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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. CAO ĐÀO NAM NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN VỚI HỖN HỢP HAI GIAI ĐOẠN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NCS. CAO ĐÀO NAM NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ CHÁY DO NÉN VỚI HỖN HỢP HAI GIAI ĐOẠN TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : 1. PGS.TS. HOÀNG ANH TUẤN 2. PGS. TS. TRẦN THỊ THU HƯƠNG Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài : “Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén với hỗn hợp hai giai đoạn trên động cơ diesel” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hoàng Anh Tuấn và PGS.TS. Trần Thị Thu Hương. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình khác. Các tài liệu và dữ liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ! Tp.HCM, ngày 15 tháng 02 năm 2024 Nghiên cứu sinh Cao Đào Nam ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian triển khai nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Hoàng Anh Tuấn và PGS.TS. Trần Thị Thu Hương đã dành nhiều thời gian, công sức hướng dẫn và đóng góp những ý kiến quý giá giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu - Trường Đại học giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện đào tạo sau đại học và Viện cơ khí đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Tôi xin chân thành biết ơn TS. Dhinesh Balasubramanian - Viện cơ khí và phòng thực nghiệm động cơ, Mepco Schlenk Engineering College, Sivakasi, Tamil Nadu, Ấn Độ đã giúp đỡ tôi để hoàn thành luận án này. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong hội đồng, các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã có những góp ý quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ tôi vượt qua các khó khăn và hoàn thành luận án này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, nhưng còn hạn chế kinh nghiệm và kiến thức, nên luận án vẫn tồn tại sai sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu từ các nhà khoa học và bạn đọc nhằm hoàn thành luận án tốt nhất. Nghiên cứu sinh Cao Đào Nam iii TÓM TẮT 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 nhiên liệu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ đã được quan tâm sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Sự phát thải các oxit nitơ từ dầu thực vật và hỗn hợp của nó thấp hơn so với nhiên liệu diesel nguyên chất. Một giải pháp thay thế cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học là sử dụng dầu ăn thải làm nhiên liệu. Việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có thể kéo dài tuổi thọ của động cơ diesel vì nó bôi trơn tốt hơn nhiên liệu diesel truyền thống. Nhiên liệu diesel sinh học được sản xuất từ dầu ăn thải có thể tái tạo do đó cải thiện an ninh nhiên liệu và tính độc lập của nền kinh tế. 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 không khí và hòa trộn trước nhiên liệu và không khí để đạt được quá trình đốt cháy có kiểm soát. Phương pháp hòa trộn trước nhiên liệu và không khí, động cơ có thể hoạt động với tỷ lệ không 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 nhiên liệu diesel sinh học, 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 đốt cháy 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 quá 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. iv 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 ”. Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án đã giải quyết các vấn đề theo trình tự sau: - Nghiên cứu các tác động và kiểm soát phát thải NOx và PM. Ngoài ra, nghiên cứu quá trình cháy thông thường và quá trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel. 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. 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 thông số quá trình cháy và phát thải khi sử dụng phương pháp đốt cháy này trên động cơ diesel. Nghiên cứu PPCI kết hợp với nhiều loại nhiên liệu và EGR (Exhaust gas recirculation), đó là cơ sở lý thuyết cơ bản để nghiên cứu sinh tính toán mô phỏng động cơ diesel đốt cháy theo phương pháp PCCI sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu WCO. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy của động cơ diesel với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS Fluent nhằm đánh giá các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với Biodiesel WCO. Kết quả nghiên cứu dựa trên mô 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). - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng trên động cơ diesel một xi lanh nhằm so sánh với kết quả mô phỏng cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng phương pháp đốt cháy PCCI kết hợp với nhiên liệu WCO Từ kết quả của quá trình nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc sử dụng 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 môi trường. Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu WCO giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường. Từ khóa- PCCI, WCO, động cơ diesel, đặc tính kỹ thuật của động cơ, đặc tính phát thải. v ABSTRACT The demand for fossil fuels is increasing, and the need to find renewable energy sources is becoming increasingly important around the world. Biodiesel produced from vegetable oil has similar properties to diesel fuel derived from petroleum and has been used as an alternative fuel for diesel engines. Emissions of nitrogen oxides from vegetable oils and their mixtures are lower than from pure diesel fuel. An alternative to using biodiesel fuel is to use waste cooking oil as fuel. Using biodiesel fuel can prolong the life of diesel engines because it lubricates better than traditional diesel fuel. Biodiesel fuel is produced from renewable waste cooking oil thereby improving fuel security and economic independence. PCCI stands for "Premixed charge compression ignition", which is a combustion method used in diesel engines to improve fuel efficiency and reduce emissions. The PCCI engine relies on a combination of high-pressure fuel injection, air compression, and pre-mixing of fuel and air to achieve controlled combustion. By pre-mixing fuel and air, the engine can operate with less air-fuel ratio, which reduces emissions and improves fuel efficiency. WCO stands for "Waste cooking oil", which is a recycled oil derived from cooking oil that has been used to fry food. WCO can be used as a feedstock to produce biodiesel fuel, its use as a fuel source can help reduce dependence on fossil fuels and reduce environmental impact. For diesel engines, PCCI combustion technology can be used in combination with WCO as a fuel source to further reduce emissions and improve fuel efficiency. The high cetane number of WCO can facilitate the combustion process in PCCI engines, and the use of WCO as a fuel source can help reduce the carbon emissions of diesel engines. In the current specific conditions in Vietnam, research to find a combustion method that combines a new, more effective alternative fuel is extremely necessary and urgent. Based on the above reason, the author chose the topic: " Research on establishing a compression combustion mode with a two-stage mixture for diesel engines ". To achieve the set goals, the thesis has solved the problems in the following order: - Research the impacts and control of NOx and PM emissions. In addition, research on conventional combustion and low-temperature combustion in diesel engines. Learn about the current state of research at home and abroad and the use of PCCI combustion vi method on diesel engines as a basis for graduate students to find gaps that need to be researched for this thesis. This topic will focus on researching the use of PCCI method for diesel engines corresponding to other fuel injection angles in order to evaluate the combustion process parameters and emissions when using this combustion method on the engine. diesel. Researching PPCI combined with many types of fuel and EGR (Exhaust gas recirculation), which is the basic theoretical basis for graduate students to calculate and simulate diesel combustion engines using the PCCI method using fuel mixtures. WCO. - Research and build a model to simulate the combustion process of diesel engines with the support of ANSYS Fluent software to evaluate the working and emission characteristics of diesel engines when using the combined PCCI combustion method. with Biodiesel WCO. Research results based on the RNG k- ε turbulence model were carried out to evaluate the impact of two-stage injection on the combustion processes of WCO (B10, B20, B30, B40) and diesel fuel (D100). - Controlled experimental research on a single-cylinder diesel engine to compare with simulation results as well as evaluate factors affecting technical characteristics and emissions when using the PCCI combustion method combined with WCO fuel The results of simulation and experimental research show that using the PCCI combustion method combined with WCO fuel on diesel engines brings many technical, economic and environmental benefits. Using WCO fuel blends helps reduce dependence on traditional fuels and reduces emissions that cause environmental pollution. Keywords- PCCI, WCO, diesel engine, engine technical characteristics, emission characteristics. vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii TÓM TẮT .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................... xiv MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1 a) Mục tiêu lý thuyết: .................................................................................................... 3 b) Mục tiêu thực nghiệm: .............................................................................................. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 3 a) Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................ 3 b) Phạm vi nghiên cứu: ................................................................................................. 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................. 4 a) Về khoa học ........................................................................................................... 4 b) Về thực tiễn ........................................................................................................... 5 5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 5 a) Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................................. 5 b) Nghiên cứu mô phỏng ........................................................................................... 6 c) Nghiên cứu thực nghiệm ....................................................................................... 6 d) Phương pháp phân tích và tổng hợp ................................................................... 6 6. Điểm mới của luận án ................................................................................................ 6 7. Nội dung nghiên cứu.................................................................................................. 7 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN .............................................................. 8 1.1 Tổng quan về NOx và phát thải PM ....................................................................... 8 1.1.1 Cơ chế hình thành NOx và phát thải PM trong động cơ diesel ........................ 10 1.1.2 Tác động và kiểm soát phát thải NOx và PM ................................................... 13 1.2 Tổng quan về quá trình cháy trong động cơ diesel ............................................ 17 viii 1.2.1 Quá trình cháy trong động cơ diesel thông thường .......................................... 17 1.2.2 Quá trình cháy nhiệt độ thấp trong động cơ diesel .......................................... 22 1.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI trên thế giới và Việt Nam ... 26 1.3.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI trên thế giới ........................ 26 1.3.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng động cơ PCCI ở Việt Nam ......................... 30 1.4 Kết luận chương 1.................................................................................................. 31 CHƯƠNG 2. QUÁ TRÌNH ĐỐT CHÁY NHIỆT ĐỘ THẤP ................................. 32 2.1 Nguyên lý đốt cháy ở nhiệt độ thấp ..................................................................... 32 2.2 Nạp hỗn hợp đồng nhất và đốt cháy do nén ........................................................ 39 2.2.1 Nguyên lý quá trình cháy đồng nhất ................................................................ 39 2.2.2 Quá trình tự cháy và giải phóng nhiệt HCCI ................................................... 42 2.2.3 Đặc điểm quá trình cháy HCCI ........................................................................ 44 2.3 Đốt cháy hỗn hợp đồng nhất hòa trộn trước do nén .......................................... 47 2.4 Kết luận chương 2.................................................................................................. 54 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL ĐỐT CHÁY THEO PHƯƠNG PHÁP PCCI SỬ DỤNG CÁC HỖN HỢP NHIÊN LIỆU WCO ....................................................................................................................................... 55 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 55 3.2 Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu mô phỏng ................................................... 56 3.2.1 Động cơ nghiên cứu ......................................................................................... 56 3.2.2 Nhiên liệu nghiên cứu ...................................................................................... 56 3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng ............................................................................... 59 3.3.1 Phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent .............................................................. 59 3.3.2 Cơ sở lý thuyết mô hình ngọn lửa trong quá trình đốt cháy PCCI trong phần mềm ANSYS Fluent ................................................................................................. 60 3.4 Xây dựng mô hình mô phỏng. .............................................................................. 65 3.4.1 Mô hình phần tử hữu hạn và thiết lập mô phỏng. ............................................ 65 3.4.2 Điều kiện biên. .............................................................................................. 68 3.5 Kết quả mô phỏng. ................................................................................................ 69 3.5.1 Nhiên liệu diesel – PCCI : 60% và 40% .......................................................... 69 ix 3.5.2 Nhiên liệu diesel 90% - WCO 10% (B10) – PCCI: 60% và 40% ................... 71 3.5.3. Nhiên liệu diesel 80% - WCO 20% (B20) – PCCI: 60% và 40% .................. 74 3.5.4 Nhiên liệu diesel 70% - WCO 30% (B30) – PCCI: 60% và 40% ................... 76 3.5.5 Nhiên liệu diesel 60% - WCO 40% (B40) – PCCI: 60% và 40% ................... 78 3.6 Kết luận chương 3.................................................................................................. 81 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................................... 83 4.1 Mục tiêu thực nghiệm............................................................................................ 83 4.1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 83 4.1.2 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm ................................................................... 83 4.2 Phạm vi và điều kiện thực nghiệm ....................................................................... 83 4.3 Quy trình, chế độ và trang thiết bị thử nghiệm .................................................. 84 4.3.1 Nhiên liệu thử nghiệm ...................................................................................... 84 4.3.2 Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................. 86 4.3.3 Quy trình thử nghiệm ....................................................................................... 87 4.3.4 Chế độ thử nghiệm ........................................................................................... 93 4.4 Kết quả thực nghiệm và thảo luận ....................................................................... 93 4.4.1 Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ ....................................... 93 4.4.2 Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ khi sử dụng B20 và EGR ................................................................................................................................... 98 4.4.3 Kết quả thực nghiệm đánh giá các đặc tính động cơ khi sử dụng B20 -EGR (20%) và phun hai giai đoạn. ................................................