“Giảm hàm lượng oxit nitơ trong piston động cơ đốt trong khi tính toán khí động lực học và sự trao đổi khối lượng nhiệt trong quá trình đốt cháy nhiên liệu khí với kim phun nhiên liệu ở các vị trí khác nhau”.Luận án nghiên cứu giảm thành phần độc hại NO

LÊ ĐẠI LÂM

GIẢM HÀM LƢỢNG OXIT NITƠ TRONG PISTON ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG KHI TÍNH TỐN 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


1. 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 tốn 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.
Thơng thường sử dụng cách mơ tả tốn học các q 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 mơ hình khác nhau, cấp độ đồng nhất trường nhiệt độ, hệ số
dư thừa khơng 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 tốn tính khơng 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 khơng 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 q trình khí động (hút,
phun, hịa trộn hỗn hợp) và q 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 tốn của các trường vận tốc hỗn loạn
hai chiều khơng 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 khơng 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 khơng 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 xốy 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 xốy trong động cơ đốt trong được sử dụng như bằng
phương pháp tính tốn mới qua phần giới thiệu của giáo sư Chesnokov Sergey


Alexsandrovic cho phép tính tốn 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 tốn 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
cịn vài giờ. Cùng một mục đích là giảm động hóa học q trình đốt cháy: hỗn
hợp nhiên liệu nghèo (loãng) dao động giá trị hệ số dư thừa khơng 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 tốn 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 tốn các thành phần cân bằng của sản phẩm cháy khí metan khi có
hệ số dư thừa khơng khí khác nhau và tính gần đúng của đa thức đó.
2. Giải quyết bài tốn một chiều động hóa học của q trình đốt cháy khí
metan trong lớp nhỏ tạo xốy phía trước màng lửa với các giá trị hệ số dư thừa
khơng 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 tốn, với việc sử dụng phần mềm mơ phỏng GAS2, những trường
vận tốc tạo xoáy (và trường hệ số dư thừa khơng khí) khi hút khơng khí, phun
metan và trộn hỗn hợp, và cho cả việc không phản ứng hỗn hợp hố học, các
trường vận tốc phía sau phía trước sự cháy và trong chu trình nổ. Để cho các q
trình tính tốn áp suất, nhiệt độ và những tham số khác.


4. Giải quyết bài toán chuyển động mặt trước sự cháy trong môi trường
không đồng nhất về hệ số dư thừa khơng khí của hỗn hợp nhiên liệu dưới dạng
phân tích.
5. Rút gọn cơ bản về cơ cấu động lực q trình đốt cháy khí metan cho
q trình cháy hồn tồn ra phía sau màng lửa.
6. Tính tốn trường nhiệt độ ba chiều và thành phần các chất trong vùng
cháy hồn tồn ra phía sau màng lửa và trong q 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 q trình khí động lực
trong xilanh của động cơ và q 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 q trình cháy hồn tồn diễn ra chậm của hỗn hợp
nghèo (lỗng) phía sau màng lửa trong khi duy trì tính chính xác của các giải
pháp;
- Khái qt phương pháp trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xốy để áp
dụng khơng chỉ xăng, mà cịn nhiên liệu khí, trong đó u cầu thực hiện hàng
loạt thuật tốn và chương trình để giải quyết; nhận được các kết quả tính tốn;
- 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 tơ 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 q
trình giảng dạy của Bộ mơn ơ 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
thơng", "Máy tính và Cơng nghệ thơng 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 khơng 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


chứa 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: Mơ hình tốn 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, mơ 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 khơng 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 q trình đốt
cháy khí metan trong một lớp nhỏ bề mặt xốy của sự cháy. Các tính tốn 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 khơng khí khác nhau (р = 4 МPа): ──── đặc trưng cho tính tốn;

,

+, 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 tốn động học (K) và tính tốn nhiệt động lực học cân bằng


(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.


0,9
1,0
1,2
1,5

Loại
tính
tốn

H2

H2O

CO

CO2

O2

OH

K
Р
К
P
K
P
K
P

0,107D-01
0,961D-02
0,497D-02
0,488D-02
0,104D-02
0,104D-02
0,208D-03
0,210D-03

0,151
0,135
0,140
0,127
0,120
0,113
0,098
0,094

0,502D-01
0,451D-01
0,270D-01
0,261D-01
0,616D-02
0,592D-02
0,118D-02
0,115D-02

0,098
0,087
0,106
0,095
0,104
0,098
0,086
0,081

0,507D-02
0,497D-02
0,141D-01

0,119D-01
0,380D-01
0,322D-01
0,710D-01
0,642D-01

0,00769
0,00725
0,00851
0,00783
0,00562
0,00527
0,00308
0,00294

Bảng 1: phần mol các thành phần chính nhận được ở cuối q trình cháy
màng cháy theo dự liệu động học một chiều (K) và tính tốn cân bằng (P)
Chương 3: Sự cháy hồn tồn mặt sau màng lửa, trao đổi khối lƣợng
nhiệt hóa học tạo xốy
Tác giả nghiên cứu sự cháy hồn tồn mặt sau màng lửa. Sự cháy hồn
tồn nhiên liệu trường khơng đồng nhất khơng khí thừa trong buồng đốt trước
khi đánh lửa và khi cháy, sự hình thành của các dịng 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 xốy
trong việc giải quyết bài tốn ba chiều.
Để giảm thời gian tính tốn trong bài tốn đốt cháy tồn 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.


Để sự cháy của hỗn hợp nhiên liệu khí nghèo (α =1,6-2,1) khi ta tính tốn
trong khoảng hệ số dư thừa khơng 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 hồn tồn và sự giãn nở của metan
1
2
3
4

OH+H2=H+H2O
OH+O=H+O2
OH+H=O+H2
OH+OH=O+H2O

5
6
7
8

OH+H=H2O
H+HO2 =H2+O2
H+O2=H2O
OH+OH=H2O2

9
10
11

12

CO+OH=CO2+H
N+NO=N2+O
N+O2=NO+O
N+OH=NO+H

So sánh số mol của các chất trong việc tính tốn 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 tốn 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
α
ТF,K

H2
H2O
H2O2
HO2
O
O2
OH
CO
CO2
H
N2

0.9
.283E+04
.147E-01
.181E+00
.960E-06
.905E-05
.901E-03
.439E-02
.834E-02
.371E-01
.634E-01
.241E-02
.683E+00

1.3
.252E+04
.895E-03
.144E+00
.168E-05
.266E-04
.650E-03
.422E-01
.545E-02
.285E-02
.709E-01
.158E-03
.722E+00

1.7

.220E+04
.852E-04
.114E+00
.101E-05
.180E-04
.143E-03
.794E-01
.184E-02
.236E-03
.574E-01
.935E-05
.738E+00

2.1
.195E+04
.116E-04
.939E-01
.458E-06
.885E-05
.301E-04
.104E+00
.614E-03
.270E-04
.471E-01
.766E-06
.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 uS = 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

1,5-1,6 ms khi n = 3000 vòng/phút. Đối với khoảng tỷ lệ dư thừa khơng khí α từ
0,9 đến 2,1 sử dụng cho metan giá trị vận tốc xoáy uS của sự cháy sẽ tính tốn
khơng phụ thuộc vào hệ số dư thừa khơng khí và khi đó giá trị trung bình hệ số
dư thừa khơng khí là ср =1,5.
Vận tốc màng cháy ở môi trường không đồng nhất hỗn hợp nhiên liệu:

uF 

1
1  1 F
 1  

uS    WKS

Trong đó: θ – tỷ lệ nhiệt độ sản phẩm cháy Т1 (α) và nhiệt độ hỗn hợp nhiên liệu
Т2; F() – diện tích bề mặt cháy sự cháy; WKS – 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 tồn 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 tốn khí động lực học khơng sử dụng phản ứng hỗn hợp hóa học
mà bằng phần mềm ứng dụng GAS2.
Bài tốn trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xốy 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 tồn khối lượng.



dU
p d
 k q k  Q 
;
d
 d

дg i
1
1 N
 u  gi    Di gi    J ji .
д

 j 1
Trong đó U=cvT; 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; сp – nhiệt dung riêng hỗn hợp khi thể tích khơng đổi; Т – nhiệt độ


hỗn hợp; u – vận tốc hỗn hợp; gi - phần khối lượng các phần tử;  - thời gian
cháy.
Điều kiện ban đầu tại vùng lân cận xung quanh bugi điện:
Т = Тн = ТF(); gi = giн = giF(). для i = 1, 2, …, N;
Điều kiện biên:
- ở tiếp giáp trường xoáy cạnh tường buồng đốt
Т=ТW; дgi /дn = 0. для i = 1, 2,…, N;
- ở cửa thoát màng cháy đối với giá trị  tức thời

Т = ТF(), gi = giF(). 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 xốy của sự dịch chuyển được xác định bởi trường độ bội hệ số
trao đổi xốy NT.
аТ = алам NT;

Hình 2.Trường điển hình hệ số trao đổi
xốy ở cuối của sự cháy

DТ = Dлам NT.

Hình 3.Trường điển hình hệ số trao
đổi xốy ở cuối của sự cháy

Sự cản nhiệt theo lớp có bề dày Л được tính theo cơng thức sau:
Тw =(Т0 + AТср)/(1 + A), và A = Л NT / LT .
Trong đó Л và T = Л·NT – hệ số lớp và xốy của tính dẫn nhiệt sản
phẩm cháy; LT – đặc trưng kích thước vùng xốy; T0 - nhiệt độ trung bình bề mặt
tường, T0  600 K (Kelvin).


Giải quyết bài tốn 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 tốn 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 tốn cho việc giải quyết bài tốn trao đổi khối lượng
nhiệt hóa học tạo xốy.

Mơ 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 tốn kiểm tra trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xốy trong
trường hợp cụ thể của các trường đồng nhất hệ số dư thừa khơng khí trong
buồng đốt;
- Tính tốn kiểm tra trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xốy và so sánh
với dự liệu thực nghiệm về sự thải oxit nitơ và oxit cacbon cho động cơ VAZ2111.
Chương 4: Những kết quả chính của luận án
Tính tốn trường vận tốc khi phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp sử dụng
rộng rãi phần mềm mơ phỏng GAS2 cho trên cơ sở phương trình Naiber-Stoc và
mơ hình độ xốy nhận được các kết quả cho hỗn hợp 2 thành phần metan và
khơng khí.
Ở kỳ hút khí các trường vận tốc khi chuyển động piston xuống dưới và hút
khơng khí qua van khởi động được thể hiện ở hình 4 và như nhau đối với tất cả
các phương án bố trí kim phun khác nhau, van khởi động duy trì lượng khí hút
vào liên tục khơng bị gián đoạn.
Tính năng đặc biệt đặc trưng của trường vận tốc là sự hình thành sau van
khởi động hai vùng xốy A và B - hình 4, với những cấu tạo đặc thù của buồng
đốt dòng bên phải (2) có cường độ mạnh ở giáp tường hơn so với bên trái. Hiệu


ứng này kéo dài cho đến khi kết thúc kỳ hút và xác định độ phun xa của các kim
phun tùy thuộc vào vị trí của nó.

Hình 4. Các trường vận tốc khi hút khơng
о

khí ở cuối kỳ hút (170 vịng quay trục khuỷu)

Hình 5. Các phương án phân
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 khơng khí αср = 1,5 dùng cho tất cả các trường hợp. Các tính tốn
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 khơng đồng nhất
hệ số dư thừa khơng 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 Hình 7. Trường cuối tỷ lệ dư thừa
nhiên liệu ở cuối kỳ phun với các vị trí kim khơng khí trong buồng đốt (trước khi
phun : 1 (а), 2 (б), 3(в) и 4 (г).
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 khơng khí lưu thơng bên
tường trái và cắt ngang trục xilanh. Khoang xilanh được nạp đầy đủ khí metan.
Tính khơng đồng nhất trường hệ số dư thừa khơng khí nhỏ (α =αmax- αmin 
0,5). Điểm tương đối giàu hỗn hợp ở gần bugi.
Ở vị trí số 2 phun dọc theo xilanh nhận thấy rằng song song và cùng
chiều với đường khí hút vào. Nhiên liệu metan nhanh chóng rơi xuống phía dưới
bên trái, khi đó ở kỳ nén tiếp theo sẽ dẫn đến hiệu ứng không mong muốn là
xuất hiện vùng nhiên liệu giàu ở xa bugi do đó khi bắt cháy sẽ kém, sự hịa trộn
nhiên liệu và khơng khí sẽ kém α=1,2 (hình 7).
Ở vị trí số 3 tia phun ở tường bên trái của khơng khí 2 (hình 4) ngăn cản

truyền tia nhiên liệu metan và khối lượng nhiên liệu nạp vào bên phải xilanh.
Tiếp sau đó khối lượng dần dần chảy từ khe giữa khoang bên phải của piston và
nắp buồng đốt khi đó tạo vùng giàu nhiên liệu ở vị trí bugi (α=1,1). Ở cuối kỳ
nén trong buồng đốt tạo thành trường khơng đồng nhất hệ số dư thừa khơng khí
α lớn với sự không đồng nhất là α = αmax – αmin  0,9. Vùng nghèo nhiên liệu
hơn phân bố ở xa điểm đánh lửa, thực tế đảm bảo không có sự kích nổ khơng
mong muốn.
Ở vị trí số 4 tia phun rơi theo cùng dịng khơng khí vùng xốy công suất ở
phần bên phải xilanh. Đây là nguyên nhân dịch chuyển khối lượng nhiên liệu
nhanh chóng lên phía trên và phần bên phải xilanh. Khi nhiên liệu đẩy ra từ khe
hình thành vùng giàu ở vùng lân cận bugi. Vùng nghèo hỗn hợp được tạo thành
ở phần bên dưới buồng đốt, với sự không đồng nhất là α  1,1 mức độ độ thấp
nhất hệ số dư thừa không khí quan sát được ở phần giữa buồng đốt.
Đối với tất cả các phương án bố trí kim phun (trừ vị trí số №2), đặc trưng
bởi một hỗn hợp nhiên liệu giàu gần vị trí bugi tạo điều kiện thuận lợi cho việc
đánh lửa. Vùng hỗn hợp nhiên liệu nghèo hơn ở xa điểm đánh lửa được quan sát
cho vị trí №1 và №3. Những sắp xếp vị trí kim phun ở các vị trí này là hợp lý.


Áp suất ở cuối sự nén là 2,4 MPa. Các trường hệ số dư thừa khơng khí nhận
được cho phép giải quyết các vấn đề của sự cháy.
Trường vận tốc khi cháy hồn tồn và giãn nở hình thành do tác động
phản hồi của dòng chảy từ màng cháy và được tính tốn bằng cách sử dụng phần
mềm mơ 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 tốn thu được từ trường xốy 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 xốy 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 (590о 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.


Ở vùng nhiệt độ cao hơn ~2700 К (kelvin) trong vùng xốy, nó dịch
chuyển dưới sự ảnh hưởng của màng cháy. Vùng nhiệt độ cao thực tế tương ứng
với hỗn hợp cân bằng hóa học có hệ số dư thừa khơng khí (α ~ 1–1,2).
Kết thúc sự cháy trường các thành phần được đặc trưng, các thành phần
có thể chia thành 2 nhóm. Các hình của trường radican OH, O, CO, NО vv…
phù hợp với trường nhiệt độ T. Ở đây giải thích rằng tốc độ phản ứng hóa học
tạo thành các radican khi nhiệt độ cao và sự ưu thế động hóa học trên dịch
chuyển xốy đối lưu khuếch tán trong trường vận tốc.

Hình 10. Trường nhiệt độ Т và phần khối lượng g đặc trưng các phần tử
trong buồng đốt động cơ ở cuối kỳ cháy ( =1,5 ms; n = 3000 v/p;  = 0,05;
 = 400 о vịng quay trục khuỷu).
Hình các trường các phân tử nặng như O2, H2O và CO2 xác định sự tạo

thành những hạt này trong phép so sánh vùng phản ứng chậm sự dư khơng khí
có thể cao hoặc thấp. Thành phần oxi O2 lớn nhất tương ứng với vùng cuối cùng
với hệ số dư thừa khơng khí α~2,0. Ngồi ra ở phần trên buồng đốt hàm lượng
oxi O2 thấp giải thích sự tiêu hao oxi là sự hình thành hơi nước H2O, cũng tương
tự hình thành CO và CO2. 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 tồn 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 q 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.


Hình 12. Sự biến đổi phần khối lượng mol trung bình oxit nitơ theo thời
gian (góc xoay trục khuỷu) với các trường hợp bố trí kim phun 1,3 và 4
Những vùng được hiển thị sự biến đổi của hệ số truyền nhiệt α. Ở nhiệt độ
thấp, T <2200...2400 K (kelvin), quan sát "sự tơi" thành phần oxit nitơ NO của
nó vẫn không đổi. Phần NO cuối cùng thấp nhất NO = 0,1% thu được với kim
phun ở vị trí số 3.

Áp suất tối đa trong xi lanh theo số liệu tính tốn với phần mềm mơ phỏng
GAS2 cho kim phun số 1, 3 và 4 tương ứng với 5,0; 4,2; 4,4 MPa. Áp suất trung
bình chỉ thị là pi = 0,8; 0,65; 0,7 MPa. Như vậy pi áp suất chỉ thị tối thiểu cho
phương án số 3, đây cũng là mức độ thấp thành phần oxit nitơ.
Từ những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của luận án, cũng
như các kết quả nghiên cứu trước đó, xây dựng phương pháp trao đổi khối lượng
nhiệt hóa học tạo xốy, được sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng GAS2 xác định
và lựa chọn các thông số thiết kế động cơ máy để đạt được năng suất hoạt động
của động cơ theo yêu cầu đề ra đặc biệt có hàm lượng oxit nitơ NO thải ra môi
trường thấp nhất.
6. Những kết quả chính của luận án
1. Khi khơng khí được hút vào xi lanh nhận thấy rằng có hai vùng lưu
hành với cường độ khác nhau. Chính vì hiệu ứng này cho phép lựa chọn bốn
phương án bố trí kim phun khác nhau mà khi phun có thể song song hoặc cắt
ngang với luồng khơng khí được hút vào ở các vùng khác nhau. Giá trị trung
bình của tỷ lệ dư thừa khơng khí trong buồng đốt là αtb=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 khơng 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
dịng 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 q trình giữ chậm đốt cháy hồn tồn mặt sau
màng lửa. Đối với hỗn hợp nghèo nhiên liệu khí của dải hệ số dư thừa khơng
khí(α = 0,9 - 2,1) số các phản ứng thuận nghịch cơ bản giảm xuống cịn 12
phương trình. So sánh các kết quả tính tốn kiểm tra của sự cháy hồn tồn cho

thấy sự khác biệt khơng q 5%.
4. Các tính tốn các trường ba chiều nhiệt độ và thành phần các chất trong
vùng cháy toàn phần mặt sau màng lửa và trong q trình giãn nở của hỗn hợp
(bài tốn trao đổi khối lượng nhiệt hóa học tạo xốy), 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 pi
= 0,8; 0,65; 0,7 MPa. Như vậy, áp suất pi - đặc trưng cho khả năng công suất
động cơ, nhỏ nhất là phương án kim phun nhiên liệu ở vị trí số 3.
6. Giới thiệu phương pháp thực hiện hai giai đoạn của phép tính giải (theo
phần mềm mô phỏng GAS2 và phương pháp trao đổi khối lượng nhiệt hóa học
tạo xốy) cho phép diễn ra tối đa khơng q 3 đến 4 giờ tính tốn trên máy tính
với bộ vi xử lý INTEL ... Core i7-4770x4, 3.4 GHz, 16 GB để xác định hàm
lượng cuối cùng của oxit nitơ trong khí thải với các vị trí kim phun nhiên liệu
khác nhau. Phương pháp này có thể sử dụng với nguồn số liệu đưa vào lớn hơn:
với các chế độ phun khác nhau, hình dạng buồng đốt, sự thay đổi các chế độ làm
việc của động cơ, các ứng dụng tái sử dụng của khí thải v v…