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 điện 20000 ÷ 40000 V và đánh lửa đúng thời điểm. Bước 6. Thiết kế hệ thống sấy Đảm bảo cung cấp nhiệt độ sấy theo yêu
cầu của hệ thống
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 q 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 q 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 q 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 q 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 q trình cháy trong CVCC.
Tính tốn buồng cháy
3.1.2.1. Tính tốn kích thước buồng cháy
Các tiêu chí thiết kế được 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 q trình đa biến như trong phương trình: 𝑇1 𝑇2 = (𝑃2 𝑃1)( 1−𝑛 𝑛 ) = (𝑣1 𝑣2)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 q 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 tự do. Tương tự như 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 từ đặc tính phun tự do. 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.𝑃𝑖𝑛𝑗 𝑝𝑎 )0.25. (𝑡.𝑑𝑁 𝑡𝑎𝑛𝜃)0.5 (3.2) 𝑡𝑎𝑛𝜃 = (2.𝐶𝛥.𝑃𝑖𝑛𝑗 𝑝𝑎 )0.25. (𝑡.𝑑𝑁 𝑡𝑎𝑛𝜃)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).