Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật Ô tô, máy kéo: Nghiên cứu phát triển buồng cháy đẳng tích dùng trong mô phỏng sự cháy động cơ Diesel

8 buồng cháy đẳng tích [21], qua nghiên cứu người ta chứng minh được rằng nồng độ khí xả NOx tăng theo nhiệt độ cháy Ngoài r , người ta còn tìm thấy khí thải NOx còn bị ảnh hưởng bởi áp

TỔNG QUAN

Vấn đề năng lượng và ô nhiễm môi trường

Các loại nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên không tái tạo, bởi vì trái đất mất hàng triệu năm để tạo r chúng và lƣợng tiêu thụ đ ng diễn r nh nh hơn tốc độ đƣợc tạo thành [1] Dầu thô, khí g và th n đá là những nhiên liệu hóa thạch đã và đ ng trên đà cạn kiệt Chúng là nguồn nhiên liệu chính cung cấp nguồn năng lƣợng cho các ngành công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải, quân sự và hầu hết các hoạt động củ con người Nhiên liệu hóa thạch hiện đ ng cung cấp khoảng 90% cho tất cả các năng lượng thương mại được s dụng trên thế giới [2] Trong năm 2007, lượng tiêu thụ nhiên liệu dầu mỏ là 85,896 triệu thùng/ngày, khí: 104,425 nghìn tỷ ft³ (2,957 nghìn tỷ m³), than : 6,743 tỷ tấn ở Mỹ [3] Với con số nhƣ trên t thấy đƣợc tầm ảnh hưởng cực kỳ lớn và quan trọng của nguồn năng lượng cung cấp cho loài người, với sự khai thác và tiêu thụ một cách nhanh chóng so với thời gian tạo thành của nhiên liệu hóa thạch thì theo tính toán của các nhà khoa học trong vòng 49 năm tới nguồn dầu thô có khả năng cạn kiệt [4] Để khắc phục tình trạng nhƣ trên, đây là vấn đề cần đƣợc quan tâm và thách thức hàng đầu của tất cả các quốc gia trên thế giới

Ước tính vào năm 2009, các hoạt động liên quan đến dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch đã đóng góp khoảng 70% tổng lượng khí thải toàn cầu [5] Khí thải này là nguyên nhân trực tiếp gây ra biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và nhiều vấn đề môi trường khác Việc đốt nhiên liệu hóa thạch thải ra môi trường một lượng lớn chất gây ô nhiễm, phá hủy môi trường sống, gây biến đổi khí hậu và là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến các thảm họa thiên tai gần đây [4] Trong số các khí thải, CO2 từ quá trình đốt cháy là thủ phạm trực tiếp gây ra hiệu ứng nhà kính, làm tăng tỷ lệ bức xạ mặt trời giữ lại trong khí quyển.

2 cách cƣỡng bức và làm cho toàn cầu nóng lên, đó là nguyên nhân làm cho nhiệt độ bề mặt trái đất ngày càng tăng Theo cơ qu n thông tin năng lƣợng (EIA) của Mỹ đánh giá khí CO 2 thải r vƣợt 29 tỷ tấn trong năm 2006, 33,1 tỷ tấn năm 2015 và 40,4 tỷ tấn năm 2030, nếu không có biện pháp gì để định mức giới hạn và giảm thiểu lƣợng khí thải này [6] Ngoài ra còn có khoảng 700 triệu tấn CO, 150 triệu tấn NOx và 200 triệu tấn SO 2 được thải vào khí quyển hàng năm [7], phần lớn là do phương tiện vận chuyển tạo ra.

Nghiên cứu phát triển động cơ

Sự phát triển ngày càng lớn mạnh của nghành công nghiệp thế giới đã tạo ra những vấn đề phức tạp cần phải giải quyết, trong đó phải kể đến vấn đề năng lƣợng (Energy), vấn đề ô nhiễm môi trường (Ecology) và vấn đề giá nhiên liệu tăng (Economy) Giải quyết bài toán này cần có sự chung sức củ các ngành, các lĩnh vực khác nhau

Về vấn đề phương tiện giao thông, mà cụ thể là các phương tiện s dụng các loại động cơ đốt trong là một trong những nhóm có ảnh hưởng rất lớn đến các vấn đề phức tạp đã nêu trên Động cơ đốt trong đã và đ ng đƣợc nghiên cứu và phát triển mạnh trên thế giới, trong đó động cơ tự cháy đƣợc nghiên cứu ngày càng sâu rộng hơn trong gi i đoạn hiện nay so với động cơ đánh l cƣỡng bức bởi các ƣu điểm nhƣ: động cơ tự cháy có tỉ số nén c o (ε = 16 ÷ 23) so với động cơ đánh l cƣỡng bức (ε = 10 ÷ 12), không s dụng hệ thống đánh l a, công suất lớn, khả năng hoạt động bền bỉ hơn và hiệu suất nhiệt c o hơn cháy cƣỡng bức Trong phần nghiên cứu này, tác giả xin tổng kết về tình hình nghiên cứu và phát triển động cơ tự cháy là chủ yếu, mà cụ thể là động cơ s dụng nhiên liệu diesel Động cơ diesel đƣợc phát minh vào những năm 1890, nhƣng mãi đến năm 1950 thì động cơ này mới bắt đầu đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế Mỹ Sau khi lệnh cấm vận dầu năm 1973, chính phủ đặt trọng tâm mới về phát triển công nghệ để cải thiện hiệu quả nhiên liệu và giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài Trong

3 những thập kỷ s u đó, chính phủ hỗ trợ việc cải thiện động cơ diesel dựa trên ba tiêu chí: thực hiện nghiên cứu quá trình đốt cháy cơ ản, tạo r các chương trình phần mềm dùng để mô phỏng động cơ và thiết lập quan hệ hợp tác nghiên cứu với các ngành công nghiệp tƣ nhân

Nghiên cứu quá trình cháy cơ ản: trong những năm 1970 và những năm 1980, các nhà sản xuất động cơ ị giới hạn trong việc cải thiện sản phẩm của họ do thiếu kiến thức cơ ản về quá trình đốt cháy Nghiên cứu cơ ản thì cần chuyên sâu và thực hiện trong thời gi n lâu dài Để giải quyết vấn đề, các chính phủ thành lập các cơ sở nghiên cứu quá trình cháy (Combustion Research Facility - CRF) bắt đầu hoạt động vào năm 1981, chương trình nghiên cứu nâng c o động cơ đốt trong (Advanced Combustion Engine R&D - ACE R&D) bắt đầu vào năm 1986 Các chương trình này đã gắn kết các nhà nghiên cứu, các phòng thí nghiệm quốc gi , các trường đại học và khối nghiên cứu tƣ nhân sát lại gần nh u và cùng nh u đạt đƣợc những hiểu biết cơ ản về quá trình đốt cháy

Chương trình phần mềm mô phỏng động cơ là công cụ được phát triển bởi CRF và ACE R&D, có khả năng mô phỏng quá trình cháy trong động cơ Các phần mềm này, như Kiv và CLEERS, cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá, dự đoán và tối ưu hóa hiệu suất của động cơ, hỗ trợ quá trình phát triển động cơ hiệu quả và chính xác hơn.

Lean Exhaust Emissions Reduction Simulation) Những phần mềm mô phỏng này đƣợc s dụng bởi các nhà sản xuất động cơ nhƣ C terpill r, Cummins, Gener l Motors, Ford và Chrysler, dùng để phát triển động cơ cháy sạch hơn và nâng c o hiệu suất động cơ

Quan hệ hợp tác nghiên cứu: ngoài những nỗ lực ở trên, bộ năng lƣợng (Department of Energy – DOE) đóng v i trò qu n trọng trong việc tập hợp các công ty nghiên cứu tƣ nhân, các phòng nghiên cứu quốc gia, các học viện và các cơ qu n chính phủ tiếp tục phát triển hoàn thiện động cơ thông qu những hoạt động những năm 1990 và 2000 Bao gồm: “P rtnership for New Gener tion of Vehicles” năm 1993, “The 21st Century Truck P rtnership” năm 2000, “The Freedom CAR” - “Fuel P rtnership”

4 năm 2002 và “U S Drive” năm 2011 Ngoài r , DOE đã đẩy mạnh các quan hệ hợp tác nhỏ hơn nhƣ hợp tác nghiên cứu và hiệp định phát triển, chất xúc tác của nhà sản xuất Johnson Matthey, và Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương nhằm đạt đƣợc tiến bộ kỹ thuật một cách nhanh chóng Những quan hệ hợp tác này thúc đẩy cải thiện hiệu suất động cơ, giảm khí thải độc hại và giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài

Kết quả từ sự hỗ trợ nghiên cứu của chính phủ Mỹ là động cơ diesel xe tải hạng nặng có hiệu suất từ 37% năm 1981 lên 42% trong 2007 Xe tiết kiệm nhiên liệu tăng gần 20%, từ mức thấp 5,4 dặm cho mỗi gallon trong 1981 lên 6,4 dặm cho mỗi gallon trong năm 2010 Từ năm 1990 đến năm 2009, lƣợng khí thải độc hại cho mỗi dặm nhƣ

NOx, CO và các hạt bụi từ xe tải hạng nặng Mỹ đã giảm 67-81%, làm giảm đáng kể sự tác động củ động cơ diesel đến sức khỏe con người do [8]

Động cơ diesel liên tục được cải tiến thông qua các chương trình nghiên cứu về quá trình cháy và phát triển động cơ Năm 2015, các chương trình này đặt mục tiêu nâng cao hiệu suất tổng thể của động cơ diesel lên 45% ở xe chở khách và 50% ở xe thương mại Từ năm 1986 đến 2007, các chương trình nghiên cứu đã đóng góp hơn 70 tỷ đô la lợi nhuận cho nền kinh tế Hoa Kỳ, giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu, giảm khí thải và giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài Lịch sử phát triển của động cơ diesel chứng minh rằng khoản đầu tư của chính phủ Hoa Kỳ vào nghiên cứu là hợp lý, mang lại lợi ích tích cực cho quốc gia và đáp ứng các mục tiêu quan trọng về sức khỏe, an ninh môi trường và quốc gia.

Xu hướng phát triển nguồn nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế

Đứng trước thảm cảnh cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và tình trạng bất ổn về môi trường, các quốc gia trên thế giới đã và đ ng tìm cách khắc phục, hạn chế Các chỉ tiêu đánh giá về khí xả ngày một khắt khe hơn Các giải pháp tìm kiếm và thay thế

5 nguồn nhiên liệu đƣợc triển khai gấp rút Các nghiên cứu và phát triển các dạng năng lượng mới – năng lượng thay thế như năng lượng hạt nhân, năng lượng nước, gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều và năng lƣợng biển đ ng đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển, bên cạnh đó việc nghiên cứu phát triển các dạng năng lƣợng tái tạo đƣợc đặc biệt quan tâm Nhiên liệu khí hydro, khí ga thiên nhiên và nhiên liệu sinh học nhƣ cồn, dầu thực vật, dầu động vật, khí biogas, nhiên liệu tổng hợp, iodiesel…v v đ ng được bắt đầu tập trung nghiên cứu ở các nước phát triển [9] Trong đó, nghiên cứu về việc ứng dụng biodiesel là một trong những nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực nghiên cứu, tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống

Biodiesel còn được gọi diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật Diesel sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng tái tạo Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl este của những axít béo Mặt khác chúng không độc và dể phân hủy trong tự nhiên Biodiesel bắt đầu đƣợc sản xuất vào giữ năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là iodiessel Năm 1893 lần đầu tiên Rudorlf Diesel đã s dụng Biodiesel do ông sáng chế để chạy máy Năm 1912, ông đã dự áo: “ Hiện nay việc s dụng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương l i, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và th n đá” Trong ối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đ ng cạn kiệt và những tác động xấu lên môi trường của việc s dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có iodiesel đ ng ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi Biodiesel có rất nhiều ƣu điểm, nổi trội là sản phẩm cháy của nhiên liệu này giảm phát thải khí CO2 do đó giảm đƣợc lƣợng khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính, thành phần của chất không chứa HC nên không gây các bệnh ung thƣ, có khả năng tự phân hủy và không độc c o nên iodiesel đƣợc xem là

6 nhiên liệu thân thiện với môi trường nước và đất, góp phần làm giảm sự tiêu dùng của dầu mỏ [10] Bên cạnh đó iodiesel có những tính chất về thành phần hóa học gây ảnh hưởng rất ít đến việc sản xuất, tiêu thụ và lưu trữ Trong khi sự tiêu chuẩn hóa các yêu cầu về chất lƣợng nhiên liệu đƣợc coi là một ƣớc quan trọng để phát triển ứng dụng biodiesel [11]

Cùng với sự nghiên cứu tìm tòi các nguồn năng lƣợng mới - năng lƣợng thay thế, thì việc nghiên cứu cải tiến động cơ đốt trong cũng là một phần quan trọng góp phần chống biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường Việc thực hiện các nghiên cứu cơ ản nhằm cải thiện quá trình cháy, nâng c o năng suất, hiệu suất s dụng nhiên liệu trong động cơ đốt trong là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng, thu hút rất nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước tham gia Trong việc nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel, việc s dụng buồng cháy thống nhất làm công cụ nghiên cứu, phát triển, mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel là một trong những phát minh đột phá của ngành Naber J D y Siebers D L [12] là hai nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ (Sandia National Laboratory) trong việc phát triển buồng cháy đẳng tích (constant-volume vessel) trong việc mô phỏng quá trình cháy Buồng cháy thống nhất với ƣu điểm là: kết cấu hệ thống không phức tạp, dễ chế tạo, dải điều kiện th nghiệm rộng thích hợp cho việc nghiên cứu các loại nhiên liệu, thời gian mỗi lần th y đổi điều kiện th nghiệm ngắn tiết kiệm đƣợc thời gian và vận hành đơn giản, đặc biệt là khả năng qu n sát ghi hình quá trình cháy một cách rõ ràng và chính xác

Buồng cháy đẳng tích là công cụ rất mạnh giúp trong việc tiến hành nghiên cứu cơ bản, thực nghiệm và mô phỏng các quá trình biến đổi, sự cháy trong động cơ đốt trong [13] Thông qua buồng cháy này, ta có thể thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm, cơ bản về quá trình hình thành phát triển của tia phun, quá trình cháy, quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ diesel [12-19] Hiện tại, việc ứng dụng buồng cháy đẳng tích trong việc nghiên cứu quá trình hình thành và phát triển ti phun, quá trình cháy động cơ đ ng phát triển rất mạnh trong các phòng nghiên cứu về cháy tại Nhật Bản và Mỹ

7 Các phòng thí nghiệm mạnh có thể kể r nhƣ phòng thí nghiệm về cháy tại S ndi , ĐH Hiroshim , ĐH Kyoto, ĐH Tok i, ĐH W sed , ĐH Doshish , ĐH Wisconsine… Hàng năm, các phòng thí nghiệm này xuất bản hàng trăm các ài áo kho học nghiên cứu về quá trình cháy động cơ, nhiên liệu bằng việc ứng dụng buồng cháy đẳng tích này.

Ứng dụng phát triển buồng cháy đẳng tích

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong quyết định đến công suất, hiệu suất, mức kinh tế, mức phát thải ô nhiễm và các tính năng động cơ khi vận hành Các nguyên lý làm việc mới/cải tiến (VD: phun xăng trực tiếp, phun dầu gián đoạn, HCCI…), cũng nhƣ các loại nhiên liệu thay thế và nhiên liệu tái tạo (VD: LPG, CNG, biogas, sync gas, iodiesel, xăng ph cồn…) không ngừng đƣợc nghiên cứu và phát triển cho động cơ đốt trong vì bài toán tiết kiệm, s dụng hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường, chống biến đổi khí hậu Quá trình nghiên cứu và phát triển này đòi hỏi những công cụ mạnh mẽ trong thực nghiệm và mô phỏng động cơ đốt trong, đặc biệt là các công cụ để phân tích các thông số đặc trƣng của quá trình cháy Trong vấn đề phát triển ngành năng lƣợng, ngành nghiên cứu về quá trình cháy là một trong những ngành quan trọng nhất Ngoài việc nghiên cứu sự cháy, buồng cháy đẳng tích còn có thể ứng dụng trong việc thực hiện các nghiên cứu cơ ản về sự hình thành và phát triển tia phun Việc phát triển buồng cháy đẳng tích và tiến hành các nghiên cứu cơ ản có nghĩ hết sức quan trọng trong ngành nghiên cứu động cơ đốt trong tại Việt Nam Các kết quả nghiên cứu sẽ là nền tảng cơ ản cho việc phát triển của ngành thiết kế, chế tạo động cơ s dụng nhiên liệu sinh học

Tình hình ứng dụng buồng cháy đẳng tích ở nước ngoài: ở Hàn Quốc tại trường đại học M ritime, người ta s dụng buồng cháy đẳng tích để nghiên cứu về tia phun và ngọn l a cháy của nhiên liệu LPG [20] Qua nghiên cứu này ta có thể biết đƣợc đặc tính nhiên liệu LPG thông qua việc so sách và đánh giá thời gian cháy trễ của LPG so với xăng và diesel, tốc độ lan tràn màng l cũng nhƣ hiệu suất và khí xả Còn ở Nhật tại trường đại học Kyoto nghiên cứu cách kiểm soát nồng độ khí xả NOx thông qua

8 buồng cháy đẳng tích [21], qua nghiên cứu người ta chứng minh được rằng nồng độ khí xả NOx tăng theo nhiệt độ cháy Ngoài r , người ta còn tìm thấy khí thải NOx còn bị ảnh hưởng bởi áp suất phun nhiên liệu, các lỗ của kim phun và chất lượng của nhiên liệu Ở trường đại học W sed , người ta dùng buồng cháy đẳng tích phục vụ nghiên cứu về nhiệt độ nhiên liệu ảnh hưởng đến hiệu suất nhiên liệu, áp suất phun, tia phun [22] Tại phòng thí nghiệm Sandia ở Mỹ có cả một trung tâm chuyên nghiên cứu về quá trình cháy, thời gian cháy trễ, áp suất tự cháy…vv, tất cả đều đều đƣợc nghiên cứu trên buồng cháy đẳng tích [23] Không dừng lại ở các nghiên cứu trên, buồng cháy cháy đẳng tích còn đƣợc ứng dụng vào các nghiên cứu khoa học, quân sự chuyên sâu trên hầu hết các nước phát triển điển hình như: Nhật, Pháp, Đức, Trung Quốc, Nga, Mỹ…vv

Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam: Việt Nam vẫn chƣ có uồng cháy đẳng tích

Tại Việt Nam một số nghiên cứu về quá trình cháy, tia phun, áp suất phun đơn thuần đƣợc nghiên cứu trên bệ th động cơ 1 xyl nh củ hãng AVL Động cơ 1 xyl nh hoạt động dựa trên nguyên lý củ động cơ diesel, nên việc ứng dụng và thực nghiệm chỉ trên một số nhiên liệu có tính chất tương tự như nhiên liệu diesel như: iog s, iodiesel, xăng ph cồn Điểm khác biệt giữa buồng cháy đẳng tích và động cơ 1 xylanh là buồng cháy đẳng tích có dải điều kiện th nghiệm rộng tức là có thể ứng dụng hầu hết tất cả các loại nhiên liệu, do buồng cháy đẳng tích có thể th y đổi đƣợc môi trường cháy mô phỏng giống với điều kiện cháy của nhiên liệu đó, ngoài r cách thức mỗi lần th nghiệm đơn giản hơn, tiết kiệm đƣợc thời gian th nghiệm

Các nghiên cứu cơ ản về quá trình hình thành và phát triển tia phun nhiên liệu, thời gian cháy trễ và đặc tính biến đổi quá trình cháy khi s dụng biodiesel trên buồng cháy đẳng tích còn rất hạn chế Hiện tại, chỉ có một số nghiên cứu từ Nhật Bản, đặc biệt từ trường Đại học Kyoto thực hiện các nghiên cứu cơ ản trong việc phân tích thời gian cháy trễ và quá trình cháy nhiên liệu biodiesel sản xuất từ dầu ăn phế thải trên buồng cháy đẳng tích [24] Trong việc ứng dụng nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá ba sa,

9 dầu cây Jatropha, rong biển tại Việt Nam, các nghiên cứu cơ ản về phân tích quá trình cháy, thời gian cháy trễ là cực kỳ quan trọng Các số liệu thu đƣợc từ các nghiên cứu là nền tảng, cơ sở căn ản cho việc phát triển động cơ (đặc biệt động cơ máy nông nghiệp sản xuất từ nhà máy Vikyno) s dụng nhiên liệu biodiesel tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

Trong đề tài này tập trung phân tích, lựa chọn và thiết kế buồng cháy đẳng tích phục vụ công việc nghiên cứu, thông qua việc việc phân tích lựa chọn và xây dựng cụm buồng cháy, các hệ thống phụ trợ nhƣ: hệ thống khuấy hỗn hợp, hệ thống đánh l a, hệ thống đo áp suất, hệ thống tạo hỗn hợp sơ cấp, hệ thống cung cấp nhiên liệu

Mục tiêu chính củ đề tài là: nghiên cứu thiết kế buồng cháy đẳng tích dùng trong nghiên cứu mô phỏng sự cháy động cơ diesel

Phương pháp nghiên cứu

Xét về mặt phương pháp, luận văn s dụng 2 phương pháp chủ yếu:

 Phần thứ nhất s dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết dựa trên các nguồn tài liệu:

- Lý thuyết động cơ đốt trong hiện đại

- Lý thuyết mô phỏng động cơ diesel s dụng buồng cháy đẳng tích

- Lý thuyết về quá trình gi công cơ khí, các kiến thức tổng hợp về thiết kế cơ khí cho việc thiết kế kỹ thuật và thiết kế chế tạo buồng cháy

- Lý thuyết về các kiến thức, kỹ năng về thiết kế cơ khí và thủy lực cũng nhƣ các kiến thức về nhiệt động lực học quá trình cháy

Những áo cáo đã được công bố trên các diễn đàn khoa học quốc tế như hội nghị, tạp chí khoa học; các đề tài nghiên cứu khoa học và luận văn của các tác giả nước ngoài.

10 - Các giáo trình chuyên môn về điện - điện t , công nghệ chế tạo - thiết kế, nhiệt động lực học, cơ lưu chất và động cơ đốt trong

 Phần thứ hai của luận văn tập trung vào phương pháp thiết kế kỹ thuật buồng cháy đẳng tích s dụng phần mềm Autoc d, SolidWorks để vẽ 2D, 3D và s dụng phần mềm cho việc tính toán thiết kế nhƣ AVL Boot, Ansys với sự hỗ trợ của máy tính.

Nội dung thực hiện

Luận văn này gồm 5 chương như s u:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về tình hình năng lượng trên thế giới, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch dẫn đến tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới nhiên liệu thay thế, xu hướng phát triển động cơ và uồng cháy đẳng tích là công cụ hỗ trợ trong việc nghiên cứu quá trình cháy, quá trình hình thành và phát triển tia phun

Chương 2: Cung cấp các kiến thức về quá trình cháy động cơ diesel, quá trình cháy và quá trình truyền nhiệt trong buồng cháy đẳng tích

Chương 3: Giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của buồng cháy đẳng tích, thiết kế bố trí chung buồng cháy đẳng tích

Chương 4: Phân tích lựa chọn để xây dựng phương án thiết kế kỹ thuật cụm buồng cháy và các hệ thống phụ trợ

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quá trình cháy trong động cơ

Sự cháy ở ĐCĐT là một quá trình hoá học có kèm theo toả nhiệt Phương trình phản ứng hoá học giữa các phân t nhiên liệu và không khí ở ĐCĐT có thể đƣợc biểu diễn nhƣ s u :

C H O n   O  N nCO  H O n  N (2.1) Ví dụ, phương trình (2 1) viết cho nhiên liệu là n- heptane (C7H16) sẽ có dạng:

Nếu s dụng lƣợng không khí nhiều hơn lƣợng không khí lý thuyết để có thể đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong điều kiện thực tế thì trong khí thải sẽ có oxy dƣ Ví dụ phương trình hoá học của quá trình cháy n- heptane hệ số dư lượng không khí  = 2 sẽ có dạng :

Nếu lƣợng không khí nạp vào động cơ ít hơn lƣợng không khí lý thuyết thì nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn và trong khí thải sẽ có thêm các sản phẩm khác, nhƣ :

CO, H 2 , C n H m , C, v.v Ví dụ : phương trình cháy n- heptane với hệ số dư lượng không khí  = 1,8 sẽ có dạng :

*( ) ( )+ (2.4) Trong đó : , , c, d và e là số kmol của mỗi loại sản phẩm cháy

Các phản ứng cháy nhiên liệu diễn ra qua nhiều giai đoạn theo kiểu phản ứng dây chuyền, với sự tham gia của các gốc chất trung gian phản ứng Giai đoạn cháy nổ nhiệt xảy ra khi phản ứng oxy hóa diễn ra nhanh với sự lan truyền ngọn lửa Sự hình thành các trung tâm cháy đầu tiên, còn gọi là phát hỏa, chưa được lý giải hoàn chỉnh Sự phát hỏa có thể được giải thích bởi các lý thuyết được công nhận rộng rãi như lý thuyết bắt lửa tự phát và lý thuyết bắt lửa do đốm nóng Những lý thuyết này phân tích diễn biến và ảnh hưởng của các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và thành phần nhiên liệu đến chất lượng quá trình cháy trong động cơ xăng và diesel.

2.1.1 Các thông số đặc trƣng của quá trình cháy

2.1.1.1 Thời gian chậm cháy a) Thời gian chậm cháy (Ignition Lag) là khoảng thời gian cần thiết để hỗn hợp chất (HHC) phát hoả khi chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ đủ lớn Đối với động cơ xăng, thời gian chậm cháy đƣợc tính từ thời điểm xuất hiện tia l điện giữa hai cực củ uji đến thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên ; còn ở động cơ diesel - thời gian chậm cháy kéo dài từ thời điểm nhiên liệu thực tế bắt đầu đƣợc phun vào buồng đốt đến thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên Thời gian chậm cháy có thể đƣợc tính bằng giây ( i ) hoặc bằng độ góc quay của trục khuỷu ( i )

13 b) Thời gian chậm cháy vật lý và thời gian chậm cháy hoá học

Nhiều thí nghiệm đã đƣợc tiến hành nhằm mục đích xác định thời gian chậm cháy

Hình 2.2 giới thiệu kết quả thí nghiệm bằng cách phun hỗn hợp của 33 % isooctane và 67 % n-heptane vào một bình chứa không khí và một bình khác chứ nitơ đã đƣợc đốt nóng Kết quả thí nghiệm chứng tỏ sự tồn tại các quá trình vật lý và hoá học diễn ra trong gi i đoạn chậm cháy Thời gian diễn r các quá trình hoá hơi nhiên liệu, hoà trộn hơi nhiên liệu với không khí và sấy nóng hỗn hợp cháy đến nhiệt độ tự bốc cháy đƣợc gọi là thời gian chậm cháy vật lý (i.ph) Thời gian tính từ thời điểm xuất hiện các phản ứng tiền ngọn l đến thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên đƣợc gọi là thời gian chậm cháy hoá học (i.ch)

(2.5) Hình 2 1: Các điểm đặc trƣng trên đồ thị công chỉ thị trong quá trình cháy a) Động cơ xăng ; ) Động cơ diesel

Cf là thời điểm đánh lửa (động cơ xăng) hoặc thời điểm phun nhiên liệu thực tế (động cơ diesel), ci là thời điểm phát hỏa, ec là thời điểm kết thúc quá trình cháy,  là góc đánh lửa sớm (động cơ xăng) hoặc góc phun sớm.

(động cơ diesel), i: góc chậm cháy

14 c) Ảnh hưởng củ gi i đoạn chậm cháy đến chất lượng quá trình cháy Ảnh hưởng củ gi i đoạn chậm cháy đến diễn biến và chất lượng quá trình cháy ở động cơ xăng và diesel không hoàn toàn nhƣ nh u Gi i đoạn chậm cháy ở động cơ xăng diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn và không có ảnh hưởng đáng kể đến chất lƣợng của toàn bộ quá trình cháy Ngƣợc lại, gi i đoạn chậm cháy ở động cơ diesel diễn ra trong một khoảng thời gian khá dài so với tổng thời gian dành cho qúa trình cháy và có ảnh hưởng rất lớn đến diễn biến củ các gi i đoạn tiếp theo của quá trình cháy Gi i đoạn chậm cháy ở động cơ diesel kéo dài sẽ làm cho lƣợng nhiên liệu cháy rớt, tốc độ tăng áp suất (w p.m ) và áp suất cháy cực đại (p z ) đều tăng

Tốc độ cháy (wc) đƣợc định nghĩ là số lƣợng nhiên liệu tham gia phản ứng cháy trong một đơn vị thời gian Tốc độ cháy có v i trò đặc biệt quan trọng đối với chất lƣợng chu trình công tác củ ĐCĐT vì nó quyết định đặc điểm biến thiên của nhiệt độ

Hình 2.2: Thời gian chậm cháy vật lý và hóa học 1- T cl = 1300 0 F, p cl = 465 psia, g f = 0,108g 2- Tcl = 900 0 F, pcl = 465 psia, gf = 0,139g

15 và áp suất của MCCT trong quá trình cháy, kéo theo đó là hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật củ động cơ Tốc độ cháy ở ĐCĐT phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hoá học (w h ) của nhiên liệu với oxy và vận tốc độ lan truyền ngọn l a (u) a) Tốc độ phản ứng hoá học

Mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng hoá học của nhiên liệu với oxy và các đại lƣợng liên quan có thể biểu diễn bằng công thức dưới đây : w

Trong đó : F - hằng số, phụ thuộc vào tính chất lý hoá của hỗn hợp cháy, p - áp suất , T - nhiệt độ, N - đại lƣợng đặc trƣng cho thứ tự các gi i đoạn của phản ứng, Ea - năng lƣợng kích hoạt,

R - hằng số của chất khí

Hằng số F đặc trƣng cho số lần va chạm của các phần t tham gia phản ứng Số lần va chạm càng nhiều thì xác suất xảy ra phản ứng càng cao và tốc độ phản ứng càng lớn Hằng số F phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố, nhƣ : loại nhiên liệu, thành phần của hỗn hợp chất, hàm lƣợng khí sót, nhiệt độ và áp suất trong xylanh, v.v

Năng lƣợng kích hoạt (Ea) là số năng lƣợng bổ sung để tiêu hao cho việc kích hoạt một bộ phận phân t có khả năng th m gi phản ứng khi va chạm Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các phân t va chạm nh u, nhƣng không nhất thiết mỗi lần va chạm đều gây ra phản ứng Để kích hoạt phản ứng thì năng lƣợng của các phân t va chạm cần phải đủ lớn để phá đƣợc liên kết bên trong của phân t Để phản ứng có thể xảy ra thì ở thời kỳ trước khi bắt đầu phản ứng cần phải làm cho một bộ phận các phân t có dự trữ năng lƣợng E > E1 + E a = E 2 , trong đó : E1 - hiệu ứng nhiệt của phản ứng, E 2 - số năng

Năng lượng hoạt hóa (Ea) là lượng năng lượng bổ sung cần thiết để một phản ứng tỏa nhiệt xảy ra Các phần tử có năng lượng lớn và khả năng gây phản ứng được gọi là phần tử hoạt tính Mỗi phản ứng có một giá trị năng lượng hoạt hóa riêng (Ea) Ea càng nhỏ, phản ứng càng dễ xảy ra và nhanh hơn Nếu Ea = 0, tổng năng lượng của hai phần tử va chạm đủ để phá vỡ liên kết bên trong của chúng và tạo ra phản ứng Trong trường hợp này, mỗi lần va chạm sẽ gây ra phản ứng.

Buồng cháy đẳng tích

c) Gi i đoạn cháy chính (III) Đặc trƣng cho gi i đoạn này là nhiệt độ cực đại Tính từ lúc áp suất trong buồng đốt đạt giá trị cực đại cho đến khi nhiệt độ trong buồng đốt đạt giá trị cực đại Do sản vật cháy tăng nên nhiệt độ toả ra ở gi i đoạn này là lớn nhất nhƣng áp suất bên trong buồng đốt giảm do tăng áp suất do cháy không bù lại giảm áp suất do piston đi xuống

Gi i đoạn cháy chính chiếm từ 40 ÷ 50% nhiên liệu, nhƣng không thể tập trung phun nhiều nhiên liệu ở gi i đoạn này vì lúc này nồng độ oxy giảm, sản vật cháy đã tăng làm quá trình cháy xảy r khó hơn, tăng gi i đoạn cháy rớt d) Gi i đoạn cháy rớt (IV)

Là gi i đoạn cháy phần hỗn hợp còn sót lại, tính từ khi nhiệt độ trong buồng đốt đạt giá trị cực đại cho đến khi kết thúc quá trình cháy Có thể xem tại thời điểm kết thúc quá trình cháy ứng với hệ số toả nhiệt khoảng 95 ÷ 97% Nhiên liệu trong gi i đoạn cháy rớt chiếm khoảng 10 ÷ 20% Tốc độ cháy diễn ra rất chậm vì thiếu oxy, nhiều sản vật cháy, nhiệt độ và áp suất giảm Do đó, cần phải không chế giai đoạn cháy rớt càng nhiều càng tốt bằng các phương pháp như: tăng cường xoáy lốc trong buồng đốt, rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu hoặc không cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt ở giai đoạn cháy chính

2.2 uồng cháy đẳng tích 2.2.1 Giới thiệu buồng cháy đẳng tích

Buồng cháy đẳng tích là buồng cháy mà khi quá trình cháy xảy ra, thể tích hỗn hợp khí trong buồng cháy không th y đổi nhƣng áp suất, nhiệt độ và nhiệt lƣợng tỏ r tăng c o và đột ngột

29 Hình 2.8 thể hiện hình ảnh buồng cháy đẳng tích củ trường đại học RWTH Aachen, buồng cháy này đƣợc dùng để mô phỏng quá trình cháy động cơ diesel Buồng cháy này có thể ứng dụng trong nghiên cứu quá trình cháy, động cơ, nhiên liệu và quá trình hình thành, phát triển tia phun Buồng cháy về cơ ản gồm các cụm hệ thống sau: cụm buồng cháy, hệ thống tạo hỗn hợp khí hoà trộn trước, hệ thống quạt khuấy, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống chụp ảnh buồng cháy, hệ thống đo và ghi nhận số liệu, phần mềm x lý số liệu

- Buồng cháy: buồng cháy có dạng hình trụ tròn Thân buồng cháy đƣợc lắp hai c a sổ bằng tinh thể thạch anh giúp cho việc quan sát quá trình cháy nhiên liệu Trên buồng cháy có các lỗ để lắp hệ thống quạt khuấy, ugi đánh l dùng đốt hỗn hợp khí hòa trộn, cảm biến áp suất để đo áp suất bên trong buồng cháy và các lỗ để lắp van nạp và van xả

Hệ thống tạo hỗn hợp hòa khí đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nguồn khí đồng nhất trước khi đốt cháy, mô phỏng môi trường cháy động cơ thực tế Hệ thống này bao gồm bốn bình khí riêng biệt chứa C2H4, O2, N2 và H2, mỗi loại khí đảm nhiệm chức năng cung cấp nhiên liệu, oxy hóa và kiểm soát thành phần môi trường cháy.

Hình 2.8: Buồng cháy tại trường đại học RWTH Aachen

Trước khi nạp hỗn hợp khí vào bình, bình này sẽ được hút chân không Tỷ lệ các khí trong bình được tính toán kỹ lưỡng để khi cháy tạo ra tỷ lệ oxy trong buồng cháy theo yêu cầu (21%, 15%, 10% ) Mục đích là để đáp ứng các điều kiện thử nghiệm cụ thể.

Hệ thống quạt trộn là thành phần thiết yếu trong buồng cháy, đảm bảo tính đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu, phân bố đều áp suất và nhiệt độ Cánh quạt quay liên tục, kéo khí từ tâm buồng cháy ra sau dọc vách, duy trì nhiệt độ ổn định Quá trình lưu chuyển khí này giúp quá trình cháy nhiên liệu diễn ra hiệu quả hơn Tuy nhiên, nếu hệ thống quạt trộn hoạt động không ổn định, các đặc tính cháy trong buồng sẽ không ổn định, dẫn đến hiện tượng cháy phân tầng do sự không đồng nhất về nhiệt độ.

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu: gồm bộ phận tạo áp suất phun, đường dẫn nhiên liệu và kim phun Đây là ộ phận dùng để đƣ nhiên liệu th nghiệm vào buồng cháy

Tùy thuộc vào tính chất nhiên liệu th nghiệm (lỏng, khí…) mà hệ thống cung cấp nhiên liệu sẽ đƣợc thích hợp để đảm bảo mục đích th nghiệm

- Hệ thống chụp ảnh buồng cháy: hệ thống này bao gồm camera tốc độ cao, nguồn phát sáng và hệ thống thấu kính Đây là hệ thống đắt tiền phục vụ cho việc nghiên cứu quá trình hình thành phát triển tia phun và cũng nhƣ đặc tính cháy của nhiên liệu Hình ảnh của quá trình cháy bên trong buồng cháy đƣợc camera ghi lại và lưu chuyển đến máy tính

- Hệ thống đo và ghi nhận số liệu: phần quan trọng nhất của hệ thống này là tín hiệu từ các cảm biến áp suất trong buồng cháy Áp suất buồng cháy sẽ đƣợc cảm biến đo lại, truyền về bộ khuyếch đại, thông qua các cổng giao tiếp và đƣợc ghi nhận lại trong máy tính

2.2.2 ặc tính buồng cháy đẳng tích

- Buồng cháy đẳng tích đƣợc thiết kế để mô phỏng quá trình cháy xảy ra gần điểm chết trên (ĐCT) trong nhiều loại động cơ piston Tại điểm chết trên quá trình cháy xảy r , để nghiên cứu về quá trình cháy thì thời điểm này là quan trọng nhất vì mọi thông số đầu vào củ quá trình cháy đƣợc xác định chính xác qua việc tính toán và có thể th y đổi các thông số này theo mong muốn điều kiện th nghiệm Ngoài các vấn đề nghiên cứu về quá trình cháy, mô phỏng các quá trình biến đổi sự cháy trong động cơ đốt trong, buồng cháy còn có thể nghiên cứu về quá trình hình thành và phát triển tia phun, quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ

- Việc thiết kế và chế tạo buồng cháy hoàn toàn không phức tạp, chế tạo dễ dàng

Buồng cháy đẳng tích có cấu tạo rất đơn giản, các chi tiết trên buồng cháy thông dụng và dễ dàng tìm thấy trên thị trường trong việc chế tạo và thay thế Các hệ thống phụ trợ nhƣ là hệ thống đánh l a, hệ thống quạt khuấy, hệ thống tạo hỗn hợp khí cháy, hệ thống tạo áp suất phun, hệ thống ghi nhận số liệu cũng rất đơn giản trong việc lắp đặt và chế tạo

Buồng cháy đẳng tích sở hữu dải điều kiện thử nghiệm rộng Đặc điểm này giúp nó có thể mô phỏng môi trường cháy của nhiều loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm diesel, biodiesel, GTL, nhiên liệu khí, tạo thuận lợi cho việc nghiên cứu và tối ưu hóa quá trình cháy của các loại nhiên liệu mới.

Quá trình truyền nhiệt trong buồng cháy đẳng tích

Để phân tích quá trình truyền nhiệt trong buồng cháy, mô hình truyền nhiệt hai khu vực đƣợc áp dụng để tính truyền nhiệt [26]

Các thông số P, V, T và m lần lƣợt là các đại lƣợng áp suất, thể tích, nhiệt độ và khối lƣợng của hỗn hợp khí và Q r là lƣợng nhiệt tỏa ra khi cháy nhiên liệu, và u, b tương ứng với các vùng khí chư cháy (un urn) và vùng khí đã cháy ( urn) Các giả thuyết bài toán bao gồm:

Hình 2.10: Mô hình buồng cháy hai khu vực

34 1) Khí hỗn hợp được coi như khí l tưởng

2) Vùng cháy hoàn toàn diễn ra rất nh nh khi vùng khí chƣ cháy thâm nhập vào vùng đã cháy

3) Áp suất đạt đến giá trị cân bằng ổn định, không có sự khác biệt áp suất giữa hai vùng đã cháy và chƣ cháy

4) Không xảy ra rò rỉ khí trong quá trình cháy và nhiệt độ đạt đến nhiệt độ mong muốn ở cả vùng cháy và chƣ cháy

5) Khí chƣ cháy đƣợc xem nhƣ là hỗn hợp của diesel và không khí

Khi đó, phương trình bảo toàn khối lượng được hình thành theo công thức: u b dm dm dt   dt (2.10)

Từ phương trình ảo toàn năng lượng, ta thiết lập 2 công thức sau :

P h dt   dt  dt  dt  dt (2.12)

Bởi theo giả thuyết (3) về áp suất tương tự giữ h i vùng khí cháy và chư cháy, cũng như giả thuyết (1) về khí l tưởng t có phương trình được thiết lập như s u: b b b u u u b u m R T m R T

Từ các công thức trên, t suy r đƣợc công thức tổng quát:

1 1 u u u u u u u u dQ T dP dt dT Pdt m R dt du

R b r u b b b b u u u b b b b b b u b b u u b b b dQ dQ dT du dP du m du V m R PdV V dt dt dt R dT dt R dT V dT V dm dt R du u u T T dT

1 1 1 b u u u u u dV dm dT dP dV dt V m dt T dt p dT dt

Tính toán truyền nhiệt: việc tính toán này dựa trên cả hai thuyết truyền nhiệt đối lưu và ức xạ nhiệt

Hệ số truyền nhiệt đối lưu được tính theo công thức sau: e c

- λ : hệ số truyền nhiệt khí (KW.m -2 K -1 ) - Lc : độ dài đặc trƣng

- Re : hệ số Reynold, với R e  vL c

  , với  : vận tốc , à: độ nhớt động học Truyền nhiệt do bức xạ, qR đƣợc tính theo công thức sau:

Do đó, nhiệt lƣợng tức thời truyền qua thành vách, dQu/dt và nhiệt lƣợng tức thời truyền từ khu vực cháy đến khu vực chƣ cháy đƣợc tính theo công thức sau, dQ /dt đƣợc xác định nhƣ s u:

 4 4  b f b u b u dQ A T T K T T dt       (2.19) Đây là công thức truyền nhiệt Ann nd điển hình, với K =1.5 A: diện tích mặt tiếp xúc

A f : diện tích ngọn l a dạng cầu đƣợc tính nhƣ s u: A f = (4π) 1/3 (3V b ) 2/3 T b , T u , T w : nhiệt độ khí cháy và chư cháy, nhiệt độ thành vách tương ứng

Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy sự ảnh hưởng của tỷ lệ không khí và nhiên liệu, ảnh hưởng của áp suất hỗn hợp hòa trộn nhiên liệu đến nhiệt lượng tỏa ra gần giống với kết quả tính toán lý thuyết [26]

THIẾT Ế TR CHUNG U NG CH NG T CH

Các hệ thống phụ trợ

Quá trình cháy nhiên liệu trong buồng cháy đẳng tích bắt nguồn từ hỗn hợp hòa khí bao gồm các thành phần khí trộn lẫn từ bên ngoài Hỗn hợp này được đốt cháy bởi tia lửa từ bugi, tạo ra nhiệt độ và áp suất cao nhờ sản phẩm cháy của hỗn hợp.

Mục đích đốt cháy hỗn hợp khí là để tạo r môi trường mô phỏng điều kiện cháy của các nhiên liệu th nghiệm Vì thế để có đƣợc hỗn hợp khí phù hợp với mục đích nghiên cứu thì cần có một hệ thống hòa trộn hoàn chỉnh từ khâu trích dẫn các thành phần khí đến bình chứa hỗn hợp và s u đó đến buồng cháy Các khí từ các bình chứ đƣợc trích dẫn theo tỉ lệ thành phần phần trăm các chất đến bình chứa khí hỗn hợp đƣợc thiết kế chế tạo riêng, sau khi các chất khí này đƣợc hòa trộn thì đƣợc đƣ vào uồng cháy một lượng được tính toán trước để s u khi cháy, lượng khí này cho ra sản phẩm cháy mong

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống hòa trộn hỗn hợp khí sơ cấp

42 muốn Để thành phần các khí ổn định và chính xác thì hệ thống hòa trộn theo hình 3.1 bao gồm các chi tiết nhƣ: các ình chứa khí (1,2,3,4), các van khóa (9,10,11,12,17,18), v n điều áp (5,6,7,8), đường ống dẫn khí, bình chứa hỗn hợp khí sơ cấp (13), đồng hồ do áp suất (15), đồng hồ do áp suất chân không (14) và ơm chân không (16). a) Các bình chứa khí

Hỗn hợp các khí s u khi đốt cháy tạo ra nhiệt độ và áp suất c o, đồng thời sau khi cháy sản phẩm cháy thỏ điện kiện mô phỏng nhƣ 20%, 15% hoặc 10% ô xi vì vậy hỗn hợp khí có thể là các chất khí nhƣ : ô xi (O 2 ) dùng để tạo ra phần trăm ô xi còn lại sau khi hỗn hợp cháy, nitơ (N 2 ) dùng để tạo r khí trơ có phần trăm ni tơ s u khi cháy giống với phần trăm nitơ có trong không khí (trong không khí nitơ chiếm khoảng 4/5), khí exetylen (C2H2) hoặc etilen (C2H4) và khí hydro (H2) dùng để tạo nhiệt lƣợng và áp suất trong buồng cháy

Các bình chứ các khí này thường là các bình chứa công nghiệp với độ an toàn chế tạo theo tiêu chuẩn Việt Nam Tùy thuộc vào số lần s dụng nghiên cứu mà ta chọn các loại bình có dung tích và áp lực bình phù hợp b) Các v n khó và v n điều áp

Các bình chứa được kết nối với van khóa, sau đó đến van điều áp Van khóa có nhiệm vụ đóng hoặc mở để dẫn khí từ bình chứa đi, trong khi van điều áp giúp ổn định áp suất khí theo nhu cầu sử dụng.

Với điều kiện về khả năng n toàn, về độ chính xác và khả năng làm việc dưới áp suất cao, ta cần tính toán chọn loại van phù hợp Kích thước đầu v n cũng cần phải quan tâm để phù hợp trong việc lắp ghép với đường ống c) Đường ống dẫn khí Đường ống dẫn khí là bộ phận không thể thiếu, nhờ có đường ống dẫn mà các khí được lưu chuyển đến bình chứa hỗn hợp Ngoài việc đảm bảo về sự lưu thông dòng khí, mà các đường ống phải có khả năng chịu được áp suất khí ên trong, tránh trường

43 hợp ống không đủ độ bền làm bể ống khi áp suất cao và làm rò rỉ các khí điều này gây nguy hiểm nghiêm trọng trong an toàn khi s dụng Ống dẫn khí có hai loại : ống mềm (gồm các ống nylone, polyme, các ống chuyên biệt làm bằng cao su dẻo…) và ống cứng (có thể là bằng đồng hoặc bằng hợp kim nhôm) Ống mềm có khả năng dẫn đường ống đến vị trí mong muốn một cách dễ dàng, nhưng khả năng chịu bền của ống mềm thì không bằng ống cứng tương ứng d) Bình chứa hỗn hợp khí sơ cấp

Hỗn hợp các khí đƣợc hòa trộn theo tỉ lệ về phần trăm các chất, thì bình chứa hỗn hợp là nơi đƣợc dùng để làm nhiệm vụ hòa trộn các khí S u khi đƣợc tính toán, các khí đƣợc đƣ lần lƣợt vào bình chứa Bình chứa phải đƣợc thiết kế và chọn sao cho thể tích bình chứa phải có đủ lƣợng hỗn hợp khí dùng để th nghiệm Bình chứa phải đƣợc làm từ vật liệu có độ bền c o để đảm bảo tính an toàn về áp suất cao chứa trong bình và kỹ thuật chế tạo tốt để tránh việc rò rỉ khí r môi trường gây nguy hiểm e) Đồng hồ đo áp suất bên trong bình chứa hỗn hợp khí Đƣợc dùng để đo áp suất khí bên trong bình chứ , các khí đƣợc đƣ vào ình chứa theo áp suất riêng phần, vì vậy việc đo và hiển thị áp suất bên trong bình chứa là cần thiết, đồng thời cảnh báo khả năng gây nguy hiểm khi nạp các khí quá sức chứa của bình Ngoài việc đo áp suất dương trong ình chứa, thì trong hệ thống này cần có thêm một áp kế để đo áp suất chân không trong bình chứa với độ chính xác cao Việc lắp thêm áp kế đo chân không sẽ cho ta biết bình chứ trước khi nạp các khí thì trạng thái trong ình có đƣợc rút chân không hay không, nhằm giúp cho việc hòa trộn các khí theo áp suất riêng phần một cách chính xác f) Bơm chân không

Trước khi nạp các khí vào bình chứa phải đảm bảo áp suất trong bình chứa phải về áp suất chân không, bởi vì việc hòa trộn khí dựa trên áp suất riêng phần và đƣợc đo ở dạng áp suất tuyệt đối nên cần có ơm chân không để rút chân không trong ình trước

44 khi thực hiện việc hòa trộn Có nhiều loại và công suất khác nh u cho máy ơm chân không nên công tác chọn ơm chân không để s dụng cũng cần quan tâm Nhằm giảm khả năng về tính cồng kềnh của hệ thống và tính kinh tế, ta cần chọn ơm chân không có công suất làm việc vừ đủ để hạn chế các mặt không cần thiết trên

3.3.2 Hệ thống huấy hỗn hợp

Theo hình 3 4 sơ đồ hệ thống khuấy hỗn hợp gồm nguồn điện (1), bộ điều chỉnh điện áp (2), cụm mô tơ (3) và cụm quạt khuấy (4,5) Chức năng của hệ thống khuấy là: tăng tốc độ lan truyền màng l a trong quá trình cháy hỗn hợp khí hòa trộn để tạo môi trường th nghiệm mong muốn, giữ nhiệt độ trong buồng cháy tại mọi điểm một cách đồng đều s u khi đốt cháy hỗn hợp khí hòa trộn đến thời điểm phun nhiên liệu (diesel)

- đây là mục tiêu quan trọng nhất vì nó tạo r môi trường mô phỏng trong buồng cháy đẳng tích giống với môi trường cuối nén trong động cơ đốt trong một cách chính xác nhất Quạt khuấy quay với một tốc độ nhất định theo một hướng kéo khí từ trung tâm buồng cháy và đẩy ra sau dọc theo vách tường buồng cháy, với cách chuyển động dòng khí này đáp ứng đƣợc tất cả các điều kiện th nghiệm Nếu không có quạt khuấy,quá trình cháy diển ra dài và không giống quá trình cháy trong động cơ, điển hình là để đốt cháy hỗn hợp khí hòa trộn phải mất vài trăm mili giây và s u khi cháy nhiệt độ trong buồng cháy không đồng đều, đó là kết quả của sự cháy phân tầng theo chiều dọc của buồng cháy.

Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống khuấy

45 Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tốc độ tiêu thụ nhiên liệu hay tốc độ tỏa nhiệt đƣợc khống chế bởi tốc độ hòa trộn nhiên liệu - không khí Các tính toán tốc độ hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu - không khí để đạt đƣợc giới hạn tự bốc cháy dựa trên các mô hình dòng tia rối cho thấy tốc độ hòa trộn và tốc độ cháy cùng độ lớn Qu đó t thấy sự cháy bên trong động cơ phụ thuộc vào độ rối của chính buồng cháy đó tạo r Cơ chế hình thành hỗn hợp nhiên liệu - không khí trong buồng cháy đẳng tích hoàn toàn không giống như trong động cơ thông thường Khả năng hò trộn hỗn hợp, thúc đẩy điều kiện quá trình cháy trở nên thuận lợi là nhờ vào độ rối đƣợc tạo ra bởi hệ thống quạt khuấy, hệ thống này đƣợc thiết kế riêng dùng cho buồng cháy đẳng tích

Hệ thống khuấy đảm bảo phân bố đều đặn mật độ hỗn hợp khí sơ cấp trong buồng đốt, giúp hỗn hợp khí cháy đồng bộ Ngoài ra, hệ thống này còn cân bằng nhiệt độ tại mọi vị trí trong buồng đốt thông qua sự quay của quạt khuấy, tạo ra các luồng khí nóng tuần hoàn liên tục bên trong Hệ thống còn tạo ra độ rối luồng khí tương tự như trong động cơ đốt trong Tốc độ quay quạt thích hợp sẽ hỗ trợ nghiên cứu về độ rối, thời gian cháy trễ và truyền nhiệt.

Hệ số độ rối trong pit tông là:

S p vận tốc dịch chuyển đỉnh pit tông, là tốc độ tức thời của pit tông

Ta lại có giá trị biểu diển mối liên hệ độ rối: w

46 Với Av là diện tích rối, L là hành trình pit tông (stroke), vw = Sp, V là độ nhớt động học , hệ số Reynold là Re= (vw.L/v)

Ta lại có hệ số Reynold ly tâm là:

  (3.3) d k : Đường kính cánh khuấy ρ, à : Khối lƣợng riờng và độ nhớt của mụi chất (khớ)

Có 3 dạng dòng chảy chính: dòng chảy ổn định, trung gian và dòng chảy rối [27 ]

Các dòng chảy này đƣợc thể hiện bởi hình 3.3

THIẾT KẾ KỸ THUẬT CỤM BU NG CHÁY

Nhiệm vụ và yêu cầu thiết kế

Buồng cháy đẳng tích là công cụ dùng để nghiên cứu đặc tính quá trình cháy và quá trình hình thành phát triển tia phun trên các loại nhiên liệu khác nh u Nhƣ vậy buồng cháy đẳng tích cần phải đáp ứng các yêu cầu cơ ản s u: đảm bảo các điều kiện an toàn về các mặt nhƣ nhiệt độ, áp suất, tính bền của buồng cháy Buồng cháy phải thực hiện đƣợc chức năng mô phỏng điều kiện quá trình cháy diessel Ứng dụng thực nghiệm đƣợc trên các loại nhiên liệu khác nhau (khí hoặc lỏng) Có khả năng ghi hình lại diễn biến các quá trình từ sự hình thành ti phun đến kết thúc quá trình cháy

Cháy là phản ứng hóa học tỏa nhiệt nhanh của hỗn hợp không khí và nhiên liệu

Trong buồng cháy đẳng tích, quá trình cháy tạo ra áp suất tăng đột ngột kèm theo giải phóng nhiệt Áp suất có thể đạt tới 10 MPa, do đó cần chú ý đến giới hạn chịu lực của buồng cháy khi thiết kế để lựa chọn vật liệu chế tạo phù hợp.

Bên cạnh đó, để buồng cháy thực hiện đƣợc chức năng mô phỏng điều kiện quá trình cháy diessel, trước tiên cần phải có hệ thống lưu trữ và cung cấp hỗn hợp khí sơ cấp Hỗn hợp các khí này cần phải đƣợc tính toán để sau khi cháy, hỗn hợp này tạo ra môi trường phù hợp với mục đích nghiên cứu Ngoài r , để hổ trợ việc đốt cháy hỗn hợp sơ cấp và việc ứng dụng nghiên cứu các loại nhiên liệu cháy cƣỡng bức cần có hệ thống đánh l để thực hiện chức năng đốt cháy Môi trường trong buồng cháy là đẳng tích hoàn toàn không giống nhƣ trong uồng cháy củ động cơ pittông, việc tạo ra xoáy lốc và cân bằng nhiệt độ trong buồng cháy đẳng tích thì cần có một hệ thống hỗ trợ và đảm nhiệm, hệ thống này cũng tương đối quan trọng vì sự hoạt động của hệ thống này có ảnh hưởng nhiều đến quá trình cháy, sự phát triển màng l a

61 Để nhiên liệu đi vào và ị đốt cháy ngay bên trong buồng cháy thì cần có một hệ thống dẫn nhiên liệu hoàn chỉnh từ bình chứ đến buồng cháy thông qua các thiết bị phụ trợ, nhiên liệu (khí hoặc lỏng) đƣợc cung cấp vào buồng cháy đảm bảo áp suất phun và thời điểm phun Việc xác định thời điểm phun nhiên liệu vào đúng ng y tại nhiệt độ và áp suất mong muốn thì cần có hệ thống đo nhận tín hiệu áp suất bên trong buồng cháy Tín hiệu áp suất này ở dạng analog cần đƣợc chuyển đổi sang tín hiệu digit l để đƣ về bộ x lí trung tâm Bộ x lí trung tâm làm nhiệm vụ điều khiển mọi quá trình hoạt động của buồng cháy đẳng tích nhƣ là thời gian bắt đầuđánh l a hoặc thời điểm đóng mở kim phun, truy xuất dữ liệu và g i tín hiệu áp suất lên màn hình vi tính

Căn cứ các yêu cầu đặt ra, buồng cháy đẳng tích gồm các hệ thống cơ ản dưới đây:

(1) Hệ thống tạo hỗn hợp sơ cấp (2) Hệ thống khuấy hỗn hợp (3) Hệ thống cung cấp nhiên liệu (4) Hệ thống đo áp suất

(5) Hệ thống điều khiển (6) Hệ thống đánh l a

Phân tích lựa chọn phương án thiết kế cụm buồng cháy

Từ khi buồng cháy đẳng tích đƣợc biết đến nhƣ là công cụ nghiên cứu cơ ản về sự cháy và tia phun, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã vận động và sáng tạo ra nhiều hình dạng buồng cháy với kết cấu và công dụng khác nhau dựa trên mục đích nghiên cứu riêng của từng nhà chế tạo Dù buồng cháy có ở hình dạng hay cách thức thực nghiệm nào đi chăng nữ , chúng đều hoạt động dựa trên một nguyên l chung đó là tạo

62 r môi trường giả lập giống môi trường cháy diesel phù hợp với điều kiện cháy của nhiên liệu Các kiểu loại buồng cháy đẳng tích đƣợc phân loại nhƣ s u: a Theo phương pháp hình thành môi trường mô phỏng: môi trường mô phỏng giống điều kiện cháy diesel gồm có hai yếu tố quan trọng đó là nhiệt độ và áp suất

- Phương pháp tạo ra nhiệt độ và áp suất từ bên ngoài buồng cháy Trước tiên ta có thể gia nhiệt cho buồng cháy bằng hệ thống dây maixo quấn quanh buồng cháy, sau đó t nén không khí trong buồng cháy tới áp suất mong muốn, nhiệt độ và áp suất lúc này phù hợp với điều kiện chớp cháy của nhiên liệu đ ng khảo sát (đối vơi nhiên liệu diesel T = 700÷900 o K, P = 3÷4 MPa), nhiên liệu đƣợc phun vào và bốc cháy Ƣu điểm của cách làm này là không quá phức tạp và dể dàng thực hiện, thời gian chuẩn bị phun nhiên liệu dài góp phần kiểm soát quá trình phun một cách hiệu quả Nhƣợc điểm: năng lƣợng dùng để cung cấp cho dây maixo truyền nhiệt làm nóng buồng cháy là rất lớn, thời gian thiết lập lại thí nghiệm sau mỗi lần th nghiệm tương đối dài lí do là chờ cho nhiệt của buồng cháy hạ xuống Nhƣợc điểm đáng qu n tâm của hệ thống này là nhiên liệu th nghiệm bị hạn chế, một số nhiên liệu có tính chất cháy cƣỡng bức có khả năng không dùng đƣợc trên hệ thông này vì muốn nhiên liệu này cháy đƣợc cần phải có tia l điện

Để mô phỏng rộng các loại nhiên liệu, phương pháp tạo nhiệt và áp suất trong buồng đốt là đốt cháy hỗn hợp khí sơ cấp với thành phần oxy được tính toán trước Hỗn hợp này cháy nhờ tia lửa điện bugi, sinh nhiệt và áp suất tăng cao rồi giảm dần theo sự truyền nhiệt trong buồng đốt Để phun nhiên liệu chính xác cần sử dụng công cụ hỗ trợ tính toán và điều khiển kim phun.

63 b Theo hình dạng bên trong buồng cháy: trong quá trình nghiên cứu, để giả lập môi trường cháy như trong động cơ pittông, thì hình dạng buồng cháy sao cho gần giống với động cơ thực Nghĩ là quá trình từ khi kim phun mở cho đến khi nhiên liệu v đập vào thành buồng cháy giống với tia nhiên liệu đƣợc phun r và đến đỉnh pít tông ở động cơ thực Buồng cháy đẳng tích phải có không gi n đủ lớn để có quá trình hình thành và phát triển tia phun một cách ình thường

- Hình trụ tròn: khi xét đến sự phát triển tia phun, góc phun và sự hình thành quá trình cháy thì việc nghiên cứu đánh giá trên một ti phun là đủ Điều này cũng giống nhƣ trong quá trình mô phỏng trên các phần mềm mô phỏng chuyên biệt Khi xem xét người t cũng chỉ xét trên một tia phun Dựa vào chiều dài, góc phun và cách bố trí các chi tiết lên buồng cháy mà buồng cháy đƣợc xây dựng có dạng hình trụ tròn

Hình dạng buồng cháy hình cầu được thiết kế dựa trên nghiên cứu về sự hình thành hỗn hợp không khí và nhiên liệu bên trong buồng cháy Để xác định độ rối và hiệu suất cháy của hỗn hợp nhiên liệu được phun vào buồng cháy bởi nhiều tia phun, cần có hình dạng buồng cháy phù hợp, trong đó hình cầu là một lựa chọn.

64 c) Theo mục đích nghiên cứu

Tại phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, với hệ thống buồng cháy đƣợc thiết kế có thể mô phỏng được điều kiện môi trường phun nhiên liệu trên một dải rộng Với dải nhiệt độ từ 450 o K đến 1300 o K, áp suất phun từ 40 MP đến 200 MPa, mật độ khí từ 3 đến 60 kg/m 3 , kích thước lỗ phun 0,05-0,5 mm có thể nghiên cứu cải thiện các mô hình động cơ cơ ản và là tiền đề cho sự phát triển các loại động cơ mới Với tính năng làm việc nhƣ trên uồng cháy tại Sandia (hình 4.2) phải có hình dạng một buồng cháy lớn, chi tiết gia công có phần phức tạp

Hình 4.2: Hình buồng cháy đẳng tích tại phòng thí nghiệm Sandia

Hình 4.3: Hình buồng cháy đẳng tích tại trường Đại học Ghent

65 Không chỉ dừng ở áp suất thấp, buồng cháy tại trường đại học Ghent (hình 4.3) có áp suất cực đại là 35 MPa với tổng thể tích là gần 1dm 3 , hệ thống sấy nóng đường nhiên liệu lên đến 150 o C và hệ thống máy camera ghi hình tốc độ cao phù hợp cho sự nghiên cứu nhiên liệu có độ nhớt cao

Ngoài ra, một số buồng cháy chuyên dùng để nghiên cứu về quá trình cháy sạch dành cho nhiên liệu phun trực tiếp, tối ƣu hó cơ chế đánh l a cho hỗn hợp nhiên liệu và không khí, nghiên cứu động lực học và kiểm soát he t rele se cho động cơ phun trực tiếp PCCI a) Buồng cháy tại trường ĐH Kyushu b) Buồng cháy tại trường ĐH RWTH Aachen của Đức c) Buồng cháy tại trường ĐH Kyoto d) Buồng cháy tại trường ĐH N m C liforni

Hình 4.4: Hình ảnh buồng cháy của một số trường đại học

66 Căn cứ vào cách phân loại và mục tiêu nghiên cứu, trong đề tài này ta chọn hình dạng bên trong buồng cháy là hình trụ tròn làm cơ sở thiết kế, phương pháp tạo môi trường mô phỏng bằng cách đốt hỗn hợp hòa khí bằng tia l điện, với cách chọn này thì buồng cháy đẳng tích dùng để nghiên cứu quá trình cháy, quá trình hình thành và phát triển tia phun là chủ yếu

4.2.2 Tính chọn các thông số cơ bản của buồng cháy

Buồng cháy đẳng tích có dạng hình trụ tròn, đƣợc thiết kế nằm ngang, hai bên là hệ thống c a buồng cháy dùng để ghi hình các quá trình diễn ra bên trong buồng cháy phục vụ cho việc nghiên cứu, trên thân trụ đƣợc gắn các cụm hệ thống hỗ trợ cho quá trình hoạt động của thí nghiệm, trong số các cụm hệ thống đó thì hệ thống kim phun đáng đƣợc quan tâm nhất Vì hình dạng buồng cháy đƣợc thiết kế trên cơ sở nghiên cứu về tia phun, nên các thông số cơ ản của buồng cháy như đường kính và chiều rộng phải thực sự phù hợp với sự phát triển ti phun Nhƣ vậy ta cần phải khảo sát tính chất củ ti phun nhƣ chiều dài, chiều rộng tia nhiên liệu và góc mở kim phun để từ đó có cơ sở để chọn r kích thước buồng cháy a Khảo sát tia phun

Trong những năm gần đây, nghiên cứu quá trình phun nhiên liệu đóng vai trò quan trọng nhằm khám phá cơ chế hoạt động của tia phun trong buồng đốt Việc hiểu sâu về quá trình này giúp tối ưu hóa hoạt động phun nhiên liệu, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường đồng thời nâng cao hiệu suất động cơ.

- Chiều dài tia phun (Spray tip penetration) Độ dài ti phun đƣợc định nghĩ là toàn ộ khoảng cách đƣợc bao phủ bởi tia phun trong thể tích nhất định và đƣợc định nghĩ ởi sự cân bằng của 2 yếu tố, thứ nhất là giá trị động lượng cung cấp cho nhiên liệu và thứ hai là lực cản củ môi trường khí trong buồng cháy

67 Bởi sự ảnh hưởng củ m sát, năng lượng động học chất lỏng được chuyển dần vào chuyển động của dòng khí trong buồng cháy Năng lƣợng này sẽ giảm liên tục cho tới khi sự chuyển động của của các giọt nhỏ (droplet) phụ thuộc hoàn toàn vào sự chuyển động của dòng khí trong buồng cháy

Thiết kế kỹ thuật buồng cháy

a) Chọn áp suất làm việc buồng cháy

So sánh giữ động cơ diesel, động cơ khí (g ) và động cơ xăng thì động cơ diesel là loại có tỉ số nén cao nhất Ở động cơ xăng tỉ số nén nằm trong khoảng ε = 7÷10, tỉ số nén củ động cơ khí ε = 10÷13 và động cơ diesel là ε ÷23 Tỉ số nén cao cho ta áp suất tại cuối quá trình nén trong động cơ c o, dẫn đến áp suất cháy cao nên có lợi về tính kinh tế Ngoài ra tỉ số nén còn phụ thuộc vào nhiên liệu s dụng Ở động cơ xăng thì tỉ số nén đƣợc quy định bằng tính chống kích nổ còn ở động cơ diesel thì dựa vào tính tự bốc cháy của nhiên liệu Nhƣ vậy cho thấy kết cấu của từng loại động cơ thì hoàn toàn phụ thuộc vào tỉ số nén

Buồng cháy đẳng tích thực hiện chức năng mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu nhƣ trong động cơ thực, vì thế để xây dựng buồng cháy thì các thông số về tỉ số nén, nhiệt

SB –Phần t biên CL – Lọc gió R – Phần t cản dòng MP – Điểm đo

C – Xy-lanh PL – Bình tiêu âm 1…7 – Các ống

Hình 4.6: Mô hình mô phỏng động cơ 1 xy l nh

71 độ và áp suất là những yếu tố cần đƣợc quan tâm, thông tin từ các yếu tố này sẽ làm cơ sở tính bền cho buồng cháy S u đây trình ày khảo sát nhiệt độ và áp suất cực đại theo tỉ số nén tương ứng với tỉ số nén củ động cơ diesel ằng phần mềm chuyên dùng AVL Boost

Phần mềm AVL Boost hiện n y đƣợc s dụng rộng rãi để mô phỏng động cơ 4 kỳ hay 2 kỳ Nó đƣợc s dụng để mô phỏng từ những động cơ có dung tích nhỏ nhƣ động cơ của môtô, hay những động cơ s dụng cho mục đích công nghiệp đến những động cơ có dung tích lớn Hình 4.6 là mô hình mô phỏng đƣợc thiết lập dựa trên kết cấu thực tế củ dòng động cơ diesel 1xy bằng phần mềm mô phỏng AVL Boost

Trong phương pháp mô phỏng, các thông số được khai báo sẵn, ngoại trừ đường kính và hành trình (DxS) Hai thông số này thay đổi theo tỷ số nén.

Theo Bảng 4.2, với số vòng quay 2400 v/p và tỉ số nén 22, áp suất cực đại PZ đạt 10 MPa Ngược lại, ở tỉ số nén 16,5, nhiệt độ cực đại TZ đạt 2270 o K Các thông số này được ghi nhận vào thời điểm đo tương ứng với góc quay trục khuỷu.

Bảng 4.1 Các thông số khai báo khi mô phỏng

THÔNG SỐ ĐƠN VỊ GIÁ TRỊ

Loại động cơ Động cơ diesel 4 kỳ, 1xy-lanh nằm ngang

Chiều dài cần trục mm 145

Thời điểm bắt đầu cháy deg -200

Thời gian cháy deg 80 Đường kính xupap nạp mm 42 Đường kính xupap thải mm 36

Chiều dài cam nạp deg 310

Chiều dài cam thải deg 310

Hệ thống nhiên liệu Phun nhiên liệu trực tiếp

Mô phỏng tại số vòng quay 2400 v/p

72 Với sự phân tích ở trên, ta chọn áp suất làm việc của buồng cháy là P = 10 MPa, với áp suất này buồng cháy có thể hoạt động ổn định khi mô phỏng quá trình cháy diesel với tỉ số nén cao b) Thiết kế thân buồng cháy Để chế tạo buồng cháy, ta chọn vật liệu chế tạo là thép không rỉ có mác thép là 304 theo tiêu chuẩn ASTM A24M Thành phần cơ tính củ thép 304 đƣợc trình bày ở phụ lục 2

Theo công thức tính bền đối với bài toán có vỏ là trụ trongđường kính D = 80mm, chiều dày t, hệ số an toàn k = 1.5, chịu áp suất bên trong P = 10MPa Pmax = P.k 10.1,5 = 15 MPa

Bình chứa hình trụ tròn nên ta có: r k   , v 2 r  D

 ứng suất pháp vĩ tuyến : v P r v

Vì là khối hình trụ tròn nên ta có ứng suất kinh tuyến : v 4.

  t Bảng 4.2 Nhiệt độ và áp suất cực đại tương ứng với tỉ số nén

Góc quay trục khuỷu s u ĐCT( o )

Pz (Mpa) Góc quay trục khuỷu s u ĐCT( o )

73 Hình 4.7 Ứng suất tác dụng bên trong buồng cháy Ứng suất đạt đƣợc:    k 2  v 2   k v (4.6) T tính đƣợc ứng suất của vỏ theo chiều dày vật liệu: t (mm) 10 20 30 40 50 ζ (MP ) 52 26 17 13 10

Mặt khác ta có ứng suất bền và ứng suất chảy của thép 304 là: [ζ b ] = 515 MPa min , [ζchảy] = 205 MPa min

Hình 4.8 Sự chuyển vị của buồng cháy

74 1 Đ i ốc 4 Gioăng 7 Thân buồng cháy 2 Long đền 5 C a buồng cháy 8 Bu lông

3 Nắp chặn c a 6 Vít cấy 9 Chân đế buồng cháy

Hình 4.9 Cấu tạo cụm buồng cháy Lựa chọn bề dầy buồng cháy ta cần phải xem xét các yếu tố sau: theo cách bố trí cũng như kích thước của các chi tiết trên buồng cháy như kim phun, cảm biến áp suất, bugi, các van nạp và van xả sao cho bề dầy của buồng cháy đủ lớn để gắn đƣợc các chi tiết này lên phù hợp với yêu cầu kỹ thuật Ngoài ra, cần trọn bề dầy buồng cháy hợp lý để phôi chế tạo càng nhỏ càng dể gia công có lợi về mặt kinh tế cũng nhƣ về kỹ thuật Để dung hòa các yếu tố trên ta chọn bề dầy buồng cháy là t = 30 mm

Ứng suất bên trong buồng cháy được tính toán là 17 MPa, thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép 205 MPa Điều này cho thấy buồng cháy có độ dày 30 mm có thể chịu được ứng suất tác dụng Mô phỏng bằng phần mềm Ansys cũng cho kết quả tương tự, với ứng suất tối đa trong buồng cháy là 16,233 MPa Những kết quả này khẳng định rằng buồng cháy dày 30 mm có độ bền đảm bảo.

75 bền Hình 4.8 cho thấy với áp suất cực đại, thì buồng cháy có độ chuyển vị rất bé khoảng 0,0015 mm Như vậy, buồng cháy hoàn toàn hoạt động ình thường với các thông số kích thước được chọn như trên

Buồng cháy được thiết kế có dạng hình trụ tròn, có đường kính trong là 80 mm, đường kính ngoài là 140 mm và chiều dài 30 mm Tổng thể tích buồng cháy sấp sỉ khoảng 150 cm 3 Hình 4.9 thể hiện cấu tạo cụm buồng cháy, trên buồng cháy có khoan một số lỗ để gắn các chi tiết nhƣ kim phun, quạt khuấy, cảm biến áp suất, bugi, van nạp và van xả Bên hông buồng cháy có 2 nắp chặn c Để gắn chặt nắp chặn c a và buồng cháy thì mỗi bên buồng cháy có khoan 6 lỗ ren M12 với độ sâu 20 mm, vít cấy và đai ốc đƣợc dùng để xiết chặt và cố định c a buồng cháy Tại vị trí bắt quạt khuấy và kim phun trên thành buồng cháy, có khoan 2 lỗ ren M8 với độ sâu từ 15mm, mục đích là để gắn chặt quạt khuấy và kim phun vào buồng cháy đảm bảo khi buồng cháy hoạt động giữ cho quạt khuấy và kim phun hoạt động ình thường không bị văng r do bị lực đẩy bởi áp suất bên trong buồng cháy Dưới đáy uồng cháy có khoan 4 lỗ ren M8 độ sâu 10 mm, dùng để cố định buồng cháy và chân đế giữ cho buồng cháy đứng vững khi hoạt động Chân đế có nhiệm vụ giữ chặt và giúp buồng cháy đứng vững, việc quan sát và thiết lập thí nghiệm cũng trở nên thuận tiện, dể dàng hơn Bản vẻ chế tạo xem trong phụ lục 2 c) Thiết kế c a sổ buồng cháy Điều kiện làm việc của c a sổ là phải chịu đƣợc nhiệt độ cao, áp suất cao, có cấu tạo đơn giản, dễ tháo lắp, phục vụ trong việc vệ sinh bên trong buồng cháy sau mỗi lần th nghiệm hoặc cần ghi hình các quá trình diễn ra bên trong buồng cháy C đƣợc chế tạo bằng thép 304, nếu dùng vào việc chụp ảnh thì c a đƣợc làm bằng tinh thể thạch anh

76 Thạch nh có độ cứng đứng thứ 7 trong th ng đo độ cứng Mohs, vì thành phần hóa lý tính của thạch nh hơn hẳn thủy tinh nên ta chọn thạch anh làm vật liệu để chế tạo Để chọn bề dầy của của thạnh anh ta tính theo công thức sau [31]:

P: Độ chênh lệch áp suất (Pa) d o :Đường kính mặt áp suất tác dụng (mm)

S max : Ứng suất cực đại của thạch anh (7.10 6 Pa) t: Bề dầy (mm)

Với áp suất cực đại trong buồng cháy là Pmax = 15 MP , đường kính mặt áp suất tác dụng trực tiếp là 30 mm thay số vào công thức (4.7) ta có bề rộng của thạch anh là 19.292 mm Ta chọn bề đầy là 20 mm d) Tính chọn gioăng làm kín

Gioăng làm kín đảm bảo độ kín khít giữa các bề mặt của buồng cháy và c a buồng cháy, chịu đƣợc nhiệt độ cao và áp suất cao, dễ gia công, dễ thay thế Ta chọn gioăng đƣợc làm bằng vật liệu teflon

Thiết kế kỹ thuật hệ thống tạo hỗn hợp sơ cấp

Phản ứng hóa học là quá trình chuyển đổi vật chất, trong đó các liên kết hóa học trong chất phản ứng thay đổi để tạo ra chất mới (sản phẩm) Quá trình này luôn kèm theo sự thay đổi năng lượng và tuân theo định luật bảo toàn năng lượng Phản ứng hóa học kết thúc khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng hóa học, tức là khi nồng độ các chất phản ứng và sản phẩm không còn thay đổi, hoặc khi các chất phản ứng đã được chuyển đổi hoàn toàn.

Phản ứng hóa học có thể xảy ra theo cách "tức thời", không cần cung cấp năng lượng ban đầu hoặc "không tức thời", đòi hỏi năng lượng đầu vào (nhiệt, ánh sáng hoặc điện) Thông thường, phản ứng hóa học liên quan đến sự chuyển động của electron khi tạo hoặc phá vỡ các liên kết hóa học.

Vận tốc phản ứng đƣợc đo ằng sự th y đổi theo thời gian của nồng ðộ hoặc áp suất của một chất phản ứng hoặc một chất sản phẩm Việc phân tắch vận tốc phản ứng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực trong đó có việc nghiên cứu cân bằng hóa học

Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: nồng độ của các chất tham gia phản ứng, diện tích tiếp xúc giữa các chất tham gia phản ứng, áp suất, năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng, nhiệt độ, chất xúc tác Để tạo r môi trường nhiệt độ và áp suất tương tự như môi trường cuối nén trong động cơ diesel, hỗn hợp khí đƣợc s dụng bao gồm: C2H4, H2, O2, N2 đƣợc pha trộn với tỷ lệ tính toán Phương trình phả ứng hóa học xảy r như s u:

Bảng 4.3 Phần trăm các khí tại thời điểm phun nhiên liệu và trước khi đánh l a

Thành phần chất phản ứng (thành phần trước đánh l a)

Sản phẩm cháy (%) (thành phần các chất bắt đầu phun nhiên liệu) C 2 H 4 H 2 O 2 N 2 MW O 2 N 2 CO 2 H 2 O MW

80 Phản ứng xảy r ình thường và cho ra 100 mol sản phẩm với giả định là quá trình cháy hoàn toàn và sản phẩm cháy ình thường Bảng 4.3 cho thấy số mol của các chất phản ứng và khối lượng phân t của các chất trước phản ứng để sau quá trình phản ứng t thu đƣợc số mol O2 cần thiết để phục vụ nghiên cứu

4.4.2 Tính toán tỉ lệ thành phần hỗn hợp

Các khí C 2 H 4 , H 2 , O 2 , N 2 từ các bình chứ đƣợc chiết dẫn đến bình chứa hỗn hợp khí sơ cấp, tại đây các chất khí đƣợc hòa trộn vào nhau theo một thành phần tỉ lệ nhất định

Thành phần tỉ lệ này đƣợc tính dựa trên áp suất riêng phần Sự hòa trộn này dự trên cơ sở củ định luật Dalton và đƣợc phát biểu nhƣ s u: “Ở một nhiệt độ xác định, áp suất toàn phần của một hỗn hợp khí bằng tổng số áp suất riêng phần của các cấu t của hỗn hợp”

Phần mol X i của thành phần khí có trong hỗn hợp là : i i i

Nhƣ vậy áp suất riêng phần pi của mỗi thành phần khí có trong hỗn hợp khí ở cùng điều kiện thể tích V là áp suất mà thành phần khí này gây r khi đứng riêng một mình và cũng chiếm thể tích V ở cùng một nhiệt độ i i tp

R là hằng số (lấy gần bằng 0,082) T nhiệt độ theo độ Kenvin T = 0 C + 273 ( 0 K) V thể tích bình chứa và bằng V = 9,42 dm 3 n i phần trăm mol khối lƣợng từng khí có trong hỗn hợp

81 Theo công thức (4.7) t có đƣợc thành phần các khí theo áp suất riêng phần và đƣợc tính đƣợc nhƣ bảng 4.4

4.4.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tạo hỗn hợp sơ cấp

Hệ thống tạo hỗn hợp khí (pre_mix) là hệ thống dùng để tạo ra một hỗn hợp các chất khí với thành phần số mol các chất khí đƣợc tính toán và ấn định sẳn, để sau quá trình cháy hỗn hợp các chất khí này cho r điều kiện th nghiệm mong muốn

Hình 4.10 thể hiện sơ đồ nguyên lý hệ thống hòa trộn khí sơ cấp Trước khi bắt đầu hòa trộn khí hỗn hợp khí, bình chứa hỗn hợp đƣợc hút chân không nhờ vào máy ơm chân không (16) thông qua công tác S1 Không khí trong ình đƣợc hút sạch và đƣ r ngoài thông qua van khóa (B3) và van 3 chặng (T1) Áp suất chân không trong bình đƣợc đo ởi đồng hồ đo chân không (14) Hỗn hợp các khí đƣợc đƣ vào ình chứa hỗn hợp (13) theo thứ tự C 2 H 4 (1) H 2 (2) O 2 (3) N 2 (4) Tùy thuộc vào điều kiện th nghiệm mà các chất khí được đư vào ình chứ tương ứng với từng áp suất riêng phần thông qu v n điều áp (5, 6, 7, 8) Các bình chứ các khí đƣợc nối thông với bình chứa hỗn hợp nhờ các đường ống dẫn khí, trên mỗi đường ống có gắn các van khóa đóng mở (9, 10, 11, 12) vừa có nhiệm vụ đóng mở vừ đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành Ở bình chứa hỗn hợp có gắn một đồng hồ chỉ thị áp suất (15) dùng để do áp

Bảng 4.4 Thành phần tỉ lệ các chất r 02 21% 15% 10% Áp suất riêng phần

Phần trăm mol phản ứng Áp suất riêng phần

Phần trăm mol phản ứng Áp suất riêng phần

Phần trăm mol phản ứng

82 suất bên trong bình hỗn hợp, qu đó xác định đƣợc áp suất của từng khí đƣợc đƣ vào bình theo tỉ lể tính toán trước, đồng thời hiển thị lượng hỗn hợp khí còn trong ình để s dụng trong mỗi lẫn thực nghiệm Sau khi hỗn hợp khí đƣợc hòa trộn ở bình chứa, hỗn hợp khí này đƣợc trích r và đƣ đến buồng cháy (19) để bắt đầu thí nghiệm

Buồng cháy đẳng tích được nối với bình chứa hỗn hợp nhờ một đường ống dẫn khí, trên đường ống có gắn v n khó đóng mở (17), (B2) Van (17) có khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất cao và đƣợc gắn tại ng y phí đầu buồng cháy mục đích là để đảm bảo sự an toàn trong thực nghiệm, tránh đƣợc hiện tƣợng nổ ngƣợc từ buồng cháy qua bình chứa Hỗn hợp khí s u khi đƣợc đƣ vào uồng cháy thì đƣợc đốt cháy nhờ tia l a điện của bugi Sản phẩm cháy của hỗn hợp khí này đƣợc dùng làm điều kiện mô phỏng quá trình cháy cho các loại nhiên liệu thực nghiệm

4.4.4 Thiết kế bình hòa trộn hỗn hợp sơ cấp

Bình hòa trộn hỗn hợp là nơi lưu trữ và hòa trộn hỗn hợp các khí Hỗn hợp khí được hòa trộn theo tỉ lệ mol được tính toán xác định từ trước với áp suất lên đến 4 MPa Qu đó ình chứa phải đảm bảo an toàn, dể s dụng khi tháo lắp và vận hành

Hình 4.10 Sơ đồ hệ thống hòa trộn hỗn hợp khí sơ cấp

83 Yêu cầu kỹ thuật: áp suất chịu đựng của bình lớn hơn áp suất hỗn hợp khí nạp vào Cấu tạo đơn giản dể chế tạo, dể vận hành nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc sự n toàn Các đồng hồ áp suất phải thật sự chính xá Các v n điều áp tại các bình khí phải hoạt động ổn đinh và có độ tin cậy cao

- Thiết kế kỹ thuật bình hỗn hợp Điều kiện và yêu cầu làm việc: bình chứa hỗn hợp chứa hỗn hợp các khí với áp suất cực đại của các khí là 4 MPa, bình chứa phải đảm bảo độ kín khít và chịu đƣợc áp suất cực đại của hỗn hợp khí.Vật liệu đƣợc dùng để chế tạo bình chứa là thép không rỉ 304

Có ứng suất chảy [δ] = 205 MPa

Thiết kế hệ thống khuấy hỗn hợp

Theo hình 4.13 hỗn hợp khí sơ cấp đƣợc đƣ tới buồng cháy đẳng tích Công tắc S5 đóng, dòng điện xoay chiều đi từ nguồn (1) qua bộ biến thế (2) đến motor (3), cánh quạt (5) quay nhờ sự dẫn động của motor thông qua bộ gá chặt và dẫn động (4) Sau khoảng thời gian “stirring” xuất hiện tia l điện từ ugi đốt cháy hỗn hợp Khi đạt

Hình 4 13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khuấy

86 đƣợc nhiệt độ và áp suất thí nghiệm mong muốn, nhiên liệu đƣợc phun vào buồng cháy, lúc này quạt khuấy vẫn quay theo một tốc độ nhất định Quá trình cháy nhiên liệu xảy ra và kết thúc Quạt khuấy ngừng quay khi ta gạt công tắc S5 sang vị trí OFF

4.5.2 Cấu tạo hệ thống quạt khuấy

Cấu tạo của quạt khuấy gồm cánh quạt (2) giúp tạo điều kiện rối trong buồng cháy, đai ốc (1) siết chặt cánh quạt vào trục khuấy Để quay cánh quạt, trục dẫn động (3) kết nối cánh quạt (2) với trục motor (11) thông qua khớp nối (9) Trục quạt được gắn bên trong các chi tiết (4), (7) và được giữ quay tự do nhờ ổ bi (5) Ống lót (6) được bố trí để tránh dịch chuyển ổ bi khi quay với tốc độ cao Roong làm kín (12) nằm giữa các chi tiết (4) và (7) Chi tiết (7) và (10) được bắt chặt bằng ốc vít.

4.5.3 Tính chọn các thiết bị hệ thống khuấy a) Tính toán thiết kế cánh quạt khuấy

Cánh quạt quấy có nhiệm vụ hòa trộn hỗn hợp khí cháy và cân bằng nhiệt độ trong buồng cháy, hướng chuyển động của dòng khí trong buồng cháy khi quạt quay là

Hình 4.14 Cấu tạo quạt khuấy

87 theo hướng kéo khí từ trung tâm buồng cháy ra sau dọc vách buồng cháy, vì thế quạtkhuấy phải có cánh quạt hướng cánh nghiêng để khi quạt quay, dòng khí quyển chuyển động từ trước cánh quạt ra sau cánh quạt

Cánh quạt khuấy làm việc trong môi trường nhiệt độ cao và áp suất cao khoảng 10 MPa Vì thế vật liệu để chế tạo quạt khuấy đảm bảo đươc áp suất và nhiệt độ như trên Ta chọn thép không rỉ 304 làm vật liệu để chế tạo

Bề rộng của buồng đốt là 30 mm nên đường kính cánh quạt được chọn là 25 mm để đảm bảo quạt khuấy có thể hoạt động mà không chiếm nhiều thể tích trong buồng đốt Chiều cao cánh quạt là 5 mm Cánh quạt được dẫn động từ mô tơ thông qua trục và được gắn chặt bằng ốc hãm Xem bản vẽ chi tiết trong Phụ lục 2.

Mô tơ khuấy làm nhiệm vụ dẫn động quạt khuấy, vì thế sự hòa trộn hỗn hợp khí cũng nhƣ cân ằng nhiệt độ trong buồng cháy đều phụ thuộc trực tiếp đến mô tơ khuấy

Ngoài ra, theo một số nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ của quạt khuấy không gây ảnh hưởng nhiều đến quá trình cháy trễ Với tốc độ quạt khuấy ở ba chế độ 5000, 8000 và

Ở tốc độ quạt thấp, áp suất bắt đầu tăng gần như giống nhau tại 11000 vòng/phút, dẫn đến độ trễ đánh lửa như nhau trong các điều kiện khác nhau [33].

Hình 4.15 Motor RX – RS545SA

88 rằng ở cùng điều kiện phun, tốc độ quạt khuấy cao thì dẫn đến áp suất tăng nh nh hơn và lớn hơn, nhưng sự ảnh hưởng này rất nhỏ so với điều kiện phun nhiên liệu

Tốc độ quạt 8000 rpm trong cùng điều kiện th nghiệm cho kết quả là phân bố nhiện độ trong buồng cháy tương tự với các tốc độ quay khác của quạt khuấy Đặc biệt, nếu tốc độ quạt dưới 5000 rpm xảy ra hiện tượng cháy phân tầng [33] Như vậy ở tốc độ 8000 rpm đảm bảo được nhiệt độ cũng như sự lưu chuyển dòng khí trong buồng cháy Ta chọn số vòng quay của cánh quạt nằm trong khoảng 8000 ÷11000 RPM, với những yêu cầu nhƣ trên, ta chọn motor RX – RS545SA c) Chọn bộ th y đổi dòng điện

Số vòng quay (tốc độ quay) của motor phụ thuộc hoàn toàn vào dòng điện cấp vào Ðể thuận tiện trong quá trình nghiên cứu, th y đổi số vòng quay ta chỉ cần thay đổi dòng điện hoặc hiệu điện thế vào motor Trên thị trường có bán rất nhiều bộ biến đổi điện thế Để thuận tiện và đơn giản ta chọn loại biến thế AC 220v sang DC 6v ÷ 12v dòng điện là 5A.

Thiết kế kỹ thuật hệ thống cung cấp nhiên liệu

Đối với hầu hết các nhiên liệu khí (ví dụ như: CNG, LPG, H2…) trước khi được

Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp nhiên liệu khí

89 đƣ vào uồng cháy thì các khí này đƣợc nén trong các bình chứa với áp suất cao Trên nguyên tắc cơ ản, thành phần khí phun vào buồng cháy thông qua kim phun khí quyết định đến quá trình cháy nhiên liệu Nhiên liệu khí khác nhau thì cần có hệ thống cung cấp nhiên liệu khác nhau Trong thiết kế này, tác giả chỉ giới thiệu hệ thống cung cấp nhiên liệu khí H2 đƣợc s dụng trên buồng cháy đẳng tích

Theo hình 4.16, nhiên liệu khí H 2 từ bình chứa (1) đƣợc đƣ tới kim phun (6) thông qua van giản áp (2) và khóa an toàn (4) Áp suất này đƣợc kiểm soát bởi đồng hồ đo áp suất (3) Van ba chặng (5) dùng để thoát khí H 2 ra ngoài trong mục đích th nghiệm

Sau khi hỗn hợp khí sơ cấp bị đốt cháy bởi tia l điện từ bugi tạo r môi trường áp suất và nhiệt độ cao Tại nhiệt độ và áp suất giống với môi trường cuối nén trong động cơ pis tông, nhiên liệu khí H2 đƣợc phun vào và đƣợc đốt cháy Thời gian từ lúc đốt cháy hỗn hợp khí sơ cấp đến thời điểm phun nhiên liệu đều đƣợc tính toán và điều khiển bởi bộ x lí trung tâm (9) Sau khi nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất (7), bộ x lí trung tâm tính toán rồi g i tín hiệu điều khiển đến bộ điều khiển đánh l và điều khiển kim phun.

4.6.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng 4.6.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 4.17 thể hiện sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng Bơm sơ cấp hút nhiên liệu đi từ bình chứa qua bầu lọc (1) đến ơm c o áp (2) Bơm c o áp đẩy nhiên liệu sạch theo đường ống nhiên liệu cao áp (4) đến kim phun (6) thông qua ống rail (3) Đường nhiên liệu thấp áp (4) hồi nhiên liệu về sau khi phun Sau quá trình cháy hỗn hợp khí sơ cấp, áp suất trong buồng cháy tăng c o Áp suất trong buồng cháy (8) đƣợc cảm biến áp suất (7) g i về bộ x lí trung tâm (9) Sau thời gian tính toán và phân tích, bộ x lí trung tâm g i tín hiệu đến bộ điều khiển kim phun, kim phun bắt đầu phun nhiên liệu vào buồng cháy tại nhiệt độ và áp suất giống như môi trường cuối nén trong động cơ thực, nhiên liệu gặp môi trường nén nóng và bùng cháy

4.6.2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

Nhiệm vụ của hệ thống cung cấp nhiên liệu là phun nhiên liệu vào buồng cháy dưới áp suất c o, đủ về thành phần và đúng về số lượng tưng ứng với từng mục đích nghiên cứu Vì vậy đòi hỏi hệ thống nhiên liệu phải cung cấp đúng lƣợng nhiên liệu cần thiết với áp suất cao, nhiên liệu đƣợc phun vào buồng cháy phải ở dạng phun tơi thuận tiện trong việc hòa trộn hỗn hợp Ngoài ra, nhiên liệu phải đƣợc phun vào buồng cháy đúng thời điểm giúp cho sự cháy nhiên liệu xảy ra hoàn toàn

Hiện nay, hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp thường s dụng hệ thống Comman rail, với hệ thống này nhiên liệu được phun thẳng trực tiếp vào buồng cháy với áp suất cao nhờ quá trình nén nhiên liệu củ ơm cao áp Bơm c o áp đƣợc dẫn động bởi puly cốt máy qua sợi căng đ i Nhƣ vậy tốc độ nén củ ơm c o áp phụ thuộc vào tốc độ động cơ

Mặt khác, buồng cháy đẳng tích đƣợc s dụng cho mục đích nghiên cứu về sự cháy và sự phát triển tia phun Quá trình nghiên cứu chỉ xem xét cho một lần phun nhiên liệu Tức là lƣợng phun nhiên liệu rất bé và chỉ xét ở một lần nhấc kim phun Điều này

Hình 4 17 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng

91 không có nghĩ là hệ thống cung cấp trên buồng cháy hoàn toàn khác với hệ thống nhiên liệu comm n r il, mà nó m ng đầy đủ về nhiệm vụ cũng nhƣ yêu cầu của một hệ thống nhiên liệu nhƣ áp suất phun, lƣợng phun, thời gi n phun…

Việc s dụng ơm c o áp trên uồng cháy đẳng tích có các khuyết điểm sau: bệ gá ơm c o áp phải vững chắc và chiếm diện tích Thiết kế hệ thống dẫn động ơm ằng motor điện cồng kềnh Chi phí cho ơm c o áp về motor dẫn động cao

Với những phân tích về nguyên lý hoạt động của hệ thống nhiên liệu trên buồng cháy đẳng và sự bất tiện khi s dụng ơm c o áp Tác giả xin đƣ r giải pháp thay thế toàn bộ cụm ơm c o áp và motor dẫn động bằng ơm t y thuỷ lực (hydrolic h ndpump) Bơm t y này có thể nén nhiên liệu đạt đƣợc áp suất c o nhƣ ơm c o áp thông thường Không cần hệ thống dẫn động cho ơm t y, hầu hết s dụng sức để ơm lên áp suất cần thí nghiệm Đáp ứng đủ lƣợng nhiên liệu cung cấp cho một lần phun

4.6.2.3 Tính chọn các thiết bị

Hệ thống cung cấp nhiên liệu lỏng trên buồng cháy đẳng tích gồm có các chi tiết chính là: ơm c o áp, ống trữ nhiên liệu cao áo (ống rail) và kim phun a Bơm t y thủy lực

Trên thị trường có rất nhiều loại ơm t y thủy lực của các hãng sản xuất lớn, đảm bảo thỏa các yêu cầu cho hệ thống cung cấp nhiên liệu trên buồng cháy đẳng tích Tác giả chọn hãng sản xuất RIKEN với mã số củ ơm là UP-21M

Hình 4.18 Bơm t y UP-21M hiệu Riken

92 Bơm t y thuỷ lực Riken (Riken hydralic handpump) UP-21M có hai cấp, cấp áp lực lớn nhất là 200 MPa và cấp áp lực nhỏ là 2 MP , lƣợng nhiên liệu nén cho một lần kỳ nén ở áp suất nén cao là 0.75 cm 3 /stroke và áp suất nén thấp là 9.75 cm 3 /stroke Thể tích chứa nhiên liệu nén trong ơm là 700 cm 3 và có khối lƣợng là 8.2kg Hình 4.19 là sơ đồ nguyên lý củ ơm UP-21M

Bơm t y s dụng lực nhờ tác động lên cánh t y đòn ơm để nén nhiên liệu lên đến áp suất mong muốn, ơm gồm có hai chế độ: chế độ áp suất thấp và chế độ áp suất cao Ở chế độ áp suất thấp,khi thao tác nhấc cần lên trên, độ chân không ên trong ơm đƣợc tạo ra, do có sự chênh lệch áp suất giữa bình nhiên liệu và ơm nên nhiên liệu đƣợc hút vào trong thân ơm Nhiên liệu từ bình chứ (1) đi vào trong ơm, đƣợc nén và đi r ngoài thông qu v n (7) Trong thân ơm có ngõ thấp áp (2) và ngõ cao áp (3)

Nhiên liệu đi trên đường thấp áp, nếu áp suất vượt giới hạn cho phép thì van an toàn (8) sẽ mở đư nhiên liệu ra ngoài (trên đường c o áp cũng tương tự) Van một chiều (5) và (6) có tác dụng không cho nhiên liệu hồi về trong quá trình nén b Ống rail và kim phun nhiên liệu Ống r il đƣợc s dụng trong hệ thống dùng để tích trữ và ổn định lƣợng nhiên liệu đƣợc nén với áp suất cao từ ơm t y chuyển đến Trong thiết kế này ống r il đƣợc s dụng lấy từ hệ thống commanrail trên xe ISUZU D-Max 2009

Hình 4.19 Sơ đồ nguyên l ơm Riken UP-21M

Thiết kế hệ thống đo áp suất

Hệ thống đo áp suất có nhiệm vụ ghi nhận sự th y đổi áp suất bên trong buồng cháy đẳng tích rồi s u đó g i tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm, tín hiệu này là cơ sở để bộ điều khiển trung tâm điều khiển sự hoạt động của các hệ thống khác Hình 4.20 thể hiện sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo áp suất Sự th y đổi áp suất trong buồng cháy (4) đƣợc đo và ghi nhận thông qua cảm biến áp suất (2), cảm biến áp suất này có độ nhạy cao và tín hiệu g i đi dưới dạng điện áp Tín hiệu g i đi này được khuếch đại lên nhiều lần nhờ bộ khuếch đại (5), nhờ việc khuếch đại tín hiệu này mà quá trình ghi nhận và điều khiển của bộ x lý trung tâm (7) trở nên chính xác hơn Tín hiệu từ cảm biến áp suất có dạng n log đƣợc chuyển đổi thành digital sau khi tín hiệu này đi qu bộ chuyển đổi AD (6) trước khi g i về bộ x lí trung tâm Bộ x lí trung tâm sau khi phân tích tín hiệu từ cảm biến sẽ g i tín hiệu điều khiển đến các bộ chấp hành điều khiển đánh l và điều khiển phun

Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo áp suất

4.7.2 Tính chọn các thiết bị hệ thống đo áp suất

Tín hiệu áp suất đƣợc g i đến bộ x lý trung tâm, tín hiệu này là dữ liệu cơ sở điều khiển đến cho các bộ chấp hành Vì thế tín hiệu áp suất cần thỏ các điều kiện nhƣ: tính chính xác, độ nhạy, tốc độ truyền tải tín hiệu, phạm vi đo và tính n toàn - Cảm biến áp suất

Căn cứ vào điều kiện, môi trường làm việc của cảm biến, mức độ phổ biến cũng nhƣ giá thành Trong ứng dụng này, cảm biến đƣợc gắn trên buồng cháy đẳng tích làm việc trong môi trường khí với áp suất cao có thể đến 15 MPa, áp suất này là áp suất tuyệt đối bên trong buồng cháy Cảm biến cần thu nhận và g i tín hiệu đến bộ x lý trung tâm một cách nhanh nhất và thường xuyên nhất với độ tin cậy và chính xác cao Để dung hò các điều kiện trên, trong nghiên cứu này ta dùng cảm biến mang ký hiệu 6052B1 của hãng Kistler để s dụng Cảm biến đƣợc chế tạo dựa trên công nghệ áp điện trên vật liệu thạch anh, với dải đo rộng từ 0 đến 25 MP , độ nhạy 20 pC/bar

Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất 6052B1 xem phụ lục 1

- Bộ khuếch đại tín hiệu

Trong buồng cháy đẳng tích, thời điểm phun nhiên liệu đƣợc căn cứ vào điều kiện nhiệt độ và áp suất Theo hình 2.9 quá trình truyền nhiệt trong buồng cháy từ lúc áp suất và nhiệt độ cực đại (Pz = 7 MPa và Tz = 1300 0 K) đến áp suất P = 3 MPa và nhiệt độ T = 700 0 K mất khoảng thời gian rất ngắn (0,27 giây) Khoảng thời gian quá ngắn và tốc độ “cool down” nh nh Khi cần phun nhiên liệu vào thời điểm mong muốn là rất khó Vì thế tín hiệu từ cảm biến áp suất cần phải đƣợc khuếch đại lên nhiều lần, độ dãn

Hình 4.21 Cảm biến áp suất 6052B1

95 áp suất rộng hơn, hiển thị sự th y đổi áp suất rõ ràng và chính xác, có nhƣ vậy ta mới điều khiển thời điểm phun một cách chính xác

Tín hiệu đầu ra của cảm biến áp suất là điện áp Nhiệm vụ của bộ khuếch đại là nhân tín hiệu điện áp này lên hàng chục hàng trăm lần, làm cơ sở điều khiển cho bộ x lí trung tâm Căn cứ vào các yêu cầu của hệ thống, chúng tôi quyết định chọn bộ khuếch đại Kistler Type 5011B cho hệ thống đo áp suất

Bộ khuếch đại Kistler Type 5011B là dụng cụ đƣợc s dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm, Kistler 5011B s dụng vi x l điều khiển 1 kênh để chuyển đổi các điện tích thu đƣợc từ cảm biến thành tín hiệu điện áp tỷ lệ, có dải do rộng, tần số hoạt động lớn, có bộ lọc tự động và màn hình LCD dùng để thuận tiện trong việc điều chỉnh Sơ đồ cấu trúc của bộ khuếch đại Kistler 5011B xem phụ lục 1

- Bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D)

Bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang digital (AD) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, giúp chuyển đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến áp suất thành tín hiệu số Tín hiệu số này được bộ xử lý trung tâm sử dụng để điều khiển các hệ thống khác như hệ thống đánh lửa, hệ thống phun nhiên liệu, đồng thời có thể giao tiếp và hiển thị trên máy tính để phục vụ mục đích nghiên cứu học thuật.

Quá trình chuyển đổi A/D cơ bản gồm bốn bước: lấy mẫu, nhớ mẫu, lượng tử hóa và mã hóa Các bước này luôn liên kết với nhau trong một quy trình thống nhất Tùy thuộc vào thông số đầu ra của bộ khuếch đại và yêu cầu kỹ thuật (như độ chính xác và tốc độ chuyển đổi), có thể lựa chọn một trong hai phương án: sử dụng bộ chuyển đổi dùng IC ADC (16 bit hoặc 24 bit) để xây dựng mạch xử lý hoặc dùng thiết bị đo có sẵn trên thị trường với chức năng như một ADC hoàn chỉnh.

96 Khi s dụng bộ chuyển đổi AD dùng chíp IC AD thì giá thành chế tạo rẻ, các linh kiện điện t dễ kiếm nhƣng phải thiết kế vi mạch để chip có thể hoạt động đƣợc Bên cạnh đó, trên thị trường hiện n y, có đ dạng các thiết bị chuyển đổi AD phù hợp với các nhu cầu s dụng khác nhau của khách hàng Tại phòng thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong đ ng s dụng thiết bị đo của hãng Fluke có mã số 190-104 Scopemeter 4 channel 100Mhz, vì vậy trong thiết kế tính chọn này tác giả s dụng thiết bị đo này để tận dụng hết các thiết bị có sẵn tại PTN Thiết bị đo Fluke mã số 190-104 là thiết bị đo và chuyển đổi tích hợp với dãy hoạt động rộng Fluke Series 190 là thiết bị đo với bốn kênh đƣợc xây dựng cho các nhà máy công nghiệp chuyên gia bảo trì làm việc trên các lĩnh vực nhƣ thiết bị điện công suất lớn, máy móc thiết bị cơ điện và hệ thống điều khiển tự động hó nhà máy Fluke 190 104 ScopeMeter đƣợc đánh giá n toàn cho các ứng dụng công nghiệp Thống số chính của thiết bị Fluke 190-104: đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế về độ n toàn đối với thiết bị điện cho đo lường, điều khiển và thiết bị thí nghiệm theo tiêu chuẩn ICE 61010 ( CAT III và CAT IV) Bốn kênh đầu vào với tốc độ thu thập mẫu là 1.25GS/s ( 1.25 Giga-sample/ second) Thời gian thu thập mẫu có

97 thể đạt 8ns/ 1 đơn vị mẫu Có thể lưu trữ 10.000 mẫu trên mỗi kênh và cho hiển thị trên màn hình với độ phân giải cao Thiết bị có 2 cổng Usb, 1 cổng thẻ nhớ và 1 cổng kết nối trực tiếp vào máy tính được dùng để lưu trữ số liệu và dễ dàng x lý trên máy tính

Có thể dễ dàng chụp lại giản đồ và phóng to ở 1 vị trí cần xem.

Thiết kế hệ thống đánh l a

Việc đốt cháy hỗn hợp hòa khí trong buồng cháy đẳng tích đƣợc thực hiện nhờ tia l điện phát ra giữ h i điện cực của bugi Nhiệm vụ của hệ thống đánh l a chính là tạo đƣợc tia l điện vào đúng thời điểm cần thiết mà bộ điều khiển trung tâm thiết lập Hình 4.23 thể hiện sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh l đƣợc s dụng trên buồng cháy đẳng tích Đóng nguồn điện từ bình ac quy (4) đến hệ thống đánh l a thông qua công tắc (9) Sau khi hỗn hợp hò khí đƣợc đƣ vào uồng cháy đẳng , bộ điều khiển trung tâm (7) g i tín hiệu đến IC đánh l a (8), IC đánh l a lúc này sẽ g i một xung điện đến cuộn đánh l a (10), cuộn đánh l a này tạo r dòng điện cao áp truyền đến bu gi (3), tại đầu bugi phát ra tia l điện đốt cháy hỗn hợp Sau khoảng thời gian tính toán kim phun (1) phun nhiên liệu vào buồng cháy và sự cháy nhiên liệu diễn ra

Hình 4.23 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh l a

98 Khoảng thời gian từ lúc ugi đánh l đến lúc mở kim phun đƣợc xác định và tính toán nhờ tín hiệu của cảm biến áp suất (2) g i về hệ thống điều khiển trung tâm

4.8.2 Cấu tạo và tính chọn hệ thống đánh l a

Hệ thống đánh lửa bao gồm các bộ phận chính: bugi, cuộn tăng điện áp (bô bin), bộ điều khiển đánh lửa (IC), bộ điều khiển trung tâm (ECU) và nguồn điện (bình ắc-quy) Các bộ phận này kết hợp với nhau để tạo ra tia lửa điện kích nổ hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong buồng đốt, tạo lực đẩy cho động cơ hoạt động.

Hệ thống đánh l a có nhiệm vụ là tạo ra tia l điện để đốt cháy hỗn hợp hòa khí

Trên cơ sở này việc lựa chọn các thiết bị trên hệ thống đánh l a phải đảm bảo khả năng đáp ứng các tính năng kỹ thuật cũng nhƣ các yêu cầu về kinh tế nhƣ: ti l điện phải đủ mạnh, thời gian ngắt điện dòng sơ cấp phải chính xác, ngoài ra các thiết bị phải phổ biến trên thị trường nhằm phục vụ cho việc thay thế s a chữa sau này

Ta có thể tham khảo s dụng các thiết bị trên hệ thống đánh l nhƣ s u:

- Bô bin : ta chọn bô bin trên xe gắn máy hiệu w re nph đời 2006 có kí hiệu là Tek MP25 có điện trở 8kΩ với bô bin này cho ta dòng cao áp khoảng 40kV

- IC đánh l a: chọn ic đánh l a dùng cho xe gắn máy ware hiệu MITSUBA PA6

- Bình ắc-quy: ta chọn ình có điện áp 12V, điện dung khoảng 40Ah a) b) c)

Hình 4.24 a) Bôbin Tek MP25; ) IC đánh l a MITSUBA PA6; c) Bugi DENSO