(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi

(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN PHI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG BUỒNG CHÁY THỂ TÍCH KHÔNG ĐỔI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN PHI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG BUỒNG CHÁY THỂ TÍCH KHÔNG ĐỔI

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS.LÊ ANH TUẤN

2 TS.NGUYỄN TUẤN NGHĨA

Hà Nội - 2022

i

LỜI CAM ĐOAN

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

Hà nội, ngày 5 tháng 01 năm 2022

TMTT HƯỚNG DẪN

GS.TS Lê Anh Tuấn TS Nguyễn Tuấn Nghĩa

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Phi Trường

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội, phòng Đào tạo, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ Thuật Hệ Thống Công nghiệp, khoa Cơ khí, trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ tôi thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn trường KING MONGKUTK’S INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAKRABANG đã cho phép và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập

và nghiên cứu tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Lê Anh Tuấn và TS Nguyễn Tuấn Nghĩa đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện

và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Chinda Charoenphonphanich, PGS.TS Prathan Srichai đã giúp đỡ tôi hết sức tận tình trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường KING MONGKUTK’S INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAKRABANG

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ô tô và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các nhà khoa học, các thầy đã đọc duyệt

và góp ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong trương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người

đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nguyễn Phi Trường

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU xvi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

Buồng cháy CVCC 3

1.2 Tình hình nghiên cứu về HCCI và CVCC 12

Nghiên cứu trong nước 12

Nghiên cứu nước ngoài 13

1.3 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG CVCC 29

2.1 Hình thành hỗn hợp trong CVCC 29

Tạo nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy CVCC 29

Phương pháp hình thành hỗn hợp trong hệ thống CVCC 29

Hình thành hỗn hợp trước thời điểm CNLM_hình thành hỗn hợp đồng nhất HCCI 30

Hình thành hỗn hợp sau thời điểm CNLM 31

2.2 Phương pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất trong CVCC 33

Phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM 33

Phun nhiên liệu sau thời điểm CNLM 33

2.3 Cơ chế phá vỡ chất lỏng, giọt chất lỏng và cấu trúc tia phun 34

Cơ chế phá vỡ chất lỏng [66] 34

Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng 37

Cấu trúc tia phun 37

2.4 Cơ sở hóa lý quá trình cháy 40

Áp suất ban đầu 40

Giới hạn cháy thấp 43

Nhiệt độ của ngọn lửa đoạn nhiệt 44

Tính toán lượng khí cháy trong hỗn hợp 44

iv

Phản ứng dây chuyền 45

Thời gian cháy trễ 46

Tốc độ tỏa nhiệt 47

2.5 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CVCC 49

3.1 Thiết kế chế tạo CVCC 49

Sơ đồ bố trí chung và yêu cầu đối với buồng cháy CVCC 49

Tính toán buồng cháy 51

Tính toán bulông buồng cháy 60

Tính toán kiểm nghiệm buồng cháy 61

3.2 Chế tạo các bộ phận chính của buồng cháy 65

Chế tạo thân buồng cháy 66

Chế tạo nắp buồng cháy 66

Chế tạo mặt bích giữ kính quan sát 66

3.3 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển 68

Sơ đồ khối thuật toán điều khiển 69

Ngôn ngữ lập trình điều khiển 70

Phần cứng Arduino 71

Lập trình điều khiển hệ thống 71

3.4 Các hệ thống khác 72

Hệ thống nhiên liệu áp suất cao (common Rail) 72

Hệ thống hòa trộn hỗn hợp 73

Hệ thống đánh lửa 75

Hệ thống cung cấp khí 75

Hệ thống thải 76

Hệ thống làm mát 77

Hệ thống thông tin 78

Hệ thống sấy 80

3.5 Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG CVCC 82

4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 82

Phương trình cơ bản mô tả quá trình cháy 82

v

Phương pháp mô phỏng 84

Đối tượng mô phỏng 85

Mô hình mô phỏng 86

4.2 Các chế độ mô phỏng 87

Điều kiện biên 88

Mô hình lưới tính toán 88

4.3 Kết quả và thảo luận 92

Quá trình bay hơi của nhiên liệu trong CVCC 92

Quá trình hòa trộn nhiên liệu trong CVCC 94

Độ tin cậy của mô hình 95

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cháy trong buồng cháy CVCC 96 Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy trong CVCC 98

4.4 kết luận chương 4 99

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 100

5.1 Mục đích thử nghiệm 100

Đối tượng thử nghiệm 100

Nhiên liệu thử nghiệm 100

5.2 Quy trình và phạm vi thử nghiệm 102

Thử nghiệm phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM 102

Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy 103

Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cháy 104

5.3 Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính 104

Sơ đồ bố trí thử nghiệm 104

Trang thiết bị thử nghiệm 105

5.4 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 105

Đánh giá độ tin cậy của CVCC 105

Thực nghiệm đánh giá chất lượng hỗn hợp HCCI 106

Đặc tính cháy của nhiên liệu B0, B10 hòa trộn trước thời điểm CNLM 107

Đặc tính cháy của nhiên liệu B0 và B10 hòa trộn sau khi CNLM 110

Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy 112

vi

Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bên trong đến quá trình cháy của

hỗn hợp hòa trộn sau khi CNLM 114

5.5 Kết luận chương 5 116

KẾT LUẬN CHUNG 117

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

PHỤ LỤC LUẬN ÁN 1

PHỤ LỤC 1 1

PHỤ LỤC 2 8

PHỤ LỤC 3 30

PHỤ LỤC 4 31

PHỤ LỤC 5 45

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NCS Nghiên cứu sinh

B0 Nhiên liệu Diesel truyền thống

B10 10% Diesel sinh học và 90% Diesel về thể tích

PFI Hỗn hợp đồng nhất hình thành bên ngoài buồng cháy

PCCI Cháy do nén hỗn hợp hình thành từ trước

NOx Ôxit nitơ

PM Chất thải dạng hạt

PCI Cháy do nén hỗn hợp đã hòa trộn

NDI Thu hẹp góc phun nhiên liệu

SOC Thời điểm bắt đầu cháy

MK Hệ thống điều biến động lực học phản ứng cháy

HPLI Phun muộn hỗn hợp được hòa trộn đồng nhất

HCLI Phun muộn hình thành hỗn hợp nạp đồng nhất

CVCC Buồng cháy thể tích không đổi

DC Nguồn điện một chiều

viii

DME Dymethyl ete

CFD Mô phỏng động lực học chất lỏng

GFD Biểu đồ phân phối nhiên liệu

LFD Biểu đồ phân phối nhiên liệu cục bộ

IMEP Áp suất chỉ thị trung bình

E20 Hỗn hợp pha trộn 20% ethanol và 80% xăng về thể tích

E85 Hỗn hợp pha trộn 85% ethanol và 15% xăng về thể tích

E100 Ethanol nguyên chất

ADB Liên kết đôi trung bình của nguyên tử cacbon

AC Số nguyên tử cacbon trung bình

CO2 Cacbonic

E20S80 Tỉ lệ thể tích là 20% ethanol/80% diesel sinh học

B20S80 Tỉ lệ thể tích là 20% butanol/80% diesel sinh học

SMD Đường kính trung bình Sauter

B10S1080 10% n-butanol, 10% diesel sinh học đậu nành và 80% diesel về khối

ix

PG Khí tổng hợp

DI Phun xăng trực tiếp

RCEM Máy nén nhanh mở rộng

HCCI PFI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hình thành hỗn hợp bên ngoài HCCI-DI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, phun trực tiếp

HiMICS Hệ thống phun thông minh nhiều giai đoạn hỗn hợp đồng nhất MULDIC Cháy nén hỗn hợp được hình thành nhiều giai đoạn

NVO Độ trùng điệp van âm

PREDIC Cháy do nén hỗn hợp nghèo hình thành từ trước

RCEM Máy nén nhanh mở rộng

x

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Thành phần phần trăm khí trước và sau khi cháy 45

Bảng 3 1 Quy trình thiết kế, chế tạo hệ thống CVCC 49

Bảng 3 2 Điều kiện khí và đặc tính nhiên liệu sử dụng để tính toán chiều dài và góc tia phun [74] 52

Bảng 3 3 Thông số của vật liệu làm kính quan sát 55

Bảng 3 4 Thông số của vật liệu thép S45C 55

Bảng 3 5 Đặc tính vật liệu và dữ liệu tính toán bề dày thành buồng cháy 56

Bảng 3 6 Kích thước sơ bộ của CVCC 57

Bảng 3 7 Thông số và dữ liệu tính toán cửa sổ quan sát 58

Bảng 3 8 Thông số sơ bộ của buồng cháy 59

Bảng 3 9 Thông số kỹ thuật bulông M10 cường độ cao 61

Bảng 3 10 Điều kiện mô phỏng của buồng cháy 62

Bảng 4 1 Thông số hình học của mô hình mô phỏng 86

Bảng 4 2 Điều kiện biên xác định cho mô hình mô phỏng 88

Bảng 4 3 Bước thời gian liên quan đến vòi phun nhiên liệu 88

Bảng 4 4 Các cài đặt lưới sử dụng cho mô hình mô phỏng CVCC 89

Bảng 4 5 Thông số và chất lượng lưới mô phỏng 89

Bảng 4 6 Thông số lưới và chất lượng lưới các mặt biên 90

Bảng 4 7 Phổ màu sắc tương ứng với tỉ lệ A/F 94

Bảng 5 1 Tính chất của nhiên liệu B0, B10 [101] 100

Bảng 5 2 Nhiên liệu thử nghiệm theo thời gian 101

Bảng 5 3 Điều kiện thí nghiệm 102

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Ảnh hưởng của phun muộn đến tốc độ tỏa nhiệt [21] 3

Hình 1 2 Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu lỏng có gia nhiệt buồng cháy [24] 6

Hình 1 3 Hệ thống CVCC nghiên cứu với nhiên liệu lỏng [25] 7

Hình 1 4 Hệ thống CVCC nghiên cứu nhiên liệu khí [100] 8

Hình 1 5 Hệ thống CVCC nghiên cứu lưỡng nhiên liệu [97] 8

Hình 1 6 Hệ thống CVCC nghiên cứu tính chất lý hóa của nhiên liệu [93] 10

Hình 1 7 buồng cháy CVCC hình tròn [27] 11

Hình 1 8 Buồng cháy CVCC hình chữ nhật [15] 11

Hình 1 9 Áp suất trong động cơ HCCI 12

Hình 1 10 Mô hình cháy HCCI [28] 13

Hình 1 11 Phương pháp hình thành HCCI trong động cơ 15

Hình 1 12 Quy luật xung phun đối xứng quá trình phun sớm 17

Hình 1 13 Chùm tia phun trên động cơ HCCI và động cơ truyền thống 17

Hình 1 14 Nghiên cứu mô phỏng số hình thành hỗn hợp HCCI trên động cơ 17

Hình 1 15 Hình ảnh tia phun của xăng và n-butan tại 280 CAD Btdc [Pamb=1,1 MPa/Tamb=465K] từ Mei-scattering 19

Hình 1 16 Hình ảnh phát triển tia phun của dầu và dầu cọ ở áp suất phun 20 MPa 20

Hình 1 17 Hình ảnh ngọn lửa của nhiên liệu trong điều kiện áp suất 0,098 MPa, nhiệt độ 1770C 20

Hình 1 18 Ảnh hưởng của phần trăm thể tích hydro đến thời gian cháy 22

Hình 1 19 Ảnh hưởng của áp suất phun đến chiều dài thâm nhập và góc hình nón của tia phun 23

Hình 1 20 Bộ chuyển đổi, vị trí của bộ chuyển đổi trong CVCC, ảnh hưởng của đường kính và số lỗ đến quá trình cháy 24

Hình 1 21 Hình ảnh tia phun của hỗn hợp B0S2080 và B10S20D80 ở 800K 24

Hình 1 22 Hệ số KL của quá trình đốt cháy diesel tại thời điểm 1,110 ms dưới điều kiện ôxy: (a) 21%; (b) 18%; (c) 15%; (d) 12%; (e) 10% 25

Hình 1 23 Buồng cháy CVCC 26

Hình 1 24 Hình ảnh ứng suất Von mises của CVCC và kính quan sát 27

Hình 2 1 Các phương pháp phun nhiên liệu trong CVCC 30

Hình 2 2 Hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC 31

Hình 2 3 Quá trình cháy trong động cơ diesel truyền thống 32

xii

Hình 2 4 Phun nhiên liệu trước khi CNLM 33

Hình 2 5 Đồ thị áp suất của CVCC phun sau khi CNLM [71] 34

Hình 2 6 Đồ thị áp suất buồng cháy khi phun lưỡng nhiên liệu 34

Hình 2 7 Cơ chế phá vỡ tia phun [66] 35

Hình 2 8 Sơ đồ mô tả cơ chế phá vỡ tia phun [12] 36

Hình 2 9 Sự phân rã của tia phun diesel [66] 36

Hình 2 10 Phân bố chùm tia phun áp suất cao nhiều lỗ chất lỏng (màu đen), hơi (màu xám) [67] 37

Hình 2 11 Phần trăm CO2 với phần trăm O2 khác nhau sau khi cháy hỗn hợp khí [94] 44

Hình 2 12 LFL tại các giá trị khác nhau của phần trăm số mol [94] 45

Hình 2 13 Thời gian cháy trễ của nhiên liệu [61] 46

Hình 3 1 Hệ thống CVCC 50

Hình 3 2 Chiều dài và góc của tia phun [73] 52

Hình 3 3 Đặc tính của tia phun với nhiên liệu thử nghiệm [82] 53

Hình 3 4 Kích thước lớn nhất đối với nhiên liệu thử nghiệm 54

Hình 3 5 Hình chiếu bằng và chiếu cạnh của buồng cháy 54

Hình 3 6 Ứng suất bên trong thành xylanh [78] 56

Hình 3 7 Điều kiện xung quanh TDC bởi quá trình đa biến tính toán với chỉ số đa biến (n=1,35) 57

Hình 3 8 Hình vẽ mặt cắt của kính thạch anh 58

Hình 3 9 Chiều dày và bề mặt kính quan sát 58

Hình 3 10 Mối ghép bulông chịu lực dọc 60

Hình 3 11 Ký hiệu trên bulông 61

Hình 3 12 Mô hình CVCC, kính quan sát và nắp CVCC 62

Hình 3 13 Mô hình chia lưới của buồng cháy, kính quan sát và nắp buồng cháy 62 Hình 3 14 Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của buồng cháy ở 4000C 63

Hình 3 15 Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của buồng cháy ở 10000C 63

Hình 3 16 Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của kính quan sát ở 2000C 64

Hình 3 17 Ứng suất, chuyển vị và truyền nhiệt của kính quan sát ở 10000C 64

Hình 3 18 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển vị tương đương và truyền nhiệt đến kính quan sát 65

Hình 3 19 Ứng suất tương đương, chuyển vị và truyền nhiệt của nắp CVCC 65

Hình 3 20 Thân CVCC 66

xiii

Hình 3 21 Nắp CVCC 67

Hình 3 22 Mặt bích giữ kính quan sát 67

Hình 3 23 Các chi tiết chính của buồng cháy sau khi gia công 68

Hình 3 24 Các bộ phận của hệ thống điều khiển CVCC 68

Hình 3 25 Giao diện hệ thống điều khiển hoạt động của CVCC 69

Hình 3 26 Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống CVCC 69

Hình 3 27 Giao diện LabView 70

Hình 3 28 Board Arduino Nano 71

Hình 3 29 Sơ đồ khối chương trình điều khiển 72

Hình 3 30 Hệ thống nhiên liệu Common Rail 73

Hình 3 31 Cơ chế điều khiển vòi phun 73

Hình 3 32 Các bộ phận chính của quạt hòa trộn 74

Hình 3 33 Hình dạng quạt hòa trộn lắp ráp 74

Hình 3 34 Vị trí cánh quạt hòa trộn bên trong CVCC 74

Hình 3 35 Mô tơ quạt hòa trộn 74

Hình 3 36 Sơ đồ hệ thống đánh lửa 75

Hình 3 37 Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa 75

Hình 3 38 Hệ thống cung cấp khí cho CVCC 76

Hình 3 39 Các bộ phận chính của hệ thống cung cấp khí: a Khóa; b Dây nối; c Van an toàn; d Bình khí ôxy; e Bình khí axetilen; f Bình khí nitơ 76

Hình 3 40 Các bộ phận chính của hệ thống thải 77

Hình 3 41 Sơ đồ hệ thống làm mát vòi phun nhiên liệu 78

Hình 3 42 Bơm nước làm mát vòi phun nhiên liệu 78

Hình 3 43 Hệ thống thông tin và thu thập dữ liệu 78

Hình 3 44 Hệ thống thu thập hình ảnh CVCC 79

Hình 3 45 Hệ thống camera tốc độ cao và các thiết bị 79

Hình 3 46 Vòng ốp nhiệt điện trở 80

Hình 3 47 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiệt 80

Hình 3 48 Vị trí vòng nhiệt điện trở trên CVCC 81

Hình 4 1 Buồng cháy CVCC 85

Hình 4 2 Mô hình mô phỏng CVCC 87

Hình 4 3 Lưới tính toán sử dụng cho mô hình mô phỏng: 4,740,722 ô lưới; 14,157,523 mặt; 4,859,160 điểm nút 91

16

Đối với động cơ hình thành hỗn hợp ngoài buồng cháy, phương án phun nhiên liệu ngược chiều với dòng khí nạp sau đó hỗn hợp được đưa vào trong xylanh (phun nhiên liệu trực tiếp trên đường nạp_PFI) Độ xoáy của dòng khí nạp được quyết định bởi kết cấu của đường ống Quá trình hòa trộn nhiên liệu – không khí sẽ đồng nhất hơn khi có dòng khí xoáy Hỗn hợp không khí – nhiên liệu được hình thành từ bên ngoài nên thời điểm phun không ảnh hưởng đến thời điểm bắt cháy Đối với nhiên liệu kém bay hơi khi phun nhiên liệu trên đường nạp sẽ tăng khả năng bám dính trên thành đường ống

và những khe kẽ của buồng cháy điều này làm tăng phát thải CO và HC Phương pháp này chỉ phù hợp với nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng có khả năng bay hơi tốt

Trường hợp hình thành hỗn hợp đồng nhất bên trong động cơ có thể đạt được khi phun nhiên liệu trực tiếp vào trong xylanh động cơ Phun sớm là giải pháp được sử dụng nhiều cho động cơ sử dụng nhiên liệu diesel vì có thời gian cháy trễ lớn hỗn hợp trở lên đồng nhất hơn Khi đó, một phần hoặc toàn bộ nhiên liệu được phun vào khi piston đang ở điểm chết trên (TDC) đầu hành trình nạp Trường hợp phun nhiên liệu diesel, khả năng bay hơi của nhiên liệu kém, mật độ khí trong xylanh thấp làm cho nhiên liệu bám lên thành và các góc cạnh của buồng cháy Đối với trường hợp này, một hệ thống nhiên liệu mới và linh hoạt được nghiên cứu phát triển, để phù hợp cho

sự thay đổi của hình dạng buồng cháy cũng như là áp suất và nhiệt độ trong xylanh trong suốt quá trình phun Mặc dù còn có những vấn đề về việc bố trí vòi phun trực tiếp trong xylanh, nhưng phương pháp hình thành hoà khí đồng nhất bằng cách phun trực tiếp vào trong xylanh được xem là phương pháp phù hợp nhất đối với động cơ HCCI trong tương lai

Một số nhà khoa học đã dành thời gian nghiên cứu để phát triển tia phun có chiều dài ngắn (độ xuyên thấu ngắn) và giảm thiểu lượng nhiên liệu bám trên thành xylanh

Hệ thống nhiên liệu có tính linh hoạt phù hợp với quy luật phun và sự thay đổi biên dạng buồng cháy trong suốt quá trình phun Phun với áp suất cao và vòi phun có nhiều

lỗ (đường kính nhỏ) thường được sử dụng để tăng độ tơi của nhiên liệu và để phân bố nhiên liệu đều hơn trong không gian buồng cháy, làm giảm hiện tượng nhiên liệu bám trên thành xylanh Một phương pháp để đáp ứng được yêu cầu về chiều dài tia phun là

sử dụng quá trình phun tách thông qua điều khiển vòi phun qua nhiều xung điện với

độ dài mỗi xung khác nhau

Hình 1 12 thể hiện quy luật điều khiển xung phun áp suất cao Xung phun ngắn dẫn đến xung lực của tia phun nhỏ, chiều dài tia phun ngắn, quá trình phun kết thúc sớm Khi bắt đầu phun, mật độ khí trong xylanh thấp, xung phun ngắn, giảm vận tốc tia phun và thời gian giữa hai xung tăng lên Khi piston đi lên TDC, mật độ và nhiệt

độ hỗn hợp trong xylanh tăng làm cho chiều dài tia phun giảm Khi đó, có thể kéo dài xung phun hơn, trong khi khoảng thời gian giữa các xung giảm Giai đoạn cuối của quá trình phun nhiên liệu, khoảng cách giữa vòi phun và piston giảm rất nhanh, và khối lượng nhiên liệu phun ra trên một xung phải giảm để tránh hiện tượng nhiên liệu bám trên đỉnh piston

17

Hình 1 12 Quy luật xung phun đối xứng quá trình phun sớm

Với hệ thống nhiên liệu kiểu tích áp (Common Rail), xung phun nhiên liệu có thể được điều chỉnh dễ dàng Trường hợp nhiên liệu được phun sớm vào trong xylanh, hướng của tia phun được điều chỉnh So với động cơ diesel thông thường, khi bắt đầu phun thể tích buồng cháy còn rất lớn Để đảm bảo khả năng hoà trộn giữa không khí - nhiên liệu tốt, cũng như tia phun không chạm vào thành xylanh, góc giữa các tia phun theo mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục vòi phun phải được giảm xuống (Hình 1 13)

Để có thể sử dụng cho cả HCCI và diesel, phải sử dụng loại vòi phun có lỗ thay đổi Hình 1 14 thể hiện một nghiên cứu mô phỏng số về sự hình thành hỗn hợp trên động

cơ diesel HCCI một xylanh, dung tích 2.0 lít với tỷ số nén là 14:1, không tạo xoáy đường nạp Động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu common Rail bao gồm 12 lỗ phun (đường kính lỗ là 0,12 mm; hai dãy, mỗi dãy gồm 6 lỗ, có góc phun khác nhau) Bắt đầu phun từ 1100TK trước TDC và kết thúc tại 300TK trước TDC, bao gồm 9 xung với tổng lượng nhiên liệu là 70 mg Hiện tượng bám nhiên liệu trên thành xylanh có thể được giảm xuống vì xung phun ngắn và góc giữa các tia phun nhỏ

Hình 1 13 Chùm tia phun trên động cơ HCCI và động cơ truyền thống

Hình 1 14 Nghiên cứu mô phỏng số hình thành hỗn hợp HCCI trên động cơ

18

Góc phun nhỏ khiến tia phun chạm vào đỉnh piston, khi tăng đường kính lỗ phun

sẽ giảm quá trình bay hơi của nhiên liệu Vì nhiệt độ đỉnh piston cao hơn nhiều so với nhiệt độ của thành xylanh, vì vậy lượng nhiên liệu bám trên piston không quá lớn Khi piston ở gần TDC, hỗn hợp rất nghèo nhưng không hoàn toàn đồng nhất Mặc dù phát thải NOx không bị ảnh hưởng quá nhiều bởi sự không đồng nhất của môi chất, quá trình cháy cục bộ có thể diễn ra ở một số vùng hỗn hợp nghèo, có thể dẫn đến tăng phát thải CO và HC

Fiveland SB cùng cộng sự nghiên cứu điều khiển lượng khí sót trong xylanh sử dụng pha phối khí linh hoạt [36] Hệ thống cơ điện tử dẫn động xupap đã được sử dụng trên động cơ một xylanh để điều khiển độ nâng và thời gian nâng xupap giúp quá trình cháy tốt hơn nhờ thay đổi góc trùng điệp Tại chế độ tải lớn, quá trình cháy diễn ra trễ hơn bằng cách giảm hiệu suất nén nhờ đóng muộn xupap nạp

Olsson cùng cộng sự [31] cũng đã nghiên cứu tăng áp cho động cơ HCCI và điều khiển thông qua tỉ lệ nhiên liệu dual-fuel với hai thành phần ethanol và n-heptane Kết quả chỉ ra rằng, áp suất chỉ thị trung bình (IMEP) của động cơ có thể đạt giá trị cực đại

là 16 bar

Từ những phương án tạo ra hỗn hợp đồng nhất trong động cơ truyền thống sử dụng buồng cháy thống nhất NCS nhận thấy rằng, các yếu tố ảnh hưởng chế độ HCCI bao gồm:

 Vị trí phun nhiên liệu: phun nhiên liệu trên đường nạp, hỗn hợp nhiên liệu

không khí có nhiều thời gian hòa trộn hơn Do đó, hỗn hợp có độ đồng nhất cao quá trình cháy diễn ra nhanh, phát thải NOx rất nhỏ

Trường hợp phun nhiên liệu trong buồng cháy còn phụ thuộc vào thời điểm phun trong hành trình nén của nhiên liệu Phun nhiên liệu ngay tại đầu hành trình nén, hỗn hợp có nhiều thời gian hòa trộn tuy nhiên vẫn ít hơn so với trường hợp phun nhiên liệu trên đường nạp Mặt khác, nhiên liệu bám nhiều trên thành vách xylanh làm tăng phát thải HC và PM Phun gần điểm chết trên cuối quá trình nén, thời gian hòa trộn hỗn hợp ngắn làm cho chất lượng hỗn hợp có độ đồng nhất không cao dẫn đến phát thải NOx cao hơn so với trường hợp phun nhiên liệu trên đường nạp

 Áp suất phun nhiên liệu và số lỗ phun: áp suất phun nhiên và số lượng lỗ

phun nhiên liệu ảnh hưởng đến thời gian phun nhiên liệu và thời gian hòa trộn của hỗn hợp Phun nhiên liệu với áp suất cao và nhiều lỗ phun sẽ làm cho nhiên liệu được tơi hơn dễ hòa trộn với không khí hơn Phun với nhiều

lỗ phun giúp cho việc hòa trộn nhiên liệu được diễn ra đồng thời tại nhiều khu vực từ đó giảm thời gian hòa trộn hỗn hợp

 Nhiệt độ sấy nóng nhiên liệu: nhiên liệu được sấy nóng và bay hơi hoàn toàn

trước khi bắt đầu quá trình cháy thì thành phần khí xả HC thấp NOx rất thấp

 Thời gian hòa trộn nhiên liệu: thời gian hòa trộn nhiên liệu nhanh hay chậm

ảnh hưởng lớn đến độ đồng nhất của hỗn hợp Trường hợp nhiên liệu phun trên đường nạp, nhiên liệu được hòa trộn với thời gian lâu hơn nhiều so với trường hợp nhiên liệu phun trực tiếp vào xylanh động cơ cho nên hỗn hợp

có độ đồng nhất cao hơn độ đồng nhất thể hiện ở phát NOx nhỏ hơn rất nhiều

so với động cơ diesel truyền thống

19

 Thời điểm cháy: đây là yếu tố quan trọng quyết định hỗn hợp có cháy theo

chế độ HCCI hay không Thời điểm cháy rất khó điều khiển vì nó không có

mối liên hệ với thời điểm phun trên động cơ truyền thống

1.2.2.2 Nghiên c ứu sử dụng CVCC

Nghiên cứu của nhóm Jinyoung Jung Sangjae Park Choongsik Bae về nhiên liệu xăng và n-butan [50] Trong nghiên cứu này, thử nghiệm hình ảnh phun vĩ mô được thực hiện trong CVCC trong các điều kiện môi trường lặp lại của chế độ cháy phân tầng, để đạt được quá trình đốt cháy phân tầng ổn định với xăng và n-butan (Hình 1 15) So với xăng, cấu trúc phun của n-butan bị phân rã về phía trục của đầu kim phun

và sự phân rã tăng khi tăng áp suất phun Ngoài ra, nghiên cứu còn cho thấy không giống như xăng, n-butan cho thấy tốc độ giải phóng nhiệt của hỗn hợp (HRR) tương

tự nhau bất kể thời điểm phun và đánh lửa Mặt khác, phát thải vật chất dạng hạt của n-butan gần như bằng không trong khi phát thải nitơ oxit (NOx) tương tự như phát thải của xăng khi giai đoạn cháy của mỗi nhiên liệu là tương tự nhau

Hình 1 15 Hình ảnh tia phun của xăng và n-butan tại 28 0 CAD Btdc [P amb =1,1

MPa/T amb =465K] từ Mei-scattering

PG (khí tổng hợp) từ khí hóa sinh khối có thể được sử dụng trong động cơ SI (cháy cưỡng bức) hoặc CI (cháy do nén) [12] Nghiên cứu đánh giá các đặc tính cháy cơ bản của CPG (Compressed Producer Gas – Khí công nghiệp) CVCC ở các tỉ lệ tương đương khác nhau (ϕ) bằng kỹ thuật quang học Từ các thí nghiệm về tốc độ ngọn lửa

và áp suất đỉnh của CPG lần lượt là 3,15 m/s và 312,09 KPa Các giá trị này đều thấp hơn so với xăng, khí hóa lỏng (LPG) và khí nén thiên nhiên (CNG)

Nghiên cứu đánh giá các đặc điểm phun vĩ mô như: thâm nhập đầu, góc hình nón

và khu vực phun sử dụng kim phun diesel phun trực tiếp trong buồng đốt thể tích không đổi [51] Hỗn hợp dầu cọ với dầu diesel ở mức 20, 40, 60 và 80% cũng như dầu cọ nguyên chất (100%) và dầu diesel được thử nghiệm riêng bằng cách sử dụng kỹ thuật trực quan (Hình 1 16) Kết quả thí nghiệm với hỗn hợp dầu cọ cho thấy, quá trình phát triển phun bị ảnh hưởng nhiều khi tăng phần trăm dầu cọ trong hỗn hợp Độ thâm nhập của đầu tia phun và góc côn của hỗn hợp giảm tương ứng khoảng 50 và 30% so với nhiên liệu diesel Ở áp suất phun cao, đặc tính phun của hỗn hợp cho thấy có sự cải

20

thiện đáng kể Độ xuyên thấu và diện tích phun cho P20 ở 34 MPa tương đương với diesel ở cài đặt áp suất phun ban đầu

Hình 1 16 Hình ảnh phát triển tia phun của dầu và dầu cọ ở áp suất phun 20 MPa

Chinda Chareonphonphanich nghiên cứu thực nghiệm về quá trình đốt cháy hỗn hợp Ethanol với xăng trong buồng đốt có thể tích không đổi [95] Các nhiên liệu thử nghiệm là xăng, E20 (Ethanol 20%), E85 (Ethanol 85%) và Ethanol nguyên chất với

áp suất trong buồng đốt xác định Những hình ảnh lan truyền ngọn lửa được ghi lại bằng kỹ thuật Scherien với máy quay video tốc độ cao (Hình 1 17) Kết quả cho thấy, phần trăm lớn hơn của Ethanol cho tốc độ đốt cháy nhanh hơn và áp suất xylanh cao hơn Khi tăng phần trăm của Ethanol làm giảm thời gian cháy trễ Hình ảnh truyền lửa, thời gian cháy của Ethanol nguyên chất là ngắn hơn E85, E20 và E0 Các tác động của tỉ lệ tương đương, nhiệt độ, áp suất lên các đặc tính đốt cháy được tác giả nghiên cứu Nghiên cứu chỉ ra rằng, thời gian cháy của hỗn hợp ở tỉ lệ tương đương là 1 nhỏ hơn tỉ lệ tương đương 0,8, 1,2 và 1,4 Tốc độ ngọn lửa và áp suất cực đại tăng theo tỉ

lệ phần trăm của Ethanol Tốc độ lan truyền ngọn lửa của ngọn lửa Ethanol nhanh hơn làm cho thời gian đốt cháy ngắn hơn và hiệu suất và hiệu quả cao hơn

Hình 1 17 Hình ảnh ngọn lửa của nhiên liệu trong điều kiện áp suất 0,098 MPa, nhiệt

độ 177 0 C