Đang tải...

Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 70

Thảo luận trong 'Giáo trình cơ sở ngành' bắt đầu bởi hinhsu89, 1/6/15.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. hinhsu89
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    20/11/13
    Số km:
    280
    Được đổ xăng:
    152
    Mã lực:
    76
    Giới tính:
    Nam
    Xăng dự trữ:
    2,287 lít xăng
    Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
    70
    Cơ chế tổng quát về sự tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp và trung bình
    được trình bày trên hình 5.17a,b. Ở nhiệt độ thấp (<1700K), hydrocarbure thơm có thể
    sinh ra bồ hóng một cách trực tiếp và nhanh chóng biến thành cấu trúc gần graphite. Khi
    nhiệt độ cao hơn 1800K, một cơ chế hình thành bồ hóng khác diễn ra chậm hơn và ít trực
    tiếp hơn, trước hết qua trung gian những thành phần HC có khối lượng phân tử nhỏ và sau
    đó bị polymer hóa thành những phần tử kém bão hòa có khối lượng phân tử lớn hơn. Đây
    là các mầm cơ bản để hình thành các hạt nhân bồ hóng.
    Theo Borghi, sự hình thành bồ hóng qua trung gian các aromatics được viết như
    sau:
    Aromatic→(khử hydro) →Alcanes (CH4, C2H6...) →Các gốc Alcolyles (CH 3. ,
    C2H 5
    .
    ...→Alcenes (C2H4)→Alcynes (C2H2) →(khử hydro) → Các gốc C2H. và sau đó :
    C2H. + C2H2 → C4H2 + H.
    C2H và Diacetylene C4H2 lại tiếp tục tác dụng với nhau như hình 5.17a và cơ chế
    tiếp tục kéo dài. Ở mỗi một chu trình đều có sự tham gia của C2H2.
    5.5.2. Phát triển hạt bồ hóng
    Quá trình phát triển của hạt bồ hóng bao gồm sự phát triển bề mặt, ngưng tụ và sự
    liên kết hạt. Sự phát triển bề mặt diễn ra do các chất thể khí ngưng tụ trên hạt rắn và biến
    thành một bộ phận của hạt. Các phản ứng phát triển bề mặt dẫn đến sự gia tăng nồng độ bồ
    hóng fv nhưng không làm thay đổi số lượng hạt. Ngược lại sự phát triển bằng con đường
    liên kết và hợp dính các hạt với nhau làm giảm số lượng hạt nhưng nồng độ bồ hóng
    không thay đổi. Khi sự phát triển bề mặt hạt kết thúc, quá trình liên kết hạt thành chuỗi và
    cụm vẫn có thể xảy ra. Khi đó lực tĩnh điện của chúng có vai trò quan trọng và là yếu tố
    chính tạo ra sự hợp dính này.
    Tóm lại, trong buồng cháy động cơ liên tục xảy ra qua trình tạo hạt nhân, phát triển
    bề mặt và liên kết hạt. Ở mỗi giai đoạn, khi nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị oxy hóa một
    bộ phận hay toàn phần.
    5.5.3. Quá trình oxy hóa hạt bồ hóng
    Quá trình oxy hóa có thể diễn ra ngay lúc hình thành các phân tử hoạt tính, hạt
    nhân và hạt bồ hóng (hình 5.16). Thực nghiệm cho thấy phần lớn bồ hóng bị oxy hóa
    trong xy lanh trước khi quá trình thải bắt đầu. Tốc độ oxy hóa bồ hóng trong động cơ phụ
    thuộc vào sự khuếch tán của các chất tham gia cũng như động học phản ứng.
    Có rất nhiều chất bên trong sản phẩm cháy hay ở gần ngọn lửa có thể oxy hóa bồ
    hóng như O2, O, OH, CO2, và H2O. Khi áp suất riêng của oxygène cao, sự oxy hóa bồ
    hóng có thể tuân theo công thức gần đúng dựa trên các nghiên cứu về oxy hóa của
    pyrographite. Sự oxy hóa bồ hóng bởi OH tác động trên bề mặt hạt. Trong khi đó, sự oxy
    bồ hóng do oxygène tác động trên bề mặt hạt diễn ra chậm hơn nên nó có thời gian xuyên
    Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
    71
    sâu vào bên trong để oxy hóa và phân hủy hạt bồ hóng. Theo những kết quả gần đây, trong
    điều kiện áp suất môi trường và hỗn hợp giàu thì sự oxy hóa bồ hóng bởi gốc OH
    quan trọng hơn so với sự oxy hóa của O hay O 2.
    Như vậy, rõ ràng hạt bồ hóng hình thành là sản phẩm của các quá trình: tạo hạt cơ
    sở, hình thành hạt bồ hóng, phát triển và oxy hóa hạt bồ hóng. Tốc độ tạo bồ hóng
    trong quá trình cháy là hiệu số giữa tốc độ sản sinh và tốc độ oxy hóa bồ hóng. Cơ chế
    hình thành bồ hóng phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ nhiên liệu, oxygène và nhiệt độ quá
    trình cháy.
    5.6. Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel
    5.6.1. Giới thiệu
    Động học phản ứng hình thành bồ hóng khác với động học phản ứng hình thành các
    chất khác trong sản phẩm cháy. Giả thuyết động học phản ứng nhanh không thể áp dụng
    trong tính toán nồng độ bồ hóng. Trong quá trình cháy khuếch tán, sự phân bố nhiên liệu
    không đồng đều và chính vùng tập trung nhiên liệu ở biên giới của các mặt tiếp giáp là khu
    vực sản sinh bồ hóng. Tốc độ sản sinh bồ hóng phụ thuộc nồng độ nhiên liệu còn tốc độ
    cháy bồ hóng phụ thuộc nồng độ oxygène.
    Nồng độ bồ hóng tại một điểm trong ngọn lửa được xác định bởi sự tương tác của
    hai hiện tượng lí hóa: đối lưu-khuếch tán, khống chế sự dịch chuyển của các phần tử trong
    dòng chảy và sản sinh-tiêu tán, khống chế sự sinh ra hay mất đi của các phần tử trong quá
    trình cháy. Nồng độ bồ hóng được xác định theo định luật bảo toàn phần tử trong dòng
    chảy:
    d m Y
    dx
    i m Y m
    i i o o
    ( & . ) & ' . &
    ,
    < > '
    = + (5.1)
    Trong trường hợp môi trường bên ngoài không chứa bồ hóng, Yio = 0. Do vậy ta có:
    d m Y
    dx m
    i
    i
    ( & . )
    < > = & ' (5.2)
    Trong đó tốc độ sản sinh trung bình của phần tử i được tính trên một đơn vị thể tích
    và thời gian được xác định theo biểu thức:
    & ' . .
    m R Ri i= π 2max (5.3)
    Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng chủ yếu là tìm mối quan hệ giữa tốc độ tạo bồ
    hóng m. 'i với các thông số khác của dòng chảy rối để khép kín hệ phương trình. Theo
    hướng này, hiện nay tồn tại nhiều mô hình tạo bồ hóng. Sau đây là một số mô hình tiêu
    biểu.
    Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
    72
    5.6.2 Mô hình hóa sự sản sinh bồ hóng
    Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự hình thành bồ hóng được tiến hành
    qua trung gian của những hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) và sự phát triển của hạt bồ
    hóng là do phản ứng giữa những phân tử hydrocarbure thơm và acétylène. Mô hình động
    hóa học HAP mô tả sự hình thành bồ hóng theo cơ chế này do Frenklach thiết lập bao gồm
    khoảng 1000 phản ứng thuận nghịch được khởi động bởi 18 phản ứng chính ban đầu.
    Nghiệm số hoàn chỉnh của mô hình này vì vậy rất phức tạp.
    Theo Tesner-Magnussen, bồ hóng được hình thành trong quá trình cháy của
    hydrocarbure được tiến hành qua hai giai đoạn, đầu tiên là việc hình thành các nhân cơ sở,
    và giai đoạn sau là việc hình thành bồ hóng từ các nhân này. Tốc độ sản sinh các nhân cơ
    sở được tính theo biểu thức:
    R n f g n g nNn f o b o, = + − −( ) (hạt/m3/s) (5.4)
    trong đó:
    n
    o : Tốc độ sản sinh hạt cơ sở ban đầu:
    n a c E
    o o f= − RT
    ⎛⎜⎝
    ⎞⎟ ⎠
    exp (hạt/m3/s) (5.5)
    ao : Hằng số
    cf : Nồng độ nhiên liệu (kg/m3).
    E : Năng lượng kích hoạt
    R : Hằng số khí vạn năng
    T : Nhiệt độ tuyệt đối của khí
    f
    b : Hệ số tăng nhánh tuyến tính
    g : Hệ số đứt nhánh tuyến tính
    go : Hệ số đứt nhánh của hạt bồ hóng
    n : Nồng độ hạt cơ sở (hạt/m3)
    N : Nồng độ hạt bồ hóng (hạt/m3)
    Tốc độ sản sinh bồ hóng được viết như sau:
    R m a bN n kg m ss f p, = −( ) ( / / )3 (5.6)
    Với m
    p : Khối lượng một hạt bồ hóng (kg/ hạt).
    a,b : Các hằng số
    Ngoài ra còn có các mô hình mô tả sự sản sinh bồ hóng khác như:
    - Mô hình Khan:
    Rs,f = −K p Tφf f3 exp /( )20000 (5.7)
    Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
    73
    f
    f : Độ đậm đặc của nhiên liệu trong vùng hình thành bồ hóng
    pf : Áp suất cục bộ của nhiên liệu
    T : Nhiệt độ khí cháy
    K : Hằng số tỉ lệ
    - Mô hình Hiroyasu và Kadota:
    Rs,f = −KP Texp /( 10000 b ) (5.8)
    P : Áp suất khí
    Tb : Nhiệt độ khí cháy
    K : Hằng số tỉ lệ
    - Mô hình Morel:
    ( )
    R
    s,f =

    +
    A R
    A T
    f Y
    f
    o
    1
    2
    1 4 76
    2
    exp /
    ,
    (5.9)
    A
    1, A2 : Các hằng số
    R
    f : Tốc độ cháy của nhiên liệu
    T
    f : Nhiệt độ ngọn lửa
    Y
    O2 : Nồng độ oxy có mặt trong vùng cháy
    5.6.3. Mô hình hóa sự oxy hóa bồ hóng
    Thực nghiệm cho thấy rằng tốc độ cháy bề mặt của bồ hóng tương đương với tốc
    độ cháy bề mặt của graphite. Do đó công thức thực nghiệm của Nagle và StriclandConstable thường được dùng trong tính toán tốc độ oxy hoá bề mặt graphite cũng được
    dùng để tính toán sự oxy hóa bồ hóng. Theo đó, tốc độ oxy hoá bề mặt bồ hóng Rs,c được
    viết như sau:
    R c
    d
    k P
    s c s k P k P
    s s
    A o
    z o
    , = . ( )B o
    +
    + −
    ⎛⎜⎝
    ⎞⎟ ⎠
    720
    1
    2 1
    2
    2
    ρ
    χ
    χ (kgm-3s-1) (5.10)
    trong đó các hằng số được xác định như sau:
    Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
    74
    k T)
    k T)
    k T)
    k T)
    ABTZ
    = −
    = −
    = −
    =
    ⎧⎪⎨⎪⎩

    20 15100
    4 4610 7640
    15110 48800
    21 3 2060
    3
    5
    exp( /
    , . exp( /
    , . exp( /
    , exp( /
    (5.11)
    P
    O2 là áp suất riêng của oxy tính bằng atm
    χ =
    +
    1
    1
    2
    k
    T P
    B
    o
    (5.12)
    Ngoài ra, còn có nhiều mô hình tính toán tốc độ oxy hóa bồ hóng như:
    - Mô hình Lee:
    R P T T c
    s c o d
    s
    s s
    ,
    , . . . exp( / ).= −6 51 10 198005 1 22 − /
    ρ
    (kgm-3s-1) (5.13)
    - Mô hình Magnussen:
    R P T
    P T
    c
    s c d
    o
    o
    s
    s s
    ,
    , . . exp( / )
    , . . exp( / )
    = .

    + −
    1 83 10 29000
    1 3 10 10 29300
    8 2
    10 2
    2
    2 ρ
    (kgm-3s-1) (5.14)
    - Mô hình Jones:
    R P P T T
    s c O H O,
    = 1 4/ / /2 . . exp( / )1 2 1 22 − −19000 (kgm-3s-1) (5.15)
    - Mô hình Hiroyasu và Kadota:
    R
    cd
    P T
    s c
    s
    s s
    , = −6 O2 .exp( / )20000
    ρ
    (kgm-3s-1) (5.16)
    - Mô hình Morel:
    R B
    c
    d
    B T P
    s c
    s
    s s
    , f O
    = −1 2exp( / ). 1 2/
    2
    ρ
    (kgm-3s-1) (5.17)
    B
    1, B2 : Các hằng số
    - Mô hình "eddy-dissipation" của Magnussen:
    Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
    75
    Dựa trên cùng nguyên tắc mô tả quá trình cháy khuếch tán của nhiên liệu,
    Magnussen đưa ra mô hình "eddy-dissipation" ứng dụng trong quá trình cháy của bồ hóng.
    Theo mô hình này, tốc độ cháy bồ hóng được tính theo quan hệ sau đây:
    R A c
    s c s, .= ⎛⎝⎜ kε ⎞⎠⎟ (kgm-3s-1) (5.18)
    trong đó : A : Hằng số
    c
    s : Nồng độ bồ hóng ( kg/m3)
    k : Động năng rối (m2/s2)
    e : Tốc độ tiêu tán động năng rối (m2/s2)
    Quan hệ này được áp dụng trong vùng có thừa oxygène. Trong trường hợp thiếu
    oxygène, Magnussen đề nghị tính tốc độ cháy bồ hóng theo công thức:
    R A c
    r k
    c r
    c r c r
    s c
    os
    s s
    s s f f
    ,
    .= ⎛
    2 ⎜⎝ ε ⎞⎠⎟⎛⎝⎜ + ⎞⎠⎟ (kgm-3s-1) (5.19)
    r
    s, rf theo thứ tự là lượng oxygène cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một kg bồ hóng
    và một kg nhiên liệu (kg/kg) theo lí thuyết; cO2 là nồng độ oxygène (kg/m3). Tốc độ cháy
    bồ hóng là giá trị nhỏ nhất trong hai giá trị tính theo (5.18) và (5.19). Tốc độ hình thành bồ
    hóng cuối cùng được xác định bởi biểu thức:
    R
    s = Rs,f - Rs,c (kgm-3s-1) (5.20)
    5.6.4. Xây dựng mô hình tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel
    Việc tính toán và xây dựng mô hình tạo bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel
    cần được thực hiện đồng thời với mô hình quá trình cháy khuếch tán. Sơ đồ lôgic của mô
    hình tính toán được trình bày như trên hình 5.18. Kết hợp với mô hình ngọn lửa khuếch
    tán bên ngoài động cơ, chúng ta có thể xây dựng được mô hình quá trình cháy của ngọn
    lửa bên trong động cơ theo các điều kiện ban đầu ở góc quay trục khuỷu αi. Như vậy, ở
    mỗi bước góc quay trục khuỷu xác định, chúng ta có được nồng độ nhiên liệu, nồng độ
    oxygène và nhiệt độ cục bộ. Từ đó nồng độ bồ hóng được xác định nhờ các mô hình vừa
    trình bày trên đây.
    Đối với quá trình cháy trong động cơ Diesel, hiện nay người ta có thể áp dụng
    nhiều mô hình khác nhau để tính toán nồng độ bồ hóng. Tuy nhiên, trong các mô hình đó,
    mô hình Tesner-Magnussen thể hiện được đầy đủ bản chất của quá trình lí hóa hình thành
    bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán nhất.
    Mô hình nhiệt động
    học trong cylindre phun nhiên liQuy luật ệu
    Điều kiện ban đầu ở góc
    quay trục khuỷu αi
    Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
    76
    Hình 5.18: Sơ đồ tính toán quá trình cháy và tạo bồ hóng
    trong động cơ Diesel phun trực tiếp
    Trong tính toán nồng độ bồ hóng theo mô hình Tesner-Magnussen, năng lượng
    kích hoạt E (quyết định tốc độ sản sinh bồ hóng) và hệ số oxy hóa A (quyết định tốc độ
    oxy hóa bồ hóng) sẽ được chọn tùy thuộc vào loại động cơ và loại buồng cháy. Hình 5.19
    trình bày một số kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm nồng độ bồ hóng trong
    buồng cháy động cơ Diesel transparent Lombardini LDA-100. Nồng độ bồ hóng trong
    buồng cháy động cơ được đo bằng phương pháp hỏa kế lưỡng sắc. Sự hình thành bồ hóng
    được tính theo mô hình Tesner-Magnussen và quá trình cháy được tính toán theo mô hình
    ngọn lửa khuếch tán.
    Sự phù hợp giữa mô hình và thực nghiệm ở đây cho thấy mô hình TesnerMagnussen có thể được áp dụng để tính toán sự hình thành bồ hóng trong buồng cháy
    động cơ Diesel.
    fv
    L.108
    Tính toán
    Thực nghiệm
    n=1000 v/ph
    pa=1,333 bar
    Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel
    77
    1000 v/ph
    pa=1.333bar
    50
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
    G ócquaytrøckhu›u(Ƕ)
    N°ngǶth‹t íchbÒhóngFvL
    FvL[m]*E+8_Thí nghiêm
    FvL[m]*E+8_Tính toán
    Hình 5.19: So sánh biến thiên nồng độ bồ hóng theo mô hình và thực nghiệm
    (động cơ transparent Lombardini LDA-100)
     

Chia sẻ trang này