Nghiên cứu tổng quan về buồng cháy thể tích không đổi - Nguyễn Phi Trường

CễNG NGHỆ Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ ● Số 50.2019 70 KHOA HỌC NGHIấN CỨU TỔNG QUAN VỀ BUỒNG CHÁY THỂ TÍCH KHễNG ĐỔI OVERVIEW OF CONSTANT VOLUME COMBUSTION CHAMBER Nguyễn Phi Trường1,2,*, Nguyễn Tuấn Nghĩa1, Trần Đăng Quốc2, Lờ Anh Tuấn2 TểM TẮT Nhu cầu nõng cao hiệu suất, giảm ụ nhiễm mụi trường đối với động cơ nhiệt núi chung và động cơ đốt trong núi riờng đang là mối quan tõm rất lớn của cỏc nhà khoa học trờn thế giới. Giải phỏp cơ bản đỏp ứng được yờu cầu trờn đú là nghiờn cứu quỏ trỡnh chỏy ở một buồng chỏy cú thể tớch khụng đổi (Constant volume combustion chamber - CVCC). Bài bỏo này đề cập đến việc mụ phỏng chế tạo CVCC và những ứng dụng của buồng chỏy thể tớch khụng đổi đến việc nghiờn cứu đối với những nhiờn liệu khỏc nhau như: sử dụng nhiờn liệu diesel, ethanol và diesel sinh học, xăng và n-butan, nhiờn liệu cụng nghiệp CPG (Compressor Producer Gas), dầu cọ nguyờn chất và dầu diesel, nhiờn liệu ethanol trộn với xăng. Từ cỏc kết quả đú cú thể làm cơ sở để định hướng thiết kế mụ phỏng cũng như chế tạo tại điều kiện ở Việt Nam. Từ khúa: CVCC, nhiờn liệu thay thế, cửa sổ quang học, CPG. ABSTRACT The need to improve efficiency, reduce environmental pollution for general heat engines and internal combustion engines in particular is of great concern to scientists around the world. The basic solution that meets the above requirements is to study the combustion process in a constant volume combustion chamber (CVCC). This paper deals with simulating the manufacture of constant volume combustion chambers (CVCC) and the applications of constant volume combustion to research on different fuels such as: diesel fuel, ethanol and biodiesel, gasoline and n-butane, Compressor Producer Gas industry (CPG), pure palm oil and diesel fuel, ethanol fuel mixed with gasoline. These results can serve as the basis for designing simulation as well as manufacturing conditions in Vietnam. Keywords: CVCC, alternative fuels, optical window, CPG. 1Trường Đại học Cụng nghiệp Hà Nội 2Trường Đại học Bỏch khoa Hà Nội *Email: truongnp7@gmail.com Ngày nhận bài: 05/9/2018 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 05/11/2018 Ngày chấp nhận đăng: 25/02/2019 1. GIỚI THIỆU CHUNG Buồng chỏy cú thể tớch khụng đổi (Constant volume combustion chamber - CVCC) là buồng chỏy thụng suốt và trong suốt, dễ dàng quan sỏt quỏ trỡnh hỡnh thành hỗn hợp và chỏy của hỗn hợp khụng khớ - nhiờn liệu, dễ dàng điều khiển cỏc thụng số ỏp suất, nhiệt độ bờn trong buồng chỏy. Từ đú, dễ dàng điều chỉnh quỏ trỡnh hỡnh thành hỗn hợp và chỏy của hỗn hợp để nõng cao hiệu suất và giảm khớ thải độc hại ra ngoài mụi trường. Nghiờn cứu tổng quan về hệ thống CVCC sẽ là bước đi đầu tiờn hướng đến một thế hệ động cơ mới đạt được hiệu suất nhiệt cao và giảm tối thiểu khớ thải độc hại đồng thời thỏa món được những tiờu chuẩn ngặt nghốo của khớ thải. Hệ thống CVCC cú thể thực hiện rất nhiều cỏc nghiờn cứu về chỏy theo định hướng khỏc nhau đối với nhiờn liệu chỏy cưỡng bức và tự bốc chỏy. Cỏc định hướng nghiờn cứu cú thể kể đến như: tỷ lệ giữa nhiờn liệu - khụng khớ, điều kiện (nhiệt độ, ỏp suất, gúc đỏnh lửa) để xảy ra phản ứng ụ xi húa nhiờn liệu. Về cơ bản hệ thống CVCC được cấu thành gồm tối thiểu cỏc bộ phận như hỡnh 1 bao gồm: Bộ thu thập giữ liệu, nguồn cấp điện ỏp cao, bộ hũa trộn và cung cấp nhiờn liệu, cụm thiết bị buồng chỏy, cụm khuếch đại tớn hiệu. Tuy nhiờn, buồng chỏy thể tớch khụng đổi cú thể thay đổi thiết kế tựy theo mục đớch nghiờn cứu và loại nhiờn liệu sử dụng. Hỡnh 1. Sơ đồ hệ thống CVCC 2. NGHIấN CỨU CHẾ TẠO BUỒNG CHÁY CVCC Alireza Hajialimohammadi và cỏc cộng sự đó sử dụng phần mềm Ansys 12.0 để thiết kế một buồng chỏy cú thể tớch khụng đổi với kớch thước cụ thể của buồng chỏy là ỉ13cmxL13cm, đường kớnh và chiều dày của kớnh thạch anh quan sỏt lần lượt là 16cm và 8cm, vật liệu chế tạo thõn SCIENCE TECHNOLOGY Số 50.2019 ● Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 71 buồng chỏy là thộp khụng gỉ 316. Buồng chỏy cú thể chịu được ỏp suất lờn đến 100 bar. Với hai cửa sổ này sẽ cú một nguồn sỏng laser chiếu qua kết hợp hệ thống camera đặc biệt để quan sỏt sự phỏt triển của màng lửa [1]. Sơ đồ của buồng chỏy được thiết kế chế tạo và sau khi sản suất buồng chỏy (hỡnh 2). Hỡnh 2. (a) Sơ đồ của vũi phun và vị trớ bugi; (b) bản vẽ lắp của CVCC; (c) Buồng đốt thể tớch khụng đổi sau khi chế tạo Quỏ trỡnh đốt chỏy diễn ra trong thời gian ngắn nờn cửa sổ thạch anh và buồng chỏy được xem xột để phõn tớch ứng suất, chuyển vị (bảng 1, 2). Bảng 1. Đặc tớnh của vật liệu làm kớnh quan sỏt Khối lượng riờng 2200 kg/m3 Mụ đun đàn hồi 72 GPa Hệ số Poisson 0,17 Giới hạn bền uốn 52,4 MPa Dẫn nhiệt 1,46 W/mK Hệ số gión nở nhiệt 5,4.10-7 1/K Nhiệt dung riờng 700 J/K.kg Bảng 2. Ứng suất cực đại và chuyển vị lớn nhất của cửa sổ thạch anh trờn cơ sở tiờu chuẩn Rankine và Von Mises Chiều dày (mm) Von Mises (MPa) Rankine (MPa) Chuyển vị (μm) 60 53,8 24,1 23,8 70 47,7 24,1 20,3 80 44,1 24,1 18,5 Sử dụng phần mền Ansys 12.0 ta tớnh được cỏc thụng số vật liệu của buồng chỏy như: Ứng suất cực đại, chuyển vị lớn nhất, phõn bố nhiệt trung bỡnh trờn CVCC (hỡnh 3). Hỡnh 3. a) Phõn bố nhiệt độ trung bỡnh; b) Ứng suất Von Mises của cửa sổ thạch anh cú chiều dày 80mm; c) Ứng suất Rankine của cửa sổ thạch anh; d) Chuyển vị của cửa sổ thạch anh. Sau khi chế tạo được buồng đốt, buồng đốt được thử nghiệm với ỏp suất cao và phun trực tiếp dạng khớ với ỏp lực 100 bar. Kết quả kiểm tra hệ thống đạt yờu cầu chế tạo. Nú chứng minh rằng phương phỏp phần tử hữu hạn thành cụng trong việc mụ phỏng buồng chỏy CVCC. Nhúm nghiờn cứu của Prathan Srichai sử dụng phần mền mụ phỏng Solidworks Simulation và CAE tiến hành phõn tớch, thiết kế và chế tạo CVCC cú cửa sổ quang học được thiết kế với độ an toàn cao, hệ thống hũa trộn bờn ngoài để giả lập thành khụng khớ (hũa trộn hỗn hợp khớ O2 và N2) bao gồm: Common-rail, bộ điều chỉnh nhiệt độ và ỏp suất, hệ thống van an toàn, hệ thống phun khớ C2H2 [2]. Sử dụng phần mền mụ phỏng solidworks 2012 để mụ phỏng điều kiện làm việc bờn trong buồng trộn hỗn hợp và CVCC. Áp suất bờn trong là 25 bar nhiệt độ bề mặt tiếp xỳc là 13000C (Nhiệt độ bờn trong của hỗn hợp khớ). Cỏc phần của buồng hũa trộn được liờn kết với nhau bằng cỏc bulụng chịu lực. Vật liệu thộp SS1035 được sử dụng để làm vật liệu chớnh chế tạo buồng hũa trộn với cỏc thụng số ứng suất uốn là 340MPa và ứng suất kộo là 620MPa. Bề dày của buồng là 14 mm (hỡnh 4). Hỡnh 4. (a) Hỡnh dạng bờn ngoài và bờn trong của thiết bị hũa trộn nhiờn liệu; (b) Hệ số an toàn của bể trộn; (c) Ứng suất Von mises của thiết bị hũa trộn Điều kiện biờn mụ phỏng được chọn lựa như trờn thực tế, với cơ sở chia lưới là 4 mm. Áp suất hỗn hợp hũa trộn trước là 70 bar, lớn hơn ỏp suất tớnh toỏn. Trong khi mụ phỏng, một số thành phần coi là cố định như bulụng ở giữa CễNG NGHỆ Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ ● Số 50.2019 72 KHOA HỌC CVCC, giỏ đỡ quạt hũa trộn, cảm biến ỏp suất phun và cỏc van hỳt xả. Vật liệu chế tạo là thộp carbon trung bỡnh S45C với ứng suất uốn và ứng suất kộo lần lượt là 340MPa và 602MPa (hỡnh 5). Đường kớnh và độ dày của cửa sổ quang học khi mụ phỏng là 100mm và 35mm với gúc vỏt là 1mm. Với ỏp suất hỗn hợp bờn trong là 70 bar thỡ buồng chỏy CVCC được đảm bảo đủ bền. Hỡnh 5. Hệ số an toàn của CVCC và ứng suất Von mises của CVCC Kết quả xỏc định được độ dày tường, vật liệu, hỡnh dạng và vị trớ cho cỏc cụng cụ thiết bị để chịu được ỏp lực cao trong buồng đốt và thiết bị hũa trộn. Xỏc định được giới hạn nghốo của hỗn hợp và ảnh hưởng của ỏp suất phun nhiờn liệu đến khả năng bắt chỏy của hỗn hợp là mạnh hơn so với hỗn hợp được hũa trộn sẵn từ bờn ngoài ở cựng điều kiện nhiệt độ mụi trường. 3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BUỒNG CHÁY CVCC 3.1. Nghiờn cứu, sử dụng nhiờn liệu diesel, ethanol và diesel sinh học Ronnachart Munsin và nhúm nghiờn cứu tiến hành nghiờn cứu mụ phỏng đối với ba loại nhiờn liệu được hũa trộn từ bờn ngoài: diesel, ethanol và diesel sinh học. Kết quả nghiờn cứu cho thấy rằng vật liệu làm cửa dẫn ỏnh sỏng laser cú thể chịu được ỏp suất cao, hỡnh dạng buồng chỏy thể tớch khụng đổi phự hợp với thể tớch buồng chỏy động cơ tự bốc chỏy cú tỷ số nộn thay đổi từ ε = 16 ữ 28 [3]. Cỏc nghiờn cứu được thực hiện bằng phương phỏp mụ phỏng ở điều kiện nhiệt độ thấp, ỏp suất nhiờn liệu đó được phun vào buồng chỏy với ỏp suất 35 Mpa. Kết quả cho thấy khi sử dụng hệ thống common-rail và buồng chỏy thể tớch khụng đổi (CVCC) sẽ đỏnh giỏ được ảnh hưởng của nhiệt độ nhiờn liệu diesel đến đặc tớnh của hệ thống phun nhiờn liệu và quỏ trỡnh chỏy ở điều kiện khởi động lạnh. Khi nhiệt độ nhiờn liệu diesel ở điều kiện lạnh thỡ thời gian phun sẽ dài hơn so với khi nhiệt độ nhiờn liệu diesel được sấy núng lờn, nguyờn nhõn làm cho thời gian phun kộo dài là do độ nhớt động học của nhiờn liệu cao khi nhiệt độ giảm. 3.2. Nghiờn cứu, sử dụng nhiờn liệu xăng và n-butan Nghiờn cứu của nhúm Choongsik Bae cũng được tiến hành đối với hỗn hợp nghốo với hai nhiờn liệu xăng và n- butan [4]. Điều kiện thớ nghiệm để chỏy ổn định đối với hai loại nhiờn liệu xăng và n-butan được thiết lập khỏc nhau về gúc đỏnh lửa, ỏp suất phun và thời gian phun. Kết quả nghiờn cứu chỉ ra rằng khụng giống như xăng, n-butan lập tức bốc hơi ngay khi bắt đầu phun nhiờn liệu và kết thỳc bốc hơi khi kết thỳc phun. So với xăng, cấu trỳc của n- butan đó bị bẻ góy về phớa đầu trục phun và sự bẻ góy đú càng lớn khi ỏp suất phun được tăng lờn. Phun nhiờn liệu n- butan cho thấy tỉ lệ bay hơi cao hơn vỡ ỏp suất hơi nước cao hơn, nhưng cấu trỳc phun đó bị phõn ró (hỡnh 6). Hỡnh 6. Hỡnh ảnh tia phun của xăng và n-butan tại 280CAD bTDC [Pamb=1,1 Mpa/Tamb=465 K] từ Mie-scattering và hỡnh ảnh tia phun của xăng và n-butan tại 400280CAD bTDC [Pamb=0,7 Mpa/Tamb=426 K] từ Schlieren SCIENCE TECHNOLOGY Số 50.2019 ● Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 73 3.3. Nghiờn cứu, sử dụng khớ cụng nghiệp CPG (Compressor Producer Gas) Đặc tớnh chỏy và tối ưu húa CPG trong buồng chỏy thể tớch khụng đổi được Z.A. Zainal và cỏc cộng sự nghiờn cứu và đỏnh giỏ [5]. MIF = 0 (tối thiểu); MIF = 25% (Trung bỡnh) và MIF = 50% (Tối đa) như bảng 3, 4. Bảng 3. Thời gian phun yờu cầu đối với CNG, LPG và CPG khi MIF = 0% Tỉ lệ tương đương AFR Khối lượng nhiờn liệu (mg) Khối lượng khụng khớ (mg) Áp suất khớ yờu cầu (kPa) Áp suất nhiờn liệu yờu cầu (kPa) Thời gian phun (ms) CNG 0,8 21,50 24,9 529 165 10,70 108 0,9 19,11 24,9 470 147 10,70 105 1,0 17,20 24,9 423 132 10,70 102 1,1 15,64 24,9 385 120 10,70 100 1,2 14,33 24,9 353 110 10,70 98 LPG 0,8 21,25 24,9 529 165 3,92 78 0,9 18,89 24,9 470 147 3,92 76 1,0 17,00 24,9 423 132 3,92 73 1,1 15,45 24,9 385 120 3,92 72 1,2 14,17 24,9 353 110 3,92 70 CPG 0,8 1,40 378 529 165 110,89 557 0,9 1,24 378 470 147 110,89 555 1,0 1,12 378 423 132 110,89 542 1,1 1,02 378 385 120 110,89 540 1,2 0,93 378 353 110 110,89 534 Bảng 4. Thời gian phun yờu cầu đối với CNG, LPG và CPG khi MIF = 25% và 50% Tỉ lệ tương đương AFR Khối lượng nhiờn liệu (mg) Khối lượng khụng khớ (mg) Áp suất khớ yờu cầu (kPa) Áp suất CPG yờu cầu (kPa) Thời gian phun (ms) MIF = 25% 0,9 1,24 472 588 183,4 138,61 740 1,0 1,12 472 529 165,1 138,61 732 1,1 1,02 472 481 150,0 138,61 703 MIF = 50% 0,9 1,24 567 705 220 166,33 950 1,0 1,12 567 635 198 166,33 865 1,1 1,02 567 577 180 166,33 850 Phõn tớch phương sai được tiến hành với độ tin cậy của cỏc giỏ trị thớ nghiệm là 0,9775 và 0,9875, cho tốc độ lan tràn ngọn lửa và ỏp suất đỉnh tương ứng. Từ cỏc thớ nghiệm, tốc độ lan tràn của ngọn lửa và ỏp suất đỉnh của CPG tỡm thấy là 3,15 m/s và 312,09 kPA tương ứng. Chỳng thấp hơn so với xăng, LPG và CNG. Phõn tớch tối ưu húa cho thấy ỏp suất đỉnh của CPG cú thể so sỏnh với xăng và tốc độ của ngọn lửa đạt tối đa ở ỉ = 1,1 và MIF = 35% (hỡnh 7, 8). Hỡnh 7. Hỡnh ảnh chỏy của Gasoline, CNG, LPG và CPG ở tỉ lệ tương đương là 1,1 (ma = 385mg) và ỏp suất đỉnh của Gasoline, CNG, LPG và CPG ở tỉ lệ tương đương từ 0,8 đến 1,2 CễNG NGHỆ Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ ● Số 50.2019 74 KHOA HỌC Hỡnh 8. Tốc độ lan truyền màng lửa của (a) Gasoline, (b) CNG, (c) LPG và (d) CPG ở cỏc tỉ lệ khỏc nhau từ 0,8 đến 1,2 3.4. Nghiờn cứu, sử dụng với dầu cọ nguyờn chất và dầu diesel Nhúm Mr.Karn Romphol, Kanit Wattanavichien nghiờn cứu về đặc tớnh phun và chỏy của dầu cọ trong buồng chỏy CVCC [6]. Với điều kiện thực nghiệm ổn định như ỏp suất khớ quyển và trường hợp phun vào, ảnh hưởng của phần trăm dầu cọ nguyờn chất với dầu diesel và ỏp suất phun vào buồng chỏy và cấu trỳc ngọn lửa đó được thớ nghiệm sử dụng photo diode và ICCD camera. Nghiờn cứu chỉ ra rằng, với tỉ lệ phần trăm cao của dầu cọ trong hỗn hợp thỡ thời gian chỏy trễ ngắn hơn và thời kỳ chỏy ngắn hơn so với nhiờn liệu diesel. Vựng nhiệt độ chỏy cao của dầu cọ là trờn 2400K vẫn nhỏ hơn của dầu diesel. Bồ húng trong khớ thải của dầu cọ nhiều hơn so với khớ thải của nhiờn liệu diesel và nú sẽ giảm khi tăng tỉ lệ % dầu cọ lờn. Tuy nhiờn, với 100% dầu cọ thỡ bồ húng là rất nhỏ. 3.5. Nghiờn cứu sử dụng với nhiờn liệu ethanol trộn với xăng Chinda Chareonphonphanich và Prathan Srichai tiến hành nghiờn cứu quỏ trỡnh chỏy của ethanol trộn với xăng với cỏc tỉ lệ khỏc nhau [7]. Từ xăng nguyờn chất, E20, E85 và E100 (bảng 5). Bảng 5. Đặc điểm của xăng, ethanol và điều kiện thớ nghiệm Đặc tớnh E0 (Gasoline) E100 (Ethanol) Trọng lượng phõn tử 114,8 46,07 RVP (kPa) 62,6 16 Nhiờn liệu E0, E20, E85 và E100 Giỏ trị nhiệt trị thấp (kJ/kg) 44,000 26,900 Tỉ lệ tương đương 0,8; 1,0; 1,2 và 1,4 Nhiệt húa hơi (kJ/kg) 305 840 Nhiệt độ thớ nghiệm 177 và 1970C Tỉ lệ A/F lý tưởng 14,6 9 Áp suất thớ nghiệm 0,098 và 0,147 MPa Hỡnh ảnh ngọn lửa trong buồng chỏy được ghi lại bằng cụng nghệ Schilienren với camera tốc độ cao. Kết quả thớ nghiệm cho thấy. Phần trăm của ethanol lớn hơn cho tốc độ lan truyền nhanh hơn và ỏp suất cao hơn. Áp suất chỏy của E100 là 0.873MPa lớn hơn so với E85, E20, E0. Độ trễ giảm hơn khi tăng tỉ lệ % của ethanol. Thời gian chỏy của E100 là 13ms nhỏ hơn so với E85, E20 và E0. Thời gian chỏy của hỗn hợp tương đương tỉ lệ 1,0 là thấp hơn so với tỉ lệ 0,8, 1,2 và 1,4 (hỡnh 9). SCIENCE TECHNOLOGY Số 50.2019 ● Tạp chớ KHOA HỌC & CễNG NGHỆ 75 Hỡnh 9. (a). Hỡnh ảnh ngọn lửa lan tràn của nhiờn liệu trong điều kiện ỏp suất 0,098Mpa, nhiệt độ 177 C0 tỉ lệ tương đương 1.0; (b). Hỡnh ảnh ngọn lửa của mỗi nhiờn liệu ở ứ=1.0; (c). Hỡnh ảnh ngọn lửa của mỗi nhiờn liệu ở ứ =1.2; (d). Hỡnh ảnh ngọn lửa của mỗi nhiờn liệu ở ứ=1.4. 4. KẾT LUẬN Sử dụng cỏc phần mềm mụ phỏng Solidworks 2012 và phần mền Ansys 12.0 cú thể thiết kế và chế tạo thành cụng buồng chỏy thể tớch khụng đổi (CVCC), để phục vụ quỏ trỡnh nghiờn cứu cơ bản về quỏ trỡnh hỡnh thành hỗn hợp và chỏy của cỏc loại nhiờn liệu trong động cơ đốt trong. Buồng chỏy thể tớch khụng đổi được sử dụng để nghiờn cứu với nhiều loại nhiờn liệu khỏc nhau như: Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiờn liệu diesel đến đặc tớnh của hệ thống phun nhiờn liệu và quỏ trỡnh chỏy ở điều kiện khởi động lạnh. Nghiờn cứ tia phun của xăng và n-butan. Đặc tớnh chỏy và tối ưu húa CPG. Nghiờn cứu về đặc tớnh phun và chỏy của dầu cọ. Nghiờn cứu ỏp suất và thời gian chỏy của nhiờn liệu ethanol trộn với xăng với cỏc tỉ lệ khỏc nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Alireza Hajialimohammadi. Design And Manufacturing of A Constant Volume Test Combustion Chamber For Jet And Flame Visualization of CNG Direct Injection, Applied Mechanics and Materials Vols. 217-2192543 (2012). [2]. Prathan Srichai, Design Concept of Biodiesel Direct Injection Constant Volume Combustion Chamber, The 3rd TSME International Conference on Mechanical Engineering October 2012, Chiang Rai. [3]. Ronnachart Munsin, Bodin Chung Lim Shing, Khansorn Phunpheeranurak, Thanisorn Phongphankasem, Yossapong Laoonual*, Sumrerng Jugjai and Somchai Chanchaona, AEC 2013. Design of Constant Volume Combustion Chamber (CVCC) with Pre-Combustion, The 4th TSME International Conference on Mechanical Engineering, 16-18 October 2013. [4]. Jinyoung Jung, Sangjae Park, Choongsik Bae*. 2016. Combustion characteristics of gasoline and n-butane under lean stratified mixture conditions in a spray-guided direct injection spark ignition engine. [5]. S.N. Soid, Z.A. Zainal* 1 July 2014. Combustion characteristics and optimization of CPG (compressed producer gas) in a constant volume combustion chamber. [6]. Mr.Karn Romphol, Kanit Wattanavichien. 2012. Macroscopic spray characteristics of palm oil-diesel blends in a constant volume combustion chamber. Vol. 71, November 2012. [7]. Prathan Srichai, Flame Propagation of Bio-Ethanol in a constant volume combustion chamber. 2009 SAE international.