VII Bố cục luận án
16 Kết luận chương 1
Qua nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu và động cơ sử dụng khí thiên nhiên ở trong và ngoài nước, các kết luận rút ra của chương được trình bày như sau
- Sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong nói chung và phương tiện vận tải nói riêng không những giảm được lượng khí thải độc hại (như CO2, NOx, SOx và các chất thải dạng hạt (PM) mà còn góp phần giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ Tuy nhiên các nghiên cứu cần phải chú ý đến đặc tính cơ bản của khí thiên nhiên so với nhiên liệu xăng và diesel như: nhiệt trị thấp cao (50 MJ/kG), nhiệt độ tự bốc cháy khoảng 540oC và tốc độ cháy chậm
Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ khí thiên nhiên cấp nhiên liệu trên đường nạp cần phải lắp thêm hệ thống đánh lửa và thay đổi hệ thống cấp nhiên liệu Sử dụng hệ thống đánh lửa của động cơ xăng lắp cho động cơ khí thiên nhiên mà không cần thay đổi, bugi đánh lửa được lắp đúng vào vị trí của vòi phun diesel sau khi đã gia công ren trên nắp máy Vòi phun khí thiên nhiên được lắp trên đường ống nạp ở phía sau bướm gió, theo hướng của dòng khí nạp đi vào trong xylanh
Hướng đến mục tiêu nâng cao tính năng kinh tế kỹ thuật và giảm phát thải cho động cơ khí thiên nhiên chuyển đổi từ động cơ diesel, cần phải khắc phục được nhược điểm cháy chậm của nhiên liệu khí thiên nhiên Giải pháp được cho là hài
hoà nhất dựa trên các đặc tính cơ bản của khí thiên nhiên đó là giảm tỷ số nén và thay đổi hình dạng đỉnh piston
Để giải thích được ảnh hưởng của tỷ số nén và hình dạng đỉnh piston đến thời gian cháy, xây dựng “Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ở động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên” là rất cần thiết
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƯỠNG BỨC SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN 2 1 Tổng quan về cháy cưỡng bức
Cháy (Combustion) được hiểu một cách đơn giản là phản ứng oxy hóa nhiệt độ cao giữa chất đốt và chất oxy hóa Trong nghiên cứu về động cơ đốt trong, chất đốt chính là nhiên liệu cấp từ vòi phun có thể trực tiếp hoặc gián tiếp vào trong xylanh động cơ, chất ô xi hoá thường là ôxy có trong khí quyển và được nạp vào trong xylanh động cơ thông qua hệ thống nạp
Sản phẩm được tạo ra từ phản ứng ô xi hoá khử nhiệt độ cao thường ở dạng hơi khi ở trong buồng cháy và được gọi là khí thải Khái niệm về cháy đi kèm với ánh sáng và nhiệt độ cao thì được gọi là phản ứng ô xi hoá nhanh sinh ra nhiệt, tuy nhiên cháy cũng có thể không xuất hiện ánh sáng mà chỉ sinh một chút nhiệt thì được gọi là phản ứng ô xi hoá khử tốc độ chậm
Trong nghiên cứu về cháy có hai khái niệm cơ bản đó là cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn Cháy hoàn toàn là lượng nhiên liệu cấp vào trong xylanh động cơ đã được đốt cháy hoàn toàn, về lý thuyết khi đó sản phẩm chỉ gồm có CO2, H2O, N2 và nhiệt giải phóng ra rất lớn Tuy nhiên trong thực tế quá trình cháy ở động cơ đốt trong khó có thể đạt được quá trình cháy hoàn toàn, thường là quá trình cháy không hoàn toàn với sản phẩm của quá trình ô xy hoá nhiên liệu gồm nhiều loại khí phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau như: loại nhiên liệu, tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu (A/F), hình dạng buồng cháy …v v
Động cơ đốt trong làm việc theo chu trình Otto được gọi là động cơ cháy cưỡng bức (SI engine), quá trình cháy của động cơ này được chia thành ba giai đoạn cháy đơn giản như thể hiện trên hình 2 1 và có thể gọi tên như sau: Giai đoạn đầu tiên là đánh lửa và hình thành màng lửa (Flame development phase), giai đoạn thứ 2 là phát triển màng lửa hay còn gọi là cháy chính (Fast burning phase), và giai đoạn thứ ba là cháy sau hoặc có thể hiểu là giai đoạn kết thúc của màng lửa (Completion phase)
Ở giai đoạn cháy thứ nhất, khối lượng nhiên liệu được đốt cháy chỉ khoảng 5-10% do vậy sự gia tăng về áp suất và nhiệt độ giai đoạn này là rất ít, công có ích được sinh ra trong giai đoạn này là vô cùng nhỏ
Giai đoạn thứ hai, công có ích được sinh ra chủ yếu ở giai đoạn này là nhờ lượng nhiên liệu ở bên trong xylanh được đốt cháy rất nhanh và có thể đạt đến 90%
khối lượng; Vì vậy mà áp suất và nhiệt độ trong xylanh động cơ tăng lên rất nhanh các khí trong xylanh giãn nở mạnh
Giai đoạn thứ ba là giai đoạn kết thúc của màng lửa với 10% khối lượng nhiên liệu còn lại tiếp tục cháy Ở giai đoạn này có sự giãn nở của các phân tử khí vẫn còn tiếp tục nhưng rất nhỏ, áp suất nhiệt độ giảm rất nhanh và màng lửa bị tắt Tuy nhiên để xem xét sự thay đổi của các thông số khác nhau ảnh hưởng đến quá trình cháy ở động cơ trong điều kiện không có các thiết bị hiện đại và quá đắt tiền, phương án xây dựng các mô hình cháy cơ bản thông qua các định luật bảo toàn và giải các phương trình năng lượng là có tính khoa học và thực tiễn cao
B
Hình 2 1 Quá trình cháy của động cơ làm việc theo chu trình Otto
2 2 Định luật bảo toàn khối lượng
Trong vật lý và hóa học, định luật bảo toàn khối lượng được phát biểu rằng đối với bất kỳ hệ thống kín nào mọi chuyển giao vật chất và năng lượng, khối lượng của hệ kín không thể thay đổi theo thời gian Hay nói cách khác khối lượng của hệ kín không thể thay đổi theo thời gian và cũng không thể được thêm vào hoặc không thể bị bớt đi
Trong mỗi phản ứng hoá học có sự thay đổi liên kết giữa các nguyên tử nhưng sự thay đổi này chỉ liên quan đến các điện tử còn số nguyên tử của mỗi nguyên tố được giữ nguyên cũng như khối lượng của các nguyên tử không đổi Định luật bảo
toàn về khối lượng cũng được sử dụng trong nghiên cứu về cháy ở động cơ đốt trong, bởi vì động cơ đốt trong là động cơ nhiệt và các quá trình cháy xảy ra ở bên trong xylanh động cơ [83] Tuy nhiên sự bảo toàn khối lượng chỉ có giá trị xấp xỉ và được coi là một phần của một loạt các giả thiết xuất phát từ cơ học cổ điển Định luật bảo toàn khối lượng phải được sửa đổi để phù hợp với định luật về cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp theo nguyên tắc tương đương khối lượng - năng lượng, trong đó nói rằng năng lượng và khối lượng tạo thành là một đại lượng bảo toàn
Định luật bảo toàn khối lượng được xây dựng một cách toán học trong cơ học chất lỏng và cơ học liên tục, trong đó sự bảo toàn khối lượng thường được biểu thị thông qua phương trình:
m ( x, t)dv (2 1)
v
Lấy vi phân theo t phương trình (2 1) sẽ được phương trình vi phân liên tục t ( ) 0 (2 2) Trong đó: : Mật độ tập trung của chất (kG/m3) t: Thời gian (s) : Toán tử Laplace
V: Lưu khối của dòng môi chất (l/s)
Định luật bảo toàn khối lượng được viết dưới dạng phương trình liên tục như sau:
dM d dV 0 (2 3)
2 3 Định luật thứ nhất của nhiệt động học
Định luật thứ nhất của nhiệt động học là một phiên bản của định luật bảo toàn năng lượng viết cho các quá trình nhiệt động học xảy ra Nội dung định luật thứ nhất của nhiệt động học để phân biệt hai loại truyền năng lượng là nhiệt và nhiệt động lực học, và mối liên hệ của truyền năng lượng với một chức năng của trạng thái cơ thể, được gọi là nội năng Nội dung của định luật có thể hiểu đơn giản rằng: Tổng năng lượng của một hệ cô lập là không đổi, nhưng năng lượng có thể được chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác mà không thể được tạo ra hoặc mất đi
Phương trình nhiệt động học tổng quát viết cho hệ kín và không có trao đổi nhiệt có dạng như sau:
U = Q - W (2 4)
Trong đó:
U: Sự thay đổi nội năng của hệ kín (kJ) Q: Nhiệt lượng cung cấp để hệ sinh công, (kJ) W: Công thực hiện của hệ (kJ)
Đối với hệ thực thì nhiệt lượng cung cấp cho hệ sinh công (Q) chính là hiệu số giữa nhiệt lượng được giải phóng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu (Qc) và phần nhiệt đã truyền sang cho thành vách buồng cháy thông qua các chất khí bên trong buồng cháy (Qh) Phương trình bảo toàn năng lượng (2 4) được viết lại như sau:
Qc - Qh =U + W (2 5)
2 4 Một số mô hình cháy cưỡng bức
Với sự phát triển của công nghệ máy tính hiện nay, việc nghiên cứu xây dựng các mô hình cháy đa mục tiêu đã trở nên dễ dàng với khả năng dự báo có độ chính xác rất cao, sự sai lệch so với thực tế là không nhiều Mô hình cháy đơn giản
thường hay sử dụng phương trình Wiebe, các thông số dành riêng cho nhiên liệu khí thiên nhiên có thể lấy từ những kết quả thực nghiệm [84] Tuy nhiên phương trình Wiebe không xem xét đến sự vận động của dòng khí ở bên trong xylanh động cơ, hay nói chính xác là không xem xét đến ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy Nghiên cứu mô phỏng sử dụng các phần mềm có xét đến không gian ba chiều như KIVA-3V tuy nhiên phù hợp với nhiên liệu lỏng [85]
Để tối ưu hóa thiết kế buồng cháy, điều quan trọng là phải thực hiện mô hình kích nổ Các mô hình chi tiết về kích nổ mô tả các cơ chế phản ứng hóa học phức tạp bị chi phối bời quá trình oxy hóa ở vùng hỗn hợp cuối cùng trong quá trình làm chậm sự xuất hiện của hiện tượng tự bốc cháy Các sơ đồ động học hóa học bao gồm hàng ngàn bước phản ứng cơ bản diễn ra trong xylanh động cơ [86] Do các hệ số tỷ lệ được xác định trên cơ sở các quá trình hóa học cơ bản, nên không cần phải điều chỉnh bất kỳ hệ số tỷ lệ của các chương trình Tuy nhiên, các mô hình hóa học chi tiết có thể cần một số hiệu chuẩn vì các cơ chế động học thực tế cho mỗi quá trình đốt cháy chưa được biết Hơn nữa, thời gian tính toán cần thiết vẫn bị cấm
truyền đa mục tiêu đòi hỏi phải thực hiện tính toán theo vòng lặp hàng trăm lần đối với mỗi hình dạng buồng cháy khác nhau [87] Để thực hiện được điều đó cần phải hiểu và thực hiện việc lựa chọn mô hình cháy sao cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu của đề tài
2 4 1 Mô hình cháy không chiều (Zero dimensional combustion model)
Mô hình không chiều có thể dự đoán và phân tích các đặc tính nhiệt động học của động cơ thông qua giải các phương trình năng lượng, mô hình không chiều phù hợp để xem xét những ảnh hưởng của sự thay đổi đến tốc độ tỏa nhiệt và các tham số áp suất trong xylanh của động cơ làm việc
Mô hình không chiều được sử dụng trong nghiên cứu dựa vào định luật thứ nhất của nhiệt động học áp dụng cho hệ kín Đối với động cơ đốt trong, hệ kín được hiểu trong trường hợp khi xúp-páp nạp và xúp-páp xả đều đóng (tức là bắt đầu gần cuối kỳ nén cho đến gần kết thúc kỳ cháy và giãn nở) Khi đó khối lượng không khí và nhiên liệu ở bên trong xylanh của động cơ được coi là không đổi, điều này có nghĩa rằng khối lượng của hỗn hợp nạp vào không bị mất đi hoặc không được thêm vào Thêm vào đó không có sự trao đổi nhiệt giữa dòng khí bên trong xylanh với thành vách buồng cháy
Phương trình tổng quát về bảo toàn năng lượng viết cho hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ thay đổi theo góc quay trục khuỷu có dạng như sau: Trong đó: dQ c dQ h dU dW d d d d (2 6) dQ c
d : Nhiệt sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ
dQ
h
d : Nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy
dU d
d W
d
: Sự thay đổi nội năng của hệ : Công thực hiện chuyển đổi của hệ
Từ phương trình (2 6) có thể đưa ra định nghĩa về tốc độ giải phóng nhiệt thực tế chính là sự khác biệt giữa nhiệt được sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu ở bên
trong xylanh động cơ và nhiệt bị mất đi do truyền vào thành vách buồng cháy thông qua các khí ở bên trong xylanh động cơ Phương trình tổng quát về bảo toàn năng lượng viết cho động cơ đốt trong tại góc quay trục khuỷu thứ có dạng như sau:
dQ c d dQ h d dT d V d d (2 7)
Đối với phương trình trên có thể thấy rằng tốc độ thay đổi nội năng của hệ là một hàm của nhiệt độ Các ký hiệu như: M, Cv, T, p và V lần lượt là khối lượng của hỗn hợp tại một thời điểm tức thời trong xylanh, nhiệt dung riêng của các khí ở thể tích không đổi, nhiệt độ của các khí ở bên trong xylanh động cơ tại thời điểm bất kỳ, áp suất trong xylanh tại thời điểm cho trước của góc quay và thể tích tương ứng, lần lượt theo thứ tự của ký hiệu
Từ phương trình khí lý tưởng: PV = MRT (2 8)
Trong đó:
P: Áp suất trong xylanh, (N/m2) V: Thể tích buồng cháy, (m3)
M: Khối lượng các khí có trong xylanh, (kg) R: Hằng số trong xylanh, (J/kg K)
T: Nhiệt độ khí trong xylanh (0K)
Lấy vi phân theo T của hai vế của phương trình (2 8) ta có phương trình như sau:
dP dV dM dR dT
P V M R T (2 9)
Đối với động cơ thực ở quá trình nén và cháy, thực tế khối lượng của hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí có bị giảm đi so với quá trình nạp, do hiện tượng lọt khí qua các xéc-măng Theo các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng khối lượng khí bị lọt qua các khe hở giữa xéc-măng với piston và xylanh có khối lượng vô cùng nhỏ nên khối lượng khí trong xylanh được coi là không đổi do vậy mà (dM/M) = 0 Tương tự như vậy đối với hằng số khí trong xylanh động cơ cũng có sự thay đổi không đáng kể nên (dR/R) = 0
Phương trình (2 9) lúc này được viết gọn lại như sau:
dP dV dT
(2 10) MCv p
Thay phương trình (2 9) vào phương trình (2 6) và biến đổi phương trình, cuối cùng ta có phương trình sau: dQ c d dQ h C dV d R d C v dP R d (2 11)
Nếu coi các chất khí ở bên trong xylanh là khí lý tưởng ta sẽ có: Cp – Cv = R
Cp/Cv = γ
(2 12) (2 13) Trong đó:
Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp của dòng môi chất sinh công, (J/kmol K) Cv: Nhiệt dung riêng đẳng tích của dòng môi chất sinh công, (J/kmol K) γ: Chỉ số đoạn nhiệt
Thay (2 12) và (2 13) vào (2 11) được phương trình sau:
dQ
c
d P( ) V ( ) (2 14)
2 4 1 1 Mô hình tốc độ nhiệt được giải phóng (Heat Release Rate)
Đặt dQ n dQc dQh
d d d chính là tốc độ giải phóng nhiệt thực của hỗn hợp ở bên trong xylanh động cơ Phương trình (2 14) rút gọn lại để có thể xác định được lượng nhiệt được giải phóng khi đốt cháy một khối lượng nhiên liệu M (kg) tại thời điểm trục khuỷu quay góc Phương trình xác định tốc độ nhiệt được giải phóng ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu ở trong xylanh động cơ (HRR: Heat Release Rate) có dạng sau:
P( ) V ( ) (2 15)
2 4 1 2 Mô hình hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy (Mass Fraction Burned)
Một thông số quan trọng cũng cần phải được xem xét và đánh giá thông qua các thông số đo để đánh giá chất lượng quá trình cháy, đó là hệ số khối lượng nhiên liệu đã được đốt cháy Hệ số này ký hiệu là MFB (Mass Fraction Burned), giá trị của MFB được tính dựa vào tỷ số giữa nhiệt lượng tích lũy của nhiên liệu đã được
d d1 d1 d dQc dV 1 dP dQh d1 d1 d dQh dV 1 dP V ( ) P(1 v )
giải phóng từ quá trình cháy với tổng nhiệt lượng lý thuyết của nhiên liệu nạp vào