BOOST sử dụng mô hình cháy 2 vùng để dự đoán các đặc tính cháy trong động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp.
Nhiệt lượng tỏa ra trong xi lanh tập trung chủ yếu trong giai đoạn cháy nhanh và cháy chính vì vậy có thể tính lượng nhiệt tỏa ra theo công thức:
Trong đó:
biến thiên nhiệt lượng tổng trong xi lanh
biến thiên nhiệt lượng trong giai đoạn cháy chính
biến thiên nhiệt lượng trong giai đoạn cháy nhanh Nhiệt lượng trong giai đoạn cháy chính được tính bằng công thức:
Với: ( ) ( ) √ √
61 Trong đó:
QMCC nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn cháy chính [kJ]
CComb hằng số cháy [kJ/kg/độ trục khuỷu]
CRate hằng số hòa trộn hỗn hợp [s]
k động năng của dòng chuyển động rối [m2/s2]
mF lượng nhiên liệu được hóa hơi [kg]
LVC nhiệt trị thấp của nhiên liệu [kJ/kg]
V thể tích xi lanh [m3]
α góc quay trục khuỷu [độ trục khuỷu]
wOxygen,available tỷ lệ khối lượng ô xy có trong hỗn hợp khi bắt đầu phun nhiên liệu
CEGR hằng số xét đến ảnh hưởng của khí thải luân hồi Động năng của dòng chuyển động rối được xác định như sau:
̇
( )
Trong đó:
Ekin động năng của tia nhiên liệu [J]
CTurb hằng số năng lượng chuyển động rối [-]
CDiss hằng số suy giảm
̇ lượng nhiên liệu phun vào
v tốc độ nhiên liệu ̇ [m/s] µA vùng làm việc của kim phun [m2]
ρF mật độ nhiên liệu [kg/m3]
n tốc độ động cơ [v/p]
mstoich khối lượng không khí lý tưởng để đốt cháy hết nhiên liệu [kg/kg]
λDiff hệ số dư lượng không khí trong quá trình cháy chính [-]
t thời gian [giây]
62
Sử dụng phương trình Vibe để tính toán tốc độ tỏa nhiệt:
( ) Trong đó:
QPMC tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp trong giai đoạn cháy nhanh
QPMC = mfuel,id . CPMC
mfuel,id tổng lượng nhiên liệu phun vào trong giai đoạn cháy trễ
CPMC hệ số cháy nhanh [-]
Δαc khoảng thời gian cháy nhanh
Δαc = ηid . CPMC-Dur
CPMC-Dur hệ số xét đến thời gian cháy nhanh
m thông số hình dạng; m = 2.0
a thông số Vibe; a = 6.9
2.4.2.2. Quá trình nóng lên của hạt nhiên liệu và bay hơi
Nhiệt độ cân bằng cho sự bay hơi của hạt nhiên liệu được tính từ công thức:
( )
( )
Vận tốc của hóa hơi được tính từ công thức:
( )
Đường kính hạt nhiên liệu được tính từ công thức:
√
Trong đó:
λc độ dẫn nhiệt của xi lanh [W/ms]
63
Td nhiệt độ cân bằng của hạt hơi nhiên liệu [K]
pc áp suất trong xi lanh [Pa]
ve vận tốc bay hơi [m2/s]
dd đường kính hạt thực tế [m]
dd,0 đường kính hạt ban đầu [m]
2.4.3.Mô hình cháy đa vùng của động cơ cháy do nén
BOOST sử dụng mô hình cháy đa vùng để dự đoán các đặc tính cháy trong động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp.
Là kiểu chia nhỏ hơi phun vào nhiều vùng . Trong mỗi vùng, các cơ chế như : quá trình cuốn của khí nạp, quá trình bay hơi,quá trình cháy trễ, quá trình cháy được tính bởi các công thức dưới đây.
Trong quá trình phun sẽ tạo ra các chùm tia nhiên liệu mới trong vùng. Mỗi chùm tia nhiên liệu được chia nhỏ thành 1 số vùng hướng tâm. Thông thường, tổng các vùng được tạo ra trong quá trình cháy phụ thuộc vào thời gian phun, việc tính toán khoảng cách giữa 2 lần phun và độ tơi của tia phun
Hình 2.18. Chùm tia nhiên liệu 2.4.3.1. Độ cuốn
Lượng khí nạp mới được dẫn đến 1 vùng thì được tính dựa trên cơ sở bảo toàn động lượng toàn vùng. Độ giảm vận tốc đỉnh chùm tia phun phụ thuộc vào độ tăng vận tốc của sự dội lại của tia phun
√ ( )
64
* (
) +
Trong đó:
vận tốc tại miệng kim phun [m/s]
vận tốc đỉnh chùm tia phun [m/s] hệ số thoát của miệng kim phun [-]
độ giảm áp tia phun [Pa]
tỷ trọng nhiên liệu lỏng [kg/m3]
tỷ trọng khí nạp [kg/m3] dinj đường kính lỗ kim phun [m] t thời gian 1 đợt phun [giây]
lượng nhiên liệu trong 1 đợt phun [kg] khối lượng 1 vùng tại thời điểm t [kg]
thông số mô hình [-]
hàm số tính toán [-]
Vận tốc phun giảm xuống tính từ tâm đến vùng biên chùm tia. Tại vùng biên của chùm tia nhiên liệu thì quá trình hòa trộn giữa khí nạp và nhiên liệu diễn ra mạnh mẽ hơn.
Công thức tình hàm frad như sau:
[ ] Trong đó: nr số lượng vùng bán kính [-]
irad chỉ số đặc trưng cho vị trí bán kính của chùm tia nhiên liệu [-]
Trong quá trình phun, dòng chảy bên trong buồng đốt bị tác động bởi mô men của chùm tia nhiên liệu. Điều này dẫn đến xuất hiện 1 vùng áp thấp phía đuôi chùm tia sau khi phun. Ảnh hưởng này được xác định bởi hàm fax như sau:
[ (
)
]
65 Trong đó:
khoảng thời gian giữa 2 lần phun
chỉ số đặc trưng cho vị trí trục trung tâm chùm tia
số chùm tia
hằng số mô hình
2.4.3.2. Quá trình nóng lên và bay hơi của hạt nhiên liệu
Cơ chế đó có thể được mô tả như là phá hủy liên kết chùm tia nhiên liệu phun vào và làm nó tơi ra. Đường kính hạt sau khi tơi ra được tính bởi công thức dưới đây.
Các hạt nhiên liệu nóng lên bằng cách đối lưu nhiệt và bay hơi
( ) ( ) Trong đó:
SMDtb, SMD đường kính hạt sau khi tơi ra [m] q nhiệt lượng truyền vào hạt nhiên liệu [W]
tỷ lệ bay hơi [kg/s]
Tcr nhiệt độ tới hạn của nhiên liệu [K]
Ti , Tl , Tm nhiệt độ của vùng/hạt nhiên liệu/ trung bình [K] p áp suất xi lanh [bas]
Nu số Nusselt [-] Sh số Sherwood [-]
66 C1, C2 hằng số mô hình [-]
Ceht , CEvap thông số mô hình [-]
2.4.3.3. Quá trình cháy trễ
Thời điểm cháy trễ được tính toán bằng cách tích phân τ theo thời gian:
∫ Trong đó:
τ thời gian đặc trưng cho sự cháy trễ [giây]
nhiệt độ tại thời điểm cháy trễ [K]
, thông số cháy trễ [-]
2.4.3.4. Quá trình cháy
Tỷ lệ nhiên liệu đốt cháy được tính bằng công thức:
Trong đó:
tỷ lệ cháy của nhiên liệu [s-1]
lượng hơi nhiên liệu [-] xO2 lượng ô xy [-]
Kb thông số phản ứng hóa học [-] ap , , hằng số mô hình
2.4.3.5. Luân hồi khí thải
Phương pháp tiếp cận đa vùng ban đầu không xem xét nhiệt độ và khối lượng trao đổi giữa các vùng phản ứng. Chỉ có lượng khí thải luân hồi thực tế được cuốn theo 1 hướng vào khí nạp và đưa vào vùng phản ứng. Điều này cũng dễ hiểu nguyên nhân gây ra vấn đề thiếu ô xy ở khí nạp và làm cản trở quá trình nạp mặc dù có nhiều ô xy ở 1 số vùng. Do sự khác biệt này, 1 phần khí cháy
67
được cuốn vào cùng với khí nạp mới khi phun nhiên liệu. Lượng khí luân hồi vào khí nạp mới được điều khiển bởi 1 thông số.
Hình 2.19. Quá trình luân hồi khí thải trong buồng cháy 2.4.3.6. Quá trình truyền nhiệt giữa các vùng
Mô hình xem xét sự trao đổi nhiệt giữa vùng phản ứng và vùng khí nạp mới, diện tích bề mặt của các vùng được tính từ thể tích (xem như) hình cầu theo công thức:
Trong đó:
nhiệt lượng truyền từ vùng phun nhiên liệu đến vùng khí nạp mới [W]
hệ số truyền nhiệt [W/m2/K] diện tích bề mặt [m2]