LÊ 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.
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 Alexsandrovic 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.

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 "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


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 (P) (với các giá trị α ,T
G
, 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

H
2H
2
O

CO
CO
2

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

1
OH+H
2
=H+H
2
O
5
OH+H=H
2
O
9
CO+OH=CO
2
+H
2
OH+O=H+O
2
6
H+HO
2
=H
2
+O
2
10
N+NO=N
2
+O
3
OH+H=O+H

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
α
0.9
1.3
1.7
2.1
Т
F
,K
.283E+04
.252E+04
.220E+04
.195E+04
H
2

.147E-01
.895E-03
.852E-04
.116E-04
H
2
O
.181E+00
.144E+00
.114E+00
.939E-01
H

.184E-02
.614E-03
CO
.371E-01
.285E-02
.236E-03
.270E-04
CO
2

.634E-01
.709E-01
.574E-01
.471E-01
H
.241E-02
.158E-03
.935E-05
.766E-06
N
2

.683E+00
.722E+00
.738E+00
.748E+00

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

- 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


KSS
F

11
1



N
j
jiiii
i
JgDgu
д
дg


hỗn 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
(



).

для i = 1, 2,…, N;
Đó là thuận lợi cho việc sử dụng khái niệm độ bội hệ số trao đổi xoáy N
T
,
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 N
T
.
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

·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). Giải quyết bài toán trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xoáy được tiến
hành theo phương pháp chia tách các bước theo thời gian. Trong đó các bước
phân chia theo từng tọa độ tác giả sử dụng phương pháp số hóa các phương trình
vi phân, để tính toán nguồn nhiệt và khối lượng của các thành phần sử dụng
phương pháp Gira. Sự lựa chọn đầy đủ phương pháp đơn giản và bền vững giải
quyết bài toán đã cho phép áp dụng bước lớn theo các tọa độ. Điều này làm
giảm đáng kể thời gian tính toán cho việc giải quyết bài toán trao đổi khối lượng
nhiệt hóa học tạo xoáy.
Mô hình trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xoáy được thực hiện như
sau:
- Theo sự phát xạ của các gốc OH trong quang phổ ngọn lửa của động cơ
đốt trong;
- Tính toán kiểm tra trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xoáy trong
trường hợp cụ thể của các trường đồng nhất hệ số dư thừa không khí trong
buồng đốt;

bố kim phun trên bề mặt
xilanh động cơ
Phun nhiên liệu diễn ra ở cuối kỳ hút trong khoảng 1,4 ms. Sự phun này
áp suất trong xilanh thấp khi hút khí. Xung lượng vận tốc phun đạt tới cực đại
110m/s . Khối lượng nhiên liệu phun duy trì giá trị trung bình như nhau tỷ lệ với
hệ số dư thừa không khí α
ср
= 1,5 dùng cho tất cả các trường hợp. Các tính toán
được tiến hành với các trường hợp kim phun khác nhau trên tường của xilanh
như hình 5, trong trường hợp này có thể mong đợi các trường không đồng nhất
hệ số dư thừa không khí.
Các trường nồng độ metan khi phun cho 4 phương án thể hiện trên hình 6
Hình 6. Các trường vận tốc và thành phần
nhiên liệu ở cuối kỳ phun với các vị trí kim
phun : 1 (а), 2 (б), 3(в) и 4 (г).

Hình 7. Trường cuối tỷ lệ dư thừa
không khí trong buồng đốt (trước khi
đánh lửa) với các vị trí kim phun khác
nhau: а – 1; б - 2; в – 3; г – 4.
Ở vị trí số 1 các tia metan nhẹ nhàng chọc thủng không khí lưu thông bên
tường trái và cắt ngang trục xilanh. Khoang xilanh được nạp đầy đủ khí metan.
Tính không đồng nhất trường hệ số dư thừa không khí nhỏ (α =α
max
- α
min


Áp suất ở cuối sự nén là 2,4 MPa. Các trường hệ số dư thừa không khí nhận
được cho phép giải quyết các vấn đề của sự cháy.
Trường vận tốc khi cháy hoàn toàn và giãn nở hình thành do tác động
phản hồi của dòng chảy từ màng cháy và được tính toán bằng cách sử dụng phần
mềm mô phỏng GAS2.
Khi chuẩn bị các dự liệu đầu vào cho phần mềm mô phỏng GAS2 cho
phép đưa ra hàng loạt các tham số: tốc độ chuyển động màng cháy, tốc độ phản
hồi và nhiệt độ của các vị trí màng cháy tách rời tuyến tính theo thời gian. Kết
quả tính toán thu được từ trường xoáy của vận tốc phía sau màng lửa ở vùng sản
phẩm cháy. Các giá trị của tốc độ phản hồi là 25 - 70 m/s. Trong phần trên của
buồng đốt hình thành vùng xoáy bền vững.

Hình 8. Các trường vận tốc ở trong
buồng đốt với sự cháy ở giữa (а) và
cuối (б): S – điểm đánh lửa; 1, 2, 3
– các phần của màng đốt.

Hình 9. Trường vận tốc ở cuối sự giãn
nở tích cực (590
о
vòng quay trục
khuỷu).
Các trường vận tốc cho kỳ nổ của các sản phẩm cháy trong xi lanh được
giới thiệu trên hình 9, với nó được đặc trưng bởi cấu trúc hai vùng xoáy.
Các trường nhiệt độ ba chiều và trường các thành phần không cân bằng
của các phần tử đặc trưng thể hiện ở hình 10 và hình 11. Trong đó F –màng
cháy; g- phần khối lượng các thành phần; x – tâm điểm của vùng xoáy khi cháy.

2
lớn nhất tương ứng với vùng cuối cùng
với hệ số dư thừa không khí α~2,0. Ngoài ra ở phần trên buồng đốt hàm lượng
oxi O
2
thấp giải thích sự tiêu hao oxi là sự hình thành hơi nước H
2
O, cũng tương
tự hình thành CO và CO
2
. Do đó các phần tử này có cường độ phần tạo xoáy của
buồng đốt, nơi cháy tương ứng giàu hỗn hợp α~1,1.
Giảm tỷ trọng của NO diễn ra ở nơi hỗn hợp nghèo và khá lạnh vào cuối
sự cháy. Nhận thấy rằng toàn bộ "đóng băng" các phản ứng hình thành NO diễn
ra ở nhiệt độ dưới 2200 2400 K (kelvin). Tương tự "đóng băng" các phản ứng cháy toàn phần oxit cacbon quan sát khi ở nhiệt độ thấp ~ 1400K (kelvin). Phần
cuối cùng CO trong khí thải nhỏ có thể bỏ qua.
Để quá trình giãn nở hỗn hợp trên hình 11 giới thiệu trường các thành
phần chính vào cuối kỳ phản ứng tích cực, tức là khi nhiệt độ dưới ~ 2200 K
(kelvin) - nhiệt độ "đóng băng" các phản ứng hình thành NO.

Hình 11. Các trường nhiệt độ T và phần khối lượng các thành phần đặc
trưng g trong xi lanh động cơ GDI ở cuối kỳ phản ứng hóa học tích cực (

= 4
ms; n = 3000 v/p)
Kết quả cuối cùng trong hình 12 cho thấy sự biến đổi của khối lượng mol
trung bình của oxit nitro NO theo thời gian, cho đến khi xả.

=1,5 cho tất cả các
phương án. Kim phun nhiên liệu ở vị trí số 2 trong luận án đưa ra các hiệu ứng
xấu cho sự hòa trộn và bốc cháy nhiên liệu do đó tác giả loại bỏ phương án này.
2. Phương pháp chia tách của mặt trước thành nhiều phần, trong mỗi phần
đó có giá trị tỷ lệ dư thừa không khí riêng, cho phép chuẩn bị các dữ liệu đầu
vào cho phần mềm mô phỏng GAS2: vận tốc chuyển động phía trước, tốc độ của
dòng chảy của khí từ phía trước và nhiệt độ các bộ phận của mặt trước, cũng
như đưa ra hình thức đơn giản gần đúng từng phần tuyến tính theo thời gian. 3. Tiến hành giản lược cơ bản cơ chế cháy metan mà giáo sư Bacevich V.J
đã thực hiện (128 phản ứng) cho quá trình giữ chậm đốt cháy hoàn toàn mặt sau
màng lửa. Đối với hỗn hợp nghèo nhiên liệu khí của dải hệ số dư thừa không
khí(α = 0,9 - 2,1) số các phản ứng thuận nghịch cơ bản giảm xuống còn 12
phương trình. So sánh các kết quả tính toán kiểm tra của sự cháy hoàn toàn cho
thấy sự khác biệt không quá 5%.
4. Các tính toán các trường ba chiều nhiệt độ và thành phần các chất trong
vùng cháy toàn phần mặt sau màng lửa và trong quá trình giãn nở của hỗn hợp
(bài toán trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xoáy), thu được đồ thị biến đổi
giá trị trung bình phần khối lượng mol oxit nitrơ theo thời gian đến khi xả với
các phương án bố trí kim phun nhiên liệu ở vị trí số 1, 3 và 4. Hàm lượng oxit
nitơ thấp nhất trong khí thải là 0,1% thu được khi bố trí kim phun nhiên liệu ở vị
trí số 3, đây là vị trí được coi là hợp lý nhất.
5. Áp suất tối đa trong xilanh với kim phun nhiên liệu ở vị trí số 1, 3 và 4
tương ứng với các giá trị 5,0; 4,2; 4,4 MPa. Khi đó áp suất trung bình chỉ báo p
i

= 0,8; 0,65; 0,7 MPa. Như vậy, áp suất p
i
- đặc trưng cho khả năng công suất