Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ kệ luân hồi khí thải tới thời điểm bắt đầu cháy của động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI)

Nghiên cứu này trình bày ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi khí thải tới thời điểm bắt đầu cháy của động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI - Homogeneous compression charge ignition), kết quả như sau: tại chế độ tốc độ 1200 ÷ 2400vg/ph, 50% tải, tỷ lệ luân hồi nhỏ hơn 30% động cơ HCCI làm việc ổn định, tăng dần tỷ lệ luân hồi thời điểm bắt đầu cháy của động cơ muộn dần; không nên luân hồi quá 30%, tại chế độ tốc độ lớn hơn 2400vg/ph động cơ HCCI xuất hiện cháy “kích nổ”.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ kệ luân hồi khí thải tới thời điểm bắt đầu cháy của động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ KỆ LUÂN HỒI KHÍ THẢI TỚI THỜI ĐIỂM BẮT ĐẦU CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ CHÁY DO NÉN HỖN HỢP ĐỒNG NHẤT (HCCI) Khương Thị Hà1,* 1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội * Email: khuongha82@gmail.com Tóm tắt Nghiên cứu này trình bày ảnh hưởng của tỷ lệ luân hồi khí thải tới thời điểm bắt đầu cháy của động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI - Homogeneous compression charge ignition), kết quả như sau: tại chế độ tốc độ 1200 ÷ 2400vg/ph, 50% tải, tỷ lệ luân hồi nhỏ hơn 30% động cơ HCCI làm việc ổn định, tăng dần tỷ lệ luân hồi thời điểm bắt đầu cháy của động cơ muộn dần; không nên luân hồi quá 30%, tại chế độ tốc độ lớn hơn 2400vg/ph động cơ HCCI xuất hiện cháy “kích nổ”. Từ khóa: Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI), Luân hồi khí thải, Thời điểm bắt đầu cháy 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay sức khỏe và môi trường sống của con người đang ngày càng bị ảnh hưởng nhiều hơn của ô nhiễm không khí, trong đó phát thải của động cơ diesel là một trong những nguồn góp phần làm cho vấn đề này thêm nghiêm trọng. Trong thành phần phát thải của động cơ diesel hai thành phần NOx và phát thải dạng hạt là tác nhân trực tiếp gây ra các bệnh về đường hô hấp, về da, tóc, mắt,… thậm chí là ung thư phổi. Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong phục vụ nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa, phục vụ cho sản xuất lại không ngừng tăng lên mà cơ sở hạ tầng, đường xá lại không kịp mở rộng dẫn đến hệ lụy tắc đường giờ cao điểm, đây là thời điểm phát thải độc hại tập trung một chỗ, khả năng khuếch tán kém nên con người bị ảnh hưởng rất nhiều. Chính vì vậy, các cơ quan quản lý nhà nước đã và đang yêu cầu cao hơn đối với hàm lượng phát thải từ động cơ đốt trong nhằm bảo vệ môi trường sống của con người. Đứng trước các yêu cầu từ thực tiễn, các nhà khoa học nghiên cứu về động cơ đốt trong tập trung một số định hướng sau: Giảm ô nhiễm môi trường do động cơ gây ra, tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất, tìm nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch đang cạn kiệt dần trên toàn cầu [1,2,3,4]. Vào năm 1979 trong công trình nghiên cứu về mô hình cháy CAI (Control auto ignition – Cháy có điều khiển) được thực hiện bởi Onishi [6] và Noguchi [5]. Sau công trình đầu tiên này đã bùng nổ một xu hướng nghiên cứu và phát triển động cơ sử dụng -136- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải mô hình cháy cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI - Homogeneous compression charge ignition) cho động cơ diesel trên ô tô. Các nghiên cứu trên toàn thế giới về động cơ HCCI được cho là sẽ khắc phục các nhược điểm của động cơ truyền thống với các ưu thế: phát thải NOx và PM thấp (Động cơ HCCI giảm NOx do giảm nhiệt độ cháy so với động cơ nguyên bản và cháy với nhiều tâm cháy phân bố đồng đều trong không gian buồng cháy nên cháy sạch, giảm PM, [7,8,9,10]), hiệu suất nhiệt tương đương động cơ phun xăng trực tiếp [4], có khả năng sử dụng đa dạng các loại nhiên liệu thay thế [1,2,3,7,9,10]. Trong các nghiên cứu về động cơ HCCI cho thấy đây là một mô hình cháy hoàn toán mới với các đặc trưng khác biệt so với mô hình cháy của động cơ xăng và diesel truyền thống [4,5,6], trên hình 1 thể hiện sự khác biệt giữa quá trình cháy của động cơ thông thường và Hình 1. Quá trình cháy trên động cơ xăng, động cơ HCCI. diesel thông thường và quá trình cháy HCCI Trên động cơ xăng nguyên bản, màng lửa lan tràn bắt nguồn từ bugi, trong khi trên động cơ hoạt động với nguyên lý HCCI, không 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 không đánh lửa, bugi phục vụ cho quá trình chuyển tiếp giữa chế độ thông thường và chế độ HCCI. Khác với động cơ diesel thông thường với động cơ HCCI 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. Ngoài 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. 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 [4]. Vấn đề điều khiển thời điểm tự cháy trên động cơ HCCI không đơn giản như trên động cơ xăng và diesel, 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-không 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 cháy hoàn toàn dẫn tới phát thải CO và HC cao. Tại tải nhỏ, giá trị nhiệt độ lớn nhất rất nhỏ (chỉ khoảng 1200K), không đủ để CO chuyển hoá thành CO2, vì vậy quá 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: không cháy và kích nổ, tại tốc độ cao, hỗn hợp khó tự cháy hơn do không đủ thời gian để phản ứng. -137- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Trong nghiên cứu này trình bày phương pháp chu ...