CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG
5.4 MÔ PHỎNG SỰ CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG
Hình - Sơ đồ phát triển màng lửa và tốc độ cháy Hình - Sơ đồ phát triển màng lửa và tốc độ cháy
Trong đó:
Vo
Vu Vb
b o b
n
u
dV V V
1 1 dP
S A dt A P dt
Ss S
g
P: Áp suất trong buồng cháy
Ss: Tốc độ lan tràn màng lửa tuyệt đối
Sg: Tốc độ dịch chuyển màng lửa do khí cháy giản nở
Sn: Tốc độ cháy cơ bản
u trong công thức (giả sử khí cháy chịu nén đoạn nhieọt) PC.uu
5.4.1 Mô hình cháy 2 khu vực
Hình - Hỗn hợp đồng nhất trước khi cháy Quá trình tính toán được chia làm 3 giai đoạn:
5.4.1.1. Giai đoạn A:
Giả sử môi chất chỉ chịu nén từ V1 đến V2 và mất moat nhiệt dQm mà không cháy. Ảnh hưởng của phản ứng cháy không đáng kể. Các điều kiện cuối được viết:
m vm
R / c
' 1 m
m ml
2 vm
V dQ
T T
V vc
� �� �
� � Và:
' 1 1 m
2 ml
p V T p' V T
Trong đó các biến số mang dấu phẩy chỉ trạng thái trung gian.
5.4.1.2. Giai đoạn B:
Hình thành tâm màng lửa. Áp suất của sản vật cháy trong tâm màng lửa p”:
"
R Tp p
p"
Mm, Vm, Tm, pm Mp, Vp, Tp, pp
mm2 = m - mp
Và nội năng tổng cộng của môi chất công tác trong xylanh là:
U = mm2.u’m + mp.u”p
5.4.1.3. Giai đoạn C:
Cân bằng áp suất và nội năng không thay đổi.
Nội năng của môi chất trong xylanh cuối giai đoạn C là:
U = mm2.um2 + mp.up2
Vì nội năng hỗn hợp trước và sau giai đoạn C không thay đổi nên:
mm2.u’m + mp.u”p = mm2.um2 + mp.up2
Hay: m2 vm m' m2' "p vp p" p2"
m p
T T
m c T 1 m c T 1
T T
� �
� �
� �
� � � �
� � � �
Vì quá trình C là đoạn nhiệt nên:
m 1 / m
m2 2
' '
m
T p
T p
� �� �
� �
p 1 / p
p2 2
" "
p
T p
T p
� �� �
� � Và:
'
2 2 2 m m
"
p p
p p .p' p R. .T p" p' p" p' R T Suy ra: 1 A 1 B
Trong đó:
m2 ' m
T
T ; m p
m p
1 1
p
2 p
"
p v p '
m v m
m c T
A m c T ;
p 1 / p
' m m
"
p p
B R T R T
� �
�� ��
� �
Giải phương hệ phương trình trên ta tính được Tm2, Tp2 và p2.
5.4.1.4. Lan tràn màng lửa theo mô hình hai khu vực:
Hỗn hợp ban đầu là đồng nhất
Áp suất trong xylanh đồng đều tại mỗi thời điểm khảo sát.
Thể tích do màng lửa chiếm chỗ không đáng kể.
Sản vật cháy ở trạng thái nhiệt động học
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp cháy là đồng nhaát.
Không có sự truyền nhiệt giữa sản vật cháy và khí chưa cháy.
Nội năng toàn hệ thống:
U = mm.um + mp.up
Định luật nhiệt động học thứ nhất:
dQ dU dW d d d
Hay: dV dVm dVp d d d
Phương trình trạng thái khí lý tưởng:
m m m
m
m R T
V p
p p p p
m R T V p
Suy ra: p m p m m m p p p
p m
V V dm m R dT m R dT
dV V dp
d m m d p d p d p d
� �
�� ��
� �
vp m p vm vp m m
p m vp p m
p p pm pm p
c R dm c c R dQ
dp 1 pdV u u c T T dQ
d R d R d c c R d d
� �
� � � � � �
�� �� � �� ��� �� ��
� � �� � ��� � �
Trong đó: vp m m vm m vp
pm p pm p
c R V c V c V
c R c R
Từ đó ta xác định được lượng nhiệt truyền qua thành từ sản vật cháy và từ hỗn hợp khí chưa cháy:
p wp p
Q F
m wm m
Q F
Tốc độ truyền nhiệt tổng cộng qua thành:
m dQp
dQ dQ
d d d
Giải phương trình trên ta tìm được Tm, Tp và p.
5.4.2 Mô hình 3 khu vực tính quá trình cháy phân lớp
Quá trình cháy bắt đầu sau khi kết thúc quá trình phun nhưng nhiên liệu chưa kịp khuếch tán đồng đều trong buồng cháy
Quá trình cháy phân lớp của động cơ đánh lửa cưỡng bức, phun trực tiếp.
Cháy cưỡng bức của hỗn hợp không đồng nhất.
Độ đặc () tổng quát của hỗn hợp rất thấp.
Thành phần hỗn hợp tối ưu xuất hiện tại khu vực quanh nến đánh lửa ở thời điểm bật tia lửa địên.
Phối hợp chặc chẽ giữa thời điểm kết thúc phun và thời điểm đánh lửa. Sau thời điểm kết thúc phun khoảng 70 (theo góc quay trục khuỷa) là bắt đầu thời điểm đánh lửa.
Quá trình cháy trong động cơ chịu ảnh hưởng của sự vận động dòng khí trong buồng cháy. Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất trong buồng cháy chịu ảnh hưởng đồng thời của quá trình toả nhiệt và sự chuyển động của pittong làm thay đổi thể tích. Quá trình cháy bắt đầu từ khi tia lửa xuất hiện giữa hai điện cực của nến đánh lửa, hỗn hợp nhiên liệu-không khí bốc cháy. Khí cháy giãn nở, nén và đẩy dồn hỗn hợp chưa cháy về phía thành buồng cháy và ngược lại đẩy sản vật cháy về phía nến đánh lửa. Các bộ phận hỗn hợp khí chưa cháy có nhiệt độ và áp suất khác nhau trước khi cháy vì vậy kết thúc sự cháy ở những
Sản phẩm cháy (p)
i
j
n
Vòi phun
Vùng đang cháy (b)
Hỗn hợp ch a cháy(m)
+ Vùng đang cháy (b) hay còn gọi là vùng phản ứng hay màng lửa. Vùng đang cháy chiếm thể tích tới hạn V0, thành phần hỗn hợp trong đó có thể xem là đồng nhất.
Màng lửa có dạng hình chỏm cầu. Màng lửa lan tràn mọi hướng đến vùng hỗn hợp chưa cháy. Quá trình cháy kết thúc khi hỗn hợp đã hết nhưng màng lửa không nhất thiết lan tràn đến điểm xa nhất của buồng cháy.
+ Vùng hỗn hợp chưa cháy (m) chiếm đại bộ phận thể tích, thành phần hỗn hợp thanh đổi trong không gian buồng cháy. Độ đậm đặc của hỗn hợp () lớn nhất tại vòi phun và giảm dần khi ra xa vòi phun.