Để xỏc định lượng nhiệt truyền từ khớ chỏy ra thành buồng chỏy trong hệ phương trỡnh nhiệt động ở trờn, cần phải xỏc định nhiệt độ của cỏc chi tiết piston, xylanh và nắp xylanh. Trong giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm mỏy, nhiệt từ khớ chỏy truyền cho thành buồng chỏy chủ yếu làm núng cỏc chi tiết này. Do vậy, quỏ trỡnh truyền nhiệt ở đõy là khụng ổn định. Trạng thỏi nhiệt của cỏc chi tiết được tớnh toỏn dựa trờn nguyờn lý cõn bằng nhiệt và tớch nhiệt [13, 14].
Phương trỡnh cõn bằng nhiệt của piston:
( ) ( )
piston piston rings skirt piston oil con piston con dT Q Q Q Q Q dt mc mc − − − − − = + (3.44) Ở đõy:
Tpiston là nhiệt độ trung bỡnh của piston.
(mc)piston và (mc)con là nhiệt dung riờng của piston và thanh truyền.
Qpiston là nhiệt truyền từ khớ chỏy cho đỉnh piston. Nú bao gồm nhiệt sinh ra do
hỗn hợp khớ chỏy truyền đến đỉnh piston, đú là tớnh từ phương trỡnh (3.23) và (4.24) và nhiệt sinh ra từ ma sỏt giữa piston và thành xylanh. Tuy nhiờn, do piston núng lờn nhanh hơn nhiều so với tường xylanh, nú là giả định rằng năng lượng nhiệt ma sỏt sẽ tiờu tan vào thành xylanh.
Qoil là nhiệt truyền cho dầu ở mặt dưới piston:
Qoil =hA T( piston −Toil) (3.45)
Ở đõy:
A là diện tớch truyền nhiệt.
Qrings +Qskirt là tổng nhiệt truyền từ piston cho thành xylanh qua xộc măng và
vỏy piston và được xỏc định theo cụng thức:
Qrings +Qskirt =(UA) (r s− Tpiston −Tliner) (3.46)
Ở đõy:
Tliner là nhiệt độ trung bỡnh của thành xylanh.
U là hệ số truyền nhiệt chung cho xộc măng và piston. A là diện tớch truyền nhiệt.
Qcon là nhiệt truyền từ piston cho thanh truyền, được xỏc định theo cụng thức kinh nghiệm:
con 0.10 piston[1 ( )piston ( )con pison] piston mc mc dT Q Q Q dt + = − (3.47)
Nhiệt truyền cho dầu:
Nhiệt truyền từ nắp xylanh tới đường dẫn dầu là:
Qhead oil− =(mc) (oil Thead −Toil in− ) (3.48)
Cần chỳ ý đến nhiệt năng phỏt sinh do ma sỏt và nhiệt tỏa ra mụi trường bờn ngoài. Phương trỡnh cõn bằng nhiệt của thựng dầu cú thể viết như sau:
( ) ( oil) ( )( )
piston oil head oil pump crank con oil crank oil amb oil amb
dT Q Q Q Q Q mc T T hA dt − + − + + + = + − − − (3.49) Ở đõy:
Qpump và Qcrank là nhiệt lượng định mức cú được do ma sỏt trong bơm dầu và
al., 1989) [12]. Ở tốc độ khụng tải, tổng nhiệt ma sỏt của động cơ bằng chu trỡnh làm việc của động cơ.
Phương trỡnh cõn bằng nhiệt của thõn xylanh:
1 [ ( ) ( )]
( )
block
block blc block block amb block
dT
Q Q hA T T
dt = mc − − − (3.50)
Ở đõy:
Qblock là nhiệt truyền cho thành xylanh từ khớ thể và từ piston và nhiệt phỏt sinh
do ma sỏt giữa xylanh và piston, ma sỏt này bằng 53% tổng ma sỏt động cơ [12] (Patton et al., 1989).
Qblc là nhiệt truyền từ thành xylanh ra ngoài:
[ 1 ]( ) ( ) cbl blc cf cbl dT Q Q dt = mc − (3.51)
Qcf =(mc& )cool(Tcool in− −Tcool out− ) (3.52)
Phương trỡnh cõn bằng nhiệt của nắp mỏy:
1 [ ( ) ( )]
( )
head
head exhaust hdc oil head oil in head
dT
Q Q Q mc T T
dt = mc + − − & − − (3.53) Ở đõy:
Qhead là nhiệt truyền từ khớ chỏy trong xylanh tới nắp mỏy và được tớnh ở
phương trỡnh (3.23) và (3.24).
Qhdc là nhiệt lượng truyền từ nắp mỏy cho nước làm mỏt.
Qexhaust là nhiệt lượng đó truyền từ khớ xả cho nắp mỏy tại cửa thải và cú thể tớnh
theo cụng thức sau:
Qexhaust =hportAport(Tg −Tport) (3.54)
Tg và Tport là nhiệt độ của khớ và thành cửa tại cửa xả tương ứng.
hport là hệ số truyền nhiệt trung bỡnh giữa khớ xả và thành cửa xả và cú thể tớnh
theo cụng thức như sau (Kaplan and Heywood, 1991) [10]:
hport =0.25hevo +0.75hevc (3.55)
Ở đõy: hevo và hevclà hệ số truyền nhiệt giữa khớ xả và thành cửa xả trong khi xupap xả mở và xupap xả đúng và cú thể tớnh theo cụng thức của Caton and Heywood [1]:
Nuevo evo 0.4Re0.6 g
h d k
= = (3.56)
Nuevc evc 0.022Re0.8 g
h d k
= = (3.57)
Ở đõy: Nuevo và Re là số Nusselt và số Reynolds của khớ xả tại cửa xả khi xupap xả mở; Nuevc và Re là số Nusselt và số Reynolds trung bỡnh của khớ xả tại cửa xả khi xupap xả đúng; d đường kớnh cửa xả; kg là hệ số dẫn nhiệt của khớ.
Hỡnh 3.1: Hệ thống nhiệt động lực học của quỏ trỡnh đốt chỏy nhiờn liệu
Pitụng l Q& 1 1h m& Pisto n W& l lh m& Thể tớch khớ nạp Thải
Hỡnh 3.2 : Sơ đồ truyền nhiệt của động cơ
Cỏc phương trỡnh trờn tạo thành hệ phương trỡnh vi phõn tuyến tớnh và được giải bằng phương phỏp Runge-kutta kết hợp với việc giải cỏc phương trỡnh nhiệt động với giả thiết nhiệt độ của piston, thành xylanh và nắp mỏy khụng đổi trong mỗi chu kỳ cụng tỏc của động cơ.
Sau khi xỏc định được nhiệt độ và ỏp suất tại từng vựng ta cú thể sử dụng để tớnh toỏn nồng độ khớ xả tạo thành trong xylanh. Ta chia số vựng theo khối lượng khớ
nạp trong xylanh mi m i Σ = T b 1 T b 2 T b 3 T b 4T b n T u Pisto n Nắp mỏy Thõn xi lanh Qpiston Qhea d Qex h Qvalv Qfriction Qring sQskir t Qliner Dầu cỏc te Qoil Bơmdầu Qout Q out Qout Qout
CHƯƠNG 4. Mễ HèNH HểA QUÁ TRèNH TẠO NOX TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG
4.1. Đặt vấn đề
NOx hỡnh thành từ phản ứng oxy húa nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của quỏ trỡnh chỏy. Vỡ vậy, nhiệt độ là nhõn tố rất quan trọng cho quỏ trỡnh hỡnh thành NOx. Cú thể núi NOx rất nhạy cảm với nhiệt độ.
Trong xylanh từ lỳc bật tia lửa điện đến lỳc chỏy hoàn toàn nhiờn liệu, nhiệt độ tại từng vựng là rất khỏc nhau. Do đú ỏp dụng mụ hỡnh hai vựng để tớnh nồng độ NOx tạo thành trong xylanh sẽ cho sai số tương đối lớn so với tớnh toỏn theo mụ hỡnh đa vựng. Sau đõy ta sẽ trỡnh bày phương phỏp mụ hỡnh húa quỏ trỡnh tạo NOx trong động cơ xăng để đưa ra kết quả cho nhận định trờn .