Cơ sở hĩa lý quá trình cháy

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

2.4. Cơ sở hĩa lý quá trình cháy

Cháy là một phản ứng hĩa học cĩ tỏa nhiệt và phát sinh ra ánh sáng. Cháy cĩ ba dấu hiệu đặc trưng: cĩ phản ứng hĩa học, cĩ tỏa nhiệt và phát ra ánh sáng. Những yếu tố điều kiện cần và đủ để tạo thành sự cháy đĩ là chất cháy, ơxy, nguồn nhiệt.

41

Kiểm sốt thành phần khí gas trước khi cháy là rất quan trọng. Định luật Dalton được sử dụng để tính áp suất riêng phần. Để chính xác hơn, độ nén của hỗn hợp khí đã được lựa chọn từ những áp lực riêng phần của hỗn hợp khí như trong cơng thức [93]

P.V = ZtotNRuT (2.15) Ztot = (a * Za) + (b * Zb) + (c * Zc) + … + (n * Zn) (2.16) Pza = (a * za * P) / Ztot (2.17) Pzb = (a * zb * P) / Ztot (2.18) Pzc = (a * zc * P) / Ztot (2.19) Trong đĩ:

Pza, Pzb, Pzc là áp suất riêng phần của chất khí. Hằng số a, b, c…, n là nồng độ cụ thể của khí nén ở áp suất khác nhau. Ztot là hệ số nén cho hỗn hợp khí.

2.4.1.1. Tính tốn lượng khí cấp cho buồng cháy

Coi hỗn hợp các chất khí cấp vào buồng cháy là khí lí tưởng, trạng thái mơi chất ban đầu bên trong buồng cháy là chân khơng, khi đĩ:

- Áp suất của khí thành phần pi tuân theo định luật Dalton (p - áp suất của hỗn hợp)

p = pi (2.20)

- Nhiệt độ của khí thành phần Ti bằng nhiệt độ của hỗn hợp T:

Ti = T (2.21) - Thể tích của khí thành phần trong hỗn hợp Vn bằng thể tích của hỗn hợp:

Vn = V (2.22) - Phân tích thể tích Vi là thể tích của khí thành phần cĩ nhiệt độ và áp suất bằng

nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp:

V = Vi (2.23) - Khối lượng của hỗn hợp G bằng tổng khối lượng của khí thành phần G1:

G = Gi (2.24) Các thành phần của hỗn hợp - Thành phần khối lượng G G g i i  ; Gi = 1 (2.25) - Thành phần thể tích và thành phần kilơmol

Người ta chứng minh được là thành phần thể tích và thành phần kilơmol bằng nhau:

M M V V r i i i   ; ri = 1 (2.26)

42 Với: Mi - số kilơmol của khí thành phần M - số kilơmol của hỗn hợp

Xác định các đại lượng của hỗn hợp

- - Kilomol (hoặc phân tử lượng) của hỗn hợp

 = rii (2.27) 1 i i g     (2.28) Với ri, gi là thành phần thể tích và khối lượng của hỗn hợp, i là kilomol của khí thành phần. - Hằng khí chất khí của hỗn hợp 8314 R   (J/kg.0K) (2.29) R = giRi (2.30) ở đây Ri - hằng số chất khí của khí thành phần - Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí

Cp = giCpi (2.31) Cv = giCvi (2.32) Với Cp, Cv là nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp và đẳng tích của hỗn hợp Cpi, Cvi là nhiệt dung riêng của khối lượng đẳng áp và đẳng tích của khí thành phần.

Phân áp suất của khí thành phần

Phân áp suất của khí thành phần trong hỗn hợp pi được xác định theo thành phần thể tích ri và áp suất của hỗn hợp p:

pi = rip (2.33)

Gọi p1, p2, p3 lần lượt là áp suất riêng phần của khí O2, C2H2, N2 cấp vào buồng cháy CVCC (N/m2).

g1, g2, g3 lần lượt là khối lượng khí nạp của O2, C2H2, N2 cấp vào buồng cháy thể tích khơng đổi (kg).

T1, T2, T2 lần lượt là nhiệt độ của khí nạp của O2, C2H2, N2 cấp vào buồng cháy thể tích khơng đổi (K).

V là thể tích buồng cháy CVCC (0,000452 m3).

áp suất khí O2 cấp vào được xác định từ phương trình trạng thái khí lý tưởng:

𝑝1 =𝑅1.𝑔1.𝑇1 𝑉 (2.34) 𝑝1,2 =(𝑅1.𝑔1+𝑅2.𝑔2).𝑇1 𝑉 (2.35) 𝑝1,2,3 =(𝑅1.𝑔1+𝑅2.𝑔2+𝑅3.𝑔3).𝑇1 𝑉 (2.36)

43 Trong đĩ:

p1: áp suất của buồng cháy sau khi cấp g1 (kg) O2 vào buồng cháy CVCC.

p1,2: áp suất của buồng cháy sau khi cấp g1 (kg) O2 và g2 (kg) khí C2H2 vào buồng cháy CVCC.

p1,2,3: áp suất của buồng cháy sau khi cấp g3 (kg) O2, g2 (kg) khí C2H2 và g3 (kg) N2 vào buồng cháy CVCC.

R1, R2, R3 lần lượt là hằng số của các chất khi O2, C2H2, N2.

2.4.1.2. Nhiệt độ đỉnh và áp suất đỉnh [61]

Điều kiện phản ứng của buồng cháy diesel cĩ thể được mơ phỏng bằng cách hịa trộn trước hỗn hợp khí nguyên chất bao gồm C2H2, O2 và N2. Hỗn hợp khí được hịa trộn nhờ tia lửa điện cĩ thể tạo ra nhiệt độ cao và áp suất đủ điều kiện để đốt cháy nhiên liệu phun vào. Sản phẩm cịn lại sau khi đốt cháy hỗn hợp khí cĩ thể được mơ phỏng như khí xung quanh vịi phun nhiên liệu.

Nhiệt độ ngọn lửa trong buồng cháy đạt được khi nĩ được đốt bằng phương pháp cân bằng hĩa học. Mật độ hỗn hợp điển hình trong xylanh đối với nhiên liệu B0 khoảng 15 kg/m3. Thể tích của buồng là 0,52E-3 m3.

𝐶2𝐻2+5

2𝑂2+ 𝑁2 → 2𝐶𝑂2+ 𝐻2𝑂 + 𝑁2

Nhiệt độ và áp suất sau quá trình cháy hỗn hợp khí được tính khoảng 2095 K và 8,9 MPa [70]. Nhiệt độ ngọn lửa được tính là 2095 K, nhưng đĩ chỉ là nhiệt độ tức thời. Các tính tốn trên được dựa trên các giả thiết khơng cĩ sự thay đổi trong sản phẩm cháy. Khi tính đến sự truyền nhiệt và phân hủy sản phẩm cháy, nhiệt độ và áp suất sẽ nhỏ hơn các giá trị tính tốn ở trên. Hơn nữa, trong các thí nghiệm, q trình đốt cháy hỗn hợp hịa trộn trước (các chất khí là nguyên chất) để cĩ thể để lại một nồng độ ơxy nhất định cho quá trình cháy nhiên liệu phun tiếp theo (nhiên liệu chính). Nhiệt độ và áp suất cực đại sau đĩ được hiển thị nhỏ hơn các giá trị ở điều kiện cân bằng hĩa học. Nhiệt độ của thành buồng cháy thấp hơn so với giá trị tính tốn trong các thí nghiệm phản ứng cháy.

Dựa vào phương trình cháy và tỉ lệ khơng khí – nhiên liệu ta tính được lượng khí dư cịn sĩt lại của phản ứng để đốt cháy nhiên liệu chính phun vào.

Giới hạn cháy thấp

Sau quá trình cháy trước, O2 dư là rất quan trọng đối với việc tự cháy của nhiên liệu diesel phun vào. Để đảm bảo lượng khí O2 cần thiết, nồng độ thấp của hỗn hợp khí cháy trước (đặc biệt là C2H2) cĩ thể được tính tốn từ hỗn hợp nguyên chất như giới hạn cháy thấp (Lower Flammability Limit_LFL), thể hiện trong cơng thức 2.20. Việc tính tốn giới hạn chất khí nguyên chất thu được từ Le Chatelier [71].

𝐿𝐹𝐿(%) =𝐶𝑝𝑁2𝛥𝑇𝑎𝑑

−𝛥ℎ𝑐 (2.37)

Trong đĩ:

44 ∆Tad: Nhiệt độ của ngọn lửa đoạn nhiệt ∆hc: Enthanpy

Nhiệt độ của ngọn lửa đoạn nhiệt

Khi quá trình cháy đoạn nhiệt diễn ra, nhiệt độ của sản phẩm cháy được gọi là nhiệt độ của ngọn lửa đoạn nhiệt. Đây là nhiệt độ tối đa cĩ thể đạt được bằng cách cân bằng giữa sản phẩm và chất phản ứng theo cơng thức.

∑ 𝑁𝑖(ℎ𝑓 + 𝛥ℎ) 𝑖 = ∑ 𝑁𝑖(ℎ𝑓+ 𝛥ℎ) 𝑖 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡 𝑃𝑟𝑜𝑑 (2.38) Trong đĩ:

hf: Là sự thay đổi enthalpy và ∆h là những thay đổi khác trong enthalpy

Tính tốn lượng khí cháy trong hỗn hợp

Thành phần phần trăm của các khí trong hỗn hợp được tính theo [93]. Hình 2. 11 ta thấy, phần trăm số mol CO2 tăng khi tăng phần trăm số mol của C2H2 vì nguyên tử cacbon trong C2H2 bị biến đổi thành sự phát thải CO2. Ngồi ra, với phần trăm nồng độ oxy tăng lên 10, 13, 15 và 21% sau khi đốt trước khi đốt cháy, phần trăm CO2 khơng đổi.

Hình 2. 11. Phần trăm CO2 với phần trăm O2 khác nhau sau khi cháy hỗn hợp khí [93]

Hình 2. 12, tính tốn giới hạn cháy thấp thấp hơn đối với lượng nhỏ của C2H2 và khơng khí để đảm bảo q trình cháy.

45

Hình 2. 12. LFL tại các giá trị khác nhau của phần trăm số mol [93] Bảng 2. 1. Thành phần phần trăm khí trước và sau khi cháy

Phần trăm khí hịa trộn trước khi cháy (% mol)

Phần trăm khí hịa trộn sau khi cháy (% mol)

C2H2 O2 N2 O2 N2 H2O CO2

3.5 27 69.5 20 69.5 3.5 7

3.5 17 79.5 10 79.5 3.5 7

Bảng 2. 1 cho thấy, phần trăm số mol của mỗi khí trộn sẵn trước và sau điều kiện đốt cháy. Lượng CO2 và H2O khơng đổi. Cịn lại cĩ thể được kiểm sốt bằng lượng O2 trộn sẵn khác nhau với phần trăm số mol khơng đổi của C2H2. Để tối ưu hĩa thành phần hĩa học cho hỗn hợp khí trước khi cháy, C2H2 với phần trăm mol là 3,5 đã được chọn với những lý do sau: Lý do thứ nhất, phần trăm mol của C2H2 là 2.312 thấp hơn LFL tiêu chuẩn (đường màu đỏ trong Hình 2. 12), nơi hỗn hợp khí cung cấp để đốt cháy. Lý do thứ hai là thể tích CO2 sau khi đốt cháy hỗn hợp khí gồm 4% mol C2H2 là thấp hơn. Ngồi ra, giá trị này cĩ thể so sánh với H.gen [24] với 7% mol ở phần trăm O2 dư là 21. Lý do thứ ba, hỗn hợp khí phù hợp với nghiên cứu trước đây về sự đốt cháy của hỗn hợp C2H2 này [24] trong CVCC.

Phản ứng dây chuyền

Trong số các cơng trình đã cơng bố thì lý thuyết về phản ứng dây chuyền nhiệt của Viện sỹ Xêmênốp được sử dụng rộng rãi để giải thích cơ chế của q trình cháy.

Tĩm tắt lý thuyết phản ứng dây chuyền nhiệt như sau:

Trong quá trình nén, các phân tử của hỗn hợp cơng tác (trong đĩ cĩ các phân tử nhiên liệu và phân tử ơxy) chuyển động hỗn loạn theo chuyển động Brao và va chạm với nhau. Khi năng lượng va chạm (bao gồm động năng và năng lượng hố trị) vượt quá một giới hạn nào đĩ gọi là năng lượng kích động thì phản ứng mới xảy ra. Sản

46

phẩm là các phần tử cĩ ái lực hố học rất cao gọi là phần tử hoạt tính. Các phần tử hoạt tính mới sinh ra lại phản ứng với các phân tử khác tạo ra các phần tử hoạt tính mới trong các phản ứng phân nhánh. Ví dụ, đầu tiên do va chạm, một phân tử hydro (của nhiên liệu) phân thành hai nguyên tử hydro. Các nguyên tử hydro lại tiếp tục phản ứng với các phân tử khác tạo ra các phần tử hoạt tính mới theo chuỗi sau:

H2→ 2H

2H + 2O2→ 2OH + 2O 2OH + 2H2 → 2H2O + 2H

2O + 2H2→ 2OH + 2H

Cứ như vậy, các phần tử hoạt tính tích tụ ngày càng nhiều trong quá trình phân nhánh. Tuy nhiên, cũng cĩ những va chạm khơng sinh ra các phần tử hoạt tính như va chạm với thành bình hay va chạm với khí trơ. Khi đĩ xảy ra hiện tượng đứt nhánh làm mất đi số phần tử hoạt tính. Khi số phần tử hoạt tính sinh ra lớn hơn số phần tử mất đi thì số phần tử hoạt tính tích tụ được ngày càng nhiều và đạt đến một giới hạn nào đĩ thì phản ứng tăng tốc tới phát hoả tức là hỗn hợp bốc cháy. Trong trường hợp ngược lại, quá trình cháy khơng xảy ra. Các phản ứng ơxy hố các-bua-hydro trong nhiên liệu diễn ra theo cơ chế dây chuyền và đều là phản ứng toả nhiệt. Vì vậy mơi chất trong quá trình phản ứng cũng được tự sấy nĩng làm xúc tiến quá trình phát hoả. Do đĩ lý thuyết của Viện sỹ Xêmênốp trình bày ở trên được gọi là lý thuyết về phản ứng dây chuyền nhiệt.

Thời gian cháy trễ

Thời gian tính từ lúc phun nhiên liệu cho đến khi quá trình cháy thực sự diễn ra với sự tăng vọt về áp suất và nhiệt độ trong xylanh gọi là thời gian cháy trễ (s) tương ứng với gĩc i(0TK). Độ trễ cháy được đặc trưng trong độ trễ vật lý, nĩ cĩ liên quan tới độ phun tơi, bốc hơi và hịa trộn của nhiên liệu [1]. Điều này phụ thuộc vào thuộc tính vật lý cũng như độ nhớt của nhiên liệu, nồng độ của nhiên liệu và nhiệt độ trưng cất của nhiên liệu. Trong khi độ trễ hĩa học là do sự kết hợp của thành phần hĩa học, cấu trúc, nhiệt độ, áp suất và nồng độ mol của ơxy. Trong nghiên cứu này độ trễ đánh lửa được định nghĩa là thời gian kể từ khi phun nhiên liệu (SOI) đến khi bắt đầu suất hiện tia lửa (SOC), nơi mà tỉ lệ giải phĩng nhiệt được phục hồi từ giá trị âm vì sự hấp thụ nhiệt (Hình 2. 13).

47

Trong CVCC thời gian cháy trễ được tính theo cơng thức đề suất của D.R. Haylett [97].

𝜏 = 2,64. 10−4. 𝑝−0,82. ∅−0,70. 𝑒𝑥𝑝 (24980

𝑅𝑇 ) (2.39)

Trong đĩ:

τ: thời gian cháy trễ (ms)

φ: tỉ lệ tương đương

T: nhiệt độ xung quanh (K)

R : hằng số chất khí (8,314 kJ/mol.K) p: áp suất (bar)

Tốc độ tỏa nhiệt

Tỏa nhiệt [72] của nhiên liệu trong động cơ đốt trong được xác định theo cơng thức: 𝑑𝑄 𝑑𝑡 = 𝛾 𝛾−1. 𝑃.𝑑𝑉 𝑑𝑡 + 1 𝛾−1. 𝑉.𝑑𝑃 𝑑𝑡 (2.40) Trong đĩ: 𝛾 = Cp/Cv

Cp Nhiệt dung riêng đẳng áp Cv Nhiệt dung riêng đẳng tích 𝑑𝑉

𝑑𝑡 Biến thiên thể tích theo thời gian, m3/s 𝑑𝑄

𝑑𝑡 Biến thiên áp suất theo thời gian, Pa/s P Áp suất trong buồng cháy, Pa V Thể tích buồng cháy, m3

Trong nghiên cứu này, thể tích buồng cháy là khơng đổi (CVCC), cơng thức trên trở thành: 𝑑𝑄 𝑑𝑡 = 1 𝛾−1. 𝑉.𝑑𝑃 𝑑𝑡 (2.41) 2.5. Kết luận chương 2

Nghiên cứu đã lựa chọn C2H2 làm nhiên liệu mồi với những ưu điểm: tốc độ cháy nhanh, khi cháy tạo ra nhiệt độ, áp suất cao và ít độc hại đối với người sử dụng.

Nghiên cứu đưa ra phương pháp xác định thành phần phần trăm của ơxy sau khi CNLM và giới hạn cháy của nhiên liệu.

Đưa ra các phương án tạo hỗn hợp trong buồng cháy CVCC với các giải pháp phun nhiên liệu trước và sau thời điểm CNLM. Trong hai phương án trên, phương án phun nhiên liệu trước thời điểm CNLM tạo ra quá trình cháy tựa HCCI trong CVCC.

Để nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hơp và cháy HCCI trong buồng cháy này, nghiên cứu lựa chọn phương phun nhiên liệu vào buồng cháy trước thời điểm CNLM,

48

sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail kết hợp với vịi phun nhiều lỗ, hệ thống quạt hịa trộn và gia nhiệt buồng cháy để nhiên liệu bay hơi và hịa trộn tốt hơn. Bên cạnh đĩ, nghiên cứu về cơ chế phá vỡ chất lỏng và cấu trúc của tia phun để đưa ra giải pháp hỗ trợ giúp cho quá trình hịa trộn hỗn hợp được đồng nhất hơn.

49

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CVCC

Để nghiên cứu được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong buồng cháy CVCC tại Việt Nam. Trước tiên phải thiết kế, chế tạo thành cơng hệ thống CVCC tại Việt Nam. Sau đĩ tiến hành nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy HCCI trong CVCC. Dưới đây là quy trình thiết kế hệ thống CVCC (Bảng 3. 1).

Bảng 3. 1. Quy trình thiết kế, chế tạo hệ thống CVCC

TT Nội dung thiết kế Yêu cầu

Bước 1. Thiết kế buồng cháy CVCC Buồng cháy đảm bảo hoạt động an tồn với áp suất 80 bar

Bước 2. Thiết kế hệ thống điều khiển CVCC

Điều khiển chính xác thời gian và thời điểm hoạt động của hệ thống liên quan

Bước 3. Thiết kế hệ thống nhiên liệu

áp suất cao common rail Đảm bảo tạo ra áp suất ở vời phun 1500 bar Bước 4. Thiết kế hệ thống cung cấp

khí nạp, thải

Đảm bảo cung cấp đúng, đủ lượng khí theo yêu cầu và thải sạch sản phẩm cháy ra ngồi

Bước 5. Thiết kế hệ thống đánh lửa Đảm bảo cung cấp nguồn điện 20000 ÷ 40000 V và đánh lửa đúng thời điểm. Bước 6. Thiết kế hệ thống sấy Đảm bảo cung cấp nhiệt độ sấy theo yêu

cầu của hệ thống

Bước 7. Thiết kế hệ thống thơng tin Ghi lại tồn bộ diễn biến của quá trình cháy theo thời gian thực

3.1. Thiết kế chế tạo CVCC

Cơ sở lựa chọn áp suất và nhiệt độ

Các động cơ diesel hiện nay thường cĩ tỉ số nén từ 16-28, với áp suất trong xy lanh trong động cơ dao động từ 60-90 bar [7]. Khi phân tích các nghiên cứu về q trình cháy cho động cơ theo HCCI áp suất của quá trình cháy thường nhỏ hơn 80 bar ở tất cả các chế độ hoạt động của động cơ [83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 100]. Ngồi ra, khi phân tích một số nghiên cứu khác ở trong nước cũng cho thấy rằng áp suất trong buồng cháy động cơ truyền thống nhỏ hơn 80 bar [3, 6, 8]. Vì vậy, trong nghiên cứu này tác giả chọn lựa áp suất lớn nhất của buồng cháy là 80 bar để đảm bảo an tồn khi nghiên cứu quá trình cháy HCCI trong buồng cháy.

Sơ đồ bố trí chung và yêu cầu đối với buồng cháy CVCC