Nghiên cứu quá trình nạp động cơ chỉ ra được sự phân bố của hỗn hợp không khí-nhiên liệu, là cơ sở cho những cải tiến, tối ưu quá trình cháy; từ đó nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm ô nhiễm môi trường. Trong nghiên cứu này, quá trình nạp của động cơ xăng từ thời điểm piston ở điểm chết trên (ĐCT) đến khi đóng van nạp hoàn toàn (220o Crank Angle-CA) để xem xét đặc tính của dòng khí nạp trong xy lanh.
Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2017 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH DỊNG CHẢY KHƠNG KHÍ TRONG Q TRÌNH NẠP ĐỘNG CƠ XĂNG DỰA TRÊN MÔ PHỎNG CFD Nguyễn Phụ Thượng Lưu1*, Nguyễn Thành Nhân2 Bộ môn Công nghệ kỹ thuật ô tô, Trường Đại học Cơng nghệ TP.HCM Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM *Tác giả liên lạc: luunguyenphuthuong@gmail.com (Ngày nhận bài: 02/8/2017; Ngày duyệt đăng: 30/9/2017) TÓM TẮT Động đốt đại thiết kế, phát triển mục đích hội tụ hai tiêu chí: hiệu suất nhiên liệu tối đa giảm thiểu khí thải độc hại Nghiên cứu trình nạp động phân bố hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu, sở cho cải tiến, tối ưu trình cháy; từ nâng cao hiệu suất nhiệt giảm nhiễm mơi trường Trong nghiên cứu này, q trình nạp động xăng từ thời điểm piston điểm chết (ĐCT) đến đóng van nạp hồn tồn (220o Crank Angle-CA) để xem xét đặc tính dịng khí nạp xy lanh Do hịa trộn khí sót khơng khí nạp truyền nhiệt với vách xy lanh, diễn biến thông số nhiệt động học cho trình nạp xem xét Hơn nữa, ảnh hưởng van nạp lên xốy lốc nhào lộn khí nạp thể rõ nghiên cứu Từ khóa: CFD, dịng chảy khí nạp, động xăng kỳ, hệ thống nạp, mô STUDY ON CHARACTERISTIC OF AIR FLOW IN INTAKE MANIFOLD SPARK-IGNITED ENGINE USING CFD SIMULATION Nguyen Phu Thuong Luu1*, Nguyen Thanh Nhan2 Ho Chi Minh City University of Technology Ho Chi Minh City University of Technology and Education *Corresponding Author: luunguyenphuthuong@gmail.com ABSTRACT Modern internal combustion engines are designed and developed for the purpose of convergence both criteria: the maximum fuel efficiency and reducing harmful emissions Research on processing of intake stroke is the distribution of the rate of air-fuel and is the basis for improvements, optimized combustion engine; thereby improving thermal efficiency and reducing environmental pollution In this study, the intake process of the gasoline engine are calculated from the time of piston at top dead center (TDC) untill closed intake valve (220o Crank Angle-CA) to survey the characteristics of the intake air flow in the cylinder engine Due to the excessive gas mixture with a new intake air and the heat transfer to the cylinder walls, the evolution of the thermodynamic parameters for process intake also are considered Moreover, the effect of the intake valve to the swirl of the intake air acrobatics was demonstrated in this study 54 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2017 Key words: CFD, intake air flow, strokes engine, intake manifold, simulation Việc xác định đặc tính dịng chảy khí nạp thực phương pháp thực nghiệm mô số Phương pháp mô số tỏ hiệu cần tìm hiểu chi tiết đặc tính dịng chảy cho kết trực quan Vì vậy, nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ số để nghiên cứu dịng khí nạp vào xy lanh động xăng trình nạp phần mềm AVL-FIRE (Heywood, 1988 Laimbock, 1998) với mơ hình rối chọn (k- ) cơng bố cơng trình Hori, 1985 Payri, 2004 TỔNG QUAN Dịng chảy khí nạp xy lanh chủ đề việc nghiên cứu, cải thiện đặc tính động 40 năm qua chúng có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động khí xả (Murali Krishna cộng năm 2008) Jakirlic cộng năm 2001 nghiên cứu động làm việc, vận tốc dòng chảy lưu chất xy lanh cao hình thành tượng rối dịng chảy Sự hình thành dịng chảy rối xy lanh có tính chu kỳ phụ thuộc vào khơng gian-thời gian công bố Basha cộng năm 2009 Sự chuyển động rối dịng chảy khí nạp xy lanh có lợi ích việc cải thiện q trình truyền lượng, hịa trộn nhiên liệu bay Hơn nữa, diện chuyển động rối có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cháy chúng định phân bố hỗn hợp nhiên liệu chi phối động lực học dòng chảy xy lanh Trong thiết kế động cơ, tối ưu dịng chảy khí nạp với mong muốn để có phân bố hỗn hợp hợp lí phải kết hợp hình thành xốy nhào lộn bên xy lanh động thúc đẩy hình thành dịng chảy rối có cường độ cao cuối q trình nén dẫn đến hiệu tốt cho cháy tiếp diễn sau (Heywood, 1988) MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ Trong nghiên cứu đặc tính dịng chảy khí nạp cửa nạp xy lanh động xác định phương pháp mô CFD (Compuational Fluid Dynamics) Phần mềm AVL-Fire sử dụng mà mơ số dựa phương pháp thể tích hữu hạn để xác định giá trị áp suất, vận tốc, nhiệt độ dựa phương trình tốn học phương trình liên tục, phương trình bảo tồn động lượng, phương trình lượng Mơ hình 3D động xây dựng từ phần mềm Solidworks, sau mơ hình đưa vào AVL cho việc xây dựng vùng tính tốn số Mơ hình động Mơ hình động nghiên cứu động xăng với thơng số bảng hình ảnh động xây dựng từ Solidworks hình Hình Minh họa xốy nhào lộn 55 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2017 Reynold cao áp dụng trình bày sau: Phương trình bảo tồn khối lượng: (1) Phương trình bảo tồn động lượng: Hình Mơ hình động cho nghiên cứu q trình nạp (2) Phương trình lượng Mơ hình động xem xét động xy lanh đơn, van nạp với đường gió nạp vào phân bố đến van nạp Bán kính cong van nạp 45o Động xăng phun nhiên liệu đường ống nạp sử dụng phổ biến hầu hết chúng có piston đỉnh phẳng Vì vậy, đỉnh piston dạng phẳng xây dựng mơ hình động mơ Mơ thực 220o góc quay trục khủyu bao gồm từ lúc piston điểm chết [0oCA] đến van nạp đóng hồn tồn[220oCA] Các phương trình mơ hình tốn học Các phương trình chi phối động lực học cho dịng chảy chất khí áp dụng để diễn tả bảo toàn khối lượng, động lượng lượng Đặc tính khí nạp xy lanh xem xét đến đặc tính lưu chất nhớt, nén khí lý tưởng Hơn nữa, q trình mơ số, để xác định thông số cường độ rối độ tiêu tán rối, phương trình mơ hình rối k- cho dòng chảy rối số (3) Trong phương trình mật độ lưu chất[kg/m3], u vận tốc lưu chất tensor ứng [m/s], p áp suất[Pa], suất tiếp nhớt, Si lực tác dụng bên tensor ứng suất Reynolds, ngoài[N], H enthalpy nhiệt Qh nguồn nhiệt Phương trình mơ hình rối k- tiêu chuẩn: (4) 56 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2017 04[m3] Quan hệ bậc hai thể tích xy lanh góc quay trục khuỷu thể hình (5) Trong P lực căng bề mặt[N], G lực , , , vật thể[N], độ nhớt rối; , , hệ số phương trình mơ hình rối k- chúng có giá trị sau: Bảng Các giá trị số 1.44 1.92 0.8 0.33 Hình Thể tích xy lanh q trình nạp theo góc quay trục khuỷu Vận tốc dịng chảy khí nạp Hình trình bày vận tốc dịng chảy khí nạp vào xy lanh q trình nạp động Tốc độ dịng chảy khơng có chuyển biến rõ rệt vị trí piston ĐCT mà độ nâng van nạp nhỏ Sau dịng khí nạp vào xy lanh động với vận tốc tăng dần theo chuyển động xuống piston Tuy nhiên vận tốc trung bình dịng chảy khí nạp đạt cực đại piston khoảng hành trình trình nạp thời điểm tương đương với vận tốc piston lớn 1.3 KẾT QUẢ Thể tích xilanh Trong trình nạp, piston di chuyển từ ĐCT đến ĐCD thể tích xy lanh tăng dần Vùng thể tích mà piston qua điền đầy khơng khí nạp Khi động làm việc, thể tích xilanh piston ĐCT xem nhỏ lưu chất xy lanh lúc khí cháy chu trình trước Thơng qua mơ phỏng, thể tích xy lanh piston ĐCT 3.46E-05[m3] thể tích lớn xy lanh đạt piston xuống piston ĐCT 4.2EVận tốc dịng chảy khí nạp[m/s]: Vận tốc dịng chảy khí nạp[m/s]: 60oCA 5oCA Vận tốc dịng chảy khí nạp[m/s]: Vận tốc dịng chảy khí nạp[m/s]: 120oCA 180oCA 57 Chuyên san Phát triển Khoa học Cơng nghệ số (2), 2017 Hình Vận tốc dịng chảy khí nạp theo góc quay trục khuỷu Trong thực tế vận hành động đốt lanh piston qua ĐCD 20o góc trong, thời điểm đóng van nạp kéo quay trục khuỷu q trình nạp thật dài sau ĐCD góc đóng muộn van nạp kết thúc 220o góc quay trục khuỷu Chính yếu tố hình thành giai đoạn mà van nạp gần đóng hồn tồn nạp thêm q trình Hình (trái) (phải) minh họa khí nạp tiếp tục vào xy Vận tốc dịng chảy khí nạp[m/s]: Vận tốc dịng chảy khí nạp[m/s]: 200oCA 220oCA Hình Vận tốc dịng chảy theo góc quay trục khuỷu giai đoạn đóng muộn van nạp suất xy lanh cửa nạp tăng lên Áp suất xy lanh Tại 5oCA có chên lệch áp suất đóng dần van nạp làm khe hở xy lanh cửa nạp chuyển vào dịng khí giảm dần Giai đoạn động xuống piston Sự chênh lệch đóng muộn van nạp minh họa chứng tiếp tục tiếp diễn vị trí thấp minh hiệu việc tăng hiệu suất nạp động đốt piston suốt trình nạp Tại ĐCD trình nạp, chênh lệch áp Hình Áp suất xy lanh trình nạp 58 Chuyên san Phát triển Khoa học Công nghệ số (2), 2017 Thông qua phương pháp mô cho trình nạp động cơ, đặc tính khí nạp thể cách trực quan có ý nghĩa cao cơng tác nghiên cứu-tìm hiểu ứng xử phức tạp khí nạp Sự hình thành vùng xốy lốc nhào lộn khí nạp ảnh hưởng van nạp lên đặc tính dịng khí nạp Phân bố nhiệt độ xy lanh suốt trình nạp mà kết từ hịa trộn khí nạp với khí sót truyền nhiệt vách xy lanh, buồng đốt, piston với khí nạp Diễn biến q trình khí nạp vào xy lanh áp suất xy lanh theo độ mở van nạp chuyển động piston Tuy nhiên, thực tế vận hành động đốt trong, trình nạp đặc tính khí nạp bị ảnh hưởng nhiều yếu tố khác Nghiên cứu mở rộng cho xem xét ảnh hưởng thời điểm đóng mở van nạp; hình dạng piston, cửa nạp tốc độ khác để xem xét ảnh hưởng chúng Minh họa áp suất xy lanh suốt trình nạp thể qua hình Sau 120oCA áp suất xy lanh tăng dần cách rõ rệt lớn áp suất môi trường Tuy nhiên, sau 120oCA khí nạp tiếp tục vào xy lanh minh họa hình động chúng Nghiên cứu áp suất xy lanh ứng xử khí nạp suốt q trình nạp từ làm sở cho việc đặt thời điểm đóng mở van nạp, van xả (góc đóng muộn van xả) hợp lý mà hạn chế thất khí nạp mục tiêu mong muốn KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, đặc tính dịng khí nạp q trình nạp mơ hình động xăng trình bày phương pháp mơ số sử dụng chương trình mơ AVL-Fire Mơ hình rối k-e tiêu chuẩn, cho xác định vận tốc, áp suất vùng thể tích số với điều kiện dịng chảy nhớt, khơng lưu chất nạp áp dụng suốt trình mô Nghiên cứu số kết luận sau: TÀI LIỆU THAM KHẢO Murali Krishna B., Bijucherian A., Mallikarjuna J.M, 2008, “effect of intake manifold inclination on intake valve flow characteristics of a single cylinder engine using particle image velocimetry”, Proceedings of World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol 46, pp.853-860 Jakirlic S., Tropea C., Hadzic I., 2001, “computational study of joint effects of shear compression and swirl on flow and turbulence in a valveless piston-cylinder assembly”, SAE Transactions, 2001-01-1236, pp.1402-1439 Basha S.A., Gopal K.R., 2009, “in-cylinder fluid flow, turbulence and spray models_a review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 13, Issues 6-7, pp 1620-1627 Heywood J.B, 1988, “internal combustion engine fundamentals”, McGraw-Hill, Singapore Laimbock F.J., Meist G., Grilc S, 1998, “CFD application in compact engine development”, SAE technical Paper, No 982016 Hori H., Ogawa T., Toshihiko K, 1985, “CFD in-cylinder flow simulation of an engine and flow visualization”, SAE Technical Paper, No 950288 Payri F., Benajes J., Margot X., Gil A, 2004, “CFD modeling of the incylinder flow in direct-injection diesel engines”, Journal Of Computers & Fluids, Vol 33, pp.9951021 59 ... q trình nạp động cơ, đặc tính khí nạp thể cách trực quan có ý nghĩa cao cơng tác nghiên cứu- tìm hiểu ứng xử phức tạp khí nạp Sự hình thành vùng xốy lốc nhào lộn khí nạp ảnh hưởng van nạp lên đặc. .. (k- ) cơng bố cơng trình Hori, 1985 Payri, 2004 TỔNG QUAN Dòng chảy khí nạp xy lanh chủ đề việc nghiên cứu, cải thiện đặc tính động 40 năm qua chúng có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động khí xả... dịng chảy rối có cường độ cao cuối trình nén dẫn đến hiệu tốt cho cháy tiếp diễn sau (Heywood, 1988) MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ Trong nghiên cứu đặc tính dịng chảy khí nạp cửa nạp xy lanh động