Nghiên cứu tổng quan về buồng cháy thể tích không đổi

 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 50.2019 70
KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ BUỒNG CHÁY THỂ TÍCH 
KHÔNG ĐỔI 
OVERVIEW OF CONSTANT VOLUME COMBUSTION CHAMBER 
Nguyễn Phi Trường1,2,*, Nguyễn Tuấn Nghĩa1, 
Trần Đăng Quốc2, Lê Anh Tuấn2 
TÓM TẮT 
Nhu cầu nâng cao hiệu suất, giảm ô nhiễm môi trường đối với động cơ nhiệt 
nói chung và động cơ đốt trong nói riêng đang là mối quan tâm rất lớn của các 
nhà khoa học trên thế giới. Giải pháp cơ bản đáp ứng được yêu cầu trên đó là 
nghiên cứu quá trình cháy ở một buồng cháy có thể tích không đổi (Constant 
volume combustion chamber - CVCC). Bài báo này đề cập đến việc mô phỏng chế 
tạo CVCC và những ứng dụng của buồng cháy thể tích không đổi đến việc nghiên 
cứu đối với những nhiên liệu khác nhau như: sử dụng nhiên liệu diesel, ethanol 
và diesel sinh học, xăng và n-butan, nhiên liệu công nghiệp CPG (Compressor 
Producer Gas), dầu cọ nguyên chất và dầu diesel, nhiên liệu ethanol trộn với 
xăng. Từ các kết quả đó có thể làm cơ sở để định hướng thiết kế mô phỏng cũng 
như chế tạo tại điều kiện ở Việt Nam. 
Từ khóa: CVCC, nhiên 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 Công nghiệp Hà Nội 
 2Trường Đại học Bách 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 cháy có thể tích không đổi (Constant volume 
combustion chamber - CVCC) là buồng cháy thông suốt và 
trong suốt, dễ dàng quan sát quá trình hình thành hỗn hợp 
và cháy của hỗn hợp không khí - nhiên liệu, dễ dàng điều 
khiển các thông số áp suất, nhiệt độ bên trong buồng cháy. 
Từ đó, dễ dàng điều chỉnh quá trình hình thành hỗn hợp và 
cháy của hỗn hợp để nâng cao hiệu suất và giảm khí thải 
độc hại ra ngoài môi trường. 
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống CVCC sẽ là bước đi 
đầu tiên hướng đến một thế hệ động cơ mới đạt được hiệu 
suất nhiệt cao và giảm tối thiểu khí thải độc hại đồng thời 
thỏa mãn được những tiêu chuẩn ngặt nghèo của khí thải. 
Hệ thống CVCC có thể thực hiện rất nhiều các nghiên 
cứu về cháy theo định hướng khác nhau đối với nhiên liệu 
cháy cưỡng bức và tự bốc cháy. Các định hướng nghiên cứu 
có thể kể đến như: tỷ lệ giữa nhiên liệu - không khí, điều 
kiện (nhiệt độ, áp suất, góc đánh lửa) để xảy ra phản ứng ô 
xi hóa nhiên liệu. Về cơ bản hệ thống CVCC được cấu 
thành gồm tối thiểu các bộ phận như hình 1 bao gồm: Bộ 
thu thập giữ liệu, nguồn cấp điện áp cao, bộ hòa trộn và 
cung cấp nhiên liệu, cụm thiết bị buồng cháy, cụm khuếch 
đại tín hiệu. Tuy nhiên, buồng cháy thể tích không đổi có 
thể thay đổi thiết kế tùy theo mục đích nghiên cứu và loại 
nhiên liệu sử dụng. 
Hình 1. Sơ đồ hệ thống CVCC 
2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BUỒNG CHÁY CVCC 
Alireza Hajialimohammadi và các cộng sự đã sử dụng 
phần mềm Ansys 12.0 để thiết kế một buồng cháy có thể 
tích không đổi với kích thước cụ thể của buồng cháy là 
Ø13cmxL13cm, đường kính và chiều dày của kính thạch 
anh quan sát lần lượt là 16cm và 8cm, vật liệu chế tạo thân 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 50.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 71
buồng cháy là thép không gỉ 316. Buồng cháy có thể chịu 
được áp suất lên đến 100 bar. Với hai cửa sổ này sẽ có một 
nguồn sáng laser chiếu qua kết hợp hệ thống camera đặc 
biệt để quan sát sự phát triển của màng lửa [1]. 
Sơ đồ của buồng cháy được thiết kế chế tạo và sau khi 
sản suất buồng cháy (hình 2). 
Hình 2. (a) Sơ đồ của vòi phun và vị trí bugi; (b) bản vẽ lắp của CVCC; (c) 
Buồng đốt thể tích không đổi sau khi chế tạo 
Quá trình đốt cháy diễn ra trong thời gian ngắn nên cửa 
sổ thạch anh và buồng cháy được xem xét để phân tích 
ứng suất, chuyển vị (bảng 1, 2). 
Bảng 1. Đặc tính của vật liệu làm kính quan sát 
Khối lượng riêng 2200 kg/m3 
Mô 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 giãn nở nhiệt 5,4.10-7 1/K 
Nhiệt dung riêng 700 J/K.kg 
Bảng 2. Ứng suất cực đại và chuyển vị lớn nhất của cửa sổ thạch anh trên cơ 
sở tiêu 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 tính được các thông số 
vật liệu của buồng cháy như: Ứng suất cực đại, chuyển vị 
lớn nhất, phân bố nhiệt trung bình trên CVCC (hình 3). 
Hình 3. a) Phân bố nhiệt độ trung bình; 
b) Ứng suất Von Mises của cửa sổ thạch anh có 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 áp suất cao và phun trực tiếp dạng khí với áp 
lực 100 bar. Kết quả kiểm tra hệ thống đạt yêu cầu chế tạo. 
Nó chứng minh rằng phương pháp phần tử hữu hạn thành 
công trong việc mô phỏng buồng cháy CVCC. 
Nhóm nghiên cứu của Prathan Srichai sử dụng phần 
mền mô phỏng Solidworks Simulation và CAE tiến hành 
phân tích, thiết kế và chế tạo CVCC có cửa sổ quang học 
được thiết kế với độ an toàn cao, hệ thống hòa trộn bên 
ngoài để giả lập thành không khí (hòa trộn hỗn hợp khí O2 
và N2) bao gồm: Common-rail, bộ điều chỉnh nhiệt độ và áp 
suất, hệ thống van an toàn, hệ thống phun khí C2H2 [2]. 
Sử dụng phần mền mô phỏng solidworks 2012 để mô 
phỏng điều kiện làm việc bên trong buồng trộn hỗn hợp và 
CVCC. Áp suất bên trong là 25 bar nhiệt độ bề mặt tiếp xúc 
là 13000C (Nhiệt độ bên trong của hỗn hợp khí). Các phần 
của buồng hòa trộn được liên kết với nhau bằng các 
bulông chịu lực. Vật liệu thép SS1035 được sử dụng để làm 
vật liệu chính chế tạo buồng hòa trộn với các thông số ứng 
suất uốn là 340MPa và ứng suất kéo là 620MPa. Bề dày của 
buồng là 14 mm (hình 4). 
Hình 4. (a) Hình dạng bên ngoài và bên trong của thiết bị hòa trộn nhiên 
liệu; (b) Hệ số an toàn của bể trộn; (c) Ứng suất Von mises của thiết bị hòa trộn 
Điều kiện biên mô phỏng được chọn lựa như trên thực 
tế, với cơ sở chia lưới là 4 mm. Áp suất hỗn hợp hòa trộn 
trước là 70 bar, lớn hơn áp suất tính toán. Trong khi mô 
phỏng, một số thành phần coi là cố định như bulông ở giữa 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 50.2019 72
KHOA HỌC
CVCC, giá đỡ quạt hòa trộn, cảm biến áp suất phun và các 
van hút xả. Vật liệu chế tạo là thép carbon trung bình S45C 
với ứng suất uốn và ứng suất kéo lần lượt là 340MPa và 
602MPa (hình 5). Đường kính và độ dày của cửa sổ quang 
học khi mô phỏng là 100mm và 35mm với góc vát là 1mm. 
Với áp suất hỗn hợp bên trong là 70 bar thì buồng cháy CVCC 
được đảm bảo đủ bền. 
Hình 5. Hệ số an toàn của CVCC và ứng suất Von mises của CVCC 
 Kết quả xác định được độ dày tường, vật liệu, hình 
dạng và vị trí cho các công cụ thiết bị để chịu được áp lực 
cao trong buồng đốt và thiết bị hòa trộn. Xác định được 
giới hạn nghèo của hỗn hợp và ảnh hưởng của áp suất 
phun nhiên liệu đến khả năng bắt cháy của hỗn hợp là 
mạnh hơn so với hỗn hợp được hòa trộn sẵn từ bên ngoài ở 
cùng điều kiện nhiệt độ môi trường. 
3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BUỒNG CHÁY CVCC 
3.1. Nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu diesel, ethanol và 
diesel sinh học 
Ronnachart Munsin và nhóm nghiên cứu tiến hành 
nghiên cứu mô phỏng đối với ba loại nhiên liệu được hòa 
trộn từ bên ngoài: diesel, ethanol và diesel sinh học. Kết quả 
nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu làm cửa dẫn ánh sáng laser 
có thể chịu được áp suất cao, hình dạng buồng cháy thể tích 
không đổi phù hợp với thể tích buồng cháy động cơ tự bốc 
cháy có tỷ số nén thay đổi từ ε = 16 ÷ 28 [3]. Các nghiên cứu 
được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng ở điều kiện 
nhiệt độ thấp, áp suất nhiên liệu đã được phun vào buồng 
cháy với áp suất 35 Mpa. Kết quả cho thấy khi sử dụng hệ 
thống common-rail và buồng cháy thể tích không đổi (CVCC) 
sẽ đánh giá được ảnh hưởng của nhiệt độ nhiên liệu diesel 
đến đặc tính của hệ thống phun nhiên liệu và quá trình cháy 
ở điều kiện khởi động lạnh. Khi nhiệt độ nhiên liệu diesel ở 
điều kiện lạnh thì thời gian phun sẽ dài hơn so với khi nhiệt 
độ nhiên liệu diesel được sấy nóng lên, nguyên nhân làm 
cho thời gian phun kéo dài là do độ nhớt động học của 
nhiên liệu cao khi nhiệt độ giảm. 
3.2. Nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu xăng và n-butan 
Nghiên cứu của nhóm Choongsik Bae cũng được tiến 
hành đối với hỗn hợp nghèo với hai nhiên liệu xăng và n-
butan [4]. Điều kiện thí nghiệm để cháy ổn định đối với hai 
loại nhiên liệu xăng và n-butan được thiết lập khác nhau về 
góc đánh lửa, áp suất phun và thời gian phun. Kết quả 
nghiên cứu chỉ ra rằng không giống như xăng, n-butan lập 
tức bốc hơi ngay khi bắt đầu phun nhiên liệu và kết thúc 
bốc hơi khi kết thúc phun. So với xăng, cấu trúc của n-
butan đã bị bẻ gãy về phía đầu trục phun và sự bẻ gãy đó 
càng lớn khi áp suất phun được tăng lên. Phun nhiên liệu n-
butan cho thấy tỉ lệ bay hơi cao hơn vì áp suất hơi nước cao 
hơn, nhưng cấu trúc phun đã bị phân rã (hình 6). 
Hình 6. Hình ảnh tia phun của xăng và n-butan tại 280CAD bTDC [Pamb=1,1 
Mpa/Tamb=465 K] từ Mie-scattering và hình 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 chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 73
3.3. Nghiên cứu, sử dụng khí công nghiệp CPG 
(Compressor Producer Gas) 
Đặc tính cháy và tối ưu hóa CPG trong buồng cháy thể 
tích không đổi được Z.A. Zainal và các cộng sự nghiên cứu 
và đánh giá [5]. MIF = 0 (tối thiểu); MIF = 25% (Trung bình) 
và MIF = 50% (Tối đa) như bảng 3, 4. 
Bảng 3. Thời gian phun yêu cầu đối với CNG, LPG và CPG khi MIF = 0% 
Tỉ lệ 
tương 
đương 
AFR Khối 
lượng 
nhiên 
liệu (mg) 
Khối 
lượng 
không 
khí (mg) 
Áp suất 
khí yêu 
cầu 
(kPa) 
Áp suất 
nhiên 
liệu yêu 
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 yêu cầu đối với CNG, LPG và CPG khi MIF = 25% và 
50% 
Tỉ lệ 
tương 
đương 
AFR Khối 
lượng 
nhiên 
liệu (mg) 
Khối 
lượng 
không 
khí (mg) 
Áp suất 
khí yêu 
cầu 
(kPa) 
Áp suất 
CPG yêu 
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 
Phân tích phương sai được tiến hành với độ tin cậy của 
các giá trị thí nghiệm là 0,9775 và 0,9875, cho tốc độ lan 
tràn ngọn lửa và áp suất đỉnh tương ứng. Từ các thí 
nghiệm, tốc độ lan tràn của ngọn lửa và áp suất đỉnh của 
CPG tìm thấy là 3,15 m/s và 312,09 kPA tương ứng. Chúng 
thấp hơn so với xăng, LPG và CNG. Phân tích tối ưu hóa 
cho thấy áp suất đỉnh của CPG có thể so sánh với xăng và 
tốc độ của ngọn lửa đạt tối đa ở Ø = 1,1 và MIF = 35% 
(hình 7, 8). 
Hình 7. Hình ảnh cháy của Gasoline, CNG, LPG và CPG ở tỉ lệ tương đương là 
1,1 (ma = 385mg) và áp suất đỉnh của Gasoline, CNG, LPG và CPG ở tỉ lệ tương 
đương từ 0,8 đến 1,2 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 50.2019 74
KHOA HỌC
Hình 8. Tốc độ lan truyền màng lửa của (a) Gasoline, (b) CNG, (c) LPG và (d) 
CPG ở các tỉ lệ khác nhau từ 0,8 đến 1,2 
3.4. Nghiên cứu, sử dụng với dầu cọ nguyên chất và dầu 
diesel 
Nhóm Mr.Karn Romphol, Kanit Wattanavichien nghiên 
cứu về đặc tính phun và cháy của dầu cọ trong buồng cháy 
CVCC [6]. Với điều kiện thực nghiệm ổn định như áp suất 
khí quyển và trường hợp phun vào, ảnh hưởng của phần 
trăm dầu cọ nguyên chất với dầu diesel và áp suất phun 
vào buồng cháy và cấu trúc ngọn lửa đã được thí nghiệm 
sử dụng photo diode và ICCD camera. Nghiên cứu chỉ ra 
rằng, với tỉ lệ phần trăm cao của dầu cọ trong hỗn hợp thì 
thời gian cháy trễ ngắn hơn và thời kỳ cháy ngắn hơn so với 
nhiên liệu diesel. Vùng nhiệt độ cháy cao của dầu cọ là trên 
2400K vẫn nhỏ hơn của dầu diesel. Bồ hóng trong khí thải 
của dầu cọ nhiều hơn so với khí thải của nhiên liệu diesel và 
nó sẽ giảm khi tăng tỉ lệ % dầu cọ lên. Tuy nhiên, với 100% 
dầu cọ thì bồ hóng là rất nhỏ. 
3.5. Nghiên cứu sử dụng với nhiên liệu ethanol trộn với 
xăng 
Chinda Chareonphonphanich và Prathan Srichai tiến 
hành nghiên cứu quá trình cháy của ethanol trộn với xăng 
với các tỉ lệ khác nhau [7]. Từ xăng nguyên chất, E20, E85 và 
E100 (bảng 5). 
Bảng 5. Đặc điểm của xăng, ethanol và điều kiện thí nghiệm 
Đặc tính E0 
(Gasoline) 
E100 
(Ethanol) 
Trọng lượng 
phân tử 
114,8 46,07 
RVP (kPa) 62,6 16 Nhiên liệu E0, E20, E85 
và E100 
Giá trị nhiệt trị 
thấp (kJ/kg) 
44,000 26,900 Tỉ lệ tương 
đương 
0,8; 1,0; 1,2 
và 1,4 
Nhiệt hóa hơi 
(kJ/kg) 
305 840 Nhiệt độ thí 
nghiệm 
177 và 1970C 
Tỉ lệ A/F lý 
tưởng 
14,6 9 Áp suất thí 
nghiệm 
0,098 và 
0,147 MPa 
Hình ảnh ngọn lửa trong buồng cháy được ghi lại bằng 
công nghệ Schilienren với camera tốc độ cao. Kết quả thí 
nghiệm cho thấy. Phần trăm của ethanol lớn hơn cho tốc 
độ lan truyền nhanh hơn và áp suất cao hơn. Áp suất cháy 
của E100 là 0.873MPa lớn hơn so với E85, E20, E0. Độ trễ 
giảm hơn khi tăng tỉ lệ % của ethanol. Thời gian cháy của 
E100 là 13ms nhỏ hơn so với E85, E20 và E0. Thời gian cháy 
của hỗn hợp tương đương tỉ lệ 1,0 là thấp hơn so với tỉ lệ 
0,8, 1,2 và 1,4 (hình 9). 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 50.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 75
Hình 9. (a). Hình ảnh ngọn lửa lan tràn của nhiên liệu trong điều kiện áp 
suất 0,098Mpa, nhiệt độ 177 C0 tỉ lệ tương đương 1.0; (b). Hình ảnh ngọn lửa của 
mỗi nhiên liệu ở ø=1.0; (c). Hình ảnh ngọn lửa của mỗi nhiên liệu ở ø =1.2; (d). 
Hình ảnh ngọn lửa của mỗi nhiên liệu ở ø=1.4. 
4. KẾT LUẬN 
Sử dụng các phần mềm mô phỏng Solidworks 2012 và 
phần mền Ansys 12.0 có thể thiết kế và chế tạo thành công 
buồng cháy thể tích không đổi (CVCC), để phục vụ quá 
trình nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành hỗn hợp 
và cháy của các loại nhiên liệu trong động cơ đốt trong. 
Buồng cháy thể tích không đổi được sử dụng để nghiên 
cứu với nhiều loại nhiên liệu khác nhau như: Ảnh hưởng 
của nhiệt độ nhiên liệu diesel đến đặc tính của hệ thống 
phun nhiên liệu và quá trình cháy ở điều kiện khởi động 
lạnh. Nghiên cứ tia phun của xăng và n-butan. Đặc tính 
cháy và tối ưu hóa CPG. Nghiên cứu về đặc tính phun và 
cháy của dầu cọ. Nghiên cứu áp suất và thời gian cháy của 
nhiên liệu ethanol trộn với xăng với các tỉ lệ khác 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.