CHƯƠNG 1 PAGE 58 Quá trình cháy trongQUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIEZEN COMBUSTION IN COMPRESSION CHƯƠNG 1 PAGE 58 Quá trình cháy trongQUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIEZEN COMBUSTION IN COMPRESSION IGNITION ENGINES 2 1 Khái quát về quá trình cháy trong động cơ.
Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIEZEN COMBUSTION IN COMPRESSION- IGNITION ENGINES 2.1 Khái quát trình cháy động Diezen- Essential features of process Khác với động xăng, trình cháy động Diezen diễn hỗn hợp không đồng Nhiên liệu cao áp phun vào buồng cháy động vào cuối kỳ nén, trước thời điểm bắt đầu trình cháy theo dự kiến Nhiên liệu lỏng khỏi vòi phun với tốc độ cao sau xé tơi thành hạt nhỏ xuyên sâu vào khối khí nóng buồng cháy động Nhờ kích thước hạt bé, nhiên liệu bốc nhanh chóng hồ trộn với khơng khí nóng xi lanh Vì áp suất nhiêt độ buồng cháy thời điểm cao điều kiện tự cháy nhiên liệu nên bốc cháy phận hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí hồ trộn tốt diễn sau giai đoạn cháy trễ (khoảng vài độ góc quay trục khuỷu) Sự cháy diễn làm áp suất xi-lanh gia tăng, phận môi chất chưa bị nén mạnh, thời gian chuẩn bị cháy bị rút ngắn làm giảm thời gian cháy tổng cộng hỗn hợp Quá trình phun nhiên liệu tiếp tục toàn lượng nhiên liệu cần thiết cung cấo hết vào xi lanh động Sự xé nhỏ tia nhiên liệu, nhiên liệu bốc hơi, nhiên liệu hồ trộn với khơng khí bốc cháy tiếp tục diễn tồn nhiên liệu trải qua q trình Mặt khác, hồ trộn khơng khí cịn sót lại xi lanh với hỗn hợp cháy cháy tiếp tục suốt trình cháy giãn nở Sự mô tả khái quát cho thấy trình cháy động Diezen phức tạp Diễn biến chi tiết trình phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, dạng buồng cháy, hệ thống phun nhiên liệu điều kiên vận hành động Đó q trình cháy ba chiều, không đồng không liên tục Ngày số vấn đề thuộc trình cháy động Diezen hiểu biết cách khái quát, việc mơ tả định lượng nhiều q trình liên quan chưa biết kỹ Sau số đặc điểm quan trọng trình cháy động Diezen Vì phun nhiên liệu vào buồng cháy bắt đầu trước trình cháy diễn ra, khơng thể xảy kích nổ động xăng Tỉ số nén động Diezen chọn cao làm tăng hiệu suất động Vì thời điểm cháy khống chế thời điểm phun, thời kỳ cháy trễ lúc bắt đầu phun lúc bắt đầu cháy phải ngắn Thời gian tồn áp suất cực đại xi lanh phải ngắn để động chịu đựng tác dụng nhiệt Vì khả tự cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí phải nằm khoảng nhiệt độ vừa phải Điều đòi hỏi nhiên liệu dùng cho động Diezen phải có số cetan lớn thời gian định Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng Vì mơ-men động điều chỉnh theo lượng nhiên liệu phun vào cho chu trình, đường nạp khơng có tiết lưu, công bơm nhỏ nên hiệu suất giới động Diezen cao so với động xăng Khi nhiên liệu chu trình tăng dẫn đến hình thành lượng bồ hóng khơng cháy hết trước thải Chính lượng bồ hóng gây tượng nhả khói đen làm hạn chế khả nâng cao tỉ số nhiên liệu-khơng khí chế độ tồn tải Vì áp suất có ích trung bình động Diezen thấp so với động xăng tương đương.[Hence, the maximum indicate mean effective pressure (in a naturally aspirated engine) is lower than values for an equivalent spark-ignition engine] Vì động Diezen ln làm việc với tỷ lệ nhiên liệu-khơng khí trung bình bé (ở chế độ tải thấp hỗn hợp nghèo) nên giá trị thực ( -cp/cv) kỳ giãn nở cao động xăng Nhờ hiệu suất biến đổi nhiên liệu động Diezen cao động xăng ứng với tỉ số giãn nở cho trước.(This gives a higher fuel conversion effciency than the spark-ignition engine, for a give expansion ratio) Vấn đề thiết kế buồng cháy động Diezen bảo đảm tốc độ hoà trộn nhiên liệu khơng khí đủ lớn để q trình cháy xảy gần điểm chết Những phân tích chi tiết phần sau cho thấy động Diezen tốc độ cháy bị khống chế tốc độ hòa trộn hỗn hợp Động Diesel thực tế chế tạo với kích thước xi lanh thay đổi phạm vi rộng Đường kính xi lanh thay đổi từ 70 đến 900mm Tốc độ trung bình píttơng chế độ cơng suất cực đại xấp xỉ nhau, tốc độ quay cực đại động tỉ lệ nghịch với hành trình píttơng Đối với khoảng góc quay trục khuỷu cho trước dành cho trình cháy (khoảng 40 –50o để giữ cho hiệu suất biến đổi nhiên liệu lớn), thời gian dành cho trình cháy tỉ lệ với hành trình pít tơng Kết động Diezen cỡ nhỏ (đường kính xi lanh khoảng 70mm), thời gian dành cho hoà trộn nhiên liệu khơng khí giảm khoảng 10 lần động Diezen cỡ lớn (đường kính xi lanh khoảg 900mm) Tất phân tích cho thấy kết buồng cháy hệ thống phun nhiên liệu phải thay đổi cho phù hợp với phạm vi kích cỡ động Diezen, đặc biệt vận động dịng khơng khí tia nhiên liệu phải đảm bảo tốc độ hoà trộn tốt Khi kích thước động giảm cần phải gia tăng tốc độ vận động khơng khí buồng cháy Từ khái niệm ban đầu chúg ta giải thích thực tế tồn nhều kiểu loại buồng cháy hệ thống phun khác cỡ động Diezen thương mại 2.2 Các dạng buồng cháy động Diezen- Types of Diesel combustion systems Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng Buồng cháy độngc diesel nơi hịa khí hình thành bốc cháy, gây ảnh hưởng lớn tới tiêu: Công suất, hiệu suất, độ tin cậy động nhiễm mơi trường khí xả Đơng Diezen chia làm hai dạng phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy: - Động phun trực tiếp, nhiên liệu phun trực tiếp vào buồng cháy gồm không gian - Đông phun gián tiếp, buồng cháy chia thành hai không gian thông với hay nhiều lỗ nhỏ Nhiên liệu phun vào buồng cháy dự bị Hỗn hợp gồm khí cháy chưa cháy sau phun qua buồng cháy Động phun gián tiếp thường động Diezen cỡ nhỏ 2.2.1 Động phun trực tiếp (PTT):Direct- injection Systems Ở động cỡ lớn tốc độ thấp, tốc độ hồ trộn nhiên liệu-khơng khí không cần cao, người ta dùng hệ thống phun trực tiếp khơng xốy lốc (hình 3.1a) trường hợp này, động lượng lượng tia nhiên liệu đủ đảm bảo đạt phân bố nhiên liệu tốc độ hồ trộn thích hợp Việc tổ chức vận động thêm dịng khơng khí trở nên khơng cần thiết Buồng cháy động cỡ lớn thường có dạng kht lõm đỉnh pít-tơng sử dụng vòi phun nhiều lỗ đặt trục buồng cháy Hình 2.1 Sơ đồ buồng cháy thống (động PTT) a Buồng cháy khơng xốy lốc vịi phun nhiều lỗ động cỡ lớn b Buồng cháy xốy lốc hình chén với vịi phun nhiều lỗ c Buồng cháy xốy lốc hình chén với vịi phun lỗ Khi kích thước động giảm, để đảm bảo tốc độ hoà trộn cần thiết nhiên liệu khơng khí, chúg ta cần tăng động xốy lốc dịng khí buồng cháy Hình 2.1b c giới thiệu hai dạng buồng cháy động PTT có xốy lốc Buồng cháy 2.1b sử dụng vòi phun nhiều lỗ đặt tâm Mục tiêu loại buồng Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng cháy kiểu giảm tối thiểu lượng nhiên liệu lỏng bám vào thành; Buồng cháy hình 2.1c thường gọi buồng cháy kiểu M.A.N hay buồng cháy M Khác với trường hợp vừa nêu, trưòng hợp người ta sử dụng vòi phun lỗ hướng phun bố trí cho hầu hết nhiên liệu phun trải lên thành buồng cháy Hai dạng buồng cháy thường dùng cho động diezen cỡ trung (đường kính xi lanh từ 10-15cm) tăng cường thêm vận động xoáy lốc, chúng thể dùng cho động Diezen cỡ nhỏ (đường kính xi lanh từ 8-10cm) 2.2.2 Động phun gián tiếp (PGT)- Indirect- Injection Systems Sự tạo xoáy lốc vận động thân dịng khí nạp khơng đủ tạo tốc độ hịa trộn cần thiết khơng khí nhiên liệu động Diezen cao tốc cỡ nhỏ, chẳng hạn động diezen ô tô máy kéo Do cần pải sử dụng động phun gián tiếp dạng buồng cháy phân cách Có hai dạng buồng cháy phân cách: buồng cháy dự bị xoáy lốc buồng cháy dự bị rối mơ tả hình 2.2a 2.2b Trong q trình nén, khơng khí đẩy mạnh từ buồng cháy đỉnh pít-tơng vào buồng cháy dự bị thơng qua lỗ nhỏ Do hướng dịng khí bố trí tiếp tuyến với buồng cháy dự bị nên cường độ xốy lốc tăng lên mạnh Hình 2.2 Buồng cháy động PGT cỡ nhỏ a) Dự bị xoáy lốc b) Dự bị rối Nhiên liệu thường phun vào buồng cháy dự bị với áp suất phun thấp trường hợp buồng cháy PTT Quá trình cháy bắt đầu buồng cháy dự bị Do gia tăng áp suất buồng cháy này, môi chất bị đẩy mạnh vào buồng cháy tiếp tục hồ trộn với khơng khí lại Để giúp động khởi động dễ dàng trạng thái lạnh, người ta thường bố trí thêm nến điện sấy buồng cháy dự bị 2.2.3 Phạm vi sử dụng dạng buồng cháy- Comparison of Different Combustion Systems Trong trình phát triển động Diezen, người ta thử nghiệm nhiều dạng buồng cháy khác Tuy nhiên người ta giữ lại số kiểu buồng Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng cháy tốt dựa kết thực nghiệm hiểu biết tượng hố lý q trình cháy Những động Diezen tốc độ thấp, ví dụ động phát điện cỡ lớn hay động tàu thuỷ thường dùng buồng cháy thống khơng xốy lốc Sự phân bố nhiên liệu tốc độ hoà trộn nhiên liệu-khơng khí thực chủ yếu chuyển động tia nhiên liệu Những động thường động hai kỳ Động Diezen phun trực tiếp, tốc độ lớn kích thước nhỏ người ta thường dùng buồng cháy xoáy lốc để nâng cao tốc độ hồ trộn nhiên liệu-khơng khí Sự xốy lốc tạo chủ yếu nhờ hình dạng bố trí đường nạp thích hợp Mặt khác, xoáy lốc tăng cường thêm vào cuối kỳ nén khơng khí bị dồn mạnh vào buồng cháy 2.2.3.1Buồng cháy xốy lốc Tồn buồng cháy ngăn thành hai phần: buồng xốy lốc buồng cháy chính, hai phần nối với đường thông lớn Buồng cháy xốy lốc Ricardo dùng động ơtơ, có dạng hình chng, nối với đường cháy nhờ đường thơng tiếp tuyến Trong q trình nén mơi chất từ buồng cháy bị đẩy vào buồng xốy lốc tạo dịng xốy nén, mạnh Nhiên liệu phun vào hướng với dịng xốy lốc Các hạt nhiên liệu nhỏ, nhẹ vỏ tia bị theo dịng xốy lốc, sấy nóng, bay khơng khí nóng tạo hịa khí bốc cháy khu vực miệng đường thông Màng lửa chuyển động theo quỹ đạo lò xo xoắn cụp vào khu trung tâm buồng cháy Hịa khí chưa cháy nồng độ lớn bị đẩy xung quanh phun vào buồng cháy chính, tác dụng chênh áp tạo sau phần nhiên liệu cháy buồng xốy lốc Dịng chảy phun buồng cháy chính, tạo nên dịng xốy thứ hai đây, thúc đẩy hịa trộn nhiên liệu khơng khí để hình thành hịa khí bốc cháy buồng cháy Chênh áp buồng xốy lốc buồng cháy chính, sau cháy lên tới 0,1-0,2MPa Tốc độ cực đại dịng khí qua đường thơng lên tới 100-150 m/s 2.2.3.2Những đặc điểm buồng cháy xốy lốc Hình dạng buồng cháy xốy lốc khác nhau, nên cường độ xoáy lốc thời điểm cuối kỳ nén khơng giống Ba dạng buồng cháy hình cầu, hình đáy phẳng hình chng tạo nên tốc độ cuối kỳ nén mặt cắt A khác Buồng cháy dạng cầu có tốc độ tăng nhanh từ tâm buồng cháy đến r = 11mm, sau tốc độ giảm nhanh đến vị trí r = 15,5mm; buồng cháy dạng chng tốc độ dịng khí tăng theo bán kính r chậm nhất; sau r = 11mm tốc độ giảm chậm Nếu tốc độ dịng xốy lớn gây tổn thất lưu động lớn đặc biệt chạy tốc độ cao Vk Nếu giảm bớt tỉ lệ V (Vk – Dung tích buồng cháy xốy lốc ; Vc – Dung tích c buồng cháy động cơ) hình dạng buồng cháy trở thành yếu tố ngày quan trọng lúc cần tạo dịng xốy thứ hai buồng cháy Ở động diezen cao tốc cỡ nhỏ, người ta thường dùng dạng buồng cháy phân cách để tạo chuyển động khơng khí đủ mạnh, đảm bảo tốc độ hồ trộn nhiên liệu-khơng khí Q trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 2.3 Quá trình cháy động Diezen- Combustion Compression-Ignition engine Việc phân tích diễn biến áp suất xi lanh với ảnh chụp màng lửa buồng cháy phương pháp sử dụng rộng rãi ngày để mô tả trình cháy động Diezen Khái niệm tốc độ toả nhiệt đóng vai trị quan trọng nghiên cứu q trình cháy Đó tốc độ toả hóa nhiên liệu q trình cháy Tốc độ toả nhiệt tính từ đồ thị áp suất Mơ hình q trình cháy động Diezen chia làm bốn giai đoạn giai đoạn diễn biến trình khống chế tượng lý hố khác mơi chất Mặc dù hình dạng buồng cháy điều kiện vận hành có ảnh hưởng nhiều đến giai đoạn nói trên, nói chung, việc phân chia trình cháy làm giai đoạn phù hợp tất động Diezen 2.3.1 Q trình cháy động PTT với vịi phun nhiều tiaCombustion in Direct- Ignition, Multispray Systems Hình 2.3 giới thiệu biến thiên áp suất xi lanh, độ nâng kim phun áp suất đường ống nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu kỳ nén giãn nở động Diezen PTT Vòi phun lỗ đặt đường tâm xi lanh phun nhiên liệu vào buồng cháy dạng đỉa đặt đỉnh pít-tơng Tốc độ nhiên liệu khỏi vịi phun tính tốn từ áp suất đường ống cao áp, áp suất xi lanh động cơ, hình dạng lỗ phun hành trình nâng kim phun Thời gian cháy trễ từ lúc bắt đầu phun tới lúc bắt đầu cháy o Áp suất xi lanh tăng nhanh chóng vài độ góc quay trục khuỷu, sau tằn chậm gần tởi đỉnh đường cong khoảng 5o sau điểm chết Quá trình phun tiếp tục sau trình cháy bắt đầu Tốc độ toả nhiệt nhận thí nghiệm thơng qua việc phân tích tốc độ phun nhiên liệu diễn biến áp suất trình bày hình 2.4 Tốc độ toả nhiệt tốc độ toả nhiệt thực Hình 2.3 Diễn biến áp suất buồng cháy p, độ nâng kim phun lN áp suất nhiên liệu đường ống cao áp pl theo góc quay trục khuỷu động Diesel PTT cỡ nhỏ Nó tổng độ gia tăng nội khí xi lanh cơng truyền cho pít-tơng, khác với nhiệt lượng toả trình cháy lượng tổn thất nhiệt truyền qua thành Ở độngcơ Diezen cỡ nhỏ, tổn thất này, chiếm khoảng 10-25% nhiệt lượng toả động cỡ lớn tổn thất thấp Theo định nghĩa đó, tốc độ toả nhiệt thực dùng tốc độ toả nhiệt trình cháy tổn thất nhiệt Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng bé Dạng đường cong toả nhiệt phổ biến động PTT chế độ tải trọng chế độ tốc độ Đường cong cho thấy nhiệt lượng toả không đáng kể từ lúc phun đến cuối khoảng kỳ nén ( Chủ yếu tổn thất nhiệt nhẹ truyền hiệt qua thành buồng cháy sấy nóng, bốc nhiên liệu) Trong q trình cháy, oxy hóa nhiên liệu chia thành giai đoạn khác Ở giai đoạn đầu, tốc độ cháy thường cao kéo dài khoản vài độ góc quay trục khuỷu Giai đoạn tương ứng với việc gia tăng nhanh chóng áp suất xi lanh Giai đoạn tương ứng với việc giảm đặng tốc độ toả nhiệt (đường cong toả nhiệt đạt đỉnh thứ hai thấp đỉnh thứ hình 2.4) Đây giai đoạn toả nhiệt kéo dài khoản 400 Bình thường khoản 80% lượng chứa nhên liệu giải phóng thành hai giai đoạn Giai đoạn tương ứng phần đuôi đồ thị toả nhiệt, kéo dài phần lớn kỳ giãn nở Lượng nhiệt toả giai đoạn khoảng 20% nhiên liệu mang vào Hình 2.4 Biến thiên áp suất xi lanh p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ toả nhiệt thực Q n tính tốn từ p động Diezen phun trực tiếp, 1000 v/phút, thời điểm phun bình thường, áp suất có ích trung bình 620 kPa Cylinder pressure p, rate of fuel injection mf,and net heat-release rate Qn calculated from p for small DI diesel engine, 1000 rev/min, normal injection timing, bmep= 620 kPa Từ nghiên cứu đồ thị tốc độ phun tốc độ toả nhiệt (2.4) chế độ toả trọng, tốc độ thời điểm đánh lửa khác nhau, người ta rút nhận xét sau : - Thời gian tổng cộng trình cháy dài nhiều so với thời gian phun - Tốc độ cháy tuyệt đối tăng tỉ lệ với gia tăng tốc độ động cơ, giai đoạn cháy tính theo góc quay trục khuỷu khơng đổi - Độ lớn đỉnh đồ thị tốc độ cháy phụ thuộc vào thời kỳ cháy trễ Độ cao đỉnh lớn thời gian cháy trễ dài Những nhận xét kết hợp với hình ảnh chụp buồng cháy động cho phép đưa mơ hình q trình cháy động Diezen Hình 2.5 trình bày sơ đồ diễn biến tỉ lệ nhiên liệu phun vào xi lanh tỉ lệ nhiên liệu cháy Nhiên liệu phun vào buồng cháy phân chia thành nhiều phân tử nhỏ Phần nhiên liệu phun vào hịa trộn với khơng khí trở nên “ sẵn sàng bốc cháy” (nghĩa hỗn hợp nằm giới hạn bốc cháy) biểu diễn tam giác nằm gần trục hoành đồ thị tỉ lệ bốc cháy Những phần tử nhiên liệu khác hồ trộn với khơng khí theo kiểu người ta nhận giản đồ “sẵn sàng bốc cháy” tồn bộ, khép kín đường nét đức Diện tích tồn giản đồ diện tích tồn giản đồ tỉ lệ phun Tuy nhiên bốc cháy diễn Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng sau thời kỳ cháy trễ Ở điểm bắt đầu cháy, lượng nhiên liệu phun vào hoà trộn với khơng khí để đạt hỗn hợp nằm giới hạn cháy Hỗn hợp hoà trộn trước (giống hỗn hợp đồng động xăng), sau thời kỳ cháy trễ bốc cháy nhanh chóng tạo tốc độ cháy ban đầu cao biểu diễn hình vẽ Dạng đường cong toả nhiệt kiểu thường gặp động PTT không tăng áp Những hình ảnh chụp buồng cháy cho thấy tới lúc đường cong toả nhiệt đạt đỉnh cao, vùng màng lửa sóng xanh trơng thấy rõ q trình cháy khống chế phận nhiêu liệu “hoà trộn trước” Sau điểm cực đại lượng hỗn hợp hồ trộn trước giảm cịn lượng hỗn hợp chưa cháy hồ trộn gia tăng, cháy diễn dạng lửa khuyếch tán chảy rối với ánh sáng vàng nhạt hay màu cam diện các-bon Hình 2.5 Sơ đồ tương quan tỉ lệ nhiên liệu phun vào tỉ lệ nhiên liệu cháy (hay tỉ lệ toả nhiệt) Schematic of relationship between rate of fuel injection and rate of fuel burning or energy release Tóm lại, tồn q trình cháy động Diezen PTT chia làm giai đoạn hình 2.6: - Thời kỳ cháy trễ (ab) : giai đoạn từ lúc bắt đầu phun đến bắt đầu cháy (xác định nhờ thay đổi độ cong đồ thị p( ), nhờ cảm biến quan học) - Thời kỳ cháy nhanh hay thời cháy hỗn hợp đồng (bc): thời kỳ này, lượng nhiên liệu hoà trộn với khơng khí thời kỳ cháy trễ bốc cháy nhanh chóng vài độ góc quay trục khuỷu làm cho tỉ lệ toả nhiệt cao - Thời kỳ cháy khống chế tốc độ hoà trộn (cd): hỗn hợp nhiên liệukhơng khí hồ trộn trước cháy hết tốc độ cháy (hay tốc độ toả nhiệt) khống chế tốc độ hoà trộn nhiên liệu khơng khí thành phần hỗn hợp giới hạn bốc cháy Đường cong tỉ lệ toả Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng nhiệt xuất đỉnh thứ hai (thường thấp đỉnh thứ nhất) giai đoạn - thời kỳ cháy rớt (de): Sự toả nhiệt vơi tốc độ thấp kỳ giãn nở Sở dĩ alf lượng chứa phận nhiên liệu chưa cháy hết, muội than hay sản phẩm cháy hỗn hợp giàu tiếp tục toả 2.3.2 Quá trình cháy dạng buồng cháy khác -Application of Model to Other Combustion Systems Trong buồng cháy dạng M.A.n phun trực tiếp buồng cháy phân cách phun gián tiếp dạng đường cong toả nhiệt khác so với trường hợp buồng cháy thống khơng xốy lốc hay xoáy lốc nhẹ Với buồng cháy kiểu M.A.N, đỉnh thứ đường cong toả nhiệt khó nhận thấy (mặc dù lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy kỳ cháy trễ nhiều – in spite of the fact that a large fraction of the fuel is injected during the delay period), nhien tổng thời gian cháy giống Tốc độ chay ban đầu thấp giải thích vịi phun sử dụng có lỗ phun (một hay hai lỗ thay bốn lỗ hay nhiều hơn) hướng phun tia nhiên liệu tiếp tuyến với thành buồng cháy làm giảm đáng kể bề mặt hoà trộn tự Tuy nhiên sau bén lửa, tốc độ cháy gia tăng làm tăng tốc độ hồ trộn nhiên liệukhơng khí Điều lực li tâm gây dịng xốy Ban đầu, nhiên liệu tập trung gần thành buồng cháy hoà trộn bị cản trở ảnh hưởng lực ly tâm Thật vậy, nhiên liệu có khối lượng riêng lớn khơng khí nên có khuynh hướng lưu lại gần thành xuất bốc cháy Hỗn hợp cháy giãn nở nhiệt độ tăng làm giảm khối lượng riêng, nhiên liệu dịch chuyển nhanh chóng phía tâm buồng cháy Chính dịch chuyển hướng kính xác định tốc độ hồ trộn q trình Nhiệt lượng khơng khí nén truyền lớp nhiên liệu mỏng bám thành buồng cháy không gây gia tăng đáng kể tốc độ cháy Chỉ trình cháy bắt đầu nhiệt độ khí tốc độ truyền nhiệt đủ lớn để gây bốc nhiên liệu khỏi thành buồng cháy với tốc độ đáng kể Ở động phun gián tiếp có buồng cháy phân cách, khơng khí buồng cháy khơng hịa trộn với nhiên liệu, việc xác định tốc độ cháy khác biệt so với loại buồng cháy thống Trên đường cong tỉ lệ toả nhiệt không tồn đỉnh ban đầu trường hợp có động thống Do kích thước buồng cháy nhỏ, kết hợp với tốc độ xoáy lốc cao dịng khí buồng cháy trước phun nhiên liệu nên phận không đáng kể tia nhiên liệu tiếp xúc với buồng cháy Điều cần với việc giảm thời kỳ cháy trễ tỉ số nén cao động PGT dùng để giải thích tốc độ cháy ban đầu loại động thấp Trên sở nhận xét sau đây, người ta đề ba dạng q trình phun-hịa trộn-cháy động Diezen sau: Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 10 A Tia nhiên liệu xuyên qua buồng cháy với động đủ lớn, hòa trộn nhiên liệu-khơng khí tiến hành nhiên liệu phun vào buồng cháy bị ảnh hưởng trình cháy B Nhiên liệu tráng lên thành buồng cháy Trong thời kỳ trễ, hoà trộn không đáng kể bay bị hạn chế Sau bốc cháy, bay tăng nhanh tốc độ bay khống chế dịch chuyển khơng khí nóng lại gần thành buồng cháy; lực làm tăng tốc độ hòa trộn hướng kính Vì bốc cháy hỗn hợp bị lùi lại C Nhiên liệu phân bố gần thành buồng cháy: hòa trộn tiến hành thời kỳ cháy trễ, với tốc độ thấp chế A Sau bốc cháy, hòa trộn được gia tốc theo chế B Hình 2.7 : Sơ đồ đường cong phun nhiên liệu toả nhiệt loại động Diezen không tăng áp: (a) động PTT, vòi phun nhiều lỗ đặt đường tâm buồng cháy; (b) động PTT buồng cháy M.A.N nhiên liệu phun lên thành buồng cháy; (c) động PGT buồng cháy xốy lốc Hình 2.7 giới thiệu dạng đường cong tỏa nhiệt động PTT với vòi phun nhiều lỗ đặt đường tâm buồng cháy động buồng cháy M.A.N động PGT buồng cháy xoáy lốc Đối với động PTT vịi phun nhiều lỗ, q trình phun-hịa trộn-cháy khống chế chế A (hình 2.7a) Đối với động PTT với tia phun tiếp tuyến với buồng cháy, chế B C chiếm ưu (hình 2.7b), hịa trộn chậm làm giới hạn tốc độ cháy ban đầu Đối với động PGT buồng cháy xoáy lốc, thời kỳ cháy trễ rút ngắn với q trình hịa trộn theo chế C thời kỳ làm tăng tốc độ cháy (hình 2.7c) 3.4 Phân tích áp suất buồng cháy- Analysis of cylinder pressure data Cylinder pressure versus crank angle data over the compression and expansion strokes of the engine operatiing cycle can be used to obtain quantitative information on the progress of combustion Phân tích áp suất xi lanh theo góc quay trục khuỷu cung cấp cho thông tin cần thiết diễn biến q trình cháy Phương pháp phân tích áp suất áp dụng cho động Diezen tương tự phương pháp áp dụng động xăng, nghĩa định luật nhiệt động học thứ áp đụng cho Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 44 2.2.4 Khái niệm màng lửa (Applications of the flamelet concept) Nguyên lý khái niệm màng lửa màng lửa khuếch tán rối gồm có tồn màng lửa khuếch tán mỏng nơi phản ứng diễn Trong [16] trạng thái màng lửa khuếch tán định dạng Hỗn hợp ban đầu không phản ứng đồng Sự chuển tiếp không đặn sau nổ Tình trạng cháy gần đặn Sự chuyển tiếp không đặn sau tắt Sự chuyển tiếp không đặn sau nổ lại Nếu người ta cho chuyển tiếp không đặn không thường xuyên, hai trạng thái đặn góp phần thống kê tồn mơ tả lửa khuếch tán rối Trạng thái không cháy độc lập st , trạng thái cháy phụ thuộc vào hai tham số, Z st Trong lĩnh vực dòng rối tham số phân chia thống kê Để dự đốn ảnh hưởng khơng cân màng lửa khuếch tán rối, cần để dự đoán hàm phân bố liên kết Z [16] tính chất hàm mật độ xác suất liên kế Z st thảo luận đề tài liên hệ đến mơ hình rối bán thực nghiệm kiểu k- vạch Ảnh hưởng dập tắt cục mà hướng dẫn phá vỡ bề mặt lửa có hệ quan trọng tính ổn định lửa khuếch tán rối Starner Bilger [20] đo tính dẫn miệng vịi lửa quét lửa khuếch tán có hướng thiết kế cách đặc biệt Họ tìm thấy tình trạng gián đoạn tính dẫn điểm phía bị gián đoạn bề mặt màng lửa phản ứng phía làm dập tắt lửa cục Likewise, Dibble [21], dùng C2 – phát huỳnh quang phân tán Rayleigh, theo dõi việc gia tăng vị trí màng lửa bị dập tắt lửa khuếch tán tia Mêtan rối làm gia tăng vận tốc tia thoát Trong tia lửa rối tỷ lệ tiêu hao vơ hướng giảm với khoảng cách từ miệng vịi phun Vì vậy, Nếu lửa cháy xa xi dịng tia (downstream), xác suất dập tắt màng lửa gia tăng với việc suy giảm khoảng cách từ miệng phun Nhưng lửa khơng vương tới nguồn cháy ngăn cản không bốc cháy Ngay lửa rối quét qua chưa cháy vùng không nổ màng lửa không liên quan đến màng lửa cháy Một nguyên lý mà giải thích trạng thái nguyên lý thấm qua (thẩm thấu) (percolation theory) [16] Thuyết thấm qua mơ tả tính dẫn mạng phân chia cách ngẫu nhiên Chẳng hạn, lỗ kim khoan cách ngẫu nhiên vào giấy Cacbon, chỗ ngưỡng, phía bên có khả dịng dẫn qua từ mặt tờ giấy đến tờ khác giảm đến Ở tương tự làm tan lửa, chỗ vị trí dập tắt màng lửa khuếch tán phù hợp với lỗ tờ giấy Cacbon phóng để ngưỡng thấm qua Trong xấp xỉ trước, giả sử khác không xác suất phân chia st thống kê độc lập Z st , việc giải phóng phù hợp vị trí dịng tia chỗ mà tỷ Q trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 45 lệ tiêu tán (tiêu thụ) vơ hướng giá trị dập tắt lớp q Dự đoán cung cấp điều cho việc thẩm tra lại khái niệm màng lửa Việc đo [22] ổn định cao vùng nhạt lửa (jet) khơng khí- mêtan với Nitơ thực Phân số hỗn hợp hóa Z st giữ khơng đổi hỗn hợp nghèo (nhạt) Thời gian lưu trú d/u0 cho độ nhạt, tỷ lệ với giá trị tương ứng q thu từ đánh giá kết lửa dòng ngược chảy tầng (lớp) Ishizuka Tsuji [23] Hình 2.2 q độ nhạt khác nhau, với thời gian lưu trú d/u0 vẽ độ phóng đại cao H, chia cho d Điều cho thấy tỷ lệ liệu lửa rối với tham số dập tắt màng lửa tầng (lớp) việc nhận (lift of) số liệu đến đường cong đơn giản (single curve) Dự đốn dựa mơ hình rối kiểu k- dùng thống kê độc lập Z st 2.2.5 Kết luận: Trong tóm tắc, khái niệm màng lửa cung cấp hữu ích để mơ tả ảnh hưỡng tính khơng cân q trình cháy hỗn hợp khơng hịa trộn trước Đó mở rộng trực tiếp mơ hình cân cục kết việc hình thành thống kê hai biến mà nhận từ chuyển đổi tọa độ đính kèm- lửa Nó xuất khơng công cụ triển vọng cho việc nghiên cứu vấn đề quan trọng ổn định lửa, mà cịn nghiên cứu việc hình thành bồ hóng NOx mà chưa khám phá (Norbert Peters) 2.4 ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH CHÁY : Mơ hình cháy đánh giá thường xuyên so sánh mô kết với thí nghiệm Thường Profiles nồng độ nhiệt độ dùng so sánh, tỷ lệ phản ứng cục đo cách trực tiếp Tuy nhiên, từ profile chúng ảnh hưỡng lớn đến mơ hình rối, điều khó mà đánh giá mơ hình cháy xác với phương pháp Vì vậy, điều mong muốn thu tỷ lệ phản ứng cục từ kết thực nghiệm dù việc so sánh với mơ khơng thay đổi Trạng thái giống đánh giá hệ số khuếch tán Trong thực nghiên cứu [34], từ quan điểm này, tỷ lệ phản ứng cục ảnh hưởng hệ số khếch tán cố đạt phép tính số dùng đo giá trị cho vận tốc dịng khí, nồng độ nhiệt độ Vậy thì, so sánh kết với trạng thái mô khơng thay đổi đánh giá mơ hình cho tỷ lệ phản ứng hệ số khuếch tán Tia lửa khuếch tán đồng trục hỗn hợp Hyđrô/ Nitơ dùng làm đối tượng để nghiên cứu 2.4.1 Tỷ lệ phản ứng cục ( Local reaction rate): Trong giả định ảnh hưởng hệ số khuếch tán D eff giống thành phần hóa học, phương trình bảo tồn kiểu parabolic viết cho ngun tố hyđrơ mà chất bảo tồn nghiêm ngặt (đúng) mà không giới hạn nguồn phương trình Phương trình (2.47) thu tích phân phương trình từ trục trung tâm đến đường Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng ~ r _ s ~ ~ mH U r m dr [ Deff r ] r rs H x r Ở đây, rs – UmH “~” “-“ 46 (2.47) Bán kính khoảng cách đường khí (line stream) Vận tốc dịng chảy theo phương x Phân tố khối lượng nguyên tố hyđrơ Trung bình Favre Quy ước trung bình thời gian Dùng ngun tố hyđrơ chất tìm vết (tracer), ảnh hưởng hệ số khuếch tán Deff tính tốn thay đổi giá trị đo vào phương trình (2.47) PT (2.48) có từ phương trình bảo tồn dạng hóa học i hồn tồn giống q trình xảy pt (2.47) ~ r r s _ s ~ ~ mi U r m i dr [ Deff r ] r rs Rrdr x r 0 (2.48) Tỷ lệ phản ứng cục Ri tính thay đổi D eff thu từ pt (2.47) giá trị đo đến pt (2.48) 2.4.2 Mơ hình: Các phương trình gồm có phương trình bảo tồn khối lượng trung bình Favre, động lượng vơ hướng đến lớp biên xấp xỉ thích ứng (áp dụng) Việc sửa mơ hình k- dùng mơ hình rối, gọi tượng phân lớp hóa (laminarization) cháy Mơ hình giải thích sau Phần (2.6) Mơ hình cháy dùng xấp xỉ bảo tồn vơ hướng, bước phản ứng khơng thuận nghịch với hóa học nhanh (diễn biến hóa lý xảy nhanh) cho hàm mật độ xác suất (p.d.f.) giới thiệu cho phân tố hỗn hợp f để làm tính tốn hịa trộn rối Phân phối Gaussian rút ngắn dùng p.d.f từ vị trí cục p.d.f rõ thời kỳ thay đổi f, ta thu từ việc giải phương trình vận chuyển chúng 2.4.3 Các kết đánh giá : Hình 2.4 2.5 bán kính profiles ảnh hưởng hệ số khuếch tán tích phân tỷ lệ phản ứng R rdr i cho mặt cắt (cross sections) Trong hình, (a) kết tính tốn với giá trị đo, mà gọi sau kết thực nghiệm, (b) kết mô Kết thực nghiệm hệ số khuếch tán tỷ lệ phản ứng chứng minh hợp lý, profile chúng tương ứng tốt với việc đo bán kính profile dao động vận tốc, nồng độ nhiệt độ Trong lúc ấy, so sánh (a) (b) hình, mơ tìm thấy kết thực nghiệm thật rõ ràng Ý nghĩa mơ hình cháy dùng xác mơ Điều kết luận nghiên cứu kỹ thuật phát triển đây, thu tỷ lệ phản ứng cục Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 47 với thí nghiệm tính số, cung cấp phương pháp tốt cho việc đánh giá mơ hình cháy (Yoshiaki Onuma) (a) Kết thực nghiệm (b) Kết mô Hình 2.4 Bán kính proflie ảnh hưởng khuếch tán (a) Kết thực nghiệm (b) Kết mơ Hình 2.5 Bán kính profile tích phân phản ứng 2.5 MƠ PHỎNG HÌNH THÀNH DỊNG XỐY VÀ Q TRÌNH HỊA TRỘN TRONG VỊI PHUN KHÍ (SIMULATION OF THE VORTEX GENERATION AND MIXING PROCESS IN GAS JETS) Trong trình cháy khác nơi tia nhiên liệu khí dùng, q trình cháy chi phối hòa trộn nhiên liệu bao quanh khơng khí rối dịng xốy sinh nhờ vòi phun (jets) Trong nghiên cứu này, tạo nên dịng xốy q trình hịa trộn tia khí nghiên cứu cách việc mơ số tác động tia khí chiều sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn bậc cao 2.5.1 Phân tích phương pháp số ( Method of numerical analysis) Đối với mơ việc hình thành dịng xoáy tia phun (jets) cần thiết cho việc giải phương trình Navier-Stokes (N-S) cách trực tiếp dùng phương pháp LES (Mơ xốy lốc lớn – Large Eddy Simulation) [36] Các phương pháp này, cần nhiều thời gian tính tốn Trở lại, phương pháp thực, sơ đồ sai phân bậc ba theo chiều gió áp dụng cho mục đích Trong nghiêm cứu này, sơ đồ UTOPIA ( Thuật toán nội suy đa thức bậc ba đồng dạng – Uniformly ThirdOrder Polynomial Interpolation Algorithm) [37] , mà số nhớt nhỏ dùng cho thời kỳ đối lưu phương trình N-S mà khơng có mơ hình rối Khí giả định chất lỏng không nén thuật hiệu chỉnh quan trắc [38] dùng cho tính tốn áp suất – vận tốc Để giải phương trình vận chuyển nồng độ nhiên liệu cách xác, phương pháp nội suy CIP ( Cubic- Interpolated Pseudo- Particle) [39] áp dụng Mơ hình tính đối lưu chất kiểu Lagran Vì thế, số khuếch tán đủ nhỏ lượng bồ hóng thấp/ cao nhỏ nhiều so với sơ đồ bậc cao thông thường Trong nghiên cứu này, nồng độ nhiên liệu c cho biết phân số khối lượng nhiên liệu phun, mà giả sử có đặc tính vật lý khơng khí bao quanh Q trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 48 2.5.2 Mô số: (a) Tia tự ổn định (A Steady free jet): Tia tự chiều đưa vận tốc không đổi (5m/s, 20m/s) từ khe hở ( bề rộng 10mm) thành tỉnh lặng khơng khí mơ Lưới tính tốn dùng 111x71 hình 2.6 (a) (b) cho thấy tính tốn dịng tia nồng độ c lúc xảy Điều quan sát cặp đối xứng xoáy lốc sinh kế tục vùng dòng ngược trải qua chuyển tiếp q độ đến dịng xốy Karman vùng xi dịng phân chia nồng độ ngoằn ngo theo vận động dịng xốy Rõ ràng, tia tình trạng bất định dịng xốy sinh giữ khơng đổi Kết tính tốn cho định tính với quan sát thực nghiệm Trong hình 2.6 (c) (d) cho thấy đường dịng tia nồng độ phân chia trung bình suốt 240 ms (vào khoảng 12000 lần bước), cách tương ứng theo hình Vận tốc trung bình thời gian u nồng độ c phân phối theo phương y (dòng cắt ngang) khoảng cách x= 150 mm từ tia hình 2.6 (e) (f), đây, bu bc 1/2 giá trị bề rộng vận tốc phân chia nồng mặt cắt u m cm giá trị max vận tốc nồng độ Trong hình 2.7 (a) – (d) thay đổi giá trị tính tốn b u, bc, u m cm với khoảng cách x so với công thức kinh nghiệm [40] (d= bề rộng tia Chỉ số tia ra) Hình 2.6 Các dòng tia phân chia nồng độ mặt phẳng, tia tự phát vận tốc khơng đổi Nó cho thấy giá trị trung bình thời gian tính phương pháp phù hợp tương đối tốt với đường cong thực nghiệm Như kết quả, tìm thấy phương pháp tính tốn mơ tốt xảy tức thời hai ý nghĩa trường vận tốc nồng độ tia phun Để tham khảo, giá trị tính toán b u , bc, u m cm phương pháp bảo tồn (phương pháp điều khiển thể tích với mơ hình rối k-) hình 2.7 (a), (d) Hình 2.7 So sánh kết tính tốn với công thức thực nghiệm tia tự chiều tạo vận tốc Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng không đổi (uo= 5m/s) 49 (b) Xung khởi động tia (An impulsively started jet) Tác động tia khí hai chiều mà xung khởi động từ khe hở ( rộng 5mm) thành bên khơng khí n tĩnh mơ Vận tốc phát gia tăng cách tuyến tính từ t=0 đến u 0= 50m/s t= ms giữ khơng đổi Lưới tính tốn dùng 100x85 Hình 2.8 cho thấy thời gian biến đổi vận tốc, nồng độ phân chia áp suất Được tìm thấy ban đầu cặp dịng xoáy lớn sinh đỉnh đầu tia phun sau chúng chia cặp thứ hai dịng xốy lốc lớn mà trở nên nhờ hợp theo xoáy nhỏ “2”, “3” “4” (xem chữ số dịng xốy) Cặp dồng xốy thứ hai “a” “b” ( xem thứ tự dịng xốy) với dịng xốy “c” dịng xốy khác “d” “e” bị lệch hướng từ tâm tia phun hướng đối diện Theo vận động xoáy, phân chia nồng độ thành đường gấp phức tạp (c) Tia phun va chạm thành (A jet impinging on a wall ) Tác động tia nhiên liệu hai chiều va chạm tường mơ Như hình 2.9, tia khởi động xung từ khẻ nhỏ (rộng mm) bên khơng khí n tĩnh hai thành song song với điều kiện phát hình 2.8 Thời gian biến đổi vận tốc phân chia nồng độ trình bày hình 2.9 Được tìm thấy cặp dịng xốy ban đầu sinh đỉnh tia phát triển dọc theo tường sau va chạm, sau chúng cuộn trở lên để bao bọc lấy khơng khí xung quanh Hình 2.8 Vận tốc, độ cô đặc áp suất phân chia xung khởi động tia hai chiều (u = 50m/s) Hình 2.9 Vận tốc độ cô đặc (tập trung) phân chia tia hai chiều va chạm tường (u = 50m/s) Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 50 2.5.3 Kết luận: Bằng mô hai tính ổn định thời tia phun, biểu lộ cặp dịng xốy sinh cách vùng dòng tia số chúng phát triển lên phối hợp đường ngoằn ngoèo để tác động qua lại lẫn Như tác động dịng xốy vận chuyển q trình hịa trộn nhiên liệu phun khơng khí xung quanh (Yuzuru Shimamoto and Tomoyuki Wakisaka) 2.6 CHÁY PHÂN LỚP VÀ MƠ HÌNH (LAMINARIZATION DUE TO COMBUSTION AND ITS MODELING ) Hiện tượng phát triển vận động rối chặn lại xung quanh miệng vịi lửa khuếch tán biết đến thời gian dài phân lớp để cháy [8] Giả định theo kỹ thuật Tăng động lực nhớt để nhiệt độ tăng cao làm giảm rối cục số Reynold lửa Tính cân sinh tiêu tán rối tồn vùng số Reynold cao khơng trì khu vực số Reynold thấp tỷ lệ tiêu tán tỷ lệ sinh mà kết ngăn chặn rối Trong thực nghiên cứu, ảnh hưởng phân lớp cấu trúc màng lửa quan trọng cho việc giải thích cho thực nghiệm mơ hình đề tượng trưng cho tượng phân lớp 2.6.1 Cháy Phân lớp: (Laminarization due to combustiom) Thí nghiệm bố trí lửa khuếch tán đồng trục mà hỗn hợp Hyđrô/Nitơ lên thẳng đứng song song với dịng khơng khí xung quanh Vận tốc dịng chảy, nồng độ nhiệt độ đo ba lửa số Reynold miệng vòi ứng với Re = 5000, 10000 15000 [41] Hình 2.1 (a) (b) cho thấy profile trung bình thời gian vận tốc U dao động vận tốc u’ dọc theo trục tia đối tương ứng chưa cháy cháy x – khoảng cách từ đầu vòi d – đường kính miệng vịi 6mm So với (a) (b) U, xem cháy tỷ lệ giảm trung bình thời gian vận tốc; vận tốc cao trì dịng xi chiều (downstream) lửa Trong dao động profile vân tốc, mặt dầu tia chưa cháy thực đỉnh gần miệng độ rối tiêu tán nhanh chóng sau đỉnh, độ rối bị chặn mạnh sau miệng thoát lửa đỉnh phóng xa dịng xi chiều q trình cháy Và tượng tồn vòi phun số Reynold cao Mặc dù thay đổi lớn trường dòng chảy q trình cháy quy cho giản nhiệt sức nổi, điều tìm thấy từ kết nghiên cứu thực nghiệm mà nguyên nhân đề cập phân lớp Nhiệt độ cao vùng rối thấp tồn vùng dòng tia chu vi tia lửa khuếch tán rối chặn Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 51 vùng phân lớp Sự chặn rối trì hoản phát triển dòng rối tia lửa so với phần chưa cháy Giảm độ rối chu vi giảm bán kính tỷ lệ khuếch tán tỷ lệ hịa trộn nhiên liệu oxy Điều có nghĩa phân lớp cho ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tia lửa khuếch tán 2.6.2 Tia lửa khuếch tán gồm phần (A Triple jet diffusion flames) [42] Có thể áp dụng mơ hình khác đến màng lửa khuếch tán rối thường khảo sát so sánh kết mô với thực nghiệm Ngọn lửa khuếch tán thường dùng cho phân tích sai số nhỏ nhất, hình dạng lớp biên chiều Sự phù hợp kết mô với thực nghiệm nhiều điều không tốt lửa khuếch tán vịi lạnh Nó lưu ý thành ngun nhân trái ngược mà, nguyên nhân hạn chế độ rối phân lớp đặc tính tia lửa khuếch tán, thơng thường mơ hình rối áp dụng đến khu vực rối cách đầy đủ, không đến độ rối thấp phân lớp (tầng) trình cháy Như trình bày trước, phân lớp xảy hầu hết chu vi, vùng liên kết rối nhỏ trở nên nóng cháy Lúc đồng trục gồm ba phần lửa khuếch tán khuôn dùng thiết bị cháy hình 2.11 Trong lửa này, từ khu vực rối rộng khuôn lớp trượt vận tốc dịng khơng khí thấp cao, tất trình cháy diễn phạm vi vùng rối tất khu vực nhiệt độ cao tồn dòng rối cao Như số Reynold rối cục giữ cao vùng nhiệt độ cao, ảnh hưởng phân lớp xem làm yếu lửa Sau thí nghiệm, mơ đặt dịng cháy dùng mơ hình k- mơ hình rối kết tính tốn so với kết thực nghiệm Phương trình dùng mơ hình bao gồm phương trình bảo tồn trung bình Favre khối lượng, động lượng vô hướng, tới gần lớp biên ứng dụng Mơ hình cháy dùng xấp xỉ vơ hướng bảo tồn Phần 2.4 Hình 2.12 cho thấy profile trung bình thời gian dao động vận tốc dọc theo trục tia q trình cháy khơng (chưa) cháy Hình (a) (b) kết thí nghiệm mơ tương ứng So sánh (a) (b), thấy kết tính tốn phù hợp với thực nghiệm lửa tia yếu Cũng phù hợp thu bán kính profile Như đề cập trước, mơ số dùng mơ hình k- khơng thực tốt đốn tia lửa khuếch tán đồng trục Trong tương phản này, phần tia lửa khuếch tán kết tính tốn phù hợp tốt với thực nghiệm Về mặt có nhiều đề nghị cho trường dòng cháy rối kiểu parabol đốn tốt thường dùng mơ hình k- trung bình Favre, khu vực dịng rối số Reynold thấy không thực trình cháy ảnh hưởng phân lớp yếu Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 52 Hình2.11 cháy phần tia lửa khuếch tán Hình 2.12 Các profile trục trung bình thời gian dao động vận tốc nhiệt độ phần tia lửa khuếch tán Hình 2.13 Mơ profile trung bình thời gian lượng động học rối tia lửa khuếch tán, từ [44] với cho phép 2.6.3 Mơ hình phân lớp –Modeling of the laminarization Nghiên cứu đưa mơ hình rối bắt đầu để miêu tả phân lớp đối tượng quan trọng mơ hình cháy rối Một mơ hình rối dùng cho lửa rối với phân lớp phải tương ứng với tác động rối dịng có số Reynold thấy số Reynold cao Như mơ hình đề xuất tương ứng dòng lớp biên thành với khu vực rối thấp [43] Vậy thì, Sự biến cải mơ hình k- gắng thử dựa mơ hình Phương trình mơ hình cháy dùng giống đề cập Mơ hình sửa đổi k- miêu tả phương trình (2.49)- (2.53) dùng mơ hình rối ~ t k k ~ k U U V ) r ( ) t ( x r r r k r r ~ (2.49) ~ t ~ U 2 U V ) C f r ( ) C t ( x r r r r k r k k2 t C f ~ (2.50) (2.51) f f2 số thực nghiệm f f 1 mơ hình k- thường dạng hàm định pt (2.52) pt(2.53) nhờ máy tính mơ số tia khơng khí nóng [44] f 1 0.6 exp{ ( Rt / 250) } (2.52) f 1 0.05 exp{ ( Rt / 1000) } (2.53) Rt – Số Reynold rối cục bộ, tính từ Rt k / Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 53 Hình 2.13 cho thấy kết mơ tương ứng với thực nghiệm biểu thị hình 2.10 (b) Hình (a) (b) tính tốn dùng mơ hình k- thường mơ hình k- sửa đổi, cách tương ứng So với hai mô thực nghiệm, điều tìm thấy đốn chứng minh tính tốn phân lớp với hàm sửa đổi Giống ảnh hưởng nói bán kính profile Các kết đề nghị quan tâm phân lớp trình cháy quan trọng mơ hình trường dịng cháy rối (Yoshiaki Onuma) 2.7 MƠ PHỎNG HỊA TRỘN VÀ CHÁY TRONG NGỌN LỬA XOÁY – SIMULATION OF MIXING AND COMBUSTION IN SWIRLING FLAMES Ngọn lửa xoáy rối thường bắt gặp lò luyện mỏ đốt (combustor) Dịng xốy dùng làm ổn định lửa xốy tạo q trình cháy nhanh Máy đếm (counter) ảnh hưởng xốy, nhiên có báo cáo nghiên cứu lửa xoáy rối thực ống tròn [45] Hòa trộn rối làm chậm trễ lửa bị kéo dài dịng xốy đưa vào khơng khí bao quanh ống giới hạn Để hiểu ảnh hưởng xoáy vận chuyển rối gây tác động qua lại độ rối, xoáy gây gradient áp suất mật độ không đồng yếu tố cần thiết (essential) để điều khiển hòa trộn cháy xốy lốc Sự tính tốn số trước dịng xốy rối khơng phản ứng cho thấy mơ hình phương trình k- sai để đốn đặc trưng dịng xốy hòa trộn mà tượng phân lớp hòa trộn trễ hỗn hợp xốy, mơ hình phương trình ứng suất/ thơng lượng đốn tốt đặc tính chúng [46] [47] Mật độ khơng đồng xảy q trình cháy hịa trộn chất lỏng có tỷ trọng khác Các mơ hình rối với mật độ thay đổi q trình cháy đưa quan điểm Jones [48], Janicka [49] thực mơ hình Ứng suất Reynold cho đoán lửa khuếch tán rối Đây khơng có báo cáo, nhiên, dịng xốy rối hòa trộn hỗn hợp ý tới ảnh hưởng ý nghĩa mật độ tính khơng đồng dạng Trong phần này, mơ số phân tích để tìm ảnh hưởng dịng xốy mật độ khơng đồng dạng hịa trộn rối mà khơng cháy Việc tính tốn dựa vào phương trình truyền đạt phương trình Ứng suất/ Thơng lượng lấy dao động mật độ (tỷ trọng) vào để tính tốn Điều biểu thị trình tương tác dao động mật độ xốy lốc –sinh gradient áp suất có ảnh hưởng lớn hòa trộn rối Làm sáng tỏ chậm trễ hòa trộn hỗn hợp cháy nhờ có xốy lốc minh họa 2.7.1 Cơng thức: Q trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 54 Vận tốc cục nồng độ mẫu khí ước tính từ phương trình bảo tồn khối lượng, động lượng thành phần khí phương trình vận chuyển thông lượng rối mật độ tải trọng trung bình Favre ( khối lượng trọng lực- mas weighted) dạng hệ tọa độ trụ đối xứng Theo xem xét có vùng khơng hồi lưu xốy lốc điều kiện nơi dịng xốy xuyên thẳng quanh ống mà không giản nở chiều dài xốy khơng lớn lắm, lớp biên gần hợp lệ Phương trình bảo tồn là: ~ ~ (r U ) (r V ) 0 x r ~ (2.54) ~ U ~ U P (U V ) (r u ' ' ' ' ) g x r x r r ~ ~ ~ ~ ~ W ~ W V W (U V ) (r ' ' w' ' ) x r r r r P ~ 1/ ~ ~ 1/ ~ 1/ v (W w v ) r r r ~ ~ ~ (U M j x (2.55) (2.56) (2.57) ~ ~ V M j r ) (r ' ' m j ' ' ) R j r r (2.58) Ở đây: x: Tọa độ trục r: Tọa độ theo phương hướng kính // : Chỉ dao động với liên hệ lượng trung bình Favre u ' ' , ' ' w' ' Dao động thành phần vận tốc với liên hệ trung bình Favre trục, xuyên tâm tiếp tuyến vận tốc U, V W tương ứng m 'j' Dao động thành phần nồng độ với liên hệ thành phần nồng độ khí trung bình Favre: Mj ~ - : Chỉ quy ước trung bình Favre tương ứng : Tỷ trọng (mật độ) chất lỏng P: áp suất Rj: Tỷ lệ phản ứng thành phần j Như phương trình bảo toàn lượng M j mj thay Enthalpy h Rj đặt Đối với phương trình bảo tồn phân số hỗn hợp F mà cho biết phân tố khối lượng miệng vòi chất lỏng giảm trước phản ứng M j mj thay F f cách tương ứng, Rj = Động lượng vô hướng chuyển động rối tương ứng tương quan hai dao động vận tốc dao động vận tốc thành phần nồng độ khí pt( 2.55) – (2.58) tính từ phương trình ứng suất/ thơng lượng mơ hình dạng trung bình Favre Trong thực tính tốn, phương trình vận chuyển ứng suất rối thơng lượng mơ hình hóa theo Launder, Reece Rodi [50] tỷ lệ sức căng áp suất Daly Harlow[51] thời kỳ khuếch tán phương trình chuyển vận ứng suất Launder [52] thời kỳ dao động áp suất thời kỳ khuếch tán phương trình vận chuyển thơng lượng- vơ hướng Thời kỳ thiết lập mơ hình dạng trung bình tỷ trọng- khơng trọng lực viết lại thời kỳ mật độ - trọng lực Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 55 Phương trình vận chuyển v' ' f ' ' hệ tọa độ trục đối xứng với xấp xỉ lớp biên (lớp biên gần) sau: (2.59) Điều kiện 1-3 pt (2.59) rõ Pv' ' f ' '1, Pv' ' f ' '2 Pv' ' f ' '3 điều kiện trình bày phương trình vận chuyển v' ' f ' ' f ' ' ước tính từ phương trình vận chuyển [48] Hằng số kinh nghiệm pt (2.59) lấy theo Launder [52] Để tính tốn lửa, tiêu tán cân dùng phản ứng đến cân sớm tốt nhiên liệu ô xy hịa trộn trạng thái hóa hỗn hợp xác định điều kiện phân tố hỗn hợp F 2.7.2 Phân tích bàn luận Tác giả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng xoáy dòng rối, hòa trộn cháy ống [45] Xốy rối dịng khơng khí khơng xốy cung cấp vào ống có đường kính 60mm nhiên liệu thể khí ( hỗn hợp C 3H3 H2 tỷ lệ thể tích 1:1) đưa từ miệng ống tròn lắp đặt đồng trục trục trung tâm Tính tốn vận tốc trục U vận tốc tiếp tuyến W lửa xoáy cách dùng phương pháp chứng minh để đốn tốt thực nghiệm Trên hình 2.14 thực nghiệm tính tốn phân tố hỗn hợp F dọc theo trục tâm so với lửa xốy khơng xốy X – khoảng cách từ đầu miệng vịi Phân tố hỗn hợp thực nghiệm dịng xốy cao so với dịng khơng xốy vùng dịng tia Nó cho biết hịa trộn rối bị chậm trễ xốy Tính tốn đốn chậm trễ hịa trộn xốy Hình 2.15 minh họa q trình xúc tiến kìm chế hịa trộn rối lửa xoáy dựa vào việc ước tính điều kiện trình bày (production term) phương trình vận chuyển pt(2.59) v' ' f ' ' Có điều kiện trình bày pt (2.59) ~ Điều kiện Pv' ' f ' '1( v1 / F / r ) liên quan tới gradient hướng tâm F ý nghĩa đóng góp để tạo v' ' f ' ' Nó ảnh hưởng đến chiều hướng gradient khuếch tán ~ phương hướng tâm Điều kiện Pv' ' f ' '2(w' ' f ' 'W / r ) bao gồm thành phần vận tốc xoáy ~ W kết âm làm giảm lượng v' ' f ' ' ảnh hưởng làm hạn chế vận chuyển rối Điều '' P ) bao gồm gradient áp suất hướng kính P / r trở nên lớn kiện Pv' ' f ' '3( f ( r dịng xốy lực ly tâm Đó điều kiện kết âm (negative production term) ảnh hướng đến hạn chế hịa trộn rối khí cháy chiếm ưu phần tâm lửa xoáy Pv' ' f ' '3 gồm có điều kiện giao động mật độ gradient áp suất hướng kính xốy gây P / r Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng Hình 2.14 so sánh tính tốn thực ng 56 Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng 57 hiệm phân tố hỗn hợp dọc theo trục tâm Hình 2.15 Quá trình xúc tiến hạn chế hịa trộn dịng xốy 2.7.3 Kết luận (conclusions) Các nhân tố ảnh hưởng hòa trộn rối khảo sát lửa xốy lốc có mật độ thay đổi dựa tính tốn dùng phương trình vận chuyển ứng suất thơng lượng Tính tốn mơ hịa trộn trễ hỗn hợp rối nhờ có xốy dịng khí Sự hịa trộn trễ rối tạo hai sản phẩm xuất phương trình vận chuyển thơng lượng hướng kính phân tố hỗn hợp Một sản phẩm bao gồm vận tốc xốy dao động mật độ kéo theo thơng số khác gradient áp suất Cả hai làm ảnh hưởng hạn chế hòa trộn rối lửa xốy (Toshimi Takagi and Shuichirou Hirai) Q trình cháy động Diesel GVC.TS.Dương Việt Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Văn Ga, Quá trình cháy động đốt trong, NXB KHKT Bùi Văn Ga, Mơ hình hóa q trình cháy, NXB KHKT Nguyễn tất Tiến (2003), Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo dục John B Heywood, Internal Combustion Engine Fundamental, Copyright © 1988 by McGraw-Hill, Inc T Someya (Ed), Advanced Combustion Science SAE, Directi Injection SI Engine Technology, The Engineering Society For Advancing Mobility Land Sea Air and Space http://BBA-Reman.com, Common Rail Diesel Technology http:// www.GDI.com http://www.kfztech.de,Common Rail System(CR,CRE,CRI,CRS) 58 ... biến trình cháy Ph? ?ơng pháp phân tích áp suất áp dụng cho động Diezen t? ?ơng tự ph? ?ơng pháp áp dụng động xăng, nghĩa định luật nhiệt động học thứ áp đụng cho Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.D? ?ơng. .. phải ph? ?ơng trình (2 .18 ) giai đoạn Quá trình cháy động Diesel GVC.TS.D? ?ơng Việt Dũng 18 đầu q trình cháy, sai số gặp phải bỏ qua đại lượng cuối bên vế phải ph? ?ơng trình tính gần bằng: [V2/(V1 +V2)]... buồng cháy với cp, cv M số quan hệ p1V1 = m1RT1 p2V2 = m2RT2 dùng để khử m T đại lượng dU/dt, thực tế hs,f = dùng để viết ph? ?ơng trình (2 .13 ) (2 .14 ) dạng : dQ1 dV dp dm p1 V1 c p T2 ,1 dt