TỔNG QUAN
Giới thiệu
Trong giai đoạn đầu, các cải tiến về động cơ đốt trong chủ yếu tập trung vào việc tối đa hóa công suất Tuy nhiên, với điều kiện sống ngày càng nâng cao, sức khỏe con người trở thành mối quan tâm hàng đầu Do đó, việc kiểm soát khí thải độc hại từ động cơ, như NOx, HC, CO, trở nên cần thiết Để giảm thiểu ô nhiễm mà vẫn duy trì hiệu suất cao, nhiều phát minh và cải tiến đã được thực hiện, bao gồm cải tiến cấu trúc piston, buồng đốt, hệ thống nạp và cung cấp nhiên liệu.
Vào tháng 8 năm 2005, Toyota đã giới thiệu động cơ hút khí tự nhiên cho xe thể thao Lexus IS350, và công nghệ này hiện đã được áp dụng cho các dòng xe như Camry, Harrier và Corolla Cross vào năm 2021 Động cơ D-4S, hay còn gọi là Dynamic Force Stroke Engine, sử dụng hai kim phun cho mỗi xi-lanh, với một kim phun cung cấp nhiên liệu vào xi-lanh và kim phun còn lại đưa nhiên liệu vào đường nạp Sự kết hợp giữa phun xăng đa điểm (MPI) và phun xăng trực tiếp (GDI) giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và mức tiêu hao nhiên liệu, tối ưu hóa lượng nhiên liệu và cung cấp mô-men xoắn cần thiết cho từng chế độ vận hành Công nghệ này không chỉ khắc phục những hạn chế của MPI và GDI mà còn giúp tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu suất và giảm khí thải, góp phần bảo vệ môi trường.
Hiện nay, việc nâng cao và phát triển động cơ D4S đang được chú trọng, trong đó phần mềm AVL Fire WorkFlow Manager của AVL đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ quá trình này.
Nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng AVL FIRE mô phỏng quá trình cháy kim phun trực tiếp trên động cơ D4S” nhằm tìm hiểu và phân tích quá trình cháy của động cơ D4S thông qua phần mềm AVL FIRE.
1.1.2 Các nghiên cứu khoa học về mô phỏng phần mềm AVL Fire WorkFlow Manager trong nước và ngoài nước
Phần mềm AVL Fire WorkFlow Manager hiện nay còn khá mới mẻ tại Việt Nam trong lĩnh vực mô phỏng hoạt động của động cơ, với thiếu hụt nghiên cứu cụ thể về ứng dụng của nó trong mô phỏng quá trình cháy trên động cơ xăng Hầu hết các nghiên cứu hiện có chủ yếu đến từ nước ngoài, nhưng vẫn rất hạn chế và tập trung chủ yếu vào hệ thống common rail trên động cơ Diesel Các nghiên cứu về động cơ xăng vẫn còn ít ỏi và thiếu tính hệ thống Hiện tại, các phần mềm mô phỏng phổ biến như LabView và Mathlab được sử dụng nhiều hơn, do đó, việc nghiên cứu và phát triển mô phỏng bằng AVL Fire WorkFlow Manager là một lĩnh vực mới đầy thách thức mà nhóm đang theo đuổi.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
-Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL FIRE Workflow Manager.
- Nghiên cứu tổng quan về động cơ đánh lửa phun xăng của động cơ xăng Toyota
- Nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ xăng Toyota trong quá trình cháy
- Xây dựng mô hình và đánh giá kết quả mô phỏng quá trình bằng AVL Workflow Manager.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tập chung nghiên cứu chủ yếu vào:
Phần mềm AVL FIRE Workflow Manager
Quá trình cháy của động cơ xăng Toyota
Nhóm chủ yếu tập trung vào mô phỏng quá trình cháy dựa trên các số liệu giả định.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Tiếp cận từ cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL FIRE Workflow Manager và quá trình cháy của động cơ xăng D4S
- Tìm hiểu các tài liệu hướng dẫn của hãng Toyota và các tài liệu báo chí, tham khảo có liên quan
- Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL BOOST FIRE
- Nghiên cứu về quá trình cháy của động cơ xăng D4S
- Mô hình hóa và phân tích đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống D4S
Các nội dung chính trình bày trong đề tài
Chương 2: Sơ lược về hệ thống điều khiển của động cơ D4S
Chương 3: Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL FIRE Workflow Manager
Chương 4: Mô phỏng quá trình cháy động cơ D4S trên phần mềm AVL FIRE Chương 5: Kết luận và kiến nghị
SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ĐỘNG CƠ D4S
Sơ lược về động cơ xăng D4-S
Động cơ xăng đầu tiên được phát triển vào cuối thế kỷ 19 bởi Nikolaus August Otto, mặc dù thiết kế ban đầu không giống nhiều với động cơ hiện đại Kể từ khi ra đời, động cơ xăng, cùng với động cơ diesel, đã trở thành trái tim của các phương tiện vận tải hiện nay Động cơ xăng chủ yếu được lắp đặt trên xe máy và các dòng ô tô.
Với sự phát triển của con người qua các thời kỳ, nhu cầu về động cơ xăng ngày càng tăng cao Để đáp ứng yêu cầu này, Toyota đã phát triển động cơ xăng D4S, một loại động cơ tích hợp hai hệ thống phun nhiên liệu: phun xăng đa điểm điện tử MPI (Multi-Point Injection) và phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection) Điều này không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm khí thải ra môi trường và nâng cao hiệu suất động cơ.
Động cơ xăng D4S của Toyota hiện đã được áp dụng trên các dòng xe sang như Lexus, Camry và xe bán tải Công nghệ này kết hợp hai kim phun với tốc độ động cơ khác nhau, hứa hẹn mang lại bước đột phá cho ngành ô tô.
Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về bảo vệ môi trường và cạnh tranh trong ngành công nghiệp, việc cải tiến động cơ xăng trở nên cần thiết Chúng ta cần nâng cao hiệu suất, tăng tính kinh tế và giảm ô nhiễm Nghiên cứu và cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ là yếu tố then chốt để đạt được những mục tiêu này.
Với ưu điểm của hệ thống nhiên liệu Toyota D-4S:
- Giảm phát thải ô nhiễm môi trường
- Giảm tiêu hao nhiên liệu
- Nâng cao hiệu suất động cơ lên đến 41%
- Động cơ làm việc êm diệu hơn với cơ chế kim phun trực tiếp.
Cấu tạo của động cơ xăng D4-S
- Kim phun đa điểm (MPI) nằm trước xupap nạp.
- Kim phun trực tiếp (GDI) phun trực tiếp vào buồng đốt.
Các cảm biến quan trọng trong hệ thống D-4S bao gồm cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến vị trí trục cam và cảm biến tốc độ động cơ Những cảm biến này đóng vai trò then chốt trong việc thu thập tín hiệu cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Nguyên lí làm việc động cơ xăng D4-S
Khi động cơ hoạt động ở vòng tua thấp và trung bình (dưới 3000 rpm), các cảm biến thu thập thông tin về nhiệt độ, lưu lượng khí nạp, tốc độ vòng quay và góc mở bàn đạp ga Thông tin này được báo về ECU, cho biết động cơ đang trong chế độ tiết kiệm nhiên liệu Do đó, ECU gửi tín hiệu ngắt kim phun đa điểm ngoài đường ống nạp và chỉ kích hoạt kim phun trực tiếp (GDI) với hòa khí được hòa trộn cuối kỳ nén (alpha >1, tức hòa khí nghèo), nhưng vẫn đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả.
Khi người lái nhấn chân ga, tín hiệu từ cảm biến gửi đến ECU để tăng tốc độ vòng quay và momen, kích hoạt cả hai kim phun Hòa khí được trộn trước xuppap nạp với lượng vừa đủ (MPI), và vào cuối kì nén, kim phun thứ hai GDI phun nhiên liệu với lượng đậm hơn (hòa khí giàu) Điều này giúp tăng công suất động cơ và momen, giúp xe đạt tốc độ nhanh chóng.
6 độ mong muốn Ngoài ra nhờ công nghệ phun xăng kết hợp D-4S sẽ giúp tối đa hóa quá trình cháy và tăng tỷ số nén.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu
Hình 2.2 Cấu tạo hệ thống nhiên liệu
Hệ thống D-4S sử dụng hai loại hệ thống phun nhiên liệu: phun trực tiếp và phun đa điểm Nhiên liệu từ thùng chứa được chuyển đến hệ thống nhiên liệu áp suất thấp và cao Tại hệ thống áp suất thấp, nhiên liệu được phun từ các kim phun vào cửa nạp, trong khi hệ thống áp suất cao sử dụng bơm nhiên liệu để điều áp và phun trực tiếp vào buồng đốt.
Hệ thống phun trực tiếp bao gồm bơm nhiên liệu áp suất cao, đường ống phân phối và kim phun, với ECM điều khiển bơm và kim phun thông qua tín hiệu từ các cảm biến khác nhau Điều này giúp tối ưu hóa áp suất nhiên liệu, lượng phun và thời điểm phun.
Hệ thống phun đa điểm bao gồm bơm nhiên liệu áp suất thấp, các đường ống phân phối và kim phun Trong hệ thống này, ECM điều khiển kim phun dựa trên tín hiệu từ các cảm biến, giúp tối ưu hóa lượng và thời gian phun.
2.4.2 Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống nhiên liệu
-Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian nhất định
-Lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu giúp nhiên liệu chuyển động thông thoáng trong hệ thống
Cung cấp nhiên liệu cho động cơ phải đảm bảo tốt các yêu cầu sau:
- Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với từng chế độ làm việc của động cơ.
- Phun nhiên liệu vào xi lanh động cơ đúng thời điểm, đúng quy luật đã định.
- Phun với áp suất phù hợp với từng điều kiện làm việc (tốc độ động cơ và tải) khác nhau.
Để đảm bảo hiệu quả trong quá trình phun, tia phun cần phải đồng đều về số lượng, kích thước và phương hướng, phù hợp với tình trạng buồng cháy Điều này giúp hòa trộn nhanh chóng và đồng nhất với cường độ và hướng chuyển động của môi chất trong buồng cháy.
- Hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao
- Giảm tiếng ồn, ô nhiễm và tăng độ êm dịu, hiệu suất hoạt động
- Dễ dàng thuận tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa
- Dễ chế tạo, giá thành hạ
Nhiên liệu được lọc qua bộ lọc hút và bơm áp suất thấp, sau đó dẫn qua đường ống chính Đường ống này chia thành hai nhánh: một nhánh dẫn nhiên liệu đến hệ thống phân phối áp suất thấp cho các kim phun trên đường nạp, nhánh còn lại dẫn nhiên liệu đến khối bơm cao áp Bộ lọc treo nhiên liệu và van điều tiết xung giúp ổn định áp suất và xung nhiên liệu Qua trục cam xả, máy bơm được dẫn động, tạo áp suất và điều khiển việc đóng mở theo chu kỳ cam, từ đó cung cấp nhiên liệu đến van một chiều của hệ thống phân phối áp suất cao, cho phép kim phun phun trực tiếp nhiên liệu vào xi lanh.
Khi áp suất nhiên liệu quá cao, nhiên liệu sẽ được hồi qua van xả để điều chỉnh áp suất về mức phù hợp Các cảm biến áp suất trên ống nạp và trong kim phun trực tiếp gửi tín hiệu đến ECM (Engine Control Module), giúp điều khiển các bơm cao áp qua việc điều chỉnh độ mở của van chống tràn Điều này cho phép kiểm soát lượng nhiên liệu cấp cho kim phun trực tiếp Đồng thời, ECU (Electronic Control Unit) cũng điều chỉnh áp suất và lượng nhiên liệu phun vào ống nạp thông qua việc điều khiển bơm nhiên liệu.
Hệ thống Toyota D-4S cho phép tạo áp suất và lượng nhiên liệu phun ra hoàn toàn tách biệt Áp suất được tạo ra độc lập, không phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun ra.
Lượng nhiên liệu phun ra được kiểm soát bởi bàn đạp ga và chế độ vận hành của động cơ theo tải ECU đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh độ nhấc và thời gian nhấc kim phun Dựa trên dữ liệu có sẵn, ECU sẽ so sánh và gửi tín hiệu điều khiển để điều chỉnh lượng phun và thời gian phun phù hợp với từng chế độ hoạt động.
Bơm áp thấp
- Sử dụng một máy bơm nhiên liệu (cho áp suất thấp) có bộ lọc nhiên liệu tích hợp và đồng hồ đo
- Bơm nhiên liệu áp suất thấp nằm trong thùng nhiên liệu Bơm này điều áp nhiên liệu đến
400 kPa để đưa nhiên liệu từ thùng nhiên liệu đến hệ thống nhiên liệu áp suất cao và áp suất thấp
- Bơm nhiên liệu dòng điện thấp được sử dụng để giảm thiểu tiêu thụ điện năng và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu
Hình 2.3 Cấu tạo bơm áp thấp
Sơ đồ hệ thống nhiên liệu áp suất thấp
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu
Bơm cao áp HP
Bơm nhiên liệu bao gồm pít tông, van chống tràn và van một chiều, cùng với van điều tiết xung động lắp ở cửa nạp Thiết bị này tạo áp suất nhiên liệu từ 4 đến 13 MPa, giúp bơm nhiên liệu áp suất thấp đến đường ống phân phối áp suất cao.
Cam bơm gắn trên trục cam nạp có hình bầu dục, giúp pít tông di chuyển theo phương thẳng đứng Thiết kế này cho phép pít tông thực hiện hai hành trình trong mỗi vòng quay của trục cam.
Van kiểm soát tràn là thiết bị quan trọng dùng để điều chỉnh áp suất xả của bơm, được lắp đặt tại đường vào của máy bơm Van này hoạt động bằng cách đóng mở điện tử thông qua trình điều khiển kim phun (EDU), dựa trên tín hiệu từ ECM.
Van một chiều được lắp đặt tại đầu ra của máy bơm, có nhiệm vụ kiểm soát dòng chảy nhiên liệu Khi áp suất trong đầu ra tăng lên đến mức tối thiểu 60 kPa, van một chiều sẽ mở ra, cho phép nhiên liệu chảy vào đường ống phân phối.
Hình 2.5 Cấu tạo bơm cao áp
Sơ đồ hệ thống nhiên liệu áp suất cao
Hình 2.6 Hệ thống nhiên liệu áp suất cao
Trong chu kỳ bơm, khi van kiểm soát tràn mở, pít tông bơm di chuyển xuống dưới nhờ lực lò xo, cho phép nhiên liệu được hút vào xi lanh Nếu van chống tràn chưa đóng, khi cam ép pít tông di chuyển lên, nhiên liệu không được điều áp trong xi lanh sẽ bị đẩy ngược trở lại cửa hút của bơm.
Để đóng van kiểm soát tràn khi piston di chuyển lên, ECM gửi tín hiệu đến van qua trình điều khiển kim phun (EDU) Khi van điều tiết tràn đóng, áp suất trong xi lanh bơm sẽ tăng lên khi piston di chuyển lên trên Áp suất này sẽ tăng vượt mức 60 kPa.
Khi áp suất của đường ống phân phối đạt giá trị cao hơn áp suất nhiên liệu, nhiên liệu sẽ bắt đầu chảy vào đường ống phân phối ECM sẽ tính toán áp suất nhiên liệu mục tiêu dựa trên điều kiện lái xe hiện tại Để kiểm soát áp suất, ECM vận hành van chống tràn thông qua trình điều khiển kim phun (EDU) Thời gian và tần suất đóng van điều khiển rất đa dạng nhằm đạt được áp suất bơm mục tiêu.
Ống phân phối (for Port Injection)
Hình 2.8 Cấu tạo ống phân phối
Các đường ống phân phối bằng thép có dập được sử dụng để cung cấp nhiên liệu áp suất thấp đến các kim phun nhiên liệu
Một đường ống bên trong hệ thống phân phối nhiên liệu giúp hấp thụ các xung nhiên liệu, loại bỏ van điều tiết xung động thường thấy trên xe thông thường Điều này không chỉ làm cho hệ thống nhiên liệu trở nên nhỏ gọn và nhẹ hơn mà còn cho phép hình dạng của đường ống thay đổi theo xung động, từ đó điều chỉnh công suất bên trong và hấp thụ hiệu quả các xung nhiên liệu.
Các dây kết nối với kim phun được gộp lại thành một sợi duy nhất tại mỗi gờ, đồng thời kết nối với ECM thông qua một đầu nối duy nhất, nhằm nâng cao khả năng sử dụng.
Ống phân phối (for Direct Injection)
Ống dẫn nhiên liệu bằng hợp kim nhôm được sử dụng để cung cấp nhiên liệu áp suất cao đến kim phun
Một cảm biến áp suất nhiên liệu và một van xả được lắp trên đường ống phân phối nhiên liệu
Mỗi khu vực của đường ống phân phối nhiên liệu được trang bị một kẹp kim phun, giúp giữ kim phun nhiên liệu áp suất cao ổn định trong quá trình khởi động động cơ, khi áp suất nhiên liệu còn thấp Kẹp này tạo ra một lực lò xo không đổi, ngăn kim phun di chuyển dưới tác động của áp suất đốt cháy, từ đó nâng cao hiệu suất làm kín và giảm thiểu độ rung cũng như tiếng ồn.
Vòng chữ O và vòng đệm dự phòng được sử dụng để kết nối các kim phun nhiên liệu áp suất cao và đường ống phân phối nhiên liệu, giúp giảm tiếng ồn vận hành, tăng cường sự êm ái trong quá trình hoạt động và đảm bảo hiệu suất làm kín hiệu quả cho các khu vực nối.
Hình 2.9 Cấu tạo ống phân phối GDI
Các vòng đệm dự phòng được thiết kế để tăng cường an toàn cho vòng đệm chữ O bằng cao su, đặc biệt trong điều kiện áp suất nhiên liệu cao Trong quá trình lắp ráp, cần chú ý lắp đặt chúng đúng vị trí và hướng để đảm bảo hiệu quả tối ưu.
Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất nhiên liệu, lắp đặt trên đường ống phân phối, gửi tín hiệu đến ECM để phản ánh áp suất nhiên liệu trong hệ thống Điều này cho phép điều chỉnh liên tục lượng nhiên liệu ở mức áp suất tối ưu.
Van xả
Van xả trong đường ống phân phối nhiên liệu được thiết kế để duy trì áp suất an toàn Khi áp suất nhiên liệu vượt quá 15,3 MPa, van xả sẽ tự động hoạt động, đưa nhiên liệu trở lại bình chứa để giới hạn áp suất.
Kim phun (for Port Injection)
Kim phun loại 12 lỗ nhỏ gọn và nhẹ được sử dụng làm kim phun nhiên liệu để phun.
Kim phun (for Direct Injection)
Kim phun loại vòi phun kép có hai lỗ phun hình khe được sử dụng làm kim phun nhiên liệu để phun trực tiếp
Mỗi kim phun, dựa trên tín hiệu từ ECM, thực hiện việc đo lưu lượng nhiên liệu áp suất cao Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng đốt dưới dạng sương mù nguyên tử mịn, theo kiểu hình quạt, thông qua vòi phun kiểu khe.
Chất cách điện được áp dụng tại khu vực kim phun tiếp xúc với đầu xi lanh, cùng với các vòng đệm trục Teflon, nhằm tạo sự kín khít chống lại áp suất đốt cháy trong xi lanh Điều này không chỉ giúp giảm độ rung và tiếng ồn mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động Hơn nữa, mỗi đầu vòi được tráng để giảm thiểu sự bám dính của cặn bẩn.
Từ đường ống phân phối Đến bình xăng
Mỗi kim phun trong hệ thống được kích hoạt bởi các trình điều khiển kim phun (EDU), nhận tín hiệu từ ECM Dựa trên các tín hiệu này, trình điều khiển kim phun (EDU) sẽ áp dụng một điện áp cao ban đầu để đảm bảo hoạt động hiệu quả của kim phun.
Kim phun được kích hoạt nhanh chóng với 50 V và dòng điện 9,7 A, mở van kim phun Khi kim phun đã mở, các trình điều khiển kim phun (EDU) duy trì điện áp ổn định 12 V và dòng điện 2 A để giữ trạng thái mở hiệu quả Điều này cho phép kim phun phun nhiên liệu áp suất cao trong thời gian ngắn.
Bình xăng
Bình xăng được làm bằng thép
Bình xăng có thiết kế hình yên ngựa, cho phép trục các đăng đi qua trung tâm bình Ngoài ra, máy bơm phản lực được sử dụng để chuyển nhiên liệu từ bên không có máy bơm sang bên có máy bơm nhiên liệu.
Dấu xả đã được cung cấp ở vị trí thấp nhất của bình nhiên liệu Khi tháo (cạo) xe, hãy xả nhiên liệu bằng cách khoan các lỗ ở dấu cống
Một máy bơm được lắp đặt trong thùng nhiên liệu, với trục cánh quạt nằm dưới tâm nâng của đáy thùng Bình xăng có hình dạng đặc trưng như hình minh họa.
Một thùng nhiên liệu có thiết kế như vậy thường gây ra tình trạng nhiên liệu ở cả buồng A và buồng B khi mức nhiên liệu giảm Điều này dẫn đến việc nhiên liệu trong buồng B không thể được bơm ra ngoài Để khắc phục vấn đề này, một máy bơm phản lực đã được lắp đặt nhằm chuyển nhiên liệu từ buồng B sang buồng A.
Quá trình này diễn ra khi nhiên liệu chảy qua bơm phản lực, tạo ra sự chênh lệch áp suất khi đi qua venturi, từ đó hút nhiên liệu từ buồng B và chuyển đến buồng A.
Hình 2.10 Cấu tạo máy bơm
2.13.3 Hệ thống hoàn nhiên liệu (đối với áp suất thấp)
Hệ thống hoàn nhiên liệu giúp giảm khí thải bay hơi bằng cách tích hợp bộ lọc nhiên liệu và bộ điều chỉnh áp suất với cụm bơm nhiên liệu Điều này ngăn chặn nhiên liệu trở lại từ khu vực động cơ, đồng thời giảm nhiệt độ bên trong bình nhiên liệu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM MÔ PHỎNG AVL FIRE
Tổng quan về phần mềm AVL FIRE WORKFLOW MANAGER
Hình 3-1 Miền mô phỏng Miền tính toán
Mô hình động cơ được phân thành ba phần chính: cửa nạp, cửa xả và xi lanh Mỗi cổng bao gồm các vùng chân van, thân van và vùng trên cổng Xi lanh được chia thành buồng và lớp lót.
1 Xác định bề mặt “ Worst case” Các van chồng lên nhau và gần như đóng lại, trong khi piston ở TDC (điểm chết trên) Tại vị trí này có vấn đề nhất, cài đặt chế độ làm việc trong trường hợp này, và cũng nên cài đặt chế độ làm việc tại các vị trí khác Các vị trí giả định được cho phép, bề mặt không phải tượng trưng cho vị trí động cơ thực
2 Tạo các cạnh và vùng chọn trên bề mặt bằng công cụ Engine Selection
3 Kiểm tra các cạnh và vùng chọn Sửa lỗi chúng nếu cần
4 Tạo Fame motion mesh (FMO) bằng Fame Engine Plus (FEP)
Để tạo ra lưới chuyển động và thiết lập mô phỏng, việc lựa chọn trên lưới bề mặt của các động cơ là rất quan trọng Quá trình này có thể được thực hiện tự động để đảm bảo hiệu quả và chính xác.
Việc lựa chọn động cơ là rất quan trọng, với 20 yếu tố cần xem xét Các tường sẽ được tạo tự động để đóng các khe hở van, cho phép loại bỏ những phần không cần thiết của lưới chỉ bằng một bề mặt Điều này giúp loại bỏ các cổng nạp và xả trong quá trình nén và giãn nở.
Nếu người dùng không muốn sử dụng các công cụ tạo cạnh và lựa chọn tự động, họ có thể sử dụng các công cụ trong trang FAME Meshing thuộc Edge Tools Tính năng Tự động cạnh cho phép hai phương pháp khác nhau: Auto Edge tự động phát hiện các cạnh dựa trên các thông số đã định Tham số góc xác định độ lệch góc giữa các bề mặt liền kề; nếu độ lệch nhỏ hơn một ngưỡng nhất định, một cạnh sẽ được tạo ra Auto Edge cũng có thể áp dụng cho các phần cụ thể của hình học bằng cách kích hoạt các lựa chọn mong muốn trước khi sử dụng tính năng này.
Cách tiếp cận thứ hai trong việc sử dụng quỹ đạo cho phép lựa chọn hai nút liền kề trên bề mặt Tùy thuộc vào phương pháp được chọn, một cạnh sẽ được tạo ra, bao gồm tất cả các điểm nút liên tục đáp ứng các tiêu chí nhất định.
3.1.2 Lựa chọn tiền tố Để cải thiện quy trình chia lưới và thiết lập công việc, nhiều lựa chọn tiền tố có sẵn Những điều này cho người dùng biết mục đích của việc lựa chọn, giúp nhóm hoặc lọc các lựa chọn dễ dàng hơn và cho phép tự động chuyển vùng chọn mặt trên bề mặt sang vùng chọn khối lượng trên lưới
Có hai tiền tố chính trong việc chọn lựa trên lưới khối lượng: Dấu gạch dưới '_' ở đầu biểu thị rằng lựa chọn sẽ bị xóa khỏi lưới khối lượng, thường được sử dụng cho các tùy chọn tiện ích không cần thiết trong quá trình mô phỏng, như _REF và _CUT Ngược lại, chữ 'v' viết thường ở đầu cho biết rằng vùng chọn 'mặt' này sẽ trở thành vùng chọn khối lượng, rất hữu ích cho việc khởi tạo, ví dụ: v_INI_Cylinder sẽ tạo ra một vùng chọn có tên INI_Cylinder.
Cả hai tiền tố cũng có thể được kết hợp, nhưng dấu gạch dưới phải luôn đứng đầu, ví dụ: _v_INI_Cylinder
Bảng 3-1: Định nghĩa các tiền tố
Tiền tố Ví dụ Mục đích
BND BND_Head Định nghĩa các điều kiện biên
INI INI_Cylinder Được sử dụng để khởi tạo (lại)
REF REF_Spark Được sử dụng để sàng lọc trong quá trình chia lưới
CUT CUT_Cylinder Cắt các phần hình học trong quá trình chia lưới Điều này cho phép sử dụng một bề mặt cho toàn bộ phạm vi
Xác định các bộ phận là chuyển động, không di chuyển và bộ đệm Điều này cho phép chuyển động lưới
Cổng tĩnh STATIC_Intake_Port xác định các bộ phận không thay đổi, thường là các cổng Lựa chọn này giúp ngăn chặn việc phay lại các bộ phận không thay đổi hoặc di chuyển trong quá trình mô phỏng.
Trong quá trình Nén / Cháy, một số phần hình học không cần thiết sẽ được loại bỏ, chẳng hạn như các cổng nạp và xả khi tất cả các van đóng Việc này được thực hiện tự động từ bề mặt đầu vào bằng cách loại bỏ các lựa chọn đã chỉ định Để tạo ra bề mặt hợp lệ cho Nén / Cháy mà không có các cổng tách rời, cần phải loại bỏ những lựa chọn cụ thể.
• CUT_Intake_Valve_Wall_Upper
• CUT_Exhaust_Valve_Wall_Upper Để minh họa rõ hơn, điều này được thể hiện trong Hình 3-3 Các lựa chọn nêu trên được tô màu đỏ
Hình 3-3: Các lựa chọn cần cắt
Để tạo ra một lưới chuyển động hiệu quả, ba bộ phận chính của hình học gồm van nạp, van xả và piston cần phải được di chuyển Việc này được thực hiện thông qua các lựa chọn MOV Mỗi bộ phận yêu cầu có bộ đệm, lựa chọn di chuyển và không di chuyển Lựa chọn 'di chuyển' được thực hiện dựa trên chức năng di chuyển đã được cung cấp, trong khi lựa chọn 'không di chuyển' hoàn toàn giữ nguyên Ngoài ra, vùng chọn 'bộ đệm' được kéo dài để phù hợp với sự gia tăng âm lượng.
Để thiết lập chuyển động cho piston, cần ba lựa chọn MOV có cùng tên nhưng các hậu tố khác nhau Định nghĩa chuyển động MOV_Piston bao gồm các lựa chọn sau:
Để có cái nhìn tổng quan, xem Hình 3-4 Bề mặt hiển thị ở TDC nằm ở hình ảnh trên cùng, trong khi bề mặt ở 40° sau TDC được thể hiện trong hình ảnh dưới cùng, cả hai đều trong giai đoạn Cháy/Nén.
Hình 3-4: Vùng chọn chuyển động
- Tương tự như vậy, các MOV Selections cũng cần phải có trên các van, xem Hình 3-5 Lựa chọn này sẽ được đặt tên:
• MOV_Exhaust_Valve_non_moving
• MOV_Intake_Valve_non_moving
Hình 3-5: Định nghĩa các lựa chọn trên van
Để thiết lập mô phỏng và tạo ra lưới chuyển động, việc thực hiện các lựa chọn trên lưới bề mặt động cơ thô là rất quan trọng Công cụ Engine Selections cho phép thực hiện quy trình này một cách tự động.
Phương pháp tiếp cận bề mặt đơn cho phép thêm các bề mặt phân tách trong khu vực khe hở van Các bề mặt này được chuẩn bị sao cho khe hở, khi phần trên của van và cổng bị cắt, được đóng lại trước đó và có các lựa chọn cho các bộ phận này trên bề mặt.
Hình 3-6: Các mặt phân cách
Cơ sở lý thuyết FAME Engine Plus (FEP)
FAME Engine Plus là một môi trường chia lưới cho phép di chuyển các mắt lưới của động cơ IC Tất cả các yếu tố cần thiết để tạo ra lưới di chuyển tự động đều được xác định trong tệp FEP Khi mở FAME Engine Plus, người dùng sẽ thấy một cửa sổ hộp thoại với sáu tab khác nhau.
Đối với mỗi phần chuyển động trong hình học, cần xây dựng một định nghĩa chuyển động rõ ràng Tên định nghĩa chuyển động sẽ được bổ sung với hậu tố ‘_moving’, ‘_buffer’ hoặc tương tự.
Kết quả cuối cùng cần xác định tên cho các MOV Selection, vì vậy hãy chọn tên phù hợp Có nhiều kiểu chuyển động để lựa chọn, trong đó tùy chọn ‘Đường cong’ là phổ biến nhất cho chuyển động của Van Để thực hiện, cần một tệp văn bản đầu vào được phân cách bằng tab, trong đó chuyển động được xác định cho toàn bộ.
Chuyển động của piston trong mô phỏng thường đạt 720 độ và có thể được xác định thông qua các thông số hình học, đặc biệt khi sử dụng chức năng dịch chuyển của piston.
Trong cả hai trường hợp, cần chỉ định trục chuyển động, như thể hiện trong Hình 3-15 Véc tơ phải hướng từ BDC đến TDC đối với piston (mũi tên màu xanh) và từ vị trí đóng sang vị trí mở đối với van (mũi tên màu đen).
Trong tab này, hình học được xác định bằng cách tạo ra một bề mặt và chỉ định góc quay hợp lệ của lưới Quá trình này là một phần quan trọng trong mô phỏng động cơ.
IC điển hình, ba hoặc bốn bề mặt phải được xác định, dựa trên vị trí van:
Đối với mỗi bề mặt, cần cung cấp một lưới bề mặt cùng với các tùy chọn và một lưới cạnh Bề mặt chỉ có giá trị từ một góc được chỉ định đến góc khác Trong "Phần không hoạt động", có thể thêm tùy chọn để loại bỏ một phần của lưới bề mặt đầu vào, cho phép sử dụng một lưới bề mặt duy nhất và cắt bỏ các bộ phận không cần thiết.
Các bộ phận tĩnh cho phép xác định các phần của hình học mà không cần mài lại trong quá trình chuyển động, điều này đặc biệt hữu ích cho các cổng và nơi van đóng.
Để tránh khó khăn trong quá trình chia lưới do khoảng trống nhỏ giữa van và chân van, quy trình tiêu chuẩn yêu cầu dừng van ở độ nâng 0,2 mm, coi bề mặt này là không hợp lệ Ví dụ dưới đây cho thấy độ nâng van xả gần với EVC; khi đạt 0,2 mm, lưới bề mặt 1 không còn hiệu lực và lưới bề mặt 2 được sử dụng, khi đó van xả được đóng lại.
Để chỉ định van đã đóng, hãy chọn tùy chọn “Kẹp về 0” Sau khi van được đóng, các lựa chọn ô MOV liên quan sẽ không còn Bạn có thể thực hiện điều này bằng cách sử dụng CUT Selection để cắt một phần hình dạng.
3.2.3 Cài đặt – Khoảng thời gian chia lưới
Khoảng thời gian cho mỗi bề mặt được chia thành các bộ nhỏ hơn, với kích thước tập dữ liệu phụ thuộc vào cài đặt Bước tạo Mặc định sẽ được sử dụng nếu không có ngoại lệ do người dùng tạo Khi kích thước tập dữ liệu được xác định, khoảng thời gian được chia thành các phần dựa trên cài đặt Bước di chuyển Đầu tiên, một lưới ở trung tâm của khoảng bước di chuyển được tạo và ghi vào đĩa, sau đó lưới này được kéo căng sang hai bên Cuối cùng, lưới được làm mịn và lưu lại sau bước di chuyển.
Trong ví dụ sau, một bề mặt có giá trị từ 150 ° CA đến 310 ° CA, với bước tạo là
20 °, bước di chuyển 10 ° và chuyển động theo cả hai hướng
Toàn bộ khoảng thời gian được chia thành các tập dữ liệu dài 20 °, với quá trình tái phân vùng diễn ra khi chuyển giữa các tập dữ liệu Tập dữ liệu từ 210 ° đến 230 ° được chia thành hai phần 10 °, trong đó một lưới được tạo ở trung tâm 220 ° và được lưu lại Lưới này sau đó được kéo dài từ 220 ° đến 210 °, nơi nó được làm mịn và lưu giữ.
32 Điều tương tự cũng xảy ra ở phía bên kia, từ 220 ° đến 230 °, mặc dù lưới được nén thay vì kéo căng
Giá trị mặc định cho cặp Create step/Move step thường là 20/10 Tuy nhiên, trong trường hợp có vấn đề liên quan đến việc đóng mở van, giá trị này có thể cần điều chỉnh xuống còn 10/5 hoặc thậm chí 5/2,5.
Hình 3-16: Tạo và di chuyển khoảng thời gian
Thiết lập FAME Engine Plus (FEP)
Mở tệp FEP đã tạo trước đó, bằng cách nhấp vào Mesh Menu → Fame Motion →
Để chọn động cơ, truy cập vào thanh công cụ bên phải cửa sổ FM và chọn Create → Mesh → Engine Selection Sau khi Engine Selection tạo tệp FEP dựa trên các đầu vào đã xác định, mọi thứ trong Định nghĩa di chuyển đã được thiết lập Tiếp theo, hãy chuyển đến Input surface, nơi bốn bề mặt đã được tạo ra, mỗi bề mặt tương ứng với một nét, như thể hiện trong Hình 3-17.
Hình 3-17: Thiết lập FEP - Bề mặt đầu vào
Mỗi bề mặt đều có giá trị tương ứng với góc quay quy định Để thay đổi phạm vi, bạn chỉ cần chỉ định thời điểm bề mặt hợp lệ bằng cách nhấp vào "Chỉnh sửa cài đặt bề mặt" và điều chỉnh giá trị từ và hợp lệ thành thuộc tính.
Để nhập bề mặt và lưới cạnh cho dự án, trước tiên hãy sử dụng Lựa chọn động cơ để tạo ra chúng Sau khi thực hiện các sửa đổi cần thiết, nhập lưới bề mặt đã sửa đổi thông qua thanh công cụ trình đơn Fire bằng cách nhấp vào Nhập Tiếp theo, nhập lưới cạnh và chọn bề mặt đầu tiên (172.0-347.0) để chỉnh sửa cài đặt bề mặt Trong cửa sổ mới, chọn bề mặt mới từ danh sách FIRE và thực hiện tương tự cho lưới cạnh Cuối cùng, nhấn OK để thay thế bề mặt và lưới cạnh cho ba bề mặt còn lại.
Sau khi thay thế các bề mặt, hãy nhấp vào Xác thực bề mặt ở góc dưới bên phải, để kiểm tra xem mọi thứ có ổn không
Để điều chỉnh cài đặt, hãy vào phần Seting (Cài đặt) và chọn Global Proximity Refinement Thiết lập giá trị thành 0,0004 và kích hoạt hộp kiểm Hoạt động Cài đặt Khoảng cách chia lưới theo hướng dẫn trong Hình 3-18 Lưu ý rằng bước lớn hơn sẽ tạo ra ít mắt lưới hơn, nhưng có khả năng chứa nhiều phần tử âm hơn Bước tạo mặc định là 20 độ CA với bước di chuyển 10 độ CA, và việc chia lưới nên được thực hiện với các giá trị này trước Nếu kết quả chia lưới xuất hiện màu đỏ hoặc vàng, bạn nên giảm một nửa số bước và kích thước di chuyển của dữ liệu xấu để xóa và chia lưới lại.
Để tối ưu hóa quy trình, cần giảm kích thước bước để hạn chế sự chồng chéo và cải thiện hiệu quả trong việc đóng và mở van.
Trong phương pháp chuyển động, mục tiêu RBF được đặt thành 100000 để cải thiện quá trình đánh lửa và giai đoạn đầu của quá trình đốt cháy Một tinh chỉnh hình cầu được thêm vào, với tâm nằm giữa cực âm và cực dương Tinh chỉnh này chỉ cần thiết trong giai đoạn đầu của quá trình đốt cháy, hoạt động trong khoảng từ 705,0 đến 740,0 độ CA.
Hình 3-19: Tinh chỉnh hình cầu
Việc tạo ra sự tinh chỉnh cho xi lanh phun là rất cần thiết, đặc biệt là ở khu vực gần kim phun, nơi mà vận tốc tia phun đạt mức cao nhất Tinh chỉnh hình trụ nên có giá trị từ 420,0 đến 500,0 độ Góc quay để đạt hiệu quả tối ưu.
Hình 3-20: Tinh chỉnh xi lanh cho kim phun
Để tối ưu hóa quá trình đốt cháy, khuyến nghị sử dụng kích thước cuvet 1 mm và điều chỉnh giá trị xi lanh từ 705,0 đến 820,0 độ CA, như thể hiện trong Hình 3-21.
Hình 3-21: Tinh chỉnh xi lanh để đốt cháy
Nó cũng được khuyến khích để thêm các sàng lọc sau đây Sử dụng các cài đặt như trong Hình 3-22 và Hình 3-23
Hình 3-22: Cải tiến vị trí xả
Hình 3-23: Cải tiến vị trí tiếp nạp
Cần có các kết nối ở đầu vào và đầu ra để không ảnh hưởng đến hướng của dòng chảy với cấu trúc lưới
Các cài đặt phải giống như trong Hình 3-24, cho cả BND_Inlet và BND_Outlet
Hình 3-24: Kết nối các cạnh
Cuối cùng, chuyển đến mục Di chuyển nội suy và thay đổi phương pháp Nội suy thành Chính xác Nhấp vào Bắt đầu chia lưới để thiết lập chia lưới Trong Chế độ mô phỏng, chọn Đơn để chỉ chạy một quy trình hoặc Hàng loạt cho nhiều quy trình Lưu ý rằng thuộc tính của CPU liên quan đến cách tạo ra các quy trình của con người, không phải số lượng lõi CPU Mỗi quy trình có thể tận dụng tất cả tài nguyên có sẵn, vì vậy không nên chạy quá hai quy trình trên bất kỳ máy tính nào, đặc biệt là máy tính trạm làm việc trung bình cho công việc kỹ thuật.
Sau khi các quá trình được khởi động, trạng thái chia lưới cho từng tập dữ liệu có thể được theo dõi trong tab Kết quả; nhấn vào Làm mới để cập nhật thông tin Tập dữ liệu màu trắng cho thấy vẫn đang trong quá trình xử lý, trong khi tập dữ liệu màu xanh lá cây đã sẵn sàng cho mô phỏng Tập dữ liệu màu vàng được chấp nhận nhưng có thể cải thiện thêm, còn tập dữ liệu màu đỏ hoặc chứa các phần tử âm được biểu thị bằng -1 trong các cột NPT và NPTA, cho thấy rằng việc tạo lưới không thành công Để biết thêm thông tin chi tiết về lưới và nhật ký chia lưới, người dùng có thể nhấp vào bộ dữ liệu cụ thể Các tập dữ liệu ví dụ được minh họa trong Hình 3-25.
Hình 3-25: Tập dữ liệu mẫu
Nếu tất cả các bộ dữ liệu lưới đều phù hợp để mô phỏng, bạn có thể xuất chúng dưới dạng tệp Viết FMO Để thực hiện điều này, hãy nhấp vào tùy chọn Viết tệp FMO và đặt tên cho tệp là GDI_FMO_mesh.
Lưới sẽ giống như những gì được hiển thị trên các hình sau:
Hình 3-26: Lưới poly nắm bắt các chi tiết của hình học
Hình 3-27: Lưới ở van chồng lên nhau
ỨNG DỤNG AVL FIRE WORKFLOW MANAGER MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY KIM PHUN TRỰC TIẾP CHO ĐỘNG CƠ XĂNG D4S
Cài đặt GUI Solver
- Tạo một dự án mới File New Project, một cửa sổ làm việc mới sẽ xuất hiện
- Đổi tên dự án thành mohinh GDI
Hình 4-1: Giao diện mô hình
In the project list, select "Meshes" and right-click on "Mesh." Then choose "Add Files to Project" to include the created file "GDI_FMO_mesh.flm."
Ranh giới đầu vào và đầu ra
Để mô tả các điều kiện biên tạm thời, cần sử dụng các tệp đầu vào chứa dữ liệu về áp suất theo thời gian (hoặc lưu lượng khối lượng) và nhiệt độ tại các ranh giới của hệ thống.
Các giá trị quy định cho ranh giới tường được xác định dựa trên các phép đo thực tế hoặc kinh nghiệm từ cơ sở dữ liệu mô phỏng động cơ Điều kiện biên cụ thể cho từng lựa chọn được trình bày chi tiết trong bảng dưới đây.
Bảng 4-1: Các loại điều kiện biên
Piston Prescribed temperature Moving wall
Liner Prescribed temperature Fixed wall
Head Prescribed temperature Fixed wall
Spark Prescribed temperature Fixed wall
Intake valves lower Prescribed temperature Moving wall
Intake valves upper Prescribed temperature Moving wall
Exhaust valves Prescribed temperature Moving wall
Intake ports Prescribed temperature Fixed wall
Exhaust ports Prescribed temperature Fixed wall
Intake seats Prescribed temperature Fixed wall
Exhaust seats Prescribed temperature Fixed wall
Xác định dữ liệu để tính toàn
Để tạo một thư mục Case mới trong danh sách dự án, bạn hãy nhấp chuột phải vào thư mục Caiculation, sau đó chọn New case → GDI_FMO_mesh và lưu lại Thư mục Case mới sẽ được tạo ra, nơi lưu trữ tất cả dữ liệu cần thiết cho bộ giải và xử lý sau.
- Chọn Solver Steering File và chọn Edit SSF từ menu
Delta_alpha Table → (Hình 4.2) deg
- Chọn các mục Combustion, Emission, Spray và Wall film (Hình 4-3)
Hình 4-3: Kích hoạt mô đun 4.2.3 Điều kiện biên
- Trong thư mục Boundary conditions, trong danh sách tham số, chọn BC [1]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-3: Thiết lập BND_Inlet
BND_Inlet Sel for BC BND_Inlet
Name of BC BND_Inlet Type of BC Inlet/Outlet Inlet/Outlet Mass flow Mass flow Table (Hình 4-4) kg/s
% of mean velocity = 0 Turb kin energy = 1 m/s
% of hydraulic diameter and Turb diss rate are calculated from Turb kin energy and
Chèn điều kiện biên mới bằng cách nhấp chuột phải vào Boundary conditions trong danh sách tham số và chọn BC: Chèn từ menu
Chọn BC [2]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-4: Thiết lập BND_Outlet
BND_Outlet Sel for BC BND_Outlet
Name of BC BND_Outlet Type of BC Inlet/Outlet Inlet/Outlet Static Pressure
1 Equivalence ratio Select the radio button
Fixed scalar No Fixed turbulence No
Hình 4-4: Các giá trị đầu vào
- Chọn BC [3]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-5: Thiết lập BND_Intake_Port
BND_Intake_Port Sel for BC BND_Intake_Port
Name of BC BND_Intake_Port Type of BC Wall
- Chọn BC [4]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-6: Thiết lập BND_Exhaust_Port
BND_Exhaust_Port Sel for BC BND_Exhaust_Port
Name of BC BND_Exhaust_Port Type of BC Wall
- Chọn BC [5]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-7: Thiết lập BND_Piston
BND_Piston Sel for BC BND_Piston
Name of BC BND_Piston Type of BC Wall
- Chọn BC [6]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-8: Thiết lập BND_Head
BND_Head Sel for BC BND_Head
Name of BC BND_Head Type of BC Wall
Bảng 4-9: Thiết lập BND_Spark
BND_Spark Sel for BC BND_Spark
Name of BC BND_Spark Type of BC Wall
- Chọn BC [10]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-10: Thiết lập BND_Gasket
BND_Gasket Sel for BC BND_Gasket
Name of BC BND_Gasket Type of BC Wall
- Chọn BC [10]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-11: Thiết lập BND_Intake_Valve_Lower
Sel for BC BND_Intake_Valve_Lower
Name of BC BND_Intake_Valve_Lower Type of BC Wall
Movement Mesh Movement Thermal Temperature 500 K
- Chọn BC [10]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-12: Thiết lập BND_Intake_Valve_Upper
Sel for BC BND_Intake_Valve_Upper Name of BC BND_Intake_Valve_Upper Type of BC Wall
Bảng 4-13: Thiết lập BND_Exhausr_Valve_Lower
Sel for BC BND_Exhaust_Valve_Lower Name of BC BND_Exhaust_Valve_Lower Type of BC Wall
Movement Mesh Movement Thermal Temperature 620 K
Bảng 4-14: Thiết lập BND_Exhausr_Valve_Upper
Sel for BC BND_Exhaust_Valve_Upper Name of BC BND_Exhaust_Valve_Upper Type of BC Wall
- Chọn BC [11]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-15: Thiết lập BND_Intake_Seat
Sel for BC BND_Intake_Seat Name of BC BND_Intake_Seat
Type of BC Wall Movement Velocity 0 Thermal Temperature 330 K
Bảng 4-16: Thiết lập BND_Exhaust_Seat
Sel for BC BND_Exhaust_Seat Name of BC BND_Exhaust_Seat Type of BC Wall
- Chèn điều kiện biên mới bằng cách nhấp chuột phải vào Boundary conditions trong danh sách tham số và chọn BC: Chèn từ menu
- Chọn BC [12]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-17: Thiết lập BND_Injector
BND_Injector Sel for BC BND_Injector
Name of BC BND_Injector Type of BC Wall
Bảng 4-18: Thiết lập BND_Exhaust_Valve_Wall_Lower
Sel for BC BND_Exhaust_Valve_Wall_Lower Name of BC BND_Exhaust_Valve_Wall_Lower Type of BC Wall
Bảng 4-19: Thiết lập BND_Intake_Valve_Wall_Lower
BND_Intake_V alve_Wall_Lo wer
Sel for BC BND_Intake_Valve_Wall_Lower
Name of BC BND_Intake_Valve_Wall_Lower Type of BC Wall
4.2.4 Thuộc tính chất lỏng (không khí)
- Trong thư mục Fluid properties trong danh sách tham số, chọn FP [1]: NoName để truy cập Fluid properties của trường đầu vào Chọn Air từ menu kéo xuống
Chọn Initial conditions trong danh sách tham số để truy cập các trường đầu vào sau:
Bảng 4-20: Thiết lập các điều kiện ban đầu
Type of hydrocarbon fuel GASOLINE
Laminar flame speed Metghalchi & Keck
Equivalence ratio Activate radio button 0
Bảng 4-21: Thiết lập điều kiện INI_Cylinder
Sel for IC INI_Cylinder
Name of IC INI_Cylinder
Equivalence ratio Activate radio button 0
Bảng 4-22: Thiết lập điều kiện INI_Intake_Port
Sel for IC INI_Intake_Port
Name of IC INI_Intake_Port
Eq ratio: 0 EGR: 0 TKE: 1 Turb Dissip Rate: 168 Velocity (x,y,z): 0
Equivalence ratio Activate radio button 0
Bảng 4-23: Thiết lập điều kiện INI_Exhaust_Port
Sel for IC INI_Exhaust_Port
Name of IC INI_Exhaust_Port
Activate Smoothing for Pressure/Temperature from 172.2 deg
CA for 100 Iterations EGR mass fraction 1
Equivalence ratio Activate radio button 0
- Chọn IC [3]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-24: Thiết lập điều kiện INI_Exhaust_Valve_Gap
Sel for IC INI_Exhaust_Valve_Gap
Name of IC INI_Exhaust_Valve_Gap
Activate Smoothing for Pressure/Temperature from 172.2 deg
CA for 100 Iterations EGR mass fraction 1
Equivalence ratio Activate radio button 0
- Chọn IC [3]: NoName để truy cập các trường nhập sau:
Bảng 4-25: Thiết lập điều kiện INI_Intake_Valve_Gap
Sel for IC INI_Intake_Valve_Gap
Name of IC INI_Intake_Valve_Gap
Eq ratio: 0 EGR: 0 TKE: 0.8 Turb Dissip Rate: 1000 Velocity (x,y,z): 0
Activate Smoothing for Pressure/Temperature from 172.2 deg
CA for 100 Iterations EGR mass fraction 0
Equivalence ratio Activate radio button 0
4.2.6 Thiết lập các công cụ tính toán
- Trong thư mục Solver control, trong danh sách tham số, hãy chọn mục sau trong danh sách tham số để truy cập các trường đầu vào có liên quan:
Bảng 4-26: Điều khiển các công cụ tính toán
Discretization Calculation of boundary values
Table: crank-angle Cellqualcheck upto 347 No upto 396 Yes upto 892 No
Simple/Piso Activate radio button
Heat Transfer Wall Model Standard Wall
Table: Import UR_Momentum.dat
UR_Pressure.dat Turb kin energy Table: Import
Turb diss rate Table:Import
- Chọn Linear solvervà nhập các giá trị sau:
Bảng 4-27: Điều khiển bộ giải tuyến tính
Linear solver type Min iteration Max iteration Tolerance
Chọn Convergence criteriavà nhập các giá trị sau:
Bảng 4-28: Điều khiển tiêu chuẩn hội tụ
Convergence criteria Max number of iterations Tablle crank-value angle upto 177 80 upto 892 50 Min number of iterations 10
Turb kin energy (activate toggle switch)
Turb diss energy (activate toggle switch)
- Chọn thông số sau trong danh sách tham số để truy cập các đầu vào có liên quan:
Tệp 2D ( fl2) lưu trữ kết quả trung bình của các giá trị luồng từ mô phỏng trên toàn miền hoặc theo lựa chọn cụ thể Ngoài các đầu ra tiêu chuẩn được liệt kê, bạn còn có khả năng xuất kết quả dựa trên các công thức đã được xác định trước.
- Standard output: Giá trị trung bình cho toàn bộ miền hoặc dựa trên lựa chọn
Chọn tùy chọn "Write 2D result file" trong danh sách tham số và kích hoạt các công tắc chuyển đổi cho số lượng Dòng chảy, số lượng Độ xoáy và Tóm tắt tường.
- Formula based outputs (Kết quả đầu ra dựa trên công thức)
+ Phần này mô tả cách tạo đầu ra mở rộng của các biến khác nhau để lựa chọn thể tích của các bộ phận động cơ
- Chèn mới bằng cách nhấp chuột phải vào Write 2D result file trong danh sách tham số và chọn 2D: Chèn từ menu
- Sau đó chọn 2D [1]: NoName và chọn lựa chọn INI_Cylinder từ menu kéo xuống
- INI_Cylinder được lấy làm mặc định cho Name of 2D output
Nhấp vào nút "New quantity by formula" để hiển thị nút "Formula_1" Khi bạn nhấn vào nút này, cửa sổ "FormulaEditor" sẽ tự động mở ra với các trường trống để bạn nhập thông tin.
- Thêm công thức fuel_mass.fmrl Đặt tên của đại lượng là fuel_mass:kg
2 Lựa chọn INI_Intake_Port
- Chèn mới bằng cách nhấp vào Write 2D result filetrong danh sách tham số bằng nút chuột phải và chọn 2D: Insert từ menu
- Chọn 2D [1]: NoName và chọn vùng chọn INI_Intake_Port từ menu kéo xuống
- INI_Intake_Port được đặt làm mặc định cho Name of 2D output
- Chọn New quantity by formula, một nút mới Formula_1 sẽ xuất hiện Chọn nút này và cửa sổ FormulaEditor tự động mở ra với các mục trống
- Nhấp vào File và Import ở đầu cửa sổ và tìm fuel_mass.frml Đặt tên của đại lượng là IP_fuel_mass:kg
3 Lựa chọn BND_Intake_Seat
- Chèn mới bằng cách nhấp chuột phải vào Write 2D result filetrong danh sách tham số và chọn 2D: Insert từ menu
- Chọn 2D [1]: NoName và chọn vùng chọn BND_Intake_Seat từ menu kéo xuống
- BND_Intake_Seat được đặt làm mặc định cho Name of 2D output
- Chọn New quantity by formula, một nút mới Formula_1 sẽ xuất hiện Chọn nút này và cửa sổ FormulaEditor tự động mở ra với các mục trống
- Nhấp vào File và Import ở đầu cửa sổ và tìm fuel_mass.frml Đặt tên của đại lượng
- Thêm một file khác Nhấp vào File và Import ở đầu cửa sổ và tìm WF_area.frml Đặt tên của đại lượng là IS_WF_area:m2
- Chọn BND_Liner Đặt tên các đại lượng kết quả Liner_WF_area: m2 và Liner_WF_mass: kg
- Chọn BND_Head Đặt tên cho số lượng kết quả Head_WF_area: m2 và
6 Lựa chọn BND_Intake_Valve
- Chèn mới bằng cách nhấp chuột phải vào Write 2D result filetrong danh sách tham số và chọn 2D: Insert từ menu
- Chọn 2D [1]: NoName và chọn vùng chọn BND_Intake_Valve từ menu kéo xuống
- BND_Intake_Valve được đặt làm mặc định cho Name of 2D output
- Chọn New quantity by formula, một nút mới Formula_1 sẽ xuất hiện Chọn nút này và cửa sổ FormulaEditor tự động mở ra với các mục trống
- Nhấp vào File và Import ở đầu cửa sổ và tìm fuel_mass.frml Đặt tên của đại lượng là IV_WF_mass:kg
- Thêm một file khác Nhấp vào File và Import ở đầu cửa sổ và tìm WF_area.frml Đặt tên của đại lượng là IV_WF_area:m2
- Chèn mới bằng cách nhấp chuột phải vào Write 2D result filetrong danh sách tham số và chọn 2D: Insert từ menu
- Chọn 2D [1]: NoName và chọn vùng chọn INI_Cylinder từ menu kéo xuống
- Write Sphere_3mm for the Name of 2D output
Để bắt đầu, hãy kích hoạt chức năng chọn hình học bằng công thức và nhấn nút tương ứng Một cửa sổ mới sẽ hiện ra; chọn "Import Example" ở cuối cửa sổ và tìm kiếm "Sphere.h" trong danh sách, sau đó nhấn OK Tiếp theo, chọn "Edit formula parameters" và điều chỉnh tọa độ của tâm mặt cầu sao cho nó nằm chính giữa các điện cực tia lửa Cuối cùng, đặt bán kính của hình cầu thành 0,0015.
- Chọn New quantity by formula một nút mới có nhãn Formula_1 xuất hiện Nhấp vào nút này và cửa sổ FormulaEditor tự động mở ra với các mục trống
- Nhấp vào File và Import ở đầu cửa sổ và tìm Eq_ratio.fmrl Đặt tên của đại lượng là Spark_3_Eq_ratio Xác nhận bằng OK
- Lặp lại các bước 5 và 6 với: Velocity (tên của số lượng kết quả là
The Spark_3 dataset includes key metrics such as Velocity measured in meters per second (m/s), Temperature denoted as Spark_3_Temp in Kelvin (K), Pressure labeled as Spark_3_Pressure in Pascals (Pa), and Turbulent Kinetic Energy (TKE) indicated as Spark_3_TKE.
Lặp lại quy trình làm việc đã mô tả trong phần d), nhưng cần điều chỉnh bán kính hình cầu thành 0,003 Đặt tên cho số lượng kết quả là "Spark_6_".
Nhập các giá trị tần số đầu ra sau vào bảng
Bảng 4-29: Thiết lập tần số đầu ra upto crank-angle each at 172 upto 430 100 upto 540 2 upto 707 100 upto 760 2 upto 780 5 upto 891 100
- Chọn các thông số sau:
Bảng 4-30: Chọn tệp kết quả 3D
TKE and Turb diss Yes
Tần số đầu ra 20 độ
Hủy kích hoạt Write backup file
Chọn File | Save và lưu
Modules
Bảng 4-31: Tùy chỉnh mô đun sự đốt cháy
Module Parameter List GUI Options Action
Combustion Control Extended output On
Ignition models Spark ignition On
Spark timing Flame kernel size Ignition duration Auto ignition
707 0.003 0.0003 Knock (Shell Model) Combustion models
INI_Cylinder Select check boxes:
General information Select all check boxes
Set bore to 0.08197 m Cell selection:
CFM models Check: Flame surface density Auto ignition models Select all check boxes
Bảng 4-32: Tùy chỉnh mô đun kiểu chuyển đổi
Module Parameter List GUI Options Action
Transport model Activate the radio button
2D Results General information Mean mass fraction
Bảng 4-33: Tùy chỉnh mô đun sự phóng xạ
Module Parameter List GUI Options Action
Emission NO models Extended Zeldowich
2D Results Select check boxes: Mean NO mass fraction, Mean soot mass fraction
3D Results Select check boxes: NO mass fraction,
Bảng 4-34: Tùy chỉnh mô đun dòng chảy nhiên liệu
Module Parameter List GUI Options Action
Spray Solver Leave default settings 2D results Unselect:
Start velocity, Start density, Start D32 d10-rithmetic mean diameter, d30-volume mean diameter
Bore ID, Liquid mass Particles in parcel, Saturation level
Submodels Leave default settings User Leave default settings
4.3.5 Phương pháp giới thiệu hạt
- Phun được thiết lập bằng Công cụ Excel
Tất cả các cài đặt cần thiết trong Excel đã được thiết lập và sẵn sàng để xuất Những cài đặt này cũng có thể được tìm thấy trong Tệp chỉ đạo giải quyết của dự án Kết thúc.
- Trong sổ làm việc Excel, có thể tìm thấy hai tab để thiết lập phun:
Trong thiết lập phun Spray 1, các đặc tính hình học của quá trình phun được xác định thông qua vị trí, độ nghiêng và kiểu phun Hình mẫu phun được thể hiện là hình chiếu từ trên xuống của các điểm mục tiêu phun, cách đầu phun 30mm Sau khi ghi lại các tọa độ, mô hình sẽ được vẽ trong đồ thị bên phải.
Hình 4-5: Dữ liệu kim phun
Nếu một mục tiêu vòi phun không hiển thị trong biểu đồ, cần làm mới tỷ lệ của trục biểu đồ Dựa trên dữ liệu này, các vectơ phun sẽ được tính toán tự động và hiển thị trong giao diện người dùng FIRE Đồng thời, bảng phân phối kích thước giọt phun (Particle_size.dat) cần được nhập và lưu trữ đúng vị trí.
Trong phần thiết lập phun Spray Setup 2, các trường màu xanh lá cây yêu cầu người dùng nhập giá trị đầu vào, trong khi các trường màu cam thể hiện giá trị đầu ra đã được tính toán và không được thay đổi Để bắt đầu, người dùng cần nhập các đặc tính phun theo điều kiện đo, thường được cung cấp bởi nhà sản xuất kim phun.
Hình 4-6: Thông số kim phun
- Trong bảng thứ hai, phải nhập các đặc tính phun ở điều kiện mong muốn (điều kiện mô phỏng)
Hình 4-7: Thông số động cơ
Vận tốc phun lý thuyết được tính toán dựa trên phương trình Bernoulli trong các điều kiện đã chọn Để điều chỉnh tốc độ phun, có thể thêm điểm vào biểu đồ tốc độ phun ngắn nhất, cho phép tăng lượng nhiên liệu khi bắt đầu phun.
- Trang tính Excel đang tích hợp bề mặt bên dưới hình dạng tốc độ phun và tính đến giá trị tích phân này, khi tính toán thời lượng phun
Hình 4-8: Tốc độ phun nhiên liệu
- Trong ví dụ này, hình thang sẽ được sử dụng, vì vậy biểu đồ tốc độ phun ngắn nhất có thể phải có hình tam giác
Hình 4-9: Tốc độ phun nhiên liệu nhỏ nhất
Sau khi hoàn tất thiết lập phun, bạn có thể xuất tệp dưới định dạng * ssc Để thực hiện điều này, hãy nhấp vào đầu trang và chọn tệp * ssf của trường hợp đã được tạo trong FIRE.
Để hợp nhất tệp * ssc với * ssf trong FIRE GUI, hãy nhấn chuột phải vào tệp Solver steering trong chế độ xem danh sách Tiếp theo, chọn "hợp nhất SSF-SSC" và chọn tệp * tương ứng.
.ssc đã được xuất từ excel
Bảng 4-35: Tùy chỉnh wall film
Module Parameter List GUI Options Action
Wallfilm General Leave default settings
Thông số do người dùng xác định
Chọn Insert Row và thêm các tham số sau vào bảng:
Bảng 4-36: Thông số do người dùng xác định
Bắt đầu tính toán
- Chọn File | Save và lưu
- Bắt đầu tính toán bằng cách nhấp chuột phải vào Case trong danh sách dự án và nhấp vào Start calculation
- Trong quá trình tính toán, người dùng có thể theo dõi trực tuyến các giá trị và phần dư của biến lưu lượng
- Thông tin này được lưu trữ trong tệp flb, được viết ở định dạng nhị phân và có thể được nhìn thấy như được mô tả trong các bước sau
Để mở cửa sổ 2D Log, bạn chỉ cần nhấp chuột phải vào 2D Log trong danh sách dự án và chọn "Xem" từ menu con, hoặc bạn có thể nhấp trực tiếp vào 2D Log trên Thanh ứng dụng SG Cửa sổ mặc định sẽ hiển thị bốn phần trống.
- Mỗi phần của cửa sổ giám sát chứa hai tab
- Bấm vào tab Data để hiển thị các giá trị và phần dư cho mỗi lần lặp của mỗi ô đã chọn Bảng được cập nhật tự động
- Nhấp vào tab Monitor để hiển thị các giá trị và phần dư cho các ô đã chọn trong biểu đồ 2D
- Hiển thị dữ liệu bắt buộc trong biểu đồ, ví dụ: Monitor 3, như sau:
Chọn số lượng có liên quan trong danh sách bên trái
Hình 4-10: Cửa sổ giám sát
4.5.2 Phân tích và đánh giá kết quả
Trong IMPRESS Chart, chạy tất cả các kết quả của Case và tạo các biểu đồ sau:
Hình 4-11: Danh sách các biểu đồ được tạo
4.5.2.1 Áp suất và nhiệt độ tại xupap nạp theo số vòng quay của trục khuỷu
Hình 4-11: Áp suất tại xupap nạp
Hình 4-12: Nhiệt độ tại xupap nạp
Biểu đồ Hình 4-11 và Hình 4-12 cho thấy khoảng mở của xupap nạp từ 350° đến 570° của góc quay trục khuỷu Trong giai đoạn này, lượng nhiên liệu được nạp vào làm tăng nhiệt độ và áp suất Sau khi quá trình nạp kết thúc, xupap nạp đóng lại, và toàn bộ lượng nhiên liệu được chuyển vào buồng đốt.
4.5.2.2 Áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt theo số vòng quay của trục khuỷu
Hình 4-13: Áp suất trong buồng đốt
Hình 4-14: Nhiệt độ trong buồng đốt
Sơ đồ trong Hình 4-13 và Hình 4-14 minh họa quá trình cháy trong buồng đốt Sau kỳ nạp, khoảng 570° của góc quay trục khuỷu, áp suất trong buồng đốt bắt đầu tăng, báo hiệu sự khởi đầu của chu kỳ nén Khi piston di chuyển lên TDC, thể tích buồng cháy giảm xuống mức tối thiểu, dẫn đến áp suất đạt đỉnh tại 745° của góc quay trục khuỷu Tại thời điểm này, bugi đánh lửa và nhiệt độ tăng nhanh đột ngột Quá trình cháy và giãn nở diễn ra, làm giảm áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt, đồng thời đẩy lượng nhiên liệu đã cháy ra ngoài.
4.5.2.3 Quá trình cháy sinh năng lượng
Hình 4-15: Giải phóng nhiệt tích lũy
Hình 4-16: Tốc độ tỏa nhiệt
Trong chu trình hoạt động của piston, nhiệt lượng chỉ được sản sinh trong giai đoạn cháy và giãn nở Lượng nhiệt này được tạo ra rất lớn trong một khoảng thời gian ngắn, đặc biệt tại khoảng 720° của góc.
Nhiệt lượng duy trì trong quá trình hoạt động của động cơ giúp đảm bảo sự ổn định Khi quá trình xả kết thúc, nhiệt lượng tích lũy sẽ được sử dụng hoàn toàn, đánh dấu sự khởi đầu cho chu kỳ nạp mới.
Hình 4-17: Thay đổi công suất
Nhiệt lượng sinh ra được chuyển đổi thành công suất để nuôi động cơ, với công suất tỷ lệ thuận với nhiệt lượng, đạt 2500KW ở khoảng 720° của góc quay trục khuỷu Sự thay đổi dòng nhiên liệu trong piston ảnh hưởng đến công suất, và một lượng nhỏ công suất cũng được tạo ra trong chu kỳ nạp và xả.
Hình 4-18: Tỉ lệ khối lượng khí thải NO
Trong chu kỳ cháy giãn nở, nhiệt lượng và khí thải được sinh ra đồng thời Biểu đồ Hình 4-18 cho thấy lượng khí thải NO đạt 0.045% ở tốc độ động cơ cao nhất (4000 vòng/phút) Động cơ phun xăng trực tiếp tạo ra lượng khí thải thấp hơn so với động cơ phun xăng ngoài xupap nạp.
4.5.2.4 Lượng nhiên liệu tại xy lanh theo số vòng quay của trục khuỷu
Hình 4-19: Khối lượng nhiên liệu
Sơ đồ trên biểu thị rõ lượng nhiên liệu được sử dụng khi được phun vào buồng đốt
Từ góc quay trục khuỷu 430° đến 470°, lượng nhiên liệu bắt đầu vào buồng đốt, với sự thay đổi rõ rệt trong lượng nhiên liệu và muội than, đạt đỉnh ở 470° Đồng thời, lượng nhiên liệu bị đốt cháy cũng bắt đầu thay đổi và gia tăng dần.
Từ góc quay trục khuỷu 470° đến 700°, lượng nhiên liệu vào đạt mức tối đa và không thay đổi Trong quá trình này, lượng muội than giảm dần và hoàn toàn biến mất khi ở góc quay 700° Đồng thời, lượng nhiên liệu bị đốt cháy cũng tăng dần và đạt mức lớn nhất tại góc quay 700°.
Từ góc quay 700°, lượng nhiên liệu vào và nhiên liệu bị đốt cháy đạt mức tối đa và không thay đổi Đồng thời, lượng muội than đã giảm dần và biến mất do sự thay đổi theo đường kính lỗ kim phun.