Tác giả đã phân tích để thấy được ưu điểm của HCCI là hiệu suất nhiệt cao, phát thải NOx và PM nhỏ. Nhưng khó khăn lớn nhất khi thiết lập chế độ HCCI trong động cơ truyền thống có nhiều khó khăn trong đó khó khăn nhất là điều khiển thời điểm cháy và thời điểm phun nhiên liệu. Mặt khác, động cơ không hoạt động hoàn toàn ở chế độ HCCI mà chỉ hoạt động ở chế độ tải nhỏ có sử dụng luân hồi khí thải và sử dụng nhiên liệu có nhiệt độ bay hơi thấp. Tuy nhiên, hệ thống CVCC linh hoạt có rất nhiều ưu điểm khi nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy. Hệ thống này khắc phục được khó khăn của động cơ truyền thống khi nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI. Vì vậy, hướng tiếp cận của NCS “nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC”.
Ở Việt Nam hiện nay chưa có trung tâm nghiên cứu nào có CVCC phục vụ nghiên cứu nghiên cứu cơ bản về quá trình cháy. Vì vậy, lựa chọn thiết kế, chế tạo CVCC ở Việt Nam và nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy này mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Ngoài ra, nghiên cứu quá trình cháy cơ bản còn làm tiền đề cho những nghiên cứu về quá trình cháy sau này.
Mặt khác những nghiên cứu trước đó chỉ tập trung vào thực nghiệm mà chưa xây dựng được mô hình mô phỏng để kết hợp kiểm chứng. Hạn chế này sẽ được khắc phục trong luận án.
29
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG CVCC 2.1. Hình thành hỗn hợp trong CVCC
Tạo nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy CVCC
Nhiên liệu cháy mồi: Có nhiều loại khí khi kết hợp với ôxy tạo ra ngọn lửa với nhiệt độ rất cao như: Axetylen (31500C), Hỗn hợp propan – butan (2500-27000C), hydro (20000C). Lựa chọn C2H2 là nhiệt liệu cháy mồi vì C2H2 có tính tỏa nhiệt cao khi tham ra phản ứng cháy và ít độc hại đến con người và được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới lựa chọn làm nhiên liệu cháy mồi khi nghiên cứu với hệ thống CVCC để tạo áp suất và nhiệt độ cao và giả lập môi trường của động cơ đốt trong ở thời điểm cuối quá trình nén [65].
Không khí bao gồm nitơ (78,1% theo thể tích) và oxy (20,9%), với một lượng nhỏ agon (0,9%), Carbon dioxide (dao động, khoảng 0,035%), hơi nước và một số chất khí khác. Tuy nhiên, để thuận lợi cho việc tính toán, coi không khí chỉ bao gồm nitơ và ôxy với tỉ lệ thể tích: nitơ 79% và ôxy là 21%. Khí nitơ được đưa vào thành buồng cháy CVCC để giả lập thành phần hỗn hợp khí cuối quá trình nén của động cơ diesel truyền thống.
Công thức cấu tạo của axetilen: C-H≡C-H hoặc HC≡CH Phản ứng oxy hóa (phản ứng cháy).
2𝐶2𝐻2+ 5𝑂2 → 4𝐶𝑂2+ 2𝐻2𝑂 + 𝑄
Phản ứng tỏa nhiệt của khí C2H2 trong buồng cháy CVCC tạo ra nhiệt độ rất cao do thể tích của buồng cháy không đổi, từ đó tạo ra áp suất cao trong buồng cháy. Nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy phụ thuộc lượng khí C2H2 đưa vào phản ứng. Vì vậy, cần phải tính toán chính xác lượng khí này tránh để nhiệt độ của phản ứng quá cao làm hư hỏng kính quan sát của buồng cháy. Nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy này giảm dần do truyền nhiệt ra ngoài thành buồng cháy.
Phương pháp hình thành hỗn hợp trong hệ thống CVCC
Căn cứ vào thời điểm cháy của nhiên liệu mồi và thời điểm phun trong CVCC có thể chia thành hai trường hợp: hỗn hợp hình thành trước thời điểm cháy nhiên liệu mồi (CNLM) và hình thành sau thời điểm CNLM (Hình 2. 1).
30
Hình 2. 1. Các phương pháp phun nhiên liệu trong CVCC
2.1.2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống CVCC, hỗn hợp hòa trộn trước khi
CNLM.
Hỗn hợp khí (C2H2, N2, O2) được cung cấp lần lượt vào buồng cháy CVCC (đã được sấy nóng) sau đó nhiên liệu được phun vào buồng cháy để hòa trộn đồng nhất với hỗn hợp khí nhờ quạt hòa trộn với tốc độ rất cao. Quá trình cháy mồi bắt đầu từ bugi đánh lửa và lan tràn khắp buồng cháy tạo nhiệt độ và áp suất cao trong buồng cháy. Hỗn hợp nhiên liệu và hỗn hợp khí được hòa trộn trước cháy ngay sau khi kết thúc quá trình CNLM. Quá trình cháy diễn ra rất nhanh, áp suất và nhiệt độ của buồng cháy tăng đột ngột. Kết thúc quá trình cháy nhiệt độ và áp suất buồng cháy giảm nhanh do truyền nhiệt ra thành buồng cháy và sản phẩm cháy được đưa ra ngoài nhờ bơm chân không và không khí nén.
2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống CVCC, hỗn hợp hòa trộn sau khi
CNLM.
Hỗn hợp khí (C2H2, N2, O2) được cung cấp vào buồng cháy CVCC được hòa trộn đồng nhất bằng quạt hòa trộn trong toàn bộ buồng cháy. Quá trình tăng áp suất buồng cháy diễn ra khi bật tia lửa điện từ bugi đánh lửa. Lúc này, quá trình cháy của nhiên liệu mồi bắt đầu từ bugi và lan tràn ra khắp buồng cháy. Nhiệt độ và áp suất của buồng cháy tăng nhanh. Kết thúc quá trình CNLM, nhiệt độ và áp suất của buồng cháy giảm nhanh do truyền nhiệt ra thành buồng cháy và các phần tử. Quá trình cháy chính bắt đầu diễn ra ngay sau khi phun nhiên liệu vào buồng cháy. Lúc đầu áp suất buồng cháy giảm xuống do nhiên liệu phun vào nhận nhiệt. Sau đó quá trình cháy diễn ra nhanh chóng, nhiệt độ và áp suất của buồng cháy tăng nhanh. Kết thúc quá trình cháy áp suất buồng cháy giảm xuống, sản phẩm cháy được đưa ra ngoài nhờ bơm chân không và không khí nén.
Hình thành hỗn hợp trước thời điểm CNLM_hình thành hỗn hợp đồng nhất HCCI
Về cơ bản quá trình thành hỗn hợp trong CVCC tương tự như hình thành hỗn hợp trên đường nạp. Tuy nhiên, hình thành hỗn hợp bên trong CVCC có những ưu điểm.
Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp có thể dễ dàng thay đổi được bằng cách thay đổi nhiệt độ ban đầu của buồng cháy, điều này giúp cho hòa khí dễ dàng bay hơi.
31
Hỗn hợp trở lên đồng nhất hơn nhờ quạt hòa trộn tốc độ cao. Hỗn hợp có nhiều thời gian để hòa trộn nên có độ đồng nhất cao.
Thay đổi tỉ số A/F bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu phun vào hoặc thay đổi lượng khí cấp vào ban đầu.
Quá trình nạp và tạo hỗn hợp đồng nhất: nhiên liệu được phun vào buồng cháy hòa trộn với hỗn hợp khí đã có sẵn trong buồng cháy sau đó hỗn hợp được hòa trộn nhờ quạt hòa trộn với tốc độ rất cao kết hợp sấy nóng buồng cháy. Do thời gian hòa trộn và cháy nhiên liệu mồi có thể điều chỉnh, nhờ đó hỗn hợp đồng nhất trong toàn bộ không gian của buồng cháy.
Quá trình tăng áp suất buồng cháy: tính từ thời điểm CNLM hỗn hợp khí cháy lan tràn từ bugi ra khắp buồng cháy. Đặc điểm của quá trình này là nhiệt độ và áp suất của buồng cháy tăng rất nhanh (tính đến trước thời điểm nhiệt độ và áp suất tự cháy của nhiên liệu) do tốc độ cháy của nhiên liệu mồi (C2H2) rất nhanh và tỏa nhiệt lớn.
Quá trình cháy HCCI: tính từ thời điểm áp suất và nhiệt độ của buồng cháy đến giới hạn tự cháy của nhiên liệu trở đi (cháy hết nhiên liệu mồi). Cháy cùng lúc toàn bộ hỗn hợp trong không gian buồng cháy. Nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy tăng nhanh bao gồm áp suất cháy của nhiên liệu mồi và áp suất cháy hỗn hợp đồng nhất, truyền nhiệt trong thời gian cháy ra thành buồng cháy nhỏ do quá trình cháy này kết thúc nhanh. Quá trình cháy chính bao gồm hai giai đoạn (Hình 2. 2).
Giai đoạn 1: cháy chính tính từ thời điểm áp suất buồng cháy đạt đến giới hạn tự cháy của hòa khí (điểm 2) đến khi áp suất buồng cháy đạt cực đại điểm 3). Cháy cùng lúc toàn bộ hỗn hợp trong buồng cháy do hỗn hợp đã đồng nhất. Các thông số đặc trưng cho giai đoạn này là tốc độ tăng áp suất.
Giai đoạn 2: cháy rớt, cháy phần nhiên liệu ở những góc cạnh của buồng cháy chưa cháy, tốc độ cháy giảm. Áp suất buồng cháy giảm mạnh (tính từ điểm 3 trên hình 2.2 trở đi).
Hình 2. 2. Hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC
Hình thành hỗn hợp sau thời điểm CNLM
Quá trình cháy trong CVCC được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn 1 cháy nhiên liệu mồi tạo nhiệt độ áp suất buồng cháy, giai đoạn 2 cháy chính, cháy nhiên liệu chính phun vào (giống như trong động cơ diesel truyền thống).
32
Giai đoạn tạo nhiệt độ và áp suất buồng cháy
Hỗn hợp khí C2H2, O2 và N2 được đựng trong các bình riêng biệt sau đó cấp vào buồng cháy. Hỗn hợp khí được hòa trộn đến khi thành hỗn hợp đồng nhất bằng thiết bị hòa trộn. Song song với quá trình hòa trộn này buồng cháy được tăng nhiệt độ bằng các nhiệt điện trở. Khi hỗn hợp đã đồng nhất bật tia lửa điện đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp để tạo điều kiện áp suất và nhiệt độ ban đầu cao hơn áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén của động cơ truyền thống sau đó điều khiển nhiệt độ và áp suất giảm xuống giống như điều kiện cháy của động cơ truyền thống.
Giai đoạn cháy chính: nhiên liệu diesel được phun vào dưới áp suất cao và nhiệt độ cao hòa trộn với hỗn hợp khí trong CVCC (bao gồm sản phẩm cháy và khí dư trong quá trình cháy trước). Quá trình cháy này bao gồm bốn giai đoạn cháy: cháy trễ, cháy nhanh, cháy chính và cháy rớt (Hình 2.3).
Hình 2. 3. Quá trình cháy trong động cơ diesel truyền thống
Giai đoạn I: Cháy trễ tính từ khi vòi phun phun nhiên liệu tại điểm 1 đến khi đường cháy tách khỏi đường nén 2 (Hình 2.3). Trong giai đoạn này xảy ra các quá trình tạo thành hỗn hợp và chuẩn bị cháy như xé nhỏ nhiên liệu, bay hơi và hoà trộn nhiên liệu, phản ứng sơ bộ hình thành những trung tâm tự cháy đầu tiên và bước đầu phát triển những trung tâm này. Các thông số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i(s) phụ thuộc trước hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu như số xe-tan (Xe), độ nhớt… Ngoài ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như nhiệt độ và áp suất trong xylanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ chuyển động rối của môi chất…
Giai đoạn II: Cháy nhanh diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3. Phần hỗn hợp đã được chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ bốc cháy rất nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng vọt. Tốc độ toả nhiệt rất lớn nên giai đoạn cháy nhanh chính là quá trình cấp nhiệt đẳng tích.
Thông số đặc trưng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suất p/t. Lượng hỗn hợp được chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ càng nhiều thì p/t càng lớn.
Giai đoạn III: cháy chính diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Hỗn hợp vừa chuẩn bị vừa cháy nên quá trình cháy diễn ra từ từ với tốc độ cháy giảm dần. Vì vậy quá trình cháy
33
diễn ra êm dịu hơn. Tốc độ cháy được quyết định bởi tốc độ hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí hay tốc độ chuẩn bị hỗn hợp. Mặt khác, tốc độ cháy giảm còn do nồng độ ôxy giảm dần. Trong thực tế khoảng 40 50% lượng nhiên liệu chu trình cháy trong giai đoạn III (cháy chính).
Giai đoạn IV: cháy rớt, cũng như ở động cơ xăng trong giai đoạn cháy rớt sẽ cháy nốt những phần hỗn hợp còn lại (lớp sát vách hay ở khe kẽ của buồng cháy…). Hiệu quả sinh công thấp, nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết. Giai đoạn cháy rớt được coi là kết thúc (hay toàn bộ quá trình cháy kết thúc) khi cháy hết 9597% lượng nhiên liệu chu trình.
So với động cơ truyền thống, buồng cháy CVCC có thể điều khiển thời điểm phun nhiên liệu vào buồng cháy theo thời gian thực.
2.2. Phương pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất trong CVCC
Phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM
Dùng vòi phun nhiều lỗ phun vào buồng cháy với áp suất cao kết hợp với quạt hòa trộn trong buồng cháy, buồng cháy được gia nhiệt để tránh hiện tượng bám nhiên liệu lên bề mặt thành buồng cháy. Lúc này, nhiên liệu có nhiều thời gian hòa trộn để hình thành hỗn hợp đồng nhất (Hình 2. 4). Hỗn hợp ban đầu trong buồng cháy bao gồm hỗn hợp khí ban đầu (C2H2, N2, O2) với nhiên liệu phun vào. Điều kiện về nhiệt độ và áp suất ban đầu của hỗn hợp khí trong buồng cháy trước khi phun nhiên liệu vào quyết định độ đồng nhất của hỗn hợp. Hỗn hợp cháy tức thì sau khi buồng cháy có áp suất và nhiệt độ để hỗn hợp tự cháy. Quá trình cháy này bào gồm quá trình cháy của C2H2 (cháy lan tràn từ bugi đánh lửa) tạo điều kiện áp suất nhiệt độ cho buồng cháy và quá trình tự cháy của nhiên liệu phun vào. Như vậy, áp suất đỉnh của buồng cháy là tổng của áp suất khí tạo ra và áp suất cháy của hỗn hợp. Đặc điểm của quá trình cháy này là tốc độ tăng áp suất lớn, thời gian cháy trễ ngắn. Phương án này đạt được độ đồng nhất của hỗn hợp rất cao. Tuy nhiên, yêu cầu nhiệt độ và áp suất ban đầu của buồng cháy cao để nhiên liệu khi phun vào không bị bám lên bề mặt của xylanh.
Hình 2. 4. Phun nhiên liệu trước khi CNLM
Phun nhiên liệu sau thời điểm CNLM
Dùng vòi phun nhiều lỗ khi đó có nhiều khu vực hình thành hỗn hợp đồng nhất. Tuy nhiên không phải toàn bộ buồng đốt hỗn hợp đồng nhất mà là đồng nhất từng vùng. Đồ thị áp suất (Hình 2. 5).
34
Hình 2. 5. Đồ thị áp suất của CVCC phun sau khi CNLM [71]
Phun lưỡng nhiên liệu đạt được hỗn hợp đồng nhất, phun nhiên liệu có nhiệt độ và áp suất cháy cao vào trong buồng cháy trước để có thời gian đồng nhất sau đó phun nhiên liệu có nhiệt độ và áp suất cháy thấp vào sau. Quá trình cháy nhiên liệu phun sau sẽ diễn ra trước khi cháy nhiên liệu chính phun vào trước (Hình 2. 6).
Hình 2. 6. Đồ thị áp suất buồng cháy khi phun lưỡng nhiên liệu
Đồ thị cho thấy, sau khi cháy hỗn hợp khí (C2H2, O2, N2) tạo ra nhiệt độ cao và áp suất cao. Điều chỉnh áp suất của buồng cháy xuống dưới áp suất tự cháy của nhiên liệu thứ 1 phun trên áp suất tự cháy của nhiên liệu thứ 2 phun vào. Thời điểm đó, phun nhiên liệu thứ nhất (nhiên liệu 1) vào dưới áp suất cao và nhiệt độ cao, nhiên liệu có thời gian hòa trộn trước để đạt được độ đồng nhất cao trước khi phun nhiên liệu thứ 2 vào. Nhiên liệu thứ 2 phun vào trong điều kiện áp suất và nhiệt độ tự cháy sẽ tự cháy và tạo ra áp suất và nhiệt độ đỉnh để nhiên liệu thứ nhất tự cháy. Phương pháp này có thể tiến hành với cả vòi phun 1 lỗ và nhiều lỗ. Để tăng độ đồng nhất của hỗn hợp trong quá trình phun nhiên liệu thứ nhất ta dùng quạt hòa trộn. Như vậy, hỗn hợp sẽ đạt độ đồng nhất cao hơn.
2.3. Cơ chế phá vỡ chất lỏng, giọt chất lỏng và cấu trúc tia phun
35
Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng phụ thuộc vào vận tốc tương đối và các thuộc tính của chất lỏng và khí bao quanh, sự phá vỡ của tia phun chất lỏng được quy định bởi các cơ chế phân rã khác nhau. Các cơ chế này thường được đặc trưng bởi khoảng cách giữa miệng lỗ phun tới điểm hình thành giọt nhỏ đầu tiên, gọi là độ dài phân rã và kích thước của các giọt nhỏ được tạo ra. Có thể chia thành bốn giai đoạn phân rã tia phun, bao gồm các giai đoạn như: Rayleigh, nhiễu loạn sơ cấp, nhiễu loạn thứ cấp và tán nhỏ hạt (phun sương).
Nhằm đưa ra một mô tả định lượng của quá trình phá vỡ tia phun, Ohnesorge đã thực hiện các phép đo chiều dài của tia phun còn nguyên vẹn và cho thấy rằng quá trình phân rã có thể được mô tả bởi số Weber chất lỏng:
Wel =u2Dρl
σ (2.1)
Và số Reynolds:
Re =uDρl
μl (2.2) Loại bỏ vận tốc tia phun u, Ohnesorge thu được số Ohnesorge không thứ nguyên:
Z = √Wel
Re = μl
√σρlD (2.3) Trong đó bao gồm tất cả các tính chất có liên quan của chất lỏng (σ: Sức căng bề mặt, ρl: Khối lượng riêng, μl: Độ nhớt động) và đường kính lỗ phun D.
Hình 2. 7 là sơ đồ Ohnesorge, ở đó Z là hàm của của Re. Với điều kiện ổn định,