Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc 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 Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam a thidongluc33@yahoo.com; bhahiepshippower@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày kết tính toán tốc độ cháy tầng hỗn hợp iso-octane/nheptane/không khí điều kiện tiêu chuẩn điều kiện làm việc thực tế động xăng phần mềm CHEMKIN Kết tính toán điều kiện khác cho thấy, hỗn hợp môi chất công tác có hệ số tương đương φ = 1,0 có tốc độ cháy tầng lớn Hỗn hợp nghèo (φ < 1,0) hỗn hợp giàu nhiên liệu (φ > 1,0) có tốc độ cháy tầng nhỏ nhiều so với hỗn hợp vừa đủ (φ = 1,0) Khi áp suất tăng, tốc độ cháy tầng giảm mạnh, nhiệt độ tăng tốc độ cháy tầng tăng theo Từ khóa: xăng, tốc độ cháy tầng, phần mềm Chemkin, động 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 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, động đốt nguồn động lực phương tiện giao thông Việc nghiên cứu để làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường tăng tính kinh tế nhiên liệu động vấn đề cấp bách giới [1] Khi thay đổi chế độ làm việc động cơ, hiệu suất mức phát thải thay đổi Mức phát thải ô nhiễm thấp tính kinh tế nhiên liệu cao thường không đạt đồng thời chế độ làm việc động Thông thường, vùng làm việc động có mức phát thải đáp ứng tiêu chuẩn quy định khí thải, sau áp dụng kỹ thuật khác để đạt tính kinh tế nhiên liệu cao [2] Tốc độ cháy tầng có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lan truyền màng lửa, vấn đề cốt lõi cần nghiên cứu để nâng cao hiệu suất giảm mức độ phát thải động đốt [3-4] Quá trình cháy động cháy rối, tính toán thông qua đại lượng tốc độ cháy tầng, đó, việc nghiên cứu xác định tốc độ cháy tầng có ý nghĩa quan trọng Tốc độ cháy tầng thông số quan trọng thiết kế tối ưu hóa động đốt nói riêng loại động nhiệt khác nói chung [3-4] Trong báo này, tốc độ cháy tầng hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí nghiên cứu điều kiện tiêu chuẩn điều kiện làm việc thực tế động xăng phần mềm CHEMKIN Hỗn hợp iso-octane/n-heptane sử dụng loại nhiên liệu tương đương với xăng [5] 530 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán tốc độ cháy tầng Phương trình tính toán tốc độ cháy tầng sau [6]: Phương trình liên tục: ∂ρ ∂ + ( ρυ ) = ∂t ∂y Phương trình bảo toàn 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 entropy) xác định thông qua hệ số thư viện NASA (Mỹ) sau [7]: CPk = a1k + a2 k Tk + a3k Tk2 + a4 k Tk3 + a5 k Tk4 R H k0 a a a a a = a1k + k Tk + 3k Tk2 + k Tk3 + k Tk4 + k RTk Tk S k0 a a a = a1k ln Tk + a2 k Tk + 3k Tk2 + k Tk3 + k Tk4 + a7 k R Trong phản ứng thuận nghịch, tốc độ phản ứng thuận hàm nhiệt độ, thể dạng biểu thức Arrhenius:  −E  βi k fi = AT exp  i  i  RT  A i β i hệ số, E i lượng hoạt hóa; thông số cần nhập vào phần mềm CHEMKIN, chúng xác định từ chế phản ứng loại nhiên liệu cần tính toán Tốc độ phản ứng nghịch xác định thông qua tốc độ phản ứng thuận: k ri = k fi K ci K ci hệ số tỷ lệ Giải hệ phương trình phương pháp thể tích hữu hạn cho vùng hỗn hợp cháy chưa cháy xác định vị trí màng lửa theo thời gian, tốc độ cháy tầng 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 phần mềm CHEMKIN Mô hình tính toán thể hình 531 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Mô hình tính toán tốc độ cháy tầng Mô hình tính toán tốc độ cháy tầng hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí sử dụng chế phản ứng Dryer [8] Cơ chế có 116 chất 754 phản ứng Các phản ứng n-heptane trình cháy sau: nC H 16 H+C H 15 nC H 16 C H 13 +CH nC H 16 C H 11 +C H nC H 16 pC H +nC H nC H 16 +H=>C H 15 +H nC H 16 +O=>C H 15 +OH nC H 16 +OH=>C H 15 +H O nC H 16 +HO =>C H 15 +H O nC H 16 +O =>C H 15 +HO Các phản ứng iso-octane trình cháy sau: iC H 18 C H 17 +H iC H 18 C H 15 +CH iC H 18 C H +C H iC H 18 C H 11 +C H iC H 18 +HC H 17 +H iC H 18 +OC H 17 +OH iC H 18 +OHC H 17 +H O iC H 18 +O C H 17 +HO iC H 18 +HO C H 17 +H O KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Trong nghiên cứu này, hỗn hợp iso-octane/n-heptane thể cho xăng RON-92, tỷ lệ thành phần tương ứng hỗn hợp 92% iso-octane 8% n-heptane Hỗn hợp hòa trộn với không khí (21% O 79% N theo thể tích) với tỷ lệ tương đương phạm vi từ 0,5 đến 1,6 Tỷ lệ chất hỗn hợp với tỷ lệ tương đương khác thể bảng 532 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Tỷ lệ chất 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 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 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 định nghĩa sau [9]: φ= F A F Ast F/A tỷ số nhiên liệu/không khí thực tế, F/A st tỷ số nhiên liệu/không khí lý thuyết Tốc độ cháy tầng hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí tính toán điều kiện: tiêu chuẩn (áp suất p = bar, nhiệt độ T = 298 K); điều kiện làm việc thực tế động xăng thời điểm đánh lửa Các thông số áp suất nhiệt độ điều kiện tính toán phần mềm AVL-Boost [10] cho động xăng Mitsubishi 4G93 Kết nhận được: p = 35 bar, T = 820 K 3.1 Tốc độ cháy tầng điều kiện tiêu chuẩn Tốc độ cháy tầng hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí điều kiện tiêu chuẩn (p = bar, T = 298 K) thể hình Hình Tốc độ cháy tầng điều kiện p = bar, T = 298 K Trong trường hợp này, hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí cháy điều kiện môi trường khí Tốc độ cháy tầng lớn đạt phạm vi φ = 1,0 – 1,1, giá trị lớn 37,2 cm/s Ngoài phạm vi này, tốc độ cháy tầng suy giảm nhanh Kết gần tương tự với tốc độ cháy tầng hỗn hợp riêng biệt iso-octane/không khí nheptane/không khí [5] Nhiệt độ cháy hỗn hợp khác đạt có quy luật tương tự tốc độ cháy tầng, nhiệt độ cháy thay đổi phạm vi từ 1682 K đến 2138 K 3.2 Tốc độ cháy tầng điều kiện làm việc thực tế động Tốc độ cháy tầng hỗn hợp iso-octane/n-heptane/không khí điều kiện làm việc thực tế động (p = 35 bar, T = 820 K) thể hình 533 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Tốc độ cháy tầng điều kiện p = 35 bar, T = 820 K Ở trường hợp này, hỗn hợp đốt cháy điều kiện giống môi trường làm việc thực tế bên xi lanh động thời điểm bugi đánh lửa Tốc độ cháy tầng lớn đạt giá trị φ = 1, giá trị lớn 97,05 cm/s Nhiệt độ hỗn hợp cháy thay đổi phạm vi từ 1971 K đến 2672 K Đối với hỗn hợp loãng (φ < 1), tốc độ cháy tầng giảm nhanh giảm tỷ lệ hàm lượng nhiên liệu Đối với hỗn hợp đậm đặc (φ > 1), tốc độ cháy tầng giảm tương đối nhanh tăng tỷ lệ hàm lượng nhiên liệu phạm vi φ = 1,1 – 1,4 mức suy giảm chậm lại tăng tỷ lệ hàm lượng nhiên liệu φ > 1,4 Quy luật phù hợp với kết nghiên cứu cho hỗn hợp iso-octane/không khí áp suất nhiệt độ cao [1] 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng Ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng nghiên cứu hai chế độ áp suất: p =1 bar p = 35 bar, kết thể hình Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng (a) p = bar; (b) p = 35 bar Kết hình cho thấy, nhiệt độ thời điểm bắt đầu cháy tăng lên tốc độ cháy tầng tăng mạnh ngược lại Như vậy, nhiệt độ có tác dụng thúc đẩy trình cháy Kết phù hợp với kết nghiên cứu cho hỗn hợp iso-octane/không khí nheptane/không khí [1, 4] Trên hình 4a, tốc độ cháy tầng điều kiện p = bar T = 820 K tính toán thêm để so sánh Đối với hỗn hợp nhiên liệu/không khí vừa đủ (φ = 1,0), 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 điều kiện p = 35 bar T = 298 K tính toán thêm để so sánh Đối với hỗn hợp có φ = 1,0 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 cao ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng lớn 534 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.4 Ảnh hưởng áp suất đến tốc độ cháy tầng Ảnh hưởng áp suất đến tốc độ cháy tầng nghiên cứu hai chế độ nhiệt độ: T = 298 K T = 820 K, kết thể hình Hình Ảnh hưởng áp suất đến tốc độ cháy tầng (a) T = 298 K; (b) T = 820 K Kết hình cho thấy, áp suất thời điểm bắt đầu cháy tăng lên tốc độ cháy tầng giảm mạnh ngược lại, ảnh hưởng áp suất đến tốc độ cháy tầng ngược lại so với ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất có tác dụng kìm hãm trình cháy Kết phù hợp với kết nghiên cứu cho hỗn hợp iso-octane/không khí nheptane/không khí [1, 4] Trên hình 5a, hỗn hợp có φ = 1,0 áp suất tăng từ 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, hỗn hợp có φ = 1,0 áp suất giảm từ 35 bar đến 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 cao ảnh hưởng kìm hãm áp suất đến tốc độ cháy tầng nhỏ KẾT LUẬN Ở tất điều kiện áp suất nhiệt độ khác nhau, tốc độ cháy tầng đạt giá trị lớn lượng không khí vừa đủ để đốt cháy hết lượng nhiên liệu Đối với hỗn hợp thừa thiếu không khí, tốc độ cháy tầng suy giảm đáng kể Nhiệt độ có tác dụng thúc đẩy trình cháy, áp suất có tác dụng kìm hãm trình cháy Áp suất cao ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng lớn, nhiệt độ cao ảnh hưởng kìm hãm áp suất đến tốc độ cháy tầng 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 công nghệ toàn quốc 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 http://avl.com/ THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Lương Đình Thi, Bộ môn Động – Khoa Động Lực – Học viện kỹ thuật quân Email: thidongluc33@yahoo.com, Phone number: 0974922757 TS Nguyễn Hà Hiệp, Bộ môn Động – Khoa Động Lực – Học viện kỹ thuật quân Email: hahiepshippower@gmail.com, Phone number: 0985045262 536 ... gần tương tự với tốc độ cháy tầng hỗn hợp riêng biệt iso-octane/không khí nheptane/không khí [5] Nhiệt độ cháy hỗn hợp khác đạt có quy luật tương tự tốc độ cháy tầng, nhiệt độ cháy thay đổi phạm... phù hợp với kết nghiên cứu cho hỗn hợp iso-octane/không khí áp suất nhiệt độ cao [1] 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng Ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ cháy tầng nghiên cứu hai chế độ áp... gian, tốc độ cháy tầng 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 phần mềm CHEMKIN