Nghiên cứu và mô phỏng quá trình nạp của động cơ không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ sử dụng CFD và DPM

Bài viết Nghiên cứu và mô phỏng quá trình nạp của động cơ không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ sử dụng CFD và DPM trình bày một mô phỏng số sử dụng động lực học chất lỏng (CFD: Computational Fluid Dynamics) và mô hình pha rời rạc (DPM: Discrete Phase Model) được thực hiện để kiểm tra và so sánh quá trình nạp diễn ra trong động cơ không trục khuỷu hai kỳ khi khởi động.

Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Số 12/2022 Nghiên cứu mơ q trình nạp động không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ sử dụng CFD DPM A research and simulation of the charging process of small two-stroke free piston linear engines using CFD and DPM Huỳnh Văn Lộc1,*, Nguyễn Huỳnh Thi1, Trương Hoà Hiệp1 Trường Đại học Tiền Giang, 119 Ấp Bắc, Phường 5, Mỹ Tho, Tiền Giang, Việt Nam Thông tin chung Tóm tắt Ngày nhận bài: 29/04/2022 Ngày nhận kết phản biện: 18/05/2022 Ngày chấp nhận đăng: 13/06/2022 Bài báo trình bày mơ số sử dụng động lực học chất lỏng (CFD: Computational Fluid Dynamics) mơ hình pha rời rạc (DPM: Discrete Phase Model) thực để kiểm tra so sánh trình nạp diễn động khơng trục khuỷu hai kỳ khởi động Kết cho thấy chênh lệch ± 3% hai mơ hình cho thấy hiệu suất nạp với tốc độ 0,32m/s cao 1,25m/s Từ khóa: Abstract Động khơng trục khuỷu; piston tự do; động lực học chất lỏng; mơ hình pha rời rạc Keywords: Free piston linear engines; free pistons; computational fluid dynamics; Discrete Phase Model This paper presents a numerical simulation using Computational Fluid Dynamics (CFD) and Discrete Phase Model (DPM) to test and compare the loading process couuring when a two-stroke free piston engine is started The results show that despite a difference of ±3%, the two models illustrate that the charging efficiency with a speed of 0.32m/s is higher than that of 1.25m/s GIỚI THIỆU Động đốt khơng trục khuỷu phát điện tuyến tính (FPLE - free piston linear engine) động đốt tuyến tính loại bỏ tay quay piston chuyển động tự xilanh Với ưu điểm gọn nhẹ, hiệu suất cao [1], tỷ số nén thay đổi nên thích hợp với nhiều loại nhiên liệu khác [2], giảm ma sát so với động nhiệt thông thường [3] Có thể thấy, FPLE xu hướng nghiên cứu để cải thiện hiệu suất xe hybrid FPLE xem xét nghiên cứu loại piston kép hai kỳ Cụm piston có chuyển động thẳng tự tâm điểm chết (TDC: top dead center) tâm điểm chết (BDC: bottom dead center) chuyển động cụm piston điều khiển khí lực tải tác dụng lên Việc hủy bỏ cấu tay quay cho phép piston di chuyển tự hai xilanh, tạo cho động ưu điểm đặc tính linh hoạt, đặt thách thức ổn định động Mất ổn định khống chế vị trí TDC trước q trình cháy, vị trí khác TDC tạo áp suất cuối nén khác ảnh hưởng đến cơng suất động Có nhiều nghiên cứu liên quan kiểm soát độ ổn * tác giả liên hệ, email: huynhvanloc@tgu.edu.vn, 0907 171 921 -79- No.12/2022 định FPLE đề xuất phương pháp kiểm soát khác [4-7] Những nghiên cứu tập trung vào việc điều khiển chuyển động piston Mặc dù đạt nhiều tiến đáng kể, cách thức kiểm soát FPLE vấn đề cản trở việc thương mại hóa Một yếu tố khác khối lượng khơng khí nhiên liệu bị giữ lại bên buồng đốt Các hỗn hợp bị mắc kẹt làm ảnh hưởng đến q trình trao đổi khí, có q trình làm Đó coi chìa khóa để thực hóa hiệu đốt cháy tiềm phát thải động [8] Nhưng ổn định trao đổi khí khơng thể đốn trước khó khăn cho kỹ thuật đo lường CFD (Computational Fluid Dynamics) cơng cụ hữu ích để phân tích khí trao đổi thơng qua q trình chuyển động FPLE q trình qt khí Blarigan cộng sự, Phịng thí nghiệm Quốc gia Sandia, nghiên cứu ảnh hưởng thông số thiết kế áp suất khí nạp, vị trí đầu vào góc nghiêng đến hiệu nạp hiệu hỗn hợp giữ lại FPLE thông qua CFD [9] Kết nghiên cứu họ giai đoạn đầu q trình trao đổi khí, số khí từ cổng nạp đến cổng xả, gây tổn thất trực tiếp hỗn hợp quét khơng Blarigan cộng sự, Phịng thí nghiệm Quốc gia Sandia giới thiệu cấu hình chuyển động piston mơ hình hóa dựa vào KIVA-3V, mơ để đạt hiệu suất nạp FPLE với áp suất nạp không đổi cách sử dụng mơ hình CFD [10] Kết cho thấy hệ thống trao đổi khí với áp suất tăng giảm liên tục tối ưu hóa hiệu suất giảm lượng khí thải nhiễm Ngồi ra, số nghiên cứu khác cho thấy FPLE có tốc độ piston nhanh động thông thường, dẫn đến thời gian trao đổi khí FPLE ngắn hơn, hiệu suất Journal of Science, Tien Giang University làm khơng khí thấp hiệu suất nạp hỗn hợp cao [11-12] Các nghiên cứu cho thấy trình trao đổi khí mơ tối ưu hóa ảnh hưởng thông số thiết FPLE Tuy nhiên, nghiên cứu bỏ qua trình trao đổi khí q trình khởi động FPLE, q trình thường hoạt động tốc độ thấp phải đảm bảo hiệu suất nạp hỗn hợp Nghiên cứu trình bày mơ CFD để khảo sát cấu trúc thơng số q trình trao đổi khí FPLE Các tham số kích thước chọn dựa FPLE thực, chuyển động piston tự xây dựng dựa mơ hình động lực học để tính tốn biên dạng chuyển động piston Trong nghiên cứu này, thơng số tốc độ dịch chuyển piston hoạt động tần số thấp áp suất nạp thông số đầu vào Hai phương pháp CFD mơ hình pha rời rạc Eulerian-Lagrangian (DPM) sử dụng để theo dõi tỷ lệ hạt hỗn hợp hồ khí bị mắc kẹt khỏi hình trụ sau tìm hiệu suất nạp so sánh độ xác với NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ hình hóa mơ Mơ hình chuyển động Các lực học tác dụng lên piston bao gồm lực khí thể xilanh trái phải, lực ma sát học, lực quán tính lực kéo cấu chấp hành Động lực học piston xác định định luật Newton II Fst + Fcyl – Fcyr – Ff = (1) Fcyl, Fcyr lực khí thể tác dụng lên piston bên trái bên phải động Fcyl = Pcyl S (2) Fcyr = Pcyr S (3) -80- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Pcyl, Pcyr áp suất xilanh trái phải, S diện tích đỉnh piston Ff lực ma sát, m khối lượng chuyển động tịnh tiến, d2x/dt2 gia tốc piston, Fsl, Fsr lực lò xo bên trái bên phải Fst lực nhận từ thiết bị khởi động Vận tốc piston tính theo phương trình: (4) Trên mơ hình thực tế, tốc độ ban đầu V0 dựa khởi động học Hình Tốc độ bị cản trở lực lò xo bên trái bên phải Vận tốc piston từ BDC đến TDC xác định bởi: (5) Số 12/2022 liệu đầu vào, sở liệu đầu vào chức người dùng định nghĩa Trong lưới động, phân lớp sử dụng để thêm bớt lớp lưới theo vị trí piston Ngoài ra, lưới động lực thay đổi theo vị trí piston để thay đổi tỷ số nén, áp suất Vị trí piston thay đổi bước với bước 0,5mm, từ kiểm sốt áp suất cuối hành trình nén vị trí khác Để khảo sát ảnh hưởng áp suất đầu vào đến lọc áp suất cuối trình nén, áp suất đầu vào điều chỉnh từ 1,05bar đến 1,2bar; tốc độ ban đầu 0,32m/s 1,25m/s Nhiệt độ đầu vào đầu đặt 3000K q trình mơ Hỗn hợp đầu vào giả định khí lý tưởng Ngồi ra, mơ hình 𝑘 𝜀 sử dụng để nắm bắt dòng chảy rối hỗn hợp Các thông số đầu vào cung cấp cho mô hình tính tốn động lực học chất lỏng (CFD) để tính tốn hiệu suất nạp hỗn hợp Trong động hai thì, hiệu suất nạp xác định sau [14]: Hình Một nguyên mẫu động t= không trục khuỷu hai kỳ 1- Xi lanh 1; 2- Cơ cấu khởi động; 3Tăng áp; 4-Bộ chế hoà khí, 5- Buồng khí Với mk khối lượng khí nạp giữ lại xilanh ms khối lượng nén; khí nạp vào xilanh Mơ hình CFD Mơ hình piston thơng số FPLE thể Hình Bảng Tham số FPLE nhập vào phần mềm CFD thương mại Ansys Fluent v.21 để xác định bề mặt thể tích tính tốn tạo lưới Sau q trình chia lưới, lưới xilanh tạo theo phương pháp đa vùng (multi-zone method) tạo lưới phương pháp Hình a) Thơng số FPLE, b) quét (sweep method) Vận tốc piston Tính tốn lưới FPLE tính tốn chương trình viết Bảng Thơng số kỹ thuật động Microsoft Visual C++ trước nhập điều kiện hoạt động vào phần mềm Ansys sở -81- No.12/2022 Journal of Science, Tien Giang University Thông số Giá trị Khoảng chạy (S) 28 mm Đường kính (D) 34 mm Cửa nạp (Di) 06 mm Cửa xả (De) 013mm Cửa chuyển (Dt) 10 mm Áp suất khí nạp (Pin) 1,05  1,25bar Nhiệt độ khí nạp (Tin) 300oK Mơ hình pha rời rạc (DPM) Mơ hình pha rời rạc (DPM) sử dụng để đồng theo dõi chuyển động hạt DPM dựa khung EulerLagrangian, lực lực cản nhớt, lực nâng tác động lên hạt dọc theo quỹ đạo chúng hành vi ngẫu nhiên dòng chảy rối tính đến Dựa việc theo dõi hạt, pha rời rạc khu vực biên để thoát ra, giữ lại phản xạ Điều kiện hạt thoát giả định cổng vào ra, điều kiện giữ lại coi hình trụ điều kiện phản xạ thành ống nạp ống xả Hình Để rút ngắn thời gian tính tốn cách tiếp cận trở nên đơn giản nhiều, giả định tính tốn chuyển động hạt đơn giản hóa: tất hạt có kích thước, dịng chảy xung quanh hạt tương tác hạt với hạt bị bỏ qua mô Trong hệ quy chiếu Lagrangian, quỹ đạo dự đốn tích phân cân lực hạt riêng lẻ viết [14]: Trong F số hạng gia tốc bổ sung (lực/đơn vị khối lượng hạt);  mật độ hạt p mật độ pha liên tục; u vận tốc pha chất lỏng cục up vận tốc pha hạt; g trọng lực hạt Mục bên phải lực cản đơn vị khối lượng hạt, r thời Hình Mơ hình tính tốn DPM gian giãn hạt Các thông số ban đầu hạt vận tốc, khối lượng dịng vào… tương tự mơ hình CFD; hiệu suất nạp DPM thay số lượng hạt Hiệu suất nạp định nghĩa: số lượng hạt vào xilanh chia cho số lượng hạt cung cấp từ cổng nạp 2.2 Kết thảo luận Kết mô CFD Sự thay đổi áp suất cổng nạp vị trí đóng, mở ảnh hưởng đến q trình nạp Với tốc độ ban đầu 0,32m/s, áp suất ban đầu tăng dần từ 1,05bar đến 1,2bar Hiệu suất nạp tăng lên khơng đáng kể dịng khối lượng vào khỏi xilanh gần ổn định Cổng quét hoàn toàn đóng Ở áp suất 1,05bar lưu lượng khối lượng lớn cổng chuyển cổng xả khối lượng khơng có khác biệt đáng kể với trường hợp khác nên hiệu suất nạp có xu hướng tăng lên; áp suất 1,1bar lưu lượng khối lượng cửa xả thấp áp suất cửa xả tăng nên hiệu -82- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Số 12/2022 suất nạp có xu hướng giảm Vận tốc dòng chảy cổng xả dựa vận tốc dòng chảy cổng nạp, vận tốc dịng chảy cửa nạp cao cửa xả cao Kết mô vận tốc dòng chảy De = 0mm; De = 2mm; De = 3,5 mm 1,05bar trình bày Hình phần cịn lại trường hợp hiển thị Hình Hình Hiệu suất nạp áp suất 1,05bar đến 1,25bar Hình Khối lượng khí nạp so với độ dịch chuyển piston tốc độ 0,32m/s Hình Vận tốc dịng khí tốc độ piston 0,32m/s Khi tăng tốc độ lên 1,25m/s hiệu suất nạp tăng lên Ở áp suất 1,05bar, nhiều hỗn hợp hồ khí chảy vào xilanh xilanh gần trùng với đường cong áp suất khác Qua hai kết quả, tốc độ 0,32m/s cho hiệu suất nạp cao 1,25m/s, nguyên nhân lượng khí nạp khỏi cửa xả nhiều lượng khí nạp vào xilanh tốc độ thấp lại tăng, thể dịng khối lượng khí nạp Hình kết mô vận tốc De = 0mm; De = 2mm; De = 3,5 mm 1,05bar trình bày Hình 9, phần cịn lại trường hợp hiển thị Hình 10 Hình Vận tốc đo A) De = 0mm; B) De = 2mm; C) De = 3,5mm với áp suất ban đầu = 1,05bar vận tốc piston = 0,32m/s Hình Khối lượng khí nạp tốc độ piston 1,25m/s -83- No.12/2022 Hình Vận tốc đo A) De = 0mm; B) De = 2mm; C) De = 3,5mm với áp suất ban đầu = 1,05bar vận tốc piston = 1,25m/s Hình 10 Vận tốc dịng khí tốc độ piston 1,25m/s Kết mô DPM Với điều kiện đầu vào mơ hình CFD, hiệu suất nạp có khác biệt Số lượng hạt bị mắc kẹt xilanh tương ứng với lượng hạt bị thất thoát qua cửa xả bị giữ lại cản trở thành piston cửa nạp Hình 12 Journal of Science, Tien Giang University Hình 12 A) Thời gian cư trú hạt De = 0mm B) Thời gian cư trú hạt De = 4mm C) Thời gian cư trú hạt De = 6mm Với tốc độ piston thấp 0,32m/s, lượng hạt bị giữ lại xilanh nhiều ổn định Khi cổng quét đóng hồn tồn, số lượng hạt bị mắc kẹt giảm xuống, làm cho lượng khí lớn qua cổng xả Hình 13 Với tốc độ piston 1,25m/s, thời gian đóng nhanh cổng quét làm cho số lượng hạt không di chuyển kịp đến xilanh, số lượng hạt bị giữ lại nhiều thời gian đóng cửa xả nhanh Hình 14 Tuy nhiên, tốc độ 0,32m/s, hiệu suất nạp cao Hình 13 Lượng hạt so với độ dịch chuyển piston tốc độ 0,32m/s Hình 11 Hiệu suất nạp áp suất 1,05bar đến 1,25bar (DPM) -84- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Hình 14 Lượng hạt so với độ dịch chuyển piston tốc độ 1,25m/s KẾT LUẬN Dựa kết hợp mơ hình động lực học, mơ hình CFD mơ hình DPM, q trình nạp động đốt không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ mơ hình hóa mơ Mặc dù có khác biệt ± 3% hiệu suất nạp hai mơ hình, có điểm tương đồng quy tắc Kết mô cho thấy hiệu suất nạp tốc độ piston 0,32m/s cao 1,25m/s Điều chứng minh rằng, động hoạt động tốc độ cao hiệu suất nạp giảm Vì vậy, để cải thiện hiệu suất nạp cần phải tăng áp cho động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Hansson and M Leksell., “Performance of a Series Hybrid Electric Vehicle with a Free-Piston Energy Converter,” IEEE Xplore, 2007 [2] R Mikalsen and A P Roskilly, “A review of free-piston engine history and applications,” Applied Thermal Engineering, vol 27, pp 23392352, Oct 2007 [3] B Jia, R Mikalsen, A Smallbone, and A Paul Roskilly, “A study and comparison of frictional losses in free-piston engine and crankshaft engines,” Applied Thermal Engineering, 2018 Số 12/2022 [4] R Mikalsen, A.P Roskilly, The control of a free-piston engine generator Part 1: Fundamental analyses, Appl Energy 87 (2010) 1273–1280 [5] R Mikalsen, A.P Roskilly, The control of a free-piston engine generator Part 2: Fig 15 Incylinder gas pressure and temperature of each combustion duration C Yuan, et al Applied Thermal Engineering 173 (2020) 115201 10 Engine dynamics and piston motion control, Appl Energy 87 (2010) 1281–1287 [6] B.R Jia, Z.X Zuo, H.H Feng, G.H Tian, A Smallbone, A.P Roskilly, Effect of closed-loop controlled resonance based mechanism to start free piston engine generator: simulation and test results, Appl Energy 164 (2016) 532–539 [7] B.R Jia, G.H Tian, H.H Feng, Z.X Zuo, A.P Roskilly, An experimental investigation into the starting process of free-piston engine generator, Appl Energy 157 (2015) 798–804 [8] Goldsborough SS, Blarigan P V Optimizing the scavenging system for a two-stroke cycle, free piston engine for high efficiency and low emission: A computational approach SAE Paper 2003-01-0001, 2003 [9] A Sofianopoulos, Y.C Zhou, B Lawler, S Mamalis, Gas exchange processes of a small HCCI free piston engine - A computational study, Appl Therm Eng 127 (2017) 1582–1597 [10] S Goldsborough, P Blarigan, Optimizing the scavenging system for a two-stroke cycle, free-piston -85- No.12/2022 Journal of Science, Tien Giang University engine for high efficiency and low emissions: a computational approach, SAE Paper, No.2003-010001, 2008 [11] C Yuan, H Ren, X Jing, Comparison of the gas exchange of a loop scavenged freepiston engine alternator and the conventional engine, Appl Therm Eng 127 (2017) 638–649 [12] Nguyen Ba Hung, Sung Jaewon, Ocktaeck Lim (2017) A study of a scavenging process in a two-stroke free piston linear engine using CFD 9th International Conference on Applied Energy (pp 1354-1360) Cardiff, UK: Elsevier Ltd [13] Grljuši´c, M.; Tolj, I.; Radica, G.; Sciubba, E An Investigation of the Composition of the Flow in and out of a Two-Stroke Diesel Engine and Air Consumption Ratio Energies 2017, 10, [14] A Vakhrushev, M Wu, A Ludwig, G Nitzl, Y Tang, & G Hackl, “Verification of a Discrete Phase Model with Water-Particle Flow Experiments in a Tundish,” in 5th Int Conf on Simulation; Modeling of Metall, Processes in Steelmaking (STEELSIM) (2013) -86- ... hình CFD mơ hình DPM, trình nạp động đốt không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ mô hình hóa mơ Mặc dù có khác biệt ± 3% hiệu suất nạp hai mô hình, có điểm tương đồng quy tắc Kết mô cho thấy hiệu suất nạp. .. (CFD) để tính tốn hiệu suất nạp hỗn hợp Trong động hai thì, hiệu suất nạp xác định sau [14]: Hình Một ngun mẫu động t= khơng trục khuỷu hai kỳ 1- Xi lanh 1; 2- Cơ cấu khởi động; 3Tăng áp; 4-Bộ chế... chuyển động piston Trong nghiên cứu này, thơng số tốc độ dịch chuyển piston hoạt động tần số thấp áp suất nạp thông số đầu vào Hai phương pháp CFD mơ hình pha rời rạc Eulerian-Lagrangian (DPM) sử dụng