Ngă3.1 Thông sô kỹ thuâ ̣t động cơ diesel thử nghiê ̣m

L ời cam đoan

B ngă3.1 Thông sô kỹ thuâ ̣t động cơ diesel thử nghiê ̣m

Sô xy lanh 3

Đư ng kính piston mm 87.0

Hành trình piston mm 92.4

Dung tich L 1.647

Hê ̣ thông hoa trô ̣n E-TVC

Hê ̣ thông na ̣p nạp thư ng

Bơm phun nhiên liê ̣u bơm PFR MD - Bosch

Hương xoay ngược chiêu đông hô (nhìn từ bánh đà)

Tỉ số nén 23.0

Áp suất phun bar 180

Th i điểm phun 22otrức ĐCT

Tốc độ tối ưu rpm 2800

Dâu bôi trơn chât lượng trên loa ̣i CD

Dung tich dâu L 5.6

Hê ̣ thông lam mat quạt tản nhiệt

Năng lượng khởi động V-A 12 - 1.4

Năng lượng phat V-A 12 - 40

Nhiên liê ̣u Diesel (ASTM D975)

Trọng lượng khô kg 148.0

Công suât đi ̣nh mưc kW 26.1 (50Hz - 2800rpm)

Rộng mm 499.0

Dài mm 571.1

3.2. Phơnătíchăk tăcấuăbu ngăcháyăTVC. 3.2.1. Bu ng cháy xoáy l c

Hình 3.3. Kết cấu buồng cháy TVC.

3.trục đôi xưng xi lanh; 6.lỗ khoét trên náp máy; 7.bệđở buồng cháy xoáy lốc; 8.buồng cháy xoáy lốc; 9.buồng cháy chính; 10.đáy bệđở buồng cháy xoáy lốc;

11.cửa buồng cháy chính; 12.cửa buồng cháy phụ; 19.vòi phun; 20. Bugi xông.

Buồng cháy xoáy lốc được hình thành b i phần lõm trên 7a của bệ đ 7 kết hợp v́i phần lõm dứi của phần 6 trên nắp máy. Điều kiện làm việc của buồng cháy xoáy lốc rất khắc nghiệt do phải chiệu nhiệt độ cao và áp suất ĺn nên chất liệu chế tạo bệ đ 7 phải có khả năng bền nhiệt nhưng động th i cũng giảm b́t lượng nhiệt thất thoát qua nức làm mát. Việc thiết kế buồng cháy xoáy lốc và bố trí các chi tiết như bugi xông, kim phun nhiên liệu và cửa buồng cháy phải phù hợp đáp đảm bảo được quỷđạo chuyển động của dòng không khí xoáy lốc trong buồng cháy đồng th i tạo điều kiện để các phần tử nhiên liệu khi ra khỏi kim phun nhanh chóng bay hơi và hòa trộn vào phần không khí xoáy lốc trong buồng cháy.

Các nhược điểm cần khắc phục trên buồng cháy xoáy lốc bao gồm: lượng nhiệt truyền qua thành buồng cháy ĺn làm giảm hiệu xuất của động cơ và ảnh hư ng đến độ bền của các chi tiết trên náp máy; thể tích buồng cháy bị gíi hạn nhiều và quỷ đạo chuyển động của dòng khí bị ảnh hư ng do kim phun và bugi xông chiếm chổ; do áp suất phun nhiên liệu nhỏ kết hợp v́i thể tích buồng cháy nhỏ nên các hạt nhiên liệu rất dể bám vào thành buồng cháy và chảy xuống buồng cháy chính dứi dạng giọt trong một sốđiều kiện nhất đinh.

3.2.2. C a bu ng cháy

Hình 3.4. Cửa buồng cháy Three Vortex.

7.bệđở buồng cháy xoáy lốc; 11.lỗ phun chính của cửa buồng cháy; 17.rãnh chính của lỗ phun; 18.rãnh bên của lỗ phun; 17a.trục rãnh chính; 18a.trục rãnh phụ.

Cửa buồng cháy Three Vortex được bố trí trên bệ đỡ của buống cháy xoáy lốc 7, đây là phần nối thông giữa đầu ra của buồng cháy xoáy lốc 8 và đầu vào của buồng cháy chinh 9 thông qua lỗ phun chính 11. Kết cấu của lỗ phun chính bao gồm một rãnh chính 17 v i trục tâm 17a và hai rãnh bên 18 v́i trục tâm 18a. Đầu cửa buồng cháy nối v́i buồng cháy xoáy lốc có dạng 3 đư ng tròn giao nhau như hình vẽ, rãnh chính của lỗ phun giữkhông đổi suốt chiều dài lỗ phun trong khi hai rãnh bên phát triển làm cho khoảng cách giữa chúng được rút ngắn đầu ra của buồng cháy v́i buồng cháy chính. Nh kết cấu của buồng cháy như trên nên khi dòng không khí đi qua sẽ tạo hiệu ứng Three Vortex hình thành 3 dòng xoáy đặc trưng giúp đẩy nhanh quá trình hình thành hỗn hợp cháy trong buống cháy.

Các nhược điểm cần khắc phục trên cửa buồng cháy bao gồm: tiết diện lỗ phun chính nhỏ làm mất mát động năng của các dòng khí khi đi qua nó; quỷ đạo chuyển động của dòng khí tạo ra trong buồng cháy xoáy lốc chưa tối ưu do mức độ

biên của vòi phun ĺn gây khó khăn cho việc kiểm soát quá trình bắt cháy của nhiên liệu.

3.2.3. Đ nh piston

Hình 3.5. Kết cấu đỉnh piston.

1.Buồng cháy chính; 2.Cửa buồng cháy; 3.Buồng cháy xoáy lốc; 7. Phần lõm trên đỉnh piston; 8. Đỉnh piston; 10.Vùng đón nhận hỗn hợp cháy; 12. Vùng biên của phần lõm trên đỉnh piston; 100a.Phần lõm xupap n p; 100b.Phần lõm xupap thải;

103,104.Vùng biên của phần lõm xupap thải và xupap n p.

Kết cấu đỉnh piston bao gồm các vùng lõm có biên dạng 3 cạnh để đón nhận khí cháy từ buống cháy xoáy lốc, các vùng lõm tròn vị trí tương ứng v́i xupap nạp và thải, và phần đỉnh liền của piston.Đỉnh piston cùng v́i nắp máy tạo thành buồng cháy chính của động cơ. Kết cấu lõm trên bề mặt Piston có hình dạng đặc biệt vừa là nơi tránh bị đụng xu páp vừa là nơi tập trung luồng khí khi Piston duy chuyển cuối kỳ nén. Mỗi loại động cơ khác nhau có kết cấu đỉnh piston khác nhau. buồng cháy loại TVC, hỗn hợp khí cháy được vận chuyển từ buồng cháy xoáy lốc đến buồng cháy chính thông qua lỗ nối đặc biêt nên hình thành các xoáy lốc Three Vortex do đó đỉnh piston cũng được thiết kếđặc biệt đểđón nhận hỗn hợp

khí cháy tại phần lõm 10 và phân bố hợp lý trong buồng cháy để chuẩn bị cho quá trình cháy.

Việc cải tiến kết cấu đỉnh piston đòi hỏi phải đáp ứng các yêu cầu về nhiệt- động học của quá trình hình thành hòa khí và quá trình cháy Kết cấu đỉnh piston như biên dạng, độ sâu cạn, vật liệu chế tạo phần lõm trên đỉnh piston làm cho dòng hỗn hợp khí đi vào buồng cháy hình thành nên những dạng chuyển động rối, xoáy lốc tối ưu và phân bố hợp lý trong buồng cháy.

3.3. Phân tích quá trình hình thành h n h p cháy Trong bu ng cháy xoáy l c Trong bu ng cháy xoáy l c

Khí nạp được piston đẩy vào buồng cháy xoáy lốc qua cửa thoát kết hợp v́i kết cấu của cửa thoát và buồng cháy tạo nên các dòng xoáy lốc đặc biệt. Không khí nén trong buồng cháy xoáy lốc cáo nhiệt độ cao, áp suất cao, động năng ĺn, quỹ đạo chuyển động được tính toán trức đểđảm bào cho quá trình tạo hỗn hợp tối ưu.

buồng cháy TVC, cửa thoát được chia làm ba phần, khi dòng khí nén đi qua tạo thành ba vùng xoáy lốc Three Vortex đặc trưng giúp tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu-không khí.

Hình 3.6. Buồng cháy TVC

xông do quy đạo chuyển động của dòng khí. Khi piston lên gần đến điểm chết trên thì nhìn chung quỷđạo chuyển động của dòng khí không còn bịảnh hư ng b i bugi nửa, dòng xoáy lốc tốc độ cao tập trung vùng giữa bugi xông và thành buồng cháy do đó khi nhiên liệu được phun vào thì tia phun sẽduy trì được chiều chuyển động cũng như độ xuyên thấu của tia phun mà không bị cản tr b i chuyển động rối trong buồng cháy.

Hình 3.7. Góc phun nhiên liệu trong buồng cháy [29]

Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy xoáy lốc qua kim phun, kim phun thư ng là loại một lỗ phun cho ra tia phun có dạng hình nón rỗng có động năng ĺn, khả năng bay hơi và phân rã cao dễ dàng kết hợp v́i không khí trong buồng cháy.

Nhiệt độ trong buồng cháy xoáy lốc cao do tận dụng nhiệt của khí sót còn lại của chu trình trức, ngoài ra nhiệt độ tại cửa thoát của buồng cháy là rất cao do lượng nhiệt đi qua ĺn nhưng diện tích tiếp xúc lại tương đối nhỏ. chế độ kh i động lạnh, buồng cháy được làm nóng nh bugi xông để đưa nhiệt độ buồng cháy đến giá trị thích hợp.

Khi các điều kiện môi trư ng bên ngoài được đảm bảo quá trình hình thành hòa khí được bắt đầu: cuối kì nén sau khi piston lên gần đến điểm chết trên, không khí được nén trong buồng cháy xoáy lốc tạo nên vùng có nhiệt độ, áp suất và xoáy lốc cao, sau đó nhiên liệu được phun trực tiếp vào vùng xoáy lốc để hình thành hỗn hợp cháy.

Khi gặp nhiệt đô cao của môi trư ng các hạt nhiên liệu nhanh chóng bốc hơi chuyển từ pha lỏng sang pha khí, kích thức và khối lượng hạt nhiên liệu giảm đáng

kể, nhiệt độ và tốc độ bay hơi của nhiên liệu tăng tạo điều kiện hòa trộn v́i không khí nén.

Hình 3.8. Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng và nhiệt độ hạt nhiên liệu theo th i gian. [10]

Khi gặp gặp xoáy lốc các hạt nhiên liệu nhanh chống bị xé nhỏlàm tăng diện tích tiếp xúc v́i không khí nóng trong buồng cháy, ngoài ra các va chạm nội tại của các hạt nhiên liệu theo quỹ đạo chuyển động cũng góp phần đẩy nhanh quá trình phân rã và bay hơi của nhiên liệu.

.

Hình 3.9. Xoáy lốc trong buồng cháy TVC

toàn do th i gian hòa trộn ngắn, hàm lượng và kích thức hạt nhiên liệu ĺn, một phần nhiên liệu gặp điều kiện thuận lợi phát sinh quá trình cháy cục bộ, tỏa nhiệt năng ĺn làm đẩy phần nhiên liệu, không khí chưa hòa trộn cùng v́i lượng hỗn hợp cháy và khí cháy vào buồng cháy chính. Quá trình hình thành hòa trộn và cháy diễn ra đồng th i làm thay đổi mạnh mẽ quỷđạo chuyển động của hỗn hợp cháy trong buồng cháy. Hình vẽ.

Hình 3.10. Xoáy lốc trong buồng cháy xoáy lốc [29]

Trong bu ng cháy chính:

Sau khi nhiên liệu từ buồng cháy phụ bịđẩy sang buồng cháy chính v́i tốc độ và độ khuếch tán cao, phần khí hỗn h́p ( khí cháy, hòa khí, hơi nhiên liệu…) sẽđến đỉnh piston có kết cấu đặc biệt để đón nhận các xoáy lốc Three Vortex và tạo nên quỹđạo chuyển động cho phần hỗn hợp này và hoàn thành quá trình hòa trộn hỗn hợp cháy.

Hình 3.11. Xoáy lốc trong buồng cháy chính

Quỹđạo chuyển động của mỗi loại buồng cháy khác nhau thì khác nhau, điều này ảnh hư ng đến tốc độ hòa trộn cũng như khảnăng hình thành hòa khí đồng nhất

hay phân tầng, cách phân bố vùng hòa khí đậm nhạt trong buồng cháy. Quỹ đạo chuyển động của hỗn hợp khí chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố sau:

Dạng chuyển động của hỗn hợp khí đi qua cửa thoát từ buồng cháy xoáy lốc. Căn cứ vào dòng chảy này đỉnh piston được thiết kế để tận dụng tối đa động năng có ích cho quá trình tạo xoáy lốc trong buồng cháy chính. loại buồng cháy TVC, v́i kết cấu cửa thoát đặc biệt giúp chia hỗn hợp khí cháy từ buồng cháy xoáy lốc thành 3 xoáy lốc đặc trưng tạo hiệu ứng Three Vortex. Xoáy lốc Three Vortex phát triển không ngừng trong buồng cháy chính giúp phân bố thích hợp nhiên liệu và oxi trong từng vùng cháy, đẩy nhanh quá trình hòa trộn cũng như giải phóng nhiệt năng của nhiên liệu.

Kết cấu đỉnh piston: biên dạng, độ sâu cạn, vật liệu chế tạo phần lõm trên đỉnh piston làm cho dòng hỗn hợp khí đi vào buồng cháy sẽ tạo ra nhựng dạng chuyển động rối, xoáy lốc tối ưu và phân bố hợp lý trong buồng cháy. động cơ Three Vortex, V́i thiết kếđặc biệt của đỉnh piston được chia thành 3 vùng lõm, đã giúp đón nhận và phát triển dòng hỗn hợp khí cháy xoáy lốc Three Votex từ buồng cháy xoáy lốc. Các hỗn hợp khí cháy và chưa cháy được vận chuyển hợp lý đến từng vùng cháy trong buồng cháy chính giúp cung cấp đủ nhiên liệu đến các vùng biên giàu oxi cũng như cung cấp oxi đến các vùng lõm giàu nhiên liệu của buồng cháy.

3.4. Các y u t c i thi n quá trình hòa tr n nhiên li u Biodiesel trong bu ng cháy TVC:

V́i việc sử dụng buồng cháy xoáy lốc, đặc biệt là dạng buồng cháy TVC, các nhược điểm do tính chất lý hóa của nhiên liệu Biodiesel cơ bản được khắc phục:

3.4.1. Đ nh t cao:

Buồng cháy xoáy lốc ( Three Votex Combustion Chamber) khắc phục được cơ bản các nhược điểm do độ nh́t cao gây ra: vì nhiên liệu được phun dầu tiên vào buồng cháy phụ và được phân rã một phần đây nh nhiệt độ cao và xoáy lốc Three vortex nên tia phun nhiên liệu không đòi hỏi cao vềđộ phun sương và áp lực phun. Kim phun sử dụng loại một lỗdo đó tránh được tình trạng tắc nghẽn lỗ phun, và loại kim phun một lỗ này có hai dạng kích hoạt đó là m trong và m ngoài, cả hai loại này đều cho tia phun dạng nón rỗng (hollow-cone spray) có độ phân rã cao, ngoài ra nhiên liệu được hòa trộn trức một phần trong buồng cháy xoáy lốc (turbulent chamber) nên quá trình phân rã, bay hơi và hòa trộn cũng được đẩy nhanh. Độ xuyên thấu và hiện tượng nhiên liệu va chạm v́i thành xy lanh cũng được kiểm soát hợp lý bằng hiệu ứng xoáy tốc Three Vortex. Các phân tử nhiên liệu được phân bố đều hơn trong toàn bộ thể tích công tác của động cơ giúp rút ngắn th i gian cháy trể và giảm lượng khi thải HC và CO trong khí thải.

3.4.2. Nhi t ch p cháy:

động cơ sử dụng buồng cháy trung gian (TVC) nhiệt độ và áp suất cực đại nắp máy và trong buồng cháy xoáy lốc rất cao đặc biệt cao cửa thoát giữa buồng cháy chính và buồng cháy phụ nên khắc phụ được nhiệt ch́p cháy cao của nhiên liệu Biodiesel. Đồng th i do trong thành phần hóa học của nhiên liệu biodiesel có nhiều phân tử oxi nên có thểtăng lượng khí EGR nóng trong buồng cháy, đây cũng là một cách để nhanh chóng đưa khí cháy đến nhiệt độ ch́p cháy. Bên cạnh đó, toàn bộlượng khí công tác trong buồng cháy được xấy nóng và hòa trộn trong th i gian dài buồng cháy xoáy lốc nên khi một vị trí nào đó trong buồng cháy xoáy lốc đạt đến nhiệt ch́p cháy thì đồng th i các vùng lân cận cũng xảy ra phản ứng day chuyền một cách nhanh chóng.

3.4.3. Nhi t tr thấp:

Nhiệt trị của nhiên liệu biodiesel thấp hơn so v́i diesel truyền thống nên nhiệt năng giải phóng ra khi đốt cháy cùng một lượng như nhau thì v́i biodiesel se thấp hơn. Do đó đểtăng nhiệt năng của mỗi chu trình động cơ cần phải tăng lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy trong quá trình phun. Khí đó đòi hỏi góc phun śm phải tăng lên, th i gian chuẩn bị hỗn hợp cháy cũng dài hơn. Trong các phân tích, cho tất cả các chế độ hoạt động của động cơ, ứng v́i biodiesel, để đạt được hiệu suất là cao nhất thì góc phun śm luôn thêm từ3 đến 5 độ so v́i động cơ sử dụng diesel thông thư ng. Nhưng gíi hạn của góc phun śm này là hiện tượng bắt cháy śm của nhiên liệu khi piston chưa dến gần điểm chết trên và sự hao phí nhiên liệu do không cháy hết và thải ra ngoài. V́i động cơ sử dụng buồng cháy Three Vortex bằng việc tận dụng tối đa khảnăng hoà trộn khí cháy v́i lượng khí luận hồi EGR giúp kéo dài th i gian cháy trể cho hỗn hợp khí công tác, đồng th i đẩy nhanh quá trình phân rã và giải phóng nhiệt năng đối v́i lượng nhiên liệu được cung cấp vào cuối quá trình phun giúp làm tăng đáng kể hiệu suất của toàn bộđộng cơ.

Hình1. 1. Th phầnăđ ngăc ă3ăxylanhă30-50 Hp trong t ng s đ ngăc ănhi u xy lanh t 20 ậ 90 Hp ... 4 Hình 1.2. Th phầnăđ ngăc ăph c v cho nông nghi p Vi t Nam.[25] ... 5 Hình 1.3. Biểuăđ bi năđ ng giá nhiên li u t nĕmă2004ăđ n 2009 [33] ... 7 Hìnhă1.4.ăSoăsánhăhƠmăl ng khí CO trong khí th i khí th i Biodiesel và Diesel.[33] ... 9 Hìnhă1.5.ăăL ng khí th i trung bình c a nhiên li u Biodiesel khi s d ng trên đ ngăc ădiesel.[33] ... 10 Hình 2.1.Tr ng thái phân rã tia phun ... 17 Hình 2.2. Các tr ng thái phun Hìnhă2.3.ăĐặc tính phát triển tia phun 18 Hình 2.4. Các tr ng thái phân rã h t chất l ng theo Wierzba.[11] ... 19 Hình 2.5. S phân rã th cấp c a các h t Newton [30] ... 20 Hình 2.6. Cấu trúc tia phun nhiên li u. ... 21 Hình 2.7. Xoáy l c trong tia phun ... 21 Hình 2.8. Hình thành b t khí trong tia phun... 22 Hìnhă2.9.ăDaoăđ ng sóng trên tia phun ... 22 Hình 2.10. S ph c h i c a tia phun ... 22 Hình 2.11. So sánh áp suất phun nhiên li u (bên trái 500bar, phải 1000bar) [15]