CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
2.1. Hình thành hỗn hợp trong CVCC
Tạo nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy CVCC
Nhiên liệu cháy mồi: Cĩ nhiều loại khí khi kết hợp với ơxy 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 cĩ 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 mơi trường của động cơ đốt trong ở thời điểm cuối q trình nén [65].
Khơng 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 tốn, coi khơng khí chỉ bao gồm nitơ và ơxy với tỉ lệ thể tích: nitơ 79% và ơxy là 21%. Khí nitơ được đưa vào thành buồng cháy CVCC để giả lập thành phần hỗn hợp khí cuối q trình nén của động cơ diesel truyền thống.
Cơng thức cấu tạo của axetilen: C-H≡C-H hoặc HC≡CH Phản ứng oxy hĩa (phản ứng cháy).
2�2�2 + 5�2 → 4��2 + 2�2� + �
Phản ứng tỏa nhiệt của khí C2H2 trong buồng cháy CVCC tạo ra nhiệt độ rất cao do thể tích của buồng cháy khơng đổi, từ đĩ 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 tốn 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 ngồi 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 cĩ 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).
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 hịa trộn trước khi
CNLM.
Hỗn hợp khí (C2H2, N2, O2) được cung cấp lần lượt vào buồng cháy CVCC (đã được sấy nĩng) sau đĩ nhiên liệu được phun vào buồng cháy để hịa trộn đồng nhất với hỗn hợp khí nhờ quạt hịa 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 hịa 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 ngồi nhờ bơm chân khơng và khơng khí nén.
2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống CVCC, hỗn hợp hịa trộn sau khi
CNLM.
Hỗn hợp khí (C2H2, N2, O2) được cung cấp vào buồng cháy CVCC được hịa trộn đồng nhất bằng quạt hịa trộn trong tồn 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. Q 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 đĩ quá trình cháy diễn ra nhanh chĩng, 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 ngồi nhờ bơm chân khơng và khơng 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 cĩ những ưu điểm.
Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp cĩ thể dễ dàng thay đổi được bằng cách thay đổi nhiệt độ ban đầu của buồng cháy, điều này giúp cho hịa khí dễ dàng bay hơi.
Hỗn hợp trở lên đồng nhất hơn nhờ quạt hịa trộn tốc độ cao. Hỗn hợp cĩ nhiều thời gian để hịa trộn nên cĩ 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 hịa
trộn với hỗn hợp khí đã cĩ sẵn trong buồng cháy sau đĩ hỗn hợp được hịa trộn nhờ quạt hịa trộn với tốc độ rất cao kết hợp sấy nĩng buồng cháy. Do thời gian hịa trộn và cháy nhiên liệu mồi cĩ thể điều chỉnh, nhờ đĩ hỗn hợp đồng nhất trong tồn bộ khơng gian của buồng cháy.
Q 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.
Q 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 tồn bộ hỗn hợp trong khơng 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. Q 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 hịa khí (điểm 2) đến khi áp suất buồng cháy đạt cực đại điểm 3). Cháy cùng lúc tồn bộ hỗn hợp trong buồng cháy do hỗn hợp đã đồng nhất. Các thơng số đặc trưng cho giai đoạn này là tốc độ tăng áp suất.
Giai đoạn 2: cháy rớt, cháy phần nhiên liệu ở những gĩc 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).
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 đĩ cấp vào buồng cháy. Hỗn hợp khí được hịa trộn đến khi thành hỗn hợp đồng nhất bằng thiết bị hịa trộn. Song song với quá trình hịa 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 đĩ 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 hịa trộn với hỗn hợp khí trong CVCC (bao gồm sản phẩm cháy và khí dư trong q 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 vịi 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 hồ 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 thơng số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễi(s) phụ thuộc trước hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu như số xe-tan (Xe), độ nhớt… Ngồi ra, thời gian cháy trễ cịn 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 mơi 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 q trình cấp nhiệt đẳng tích.
Thơng số đặc trưng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suấtp/t. Lượng hỗn hợp được chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ càng nhiều thìp/t càng lớn.
Giai đoạn III: cháy chính diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Hỗn hợp vừa chuẩn bị vừa
diễn ra êm dịu hơn. Tốc độ cháy được quyết định bởi tốc độ hồ trộn giữa nhiên liệu và khơng khí hay tốc độ chuẩn bị hỗn hợp. Mặt khác, tốc độ cháy giảm cịn do nồng độ ơxy 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 cịn lại (lớp sát vách hay ở khe kẽ của buồng cháy…). Hiệu quả sinh cơng thấp, nhiệt sinh ra chủ yếu làm nĩng các chi tiết. Giai đoạn cháy rớt được coi là kết thúc (hay tồn bộ quá trình cháy kết thúc) khi cháy hết 9597% lượng nhiên liệu chu trình.
So với động cơ truyền thống, buồng cháy CVCC cĩ thể điều khiển thời điểm phun nhiên liệu vào buồng cháy theo thời gian thực.