Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu quá trình hình thành và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi

• Tác giả: Nguyễn Phi Trường
• Người hướng dẫn: GS.TS Lê Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Trình Hình Thành Hỗn Hợp Và Cháy HCCI Trong Buồng Cháy Thể Tích Không Đổi
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Buồng cháy CVCC
• 1.3. Tình hình nghiên cứu về HCCI và CVCC
• 1.3.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.3.2. Nghiên cứu nước ngoài
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG CVCC
• 2.1. Hình thành hỗn hợp trong CVCC
• 2.1.1. Tạo nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy CVCC
• 2.1.2. Phương pháp hình thành hỗn hợp trong hệ thống CVCC
• 2.1.3. Hình thành hỗn hợp trước thời điểm CNLM_hình thành hỗn hợp đồng nhất HCCI
• 2.1.4. Hình thành hỗn hợp sau thời điểm CNLM
• 2.2. Phương pháp hình thành hỗn hợp đồng nhất trong CVCC
• 2.2.1. Phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM
• 2.2.2. Phun nhiên liệu sau thời điểm CNLM
• 2.3. Cơ chế phá vỡ chất lỏng, giọt chất lỏng và cấu trúc tia phun
• 2.3.1. Cơ chế phá vỡ chất lỏng [66]
• 2.3.2. Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng
• 2.3.3. Cấu trúc tia phun
• 2.4. Cơ sở hóa lý quá trình cháy
• 2.4.1. Áp suất ban đầu
• 2.4.2. Giới hạn cháy thấp
• 2.4.3. Nhiệt độ của ngọn lửa đoạn nhiệt
• 2.4.4. Tính toán lượng khí cháy trong hỗn hợp
• 2.4.5. Phản ứng dây chuyền
• 2.4.6. Thời gian cháy trễ
• 2.4.7. Tốc độ tỏa nhiệt
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CVCC
• 3.1. Thiết kế chế tạo CVCC
• 3.1.1. Sơ đồ bố trí chung và yêu cầu đối với buồng cháy CVCC
• 3.1.2. Tính toán buồng cháy
• 3.1.3. Tính toán bulông buồng cháy
• 3.1.4. Tính toán kiểm nghiệm buồng cháy
• 3.2. Chế tạo các bộ phận chính của buồng cháy
• 3.2.1. Chế tạo thân buồng cháy
• 3.2.2. Chế tạo nắp buồng cháy
• 3.2.3. Chế tạo mặt bích giữ kính quan sát
• 3.3. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển
• 3.3.1. Sơ đồ khối thuật toán điều khiển
• 3.3.2. Ngôn ngữ lập trình điều khiển
• 3.3.3. Phần cứng Arduino
• 3.3.4. Lập trình điều khiển hệ thống
• 3.4. Các hệ thống khác
• 3.4.1. Hệ thống nhiên liệu áp suất cao (common Rail)
• 3.4.2. Hệ thống hòa trộn hỗn hợp
• 3.4.3. Hệ thống đánh lửa
• 3.4.4. Hệ thống cung cấp khí
• 3.4.5. Hệ thống thải
• 3.4.6. Hệ thống làm mát
• 3.4.7. Hệ thống thông tin
• 3.4.8. Hệ thống sấy
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY HCCI TRONG CVCC
• 4.1. Xây dựng mô hình mô phỏng
• 4.1.1. Phương trình cơ bản mô tả quá trình cháy
• 4.1.2. Phương pháp mô phỏng
• 4.1.3. Đối tượng mô phỏng
• 4.1.4. Mô hình mô phỏng
• 4.1.5. Các chế độ mô phỏng
• 4.1.6. Điều kiện biên
• 4.1.7. Mô hình lưới tính toán
• 4.2. Kết quả và thảo luận
• 4.2.1. Quá trình bay hơi của nhiên liệu trong CVCC
• 4.2.2. Quá trình hòa trộn nhiên liệu trong CVCC
• 4.2.3. Độ tin cậy của mô hình
• 4.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cháy trong buồng cháy CVCC
• 4.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy trong CVCC
• 4.3. kết luận chương 4
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 5.1. Mục đích thử nghiệm
• 5.2. Đối tượng thử nghiệm
• 5.3. Nhiên liệu thử nghiệm
• 5.4. Quy trình và phạm vi thử nghiệm
• 5.4.1. Thử nghiệm phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM
• 5.4.2. Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy
• 5.4.3. Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cháy
• 5.5. Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính
• 5.5.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm
• 5.5.2. Trang thiết bị thử nghiệm
• 5.6. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
• 5.6.1. Đánh giá độ tin cậy của CVCC
• 5.6.2. Thực nghiệm đánh giá chất lượng hỗn hợp HCCI
• 5.6.3. Đặc tính cháy của nhiên liệu B0, B10 hòa trộn trước thời điểm CNLM
• 5.6.4. Đặc tính cháy của nhiên liệu B0 và B10 hòa trộn sau khi CNLM
• 5.6.5. Ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy
• 5.6.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bên trong đến quá trình cháy của hỗn hợp hòa trộn sau khi CNLM
• 5.7. Kết luận chương 5
• KẾT LUẬN CHUNG
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC LUẬN ÁN

I. Giới thiệu về HCCI

Chế độ cháy HCCI (Hỗn hợp đồng nhất cháy do nén) đang trở thành một trong những phương pháp tiên tiến trong lĩnh vực động cơ đốt trong. HCCI kết hợp ưu điểm của động cơ xăng và diesel, mang lại hiệu suất nhiệt cao và giảm thiểu khí thải độc hại như NOx và PM. Quá trình hình thành hỗn hợp trong buồng cháy không đổi (CVCC) là yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất và tính ổn định của chế độ cháy này. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh nhiệt độ, áp suất và thành phần hỗn hợp có thể giúp hỗn hợp tự cháy, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Tuy nhiên, việc áp dụng HCCI vào thực tế vẫn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc điều khiển thời điểm đánh lửa và mở rộng dải làm việc của động cơ.

1.1. Tình hình nghiên cứu về HCCI

Nghiên cứu về HCCI đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới, với nhiều công trình tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình cháy và giảm thiểu phát thải. Các nghiên cứu trong nước cũng đã bắt đầu chú trọng đến HCCI, tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế về công nghệ và thiết bị. Việc nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC sẽ giúp nâng cao hiểu biết về cơ chế cháy và mở ra hướng đi mới cho việc phát triển động cơ tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường.

II. Cơ sở lý thuyết về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI

Quá trình hình thành hỗn hợp trong CVCC là một yếu tố then chốt trong việc nghiên cứu HCCI. Hỗn hợp có thể được hình thành bên ngoài hoặc bên trong buồng cháy, tùy thuộc vào phương pháp phun nhiên liệu. Việc phun nhiên liệu trước hoặc sau thời điểm CNLM (thời điểm bắt đầu cháy) có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất cháy. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy có thể tạo ra điều kiện tối ưu cho quá trình cháy HCCI. Cơ chế phá vỡ chất lỏng và cấu trúc tia phun cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hỗn hợp đồng nhất.

2.1. Hình thành hỗn hợp trong CVCC

Hình thành hỗn hợp trong CVCC có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM giúp tạo ra hỗn hợp đồng nhất, trong khi phun sau thời điểm CNLM có thể dẫn đến sự phân tán không đồng đều của nhiên liệu. Việc nghiên cứu cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng và cấu trúc tia phun là cần thiết để hiểu rõ hơn về quá trình hình thành hỗn hợp. Các thông số như áp suất, nhiệt độ và tỉ lệ không khí-nhiên liệu cũng cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cháy tốt nhất.

III. Tính toán thiết kế và chế tạo CVCC

Việc thiết kế và chế tạo buồng cháy thể tích không đổi (CVCC) là một bước quan trọng trong nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI. CVCC cần được thiết kế với các yêu cầu kỹ thuật cụ thể để đảm bảo khả năng quan sát và điều khiển quá trình cháy. Các bộ phận chính của CVCC bao gồm thân buồng cháy, nắp buồng cháy và hệ thống điều khiển. Việc tính toán các thông số như áp suất, nhiệt độ và cấu trúc buồng cháy sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của CVCC.

3.1. Thiết kế và chế tạo các bộ phận chính của CVCC

Thiết kế và chế tạo các bộ phận chính của CVCC bao gồm việc lựa chọn vật liệu, tính toán kích thước và cấu trúc. Thân buồng cháy cần được làm từ vật liệu chịu nhiệt và áp suất cao, trong khi nắp buồng cháy cần có khả năng quan sát tốt. Hệ thống điều khiển cũng cần được thiết kế để đảm bảo khả năng điều chỉnh các thông số trong quá trình cháy. Việc chế tạo các bộ phận này cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của CVCC.

IV. Mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI

Mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Việc xây dựng mô hình mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về các cơ chế cháy và ảnh hưởng của các thông số đến quá trình cháy. Các phương trình cơ bản mô tả quá trình cháy cần được xác định để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng. Kết quả mô phỏng sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa thiết kế và điều khiển quá trình cháy trong thực tế.

4.1. Kết quả và thảo luận

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng nhiệt độ và nồng độ ôxy có ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy trong CVCC. Việc điều chỉnh các thông số này có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất cháy và giảm thiểu phát thải. Các mô hình mô phỏng cũng cho thấy rằng việc hình thành hỗn hợp đồng nhất là yếu tố quyết định đến hiệu suất cháy HCCI. Thảo luận về các kết quả này sẽ giúp đưa ra các khuyến nghị cho việc thiết kế và điều khiển động cơ trong tương lai.

V. Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm là bước cuối cùng trong quá trình nghiên cứu HCCI trong CVCC. Các thí nghiệm được thực hiện để kiểm tra tính khả thi của các mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu suất cháy của các loại nhiên liệu khác nhau. Quy trình thử nghiệm cần được thiết kế cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Kết quả thực nghiệm sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc tối ưu hóa quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI.

5.1. Kết quả thử nghiệm và thảo luận

Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng các thông số như nồng độ ôxy và nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy. Việc điều chỉnh các thông số này có thể giúp cải thiện hiệu suất cháy và giảm thiểu phát thải. Thảo luận về các kết quả này sẽ giúp đưa ra các khuyến nghị cho việc phát triển động cơ HCCI trong tương lai, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này.