NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ĐỘNG CƠ RCCI
SO VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL NGUYÊN BẢN TRÊN PHẦN MỀM AVL-BOOST Nguyễn Tuấn Thành1, Phạm Minh Tuấn1, Bùi Nhật Huy2,*,
Khổng Văn Nguyên3, Vũ Văn Quang2
1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2 Trường Đại học Phenikaa
3 Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên
* Tác giả liên hệ: [email protected] Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 08/10/2020
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 26/11/2020 Ngày bài báo được duyệt đăng: 28/01/2021 Tóm tắt:
Nghiên cứu này đánh giá mô phỏng động cơ Yanmar 178F cháy theo cơ chế RCCI so với động cơ nguyên bản trên phần mềm AVL-Boost. Nghiên cứu sử dụng mô hình cháy Vibe và mô hình truyền nhiệt Woschni trong phần mềm AVL-Boost để mô phỏng động cơ. Kết quả cho thấy động cơ RCCI có nhiều ưu điểm vượt trội như nâng cao công suất, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm thành phần phát thải NOx và PM. Kết quả nghiên cứu là tiền đề cho các nghiên cứu khác về động cơ RCCI.
Từ khóa: Động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu, phát thải, phần mềm AVL-Boost.
1. Đặt vấn đề
Hiện nay có rất nhiều những nguồn động lực mới được nghiên cứu phát triển và áp dụng nhằm thay thế cho động cơ đốt trong (như động cơ điện, động cơ hydrogen,…). Tuy nhiên với chi phí hợp lý, bền bỉ, tiện lợi cùng với sử dụng nhiên liệu phổ biến nên động cơ đốt trong (ĐCĐT) vẫn là nguồn động lực chính cho các vận dụng phục vụ cho đời sống hàng ngày (máy bơm, máy cắt cỏ, máy phát điện,…), các phương tiện giao thông vận tải, xây dựng và hằng hải,…[1]
Mặt khác, trên toàn thế giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng dầu thô mỗi ngày trong đó 70% dùng cho ĐCĐT. Đối với ô tô sử dụng ĐCĐT khoảng 18% năng lượng được sử dụng đến được hệ thống động lực do mất mát bởi hiệu suất của động cơ do tỏa nhiệt và ma sát, các hệ thống phụ trợ,… Sau đó chỉ khoảng 12% năng lượng được truyền đến bánh xe do mất mát của hệ thống truyền lực. Vì vậy việc nâng cao hiệu suất của ĐCĐT có ý nghĩa vô cùng to lớn.
Xét về hiệu suất động cơ diesel hay động cơ cháy do nén có hiệu suất vượt trội hơn so với động cơ xăng hay động cơ cháy cưỡng bức nhờ tỉ số nén cao hơn và công bơm giảm. Tuy nhiên động cơ
diesel thông thường có mức độ đồng nhất của nhiên liệu và không khí thấp, tồn tại nhiều vùng hỗn hợp
“giàu” và “nghèo” dẫn đến xuất hiện những vùng có nhiệt độ cao và vùng có nhiệt độ thấp trong buồng cháy. Những yếu tố này dẫn tới phát thải NOx và PM trong động cơ diesel cao và rất khó xử lý.
Từ những áp lực về chi phí nhiên liệu cũng như yêu cầu khắt khe về khí thải đã thúc đầy nhu cầu nghiên cứu nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu phát thải của ĐCĐT nổi bật lên là mô hình động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC (Low temperature combustion). Ứng dụng LTC có thể kể đến hiện này là động cơ nạp đồng nhất cháy do nén HCCI, động cơ cháy hòa trộn trước PCCI và động cơ nén cháy kiểm soát hoạt tính nhiên liệu RCCI.
Với động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) và động cơ cháy hỗn hợp hòa trộn trước (PCCI) cho thấy những ưu điểm nổi bật về phát thải như phát thải PM không đáng kể và NOx gần như bằng không, hiệu suất nhiệt tương đương hoặc cao hơn động cơ thông thường. Tuy nhiên điều khiển thời điểm cháy, giới hạn làm việc còn hạn chế và phát thải HC và CO cao. Để khắc phục nhược điểm trên thì động cơ cháy nén kiểm soát hoạt tính nhiên liệu RCCI được phát triển [2].
Động cơ RCCI sử dụng hai loại nhiên liệu là nhiên liệu hoạt tính thấp có chỉ số octan cao LRF như nhiên liệu xăng, etanol, LPG, CNG,…và nhiên liệu hoạt tính cao có chỉ số cetan cao HRF như nhiên liệu diesel, biodiesel, dimethyl ether (DME).
Nhiên liệu hoạt tính thấp được phun trên đường ống nạp trong khi đó nhiên liệu hoạt tính cao được phun trực tiếp trong buồng cháy. Thời điểm phun càng sớm các hạt nhiên liệu càng phân bố đồng đều trong buồng cháy. Khi Piston nén đến nhiệt độ và áp suất nhất định nhiên liệu HRF cháy trước và kích cháy cho hỗn hợp. Do đó hạn chế những vùng hỗn hợp giàu nghèo dẫn tới NOx và Soot đều giảm. Có nhiều thông số ảnh hướng đến quá trình cháy của động cơ RCCI như tỉ lệ giữa hai loại nhiên liệu; thời điểm phun, số lần phun nhiên liệu HRF; tỉ số nén; tỷ lệ luân hồi khí thải EGR …
Động cơ cháy ở nhiệt độ thấp LTC, điển hình là động cơ RCCI là xu hướng phát triển mới cho ngành động cơ đốt trong trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Tuy nhiên ở Việt Nam nghiên cứu thử nghiệm động cơ RCCI còn chưa nhiều đặc biệt nghiên cứu trên động cơ thông thường. Do đó bài báo này sẽ tập trung nghiên cứu và đánh giá động cơ RCCI so với động cơ diesel thông thường trên phần mềm AVL-BOOST.
2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy RCCI
Hình 1 thể hiện khái niệm cơ bản về quá trình cháy động cơ RCCI và được dùng để xây dựng mô hình cháy, trong đó đường viền màu thể hiện tỷ lệ nhiên liệu HRF và LRF tương đương số xêtan của nhiên liệu. Nhiên liệu hoạt tính cao được phun từ giữa tâm xy lanh, tia phun hướng về phía xa tâm buồng cháy, gần với thành xy lanh, do đó ở khu vực này sẽ tập trung nhiều nhiên liệu hoạt tính cao, sau đó hỗn hợp bắt đầu cháy từ khu vực này lan ra làm tăng nhiệt độ và áp suất trong xy lanh thời điểm cuối quá trình nén. Vùng tự cháy xuất hiện gần khu vực thể tích chèn của pittông, nơi có hoạt tính nhiên liệu lớn nhất. màng lửa từ các vùng tự cháy sẽ lan tràn đến các khu vực có hoạt tính nhiên liệu thấp hơn. Do đó có thể nói quá trình cháy xuất phát từ vùng thể tích chèn của pittông và lan tràn về tâm của pisttông vị trí đặt vòi phun, đây là nơi có hoạt tính nhiên liệu thấp nhất.
Hình 1. Quá trình cháy RCCI 2.1. Xác định thời điểm bắt đầu cháy (SOC)
Đặc điểm quá trình cháy của RCCI xuất phát từ nhiều vị trí trong buồng cháy, do đó thời điểm bắt đầu cháy được xác định từ mô hình kích nổ tích hợp (KIM) thời điểm bắt đầu cháy được xác định là thời điểm hỗn hợp nhiên liệu không khí cháy được 10% (CA10), vì thế thay vì xác định thời điểm cháy thì chuyển sang tính thời gian cháy trễ, là khoảng thời gian từ lúc phun nhiên liệu diesel đến thời điểm CA10.
Tuy nhiên do đặc điểm quá trình cháy của động cơ RCCI khác biệt, và được giả định là có mối quan hệ giữa tỷ lệ hỗn hợp đã cháy (x/xc) với thời gian tương đối (t/τ) do đó thời điểm cháy được xác định theo biểu thức của “Máy nén nhanh” (RCM) [3] ở những điều kiện làm việc khác nhau
∫
∫
=
= SOC
IVC P
T b SOC
c IVC
d Awe w d
x x
n θ
τ θ
1
1 (1)
Giá trị tích phân sẽ tăng dần như kết quả ở Hình 2.
Hình 2. Đồ thị tích phân 1/wt từ thời điểm IVC đến SOC
Động cơ RCCI được coi như là quá trình cháy kích nổ trong động cơ xăng, do đó mô hình KIM được phát triển để đánh giá thêm các ảnh hưởng của các thông số khác đến tính tự cháy trong quá trình cháy RCCI và được biểu diễn bởi phương trình:
( ) ( ) ( )
( )
2
2 2
1 2
2 1
1
1 1
exp
1
exp
c
DI PFI
c
c c
SCO
IVC k D
IVC c
B B
DI PFI k
mix IVC c
SCO
IVC k D
IVC c
PFIB k
IVC c
d
a P v
A N CN b T v
d C P v
A N T v
−
−
+ +
= −
∫
∫
θ
ϕ ϕ
θ ϕ
(2) 2.2. Xác định thời gian cháy
Cơ chế cháy chính của RCCI là lan tràn màng lửa từ các điểm tự cháy, do đó tốc độ màng lửa tức thời (Sig) được sử dụng để tìm thời gian cháy (BD), mối quan hệ được thể hiện ở công thức:
BD = K2 Sigt
Trong đó tốc độ màng lửa tức thời được xác định theo công thức [3]:
Sig
SOC SOC ig
dd S
ϕ ϕ
τ ∇
= 1 (3)
2.3. Xác định góc cháy 50%
Khi đã biết BD và SOC, thì CA50 được xác định dựa vào hàm Vibe
xb^ hi = -1 exp^-a BDSOC
m 1
i i- +
: D ) (4) Trong đó xb là là phần khối lượng nhiên liệu đã cháy (0…1), θSOC chính là góc bắt đầu cháy SOC, ở đây SOC tương ứng với hỗn hợp đã cháy 10% CA10 và BD chính là khoảng góc quay trục khuỷu từ CA10 đến CA90.
3. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Yanmar 178F trên phần mềm AVL BOOST
Động cơ Yanmar 178F là động cơ diesel một xylanh, không tăng áp, làm mát bằng không khí, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải), có buồng cháy thống nhất. Các thông số của động cơ được thể hiện ở Bảng 1[4]
Bảng 1. Thông số cơ bản của động cơ Yanmar 178F
Thông số Đơn vị Giá trị
Đường kính xylanh x Hành
trình piston (DxS) mm 78x62
Thể tích công tác, (Vh) cm3 296 Tỷ số nén động cơ nguyên bản,
(ɛ) - 20
Tỷ số nén động cơ RCCI, (ɛ) - 17 Công suất định mức (Neđm) kW 4,4 Tốc độ định mức, (nđm) v/ph 3600 Mômen cực đại, (Memax) Nm 13 Tốc độ tại Memax, (nM) v/ph 2000 Suất tiêu hao nhiên liệu (gemin) g/kw.h 378 Tốc độ tại gemin (nge) v/ph 2400
Trên cơ sở các thông số kết cấu, các tài liệu liên quan về động cơ thực tế Yanmar 178F, từ những phần tử có sẵn tương ứng trong AVL-Boost, nhóm nghiên cứu đã thực hiện xây dựng được mô hình động cơ Yanmar 178F như thể hiện trên Hình 3, bao gồm các phần tử: điều kiện biên (số lượng 2); động cơ (số lượng 1); xy lanh (số lượng 1); phần tử cản dòng (số lượng 1); Bình ổn áp (số lượng 2); đường ống (số lượng 6); điểm đo (số lượng 2).
Hình 3. Mô hình động cơ Yanmar 178F Sau khi nhập các số liệu vào mô hình, chạy mô hình trên phần mềm và đưa ra kết quả mô phỏng.
Từ kết quả mô phỏng, đối chiếu với kết quả thực nghiệm đo được ở phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đưa ra được độ tin cậy của mô hình của động cơ trên phần mềm AVL-Boost.
Hình 4. Đồ thị so sánh momen, công suất giữa mô phỏng và thực tế
Hình 5. Đồ thị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực tế
Hình 6. Đồ thị so sánh phát thải CO, NOx giữa mô phỏng và thực tế
Do phần mềm AVL boost chỉ tính ra được soot nhóm nghiên cứu đã chuyển sang PM (g/kWh) bằng công thức:
PM kWhg
9 C=Soot A 1000^ h$
.
. BP
m m
1 165
air fuel 3 6
$ + $
^ h (5)
Hình 7. Đồ thị so sánh phát thải PM giữa mô phỏng và thực tế
Từ đồ thị so sánh giữa mô phỏng và thực tế của công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, momen và phát thải của động cơ Yanmar 178F ứng với các tốc độ khác nhau. Sai số công suất giữa mô phỏng với thực nghiệm khoảng 1,2%, sai số momen giữa mô phỏng với thực nghiệm khoảng 3,5%. Sai số ge giữa mô phỏng và thực nghiệm là 1,2%, sai số phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm là khoảng 0,8%.
Vậy mô hình mô phỏng động cơ Yanmar 178F trên phần mềm AVL-Boost là tin cậy.
4. So sánh động cơ Yanmar 178F nguyên bản và động cơ cháy theo cơ chế RCCI trên phần mềm AVL BOOST
4.1. Xây dựng mô hình động cơ Yanmar 178F cháy theo cơ chế RCCI
Hình 8. Mô hình động cơ Yanmar 178F cháy theo cơ chế RCCI
Mô hình động cơ Yanmar 178F cháy theo cơ chế RCCI được biểu diễn như trong Hình 8. Mô hình bao gồm các phần tử: điều kiện biên (số lượng 2); động cơ (số lượng 1); xy lanh (số lượng 1); phần tử cản dòng (số lượng 1); Bình ổn áp (số lượng 2);
đường ống (số lượng 6); điểm đo (số lượng 2), vòi phun xăng I1 (số lượng 1).
4.2. Mô hình hệ thống nhiên liệu
Phần mềm AVL-Boost không mô hình hóa hệ thống nhiên liệu của động cơ thành một phần tử cụ thể nào. Do đó để điều chỉnh hệ thống nhiên liệu bằng cách điều chỉnh các thông số thông qua mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt. Trong nghiên cứu này sử dụng mô hình cháy Vibe và mô hình truyền nhiệt Woschin 1978 trong phần mềm AVL-Boost.
4.3. Chế độ mô phỏng so sánh
So sánh kết quả thực nghiệm của động cơ nguyên bản (thực nghiệm tại trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải trường đại học Bách Khoa Hà Nội) với kết quả mô phỏng của động cơ khi chuyển sang chế độ RCCI ở tốc độ 2000 vòng/
ph, thời điểm phun nhiên liệu là 15 độ trước ĐCT và momen là 2 Nm, 4 Nm, 6 Nm.
4.4. So sánh
Kết quả so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy động cơ:
Hình 9. Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy tại momen 2 Nm
Hình 10. Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy tại momen 6 Nm
Hình 11. Đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy tại momen 10 Nm
Qua đồ thị so sánh diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy ta thấy rằng động cơ khi chuyển sang RCCI thì nhiệt độ trong xylanh thấp hơn so động cơ nguyên bản là do quá trình cháy diễn ra muộn hơn mà piston đang có xu hướng đi xuống do đó thể tích tăng dẫn đến nhiệt độ trong xylanh thấp hơn.
Do động cơ RCCI sử dụng hai loại nhiên liệu khác nhau là diesel với xăng có nhiệt trị khác nhau.
Do đó lượng nhiên liệu tiêu thụ được tính quy về nhiên liệu diesel theo công thức sau:
mfuel = mDiesel + mxăng LHVLHV
Diesel
$c m (6) Trong đó: LHVxăng là nhiệt trị thấp của xăng.
LHVDiesel là nhiệt trị thấp của xăng.
Kết quả so sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu:
Hình 12. Đồ thị so sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu
Từ Hình 12 ta có thể thấy rằng công suất của động cơ khi chuyển sang RCCI lớn hơn khoảng 9%
và suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ hơn khoảng 8.6% so với động cơ nguyên bản ở tốc độ 2000 vg/ph, thời điểm phun nhiên liệu là 15 độ trước ĐCT.
xăng
Kết quả so sánh phát thải:
Hình 13. Đồ thị so sánh phát thải NOx
Hình 14. Đồ thị so sánh phát thải PM
Hình 15. Đồ thị so sánh phát thải CO
Qua đồ thị so sánh phát thải ta thấy phát thải NOx và PM sau khi chuyển sang RCCI nhỏ hơn đáng kể so với động cơ nguyên bản. Cụ thể, phát thải NOx nhỏ hơn khoảng 87% so với động cơ nguyên bản, phát thải PM nhỏ hơn khoảng 90% so với động cơ nguyên bản. Sở dĩ việc NOx và PM giảm là do nhiệt độ cháy trong xylanh khi chuyển sang RCCI nhỏ hơn so với động cơ nguyên bản.
Phát thải CO ở momen 2 Nm nhỏ hơn so với động cơ nguyên bản nhưng từ khoảng 4 Nm thì CO khi chuyển sang RCCI lại tăng vọt so với động cơ nguyên bản. Nguyên nhân là do khi động cơ chuyển sang RCCI thì hệ số dư lượng không khí nhỏ hơn so với động cơ nguyên bản.
5. Kết luận
Động cơ RCCI với đặc trưng là quá trình cháy kích nổ của động cơ xăng nhưng khu vực xuất hiện cháy xuất phát từ gần thành xy lanh và lan dần vào tâm xy lanh, đồng thời do mức độ đồng nhất cao của hỗn hợp cháy nên hạn chế những vùng hỗn hợp giàu và nghèo dẫn tới phát thải NOx và PM được cải thiện rõ rệt. Cụ thể NOx đã giảm được 87% và PM giảm được 90% so với động cơ nguyên bản.
Ngoài giảm được phát thải NOx và PM với ưu điểm cháy của động cơ RCCI cũng đã cải thiện công suất (tăng khoảng 9%) và giảm tiêu hao nhiên liệu (khoảng 8,6%) so với động cơ nguyên bản.
Tuy nhiên đây cũng là một cơ sở để điều chỉnh các thông số điều khiển của động cơ tạo tiền để cho các nghiên cứu khác về động cơ RCCI.
Lời cảm ơn
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn đề tài cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo: B2018-BKA-59 đã hỗ trợ kinh phí cho nhóm tác giả hoàn thành nghiên cứu này.
Tài liệu tham khảo
[1]. Turns SR. An introduction to combustion: concepts and applications. 2nd ed. Boston (Massachusetts):
WCB/McGraw-Hill, 1999.
[2]. Reitz RD, Duraisamy G. Review of high efficiency and clean reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion in internal combustion engines. Prog Energy Combust Sci, 2015; 46:12–71.
[3]. Kaveh Khodadadi Sadabadi, Modelling and control of combustion phasing of an rcci engine, Luận án thạc sĩ Đại học công nghệ Michigan, 2015.
[4]. Yanmar service manual, industrial diesel engine, model: L-A series.
RESEARCH FOR ENGINEERING SIMULATION OF RCCI ENGINE WITH ORIGINAL DIESEL ENGINE ON THE AVL-BOOST SOFTWARE Abstract:
This study evaluates the simulation of a Yanmar 178F engine that burns according to the RCCI engine compared to the original engine on the AVL-Boost software. Research using Vibe fire model and Woschni heat transfer model in AVL-Boost software to simulate the engine. The results show that RCCI engines have many outstanding advantages such as increasing capacity, reducing fuel consumption, reducing components of NOx and PM emissions. The research results are the premise for other studies on RCCI engines.
Keywords: Engine RCCI, Exhaust-gas emissions, AVL-Boost.
