Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Động cơ đốt trong là một trong những nguồn động lực chủ yếu trong các ngành kinh tế, sản xuất và giao thông vận tải. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu truyền thống có nguồn gốc từ dầu mỏ (xăng, dầu diesel) làm phát sinh các chất phát thải độc hại như carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC), oxit nitơ ($\text{NO}_x$) và chất thải dạng hạt (PM). Các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo đòi hỏi phải có những giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả nhiệt và giảm phát thải ô nhiễm.

Chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition) kết hợp ưu điểm của động cơ cháy cưỡng bức SI (hỗn hợp đồng nhất) và động cơ cháy do nén CI (cháy do nén với tỉ số nén cao). Quá trình này giúp nâng cao hiệu suất nhiệt, đồng thời giảm phát thải $\text{NO}_x$ và PM xuống mức rất thấp. Dù vậy, việc ứng dụng HCCI trên động cơ thực tế gặp nhiều thách thức kỹ thuật: khó kiểm soát thời điểm tự cháy, dải làm việc bị giới hạn ở vùng tải nhỏ (nguy cơ không cháy hoặc kích nổ), nồng độ phát thải HC và CO chưa cháy hoàn toàn ở mức cao, cùng với sự phức tạp trong việc quan sát động lực học dòng khí và phản ứng hóa học trong buồng cháy chuyển động.

Việc nghiên cứu quá trình cháy HCCI trên động cơ thực tế bị cản trở bởi kết cấu kín, khó quan sát quang học và chi phí chế tạo thử nghiệm cao. Để giải quyết vấn đề này, buồng cháy thể tích không đổi (CVCC - Constant Volume Combustion Chamber) được sử dụng làm công cụ thực nghiệm chuyên dụng nhờ thể tích cố định, trang bị các cửa sổ quang học bằng kính thạch anh, cho phép chủ động thiết lập áp suất, nhiệt độ, nồng độ ôxy và ghi nhận trực tiếp quá trình hình thành hỗn hợp, tia phun và màng lửa. Tại thời điểm nghiên cứu, tại Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm nào được trang bị hệ thống CVCC hoàn chỉnh để phục vụ nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI cho các loại nhiên liệu diesel truyền thống và diesel sinh học.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định mục đích tổng thể là thiết lập quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy thể tích không đổi CVCC được thiết kế và chế tạo tại Việt Nam.

Mục tiêu cụ thể được đánh số trong văn bản gồm:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo CVCC.
  2. Nghiên cứu cơ chế và các biện pháp điều khiển quá trình hình thành hỗn hợp HCCI trong CVCC.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số như nhiệt độ và nồng độ ôxy đến quá trình cháy HCCI trong CVCC.
  4. Bước đầu đưa ra khuyến cáo về việc thiết lập quá trình cháy HCCI trong CVCC.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Buồng cháy thể tích không đổi CVCC được thiết kế, chế tạo tại Việt Nam; quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy HCCI; nhiên liệu diesel truyền thống ($\text{B0}$) và nhiên liệu diesel sinh học pha trộn 10% thể tích ($\text{B10}$).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Các nội dung nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, kết hợp một số nội dung học tập, trao đổi kỹ thuật tại King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang (KMITL, Thái Lan).
    • Thời gian: Luận án hoàn thành và bảo vệ năm 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Nghiên cứu trong nước

  1. Khương Thị Hà (2014): Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy HCCI trên động cơ diesel chuyển đổi với tỷ số nén thiết kế $20:1$, động cơ hoạt động ổn định ở dải tốc độ $1600 - 2000\text{ vòng/phút}$ và tải nhỏ $10% - 20%$. Khi giảm tỷ số nén xuống $14{,}87:1$ và không dùng luân hồi khí thải (EGR), dải vận hành mở rộng lên mức $50%$ tải ở $3200\text{ vòng/phút}$.
  2. Nguyễn Đức Khánh (2016): Nghiên cứu khả năng điều khiển quá trình cháy trên động cơ HCCI bằng phương pháp luân hồi khí thải qua phần mềm AVL-BOOST, xác định tỉ lệ luân hồi tối ưu đạt khoảng $36%$, hiệu suất chỉ thị $\eta_i$ đạt từ $41{,}44%$ đến $44{,}07%$ tùy thuộc vào lượng nhiên liệu chu trình.
  3. Nguyễn Thìn Quỳnh (2016): Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu n-heptane cho động cơ diesel chuyển đổi sang HCCI, chứng minh tính khả thi của việc chuyển đổi phương thức cháy trên động cơ thực tế.
  4. Đỗ Văn Trấn (2016): Ứng dụng phần mềm AVL-BOOST mô phỏng các thông số điều khiển quá trình cháy HCCI gồm áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp, tỷ số nén và tỉ lệ luân hồi khí thải.

Nghiên cứu quốc tế

  1. Nghiên cứu về cơ chế cháy HCCI và kiểm soát thời điểm cháy:

    • Goldsborough và cộng sự (1999): Nghiên cứu động cơ piston tự do sử dụng hydro cho chu trình HCCI hai kỳ, sử dụng mô hình động lực học một chiều và cơ chế oxy hóa $\text{H}_2$ của Marinov kết hợp mô hình truyền nhiệt Woschni.
    • Fiveland và cộng sự (2000, 2001): Xây dựng mô hình 0 chiều mô phỏng HCCI cho nhiên liệu metan và hydro, áp dụng CHEMKIN với 11 cấu tử và 25 phản ứng kết hợp mô hình truyền nhiệt $k-\varepsilon$.
    • Hofmann và cộng sự (2007): Mô phỏng HCCI với n-heptan, DME và methyl decanoate bằng mô hình CHEMKIN, sử dụng cơ chế Herbinet (3036 cấu tử, 8555 phản ứng) và cơ chế Zeldovich mở rộng, GRI-Mech để đánh giá thời gian cháy trễ và phát thải $\text{NO}_x$.
    • S. Gowthaman và cộng sự: Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp ($60^\circ\text{C}$) và áp suất phun ($5\text{ bar}$) đến hiệu suất nhiệt và phát thải của động cơ diesel HCCI.
    • J. Mallikarjuna và cộng sự: Phân tích CFD trên phần mềm AVL-FIRE để đánh giá độ đồng nhất hỗn hợp thông qua biểu đồ phân phối nhiên liệu tổng thể (GFD) và cục bộ (LFD) với vòi phun 7 lỗ và 10 lỗ.
    • Saisirirat và cộng sự (2011): Khảo sát thời điểm tự cháy của hỗn hợp 1-butanol/n-heptane và ethanol/n-heptane với tỉ lệ cồn $0% - 57%$, chỉ ra cồn làm trễ thời điểm cháy tương tự tác dụng của EGR.
    • Dongwon Jung và cộng sự: Điều khiển thời điểm cháy HCCI cho nhiên liệu DME bằng luân hồi khí thải nội tại và bên ngoài.
    • Stranglmaier và cộng sự (2001), Haraldsson (2002), Olsson (2001): Kiểm soát pha cháy HCCI thông qua đóng muộn xupáp nạp (giảm hiệu suất nén) và sử dụng hệ thống lưỡng nhiên liệu (n-heptane và ethanol), nâng áp suất chỉ thị trung bình (IMEP) lên $16\text{ bar}$.

  2. Nghiên cứu quá trình phun và cháy trong buồng cháy thể tích không đổi CVCC:

    • Jinyoung Jung, Sangjae Park, Choongsik Bae: Ứng dụng kỹ thuật tán xạ Mie trong CVCC khảo sát hình ảnh phun vĩ mô của xăng và n-butan ở chế độ phân tầng.
    • Chinda Charoenphonphanich và cộng sự: Sử dụng kỹ thuật chụp ảnh quang học Schlieren ghi lại lan truyền ngọn lửa của xăng pha ethanol (E0, E20, E85, E100) trong CVCC.
    • Peter Emberger và cộng sự: Khảo sát sự bắt lửa của dầu thực vật trong CVCC dựa trên số nguyên tử cacbon trung bình (AC) và số liên kết đôi trung bình (ADB).
    • Magín Lapuerta, Scott K. Berkhous, Yu Liu, Ji Zhang, Chunde Yao, Joonsik Hwang, Wei Jing, Nomthongthai, Benjamin Wolk, Omid Askari, Zhang Hong Guang: Nghiên cứu đặc tính tia phun, đường kính Sauter (SMD), độ thâm nhập tia phun, hệ số tập trung bồ hóng ($KL$), và tốc độ tỏa nhiệt của các nhiên liệu khí ($\text{CH}_4$, $\text{H}_2$), nhiên liệu sinh học (biodiesel, butanol, ethanol) trong môi trường CVCC.
    • Alireza Hajialimohammadi và cộng sự: Sử dụng ANSYS thiết kế buồng CVCC hình trụ $\varnothing 13\text{ cm} \times L13\text{ cm}$, kính thạch anh đường kính $16\text{ cm}$, dày $8\text{ cm}$, chịu áp suất $100\text{ bar}$.
    • Prathan Srichai và cộng sự (2015): Ứng dụng SolidWorks Simulation tính toán độ bền thân buồng cháy CVCC bằng thép S45C chịu áp suất $70\text{ bar}$.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Các công trình trong nước chủ yếu dừng lại ở việc mô phỏng trên động cơ 1D (AVL-BOOST) hoặc chuyển đổi trên động cơ thực tế mà chưa có điều kiện quan sát trực quan các pha cháy. Các nghiên cứu quốc tế về CVCC phần lớn tập trung vào quá trình phun và cháy khuếch tán thông thường hoặc cháy cưỡng bức của nhiên liệu thay thế.

Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống:

  • Tính toán thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống CVCC tại Việt Nam có tích hợp quạt hòa trộn cưỡng bức, hệ thống sấy, vòi phun áp suất cao Common Rail ($1500\text{ bar}$) và cửa sổ quan sát quang học.
  • Xây dựng mô hình tính toán động lực học chất lưu (CFD) mô tả quá trình bay hơi, hòa trộn và cháy HCCI trong buồng CVCC.
  • Thiết lập quy trình tạo môi trường nhiệt độ, áp suất cao bằng phản ứng cháy mồi axetilen ($\text{C}_2\text{H}_2$) và khảo sát thực nghiệm quá trình cháy HCCI của nhiên liệu $\text{B0}$ và $\text{B10}$ theo hai phương pháp hòa trộn (trước và sau thời điểm cháy nhiên liệu mồi).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Nguyên lý tạo môi trường áp suất và nhiệt độ trong CVCC

Để mô phỏng điều kiện môi chất ở cuối quá trình nén trong xylanh động cơ, luận án sử dụng phương pháp đốt cháy một lượng nhỏ nhiên liệu mồi axetilen ($\text{C}_2\text{H}_2$) với hỗn hợp ôxy ($\text{O}_2$) và nitơ ($\text{N}_2$). Phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt của axetilen diễn ra theo phương trình:

$$2\text{C}_2\text{H}_2 + 5\text{O}_2 \rightarrow 4\text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + Q$$

Nhiệt lượng tỏa ra trong thể tích kín làm nhiệt độ và áp suất buồng cháy tăng đột ngột đến giá trị cực đại, sau đó giảm dần do truyền nhiệt qua thành buồng cháy. Bằng cách tính toán chính xác thành phần khí ban đầu và điều khiển thời điểm phun nhiên liệu diesel/biodiesel tại mức áp suất và nhiệt độ xác định trong giai đoạn giảm áp, môi trường buồng cháy mô phỏng được điều kiện tại điểm chết trên (TDC).

Phương pháp hình thành hỗn hợp trong CVCC

Luận án nghiên cứu hai phương pháp hình thành hỗn hợp:

  1. Phun nhiên liệu trước thời điểm cháy nhiên liệu mồi (CNLM): Nhiên liệu được phun vào buồng cháy đã được sấy nóng, sau đó quạt hòa trộn quay với tốc độ cao phân tán đều nhiên liệu với hỗn hợp khí ($\text{C}_2\text{H}_2, \text{O}_2, \text{N}_2$) để tạo hỗn hợp đồng nhất. Khi bật tia lửa điện bugi, quá trình cháy mồi kích hoạt phản ứng tự cháy đồng thời trên toàn bộ thể tích buồng cháy, phản ánh cơ chế HCCI thuần túy.
  2. Phun nhiên liệu sau thời điểm cháy nhiên liệu mồi (CNLM): Hỗn hợp khí mồi được đốt cháy trước để tạo áp suất và nhiệt độ cao. Khi áp suất và nhiệt độ giảm đến giá trị cài đặt, hệ thống điều khiển kích hoạt vòi phun Common Rail phun nhiên liệu vào môi trường nhiệt độ cao để hỗn hợp tự bốc cháy.

Cơ sở hóa lý và động học tia phun

  • Cơ chế phân rã chất lỏng và tia phun: Dưới áp suất phun cao ($1500\text{ bar}$), tia nhiên liệu trải qua quá trình phân rã sơ cấp và thứ cấp thành các giọt lỏng có kích thước micromet, sau đó bay hơi và hòa trộn với không khí.
  • Các thông số hóa lý quá trình cháy: Áp suất ban đầu, giới hạn cháy dưới (LFL), nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt, thời gian cháy trễ, tốc độ tăng áp suất ($dP/dt$) và tốc độ tỏa nhiệt (HRR - Heat Release Rate).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ ba hướng tiếp cận:

  1. Tính toán thiết kế và chế tạo cơ khí:
    • Ứng dụng lý thuyết sức bền vật liệu tính toán chiều dày thân buồng cháy hình trụ, nắp buồng cháy, mặt bích và cửa sổ kính thạch anh quang học.
    • Sử dụng phần mềm chuyên dụng kiểm nghiệm ứng suất tương đương Von-Mises, độ dịch chuyển và truyền nhiệt ở các dải nhiệt độ $200^\circ\text{C}, 400^\circ\text{C}, 1000^\circ\text{C}$.
  2. Mô phỏng số động lực học chất lưu (CFD):
    • Giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng và phương trình truyền chất của các cấu tử phản ứng.
    • Thiết lập mô hình lưới tính toán 3D với $4.740.722$ ô lưới, $14.157.523$ mặt và $4.859.160$ điểm nút, làm mịn cục bộ tại khu vực vòi phun và các van.
    • Mô phỏng quá trình bay hơi, phân bố tỉ lệ không khí - nhiên liệu (A/F), diễn biến áp suất và tốc độ tỏa nhiệt theo bước thời gian từ $1{,}0 \times 10^{-6}\text{ s}$ đến $5{,}0 \times 10^{-6}\text{ s}$.
  3. Thực nghiệm chuyên sâu:
    • Xây dựng hệ thống đo đạc tích hợp gồm cảm biến áp suất áp điện, hệ thống thu thập dữ liệu kết nối máy tính qua LabView và bộ vi điều khiển Arduino Nano.
    • Sử dụng hệ thống chụp ảnh quang học tốc độ cao để ghi nhận cấu trúc tia phun và tốc độ lan tràn màng lửa.
    • Cân nhiên liệu tiêu thụ AVL và hệ thống vòi phun Common Rail kiểm soát áp suất phun lên đến $1500\text{ bar}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học về quá trình cháy HCCI trên động cơ đốt trong và vai trò của buồng cháy thể tích không đổi CVCC. Tác giả phân tích các giải pháp tạo hỗn hợp HCCI trên động cơ thực tế bao gồm hình thành hỗn hợp bên ngoài (PFI) và hình thành hỗn hợp bên trong qua phun sớm (PCCI, PCI, NADI) hoặc phun muộn (MK, HPLI, HCLI). Chương này làm rõ ưu nhược điểm của các dạng kết cấu CVCC (hình tròn và hình hộp chữ nhật) và tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về tia phun, sự tự cháy của nhiên liệu sinh học và kỹ thuật chẩn đoán quang học.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC

Chương 2 trình bày các nguyên lý nhiệt động và hóa lý để thiết lập quá trình cháy trong buồng CVCC:

  • Cơ chế sinh nhiệt từ phản ứng cháy hỗn hợp khí mồi $\text{C}_2\text{H}_2 + \text{O}_2 + \text{N}_2$ để tạo áp suất và nhiệt độ nền.
  • Phân tích động học quá trình hình thành hỗn hợp đồng nhất khi phun nhiên liệu trước và sau thời điểm CNLM.
  • Cơ chế phá vỡ tia phun áp suất cao, chuyển động và phân tán của giọt chất lỏng trong môi trường khí đặc.
  • Tính toán nhiệt động học về giới hạn cháy thấp, nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt, thời gian cháy trễ và phương trình tốc độ tỏa nhiệt (HRR).
Thông số lý thuyết Vai trò trong quá trình cháy CVCC
Phản ứng cháy $\text{C}_2\text{H}_2$ Tạo môi trường nhiệt độ cao ($>1000\text{ K}$) và áp suất cao ($>30\text{ bar}$) mô phỏng cuối kỳ nén
Khí trơ $\text{N}_2$ Giả lập thành phần khí nạp và điều chỉnh nồng độ ôxy tự do ($10% - 21%$)
Quạt hòa trộn cưỡng bức Đảm bảo phân bố đồng đều nồng độ nhiên liệu trước khi kích hoạt cháy
Thời gian cháy trễ Xác định khoảng thời gian chuẩn bị hóa lý trước khi xuất hiện phản ứng tự cháy

Chương 3: Tính toán thiết kế và chế tạo CVCC

Chương 3 tập trung vào việc tính toán kết cấu, kiểm nghiệm độ bền và chế tạo phần cứng hệ thống thực nghiệm CVCC:

  • Tính toán kết cấu cơ khí: Buồng cháy dạng hình trụ được chế tạo từ thép S45C nguyên khối. Cửa sổ quan sát sử dụng vật liệu tinh thể thạch anh trong suốt có khả năng chịu nhiệt và áp suất cao. Nắp buồng cháy được cố định bằng hệ thống bulông M10 cấp bền cao.
  • Kiểm nghiệm mô phỏng độ bền (CAE): Phân tích ứng suất Von-Mises và biến dạng nhiệt cho thấy kết cấu buồng cháy, kính quan sát và mặt bích đảm bảo hệ số an toàn khi chịu áp suất cực đại lên tới $80 - 100\text{ bar}$ và nhiệt độ tức thời $1000^\circ\text{C}$.
  • Thiết kế hệ thống điều khiển và phụ trợ:
    • Hệ thống điều khiển: Sử dụng bo mạch Arduino Nano kết nối giao diện máy tính LabView, điều khiển chính xác trình tự nạp khí, đánh lửa bugi, thời điểm kích hoạt vòi phun và trích xuất dữ liệu.
    • Hệ thống nhiên liệu Common Rail: Cung cấp áp suất phun nhiên liệu ổn định ở mức $1500\text{ bar}$.
    • Hệ thống sấy và cung cấp khí: Vòng ốp điện trở gia nhiệt thành buồng cháy; hệ thống cấp khí riêng biệt cho $\text{C}_2\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{N}_2$ qua các van an toàn áp suất cao.
    • Hệ thống làm mát và quang học: Làm mát vòi phun bằng nước, bố trí camera tốc độ cao kết hợp nguồn sáng hội tụ.
Bộ phận CVCC Vật liệu / Quy cách kỹ thuật Chức năng chính
Thân buồng cháy Thép S45C gia công nguyên khối Chịu áp suất cháy cao, định hình không gian thể tích kín
Kính quan sát Tinh thể thạch anh quang học Truyền dẫn ánh sáng phục vụ ghi hình Schlieren và camera tốc độ cao
Bulông liên kết Bulông M10 cường độ cao Cố định nắp và mặt bích kính, chịu lực dọc trục khi tăng áp
Bộ điều khiển Arduino Nano & giao diện LabView Định thời đánh lửa, kích xung phun Common Rail và điều khiển van
Hệ thống sấy Vòng ốp nhiệt điện trở Gia nhiệt vỏ buồng cháy để sấy nóng khí nạp và hỗ trợ bay hơi

Chương 4: Mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC

Chương 4 trình bày kết quả mô phỏng CFD 3D về động lực học hòa trộn và quá trình cháy:

  • Quá trình bay hơi và hòa trộn: Mô hình tái hiện quá trình phun sương, bay hơi và phân bố nồng độ A/F theo các lát cắt thời gian ($1{,}0 \times 10^{-6}\text{ s}, 2{,}0 \times 10^{-6}\text{ s}, 5{,}0 \times 10^{-6}\text{ s}$). Quạt hòa trộn giúp hỗn hợp đạt trạng thái đồng nhất cao trước khi bốc cháy.
  • Kiểm chứng mô hình: Đồ thị diễn biến áp suất giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự tương đồng cao về quy luật tăng áp và áp suất đỉnh, khẳng định độ tin cậy của mô hình số.
  • Ảnh hưởng của các thông số vận hành: Mô phỏng khảo sát sự thay đổi của nhiệt độ môi trường và nồng độ ôxy ($10% - 21%$), chỉ ra rằng nhiệt độ môi trường ban đầu cao làm rút ngắn thời gian cháy trễ và tăng tốc độ tỏa nhiệt đỉnh, trong khi giảm nồng độ ôxy làm giảm áp suất cháy cực đại và tốc độ tăng áp.

Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm thu được trên hệ thống CVCC tự chế tạo:

  • Kiểm nghiệm vận hành: Buồng cháy CVCC hoạt động an toàn, kín khít và ổn định ở các dải áp suất thử nghiệm thực tế lên đến $80\text{ bar}$.
  • Đặc tính cháy khi hòa trộn trước thời điểm CNLM: Hỗn hợp nhiên liệu ($\text{B0}, \text{B10}$) hòa trộn trước thể hiện đặc trưng cháy HCCI rõ nét: quá trình cháy diễn ra gần như đồng thời trong toàn bộ thể tích, tốc độ tăng áp suất ($dP/dt$) cao và đồ thị tốc độ tỏa nhiệt (HRR) có dạng xung hẹp, dốc đứng.
  • Đặc tính cháy khi hòa trộn sau thời điểm CNLM: Nhiên liệu được phun vào môi trường áp suất và nhiệt độ cao sau phản ứng mồi. Quá trình cháy bắt đầu sau một khoảng thời gian trễ ngắn, diễn biến áp suất và đường cong tỏa nhiệt phản ánh quá trình cháy tự bốc cháy phân tán.
  • Ảnh hưởng của nồng độ ôxy và nhiệt độ:
    • Khi giảm nồng độ $\text{O}_2$ từ $21%$ xuống các mức thấp hơn ($18%, 15%, 12%, 10%$), tốc độ tỏa nhiệt cực đại và áp suất đỉnh giảm rõ rệt, tốc độ lan tràn màng lửa chậm lại, giúp kiểm soát tốc độ tăng áp của quá trình HCCI.
    • Nhiên liệu diesel sinh học $\text{B10}$ có thời gian cháy trễ ngắn hơn nhẹ so với $\text{B0}$ do sự hiện diện của các phân tử ôxy liên kết trong cấu trúc este sinh học, đồng thời cải thiện phần trăm nhiên liệu cháy kiệt.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công mô hình lý thuyết và phương pháp số mô tả quá trình cung cấp, hình thành hỗn hợp đồng nhất và cháy trong buồng cháy thể tích không đổi CVCC, làm cơ sở khoa học để mô phỏng và phân tích chế độ cháy HCCI.
  2. Xác lập được điều kiện nhiệt độ, áp suất và nồng độ ôxy của môi chất trong buồng cháy thể tích không đổi bằng phản ứng cháy mồi $\text{C}_2\text{H}_2$, tạo môi trường tương đương điều kiện điểm chết trên (TDC) của động cơ đốt trong thực tế.
  3. Làm sáng tỏ quy luật hóa lý và động học phản ứng cháy của nhiên liệu diesel ($\text{B0}$) và diesel sinh học ($\text{B10}$) trong hai trường hợp: hòa trộn trước thời điểm cháy mồi (hình thành HCCI đồng nhất hoàn toàn) và hòa trộn sau thời điểm cháy mồi.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kỹ thuật

  1. Tính toán, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống buồng cháy thể tích không đổi CVCC đầu tiên tại Việt Nam, tích hợp đồng bộ vòi phun Common Rail áp suất cao ($1500\text{ bar}$), cửa sổ quan sát quang học thạch anh, hệ thống sấy, quạt hòa trộn cưỡng bức và hệ thống điều khiển tự động bằng vi điều khiển Arduino kết nối máy tính qua LabView.
  2. Thiết lập thành công quá trình cháy tiệm cận nguyên lý HCCI trên thiết bị thực nghiệm đối với nhiên liệu diesel $\text{B0}$ và diesel sinh học $\text{B10}$, khẳng định tính khả thi của việc sử dụng nhiên liệu sinh học cho chế độ cháy HCCI.
  3. Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm về quy luật biến thiên áp suất buồng cháy, tốc độ tăng áp ($dP/dt$), tốc độ tỏa nhiệt (HRR) và hình ảnh quang học quá trình lan truyền màng lửa dưới các điều kiện nồng độ ôxy và nhiệt độ khác nhau.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng quy trình điều khiển thời điểm phun, áp suất phun cao ($1500\text{ bar}$) và kiểm soát nồng độ ôxy thông qua luân hồi khí thải (EGR) để định hướng chuyển đổi chế độ cháy HCCI trên động cơ diesel nhiều xylanh thực tế.
  • Khuyến nghị sử dụng nhiên liệu diesel sinh học pha trộn tỉ lệ thấp ($\text{B10}$) trên các động cơ ứng dụng HCCI nhằm hỗ trợ quá trình tự bốc cháy và giảm thiểu phát thải bồ hóng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu thực hiện trên buồng cháy thể tích cố định, do đó chưa mô phỏng được chuyển động tịnh tiến biến thiên thể tích của piston cũng như các hiện tượng xoáy lốc nạp thực tế trong buồng cháy động cơ tịnh tiến.
  • Phạm vi thực nghiệm giới hạn ở hai loại nhiên liệu là diesel truyền thống ($\text{B0}$) và hỗn hợp diesel sinh học $10%$ thể tích ($\text{B10}$).
  • Hệ thống thực nghiệm CVCC được kiểm nghiệm độ bền và thử nghiệm quá trình cháy ở dải áp suất tối đa đạt $80\text{ bar}$.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống CVCC với các loại nhiên liệu sinh học thay thế khác như diesel sinh học nồng độ cao ($\text{B20}, \text{B100}$), các loại cồn sinh học (ethanol, butanol) và các chế độ hỗn hợp lưỡng nhiên liệu (dual-fuel).
  2. Tích hợp thêm các cảm biến đo quang phổ và hệ thống phân tích khí xả chuyên dụng để định lượng trực tiếp nồng độ phát thải $\text{NO}_x$, PM, CO và HC sau phản ứng cháy trong CVCC.
  3. Ứng dụng các thông số tối ưu về nhiệt độ, áp suất và quy luật phun nhiên liệu xác lập được từ CVCC để thử nghiệm chuyển đổi và điều khiển chế độ cháy HCCI trên động cơ diesel thực tế trên băng thử động lực học.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Nhiệt và Động cơ đốt trong.
  • Giảng viên và nhà khoa học tại các trường đại học khối kỹ thuật và viện nghiên cứu chuyên ngành động cơ, nhiên liệu và năng lượng tái tạo.
  • Kỹ sư R&D và chuyên gia kỹ thuật trong lĩnh vực phát triển hệ thống nhiên liệu ô tô, kiểm soát phát thải và thử nghiệm nhiên liệu sinh học.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Quy trình tính toán thiết kế cơ khí buồng CVCC (Chương 3): Cung cấp phương pháp tính toán sức bền thân trụ, mặt bích, kính quang học và thuật toán điều khiển tự động hóa bằng Arduino/LabView phục vụ việc chế tạo thiết bị thử nghiệm tương tự.
  • Phương pháp mô phỏng CFD 3D (Chương 4): Là tài liệu tham khảo giá trị về thiết lập điều kiện biên, mô hình chia lưới mịn ($4{,}74\text{ triệu phần tử}$) và mô phỏng phản ứng cháy pha khí kết hợp tia phun sương áp suất cao.
  • Dữ liệu thực nghiệm đặc tính cháy HCCI (Chương 5): Bộ đồ thị áp suất, tốc độ tỏa nhiệt và ảnh chụp quang học màng lửa của nhiên liệu $\text{B0}$ và $\text{B10}$ cung cấp cơ sở dữ liệu đối chứng cho các nghiên cứu về cháy do nén hỗn hợp đồng nhất.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiên liệu mồi nào được tác giả lựa chọn để tạo áp suất và nhiệt độ ban đầu trong CVCC và tại sao?

Tác giả lựa chọn khí axetilen ($\text{C}_2\text{H}_2$) làm nhiên liệu cháy mồi kết hợp với $\text{O}_2$ và $\text{N}_2$. Lý do lựa chọn là phản ứng cháy của $\text{C}_2\text{H}_2$ có tính tỏa nhiệt cao (nhiệt độ ngọn lửa lý thuyết lên tới $3150^\circ\text{C}$), phản ứng nhanh, ít tạo chất độc hại cho con người, dễ định lượng để tạo dải áp suất và nhiệt độ cao giả lập điều kiện môi chất tại thời điểm cuối quá trình nén (TDC) trong động cơ diesel.

2. Hai phương pháp hình thành hỗn hợp được nghiên cứu trong CVCC khác nhau như thế nào?

  • Phương pháp hòa trộn trước thời điểm CNLM: Nhiên liệu được phun vào buồng cháy sấy nóng và hòa trộn đều với hỗn hợp khí ($\text{C}_2\text{H}_2, \text{O}_2, \text{N}_2$) nhờ quạt hòa trộn trước khi đánh lửa. Khi bugi kích hoạt, phản ứng cháy mồi làm hỗn hợp đồng nhất tự bốc cháy đồng loạt trên toàn thể tích (chế độ HCCI thuần túy).
  • Phương pháp hòa trộn sau thời điểm CNLM: Khí mồi được đốt cháy trước để nâng áp suất và nhiệt độ buồng cháy lên cực đại. Khi áp suất và nhiệt độ hạ xuống mức cài đặt, nhiên liệu mới được phun vào qua hệ thống Common Rail để tự bốc cháy trong môi trường nhiệt độ cao.

3. Buồng cháy CVCC được tính toán, thiết kế bằng vật liệu gì và khả năng chịu tải ra sao?

Thân buồng cháy hình trụ được chế tạo từ thép S45C nguyên khối; cửa sổ quan sát quang học sử dụng tinh thể thạch anh trong suốt; hệ thống liên kết sử dụng bulông M10 cường độ cao. Kết cấu được kiểm nghiệm bằng mô phỏng số chịu được áp suất tính toán từ $80\text{ bar}$ đến $100\text{ bar}$, nhiệt độ tức thời lên tới $1000^\circ\text{C}$ và đã vận hành an toàn trong thực nghiệm ở áp suất $80\text{ bar}$.

4. Quy mô lưới tính toán và công cụ điều khiển thực nghiệm trong luận án được thiết lập như thế nào?

  • Quy mô mô phỏng CFD: Mô hình sử dụng lưới tính toán 3D với tổng số $4.740.722$ ô lưới, $14.157.523$ mặt và $4.859.160$ điểm nút, được làm mịn tại vùng van nạp/xả và tia phun.
  • Công cụ điều khiển thực nghiệm: Sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Nano kết nối máy tính qua phần mềm giao diện LabView để lập trình điều khiển đồng bộ quá trình nạp khí, đánh lửa bugi, kích xung vòi phun Common Rail và thu thập tín hiệu cảm biến áp suất.

5. Áp suất phun nhiên liệu và các loại nhiên liệu được thử nghiệm trong luận án là gì?

Luận án thực hiện nghiên cứu thực nghiệm với hai loại nhiên liệu là diesel truyền thống ($\text{B0}$) và diesel sinh học pha trộn 10% thể tích ($\text{B10}$). Nhiên liệu được cấp qua hệ thống tích áp Common Rail và phun trực tiếp vào buồng cháy ở áp suất phun $1500\text{ bar}$.

Kết luận

Luận án của NCS. Nguyễn Phi Trường đã tính toán thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống buồng cháy thể tích không đổi CVCC đầu tiên tại Việt Nam, tích hợp hệ thống phun Common Rail $1500\text{ bar}$, điều khiển tự động Arduino/LabView và cửa sổ quang học thạch anh. Bằng phương pháp kết hợp mô phỏng số CFD (với lưới hơn $4{,}74\text{ triệu phần tử}$) và thực nghiệm chuyên sâu, tác giả đã thiết lập thành công quá trình cháy HCCI cho nhiên liệu diesel $\text{B0}$ và biodiesel $\text{B10}$ thông qua cơ chế kích nhiệt từ phản ứng cháy mồi $\text{C}_2\text{H}_2$. Kết quả nghiên cứu làm sáng tỏ ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, nồng độ ôxy tự do và phương pháp hòa trộn đến diễn biến áp suất, tốc độ tăng áp và tốc độ tỏa nhiệt, tạo tiền đề khoa học và kỹ thuật quan trọng cho việc nghiên cứu ứng dụng chế độ cháy HCCI trên động cơ thực tế.