v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.2.2. Cơ sở lý hóa của quá trình cháy
2.2.2.1. Phản ứng dây chuyền nhiệt
Trong số các công trình đã công bố thì lý thuyết về phản ứng dây chuyển nhiệt của Viện sỹ Xêmênốp được sử dụng rộng rãi để giải thích cơ chế của quá trình cháy.
Tóm tắt lý thuyết phản ứng dây chuyền-nhiệt như sau:
Trong quá trình nén, các phân tử của hỗn hợp công tác (trong đó có các phân tử nhiên liệu và phân tử ô-xy) 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 hoá tri) vượt quá một giới hạn nào đó gọi là năng lượng kích động thì phản ứng mới xảy ra. Sản phẩm là các phần tử có ái lực hoá 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 hy-drô (của nhiên liệu) phân thành hai nguyên tử
34
hy-drô. Các nguyên tử hy-drô 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, c ng có những va chạm không sinh ra các phần tử hoạt tính như va chạm với thành bình hay va chạm với khí trơ. Khi đó xảy ra hiên 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 đó thì phản ứng tăng tốc tới phát hoả tức là hỗn hợp bốc cháy. Trong trường hợp ngược lại, quá trình cháy không xảy ra.
Các phản ứng ô-xy hoá các-bua-hy-drô trong nhiên liêu diễn ra theo cơ chế dây chuyền và đều là phản ứng toả nhiệt. Vì vậy môi chất trong quá trình phản ứng c ng được tự sấy nóng làm xúc tiến quá trình phát hoả. Do đó lý thuyết của Viện sỹ Xêmênốp trình bày ở trên được gọi là lý thuyết về phản ứng dây chuyền-nhiệt.
2.2.2.2. Sự châm cháy nhiên liệu trong xylanh
Quá trình châm cháy trong động cơ Diesel có thể chia thành hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1: là giai đoạn hình thành ngọn lửa nguội. Ở nhiệt độ thấp, các phần tử
nhiên liệu không bị phân hủy mà chỉ tác dụng với oxy tạo thành các peoxit, phản ứng này ít tỏa nhiệt. Theo thời gian, sự tích tụ các peoxit ngày một tăng. Khi nồng độ của nó vượt quá một giá trị giới hạn nào đó thì liên kết bên trong phân tử bị phá vỡ dẫn tới hình thành các phần tử hoạt tính kèm theo hiện tượng phát quang yếu gọi là ngọn lửa nguội . Đặc trưng của giai đoạn này là sự thay đổi áp suất và nhiệt độ rất ít, gọi là giai đoạn cháy trễ ngọn lửa nguội.
- Giai đoạn 2: là giai đoạn tích tụ các phần tử hoạt tính cho đến khi phản ứng dây
chuyền kết thúc bằng sự nổ nhiệt và xuất hiện ngọn lửa nóng . Do phản ứng dây chuyền tiếp tục, các phần tử hoạt tính xuất hiện ở cuối giai đoạn 1 được bổ sung ngày một nhiều. Khi tốc độ phản ứng dây chuyền đạt đến một giá trị nào đó, phản ứng tự gia tốc với mức độ ngày càng lớn xảy ra sự nổ nhiệt và ngọn lửa thực sự xuất hiện, nhiên liệu thực sự tự châm cháy. Nhiệt độ và áp suất trong giai đoạn này tăng dần cho đến khi tăng vọt ở giai đoạn cuối.
2.2.2.3. 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 góc i(0TK). Thời gian cháy trễ phụ thuộc chủ yếu vào loại nhiên liệu (số Xe, khối lượng riêng, độ nhớt..) nhiệt độ và áp suất tại thời điểm phun, mức độ chuyển động rối của môi chất, phương pháp hình thành hỗn hợp... và rất khó xác định bằng tính toán. Trong các tài
35
liệu chuyên khảo về động cơ có thể tìm thấy các công thức thực nghiệm để tính cho những trường hợp cụ thể.
2.2.2.4. Quy luật cháy và tốc độ tỏa nhiệt
Quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu với ôxy của không khí mang đặc tính cháy dây chuyền, có ngh a là sự biến đổi của hỗn hợp đó trong các phản ứng cháy tiến hành thông qua nhiều giai đoạn, trong đó các chất hoạt tính về mặt hóa học được tạo thành và tác dụng lien tục với những chất ban đầu và c ng như với chính bản than chúng.
Quy luật cháy x và tốc độ cháy của nhiên liệu là những quy luật quan trọng trong quá trình nghiên cứu động học và các quá trình phát triển nhiệt độ T và áp suất p trong xylanh.
Quy luật tỏa nhiệt khi cháy là lượng nhiệt được giải phóng thông qua quá trình cháy của nhiên liệu và không khí và phát triển theo thời gian của quá trình cháy. Quy luật tỏa nhiệt khi cháy rất quan trọng quyết định tới công suất và tính kinh tế của động cơ và phụ thuộc vào quy luật cháy của nhiên liệu.