Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ CHÁY TẦNG CỦA HỖN HỢP
ISO-OCTANE/N-HEPTANE/KHÔNG KHÍ BẰNG PHẦN MỀM CHEMKIN
DERTERMINATION OF LAMINAR FLAME SPEED OF ISO-OCTANE/N-HEPTANE/AIR
MIXTURES BY USING CHEMKIN SOFTWARE
Lương Đình Thi 1a, Nguyễn Hà Hiệp 1b
1
Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam
a
;
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả tính toán tốc độ cháy tầng của hỗn hợp iso-octane/nheptane/không khí ở điều kiện tiêu chuẩn và điều kiện làm việc thực tế trong động cơ xăng
bằng phần mềm CHEMKIN. Kết quả tính toán ở các điều kiện khác nhau cho thấy, hỗn hợp
môi chất công tác có hệ số tương đương φ = 1,0 có tốc độ cháy tầng lớn nhất. Hỗn hợp nghèo
(φ < 1,0) và hỗn hợp giàu nhiên liệu (φ > 1,0) đều có tốc độ cháy tầng nhỏ hơn nhiều so với
hỗn hợp vừa đủ (φ = 1,0). Khi áp suất tăng, tốc độ cháy tầng giảm mạnh, còn khi nhiệt độ tăng
thì tốc độ cháy tầng tăng theo.
Từ khóa: xăng, tốc độ cháy tầng, phần mềm Chemkin, động cơ.
ABSTRACT
This paper represents the CHEMKIN numerical laminar flame speeds of iso-octane/nheptane/air mixtures at atmospheric condition and practical operation condition of spark
ignition engine. Obtained results showed that the maximal laminar flame speed is reached
with equivalence ratio of 1.0, the lean and rich mixtures get lower values. The laminar flame
speed increases with decrease in initial pressure and/or with increase in initial temperature.
Keywords: gasoline, laminar flame speed, CHEMKIN software, engine.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, động cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực chính trên các phương tiện giao
thông. Việc nghiên cứu để làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng tính kinh tế nhiên liệu
của động cơ đang là vấn đề cấp bách trên thế giới [1]. Khi thay đổi chế độ làm việc của động
cơ, hiệu suất và mức phát thải cũng thay đổi. Mức phát thải ô nhiễm thấp và tính kinh tế nhiên
liệu cao thường không đạt được đồng thời trong một chế độ làm việc của động cơ. Thông
thường, vùng làm việc của động cơ có mức phát thải đáp ứng được tiêu chuẩn quy định về khí

λ
+ ρυ =

 +  ∑  D j ρ −
∂t
∂y ∂y  c p ∂y  ∂y  j 
cp

 ∂Y j 

 h j
 ∂y 

Phương trình bảo toàn vật chất:

ρ

∂Y j

∂Y j ∂ 
∂Y j
+ ρυ=
 Dj ρ
∂t
∂y ∂y 
∂y


 + mj


3
4
Trong phản ứng thuận nghịch, tốc độ phản ứng thuận là một hàm của nhiệt độ, được thể
hiện dưới dạng biểu thức Arrhenius:
 −E 
βi
k fi = AT
exp  i 
i
 RT 

trong đó A i và β i là các hệ số, E i là năng lượng hoạt hóa; cả 3 thông số này cần nhập
vào phần mềm CHEMKIN, chúng được xác định từ cơ chế phản ứng của loại nhiên liệu cần
tính toán.
Tốc độ phản ứng nghịch được xác định thông qua tốc độ phản ứng thuận:
k ri = k fi K ci

trong đó K ci là hệ số tỷ lệ.
Giải hệ các phương trình trên bằng phương pháp thể tích hữu hạn cho các vùng hỗn hợp
đã cháy và chưa cháy sẽ xác định được vị trí màng lửa theo thời gian, tốc độ cháy tầng được
tính toán qua vị trí màng lửa.
2.2. Xây dựng mô hình tính toán tốc độ cháy tầng
Để tính toán tốc độ cháy tầng, sử dụng mô hình Flame_Speed_Freely_Propagating
trong phần mềm CHEMKIN. Mô hình tính toán được thể hiện như trên hình 1.

531


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV


532


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 1. Tỷ lệ các chất trong các hỗn hợp nghiên cứu (tỷ lệ % mol)
φ

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6


0,928

1,083

1,232

1,387

1,535

1,69

1,838

1,98

2,134

2,283

2,436

O2

20,83

20,80

20,76


77,67

77,54

77,41

77,29

77,16

77,03

76,90

Chất

Hệ số tương đương φ được định nghĩa như sau [9]:

φ=

F A
F Ast

ở đây F/A là tỷ số nhiên liệu/không khí thực tế, F/A st là tỷ số nhiên liệu/không khí lý
thuyết.
Tốc độ cháy tầng của các hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí được tính toán tại các
điều kiện: tiêu chuẩn (áp suất p = 1 bar, nhiệt độ T = 298 K); điều kiện làm việc thực tế trong
động cơ xăng tại thời điểm đánh lửa. Các thông số áp suất và nhiệt độ tại điều kiện này được
tính toán bằng phần mềm AVL-Boost [10] cho động cơ xăng Mitsubishi 4G93. Kết quả nhận

3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng được nghiên cứu tại hai chế độ áp suất:
p =1 bar và p = 35 bar, kết quả được thể hiện trên hình 4.

Hình 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng
(a) p = 1 bar; (b) p = 35 bar
Kết quả trên hình 4 cho thấy, khi nhiệt độ ở thời điểm bắt đầu cháy tăng lên thì tốc độ
cháy tầng tăng mạnh và ngược lại. Như vậy, nhiệt độ có tác dụng thúc đẩy quá trình cháy. Kết
quả này cũng phù hợp với các kết quả nghiên cứu cho các hỗn hợp iso-octane/không khí và nheptane/không khí [1, 4]. Trên hình 4a, tốc độ cháy tầng tại điều kiện p = 1 bar và T = 820 K
được tính toán thêm để so sánh. Đối với hỗn hợp nhiên liệu/không khí vừa đủ (φ = 1,0), khi
nhiệt độ tăng từ 298 K lên 820 K (tăng 2,75 lần), tốc độ cháy tầng tăng lên từ 37,2 cm/s lên
246,88 cm/s (tăng 6,64 lần). Trên hình 4b, tốc độ cháy tầng tại điều kiện p = 35 bar và T =
298 K được tính toán thêm để so sánh. Đối với hỗn hợp có φ = 1,0 khi nhiệt độ giảm từ 820 K
đến 298 K (giảm 2,75 lần), tốc độ cháy tầng giảm từ 97,05 cm/s đến 10,3 cm/s (giảm 9,4 lần).
Như vậy, áp suất càng cao thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng càng lớn.
534


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.4. Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy tầng
Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy tầng được nghiên cứu tại hai chế độ nhiệt độ: T =
298 K và T = 820 K, kết quả được thể hiện trên hình 5.

Hình 5. Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy tầng
(a) T = 298 K; (b) T = 820 K
Kết quả trên hình 5 cho thấy, khi áp suất ở thời điểm bắt đầu cháy tăng lên thì tốc độ
cháy tầng giảm mạnh và ngược lại, ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ cháy tầng ngược lại so
với ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất có tác dụng kìm hãm quá trình cháy. Kết quả này cũng
phù hợp với các kết quả nghiên cứu cho các hỗn hợp iso-octane/không khí và nheptane/không khí [1, 4]. Trên hình 5a, đối với hỗn hợp có φ = 1,0 khi áp suất tăng từ 1 bar
đến 35 bar (tăng 35 lần), tốc độ cháy tầng giảm từ 37,2 cm/s đến 10,3 cm/s (giảm 3,6 lần).

Hierarchical and comparative kinetic modeling of laminar flame speeds of hydrocarbon
and oxygenated fuels. Progress in Energy and Combustion Science, 38, 2012, 468 - 501.
[6]. D.B. Spalding, P.L. Stephenson, R.G. Taylor. A calculation procedure for the prediction
of laminar flame speeds. Combustion and Flame, 17, 1971, 55–64.
[7]. R.J. Kee, F.M. Rupley, E. Meeks, J.A. Miller. Chemkin-III: A Fortran chemical kinetics
package for the analysis of gas-phase chemical and plasma kinetics. Sandia National
Laboratories Livermore, CA 94551-0969, May 1996.
[8]. M. Chaos, A. Kazakov, Z. Zhao, F.L. Dryer. A high-temperature chemical kinetic model
for primary reference fuels. International Journal of Chemical Kinetics, Vol 39, Issue 7,
pages 399–414, 2007.
[9]. Erjiang Hu, Zuohua Huang, Jiajia He, Chun Jin, Jianjun Zheng. Experimental and
numerical study on laminar burning characteristics of premixed methane–hydrogen–air
flames. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 34, Issue 11, June 2009,
Pages 4876–4888.

Web site:
[10]. AVL List Gmbh, AVL Boost, 2014. />THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

TS. Lương Đình Thi, Bộ môn Động cơ – Khoa Động Lực – Học viện kỹ thuật quân sự
Email: , Phone number: 0974922757.

2.

TS. Nguyễn Hà Hiệp, Bộ môn Động cơ – Khoa Động Lực – Học viện kỹ thuật quân sự
Email: , Phone number: 0985045262.

536