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 đốt hiện là một những nguồn động lực chủ yếu nhiều ngành kinh tế, sản xuất, đặc biệt lĩnh vực giao thông vận tải Nhiên liệu sử dụng cho động đốt thường là các sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ xăng và dầu diesel Bên cạnh đó, khí thải của động sử dụng nhiên liệu truyền thống có chứa nhiều chất độc hại với người và gây ô nhiễm môi trường Việc thiết lập sử dụng chế độ cháy nén hỗn hợp đồng nhất (HCCIHomogeneous Charge Compression Ignition) nhận sự quan tâm lớn Đây cho chế độ vận hành tương lai của động nhờ kết hợp ưu điểm của cả động xăng và đợng diesel Khi nghiên cứu q trình cháy HCCI động thực tế gặp nhiều khó khăn B̀ng cháy khơng śt nên khó quan sát từ bên ngồi Nghiên cứu q trình hình thành hỗn hợp cháy HCCI buồng cháy thể tích không đổi (CVCC) hạn chế những nhược điểm của buồng cháy truyền thống Buồng cháy CVCC buồng cháy có nhiều cửa sổ thạch anh śt nên dễ quan sát bên buồng cháy Buồng cháy CVCC rất linh hoạt nghiên cứu đối với nhiều loại nhiên liệu khác Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm nào trang bị loại buồng cháy CVCC Vì vậy, luận án NCS tập trung nghiên cứu thiết kế chế tạo CVCC Trên sở đó, tiến hành nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy HCCI buồng cháy thể tích không đổi phù hợp với thực tiễn tại Việt Nam ii iii Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế chế tạo CVCC Nghiên cứu chế biện pháp điều khiển trình hình thành hỗn hợp HCCI CVCC Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số như: nhiệt độ nồng độ ô xy đến trình cháy HCCI CVCC Bước đầu đưa khuyến cáo về thiết lập trình cháy HCCI CVCC Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án lựa chọn CVCC chế tạo tại Việt Nam buồng cháy nghiên cứu Đây là một loại buồng cháy mới có nhiều ưu điểm so với b̀ng cháy của động truyền thống Nhiên liệu sử dụng nhiên liệu diesel (B0) bio-diesel với tỉ lệ pha trộn 10% (B10) Các nội dung nghiên cứu của đề tài thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu cơ, nhiên liệu 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 thực tiễn v – – – – vi Xây dựng sở lý thuyết để thiết kế chế tạo buồng cháy CVCC điều kiện Việt Nam Xây dựng mối quan hệ của thông số áp suất, nhiệt độ nồng đợ xy với áp śt cháy của q trình cháy HCCI Ứng dụng phục vụ nghiên cứu đối với nhiều loại nhiên liệu khác Định hướng nghiên cứu về hình thành hỗn hợp cháy HCCI CVCC tại Việt Nam Định hướng nghiên cứu về hình thành hỗn hợp cháy HCCI buồng cháy thể tích không đổi Điểm luận án Thiết kế, chế tạo buồng cháy CVCC Việt Nam Thiết lập chế độ điều khiển nhiệt độ, áp suất tỉ lệ khơng khí nhiên liệu của hỗn hợp Nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy HCCI CVCC tại Việt Nam vii Bố cục luận án  Mở đầu  Chương Tổng quan  Chương Cơ sở lý thuyết trình hình thành hỗn hợp cháy HCCI buồng cháy thể tích không đổi  Chương Tính toán, thiết kế chế tạo b̀ng cháy thể tích khơng đổi  Chương 4: Mơ phỏng q trình hình thành hỗn hợp cháy HCCI buồng cháy thể tích không đổi  Chương 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 cháy HCCI HCCI (Homogeneous charge compression ignition – HCCI) thuật ngữ dùng để mợt q trình cháy mới kết hợp ưu điểm của quá trình cháy nén và cháy cưỡng bức Nhược điểm của trình cháy khơng thể điều khiển trực tiếp q trình cháy thiết lập chế độ tải nhỏ Vùng làm việc của động chạy theo nguyên lý HCCI bị giới hạn hai yếu tố: không cháy kích nổ Các phương pháp hình thành hỗn hợp phân loại theo đặc điểm phun: hình thành hỗn hợp đờng nhất bên ngồi hình thành hỗn hợp đồng nhất bên 1.1.2 Buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC) CVCC thiết bị thí nghiệm có nhiều cửa sổ thạch anh śt nên rất dễ quan sát bên CVCC thường có dạng hình hợp chữ nhật hoặc hình trụ CVCC có lợi thế về khả thay đổi dễ dàng thông sớ quá trình đớt cháy tỉ lệ khơng khí-nhiên liệu, tỉ lệ khí dư, áp śt nhiệt đợ bên b̀ng cháy Hệ thớng CVCC thực hiện rất nhiều nghiên cứu về cháy theo định hướng khác đối với nhiên liệu cháy cưỡng bức tự bốc cháy CVCC kết hợp với hệ thống quang học nghiên cứu hiện tượng tương tự gần điểm chết ĐCT của động truyền thống Ưu điểm, nhược điểm – – Buồng cháy đơn giản, quan sát tồn bợ q trình cháy bên b̀ng cháy Dễ dàng thay đổi các điều kiện biên của trình cháy Nghiên cứu nhiều loại nhiên liệu khác 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 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 HCCI CVCC 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước Khương Thị Hà nghiên cứu thiết lập chế độ chế độ cháy nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) động diesel [2] Kết quả rằng, với tỷ số nén thiết kế 20:1, động HCCI chuyển đổi hoạt động ổn định tại chế độ tốc độ tải thấp từ 1600 vg/ph đến 2000 vg/ph 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 cộng sự [28] nghiên cứu thời điểm tự cháy và đặc tính cháy HCCI sử dụng nhiên liệu 1-butanol/n-heptane ethanol/n-heptane Sử dụng động diesel xilanh nhiên liệu hỗn hợp alcohol/n-heptane, Kết quả nghiên cứu cho thấy tăng tỉ lệ rượu thời điểm cháy diễn muộn tăng trị số octane Dongwon Jung cộng sự [29] nghiên cứu cung cấp dimethyl ete (DME) cho động xăng 1xylanh, làm mát khơng khí, với phuơng án sử dụng EGR để điều khiển thời điểm cháy Kết quả nghiên cứu cả luân hồi nội tại ln hời ngoài đều thiết lập đặc tính cháy HCCI cho động sử dụng DME tại 1500v/ph 1.2.2.2 Nghiên cứu sử dụng CVCC Sieber cộng sự [52] nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của nồng độ ô xy cách thay đổi nồng độ ô xy CVCC Kết quả cho thấy, sự giảm nồng độ ô xy dẫn đến giảm nhiệt độ lửa Prathan Srichai cộng sự sử dụng phần mềm mơ phỏng Solidworks Simulation CAE tiến hành phân tích, thiết kế chế tạo CVCC [1], mô phỏng điều kiện làm việc tại điểm chết của động truyền thống (TDC) với áp suất lớn nhất 70 bar Nghiên cứu về thiết kế chế tạo CVCC đưa hạn chế chưa có nghiên cứu nào đưa quy trình tính toán, thiết kế chế tạo CVCC CVCC thiết bị thiết kế, chế tạo theo yêu cầu của phòng thí nghiệm, sản suất đơn chiếc nên giá thành cao khơng có thị trường Vì vậy, thiết kế chế tạo CVCC tại Việt Nam để phục vụ nghiên cứu cần thiết tiết kiệm chi phí mua sắm cho phịng thí nghiệm 1.3 Kết luận chương Tác giả phân tích để thấy ưu điểm của HCCI hiệu suất nhiệt cao, phát thải NOx PM nhỏ Nhưng khó khăn lớn nhất thiết lập chế đợ HCCI đợng trùn thớng có nhiều khó khăn đó khó khăn nhất là điều khiển thời điểm cháy thời điểm phun nhiên liệu Mặt khác, đợng khơng hoạt đợng hồn tồn chế độ HCCI mà hoạt động chế độ tải nhỏ có sử dụng ln hời khí thải sử dụng nhiên liệu có nhiệt đợ bay thấp Tuy nhiên, hệ thớng CVCC linh hoạt có rất nhiều ưu điểm nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy Hệ thống khắc phục khó khăn của động truyền thống nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy HCCI Vì vậy, hướng tiếp cận của NCS “nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI CVCC” Ở Việt Nam hiện chưa có trung tâm nghiên cứu có CVCC phục vụ nghiên cứu nghiên cứu bản về trình cháy Vì vậy, lựa chọn thiết kế, chế tạo CVCC Việt Nam nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy HCCI b̀ng cháy này mang ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn Ngồi ra, nghiên cứu quá trình cháy bản làm tiền đề cho những nghiên cứu về trình cháy sau Mặt khác những nghiên cứu trước đó tập trung vào thực nghiệm mà chưa xây dựng mơ hình mơ phỏng để kết hợp kiểm chứng Hạn chế khắc phục 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 CVCC 2.1.1 Hình thành hỗn hợp trước thời điểm cháy nhiên liệu mồi (hình thành hỗn hợp đồng HCCI) 2.1.2 Hình thành hỗn hợp sau thời điểm cháy nhiên liệu mồi Quá trình cháy CVCC chia làm hai giai đoạn: Giai đoạn cháy thứ nhất: Cháy hỗn hợp khí C2H2, O2 N2 phun vào buồng cháy với tỉ lệ nhất định (tỉ lệ quyết định nồng độ ô xy dư sau quá trình cháy) Giai đoạn cháy thứ 2: cháy nhiên liệu phun vào CVCC 2.2 Phương pháp hình thành hỗn hợp đồng CVCC 2.2.1 Phun nhiên liệu trước thời điểm cháy nhiên liệu mồi Dùng vịi phun nhiều lỗ phun kết hợp với hệ thớng nhiên liệu áp suất cao common Rail gia nhiệt b̀ng cháy Hình Phun nhiên liệu trước đánh lửa 2.2.2 Phun nhiên liệu sau thời điểm cháy nhiên liệu mồi Dùng vòi phun nhiều lỗ 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 4) Hình Đồ thị áp suất CVCC phun sau đánh lửa [55] Phun lưỡng nhiên liệu đạt hỗn hợp đồng nhất (Hình 5) Hình Đồ thị áp suất buồng cháy phun lưỡng nhiên liệu 2.3 Cơ chế phá vỡ chất lỏng, giọt chất lỏng 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 q trình cháy 2.4.1.1 Áp suất ban đầu [59] 2.4.1.2 Nhiệt độ đỉnh áp suất đỉnh 2.4.1.3 Giới hạn cháy thấp [61] 2.4.1.4 Tỏa nhiệt [63] 𝑑𝑄 𝑑𝑡 𝑑𝑃 = 𝛾−1 𝑉 𝑑𝑡 (2.24) 2.5 Kết luận chương Nghiên cứu lựa chọn C2H2 làm nhiên liệu mồi với những ưu điểm: tốc độ cháy nhanh, cháy tạo nhiệt độ, áp suất cao và ít độc hại đối với người sử dụng Nghiên cứu đưa phương pháp xác định thành phần phần trăm của ôxy sau CNLM giới hạn cháy của nhiên liệu Đưa các phương án tạo hỗn hợp buồng cháy CVCC với giải pháp phun nhiên liệu trước sau thời điểm CNLM Để nghiên cứu trình hình thành hỗn hơp và cháy HCCI 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 gia nhiệt b̀ng cháy để nhiên liệu bay và hịa trợn tớt Bên cạnh đó, nghiên cứu về chế phá vỡ chất lỏng cấu trúc của tia phun để đưa giải pháp hỗ trợ giúp cho trình hịa trợn hỗn hợp đờng nhất 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 yêu cầu CVCC Hình 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 chiều dài tia phun = 79 mm (bio diesel); R: độ rộng tia phun = 26mm Như vậy: Lựa chọn đường kính xylanh CVCC 80 mm, chiều rộng 90 3.1.2.2 Tính tốn bề dày xylanh Hình Ứng suất bên thành xylanh [70]  = 𝑃𝑐𝑦 (𝑏2 +𝑎2 ) (3.5) (𝑏 −𝑎2 ) Phương trình (3.5) và Bảng tính bán kính ngồi của hình trụ (b) 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 kính quan sát 𝑃 𝑎2 𝜎𝐵 = 𝑏2𝑐𝑦−𝑎2 Ứng suất uốn (3.8) Từ công thức (3.8) Bán kính ngồi nhỏ nhất của kính quan sát 48,10 mm Chọn sơ bợ 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 buồng cháy, và kính quan sát có kích thước sơ bộ vật liệu chế tạo buồng cháy kính quan sát lựa chọn 3.1.4.1 Kiểm nghiệm buồng cháy kính quan sát Xây dựng mơ hình Hình 13 Mơ hình CVCC mơ hình kính quan sát Hình 14 Mơ hình chia lưới buồng cháy, kính quan sát nắp buồng cháy Bảng Điều kiện mô buồng cháy Bộ phận của CVCC Áp suất (Pa) Nhiệt độ (0C) Thân b̀ng cháy 8000000 200 ÷ 1000 Nắp kính quan sát 8000000 200 ÷ 1000 Kính quan sát 8000000 200 ÷ 1000 Hình 16 Ứng suất, chuyển vị truyền nhiệt buồng cháy 10000C Hình 18 Ứng suất, chuyển vị truyền nhiệt kính quan sát 10000C Hình 19 Ảnh hưởng nhiệt độ đến chuyển vị tương đương truyền nhiệt 10 Hình 20 Ứng suất tương đương, chuyển vị truyền nhiệt nắp CVCC Kết quả mô phỏng: Hình 16 Hình 18, 3.19, 3.20 rằng, b̀ng cháy đảm bảo an tồn nhiệt độ buồng cháy lên 10000C áp suất bên buồng cháy 80 (bar) 3.2 Chế tạo phận 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 sự kết hợp của hai phần mềm LabView Arduino thiết bị vi mạch điện tử Nano (Hình 25) Hình 25 Các phận hệ thống điều khiển CVCC Giao diện của hệ thớng điều khiển (Hình 26) Hình 26 Giao diện hệ thống điều khiển hoạt động 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 Trên sở tính tốn lý thút, mô phỏng kiểm nghiệm bền chế tạo buồng cháy CVCC với vật liệu chế tạo buồng cháy thép S45C vật liệu sử dụng làm kính quan sát tinh thể thạch anh Buồng cháy CVCC có kích thước đường kính 80 mm, chiều rợng 90 mm chiều dày thành xylanh 60 mm đảm bảo đủ bền với áp suất bên lên đến MPa Trên sở hệ thống nhiên liệu common rail động huyndai Santafe 2004, nghiên cứu cải tiến thành công hệ thống điều khiển phun nhiên liệu với áp suất phun 150 MPa, điều chỉnh thời điểm phun thời gian phun theo thời gian thực Thiết kế hệ thớng đánh lửa, hệ thớng cung cấp khí hệ thớng thơng tin thu thập dữ liệu hình ảnh q trình cháy theo thời gian thực cho b̀ng cháy CVCC Thiết kế, chế tạo thành cơng hệ thớng hịa trộn (mixing Fan) cho CVCC Lựa chọn hệ thống khác phù hợp với buồng cháy CVCC để tiến hành nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy HCCI CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG Q TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG CVCC 4.1 Xây dựng mơ hình mơ 4.1.1 Phương trình mơ tả q trình cháy Phương trình biến thiên đợng lượng dòng 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 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 Simcenter Star-CCM+ xây dựng riêng một công cụ bổ sung (Add-on) chuyên dụng cho lớp toán cháy xi-lanh 4.1.3 Đối tượng mô Đối tượng mô phỏng CVCC thiết kế, chế tạo chương 4.1.4 Mơ hình mơ Hình Mơ hình mơ CVCC 4.2 Các chế độ mô Điều kiện biên điều kiện ban đầu, trường hợp mô - 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 Lưới tính tốn sử dụng cho mơ hình mơ phỏng: 4,740,722 ô lưới; 14,157,523 mặt; 4,859,160 điểm nút 4.3 Kết thảo luận 4.3.1 Quá trình bay nhiên liệu CVCC 4.3.2 Q trình hịa trộn nhiên liệu CVCC 14 Hình Quá trình hình thành hỗn hợp CVCC thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu Hình 10 Quá trình hình thành hỗn hợp 1.0E-6 (s) sau phun nhiên liệu Hình 11 Quá trình hình thành hỗn hợp 2.0E-6 (s) sau phun nhiên liệu Hình 12 Quá trình hình thành hỗn hợp 5.0E-6 (s) sau phun nhiên liệu Hình 13 Phân bố nhiệt độ trước thời điểm cháy CVCC 4.3.3 Độ tin cậy mơ hình 15 REC1-tn b0 Áp śt buáy cháy (bar) 65 15 100 105 110 Thời gian sau cháy nhiên liệu … Hình 14 Đồ thị áp suất thực nghiệm mơ Hình 4.14 cho thấy, mơ hình đảm bảo tiến hành mơ phỏng trình cháy của nhiên liệu CVCC (sai lệch