng. Hình 1.1 dự đốn sự tăng trưởng tương
đối của các công nghệ ô tô khác nhau tới năm 2035.