nghiên cứu ứng dụng nguyên lý HCCI trên động cơ Diesel công suất nhỏ

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


12
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ HCCI TRÊN
ĐỘNG CƠ DIESEL CÔNG SUẤT NHỎ
APPLIED RESEARCH PRINCIPLE HCCI FOR THE SMALL POWER DIESEL

SVTH: LÊ MINH ĐỨC, TRẦN NAM VIỆT
Lớp 03C4A
NGUYỄN VĂN CÔNG TỨ
Lớp 03C4B
GVHD: TS. DƢƠNG VIỆT DŨNG
Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Tóm tắt:
Báo cáo trình bày phương án thiết kế cải tạo động cơ Diesel công suấ t nhỏ thà nh độ ng cơ là m
việ c theo nguyên lý HCCI : Phương án thiết kế là giảm tỷ số nén, thiết kế hệ thống đánh lửa,
thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG, thiết kế hệ thống hồi lưu khí thải. Tính toán phương
án cải tạo lý thuyế t, lắp đặt mô hình thí nghiệm, kiểm chứng kết quả bằng thực nghiệm.
Từ khóa: Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)
Abstract:
What a little power Diesel engine reclamation design variant representation Report to become
the engine to work according to the principle HCCI: detract from the compression ratio, design
the ignition system, the design is the fuel supply LPG system, the design is synstematic the
sewage gas reflux. Calculate the reclamation variant theoretically, model instal and experiment
according to the principle HCCI.
Keyword: Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)

1. Mở đầu
Hiện nay, thế giới đang phải đối mặt với nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ do

tốc độ khai thác và sử dụng ồ ạt, kéo theo đó là tình trạng ô nhiễm môi trƣờng cũng gia tăng.
Đề tài nghiên cứu theo hƣớng giảm tiêu hao nhiên liệu, hạn chế ô nhiễm môi trƣờng và nâng
cao tính năng của động cơ diesel công suất nhỏ bằng cách ứng dụng công nghệ HCCI. HCCI
là một công nghệ mới của ngành động cơ đốt trong, cho phép động cơ tiết kiệm 15% nhiên
liệu và giảm độ phát thải các chất ô nhiễm ra môi trƣờng so với các loại động cơ truyền thống
[8],[9],[10]. Trong độ ng cơ HCCI , nhiệ t độ cháy thấ p hơn so với các loại động cơ truyền
thống, do hỗn hợp nạp nghèo, không có hiệ n tƣợ ng ngọ n lƣ̉ a lan truyề n suố t buồ ng đố t mà tất
cả nhiên liệu trong buồng đ ốt đƣợc cháy đồng thời , giảm thiu ô nhiễm NO
x
và bồ hóng phá t
ra tƣ̀ độ ng cơ . Động cơ HCCI có th thích nghi với nhiều loại nhiên liệu khác nhau [1], [2],
[3].Việc nghiên cứu nghiên cứu áp dụng nguyên lý HCCI cho động cơ gặp phải khó khăn là
không kim soát đƣợc quá trình cháy của nhiên liệu trong xilanh động cơ.
Báo cáo trình bày một số kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ HCCI cho động cơ
diesel cỡ nhỏ. Động cơ đƣợc chọn đ cải tạo và xây dựng mô hình thí nghiệm là động cơ
diesel 1 xylanh DONGFENG S1100A, công suất 12 kW/ 2200 (vòng/phút).
2. Nộ i dung nghiên cứ u
2.1. L thuyt
2.1.1. Điều kiện cháy đồ ng nhấ t của nhiên liệu theo nguyên lý HCCI
Đ nhiên liệu có th cháy đồng nhất theo nguyên lý HCCI thì phải thỏa mãn điều kiện
[12]:
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


13
1
( , )
i
t
i

t
dt
Tp




Trong đó:
)(
)(
tT
B
n
i
etAp



- thời gian
cháy trễ, t-thời đim đóng van nạp, t
i
-thời đim
cháy.
Với: A =0.01869(ON/100)
3.4017
, ON là
chỉ số octane của nhiên liệu, n = 1.7, B = 3800.
Nhiệt lƣợng của động cơ phát ra đƣợc xác
định theo công thức Wiebe [12]:
4

5
1
1
SOC
C
C
b
xe











Trong đó: 
SOC
- Góc quay trục khuỷu
tƣơng ứng tại thời đim cháy, -góc quay trục
khuỷu tƣơng ứng thời gian cháy, xb-nhiệt lƣợng
phản ứng, C4 và C5 là các hằng số xác định bằng thực nghiệm.
Trong đó: 
SOC
- Góc quay trục khuỷu tƣơng ứng tại thời đim cháy, -góc quay trục
khuỷu tƣơng ứng thời gian cháy, xb-nhiệt lƣợng phản ứng, C4 và C5 là các hằng số xác định
bằng thực nghiệm.

2.1.2. Phương án lý thuyết
 Thiết kế hệ thống hồ i lƣu khí thả i ( Exhaust Gas Recirculation – EGR): Mục tiêu của
tuần hoàn khí thải là giảm nhiệt độ cháy đoạn nhiệt hay giảm nồng độ ôxi trong hỗn
hợp cháy động cơ diesel, tăng nhiệt dung riêng của khí nạp nên giảm nhiệt độ cháy, với
mục tiêu giảm thiu sự phát thải NO
x
của động cơ ra môi trƣờng. [2]
 Thiết kế thay đổi tỉ số nén của động cơ (Variable Compression Ratio - VCR):
Thay đổi tỉ số nén động cơ cho phù hợp có th giúp động cơ phát huy hết tính năng vốn
có của công nghệ HCCI.[2]
 Thay đổi thời đim đóng mở van (Variable Valve Timing - VVT):
Trên động cơ HCCI, van xả sẽ đƣợc điều khin đóng sớm hơn và van nạp đƣợc điều
khin mở muộn hơn so với động cơ thông thƣờng. [2], [3], [4], [5], [6]
 Cải thiệ n sƣ̣ chá y củ a độ ng cơ.
Trong phạm vi của đề tài, chỉ áp dụng phương pháp hồi lưu khí thải, thay đổi tỷ số nén
của động cơ, nhiên liệu sử dụng cho động cơ là LPG, Diesel.
2.1.3. Thiết kế cải tạo động cơ DONGFENG S1100A
a. Thông số kỹ thuật động cơ thí nghiệm DONGFENG S1100A
Động cơ diesel DONGFENG S1100A 4kỳ 1 xilanh, tỷ số nén =20, công suất 12 kW,
số vòng quay định mức n=2200 v/ph.
b. Giảm tỷ số nén của động cơ
Tỷ số nén của động cơ diesel DONGFENG S1100A là = 20, với tỷ số nén này thì
động cơ không th làm việc ổn định khi sử dụng nhiên liệu có chỉ số octane cao, khả năng kích
nổ mạnh sẽ xảy ra. Chính vì vậy, giảm tỷ số nén cho động cơ là bắt buộc , khoét đỉnh piston là
phƣơng án đƣợc lựa chọn đ tăng th tích buồng cháy(Bảng 2).
Bảng2.1: Giá trị chiều sâu khoét đỉnh piston tương ứng tỷ số nén cần đạt

i

Vc[mm

3
]
V
ci
[mm
3
]
h
i
[mm] p
c
[MN/m
2
] p
z
[MN/m
2
]
16 60213.81 12700.7 1.6171 3.52749 6.34949
Hnh 2.1: Tương quan áp suất cháy
và nhiệt lượng tỏa ra của động cơ
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


14
c. Thit k hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG
Nhiên liệu LPG đƣợc chọn làm nhiên liệu HC . Cố c đo 2 và van 3 đ kim soát lƣu
lƣợ ng LPG. Thiế t bị AVL 442 Blow By meter dù ng để xá c đinh chính xá c lƣu lƣợ ng LPG.
1- Van giảm áp.2- Cốc đo lưu lượng.
3- Van điều chỉnh lưu lựơng.

4- Đường ống dẫn LPG.
5- Đường ống nạp.6- Động cơ.
7- Bơm cao áp.8- Bầu lọc.
9- Thùng dầu. 10 - Vòi phun nhiên liệu.
11-Thiế t bị đo tiêu hao LPG

Hnh 2.2: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu
LPG cho động cơ
d. Thit k hệ thống hồi lưu khí thải (EGR)
Khí thải hồi lƣu có tác dụng gia nhiệt cho khí nạp (LPG) tới nhiệt độ đủ đ nhiên liệu
có th bốc cháy khi piston ở kỳ nén đi lên tới đim chết trên của động cơ. Kết cấu hệ thống hồi
lƣu khí thải cho động cơ nhƣ (hình 8).

56

100



56

8

72
Khê naûp
Khäng khê
Kãút cáúu âæåìng äúng naûp sau caíi taûo
100
45
105

120
Khê naûp
Khäng khê

16

8
11
Vë trê cáúp khê thaíi häöi læu
Vë trê cáúp LPG

Khê thaíi
Khê thaíi

81,5

72

60
55
Kãút cáúu âæåìng äúng thaíi sau caíi taûo
100
100
60
55
Khê thaíi
Khê thaíi

16


60
Vë trê trêch khê thaíi häöi læu

Hnh 2.3: Kết cấu đường ống nạp-thải thiết kế
2.2. Thực nghiệm
Động cơ DONGFENG S1100A đƣợc thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm động cơ và ô tô
AVL -Khoa Cơ khí Giao thông-Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Các thiết bị sử dụng trong thí
nghiệm: Băng thử điện APA 100, Fuel-Balance 733, AVL-442 Blow by meter, Digas 4000 và
một vài trang thiết bị khác liên quan.

Hnh 2.4: Bố trí lắp đặt thí nghiệm động cơ DONGFENG S1100A tại phòng thí nghiệm AVL
2.2.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm
AVL 442
BLOW BY METER
LPG
1
2
3
6
4
7
8
9
10
5
11
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


15

Tiến hành thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cũng nhƣ mức phát ô nhiễm của
động cơ khi làm việc theo nguyên lý HCCI ở các chế độ tốc độ tƣơng ứng với lƣợng hồi lƣu
khí xả (0.1418 - 0.4419) [l/ph].
2.2.2. Kết quả thí nghiệm
a. Động cơ ở ch độ 5% tải với nhiên liệu diesel.
Bảng 2.2: Số liệu các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuậ t của động cơ
n
[v/ph]
Ne
[kW]
Me
[Nm]
Ge
[g/kW.h]
Gnl
[Kg/h]
T_IN
°C
T_EXH
°C
TWI
°C
700
2.58
35.20 800 2.06 38.6 388.87 90.82
800
3
35.81 771 2.31 38.04 427.96 92.98
900
4

42.44 700 2.80 38.34 451.24 94.96
1000
5.62
53.67 608 3.42 37.9 465.63 97.3
1100
7
60.77 462 3.23 37.33 497 99.36
1200
7.89
62.79 380 3.00 37.04 527 99.66
1300
8.28
60.82 223 1.85 38 427.61 99.86
Bảng 2.3: Số liệu đo ô nhiễm khí thải
Chấ t
n[v/ph]
700 800 900 1000 1100 1200 1300
CO2[%Vol]
7 6.77 6.58 6.94 6.53 8.08 7.77
CO [%Vol]
8.65 8.03 7.88 7.25 6.17 5.13 0.65
HC [ppm]
430 392 363.4 346.3 301 275 200
NOx[%Vol]
58 66.5 55 35 17 12 8
b. Kt quả thí nghiệm động cơ dng nhiên liệu LPG; 0.1418 [l/ph] EGR
Bảng2.4: Số liệu các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuậ t của động cơ
n [v/ph]
Ne
[kW]

Me
[Nm]
ge-LPG
[g/kW.h]
T_IN
°C
T_EXH
°C
TWI
°C
700
2.62
35.74 589.98 37.7 414.26 92.3
800
3
35.81 571.50 38.26 431.39 95.71
900
4.09
43.40 454.95 38.36 446.08 98.09
1000
5.57
53.19 350.22 38.53 462.11 99.64
1100
7.02
60.94 289.74 38.46 484.18 99.66
1200
7.31
58.17 285.94 38.73 515.9 99.67
1300
6.14

45.10 144.75 38.85 530 99.89
Bảng 2.5: Số liệu đo ô nhiễm khí thải
Chấ t
n[v/ph]
700 800 900 1000 1100 1200 1300
CO2 [%Vol]
6.17 5.85 5.85 5.65 5.05 8.86 12.24
CO [%Vol]
7.56 7.41 7.25 6.58 6.5 7.31 1.09
HC [ppm]
323 304 294 273 236 201 283
NOx [%Vol]
45 57.1 50.8 35 18.9 11 20.5



Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


16
c. Kt quả thí nghiệm động cơ dng nhiên liệu LPG; 0,4419 [l/ph] EGR
Bảng 2.6: Số liệu các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thut của động cơ
n [v/ph]
Ne
[kW]
Me
[Nm]
ge-LPG
[g/kW.h]
T_IN

°C
T_EXH
°C
TWI
°C
700 3.4 46.38 390.441 40.43 324.36 97.65
800 4.4 52.52 370.227 40.23 329.52 98.88
900 5.11 54.22 350.930 40.03 355.6 99.05
1000 5.34 50.99 354.775 41.05 426.09 98.63
1100 4.4 38.20 450.000 41.55 432.2 99.35
Bảng 2.7: Số liệu đo ô nhiễm khí thải
Chấ t
n[v/ph]
700 800 900 1000 1100
CO2[%Vol]
4.26 4.03 4.35 4.86 5.2
CO [%Vol]
6.49 7.25 7.68 8.84 9.25
HC [ppm]
627 747 825 907 965
NOx[%Vol]
35 44.6 37.5 23.3 30.8
3. Đánh giá kết quả
Trên đồ thị hình 3.1 ta thấy công suất phát ra của động cơ khi sử dụng LPG tƣơng
đƣơng với khi chỉ sử dụng diesel thuần túy , tƣơng ứng với một giá trị của 20% EGR (tƣơng
đƣơng 0.1418 [l/ph]). Tuy nhiên điề u này chỉ t ồn tại trong phạm vi tốc độ [700-1200] v/ph.
Sau 1200 v/ph, do kích nổ làm giảm công suất của động cơ . Khi tăng lƣợng hồi lƣu khí thải
lên 40% độ mở van EGR (tƣơng đƣơng 0.4419 [l/ph]) và vn gi nguyên cơ cấu điều khin
cung cấ p LPG , công suất của động cơ tăng cao hơn hẳn [700-1000] do nhiệt độ khí nạp tăng,
tạo điều kiện tổ chức quá trình cháy tốt hơn, tốc độ phản ứng cháy tăng. Sau 1000 v/ph do kich

nổ nên công suất động cơ giảm.
Cũng trong phạm vi tốc độ [700-1200] v/ph, tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm khi
tăng lƣợng khí thải hồi lƣu tƣ̀ 20% lên 40% (hình 3.2).
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
n[v/ph]
P[kW]
P [LPG, 20%EGR]
P [5%D, 20%EGR]
P[LPG, 40%EGR]


Hình 3.1: Đồ thị công suất
0
100
200
300
400
500
600
700

800
900
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
n[v/ph]
ge[g/kw.h]
ge[D, 20%EGR]
ge[LPG, 20%EGR]
ge[LPG, 40%EGR]


Hình 3.2: Tiêu hao nhiên liệu