(Luận văn thạc sĩ hcmute) đánh giá đặc tính quá trình nạp của động cơ free piston cỡ nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CHU TUẤN ANH ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH QUÁ TRÌNH NẠP CỦA ĐỘNG CƠ FREE PISTON CỠ NHỎ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 SKC006691 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 Luan van i Luan van ii Luan van iii Luan van iv Luan van v Luan van vi Luan van i Luan van ii Luan van i Luan van (2340 vòng/phút) 12302 12304 12306 12308 13302 13304 13306 13308 14302 14304 14306 14308 15302 15304 15306 15308 16302 16304 16306 16308 31.97 31.97 31.97 31.97 34.932 34.932 34.932 34.932 38.116 38.116 38.116 38.116 41.625 41.625 41.625 41.625 45.698 45.698 45.698 45.698 38.223 38.223 38.223 38.223 42.738 42.738 42.738 42.738 47.569 47.569 47.569 47.569 52.783 52.783 52.783 52.783 58.476 58.476 58.476 58.476 0.004782 0.004782 0.004782 0.004782 0.004894 0.004894 0.004894 0.004894 0.004992 0.004992 0.004992 0.004992 0.005072 0.005072 0.005072 0.005072 0.005118 0.005118 0.005118 0.005118 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 44.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 136.566 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.012257 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 2340 30 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 94.248 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 706.858 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 2.34 43.27362 43.27362 43.27362 43.27362 38.70204 38.70204 38.70204 38.70204 34.77155 34.77155 34.77155 34.77155 31.33675 31.33675 31.33675 31.33675 28.28592 28.28592 28.28592 28.28592 Bảng 1.4: Bảng điều chỉnh thông số điều chỉnh điều kiện mô f =41Hz 105 Luan van (2460 vòng/phút) Pin 12302 12304 12306 12308 13302 13304 13306 13308 14302 14304 14306 14308 15302 15304 15306 15308 16302 16304 16306 16308 Ain Dh-in Pou Aou Dh-ou S (m) n 31.97 38.223 0.004782 44.566 136.566 0.012257 0.03 31.97 38.223 0.004782 44.566 136.566 0.012257 0.03 31.97 38.223 0.004782 44.566 136.566 0.012257 0.03 31.97 38.223 0.004782 44.566 136.566 0.012257 0.03 34.932 42.738 0.004894 44.566 136.566 0.012257 0.03 34.932 42.738 0.004894 44.566 136.566 0.012257 0.03 34.932 42.738 0.004894 44.566 136.566 0.012257 0.03 34.932 42.738 0.004894 44.566 136.566 0.012257 0.03 38.116 47.569 0.004992 44.566 136.566 0.012257 0.03 38.116 47.569 0.004992 44.566 136.566 0.012257 0.03 38.116 47.569 0.004992 44.566 136.566 0.012257 0.03 38.116 47.569 0.004992 44.566 136.566 0.012257 0.03 41.625 52.783 0.005072 44.566 136.566 0.012257 0.03 41.625 52.783 0.005072 44.566 136.566 0.012257 0.03 41.625 52.783 0.005072 44.566 136.566 0.012257 0.03 41.625 52.783 0.005072 44.566 136.566 0.012257 0.03 45.698 58.476 0.005118 44.566 136.566 0.012257 0.03 45.698 58.476 0.005118 44.566 136.566 0.012257 0.03 45.698 58.476 0.005118 44.566 136.566 0.012257 0.03 45.698 58.476 0.005118 44.566 136.566 0.012257 0.03 106 Luan van 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 2460 30 Pp Ap Cm 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 94.248 706.858 Wn (m/s) 2.46 45.49278 2.46 45.49278 2.46 45.49278 2.46 45.49278 2.46 40.68676 2.46 40.68676 2.46 40.68676 2.46 40.68676 2.46 36.5547 2.46 36.5547 2.46 36.5547 2.46 36.5547 2.46 32.94376 2.46 32.94376 2.46 32.94376 2.46 32.94376 2.46 29.73648 2.46 29.73648 2.46 29.73648 2.46 29.73648 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG DÒNG KHƠNG KHÍ QUA VALVE TẠI Q TRÌNH NẠP TRÊN ĐỘNG CƠ GDI SỬ DỤNG CFD Chu Tuấn Anh1, Nguyễn Văn Trạng2, Huỳnh Thanh Công3 Học viên cao học Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Trường đại học Bách Khoa TP.HCM TĨM TẮT Bài báo trình bày nghiên cứu mơ q trình nạp động GDI sử dụng CFD Mơ hình hóa 3D dịng khơng khí nạp phần mềm Inventor Professional với thông số thiết kế cụ thê Điều kiện mô tốc độ động 2000 vòng/ phút, áp suất cửa nạp 1.01325 bar, nhiệt độ khí nạp T = 300K, thực phần mềm Ansys ICE (Fluent) Kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng phân bố vận tốc, áp suất, lưu lượng khí nạp thực thay đổi độ mở xuppap nạp mm, mm, 10 mm theo vị trí piston cách TDC 30 mm, 45 mm, 60 mm Kết cho sở quan trọng trọng việc ứng dụng vào thiết kế điều chỉnh độ mở xuppap động GDI Từ khóa: Động phun xăng trực tiếp GDI, cải tiến đường nạp, động lực học tính tốn, mô Ansys, mô 3D ABSTRACT This paper represents research on improving the working characteristics of a Gasoline direct injection (GDI) by changing the engine's charging and design method Digitized 3D model of the intake exhaust flow and combusion chamber is built by the Inventor Professional software and simulation process at inlet pressure 1.01325 bar, intake air temperature T= 302 K and 2000 rpm of engine speed were carried out using Ansys - ICE software The research results show the effect of distribution of velocity, pressure, airflow 107 Luan van when changing the opening of the intake manifold mm, mm, 10 mm according to the position of the piston 30 mm, 45 mm, 60 mm from TDC This result provides an important basis for the application of the design and adjustment of the aperture opening on the GDI engine These results will be an important basis for improving design process the intake manifold and combustion chamber Keywords: Gasoline Direction Igntion, Air Intake, Communication Fluid Dynamic, Inventor GIỚI THIỆU Động phun xăng trực tiếp hay gọi GDI (Gasoline Direction Ignition) động đốt sử dụng công nghệ tiên tiến với ưu điểm giảm mức tiêu hao nhiên liệu, giảm tiếng ồn động tạo thân thiện môi trường Tuy nhiên động phun xăng trực tiếp GDI tồn vấn đề chi phí tối ưu hóa tỉ lệ hịa khí điều kiện làm việc khác Xăng phun thành hỗn hợp phân lớp cuối kỳ nén với tỷ lệ hịa khí nhạt 65:1 tỷ lệ hịa khí lý tưởng 14.7:1, làm giảm triệt để lượng CO NO2 , giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm nồng độ độc hại khí xả Q trình nạp GDI trình piston di chuyển từ TDC xuồng BDC lúc xuppap nạp mở đóng kính xuppap nạp Sử dụng CFD nhằm đưa kết dự đốn lưu lượng khơng khí nạp vào xylanh qua khe hở xuppap nhằm đưa sở điều chỉnh phương pháp đóng mở khe hở xuppap theo điều kiện làm việc, góp phần nâng cao trình hình thành hỗn hợp nâng cao hiệu suất giảm thiểu phát thải động GDI MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG 2.1 Xây dựng mơ hình Trên sở kết cấu hệ thống nạp động GDI, tác giả sử dụng phương pháp thiết kế dựa cấu tạo động đốt bao gồm: họng nạp, xuppap 108 Luan van nạp, xuppap thải, xylanh Mơ hình xây dựng phần mềm thiết kế Inventor Professional Autodesk với thơng số cụ thể Mơ hình hóa Sau xử lý phần mềm Ansys ICE Fluent Bảng 1: Thơng số mơ hình thiết kế GDI TT Các thơng số Giá trị Đường kính ống nạp 25,4 mm Đường kính xuppap 30,13 mm nạp Đường kính ống xả 25,4 mm Đường kính xuppap xả 30,13 mm Khe hở xuppap nạp 2; 6; 10 mm Số xuppap nạp; xả 2; a) 109 Luan van b) Hình 1: Mơ hình đường nạp thải xử lý Ansys ICE Fluent a) Mơ hình hóa phần mềm Inventor b) Mơ hình chia lưới Ansys ICE Fluent 2.2 Cơ sở lý thuyết Tính tốn mơ q trình lưu động dịng mơi chất bên đường nạp xylanh động q trình nạp thơng số khí động học thay đổi phức tạp toán trở nên phức tạp tính tốn chế độ tốc độ động khác Để giải toán mà đảm bảo độ tin cậy, Ansys-ICE sử dụng lý thuyết CFD để mô tả trao đổi lượng động lượng dòng mơi chất, gồm phương trình sau [9] Phương trình liên tục: (1) Phương trình động lượng: (2) Phương trình lượng: 110 Luan van (3) Trong đó: t thời gian; r khối lượng riêng; v tốc độ dòng; p áp suất dòng; q nhiệt lượng chuyển hóa riêng; e nội năng; f nội lực; Sm khối lượng thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán thứ nguồn người dùng định nghĩa 2.3 Điều kiện biên Mơ hình thiết kế lựa chọn mơ hình hóa mơ thể qua bảng Bảng 2: Điều kiện biên cho mơ hình Thơng số Các thơng số cho Ký mơ hình Giá trị Đơn vị hiệu Nhiệt độ không T0 302 K 20 K 302 K 334,4 K khí nạp Độ tăng nhiệt độ DT khí nạp Nhiệt độ khí nap Tk trước xupap nạp Nhiệt độ cuối Ta trình nạp Áp suất khí nạp po 1,01325 bar Khi chạy mơ chế độ tốc độ động dự kiến 2000 v/ph Ứng với chế độ mở xuppap 2, 6, 10 mm điểm chết piston vị trí cách điểm chết 30 mm; 45 mm 60 mm Kết tính tốn mơ vận động khí nạp đường ống nạp, xylanh động phân tích cơng cụ ICE-Setup phần sau Kết thảo luận 111 Luan van 3.1 Phân bố vận tốc môi chất bên đường nạp xilanh Phân bố vận tốc dịng mơi chất bên đường nạp xilanh điểm thiết kế DP0, DP1, DP2 tương ứng độ mở van mm, mm, 10 mm Plane_1 Plane_2 Plane_3 Hình 2: Phân bố vận tốc xylanh trình nạp Plane_1, Plane_2, Plane_3 DP0 DP1 112 Luan van DP2 Hình 3: Phân bố vận tốc mặt cắt plane_1 Kết hiển thị vận tốc di chuyển hịa khí lịng xilanh xuppap nạp mở xuppap thải đóng q trình nạp động GDI Dịng mơi chất lúc khơng khí, với áp suất đầu vào Pin = 1,01325 bar, nhiệt độ khơng khí Tin = 302K, xuppap thay đổi khe hở 2mm, mm 10 mm vị trí điểm chết piston cách TDC (điểm chết trên) 30 mm, 45 mm, 60 mm ứng với kết điểm thiết kế DP0, DP1, DP2 Các giá trị ứng với màu tương ứng biểu đồ dạng cột Các giá trị từ thấp đến cao khoảng từ MPa đến 1.25e+2 MPa 3.2 Lưu lượng khơng khí qua ValveLift Biểu đồ Tốc độ dòng chảy qua mặt cắt Plane_1 113 Luan van Biểu đồ Dòng chảy Mass Flow Rate cổng nạp vào xilanh Biểu đồ Dòng chảy Mass Flow Rate cổng nạp vàoxilanh GDI 114 Luan van Biểu đồ Dòng chảy khối theo độ mở xuppap Biểu đồ 1, 2, thể giá trị tốc độ lưu lượng (Mass Flow Rate-đơn vị kg/s) thông qua xuppap nạp thay đổi vị trí piston mặt cắt (plane1, plane2, plan3) xuppap nạp mở mm, mm, mm vị trí piston cacchs TDC (điểm chết trên) 30 mm, 45 mm, 60 mm ứng với điểm thiết kế DP0, DP1, DP2 Kết cho thấy piston vị trí xuppap nạp mở 10 mm, piston cách TDC (điểm chết trên) 60mm cho lưu lượng khí nạp ổn định với khối lượng khơng khí nạp cao Kết cho thấy điểm thiết kế (DP2) cần phun thêm xăng ứng với chế độ tải cao Trong điểm thiết kế (DP1) xuppap nạp mở 4mm lưu lượng khơng khí vào có giá trị mức trung bình Lúc cần lượng xăng phun chế độ phù hợp ứng với chế tộ tải trung bình Điểm thiết kế DP0 xuppap nạp mở mm lưu lượng khơng khí lúc có vận tốc vào cao Lưu lượng khơng khí thấp ứng với chế độ tải thấp chế độ không tải Như từ kết cần điều chỉnh độ mở xuppap nạp phù hợp với chế độ ứng dụng lên FPLE sử dụng động phun xăng hai GDI KẾT LUẬN 115 Luan van Kết cho thấy động hổn loạn xẩy cao vị trí qua ValveLift, lúc hịa khí tạo động xốy cao Do muốn đạt hòa trộn tối ưu cho trình nạp cần phun nhien liệu vùng có động xoay lớn có tiết diện dao động rộng Thiết kế mô Symetry cho thấy điểm giưa xuppap hút lệch xuppap nạp khu vực có động hỗn loạn phần tử cao Cho thấy vị trí đặt kim phun nhiên liệu vị trí giúp khả hịa trộn chu trình nạp phương án hiệu Nhất phương án thiết kế DP2 LỜI CẢM ƠN Xin chân thành gửi đến Thầy PGS.TS Huỳnh Thanh Công TS Nguyễn Văn Trạng tận tình hướng dẫn nghiên cứu 116 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ANSYS, Inc., Internal Combustion Engines in Workbench, SAS IP, Inc, 2016 [2] Sungjun Yoon, Seungpil Lee, Hyuckmo KWon, Joonkyu Lee, Sungwook Park, "Effects of the swirl ratio and injector hole number on the combustion and emission characteristics of a light duty diesel engine," Applied Thermal Engineering, vol 142, pp 68-78, 2018 [3] Klaus Mollenhauer, Helmut Tschoeke, Handbook of Diesel, New York: Springer, 2010 [4] Ellen Meeks, ANSYS, Inc., "ANSYS Strategy for Internal Combustion Engine Simulations," Tokyo, 2014 [5] F Payri, J Benajes, X Margot, A Gil, "CFD modeling of the in-cylinder flow in direct-injection Diesel engines," Computers & Fluids, vol 33, p 995–1021, 2004 [6] Forte Claudio, Catellani Cristian, Cazzoli Giulio, "Numerical Evaluation of the Applicability of Steady Test Bench Swirl Ratios to Diesel Engine Dynamic Conditions," Energy Procedia, vol 81, pp 732-741, 2015 [7] Khalighi, B., "Intake-generated swirl and tumble motions in a 4-valve engine with various intake configurations-flow visualization and particle tracking velocimetry," SAE paper, no 900059, 1990 [8] L.V Plotnikova, S Bernasconi, Yu.M Brodov, "The Effects of the Intake Pipe Configuration on Gas Exchange, and Technical and Economic Indicators of Diesel Engine with 21/21 Technical and Economic Indicators of Diesel Engine with 21/21 Dimension," Procedia Engineering, vol 206, pp 140-145, 2017 [9] Payri F, Desantes JM, Pastor JV, "LDV measurements of the flow inside the combustion chamber of a 4-valve D.I.," Exp Fluids, vol 22, p 118–128, 1996 Luan van [10] S.K Sabale, S.B Sanap, "Design and Analysis of Intake Port of Diesel Engine for Target Value of Swirl," American Journal of Mechanical Engineering, vol 1, no 5, pp 138-142, 2013 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Chu Tuấn Anh Đơn vị: Khoa Công nghiệp Kiến trúc, Phân hiệu trường đại học lâm nghiệp Trảng Bom Đồng Nai Điện thoại: 0839622882 0943146879 Email: anhlncs2@gmail.com Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2020 Xác nhận GVHD PGS.TS Huỳnh Thanh Công Luan van S K L 0 Luan van ... suốt q trình học tập hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT v Luan van Luận văn trình bày nghiên cứu mơ đánh giá đặc tính q trình nạp động free piston cỡ nhỏ Nghiên cứu bao gồm q trình. .. lượng khơng khí nạp đường ống nạp động FPLE (Free Piston Linear Engine), kì sử dụng xăng, cơng suất nhỏ cơng thức tính vận tốc dịng mơi chất 40 2.4 Quá trình nạp động Free Piston kỳ ... nghiên cứu Luận văn bao gồm: Nghiên cứu sở lý thuyết đặc tính hệ thống nạp động khơng trục khủy, chuyển động tuyến tính (Free Piston Linear Engine) (động free- piston) , cơng suất nhỏ, định hướng