Kết luận chươn g2

C ấu trúc tia phun

T ốc đột ỏa nhiệt

2.5. Kết luận chươn g2

Nghiên cứu đã lựa chọn C2H2 làm nhiên liệu mồi với những ưu điểm: tốc độ cháy nhanh, khi cháy tạo ra nhiệt độ, áp suất cao và ít độc hại đối với người sử dụng.

Nghiên cứu đưa ra phương pháp xác định thành phần phần trăm của ơxy sau khi CNLM và giới hạn cháy của nhiên liệu.

Đưa ra các phương án tạo hỗn hợp trong buồng cháy CVCC với các giải pháp phun nhiên liệu trước và sau thời điểm CNLM. Trong hai phương án trên, phương án phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM tạo ra quá trình cháy tựa HCCI trong CVCC.

Để nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hơp và cháy HCCI trong buồng cháy này, nghiên cứu lựa chọn phương phun nhiên liệu vào buồng cháy trước thời điểm CNLM,

48

sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail kết hợp với vịi phun nhiều lỗ, hệ thống quạt hịa trộn và gia nhiệt buồng cháy để nhiên liệu bay hơi và hịa trộn tốt hơn. Bên cạnh đĩ, nghiên cứu về cơ chế phá vỡ chất lỏng và cấu trúc của tia phun để đưa ra giải pháp hỗ trợ giúp cho quá trình hịa trộn hỗn hợp được đồng nhất hơn.

49

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CVCC

Để nghiên cứu được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy CVCC tại Việt Nam. Trước tiên phải thiết kế, chế tạo thành cơng hệ thống CVCC tại Việt Nam. Sau đĩ tiến hành nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC. Dưới đây là quy trình thiết kế hệ thống CVCC (Bảng 3. 1).

Bảng 3. 1. Quy trình thiết kế, chế tạo hệ thống CVCC

TT Nội dung thiết kế Yêu cầu

Bước 1. Thiết kế buồng cháy CVCC Buồng cháy đảm bảo hoạt động an tồn với áp suất 80 bar Bước 2. Thiết kế hệ thống điều khiển CVCC Điều khiển chính xác thời gian và thời điểm hoạt động của hệ thống liên quan Bước 3. Thiết kế hệ thống nhiên liệu áp suất cao common rail Đảm bảo tạo ra áp suất ở vời phun 1500 bar

Bước 4. Thiết kế hệ thống cung cấp khí nạp, thải Đảm bảo cung cấp đúng, đủ lượng khí theo yêu cầu và thải sạch sản phẩm cháy ra ngồi

Bước 5. Thiết kế hệ thống đánh lửa Đảm bảo cung cấp nguồn 40000 V và đánh lửa đúng thđiện 20000 ÷ ời điểm. Bước 6. Thiết kế hệ thống sấy Đảm bảo cung cấp nhiệt cầu của hệ thống độ sấy theo yêu Bước 7. Thiết kế hệ thống thơng tin Ghi lại tồn bộ diễn biến của quá trình cháy theo thời gian thực

3.1. Thiết kế chế tạo CVCC

Cơ sở lựa chọn áp suất và nhiệt độ

Các động cơ diesel hiện nay thường cĩ 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]. Ngồi 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 tồn 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 hịa trộn hỗn hợp, hệ thống đánh lửa, hệ thống cung cấp khí, hệ thống sấy, hệ thống thải, hệ thống làm mát, hệ thống thơng 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 thơng qua các van điện từ trong điều kiện buồng cháy được sấy nĩng và nhiên liệu được phun vào ngay sau đĩ nhờ hệ thống nhiên liệu common rail. Hỗn hợp được hịa trộn đồng nhất bằng quạt hịa 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, tồn 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 đĩ tồn bộ sản phẩm cháy được thải ra ngồi nhờ hệ thống thải.

Hệ thống thơng tin thu thập lại tồn bộ thơng số của buồng cháy cũng như ghi lại tồn 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 hịa trộn phải đảm bảo đủ bền.

Hệ thống cung cấp khí phải được ngắt bỏ hồn tồn sau khi kết thúc quá trình đẩy khí đến CVCC, phải cĩ hệ thống an tồn bảo vệ cháy nổ. Tuyệt đối khơng 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.

51

Hệ thống đánh lửa phải đảm bảo đánh lửa đúng thời điểm điều khiển, chất lượng ngọn lửa phải được đảm bảo tốt.

Hệ thống thải, đảm bảo thải sạch sản phẩm cháy trong buồng cháy.

Thiết bị hịa trộn, đảm bảo số vịng quay tối thiểu để hịa trộn nhiên liệu đồng nhất (2500/phút).

Thiết bị đo và hiển thị phải chính xác, tránh những sai số khơng cần thiết khi đo làm ảnh hưởng đến kết quả đo.

Thiết bị sấy CVCC phải đảm bảo điều chỉnh được nhiệt độ của CVCC nhanh và cho thơng số chính xác.

Nguồn điện cung cấp cho hệ thống phải đảm bảo đủ điện áp và cường độ dịng điện trong suốt quá trình tiến hành thí nghiệm.

Van hạn chế áp suất (Rapture disk) tối đa của buồng cháy phải hoạt động chính xác tránh làm hư hỏng CVCC.

Nguồn cung cấp ánh sáng quan sát phải liên tục trong quá chụp ảnh và ghi lại hình ảnh quá trình cháy trong CVCC.

Tính tốn buồng cháy

3.1.2.1. Tính tốn kích thước buồng cháy

Các tiêu chí thiết kếđược chọn bao gồm các giá trị của thơng số chính của điểm chết trên (TDC) của động cơ CI với tỉ số nén (CR) từ 16-28. Áp suất và nhiệt độ tại TDC của động cơ CI với CR 16-28 cĩ thể được ước tính bằng quá trình đa biến như trong phương trình: 𝑇1 𝑇2 = (𝑃2 𝑃1)( 1−𝑛 𝑛 ) = (𝑣1𝑣2)1−𝑛 = (𝐶𝑅)1−𝑛 (3.1) Trong đĩ:

T1: nhiệt độ khí ban đầu ở BDC (K); T2: nhiệt độ khí nén ở TDC (K); P1: áp suất khí ban đầu ở BDC (Pa); P2: áp suất khí nén ở TDC (Pa); n: chỉ số đa biến (1,35 cho khí thực, [72]; V1: thể tích ở BDC (m3); V2: thể tích ở TDC (m3); CR: tỉ số nén

Hình dạng buồng cháy ảnh hưởng đến quá trình phun và cháy nhiên liệu, thể tích buồng cháy nhỏ dẫn đến hiện tượng phun vào thành buồng cháy. Điều này sẽ khơng cho ta nghiên cứu về tia phun ở trạng thái tựdo. Tương tựnhư vậy, khi thể tích lớn sẽ làm cho việc tăng áp suất diễn ra chậm gây khĩ khăn cho việc nghiên cứu. Vì vậy, kích thước tối ưu của buồng cháy phải được xác định ngay từ ban đầu. Kích thước tối ưu của buồng cháy phải được xem xét cẩn thận bởi chiều dài tia phun và gĩc phun. Giống như các tiêu chuẩn thiết kế. Vịi phun 1 lỗ với đường kính 0,2 mm được lựa chọn để thiết kế. Hình 3. 2 sử dụng tính tốn gĩc phun và chiều dài tia phun trong buồng cháy. Tối ưu hĩa kích thước buồng cháy, đường kính và chiều rộng của buồng cháy, cĩ thể đạt được từđặc tính phun tựdo. Để tránh phun nhiên liệu vào thành buồng cháy, chiều dài tia phun và gĩc phun nhiên liệu tối đa như trong Hình 3. 2 cĩ thể được từ các điều kiện khí xung quanh và tính chất nhiên liệu (Bảng 3. 2) và sử dụng các phương trình (3.2) đến phương trình (3.4) [74]. Nhiên liệu sử dụng để thử nghiệm là diesel, Ethanol và diesel sinh học. Các giá trị tối đa của khí xung quanh và điều kiện phun

52

được chọn để tính tốn để cĩ được các đặc tính phun tối đa cĩ thể. Áp suất phun 150 MPa, thu được từ hệ thống phun Common rail được sử dụng để tính tốn. Thời gian phun được chọn là 2,5 ms để phun tự do, độ trễ đánh lửa điển hình của động cơ CI nằm trong khoảng 0,4 ms đến 1 ms [72]. Với thời gian này, việc phun tự do sẽ khơng ảnh hưởng đến thành buồng đốt trong quá trình nghiên cứu.

Hình 3. 2. Chiều dài và gĩc của tia phun [74]

Tính tốn kích thước chiều dài và chiều rộng của buồng cháy sử dụng cơng thức

𝑋 = (2.𝐶𝛥.𝑃𝑖𝑛𝑗𝑝 𝑎 )0.25. (𝑡𝑎𝑛𝜃𝑡.𝑑𝑁)0.5 (3.2) 𝑡𝑎𝑛𝜃 = (2.𝐶𝛥.𝑃𝑖𝑛𝑗𝑝 𝑎 )0.25. (𝑡𝑎𝑛𝜃𝑡.𝑑𝑁)0.325 (3.3) 𝑅 = 2. 𝑋. 𝑡𝑎𝑛𝜃 (3.4) Trong đĩ

X: chiều dài tia phun (m)

Pinj: áp suất khác nhau giữa vịi phun và buồng cháy (N/m2) R: độ rộng tia phun (m)

T: thời gian sau khi phun (s) C: hệ số dịng chảy

DN: đường kính lỗ phun (m) ρa: mật độ khí (kg/m3)

Bảng 3. 2. Điều kiện khí và đặc tính nhiên liệu sử dụng để tính tốn chiều dài và gĩc tia phun [75]

Nhiên liệu Ethanol Diesel Bio-diesel

Khối lượng riêng nhiên liệu (ρf) (kg/m3) 785 848 881 Mơi trường xung quanh Khơng khí Khơng khí Khơng khí Khối lượng riêng khí (ρa) (kg/m3) 18-32 18-32 18-32

53

Hệ số của vịi phun (Cd) 0.8 0.8 0.8

Áp suất phun (Pinj) (MPa) 150 150 150

Áp suất khí (Pg) (MPa) 4 4 4

Độ chênh lệch áp suất (dp) (MPa) 146 146 146

Thời gian phun (t) (ms) 2.5 2.5 2.5

Đường kính vịi phun (dn) (mm) 0.2 0.2 0.2 Hình 3. 3 cho thấy độ xuyên thấu và gĩc được tính theo biểu thức [74]. Kết quả cho thấy độ xuyên thấu tính tốn và chiều rộng đầu phun đối với nhiên liệu thử nghiệm (Ethanol, diesel và diesel sinh học) giảm khi mật độ khí xung quanh tăng, trong khi gĩc phun cho kết quả ngược lại. Những kết quả này tương tự [76] và [15]. Sự khác biệt về đặc tính phun phụ thuộc vào mật độ nhiên liệu. Ethanol cho thấy sự thâm nhập phun dài nhất, tức là khoảng 79 mm, trong khi diesel sinh học cho thấy gĩc phun lớn nhất (17o) và chiều rộng đầu phun (25 mm) ở các điều kiện tính tốn. Việc phun tối đa cĩ thể cĩ thể được rút ra như trong (Hình 3. 4).

54

Hình 3. 4. Kích thước lớn nhất đối với nhiên liệu thử nghiệm

Thay số trong Bảng 3. 2 vào phương trình ta được:

X là chiều dài tia phun (m) = 78 mm (diesel); = 77 mm (Ethanol); = 79 mm (bio diesel); R: độ rộng tia phun (m) = 26mm (diesel).

Như vậy: Lựa chọn đường kính buồng cháy CVCC là 80 (mm), chiều rộng của buồng cháy lớn hơn 26 mm sẽ thỏa mãn điều kiện khơng bị hiện tượng sát vách. Với chiều rộng của buồng cháy như vậy sẽ khơng thể bố trí nhiều cụm chi tiết khác. Vì vậy, chiều rộng của buồng cháy sẽ được lựa chọn lớn hơn phù hợp bố trí các cụm chi tiết khác của buồng cháy cụ thể chọn sơ bộ chiều rộng bằng 90 (mm).

Những đặc điểm phun này được sử dụng để chứng minh kích thước của buồng đốt hình trịn. Đường kính của buồng phụ thuộc vào độ xuyên thấu phun (chiều dài tia phun), trong khi chiều rộng buồng cháy phụ thuộc vào chiều rộng đầu tia phun. Đường kính và chiều rộng của buồng cháy phải bằng hoặc cao hơn chiều dài tia phun tối đa và chiều rộng đầu tia phun của nhiên liệu. Đối với chiều rộng của buồng cháy cĩ thể lớn gấp đơi giá trị tối thiểu cần thiết để tránh nhiên liệu chạm vào tường, với chiều rộng ngồi việc phải lớn hơn kích thước tối thiểu nĩ cịn phải bố trí nhiều thiết bị khác lên trên đĩ. Do đĩ, trong nghiên cứu này, đường kính và chiều rộng của buồng cháy hình trịn lần lượt là 80 (mm) và 90 (mm) như trong Hình 3. 5.

55

3.1.2.2. Tính tốn bề dày xylanh

Độ dày tối ưu của buồng và cửa sổ được tính tốn bằng lý thuyết và mơ phỏng. Vật liệu được sử dụng cho buồng cháy CVCC và cửa sổ lần lượt là thép khơng gỉ S45C và thạch anh (Bảng 3. 3). Thép S45C được chọn làm vật liệu chế tạo CVCC vì đặc tính chống ăn mịn và cĩ cường độ cao (Bảng 3. 4).

Bảng 3. 3. Thơng số của vật liệu làm kính quan sát

Đặc tính Giá trị Đơn vị

Khối lượng riêng 2210 Kg/m3

Mơ đun đàn hồi 20oC 77,8 GPa

Mơ đun đàn hồi 50oC 82 GPa

Mơ đun đàn hồi 900oC 85 GPa

Hệ số Poisson 0,17

Ứng suất nén tới hạn 343 MPa

Độ cứng 5-7 Mhos Scale

Bảng 3. 4. Thơng số của vật liệu thép S45C

Đặc tính Giá trị Đơn vị

Độ bền kéo, giới hạn 569 MPa

Khối lượng riêng 7700 Kg/m3

Hệ số Poisson 0,29

Mơ đun đàn hồi 190,0 GPa

Mơ đun chống cắt 80,0 GPa

Đối với cửa sổ quan sát, vật liệu thạch anh được chọn vì cĩ cường độ rất cao và phạm vi truyền ánh sáng rộng. Hình dạng hình trịn trịn được lựa chọn cho CVCC. Với hình học này, nguyên lý của bình chịu áp lực thành dày được áp dụng [78]. Khi áp suất tác dụng lên bề mặt trong hình trịn thành dày, cĩ ba loại ứng suất xảy ra trong vật liệu, đĩ là ứng suất Hoop hoặc ứng suất tiếp tuyến (σH), ứng suất dọc (σL) và ứng suất xuyên tâm (R), tuy nhiên ứng suất Hoop là ứng suất quan trọng nhất . Do đĩ, chỉ cĩ ứng suất Hoop được sử dụng trong tính tốn. Để tính tốn độ dày cửa sổ, hai ứng suất được xem xét là ứng suất cắt và ứng suất uốn. Hệ số an tồn 12 được chọn cho buồng đốt và hệ số 15 cho cửa sổ thạch anh [78]. Tải trọng trên thành xylanh và cửa sổ được xác định là áp suất ở 80 bar.

Trong xylanh khi cĩ áp suất, bên trong vật liệu làm xylanh xuất hiện các ứng suất: ứng suất tiếp (H), ứng suất dài (L) và ứng suất hướng tâm (R) [78] như trên (Hình 3. 6). Tuy nhiên, trong tính tốn chỉ quan tâm đến ứng suất tiếp. Ứng suất tiếp của thành xylanh được tính theo cơng thức 3.5

56

Hình 3. 6. Ứng suất bên trong thành xylanh [79]

 = 𝑃𝑐𝑦.(𝑏2+𝑎2)

(𝑏2−𝑎2) (3.5)

Trong đĩ:

: Ứng suất tiếp (MPa)

Pcy: Áp lực tác dụng lên thành xylanh (MPa) a: Bán kính trong (m)

b: Bán kính ngồi (m)

Khí xung quanh tại TDC thu được bằng tính tốn quá trình đa biến. Áp suất khí, nhiệt độ và mật độ tăng với tỉ số nén tăng. Áp suất, nhiệt độ và mật độ tại TDC lần lượt là 40-90 bar, 800-960 K và 18-32 kg/m3 đối với CR 16. Tăng tỉ số nén dẫn đến tăng áp suất, nhiệt độ và mật độ khí xung quanh tại TDC (Hình 3. 7). Thơng số của vật liệu sử dụng và dữ liệu tính tốn buồng cháy thể hiện trong Bảng 3. 5.

Bảng 3. 5. Đặc tính vật liệu và dữ liệu tính tốn bề dày thành buồng cháy

Đặc tính vật liệu

Thép S45C

ứng suất tới hạn (Su) 343 MPa

Tiêu chuẩn thiết kế

Thiết kế ứng suất của vật liệu theo tải trọng động hoặc tải trọng va đập (σd)

𝑆𝑢

12=34312 = 28,58 MPa Áp suất lớn nhất bên trong buồng cháy

(Pcy) 8 MPa (80 bar)

Bán kính ngồi buồng cháy (b, mm) Tính theo cơng thức 3.5

57

Hình 3. 7. Điều kiện xung quanh TDC bởi quá trình đa biến tính tốn với chỉ sốđa biến (n=1,35)

Từ dữ liệu đã cho, sử dụng phương trình (3.5) và Bảng 3. 5 tính được bán kính ngồi của hình trịn (b) là 57,64 mm. Tuy nhiên trên buồng cháy cịn lắp ghép nhiều cụm chi tiết, thiết bị đo và ốc vít sẽ được liên kết với CVCC. Do đĩ, nghiên cứu lựa chọn sơ bộ độ dày thành 60 mm để cung cấp đủ độ bền cho CVCC.

Sau khi tính tốn ta cĩ được kích thước sơ bộ của CVCC như trong Bảng 3. 6

Bảng 3. 6. Kích thước sơ bộ của CVCC

Thơng số Giá trị Đơn vị

Đường kính ngồi 200 mm

Đường kính trong 80 mm

Chiều cao xylanh 90 mm

3.1.2.3. Tính tốn kích thước kính quan sát

Để tìm độ dày tối thiểu của thạch anh cho buồng cháy chịu tải 80 bar. Cĩ bốn loại