Sử dụng các phần mềm mô phỏng Solidworks 2012 và phần mền Ansys 12.0 có thể thiết kế và chế tạo thành công buồng cháy thể tích không đổi (CVCC), để phục vụ quá trình nghiên [r]
(1)NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ BUỒNG CHÁY THỂ TÍCH KHƠNG ĐỔI
OVERVIEW OF CONSTANT VOLUME COMBUSTION CHAMBER
Nguyễn Phi Trường1,2,*, Nguyễn Tuấn Nghĩa1,
Trần Đăng Quốc2, Lê Anh Tuấn2
TÓM TẮT
Nhu cầu nâng cao hiệu suất, giảm ô nhiễm môi trường động nhiệt nói chung động đốt nói riêng mối quan tâm lớn nhà khoa học giới Giải pháp đáp ứng yêu cầu nghiên cứu trình cháy buồng cháy tích khơng đổi (Constant volume combustion chamber - CVCC) Bài báo đề cập đến việc mô chế tạo CVCC ứng dụng buồng cháy thể tích khơng đổi đến việc nghiên cứu nhiên liệu khác như: sử dụng nhiên liệu diesel, ethanol diesel sinh học, xăng n-butan, nhiên liệu công nghiệp CPG (Compressor Producer Gas), dầu cọ nguyên chất dầu diesel, nhiên liệu ethanol trộn với xăng Từ kết làm sở để định hướng thiết kế mô chế tạo điều kiện Việt Nam
Từ khóa: CVCC, nhiên liệu thay thế, cửa sổ quang học, CPG.
ABSTRACT
The need to improve efficiency, reduce environmental pollution for general heat engines and internal combustion engines in particular is of great concern to scientists around the world The basic solution that meets the above requirements is to study the combustion process in a constant volume combustion chamber (CVCC) This paper deals with simulating the manufacture of constant volume combustion chambers (CVCC) and the applications of constant volume combustion to research on different fuels such as: diesel fuel, ethanol and biodiesel, gasoline and n-butane, Compressor Producer Gas industry (CPG), pure palm oil and diesel fuel, ethanol fuel mixed with gasoline These results can serve as the basis for designing simulation as well as manufacturing conditions in Vietnam
Keywords: CVCC, alternative fuels, optical window, CPG
1Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email: truongnp7@gmail.com
Ngày nhận bài: 05/9/2018
Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/11/2018 Ngày chấp nhận đăng: 25/02/2019
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Buồng cháy tích khơng đổi (Constant volume combustion chamber - CVCC) buồng cháy thông suốt suốt, dễ dàng quan sát trình hình thành hỗn hợp
và cháy hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu, dễ dàng điều khiển thông số áp suất, nhiệt độ bên buồng cháy Từ đó, dễ dàng điều chỉnh trình hình thành hỗn hợp cháy hỗn hợp để nâng cao hiệu suất giảm khí thải độc hại ngồi mơi trường
Nghiên cứu tổng quan hệ thống CVCC bước hướng đến hệ động đạt hiệu suất nhiệt cao giảm tối thiểu khí thải độc hại đồng thời thỏa mãn tiêu chuẩn ngặt nghèo khí thải
Hệ thống CVCC thực nhiều nghiên cứu cháy theo định hướng khác nhiên liệu cháy cưỡng tự bốc cháy Các định hướng nghiên cứu kể đến như: tỷ lệ nhiên liệu - không khí, điều kiện (nhiệt độ, áp suất, góc đánh lửa) để xảy phản ứng xi hóa nhiên liệu… Về hệ thống CVCC cấu thành gồm tối thiểu phận hình bao gồm: Bộ thu thập giữ liệu, nguồn cấp điện áp cao, hòa trộn cung cấp nhiên liệu, cụm thiết bị buồng cháy, cụm khuếch đại tín hiệu Tuy nhiên, buồng cháy thể tích khơng đổi thay đổi thiết kế tùy theo mục đích nghiên cứu loại nhiên liệu sử dụng
Hình Sơ đồ hệ thống CVCC
2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BUỒNG CHÁY CVCC
(2)buồng cháy thép khơng gỉ 316 Buồng cháy chịu áp suất lên đến 100 bar Với hai cửa sổ có nguồn sáng laser chiếu qua kết hợp hệ thống camera đặc biệt để quan sát phát triển màng lửa [1]
Sơ đồ buồng cháy thiết kế chế tạo sau sản suất buồng cháy (hình 2)
Hình (a) Sơ đồ vịi phun vị trí bugi; (b) vẽ lắp CVCC; (c) Buồng đốt thể tích khơng đổi sau chế tạo
Q trình đốt cháy diễn thời gian ngắn nên cửa sổ thạch anh buồng cháy xem xét để phân tích ứng suất, chuyển vị (bảng 1, 2)
Bảng Đặc tính vật liệu làm kính quan sát Khối lượng riêng 2200 kg/m3
Mô đun đàn hồi 72 GPa Hệ số Poisson 0,17 Giới hạn bền uốn 52,4 MPa Dẫn nhiệt 1,46 W/mK Hệ số giãn nở nhiệt 5,4.10-7 1/K
Nhiệt dung riêng 700 J/K.kg
Bảng Ứng suất cực đại chuyển vị lớn cửa sổ thạch anh sở tiêu chuẩn Rankine Von Mises
Chiều dày (mm)
Von Mises (MPa)
Rankine (MPa)
Chuyển vị (μm)
60 53,8 24,1 23,8
70 47,7 24,1 20,3
80 44,1 24,1 18,5
Sử dụng phần mền Ansys 12.0 ta tính thơng số vật liệu buồng cháy như: Ứng suất cực đại, chuyển vị lớn nhất, phân bố nhiệt trung bình CVCC (hình 3)
Hình a) Phân bố nhiệt độ trung bình;
b) Ứng suất Von Mises cửa sổ thạch anh có chiều dày 80mm; c) Ứng suất Rankine cửa sổ thạch anh;
d) Chuyển vị cửa sổ thạch anh
Sau chế tạo buồng đốt, buồng đốt thử nghiệm với áp suất cao phun trực tiếp dạng khí với áp lực 100 bar Kết kiểm tra hệ thống đạt yêu cầu chế tạo Nó chứng minh phương pháp phần tử hữu hạn thành công việc mô buồng cháy CVCC
Nhóm nghiên cứu Prathan Srichai sử dụng phần mền mô Solidworks Simulation CAE tiến hành phân tích, thiết kế chế tạo CVCC có cửa sổ quang học thiết kế với độ an tồn cao, hệ thống hịa trộn bên ngồi để giả lập thành khơng khí (hịa trộn hỗn hợp khí O2
và N2) bao gồm: Common-rail, điều chỉnh nhiệt độ áp
suất, hệ thống van an toàn, hệ thống phun khí C2H2 [2]
Sử dụng phần mền mô solidworks 2012 để mô điều kiện làm việc bên buồng trộn hỗn hợp CVCC Áp suất bên 25 bar nhiệt độ bề mặt tiếp xúc 13000C (Nhiệt độ bên hỗn hợp khí) Các phần
của buồng hịa trộn liên kết với bulông chịu lực Vật liệu thép SS1035 sử dụng để làm vật liệu chế tạo buồng hịa trộn với thông số ứng suất uốn 340MPa ứng suất kéo 620MPa Bề dày buồng 14 mm (hình 4)
Hình (a) Hình dạng bên ngồi bên thiết bị hòa trộn nhiên liệu; (b) Hệ số an toàn bể trộn; (c) Ứng suất Von mises thiết bị hòa trộn
(3)CVCC, giá đỡ quạt hòa trộn, cảm biến áp suất phun van hút xả Vật liệu chế tạo thép carbon trung bình S45C với ứng suất uốn ứng suất kéo 340MPa 602MPa (hình 5) Đường kính độ dày cửa sổ quang học mô 100mm 35mm với góc vát 1mm Với áp suất hỗn hợp bên 70 bar buồng cháy CVCC đảm bảo đủ bền
Hình Hệ số an toàn CVCC ứng suất Von mises CVCC
Kết xác định độ dày tường, vật liệu, hình dạng vị trí cho công cụ thiết bị để chịu áp lực cao buồng đốt thiết bị hòa trộn Xác định giới hạn nghèo hỗn hợp ảnh hưởng áp suất phun nhiên liệu đến khả bắt cháy hỗn hợp mạnh so với hỗn hợp hịa trộn sẵn từ bên ngồi điều kiện nhiệt độ môi trường
3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BUỒNG CHÁY CVCC
3.1 Nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu diesel, ethanol diesel sinh học
Ronnachart Munsin nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu mô ba loại nhiên liệu hịa trộn từ bên ngồi: diesel, ethanol diesel sinh học Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu làm cửa dẫn ánh sáng laser chịu áp suất cao, hình dạng buồng cháy thể tích khơng đổi phù hợp với thể tích buồng cháy động tự bốc cháy có tỷ số nén thay đổi từ ε = 16 ÷ 28 [3] Các nghiên cứu thực phương pháp mô điều kiện
nhiệt độ thấp, áp suất nhiên liệu phun vào buồng cháy với áp suất 35 Mpa Kết cho thấy sử dụng hệ thống common-rail buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC) đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ nhiên liệu diesel đến đặc tính hệ thống phun nhiên liệu trình cháy điều kiện khởi động lạnh Khi nhiệt độ nhiên liệu diesel điều kiện lạnh thời gian phun dài so với nhiệt độ nhiên liệu diesel sấy nóng lên, nguyên nhân làm cho thời gian phun kéo dài độ nhớt động học nhiên liệu cao nhiệt độ giảm
3.2 Nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu xăng n-butan Nghiên cứu nhóm Choongsik Bae tiến hành hỗn hợp nghèo với hai nhiên liệu xăng n-butan [4] Điều kiện thí nghiệm để cháy ổn định hai loại nhiên liệu xăng n-butan thiết lập khác góc đánh lửa, áp suất phun thời gian phun Kết nghiên cứu không giống xăng, n-butan bốc bắt đầu phun nhiên liệu kết thúc bốc kết thúc phun So với xăng, cấu trúc n-butan bị bẻ gãy phía đầu trục phun bẻ gãy lớn áp suất phun tăng lên Phun nhiên liệu n-butan cho thấy tỉ lệ bay cao áp suất nước cao hơn, cấu trúc phun bị phân rã (hình 6)
Hình Hình ảnh tia phun xăng n-butan 280CAD bTDC [P amb=1,1
Mpa/Tamb=465 K] từ Mie-scattering hình ảnh tia phun xăng n-butan
(4)3.3 Nghiên cứu, sử dụng khí cơng nghiệp CPG (Compressor Producer Gas)
Đặc tính cháy tối ưu hóa CPG buồng cháy thể tích khơng đổi Z.A Zainal cộng nghiên cứu đánh giá [5] MIF = (tối thiểu); MIF = 25% (Trung bình) MIF = 50% (Tối đa) bảng 3,
Bảng Thời gian phun yêu cầu CNG, LPG CPG MIF = 0%
Tỉ lệ tương đương
AFR Khối lượng nhiên liệu (mg)
Khối lượng khơng khí (mg)
Áp suất khí yêu cầu (kPa)
Áp suất nhiên liệu yêu cầu (kPa)
Thời gian phun (ms)
CNG 0,8 21,50 24,9 529 165 10,70 108 0,9 19,11 24,9 470 147 10,70 105 1,0 17,20 24,9 423 132 10,70 102 1,1 15,64 24,9 385 120 10,70 100 1,2 14,33 24,9 353 110 10,70 98 LPG 0,8 21,25 24,9 529 165 3,92 78 0,9 18,89 24,9 470 147 3,92 76 1,0 17,00 24,9 423 132 3,92 73 1,1 15,45 24,9 385 120 3,92 72 1,2 14,17 24,9 353 110 3,92 70 CPG 0,8 1,40 378 529 165 110,89 557
0,9 1,24 378 470 147 110,89 555 1,0 1,12 378 423 132 110,89 542 1,1 1,02 378 385 120 110,89 540 1,2 0,93 378 353 110 110,89 534 Bảng Thời gian phun yêu cầu CNG, LPG CPG MIF = 25% 50%
Tỉ lệ tương đương
AFR Khối lượng nhiên liệu (mg)
Khối lượng khơng khí (mg)
Áp suất khí yêu cầu (kPa)
Áp suất CPG yêu cầu (kPa)
Thời gian phun (ms)
MIF = 25%
0,9 1,24 472 588 183,4 138,61 740 1,0 1,12 472 529 165,1 138,61 732 1,1 1,02 472 481 150,0 138,61 703 MIF
= 50%
0,9 1,24 567 705 220 166,33 950 1,0 1,12 567 635 198 166,33 865 1,1 1,02 567 577 180 166,33 850 Phân tích phương sai tiến hành với độ tin cậy giá trị thí nghiệm 0,9775 0,9875, cho tốc độ lan tràn lửa áp suất đỉnh tương ứng Từ thí nghiệm, tốc độ lan tràn lửa áp suất đỉnh CPG tìm thấy 3,15 m/s 312,09 kPA tương ứng Chúng thấp so với xăng, LPG CNG Phân tích tối ưu hóa cho thấy áp suất đỉnh CPG so sánh với xăng tốc độ lửa đạt tối đa Ø = 1,1 MIF = 35% (hình 7, 8)
Hình Hình ảnh cháy Gasoline, CNG, LPG CPG tỉ lệ tương đương 1,1 (ma = 385mg) áp suất đỉnh Gasoline, CNG, LPG CPG tỉ lệ tương
(5)Hình Tốc độ lan truyền màng lửa (a) Gasoline, (b) CNG, (c) LPG (d) CPG tỉ lệ khác từ 0,8 đến 1,2
3.4 Nghiên cứu, sử dụng với dầu cọ nguyên chất dầu diesel
Nhóm Mr.Karn Romphol, Kanit Wattanavichien nghiên cứu đặc tính phun cháy dầu cọ buồng cháy CVCC [6] Với điều kiện thực nghiệm ổn định áp suất khí trường hợp phun vào, ảnh hưởng phần trăm dầu cọ nguyên chất với dầu diesel áp suất phun vào buồng cháy cấu trúc lửa thí nghiệm sử dụng photo diode ICCD camera Nghiên cứu rằng, với tỉ lệ phần trăm cao dầu cọ hỗn hợp thời gian cháy trễ ngắn thời kỳ cháy ngắn so với nhiên liệu diesel Vùng nhiệt độ cháy cao dầu cọ 2400K nhỏ dầu diesel Bồ hóng khí thải dầu cọ nhiều so với khí thải nhiên liệu diesel giảm tăng tỉ lệ % dầu cọ lên Tuy nhiên, với 100% dầu cọ bồ hóng nhỏ
3.5 Nghiên cứu sử dụng với nhiên liệu ethanol trộn với xăng
Chinda Chareonphonphanich Prathan Srichai tiến hành nghiên cứu trình cháy ethanol trộn với xăng với tỉ lệ khác [7] Từ xăng nguyên chất, E20, E85 E100 (bảng 5)
Bảng Đặc điểm xăng, ethanol điều kiện thí nghiệm
Đặc tính E0 (Gasoline)
E100 (Ethanol)
Trọng lượng phân tử
114,8 46,07
RVP (kPa) 62,6 16 Nhiên liệu E0, E20, E85 E100 Giá trị nhiệt trị
thấp (kJ/kg)
44,000 26,900 Tỉ lệ tương đương
0,8; 1,0; 1,2 1,4 Nhiệt hóa
(kJ/kg)
305 840 Nhiệt độ thí nghiệm
177 1970C
Tỉ lệ A/F lý tưởng
14,6 Áp suất thí nghiệm
(6)Hình (a) Hình ảnh lửa lan tràn nhiên liệu điều kiện áp suất 0,098Mpa, nhiệt độ 177 C0 tỉ lệ tương đương 1.0; (b) Hình ảnh lửa
mỗi nhiên liệu ø=1.0; (c) Hình ảnh lửa nhiên liệu ø =1.2; (d) Hình ảnh lửa nhiên liệu ø=1.4
4 KẾT LUẬN
Sử dụng phần mềm mô Solidworks 2012 phần mền Ansys 12.0 thiết kế chế tạo thành cơng buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC), để phục vụ trình nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy loại nhiên liệu động đốt
Buồng cháy thể tích khơng đổi sử dụng để nghiên cứu với nhiều loại nhiên liệu khác như: Ảnh hưởng nhiệt độ nhiên liệu diesel đến đặc tính hệ thống phun nhiên liệu trình cháy điều kiện khởi động lạnh Nghiên tia phun xăng n-butan Đặc tính cháy tối ưu hóa CPG Nghiên cứu đặc tính phun cháy dầu cọ Nghiên cứu áp suất thời gian cháy nhiên liệu ethanol trộn với xăng với tỉ lệ khác
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Alireza Hajialimohammadi Design And Manufacturing of A Constant Volume Test Combustion Chamber For Jet And Flame Visualization of CNG Direct Injection, Applied Mechanics and Materials Vols 217-2192543 (2012)
[2] Prathan Srichai, Design Concept of Biodiesel Direct Injection Constant Volume Combustion Chamber, The 3rd TSME International Conference on Mechanical Engineering October 2012, Chiang Rai
[3] Ronnachart Munsin, Bodin Chung Lim Shing, Khansorn Phunpheeranurak, Thanisorn Phongphankasem, Yossapong Laoonual*, Sumrerng Jugjai and Somchai Chanchaona, AEC 2013 Design of Constant Volume Combustion Chamber (CVCC) with Pre-Combustion, The 4th TSME International Conference on Mechanical Engineering, 16-18 October 2013
[4] Jinyoung Jung, Sangjae Park, Choongsik Bae* 2016 Combustion characteristics of gasoline and n-butane under lean stratified mixture conditions in a spray-guided direct injection spark ignition engine
[5] S.N Soid, Z.A Zainal* July 2014 Combustion characteristics and optimization of CPG (compressed producer gas) in a constant volume combustion chamber
[6] Mr.Karn Romphol, Kanit Wattanavichien 2012 Macroscopic spray characteristics of palm oil-diesel blends in a constant volume combustion chamber Vol 71, November 2012