Nghiên cứu quá trình nạp và tạo hỗn hợp của động cơ 3 xy lanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Biodiesel

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của quá trình cơ giới hóa ở nông thôn Việt Nam thì nhu cầu động lực trong hoạt động sản xuất cũng tăng nhanh chóng. Bên cạnh đó, việc ứng dụng nhiên liệu sinh học biodiesel sử dụng trên động cơ diesel cũng là một ưu tiên hàng đầu để cắt giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường và duy trì ổn định nguồn cung cấp nhiên liệu. Động cơ diesel 3 xylanh sử dụng buồng cháy xoáy lốc TVC với dãy công suất 2050HP không những đáp ứng được yêu cầu cho nguồn động lực trong sản xuất mà còn được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và đánh giá cao trong việc kết hợp sử dụng các loại nhiên liệu biodiesel đặc biệt là khả năng hòa trộn nhiên liệu và không khí trong loại buồng cháy này. Luận văn với đề tải: “Nghiên cứu quá trình nạp và tạo hỗn hợp của động cơ 3 xy lanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Biodiesel.”, đã được thực hiện để góp phần nghiên cứu, cải tiến quá trình hình thành hỗn hợp cháy của nhiên liệu biodiesel trên loại động cơ 3 xy lanh sử dụng buồng cháy xoáy lốc TVC. .

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Sự hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ đốt trong

1.1.1 Sự phát triển của tia phun nhiên liệu

Dựa vào tốc độ, đặc tính của chất lỏng, và môi trường khí xung quanh mà sựphát triển của tia phun được kiểm soát theo các chế độ phân rã khác nhau Các cơchế khác nhau này được xác định bởi khoảng cách giữa vòi phun và điểm hìnhthành các hạt nhiên liệu đầu tiên của tia phun, khoảng cách này được gọi là độ dàiphân rã (break-up length) và kích thước mà các hạt nhiên liệu được hình thành.Theo Reitz và Braco [34] có bốn trạng thái phát triển một tia phun nhiên liệu có thểphân biệt: trạng thái Rayleigh, trạng thái cảm ứng gió thứ nhất, trạng thái cảm ứnggió thứ hai, và trạng thái phun sương

Hình 1.1.Trạng thái phân rã tia phun

Các trạng thái phát triển tia phun được mô tả sơ lược qua hình 2.2 Nếu kếtcấu vòi phun phù hợp và tính chất nhiên liệu không đổi thì chỉ có một yếu thay đổi

đó là tốc độ phun chất lỏng u Hình 2.3 biểu diễn đường cong phát triển của tia phuntương ứng, miêu tả độ dài tia phun liên tục theo hàm của vận tốc phun

Hình 1.2 Các trạng thái phun Hình 1.3 Đặc tính phát triển tia phun

Ở vận tốc thấp, hiện tượng nhỏ giọt xuất hiện và không hình thành được tiaphun Khi vận tốc tăng thì quá trình hình thành và phát triển tia phun liên tục đượcđẩy nhanh Trạng thái này được gọi là phân rã Rayleigth [22]

Ở trạng thái phun cảm ứng gió thứ nhất, thông số quan trọng của trạng tháinày là chỉ số Weber đối với pha khí , chỉ số này cho thấy sự ảnhhường của môi trường khí xung quanh đến tia phun Trong trạng thái phát triển tiaphun cảm ứng gió thứ hai, dòng nhiên liệu bên trong vòi phun bắt đầu dao động vàtạo nên xoáy lốc Sự phân rã tia phun lúc này xảy ra chủ yếu do sự phát triển không

ổn định của các sóng bề mặt có bước sóng ngắn được sinh ra bởi sự chảy rối bêntrong tia phun và được khuếch đại bởi khí động lực của tốc độ tương đối giữa tiaphun và khí trong buồng cháy

Trạng thái phun sương (atomization regime) đạt được khi chiều dài ISL tiếnđến 0 Khi một tia phun hình nón được hình thành và phát triển, thì tia phun bắt đầuphân rã ngay sau khi tia phun rời khỏi vòi phun, các chuyển động xoáy lốc ở trongtia phun hình nón được hình thành ngay từ bên trong vòi phun Việc mô hình hóahoàn chỉnh quá trình phân rã này hết sức phức tạp và gặp nhiều khó khăn do tốc độtia phun quá cao, không gian quan sát hẹp và mật độ tia phun lại quá lơn

1.1.2. Sự phân rã động học của các hạt nhiên liệu:

Sự phân rã của các hạt trong tia phun được tạo nên bởi lực khí động học (ma

sát và áp suất) được hình thành bởi vận tốc tương đối u rel giữa hạt nhiên liệu và cáckhí xung quanh Các lực khí động tạo nên một sự phát triển các sóng dao động

không ổn định trên bề mặt hay trên toàn bộ hạt nhiên liệu, điều này cuối cùng dẫnđến sự phân rã và hình thành các hạt nhiêu liệu nhỏ hơn Các hạt này lại tạo điềukiện để thúc đẩy mạnh hơn các lực khí động cho quá trình phân rã Lực căng mặtngoài mặt khác lại giữ cho các hạt nhiên liệu có dạng cầu và chống lại lực biếndạng Lực căng mặt ngoài phụ thuộc vào độ cong của bề mặt: Hạt càng nhỏ thì lựccăng càng lớn và vận tốc tương đối tới hạn càng lớn, điều này dẫn tới sự biến dạng

và sự phân rã của hạt nhiên liệu Trạng thái này được biểu diễn bởi chỉ số Webercho pha khí:

(1)

Với d là đường kính hạt nhiên liệu trước khi phân rã; σ là sức căng bề mặtgiữa pha lỏng và pha khí urel là vận tốc tương đối giữa hạt nhiên liệu và không khí;Chỉ số Weber đại diện cho hệ số khí động (áp suất động học) và lực căng mặt ngoài

Hình 1.4 Các trạng thái phân rã hạt chất lỏng theo Wierzba.[11]

Từ các nghiên cứu thí nghiệm cho thấy rằng, tùy vào chỉ số Weber mà có cácdạng phân rã hạt khác nhau Một sự mô tả chi tiết được cho đưa ra bởi Hwang et al[12] và Krzeczkowski [13] là một ví dụ Hình trên biểu diễn các giai đoạn phân rãcủa hạt chất lỏng Cần phải thấy rằng sự chuyển tiếp chỉ số Weber là khống nhấtquán trong các nghiên cứu được công bố Điều này đặc biệt đúng với trạng tháiphân rã có chỉ số weber cao Khi đó một số nhà nghiên cứu còn phân biệt giữa cácchế độ phân rã phụ Trong khi sự dao động chỉ số Weber của Wierzba [11] là cùngkhoảng giá trị với của Krzeczkowski [13], thì Arcoumanis et al [14], lại phân biệtgiữa 2 loại phân rã bốc dần (stripping Break-up), trong bảng 1.1, bao gồm các dãychỉ số Weber từ 100 đến 1000 và phân rã hỗn loạn (chaotic break-up) khi chỉ sốWeber vượt quá mức 1000.

Hình 1.5 Sự phân rã thứ cấp của các hạt Newton [30]

Bảng 1.1 sự chuyển dịch hệ số Weber trong các trường hợp phân rã [10].

Trong tia phun của động cơ, tất cả các chế độ phân rã của nhiên liệu đều xuấthiện Tuy nhiên, hầu hết sự phân rã diễn ra ở vùng gần vòi phun có chỉ số Webercao Trong khi ở vùng xa vòi phun thì có chỉ số Weber đặc biệt nhỏ hơn do đườngkính của các hạt nhiên liệu giảm dưới tác dụng của quá trình phân rã trước đó và do

sự giảm tốc độ tương đối giảm dưới tác dụng của lực kéo

1.1.3. Cơ chế phân rã của tia phun nhiên liệu.

a Tia phun hình chóp đặc.

Hình 1.6 Cấu trúc tia phun nhiên liệu.

Cơ chế phân rã của tia nhiên liệu này nhìn chung gồm 3 vùng:

 Vùng phân rã sơ cấp (primary break-up): là phần nhiên liệuvừa được phun ra khỏi vòi phun và do nhiên liệu được phun ở trạng thái phunsương ( khoảng 200Mpa) nên phần nhiên liệu này sẽ tham gia ngay vào quá trìnhphân rã Cấu trúc của tia phun ở khu vực này được tạo thành chủ yếu do:

+ Thứ nhất là chuyển động xoáy (turbulence) của dòng nhiên liệu tạo ra khi điqua lỗ phun nhiên liệu (ống tiết lưu), nhiên liệu từ

vùng có thể tích lớn (sac hole) qua vòi phun

(injection hole) làm tăng độ chảy rối và hình thành

chuyển động xoáy Chuyển động xoáy này góp

phần cung cấp năng lượng cho quá trình phân rã

của tia phun nhiên liệu giai đoạn đầu, nếu vận tốc lớn, dao động xoáy của dòngnhiên liệu có tần suất cao thì các hạt nhiên liệu hoàn toàn có thể tách khỏi tia phunngay khi ra khỏi vòi phun

+ Thứ hai (cavitation) là hiện tượng hình thành bọt khí trong vòi phun, hiệntượng này hình thành do nhiều nguyên nhận như nhiệt độ tại đầu kim phun cao làmnhiên liệu trong bọng nhiên liệu đạt đến điểm sôi gậy ra bọt khí khi đi qua vòi phunhay khi nhiên liệu đi qua lỗ phun (ống tiết lưu) là xuất hiện các khoảng trống chứakhông khí ở vùng biên của dòng nhiên liệu (như

hình vẽ) và đây cũng là một nguyên nhân tạo ra

kết cấu dạng côn của tia nhiên liệu

+ Thứ ba là áp suất của môi trường bên ngoài vòi phun, tia phun ra khỏi vòiphun với tốc độ rất lớn (500m/s) gặp áp suất cao

trong buồng cháy sẽ tạo nên các lực cản khí động

(areodynamic force) như lực cắt (shear force), lực

nén, kết hợp với các dao động sóng ở bề mặt tia

phun do chuyển động xoáy hình thành khi còn

trong lỗ phun, làm khuếch đại các dao động của

tia nhiên liệu ở vùng biên từ đó các hạt nhiên liệu đầu tiên tách ra khỏi tia phun,nhưng ở giai đoạng này tác dụng của lực cản khí động chưa rỏ ràng, các hạt nhiênliệu tách ra khỏi nhiên liệu chưa nhiều, cấu trúc bên trong của tia nhiên liệu chưa bịảnh hưởng

+ Thứ tư là sự phục hồi của tia phun khi ra khỏi

lỗ phun, khi chuyển động trong lỗ phun dòng nhiên

Hình 1.7 Xoáy lốc trong tia phun

Hình 1.8 Hình thành bọt khí

trong tia phun

Hình 1.9 Dao động sóng trên tia

phun

liệu bị giới hạn bởi các điều kiện chuyển động trong đường ống, áp suất nén, tốc độcao và chịu dao động xoáy trong không gian hẹp nên khi ra khỏi vòi phun tia phunchuyển sang một trạng thái khác, hoạt động tự do hơn, vận tốc và dạng chuyển độngphụ thuộc nhiều vào các yếu tố bên ngoài vòi phun

+ Thứ năm là áp suất phun nhiên liệu, đây là yếu

tố quan trọng nhất và nó ảnh hưởng và quyết định các

yếu tố khác để hình thành nên cấu trúc một tia phun

hoàn chỉnh Áp suất phun càng cao thì độ phung sương

của nhiên liệu càng tăng, giai đoạn phân ra sơ cấp

diễn ra nhanh chóng và tạo điều kiện cho giai đoạn

phân rã thứ cấp

 Vùng phân rã thứ cấp (Secondary break-up): sau giai đoạn đầu,tác dụng của các lực cản khí động lên tia nhiên liệu càng lớn làm đẩy nhanh hoạtđộng tách các hạt nhiên liệu ra khỏi bề mặt của tia nhiên liệu Mật độ các hạt nhiênliệu độc lập trong khu vực này cao, các chuyển động của chúng cũng tương đốiphức tạp, quá trình các hạt nhiên liệu tách ra rồi va chạm và kết hợp lại với nhauxảy ra một cách liên tục, bên cạnh đó chuyển động của không khí nén và nhiệt độbuồng cháy cũng góp phần hình thành cấu trúc đặc trưng cho tia phun ở giai đoạnnày

Hình 1.11 So sánh áp suất

phun nhiên liệu (bên trái 500bar, phải 1000bar) [15]

Hình 1.12 Sự va chạm và kết hợp giữa các hạt nhiên liệu [30]

 Vùng hơi nhiên liệu (Evaporation): sau giai đoạn phân rã thứhai, hầu hết các hạt nhiên liệu đã tách khỏi tia phun Các hạt nhiên liệu lúc này có

bề mặt tiếp xúc với môi trường trong buống cháy lớn nên nhanh chóng bay hơi vàhòa trộn vào không khí trong buồng cháy Hơi nhiên liệu tập trung nhiều ở các vùngbiên của tia phun do kích thước các hạt nhiên liệu ở đậy nhỏ, mật độ thấp nên tốc độbay hơi cao hơn các hạt nhiên liệu trong phần lỏi tia phun

b Tia phun chóp rỗng

Để đạt được độ phân tán cực đại của chất lỏng ở áp lực phun trung bình và ápsuất môi trường thấp, thì người ta sử dụng chùm phun dạng hình chốp rỗng Tiaphun hình chóp rổng được hình thành bởi các hạt nhiên liệu có đường kính nhỏ, khảnăng hòatrộn với không khí cao, giảm độ xuyên thấu và tạo nên khả năng phunsương hiệu quả Các tia phun này được sử dụng trong các động cơ xăng truyềnthống, nhiên liệu được phun vào đường ống nạp và động cơ đánh lửa trực tiếp(DIST)

Hình 1.13 Tia phun dạng hình chóp rỗng [10].

Hình trên thể hiện cấu trúc cơ bản của tia phun loại hình chóp rỗng Nhiên liệulỏng thoát ra từ vòi phun hình thành một màng chất lỏng dạng hình nón tự do trongbuồng cháy, và loãng dần khi tiến xa khỏi vòi phun theo định luật bảo toàn khốilượng, dẫn đến sự phân rã các hạt nhiên liệu Có hai dạng vòi phun chính là: kim

mở từ bên trong (vòi phun xoáy lốc áp suất) và vòi phun kim mở ngoài Trongtrường hợp vòi phun xoáy lốc, một màng nhiên liệu lỏng dạng hình trụ và chuyểnđộng xoay tròn mạnh được phun ra từ vòi phun Thành phần tốc độ gốc của tiaphun, được tạo bởi chuyển động xoáy, giúp hình thành màng chất lỏng có dạng hìnhchóp tự do Trong trường hợp vòi phun mở ngoài, hình dạng kim phun tạo nên kếtcấu hình chóp rỗng của tia phun

Vùng phân rã sơ cấp của màng chất lỏng được gây ra bởi xoáy lốc và các lựckhí động học Đầu tiên, màng nhiên liệu có độ dày là hs và góc tia phun là α trở nênmỏng dần theo định luật bảo toàn khồi lượng khi rời khỏi vòi phun Sự chảy rốiđược sinh ra bên trong vòi phun tạo nên sự hình thành nhiễu loạn ban đầu trên bề

mặt chất lỏng, quang phổ biên độ và tần số phụ thuộc vào dòng nhiên liệu trong lỗphun Những sóng này phát triển không ổn định do tác dụng khí động học với cáckhí trong buồng cháy Tại biên độ góc, màng nhiên liệu bị xé nhỏ thành các dâychằn và dưới sự ảnh hưởng của lực cản mặt ngoài và các lực khí thể nhanh chónglàm các day chằn này thành các hạt nhiên liêu Bên cạnh các hiện tượng va chạmnày thì sự phân rã tức thời của các hạt nhiên liệu nhỏ chuyển động quanh tia phunngay tại vòi phun là hoàn toàn có thể xảy ra nều có đủ năng lượng động học xoáylốc Hiệu ứng này xảy ra chủ yếu ở điều kiện áp suất phun.

Hình 1.14 cho thấy sự phát triển theo thời gian của tia phun mẫu tạo bởi vòiphun xoáy lốc áp suất

Hình 1.14 Sự phát triển theo thời gian của chùm tia phun từ vòi phun

xoáy lốc áp suất [22]

Hình 1.15 Sự phát triển theo thời gian của dòng khí phụ quanh chùm tia phun từ

vòi phun xoáy lốc áp suất [10]

Sự phát triển theo thời gian và cấu trúc dạng chóp của tia phun tạo bởi vòiphun áp suất xoáy lốc thì phụ thuộc nhiều vào điều kiện biên tạo bởi không khí

trong buồng cháy, mà nhân tố ảnh hưởng quan trọng nhất là tỉ trọng của không khí.Hình 1.14 và 1.15 biểu diễn kết quả thực nghiệm của Gindele[10] Sự gia tăng ápsuất khí làm giảm mạnh góc nón β của chùm phun và làm tăng kích thước trungbình của các hạt nhiên liệu (SMD) Trong khi độ dài xuyên thấu S được giữ nguyênhấu như không đổi khi áp suất phun đủ cao và có xu hướng giảm xuống trongtrường hợp áp suất phun thấp Tùy vào thời điểm ban đầu của quá trình phun áp suấtbuồng cháy sẽ thay đổi nhanh chóng phù hợp để tạo ra một dãy cấu trúc hoàn chỉnhcủa tia phun tạo nên sự điều chỉnh cần thiết đảm bảo chất lượng cho quá trình hìnhthành hòa khí.

Hình 1.16 Ảnh hưởng của áp suất môi trường lên kết cấu chùm phun

(hình chụp 2 ms sau khi kích hoạt kim phun, T=289K, P=7Mpa) [10]

Trái ngược với chùm phun hình nón đặc, đặc tính và cấu trúc của chùm phunnón rỗng chỉ có 1 số phác họa mang tính bán thực nghiệm về tác động của cácthông số phun chính được công bố thành sách và thông số được miêu tả nhiều nhất

là kích thước của hạt sự gia tăng quá trình phun sẽ làm giảm đường kính trung bìnhcủa hạt (SMD), đồng thời độ xuyên thấu của tia phun cũng tăng nhẹ, [11,12,13].Hình 1.17 Sự gia tăng áp suất không khí môi trường làm tăng SMD

Hình 1.17 Ảnh hưởng của áp suất môi trường và áp suất phun lên cấu trúc chùm

phun.( T=298K, P=7Mpa, kim phun kich hoạt tại t=0 ms) [10]

Tuy nhiên, yếu tố tác động mạnh mẽ nhất phụ thuộc vào thiết kế và loại kimphun Thiết kế được dùng nhiều nhất đó là vòi phun áp suất xoáy lốc (pressure-swirlatomizer) Đường kính SMD của loại kim phun này có thể được biểu diễn bởi mốiquan hệ bán thực nghiệm sau [16]:

(2)

Theo phương trình (2) ta dễ dàng thấy rắng áp suất phun không chỉ ảnh hưởng đến quá trình phân rã sơ cấp của chùm phun mà còn làm thay đổi kích thước (SMD)

các hạt nhiên liệu trong quá trình phân rã thứ cấp, từ đó dẫn đến biến đổi cơ bản cấutrúc, độ dày mõngcủa màng nhiên liệu của chùm phun.

Hình 1.18 Sự thay đổi kết cấu tia phun theo áp suất phun.[30]

(P a = 1 psi; P b = 3 psi; P c = 8 psi; P d = 25 psi; P e = 50 psi; P f = 185 psi)

Việc gia tăng nhiệt độ không khí làm giảm độ rộng b của chùm phun và làm tăng độ xuyên thấu S, hình 1.13 và gây ra một ảnh hưởng tương tự như khi tăng áp suất môi trường Để giải thích cho hiện tương trên có hai giải thuyết khả thi sau Thứ nhất là tốc độ bay hơi càng cao thì làm giảm chiều rộng tổng thể của chùm phun Thứ hai là do sự tăng độ kết dính của không khí, dòng khí phụ chịu tác động nhiều hơn và vận chuyển nhiều hạt nhiên liệu vào tâm của chùm phun hình nón Điều này làm giảm độ rộng b và tăng độ xuyên thấu theo chiều trục của chùm phun

Hình 1.19 ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường lên kết cấu tia phun.

(Hình chụp 2ms sau khi kich hoat kim phun, P=7Mpa)

Bên canh đó, vận tốc dòng khí trong buồng cháy nơi tia nhiên liệu được phunvào cũng tác động làm thay đổi quá trình phân rã của chùm phun Với cùng mộtđiều kiện nhiệt độ và áp suất như nhau, vận tốc của dòng khí mà chùm phun đi quacàng lớn thì quá trình phân rã càng diễn ra nhanh chóng

Hình 1.20 Ảnh hưởng của tốc độ khí lên quá trình phân rã của chùm phun

(v a = 19 m/s; v b = 21m/s; v c = 30 m/s; v d = 50 m/s) [30]

1.1.4 Sự tương tác giữa tia phun với thành xy lanh.

Sự tương tác giữa tia phun và thành chắn xảy ra nếu tia phun xâm nhập quakhông gian có chứa không khí và tác động vào thành chắn, có thể là mặt sau vannạp, thành của hệ thống nạp trong trường hợp phun trên đường ống nạp, hay thànhbuồng cháy trong trường hợp động cơ phun trực tiếp Hai quá trình vật lý có liênquan đến hiện tượng này đó là: sự tăng trưởng tác động giữa chum phun và thànhchắn, và sự phát triển của màng nhiên liệu bám trên thành Cả hai quá trình này cóthể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất cháy và sự hình thành khí thải Sự va chạm vớithành chắn có xảy ra hay không tùy thuộc vào chiều dài xuyên thấy của chùm phun

và khoảng cách giữa vòi phun với thành chắn Áp suất phun cao cũng như tỉ trọngkhông khí và nhiệt độ thấp cũng dẫn đến hiện tượng va đập lên thành chắn

Trong trường hợp động cơ phun nhiên liệu trên đường ống nạp, độ xuyên thấucủa tia phun tăng lên khi tỉ trọng khí thấp và một màng nhiên liệu có thể hình thànhtrên thành chắn nguội của hệ thống nạp Điều này gây khó khăn cho việc kiểm soátnhất thời động cơ vì chỉ có một phần nhiên liệu phun ra đi vào buồng cháy trongsuốt chu trình tương ứng, và phần còn lại bị bám vào màng chất lỏng trên thànhchắn và di chuyển từ từ đến van nạp Tại đây, lượng nhiên liệu này đi vào buồngcháy ở nhiều chu kỳ sau đó và cung cấp một lượng nhiên liệu không rỏ ràng vàthường không được phân rã tốt vào phần nhiện liệu phun hiện thời Điều này có thểlàm giảm khả năng ứng xử của động cơ, làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ và tăng

lượng khí thải Hidrocacbon.

Hình 1.20a và 1.20b mô phỏng một chùm phun hình nón đặc va đập lên thànhchắn và hiệu ứng xảy ra khi tác dụng

Hình 1.21 Hiện tượng tương tác với thành chắn của chùm phun hình chóp đặc [10]

Hình 1.22 a.Vùng không khí quanh một chùm phun chóp đặc khi tương tác với

thành chắn b Vận tốc của các hạt nhiện liệu,

(P inj = 100Mpa, P buongcháy =1.0Mpa, d lỗ phun = 0,25mm, T thanh chắn = 289K) [10]

Trong hình 1.21 và 1.22 biểu diễn sự phát triển theo thời gian của tia phun vađập vào thành chắn Khi chưa bị va đập vào thành chắn, vùng phun chính của tiaphun hình thành một chùm phun hình nón dày đặc được bao quanh bởi một vùngkhông gian giàu không khí và chứa các hạt nguyên tử nhiên liệu được phận rã tốt

Khi tia phun va đập vào thành chắn, một số lượng lớn các hạt nhiên liệu được hìnhthành ở ngoại vi của đỉnh chùm tia phun và phát triển dọc theo thành chắn Việc cáchạt nhiên liệu bám vào thành và tiếp tục bay hơi, lang ra để hình thành nên mộtmàng chất lỏng, dội lại về phía buồng cháy hay phân rã thành các hạt nhiên liệu nhỏhơn phụ thuộc vào năng lượng động học của các giọt nhiên liệu ban đầu đi tới vađạp vào thành và nhiệt độ của thành chắn.

Hình 1.23 Các dạng tương tác giữa nhiên liệu với thành chắn.

Hình 1.24 Thời gian phát triển của chùm phun khi bị va chạm,

(P inj = 120Mpa, P buongcháy =0.1Mpa, d lỗ phun = 0,18mm, T thanh chắn = 289K) [10]

Một vùng xoáy lốc tốc độ cao được hình thành quanh vùng tiếp xúc giữa chùmphun và thành chắn, cuốn một lượng lớn không khí nóng vào chùm phun Trongtrường hợp khoảng cách từ vòi phun đến thành chắn là nhỏ cũng như tốc độ phunlớn, thành chắn nguội thì một màng chất lỏng có thể được hình thành, hình 1.23.Các khảo sát nghiên cứu chi tiết về sự phát triển của tia phun va đập vào thành chắnđược ghi nhận trong Mohammadi et al [18] và Allocca [19] là một ví dụ Sự tăng áp

suất phun làm tăng độ xuyên thấu của tia phun theo phương tiếp tuyến và pháptuyến khi đến bề mặt tiếp xúc và làm tăng lượng không khí bị cuốn vào chùm phun,hình 1.23a và 123b Sự gia tăng áp suất buồng cháy làm cho độ xuyên thấu của tiaphun va đập giảm xuống, tương tự như ảnh hưởng của tỉ trọng khí lên độ dài xuyênthấu của tia phun tự do, hình 1.23c và 1.23d Ngay cả khi không khí nạp vào cókhối lượng lớn trong từng đơn vị thể tích, lượng không khí tổng thể được cuốn vào

có thể bị giảm xuống do hiệu ứng này Sự gia tăng nhiệt độ thành chắn, hình 1.23e

và 1.23f, làm giảm độ ướt và gia tăng sự tái tạo và dội lại của các hạt nhiên liệu domàng hơi được hình thành giữa các hạt nhiên liệu và thành chắn Đặt biệt ở nhiệt độcao, hiệu ứng này có thể làm xuất hiện các giọt nhiên liệu lớn hơn có động lượnglớn trong vùng tiếp xúc của tia nhiên liệu với thành chắn và làm tăng độ xuyên thấucủa tia phun

Hình 1.25 Ảnh hưởng của áp suất phun, áp suất buồng cháy và nhiệt độ thành chắn

đến quá trình va đập của tia phun lên thành chắn

(P inj = 80Mpa và 120MPa, buồng cháy chứa khí N 2 , d lỗ phun = 0,18mm) [19]

1.2 Sự hình thành hỗn hợp cháy trong động cơ Diesel.

Hình 1.26 Phát triển chùm tia phun nhiên liệu diesel

Quá trình hình thành khí hỗn hợp trong động cơ Diesel chiếm thời gian rất ngắn(14)% giây Sau khi nhiên liệu được phun vào khối lượng không khí nóng trongbuồng cháy, các hạt nhiên liệu được sấy nóng và bốc hơi Cường độ các hạt nhiênliệu sấy nóng và bốc hơi phụ thuộc vào các yếu tố như: kích thước hạt nhiên liệu,tốc độ chuyển động tương đối của các hạt nhiên liệu so với không khí, nhiệt độ và

áp suất trong xy lanh, tính chất vật lý của nhiên liệu

Muốn cho quá trình hình thành khí hỗn hợp được tốt người ta dùng các biện phápsau: làm cho hình dạng buồng cháy phù hợp với hình dạng và số lượng của chùm tia

nhiên liệu, kết hợp tạo ra xoáy lốc mạnh của dòng không khí nạp vào xy lanh.

Động cơ Diesel thường dùng các buồng cháy sau:

o Buồng cháy thống nhất sử dụng hệ thống phun trực tiếp (DI)

o Buồng cháy ngãn cách sử dụng hệt thống phun gián tiếp (IDI)

Do phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào động cơ sử dụng dạng buồng cháyxoáy lốc TVC nên chúng ta chỉ khảo sát các lý thuyết về buồng cháy gián tiếp

 Hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy phun gián tiếp IDI

Có hai dạng buồng cháy trung gian đó là: bường cháy dự bị và buồng cháyxoáy lốc Buồng cháy TVC thuộc loại buồng cháy xoáy lốc

1.2.1 Buồng cháy dự bị:

Buồng cháy dự bị là loại buồng cháy mà thể tích buồng cháy được chia làmhai không gian và thông với nhau bằng nhiều lỗ nhỏ Buồng cháy dự bị đặt trên nắpmáy, chiếm khoảng 0,25  0,40 thể tích toàn bộ buồng cháy Buồng cháy dự bịthường sử dụng vòi phun một lỗ, áp suất phun P = 8 15 MN/m2

Trong quá trình nén, không khí từ xylanh được đẩy vào buồng cháy dự bị vớivận tốc lớn, dòng không khí lưu động theo nhiều hướng khác nhau nên tạo ra vậnđộng rối mạnh trong buồng cháy dự bị, khi nhiên liệu phun vào buồng cháy sẽ được

xé nhỏ và hòa trộn đều với không khí trong buồng cháy dự bị rồi bốc cháy rấtnhanh Áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy dự bị tăng lên rất nhanh và lớn hơnbuồng cháy chính vì vậy sản vật cháy, nhiên liệu chưa cháy hết, nhiên liệu mớiphun vào được phun ra buồng cháy chính với tốc độ lớn và tiếp tục cháy hết ởbuồng cháy chính

So với buồng cháy thống nhất, không có vận động xoáy lốc mạnh của dòngkhông khí, buồng cháy dự bị có ưu điểm sau:

o Có thể làm việc với  nhỏ do tận dụng xoáy lốc của dòng không khí

o Có thể sử dụng nhiên liệu có nhiều thành phần chưng cất khác nhau nhờtận dụng xoáy lốc của dòng khí và nhiệt độ buồng cháy

o Ít nhạy cảm với tốc độ quay của trục khủyu

o Động cơ chạy êm nhờ khống chế được lượng nhiên liệu và không khí thamgia cháy trong giai đoạn hai

o Hệ thống nhiên liệu ít hư hỏng do vòi phun chỉ có một lỗ phun và áp suấtphun thấp

Nhược điểm của loại buồng cháy này là:

o Khó khởi động khi động cơ nguội vì c

1.2.2 Buồng cháy xoáy lốc:

Hình 1.28 Buồng cháy xoáy lốc

Trong phương pháp hình thành hỗn hơp khí trong buồng cháy xoáy lốc,Buồng cháy của động cơ được chia làm hai phần: buồng cháy xoáy lốc có dạng hìnhtrụ hoặc hình cầu đặt trên nắp xy lanh hoặc trong thân động cơ và buồng cháy chínhđộng cơ nằm trong xy lanh Hai buồng cháy này đươc nối với nhau bằng đường lưuthông có tiết diện lớn đặt tiếp tuyến với buồng cháy xoáy lốc Thể tích buồng cháyxoáy lốc chiếm khoảng 0.5-0.8 % Thể tích toàn bộ Vc của buồng cháy ,nhiên liệuđược phun vào buồng cháy xoáy lốc

Quá trình hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy xoáy lốc tiến hành nhưsau : trong quá trình nén không khí từ xy lanh của động cơ bị đẩy vào buồng cháyxoáy lốc qua cửa buồng cháy với tốc độ lưu thông lớn Dòng không khí lưu độngtheo hướng tiếp tuyến tạo nên vận động xoáy lốc mạnh của không khí trong buồngcháy xoáy lốc làm cho khối lượng nhiên liệu đang phun vào buồng cháy lúc ấy được

xé nhỏ ra và hỗn hợp đều với không khí Hiệu ứng xoáy lốc trong buồng cháy xoáylốc được quyết định bởi kết cấu buồng cháy và kết cấu của cửa buồng cháy do đócần phải bố trí cửa này một cách thích hợp cho từng loại nhiên liệu

Hình 1.29 Tốc độ xoáy lốc thay đổi theo kết cấu và vị trí của cửa buồng cháy [32]

Sau khi nhiên liệu bốc cháy, áp suất và nhiệt độ của môi chất trong buồngcháy xoáy lốc tăng lên nhanh và trở nên lớn hơn so với buồng cháy chính vì vậy sảnvật cháy, không khí nhiên liệu chưa có điều kiện bốc cháy trong buồng cháy xoáylốc đều được phun ra buồng cháy chính và tiếp tục bốc cháy trong xy lanh động cơ

Hình 1.30 Quá trình vận chuyển hỗn hợp cháy đến buồng cháy chính [29]

Công dụng chủ yếu của buồng cháy xoáy lốc là tạo ra vận động xoáy lốcmạnh của không khí làm cho nhiên liệu và không khí được hòa trộn với nhau thật

đều Chính vì vậy thể tích của buồng cháy xoáy lốc và diện tích tiết diện ngang củađường thông nhau giữa buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy chính tương đối lớn.Đường thông được đặt trên nắp buồng cháy được gọi là cửa buồng cháy Nắp nàyđược làm bằng thép hoặc gang nên chịu nhiệt và không được làm mát nên khi động

cơ chạy nắp buồng cháy rất nóng Chính vì vậy đã làm tăng nhiệt độ không khíbuồng cháy và làm cho nhiên liệu dễ bốc hơi kể cả những nhiên liệu có thành phầnchưng cất nặng, cho nên khi thay đổi phụ tải và số vòng quay của động cơ trong quátrình làm việc, động cơ vẫn rất ổn định Tăng số vòng quay động cơ sẽ làm tăng tốc

độ vận động của dòng khí xoáy lốc nên không khí được hòa trộn với nhiên liệu tốthơn và quá trình công tác của động cơ ổn định hơn

Muốn tận dụng khối lượng không khí trong buồng cháy chính vào quá trìnhhình thành khí hồn hợp và quá trình cháy của động cơ cần tìm biện pháp tập trunghầu hết khối không khí trong buồng cháy chính vào khu vực đối diện với họngthông, đồng thời tạo điều kiện để cho môi chất trong buồng cháy chính được vậnđộng xoáy lốc mạnh sau khi nhiên liệu đã bốc cháy trong buồng cháy xoáy lốc, tức

là sau khi môi chất được phun ra từ buồng cháy xoáy lốc vào buồng cháy chính.Một trong những biện pháp tốt nhất là khoét lõm đỉnh piston tại khu vực đối diệnvới họng thông, đồng thời cố gắng giảm kẽ hở giữa đỉnh piston và nắp xy lanhnhằm mục đích dồn hết không khí vào buồng cháy chính vào khu vực khoét lõmtrên đỉnh piston

Hình 1.31 Xoáy lốc trong buồng cháy chính

Từ đặc điểm hình thành hỗn hợp cháy của các loại buồng cháy bố trí trênđộng cơ diesel, ta nhận thấy rằng buồng cháy xoáy lốc có ưu thế hơn các loại khác

trong việc cải tạo để sử dụng nhiện liệu biodiesel Do loại buồng cháy này khắcphục được cơ bản hầu hết các trở ngại sinh ra khi ứng dụng trên một động cơ dieseltruyền thống như: độ nhớt cao làm cho quá trình phun nhiên liệu trong động cơkhông đều, nhiệt độ đông đặc và nhiệt độ cháy cao hơn so với diesel và độ ăn móncác chi tiết trong động cơ lớn Tuy nhiên, do kết cấu chia buồng cháy thành haivùng riêng biệt nên thất thoát động năng và nhiệt năng trong quá trình hình thànhhỗn hợp cháy là không tránh khỏi và là một trở ngại cho việc phát triển dòng động

cơ sử dụng buồng cháy gián tiếp trong thời kỳ khủng hoảng nhiên liệu hiện nay.Chính vì thế, đã có nhiều tác giả nghiên cứu và cải tạo buồng cháy xoáy lốc này đểtăng hiệu suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu như two-stage injection (Iwayaki

et al 2005); hight injection pressure ( parlar et al 2005); lower heat rejectionchamber ( Celikten et al 2003) và Conical Spray Combined Swirl Chamber (Long et

al 2009) và research on match of swirl-chamber (Liyan Feng-Wuqiang Wenpi Feng) [32]

Long-Hình 1.32 Kết cấu buồng cháy trước và sau cải tiến [32]

Và đề tài kết hợp sử dụng loại hệ thống Three Vortex Combustion cho dạngbuồng cháy xoáy lốc này cũng góp phần nâng cao khả năng ứng dụng các loại nhiênliệu biodiesel có nguồn góc từ động - thực vật Với việc thiết kế cửa nối giữa buồngcháy chính và buồng cháy phụ thành 3 lỗ tạo hiệu ứng Three Vortex đã hoàn thiện

hóa quá trình nạp và hình thành hỗn hợp cháy trên động cơ đảm bảo tốt khả nănghòa trộn các loại nhiên liệu có độ nhớt cao và tỉ trọng năng như ở nhiên liệubiodiesel Phần lý thuyết Three Vortex được trình bày chi tiết ở phần sau.

1.3 Lý thuyết Three Vortex:

Lý thuyết về các chuyển động xoáy lốc đã được các nhà khoa học tìm hiểu vànghiên cứu trong thời gian dài trong lịch sử khoa học và cho đến này con người đãphần nào hiểu và ứng dụng được các chuyển xoáy lốc này trong sản xuất và đờisống Và một trong các dạng xoáy lốc được sử dụng trên động cơ giúp cải thiện quátrình hòa trộn và cháy của nhiên liệu đó là dòng xoáy Three Vortex

1.3.1 phương trình mô phỏng xoáy lốc Three Vortex

Một dòng xoáy lốc là một dòng lưu chất xoay tròn và chảy rối bất kỳ sựchuyển động dạng đường xoắn ốc với dạng khí động đóng kính thì là dòng xoáy lốc

Có thể hiểu một cách khác, dòng xoáy lốc là sự chuyển động tạo xoáy của lưu chấtquanh một tâm Tốc độ và tỉ số sự xoáy của dòng lưu chất trong một dòng xoáy lốc

tự do sẽ lớn nhất tại tâm và có su hướng giảm dần theo khoảng cách tính từ tâm.Tốc độ của dòng xoáy lốc cưởng bức sẽ là zero tại tâm và có xu hướng tăng theo tỉ

lệ ứng với khoảng cách tính từ tâm Áp suất nhỏ nhất tại tâm với cả hai dòng xoáylốc, nhưng với dòng xoáy lốc tự do thì áp suất là nhỏ nhất

Việc nghiên cứu xoáy lốc Three Vortex đã được Hermann Ludwig FerdinandHelmholtz (1821-1894) nghiên cứu đầu tiên cách đây trên 150 năm Ông đã pháchọa thành công mô hình chuyển động của các dạng xoáy lốc khác nhau: hai dòngxoáy, ba dòng xoáy… Và các nghiên cứu của Helmholtz đã được mở rộng và pháttriển bởi các nhà khoa học tên tuổi khác như Kirchhoff, Poincare,Walther Grobli …

1.3.2 Mô hình chuyển động cùa Three Vortex.

Mô hình xoáy lốc hiện đại:

Hình 1.36 Mô phỏng Xoáy lốc three vortex bằng phần mềm Ansys

Với sự phát triển của khoa học kỷ thuật, các phần mềm mô phỏng số học cácdòng chảy chất lỏng cũng như xoáy lốc giúp việc mô hình hóa các xoáy lốc trong tựnhiên trở nên dể dàng và chính xác hơn Việc ứng dụng các phần mềm mô phỏnggiúp đưa các lý thuyết xoáy lốc và thực tiển một cách hiệu quả và nhanh chóng trênmọi lãnh vực: khí động học, thủy lực, hàng không vủ trụ…

Qua các nghiên cứu trên ta nhận thấy rằng việc tạo nên được một dạng xoáylốc three vortex trong buồng cháy của động cơ đốt trong sẽ giúp tạo ra nhiều hiệuứng có lợi cho quá trình tạo hỗn hợp cháy từ đó hoàn thiện quá trình cháy trongđộng cơ Xoáy lốc Three Vortex giúp đảm báo cường độ xoáy lốc, độ rối và khảnăng hòa trộn các phần tử chất lỏng bị cuốn vào trong vùng xoáy, hạn chế đáng kểthất thoát về mặt động năng trong chuyển động và đồng thời có khả năng nâng caoquá trình bốc hơi của các phần tử chất lỏng trong môi trường nhiệt độ cao Chính vìthế dạng xoáy lốc này đã được ứng dụng trên buồng cháy của nhiều dòng động cơđốt trong và đạt được nhiều kết quả khả quan đặc biệt có tìm năng trong việc cải tạo

để sử dụng các loại nhiên liệu sinh học như biodiesel Trên cơ sở lý thuyết này, đồ

án sẽ đi vào phân tích, nghiên cứu và hoàn thiện khả năng ứng dụng của dạng xoáylốc Three Vortex này cho các động cơ đốt trong sử dụng ở nông thôn Việt Nam

1.4 Lý thuyết về nhiên liệu biodiesel:

1.4.1 Khái niệm:

Biodiesel là những mono ankyl ester, nó là sản phẩm của quá trình ester hóacủa các axít hữu cơ có nhiều trong dầu mỡ động thực vật Nó là nhiên liệu có thểthay thế cho dầu diesel truyền thống, sử dụng trong động cơ đốt trong Dưới tácdụng của chất xúc tác, dầu thực vật + methanol hoặc ethanol cho sản phẩm ester +glycerine + axit béo (ester hóa dầu thực vật bằng ethanol khó hơn bằng methanol)[6]

Ví dụ: 1.05 tấn dầu cải + 0.11 tấn methanol cho ra 1 tấn ester + 0.1 tấnglycerine + 0.025 tấn axit béo

Thông thường biodiesel được sử dụng ở dạng nguyên chất hay dạng hỗn hợpvới dầu diesel Ví dụ như B20 là hỗn hợp gồm 20% biodiesel và 80% diesel cónguồn gốc dầu mỏ

Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chấtgiống với dầu Diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vậthay mỡ động vật Biodiesel hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại nănglượng sạch Mặt khác, chúng không độc và dễ phân giải trong tự nhiên

1.4.2 Nguyên liệu sản xuất nhiên liệu biodiesel.

Có rất nhiều nguồn nguyên liệu có khả năng sản xuất nhiên liệu biodiesel dầuthực vật: dầu đậu nành, dầu Cải, dầu Cọ, dầu Dừa, dầu Lạc, jatropha…, mỡ độngvật: cá tra, cá basa, heo, bò…, dầu phế thải, tảo Các nguồn nguyên liệu trên nhìnchung đều có các lợi thế khác nhau về tính chất lý hóa, công nghệ sản xuất và trửlượng theo từng khu vực phân bố theo từng vùng

a Dầu thực vật

Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các hạt, các quả của cây Nóichung, các hạt quả của cây đều chứa dầu, nhưng từ dầu thực vật chỉ dùng để chỉ dầucủa những cây có dầu với hàm lượng lớn Dầu lấy từ hạt cây có dầu như: đậu

phộng, đậu nành, cải dầu, bông, hướng dương…Dầu lấy từ quả cây có dầu như:dừa, cọ, ô liu … Có thể phân loại dầu thực vật theo nhu cầu làm thực phẩm cho conngười : dầu ăn được và dầu không ăn được.

+ Dầu ăn được phổ biến là các loại như dầu nành, dầu đậu phộng, dầu dừa,dầu cải, dầu hướng dương,… được sử dụng trong các thực phẩm cho con người

+ Dầu không dùng trong thực phẩm như dầu hạt kusum, akola, jatropha,mahua, karanja, … Điển hình là hạt của Jatropa curcas (jatropha) chứa các độc tốnhư phorbol ester và curcin, hạt của Pongamia pinnata (karanja) chứa các chất độcnhư furanoflavone, furanoflavonol, chromenoflavone flavone và furanodiketone

Thành phần chủ yếu của dầu thực vật là các phân tử triglyceride-chiếm 98%

90-Hình 1.37 Công thức cấu tạo của triglyceride.

Các nước xuất khẩu nhiều thực vật là Malaysia, Argentina, Indonesia,Philippines, và Brazil Các nước nhập khẩu nhiều dầu là Trung Quốc, Pakistan,Italy, Anh Một số quốc gia như Hà Lan, Đức, Mỹ và Singapore vừa xuất khẩunhiều, và cũng vừa nhập khẩu nhiều dầu thực vật

các lò giết mổ và các dây chuyền sản xuất thịt nên được tận dụng lại để sản xuấtbiodiesel, đây là một hướng giải quyết không làm gây hại và nguy hiểm cho sứckhỏe con người và động vật.

Mỡ động vật được sử dụng cho sản xuất biodiesel chủ yếu từ nguồn:

- Mỡ gia súc từ các lò giết mổ và các quy trình sản xuất có thịt

- Mỡ cá từ các quy trình chế biến thủy hải sản

Mặt khác, hầu hết các kỹ thuật được biết đến sử dụng cho xử lý phế phẩm

từ ngành công nghiệp thịt thủy sản thì không có lợi về tính kinh tế, việc chôn lấp vàthải nước thải ra sông hồ thì không được khuyến khích sử dụng vì làm ô nhiễm môitrường Cho nên gần đây người ta đang quan tâm đến các phương pháp để sản xuấtbiodiesel từ nguồn nguyên liệu phế phẩm của động vật

c Dầu thải chiên rán

Dầu ăn đã bị biến đổi nhiều về mặt hóa học và vật lý, tạo ra nhiều hợp chất hóahọc không mong muốn sau một số lần tái sử dụng và chúng không thể sử dụng đểnấu ăn được nữa Sản xuất ra các loại nhiên liệu sinh học như biodiesel là một trongnhững hướng sử dụng có hiệu quả nhất các loại dầu phế thải từ chiên rán Tuynhiên, việc sản xuất biodiesel từ loại nguyên liệu này thì bị hạn chế vì sự hiện diệncủa các hợp chất không mong muốn, đặc biệt là các acid béo tự do và nước Các sảnphẩm không mong muốn như các dimer và trimer hình thành trong suốt quá trìnhnấu nướng cũng ảnh hưởng tiêu cực đến các tình chất của biodiesel như cặn lắngcarbon CCR Vì thế, việc sử dụng dầu phế thải cho sản xuất biodiesel bị giới hạn vàphụ thuộc vào mức độ biến chất của dầu ăn trong suốt quá trình nấu nướng

Sản xuất ra các loại thực phẩm ngon, bổ dưỡng thì rất quan trọng đối với việctiêu thụ sản phẩm và sức khỏe cho con người Nhiệt đóng vai trò quan trọng trongquá trình chế biến thực phẩm Thực phẩm có thể được chế biến ở các nhiệt độ khácnhau trong quá trình nấu, nướng, đun, … Phụ thuộc vào mức độ gia nhiệt, các tínhchất vật lý và hóa học của thực phẩm cũng thay đổi khác nhau

Hiện nay, so sánh với nhiên liêu diesel từ dầu mỏ, thì giá cả cao của biodiesel

là nhân tố chính làm cho nhiên liệu này không được sử dụng rộng rãi trên thịtrường Người ta tính rằng khoảng 70-85% giá thành của biodiesel là xuất phát từnguồn nguyên liệu Việc sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền như dầu thải ra từ nấunướng có thể giúp nhiên liệu biodiesel có khả năng cạnh tranh với các nhiên liệukhác trên thị trường Biodiesel từ dầu phế thải tuy không giúp thay thế hoàn toàncho nhiên liệu diesel, nhưng một lượng đáng kể nhiên liệu loại này có thể giúp giảmbớt một phần sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu dầu mỏ

1.4.2 Các tính năng khi sử dụng nhiên liệu biodiesel:

a Tính chất lý hóa của biodiesel:

Tính chất vật lý của biodiesel tương tự như diesel nhưng tốt hơn diesel về mặtchất thải Biodiesel khắc phục được những nhược điểm của dầu thực vật như độnhớt quá lớn (cao gấp 6 – 14 lần diesel), chỉ số Cetan thấp, dễ bị trùng hợp Các loạibiodiesel đều có tỉ lệ % trọng lượng oxy khá lớn, đây là điều mà dầu diesel không

có

Bảng 1.2: Tính chất lý hóa cơ bản của các Biodiesel [6]

ESTER

Khối lượngriêng(g/cm3)

Độ nhớt(ở 200C)( cSt )

Điểmđục(0C)

Điểmchớp lửa(0C)

Nhiệt trị(MJ/kg)(kCal/kg)

ESTER Cặn Chỉ số Cetan

- Trong biodiesel không chứa lưu huỳnh và aromatic do đó khi cháy không sinh

ra khí thải độc hại, giảm mưa axit [17]

- Biodiesel là chất không độc, dễ phân hủy

- Biodiesel không chứa hợp chất vòng thơm

Bảng 1.4: Lượng khí thải dầu biodiesel (BDF) so với dầu Diesel (DO) [20]

Khí thải Đơn vị DO truyền thống BDF từ dầu nành BDF từ dầu thải

HC g 0,0835 0,004 0,0038

- Do độ nhớt động học lớn và sức căng mặt ngoài của biodiesel lớn hơn dieselnên cá hạt nhiên liệu hình thành trong tia phun có đường kính SMD lớn gây khókhăn cho quá trình phân rã và hình thành hỗn hợp cháy

Hình 1.38 So sánh đường kính SMD giữa diesel và biodiesel [31]

c Ưu điểm về mặt kỹ thuật của biodiesel:

- Một số khảo sát gần đây cảnh báo về nguy cơ gây ăn mòn của dầu biodieselcao hơn so với dầu diesel [23]

- Điểm đông đặc và điểm chảy cao gây khó khăn cho việc sử dụng nhiên liệunày ở những vùng có khí hậu lạnh

- Biodiesel có giá trị nhiệt lượng thấp hơn DO [5] dẫn đến tăng lượng tiêu haonhiên liệu biodiesel

d Ưu nhược điểm về mặt kinh tế:

* Ưu điểm:

- Sử dụng biodiesel làm nhiên liệu tạo sự chủ động cho những nước phải nhậpnhiên liệu và tạo một hướng đi mới cho các sản phẩm nông, ngư nghiệp, cải thiệncán cân thương mại

- Sử dụng biodiesel không mất chi phí vận chuyển và thuế nhập khẩu, giảmđược ngoại tệ nhập khẩu nhiên liệu, khuyến khích đầu tư và phát triển nông thôntrong nước

- Các cây lấy dầu được trồng cho việc chế biến dầu thực vật – biodiesel ở quy

mô lớn, chuyên canh giá thành có thể thấp hơn diesel

- Việt Nam có đồng bằng sông Cửu Long với đất đai màu mỡ, khí hậu thuậnlợi cho các cây lấy dầu có chiết suất lớn

- Công nghệ chế biến biodiesel đơn giản, chi phí đầu tư thấp và có thể sản xuấtmọi nơi

* Nhược điểm:

- Giá thành của biodiesel hiện nay cao hơn so với DO truyền thống do giáthành cao của nguyên liệu và sự giới hạn của nguồn nguyên liệu dầu, mỡ

- Là loại hình nhiên liệu mới với người Việt Nam nên cần thời gian hội nhập

- Mất thời gian quy hoạch đất đai trồng trọt và năng suất cây lấy dầu ở ViệtNam còn thấp

1.4.3 Các yêu cầu của quá trình nạp và tạo hỗn hợp trên động cơ sử dụng biodiesel.

-Áp suất phun nhiên liệu cao: do độ nhớt của Biodiesel cao (1,3-1,6 lần so với

dầu diesel No2) và tỉ trọng lớn, từ đó tăng độ khả năng phun sương của kim phun,tăng lượng phun trong mỗi lần phun

-Thời gian phun phải được điều chỉnh thích hợp: do tốc độ phun của Biodieselnhỏ hơn so với diesel, lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy lớn hơn so với quátrình nạp ở động cơ diesel (do nhiệt trị thấp)…

-Khả năng phun sương cao: do có độ nhớt và sức căng mặt ngoài (surface

tension) cao nên các hạt nhiên liệu Biodiesel sau khi phun ra khỏi kim phun khó bịphân rã và bay hơi để hòa trộn với không khí xung quanh, làm tăng độ xuyên thấucủa tia phun gây ra hiện tượng đọng dầu trên thành xy lanh Khả năng phun sươngcủa kim phun phụ thuộc nhiều vào kết cấu vòi phun ( inward opening hay outwardopening nozzle) và hình thái của tia phun (full-cone spray và hollow-cone spray)

-Tỉ số nén của buồng cháy cao: do chỉ số cetan của biodiesel cao, nhiệt độ chớp

cháy cao , do đó việc tăng tỉ số nén cũng là một biện pháp để tăng công suất củađộng cơ bằng với động cơ diesel tương ứng Ngoài ra, việc tăng tỉ số nén cũng dẫnđến tăng áp suất buồng đốt làm cho độ xuyên thấu của tia nhiên liệu giảm, mật độcác phân tử nhiên liệu tăng lên giúp hoàn thiện quá trình hình thành hòa khí

-Nhiệt độ buồng cháy cao: để đạt đến điểm chớp cháy của nhiên liệu Biodiesel,

đẩy nhanh tốc độ bay hơi của nhiên liệu sau khi phun vào buồng cháy, cải thiệnnhanh quá trình khởi động lạnh của động cơ

-Tốc độ động cơ thấp: để tạo điều kiện thuân lợi (thời gian, nhiệt độ, độ bay

hơi…) cho quá trình hình thành hỗn hợp cháy

-Độ xoáy lốc cao: do có độ nhớt, tỉ trọng, sức căng bề mặt lớn làm khả năng

phân rả và bay hơi của nhiên liệu giảm Xoáy lốc cao giúp xé nhỏ nhiên liệu lỏnglàm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc nhiệt với khí trong buồng cháy, nhanh chóng hòatrộn các phân tử hơi của nhiên liệu vào không khí nén, đưa vùng hòa khí có nồng độthích hợp đến đúng vị trí trong buồng cháy để chuẩn bị cho quá trình cháy

Chương 2 PHÂN TÍCH BUỒNG CHÁY TVC 2.1 Giới thiệu động cơ mô hình KUBOTA D1703-E3B.

2.1.1 Lý do chọn động cơ Kubota 3 xy lanh phun gián tiếp:

Để chọn được một loại động cơ phù hợp cho công việc nghiên cứu thì động

cơ phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp và nông thôn là cao

- Tầm công suất động cơ nằm trong khoảng 20-50 HP để phù hợp với nhu cầu

thông thường của nông nghiệp và nông thôn

- Hiệu suất động cơ cao, có khả năng thích nghi với điều kiện hoạt động ở Việt

Nam, độ ồn thấp và kinh tế nhiên liệu cao

- Có hệ thống nhiên liệu theo kiểu phun gián tiếp và hiệu suất khí nạp cao

- Có khả năng ứng dụng nhiên liệu biodiesel và được công bố trong các nghiên

cứu khoa học trước đây

- Giá cả phải chăng, đảm bảo về bảo trì – bảo dưỡng – phụ tùng thay thế

Dựa vào các tiêu chí trên, nhóm thực hiện đề tài đã chọn loại động cơ Kubota

3 xy lanh phun gián tiếp với tên gọi D1703-M-E3B làm động cơ nghiên cứu

2.1.2 Thông số kỹ thuật chính của động cơ Kubota 3 xy lanh:

Với việc thực hiện đề tài về nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel sử dụng

nhiên liệu sinh học biodiesel, các thông số kỹ thuật về động cơ mô phỏng sẽ được

dựa vào thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm Các thông số kỹ thuật của động

cơ được trình bày theo bảng 2.1

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật động cơ diesel thử nghiệm

Hành trình piston mm 92.4

Hình 3.1: Hình chiếu đứng động cơ D1703-E3B

Hình 2.2: Hình chiếu cạnh động cơ D1703-E3B

2.2 Phân tích kết cấu buồng cháy TVC.

2.2.1 Buồng cháy xoáy lốc

Hình 2.3 Kết cấu buồng cháy TVC.

3.trục đôi xưng xi lanh; 6.lỗ khoét trên náp máy; 7.bệ đở buồng cháy xoáy lốc; 8.buồng cháy xoáy lốc; 9.buồng cháy chính; 10.đáy bệ đở buồng cháy xoáy lốc; 11.cửa buồng cháy chính; 12.cửa buồng cháy phụ; 19.vòi phun; 20 Bugi xông.

Buồng cháy xoáy lốc được hình thành bởi phần lõm trên 7a của bệ đở 7 kếthợp với phần lõm dưới của phần 6 trên nắp máy Điều kiện làm việc của buồngcháy xoáy lốc rất khắc nghiệt do phải chiệu nhiệt độ cao và áp suất lớn nên chất liệuchế tạo bệ đở 7 phải có khả năng bền nhiệt nhưng động thời cũng giảm bớt lượngnhiệt thất thoát qua nước làm mát Việc thiết kế buồng cháy xoáy lốc và bố trí cácchi tiết như bugi xông, kim phun nhiên liệu và cửa buồng cháy phải phù hợp đápđảm bảo được quỷ đạo chuyển động của dòng không khí xoáy lốc trong buồng cháyđồng thời tạo điều kiện để các phần tử nhiên liệu khi ra khỏi kim phun nhanh chóngbay hơi và hòa trộn vào phần không khí xoáy lốc trong buồng cháy

Các nhược điểm cần khắc phục trên buồng cháy xoáy lốc bao gồm: lượng

nhiệt truyền qua thành buồng cháy lớn làm giảm hiệu xuất của động cơ và ảnhhưởng đến độ bền của các chi tiết trên náp máy; thể tích buồng cháy bị giới hạnnhiều và quỷ đạo chuyển động của dòng khí bị ảnh hưởng do kim phun và bugixông chiếm chổ; do áp suất phun nhiên liệu nhỏ kết hợp với thể tích buồng cháynhỏ nên các hạt nhiên liệu rất dể bám vào thành buồng cháy và chảy xuống buồngcháy chính dưới dạng giọt trong một số điều kiện nhất đinh

2.2.2 Cửa buồng cháy

Hình 2.4 Cửa buồng cháy Three Vortex.

7.bệ đở buồng cháy xoáy lốc; 11.lỗ phun chính của cửa buồng cháy; 17.rãnh chính của lỗ phun; 18.rãnh bên của lỗ phun; 17a.trục rãnh chính; 18a.trục rãnh phụ.

Cửa buồng cháy Three Vortex được bố trí trên bệ đỡ của buống cháy xoáylốc 7, đây là phần nối thông giữa đầu ra của buồng cháy xoáy lốc 8 và đầu vào củabuồng cháy chinh 9 thông qua lỗ phun chính 11 Kết cấu của lỗ phun chính bao gồmmột rãnh chính 17 vời trục tâm 17a và hai rãnh bên 18 với trục tâm 18a Đầu cửabuồng cháy nối với buồng cháy xoáy lốc có dạng 3 đường tròn giao nhau như hình

vẽ, rãnh chính của lỗ phun giữ không đổi suốt chiều dài lỗ phun trong khi hai rãnhbên phát triển làm cho khoảng cách giữa chúng được rút ngắn ở đầu ra của buồngcháy với buồng cháy chính Nhờ kết cấu của buồng cháy như trên nên khi dòngkhông khí đi qua sẽ tạo hiệu ứng Three Vortex hình thành 3 dòng xoáy đặc trưnggiúp đẩy nhanh quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong buống cháy

Các nhược điểm cần khắc phục trên cửa buồng cháy bao gồm: tiết diện lỗ

phun chính nhỏ làm mất mát động năng của các dòng khí khi đi qua nó; quỷ đạo