2 Nhập dữ liệu cho từng phần tử

VII Bố cục luận án

3 2 Nhập dữ liệu cho từng phần tử

(2 19)

Và kích thước phân dạng D3 được tính toán:

 dmb L max 

dt Lmin

D32

AL S L (2 20)

Cường độ xoáy lốc trong xylanh được tính toán dựa trên cơ sở giả thiết vật lý nói trên, sự tính toán tỷ lệ sóng (Lmin – Lmax) cũng như kích thước phân dạng D3 phải phụ thuộc vào những đặc tính của xoáy lốc trong xylanh Một con số đề xuất có thể tìm được từ con số hiện tại và giữa chúng, một phương pháp K-k điều chỉnh, được đưa ra ở đây:

dK 1 m ex dt 2 m dk m ex dt mu  K u (2 21) P 0 3307ct K LI k m (2 22)  AT Lmax u  fractals  min uin2 P K  P m k  k u

1 3 3

LI

(2 23)

Trong các phương trình cân bằng trên, K là năng lượng động lực của lưu lượng trung bình (Uf) – mà sự sinh ra và mất đi của nó chủ yếu liên quan đến tốc độ nạp và thải – k là năng lượng động lực học của lưu lượng xoáy lốc (giả thuyết là đẳng hướng) trong khi ε là tốc độ phân tán của nó P biểu thị sự sinh ra xoáy lốc đặc trưng cho sự truyền năng lượng giữa lưu lượng xoáy lốc và lưu lượng xoáy lốc trung bình (năng lượng truyền động gián đoạn) ct là hằng số điều chỉnh Phương trình (2 23) được tổng hợp tất cả thông số quá trình của động cơ và sự sinh ra xoáy lốc do sự thay đổi mật độ khí chưa cháy bên trong xylanh trong suốt kỳ nén và giãn nở bao gồm cả trong K và k Mô hình trên cũng đưa ra khả năng để đánh giá tỷ lệ chiều dài Kolmogorov dưới giả thuyết xoáy lốc đẳng hướng, giả định là:

Lk LI

3/4 với Ret u ' L I

 u

và LI cLH (2 24)

LI là tỷ lệ độ dài thành phần, giả thiết tỷ lệ ( cL 0,2 0,8 ) tới khe hở tức thời H bên trong xylanh và V là vận tốc động học của hỗn hợp chưa cháy Đặc biệt, tỷ lệ chiều dài Kolmogorov và tỷ lệ chiều dài thành phần, LI và Lk, được lựa chọn như là kích thước sóng lớn nhất và nhỏ nhất trong phương trình (2 24), trong khi kích thước D3 chủ yếu phụ thuộc vào tỷ số giữa cường độ xoáy lốc u ' và tốc độ cháy tầng SL

D3 2,35u '  2,05SL

u ' SL

(2 25)

Mô hình Fractal đã mô tả ở trên thực sự có giá trị với sự cháy rối hoàn toàn và cháy rối tự do Trong đó cả hai giai đoạn phát triển cháy sớm và cháy hoàn toàn (các yếu tố w1 và w2 mô tả dưới đây) là bắt buộc

Bugi: Giả sử khi bugi bật tia lửa điện, tâm cháy được hình thành khoảng 200 ms

và bán kính tâm cháy khoảng 2 mm Trong suốt giai đoạn này tốc độ cháy rất cao phụ thuộc vào năng lượng giải phóng của hệ đánh lửa, sau đó nó đạt tối thiểu với giá trị giống với tốc độ cháy tầng và sau đó nó lại tăng lên, kết quả là hình thành sóng lửa

K mU 2f , k mu '2 , u '

2 2

Quá trình khuếch tán màng lửa bắt đầu tại tốc độ tăng về cả bán kính lẫn cường độ (tỷ lệ với tốc độ động cơ) và được thể hiện bằng phương trình không thứ nguyên:

wr rf

rf ,ref

n nref

(2 26)

Trong phương trình trên, rf,ref là thông số bán kính chuẩn ở phạm vi 1cm, nref là tốc độ động cơ chuẩn ở 1000 vòng/phút Phương trình (2 20) định nghĩa lại độ tăng kích thước phân dạng liên quan đến độ tăng dần sóng lửa theo thời gian Với công thức này, giai đoạn đầu tiên của quá trình cháy sẽ được đặc trưng bởi một đường kính phân đoạn rất gần với mức cực tiểu D3,min, trong đó xác định tốc độ cháy ban đầu gần với thành buồng cháy Chú ý răng giá trị tối thiểu của đường kính phân dạng là bất kỳ trường hợp nào lớn hơn 2

D3 D3,maxu ' D3,min S L

u ' S L (2 27)

D3,min 2, 05

Cháy sát vách: Khi màng lửa lan truyền tới thành buồng cháy, cơ cấu phân

dạng trên không còn hiệu lực nữa Những đặc tính quan trọng nhất của sự hoàn thiện cháy liên quan tới ảnh hưởng của thành vách trong quá trình cháy (hiện tượng cháy sát vách) Thành buồng cháy giới hạn khí giãn nở, ngăn tất cả lưu lượng, và hình thành tương ứng biến cứng nhiệt độ thấp làm lạnh khí Tất cả các yếu tố thay đổi đặc tính cơ sở của sự cháy so sánh với đặc tính của sự lan truyền cháy tầng tự do qua buồng cháy Tốc độ cháy sát vách có thể được miêu tả đơn giản bằng sự suy giảm theo hàm mũ:

 dm b m  m b  b   b2  4 ac

 dt 2a (2 28)

Với τ là tỷ lệ thời gian đặc trưng của quá trình trên

Tốc độ cháy tổng thể có thể rút ra như một giá trị trung bình của hai tốc độ cháy:

 dm b dm b dm b  dt dt dt

(2 29) Việc chuyển đổi giữa hai kiểu cháy dần bắt đầu khi đạt được đến thời gian

chuyển tiếp ttr, sự xác định chùm lửa đầu tiên đến thành xylanh, đó là:

rf  m mbtr

(u AS L )tr (2 30)

Hình 2 2 Mô hình tiếp xúc của màng lửa với thành xylanh

Khi phương trình (2 28) được tính toán lại, tham số thời gian đặc trưng trong phương trình (2 29) được tính toán với giả định rằng tốc độ cháy sát vách bằng với tốc độ cháy từ mô hình phân dạng trong phương trình (2 30), vì thế:

r m mbtr

(u AS L )tr (2 31)

Giá trị τ nói trên sau đó được giữ cho phù hợp trong suốt quá trình cháy sát vách sau đó Độ đậm w2 tăng dần theo thời gian, phụ thuộc vào khối lượng không cháy tức thời (m – mb), so với độ đậm trong khoảng thời gian chuyển tiếp ttr:

 m mb

(m mb )tr

(2 32)

T T

2 4 2 1 Truyền nhiệt

Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xylanh, piston, và lót xylanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau:

Trong đó: Q wi = Ai α w  Tc - Twi (2 33) Qwi Ai w Tc Twi

: Nhiệt lượng truyền cho thành (nắp máy, piston, lót xylanh) : Diện tích truyền nhiệt (nắp máy, piston, lót xylanh)

: Hệ số truyền nhiệt

: Nhiệt độ môi chất trong xylanh

: Nhiệt độ thành (nắp máy, piston, lót xylanh)

Trong trường hợp nhiệt độ của thành lót xylanh, biến đổi nhiệt độ dọc trục giữa vị trí ĐCT và ĐCD được tính theo biểu thức sau:

TL =TL, DCT 1 - e-c x x c (2 34) Trong đó: c = ln  (2 35) TL TL, TDC TL, BCD x : Nhiệt độ lót xylanh

: Nhiệt độ lót xylanh tại vị trí ĐCT : Nhiệt độ lót xylanh tại vị trí ĐCD : Dịch chuyển tương đối của piston

(vị trí thực tế của piston so với toàn bộ hành trình)

Đối với hệ số truyền nhiệt thì phần mềm AVL BOOST cho phép lựa chọn một trong các mô hình sau:

- Woschni 1978 - Woschni 1990 - Hohenberg

- Lorenz (chỉ dùng cho động cơ có buồng cháy ngăn cách) - AVL 2000 Model

- Bargende

Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni 1978 được tính theo phương trình:

 TL, TDC  TL, BCD

c c  VD Tc,1 V 0,8 (2 36) Trong đó: C1 C2 C2 D cm cu VD pc = 2,28 + 0,308 cu/cm

= 0,00324 đối với động cơ phun trực tiếp = 0,00622 đối với động cơ phun gián tiếp : Đường kính xylanh

: Tốc độ trung bình của piston : Tốc độ tiếp tuyến

: Thể tích công tác của 1 xylanh : Áp suất môi chất trong xylanh pc,o : Áp suất không cháy

Tc,1 : Nhiệt độ môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupáp nạp pc,1 :Áp suất môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupáp nạp

Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni công bố năm 1990 nhằm dự đoán chính xác hơn về sự truyền nhiệt khi vận hành một phần tải:

Trong đó: -0,2 0,8 -0,53 c c  V 2 0,8 (2 37) VTDC V IMEP

: thể tích điểm chết trên trong xylanh : thể tích thực tế của xylanh

: áp suất thực chỉ thị trung bình

2 4 2 2 Trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa thải

Trong quá trình quét khí, việc lưu tâm đến quá trình trao đổi nhiệt tại của nạp và thải là hết sức quan trọng Quá trình này có thể lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy trong đường ống đơn giản do hệ số truyền nhiệt cao và nhiệt độ trong vùng giữa xupáp và đế xupáp Trong Boost mô hình Zapf hiệu chỉnh được sử dụng để tính toán cho quá trình này

Td = Tu - Tw e   + Tw (2 38) αW = 130 D p T C1 m 2 c c,0 c + C  p - p  pc,1 c,1 α W = 130 D p T   VTDC c1 cm 1 + 2  IMEP-0 2    -A w  α p m cp

Hệ số trao đổi nhiệtp phụ thuộc vào hướng của dòng chảy Đối với dòng chảy ra khỏi xylanh thì:

0 44 0 5

Với dòng chảy đi vào xylanh thì:

0 33 0 68 Trong đó:  h  d vi   h  d vi (2 39) (2 40) p Td Tu Tw

: Hệ số trao đổi nhiệt : Nhiệt độ sau cửa : Nhiệt độ trước cửa : Nhiệt độ thành cửa Aw : Diện tích bề mặt cửa m cp hv dvi

: Lưu lượng khối lượng : Nhiệt dung riêng đẳng áp : Độ nâng xupáp

: Đường kính trong của đế xupáp

Bảng 2 1 Các hệ số của xupap nạp và xupap thải

2 4 2 3 Mô hình khí thải a Hình thành phát thải CO

Thành phần khí thải mô-nô-xít-các-bon (CO) có thể được tính toán dựa vào các phương trình phản ứng sau: CO + OH = CO2 + H CO2 + O = CO + O2 Và nồng độ CO được tính bằng công thức: (2 41) (2 42) d   CO dt   CO CO    (2 43)

Xupap thải Xupap nạp

C4 1 2809 C7 1 5132 C5 7 0451 10-4 C8 7 1625 10 -4 C6 4 8035 10-7 C9 5 3719 10 -7 α p =C4 5 u 6 u2+ C T -C T m d 1-0 797  Tu vi-1 5  v α p =C7 8 u 9 u2+ C T -C T m d 1-0 765  Tu vi-1 68  v  R1 R21  

b Hình thành phát thải HC

Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức hydrocacbon (HC) không cháy có từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó nguồn HC lọt qua khe hở xéc-măng và hiệu ứng sát vách là quan trọng Phương trình tổng quát tính tốc độ hình thành HC như sau:

d  HC  dt cHC AHC e  EHC / RTgw a b (2 44) Trong đó:  AHC (m3/mol) = 7,7 x 109 (a + b - 1/s)  EHC = 156222 (J/mol)  R = 8 314 (J/mol K)  Tgw = (Tgas + Tcyl wall)/2

 [HC] và [O2] là mật độ của HC và O2 (mol/m3)

 CHC: Hằng số điều chỉnh tốc độ phản ứng phụ thuộc từng chế độ, từng loại động cơ

 a và b là các hằng số, a = b = 1

c Hình thành phát thải NOx

Cơ chế hình thành NOx trong mô phỏng BOOST dựa trên cơ sở Pattas và Hafner Quá trình hình thành của chúng được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich Sự hình thành của NOx được tính toán theo thông số nhập đầu vào như tốc độ động cơ, nhiên liệu cũng như áp suất, nhiệt độ, hệ số dư lượng không khí λ, thể tích và khối lượng, thời gian cũng như số vùng cháy Quá trình tính toán được bắt đầu lúc thời điểm cháy bắt đầu Mặc dù trong khí thải NOx của động cơ cháy cưỡng bức, NO chiếm phần lớn (90-98%) nhưng việc tính toán N2O cũng không thể bỏ qua Lượng N2O sinh ra có mối quan hệ như sau:

N2O N2 O2

 18 71

 RT (2 45)

Tốc độ hình thành NOx được tính theo phương trình sau:

d   NO dt  R1e R4e p 1 K 2 1 K 4 RT (2 46)  HCO2  1 1802 106T10 6125exp  21 2

2 5 Mô hình xác định trị số Ốc-tan yêu cầu (ON: Required Octane Number)

Đối với động cơ đốt trong làm việc theo chu trình Otto, quá trình đốt cháy nhiên liệu ở bên trong buồng cháy được thực hiện bởi một tia lửa điện phát ra bởi bugi đặt trên nắp máy ở thời điểm gần cuối của kỳ nạp Tuy nhiên trong quá trình động cơ làm việc nếu điều kiện về cháy được thoả mãn, hỗn hợp bên trong xylanh động cơ sẽ tự bốc cháy mà không cần đến tia lửa của bugi Do vậy hiện tượng cháy kích nổ có thể được hiểu đơn giản là do sự xuất hiện của màng lửa ngược chiều nhau tạo ra các sóng xung áp suất dội lên thành vách buồng cháy Hiện tượng cháy bất thường có thể xuất hiện đối với động cơ cháy cưỡng bức được các nhà nghiên cứu và sản xuất động cơ gọi là cháy kích nổ (knocking hoặc knock) Cháy kích nổ xuất hiện sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của động cơ (nếu xuất hiện ở dạng nhẹ), trong trường hợp xuất hiện thường xuyên, liên tục với tần số cao sẽ dẫn đến phá huỷ động cơ Nguyên nhân làm xuất hiện cháy kích ở ở động cơ cháy cưỡng bức đến từ nhiều yếu tố khác nhau như: Trị số Ốc-tan của nhiên liệu thấp, thời điểm đánh lửa không phù hợp, tỷ lệ không khí với nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ không phù hợp, hình dạng buồng cháy, điều kiện vận hành của động cơ, … v v Để giảm nguy cơ xảy ra hiện tượng tự đánh lửa ở động cơ cháy cưỡng bức, sự kết hợp giữa giá trị áp suất cực đại với trị số Ốc-tan yêu cầu (ON) để có thể tìm được giới hạn xảy ra kích nổ Trị số Ốc-tan yêu cầu như là hàm toán học được tính theo công thức sau:

 exp B   1 a (2 47)

- SOC : Thời điểm bắt đầu quá trình đốt cháy đến

- (85% MBF ) : Thời điểm khối lượng nhiên liệu đã cháy đạt 85% (đỉnh áp suất) - A, a: Hằng số của nhiên liệu

- ON: Chỉ số octane

- p: Áp suất trong buồng đốt - n: Hệ số áp suất

- B: Hệ số nhiệt độ

- T: Nhiệt độ trong buồng đốt  1 95% MBF p

ON 100 

 SOC pRef TUBZ

2 6 Mô hình xác định vận tốc squish ở bên trong xylanh động cơ (Squish velocity)

Trong những năm gần đây, người ta đã quan tâm đến việc tăng tốc độ cháy bằng cách tăng đồng thời độ xoáy và cường độ nhiễu động Hai cách nổi bật nhất để tăng cường độ xoáy là thay đổi hình dạng của hệ thống nạp để tăng độ xoáy của dòng khí nạp và thay đổi kết cấu buồng đốt để tăng cường độ xoáy bên trong xylanh động cơ Một số công trình nghiên cứu được thực hiện để xác định ảnh hưởng của thông số hình học buồng đốt đến thời gian cháy, truyền nhiệt và tiêu thụ nhiên liệu Những kết quả này chỉ ra rằng các mức cường độ xoáy và nhiễu loạn có thể thay đổi để tạo ra mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu cho các điều kiện được thử nghiệm Squish là chuyển động của dòng khí trong xy lanh hướng tâm được tạo ra bởi chuyển động của piston khi lên đến gần điểm chết trên của quá trình nén Đặc tính của cường độ xoáy và hỗn loạn của hỗn hợp khí trong xylanh khi bị ảnh hưởng bởi chuyển động squish Mô hình xác định vận tốc Squish dùng để nghiên cứu ảnh hưởng thông số hình học đỉnh piston trong xylanh đến thời gian cháy, truyền nhiệt và tiêu thụ nhiên liệu

Hình 2 3 Hình dạng đỉnh piston và vùng xuất hiện squish

Vận tốc squish có thể được tính từ sự dịch chuyển tức thời của dòng khí qua các cạnh trong của vùng squish, vùng xuất hiện squish chính là khu gạch chéo trên hình

2 3 Động cơ diesel gốc có nắp máy và đỉnh piston phẳng, bỏ qua ảnh hưởng của động lực học chất khí (áp suất không đồng đều), ma sát, sự rò rỉ qua các xéc măng và sự truyền nhiệt, công thức tính vận tốc squish như sau:

v sq S p  D b 4 z  Db vb (2 48) Trong đó:  vb: Thể tích phần lõm trên đỉnh piston  Ac: Tiết diện mặt cắt ngang của xylanh  Sp: Vận tốc tức thời của piston

 z: Khoảng cách giữa đỉnh piston và nắp máy  B: Đường kính xy lanh

 Db: Đường kính lõm  Hb: Độ sâu vết lõm

2 7 Kết luận chương 2

Xây dựng “Cơ sở lý thuy ế t quá trình cháy ở động cơ đốt cháy cưỡ ng b ứ c s ử dụng nhiên li ệ u khí thiên nhiên” rất quan trọng Mục tiêu của việc xây dựng này là

để làm rõ các quá trình trong nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm Các kết luận