SO SÁNH BỨC XẠ CỦA BỒ HÓNG TRONG NGỌN LỬA DIESEL CHO BỞI MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM COMPARISON OF SOOT RADIATION IN DIESEL FLAME PRODUCED BY MATHEMATICAL MODEL AND BY EXPERIMENTAL DATA TRẦ
Trang 1SO SÁNH BỨC XẠ CỦA BỒ HÓNG TRONG NGỌN LỬA DIESEL CHO BỞI MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM
COMPARISON OF SOOT RADIATION IN DIESEL FLAME PRODUCED BY MATHEMATICAL MODEL AND BY EXPERIMENTAL DATA
TRẦN VĂN NAM – BÙI VĂN GA
Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN NGỌC LINH
SAMCO, Thành phố Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Mô hình tích phân một chiều được xây dựng để tính toán bức xạ nhiệt của ngọn lửa Diesel cháy ngoài khí quyển và trong buồng cháy động cơ Trên cơ sở nhiệt độ và nồng độ bồ hóng cho bởi lý thuyết màn lửa mỏng và mô hình tạo bồ hóng của Tesner-Magnussen, bức xạ nhiệt của đám mây bồ hóng tại các vị trí khác nhau trong ngọn lửa được xác định và so sánh với số liệu thực nghiệm cho bởi phương pháp hai bước sóng
ABSTRACT
An integral unidirectional model is established to calculate the radiation heat transfer of Diesel flame in open air and in combustion chamber of engine Based on temperature and soot fraction produced by flamlet theory and soot formation model of Tesner-Magnussen, radiation
of soot particulate cloud at different positions of flame is determined and compared with experimental data obtained by two-color method
1 GIỚI THIỆU
Truyền nhiệt bức xạ trong buồng cháy động cơ Diesel được chia thành hai nguồn: nguồn bức xạ của các chất khí và nguồn bức xạ của đám mây bồ hóng, trong đó bức xạ bồ hóng đóng vai trò chủ yếu Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hỗn hợp đồng nhất, lượng bồ hóng trong sản phẩm cháy rất thấp nên bức xạ chính từ các chất khí như H2O, CO2 Khi đó truyền nhiệt bức xạ thường được tính gần đúng khoảng bằng khoảng 10% truyền nhiệt đối lưu Trong động cơ Diesel, người ta ước tính truyền nhiệt bức xạ trong giai đoạn cháy có thể chiếm đến 40% truyền nhiệt tổng cộng Giá trị này phụ thuộc vào hình dạng buồng cháy, nhiên liệu sử dụng, chế độ vận hành, vị trí khảo sát Nguồn bức xạ chính là bồ hóng hình thành trong giai đoạn cháy khuếch tán tại những khu vực có nhiệt độ cao và giàu nhiên liệu [5] Ngoài ra hơi nước, khí carbonic và các chất trung gian khác trong sản phẩm cháy cũng góp phần làm tăng truyền nhiệt bức xạ Tuy nhiên bức xạ của các chất này chỉ tập trung trong dải bước sóng rất hẹp với cường độ bức xạ rất bé so với cường độ bức xạ của bồ hóng Thông thường bức xạ bồ hóng chiếm 90% tổng truyền nhiệt bức xạ của khí cháy
Tính toán truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa khuếch tán đến thành buồng cháy là một vấn đề hết sức phức tạp vì ngoài việc xác định các thông số hình học tương đối giữa vật phát
xạ và vật hấp thụ, chúng ta còn phải xác định hệ số bức xạ nhiệt của bồ hóng có mặt trong sản phẩm cháy [8] Chính vì lẽ đó, trong một số mô hình toán học về quá trình cháy người ta bỏ qua việc tính toán chi tiết truyền nhiệt bức xạ Phần truyền nhiệt này được ước tính theo hệ số
tỉ lệ trên truyền nhiệt tổng cộng
Để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ Diesel hiện đại, người ta phải rút giảm mọi tổn thất nhiệt có thể được, trong đó tổn thất nhiệt do bức xạ chiếm một bộ phận quan trọng Tính toán chi tiết truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa khuếch tán ra thành buồng cháy dựa
Trang 2vào hệ số bức xạ của bồ hóng Hệ số này phụ thuộc vào các đặc trưng của bồ hóng, những đại lượng rất khó xác định bởi các phương pháp đo cổ điển Blunsdon và đồng sự [1] đã xây dựng
mô hình truyền nhiệt bức xạ để bổ sung mô hình động học chất lỏng trong tính toán quá trình cháy động cơ Diesel Kết quả tính toán cho thấy nhiệt độ cực đại của khu vực cháy đạt khoảng 2800K, nồng độ thể tích bồ hóng cực đại đạt khoảng 7ppm và truyền nhiệt bức xạ cực đại khoảng 450kW/m2 Wiedenhoefer và đồng sự [4] đã thực hiện đo đạt thực nghiệm để kiểm tra mô hình bức xạ của mình Kết quả cho thấy cường độ bức xạ phụ thuộc và độ xoáy lốc trong buồng cháy và đạt cực đại khoảng 1600kW/m2 ứng với độ xoáy lốc 1,4 Khi không
có xoáy lốc trong buồng cháy, kết quả thực nghiệm của Wiedenhoefer phù hợp với kết quả tính toán của Blunsdon (bức xạ cực đại khoảng 450kW/m2) Thông lượng nhiệt tổng cộng cực đại truyền qua thành buồng cháy khoảng 6000kW/m2 theo kết quả đo đạc của Eigimeier và đồng sự [3] Phối hợp các kết quả trên chúng ta thấy truyền nhiệt bức xạ từ khí cháy ra thành buồng cháy động cơ Diesel chiếm khoảng từ 30 đến 40% truyền nhiệt tổng cộng
Để đơn giản hóa các yếu tố hình học của buồng cháy đến truyền nhiệt bức xạ, trong nghiên cứu này, chúng tôi tính toán thông lượng nhiệt bức xạ tổng quát truyền từ ngọn lửa đến thành buồng cháy theo biểu thức gần đúng sau đây:
4 w
4 k o
w k kw
100
T 100
T C 2
1
Thông thường nhiệt độ thành buồng cháy của động cơ luôn được giữ ổn định nhờ hệ thống làm mát bằng nước nên có thể xem như nhiệt độ thành buồng cháy ổn định khoảng
Tw700K, nhiệt độ khí cháy bức xạ trong động cơ Diesel từ Tk1800-2600K, Co=5,67, buồng cháy động cơ được xem như vật xám có w 0,82 Vấn đề còn lại là xác định hệ số bức xạ của
bồ hóng
Trong những năm gần đây, người ta đã xây dựng các mô hình toán học để dự đoán các thông số đặc trưng của bồ hóng Các mô hình tạo bồ hóng đơn giản, một chiều đã được thiết lập để tính toán ngọn lửa cháy bên ngoài khí quyển và bên trong buồng cháy động cơ [5] Các
mô hình đa phương phức tạp hơn đã được xây dựng trong các phần mềm động học chất lỏng như KIVA III, FIRES, FLUENT Các phần mềm này dù đơn giản hay phức tạp cũng đều dựa trên lý thuyết tạo bồ hóng nền tảng, trong đó lý thuyết Tesner-Magnussen được sử dụng rộng rãi [5]
Bồ hóng phát ra bức xạ liên tục trong dãy quang phổ hồng ngoại và vùng quang phổ thấy được Dự đoán chính xác về sự phát xạ của bồ hóng có thể thực hiện được nếu những đặc tính về quang học, sự phân bố cỡ hạt và hình dáng hình học của chúng được xác định Theo lí
thuyết Mie, bức xạ nhiệt của bồ hóng phụ thuộc vào thông số cỡ hạt α = πds/λ (với ds là đường kính hạt bồ hóng) và các hằng số quang học, mà các hằng số nầy thì phụ thuộc vào
bước sóng Trong giới hạn α<<1 thì lý thuyết Mie được đơn giản hóa phần khuếch tán trong
giới hạn vùng Rayleigh, khi đó hệ số hấp thụ của bồ hóng được xác định như sau:
v 2 2 2 2
, soot
f n 2 n
n 36
Thực nghiệm cho thấy sự phát xạ của bồ hóng độc lập với bước sóng Do đó, bằng
cách chọn giá trị trung bình của n và k, hệ số hấp thụ bồ hóng có thể được xác định theo biểu
thức sau:
v 0 soot C f a
với Co là hằng số
Trang 3Khi tích phân trên toàn dãy quang phổ, hệ số hấp thụ của bồ hóng xám được tạo thành như sau:
T f C
C 6 , 3 d e a T
1
0 ,
b , soot 4
với eb,λ là công suất phát xạ của vật đen
C2 =0,0143879mK là hằng số
2 2 2 2 2 o
k n 4 ) 2 k n (
nk 36 C
số tán xạ của bồ hóng Co nằm trong khoảng từ 3 đến 10 Trong trường hợp đường kính hạt bồ hóng bé, chúng ta có thể chọn Co=7,23, do đó asoot=1809fvT
Hệ số phát xạ của bồ hóng được xác định thông qua hệ số hấp thụ của nó:
) L a exp(
Từ đó ta có :
) TL f 1809 exp(
s
Theo biểu thức trên, hệ số bức xạ nhiệt của bồ hóng phụ thuộc vào nồng độ thể tích bồ hóng fv, nhiệt độ ngọn lửa tại khu vực khảo sát T và chiều dài quang trình L Các thông số này
có thể được xác định bằng các phương pháp đo quang học như phương pháp khuếch tán ánh sáng, phương pháp dập tắt ánh sáng, phương pháp hai bước sóng Trong công trình này, chúng tôi tính toán truyền nhiệt bức xạ thông qua các thông số của bồ hóng được xác định theo mô hình Tesner-Magnussen Mô hình được kiểm chứng bằng số liệu thực nghiệm cho bởi phương pháp hai bước sóng đối với ngọn lửa khuếch tán ngoài khí quyển và trong buồng cháy động cơ Diesel
2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BỒ HÓNG
Trong quá trình cháy khuếch tán nhiên liệu trong vùng nhiệt độ cao sẽ bị phân hủy nhiệt thành nhiều thành phần hữu cơ khác nhau Những thành phần hữu cơ nặng hình thành các trung tâm tích tụ những phần tử hữu cơ nhẹ, biến các trung tâm ban đầu này thành những hạt dạng rắn, gọi là giai đoạn tạo hạt nhân cơ sở Sau đó, những hạt nhân này liên kết với nhau tạo thành những hạt lớn hơn song song với quá trình phát triển bề mặt và thể tích hạt Do quá trình đối lưu-khuếch tán, những hạt bồ hóng sau khi hình thành sẽ được kéo theo dòng khí Qua những vùng thừa ô xy và nhiệt độ đủ cao, hạt bồ hóng bị ô xy hóa Nếu khi ra khỏi những vùng này mà hạt bồ hóng vẫn chưa bị cháy hòan toàn thì bộ phận còn sót lại sẽ thoát ra ngoài Trong động cơ Diesel, chính bộ phận bồ hóng này hiện diện trong khí xả và là nguồn gây ô nhiễm môi trường
Xuất phát từ cơ chế hình thành hạt bồ hóng nêu trên, Tesner đã đưa ra mô hình hai giai đoạn: giai đoạn đầu là giai đọan hình thành hạt nhân cơ sở và giai đoạn cuối là giai đọan phát triển hạt bồ hóng Magnussen hoàn thiện mô hình này bằng cách bổ sung thêm tốc độ cháy hạt bồ hóng Theo Magnussen, quá trình cháy khuếch tán nói chung và quá trình cháy của hạt
bồ hóng nói riêng, có thể mô tả bằng mô hình “tiêu tán các mặt tiếp giáp” (eddy-dissipation) Theo mô hình này, cường độ rối quyết định tốc độ cháy vì nó ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí mà thời gian cần thiết cho sự hòa trộn này lớn hơn rất nhiều lần so với thời gian diễn ra phản ứng hóa học Tốc độ tạo hạt nhân cơ sở được Tesner biểu diễn bằng phương trình:
Trang 4
n c
s
Chính nồng độ hạt nhân cơ sở này xác định tốc độ tạo bồ hóng :
Rs f, m ap( bN n) Rs c, (kg/m3/s) (8) Trong biểu thức trên, tốc độ cháy bồ hóng Rs,c được quyết định bởi nồng độ tối thiểu của o-xy hoặc của bồ hóng có mặt trong hỗn hợp :
c r
c r
O s
s s
s s f f
Theo mô hình tạo bồ hóng Tesner-Magnussen trên đây chúng ta cần phải xác định hai biến số mới, đó là nồng độ hạt cơ sở và nồng độ bồ hóng Vì vậy để khép kín hệ phương trình cần bổ sung thêm hai phương trình bảo toàn phần tử đối với hạt nhân n và bồ hóng s
Tốc độ sản sinh bồ hóng Rs,f có thứ nguyên là kgm-3s-1 vì vậy tốc độ tạo bồ hóng trung bình đối với một đơn vị chiều cao ngọn lửa là :
2
Mô hình tạo bồ hóng trên đây được tích hợp trong chương trình tính ngọn lửa khuếch tán để tính toán nồng độ bồ hóng tại mỗi thời điểm góc quay trục khuỷu động cơ Hình 1 và hình 2 giới thiệu kết quả tính toán tiêu biểu về ảnh
hưởng của góc nghiêng tia phun và tốc độ xoáy lốc
của dòng khí đến nồng độ bồ hóng trong buồng cháy
động cơ Diesel Dựa vào giá trị nồng độ bồ hóng này,
kết hợp với nhiệt độ cháy của ngọn lửa, chúng ta tính
được bức xạ nhiệt theo biểu thức (1)
3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Thực nghiệm được tiến hành trên ngọn lửa
khuếch tán ngoài khí quyển và trong buồng cháy động
cơ Bố trí thí nghiệm và phương pháp tiến hành trong
trường hợp thứ nhất được giới thiệu trong [6] và
trường hợp thứ hai được giới thiệu trong [7] Nguyên
lý chung của phép đo là sử dụng visioscope AVL để
ghi lại bức xạ của ngọn lửa ở hai bước sóng khác
nhau Số liệu này được chuyển vào bộ nhớ của máy
tính Bằng phần mềm Thermovision, số liệu ngọn lửa
được phân tích bằng phương pháp hai bước sóng để
xác định đồng thời nhiệt độ và nồng độ thể tích bồ hóng tại mỗi vị trí quan sát
3 7 11 15
f v (ppm)
0,2 0,4 0,6 0,8
0
x(m)
Hình 3 Phân bố nồng độ bồ hóng theo chiều cao ngọn lửa cho bởi phương pháp hai bước sóng
Hình 1 Ảnh hưởng của góc nghiêng tia
phun đến nồng độ bồ hóng trong buồng
cháy động cơ (tốc độ vận động dòng khí
U =4m/s)
s(m)
f v
9
6
3
0
Hình 2 Ảnh hưởng của tốc độ vận động dòng khí đến nồng độ bồ hóng trong buồng
cháy động cơ /4)
6
f v
4
2
0
s(m)
U =10m/s
U =15m/s U=20m/s
Trang 5Visioscope AVL sử dụng camera PixelFly CCD VGA colour 24 bit của visioscope có
độ phân giải 640x480 pixcels, chụp được 15 ảnh/giây Với tốc độ ghi nhận hình ảnh của visioscope hiện tại, để xét giá trị tương đối của ngọn lửa ở các góc quay trục khuỷu khác nhau trong động cơ đốt trong, chúng ta phải đánh lệch đi một số chu trình sao cho độ lệch thời gian lớn hơn khoảng thời gian camera có thể chụp hai ảnh liên tiếp Hình 3 giới thiệu kết quả biến thiên nồng độ bồ hóng theo chiều cao ngọn lửa ngoài khí quyển cho bởi phương pháp hai bước sóng Kết quả tiêu biểu về tính toán nhiệt độ và nồng độ bồ hóng trong buồng cháy phụ động cơ Mazda ở chế độ tải 60%, tốc độ 2000 vòng/phút, ở vị trí 9 góc quay trục khuỷu được giới thiệu trên hình 4
4 SO SÁNH KẾT QUẢ CHO BỞI MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM
Hình 5 và hình 6 giới thiệu kết quả
so sánh biến thiên nồng độ bồ hóng cho
bởi mô hình và thực nghiệm ứng với số
Reynold tại miệng vòi phun là 23.180 và
31.020 Trong giai đoạn đầu, sự gia tăng
nồng độ bồ hóng cho bởi mô hình và thực
nghiệm rất phù hợp với nhau Sau khi đạt
giá trị cực đại, nồng độ bồ hóng cho bởi
mô hình giảm nhanh hơn nồng độ bồ hóng
cho bởi thực nghiệm Theo lý thuyết tạo
bồ hóng theo mô hình Tesner-Magnussen,
tốc độ hình thành bồ hóng phụ thuộc vào
Hình 6 So sánh nồng độ bồ hóng cho bởi mô hình và thực nghiệm (Re=31.020)
0 5 10 15 20
0,2 0,4 0,6 0,8 1
Thùc nghiÖm M« h×nh
x(m)
f v
Hình 5 So sánh nồng độ bồ hóng cho bởi
mô hình và thực nghiệm (Re=23.180)
0
2
4
6
8
f v
Thùc nghiÖm M« h×nh
Hình 7 So sánh cường độ bức xạ của ngọn lửa khuếch tán ngoài khí quyển cho bởi mô
hình và thực nghiệm
0
200
400
600
0 0,2 0,4 0,6 0,8
p=80bar
p=100bar p=110bar
x(m)
2 )
Hình 4 Ảnh chụp ngọn lửa bằng visioscope, sự phân bố nồng độ bồ hóng, nhiệt độ
trong buồng cháy nhận được bằng phương pháp hai bước sóng
(60% tải, n=2000v/ph, 9 gqtk)
3000
2700
2400
2100
1800
15
11
7
3
0
Trang 6nhiệt độ và nồng độ nhiên liệu Ở phần đuôi ngọn lửa, nhiệt độ cho bởi thực nghiệm cao hơn nhiệt độ cho bởi mô hình do đó tốc độ cháy bồ hóng do thực nghiệm cao hơn
Trên cơ sở nồng độ bồ hóng nhận được kết hợp với nhiệt độ tính toán của ngọn lửa khuếch tán, chúng ta tính toán được bức xạ nhiệt tại các vị trí khác nhau theo chiều cao ngọn lửa Trong tính toán này, chúng ta chỉ so sánh bức xạ nhiệt của ngọn lửa, không quan tâm đến thành buồng cháy theo biểu thức :
4 k o k kw
100
T C
Hình 7 giới thiệu kết quả so sánh cường độ bức xạ cho bởi mô hình và thực nghiệm đối với ngọn lửa khuếch tán cháy bên ngoài khí quyển với áp suất phun là 80, 100 và 110 bars Kết quả cho bởi mô hình có dạng tương tự với kết quả thực nghiệm nhưng điểm cực đại cho bởi mô hình đạt gần miệng vòi phun hơn so với kết quả thực nghiệm Giá trị cường độ bức xạ cực đại cho bởi mô hình thấp hơn giá trị tương ứng cho bởi thực nghiệm khoảng 20% Điều này là do trong tính toán chúng ta giả định nhiên liệu hóa hơi tức thời sau khi ra khỏi vòi phun, trong khi đó trong thực tế thì sau khi ra khỏi vòi phun, nhiên liệu vẫn còn ở dạng hạt Nồng độ bồ hóng trong quá trình cháy của các hạt nhiên liệu lớn hơn nồng độ của chúng trong quá trình cháy của hỗn hợp khí
Mô hình tính toán ngọn lửa khuếch tán cháy trong buồng cháy động cơ phức tạp hơn nhiều so với ngọn lửa cháy bên ngoài khí quyển
yên tĩnh vì chúng ta phải kể đến sự thay đổi áp
suất của môi trường, xem xét góc nghiêng của tia
phun và ảnh hưởng của vận động xoáy lốc của
dòng khí bên trong buồng cháy Để đơn giản hóa
việc tính toán, chúng tôi sử dụng các giả thiết sau
đây :
(1) Áp suất phun ổn định trong suốt thời gian
phun
(2) Khối lượng riêng không khí bên ngoài tia
phun thay đổi theo áp suất trong buồng cháy
(3) Chiều dài ngọn lửa tại mỗi vị trí góc quay
trục khuỷu tỉ lệ với khoảng góc quay trục
khuỷu tương ứng kể từ lúc bắt đầu phun
(4) Nồng độ bồ hóng và nhiệt độ tại mỗi vị trí
góc quay trục khuỷu là giá trị trung bình trên
suốt chiều dài ngọn lửa tương ứng
(5) Tốc độ vận động của dòng khí tỉ lệ với tốc
độ động cơ
(6) Tải động cơ tỉ lệ với áp suất phun
Các giả thiết trên mang tính chất gần đúng
để đơn giản hóa việc áp dụng mô hình ngọn lửa
khuếch tán đơn giản trong khí quyển vào điều kiện
rất phức tạp trong buồng cháy động cơ Do thiếu
các thông số thực nghiệm liên quan đến vận động
dòng khí trong buồng cháy, trong phần sau đây,
chúng tôi đưa vào mô hình bộ thông số đầu vào
gồm : góc nghiêng tia phun /4, tốc độ vận động
của dòng khí 7m/s và áp suất phun 100bar
Về thực nghiệm, để có thể xem xét biến
Hình 8 Biến thiên nồng độ thể tích bồ hóng trong buồng cháy phụ động cơ Mazda theo góc quay trục khuỷu ứng với các tốc độ động
cơ khác nhau ở chế độ tải 60%
Góc quay trục khuỷu (độ)
f v
2000 v/ph
3000 v/ph
60% tải
0 2 4 6 8
350 370 390
Mô hình
Hình 9 Biến thiên nhiệt độ khu vực cháy trong buồng cháy phụ động cơ Mazda theo góc quay trục khuỷu ứng với các tốc độ động
cơ khác nhau ở chế độ tải 60%
Góc quay trục khuỷu (độ)
2000
2200
2400
2600
1600 v/ph
2000 v/ph
3000 v/ph
60% tải
Mô hình
Trang 7thiên truyền nhiệt bức xạ theo góc quay trục khuỷu động cơ, chúng ta tiến hành quay phim diễn biến trong buồng cháy phụ động cơ Mazda Trên cơ sở nhiệt độ và nồng độ bồ hóng cho bởi việc phân tích ảnh của ngọn lửa, chúng ta có thể tính được hệ số bức xạ của ngọn lửa và cường độ truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa đến thành buồng cháy phụ động cơ Mazda
Ở tốc độ động cơ cao, vận động xoáy lốc của dòng khí trong buồng cháy phụ mạnh, hỗn hợp hòa trộn tốt hơn làm giảm sự tập trung cục bộ nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ bồ hóng (hình 8) Giá trị cực đại của nồng độ bồ hóng đạt từ 6 đến 8ppm, phụ thuộc vào chế độ tốc độ của động cơ Kết quả tính toán theo mô hình được biểu diễn bằng đường cong nét liền trên hình 5 Kết quả này cho thấy, với các thông số đưa vào trong tính toán, mô hình phù hợp với trường hợp tốc độ động cơ khoảng 3000 vòng/phút Khi tốc độ động cơ nhỏ hơn, vận động của dòng khí kém, dẫn đến nồng độ bồ hóng cao Giá trị này phù hợp với tính toán của Blunsdon và đồng sự [1] Tuy nhiên do tốc độ hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu gia tăng làm tăng tốc độ cháy, dẫn đến tăng tốc độ tỏa nhiệt, kết quả là nhiệt độ khu vực cháy tăng khi tăng tốc độ động cơ ở cùng chế độ tải (hình 9) Kết quả tính toán nhiệt độ cháy với các số liệu vừa nêu phù hợp với thực nghiệm ở giai đoạn sau khi tốc độ động cơ khoảng 2000 vòng/phút Đường cong tính toán đạt giá trị cực đại ở góc quay trục khuỷu 370 Đây cũng là vị trí áp suất trong buồng cháy động cơ đạt giá trị cực đại Giai đoạn trước điểm cực đại này có sự sai lệch đáng kể giữa mô hình và thực nghiệm
Hình 10 giới thiệu biến thiên của cường độ truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa đến thành buồng cháy theo góc quay trục khuỷu động cơ ứng với các chế độ tốc độ khác nhau Chúng ta thấy cường độ truyền nhiệt bức xạ đạt giá trị cực đại từ 1500kW/m2 đến 2000kW/m2 khi tốc
độ động cơ thay đổi từ 1600v/ph đến 3000v/ph và vị trí cực đại này dịch dần về điểm chết trên khi tăng tốc độ động cơ Do cường độ bức xạ tỉ lệ với T4 nên mặc dù lượng bồ hóng sinh
ra khi tốc độ động cơ lớn giảm nhưng cường độ truyền nhiệt bức xạ vẫn cao hơn khi tốc độ động cơ thấp
Hình 11 so sánh biến thiên cường độ bức xạ theo góc quay trục khuỷu động cơ ứng với các chế độ tải khác nhau Ở chế độ tải thấp, lượng nhiên liệu phun vào động cơ ít, đại bộ phận nhiên liệu cháy trong giai đoạn đẳng tích, bức xạ trong buồng cháy chủ yếu là do lượng
bồ hóng ứng với một bộ phận nhỏ nhiên liệu sinh ra trong giai đoạn cháy khuếch tán Khi tăng dần lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy, lượng nhiên liệu cháy khuếch tán cũng tăng khiến cường độ bức xạ nhiệt từ ngọn lửa ra thành buồng cháy cũng tăng theo Giá trị cực đại của truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa ra thành buồng cháy khoảng 2000kW/m2 ở chế độ tải 80% Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Wiedenhoefer và đồng sự [4] đối với động cơ có xoáy lốc mạnh Kết quả tính toán theo mô hình với các số liệu đầu vào nêu trên cho cường độ bức xạ tương đương với 40% tải và tốc độ động cơ 2000 vòng/phút
Kết quả so sánh trên đây cho thấy biến thiên của bức xạ nhiệt theo chiều cao ngọn lửa (trong trường hợp ngọn lửa khuếch tán bên ngoài khí quyển) và theo góc quay trục khuỷu (trong trường hợp động cơ Diesel) cho bởi mô hình có dạng phù hợp với thực nghiệm Giá trị cực đại của bức xạ nhiệt cho bởi mô hình với bộ thông số thông thường của động cơ gần với các kết quả cho bởi thực nghiệm Tuy nhiên để tính toán chính xác cường độ bức xạ của ngọn lửa trong động cơ chúng ta cần có các thông số liên quan đến vận động của dòng khí trong buồng cháy
Trang 85 KẾT LUẬN
Bức xạ nhiệt của bồ hóng được tính toán dựa trên mô hình ngọn lửa khuếch tán kết hợp với mô hình tạo bồ hóng của Tesner-Magnussen cho kết quả nhỏ hơn 20% so với giá trị thực nghiệm trên ngọn lửa đứng yên ngoài khí quyển
Cường độ bức xạ của bồ hóng trong buồng cháy động cơ Diesel tăng theo chế độ tải
và chế độ tốc độ và đạt giá cực đại ở vị trí áp suất trong buồng cháy lớn nhất Cường độ bức
xạ của bồ hóng trong buồng cháy dự bị của động cơ Diesel đạt khoảng 2000 KW/m2
Mô hình một chiều cho phép dự báo được giá trị cực đại và biến thiên của cường độ bức xạ theo chiều dài ngọn lửa ngoài khí quyển cũng như theo vị trí góc quay trục khuỷu trong buồng cháy động cơ Tuy nhiên để xem xét biến thiên tương đối của bức xạ bồ hóng theo các chế độ hoạt động khác nhau của động cơ chúng ta cần đưa vào mô hình các thông số liên quan đến vận động của dòng khí trong buồng cháy
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] C.A BLUNSDON, W.M.G MALALASEKERA, J.C DENT: Application of the Discrete Transfer
Model of Thermal Radiation in a CFD Simulation of Diesel engine Combustion and Heat Transfer
SAE Technical Paper Series 922305, 1992
[2] P FURMANSKI, J BANASZEK, T.S WISNIEWSKI: Radiation Heat Transfer in a Combustion
Chamber of Diesel Engine with Partially Transparent Burnt Gas Zone SAE Technical Paper Series
980504, 1998
[3] C EIGIMEIER, H LETTMANN, G STIESCH, G.P MERKER: A detailed Phenomenological Model
for Wall Heat Transfer Prediction in Diesel Engines SAE Technical Paper Series 2001-01-3265, 2001
[4] J.F WIEDENHOEFER R.D REITZ: Multidimensional Modeling of the Effects of Radiation and Soot
Deposition in Heavy-duty Diesel Engines SAE Technical Paper Series 2003-01-0560, 2003
[5] BÙI VĂN GA, LÊ VĂN LỮ, NGUYỄN NGỌC LINH: Đánh giá mô hình tạo bồ hóng của
Tesner-Magnussen bằng thực nghiệm trên ngọn lửa Diesel Hội nghị Cơ học Thủy khí tòan quốc lần thứ 8, pp
98-107, Hà Tiên, 20-22/7/2004
[6] BUI VAN GA, PHUNG XUAN THO, PHAM XUAN MAI, LE VAN LU, NGUYEN NGOC LINH:
Soot formation analysis in turbulent diffusion flames by Visoscope International Automotive Congress
CONAT 2004, Brasov, Romania, 19-22 October 2004
[7] BUI VAN GA, DUONG VIET DUNG, HUYNH BA VANG, NGUYEN NGOC LINH: Temperature
and Soot Distribution Analysis in Pre-Chamber of MAZDA WL Engine by AVL Visioscope Paper 042,
International Conference on Automotive Technology for Vietnam, ICAT 2005 Hanoi, October 22-24,
2005
[8] BÙI VĂN GA, TRẦN THANH HẢI TÙNG, HUỲNH BÁ VANG, LÊ VĂN LỮ, NGUYỄN NGỌC
LINH: Nghiên cứu thực nghiệm hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa khuếch tán Tạp chí Khoa học và Công
nghệ-Đại học Đà Nẵng, số 15+16/2006
Hình 10 So sánh cường độ truyền nhiệt
bức xạ từ ngọn lửa đến thành buồng cháy
khi thay đổi tốc độ động cơ
360 370 380
Góc quay trục khuỷu (độ)
3000 v/ph
2500 v/ph
1600 v/ph
60% tải
1500
2500
500
2 )
Mô hình
Hình 11 So sánh biến thiên cường độ bức xạ từ ngọn lửa đến thành buồng cháy phụ động cơ Mazda theo góc quay trục khuỷu ứng với các chế độ tải
khác nhau (n=2000 v/ph)
Góc quay trục khuỷu (độ)
1200
400
2000
2 )
80% tải
60% tải
40% tải
20% tải
n=2000v/ph
Mô hình
