CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.2 Cơ sở lý thuyết mơ phỏng q trình cơng tác của động cơ sử dụng xăng và
2.2.3 Điều kiện biên
2.2.3.1 Mơ hình cháy
Mơ hình cháy Fractal thích hợp cho mơ phỏng hỗn hợp hình thành từ bên ngồi, đối với động cơ xăng thơng số cơ bản điều chỉnh cháy là thay đổi thời gian cháy và thời điểm đánh lửa.
Mơ hình cháy Fractal thực sự hiệu quả đối với ngọn lửa phát triển tồn bộ và xốy lốc mở rộng tự do.
2.2.3.2 Mơ hình truyền nhiệt a) Truyền nhiệt trong xi lanh:
Tổn thất nhiệt qua vách hay quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xi lanh, pittơng, và lót xi lanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau [77]:
𝑄𝑤𝑖 = 𝐴𝑖.𝛼𝑤. (𝑇𝑐 − 𝑇𝑤𝑖) (2.4) Trong đó:
Qwi: nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xi lanh, pittơng, lót xi lanh) Ai : diện tích truyền nhiệt (nắp xi lanh, pittơng, lót xi lanh)
𝛼W : hệ số truyền nhiệt
Tc : nhiệt độ môi chất trong xi lanh
Twi : nhiệt độ thành (nắp xi lanh, pittơng, lót xi lanh).
Hệ số truyền nhiệt có thể tính tốn theo một trong các mơ hình sau: Woschni 1978, Woschni 1990, Hohenberg, Lorenz (chỉ dùng cho động cơ có buồng cháy ngăn cách), AVL 2000 Model, Bargende. Trong đó mơ hình Woschni được cơng bố năm 1978 thường được sử dụng.
b) Truyền nhiệt tại cửa nạp, cửa thải
Trong q trình qt khí, việc lưu tâm đến quá trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải là hết sức quan trọng. Q trình này có thể lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy trong đường ống đơn giản do hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cao trong vùng giữa xupáp và đế xupáp được mơ tả trong các phương trình (2.6) [78].
Td = (Tu − Tw). e(−Aw.
αp
Đối với dòng chảy ra:
αp = [ C4+ C5. Tu − C6. Tu2]. Tu0,44. ṁ0,5. dvi−1,5. [1 − 0,797.hv dvi]
(2.6)
Đối với dòng chảy vào:
αp = [ C7+ C8. Tu− C9. Tu2]. Tu0,33. ṁ0,68. dvi−1,68. [1 − 0,765. hv dvi]
(2.7)
Trong đó:
αp: hệ số trao đổi nhiệt tại cửa Td: nhiệt độ sau cửa
Tu: nhiệt độ trước cửa TW: nhiệt độ thành cửa
AW: diện tích tiết diện lưu thơng 𝑚̇: lưu lượng khối lượng Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp hv: độ nâng xupáp
dvi: đường kính trong của đế xupáp.
2.2.3.3 Mơ hình hình thành phát thải
Q trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocacbon với khơng khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong q trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong ln có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như NOx, CO và HC. Nồng độ các chất ơ nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành.
Một trong những thơng số có tính tổng qt ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng khơng khí 𝜆. Động cơ đánh lửa cưỡng bức
thường làm việc với hệ số dư lượng khơng khí 𝜆 ≈ 1. Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độ cháy thấp, đơi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm tăng nồng độ HC trong khí thải. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ơ nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx.
Nói chung tất cả những thơng số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ơ nhiễm trong khí xả.
a) Mơ hình hình thành khí thải NOx
NOx trong khí thải của động cơ đốt trong chủ yếu được hình thành do q trình ơxy hóa N2 có trong khơng khí nạp vào động cơ. Trong khí thải của động cơ đốt trong, NO chiếm tỷ lệ lớn nhất trong NOx.
Cơ chế hình thành phát thải NOx trong động cơ đốt trong dựa trên mơ hình động lực học phản ứng cơ sở Pattas và Hafner. Quá trình hình thành NOx được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich (Bảng 2.1). Q trình tính tốn bắt đầu từ thời điểm xảy ra q trình cháy.
Bảng 2.1 Phương trình phản ứng hình thành NOx theo cơ chế Zeldovich [79]
Phản ứng Tốc độ ki = k0,i. Ta. e(−TAiT ) 𝑘0 [cm3/mol.s] a [-] TA (K) N2 + O = NO + N r1 = k1.cN2.cO 4,93 x 1013 0,0472 38048 O2 + N = NO + O r2 = k2.cO2.cN 1,48 x 108 1,5 2859,01 N + OH = NO + H r3 = k3.cN.cOH 4,22 x 1013 0,0 0,00 N2O + O = NO + NO r4 = k4.cN2O.cO 4,58 x 1013 0,0 12130,6 O2 + N2 = N2O + O r5 = k5.cO2.cN2 2,25 x 1010 0,825 50569,7
OH + N2 = N2O + H r6 = k6.cOH.cN2 9,14 x 107 1,148 36190,6
b) Mơ hình hình thành CO
Mơ hình hình thành CO dựa trên hai phản ứng sau:
Phản ứng Tốc độ
1 CO + OH = CO2 + H 𝑟1 = 6,76. 1010. 𝑒1102𝑇 . 𝑐𝐶𝑂. 𝑐𝑂𝐻
2 CO + O2 = CO2 + O 𝑟2 = 2,51. 1012. 𝑒−24055𝑇 . 𝑐𝐶𝑂. 𝑐𝑂2
c) Mơ hình hình thành HC
Sự hình thành HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể được giải thích theo các cơ chế sau:
- Sự tôi màng lửa khi tiếp xúc với thành tạo ra một lớp hỗn hợp không bị bén lửa trên mặt thành buồng cháy (gọi là hiệu ứng sát vách).
- Hỗn hợp chứa trong không gian chết không cháy do màng lửa bị dập tắt. - Hơi nhiên liệu hấp thụ vào lớp dầu bôi trơn trên thành xi lanh trong giai đoạn nạp và nén và thải ra trong giai đoạn giãn nở và cháy.
- Sự cháy khơng hồn tồn diễn ra ở một số chu trình làm việc của động cơ (cháy cục bộ hay bỏ lửa) do sự thay đổi độ đậm đặc, thay đổi góc đánh lửa sớm hay hồi lưu khí xả, đặc biệt khi gia giảm tốc độ. Khí thải của động cơ xăng thường chứa khoảng 1÷2,5% lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ.
Phương trình tổng quát về tốc độ hình thành HC [80]: dCHC dt = −Fox. Aox. exp ( −TOx T ) . CO2. CHC (2.8)
với CO2, CHC: nồng độ của O2 và HC (kmol/m3) FOx: tham số
TOx: Nhiệt độ phản ứng, thông thường TOx = 18790K AOx: Hệ số tần số, AOx = 7,7.1012 [m3/kmol/s]
Nhiên liệu sẽ cháy khơng hồn tồn ở những khu vực thiếu ôxy, hàm lượng HC trong khí thải cũng sẽ tăng khi nhiên liệu khơng được đốt cháy hoàn toàn. Khi pha trộn DMF vào xăng, do lượng ơxy có sẵn trong DMF làm giảm sự thiếu ơxy cục bộ có khả năng giúp q trình cháy tốt hơn. Thêm vào đó do nhiệt hóa hơi của hỗn hợp xăng pha DMF cao hơn nên nhiệt độ môi chất nạp giảm, hệ số nạp tăng lên cũng làm cho nhiên liệu cháy triệt để hơn.
2.2.3.4 Mơ hình nhiên liệu
Nhiên liệu sử dụng trong tính tốn cần được định nghĩa đầy đủ các tính chất lý, hóa, nhiệt như: cơng thức hóa học, tỷ lệ % nguyên tử C, O, H trong phân tử, các phản ứng hóa học, nhiệt độ sơi, mật độ của nhiên liệu, nhiệt trị thấp. Dựa trên các cơ sở dữ liệu này, các phản ứng cháy với khơng khí cũng như đặc tính nhiệt động học của mỗi nhiên liệu được xác định và tính tốn theo các phương trình sau đây [81]:
𝑐𝑝 𝑅 = 𝑎1+ 𝑎2𝑇 + 𝑎3𝑇 + 𝑎4𝑇 3+ 𝑎5𝑇4 (2.9) 𝐻𝑜 𝑅𝑇 = 𝑎1+ 𝑎2 2 𝑇 + 𝑎3 3 𝑇 2+𝑎4 4 𝑇 3+𝑎5 5 𝑇 4+𝑎6 𝑇 (2.10) 𝑆𝑜 𝑅𝑇 = 𝑎1. 𝑙𝑛𝑇 + 𝑎2𝑇 + 𝑎3 2 𝑇 2+𝑎4 3 𝑇 3+𝑎5 4 𝑇 4+ 𝑎7 (2.11) Trong đó: T là nhiệt độ; R là hằng số chất khí;
Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp;
H0 và S0 lần lượt là entanpi và entropi;