v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.5.2. Mô hình cháy AVL-MCC
2.5.2.1. Lý thuyết chung về mô hình cháy AVL – MCC
Mô hình cháy AVL - MCC dự đoán được tỷ lệ lượng nhiệt trao đổi và lượng NOx hình thành trên động cơ diesel dựa vào khối lượng nhiên liệu và năng lượng động học rối của vòi phun nhiên liệu. Mô hình đòi hỏi số lượng lỗ phun, đường kính lỗ phun, hệ số bóp dòng của các lỗ phun và áp suất đường ống phun để tính hiệu suất phun hiệu dụng, tốc độ và từ đó tính năng lượng động học của tia nhiên liệu. Các thông số sau dùng để điều khiển tốc độ truyền nhiệt và hình thành NOx:
1) Qúa trình cháy trễ là một nhân tố làm kéo dài quá trình cháy
2) Các thông số của buồng cháy là nhân tố quan trọng nhất trong mô hình ROHR, nó làm cho quá trình cháy diễn ra nhanh hơn và thu được kết quả tốt hơn.
48
3) Các thông số của chuyển động xoáy lốc ảnh hưởng tới năng lượng động học rối trong khi đó các thông số của quá trình khuếch tán ảnh hưởng tới năng lượng động học khuếch tán.
4) Thông số của quá trình khuếch tán điều khiển quá trình xoáy lốc 5) Thông số của quá trình hình thành NOx ảnh hưởng tới NOx sinh ra
6) Ảnh hưởng quá trình luân hồi và các thông số điều khiển quá trình luân hồi. 7) Tỷ lệ hoà trộn được sử dụng là 0,7 dùng suốt trong quá trình cháy.
2.5.2.2. Phương trình đặc trưng của mô hình cháy AVL – MCC
Mô hình cháy có điều khiển hỗn hợp (MCC) được dùng để xây dựng đặc tính cháy trong động cơ diesel. Các phương trình tính toán của mô hình phụ thuộc vào một số thuộc tính của nhiên liệu như: khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt trị của nhiên liệu. Như vậy, khi thay đổi các thuộc tính này của nhiên liệu c ng sẽ ảnh hưởng tới kết quả tính toán.
Mô hình tính đến ảnh hưởng của các quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước (PMC) và cháy khuếch tán - cháy hỗn hợp có kiểm soát (MCC):
(2.39)
+ Mô hình cháy hỗn hợp có kiểm soát:
Quá trình giải phóng nhiệt là hàm số của lượng nhiên liệu (f1) và mật độ động năng chuyển động rối (f2): ( ) ( ) (2.40) Trong đó: - ( ) ( ) ( ) ; - ( ) √ √ ;
- QMCC: nhiệt lượng tích l y của quá trình cháy hỗn hợp có kiểm soát (kJ); - CComb: hằng số quá trình cháy (kJ/kg/deg CA);
- CRate: hằng số tốc độ hòa trộn (s);
- k: mật độ động năng chuyển động rối (m2/s2); - mF: khối lượng nhiên liệu bay hơi (kg); - LCV: nhiệt trị thấp (kJ/kg);
- V: thể tích xylanh (m3);
- α: góc quay trục khuỷu (độ CA);
- wOxygen,available : tỷ lệ khối lượng ôxy ở thời điểm bắt đầu phun (-); - CEGR: hằng số ảnh hưởng luân hồi nội tại (-).
49 + Phương trình bảo toàn động năng của tia phun:
Do sự ảnh hưởng của chuyển động xoáy trong xylanh tới động năng của tia phun là tương đối nhỏ, nên chỉ xét đến động năng đầu vào của tia phun. Động năng được tính toán dựa trên tốc độ phun nhiên liệu (thành phần đầu tiên của vế phải 2.41) và tổn thất động năng được cho là tỷ lệ với động năng (thành phần thứ 2 của vế phải của phương trình 2.42):
̇ (2.41)
( ) (2.42)
Trong đó: - Ekin: động năng của tia phun (J);
- CTurb: hằng số năng lượng chuyển động rối (-); - CDiss: hằng số tổn thất (J-0,5/s);
- ̇ : lượng nhiên liệu phun (kg); - : tốc độ phun = ̇
(m/s);
- μA: tiết diện lỗ kim phun hiệu dụng (m2
); - ρF: khối lượng riêng của nhiên liệu (kg/m3
); - n: tốc độ động cơ (rpm);
- : lượng không khí nạp lý thuyết (kg/kg);
- : hệ số dư lượng không khí cho quá trình cháy khuếch tán (-); - t: thời gian (s).
+ Mô hình cháy trễ:
Quá trình cháy trễ được tính toán dựa trên mô hình Andree và Pachernegg bằng cách giải phương trình vi phân sau:
(2.43)
Tỷ lệ thời gian cháy trễ Iid đạt giá trị bằng 1,0 (tại αid) ứng với thời gian cháy trễ τid. Thời gian cháy trễ được xác định theo công thức: τid = αid – αSOI.
Trong đó: - Iid: tỷ lệ thời gian cháy trễ (-); - Tref: nhiệt độ tham chiếu = 505 (K); - TUB: nhiệt độ vùng chưa cháy (K);
- Qref: năng lượng hoạt hóa tham chiếu, f (kích thước hạt nhiên liệu, nồng độ ôxy, …) (K);
50
- αSOI: thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu (độ TK); - αid: góc cháy trễ (độ TK).
+ Mô hình cháy hỗn hợp hòa trộn trước:
Nhiệt lượng trong quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước được tính toán dựa trên mô hình của Vibe: ( ) ( ) (2.44) (2.45)
Trong đó: - QPMC: tổng nhiệt lượng của nhiên liệu đưa vào trong quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước: QPMC = mfuel, id.CPMC;
- Mfuel, id: khối lượng nhiên liệu phun vào xylanh trong quá trình cháy trễ; - CPMC: thông số cháy trong quá trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước;
- Δαc: góc quay trục khuỷu ứng với giai đoạn cháy hỗn hợp hòa trộn trước: Δαc = τid.CPMC– Dur;
- CPMC –Dur: hệ số giai đoạn cháy hỗn hợp hòa trộn trước; - m: thông số hình dạng, m = 2,0;
- a: hệ số Vibe, a = 6,9.
+ Mô hình gia nhiệt và bay hơi hạt nhiện liệu:
Theo Sitkei thì trạng thái cân bằng nhiệt độ cho quá trình bay hơi hạt nhiện liệu có thể được tính toán theo công thức sau:
( ) ( )
( ( ) ( )) (2.46)
Tốc độ bay hơi của trạng thái cân bằng nhiệt độ được xác định theo công thức sau:
(
) (2.47)
Đường kính hạt được xác định theo công thức sau:
√ (2.48)
Trong đó: - λc: hệ số dẫn nhiệt trong xylanh (W/ms); - Tc: nhiệt độ trong xylanh (K);
51 - pc: áp suất trong xylanh (Pa); - vc: tốc độ bay hơi (m2
/s); - dd: đường kính hạt thực tế (m); - dd,0: đường kính hạt ban đầu (m).
Phần mềm AVL-Boost được xây dựng dựa trên quy luật nhiệt động học thứ nhất, từ đó xây dựng các phương tình tính toán cho các quá trình trao đổi nhiệt, trao đổi chất trong xylanh. Đồng thời, dựa vào quy luật cháy AVL-MCC cho phép tính toán các thông số kinh tế, kỹ thuật và nồng độ các chất phát thải của động cơ diesel.