Sự giảm độ độc hại trong khí thải động cơ đốt trong, trong một thời gian dài luôn tồn tại vấn đề số một trong ngành công nghiệp về động cơ. Ngày nay sự phát triển của các phương pháp hiện đại trong tính toán và thiết kế của động cơ đốt trong sẽ loại bỏ các tồn đọng khi việc giải quyết vấn đề này, cũng như trong việc thiết kế và sản xuất động cơ nói riêng và xe hơi nói chung. Đây là đề tài góp phần giải quyết vấn nạn về ô nhiễm môi trường từ khí thải động cơ, mà trong một thời gian tất cả các quốc gia trên thế giới đều quan ngại sâu sắc.
Trang 1LÊ ĐẠI LÂM
GIẢM HÀM LƢỢNG OXIT NITƠ TRONG PISTON ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KHI TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ SỰ TRAO ĐỔI KHỐI LƢỢNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH ĐỐT CHÁY NHIÊN LIỆU KHÍ VỚI KIM PHUN NHIÊN LIỆU Ở CÁC VỊ TRÍ KHÁC NHAU
Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật
Mã số chuyên ngành tại Nga: 05.04.02 – Động cơ nhiệt
Liên Bang Nga - 2015
Trang 21 Tính cấp thiết của luận án
Sự giảm độ độc hại trong khí thải động cơ đốt trong, trong một thời gian dài luôn tồn tại vấn đề số một của ngành công nghiệp về động cơ Ngày nay sự phát triển của các phương pháp hiện đại trong tính toán và thiết kế của động cơ đốt trong sẽ loại bỏ các tồn đọng khi việc giải quyết vấn đề này, cũng như trong việc thiết kế và sản xuất động cơ nói riêng và xe hơi nói chung
Thông thường sử dụng cách mô tả toán học các quá trình làm việc và sự cháy trong các động cơ đốt trong dựa trên quy luật của nhiệt động lực học, và giả sử trong một buồng đốt đồng nhất, hoặc trong trường hợp không đồng nhất giữa các vùng với mô hình khác nhau, cấp độ đồng nhất trường nhiệt độ, hệ số
dư thừa không khí α, cũng như thành phần của sản phẩm cháy Đồng thời giới thiệu các số liệu lý thuyết và thực nghiệm mà trước đó tính toán tính không đồng nhất của trường α trước khi đánh lửa có thể làm giảm đáng kể tỷ lệ oxit nitơ và oxit cacbon, để đảm bảo độ bốc cháy tin cậy, hiệu quả và không có kích nổ trong nhiên liệu, cũng như tiêu thụ ít nhiên liệu
Trong đề tài này tác giả giới thiệu một quy trình hai giai đoạn để giải quyết các vấn đề chung, dựa trên sự chia tách của các quá trình khí động (hút, phun, hòa trộn hỗn hợp) và quá trình đốt cháy trong màng lửa phía trước và phía sau trước, kể cả trong chu trình nổ
Bước đầu tiên được tiến hành tính toán của các trường vận tốc hỗn loạn hai chiều không xảy ra phản ứng hợp hóa học bằng cách ứng dụng phần mềm
mô phỏng GAS2 của giáo sư Dunaev V.A viết Kết quả cuối cùng là trường hệ
số dư thừa không khí α trong buồng đốt trước khi bốc cháy của hỗn hợp, điều này phụ thuộc vào vị trí của kim phun
Trường hệ số dư thừa không khí, cũng như trường vận tốc phần mềm mô phỏng GAS2, được sử dụng để giải quyết các vấn đề của giai đoạn thứ hai của phép tính động học hóa học và trao đổi khối lượng nhiệt tạo xoáy khi cháy hết phía sau màng lửa và tiếp tục lan rộng ra hỗn hợp chưa cháy Trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xoáy trong động cơ đốt trong được sử dụng như bằng phương pháp tính toán mới qua phần giới thiệu của giáo sư Chesnokov Sergey
Trang 3Alexsandrovic cho phép tính toán trường nhiệt độ ba chiều và các thành phần của các chất phản ứng hóa học, bao gồm oxit nitơ độc hại NO
Sự kết hợp các bài toán hai chiều và ba chiều có thể giải quyết các vấn đề
cơ bản của kỹ thuật theo hướng - để giảm chi phí thời gian tính từ vài ngày chỉ còn vài giờ Cùng một mục đích là giảm động hóa học quá trình đốt cháy: hỗn hợp nhiên liệu nghèo (loãng) dao động giá trị hệ số dư thừa không khí α từ 1,0 đến 2,0 và phản ứng diễn ra chậm sự cháy toàn phần với số lượng phản ứng thuận nghịch từ 131 còn 12 với 13 thành phần trong số 33 thành phần Đối với các vị trí của các van, kim phun nhiên liệu, bugi và buồng đốt trong mặt phẳng của xilanh được thực hiện bởi các bài toán hai chiều sử dụng rộng rãi và hợp lý
Việc sử dụng một phương pháp hai giai đoạn để tính toán hàm lượng oxit nitơ NO trong khí thải cho phép đánh giá đầy đủ, chiến lược, đầu tiên gần đúng
để đánh giá sự liên quan giữa các vị trí của các kim phun, van, bugi, lựa chọn hình dạng của buồng đốt, cũng như các thông số của sự phun và sự cháy
2 Mục đích và nhiệm vụ của luận án
Mục đích: Xác định vị trí hợp lý kim phun trên bề mặt xi lanh động cơ
đốt trong, duy trì mức mức độ thấp hàm lượng oxit nitơ độc hại thải ra của động
cơ chạy bằng nhiên liệu khí, khí thiên nhiên (metan)
Nhiệm vụ của luận án:
1 Tính toán các thành phần cân bằng của sản phẩm cháy khí metan khi có
hệ số dư thừa không khí khác nhau và tính gần đúng của đa thức đó
2 Giải quyết bài toán một chiều động hóa học của quá trình đốt cháy khí metan trong lớp nhỏ tạo xoáy phía trước màng lửa với các giá trị hệ số dư thừa không khí khác nhau, sẽ nhận được nhiệt độ cháy, tỏa nhiệt trong quá trình cháy
và các thành phần của sản phẩm cháy
3 tính toán, với việc sử dụng phần mềm mô phỏng GAS2, những trường vận tốc tạo xoáy (và trường hệ số dư thừa không khí) khi hút không khí, phun metan và trộn hỗn hợp, và cho cả việc không phản ứng hỗn hợp hoá học, các trường vận tốc phía sau phía trước sự cháy và trong chu trình nổ Để cho các quá trình tính toán áp suất, nhiệt độ và những tham số khác
Trang 44 Giải quyết bài toán chuyển động mặt trước sự cháy trong môi trường không đồng nhất về hệ số dư thừa không khí của hỗn hợp nhiên liệu dưới dạng phân tích
5 Rút gọn cơ bản về cơ cấu động lực quá trình đốt cháy khí metan cho quá trình cháy hoàn toàn ra phía sau màng lửa
6 Tính toán trường nhiệt độ ba chiều và thành phần các chất trong vùng cháy hoàn toàn ra phía sau màng lửa và trong quá trình giãn nở của hỗn hợp tại các vị trí của kim phun khí khác nhau
3 Tính mới của luận án:
- Sự phát triển của phương pháp hai giai đoạn cho việc giải quyết bài toán chung về việc xác định sắp xếp vị trí kim phun hợp lý trên bề mặt xilanh của động cơ đốt trong, trên cơ sở phân chia điều kiện của quá trình khí động lực trong xilanh của động cơ và quá trình cháy ở phía trước cũng như phía sau màng lửa và diễn ra trong chu kỳ nổ;
- Giới thiệu một phiên bản rút gọn cơ bản động học của phản ứng hóa học đốt cháy khí metan cho quá trình cháy hoàn toàn diễn ra chậm của hỗn hợp nghèo (loãng) phía sau màng lửa trong khi duy trì tính chính xác của các giải pháp;
- Khái quát phương pháp trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xoáy để áp
dụng không chỉ xăng, mà còn nhiên liệu khí, trong đó yêu cầu thực hiện hàng loạt thuật toán và chương trình để giải quyết; nhận được các kết quả tính toán;
- Thiết lập phù hợp nhất với quan điểm về thành phần oxit nitơ từ sự sắp xếp vị trí kim phun nhiên liệu trong xilanh động cơ đốt trong, đó là kết quả nghiên cứu và thực hiện các kỹ thuật phù hợp
4 Khả năng áp dụng kết quả của luận án:
- kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm cơ sở cho việc thiết kế động
cơ ô tô sử dụng nhiên liệu khí đối với động cơ đốt trong
- kết quả nghiên cứu lý thuyết có thể sử dụng trong các giáo trình giảng dạy ở các trường đại học kỹ thuật Một phần của luận án được sử dụng trong quá trình giảng dạy của Bộ môn ô tô và công nghệ sản xuất ô tô, cụ thể các môn học
Trang 5"Động cơ", “Kỹ thuật nhiệt”, "Những nghiên cứu khoa học cơ bản trong giao thông", "Máy tính và Công nghệ thông tin trong khoa học và ứng dụng sản xuất"
5 Bố cục chính của luận án:
Luận án được bao gồm phần mở đầu và 4 chương chính, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo từ 38 đầu sách và 7 bảng phụ lục
Nội dung cơ bản của luận án
Trong phần mở đầu: trình bày tính cấp thiết, mục đích, cái mới, phương
pháp nghiên cứu, những kết quả nghiên cứu của luận án, giá trị thực tiễn và ứng dụng của luận án, cấu tạo chung và nội dung ngắn gọn các phần của luận án
Chương 1: Giới thiệu tính năng đặc biệt của nhiên liệu khí (khí thiên
nhiên) đối với động cơ đốt trong
Tất cả các thành phần của khí thiên nhiên (chủ yếu là metan) có tính bền vững chống kích nổ cao và trị số octan cao hơn so với xăng
Khí thiên nhiên và metan giới hạn đốt cháy lớn và các giới hạn hiệu quả hoạt động của động cơ thay đổi theo hướng hỗn hợp nhiên liệu nghèo, từ đó chỉ
ra tính kinh tế khi sử dụng nhiên liệu khí Như vậy, động cơ khí có thể hoạt động trong một phạm vi rộng của tải Sự đốt cháy chậm hơn của hỗn hợp khí so với xăng làm giảm "độ cứng" của động cơ
Sắp xếp vị trí kim phun bề ngang xilanh thuận lợi hơn vị trí khác vì ở kỳ đốt cháy và nổ khi đó các kim phun được che kín bởi piston cho nên không bị ảnh hưởng từ khối lượng sản phẩm cháy, do đó bảo vệ khỏi sự hình thành than cốc trên bề mặt của nó và các tác dụng không mong muốn khác
Hàm lượng oxit nitơ lớn nhất (α ~ 1,3), động cơ sử dụng nhiên liệu khí dịch chuyển theo chiều nhiên liệu nghèo và có giá trị thấp hơn khoảng hai lần so với xăng Hàm lượng oxit cacbon CO (α ~1) trong hỗn hợp giàu trên thực tế giống như xăng giảm hai lần
Động cơ khí cho phép khả năng rộng rãi điều chỉnh sau giới hạn nghèo một cách hiệu quả (α > 1,5), trong vùng nơi mà các oxit nitơ và oxit cacbon
Trang 6chứa với số lượng rất nhỏ Vì vậy, tối ưu hóa sự điều chỉnh về động cơ khí để làm giảm các chất ô nhiễm thải ra môi trường vài lần so với động cơ xăng
Chương 2: Mô hình toán động hóa học của sự cháy ở màng lửa
Tác giả nghiên cứu vắn tắt các vấn đề cơ bản của động học quá trình đốt cháy và chuẩn bị các dữ liệu ban đầu của động hóa học, mô tả các vấn đề về xác định thành phần cân bằng của sản phẩm cháy và tính gần đúng của nó thể hiện bởi các đa thức
Tiến hành kiểm tra cơ chế đốt cháy khí metan của giáo sư Bacevich V.J để tính động học không chiều của lớp phía trước màng lửa Đối với các thành phần chính những dữ liệu cuối cùng động học so với trạng thái cân bằng lệch nhau không quá 3%
Nghiên cứu giải pháp của bài toán một chiều động học của quá trình đốt cháy khí metan trong một lớp nhỏ bề mặt xoáy của sự cháy Các tính toán với lượng khí dư ( = 0,05) khi hệ số dư thừa không khí khác nhau ở dải đặc trưng cho nhiên liệu khí: nhiệt độ cháy TG, sự tỏa nhiệt Q và vận tốc pháp tuyến cháy lớp un khi sự dư thừa không khí khác nhau (hình1)
Hình 1: Nhiệt độ cháy, sự tỏa nhiệt và vận tốc pháp tuyến cháy lớp khi sự
dư thừa không khí khác nhau (р = 4 МPа): ──── đặc trưng cho tính toán; , +, х các giá trị thực nghiệm của vận tốc, sự tỏa nhiệt và nhiệt độ cháy
Bảng 1 giới thiệu phần mol các thành phần chính nhận được ở cuối sự cháy trong đó tính toán động học (K) và tính toán nhiệt động lực học cân bằng
Trang 7(P) (với các giá trị α ,TG, p) Sự khác biệt giữa các dữ liệu cho mỗi thành phần là nhỏ hơn 20%, điều này cho phép tiến hành kết luận về trạng thái cân bằng hỗn hợp (trừ NO) vào cuối của sự cháy ở màng cháy
Loại tính
toán
0,9 K 0,107D-01 0,151 0,502D-01 0,098 0,507D-02 0,00769
Р 0,961D-02 0,135 0,451D-01 0,087 0,497D-02 0,00725 1,0 К 0,497D-02 0,140 0,270D-01 0,106 0,141D-01 0,00851
P 0,488D-02 0,127 0,261D-01 0,095 0,119D-01 0,00783 1,2 K 0,104D-02 0,120 0,616D-02 0,104 0,380D-01 0,00562
P 0,104D-02 0,113 0,592D-02 0,098 0,322D-01 0,00527 1,5 K 0,208D-03 0,098 0,118D-02 0,086 0,710D-01 0,00308
P 0,210D-03 0,094 0,115D-02 0,081 0,642D-01 0,00294
Bảng 1: phần mol các thành phần chính nhận được ở cuối quá trình cháy màng cháy theo dự liệu động học một chiều (K) và tính toán cân bằng (P)
Chương 3: Sự cháy hoàn toàn mặt sau màng lửa, trao đổi khối lƣợng
nhiệt hóa học tạo xoáy
Tác giả nghiên cứu sự cháy hoàn toàn mặt sau màng lửa Sự cháy hoàn toàn nhiên liệu trường không đồng nhất không khí thừa trong buồng đốt trước khi đánh lửa và khi cháy, sự hình thành của các dòng chảy từ mặt trước của nhiệt độ khác nhau và thành phần của sản phẩm cháy chứa một lượng dư hay thiếu nhiên liệu Khi hòa trộn các dòng này đang bắt đầu phản ứng đốt cháy hoàn toàn của oxit cacbon CO và tạo thành oxit nitơ NO Để giải quyết vấn đề
này, tác giả sử dụng các phương pháp trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xoáy
trong việc giải quyết bài toán ba chiều
Để giảm thời gian tính toán trong bài toán đốt cháy toàn phần có thể làm giảm cơ chế động học Bacevich V.J Trong giải quyết kiểm tra bài toán động học của sự đốt cháy metan tại một thời điểm nhất định cho trước đã đưa ra kết quả theo dự liệu từng phần cho từng phần tử
Trang 8Để sự cháy của hỗn hợp nhiên liệu khí nghèo (α =1,6-2,1) khi ta tính toán trong khoảng hệ số dư thừa không khí là α =0,9-2,1 trong trường hợp này số lượng phản ứng chính giảm rất nhiều (bảng 2)
Bảng 2: Những phản ứng chính cháy hoàn toàn và sự giãn nở của metan
1 OH+H2=H+H2O 5 OH+H=H2O 9 CO+OH=CO2+H
2 OH+O=H+O2 6 H+HO2 =H2+O2 10 N+NO=N2+O
3 OH+H=O+H2 7 H+O2=H2O 11 N+O2=NO+O
4 OH+OH=O+H2O 8 OH+OH=H2O2 12 N+OH=NO+H
So sánh số mol của các chất trong việc tính toán trước và sau rút gọn số phản ứng thấy rằng sự chênh lệch không quá 5% Phản ứng hình thành oxit nitơ
NO phù hợp với cơ chế của Zeldovich và không thuộc phần rút gọn
Sự chuyển động của sự cháy được xác định bởi tốc độ của vận tốc cháy tạo xoáy và vận tốc giãn nở nhiệt của các sản phẩm cháy được tạo thành Sau cùng dẫn đến nén hỗn hợp nhiên liệu Trong trường hợp bài toán hai đối với các vận tốc phía trước có thể thực hiện được bằng giải pháp tích phân
Bảng 4 Nhiệt độ và thành phần mol cân bằng sản phẩm cháy ở đầu ra màng cháy
Т F ,K 283E+04 252E+04 220E+04 195E+04
H2O 181E+00 144E+00 114E+00 939E-01
H2O2 960E-06 168E-05 101E-05 458E-06
Vận tốc xoáy của sự cháy được xác định bằng tỷ số trung bình giữa chiều
dài của sự cháy với giá trị thời gian u S = L/гор, bằng phép đo quang phổ Đối với khí metan thời gian cháy gấp khoảng 1,5 lần so với hỗn hợp xăng và khoảng
Trang 91,5-1,6 ms khi n = 3000 vòng/phút Đối với khoảng tỷ lệ dư thừa không khí α từ
0,9 đến 2,1 sử dụng cho metan giá trị vận tốc xoáy u S của sự cháy sẽ tính toán không phụ thuộc vào hệ số dư thừa không khí và khi đó giá trị trung bình hệ số
dư thừa không khí là ср =1,5
Vận tốc màng cháy ở môi trường không đồng nhất hỗn hợp nhiên liệu:
Trong đó: θ – tỷ lệ nhiệt độ sản phẩm cháy Т 1 (α) và nhiệt độ hỗn hợp nhiên liệu
Т2; F() – diện tích bề mặt cháy sự cháy; W KS – thể tích buồng đốt; - thời gian
cháy
Lúc bắt đầu cháy tốc độ đốt cháy nhanh vượt 3-4 lần so với bình thường
do sự giãn nở nhiệt của sản phẩm cháy, cuối quá trình cháy các giá trị này được điều hòa
Thành phần sản phẩm cháy, ở gần sự khuếch tán hỗn hợp điều hòa được xác định bằng phương trình bảo toàn khối lượng cũng như phương trình năng lượng và sự chuyển động của hỗn hợp Trường xoáy của vận tốc hỗn hợp biết từ giải quyết bài toán khí động lực học không sử dụng phản ứng hỗn hợp hóa học
mà bằng phần mềm ứng dụng GAS2
Bài toán trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xoáy trường nhiệt độ và các phần khối lượng của các thành phần được xác định bằng các phương trình năng lượng và phương trình bảo toàn khối lượng
Trong đó U=c v T; k=1,2,3 – số tọa độ tương ứng với x,y,z; Q và J – các nguồn nhiệt lượng và khối lượng các phần tử; i-số phần tử; j- số phản ứng; - tỷ trọng hỗn hợp; с p – nhiệt dung riêng hỗn hợp khi thể tích không đổi; Т – nhiệt độ
S
F
W
F u
u
1 1 1
1
;
d
d p Q q d
dU k k
1
1
j ji i
i i
д
дg
Trang 10hỗn hợp; u – vận tốc hỗn hợp; g i - phần khối lượng các phần tử; - thời gian cháy
Điều kiện ban đầu tại vùng lân cận xung quanh bugi điện:
Т = Т н = Т F (); g i = g iн = g iF () для i = 1, 2, …, N;
Điều kiện biên:
- ở tiếp giáp trường xoáy cạnh tường buồng đốt
Т=Т W ; дg i /дn = 0 для i = 1, 2,…, N;
- ở cửa thoát màng cháy đối với giá trị tức thời
Т = Т F (), g i = g iF () для i = 1, 2,…, N;
Đó là thuận lợi cho việc sử dụng khái niệm độ bội hệ số trao đổi xoáy NT,
là tỉ số của độ nhớt xoáy và độ nhớt theo lớp (dẫn nhiệt hoặc hệ số khuếch tán) Những đặc tính xoáy của sự dịch chuyển được xác định bởi trường độ bội hệ số trao đổi xoáy NT
а Т = а лам N T ; D Т = D лам N T
Hình 2.Trường điển hình hệ số trao đổi
xoáy ở cuối của sự cháy
Hình 3.Trường điển hình hệ số trao đổi xoáy ở cuối của sự cháy
Sự cản nhiệt theo lớp có bề dày Л được tính theo công thức sau:
Т w =(Т 0 + AТ ср )/(1 + A), và A = Л N T / L T
Trong đó Л và T = Л ·N T – hệ số lớp và xoáy của tính dẫn nhiệt sản
phẩm cháy; L T – đặc trưng kích thước vùng xoáy; T 0 - nhiệt độ trung bình bề mặt
tường, T 0 600 K (Kelvin)
