Chúng ta sẽ xem xét điều kiện phát hoả của một hỗn hợp cháy (HHC) được chứa trong không gian công tác của xilanh với những dữ liệu sau đây : V - thể tích của khơng gian cơng tác, A - diện tích vách xylanh , T0 - nhiệt độ của vách xylanh , T - nhiệt độ của HHC, p - áp suất trong xylanh, wh - tốc độ phản ứng hoá học, H - nhiệt trị của HHC, k - hệ số trao đổi nhiệt giữa HHC và vách xylanh.
Tốc độ toả nhiệt của các phản ứng cháy (q1) và tốc độ truyền nhiệt cho vách xylanh (q2) có thể được biểu diễn như sau :
q1 = wh . H (3.1-5) q2 = k . A . ( T - T0 )v (3.1-6)
Nếu thay giá trị của wh (xem mục 5.2.2) vào cơng thức (5.1-5) thì sẽ thấy q1 là một hàm với nhiều biến số, trong đó có nhiệt độ (T) và áp suất (p). Đối với q2 , nếu thay đổi nhiệt độ T0 với giả định hệ số trao đổi nhiệt (k) khơng đổi thì độ dốc của
Trang 42
đường q2 = f(T) không đổi, những điểm gốc của hàm q2 = f(T) sẽ thay đổi. H. 5.1-1 biểu diễn các hàm số q1 = f(T) và q2 = f(T) ứng với 3 trị số áp suất trong xylanh p0 , p1 , p2 và 3 nhiệt độ của vách T0. 0 , T0.1 , T0.2 khác nhau, trong đó p2 > p0 > p1 và T0.2 < T0.0 < T0.1 .
Xét trường hợp áp suất của HHC là p1 , nhiệt độ ban đầu của HHC và của vách xylanh là T0.0 (H. 5.1-1a). Ở những thời điểm đầu của quá trình cháy, do q1 > q2 nên nhiệt độ của HHC sẽ tăng đến nhiệt độ T1 tương ứng với điểm 1 , tại đó q1 = q2 . Khi nhiệt độ của HHC vượt quá trị số T1 thì nhiệt độ của HHC sẽ giảm trở lại do khi đó q2 > q1. Trong trường hợp này sẽ khơng có phát hoả do nhiệt độ của khu vực phản ứng không tăng liên tục đến trị số giới hạn phát hoả. Điểm 1 là trạng thái cân bằng nhiệt ứng với nhiệt độ vách xylanh là T0.0 và áp suất của HHC là p1 . Nếu nâng cao nhiệt độ vách xylanh thì nhiệt độ tương ứng với trạng thái cân bằng nhiệt cũng được nâng cao dần. Khi nhiệt độ vách xylanh được nâng cao tới trị số T0.1 thì đường q1 tiếp tuyến với đường q2 tại điểm C1 . Tại thời điểm C1 , chỉ cần làm tăng nhiệt độ hoặc áp suất của HHC một ít thì sẽ dẫn đến hiện tượng tăng nhiệt độ liên tục rồi phát hoả. Điểm C1 được gọi là trạng thái cân bằng nhiệt giới hạn, còn nhiệt độ TC1 - nhiệt độ phát hỏa ứng với T0.1 và p1. Nếu thay đổi áp suất của HHC và nhiệt độ của vách xylanh thì điểm cân bằng nhiệt giới hạn cũng thay đổi. Trên Hình 3.1: điểm C0 ứng với p0 và T0.0 ; điểm C2 ứng với p2 và T02 .
Căn cứ vào lý thuyết phát hoả trình bày ở trên và nếu chỉ xét sự ảnh hưởng của yếu tố áp suất và nhiệt độ thì có thể chỉ ra những vùng, tại đó HHC có thể hoặc khơng thể phát hỏa (H. 5.1-1c) . Như vậy, nhiệt độ phát hoả không phải là một đại lượng vật lý đặc trưng cho một loại nhiên liệu mà là một thông số thay đổi theo điều kiện diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu.
2) Lý thuyết phát hoả do phản ứng dây chuyền
Lý thuyết phát hoả do phản ứng dây chuyền cho rằng điều kiện duy nhất đảm bảo sự phát hỏa là tốc độ phân nhánh phản ứng dây chuyền lớn hơn tốc độ làm gián đoạn phản ứng dây chuyền. Nội dung cơ bản của lý thuyết này như sau : nhờ một năng lượng kích thích ban đầu nào đó sẽ xuất hiện những phần tử hoạt tính - những gốc hố học có hố trị tự do và có năng lượng hoạt hố lớn. Những phần tử
Trang 43
hoạt tính này có khả năng gây phản ứng hố học với các phân tử trung hồ để tạo ra những phần tử hoạt tính mới theo kiểu phản ứng dây chuyền. Trong quá trình phản ứng, một số phần tử hoạt tính có khả năng tạo ra những phần tử hoạt tính mới và làm phân nhánh dây chuyền, đồng thời cũng có thể có những phần tử hoạt tính tác dụng với khí trơ hoặc va chạm với vách xylanh có nhiệt độ thấp và bị đứt nhánh dây chuyền.
Ví dụ phản ứng dây chuyền giữa hydro (H2) và oxy (O2) với sự tham gia của nhân tố thứ ba (M) có thể diễn ra như sau :
- Phát sinh phần tử hoạt tính và phản ứng dây chuyền : H2 + M 2H + M H2 + M → 2H + M
H2 + O2 + M → 2OH + M - Phân nhánh dây chuyền:
H + O2 → OH + O OH + H2 → H2O + H O + H2 → OH + H
- Đứt nhánh dây chuyền :
Tốc độ phát triển của phản ứng dây chuyền và quá trình phát hoả do phản ứng dây chuyền có thể được biểu diễn như sau:
(3.1-7)
Trong đó: w - tốc độ phản ứng dây chuyền; w0 - tốc độ ban đầu của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của các phần tử hoạt tính; wh - tốc độ phản ứng hoá học hai phần tử; τ - thời gian.
Trang 44