Đồ Án XÂY DỰNG MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ FAM II 2.4D BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ, giữ vai trò quan trọng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân như nông nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường biển, đường không cũng như nhiều ngành công nghiệp khác. Sản lượng động cơ đốt trong ngày nay trên thế giới đã đạt mức 30 triệu chiếc năm và sản lượng còn có thểtăng hơn nữa. Trong nhiều nước công nghiệp phát triển, ngành cơ khí năng lượng bao gồm cả công nghiệp Ô tô, thường đứng ở vị trí thứ ba sau ngành điện tử công nghiệp và ngành hoá học. Số lượng lao động trong ngành động cơ đốt trong và thiết bị liên quan đến động cơ đốt trong chiếm tỷ lệ cao trong lao động toàn xã hội. Đi kèm với phát triển của xã hội là tình trạng ô nhiễm môi trường và nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt.Với điều kiện nước ta như hiện nay, nền công nghiệp động cơ phát triển đóng góp một phần to lớn vào sự phát triển của đất nước. Vì vậy việc nắm bắt nguyên lý, kết cấu cũng như những tiến bộ khoa học tiên tiến nhất hiện nay vào việc nâng cao hiệu quả, tính kinh tế của động cơ đốt trong là hết sức quan trọng đối với một kỹ sư ô tô. Với lý do như vậy, em quyết dịnh chọn đề tài: Xây dựng mô phỏng và tính toán phần khí thải của động cơ FAM II 2.4D bằng phần mềm AVL BOOST

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Giới thiệu chung

Theo quyết định 249/2005/QĐTTg, từ ngày 1/7/2007, Việt Nam chính thức áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO II, với kế hoạch triển khai các tiêu chuẩn EURO cao hơn như EURO III, IV và V trong tương lai gần Những tiêu chuẩn này sẽ thắt chặt các thành phần độc hại như HC, CO, PM và đặc biệt là NOx Điều này yêu cầu áp dụng các biện pháp xử lý khí thải trong động cơ, trong đó luân hồi khí thải và bộ xúc tác NOx là những phương pháp phổ biến và hiệu quả trong việc giảm phát thải NOx cho động cơ diesel.

1.1.1 Không khí và sự ô nhiễm không khí

Không khí sạch, gần mặt đất và khô có thành phần như được trình bày trong Bảng 1.1 Bên cạnh các thành phần khí nêu trong bảng, khí quyển còn chứa khoảng 1-3% hơi nước theo thể tích.

Bảng 1.1 Thành phần không khí sạch và khô

Loại khí Nồng độ ppm % ppm %

Số liệu tại Bảng 1.1 cho thấy, ngoài các thành phần khí chính của khí quyển bao gồm

N2, O2 và Ar chiếm phần lớn khí quyển, trong khi các khí ô nhiễm chỉ chiếm 0,1% thể tích Mặc dù tỷ lệ này rất nhỏ, nhưng những biến đổi trong thành phần khí quyển đã gây ra những tác động nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường.

Ô nhiễm không khí là sự biến đổi về thành phần của không khí, có thể là thay đổi định tính hoặc định lượng, và điều này có khả năng gây hại cho sức khỏe con người, động thực vật, tài sản cũng như ảnh hưởng đến giá trị thẩm mỹ.

Hình 1.1 Cấu trúc của khí quyển Các dạng ô nhiễm không khí a Các chất ô nhiễm dạng bụi

Bụi là hệ phân tán với môi trường phân tán là khí, trong khi pha phân tán bao gồm các hạt rắn, lỏng hoặc nửa rắn nửa lỏng Kích thước của các hạt này dao động từ kích thước đơn phân tử cho đến 500μm.

- Bụi lắng: Hạt bụi có đường kính khí động học lớn hơn 100 μm

- Bụi lơ lửng (SPM): hạt bụi có đường kính khí động học nhỏ hơn 100 μm

- Bụi PM: hạt bụi có đường kính khí động học nhỏ hơn 10 μm

- Bụi PM10: hạt bụi có đường kính khí động học nhỏ hơn 2,5 μm b Các chất ô nhiễm dạng khí

SO2 là khí không màu, chủ yếu hình thành từ việc đốt cháy nhiên liệu chứa lưu huỳnh như than đá, dầu mỏ và khí thải công nghiệp Khi phát thải vào khí quyển, SO2 tham gia vào các phản ứng quang hóa, tạo ra axit sulfuric cùng với các hợp chất sunfat vô cơ và hữu cơ trong bụi.

CO là chất ô nhiễm không khí được hình thành do quá trình cháy không hoàn toàn của nhiên liệu và các hợp chất hữu cơ

NOx bao gồm hai khí chính là NO và NO2, được phát thải từ quá trình cháy các loại nhiên liệu có chứa oxy từ không khí Ngoài ra, NOx cũng được sinh ra trong quá trình sản xuất axit nitric và từ các hoạt động công nghiệp liên quan đến axit nitric.

NO là một loại khí không màu và không tan trong nước, nhưng một phần nhỏ của nó có thể hòa tan trong nước Khí NO2 có màu nâu đỏ, chính màu sắc này là nguyên nhân gây ra hiện tượng khói mù quang hóa ở các đô thị, tạo ra màu nâu nhạt đặc trưng.

Có 3 cơ chế hình thành NO (NO và một phần nhỏ NO2) trong quá trình cháy là NO nhiệt, NO tức thì và NO nhiên liệu Trong đó NO nhiệt sẽ tăng cao và tương quan đồng biến với nhiệt độ cháy khi nhiệt độ cháy cao hơn 1200 o C Việc kiểm soát NO do đó, nên tập trung vào việc kiểm soát quá trình cháy

1.1.2 Tác hại của ô nhiễm không khí

Ô nhiễm không khí là một trong những nguyên nhân chính gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, đặc biệt ở các nước đang phát triển và phát triển Theo ước tính, ô nhiễm không khí bên ngoài, cả ở khu vực thành phố lẫn nông thôn, đã dẫn đến khoảng 3,7 triệu ca tử vong sớm trên toàn cầu mỗi năm vào năm 2012 Tỷ lệ tử vong này chủ yếu do phơi nhiễm bụi PM10, liên quan đến các bệnh tim mạch, hô hấp và ung thư.

Không khí bên ngoài chứa nhiều loại chất ô nhiễm, không chỉ một loại duy nhất Ở các đô thị, các chất ô nhiễm không khí chủ yếu bao gồm bụi, ozon, carbon monoxide (CO), hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) và nitơ oxit (NO) Nghiên cứu về tác động của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe con người giúp xác định ảnh hưởng của từng loại khí ô nhiễm cũng như sự kết hợp của chúng Các khí ô nhiễm này có ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe con người, đặc biệt là bụi.

Ô nhiễm bụi là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất của ô nhiễm không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Nồng độ bụi hiện nay ở nhiều khu vực trên thế giới, kể cả các quốc gia phát triển, đang có tác động tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự phơi nhiễm với bụi có thể gây ra các vấn đề sức khỏe rõ rệt, chủ yếu ảnh hưởng đến hệ hô hấp và tim mạch Mọi người đều bị ảnh hưởng bởi bụi, nhưng mức độ tác động phụ thuộc vào sức khỏe và độ tuổi của từng cá nhân.

NOx bao gồm NO và NO2, trong đó NO2 là khí cần được quản lý do khả năng chuyển hóa nhanh chóng từ NO trong khí quyển Nghiên cứu cho thấy nồng độ NO vượt quá 200 kg/m³ có thể gây hại cho hệ hô hấp, trong khi phơi nhiễm ngắn hạn với nồng độ NO trên 500 mg/m³ có thể gây ra tác động cấp tính đến sức khỏe Đặc biệt, ngưỡng phơi nhiễm NO2 thấp nhất ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng phổi của những người mắc bệnh hen là 560 kg/m³.

NO2 với nồng độ >200 kg/mẻ đã cho thấy những phản ứng của phổi trong nhóm những người bị hen d SO2

Khí SO2 đã được nghiên cứu rộng rãi và có nhiều bằng chứng thuyết phục về tác động tiêu cực đến sức khỏe con người Nó được xác định là nguyên nhân gây ra hơn 4,000 trường hợp tử vong trong các thảm họa ô nhiễm không khí.

Sương mù gây chết người tại Luân Đôn vào năm 1952 đã cho thấy tác động nguy hiểm của khí SO2 đối với sức khỏe con người Khí SO2 có khả năng ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ hô hấp và chức năng phổi, đồng thời gây kích ứng mắt Nghiên cứu chỉ ra rằng, vào những ngày có nồng độ SO2 cao, tỷ lệ nhập viện và tử vong do bệnh tim tăng đáng kể Gần đây, các nghiên cứu cũng phát hiện rằng ngay cả khi nồng độ SO2 rất thấp (trung bình 5 ng/m³ và cực đại dưới 10 ng/m³), sức khỏe vẫn bị ảnh hưởng Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các nghiên cứu hiện tại chưa thể phân biệt rõ ràng tác động của SO2 đối với sức khỏe là do chính khí này hay do các hạt bụi siêu mịn phát sinh từ nó.

- Tác hại đối với kinh tế- môi trường

Mục đích và đối tượng nghiên cứu

- Xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ FAM II 2.4D bằng phần mềm AVL – BOOST

- So sánh kết quả mô phỏng 2 mô hình Vibe và Vibe 2 vùng

Bài viết này nhằm đưa sinh viên tiếp cận gần hơn với phần mềm mô phỏng và nhấn mạnh tầm quan trọng của mô phỏng trong nghiên cứu, đặc biệt trong ngành công nghệ ô tô Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng quy trình hoàn chỉnh để mô phỏng một động cơ bất kỳ, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc, khí thải và độ ồn của động cơ trong từng chế độ hoạt động.

Ô tô cỡ nhỏ và trung bình ngày càng phổ biến tại Việt Nam nhờ khả năng di chuyển linh hoạt trên cả đường phố nội đô và nông thôn Theo Cục Đăng kiểm Việt Nam, ô tô tải có tải trọng nhỏ và trung bình chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số ô tô tải đã đăng ký lưu hành.

Đối với ô tô tải nhỏ và trung bình, động cơ phổ biến thường có công suất khoảng 100 KW Để phù hợp với nhu cầu sử dụng hiện tại, nghiên cứu này tập trung vào động cơ FAM II 2.4D, một loại động cơ diesel tăng áp sản xuất tại Trung Quốc Động cơ FAM II 2.4D được ứng dụng rộng rãi trên các phương tiện như ô tô khách và ô tô cỡ nhỏ.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu và phát triển giải pháp luân hồi khí thải vẫn còn mới mẻ tại Việt Nam, trong khi thế giới đã có nhiều thành tựu đáng kể trong lĩnh vực này Luân hồi khí thải được áp dụng rộng rãi trên các xe hiện đại như một phương pháp hiệu quả để giảm NOx Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống luân hồi khí thải, các mô hình tính toán lý thuyết, và giải pháp thực hiện trên động cơ tăng áp Để đạt tiêu chuẩn khí thải, các động cơ cũ như FAM II 2.4D cần biện pháp giảm thiểu các thành phần độc hại như NOx và PM Nghiên cứu sẽ đề xuất giải pháp cho động cơ cũ để đạt tiêu chuẩn khí thải mà không làm giảm hiệu suất hoạt động, đồng thời mở rộng ứng dụng giải pháp luân hồi khí thải cho các động cơ cũ khác, như việc lắp đặt bộ lọc bụi DPF, nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải tương lai như EURO III, IV.

Kết luận chương 1

Chương 1 đã đưa ra các nghị định của nhà nước cũng như tiêu chuẩn khí thải của châu âu Đồng thời cũng nêu ra một số điểm khác biệt giữa động cơ diesel và động cơ xăng Để từ đó làm rõ đối tượng nghiên cứu và mục đích của đề tài Qua đó làm sáng tỏ ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ FAM II 2.4D TRÊN AVL BOOST

Giới thiệu chung về phầm mềm AVL BOOST

Gói phần mềm BOOST cung cấp một bộ tiền xử lý tương tác giúp chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho các chương trình tính toán chính, đồng thời hỗ trợ phân tích kết quả bằng bộ hậu xử lý tương tác Phiên bản 5.0 của AVL Workspace Graphical User Interface giới thiệu công cụ tiền xử lý mới với mô hình sắp xếp và chỉ dẫn dữ liệu cần thiết Mô hình tính toán động cơ cho phép người dùng chọn các phần tử từ cây thư mục và liên kết chúng bằng phần tử đường ống, giúp đơn giản hóa việc mô hình hóa ngay cả những động cơ phức tạp với nhiều phần tử trong phần mềm BOOST.

Chương trình chính sử dụng các thuật toán mô phỏng tối ưu cho tất cả các phần tử, với dòng khí trong ống được coi là chuyển động một chiều Điều này có nghĩa là áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng khí được tính toán từ các phương trình khí động học là giá trị trung bình trên toàn bộ đường ống Tổn thất dòng khí do hiệu ứng ba chiều tại các vị trí cụ thể của động cơ được thể hiện qua hệ số cản Để xem xét chi tiết hơn về hiệu ứng ba chiều, phần mềm BOOST sẽ được liên kết với phần mềm FIRE, cho phép mô phỏng đa chiều dòng khí tại các chi tiết quan trọng và kết hợp với mô phỏng một chiều của các phần tử khác Ngoài ra, phần mềm còn có khả năng mô phỏng động học của xi lanh, quá trình quét khí của động cơ 2 kỳ, cũng như chuyển động phức tạp của dòng khí trong các phần tử giảm thanh.

Công cụ hậu xử lý IMPRESS Chart và PP3 cung cấp khả năng phân tích và mô phỏng kết quả dưới nhiều dạng khác nhau, cho phép so sánh với các kết quả đo và tính toán trước đó Phần mềm này cũng hỗ trợ trình diễn kết quả một cách động, giúp người dùng phát triển các giải pháp tối ưu cho các vấn đề của họ.

Lý thuyết cơ bản

2.2.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất

Trong động cơ đốt trong, quá trình cháy chuyển đổi năng lượng hóa học thành nhiệt năng là quá trình không thuận nghịch Để xác định trạng thái của môi chất tại từng thời điểm, cần biết các phản ứng trung gian từ hỗn hợp ban đầu đến sản phẩm cháy cuối cùng Hiện nay, các phản ứng này đã được xác định cho một số nhiên liệu đơn giản như hydro và methane Tuy nhiên, trong tất cả các trường hợp, định luật nhiệt động học thứ nhất có thể được áp dụng để xác định mối tương quan giữa trạng thái đầu và cuối của quá trình cháy.

Việc áp dụng định luật nhiệt động học thứ nhất không yêu cầu hiểu rõ các giai đoạn trung gian của quá trình, mà chỉ cần nắm mối quan hệ giữa biến thiên nội năng (hay enthalpie) với nhiệt và công Khi áp dụng định luật này cho hệ thống có sự thay đổi về thành phần hóa học, cần xác định trạng thái chuẩn zero của nội năng hoặc enthalpie cho tất cả các chất trong hệ thống Cụ thể, quá trình cháy trong động cơ đốt trong được tính toán dựa trên phương trình nhiệt động học thứ nhất.

: biến đổi nội năng bên trong xilanh;

:công chu trình thực hiện;

: tổn thất nhiệt qua vách;

: tổn thất enthalpy do lọt khí; mc : khối lượng môi chất bên trong xilanh; u : nội năng; pc - : áp suất bên trong xilanh;

QF : nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp;

Qw : nhiệt lượng tổn thất cho thành;

 : góc quay trục khuỷu; hBB : trị số enthalpy;

: biến thiên khối lượng dòng chảy

 d h dm d dQ d dQ d p dV d u m d BB

Phương trình 2-1 được áp dụng cho cả động cơ với hỗn hợp hình thành bên trong và bên ngoài, nhưng sự thay đổi thành phần hỗn hợp ở hai trường hợp này khác nhau Đối với quá trình hình thành hỗn hợp bên trong xilanh, có một số giả thiết cần được xem xét.

▪ Nhiên liệu cấp vào trong xilanh được đốt cháy tức thì

▪ Hỗn hợp cháy được hoà trộn tức thì với lượng khí sót trong xilanh

▪ Tỷ lệ A/F giảm liên tục từ giá trị cao ở điểm bắt đầu tới giá trị thấp ở điểm kết thúc quá trình cháy

Như vậy phương trình 2-1 sau khi biến đổi sẽ trở thành:

Tc : nhiệt độ xilanh; mc : khối lượng môi chất trong xilanh; pc : áp suất trong xilanh; uc : nội năng riêng của khối lượng môi chất bên trong xilanh;

 : hệ số dư lượng không khí (1/);

Giải phương trình cháy phụ thuộc vào mô hình quá trình cháy, quy luật tỏa nhiệt, và quá trình truyền nhiệt qua thành xilanh, đồng thời xem xét áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí, cùng với phương trình trạng thái.

Thiết lập mối quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ và tỷ trọng thông qua phương trình 2-3, chúng ta áp dụng phương pháp Runge-Kutta để tính toán nhiệt độ trong xilanh Từ kết quả này, áp suất sẽ được xác định dựa trên phương trình trạng thái.

Quá trình cháy chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, và phần mềm AVL BOOST mô tả quá trình này thông qua các đặc tính tỏa nhiệt và chu trình cháy lý thuyết Người dùng cũng có thể định nghĩa quá trình cháy hoặc sử dụng các đặc tính tỏa nhiệt dự tính Phương pháp tiếp cận phổ biến nhất trong việc này là áp dụng phương trình cháy Vibe.

Quy luật Vibe được xác định bởi các tham số như điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy và tham số đặc trưng cháy “m” Những thông số này có thể giữ nguyên hoặc thay đổi tùy thuộc vào chế độ làm việc của động cơ, được thể hiện qua một phương trình cụ thể.

Q : nhiệt lượng do nhiên liệu sinh ra;

c :khoảng thời gian cháy; m : tham số đặc trưng cháy;

Tích phân phương trình 3-4 ta có:

(2-7) x – phần trăm khối lượng môi chất đốt cháy

Đồ thị trong Hình 2.1 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ tỏa nhiệt (ROHR) và phần trăm khối lượng môi chất cháy theo góc quay của trục khuỷu.

Hình 2.2 Đồ thị mô tả ảnh hưởng của tham số đặc trưng cháy “m” đến hình dạng của hàm Vibe

Tốc độ giải phóng nhiệt và khối lượng bị đốt cháy được xác định bởi một rung cảm chức năng Giả định rằng các khoản phí bị đốt cháy và không cháy có cùng một nhiệt độ giảm, tuy nhiên, định luật nhiệt động lực học đầu tiên cần được áp dụng cho khí đốt và khí không cháy tương ứng.

Chỉ số b vùng bị đốt cháy

Chỉ số u vùng không cháy

Độ tăng entanpy (𝑑𝛼) là đại lượng đo lường dòng entanpy chuyển từ vùng chưa cháy đến vùng bị cháy, xảy ra khi một khoản phí mới được chuyển đổi thành các sản phẩm đốt Thông lượng nhiệt giữa hai khu vực này là kết quả của quá trình chuyển đổi năng lượng này.

Tỷ lệ hỗn hợp cháy (-) là một yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tuy nhiên, nhiều người vẫn chưa chú ý đến nó Ngoài ra, tổng các thay đổi về âm lượng cần phải tương ứng với thể tích xi lanh đã thay đổi, và tổng thể tích vùng cũng phải bằng thể tích hình trụ để đảm bảo sự cân bằng trong quá trình hoạt động của động cơ.

Vb+Vu=V Thế vào phương trình, cùng với các thông số phần tử khác, ta có phương trình đạo hàm của nhiệt độ vùng cháy so với góc trục:

𝜕𝑇 Một công thức tương tự có thể được tìm cho đạo hàm nhiệt độ vùng không cháy:

Lượng hỗn hợp cháy trong mỗi quá trình được xác định thông qua phương trình Vibe đã được thiết lập Đối với các quá trình khác, chẳng hạn như thoát nhiệt qua thành vách, các kiểu tương tự với vùng đơn được áp dụng, đảm bảo sự tham gia đầy đủ trong hai vùng sử dụng.

Động cơ xăng yêu cầu một hàm lượng octane tối thiểu để hoạt động hiệu quả mà không bị gõ Ngưỡng khởi đầu của hiện tượng gõ xảy ra khi vượt quá giá trị tích phân: ∫ 1.

𝜏 𝑖𝐷 là sự đánh lửa chễ ở điều kiện vùng không cháy rộng hơn thời điểm trước khi đến điểm cuối của buồn cháy

Sự đánh lửa trễ cho kiểu gõ phụ thuộc vào hàm lượng octane trong nhiên liệu và điều kiện xăng phụ thuộc vào:

➢ 𝜏 𝑖𝐷 : độ đánh lửa trễ ( ms)

➢ ON: hàm lượng octane trong nhiên liệu

Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xilanh, piston, và lót xilanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau:

Qwi : nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xilanh, pittông, lót xilanh);

Ai : diện tích truyền nhiệt (nắp xilanh, pittông, lót xilanh);

Tc : nhiệt độ môi chất trong xilanh;

Twi : nhiệt độ thành (nắp xilanh, pittông, lót xilanh);

Trong trường hợp nhiệt độ của thành lót xilanh, biến đổi nhiệt độ dọc trục giữa vị trí ĐCT và ĐCD được tính theo biểu thức sau:

TL : nhiệt độ lót xilanh;

TL, ĐCT : nhiệt độ lót xilanh tại vị trí ĐCT;

Nhiệt độ lót xilanh tại vị trí ĐCD được ký hiệu là TL, ĐCD, trong khi x đại diện cho dịch chuyển tương đối của pittông, tức là vị trí thực tế của pittông so với toàn bộ hành trình Phần mềm BOOST cung cấp bốn mô hình khác nhau để lựa chọn cho hệ số truyền nhiệt.

Lorenz (chỉ dùng cho động cơ có buồng cháy ngăn cách)

Mô hình Woschni 1978 được lựa chọn cho việc tính toán quá trình truyền nhiệt

Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni 1978 được tính theo phương trình sau:

C2 = 0,00324 đối với động cơ phun trực tiếp;

C2 = 0,00622 đối với động cơ phun gián tiếp;

D : đường kính xilanh; cm : tốc độ trung bình của pittông; cu : tốc độ tiếp tuyến; (cu = .D.nd/60 trong đó nd – tốc độ xoáy của môi chất, nd

VD : thể tích công tác của 1 xilanh; pc : áp suất môi chất trong xilanh; pc,o : áp suất khí trời;

Tc,1 : nhiệt độ môi chất trong xilanh tại thời điểm đóng xupáp nạp; pc,1 : áp suất môi chất trong xilanh tại thời điểm đóng xupáp nạp

Trao đổi nhiệt tại cửa nạp, thải

Trong quá trình quét khí, việc chú trọng đến trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải là vô cùng quan trọng Quá trình này có thể ảnh hưởng lớn hơn nhiều so với dòng chảy trong ống đơn giản, nhờ vào hệ số truyền nhiệt cao và nhiệt độ trong vùng giữa xupáp và đế xupáp Mô hình BOOST của Zapf được điều chỉnh để tính toán cho quá trình này.

Hệ số trao đổi nhiệt p phụ thuộc vào hướng của dòng chảy (vào hoặc ra khỏi xilanh):

(2-13) dùng cho dòng chảy ra, và:

p : hệ số trao đổi nhiệt tại cửa

Td : Nhiệt độ sau cửa

Tu : nhiệt độ trước cửa

Tw : nhiệt độ thành cửa

Aw : diện tích bề mặt cửa

: lưu lượng khối lượng cp : nhiệt dung riêng đẳng áp hv : độ nâng xupáp dvi : đường kính trong của đế xupáp

Bảng 2.1 thể hiện các hệ số sử dụng trong các phương trình ở trên

Bảng 2-1: Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải

2.2.5 Tính toán cụm tuabin máy nén

Các phần tử trong quá trình mô phỏng

Bảng 2.2 Các phần tử trong quá trình mô phỏng

STT Phần tử Kí hiệu Tính năng và tác dụng

Phần tử xilanh trong mô hình động cơ đại diện cho thể tích làm việc trong buồng cháy, được xác định thông qua hành trình dịch chuyển của piston.

2 Động cơ Thiết lập các thông số tốc độ quay, góc đảnh lửa,

Bằng cách sử dụng phần tử đo, chúng ta có thể xác định các thông số đặc trưng và trạng thái của quá trình lưu động của môi chất trong ống theo góc quay trục khuỷu tại bất kỳ vị trí nào trên ống Các vị trí đặt phần tử đo được xác định trong giới hạn kích thước cho phép của ống, cho phép thu thập thông tin về nhiệt độ, áp suất, tốc độ và lưu lượng dòng môi chất Ngoài ra, phần tử đo còn có khả năng cung cấp đặc tính sóng áp suất cũng như tốc độ phía trước và phía sau vị trí đặt.

4 Điều kiện biên hệ thống

Nhiệm vụ: Kết nối mô hình với điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, áp suất…

Phần tử tiết lưu được sử dụng để đánh giá nhân tố cản dòng trong hệ thống ống dẫn, giúp kết nối các ống có kích thước khác nhau hoặc những mô hình có tiết diện thay đổi đột ngột như bướm ga và vòi phun Nó đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tổn thất áp suất, do các nguyên nhân như sự thay đổi kích thước tiết diện mặt cắt ngang của ống, hiện tượng phân dòng, và những vị trí góc hẹp gây cản trở dòng chảy trong hệ thống.

6 Bướm ga Điều khiển luồng không khí trong một đường ống qua sự đóng mở bướm ga

Phần tử này đóng vai trò thay thế vòi phun trong hoặc chế hòa khí của động cơ xăng Đối với động cơ xăng, hỗn hợp cháy thường được hình thành bên ngoài buồng cháy, ngay cả khi có sự phun xăng.

Phần tử phân dòng là yếu tố quan trọng trong hệ thống ống dẫn, giúp thể hiện sự phân dòng Mô hình phần tử Junction hoạt động như một phần tử trung gian, kết nối các phần tử ống khí trong quá trình phân dòng.

Phần tử Plenum là phần tử trong mô hình thay thế cho các đoạn ống có trạng thái ổn định về nhiệt độ, áp suất, thành phần hỗn hợp

Phần tử này thay thế bình lọc khí nạp trong mô hình thực, giúp đánh giá tác động của tổn thất áp suất đến quá trình nạp thông qua phần tử lọc khí trên mô hình xây dựng.

Phần tử làm mất khí tăng áp chỉ áp dụng cho các mô hình có chức năng làm mát khí tăng áp Dữ liệu liên quan đến phần tử này chủ yếu tương đồng với phần tử lọc khí Các giá trị như tổn thất áp suất, hiệu suất làm mát và khối lượng dòng khí ổn định được xác định từ bên ngoài.

12 Turbo tăng áp Thay thế cho mô hình động cơ có sử dụng Turbo tăng áp.

Kết luận chương 2

Qua quá trình nghiên cứu và tính toán, tôi đã xây dựng thành công hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ FAM II 2.4D Đồng thời, tôi cũng thiết lập các mô hình cháy, từ đó đạt được những kết quả đáng mong đợi.

NGHIÊN CỨU PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ FAM II 2.4D BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST

Mô phỏng động cơ FAM II 2.4D trên phần mềm AVL BOOST

3.1.1 Các thông số cơ bản của động cơ FAM II 2.4D Động cơ FAM II 2.4D là động cơ diesel tăng áp được sản xuất tại Mỹ Loại động cơ này được sử dụng trên các ô tô cỡ nhỏ và trung bình

Các thông số cơ bản của động cơ nghiên cứu được trình bày trong Bảng 3.1 Số phần tử trong mô hình động cơ FAM II 2.4D được xây dựng dựa trên các dữ liệu này.

- Động cơ diesel 4 xi lanh thẳng hàng, tăng áp có làm mát trung gian, thứ tự làm việc của các xi lanh 1-3-4-2

- Kết cấu đường nạp bao gồm: Các đường ống nạp, bình lọc khí nạp, máy nén khí, két làm mát khí tăng áp, ống góp chung

- Kết cấu đường thải bao gồm: Các đường ống thải, ống góp Ống góp trên đường thải được nối đến tua bin tăng áp

Các thông số của động cơ FAM II 2.4D được thể hiện trên bảng 3-1

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của động cơ FAM II 2.4D

TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

4 Chiều dài thanh truyền: L 230 mm

5 Công suất định mức ở 3000 v/ph Ne 100 kW

6 Mô men cực đại ở n = 2200v/ph Me max 220 Nm

7 Số vòng quay định mức: nđm 2300 v/ph

8 Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất ge 210 g/kW.h

10 Góc mở sớm xupáp nạp: 1 16 độ

11 Góc đóng muộn xupáp nạp: 2 36 độ

12 Góc đóng sớm xupáp thải: 3 46 độ

13 Góc đóng muộn xupáp thải: 4 14 độ

16 Đường kính nấm xupáp nạp: Dn 50 mm

17 Đường kính nấm xupáp thải: Dt 46 mm

3.1.2 Xây dựng mô hình Để xây dựng được mô hình bằng phần mềm AVL-Boost cần thực hiện những bước như lưu đồ trong hình 3.1 dưới đây:

Hình 3.1 Sơ đồ các bước xây dựng mô hình

Dựa trên các đặc điểm kết cấu và thông số động cơ, chúng ta chọn các phần tử cho mô hình trong phần mềm AVL-Boost Sau khi lựa chọn, các phần tử được kết nối bằng biểu tượng Connection Tiếp theo, nhập dữ liệu thông số cho từng phần tử và thiết lập điều kiện biên Cuối cùng, tiến hành chạy mô phỏng và so sánh kết quả với thực tế, điều chỉnh để đảm bảo sai số không vượt quá 5%, nhằm đạt được mô hình có thể sử dụng hiệu quả.

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng động cơ FAM II 2.4D trên AVL BOOST

Dựa vào cấu trúc của động cơ thực tế và các thành phần đã được xác định trong AVL-BOOST, cùng với thông số kỹ thuật của động cơ, chúng ta có thể xây dựng mô hình động cơ FAM II 2.4D như trình bày trong Bảng 3.2 Chức năng và tên gọi của các phần tử trong mô hình mô phỏng được liệt kê chi tiết trong Bảng 3.2.

Mô hình mô phỏng động cơ FAM II 2.4D trên AVL-BOOST

Các phần tử sử dụng trong mô hình

Bảng 3.2 Số lượng các phần tử sử dụng trong mô hình

TT Tên các phần tử Ký hiệu Số lượng

TT Tên các phần tử Ký hiệu Số lượng

Sau khi hoàn thiện mô hình, bước tiếp theo là nhập dữ liệu đầu vào dựa trên các thông số kỹ thuật của động cơ tính toán Sau đó, tiến hành chạy chương trình để xuất kết quả.

Nhập thông số cho mô hình

Nhập thông số cho các đối tượng

Thiết lập tốc độ động cơ

- Nhập 3000 rpm cho tốc độ động cơ ( engine speed)

- Chọn số kỳ là: 4-Stroke

Hình 3.3 Thiết lập tốc độ động cơ

Thiết lập xylanh động cơ (Cylinder Setup)

- Chọn thẻ Cylinder Setup với:

• Indentical Cylinders: Đồng nhất dữ liệu giữa các xylanh

• Firing Order: thứ tự đánh lửa giữa các xylanh

Ma sát trong quá trình làm việc của động cơ (Engine Friction)

Tổn thất ma sát được xác định theo tốc độ vòng quay của động cơ, dữ liệu đưa vào ở dạng bảng

- Chon Engine Friction[1]: friction_list và nhập dữ liệu theo hình:

Hình 3.4 Thiết lập ma sát động cơ

- Chọn General và nhập dữ liệu với:

• Bore (đường kính xylanh): 111 mm

• Stroke: (hành trình piston): 139 mm

• Compression Ratio (tỷ số nén): 18.5

• Con-rod Length (chiều dài thanh truyền): 230 mm

• Effective Blow by Gap: 0.0008 mm

Hình 3.5 Thiết lập kích thước xylanh Thiết lập điều kiện (initialization)

Hình 3.6.Thiết lập điều kiện

Thiết lập kiểu cháy (Combustion)

Vào thẻ combustion chọn Vibe từ Heat Release

Hình 3.7 Thiết lập kiểu cháy

- Với cháy Vibe ta thiết lập các thông số như hình

• Start of Combustion: Thời điểm bắt đầu đánh lửa

• Combustion Duration: Khoảng đánh lửa

Hình 3.8 Thiết lập kiểu cháy vibe

Sự truyền nhiệt ( Heat Transfer)

- Chọn thẻ Heat transfer nhập dữ liệu theo hình với:

• Surface Area: diện tích đỉnh piston

• Wall Temperature: nhiệt độ thành piston

• Piston Calibration Factor: Tỷ lệ piston so với thực tế

• Surface Area: diện tích đỉnh xylanh

• Wall Temperature: nhiệt độ thành xylanh

• Head Calibration Factor: Tỷ lệ xylanh so với thực tế

Hình 3.9 Thiết lập sự truyền nhiệt Thiết lập sự đóng mở xupap (Valve Port Specifications)

- Chọn thẻ Valve Port Specifications nhập các thông số như hình:

Hình 3.10 Thiết lập sự đóng mở xupap

- Chọn VPS [1]: Pipe 14 Intake sau đó chọn valve Controlled nhập dữ liệu như hình

Hình 3.11 Thiết lập thông số van

Chọn thẻ Lift Curve và Flow Coefficients

Nhập dữ liệu theo bảng:

Bảng 3.3 Độ mở của xupap

Với van xả (exhaut) làm tương tự

Sau khi hoàn thành nhấn ok

- Chọn thẻ General nhập dữ liệu như hình trong đó:

• Total Air Cleaner Volume: Tổng thể tích lọc

• Inlet Collector Volume: Thể tích cổ góp vào bình

• Outlet Collector Volume: Thể tích cổ góp ra khỏi bình

• Length of Filter Element: chiều dài của phin lọc

Hình 3.12 Nhập kích thước cho lọc khí Nhập cản cho lọc

Chọn Friction nhập giữ liệu như hình trong đó:

• Mass Flow: lưu lượng không khí qua lọc

• Target Pressure Drop: Áp suất tổn thất

• Inlet Pressure: Áp suất vào

• Inlet Air Temperature: nhiệt độ không khí nạp

Hình 3.13 Nhập cản cho lọc

Nhập hệ số dòng chảy ( Flow Coefficients)

Chọn thẻ Flow Coefficients nhập dữ liệu theo hình:

Hình 3.14 Nhập hệ số dòng chảy 3.2.4 Vòi phun ( injector)

Thiết lập phương pháp phun

Chọn thẻ general và chọn Continous (phun liên tục)

Hình 3.15 Nhập thông số vòi phun

Tỷ lệ và lưu lượng phun

Chọn thẻ Mass Flow thiết lập như hình:

Hình 3.16 Nhập tỷ lệ và lưu lượng phun

Hệ số dòng chảy (Flow coefficients)

Chọn Flow Coefficients thiết lập như hình:

Hình 3.17 Nhập hệ số dòng chảy 3.2.5 Điều kiện biên ( System Boundary)

Vào thẻ General chọn Standard ( kiểu biên tiêu chuẩn)

Hình 3.18 Chọn kiểu điều kiện biên Thiết lập điều kiện biên:

Chúng ta có thể dùng điều kiện biên theo chuẩn đã cài từ trước hoặc nhập thủ công như hình:

• Pressure (bar): áp suất khí ban đầu

• Gas Temp (degC): nhiệt độ hỗn hợp khí

• Fuel Vapour: Hơi nhiên liệu

• Combustion Products: Sản phẩm cháy

• Ratio Type: tỷ số không khí và nhiên liệu

Hình 3.19 Thiết lập điều kiện biên

Vào thẻ Flow Coefficients thiết lập hệ số dòng chảy như hình:

Hình 3.20 Thiết lập hệ số dòng chảy cho điều kiện biên

Với biên 2 ,3 điều chỉnh các thông số tương tự

Nhập thể tích cho bình ổn áp

- Vào thẻ general chọn Volume và nhập giá trị thể tích:

Hình 3.21 Nhập thể tích cho bình ổn áp Điều kiện ban đầu

Vào thẻ initialization tại phần Global Initialization chọn set 1

Hình 3.22 Thiết lập điều kiện ban đầu cho bình ổn áp

Hệ số lưu lượng dòng chảy là chỉ số quan trọng để đánh giá lưu lượng vào và ra khỏi phần tử Plenum, và giá trị của nó chủ yếu phụ thuộc vào hình dạng của ống.

Chọn thẻ Flow Coefficients nhập dữ liệu như hình:

Hình 3.23 Thiết lập hệ số dòng chảy 3.2.7 Van tiết lưu ( restrictions)

Với van tiết lưu cần quan tâm dến hệ số dòng chảy

Hình 3.24 Thiết lập hệ số dòng chảy cho van tiết lưu

Kết quả nghiên cứu

3.3.1 Đánh giá độ chính xác của mô hình Độ chính xác của mô hình được đánh giá thông qua việc so sánh một số kết quả như công suất giữa kết quả thực nghiệm (đã được nhà sản xuất thử nghiệm và ghi trong catalog khi xuất xưởng) với kết quả mô phỏng Kết quả so sánh công suất, mô men động cơ được thể hiện trong bảng

Bảng 3.4 Bảng đánh giá độ chính xác của mô hình

Mô hình Vibe Mô hình Vibe 2 zone

Hình 3.25 Nồng độ NO_Vibe

Hình 3.26 Nồng độ CO_Vibe

Hình 3.27 Nồng độ CO_Vibe 2 vùng

Nồng độ CO_Vibe 2 vùng

Hình 3.28 Nồng độ NOx_Vibe 2 vùng

So sánh phần khí thải của 2 mô hình

Bảng 3.5 Bảng so sánh về chất thải của 2 mô hình

Mô hình Vibe Mô hình Vibe 2 zone