Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu n heptane cho động cơ diesel chuyển đổi sang HCCI

..

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong các cơng trình nào
khác

Hà nội, ngày 20 tháng 11 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Thìn Quỳnh

1


LỜI CẢM ƠN
Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
TS. Trần Thị Thu Hương, người đã có tạo điều kiện và có những góp ý hữu ích về
mặt chun mơn để tơi hồn thành bản luận văn này.
Đồng thời, tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cơ trong bộ mơn Động cơ
đốt trong, Phịng thí nghiệm Động cơ đốt trong – Viện Cơ khí Động lực và Viện Đào
tạo Sau đại học đã giúp đỡ về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm
luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và anh em
đồng nghiệp, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời
gian tôi học tập và làm luận văn.
Học viên

Nguyễn Thìn Quỳnh

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2
MỤC LỤC .................................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... 9
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ 10
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................... 16
1.1. Giới thiệu về động cơ HCCI ........................................................................ 16
1.1.1. Lịch sử phát triển ....................................................................................... 16
1.1.2. Nguyên lý của động cơ HCCI ................................................................... 16
1.1.3. Ưu, nhược điểm của động cơ HCCI ......................................................... 17
1.2. Các phương pháp thiết lập chế độ cháy HCCI ......................................... 19
1.2.1. Hình thành hỗn hợp bên ngồi (PFI) ...................................................... 20
1.2.2. Hình thành hỗn hợp bên trong xilanh ..................................................... 21
1.2.2.1. Phun sớm nhiên liệu vào đầu hành trình nén .................................. 21
1.2.2.2. Phun muộn ....................................................................................... 26
1.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng HCCI .................................................... 29
1.3.1. Tình hình nghiên cứu về HCCI trên thế giới ........................................... 29
1.3.1.1. Giải pháp về hình thành hỗn hợp cháy ............................................ 29
1.3.1.2. Các nghiên cứu về điều khiển quá trình cháy động cơ HCCI ......... 32
1.3.1.3. Giải pháp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu ........................................... 33
1.3.1.4. Điều khiển lượng khí sót trong xylanh ............................................. 34
1.3.1.5. Điều khiển hiệu suất nén .................................................................. 35
1.3.1.6. Điều khiển tỷ số nén ......................................................................... 35
1.3.1.7. Điều khiển tỷ lệ luân hồi khí thải ..................................................... 36

1.3.1.8. Điều khiển nhiệt độ khí nạp ............................................................. 36
1.3.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam .......................................................... 37
3


Kết luận chương 1 ............................................................................................... 38
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CUNG
CẤP N-HEPTANE CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CHUYỂN ĐỔI SANG HCCI . 40
2.1. Lựa chọn phương án thiết kế ...................................................................... 40
2.1.1. Đặc tính bay hơi của nhiên liệu n-heptane .............................................. 40
2.1.2. Giải pháp cung cấp n-heptane trên đường nạp cho động cơ đốt trong .. 41
2.1.3. Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống cung cấp n-heptane cho động cơ
diesel 1 xylanh ...................................................................................................... 42
2.2. Thiết kế và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane cho động cơ
chuyển đổi ............................................................................................................ 43
2.2.1. Động cơ thử nghiệm .................................................................................. 43
2.2.2. Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................................ 44
2.2.3. Thiết kế lại đường ống nạp ....................................................................... 45
2.2.4. Thiết kế mạch điều khiển hệ thống cung cấp n-heptane cho động cơ .... 47
2.2.4.1. Sơ đồ mạch điều khiển vòi phun n-heptan ....................................... 47
2.2.4.2. Chức năng của từng chân trong mạch ............................................. 48
2.2.5. Thùng nhiên liệu, bơm nhiên liệu ............................................................ 49
2.2.6. Vòi phun nhiên liệu ................................................................................... 50
Kết luận chương 2................................................................................................ 50
Chương 3: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN
LIỆU CHUYỂN ĐỔI .............................................................................................. 52
3.1. Mục đích thử nghiệm ................................................................................... 52
3.2. Thiết bị và nhiên liệu thử nghiệm ............................................................... 52
3.3. Điều kiện thử nghiệm ................................................................................... 52
3.4. Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính ................................. 52

3.4.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm ............................................................................. 52
3.4.2. Trang thiết bị thử nghiệm.......................................................................... 53
3.4.2.1. Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ băng AVL 577 ..................................... 53
3.4.2.2. Thiết bị Indicating ............................................................................ 54

4


3.5. Bố trí và chế độ thử nghiệm ........................................................................ 55
3.6. Kết quả thử nghiệm và đánh giá ................................................................. 56
3.6.1. Đặc tính phun nhiên liệu n-heptane ......................................................... 56
3.6.2. Biến thiên áp suất trong xylanh ................................................................ 57
3.6.3. Tốc độ tỏa nhiệt .......................................................................................... 61
3.6.4. Các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật ................................................................ 63
Kết luận chương 3 ............................................................................................... 65
KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 66
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 68

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 0. Ngun lý Seebeck .......................................................................................13
Hình 1.1. So sánh q trình cháy thơng thường và HCCI của động cơ xăng ..........17
Hình 1.2. Vùng làm việc của động cơ HCCI [21] ....................................................18
Hình 1.3. Phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel HCCI .................20
Hình 1.4. So sánh chất lượng hỗn hợp của PREDIC và diesel truyền thống ..........22
Hình 1.5. So sánh hình dạng phun diesel truyền thống và PREDIC ........................22
Hình 1.6. Quy luật cấp nhiên liệu hệ thống MULDIC .............................................24

Hình 1.7. Bản đồ vùng làm việc động cơ UNIBUS ..................................................25
Hình 1.8. Kết cấu buồng cháy của hệ thống NADI ..................................................26
Hình 1.9. Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt [9] ................................26
Hình 1.10. Vùng hoạt động của động cơ sử dụng hệ thống HCLI và HPLI ............28
Hình 1.11. Các phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI ...................29
Hình 1.12. Quy luật xung phun đối với quá trình phun sớm ....................................30
Hình 1.13. So sánh tia phun trên động cơ HCCI và động cơ diesel truyền thống ...31
Hình 1.14. Nghiên cứu mơ phỏng số sự hình thành hỗn hợp trên động cơ HCCI ...31
Hình 1.15. Sơ đồ điều khiển thời điểm cháy trên động cơ HCCI .............................33
Hình 1.16. Tín hiệu CA50 thu được từ q trình điều chỉnh lưỡng nhiên liệu ........33
Hình 1.17. Ảnh hưởng của tỷ lệ n-pentane và iso-pentane đến tốc độ toả nhiệt [5]
...................................................................................................................................34
Hình 1.18. Thay đổi thời gian cháy khi thay đổi góc đóng muộn xupap nạp ..........35
Hình 1.19. Động cơ thay đổi tỷ số nén của hãng SAAB, Thuỵ Điển ........................35
Hình 1.20. Sơ đồ thí nghiệm trên động cơ HONDA GX340K1 sử dụng EGR để điều
khiển quá trình cháy HCCI .......................................................................................36
Hình 1.21. Diễn biến tốc độ toả nhiệt khi thay đổi nhiệt độ khí nạp .......................37
Hình 2.1. Đặc tính bay hơi của nhiên liệu n-heptane ..............................................40
Hình 2.2. Phương án cung cấp n-heptane trên động cơ HCCI ................................41
Hình 2.3. Phương án thiết kế hệ thống cung cấp n-heptane trên động cơ ...............42

6


Hình 2.4. Mặt cắt động cơ AVL 5402. ......................................................................43
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống cung cấp n-heptane trên động cơ AVL 5402 ...................44
Hình 2.6. Kết cấu đường ống nạp động cơ AVL 5402 .............................................45
Hình 2.7. Mặt bích đường nạp động cơ AVL 5402 ..................................................46
Hình 2.8. Đường nạp động cơ AVL 5402 đã được chế tạo mới ...............................46
Hình 2.9. Sơ đồ ngun lý điều khiển vịi phun n-heptan .........................................47

Hình 2.10. Sơ đồ mạch in .........................................................................................47
Hình 2.11. Bộ điều khiển vịi phun ...........................................................................49
Hình 2.12. Kết cấu thùng nhiên liệu có lắp bơm nhiên liệu bên trong ....................50
Hình 2.13. Vịi phun nhiên liệu n-heptane................................................................50
Hình 3.1. Sơ đồ băng thử động cơ 1 xylanh .............................................................53
Hình 3.2. Tồn bộ hệ thống Indicating ....................................................................54
Hình 3.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm động cơ chạy n-heptane......................................55
Hình 3.4. Sơ đồ bố trí bộ điều khiển tới vịi phun ....................................................55
Hình 3.5. Thiết bị cân nhiên liệu ..............................................................................56
Hình 3.6. Đặc tính phun n-heptane ..........................................................................56
Hình 3.7. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1050v/ph ....................................57
Hình 3.8. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1050 v/ph .........................................57
Hình 3.9. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1200v/ph ....................................57
Hình 3.10. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1200 v/ph .......................................58
Hình 3.11. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1300v/ph ..................................58
Hình 3.12. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1300 v/ph .......................................58
Hình 3.13. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1400v/ph ..................................59
Hình 3.14. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1400 v/ph .......................................59
Hình 3.15. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1500v/ph ..................................59
Hình 3.16. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1500 v/ph .......................................60
Hình 3.17. Tốc độ tỏa nhiệt tại 1050v/ph .................................................................61
Hình 3.18. Tốc độ tỏa nhiệt tại 1200v/ph .................................................................61
Hình 3.19. Tốc độ tỏa nhiệt tại 1300v/ph .................................................................62

7


Hình 3.20. Tốc độ tỏa nhiệt tại 1400v/ph .................................................................62
Hình 3.21. Tốc độ tỏa nhiệt tại 1500v/ph .................................................................62
Hình 3.22. Sự thay đổi của cơng suất và mơ men tại 1050v/ph ...............................63

Hình 3.23. Sự thay đổi của công suất và mô men tại 1200v/ph ...............................64
Hình 3.24. Sự thay đổi của cơng suất và mơ men tại 1300v/ph ...............................64
Hình 3.25. Sự thay đổi của cơng suất và mơ men tại 1400v/ph ...............................64
Hình 3.26. Sự thay đổi của công suất và mô men tại 1500v/ph ...............................65

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn phát thải hiện tại theo tiêu chuẩn châu Âu ...........................12
Bảng 2.1. Tính chấ t của nhiên liê ̣u n-heptane [23] ..................................................41
Bảng 2.2. Các thông số kết cấu của động cơ AVL 5402 ..........................................44

9


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
A/F

Tỷ lệ khơng khí trên nhiên liệu

ARC

Hoạt động cháy triệt để

ATAC

Hoạt động gia nhiệt cho buồng cháy

CA

Góc quay trục khuỷu

CAI

Tự cháy có điều khiển

CI

Động cơ diesel

CIHC

Nén đốt cháy hỗn hợp nạp đồng nhất

EGR

Luân hồi khí xả

FTM

Kiểm sốt nhanh nhiệt độ khí nạp

HCCI PFI

Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hình thành hỗn hợp bên ngồi

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

IVC

Đóng van nạp

MK

Điều biến động lực học

MULDIC

Cháy nén hỗn hợp được hình thành nhiều giai đoạn

NADI

Thu hẹp góc phun nhiên liệu

NVO

Độ trùng điệp van âm

PCCI

Cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trước

PCI

Cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn

PREDIC

Cháy do nén hỗn hợp nghèo hình thành từ trước

SI

Động cơ xăng

SOI

Thời điểm cháy

UNIBUS

Hệ thống cháy đồng nhất vùng lớn

10


MỞ ĐẦU
Kể từ khi được phát minh vào cuối thế kỷ XIX cho đến nay động cơ đốt trong
(ĐCĐT) đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội. ĐCĐT là nguồn
cung cấp năng lượng chính cho các phương tiện giao thông vận tải, tàu thuỷ, máy xây
dựng, máy nông nghiệp và nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp. ĐCĐT tiêu thụ
một lượng lớn nhiên liệu để sản sinh cơng suất thơng qua q trình chuyển hố nhiệt
năng thành cơ năng. Nhiên liê ̣u sử du ̣ng cho ĐCĐT chủ yế u là có nguồ n gố c từ dầ u
mỏ và là nguồ n năng lươ ̣ng không thể tái ta ̣o la ̣i đươ ̣c trong thời gian ngắ n. Trong
thời kỳ đầ u, các nhà khoa ho ̣c chưa quan tâm đế n trữ lươ ̣ng dầ u mỏ, cho đế n những
năm gầ n đây, xăng dầ u là chủ đề chiń h của các nước quan tâm đế n vì nhiề u lý do
như: trữ lươ ̣ng dầ u đang ca ̣n kiê ̣t dầ n, vấ n đề ô nhiễm môi trường ảnh hưởng trực tiế p
đế n sức khỏe con người, biế n đổ i khí hâ ̣u, hiê ̣u ứng nhà kin
́ h,... Đây là vấ n đề cấ p
bách yêu cầ u các hañ g sản xuấ t đô ̣ng cơ cầ n tâ ̣p trung nghiên cứu cải tiế n đô ̣ng cơ về
hướng tiế t kiê ̣m nhiên liê ̣u, ít phát thải đô ̣c ha ̣i vào môi trường. Trong tiến triǹ h phát
triể n, đô ̣ng cơ nhiê ̣t (từ lúc mới ra đời đô ̣ng cơ đố t ngoài hiê ̣u suấ t nhiê ̣t rấ t thấ p 0,09%
– 0,14% [4]), đô ̣ng cơ đố t trong xuất hiện là sự cải tiế n vươ ̣t bâ ̣c cho hiê ̣u suấ t nhiê ̣t
cao hơn rấ t nhiề u (có thể lên đế n 52% với đô ̣ng cơ diesel tăng áp bằ ng tua bin khi)́ .
Đă ̣c biê ̣t, áp du ̣ng tiế n bô ̣ khoa ho ̣c trong lĩnh vực điê ̣n-điê ̣n tử và điề u khiể n, các hệ
thống trên động cơ đã phát triển gần như tối ưu: động cơ phun xăng điê ̣n tử, động cơ
phun dầ u điê ̣n tử, Hybrid... hiê ̣u suấ t nhiê ̣t đã cải thiê ̣n rấ t nhiề u cũng như phát thải
đô ̣c ha ̣i giảm. Các yêu cầ u ngày càng khắ t khe về môi trường và thách thức cho đô ̣ng
cơ đố t trong trong điề u kiê ̣n an ninh năng lươ ̣ng [4]: như giảm tác đô ̣ng của đô ̣ng cơ
đố t trong đế n biến đổi khí hâ ̣u (chủ yế u là khí CO2), giảm tác động đế n sức khỏe con
người do các chấ t phát thải đô ̣c ha ̣i (NOx, phát thải da ̣ng ha ̣t, andehit…), giảm áp lực
đến nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ bằng cách sử dụng nhiên liệu mới có nguồn

gốc sinh học, là thách thức lớn nhấ t trong hai thâ ̣p kỷ vừa qua cũng như trong thâ ̣p
kỷ tới.
Các nước phát triển châu Âu đã đưa ra tiêu chuẩn phát thải ngày càng khắt
khe, yêu cầu tất cả các phương tiện phải đáp ứng được mức phát thải ngay từ khi được
11


sản xuất. Mức phát thải cho phép được dựa trên một nền tảng riêng biệt và mức tối
đa theo chu trình thử tiêu chuẩn, nhằm đáp ứng hàm lượng phát thải đối với các
phương tiện di chuyển đường dài. Bảng 1.1 thể hiện mức phát thải cho phép theo các
tiêu chuẩn của châu Âu (Euro). Ta có thể thấy, định mức phát thải theo tiêu chuẩn
Euro ngày càng thấp. Theo yêu cầu ngày càng khắt khe của luật pháp về phát thải,
tiêu chuẩn Euro được cải tiến rất nhiều, ngoài việc quan tâm đến phát thải CO, HC,
NOx thấp, bộ tiêu chuẩn còn quan tâm đến phát thải hạt PM. Đến năm 2014 yêu cầu
các hãng sản xuất ô tô phải đảm bảo khi xe xuất xưởng đạt tiêu chuẩn khí thải Euro
VI, đây cũng là thách thức lớn của của các nhà khoa học cũng như các hãng sản xuất
xe.
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn phát thải hiện tại theo tiêu chuẩn châu Âu
Năm

Tiêu

Loại động

CO

HC

NOx

HC+NOx

PM

cơ

(g/km)

(g/km)

(g/km)

(g/km)

(g/km)

12/92

SI

2,72

-

-

0,97

-

01/92

CI

3,16

-

-

1,13

0,14

01/97

SI

2,2

-

-

0,5

-

01/96

CI

1

0,15

0,55

0,7

0,08

01/00

SI

2,3

0,2

0,15

-

-

01/00

CI

0,64

0,06

0,5

0,56

0,05

01/05

SI

1

0,1

0,08

-

-

01/05

CI

0,5

0,05

0,25

0,3

-

09/09

SI

1

0,1

0,06

-

0,005*

09/09

CI

0,5

0,05

0,18

0,23

0,005

08/14

SI

1

0,1

0,06

-

0,005*

08/14

CI

0,5

0,09

0,08

0,17

0,005

chuẩn
Euro I

EuroII

Euro III

Euro IV

Euro V

Euro VI

: dùng cho động cơ phun xăng trực tiếp

*

Với thách thức về kiể m soát khí thải và tiế t kiê ̣m nhiên liê ̣u các nhà khoa ho ̣c
đã đưa ra rấ t nhiề u giải pháp để đa ̣t đươ ̣c mu ̣c tiêu đề ra. Hiê ̣n nay trên đô ̣ng cơ đố t
trong đã sử du ̣ng rấ t nhiề u biện pháp mới nhằ m đa ̣t đươ ̣c yêu cầ u ngày càng khắ t khe
về phát thải. Biện pháp sử du ̣ng nhiên liê ̣u thay thế cho xăng như: cồ n, nhiên liệu

12


khí,.... Cồn đươ ̣c sản x́ t từ cơng nghiê ̣p có cấ u trúc phân tử là: CnH2n+2-i(OH)i. Do

hàm lươ ̣ng các bon thấ p hơn so với xăng nên phát thải CO2 thấ p hơn, phát thải NOx
it́ hơn do nhiê ̣t đô ̣ quá trình cháy thấ p hơn. Đồ ng thời, tỷ lê ̣ các bon trong nhiên liê ̣u
nhỏ hơn và hàm lươ ̣ng ôxy trong hỗn hơ ̣p cao nên muô ̣i than cũng ít hơn. Tri ̣ số ố c
tan cao nên tăng đươ ̣c tỷ số nén dẫn đến tăng hiê ̣u ś t đơ ̣ng cơ. Sử dụng nhiên liệu
khí phát thải độc hại ít hơn so với xăng, do thành phầ n các bon trong nhiên liê ̣u thấ p
hơn (nhiề u hydro hơn) hỗn hơ ̣p hòa trô ̣n tố t hơn nên hàm lượng thành phần đô ̣c ha ̣i
chỉ bằ ng khoảng 30% so với dùng xăng. Với động cơ sử dụng diesel thì diesel sinh
ho ̣c (Biodiesel) nguồn gốc từ dầ u thực vâ ̣t, hoặc mỡ đô ̣ng vâ ̣t. Sử dụng biodisel cho
phát thải đô ̣c ha ̣i đô ̣ng cơ thấ p, giảm áp lực cho nhiên liê ̣u diesel truyề n thố ng.
Tâ ̣n du ̣ng năng lươ ̣ng khí xả cũng là một xu hướng đươ ̣c các nhà khoa ho ̣c
quan tâm. Năng lươ ̣ng khí xả chiế m khoảng 30% tổ ng lươ ̣ng nhiê ̣t cháy. Sử du ̣ng hiê ̣u
ứng Seebeck biế n năng lươ ̣ng khí xả thành điê ̣n cung cấ p cho đô ̣ng cơ. Biê ̣n pháp này
có thể tăng hiê ̣u suấ t đô ̣ng cơ lên 10% [18]. Nguyên lý hiê ̣u ứng Seebeck: xét một hệ
đơn giản gồm các bán dẫn loại n và loại p kết nối với nhau như hình 0, giữ tấm A và
C ở nhiệt độ T0 và tấm B ở nhiệt độ T = T0 + ΔT, thì có một điện áp V = α.ΔT xuất
hiện giữa A và C. Hằng số α (gọi là hệ số Seebeck) phụ thuộc vào tính chất của các
vật liệu bán dẫn (trong trường hợp này là các bán dẫn loại n và loại p), nhưng không
phụ thuộc vào vật liệu dẫn điện ở chỗ kết nối.

Hình 0. Nguyên lý Seebeck

Thời gian gầ n đây, các nhà khoa học đưa ra mơ hình cháy mới thay thế cho
mơ hình cháy thông thường trên ĐCĐT là cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI)
dùng cho động cơ diesel và tự cháy điều khiển được (CAI) dùng cho động cơ xăng.
Mô hình cháy này có hiệu suất tương tự với động cơ phun xăng trực tiếp và kiểu cháy
13


tương tự với động cơ diesel, nhưng thành phần phát thải NOx giảm đi đáng kể, trong
khi độ khói gần như bằng không. Với mô hình cháy này hoàn toàn có thể đáp ứng

đươ ̣c yêu cầ u của khí thải không cầ n trang bi ̣ thêm bô ̣ xử lý khí thải đắ t tiề n và thu
đươ ̣c hiê ̣u suấ t nhiê ̣t cao. Tuy nhiên thách thức lớn nhất với mơ hình cháy mới này
là: điều khiển quá trình cháy, phát thải HC và CO cao, khả năng mở rộng dải tải trọng
làm việc của động cơ [22,27]. Khi động cơ hoạt động theo nguyên lý HCCI, việc sử
dụng nhiên liệu mới thay thế nhiên liệu truyền thống là một phương án được áp dụng
để nhằm giảm áp lực cho nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, tùy theo cách thức
hình thành hỗn hợp mà có các cải tiến về kết cấu động cơ. Với phương án hình thành
hỗn hợp bên ngồi động cơ, vấn đề thiết kế lại hệ thống cung cấp nhiên liệu cho phù
hợp là vô cùng cần thiết để động cơ diesel truyền thống có thể làm việc được theo
nguyên lý HCCI. Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu
n-heptane cho động cơ diesel chuyển đổi sang HCCI” là cần thiết để có thể thiết lập
động cơ diesel AVL 5402 truyền thống sang cháy theo nguyên lý HCCI phù hợp với
xu hướng nghiên cứu của thế giới.
1. Mu ̣c đích và pha ̣m vi nghiên cứu của luâ ̣n văn
Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane cho
động cơ diesel 1 xi lanh nguyên thủy chuyển sang hoạt động theo nguyên lý HCCI.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane được thiết kế để lắp đặt cho động cơ AVL
5402 chạy nhiên liệu diesel ở Phịng thí nghiệm động cơ đốt trong Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội.
2. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài dựa trên các cơng trình đã cơng bố trên thế giới, phân tích ưu – nhược
điểm và các giải pháp để động cơ làm việc được theo mơ hình HCCI, trên cơ sở đó,
thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane cung cấp cho động cơ một
xylanh để động cơ có thể làm việc được theo mơ hình cháy HCCI.
Thử nghiệm đánh giá hệ thống cung cấp nhiên liệu cải tiến trên động cơ diesel
truyền thống.
3. Ý nghiã khoa ho ̣c và ý nghiã thực tiễn
14

- Thiết kế, chế tạo thành công hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane cho
động cơ AVL 5402 sử dụng nhiên liệu diesel.
- Đánh giá được đặc tính cháy của động cơ và các chỉ tiêu kỹ thuật khi sử dụng
phương án dùng nhiên liệu n-heptane chạy theo nguyên lý HCCI.
- Kết quả thu được là cơ sở cho các biện pháp cải tiến tiếp theo nhằm điều
khiển quá trình cháy của động cơ cải tiến.
4. Nô ̣i dung thuyế t minh đề tài
Mở đầ u
Chương 1

Tổ ng quan

Chương 2

Thiết kế và chế tạo hệ thống nhiên liệu cung cấp n-heptane cho
động cơ diesel chuyển đổi sang HCCI.

Chương 3

Thử nghiệm đánh giá hệ thống cung cấp nhiên liệu chuyển đổi

Kế t luâ ̣n và hướng phát triể n đề tài.

15


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về động cơ HCCI
1.1.1. Lịch sử phát triển
Trong thập niên đầu thế kỷ XXI, một lượng lớn các cơng trình nghiên cứu

khoa học đã được xuất bản liên quan đến ứng dụng mơ hình cháy HCCI cho nhiên
liệu diesel và mơ hình CAI cho nhiên liệu xăng trên động cơ đốt trong kiểu piston
[12]. Vài năm gần đây, nhiều nhà khoa học cũng đã nghiên cứu sử dụng nhiên liệu
thay thế như DME, biodiesel, LPG, syngas, ethyl acetate, etanol... trên động cơ
HCCI/CAI, tuy nhiên chưa thực sự phổ biến. Thực tế nguyên lý cháy này đã được
ứng dụng trên động cơ bầu nhiệt (2 kỳ và 4 kỳ) từ hơn 100 năm trước [10]. Trên động
cơ này, dầu hoả hoặc dầu thô được phun vào trong bầu nhiệt ngay từ đầu q trình
nén, hồn toàn đủ thời gian để nhiên liệu bay hơi và hồ trộn với khơng khí. Trong
q trình khởi động, bầu nhiệt được sấy nóng trước bằng cách dùng ngọn lửa đốt từ
bên ngoài. Sau khi khởi động, bầu nhiệt vẫn giữ được nhiệt nhờ quá trình cháy nhiên
liệu bên trong bầu. Nhiệt độ bầu lớn đến nỗi nhiên liệu bay hơi gần như ngay lập tức
khi tiếp xúc với bề mặt của bầu. Do hỗn hợp được hoà trộn từ rất sớm, nên có thể tạo
được hỗn hợp đồng nhất, kết quả dẫn đến hỗn hợp tự cháy khi piston tiến gần đến
ĐCT.
Đối với động cơ xăng sử dụng bộ chế hồ khí, hiện tượng tự cháy hỗn hợp
đồng nhất thường xảy ra sau khi động cơ hoạt động một thời gian ở chế độ tải lớn dù
bugi khơng cịn đánh lửa do nhiệt độ các chi tiết rất cao và thời gian cháy trễ lớn
khiến hồ khí tự cháy. Q trình cịn được gọi là “dieseling” do tính chất giai đoạn
này giống với quá trình cháy trên động cơ diesel: cháy không cần tia lửa điện. Thực
tế, những nghiên cứu đầu tiên về động cơ xăng cháy theo nguyên lý HCCI/CAI do
Onishi [34] và Noguchi [32] cùng cộng sự của mình trong năm 1979 đã thúc đẩy các
nhà khoa học sau này tiếp tục nghiên cứu nhằm điều khiển q trình cháy khơng đồng
đều giúp cho q trình cháy nghèo trở nên ổn định hơn.
1.1.2. Nguyên lý của động cơ HCCI
16


Hình 1.1 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ xăng theo
nguyên lý cổ điển và HCCI (CAI) của hãng GM, Mỹ. Có thể thấy rằng, trên động cơ
nguyên bản, màng lửa lan tràn bắt nguồn từ bugi, trong khi trên động cơ hoạt động

với nguyên lý HCCI, khơng có hiện tượng lan tràn màng lửa trong xylanh, quá trình
cháy diễn ra đồng thời ở mọi vị trí trong xylanh (trường hợp này bugi khơng đánh
lửa, bugi phục vụ cho quá trình chuyển tiếp giữa chế độ thông thường và chế độ
HCCI).
Tương tự như động cơ xăng, trên động cơ HCCI/CAI, hỗn hợp nhiên liệu và
không khí được hình thành từ trước (trên đường nạp hoặc trong xylanh). Sau đó hỗn
hợp được nén lên đến nhiệt độ tự cháy vào cuối kỳ nén, tương tự như với động cơ
diesel. Ngồi ra có thể tăng nhiệt độ hỗn hợp ở cuối kỳ nạp thông qua gia nhiệt khí
nạp, sấy nóng bằng bugi sấy hoặc tận dụng khí sót trong xylanh. Tất cả những phương
pháp này có thể giúp cho hỗn hợp nhanh đạt đến nhiệt độ tự cháy hơn và hỗn hợp trở
nên đồng nhất hơn.

Hình 1.1. So sánh q trình cháy thơng thường và HCCI của động cơ xăng

1.1.3. Ưu, nhược điểm của động cơ HCCI
Trong một chừng mực nào đó, động cơ HCCI kết hợp cả hai ưu điểm của động
cơ diesel (hiệu suất nhiệt) và động cơ xăng (phát thải). Động cơ khơng có bướm ga
lắp trên đường nạp và hoạt động với hỗn hợp nhạt, những yếu tố này giúp nâng cao
hiệu suất nhiệt.

17


Khi tạo được hỗn hợp hồ trộn đồng nhất, khơng tồn tại những vùng cục bộ có
mật độ nhiên liệu lớn, q trình cháy khuếch tán hỗn hợp đậm khơng diễn ra, làm
giảm phát thải dạng hạt PM. Ngoài ra, q trình cháy diễn ra hồn tồn và trong tồn
bộ xylanh, nên nhiệt độ quá trình cháy giảm, phát thải NOx giảm. Phát thải NOx
thơng thường được hình thành khi nhiệt độ cao hơn 2000K, trong khi đó bồ hóng hình
thành ở những nơi có hỗn hợp q đậm với λ < 0,8 và nhiệt độ lớn hơn 1400K [1,3].
Nếu sử dụng mơ hình cháy HCCI, vùng làm việc chính khơng nằm trong hai dải trên

(hình 1.2).

Hình 1.2. Vùng làm việc của động cơ HCCI [21]

Tuy nhiên, vẫn đang còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết đối với động cơ
HCCI như: không thể điều khiển một cách trực tiếp quá trình cháy, phát thải CO và
HC cao, cũng như là vùng làm việc tập trung ở tải nhỏ. Vấn đề điều khiển thời điểm
tự cháy trên động cơ HCCI không đơn giản như trên động cơ xăng và diesel. Quá
trình này được quyết định bởi động lực học phản ứng, vì vậy cần đảm bảo tính chất
của hỗn hợp sao cho thời điểm cháy bắt đầu ở gần ĐCT. Trên động cơ xăng, một
phần hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí bám trong các khe kẽ, khi piston đi xuống, thành
phần này sẽ được đốt cháy do nhiệt độ cao (lớn hơn 2500K). Tuy nhiên, trên động cơ
HCCI, nhiệt độ cháy rất thấp (nhỏ hơn 1800K), nên phần hỗn hợp này không được
phân huỷ, phát thải CO và HC cao. Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt độ lớn nhất rất nhỏ (chỉ
18


khoảng 1200K), khơng đủ để CO chuyển hố thành CO2, vì vậy q trình tự cháy khó
khăn hơn. Trong khi tại tải lớn, do hỗn hợp được cháy cùng một thời điểm, tốc độ toả
nhiệt diễn ra rất nhanh, tốc độ tăng áp suất lớn, gây ảnh hưởng xấu đến động cơ. Vùng
làm việc của động cơ HCCI bị giới hạn bởi hai yếu tố: khơng cháy và kích nổ. Tại
tốc độ cao, hỗn hợp khó tự cháy hơn do không đủ thời gian để phản ứng, vấn đề khởi
động cũng là một trong những vấn đề chính đối với loại động cơ này.
1.2. Các phương pháp thiết lập chế độ cháy HCCI
Trong vòng hai thập niên trở lại đây, một số lượng lớn thuật ngữ đã được gán
cho các mơ hình cháy mới của động cơ, bao gồm ATAC (Active ThermoAtmospheric Combustion) [27], TS (Toyota-Soken) [24], ARC (Active Radical
Combustion) [10] trên động cơ 2 kỳ, CIHC (Compression-Ignited Homogenous
Charge) [22], Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) [28], Controlled
Auto-ignition (CAI) [25,35,14,19,5], UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System)
[43], PREDIC (PREmixed lean DIesel Combustion) [24], MK (Modulated Kinetics)

[9], Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) [5], OKP (Optimised Kinetic
Process) [33],... Tất cả các thuật ngữ trên đều mơ tả 2 ngun lý của mơ hình cháy
mới: (1) hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí được hình thành từ trước và (2) hỗn hợp tự
cháy. Trong thời gian gần đây khái niệm về động cơ HCCI được công nhận bởi ECOEngine Network of Excellence (một tổ chức nghiên cứu động cơ bao gồm hơn 20
viện nghiên cứu, trường đại học và các công ty ô tô tại châu Âu thường xuyên thực
hiện các hoạt động trao đổi nghiên cứu, học tập) cho nên HCCI có thể được dùng như
một thuật ngữ duy nhất để thể hiện quá trình cháy mới trên động cơ diesel hoặc các
động cơ đốt trong khác.
Những giải pháp để động cơ có thể hoạt động theo nguyên lý HCCI là:
- Các phương pháp tạo hỗn hợp đồng nhất như là hình thành hỗn hợp kiểu
phân lớp và đặc biệt là tái sử dụng khí xả và giữ khí sót để hồ trộn cùng hỗn hợp
khơng khí/nhiên liệu, thường được sử dụng để thay đổi tính tự cháy và tốc độ toả
nhiệt của q trình cháy trong động cơ xăng.
- Các giải pháp để điều khiển thời điểm cháy và hỗn hợp tự cháy. Cần chú ý
19


rằng q trình tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí khơng chỉ được quyết định
bởi mỗi một ngun nhân là q trình nén mà có thể là bởi nhiệt độ bên ngoài hoặc
bên trong xylanh. Đối với trường hợp động cơ diesel, quá trình nén sẽ khiến cho hỗn
hợp tự cháy do tỷ số nén cao và nhiệt độ tự cháy của diesel thấp. Trong khi đó, sự sấy
nóng nhiệt độ khí nạp hoặc trao đổi nhiệt đối lưu từ khí sót giúp cho nhiên liệu có trị
số octane cao như xăng, khí thiên nhiên... tự cháy.
Từ đặc điểm của hệ thống nhiên liệu diesel, các phương pháp hình thành hỗn hợp
có thể được phân loại theo đặc điểm phun. Theo cách này hỗn hợp được hình thành
đồng nhất gồm 2 phương pháp: hình thành hỗn hợp đồng nhất bên ngồi và hình thành
hỗn hợp đồng nhất bên trong.

Hình 1.3. Phương pháp hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel HCCI

1.2.1. Hình thành hỗn hợp bên ngồi (PFI)
Hỗn hợp hình thành đồng nhất khi có đủ thời gian cần thiết, vì vậy hình thành
hỗn hợp bên ngồi là biện pháp đơn giản và mức độ đồng nhất cao hơn nhiều so với
biện pháp khác. Cũng như động cơ xăng nhiên liệu được phun ngược chiều với dịng
khí nạp để tăng cường khả năng bay hơi của nhiên liệu. Hỗn hợp được hình thành
suốt trong thời gian nạp và nén nên hỗn hợp có đủ thời gian để đồng nhất.
Với động cơ PFI HCCI phát thải NOx giảm 100 lần so với động cơ diesel truyền
thống, mức phát thải bồ hóng rất thấp, tuy nhiên mức phát thải HC và CO cao hơn,
20


phụ thuộc vào mức độ đồng nhất hỗn hợp [8].
Đối với hệ thống PFI, vấn đề cần quan tâm nhất là khả năng bay hơi của nhiên
liệu. Nhìn chung diesel chỉ hóa hơi hồn tồn ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trên đường
ống nạp. Nếu khơng có biện pháp xử lý kịp thời nhiên liệu khơng bay hơi hồn toàn,
bám trên thành vách xilanh làm tăng phát thải HC và rửa trôi dầu bôi trơn làm giảm
đáng kể hiệu suất cháy động cơ [38]. Vì vậy với loại này cần quan tâm nhiều đến sấy
nóng khí nạp [37].
Một vấn đề khác cần quan tâm của hệ thống PFI, thời điểm cháy thường diễn ra
sớm hiên liệu cung cấp n-heptane
lên bệ thử công suất động cơ AVL 5402 là tiến hành chạy ở 5 chế độ tốc độ 1050v/ph,
1200v/ph, 1300v/ph, 1400v/ph và 1500v/ph ta thu được các kết quả về áp suất trong
buồng đốt và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ.
3.6. Kết quả thử nghiệm và đánh giá
3.6.1. Đặc tính phun nhiên liệu n-heptane
Để tiến hành xây dựng đường đặc tính phun nhiên liệu n-heptane cho hệ thống
nhiên liệu thiết kế mới ta tiến hành cân lượng nhiên liệu phun với độ rộng xung phun
khác nhau.
Việc xây dựng đặc tính phun của kim phun làm cơ sở cho việc xác định suất
tiêu hao nhiên liệu có ích ge của động cơ AVL 5402 khi chuyển đổi sang chạy theo

nguyên lý HCCI.
Tiến hành đo tại 5 tần số phun khác nhau là 8.75Hz, 10Hz, 10.83Hz, 11.67Hz,
12.5Hz tương ứng với 5 chế độ tốc độ thử nghiệm là 1050v/ph, 1200v/ph, 1300v/ph,
1400v/ph, 1500v/ph. Cách đo bằng cân và các kết quả thu được tương ứng như trên
các hình 3.5 và hình 3.6.
Lượng nhiên liệu phun
(mg)

8

7.5
7

6.5
6

12.5Hz

5.5
5

Hình 3.5. Thiết bị cân nhiên
liệu

4

4.5

5

Thời gian phun (ms)

5.5

Hình 3.6. Đặc tính phun n-heptane

Lượng phun thu được được tính bằng mg/ph. Với việc đặt số lần nhấc kim
phun bằng số lần nhấc xu páp nạp thì lượng nhiên liệu thu được trên một đơn vị thời
gian chính bằng lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình động cơ. Khi đó ta dễ dàng
xác định được suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ khi chia cho công suất.

56


3.6.2. Biến thiên áp suất trong xylanh
140
6.83 mg/ct

1050v/ph

120

8.28 mg/ct
9.40 mg/ct

pkt (bar)

100

11.06 mg/ct

80

12.81 mg/ct

60
40
20

0
-40

-30

-20

-10

0

10

Góc quay trục khuỷu (Độ)

20

30

40

Hình 3.7. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1050v/ph

Tốc độ tăng áp suất (bar/độ)

40
35

1050 v/ph

30

6.83 mg/ct

25

8.27 mg/ct

20

9.40 mg/ct

15

11.06 mg/ct

10

12.81 mg/ct

5

0
-5
-10
-30 -25 -20 -15

-10

-5

0

5

10

Góc quay trục khuỷu (độ)

15

20

25

30

Hình 3.8. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1050 v/ph
140

7.56 mg/ct
8.63 mg/ct

9.67 mg/ct
10.71 mg/ct
11.87 mg/ct

1200v/ph

120

pkt(bar)

100
80
60
40
20
0
-40

-30

-20

-10

0

10

Góc quay trục khuỷu (độ)

20

30

40

Hình 3.9. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1200v/ph

57


Tốc độ tăng áp suất (bar/độ)

13

1200 v/ph

7.56 mg/ct

11

8.63 mg/ct

9

9.67 mg/ct

7
5

10.71 mg/ct

3

11.87 mg/ct

1
-1
-3
-5
-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Góc quay trục khuỷu (độ)

Hình 3.10. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1200 v/ph
140

1300v/ph

120

7.61 mg/ct
9.18mg/ct

pkt (bar)

100

10.78 mg/ct
12.30 mg/ct

80

13.53mg/ct
60
40

20
0

-40

-30

-20

-10

0

10

Góc quay trục khuỷu (độ)

20

30

40

Hình 3.11. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1300v/ph
Tốc độ tăng áp suất (bar/độ)

30
25

1300 v/ph

7.61 mg/ct

20

9.18 mg/ct

15

10.78 mg/ct

12.30 mg/ct

10

13.53 mg/ct

5
0
-5

-10
-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Góc quay trục khuỷu (độ)

Hình 3.12. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1300 v/ph

58


140
7.62 mg/ct
9.58 mg/ct
11.23 mg/ct
12.68 mg/ct

13.87 mg/ct

1400v/ph

120

pkt (bar)

100
80
60
40
20
0
-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Góc quay trục khuỷu (độ)

Hình 3.13. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1400v/ph

Tốc độ tăng áp suất (bar/độ)

25
20

1400 v/ph

7.62 mg/ct
9.58 mg/ct

15

11.23 mg/ct

12.68 mg/ct

10

13.87 mg/ct
5
0
-5
-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Góc quay trục khuỷu (độ)

15

20

25

30

Hình 3.14. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1400 v/ph
140
120

8.71 mg/ct

1500v/ph

9.68 mg/ct
10.65 mg/ct

pkt (bar)

100

11.67 mg/ct
12.62 mg/ct

80
60
40
20
0
-40

-30

-20

-10

0

10

Góc quay trục khuỷu (độ)

20

30

40

Hình 3.15. Sự thay đổi của áp suất trong xylanh ở 1500v/ph

59


1500 v/ph

Tốc độ tăng áp suất (bar/độ)

15

8.71 mg/ct
9.68 mg/ct
10.56 mg/ct

10

11.67 mg/ct
12.62 mg/ct

5

0

-5
-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Góc quay trục khuỷu (độ)

Hình 3.16. Tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở 1500 v/ph

Áp suất trong xylanh và tốc độ tăng áp suất trong xylanh biến thiên như các
hình từ hình 3.7 đến 3.16. Dựa vào kết quả nhận thấy, áp suất trong buồng cháy ở
mỗi chế độ tốc độ tăng nhanh khi tăng lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình. Tuy
nhiên, khi tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cũng làm cho hệ số khơng khí/nhiên
liệu giảm nên q trình cháy của động cơ cũng được rút ngắn. Hỗn hợp hịa khí đi
vào động cơ đậm hơn, tỉ số nén của động cơ cao (17,3) làm cho quá trình cháy diễn
ra dễ dàng nên làm cho quá trình cháy diễn ra sớm hơn. Do đó, các đường áp suất khi
tăng lượng phun ở các chế độ tốc độ có xu hướng tiến về phía quá trình nén. Do cháy
quá sớm nên quá trình là vừa nén vừa cháy nên áp suất trong xylanh sẽ biến thiên liên
tục và máy bị gằn khi tiếp tục tăng lượng nhiên liệu cấp. Để không tổn thất do quá
trình cháy diễn ra quá sớm, ta cần làm cho q trình cháy muộn hơn. Với mục tiêu
này, ta có thể tiến hành các biện pháp về kết cấu như làm giảm tỉ số nén của động cơ
để giảm nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén hoặc tiến hành ln hồi khí xả để q
trình cháy lui về phía điểm chết trên của động cơ....
Khi tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, tốc độ tăng áp suất trong buồng
đốt cũng tăng nhanh. Với các trường hợp khi chạy thực nghiệm ta điều chỉnh lượng
nhiên liệu tăng tới mức làm đường áp suất trong buồng cháy biến thiên mạnh ở vùng
đỉnh, cháy sớm hơn như ở 1050v/ph, 1300v/ph, 1400v/ph, 1500v/ph thì chỉ số tăng
áp suất lớn nhất vượt quá giá trị 15bar/độ góc quay trục khuỷu, khi đó, động cơ bị
rung, giật nên ta cần phải hạn chế lượng nhiên liệu cấp.
60