Cơ sở lựa chọn áp suất và nhiệt độ
Các động cơ diesel hiện nay thường có tỉ số nén từ 16-28, với áp suất trong xy lanh trong động cơ dao động từ 60-90 bar [7]. Khi phân tích các nghiên cứu về quá trình cháy cho động cơ theo HCCI áp suất của quá trình cháy thường nhỏ hơn 80 bar ở tất cả các chế độ hoạt động của động cơ [83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 100]. Ngoài ra, khi phân tích một số nghiên cứu khác ở trong nước cũng cho thấy rằng áp suất trong buồng cháy động cơ truyền thống nhỏ hơn 80 bar [3, 6, 8]. Vì vậy, trong nghiên cứu này tác giả chọn lựa áp suất lớn nhất của buồng cháy là 80 bar để đảm bảo an toàn khi nghiên cứu quá trình cháy HCCI trong buồng cháy.
Sơ đồ bố trí chung và yêu cầu đối với buồng cháy CVCC
50
Hình 3. 1. Hệ thống CVCC
Hệ thống CVCC bao gồm các hệ thống: hệ thống đều khiển, hệ thống nhiên liệu áp suất cao, hệ thống hòa trộn hỗn hợp, hệ thống đánh lửa, hệ thống cung cấp khí, hệ thống sấy, hệ thống thải, hệ thống làm mát, hệ thống thông tin (Hình 3. 1).
Để tạo ra hỗn hợp đồng nhất và cháy HCCI trong buồng cháy này hệ thống hoạt động như sau.
Nguyên lý hoạt động
Hỗn hợp khí được cấp vào buồng cháy CVCC thông qua các van điện từ trong điều kiện buồng cháy được sấy nóng và nhiên liệu được phun vào ngay sau đó nhờ hệ thống nhiên liệu common rail. Hỗn hợp được hòa trộn đồng nhất bằng quạt hòa trộn trong thời gian dài trong điều kiện nhiệt độ buồng cháy cao. Quá trình tăng nhiệt độ và áp suất buồng cháy diễn ra ngay sau khi bật tia lửa điện từ bugi (cháy nhiên liệu mồi tạo ra nhiệt độ và áp suất cao và tạo ra điều kiện giả lập của động cơ diesel truyền thống ở thời điểm cuối kỳ nén). Nhiên liệu mồi cháy nhanh và tỏa nhiệt lớn làm cho nhiệt độ và áp suất buồng cháy tăng nhanh đến cực đại. Lúc này, toàn bộ hỗn hợp trong buồng cháy cháy cùng lúc (hỗn hợp đồng nhất) làm cho áp suất của buồng cháy tiếp tục tăng lên. Kết thúc quá trình cháy, áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy giảm mạnh do truyền nhiệt ra thành buồng cháy và sản phẩm cháy. Sau đó toàn bộ sản phẩm cháy được thải ra ngoài nhờ hệ thống thải.
Hệ thống thông tin thu thập lại toàn bộ thông số của buồng cháy cũng như ghi lại toàn bộ quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong buồng cháy.
3.1.1.2. Yêu cầu
Tất cả các bộ phận của hệ thống buồng cháy CVCC (Hình 3. 1) phải chịu áp lực cao trong quá trình thí nghiệm.
Khi tháo ra và lắp vào chú ý cẩn thận tránh làm vỡ các đĩa thạch anh quan sát, vệ sinh sạch sẽ. Tất cả các phần của thùng hòa trộn phải đảm bảo đủ bền.
Hệ thống cung cấp khí phải được ngắt bỏ hoàn toàn sau khi kết thúc quá trình đẩy khí đến CVCC, phải có hệ thống an toàn bảo vệ cháy nổ. Tuyệt đối không để hiện tượng cháy ngược từ buồng cháy CVCC về các bình chứa.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu phải đảm bảo cung cấp đủ, đúng thời điểm và áp suất phun phải đảm bảo.
71 - Đa mục tiêu và nhiều nền tảng.
- Hướng đối tượng.
- Khả năng đa luồng và quản lý bộ nhớ.
Phần cứng Arduino
Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.
Board Arduino Nano (Hình 3. 28) có cấu tạo, số lượng chân vào ra là tương tự như board Arduino Uno. Tuy nhiên đã được tối giản về kích thước cho tiện sử dụng hơn. Do được tối giản rất nhiều về kích thước nên Arduino Nano chỉ được nạp “code” và cung cấp điện bằng duy nhất 1 cổng mini USB. Thông số kỹ thuật của board Arduino nano thể hiện trong (Bảng PL1. 1).
Hình 3. 28. Board Arduino Nano
Lập trình điều khiển hệ thống
Hệ thống điều khiển CVCC chia làm hai trường hợp phun trước và phun sau thời điểm CNLM. Vì vậy, trong phần này lập trình ra hai chương trình điều khiển hệ thống và. Hình 3. 29 là Sơ đồ khối chương trình điều khiển hệ thống CVCC. Chương trình điều khiển hệ thống CVCC phun nhiên liệu hòa trộn trước và phun nhiên liệu hòa trộn sau thời điểm CNLM được viết cụ thể trong phụ lục. Dưới đây là Sơ đồ khối điều khiển hệ thống của phần mềm.
72
Hình 3. 29. Sơ đồ khối chương trình điều khiển
Chức năng của các phần tử (Phụ lục 02)
3.4. Các hệ thống khác
Bao gồm các hệ thống: hệ hống nhiên liệu áp suất cao (common Rail), hệ thống hòa trộn, hệ thống đánh lửa, hệ thống cung cấp khí, hệ thống cung cấp nhiệt, hệ thống làm mát, hệ thống thông tin.
Hệ thống nhiên liệu áp suất cao (common Rail)
Hệ thống cung cấp nhiên liệu áp suất cao được sử dụng để cung cấp nhiên liệu áp cao cho buồng cháy. Động cơ ba pha được sử dụng để dẫn động bơm áp cao của hệ thống nhiên liệu Common-Rail. Vận tốc của bơm được điều khiển bằng biến tần (Hình 3. 30). Thông số của các bộ phận chính thể hiện trong (Bảng PL1. 2). Chương trình
Labview được sử dụng để điều chỉnh áp suất phun và tốc độ của mô tơ cho phù hợp.
Cơ chế điều khiển vòi phun được thể hiện như trên (Hình 3. 31). Hệ thống cung cấp nhiên liệu cung cấp đúng lượng nhiên liệu và đúng thời điểm cần thiết phải lập trình và thiết kế lại EDU của hệ thống cung cấp nhiên liệu ban đầu. Cơ sở thiết kế, chế tạo EDU này được trình bày chi tiết trong phụ lục 02.
73
Cấp nguồn điện ba pha cho mô tơ dẫn động bơm áp cao được điều khiển bởi biến tần. Nhiên liệu được chuyển từ thùng nhiên liệu qua lọc nhiên liệu qua hệ thống làm mát, van SCV bơm thấp áp, bơm cao áp đến ống Rail sau đó nhiên liệu chờ ở vòi phun với áp suất cao 1500 bar. Nhiên liệu được phun vào buồng cháy theo tín hiệu điều khiển (hệ thống điều khiển CVCC) của chương trình của máy tính.
Hình 3. 30. Hệ thống nhiên liệu Common Rail
Hình 3. 31. Cơ chế điều khiển vòi phun
Hệ thống hòa trộn hỗn hợp
Hệ thống hòa trộn hỗn hợp có nhiệm vụ hòa trộn hỗn hợp trong buồng cháy CVCC đồng nhất trước khi quá trình cháy diễn ra. Các chi tiết chính của quạt hòa trộn phải tính toán thiết kế phù hợp với buồng cháy và đặc biệt không để hiện tượng lọt khí từ trong buồng cháy ra ngoài theo chiều dọc trục và đảm bảo quạt hòa trộn đủ bền trong quá trình làm việc bên trong buồng cháy. Các chi tiết chính cần thiết kế bao gồm: trục quạt, nắp đuôi, thân, nắp đầu. Hình vẽ các chi tiết được thể hiện (Hình 3. 32). Và sau khi lắp ghép lại quạt có dạng như trong Hình 3. 33. Cánh của quạt hòa trộn làm việc trong điều kiện khắc nghiệt chịu nhiệt độ cao, áp suất cao và quay với tốc độ rất lớn vì vậy có thể tận dụng cánh xả của turbo tăng áp của động cơ tăng áp.
Hòa trộn hỗn hợp khí đưa vào buồng cháy. Cánh quạt của thiết bị hòa trộn nằm ở phía trong buồng cháy (Hình 3. 34; Hình 3. 35). Trục của thiết bị hòa trộn được dẫn động bởi mô tơ với các thông số (Bảng PL1. 3; Bảng PL1. 4). Mô tơ được điều khiển bằng hộp điều khiển phần mềm LabView. Vật liệu chế tạo cánh quạt phải chịu được nhiệt độ cao (hơn 10000C). Yêu cầu đối với thiết bị hòa trộn: Phải kín khít không để lọt khí ra bên ngoài, hoạt động nhẹ nhàng, chính xác. Hoạt động của quạt hòa trộn được điều khiển bằng máy tính thông qua phần mềm LabView.
74
Hình 3. 32. Các bộ phận chính của quạt hòa trộn
Hình 3. 33. Hình dạng quạt hòa trộn lắp ráp
Hình 3. 34. Vị trí cánh quạt hòa trộn bên trong CVCC
75
Hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa dùng để đốt cháy hỗn hợp của nhiên liệu mồi trong buồng cháy sau khi hỗn hợp được hòa trộn bằng thiết bị hòa trộn (Hình 3. 36). Thời điểm đánh lửa có ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành hỗn hợp và quá trình cháy. Thời điểm đánh lửa được lập trình điều khiển thời điểm và thời gian bằng phần mềm LabvView và Arduino phù hợp với hệ thống CVCC nghiên cứu. Thông số của hệ thống được thể hiện trong (Bảng PL1. 5).
Hệ thống bao gồm: bugi đánh lửa, bô bin đánh lửa, phần mềm điều khiển thời điểm đánh lửa, nguồn điện (ắc quy) như trên (Hình 3. 37).
Hình 3. 36. Sơ đồ hệ thống đánh lửa
Hình 3. 37. Các bộ phận chính của hệ thống đánh lửa
Phần mềm điều khiển thời điểm đánh lửa được tích hợp vào trong phần mềm điều khiển hệ thống CVCC. Chức năng của nó là đánh lửa đúng thời điểm và để làm căn cứ cho việc xác định thời điểm phun nhiên liệu vào CVCC.
Bô-bin được thiết kế hoạt động như một biến áp, khi có dòng điện đi qua bô-bin sẽ sinh ra từ trường. Khi ngắt dòng điện, từ trường sẽ bị ngắt và chuyển thành một điện thế lớn đi qua cực trung tâm, điều này làm tăng điện áp của dòng điện. Chúng sẽ được truyền đến bugi nhằm tạo thành tia lửa để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu.
Bugi tiếp nhận dòng điện từ bô bin chuyển tới và thực hiện chức năng đánh lửa. dưới đây là bảng thông số của một số bộ phận chính của hệ thống.
76
Hệ thống cung cấp khí có nhiệm vụ cung cấp chính xác lượng khí vào trong buồng cháy cũng như thải sạch sản vật cháy ra ngoài. Hệ thống cung cấp hỗn hợp khí được bố trí như trên sơ đồ (Hình 3. 38) bao gồm các bình chứa các khí riêng biệt, trên tất cả các bình đều có van an toàn, đồng hồ áp suất và các đường ống dẫn khí riêng biệt. Khối lượng khí được điều khiển chính xác thông qua phần mềm điều khiển chương trình đưa tới buồng cháy. Chi tiết và thông số kỹ thuật được thể hiện trong (Hình 3. 39) và trong Bảng PL1. 6.
Hình 3. 38. Hệ thống cung cấp khí cho CVCC
Hình 3. 39. Các bộ phận chính của hệ thống cung cấp khí: a. Khóa; b. Dây nối; c. Van an toàn; d. Bình khí ôxy; e. Bình khí axetilen; f. Bình khí nitơ
Hệ thống thải
Nhiệm vụ làm sạch buồng cháy để chuẩn bị cho qua trình cháy tiếp theo diễn ra. Hệ thống thải bao gồm các bộ phận như trên (Hình 3. 40).
Tác dụng của van an toàn: triệt tiêu sự gia tăng đột ngột áp suất trong hệ thống và đảm bảo mức ổn định áp suất làm việc của hệ thống, tránh làm hỏng các thiết bị phía sau van an toàn. Cơ chế làm việc của van, Khi ở trong trạng thái bình thường và chưa chịu sự biến động của áp suất, do có lực ép của lò xo phía bên trong nên van an toàn đóng kín, chỉ đến khí áp suất của khí nén tăng lên tới một mức nhất định nào đó và
77
không nằm trong giới hạn an toàn lớn hơn lực căng của lò xo làm cho van an toàn. Ở trạng thái mở khí nén sẽ thoát ra ngoài, giải tỏa lượng áp suất dư thừa bên trong bình chứa khí, giữ ở mức độ ổn định đảm bảo được an toàn và ổn định.
Hình 3. 40. Các bộ phận chính của hệ thống thải
Để tiện cho hoạt động bảo vệ máy và xả áp suất nhanh chóng ra bên ngoài van thường được lắp bên trên của bình chứa máy nén.
Đối với van an toàn trong quá trình sử dụng cần chú ý vệ sinh thường xuyên và kiểm tra định ký, đảm bảo cho van luôn trong trạng thái hoạt động tốt, không bị nghẹt cứng hay mất kiểm soát.
Cung cấp khí nén: Hệ thống cung cấp khí như trong Hình 3. 40 bao gồm máy nén khí có thể áp lực lên đến 10 bar. Thứ hai, bộ điều chỉnh áp suất bao gồm máy sấy không khí và bộ lọc khí được sử dụng để điều chỉnh áp suất không khí trước khi nạp vào buồng đốt khối lượng không đổi và cũng được sử dụng để thay đổi cường độ xoáy. Cuối cùng, van điện từ áp suất cao hoạt động bằng tín hiệu điện từ bộ điều khiển. Nó được sử dụng để mở hoặc đóng không khí có áp suất cao từ bộ điều chỉnh áp suất đi qua van kiểm tra để tránh tai nạn ngẫu nhiên về áp suất ngược từ khí nổ trong buồng đốt thể tích không đổi.
Máy nén khí: Có chức năng làm tăng áp suất của chất khí, giúp cho năng lượng cho
dòng khí tăng lên và đồng thời nén khí lại khiến nó tăng áp suất và nhiệt độ (Bảng PL1. 7).
Bình tích áp khí: (dung tích bình khí của máy nén khí): Là bình lưu trữ khí nén với áp lực cao. Tùy vào từng loại máy mà dung tích bình khí cũng khác nhau. Đối với các ngành công nghiệp lớn, nhu cầu sử dụng cao thì nên chọn loại bình nén khí lớn.
Bơm chân không: có nhiệm vụ hút sạch khí cháy ra khỏi buồng cháy và tạo cho buồng cháy độ chân không. Giúp cho việc cung cấp thành phần khí riêng biệt được chính xác theo yêu cầu kỹ thuật. Value VE215N thiết kế chân không tuyệt đối với độ hút chân không là 15 Micron. Bơm hút chân không hoạt động với 2 nguồn điện áp 110V - 220V/50Hz - 60Hz bằng chế độ chuyển đổi nguồn điện. Bơm hút chân không Value thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nặng 7.5kg, vận hành với tiếng ồn và độ rung thấp. Dung tích ngăn chứa dầu là 200ml, hoạt động với công suất 1/4 HP giúp bơm hút chân không khỏe và nhanh hơn đạt 42 - 50 lít/ph
Ngoài các bộ phận trên thì máy sấy khí cũng là một bộ phận quan trọng trong hệ thống. Như ta đã biết thì khí đi từ ngoài môi trường vào không chỉ mang theo bụi bẩn mà cả hơi nước, lượng hơi nước này sẽ phụ thuộc vào độ ẩm bên ngoài. Cách xử lý hơi nước của máy sấy khí, đó là thu thập những giọt nước ngưng tụ rồi sau đó hâm nóng không khí, hơi nước sẽ biến mất và đảm bảo độ khô cho khí.
78
Nhiệm vụ làm mát cảm biến và vòi phun trong quá trình hoạt động, hai cụm chi tiết này luôn luôn tiếp xúc với nhiệt độ rất cao. Để đảm bảo làm việc chính xác và không bị biến dạng chúng cần thiết phải làm mát. Sơ đồ hệ thống làm mát bố trí như trên hình (Hình 3. 41). Bơm có hình dạng như trong hình (Hình 3. 42) và thông số kỹ thuật trong Bảng PL1. 8.
Hình 3. 41. Sơ đồ hệ thống làm mát vòi phun nhiên liệu
Hình 3. 42. Bơm nước làm mát vòi phun nhiên liệu
Hệ thống thông tin
Hệ thống thông tin
Hình 3. 43. Hệ thống thông tin và thu thập dữ liệu
hệ thống có nhiệm vụ ghi lại toàn bộ thông tin diễn biến quá trình cháy theo thời gian thực. Hình 3. 43 là các bộ phận chính của hệ thống thông tin, bao gồm: Máy tính cài đặt phần mềm AVL IndiCom Mobile V2.9, thiết bị đo áp suất AVL FLEXIFEM, cảm biến áp suất AVL QC33C, AVL FLEXIFEM kết hợp với phần mềm AVL indiCom Mobile V2.9 có chức năng đo áp suất xylanh theo thời gian thực, nghiên cứu tốc độ tăng áp suất trong xylanh. Áp suất xylanh là một thông số rất quan trọng trong