XÁC ĐỊNH tốc độ CHÁY TẦNG của hỗn hợp ISO OCTANEN HEPTANEKHÔNG KHÍ BẰNG PHẦN mềm CHEMKIN

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

thải, sau đó sẽ áp dụng các kỹ thuật khác nhau để đạt được tính kinh tế nhiên liệu cao nhất [2].
Tốc độ cháy tầng có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lan truyền của màng lửa, đây là vấn
đề cốt lõi cần được nghiên cứu để nâng cao hiệu suất và giảm mức độ phát thải của động cơ
đốt trong [3-4]. Quá trình cháy trong động cơ là cháy rối, nó được tính toán thông qua đại
lượng tốc độ cháy tầng, do đó, việc nghiên cứu xác định tốc độ cháy tầng có ý nghĩa hết sức
quan trọng. Tốc độ cháy tầng cũng là một trong các thông số quan trọng nhất trong thiết kế và
tối ưu hóa động cơ đốt trong nói riêng và các loại động cơ nhiệt khác nói chung [3-4].
Trong bài báo này, tốc độ cháy tầng của hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí được
nghiên cứu tại điều kiện tiêu chuẩn và điều kiện làm việc thực tế trong động cơ xăng bằng
phần mềm CHEMKIN. Hỗn hợp iso-octane/n-heptane được sử dụng như là loại nhiên liệu
tương đương với xăng [5].

530


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán tốc độ cháy tầng
Phương trình cơ bản trong tính toán tốc độ cháy tầng như sau [6]:
Phương trình liên tục:
∂ρ ∂
+ ( ρυ ) =
0
∂t ∂y
Phương trình bảo toàn năng lượng:

ρ

∂h
∂h ∂  λ ∂h  ∂  

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


Các thông số nhiệt động (nhiệt dung riêng đẳng áp, enthalpy và entropy) được xác
định thông qua các hệ số trong thư viện của NASA (Mỹ) như sau [7]:
0
CPk
=
a1k + a2 k Tk + a3k Tk2 + a4 k Tk3 + a5 k Tk4
R

H k0
a
a
a
a
a
=
a1k + 2 k Tk + 3k Tk2 + 4 k Tk3 + 5 k Tk4 + 6 k
RTk
2
3
4
5
Tk
S k0
a
a
a
= a1k ln Tk + a2 k Tk + 3k Tk2 + 4 k Tk3 + 5 k Tk4 + a7 k
R
2

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

Hình 1. Mô hình tính toán tốc độ cháy tầng
Mô hình tính toán tốc độ cháy tầng của hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí sử
dụng cơ chế phản ứng của Dryer [8]. Cơ chế này có 116 chất và 754 phản ứng cơ bản.
Các phản ứng cơ bản của n-heptane trong quá trình cháy như sau:
nC 7 H 16 <=>H+C 7 H 15
nC 7 H 16 <=>C 6 H 13 +CH 3
nC 7 H 16 <=>C 5 H 11 +C 2 H 5
nC 7 H 16 <=>pC 4 H 9 +nC 3 H 7
nC 7 H 16 +H=>C 7 H 15 +H 2
nC 7 H 16 +O=>C 7 H 15 +OH
nC 7 H 16 +OH=>C 7 H 15 +H 2 O
nC 7 H 16 +HO 2 =>C 7 H 15 +H 2 O 2
nC 7 H 16 +O 2 =>C 7 H 15 +HO 2
Các phản ứng cơ bản của iso-octane trong quá trình cháy như sau:
iC 8 H 18 <=>C 8 H 17 +H
iC 8 H 18 <=>C 7 H 15 +CH 3
iC 8 H 18 <=>C 4 H 9 +C 4 H 9
iC 8 H 18 <=>C 5 H 11 +C 3 H 7
iC 8 H 18 +H<=>C 8 H 17 +H 2
iC 8 H 18 +O<=>C 8 H 17 +OH
iC 8 H 18 +OH<=>C 8 H 17 +H 2 O
iC 8 H 18 +O 2 <=>C 8 H 17 +HO 2
iC 8 H 18 +HO 2 <=>C 8 H 17 +H 2 O 2
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Trong nghiên cứu này, hỗn hợp iso-octane/n-heptane thể hiện cho xăng RON-92, tỷ lệ
của từng thành phần tương ứng trong hỗn hợp lần lượt là 92% iso-octane và 8% n-heptane.
Hỗn hợp này được hòa trộn với không khí (21% O 2 và 79% N 2 theo thể tích) với các tỷ lệ
tương đương trong phạm vi từ 0,5 đến 1,6. Tỷ lệ các chất trong hỗn hợp với các tỷ lệ tương
đương khác nhau được thể hiện trong bảng 1.

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

nC 7 H 16

0,066

0,082

0,097

0,108

0,123

0,135

0,15

0,162

0,17

0,186

0,197

0,214

iC 8 H 18

0,774

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

20,73

20,69

20,66

20,62

20,59

20,56

20,52

20,49

20,45

N2

78,33

78,19

78,06

77,93

77,80

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

được: p = 35 bar, T = 820 K.
3.1. Tốc độ cháy tầng tại điều kiện tiêu chuẩn
Tốc độ cháy tầng của các hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí tại điều kiện tiêu
chuẩn (p = 1 bar, T = 298 K) được thể hiện như trên hình 2.

Hình 2. Tốc độ cháy tầng tại điều kiện p = 1 bar, T = 298 K
Trong trường hợp này, hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí cháy dưới điều kiện
môi trường khí quyển. Tốc độ cháy tầng lớn nhất đạt được trong phạm vi φ = 1,0 – 1,1, giá trị
lớn nhất là 37,2 cm/s. Ngoài phạm vi này, tốc độ cháy tầng suy giảm rất nhanh. Kết quả này
cũng gần tương tự với tốc độ cháy tầng của các hỗn hợp riêng biệt iso-octane/không khí và nheptane/không khí [5]. Nhiệt độ cháy của các hỗn hợp khác nhau đạt được cũng có quy luật
tương tự như tốc độ cháy tầng, nhiệt độ cháy thay đổi trong phạm vi từ 1682 K đến 2138 K.
3.2. Tốc độ cháy tầng tại điều kiện làm việc thực tế của động cơ
Tốc độ cháy tầng của các hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí tại điều kiện làm việc
thực tế của động cơ (p = 35 bar, T = 820 K) được thể hiện như trên hình 3.

533


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

Hình 3. Tốc độ cháy tầng tại điều kiện p = 35 bar, T = 820 K
Ở trường hợp này, hỗn hợp được đốt cháy dưới điều kiện giống như môi trường làm
việc thực tế bên trong xi lanh của động cơ tại thời điểm bugi đánh lửa. Tốc độ cháy tầng lớn
nhất đạt được tại giá trị φ = 1, giá trị lớn nhất là 97,05 cm/s. Nhiệt độ của các hỗn hợp cháy
thay đổi trong phạm vi từ 1971 K đến 2672 K. Đối với các hỗn hợp loãng (φ < 1), tốc độ cháy
tầng giảm nhanh khi giảm tỷ lệ hàm lượng nhiên liệu. Đối với các hỗn hợp đậm đặc (φ > 1),
tốc độ cháy tầng giảm tương đối nhanh khi tăng tỷ lệ hàm lượng nhiên liệu trong phạm vi φ =
1,1 – 1,4 và mức suy giảm chậm lại khi tăng tỷ lệ hàm lượng nhiên liệu khi φ > 1,4. Quy luật
này cũng phù hợp với các kết quả nghiên cứu cho hỗn hợp iso-octane/không khí tại áp suất và
nhiệt độ cao [1].

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).

Trên hình 5b, đối với hỗn hợp có φ = 1,0 khi áp suất giảm từ 35 bar đến 1 bar (giảm 35 lần),
tốc độ cháy tầng tăng từ 97,05 cm/s đến 246,88 cm/s (tăng 2,54 lần). Như vậy, nhiệt độ càng
cao thì ảnh hưởng kìm hãm của áp suất đến tốc độ cháy tầng càng nhỏ.
4. KẾT LUẬN
Ở tất cả các điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau, tốc độ cháy tầng đạt giá trị lớn nhất
khi lượng không khí vừa đủ để đốt cháy hết lượng nhiên liệu. Đối với hỗn hợp thừa hoặc thiếu
không khí, tốc độ cháy tầng suy giảm đáng kể.
Nhiệt độ có tác dụng thúc đẩy quá trình cháy, còn áp suất có tác dụng kìm hãm quá trình
cháy. Áp suất càng cao thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng càng lớn, nhiệt độ
càng cao thì ảnh hưởng kìm hãm của áp suất đến tốc độ cháy tầng càng nhỏ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Journal/Proceeding article:
[1]. Bénédicte Galmiche, Fabien Halter, Fabrice Foucher. Effects of high pressure, high
temperature and dilution on laminar burning velocities and Markstein lengths of isooctane/air mixtures. Combustion and Flame, 159, 2012, 3286 - 3299.
[2]. Asif Faiz, Christopher S. Weaver, Michael P. Walsh. Air pollution from motor vehicles:
standards and technologies for controlling emissions. The World Bank, Washington, D.C
1996. ISBN0-8213-3444.
[3]. Erjiang Hu, Xue Jiang, Zuohua Huang, Norimasa Iida. Numerical study on the effects of
diluents on the laminar burning velocity of methane − air mixtures. Energy & Fuels,
2012, 26, 4242 −4252.

535


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[4]. R.J. Johnston, J.T. Farrell. Laminar burning velocities and Markstein lengths of
aromatics at elevated temperatur e and pressure. Proceedings of the Combustion
Institute, 30, 2005, 217 - 224.
[5]. E. Ranzi, A. Frassoldati, R. Grana, A. Cuoci, T. Faravelli, A.P. Kelley, C.K. Law.

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