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 tồn bộ buồng cháy chứa hỗn hợp khí (màu đỏ).
Hình 4. 10. Q 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 vơ cùng nhỏ, hình ảnh cho thấy phần nhiên liệu (màu xanh) được phun vào và phần khơng khí trong buồng cháy cĩ một màng ngăn cách. Lớp tiếp xúc giữa khơng khí bên trong và nhiên liệu phun vào hình thành hịa khí cĩ 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 vịi phun nhiên liệu. mặt khác, hình ảnh cho thấy, các hạt nhiên liệu cĩ kích thước khác nhau, cĩ động năng khác nhau chuyển động hỗn độn khi ra khỏi vịi phun, những hạt cĩ động năng lớn cĩ xu hướng vượt ra khỏi lớp hịa khí và tiến xa hơn vào khơng gian trong buồng cháy để tạo ra một khơng gian hịa khí cục bộ.
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. 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, khơng gian mà nhiên liệu chiến chỗ trong buồng cháy lớn hơn, một số hạt nhiên liệu cĩ động năng lớn vượt qua ranh giới lớp màng và tiến xa hơn vào trong buồng cháy vượt ra ngồi ranh giới của lớp hịa khí tiếp xúc để tạo ra nhiều phần thể tích hịa khí trong buồng cháy hơn. Hình ảnh cịn cho thấy, các hạt nhiên liệu cĩ kích thước lớn hơn (hạt màu vàng và màu nâu) đã vượt ra ngồi ranh giới lớp tiếp xúc để phát triển thêm nhiều khu vực hịa 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 hịa trộn hỗn hợp gần như tồn bộ buồng cháy. Tồn bộ nhiên liệu phun vào đã hịa trộn đồng nhất với khơng khí bên trong buồng cháy. Tuy nhiên ở những gĩc cạnh của buồng cháy vẫn cĩ một phần nhỏ nhiên liệu chưa được hịa trộn đồng đều (những gĩc cạnh của buồng cháy)
45 40 35 30 25 20 15 100 102 104 106 108
Thời gian sau khi CNLM (ms)
110
Hình 4. 13. Đồ thị áp suất thực nghiệm và mơ 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 mơ phỏng của nhiên liệu B0; REC1-tn b10: áp
suất thực nghiệm của nhiên liệu B10.
So sánh giữa thực nghiệm và mơ phỏng áp suất buồng cháy trong cùng điều kiện phun, nhiệt độ 300K và nồng độ ơxy 20%. Hình 4. 13 cho thấy, đồ thị giữa mơ phỏng và thực nghiệm cĩ xu hướng tương tự nhau. Giá trị áp suất đỉnh khi mơ phỏng và thực nghiệm lệch nhau khơng quá 3%. Điều này chứng tỏ mơ hình đảm bảo khi tiến hành mơ 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.
Mơ phỏng quá trình cháy của nhiên liệu trong điều kiện 300K; 450K và 20% nồng độ ơxy 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 hịa trộn và tăng tốc độ cháy do nhiên liệu bay hơi nhanh hơn. Nhiệt độ
b0 b0 b10 b10 Á p s u ất b uá y ch áy ( b ar )
mơi trường thấp hơn, nhiên liệu cĩ nhiều thời gian hịa trộn hơn, khơng khí xung quanh tia phun vào cĩ 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 cĩ 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 cĩ 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 hịa trộn của hỗn hợp ngắn hơn và nhiên liệu B10 cĩ nhiều ơxy 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 cĩ cùng xu hướng. Tức là sau khi phun nhiên liệu vào đồ thị cĩ xu hướng giảm xuống vì nhiên liệu nhận nhiệt sau đĩ đồ thị tăng lên đột ngột do quá trình cháy của
nhiên liệu. Ngồi ra, tốc độ tỏa nhiệt cực ở 450K lớn hơn so với ở 300K.
Ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến quá trình cháy trong CVCC
a. Áp suất buồng cháy
35 30 25 20 15 10 5 0 -5 Thời gian (ms)
Hình 4. 17. Ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến áp suất buồng cháy
Mơ 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 ơxy đến áp suất buồng cháy cho thấy, khi tăng nồng độ ơxy 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 cĩ nhiều phần tử ơxy 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
1,500 1,000 500 0 10 30 -500 Thời gian (ms)
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 mơ phỏng và thực nghiệm cĩ cùng xu hướng, đồ thị cho thấy cĩ 2 đỉnh cực trị tương ứng với hai giai đoạn cháy tựa HCCI. Tốc độ tỏa nhiệt trong trường hợp 20% ơxy bắt đầu cháy sớm hơn và đạt giá trị lớn nhât lớn hơn. Nguyên nhân do quá trình cháy được cung cấp thêm ơxy đã làm các phản ứng diễn ra sớm hơn và tỏa nhiều nhiệt hơn. T ốc đ ộ tỏ a n h iệ t (J /m s) Á p s uấ t b u ồn g ch áy ( b ar ) B0_10% ơxy ơxy B0_20% ơxy ơxy 5 B0_10% ơxy B0_20% ơxy B10_20% ơxy
Phun nhiên liệu sau thời điểm CNLM 1100 900 700 500 300 100 -100 100 115 -300 Thời gian (ms)
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 cĩ cùng xu hướng. Tốc độ tỏa nhiệt trong trường hợp 20% ơxy diễn ra sớm hơn so với trường hợp 10% ơxy.
4.4. kết luận chương 4- - - - - -
Đưa ra cơ sở lý thuyết mơ phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong CVCC.
Đã xây dựng mơ hình và đánh giá được độ tin cậy của mơ hình mơ phỏng CVCC và buồng cháy thực tế. Mức độ sai lệch khi tiến hành mơ phỏng diễn biến áp suất trong buồng cháy sai lệch lớn nhất <5%.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình bay hơi của nhiên liệu phun vào buồng cháy.
Đưa ra hình ảnh quá trình hình thành hỗn hợp của nhiên liệu phun vào CVCC theo thời gian thực.
Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến áp suất quá trình cháy, tốc độ tăng áp suất và tốc độ truyền nhiệt cụ thể.
-
-
Khi tăng nhiệt độ từ 300K lên 450K, thời gian hịa trộn giảm, giảm chiều dài thâm nhập của tia phun, nhiên liệu bay hơi nhanh hơn làm cho thời gian cháy trễ ngắn áp suất đỉnh đạt sớm hơn và cao hơn dẫn tới tốc độ tăng áp suất diễn ra nhanh hơn trong thời gian cháy trễ.
Tăng nồng độ ơxy từ 10% lên 20%, tốc độ tăng áp suất nhanh hơn, áp suất đỉnh đạt sớm hơn nguyên nhân là do cĩ nhiều phần tử ơxy bao quanh hạt nhiên liệu phun vào trong buồng cháy dẫn đến tốc độ của các phản ứng cháy diễn ra với tốc độ nhanh hơn. Mặt khác nhiên liệu được phun vào và hịa trộn trước khi cháy nên hỗn hợp tương đối đồng nhất và quá trình cháy này là quá trình cháy HCCI.
- Kết quả của nghiên cứu mơ phỏng này là cơ sở lý thuyết cho quá trình nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy trong CVCC trong chương 5.
B0 20% B10 20% B0 10% B10 10% T ốc đ ộ tỏ a n hi ệt ( J/ s)
CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Nghiên cứu mơ phỏng ở chương 4 đã cho thấy quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC. Trên cơ sở đĩ, chương này của luận án tiến hành thử nghiệm đối với một vài nhiên liệu phổ biến ở Việt Nam.
5.1. Mục đích thử nghiệm
Đánh giá độ bền và độ tin cậy của CVCC. Đánh giá độ tin cậy của mơ hình mơ phỏng.
Phân tích q trình hình thành hỗn hợp và cháy hỗn hợp đồng nhất trong CVCC. Phân tích q trình cháy của hỗn hợp hình thành sau thời điểm CNLM.
Đối tượng thử nghiệm
Đối tượng thử nghiệm là CVCC. Đây là buồng cháy đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm an tồn với áp suất 80 bar bên trong buồng cháy. Buồng cháy này cĩ thể điều khiển được hệ số dư lượng khơng khí, nhiệt độ, áp suất và thời điểm phun nhiên liệu cũng như cĩ thể quan sát được quá trình hịa trộn và cháy bên trong thơng qua cửa sổ quan sát. Buồng cháy là buồng cháy thống nhất cĩ kích đường kính 80 mm, chiều cao 90 mm và bề dày thành buồng cháy 60 mm (Hình 5. 1).
Hình 5. 1. Hình ảnh thực tế buồng cháy CVCC
Nhiên liệu thử nghiệm
Nhiên liệu dùng trong thử nghiệm là diesel (B0), nhiên liệu bio-diesel 10% (B10) Một số tính chất chính của nhiên liệu thử nghiệm thể hiện trong Bảng 5. 1.
Bảng 5. 1. Tính chất của nhiên liệu B0, B10 [101]
Thơng số B0 B10
Nhiệt trị (MJ/kg) 42,76 42,26
Trị số xêtan 49 50
3
Khối lượng riêng ở 15°C (kg/m ) 838 840 Độ nhớt động học ở 40°C (cSt) 3,22 3,31
5.1.2.1. Xây dựng đặc tính của nhiên liệu thử nghiệm
Xây dựng đường đặc tính phun nhiên liệu cho hệ thống nhiên liệu bằng phương pháp cân nhiên liệu (Hình 5. 3). Bơm cấp nhiên liệu tại tần số 9 Hz, thời gian phun nhiên liệu từ 1 ms đến 4 ms (Bảng 5. 2), sử dụng cân nhiên liệu AVL (Hình 5. 2). Việc xây dựng đặc tính của vịi phun làm cơ sở cho việc tính hệ số dư lượng khơng khí cũng như xác định lượng khơng khí cấp vào CVCC.
Hình 5. 2. Cân nhiên liệu AVL
B0 (gam) B10 (gam) 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 -0.01
Thời gian phun (ms)
Hình 5. 3. Đặc tính vịi phun