Nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi TT

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. Bên cạnh 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. Việc
thiết lập và sử dụng chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCIHomogeneous 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 và đợng cơ diesel.
Khi nghiên cứu q trình cháy HCCI trên động cơ thực tế gặp nhiều
khó khăn. Buồng cháy khơng trong śt nên khó quan sát từ bên ngồi.
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. Buồng cháy CVCC là b̀ng cháy
có nhiều cửa sổ bằng thạch anh trong suốt nên dễ quan sát bên trong
buồng cháy. Buồng cháy CVCC rất linh hoạt khi nghiên cứu đối với
nhiều loại nhiên liệu khác nhau. Việt Nam chưa có phịng thí nghiệm
nào được trang bị loại b̀ng cháy CVCC. 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 thể tích không đổi phù hợp với thực tiễn tại Việt Nam.
ii.
iii.

Mục đích nghiên cứu
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 đợ và nờng
đợ ơ xy đến q trình cháy HCCI trong CVCC.
Bước đầu đưa ra khuyến cáo về thiết lập quá trình cháy HCCI
trong CVCC.
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 b̀ng cháy mới có nhiều ưu
1


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 cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí đợng lực,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Phương pháp nghiên cứu

iv.

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên
cứu thực nghiệm, kiểm chứng và đánh giá.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

v.
–
–
–

–
vi.

Xây dựng cơ sở lý thuyết để thiết kế chế tạo ra buồng cháy CVCC
trong điều kiện Việt Nam.
Xây dựng được mối quan hệ của thông số áp suất, nhiệt độ và
nồng độ ô xy với áp suất cháy của quá trình cháy HCCI.
Ứng dụng phục vụ nghiên cứu đối với nhiều loại nhiên liệu khác
nhau. Định hướng nghiên cứu về hình thành hỗn hợp và cháy
HCCI trong CVCC tại Việt Nam.
Định hướng nghiên cứu về hình thành hỗn hợp và cháy HCCI
trong b̀ng cháy thể tích không đổi.
Điểm mới của luận án

Thiết kế, chế tạo được buồng cháy CVCC ở Việt Nam.
Thiết lập các chế độ điều khiển nhiệt độ, áp suất và tỉ lệ khơng khí nhiên liệu của hỗn hợp.
Nghiên cứu q trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC
tại Việt Nam.
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 thể tích không đổi.
 Chương 3. Tính toán, thiết kế và chế tạo b̀ng cháy thể
tích khơng đổi
2

 Chương 4: Mơ phỏng q trình hình thành hỗn hợp và
cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi.
 Chương 5. Nghiên cứu thực nghiệm.
 Kết luận chung và hướng phát triển.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Quá trình hình thành và cháy HCCI
HCCI (Homogeneous charge compression ignition – HCCI) là
tḥt ngữ dùng để chỉ mợt q trình cháy mới kết hợp được ưu điểm
của quá trình cháy do nén và cháy cưỡng bức. Nhược điểm của quá
trình cháy này là không thể điều khiển trực tiếp quá trình cháy và chỉ
thiết lập được ở chế đợ tải nhỏ. Vùng làm việc của động cơ chạy theo
nguyên lý HCCI bị giới hạn bởi hai yếu tố: không cháy và kích nổ.
Các phương pháp hình thành hỗn hợp có thể được phân loại theo đặc
điểm phun: hình thành hỗn hợp đờng nhất bên ngồi và hình thành hỗn
hợp đờng nhất bên trong.
1.1.2. Buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC)
CVCC là thiết bị thí nghiệm có nhiều cửa sổ bằng thạch anh trong
suốt nên rất dễ quan sát bên trong. CVCC thường có dạng hình hợp
chữ nhật hoặc hình trụ. CVCC có lợi thế về khả năng thay đổi dễ dàng
các thơng sớ quá trình đớt cháy như tỉ lệ khơng khí-nhiên liệu, tỉ lệ khí
dư, áp śt và nhiệt đợ bên trong b̀ng cháy. Hệ thớng CVCC có thể
thực hiện rất nhiều các nghiên cứu về cháy theo định hướng khác nhau
đối với nhiên liệu cháy cưỡng bức và tự bốc cháy. CVCC kết hợp với
hệ thống quang học nghiên cứu các hiện tượng tương tự ở gần điểm
chết trên ĐCT của động cơ truyền thống.
Ưu điểm, nhược điểm
–
–

Buồng cháy đơn giản, quan sát tồn bợ q trình cháy bên trong
buồng cháy. Dễ dàng thay đổi các điều kiện biên của quá trình
cháy. Nghiên cứu được nhiều loại nhiên liệu khác nhau.
Thiết bị đo và quan sát rất hiện đại, chi phí mua sắm cao. Thiết
kế hệ thớng điều khiển phức tạp.
Vật liệu chế tạo
3


Thép khơng gỉ hoặc thép trung bình S45C [1].
Phân loại: B̀ng cháy hình hợp chữ nhật, b̀ng cháy hình trụ.
1.2. Tình hình nghiên cứu về HCCI và CVCC
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Khương Thị Hà đã nghiên cứu thiết lập chế độ chế độ cháy do nén
hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel [2]. Kết quả chỉ ra
rằng, với tỷ số nén thiết kế 20:1, động cơ HCCI chuyển đổi hoạt động
ổn định tại chế độ tốc độ và tải thấp từ 1600 vg/ph đến 2000 vg/ph và
10% tải đến 20% tải...
Chưa có cơng trình nghiên cứu trực tiếp nào liên quan đến CVCC.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu nước ngồi
1.2.2.1. Nghiên cứu hình thành HCCI
P. Saisirirat và cộng sự [28] nghiên cứu thời điểm tự cháy và đặc
tính cháy HCCI khi sử dụng nhiên liệu 1-butanol/n-heptane và
ethanol/n-heptane. Sử dụng động cơ diesel 1 xilanh nhiên liệu là hỗn
hợp alcohol/n-heptane, Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng tỉ lệ rượu
thì thời điểm cháy diễn ra ṃn hơn do tăng trị số octane.
Dongwon Jung và các cộng sự [29] đã nghiên cứu cung cấp
dimethyl ete (DME) cho động cơ xăng 1xylanh, làm mát bằng khơng
khí, với phuơng án sử dụng EGR để điều khiển thời điểm cháy. Kết
quả nghiên cứu chỉ ra rằng cả luân hồi nội tại và ln hời ngoài đều

thiết lập được đặc tính cháy HCCI cho động cơ khi sử dụng DME tại
1500v/ph...
1.2.2.2. Nghiên cứu sử dụng CVCC
Sieber và cộng sự [52] nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của
nồng độ ô xy bằng cách thay đổi nồng độ ô xy trong CVCC. Kết quả
cho thấy, sự giảm nồng độ ô xy dẫn đến giảm nhiệt độ ngọn lửa.
Prathan Srichai và cộng sự sử dụng phần mềm mô phỏng
Solidworks Simulation và CAE tiến hành phân tích, thiết kế và chế tạo
CVCC [1], mơ phỏng điều kiện làm việc tại điểm chết trên của động
cơ truyền thống (TDC) với áp suất lớn nhất là 70 bar...

4


Nghiên cứu về thiết kế và chế tạo CVCC đưa ra còn hạn chế và
chưa có nghiên cứu nào đưa ra quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo
CVCC. CVCC là thiết bị được thiết kế, chế tạo theo u cầu của các
phịng thí nghiệm, sản śt đơn chiếc nên giá thành cao và khơng có
trên thị trường. Vì vậy, thiết kế chế tạo CVCC tại Việt Nam để phục
vụ nghiên cứu là cần thiết và tiết kiệm chi phí mua sắm cho phịng thí
nghiệm.
1.3. Kết luận chương 1
Tác giả đã phân tích để thấy được ưu điểm của HCCI là hiệu suất
nhiệt cao, phát thải NOx và PM nhỏ. Nhưng khó khăn lớn nhất khi
thiết lập chế độ HCCI trong đợng cơ trùn thớng có nhiều khó khăn
trong đó khó khăn nhất là điều khiển thời điểm cháy và thời điểm phun
nhiên liệu. Mặt khác, động cơ không hoạt đợng hồn tồn ở chế đợ
HCCI mà chỉ hoạt đợng ở chế đợ tải nhỏ có sử dụng ln hời khí thải
và sử dụng nhiên liệu có nhiệt đợ bay hơi thấp. Tuy nhiên, hệ thớng
CVCC linh hoạt có rất nhiều ưu điểm khi nghiên cứu quá trình hình

thành hỗn hợp và cháy. Hệ thống này khắc phục được khó khăn của
động cơ truyền thống khi nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và
cháy HCCI. Vì vậy, hướng tiếp cận của NCS “nghiên cứu quá trình
hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC”.
Ở Việt Nam hiện nay chưa có trung tâm nghiên cứu nào có CVCC
phục vụ nghiên cứu nghiên cứu cơ bản về quá trình cháy. Vì vậy, lựa
chọn thiết kế, chế tạo CVCC ở Việt Nam và nghiên cứu quá trình hình
thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy này mang ý nghĩa khoa
học và thực tiễn lớn. Ngồi ra, nghiên cứu quá trình cháy cơ bản còn
làm tiền đề cho những nghiên cứu về quá trình cháy sau này.
Mặt khác những nghiên cứu trước đó chỉ tập trung vào thực
nghiệm mà chưa xây dựng được mơ hình mơ phỏng để kết hợp kiểm
chứng. Hạn chế này sẽ được khắc phục trong luận án.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH
THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG
CVCC
2.1. Hình thành hỗn hợp trong CVCC
2.1.1. Hình thành hỗn hợp trước thời điểm cháy của nhiên liệu
mồi (hình thành hỗn hợp đồng nhất HCCI)
5


2.1.2. Hình thành hỗn hợp sau thời điểm cháy nhiên liệu mồi
Quá trình cháy trong CVCC được chia làm hai giai đoạn:
Giai đoạn cháy thứ nhất: Cháy hỗn hợp khí C2H2, O2 và N2 phun
vào buồng cháy với tỉ lệ nhất định (tỉ lệ này quyết định nồng độ ô xy
dư sau quá trình cháy).
Giai đoạn cháy thứ 2: cháy nhiên liệu chính phun vào CVCC.
2.2. Phương pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất trong CVCC
2.2.1. Phun nhiên liệu trước thời điểm cháy nhiên liệu mồi

Dùng vòi phun nhiều lỗ phun kết hợp với hệ thống nhiên liệu áp
suất cao common Rail và gia nhiệt b̀ng cháy.

Hình 2. 3. Phun nhiên liệu trước khi đánh lửa
2.2.2. Phun nhiên liệu sau thời điểm cháy nhiên liệu mồi
Dùng vòi phun nhiều lỗ khi đó có nhiều khu vực hình thành hỗn
hợp đờng nhất. Tuy nhiên khơng phải tồn bợ b̀ng đớt hỗn hợp đồng
nhất mà là đồng nhất từng vùng. Đồ thị áp suất (Hình 2. 4).

Hình 2. 4. Đồ thị áp suất của CVCC phun sau khi đánh lửa [55]
Phun lưỡng nhiên liệu đạt được hỗn hợp đờng nhất (Hình 2. 5).

6


Hình 2. 5. Đồ thị áp suất buồng cháy khi phun lưỡng nhiên liệu
2.3. Cơ chế phá vỡ chất lỏng, giọt chất lỏng và cấu trúc tia phun
2.3.1. Cơ chế phá vỡ chất lỏng
2.3.2. Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng
2.3.3. Cấu trúc tia phun
2.4. Cơ sở hóa lý quá trình cháy
2.4.1.1. Áp suất ban đầu [59]
2.4.1.2. Nhiệt độ đỉnh và áp suất đỉnh
2.4.1.3. Giới hạn cháy thấp [61]
2.4.1.4. Tỏa nhiệt [63]
𝑑𝑄
𝑑𝑡

1

𝑑𝑃

= 𝛾−1 . 𝑉. 𝑑𝑡

(2.24)

2.5. Kết luận chương 2
Nghiên cứu đã lựa chọn C2H2 làm nhiên liệu mồi với những ưu
điểm: tốc độ cháy nhanh, khi cháy tạo ra nhiệt độ, áp suất cao và ít độc
hại đối với người sử dụng.
Nghiên cứu đưa ra phương pháp xác định thành phần phần trăm
của ôxy sau khi CNLM và giới hạn cháy của nhiên liệu.
Đưa ra các phương án tạo hỗn hợp trong buồng cháy CVCC với
các giải pháp phun nhiên liệu trước và sau thời điểm CNLM.
Để nghiên cứu q trình hình thành hỗn hơp và cháy HCCI trong
b̀ng cháy này, nghiên cứu lựa chọn phương phun nhiên liệu vào
buồng cháy trước thời điểm CNLM, sử dụng hệ thống nhiên liệu
Common Rail kết hợp với vòi phun nhiều lỗ, hệ thớng quạt hịa trợn
và gia nhiệt b̀ng cháy để nhiên liệu bay hơi và hịa trợn tớt hơn. Bên
7


cạnh đó, nghiên cứu về cơ chế phá vỡ chất lỏng và cấu trúc của tia
phun để đưa ra giải pháp hỗ trợ giúp cho q trình hịa trợn hỗn hợp
được đờng nhất hơn.
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CVCC
3.1. Thiết kế chế tạo CVCC
3.1.1. Sơ đồ bố trí chung và u cầu đối với CVCC

Hình 3. 1. Hệ thống CVCC

3.1.2. Tính tốn buồng cháy
3.1.2.1. Tính tốn kích thước buồng cháy
Theo các phương trình sau
1−𝑛

𝑇1
𝑇2

𝑃 ( 𝑛 )
𝑃1

= ( 2)

𝑣1 1−𝑛
𝑣2

=( )

= (𝐶𝑅)1−𝑛
(3.1)

𝑋=

2.𝐶𝛥.𝑃𝑖𝑛𝑗 0.25
𝑡.𝑑𝑁 0.5
( 𝑝
)
. (𝑡𝑎𝑛𝜃)
𝑎

(3.2)

.....
Thay số vào phương trình ta được: X là chiều dài tia phun = 79 mm
(bio diesel); R: độ rộng tia phun = 26mm. Như vậy: Lựa chọn đường
kính xylanh CVCC là 80 mm, chiều rộng là 90.
3.1.2.2. Tính tốn bề dày xylanh
8


Hình 3. 7. Ứng suất bên trong thành xylanh [70]

 =

𝑃𝑐𝑦 .(𝑏2 +𝑎2 )

(3.5)

(𝑏 2 −𝑎2 )

Phương trình (3.5) và Bảng 3. 5 tính được bán kính ngồi của hình
trụ (b) là 57,64 mm. NCS lựa chọn sơ bộ độ dày thành 60 mm.
3.1.2.3. Tính tốn kích thước kính quan sát
3.1.2.4. Tính tốn đường kính ngồi của kính quan sát
𝑃 𝑎2

𝜎𝐵 = 𝑏2𝑐𝑦−𝑎2

Ứng śt ́n

(3.8)

Từ cơng thức (3.8). Bán kính ngồi nhỏ nhất của kính quan sát là
48,10 mm. Chọn sơ bợ là 60 mm.
3.1.3. Tính tốn bulơng buồng cháy
3.1.4. Tính tốn kiểm nghiệm buồng cháy
Sử dụng phần mềm Ansys để mơ phỏng tính bền với b̀ng cháy,
và kính quan sát có kích thước sơ bộ và vật liệu chế tạo b̀ng cháy
và kính quan sát như đã lựa chọn.
3.1.4.1. Kiểm nghiệm buồng cháy và kính quan sát
Xây dựng mơ hình

Hình 3. 13. Mơ hình CVCC và mơ hình kính quan sát
9


Hình 3. 14. Mơ hình chia lưới của buồng cháy, kính quan sát và nắp
buồng cháy
Bảng 3. 9. Điều kiện mô phỏng của buồng cháy
Bộ phận của CVCC

Áp suất (Pa)

Nhiệt đợ (0C)

Thân b̀ng cháy

8000000

200 ÷ 1000

Nắp kính quan sát

8000000

200 ÷ 1000

Kính quan sát

8000000

200 ÷ 1000

Hình 3. 16. Ứng suất, chuyển vị và
truyền nhiệt của buồng cháy ở
10000C

Hình 3. 18. Ứng suất, chuyển vị và
truyền nhiệt của kính quan sát ở
10000C

Hình 3. 19. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển vị tương đương và
truyền nhiệt

10


Hình 3. 20. Ứng suất tương đương, chuyển vị và truyền nhiệt của
nắp CVCC
Kết quả mơ phỏng: Hình 3. 16 và Hình 3. 18, 3.19, 3.20 chỉ ra rằng,

b̀ng cháy đảm bảo an tồn khi nhiệt đợ b̀ng cháy lên 10000C và
áp suất bên trong buồng cháy 80 (bar).
3.2. Chế tạo các bộ phận chính của buồng cháy
3.2.1. Chế tạo thân buồng cháy
3.2.2. Chế tạo nắp buồng cháy
3.2.3. Chế tạo mặt bích giữ kính quan sát
3.3. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển là sự kết hợp của hai phần mềm LabView và
Arduino và thiết bị vi mạch điện tử Nano (Hình 3. 25).

Hình 3. 25. Các bộ phận của hệ thống điều khiển CVCC
Giao diện của hệ thớng điều khiển (Hình 3. 26).

Hình 3. 26. Giao diện hệ thống điều khiển hoạt động của CVCC
11


3.3.1. Sơ đồ khối thuật tốn điều khiển
3.3.2. Ngơn ngữ lập trình điều khiển
3.3.3. Phần cứng Arduino
3.3.4. Lập trình điều khiển hệ thống
3.4. Các hệ thống khác
3.4.1. Hệ thống nhiên liệu áp suất cao (common Rail)
.....
3.5. Kết luận chương 3
Trên cơ sở tính tốn lý thút, mơ phỏng kiểm nghiệm bền đã chế
tạo ra buồng cháy CVCC với vật liệu chế tạo buồng cháy là thép S45C
và vật liệu sử dụng làm kính quan sát là tinh thể thạch anh. B̀ng
cháy CVCC có kích thước đường kính 80 mm, chiều rộng 90 mm và
chiều dày thành xylanh 60 mm đảm bảo đủ bền với áp suất bên trong

lên đến 8 MPa.
Trên cơ sở hệ thống nhiên liệu common rail động cơ huyndai
Santafe 2004, nghiên cứu cải tiến thành công hệ thống điều khiển phun
nhiên liệu với áp suất phun 150 MPa, điều chỉnh được thời điểm phun
và thời gian phun theo thời gian thực.
Thiết kế hệ thống đánh lửa, hệ thớng cung cấp khí và hệ thớng
thơng tin thu thập dữ liệu hình ảnh quá trình cháy theo thời gian thực
cho buồng cháy CVCC .
Thiết kế, chế tạo thành công hệ thớng hịa trợn (mixing Fan) cho
CVCC.
Lựa chọn được các hệ thống khác phù hợp với buồng cháy CVCC
để tiến hành nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI.
CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG Q TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN
HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG CVCC
4.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng
4.1.1. Phương trình cơ bản mơ tả q trình cháy
Phương trình biến thiên đợng lượng dịng chảy chất lỏng
𝜕
∫
𝜕𝑡 𝑉

𝜌𝑣𝑑𝑉 + ∮𝐴 𝜌𝑣®𝑣. 𝑑𝑎 = − ∮𝐴 𝑝𝐼. 𝑑𝑎 + ∮𝐴 𝑇. 𝑑𝑎 + ∮𝑉 𝑓𝑏 𝑑𝑉 + ∫𝑉 𝑠𝑢 𝑑𝑉

(4.1)
12


Phương trình liên tục của dịng chảy chất lỏng:
𝜕
∫

𝜕𝑡 𝑉

𝜌𝑑𝑉 + ∮𝑉 𝜌𝑣. 𝑑𝑎 = ∫𝑉 𝑆𝑢 𝑑𝑉

(4.2)

Các phản ứng xảy ra trong buồng cháy:
𝐶2 𝐻2 + 𝑂2 + 𝑁2 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 + 𝑁2 ;

𝐻2 → 2𝐻

2𝐻 + 2𝑂2 → 2𝑂𝐻 + 2𝑂

;

2𝑂𝐻 + 2𝐻2 → 2𝐻2 𝑂 + 2𝐻

2𝑂 + 2𝐻2 → 2𝑂𝐻 + 2𝐻

;

𝑂2 → 2𝑂

𝑁2 + 𝑂 → 𝑁𝑂 + 𝑁

;

𝑂2 + 𝑁 → 𝑁𝑂 + 𝑂

4.1.2. Phương pháp mô phỏng

Simcenter Star-CCM+ đã xây dựng riêng một công cụ bổ sung
(Add-on) chuyên dụng cho lớp các bài tốn cháy trong xi-lanh.
4.1.3. Đối tượng mơ phỏng
Đối tượng mô phỏng là CVCC thiết kế, chế tạo ở chương 3.
4.1.4. Mơ hình mơ phỏng

Hình 4. 2. Mơ hình mơ phỏng CVCC
4.2. Các chế độ mơ phỏng
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu, các trường hợp mô phỏng
- Bước thời gian nhỏ nhất: 1.0 E -7 s;
- Bước thời gian liên quan đến chuyển động của xu páp:
4.3.1. Mơ hình lưới tính tốn

13


Hình 4. 5. Lưới tính tốn sử dụng cho mơ hình mơ phỏng: 4,740,722
ơ lưới; 14,157,523 mặt; 4,859,160 điểm nút
4.3. Kết quả và thảo luận
4.3.1. Quá trình bay hơi của nhiên liệu trong CVCC

4.3.2. Q trình hịa trộn nhiên liệu trong CVCC

14


Hình 4. 9. Quá trình hình thành
hỗn hợp trong CVCC thời điểm
bắt đầu phun nhiên liệu

Hình 4. 10. Quá trình hình thành
hỗn hợp ở 1.0E-6 (s) sau khi phun
nhiên liệu

Hình 4. 11. Quá trình hình thành
hỗn hợp ở 2.0E-6 (s) sau khi phun
nhiên liệu

Hình 4. 12. Quá trình hình thành
hỗn hợp ở 5.0E-6 (s) sau khi phun
nhiên liệu

Hình 4. 13. Phân bố nhiệt độ trước thời điểm cháy trong CVCC
4.3.3. Độ tin cậy của mơ hình

15


REC1-tn b0

Áp suất buáy cháy
(bar)

65

15
100

105
110

Thời gian sau khi cháy nhiên liệu …

Hình 4. 14. Đồ thị áp suất thực nghiệm và mơ phỏng
Hình 4.14 cho thấy, mơ hình đảm bảo khi tiến hành mơ phỏng q
trình cháy của nhiên liệu trong CVCC (sai lệch <5%).
4.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình cháy
a) Áp suất buồng cháy (Hình 4. 15)
b)

Tốc độ tăng áp suất (Hình 4. 16)

Hình 4. 15. Ảnh hưởng của nhiệt
độ đến áp suất buồng cháy

Hình 4. 16. Tốc độ tăng áp suất
trong buồng cháy

c) Tốc độ truyền nhiệt (Hình 4. 17)

Hình 4. 17. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ truyền nhiệt
4.3.5. Ảnh hưởng của nồng độ ơ xy đến q trình cháy trong
CVCC
16


a. Áp suất buồng cháy (Hình 4. 18)
b. Tốc độ truyền nhiệt (Hình 4. 19)

Hình 4. 18. Ảnh hưởng của nồng
độ ơ xy đến áp suất buồng cháy

Hình 4. 19. Ảnh hưởng của nồng
độ ô xy đến tốc độ truyền nhiệt

4.4. kết luận chương 4
- Đưa ra cơ sở lý thút mơ phỏng q trình hình thành hỗn hợp và
cháy trong CVCC.
- Đã xây dựng mơ hình và đánh giá được đợ tin cậy của mơ hình mơ
phỏng CVCC và buồng cháy thực tế. Mức độ sai lệch khi tiến hành
mô phỏng diễn biến áp suất trong buồng cháy sai lệch lớn nhất
<5%.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình bay hơi của nhiên liệu phun
vào b̀ng cháy.
- Đưa ra hình ảnh quá trình hình thành hỗn hợp của nhiên liệu phun
vào CVCC theo thời gian thực.
- Phân tích ảnh hưởng của nhiệt đợ đến áp śt q trình cháy, tốc
độ tăng áp suất và tốc độ truyền nhiệt cụ thể.
- Khi tăng nhiệt độ từ 300K lên 450K, thời gian hịa trợn giảm, giảm
chiều dài thâm nhập của tia phun, nhiên liệu bay hơi nhanh hơn
làm cho thời gian cháy trễ ngắn áp suất đỉnh đạt sớm hơn và cao
hơn dẫn tới tốc độ tăng áp suất diễn ra nhanh hơn trong thời gian
cháy trễ.
- Tăng nồng độ ôxy từ 10% lên 20%, tốc độ tăng áp suất nhanh hơn,
áp suất đỉnh đạt sớm hơn nguyên nhân là do có nhiều phần tử ôxy
bao quanh hạt nhiên liệu phun vào trong buồng cháy dẫn đến tốc
độ của các phản ứng cháy diễn ra với tốc độ nhanh hơn. Mặt khác
nhiên liệu được phun vào và hịa trợn trước khi cháy nên hỗn hợp
tương đối đồng nhất và quá trình cháy này là quá trình cháy HCCI.
17

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
5.1. Mục đích thử nghiệm
Đánh giá độ bền và độ tin cậy của CVCC.
Đánh giá đợ tin cậy của mơ hình mơ phỏng.
Phân tích q trình cháy hỗn hợp đờng nhất trong CVCC (cháy hỗn
hợp đờng nhất).
Phân tích q trình cháy của hỗn hợp hình thành sau thời điểm cháy
nhiên liệu mồi (cháy kiểu truyền thớng).
5.1.1. Đối tượng thử nghiệm

Hình 5. 1. Hình ảnh thực tế của CVCC
5.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm
Nhiên liệu dùng trong thử nghiệm:B0, B10
5.2. Quy trình và phạm vi thử nghiệm
5.3. Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính
5.3.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm

Hình 5. 4. Sơ đồ bố trí thử nghiệm
5.3.2. Trang thiết bị thử nghiệm
5.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
5.4.1. Đánh giá độ tin cậy của CVCC
18


Hình 5. 6. Đồ thị áp
suất trong CVCC

Hình 5. 7. Hình ảnh
cháy trong CVCC

Hình 5. 8. CVCC sau
khi thử nghiệm

5.4.2. Thực nghiệm đánh giá chất lượng hỗn hợp HCCI

Hình 5. 9. Hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn trong CVCC theo thời
gian
5.4.3. Đặc tính cháy của nhiên liệu B0, B10 hịa trộn trước khi
cháy nhiên liệu mồi
5.4.3.1. Sự phát triển màng lửa.

Hình 5. 10. Hình ảnh quá trình lan truyền màng lửa của nhiên
liệu mồi và cháy HCCI của nhiên liệu trong CVCC..

Hình 5. 11. Tốc độ lan tràn màng lửa ở thời điểm 2ms sau thời điểm
CNLM; (a). B0; (b). B10
5.4.3.2. Áp suất trong xylanh (Hình 5. 12)
19


5.4.3.3. Tốc độ tăng áp suất (Hình 5. 13)

Hình 5. 13. Tốc độ tăng áp suất
trong CVCC

Hình 5. 12. Diễn biến áp suất
trong CVCC

5.4.3.4. Tốc độ tỏa nhiệt (Hình 5. 14)

Hình 5. 15. Đồ thị % nhiên liệu
thử nghiệm đốt cháy

Hình 5. 14. Tốc độ tỏa nhiệt của
nhiên liệu trong CVCC

5.4.3.5. Phần trăm nhiên liệu đốt cháy (Hình 5. 15)
5.4.4. Đặc tính cháy của nhiên liệu B0 và B10 hịa trộn sau khi
cháy nhiên liệu mồi.
5.4.4.1. Áp suất buồng cháy

Hình 5. 16. Diễn biến áp suất
trong CVCC

5.4.4.2. Tốc độ tăng áp suất

Hình 5. 17. Đồ thị tốc độ tăng áp
suất trong CVCC

20


5.4.4.3. Tốc độ tỏa nhiệt

Hình 5. 18. Diễn biến tốc độ tỏa
nhiệt của nhiên liệu trong CVCC

5.4.4.4. Phần trăm nhiên liệu cháy

Hình 5. 19. % nhiên liệu đốt cháy
trong CVCC

5.4.5. Ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến q trình cháy
5.4.5.1. Áp suất buồng cháy

Hình 5. 20. Ảnh hưởng của
nồng độ ôxy đến áp suất quá
trình cháy

Hình 5.21. Ảnh hưởng của nồng độ
ôxy đến áp suất buồng cháy sau khi
CNLM

5.4.5.2. Tốc độ tỏa nhiệt

Hình 5. 22. Diễn biến tốc độ tỏa
nhiệt trong buồng cháy

Hình 5. 23. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt
trong buồng cháy sau khi CNLM

5.4.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ mơi trường bên trong đến áp suất
q trình cháy

21


5.4.6.1. Áp suất buồng cháy

Hình 5. 24. Diễn biến áp suất
buồng cháy sau khi CNLM

5.4.6.2. Tốc độ tăng áp suất

Hình 5. 25. Ảnh hưởng của nhiệt độ
đến tốc độ tăng áp suất buồng cháy

5.4.6.3. Tốc độ tỏa nhiệt

Hình 5. 26. Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy sau khi CNLM

5.5. Kết luận chương 5
CVCC đã được thực nghiệm kiểm chứng đảm bảo độ tin cậy khi
nghiên cứu với áp suất lên đến 80 bar.
Thực nghiệm đánh giá chất lượng hỗn hợp cho thấy: thời gian hỗn
hợp đồng nhất trong tồn bợ khơng gian b̀ng cháy đới với cả hai
nhiên liệu B0 và B10 là 50 ms.
Thử nghiệm thành cơng đặc tính cháy của nhiên liệu B0 và nhiên
liệu B10 trong CVCC. Đề tài đã nghiên cứu hai quá trình cháy của
nhiên liệu thử nghiệm hịa trợn trước và sau khi CNLM.
Đối với hỗn hợp hòa trộn trước khi CNLM _ hỗn hợp đồng nhất
HCCI
Tốc độ lan tràn màng lửa của một phần nhiên liệu B10 cao hơn so
với nhiên liệu B0 trong khi cháy cùng nhiên liệu mồi trong cùng điều
kiện nghiên cứu.
22


Chế độ cháy HCCI của nhiên liệu B10 diễn ra sớm hơn và đạt đỉnh

sớm hơn so với nhiên liệu B0.Áp suất đỉnh của nhiên liệu B0 đạt 33,1
(bar) cao hơn nhiên liệu B10 đạt 32,9 (bar)Tốc độ tăng áp suất của
nhiên liệu B10 diễn ra sớm hơn và lớn hơn so với nhiên liệu B0. Tốc
độ tỏa nhiệt lớn nhất của nhiên liệu B10 lớn hơn so với nhiên liệu B0.
Phần trăm nhiên liệu đốt cháy của nhiên liệu B10 đạt 100% sớm hơn
so với nhiên liệu B0.
Đối với hỗn hợp hòa trộn sau khi CNLM
Diễn biến áp suất trong xylanh đới với nhiên liệu thử nghiệm có
quy ḷt tương tự nhau và giống với quy luật cháy trong đợng cơ trùn
thớng. Tức là, áp śt trong q trình cháy trễ của nhiên liệu B10 diễn
ra sớm hơn và đạt đỉnh sớm hơn và kết thúc sớm hơn so với nhiên liệu
diesel truyền thống. Quy luật tăng áp suất của nhiên liệu thử nghiệm
tương tự nhau và tương tự trong động cơ truyền thống. Tốc độ tăng áp
suất của nhiên liệu B10 diễn ra sớm hơn và đạt đỉnh sớm hơn so với
nhiên liệu diesel truyền thống. Tốc độ tỏa nhiệt có quy luật tương tự
quy luật tăng áp suất. Cụ thể, giá trị tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu B0
lớn hơn của nhiên liệu B10.
Khi xét ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến q trình cháy: Khi tăng
nồng độ ôxy từ 10% lên 20% nhiên liệu được hịa trợn nhanh hơn, quá
trình cháy diễn ra sớm hơn, áp suất đạt đỉnh sớm hơn, tốc độ tăng áp
suất cao hơn và tốc độ truyền nhiệt nhanh.
Khi xét ảnh hưởng của nhiệt đợ đến quá trình cháy: Khi Tăng nhiệt
độ áp suất buồng cháy tăng, tốc độ tăng áp suất đạt đỉnh tăng, tốc độ
truyền nhiệt tăng đối với cả hai trường hợp hịa trợn trước và sau thời
điểm CNLM.
Ảnh hưởng của nhiệt đợ đến q trình cháy: Khi nhiệt độ tăng lên
làm tăng áp suất thời điểm ban đầu, thời gian hịa trợn nhiên liệu và
cháy trễ giảm do nhiên liệu dễ bay hơi hơn. Từ đó, áp suất đỉnh đạt
sớm hơn và cao hơn (59,9 bar nhiên liệu B0 ở 600K so với 39,9 bar
nhiên liệu B0 ở 300K).

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Luận án đã phân tích, đánh giá được tình hình nghiên cứu và sử
dụng CVCC trên thế giới, các phương pháp hình thành hỗn hợp trong
CVCC.
23


Xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng CVCC, nhiên liệu hịa
trợn trước và sau thời điểm CNLM bằng phần mềm Simcenter STARCCM+. Đánh giá ảnh hưởng của thông số nhiệt đợ và nờng đợ khí nạp
ảnh hưởng đến thơng sớ của quá trình cháy. Đây là cơ sở để giải thích,
đánh giá kết quả thực nghiệm. Mơ hình đã được kiểm chứng so với
kết quả thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy.
Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt đợ đến q trình bay
hơi của nhiên liệu trong b̀ng cháy CVCC.
Nghiên cứu tính tốn thiết kế, chế tạo thành công hệ thống CVCC.
Nghiên cứu thực nghiệm thiết lập được q trình cháy gần với
HCCI trong b̀ng cháy CVCC sử dụng nhiên liệu cháy do nén B0 và
B10 trong hai trường hợp phun trước và phun sau thời điểm CNLM.
Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng đợ ơxy
đến q trình cháy của nhiên liệu cháy do nén B0 và B10 trong buồng
cháy CVCC trong hai trường hợp phun nhiên liệu trước và sau thời
điểm CNLM.
Ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến q trình cháy: Khi tăng nờng đợ
ơxy từ 10% lên 20% nhiên liệu được hịa trợn nhanh hơn, quá trình
cháy diễn ra sớm hơn, áp suất đạt đỉnh sớm hơn, tốc độ tăng áp suất
cao hơn và tốc độ truyền nhiệt nhanh.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến q trình cháy: Khi Tăng nhiệt đợ áp
śt buồng cháy tăng, tốc độ tăng áp suất đạt đỉnh tăng, tốc độ truyền
nhiệt tăng đối với cả hai trường hợp phun nhiên liệu trước và sau thời
điểm CNLM.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu quá trình cháy của lưỡng nhiên liệu trong CVCC.
Nghiên cứu tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của nhiên liệu
phổ biến ở Việt Nam trong CVCC.

24