Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:193

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí "Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi" trình bày các nội dung chính sau: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi; Tính toán, thiết kế và chế tạo buồng cháy thể tích không đổi; Mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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
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 Nghiên cứu sinh GS.TS Lê Anh Tuấn TS Nguyễn Tuấn Nghĩa Nguyễn Phi Trường i
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. Nghiên cứu sinh Nguyễn Phi Trường ii
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 iii
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 iv
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 v
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 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải NCS Nghiên cứu sinh HCCI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất CI Cháy do nén SI Cháy cưỡng bức CO Carbonmonoxide TDC Điểm chết trên HC Hyđrô cácbon 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 C2H2 Axetylen H2 Hydro O2 Ôxy N2 Nitơ PC Máy tính ERG Luân hồi khí thải vii
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 HRR Tốc độ tỏa nhiệt PG Khí tổng hợp CPG Khí công nghiệp CNG Khí nén thiên nhiên A/F Tỉ lệ không khí - nhiên liệu CA Góc quay trục khuỷu E0 Xăng nguyên chất 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 10% n-butanol, 10% diesel sinh học đậu nành và 80% diesel về khối B10S1080 lượng 5% n-butanol, 15% diesel sinh học đậu nành và 80% diesel về khối B5S1580 lượng 0% n-butanol, 20% diesel sinh học đậu nành và 80% diesel về khối B0S20D80 lượng KL Hệ số đánh giá sự tập trung bồ hóng HVO Dầu thực vật CPG Khí nén sản suất viii
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 UNIBUS Hệ thống cháy đồng nhất vùng lớn λ Hệ số dư lượng không khí ϕ Tỉ lệ tương đương CNLM Cháy nhiên liệu mồi ix
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 x
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 xi
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 xii
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 xiii
Hình 4. 4. Lưới tính toán được làm mịn trong vùng không gian xảy ra hiện tượng vật lý phức tạp. ......................................................................................................... 91 Hình 4. 5. Chi tiết lưới tính toán tại vùng van nạp và van xả................................... 91 Hình 4. 6. Các ô lưới có độ nghiêng lớn xảy ra tại khe hẹp tiếp xúc giữa xupáp và xylanh ....................................................................................................................... 92 Hình 4. 7. Hình ảnh ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình bay hơi của nhiên liệu trong CVCC .............................................................................................................. 93 Hình 4. 8. Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự bay hơi của nhiên liệu trong CVCC .................................................................................................................................. 93 Hình 4. 9. Quá trình hình thành hỗn hợp trong CVCC thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu ............................................................................................................................ 94 Hình 4. 10. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 1.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu ..... 94 Hình 4. 11. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 2.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu ..... 95 Hình 4. 12. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 5.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu ..... 95 Hình 4. 13. Đồ thị áp suất thực nghiệm và mô phỏng .............................................. 96 Hình 4. 14. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất buồng cháy.................................. 96 Hình 4. 15. Tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy ................................................... 97 Hình 4. 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tỏa nhiệt ........................................ 97 Hình 4. 17. Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến áp suất buồng cháy........................... 98 Hình 4. 18. Tốc độ tỏa nhiệt trường hợp phun nhiên liệu trước khi CNLM ............ 98 Hình 4. 19. Tốc độ tỏa nhiệt trường hợp phun nhiên liệu sau khi CNLM ............... 99 Hình 5. 1. Hình ảnh thực tế buồng cháy CVCC ..................................................... 100 Hình 5. 2. Cân nhiên liệu AVL............................................................................... 101 Hình 5. 3. Đặc tính vòi phun .................................................................................. 101 Hình 5. 4. Sơ đồ bố trí thử nghiệm hệ thống CVCC .............................................. 104 Hình 5. 5. Sơ đồ trang thiết bị thử nghiệm ............................................................. 105 Hình 5. 6. Đồ thị áp suất trong CVCC ................................................................... 105 Hình 5. 7. Hình ảnh cháy trong CVCC .................................................................. 106 Hình 5. 8. CVCC sau khi thử nghiệm với áp suất 80 bar ....................................... 106 Hình 5. 9. Hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn trong CVCC theo thời gian ..................... 107 Hình 5. 10. Hình ảnh quá trình lan truyền màng lửa của nhiên liệu trong CVCC. 107 Hình 5. 11. Tốc độ lan tràn màng lửa ở thời điểm 2ms sau thời điểm CNLM; (a). B0; (b). B10 ............................................................................................................ 107 Hình 5. 12. Diễn biến áp suất trong CVCC ............................................................ 108 Hình 5. 13. Diễn biến tốc độ tăng áp suất trong CVCC ......................................... 109 xiv
Hình 5. 14. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong CVCC .............................................. 109 Hình 5. 15. Đồ thị % nhiên liệu cháy trong CVCC ................................................ 110 Hình 5. 16. Diễn biến áp suất trong CVCC ............................................................ 110 Hình 5. 17. Đồ thị tốc độ tăng áp suất trong CVCC............................................... 111 Hình 5. 18. Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt trong CVCC .................................................... 111 Hình 5. 19. Phần trăm nhiên liệu cháy ................................................................... 112 Hình 5. 20. Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến áp suất quá trình cháy .................... 112 Hình 5. 21. Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến áp suất buồng cháy sau khi CNLM 113 Hình 5. 22. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy....................................... 113 Hình 5. 23. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy sau khi CNLM ............. 114 Hình 5. 24. Diễn biến áp suất buồng cháy sau khi CNLM..................................... 114 Hình 5. 25. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tăng áp suất buồng cháy ............. 115 Hình 5. 26. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy sau khi CNLM ............. 115 xv
MỞ ĐẦU i. Đặt vấn đề Động cơ đốt trong hiện nay là một trong những nguồn động lực chủ yếu trong nhiều ngành kinh tế, sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông vận tải. Nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong thường là các sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ như xăng và dầu diesel. Trong khi đó, trong khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống có chứa nhiều chất độc hại với con người và gây ô nhiễm môi trường như Carbonmonoxide (CO), Hydrocarbon (HC), Nitrogen Oxide (NOx), các chất thải dạng hạt (PM)…Đối với các phương tiện cơ giới, hàm lượng các chất độc hại này bị giới hạn trong các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo. Bên cạnh việc thắt chặt các tiêu chuẩn khí thải, vấn đề nâng cao chất lượng hoạt động của động cơ nhằm nâng cao tính kinh tế, hiệu quả và giảm phát thải độc hại cũng được nhiều nhà nghiên cứu động cơ nghiên cứu. Trong đó, việc thiết lập và sử dụng chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI- Homogeneous Charge Compression Ignition) đang nhận được sự quan tâm lớn. Đây được cho là chế độ vận hành tương lai của động cơ nhờ kết hợp được ưu điểm của cả động cơ xăng (cháy hỗn hợp đồng nhất) và động cơ diesel (cháy do nén). HCCI có nhiều ưu điểm về hiệu suất nhiệt và giảm khí thải NOx và phát thải PM rất nhỏ. Quá trình cháy HCCI có thể đạt được bằng cách điều khiển nhiệt độ, áp suất và thành phần của hỗn hợp để hỗn hợp có thể tự cháy. Hệ thống điều khiển của động cơ để đạt chế độ cháy HCCI về cơ bản là phức tạp. Những tiến bộ trong điều khiển động cơ bằng điện tử đã làm cho việc ứng dụng quá trình cháy HCCI vào động cơ trở nên hiện thực hơn. Mặc dù vậy vẫn còn nhiều thách thức trong việc đưa mô hình cháy HCCI vào thực tế như vấn đề điều khiển thời điểm đánh lửa, mở rộng dải làm việc của động cơ (nhất là chế độ tải lớn) và thành phần phát thải hydro carbon (HC) chưa cháy cũng như phát thải CO. Một vấn đề khó khăn khác là mối liên hệ giữa động lực học dòng khí và các phản ứng hóa học xảy ra trong buồng cháy trong chu trình làm việc của động cơ HCCI. Việc nghiên cứu quá trình cháy, đặc biệt các quá trình cháy mới, là việc rất cần thiết để tối ưu hóa động cơ bao gồm nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy, thời gian phun nhiên liệu, thời gian đánh lửa, thời gian đốt cháy nhiên liệu, tốc độ lan tràn màng lửa, tốc độ tăng áp suất, tỉ lệ tương đương giữa nhiên liệu và không khí. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ. Khi nghiên cứu quá trình cháy HCCI trên động cơ thực tế gặp rất nhiều khó khăn như: khó quan sát và chụp ảnh từ bên ngoài, không điều khiển một cách trực tiếp quá trình cháy, một số thành phần phát thải cao, chi phí để thiết kế chế tạo buồng cháy thực tế lớn. Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi (CVCC) sẽ hạn chế những nhược điểm như trên của buồng cháy truyền thống. Hỗn hợp không khí-nhiên liệu có thể được hòa trộn bên ngoài hoặc bên trong CVCC. Tùy theo từng loại hình thành hỗn hợp mà thiết kế buồng cháy có kết cấu phù hợp. xvi
Buồng cháy CVCC về cơ bản có một số đặc điểm như: không gian thể tích cố định, trên thành buồng cháy bố trí các cửa quan sát và các bộ phận khác. Buồng cháy này rất linh hoạt khi nghiên cứu, phát hiện quá trình cháy, điều khiển quá trình cháy, linh hoạt khi đánh giá quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của các loại nhiên liệu khác nhau. Việc nghiên cứu cơ bản về quá trình cháy trong CVCC là rất cần thiết trước khi đưa ra ứng dụng thực tiễn trên động cơ. Buồng cháy này có thể phục vụ cho những nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của một số nhiên liệu được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Hiện nay, ở Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm nào được trang bị loại buồng cháy CVCC. Với thực tế như vậy, việc thiết kế chế tạo một CVCC phục vụ nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy nói chung và hình thành hỗn hợp và cháy HCCI nói riêng là cần thiết. Vì vậy, trong luận án này NCS tập trung nghiên cứu thiết kế chế tạo CVCC. Trên cơ sở đó, tiến hành nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy CVCC phù hợp với thực tiễn tại Việt Nam. ii. Mục đích nghiên cứu Luận án có mục đích tổng thể là thiết lập quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC được thiết kế, chế tạo tại Việt Nam. Mục đích cụ thể: - Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo CVCC. - Nghiên cứu cơ chế và các biện pháp điều khiển quá trình hình thành hỗn hợp HCCI trong CVCC. - Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số như: nhiệt độ và nồng độ ôxy đến quá trình cháy HCCI trong CVCC. - Bước đầu đưa ra khuyến cáo về việc thiết lập quá trình cháy HCCI trong CVCC. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận án lựa chọn CVCC được chế tạo tại Việt Nam là buồng cháy nghiên cứu. Đây là một loại buồng cháy mới có nhiều ưu điểm so với buồng cháy của động cơ truyền thống. Nhiên liệu sử dụng là nhiên liệu diesel (B0) và bio-diesel với tỉ lệ pha trộn 10% (B10). Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. iv. Phương pháp nghiên cứu Luận án kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm. Đây là phương pháp nghiên cứu hiện đại, phù hợp với điều kiện kỹ thuật của Việt Nam và cho kết quả tin cậy. – Tổng hợp các kết quả nghiên cứu liên quan đến CVCC và những nghiên cứu về thiết lập quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI. – Nghiên cứu lý thuyết dựa trên việc xây dựng mô hình mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong buồng cháy CVCC khi sử dụng nhiên liệu B0 và B10. – Thực nghiệm đánh giá quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong buồng cháy CVCC. xvii
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn – Xây dựng thành công mô hình lý thuyết, quy trình cung cấp và đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng cháy CVCC làm cơ sở cho việc định hướng thiết lập quá trình cháy tương tự quá trình HCCI ở động cơ thực tế. – Thiết lập thành công trên mô hình mô phỏng và bằng thực nghiệm điều kiện về áp suất, nhiệt độ của môi chất trong buồng cháy CVCC làm nền tảng cho việc thiết lập quá trình cháy gần với HCCI trong 2 trường hợp: phun nhiên liệu cháy do nén trước, kết hợp đốt cháy mồi và phun nhiên liệu cháy do nén sau khi đốt cháy mồi tạo môi trường áp suất và nhiệt độ cao. – Thiết lập được quá trình cháy gần với quá trình cháy do nén HCCI khi sử dụng nhiên liệu cháy do nén (B0, B10) trong CVCC làm cơ sở cho việc nghiên cứu và sử dụng các loại nhiên liệu B0, B10 nói riêng và nhiên liệu cháy do nén nói chung, theo chế độ HCCI trên động cơ thực tế. vi. Điểm mới của luận án – Luận án đã nghiên cứu về mặt lý thuyết và tính toán thiết kế, chế tạo thành công buồng cháy CVCC phục vụ cho mục đích nghiên cứu thực nghiệm thiết lập quá trình cháy HCCI. – Xây dựng thành công quy trình cung cấp nhiên liệu cháy do nén kết hợp với việc khởi tạo môi trường trong buồng cháy CVCC nhằm thiết lập quá trình cháy hỗn hợp đồng nhất, làm cơ sở cho việc nghiên cứu quá trình HCCI trong buồng cháy CVCC khi sử dụng các loại nhiên liệu cháy do nén khác nhau. – Thiết lập được quá trình cháy gần với HCCI trong buồng cháy CVCC sử dụng nhiên liệu cháy do nén B0 và B10 ứng với các trường hợp phun nhiên liệu cháy do nén trước và sau thời điểm đốt nhiên liệu mồi. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm này khẳng định các điều kiện về nhiệt độ, áp suất môi trường cần thiết để có thể khởi tạo và thiết lập thành công quá trình cháy HCCI đối với nhiên liệu B0 và B10 khi được phun vào buồng cháy ở áp suất phun 1500 bar. vii. Bố cục luận án  Mở đầu  Chương 1. Tổng quan.  Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy CVCC.  Chương 3. Tính toán, thiết kế và chế tạo buồng cháy CVCC  Chương 4: Mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy CVCC.  Chương 5. Nghiên cứu thực nghiệm.  Kết luận chung và hướng phát triển. xviii