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
Bảng 5. 2. Nhiên liệu thử nghiệm theo thời gian
T.gian (ms) B0 (gam) B10 (gam)
0 0 0 1 0.00205 0.00201 2 0.02153 0.02073 3 0.04034 0.03956 4 0.06602 0.06492 0 1 2 3 4 5 0 Điểm chớp cháy( C) 67 71 Thành phần lưu huỳnh (ppm) 428 430 Hàm lượng nước (ppm) 62 84 L ư ợ ng n h iê n li ệu ( ga m )
5.1.2.2. Điều kiện thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng CVCC với vịi phun 6 lỗ, đường kính lỗ vịi 0,14 mm. Áp suất phun giữ khơng đổi 1500 bar. Thời gian phun nhiên liệu 3ms. Nhiệt độ mơi trường thay đổi 300K, 450K. Nồng độ ơxy được giữ nguyên ở 20% hoặc 10% theo mục đích thử nghiệm. Điều kiện thí nghiệm được tiến hành như Bảng 5. 3.
Bảng 5. 3. Điều kiện thí nghiệm
5.2. Quy trình và phạm vi thử nghiệm
Thử nghiệm phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM.
Thử nghiệm trên CVCC để nghiên cứu quá trình cháy theo quy trình sau.
Vận hành mơ tơ điện ba pha chạy ở tần số 15 Hz ổn định tương ứng với số vịng quay của bơm là 900 vịng/phút. Đảm bảo cho áp suất của hệ thống nhiên liệu đạt yêu cầu và áp suất ở vịi phun đạt 1500 bar.
Hút chân khơng và thiết lập áp suất ban đầu cho buồng cháy.
Hệ thống điều khiển khí nạp cĩ nhiệm vụ nạp lần lượt các khí trong hỗn hợp (C2H2, N2, O2) vào buồng cháy sao cho lượng ơxy sau phản ứng là 20%.
Đối với trường hợp hịa trộn trước thời điểm CNLM: -
- -
-
Gia nhiệt buồng cháy 450K
Cài đặt tham số thời gian phun 3 (ms) tương ứng lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy 0,039 (gam) và thời điểm phun trước khi CNLM 1 (s). Cài đặt thời gian quạt hịa trộn trước thời điểm phun nhiên liệu 2 (s) và kết thúc khi nhiên liệu mồi bắt đầu cháy. Đây là khoảng thời gian nhiên liệu phun vào cĩ nhiều thời gian hịa trộn với hỗn hợp khí bên trong. Kết hợp với quạt hịa trộn với tốc độ rất cao hỗn hợp đồng nhất trong CVCC trước khi tự cháy (HCCI).
Thiết bị đo áp suất AVL FLEXIFEM và cảm biến áp suất xylanh AVL QC33C đo diễn biến áp suất trong xylanh theo thời gian thực. Đồng thời máy ảnh tốc độ cao Chrĩnos 4.1 chụp lại tồn bộ q trình cháy theo thời gian thực tính từ khi bắt đầu CNLM.
102
STT Thơng số Điều kiện thí nghiệm
1 Nhiên liệu thử B0, B10
2 Đương kính và số lỗ vịi phun 6 lỗ, đường kính lỗ 0,14 mm
3 Thời gian phun 3ms
4 Áp suất phun 1500 bar
5 Nhiệt độ buồng cháy 300K; 450K;
6 Nồng độ ơxy 10%; 20%
-
Sau khi q trình cháy kết thúc, dùng máy đo khí thải đặt trên đường thải để xác định thành phần của khí thải (khơng dùng máy nén khí đẩy sản phẩm cháy ra ngồi).
Vệ sinh buồng cháy: sử dụng bơm chân khơng và máy nén khí để đẩy tồn bộ sản phẩm cháy ra ngồi.
Trường hợp hịa trộn hỗn hợp sau thời điểm CNLM: - - - - - -
Gia nhiệt buồng cháy.
Cài đặt thời gian phun 3 (ms) thời điểm phun sau thời điểm CNLM 100 (ms).
Cài đặt thời gian chạy quạt hịa trộn 1 (s) trước thời điểm cháy mhiên liệu mồi.
Thiết bị đo áp suất AVL FLEXIFEM và cảm biến áp suất xylanh AVL QC33C đo diễn biến áp suất trong xylanh theo thời gian thực. Đồng thời máy ảnh tốc độ cao Chrĩnos 4.1 chụp lại tồn bộ quá trình cháy theo thời gian thực tính từ khi bắt đầu CNLM.
Sau khi q trình cháy kết thúc, dùng máy đo khí thải đặt trên đường thải để xác định thành phần của khí thải.
Vệ sinh buồng cháy: sử dụng bơm chân khơng và máy nén khí để đẩy tồn bộ sản phẩm cháy ra ngồi.
Tiến hành thử nghiệm với mỗi loại nhiên liệu 10 lần sau đĩ lấy giá trị trung bình. Lưu ý, sau mỗi lần thử nghiệm phải vệ sinh sạch buồng cháy và kính quan sát sau đĩ mới tiến hành thử nghiệm tiếp theo.
Tiến hành lấy kết quả đo áp suất buồng cháy trung bình với từng nhiên liệu thử nghiệm. Từ đĩ đưa ra tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy, tốc độ tỏa nhiệt và phần trăm nhiên liệu cháy.
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ơxy đến quá trình cháy - - - - -
Vận hành mơ tơ điện ba pha chạy ở tần số 15 Hz ổn định tương ứng với số vịng quay của bơm là 900 vịng/phút. Đảm bảo cho áp suất của hệ thống nhiên liệu đạt yêu cầu và áp suất ở vịi phun đạt 1500 bar. Hút chân khơng và thiết lập áp suất ban đầu cho buồng cháy. Lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy: 0,039 (gam).
Cấp lần lượt các khí trong hỗn hợp (C2H2, N2, O2) vào buồng cháy đảm bảo lượng ơxy sau khi CNLM 20% ơxy trong sản phẩm cháy (sau đĩ là 10% ơxy trong sản phẩm cháy).
Tiến hành các bước thực nghiệm cịn lại tương tự các bước thực nghiệm đối với trường hợp phun nhiên liệu trước và sau khi CNLM.
Tiến hành thử nghiệm với mỗi loại nhiên liệu 10 lần sau đĩ lấy giá trị trung bình. Lưu ý, sau mỗi lần thử nghiệm phải vệ sinh sạch buồng cháy và kính quan sát sau đĩ mới tiến hành thử nghiệm tiếp theo.
Tiến hành lấy kết quả đo áp suất buồng cháy trung bình với từng nhiên liệu thử nghiệm. Từ đĩ đưa ra tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy, tốc độ tỏa nhiệt và phần trăm nhiên liệu cháy.
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cháy - - - - - -
Gia nhiệt buồng cháy 300K, 450K.
Vận hành mơ tơ điện ba pha chạy ở tần số 15 Hz ổn định tương ứng với số vịng quay của bơm là 900 vịng/phút. Đảm bảo cho áp suất của hệ thống nhiên liệu đạt yêu cầu và áp suất ở vịi phun đạt 1500 bar. Hút chân khơng và thiết lập áp suất ban đầu cho buồng cháy. Lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy: 0,039 (gam).
Cấp lần lượt các khí trong hỗn hợp (C2H2, N2, O2) vào buồng cháy đảm bảo lượng ơxy sau khi CNLM 20% ơxy trong sản phẩm cháy.
Tiến hành các bước thực nghiệm cịn lại tương tự các bước thực nghiệm đối với trường hợp phun nhiên liệu trước và sau khi CNLM.
Tiến hành thử nghiệm với mỗi loại nhiên liệu 10 lần sau đĩ lấy giá trị trung bình. Lưu ý, sau mỗi lần thử nghiệm phải vệ sinh sạch buồng cháy và kính quan sát sau đĩ mới tiến hành thử nghiệm tiếp theo.
Tiến hành lấy kết quả đo áp suất buồng cháy trung bình với từng nhiên liệu thử nghiệm. Từ đĩ đưa ra tốc độ tăng áp suất trong buồng cháy, tốc độ tỏa nhiệt và phần trăm nhiên liệu cháy.
5.3. Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính
Sơ đồ bố trí thử nghiệm
Sơ đồ bố trí thử nghiệm (Hình 5. 4), bao gồm hệ thống cung cấp nhiên liệu áp suất cao (Common rail), hệ thống cung cấp khí nạp và thải, hệ thống thơng tin, hệ thống hịa trộn và hệ thống tín hiệu.
Trang thiết bị thử nghiệm
- Thiết bị đo áp suất AVL FLEXIFEM và cảm biến áp suất xylanh AVL QC33C đo diễn biến áp suất trong xylanh và cĩ dải đo 0 ÷ 200 bar theo thời gian thực.