v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
2.2.3.1 Nguồn HC ban đầu
Nguồn HC ban đầu trong khí thể có thể chia thành hai nguồn chính: Nguồn HC từ nhiên liệu và nguồn HC từ hỗn hợp không khí và nhiên liệu.
a. Nguồn HC từ hỗn hợp không khí - nhiên liệu:
Nguồn HC này bao gồm HC không cháy từ các khe hẹp, từ các khu vực màng lửa bị dập tắt trên thành xylanh và do sự lọt khí tại cửa thải. Theo Hamrin và cộng sự [63] nguồn HC từ khe hẹp lớn hơn rất nhiều so với hai nguồn còn lại. Do vậy ta chỉ xét sự hình thành HC từ các khe hẹp, chủ yếu là khu vực giữa đầu piston và thành xylanh phía trên xéc măng thứ nhất.
Đặc điểm tạo thành HC từ các khe hẹp là, trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, môi chất trong quá trình nén là hỗn hợp của hơi nhiên liệu và không khí có áp suất cao, bị nén vào các khe hẹp nên ở quá trình cháy phần hỗn hợp này không cháy được. Ở hành trình giãn nở, áp suất giảm làm phần hỗn hợp ở các khe hẹp chứa HC giải phóng và hoà trộn với khí đã cháy trong xylanh.
Để tính toán nguồn HC giải phóng ra từ thể tích khe hẹp ở đầu piston ta có những giả thiết sau:
42
- Hỗn hợp khí đi vào và ra khỏi khe hẹp là khí lý tưởng với tỷ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và có thành phần giống như hỗn hợp khí với nhiên liệu ở hành trình nén.
- Áp suất trong khe hẹp bằng áp suất trong xylanh được tính từ mô hình nhiệt động.
- Hỗn hợp khí trong khe hẹp ở đầu piston được làm nguội đến nhiệt độ thành xylanh.
Khi đó lượng HC không cháy có thể được tính toán theo công thức sau: ( , )
cre cre gas cre gas cre
gas crevice cre w gas w P V M PV M V m RT QT v P T − = = = (2.74) Trong đó:
P: áp suất trong xylanh, Vcre: thể tích khe hẹp,
Mgas: khối lượng mol của hỗn hợp khí cháy; R: hằng số khí;
Tw: nhiệt độ xylanh;
vgas: thể tích riêng của khí không cháy trong khe hẹp tại áp suất p và nhiệt độ Tw.
Lưu lượng hỗn hợp khí và HC không cháy ra khỏi thể tích khe hẹp có thể viết dưới dạng sau:
1
.
gas crevice cre gas
w dm V M dp m dt RT d − = = (2.75)
Trong đó, là vận tốc góc của trục khuỷu.
Thể tích khe hẹp và nhiệt độ thành Tw được giả thiết là không đổi trong một chu trình động cơ. Tuy nhiên, trong quá trình quá độ (ví dụ, chạy ấm máy) thì thể tích của khe hẹp thay đổi do sự giãn nở nhiệt khác nhau giữa piston và xylanh. Nhiệt độ của piston tăng nhanh hơn so với nhiệt độ của thành xylanh trong thời gian chạy ấm máy. Điều này gây ra sự thay đổi thể tích khe hẹp ở đầu piston. Giả thiết sự giãn nở của xylanh và piston là hàm tuyến tính của nhiệt độ, đường kính của chúng sẽ là:
dpiston = dpiston, 0[1+piston(Tpiston - Tpiston, 0)] (2.76)
dliner = dliner, 0[1+ liner(Tliner – Tliner, 0)] (2.77)
Trong đó:
- là hệ số giãn nở nhiệt;
chỉ số 0 là giá trị ban đầu trước lúc khởi động động cơ.
Thể tích khe hẹp được giả thiết là tỷ lệ với hiệu số giữa đường kính của piston và xylanh, do vậy: ,0 ,0 ,0 liner piston cre cre liner piston d d V V d d − = − (2.78)
43
Như vậy theo phương trình (2.75) và (2.78), có thể tính được lưu lượng hỗn hợp chứa HC chưa cháy từ các khe hẹp đi vào xylanh ở một thời điểm bất kỳ sau khi quá trình cháy kết thúc. Từ đó có thể tính được lượng HC chưa cháy hoà trộn vào thể tích khí đã cháy trong xylanh.
b. Nguồn HC từ nhiên liệu:
Các hydrocacbon từ nguồn nhiên liệu bao gồm HC đến từ quá trình hấp thụ và giải phóng khỏi các lớp dầu bôi trơn, cặn và nhiên liệu lỏng trên thành xylanh. Tuy nhiên, hai nguồn sau nhỏ hơn nhiều so với nguồn HC từ lớp dầu bôi trơn trên thành buồng đốt, đặc biệt là trong giai đoạn khởi động động cơ [53]. Do đó, trong luận án chúng được bỏ qua để đơn giản hóa mô hình.
Cơ chế hình thành HC từ nguồn này là trong quá trình nén, một phần nhiên liệu bay hơi trong hỗn hợp được màng dầu bôi trơn hấp thụ theo định luật Henry. Sau đó ở hành trình giãn nở và hành trình thải khi áp suất trong xylanh giảm thì phần nhiên liệu hấp thụ này được giải phóng và hoà trộn với khí đã cháy [63, 64]. Một phần hơi nhiên liệu được ôxy hoá. Tuy nhiên phần nhiên liệu trong lớp biên hoà trộn với khí lạnh ở giai đoạn cuối của chu trình có thể ít bị ôxy hoá và được thải ra ngoài ở dạng HC.
Để tính toán lượng HC hấp thụ và giải phóng khỏi lớp dầu trên thành xylanh người ta có thể giả thiết như sau:
- Sự khuếch tán của nhiên liệu trong màng dầu là không đáng kể vì hằng số khuếch tán trong pha lỏng nhỏ hơn nhiều so với giá trị tương ứng trong pha khí.
- Dòng chảy của hỗn hợp khí qua màng dầu là không đáng kể, có thể bỏ qua. - Môi trường hộp cacte là ổn định trong suốt chu trình động cơ.
Lớp màng dầu bôi trơn được chia thành một số vùng nhỏ theo hướng trục xylanh như trên hình 2.4 và bề mặt biên giữa pha lỏng và khí của mỗi vùng được giả thiết là đồng nhất. Phần khối lượng nhiên liệu khuếch tán trong mỗi vùng có thể được xác định bởi phương trình khuếch tán như sau [64]:
2 2 f f Y Y D t z = (2.79) thành xylanh Vùng 1 Vùng 2 Vùng 3 Vùng 4 Vùng 5 Vùng 6 Lớp dầu bôi trơn 0 z
44
Trong đó:
f
Y là thành phần khối lượng của nhiên liệu trong lớp dầu, phụ thuộc vào Z và t tức Yf =Y Z tf ( ), . Tại bề mặt thành xylanh tiếp xúc với lớp dầu thì Z=0, và tại bề mặt lớp dầu tiếp xúc với môi chất thì Z = (bằng bề dầy màng dầu);
D- là hệ số khuếch tán.
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu:
(0, ) 0 f Y t z = (2.80) , ( , ) ( ) f f Y t =Y t (2.81) ( , 0) 0 f Y z = (2.82)
Trong đó: là độ dày của lớp dầu.
Nồng độ hơi nhiên liệu được hấp thụ trong bề mặt lớp dầu có thể được xác định theo Định luật Henry:
, ( ) ( ) ( ) f f p t X t y t H = (2.83) Trong đó: H là hằng số Henry; , ( ) f
X t là phần mol của nhiên liệu trong lớp dầu ở lớp bề mặt; p (t) là áp suất pha khí;
( )
f
y t là phần mol của nhiên liệu trong pha khí.
p (t) và y tf( )cho mỗi vùng cần được ước lượng cho hai trường hợp sau:
- Đối với vùng tiếp xúc với hỗn hợp trong xylanh tại thời điểm t, p (t) bằng áp suất trong xylanh và y tf( )bằng phần mol nhiên liệu trong xylanh. Cả hai đều có thể nhận được từ mô hình nhiệt động học với giả thiết rằng y tf( )= 0 trong hành trình giãn nở và thải.
- Đối với các vùng bên dưới của piston tại thời điểm t, p (t) và y tf( )được xác định là áp suất và phần mol của nhiên liệu trong không khí trong cacte.
Với giả thiết rằng khối lượng nhiên liệu bị hấp thụ trong lớp dầu nhỏ hơn khối lượng của dầu một cách tương đối xa, số hạng bên phải của Công thức (2.81) có thể nhận được từ biểu thức sau:
, ( ) , ( ) fuel f f oil M Y t X t M = (2.84)
Trong đó, Mfuel, và Moil là khối lượng mol của nhiên liệu và của dầu động cơ. Do đó, khối lượng nhiên liệu trong lớp dầu có thể được xác định từ tính toán số của Công thức (2.79) kết hợp với điều kiện biên và mô hình nhiệt động học theo từng giá trị góc quay trục khuỷu.