Thiết kế buồng cháy đẳng tích ứng dụng phương pháp tiếp cận quang học schlieren

THIẾT KẾ BUỒNG CHÁY ĐẲNG TÍCH ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN QUANG HỌC SCHLIEREN Ở đề tài này thực hiện tính toán thiết kế buồng cháy đẳng tích không đổi (CVCC), cùng với đó thực hiện kiểm nghiệm bền trên phần mềm ansys. Sau cùng là gia công chế tạo thực tế, thực hiện thực nghiệm để đánh giá tính ổn định, khả năng nghiên cứu của mô hình ( thực hiện kiểm nghiệm rò rỉ, áp suất tối đa, áp suất nén)

`

BỘ CÔNG THƯƠNG

-o0o -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BUỒNG CHÁY ĐẲNG TÍCH ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN QUANG

THIẾT KẾ BUỒNG CHÁY ĐẲNG TÍCH ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN QUANG

BỘ CÔNG THƯƠNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên:

2 Giảng viên hướng dẫn:

Bô môn: Động cơ

3 Tên đề tài:

4 Mục tiêu đề tài:

5 Nội dung thực hiện:

6 Kết quả dự kiến đạt được:

TPHCM, ngày…30…tháng…3 năm…2023

Ký tên (ghi rõ họ tên) Ký tên (ghi rõ họ tên)

BỘ CÔNG THƯƠNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC

PHIẾU NHẬN XÉT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Tên đề tài: Giảng viên phản biện: Cơ quan công tác: ĐT

5 Nhận xét về khả năng ứng dụng, giá trị thực tiễn của đề tài

BỘ CÔNG THƯƠNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC

PHIẾU NHẬN XÉT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Tên đề tài: Giảng viên phản biện: Cơ quan công tác: ĐT

BỘ CÔNG THƯƠNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC

PHIẾU XÁC NHẬN CHỈNH SỬA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Hôm nay, ngày… tháng… năm 20… , nhóm SV thực hiện đề tài đã hoàn tất việc chỉnh sửa khóa luận tốt nghiệp theo ý kiến của Hội đồng chấm KLTN và giảng viên phản biện với các nội dung sau đây:

TT Yêu cầu chỉnh sửa

Kết quả chỉnh sửa

(Ghi tóm tắt các nội dung đã chỉnh sửa trong quyển báo cáo)

3 4

Tp HCM, ngày tháng năm

Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đại diện

(Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên)

Xác nhận của Trưởng bộ môn

(Ký & ghi rõ họ tên)

i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài “ Thiết kế buồng cháy đẳng tích ứng dụng phương pháp tiếp cận quang học Schlieren” ngoài sự nỗ lực, cố gắng hoàn thành đề tài, chúng tôi cũng nhận được rất nhiều sự hỗ trợ của các bạn, cùng các quý thầy đồng hành cùng chúng tôi trong thời gian thực hiện đề tài

Lời đầu tiên, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy ……., thầy là người hướng dẫn chính trong toàn bộ quá trình làm đề tài tốt nghiệp của nhóm Từ những bước đi đầu tiên của đề tài, thầy là người đưa ra các tài liệu tham khảo, lời khuyên, giải pháp khắc phục khi có sự cố xảy ra, đưa ra chiến lược, kế hoạch thực hiện, vì vậy đã giúp cho đề tài của chúng tôi đạt được hiệu quả tốt

Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ Động Lực đã truyền đạt kiến thức quý báu cho các thành viên trong nhóm có được nền tảng cơ bản để thực hiện tốt những công việc trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, cũng như tạo nền móng để phát triển sự nghiệp sau này của các thành viên trong nhóm

Bên cạnh đó, chúng tôi cũng cảm ơn đến sự giúp đỡ đặc biệt của các bạn đến từ trường Đại học Bách Khoa TP.HCM là vô cùng quý giá, trong thời gian thực hiện đề tài các bạn đã hỗ trợ nhóm rất nhiều Đó là một điều tuyệt vời nhất mà chúng tôi có được

Chúng tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến các thành viên trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi, những người đã cống hiến thời gian, công sức và kiến thức của mình để thực hiện đề tài này thành công Sự cống hiến và tinh thần làm việc đồng đội của mọi người đã làm nên sự thành công chung của nhóm

Cuối cùng, chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân yêu đã luôn ủng hộ và động viên chúng tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp Sự hỗ trợ và động viên của họ là nguồn động lực quan trọng giúp chúng tôi thực hiện tốt công việc nghiên cứu này

1.2 Mục tiêu của đề tài 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.3.1 Phương pháp kĩ thuật cháy trước (Pre-combustion) 3

1.3.2 Phương pháp quang học schlieren 3

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Đặc trưng Quá trình cháy động cơ diesel 17

2.2 Mô phỏng điều kiện cháy ở CVCC 20

iii

2.3 Phương pháp truy cập quang học 21

2.3.1 Các kỹ thuật truy cập quang học 21

2.3.1.1 Kỹ thuật quang học Shadowgraph 21

2.3.1.2 Kỹ thuật quang học Schlieren 22

2.3.2 Phương pháp schlieren chữ Z 24

2.3.3 Ứng dụng phương pháp Schlieren chữ Z vào CVCC 25

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG BUỒNG ĐỐT CVCC 27

3.1 Bố trí chung hệ thống CVCC 27

3.2 Quy trình thiết kế buồng cháy 28

3.3 Tiêu chí thiết kế buồng đốt CVCC 32

3.4 Thiết kế buồng cháy đẳng tích 34

3.4.1 Chọn vật liệu 34

3.4.1.1 Buồng cháy đẳng tích 34

3.4.1.2 Cửa sổ quang học 35

3.4.2 Biên dạng, kích thước buồng cháy đẳng tích 35

3.4.1 Biên dạng, kích thước cửa sổ truy cập quang học 39

3.5 Thiết kế cụm chi tiết 41

iv

3.6.1 Bugi 54

3.6.2 Van an toàn 55

3.7 Mô phỏng bền buồng đốt đẳng tích 57

3.7.1 Quy trình thực hiện mô phỏng bền 57

3.7.2 Điều kiện biên 57

3.8 Xây dựng điều kiện thực nghiệm đánh giá hoạt động hệ thống 59

3.8.1 Đánh giá rò rỉ 59

3.8.2 Phân bố nhiệt độ của buồng cháy 59

3.8.3 Thực nghiệm quá trình cháy trước (Pre-combustion Test) 60

3.8.4 Mô phỏng quá trình cháy Diesel 61

CHƯƠNG 4 : Kết quả và thảo luận 62

4.1 Bản vẽ thiết kế mô hình hệ thống 3D bố trí chung 62

4.4.1 Phân bố nhiệt độ buồng cháy 69

4.4.2 Thực nghiệm quá trình cháy trước (Pre-combustion Test) 71

4.4.3 Mô phỏng quá trình cháy Diesel 72

CHƯƠNG 5 : Kết luận 74

5.1 Kết luận 74

v

5.2 Hướng phát triển của đề tài 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 81

vi

LỜI CAM KẾT

Tôi Đoàn Phước Đông, Ngô Võ Trường Giang, Ngô Thanh Thế, Đặng Văn Sơn và Trương Đại Dũng, thành viên nhóm đồ án đề tài “Thiết kế buồng cháy đẳng tích ứng dụng phương pháp tiếp cận quang học Schlieren”, xin cam đoan những nội dung trong đề tài là sản phẩm của nhóm sinh viên và TS Võ Tấn Châu thực hiện

Các kết luận, kết quả của đề tài là sự thật chưa được công bố ở các nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

vii

TÓM TẮT

Đặc tính nhiên liệu ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình cháy của động cơ diesel Để xác định được đặc tính nhiên liệu ảnh hưởng thế nào đến quá trình cháy của động cơ diesel Nghiên cứu này trình bày thiết kế buồng đốt đẳng tích CVCC (Constant Volume Combustion Chamber) để quan sát các điều kiện cháy của động cơ diesel tại điểm chết trên (TDC), nơi có thể mô phỏng quá trình đốt cháy của động cơ diesel, ứng dụng phương pháp tiếp cận quang học Schlieren để quan sát sự thay đổi áp suất, sự phân bố nhiệt độ, quá trình cháy bên trong buồng một cách tối ưu nhất Hơn thế, đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu diesel và nhiên liệu biodiesel tại các điều kiện khác nhau được nghiên cứu trên buồng cháy đẳng tích CVCC

Các tiêu chí thiết kế buồng đẳng tích đảm bảo với điều kiện cháy thực tế của động cơ CI (Compression ignition), điển hình tỷ số nén (CR) từ 16-28, dựa vào thiết kế 3D ở phần mềm Solidwork cùng với phần mềm phân tích phân tử hữu hạn ANSYS để đảm bảo độ bền và an toàn trước khi chế tạo buồng đốt Buồng được tính toán đảm bảo độ bền cùng với áp suất buồng chịu được 200bar

Hệ thống bao gồm một buồng đốt để đốt cháy nhiên liệu, cụm hòa trộn để điều khiển hỗn hợp không khí và khí nhiên liệu, cụm cảm biến được thiết kế lên buồng đốt để thuận tiện cho việc lấy số liệu trong quá trình hoạt động Chi tiết thiết kế hệ thống và nguyên lý hoạt động của buồng đốt đẳng tích CVCC cũng được tiết lộ và miêu tả cụ thể trong nghiên cứu này

viii

ABSTRACT

The fuel properties significantly impact the efficiency of the combustion process in a diesel engine To determine how fuel properties affect the combustion process of a diesel engine, this study presents the design of a Constant Volume Combustion Chamber (CVCC) to observe the combustion conditions of the diesel engine at top dead center (TDC), where the diesel combustion process can be simulated The Schlieren optical approach is employed to observe the optimal changes in pressure, temperature distribution, and internal combustion process within the chamber Furthermore, the combustion characteristics of diesel fuel and biodiesel fuel under different conditions are investigated in the CVCC

The design criteria of the constant volume chamber ensure compatibility with the realistic combustion conditions of Compression Ignition (CI) engines, with typical compression ratios (CR) ranging from 16 to 28 The 3D design is carried out using Solidwork software, along with ANSYS finite element analysis software to ensure durability and safety before manufacturing the combustion chamber The chamber is calculated to withstand pressures of up to 200 bar while ensuring structural integrity The system consists of a combustion chamber for fuel combustion, a mixing assembly to control the air-fue-mixture, and a sensor assembly integrated into the combustion chamber to facilitate data collection during operation The detailed design of the system and the operating principles of the CVCC combustion chamber are disclosed and described in detail in this study

ix

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CVCC: Constant Volume Combustion Chamber CR: Compression ratio

CI: Compression Ignition TDC: Top Dead Center

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số vật liệu Inox 304

Bảng 3.2 Thông số vật liệu của cửa sổ thạch anh

Bảng 3.9 Bảng thông số của cụm hệ thống gia nhiệt Bảng 3.10 Bảng thông số cảm biến nhiệt

Bảng 3.11 Thông số kỹ thuật của bugi

Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật của van an toàn Bảng 3.13 Các điều kiện biên mô phỏng Bảng 3.14 Điều kiện biên mô phỏng

x

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phạm vi hoạt động bên trong buồng cháy[14] 2

Hình 1.2 Lịch sử áp suất trong xi-lanh trong quá trình đốt cháy hỗn hợp trước Pre-Combustion[33] 5

Hình 1.3 Sơ dồ thử nghiệm[34] 6

Hình 1.4 Phương pháp cháy trước Pre-Combustion[34] 6

Hình 1.5 Sơ đồ thiết lập thử nghiệm quá trình phun nhiên liệu có sử dụng phương pháp tiếp cận quang học Schlieren[27] 8

Hình 1.6 Kết qua quan sát tia phun bằng phương pháp Schlieren[27] 8

Hình 1.7 Hệ thống quang học của phương pháp Schlieren[22] 9

Hình 1.8 Quá trình lan truyền ngọn lửa với tỷ lệ tương đương bằng phương pháp Schlieren.[22] 9

Hình 1.9 Sờ đồ hệ thống Schlieren[28] 10

Hình 1.10 Áp suất với thời gian hình thành hỗn hợp khác nhau đối với (a) xăng và (b) n-butan[28] 11

Hình 1.11 Mặt cắt ngang của vị trí tại áp suất mô phỏng[35] 12

Hình 1.12 Phân bố ứng suất trong thân buồng[35] 13

Hình 2.1 Các giai đoạn cháy của động cơ diesel [31] 17

Hình 2.2 Diễn biến áp suất bên trong buồng cháy đẳng tích CVCC[15] 20

Hình 2.3 Bố trí cơ bản trong buồng cháy đẳng tích CVCC 21

Hình 3.4 Quy trình thiết kế buồng cháy 32

Hình 3.5 Quan hệ giữa áp suất cuối kỳ nén với tỷ số nén 33

Hình 3.6 Quan hệ giữa nhiệt độ cuối kỳ nén với tỷ số nén 33

Hình 3.7 Độ thâm nhập khim phun 36

Hình 3.8 Ứng suất tác dụng lên thành buồng 38

Hình 3.9 Kích thước buồng đốt CVCC 39

Hình 3.10 Kích thước cửa sổ thạch anh 41

Hình 3.22 Sơ đồ bố trí 3D cụm quạt hòa trộn trên buồng đốt đẳng tích CVCC 47 Hình 3.23 Cụm cửa sổ quang học thạch anh 48

Hình 3.24 Kính thạch anh[30] 49

xii

Hình 3.25 Bố trí 3D tấm Amiang trên buồng đốt đẳng tích CVCC 49

Hình 3.26 Cụm van nạp xả 50

Hình 3.27 Bố trí 3D cụm van nạp xả trên buồng cháy đẳng tích CVCC 51

Hình 3.28 Heater gia nhiệt 52

Hình 3.35 Phân bố áp suất bên trong buồng CVCC 57

Hình 3.36 Vị trí khảo sát phân bố nhiệt độ 60

Hình 4.1 Cụm chi tiết 3D lắp đặt bên trên buồng đốt đẳng tích CVCC 63

Hình 4.2 Bản vẽ lắp 63

Hình 4.3 Bản vẽ lắp chi tiết 64

Hình 4.4 Kết quả kiểm nghiệm bền của thân buồng hình dọc 64

Hình 4.5 Phân bố ứng suất trên cửa sổ quang học 65

Hình 4.6 Bên ngoài buồng đốt CVCC 66

Hình 4.7 Phía sau buồng đốt CVCC 67

Hình 4.8 Bên trong buồng đốt CVCC 67

Hình 4.9 Ứng suất phân bố và độ biến dạng của nắp đậy của sổ thạch anh 68

Hình 4.10 Biểu đồ thể hiện tốc độ rò rỉ 69

Hình 4.11 Phân bố nhiệt được thực hiện khảo sát tại 8 vị trí 70

Hình 4.12 Biểu đồ phân bố nhiệt độ tại 8 vị trí khảo sát trên buồng CVCC 70

Hình 4.13 Đồ thị áp suất quá trình cháy Pre-combustion Techinique tại điều kiện 21% oxy – Áp suất nền 14bar – Nhiệt độ ban đầu hỗn hợp khí nạp T1 = 323K 71

Hình 0.2 Bản vẽ adapter kim phun 88 Hình 0.3 Bản vẽ nắp nước làm mát kim phun 89 Hình 0.4 Bản vẽ giá đỡ kim phun 90 Hình 0.5 Bản vẽ adapter cảm biến áp suất động 91 Hình 0.6 Bản vẽ nắp thạch anh trong 92 Hình 0.7 Bản vẽ nắp thạch anh ngoài 93 Hình 0.8 Bản vẽ chân buồng đốt 94 Hình 0.9 Bản vẽ chân đế 95 Hình 0.10 Bản vẽ mặt bích trên của quạt 96 Hình 0.11 Bản vẽ mặt bích dưới của quạt 97 Hình 0.12 Bản vẽ chốt quạt 98 Hình 0.13 Bản vẽ đầu nối trục quạt 99 Hình 0.14 Bản vẽ chi tiết buồng đốt CVCC 100 Hình 0.15 Bản vẽ lắp buồng đốt CVCC 101 Hình 0.16 Bản vẽ các cụm buồng đốt CVCC 102 Hình 0.17 Bản vẽ cắt buồng đốt CVCC 103 Hình 0.18 Bản vẽ cắt buồng đốt CVCC 104 Hình 0.19 Bản vẽ kích thước thạch anh 105 Hình 0.20 Bản vẽ seal adapter kim phun 106 Hình 0.21 Bản vẽ seal 107 Hình 0.22 Bản vẽ seal 108 Hình 0.23 Bản vẽ kích thước seal teflon 109

xiv

Hình 0.24 Bản vẽ seal teflon 110 Hình 0.25 Bản vẽ seal teflon 111 Hình 0.26 Bản vẽ seal teflon 112

1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tiếp cận vấn đề

Trong đời sống hiện nay, động cơ đốt trong vẫn đang là một nền tảng lớn để thúc đẩy sự phát triển nhiều lĩnh vực của nền kinh tế thế giới Với công suất lớn, hiệu suất nhiệt cao là những đặc điểm giúp cho động cơ diesel vẫn đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong xã hội, đặc biệt là nền công nghiệp Tuy nhiên, việc dầu hóa thạch ngày càng khan hiếm cùng với đó là phần lớn khí thải CO2 được sản sinh ra từ quá trình cháy của động cơ là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính cho trái đất, những khí thải khác từ động cơ như CO, NOx, cũng gây ảnh hưởng lớn trực tiếp đến đời sống, sức khỏe của con người nói riêng và môi trường xung quanh nói chung [1] [2] Do vậy mà các yêu cầu khí thải ở các quốc gia sau vài năm càng trở nên nghiêm ngặt hơn Đó cũng là lý do đã thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu khoa học cho nhiều phát minh ra đời nhằm cải thiện và phát triển động cơ đốt trong ngày càng tối ưu nhất

Một số các giải pháp được áp dụng để nâng cao công suất động cơ và giảm thiểu khí thải ra ngoài môi trường như: tăng áp cao hơn, tuần hoàn khí thải (EGR), và sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau (Kobori và Kamimoto, 1995) [1],… đang là những giải pháp được nghiên cứu và phát triển hiện nay Nhưng để có thể đánh giá được công suất, lượng khí thải của động cơ khi áp dụng các giải pháp trên thì việc quan sát, đo quá trình cháy trong động cơ là việc rất cần thiết Do đó, nhiều nghiên cứu thử nghiệm truy cập quang học đo quá trình cháy trong động cơ đã được ra đời như: Buồng cháy đẳng tích (Constant Volume Combustion Chambers - CVCC), Optical Research Engines - ORE), Hệ thống nén nhanh - cháy giãn nở (Rapid Compression and Expansion Machine - RCEM), Constant Pressure Flow Rig (CPFR), Constant Volume Hot Cell (CVHC),…, [3], [4] [5] Các thiết bị thử nghiệm truy cập quang học đo quá trình cháy có những đặc điểm sau:

• Các điều kiện khí khi bắt đầu trước khi phun có thể được thay đổi

2

• Có thể dễ dàng quan sát và đo quá trình cháy

• Bỏ qua ảnh hưởng ma sát của dầu bôi trơn trong động cơ

• Việc thử nghiệm nhiên liệu không phải tốn kém quá nhiều chi phí

Hình 1.1 Phạm vi hoạt động bên trong buồng cháy[14].

Hình 1.1 cho thấy phạm vi điều kiện áp suất và nhiệt độ trước khi phun của các giàn thử nghiệm bằng phương pháp quang học khác nhau Phụ thuộc vào từng tỉ số nén khác nhau, các phương pháp có áp suất và nhiệt độ đốt phân bố trong khoảng từ 4,5 đến 15 MPa và từ 750 đến 950 K, với mật độ khí từ 20 đến 60 kg/m3 Trong đó, điều kiện trước khi phun của buồng cháy đẳng tích nằm trong dải phạm vi lớn có thể mô phỏng trong nhiều điều kiện khác nhau trong động cơ diesel Cùng với những ưu điểm như Do đó, tỷ lệ nén mô phỏng dễ dàng thay đổi bằng cách thay đổi thành phần hỗn hợp nạp và điều kiện trước khi phun Cùng với đó là đơn giản trong thiết kế vận hành, hệ thống buồng cháy đẳng tích trở thành một công cụ tiềm năng cho việc thực hiện nghiên cứu về đánh giá của các loại nhiên liệu thử nghiệm và hiệu quả phun nhiên liệu trong động cơ dựa trên việc thu thập các thông số đánh giá quá trình cháy trong buồng

Dựa trên phương pháp tiếp cận quang học Schlieren, nghiên cứu này tập trung thiết kế chế tạo buồng đốt CVCC thực hiện mô phỏng kiểm nghiệm khả năng chịu bền của

3

buồng đốt CVCC để tối ưu hóa thiết kế Ngoài ra, độ kín của buồng đốt CVCC cũng được đánh giá hệ thống hoạt động đảm bảo thông qua nghiên cứu chế tạo lần này Qua đó buồng cháy đẳng tích có thể đưa ra được kết quả có tính khoa học và ứng dụng cao trong việc khảo sát quá trình cháy Điều đó làm tiền đề để phát triển các nghiên cứu khảo sát nhiều loại nhiên liệu khác nhau giúp giải quyết vấn nạn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt

1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu đề tài: Thiết kế buồng cháy đẳng tích ứng dụng phương pháp tiện cận quang học Schlieren

• Xây dựng các phương án, tiêu chuẩn thiết kế, thông số làm việc của buồng cháy đẳng tích CVCC

o Điều kiện làm việc của buồng đốt

o Xác định được hình dạng, kích thước và đặt điều kiện biên cho hệ thống • Thiết kế bố trí chung, chế tạo buồng đốt đẳng tích CVCC dựa trên cơ sở tính

toán thiết kế chuẩn xác và khoa học

o Sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS để tính bền cho buồng o Sử dụng bản thiết kế 3D để xây dựng bố trí chung của hệ thống

• Kiểm nghiệm đánh giá rò rỉ buồng đốt đẳng tích CVCC, kiểm tra tháo lắp dễ dàng

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài thiết kế buồng đốt thể tích không đổi phần lớn gồm ba phương pháp chính đó là: phương pháp kĩ thuật cháy trước Pre-Combustion, phương pháp quang học Schlieren chữ Z và phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm ANSYS dùng để kiểm nghiệm bền

1.3.1 Phương pháp kĩ thuật cháy trước (Pre-combustion)

Phương pháp cháy trước ( Pre-Combustion) được sử dụng để tạo ra điều kiện nhiệt độ và áp suất cuối kì nén trong động cơ bằng cách điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp khí nạp ta

4

có thể tạo ra các điều kiện khác nhau trong buồng đốt CVCC Việc sản phẩm của quá trình cháy trước (pre – combustion) tạo ra tỉ lệ khác nhau dẫn đến khi mô phỏng quá trình cháy trong động cho ra các kết quả khác nhau Điều này giúp xác định các thông số quan trọng như tỷ lệ nhiên liệu tối ưu và điều kiện lý tưởng để đạt hiệu suất cháy cao nhất

Các nghiên cứu đã được công bố trên thế giới liên quan đến phương pháp Pre-Combustion

- Hongyu Pan, Herui Zheng, Siyuan Wu, Cangsu Xu, Weinan Li, “Development of spray atomization test system at elevated temperatures and back pressures”

Để mô phỏng môi trường phun trong xi-lanh của động cơ diesel, tác giả Hongyu Pan cùng các cộng sự đã xây dựng một hệ thống buồng đốt đẳng tích CVCC để thử nghiệm quá trình phun nhiên liệu, chụp ảnh tốc độ cao, bộ ECU điều khiển cùng với phương pháp Pre-Combustion để thiết lập nhiệt độ cao và áp suất đồng thời cho quá trình đánh lửa, phun nhiên liệu Phương pháp Pre-Combustion được thử nghiệm ở các áp suất ban đầu khác nhau và mô hình phun cũng được thiết lập để nghiên cứu Do khó đạt được các điều kiện mô phỏng môi trường phun trong xi-lanh động cơ diesel thực tế Tác giả đã cho gia nhiệt buồng đốt với sáu con điện trở đốt có công suất 60W và phương pháp Pre-Combustion đốt cháy trước hỗn hợp khí, tạo điều kiện cho quá trình cháy phun nhiên liệu Thí nghiệm Pre-Combustion được tiến hành ở nhiệt độ ban đầu là 358K, áp suất ban đầu 1-6 bar và nhiên liệu etanol có độ tinh khiết 99,7%[33]

5

Hình 1.2 Lịch sử áp suất trong xi-lanh trong quá trình đốt cháy hỗn hợp trước Pre-Combustion[33]

- V.Wang, Y.Laoonual, N.Chollacoop, “An Investigation of Pre-injection Flow Characteristics in a Constant Volume Combustion Chamber without Fan using the Particle Image Velocimetry (PIV) Technique”

Trong nghiên cứu này, tác giả đã tập trung phân tích các dòng chảy ở điều kiện môi trường ban đầu xung quanh bằng cách nạp hỗn hợp khí bào gồm C2H2, và không khí tổng hợp (O2 và N2) vào một buồng đốt thể tích không đổi CVCC, các phép chụp ảnh tốc độ cao, các van điện từ điều khiển quá trình nạp khí cùng với phương pháp cháy trước Pre-Combustion cũng được sử dụng trong toàn bộ quá trình[34] Để mô phỏng lại quá trình cháy của động cơ diesel, mô hình được thử nghiệm được thiết lập như sau:

6

Hình 1.3 Sơ dồ thử nghiệm[34]

Hình 1.4 Phương pháp cháy trước Pre-Combustion[34]

Hỗn hợp khí được nạp vào buồng đốt thể tích không đổi CVCC thông qua các van điện từ được điều khiển tự động Sau khi đợi ba phút để cấp khí đốt trước, bugi

7

đánh lửa đốt cháy hỗn hợp khí nạp để tạo điều kiện cho quá trình cháy phun nhiêu liệu (gọi là Pre-Combustion) Áp suất và nhiệt độ tăng mạnh sau khi đánh lửa đến giai đoạn hạ nhiệt (Cool Down), tính toán thời điểm phun và tiến hành phun nhiên liệu

1.3.2 Phương pháp quang học schlieren

Phương pháp quang học của hệ thống schlieren đã được áp dụng trong nhiều năm qua để nghiên cứu một cách trực quan về quy trình cháy Nói chung, kỹ thuật schlieren được sử dụng để quan sát những thay đổi trong quá trình cháy [20] Các kỹ thuật schlieren này được bố trí bằng nhiều cách khác nhau để phù hợp với không gian ở phòng nghiên cứu hoặc tùy mục đích chính muốn nghiên cứu như: kỹ thuật schlieren kiểu chữ Z, kỹ thuật schlieren kiểu thấu kính đơn, kỹ thuật schlieren kiểu thấu kính kép, kỹ thuật schlieren kiểu trùng lặp một gương,… Kỹ thuật schlieren kiểu chữ Z thường được sử dụng trong các nghiên cứu về CVCC [16], [17], [18]

Tham khảo các nghiên cứu sử dụng truy cập quang học trong CVCC đã được công bố trên thế giới

- Jun Mo, Chenglong Tang, Junge Li, Li Guan, Zuohua Huang “Experimental investigation on the effect of n-butanol blending on spray characteristics of soybean biodiesel in a common-rail fuel injection system” [27]

Trong nghiên cứu này, tác giả Jun Mo, Chenglong Tang cùng với các cộng sự đã sử dụng một buồng đốt đẳng tích CVCC với hệ thống tiếp cận quang học Schlieren tốc độ cao để ghi lại quá trình thâm nhập phun của nhiên liệu biodiesel cụ thể là đậu nành nguyên chất và hỗn hợp biodiesel/n-butanol đã được nghiên cứu ở nhiệt độ phòng và áp suất xung quanh là 1 và 2 Mpa[27]

8

Hình 1.5 Sơ đồ thiết lập thử nghiệm quá trình phun nhiên liệu có sử dụng phương pháp tiếp cận quang học Schlieren[27]

Để nghiên cứu chính xác đặc tính phun, và thu được kết quả chính xác Buồng được lắp đặt các cửa sổ thạch anh (đường kính 100mm dày 80mm) để cung cấp khả năng tiếp cận quang học cho quá trình quan sát Với máy quay kỹ thuật số cao (Phantom V611) tốc độ lấy mẫu ảnh đạt được 10.000 khung hình mỗi giây với độ phân giải 608/800 pixel được dùng để ghi lại hình ảnh quá trình phun nhiên liêu Kết quả thu được thể hiện như hình dưới đây[27]:

Hình 1.6 Kết qua quan sát tia phun bằng phương pháp Schlieren[27]

- Kihyung Lee, Jeaduk Ryu, “An experimental study of the flame propagation and combustion characteristics of LPG fuel” [22]

9

Để nghiên cứu được sự lan truyền ngọn lửa và đặc tính nhiên liệu LPG (khí dầu hóa lỏng), Kihyung Lee cùng cộng sự đã nghiên cứu bằng cách sử dụng CVCC (buồng đốt thể tích không đổi) và hệ thống động cơ hạng nặng LPLi ( phun nhiên liệu dầu mỏ hóa lỏng) cùng với phương pháp chụp ảnh Schlieren tốc độ đo tốc độ lan truyền ngọn lửa của nhiên liệu LPG[22]

Hình 1.7 Hệ thống quang học của phương pháp Schlieren[22]

Các điều kiện của thí nghiệm này là ở áp suất ban đầu 0,4 MPa, nhiệt độ 353K và tính toán tốc độ lan truyền ngọn lửa bằng cách sử dụng hình ảnh ngọn lửa trong CVCC thu được bằng phương pháp Schlieren[22] Theo kết quả thực nghiệm của CVCC và động cơ LPLi hạng nặng, sự lan truyền ngọn lửa đạt tốc độ tối đa ở tỷ lệ tương đương cân bằng hóa học và tốc độ lan truyền ngọn lửa cũng có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính đốt cháy

Hình 1.8 Quá trình lan truyền ngọn lửa với tỷ lệ tương đương bằng phương pháp Schlieren.[22]

10

- Jinyoung Jung, Sangjae Park, Choongsik Bae, “Combustion characteristics of gasoline and n-butane under lean stratified mixture conditions in a spray-guided direct injection spark ignition engine”[28]

Trong nghiên cứu này, tác giả Jinyoung Jung cùng các cộng sự đã thử nghiệm trực quan hóa tia phun trên buồng đốt thể tích không đổi CVCC, điều kiện môi trường cũng được sao chép nhằm đánh giá được quá trình đốt cháy phân tầng với xăng và n-butan Để thu được hình ảnh rõ nét và tiện lấy số liệu cho việc nghiên cứu đặc tính cháy của xăng và n-butan, một hệ thống Schlieren đã được thiết lập để thu thập hình ảnh trong buồng đốt CVCC[28] Dưới đây là sơ đồ bố trí hệ thống Schlieren:

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống Schlieren[28]

Do đặc tính phun khác nhau giữa xăng và n-butan, nên các thông số vận hành bao gồm áp suất phun và lượng phun cũng như thời điểm đánh lửa được đặt khác nhau đối với từng loại nhiên liệu Hình 1.10 trình bày kết quả sau áp suất với thời gian hình thành hỗn hợp khác nhau đối với xăng và n-butan

11

Hình 1.10 Áp suất với thời gian hình thành hỗn hợp khác nhau đối với (a) xăng và (b) n-butan[28]

1.3.3 Phương pháp mô phỏng bền

Việc mô phỏng bền nhằm đánh giá sức bền của vật liệu hoạt động trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao.Với ANSYS Static Structural là một module của Ansys ( phần mềm số phương pháp phần tử hữu hạn) nhằm sử dụng mô phỏng những kết cấu tĩnh xác định ảnh hưởng của tải trọng ổn định (hoặc tĩnh) lên kết cấu Ứng suất, biến dạng và biến dạng của kết cấu có thể được nghiên cứu dưới nhiều điều kiện tải trọng Điều này giúp xác định các khu vực yếu với cường độ và độ bền thấp ở giai đoạn thiết kế và tránh những hỏng hóc tốn kém Các thủ tục cơ bản cần thực hiện để nhận kết quả phân tích bền:

• Khai báo các đặc tính vật liệu • Tạo mô hình cần mô phỏng bền • Chia lưới mô hình

• Đặt điều kiện biên • Giải

12

Để kiểm nghệm mô hình thiết kế có đảm bền hay không khi vận hành thì phương pháp mô phỏng bền là một lựa chọn không thể thiếu trong quá trình thiết kế và chế tạo

- NONAVINAKERE VINOD, KAUSHIK, “Design and Analysis of a Constant Volume Combustion Chamber to Test Premixed Combustion”

Nghiên cứu thảo luận về kết quả của một loạt các mô phỏng kết cấu được thực hiện trên mô hình CVCC bằng ANSYS để xác minh khả năng chịu tải trong quá trình vận hành Áp suất làm việc bình thường của buồng đốt sẽ nằm trong khoảng 30 đến 40 Mpa đỉnh khi thực hiện các thực nghiệm đốt cháy Hệ số an toàn của nghiên cứu này nằm trong khoảng cho phép 4 nên áp suất kiểm nghiệm của buồng cháy là 160MPa

Hình 1.11 Mặt cắt ngang của vị trí tại áp suất mô phỏng[35]

Hình 1.12 thể hiện điều kiện biên của nghiên cứu trong buồng cháy nơi áp suất tác động trực tiếp vào thành buồng dưới áp suất 160MPa Ở các vị trí càng xa nơi làm việc của buồng cháy càng có ứng suất nhỏ dần Khu vực diễn ra sự cháy chịu ứng suất lớn nhất với ứng suất 640.8

13

Hình 1.12 Phân bố ứng suất trong thân buồng[35]

1.4 Nội dung thực hiện

• Tham khảo, tìm hiểu tài liệu, bài báo khoa học về các phương án bố trí chung cho buồng CVCC và lựa chọn phương án tối ưu

• Thiết kế buồng cháy CVCC theo phương pháp schileren, khảo sát đặc tính cháy của nhiên liệu diesel tại điều kiện cháy thực tế của động cơ diesel

• Chế tạo buồng cháy CVCC để mô phỏng điều kiện cháy của động cơ diesel • Thực hiện kiểm nghiệm buồng đốt (rò rỉ áp suất, tháo lắp dễ dàng, phù hợp tiêu chí thiết kế,…)

1.5 Ý nghĩa đề tài

Hệ thống buồng đốt đẳng tích CVCC được chế tạo và hoạt động chính xác đã mang đến một công cụ đáng kinh ngạc cho việc ứng dụng, thực nghiệm và khảo sát đặc tính cháy của các loại nhiên liệu sinh học Điều này mở ra những triển vọng rộng lớn trong việc nghiên cứu và tìm ra những phương án sử dụng nhiên liệu tối ưu, đồng thời tốt cho môi trường Từ việc xác định đặc tính cháy của nhiên liệu sinh học, ta có thể nắm bắt được sự tương tác phức tạp giữa nhiên liệu và môi trường cháy, từ đó tìm ra những biện pháp cải tiến đáng kể cho hệ thống

Buồng đốt đẳng tích CVCC tạo điều kiện thuận lợi cho việc thử nghiệm và so sánh các loại nhiên liệu khác nhau Nhờ vào khả năng phân tích chi tiết và xác định đặc tính cháy, ta có thể đưa ra đánh giá toàn diện về hiệu suất và ảnh hưởng môi trường của từng loại nhiên liệu

14

Ngoài ra, công cụ này cũng khuyến khích sự đổi mới và sáng tạo trong lĩnh vực nghiên cứu về nhiên liệu sinh học Những phát hiện mới và thông tin cụ thể từ buồng đốt đẳng tích CVCC sẽ tiếp thêm động lực cho việc tìm hiểu sâu hơn về các quá trình cháy và tạo ra sự khác biệt đáng kể trong việc phát triển nhiên liệu thân thiện với môi trường

1.6 Tiến độ thực nghiệm đề tài

Thời gian nhận đề tài từ tháng 09/2023 tới thời hạn nộp đề tài tháng 05/2023 Nhóm luôn phân chia nhiệm vụ cho từng gia đoạn cụ thể cho từng thành viên trong nhóm Đồng thời, nhóm luôn có kế hoạch rõ ràng cho các giai đoạn khác nhau của đề tài nhằm đảm bảo thời gian hoàn thành các giai đoạn nói riêng và hoàn thành cả đề tài nói chung một cách chính xác và khoa học

Đề tài được thực hiện với nội dung chính là thiết kế và kiểm nghiệm bền cho buồng cháy thể tích không đổi (CVCC) Nội dung đề tài được thực hiện theo trình tự việc tiếp cận đề tài tìm hiểu lý thuyết liên quan tới các bước thiết kế, chế tạo, tính toán kiểm nghiệm bền và cuối cùng đưa ra được mô hình chế tạo thực tế

Bảng 1.1 Bảng tiến độ công việc

16

1.7 Giới hạn đề tài

• Hệ thống được thiết kế và chế tạo hệ thống buồng đốt đẳng tích CVCC, chưa thiết lập được thiết bị đo nhiệt độ bên trong buồng

17

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Đặc trưng Quá trình cháy động cơ diesel

Quá trình cháy ở động cơ diesel khá khác với quá trình động cơ xăng Trong động cơ xăng về cơ bản là xuất từ tia lửa từ bugi cháy lan tỏa ra hỗn hợp hòa khí đồng nhất Nhưng với quá trình cháy ở động cơ diesel là một quá trình diễn ra không ổn định xảy ra đồng thời ở nhiều điểm trong hỗn hợp không đồng nhất nhờ nhiệt độ cao của không khí do nén cơ học và phun nhiên liệu.

Ở động cơ diesel, chỉ có không khí được nén lên nhiệt độ cao và áp suất cao ở kì nén Sau đó nhiên liệu được phun vào ở hành trình cuối kì nén[31] Tại đây, nhiên liệu được xé tơi thành những hạt nhiên liệu nhỏ hơn và hóa hơi nhờ không khí có nhiệt độ cao đã được nén ở hành trình nén của động cơ Tiếp đến, nhiên liệu sẽ hòa trộn với không khí để tạo ra hỗn hợp hòa khí, kết hợp với đó là nhờ điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao trong xi lanh để tự bốc cháy tại nhiều điểm sau đó cháy lan tỏa ra các hỗn hợp hòa khí xung quanh hình thành quá trình cháy[31]

Sự đốt cháy trong động cơ CI được coi là đang diễn ra trong bốn giai đoạn (Hình 2.1) Nó được chia thành giai đoạn đánh lửa trễ, giai đoạn đốt cháy nhanh, giai đoạn cháy kiểm soát và giai đoạn cháy rớt

Hình 2.1 Các giai đoạn cháy của động cơ diesel [31]