Phân tích quá trình hình thành hn hp cháy

L ời cam đoan

3.3. Phân tích quá trình hình thành hn hp cháy

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] ... 23 Hình 2.12. S va ch m và k t h p gi a các h t nhiên li u [30] ... 23

Hình 2.14. S phát triển theo th i gian c a chùm tia phun t vòi phun xoáy l c áp suất [22] ... 26 Hình 2.15. S phát triển theo th i gian c a dòng khí ph quanh chùm tia phun t vòi phun xoáy l c áp suất [10] ... 26 Hình. 2.16. nhăh ng c a áp suấtămôiătr ng lên k t cấu chùm phun (hình ch p 2 ms sau khi kích hoạt kim phun, T=289K, P=7Mpa) [10] ... 27 Hình.2.17. nhăh ng c a áp suấtămôiătr ng và áp suất phun lên cấu trúc chùm phun.( T=298K, P=7Mpa, kim phun kich hoạt tại t=0 ms) [10] ... 27

Hình 2.18. S thayăđ i k t cấu tia phun theo áp suất phun.[30]

(Pa = 1 psi; Pb = 3 psi; Pc = 8 psi; Pd = 25 psi; Pe = 50 psi; Pf = 185 psi) ... 28 Hình 2.19. nhăh ng c a nhi tăđ môiătr ng lên k t cấu tia phun.

(Hình ch p 2ms sau khi kich hoat kim phun, P=7Mpa) ... 29 Hình 2.20. nhăh ng c a t căđ khí lên quá trình phân rã c a chùm phun

(va= 19 m/s; vb = 21m/s; vc = 30 m/s; vd = 50 m/s) [30] ... 30 Hình 2.21. Hi năt ngăt ngătácăv i thành ch n c aăchùmăphunăhìnhăchópăđặc [10] ... 31 Hình 2.22. a.Vùng không khí quanh m t chùm phunăchópăđặcăkhiăt ngătácă

v i thành ch n. b. V n t c c a các h t nhi n li u, (Pinj = 100Mpa, Pbuongcháy=1.0Mpa, dl phun= 0,25mm, Tthanh chắn= 289K) [10] ... 31 Hình 2.23. Các d ngăt ngătácăgi a nhiên li u v i thành ch n. ... 32 Hình 2.24. Th i gian phát triển c a chùm phun khi b va ch m, (Pinj = 120Mpa, Pbuongcháy=0.1Mpa, dl phun= 0,18mm, Tthanh chắn= 289K) [10] ... 32

Hình 2.25. nhăh ng c a áp suất phun, áp suất bu ng cháy và nhi tăđ thành

ch năđ năquáătrìnhăvaăđ p c a tia phun lên thành ch n

(Pinj = 80Mpa và 120MPa, bu ng cháy chứa khí N2, dl phun= 0,18mm) [19]... 34 Hình 2.26. Phát triển chùm tia phun nhiên li u diesel ... 34 Hình 2.27. Bu ng cháy d b

1. Bugi xông; 2.kim phun; 3. Cần đẩy kim phun; 4. Tr c cam; 5. Cần đẩy xupap; 6. Bu ng cháy ph ... 35 Hình 2.28. Bu ng cháy xoáy l c ... 37 Hình 2.29. T căđ xoáy l căthayăđ i theo k t cấu và v trí c a c a bu ng cháy [32] ... 38 Hình 2.30. Quá trình v n chuyển h n h păcháyăđ n bu ng cháy chính [29] . 38 Hình 2.31. Xoáy l c trong bu ng cháy chính ... 39 Hình.2.32. K t cấu bu ngăcháyătr c và sau c i ti n [32] ... 40 Hình 2.33. Mô ph ng xoáy l c c a Helmholtz [26] a) Hai dòng xoáy cùng dấỐ, b) Hai dòng ồoáy ng c nhau, c) M t cặp xoáy l c.

... 42 Hình 2.34. Mô ph ng chuyểnăđ ng c a Three Vortex do Grobli thi t l p. [27]

a.Xoáy l c 1 và 3 là m t c p và tiếp c n xoáy l c 2.(c), (d) miêu tả cùng chuyển đ ng nh ng ệấy từ các ngu n khác nhau: (b) c a Zhukovsky; (c) c a Grobli và (d) lấy ngu n theo kỉ thu t mô ph ng hi n đại. ... 45 Hình 2.35. Chuyểnăđ ng c a 4 và 5 xoáy l c. [28] ... 45 Hình 2.36. Mô ph ng Xoáy l c three vortex bằng phần m m Ansys ... 46

Hìnhă2.38.ăSoăsánhăđ ng kính SMD gi a diesel và biodiesel [31] ... 53 Hìnhă3.1: Hìnhăchi uăđ ngăđ ngăc ăD1703-E3B ... 59 Hìnhă3.2: Hìnhăchi uăc nhăđ ngăc ăD1703-E3B ... 59 Hình 3.3. K t cấu bu ng cháy TVC.

3.tr c đôi ồ ng ồi ệanh; 6.ệ khoét trên náp máy; 7.b đở bu ng cháy xoáy l c; 8.bu ng cháy xoáy l c; 9.bu ng cháy chính; 10.đáy b đở bu ng cháy xoáy l c; 11.cửa bu ng cháy chính; 12.cửa bu ng cháy ph ; 19.vòi phun; 20. Bugi xông.

... 60 Hình 3.4. C a bu ng cháy Three Vortex.

7.b đở bu ng cháy xoáy l c; 11.l phun chính c a cửa bu ng cháy; 17.rãnh chính c a l phun; 18.rãnh bên c a l phun; 17a.tr c rãnh chính; 18a.tr c rãnh ph . ... 61 Hình 3.5. K t cấuăđ nh piston.

1.Bu ng cháy chính; 2.Cửa bu ng cháy; 3.Bu ng cháy xoáy l c; 7. Phần lõm ỏrên đỉnh pisỏon; 8. Đỉnh pisỏon; 10.Vùng đón nh n h n h p cháy; 12. Vùng biên c a phần ệõm ỏrên đỉnh piston; 100a.Phần lõm xupap nạp; 100b.Phần lõm xupap thải; 103,104.Vùng biên c a phần lõm xupap thải và xupap nạp. ... 62 Hình 3.6. Bu ng cháy TVC... 63 Hình 3.7. Góc phun nhiên li u trong bu ng cháy [29] ... 64 Hình 3.8. Biểuăđ biểu di n s ph thu c c a kh iăl ng và nhi tăđ h t nhiên li u theo th i gian. [10] ... 65 Hình 3.9. Xoáy l c trong bu ng cháy TVC ... 65 Hình 3.10. Xoáy l c trong bu ng cháy xoáy l c [29] ... 66

Hình 3.11. Xoáy l c trong bu ng cháy chính ... 66 Hình 3.12. K t cấuăđ nh piston c aăđ ngăc ăTVC ... 67

B ng 1.1. Ngu năđ ng l c dùng trong nông nghi p nông thôn ... 1 B ng 1.2. Th ngăkêăc ăgi i hóa trong canh tác nông nghi p ... 2 B ng 1.3. Th ngăkêăc ăgi i hóa trong ngành lâm nghi p ... 2 B ngă1.4.ăPh ngăti n v n t i (PTVT) khu v c nông thôn c a các vùng ... 3 B ngă1.5. Dưyăcôngăsuơtăđô ̣ngăc ăvaăc ̃ăl ̣căkeoă ̉ ămocămayăkeo ... 3 B ng 2.1. s chuyển d ch h s Weberătrongăcácătr ng h p phân rã ... 20 B ng 2.2: Tính chấtălỦăhóaăc ăb n c a các Biodiesel ... 52 B ngă2.3:ăSoăsánhăđ cặn và tr s cetan c a các lo i Biodiesel ... 52 B ng 2.4:ăL ng khí th i dầu biodiesel (BDF) so v i dầu Diesel (DO) ... 53 B ngă3.1: Thôngăsôăkỹăthuơ ̣tăđô ̣ngăc ădieselăth ̉ ănghiê ̣m ... 57

Ch ngă4

MÔ PH NGăĐ NG H C

4.1.T ng quan v phần m m mô ph ng Ansys Fluent

ANSYS FLUENT là một phần mềm v́i những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến sự cháy trong 1 lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lí nức thải. Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa buồng cháy động cơ cylinder, khí động học sự truyền âm, máy cánh và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc m rộng khả năng của phần mềm.

Hình 4.2 . Máy bay được mô hình hóa bằng ANSYS FLUENT.

Ngày nay, hàng ngàn công ty trên thế gíi đã thu được lợi nhuận ĺn từ việc sử dụng ANSYS FLUENT để phân tích những thiết kế của họ và việc tối ưu hóa quá trình phát triển sản phẩm. Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến giúp đưa ra những kết