Trong quá trình mô phỏng nhiệt độ trong buồng cháy được thay đổi từ 300K đến 1200K. Đây là nhiệt độ tương ứng với quá trình nén của động cơ diesel D243, và Kubota E75 được khảo sát tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Quá trình bay hơi của nhiên liệu trong CVCC
Hình 4. 7 thể hiện quá trình bay hơi của nhiên liệu B0 trong điều kiện áp suất phun vào buồng cháy như nhau 1500 bar, nhiệt độ thay đổi từ 300K lên 1200K. Ta thấy, khi tăng nhiệt độ, thời gian bay hơi hoàn toàn của nhiên liệu trong buồng cháy CVCC giảm (Hình 4. 8), diện tích phần nhiên liệu hóa hơi trong buồng cháy CVCC giảm. Hình ảnh còn cho thấy, khi tăng nhiệt độ phần không gian hóa hơn của nhiên liệu ở gần vòi phun có xu hướng lan rộng hơn. Ngoài ra, ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều dài tia phun ở thời điểm kết thúc phun. Khi tăng nhiệt độ làm giảm chiều dài của tia phun giảm trong buồng cháy.
93
Hình 4. 7. Hình ảnh ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình bay hơi của nhiên liệu trong CVCC
Hình 4. 8. Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự bay hơi của nhiên liệu trong CVCC
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 3 5 7 9 11 Nh iệt đ ộ bu ồn g ch áy (K )
Thời gian bay hơi hoàn toàn nhiên liệu (ms)
94
Quá trình hòa trộn nhiên liệu trong CVCC
Bảng 4. 7. Phổ màu sắc tương ứng với tỉ lệ A/F
A/F 40 40-32 32-24 24-16 16-8 8-0 Màu sắc Đỏ Vàng cam Xanh Xanh lá cây_vàng Xanh nước biển Xanh lá cây_xanh nước biển
Hình 4. 9. Quá trình hình thành hỗn hợp trong CVCC thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu
Hình 4. 9 cho thấy, thời điểm ban đầu phun nhiên liệu vào buồng cháy. Lúc này toàn bộ buồng cháy chứa hỗn hợp khí (màu đỏ).
Hình 4. 10. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 1.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu
Hình 4. 10 cho thấy, nhiên liệu được phun vào sau một khoảng thời gian vô cùng nhỏ, hình ảnh cho thấy phần nhiên liệu (màu xanh) được phun vào và phần không khí trong buồng cháy có một màng ngăn cách. Lớp tiếp xúc giữa không khí bên trong và nhiên liệu phun vào hình thành hòa khí có tỉ lệ A/F khoảng từ 32-24 (màu xanh lá cây_vàng) và hỗn hợp đậm dần ( A/F nhỏ dần) theo hướng về phía vòi phun nhiên liệu. mặt khác, hình ảnh cho thấy, các hạt nhiên liệu có kích thước khác nhau, có động năng khác nhau chuyển động hỗn độn khi ra khỏi vòi phun, những hạt có động năng lớn có xu hướng vượt ra khỏi lớp hòa khí và tiến xa hơn vào không gian trong buồng cháy để tạo ra một không gian hòa khí cục bộ.
95
Hình 4. 11. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 2.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu
Hình 4. 11 cho thấy, sự phân tán các hạt nhiên liệu trong buồng cháy mãnh liệt hơn, không gian mà nhiên liệu chiến chỗ trong buồng cháy lớn hơn, một số hạt nhiên liệu có động năng lớn vượt qua ranh giới lớp màng và tiến xa hơn vào trong buồng cháy vượt ra ngoài ranh giới của lớp hòa khí tiếp xúc để tạo ra nhiều phần thể tích hòa khí trong buồng cháy hơn. Hình ảnh còn cho thấy, các hạt nhiên liệu có kích thước lớn hơn (hạt màu vàng và màu nâu) đã vượt ra ngoài ranh giới lớp tiếp xúc để phát triển thêm nhiều khu vực hòa khí trong buồng cháy.
Hình 4. 12. Quá trình hình thành hỗn hợp ở 5.0E-6 (s) sau khi phun nhiên liệu
Hình 4. 12 cho thấy, quá trình hòa trộn hỗn hợp gần như toàn bộ buồng cháy. Toàn bộ nhiên liệu phun vào đã hòa trộn đồng nhất với không khí bên trong buồng cháy. Tuy nhiên ở những góc cạnh của buồng cháy vẫn có một phần nhỏ nhiên liệu chưa được hòa trộn đồng đều (những góc cạnh của buồng cháy)
96
Hình 4. 13. Đồ thị áp suất thực nghiệm và mô phỏng
REC1-tn b0: áp suất thực nghiệm của nhiên liệu B0; REC1-tn b10: áp suất thực nghiệm của nhiên liệu B10; REC1-mp b0: áp suất mô phỏng của nhiên liệu B0; REC1-tn b10: áp
suất thực nghiệm của nhiên liệu B10.
So sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng áp suất buồng cháy trong cùng điều kiện phun, nhiệt độ 300K và nồng độ ôxy 20%. Hình 4. 13 cho thấy, đồ thị giữa mô phỏng và thực nghiệm có xu hướng tương tự nhau. Giá trị áp suất đỉnh khi mô phỏng và thực nghiệm lệch nhau không quá 3%. Điều này chứng tỏ mô hình đảm bảo khi tiến hành mô phỏng quá trình cháy của nhiên liệu trong CVCC.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cháy trong buồng cháy CVCC
a. Áp suất buồng cháy
Hình 4. 14. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất buồng cháy
B0 450 K: nhiên liệu B0 ở 450K; B10 450 K: nhiên liệu B10 ở 450K; B0 300 K: nhiên liệu B0 ở 300K; B10 300 K: nhiên liệu B10 ở 300K.
Mô phỏng quá trình cháy của nhiên liệu trong điều kiện 300K; 450K và 20% nồng độ ôxy chế độ phun nhiên liệu như nhau.
Hình 4. 14 chỉ ra rằng, khi nhiệt độ tăng, chiều dài thâm nhập của tia phun giảm, giảm thời gian hòa trộn và tăng tốc độ cháy do nhiên liệu bay hơi nhanh hơn. Nhiệt độ
15 20 25 30 35 40 45 100 102 104 106 108 110 Áp su ất bu áy chá y (ba r)
Thời gian sau khi CNLM (ms)
REC1-tn b0 REC1-mp b0 REC1-tn b10 REC1-mp b10
97
môi trường thấp hơn, nhiên liệu có nhiều thời gian hòa trộn hơn, không khí xung quanh tia phun vào có thời gian để cuộn vào nhiên liệu hỗn hợp hình thành sẽ tốt hơn dẫn tới nhiệt độ đỉnh và áp suất đỉnh cao hơn.
Giá trị áp suất ban đầu của trường hợp nhiệt độ cao cao hơn và giá trị đỉnh cũng cao hơn, thời gian cháy trễ giảm khi nhiệt độ tăng.
b. Tốc độ tăng áp suất
Hình 4. 15. Tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy
Hình 4. 15 cho thấy, tốc độ tăng áp suất của nhiên liệu B10 có độ dốc lớn hơn so với nhiên liệu B0. Giá trị tốc độ tăng áp suất trong trường hợp nhiệt độ 450K cao hơn trong trường hợp 300K. Tốc độ tăng áp suất nhanh hơn, đồ thị có độ dốc lớn hơn, thời điểm đạt áp suất đỉnh của nhiên liệu B10 sớm hơn. Nguyên nhân do khi ở nhiệt độ cao thời gian hòa trộn của hỗn hợp ngắn hơn và nhiên liệu B10 có nhiều ôxy hơn giúp cho quá trình cháy nhanh hơn (thời gian cháy trễ ngắn hơn).
c. Tốc độ tỏa nhiệt
Hình 4. 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tỏa nhiệt
Hình 4. 16. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ tỏa nhiệt cho thấy, đồ thị tốc độ tỏa nhiệt có cùng xu hướng. Tức là sau khi phun nhiên liệu vào đồ thị có xu hướng giảm xuống vì nhiên liệu nhận nhiệt sau đó đồ thị tăng lên đột ngột do quá trình cháy của
98
nhiên liệu. Ngoài ra, tốc độ tỏa nhiệt cực ở 450K lớn hơn so với ở 300K.
Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy trong CVCC
a. Áp suất buồng cháy
Hình 4. 17. Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến áp suất buồng cháy
Mô phỏng diễn biến áp suất trong buồng cháy trong cùng điều kiện phun và nhiệt độ buồng cháy 300K. Hình 4. 17 Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến áp suất buồng cháy cho thấy, khi tăng nồng độ ôxy lên 20%, tốc độ tăng nhiệt độ trong buồng cháy nhanh hơn do áp suất tăng nhanh hơn, áp suất đỉnh và nhiệt độ đỉnh đạt sớm hơn nguyên nhân do có nhiều phần tử ôxy xung quanh hạt nhiên liệu phun vào dẫn đến tốc độ các phản ứng cháy diễn ra sớm hơn so với trường hợp nồng độ oxy10%.
b. Tốc độ tỏa nhiệt
Phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM
Hình 4. 18. Tốc độ tỏa nhiệt trường hợp phun nhiên liệu trước khi CNLM
Hình 4. 18. Tốc độ tỏa nhiệt trường hợp phun nhiên liệu trước khi CNLM, tốc độ tỏa nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm có cùng xu hướng, đồ thị cho thấy có 2 đỉnh cực trị tương ứng với hai giai đoạn cháy tựa HCCI. Tốc độ tỏa nhiệt trong trường hợp 20% ôxy bắt đầu cháy sớm hơn và đạt giá trị lớn nhât lớn hơn. Nguyên nhân do quá trình cháy được cung cấp thêm ôxy đã làm các phản ứng diễn ra sớm hơn và tỏa nhiều nhiệt hơn. -5 0 5 10 15 20 25 30 35 5 15 25 35 45 Áp su ất bu ồng chá y (ba r) Thời gian (ms) B0_10% ôxy B10_10% ôxy B0_20% ôxy B10_20% ôxy -500 0 500 1,000 1,500 10 15 20 25 30 T ốc độ t ỏa nh iệt ( J/m s) Thời gian (ms) B0_10% ôxy B10_10% ôxy B0_20% ôxy B10_20% ôxy
99
Phun nhiên liệu sau thời điểm CNLM
Hình 4. 19. Tốc độ tỏa nhiệt trường hợp phun nhiên liệu sau khi CNLM
Hình 4. 19. Tốc độ tỏa nhiệt trường hợp phun nhiên liệu sau khi CNLM cho thấy, đồ thị tỏa nhiệt trong hai trường hợp có cùng xu hướng. Tốc độ tỏa nhiệt trong trường hợp 20% ôxy diễn ra sớm hơn so với trường hợp 10% ôxy.