Nghiên cứu ứng dụng avl fire mô phỏng quá trình cháy kim phun trực tiếp trên động cơ d4s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG AVL FIRE MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY KIM PHUN TRỰC TIẾP TRÊN ĐỘNG CƠ D4S GVHD: TS NGUYỄN VĂN LONG GIANG SVTH: VÕ QUỐC LY NGUYỄN HOÀN THỊNH SKL0010084 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG AVL FIRE MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY KIM PHUN TRỰC TIẾP TRÊN ĐỘNG CƠ D4S SVTH: VÕ QUỐC LY MSSV: 181454395 SVTH: NGUYỄN HOÀN THỊNH MSSV: 18145460 GVHD: TS NGUYỄN VĂN LONG GIANG Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Võ Quốc Ly (E-mail: 18145395@student.hcmute.edu.vn Nguyễn Hồn Thịnh (E-mail: 18145460@student.hcmute.edu.vn Ngành : Cơng nghệ kỹ thuật tơ Khóa : 2018 MSSV: 18145395 Điện thoại: 0962046879) MSSV:18145460 Điện thoại: 0869206434) Lớp : 181452 1.Tên đề tài : NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG AVL FIRE MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY KIM PHUN TRỰC TIẾP TRÊN ĐỘNG CƠ D4S 2.Nhiệm vụ đề tài :  Nghiên cứu phềm mềm AVL FIRE (Workflow Manager) sở lý thuyết mô AVL FIRE (Workflow Manager)  Ứng dụng AVL FIRE Workflow Manager xây dựng mơ hình kim phun trực tiếp  Đánh giá kết so sánh mô & thực nghiệm 3.Sản phẩm đề tài :  01 thuyết minh đồ án  Upload lên google drive khoa file thuyết minh đồ án (word, powerpoint) 4.Ngày giao nhiệm vụ đề tài : 14/03/2022 5.Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 08/08/2022 TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN Lời nhóm em xin chân thành cảm ơn đến: Ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM tạo điều kiện tốt cho nhóm em học tập nghiên cứu trường Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Văn Long Giang tận tình hướng dẫn bảo chúng em trình thực đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa tận tình giảng dạy, trang bị cho em kiến thức quý báu năm vừa qua Chúng xin chân thành cảm ơn ông bà, cha mẹ động viên ủng hộ vật chất lẫn tinh thần suốt thời gian qua Chúng em xin cảm ơn quan tâm giúp đỡ ủng hộ anh chị bạn bè trình thực khóa đề tài Mặc dù cố gắng hồn thành khóa luận phạm vi khả cho phép chắn không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận thơng cảm, góp ý tận tình bảo q thầy cô bạn CHÂN THÀNH CẢM ƠN! i TĨM TẮT Trong ngành cơng nghệ sản xuất tơ, vấn đề lớn cần giải giảm lượng nhiên liệu tiêu hao bảo vệ môi trường tức làm tăng hiệu suất động giảm thiểu tối đa lượng khí phát thải ngồi mơi trường theo quy định chuẩn khí thải Để đáp ứng nhu cầu nhà sản xuất hãng tiến hành nghiên cứu cải tiến động cơ, kết cấu xe, hệ thống nhiên liệu hệ thống xử lí khí thải Các thí nghiệm thực cơng cụ sử dụng phần mềm mơ Nó phần vô quan trọng cấp thiết việc nghiên cứu tiết kiệm chi phí, trực quan rút ngắn thời gian thực so với việc chế tạo động thực tế thực nghiệm nhiều lần Một phần mềm AVL FIRE AVL FIRE phần mềm có phạm vi hoạt động chủ yếu mô nhiên liệu Hoạt động chủ yếu lí thuyết động lực học chất lỏng chuyển động hệ thống đa vật thể Lúc ban đầu, AVL FIRE tạo để mô hệ thống phun nhiên liệu động GDI Hiện tại, phần mềm phát triển lên để phù hợp cho việc mơ hình hóa xăng, dầu nặng, nhiên liệu thay số cấu điều khiển khác Nói chung, chương trình hữu ích nhiều lĩnh vực liên quan đến hệ thống thủy lực, khí điều khiển Trong báo cáo này, nhóm em tập trung vào nghiên cứu phần mềm mô AVL FIRE Workflow Manager từ tiến hành xây dựng mơ q trình cháy kim phun trực tiếp động Toyota D-4S, dựa số liệu giả định phục vụ cho việc học tập nghiên cứu , để biết rõ cách vận hành phần mềm trình cháy để tạo tiền đề việc tạo loại động tối ưu hóa động để phục vụ cho mục đích khác ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Các nghiên cứu khoa học mô phần mềm AVL Fire WorkFlow Manager nước nước 1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: 1.4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Cách tiếp cận 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 1.4.3 Nội dung nghiên cứu 1.5 Các nội dung trình bày đề tài CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ĐỘNG CƠ D4S 2.1 Sơ lược động xăng D4-S 2.2 Cấu tạo động xăng D4-S iii Chèn cách nhấp chuột phải vào Write 2D result file danh sách tham - số chọn 2D: Insert từ menu - Chọn 2D [1]: NoName chọn vùng chọn INI_Cylinder từ menu kéo xuống - Write Sphere_3mm for the Name of 2D output - Enable Chọn geometric selection by formula nhấp vào nút có tên Một cửa sổ xuất Chọn Import Example cuối cửa sổ chọn Sphere.h từ danh sách nhấp vào OK Sau chọn Edit formula parameters thiết lập tọa độ tâm mặt cầu cho nằm tâm điểm điện cực tia lửa Đặt bán kính hình cầu thành 0,0015 Chọn New quantity by formula nút có nhãn Formula_1 xuất Nhấp - vào nút cửa sổ FormulaEditor tự động mở với mục trống Nhấp vào File Import đầu cửa sổ tìm Eq_ratio.fmrl Đặt tên đại lượng - Spark_3_Eq_ratio Xác nhận OK Lặp lại bước với: Velocity (tên số lượng kết - Spark_3_Velocity:m/s), Temperature (tên số lượng kết Spark_3_Temp:K), Pressure (tên số lượng kết Spark_3_Pressure:Pa), TKE (tên số lượng kết Spark_3_TKE:-) Lựa chọn Sphere_6mm - Lặp lại quy trình làm việc mơ tả phần d), bán kính hình cầu phải đặt thành 0,003 Đặt tên cho số lượng kết số lượng Spark_6_ ”  Write 3D result file Nhập giá trị tần số đầu sau vào bảng Bảng 4-29: Thiết lập tần số đầu upto crank-angle each at 172 upto 430 100 upto 540 upto 707 100 upto 760 upto 780 upto 891 100 56 - Chọn thông số sau: Bảng 4-30: Chọn tệp kết 3D Density No Mach number No Passive Scalar No Pressure Yes Temperature Yes TKE and Turb diss Yes Velocity Yes Viscosity No Wall heat transfer Yes CFL number No  Write restart file Chọn Write restart file Tần số đầu 20 độ  Write backup file Hủy kích hoạt Write backup file Chọn File | Save lưu 4.3 Modules 4.3.1 Sự đốt cháy Bảng 4-31: Tùy chỉnh mô đun đốt cháy Module Parameter List GUI Options Action Combustion Control Extended output On Ignition models Spark ignition Number of spark locations On Spark location x=0 y = 0.0065 z = 0.0034 57 Combustion models 2D Results 3D Results Spark timing 707 Flame kernel size 0.003 Ignition duration 0.0003 Auto ignition Knock (Shell Model) Coherent Flame Activate Model ECFM-3Z Select Spark Ignition model Spherical Set for 2D output: All except: INI_Cylinder Mean turbulent reaction rate Select check boxes: Mean kinetic reaction rate General information Select all check boxes Set bore to 0.08197 m Cell selection: INI_Cylinder CFM models Check: Flame surface density Auto ignition models Select all check boxes 4.3.2 Loại vận chuyển Bảng 4-32: Tùy chỉnh mô đun kiểu chuyển đổi Module Parameter List GUI Options Action Transport model Activate the radio Standard Species button transport 2D Results General information Mean mass fraction 3D Results Species mass fractio 4.3.3 Sự phóng xạ Bảng 4-33: Tùy chỉnh mơ đun phóng xạ Module Parameter List GUI Options Action Emission NO models Extended Zeldowich Soot models Kinetic Models 2D Results Select check boxes: Mean NO mass fraction, Mean soot mass fraction 58 3D Results Select check boxes: NO mass fraction, Soot mass fraction 4.3.4 Dịng Bảng 4-34: Tùy chỉnh mơ đun dịng chảy nhiên liệu Module Parameter List GUI Options Spray Solver 2D results Leave default settings Unselect: Add to default: 3D results Add to default: Unselect: Submodels Leave default settings Leave default settings User Action Start velocity, Start density, Start D32 d10-rithmetic mean diameter, d30-volume mean diameter Bore ID, Liquid mass Particles in parcel, Saturation level 4.3.5 Phương pháp giới thiệu hạt - Phun thiết lập Công cụ Excel - Tất cài đặt cần thiết thiết lập excel sẵn sàng để xuất Các cài đặt nhìn thấy Tệp đạo giải dự án Kết thúc - Trong sổ làm việc Excel, tìm thấy hai tab để thiết lập phun: - Trong Spray setup đặc tính hình học phun xác định Các liệu cần thiết cho việc thiết lập vị trí phun, độ nghiêng kiểu phun Hình mẫu hình chiếu từ xuống điểm mục tiêu phun khoảng cách 30mm tính từ đầu phun Sau tọa độ ghi, mơ hình vẽ đồ thị bên phải 59 Hình 4-5: Dữ liệu kim phun - Nếu mục tiêu vòi phun khơng hiển thị biểu đồ, tỷ lệ trục biểu đồ phải làm Từ liệu này, vectơ phun tính tốn tự động sau hiển thị FIRE GUI Bảng phân phối kích thước giọt phun (Particle_size.dat) phải nhập nằm trong: - Trong Spray Setup phun tính tốn Các trường màu xanh nơi giá trị đầu vào phải nhập trường màu cam giá trị tính tốn (kết đầu ra) không thay đổi Trong bảng phải nhập đặc tính phun điều kiện đo (thường nhà sản xuất kim phun cung cấp) - Hình 4-6: Thơng số kim phun Trong bảng thứ hai, phải nhập đặc tính phun điều kiện mong muốn (điều kiện mơ phỏng) Hình 4-7: Thông số động 60 - Vận tốc bắt đầu phun lý thuyết điều kiện chọn sau tính tốn với phương trình Bernoulli Tốc độ phun thay đổi cách thêm điểm vào Biểu đồ tốc độ phun ngắn ví dụ bắt đầu phun có nhiều nhiên liệu - Trang tính Excel tích hợp bề mặt bên hình dạng tốc độ phun tính đến giá trị tích phân này, tính tốn thời lượng phun - Hình 4-8: Tốc độ phun nhiên liệu Trong ví dụ này, hình thang sử dụng, biểu đồ tốc độ phun ngắn phải có hình tam giác Hình 4-9: Tốc độ phun nhiên liệu nhỏ Sau hoàn tất thiết lập phun, xuất dạng tệp * ssc Trên đầu trang, nhấp vào chọn tệp * ssf trường hợp tạo FIRE Tệp * ssc phải hợp với * ssf FIRE GUI Nhấn chuột phải vào Solver steering file dạng xem danh sách, sau nhấp vào hợp SSF-SSC chọn tệp * ssc xuất từ excel 4.3.6 Wall film Bảng 4-35: Tùy chỉnh wall film Module Parameter List GUI Options Action Wallfilm General Leave default settings 61 Expert Expert calculation Film velocity limit: 10 parameters 4.4 Thông số người dùng xác định Chọn Insert Row thêm tham số sau vào bảng: Bảng 4-36: Thông số người dùng xác định Parameter Key SPRAY_COUPLE_TEMP_MASS COMB_KNOCK_TABKIN Value 1 4.5 Bắt đầu tính toán - Chọn File | Save lưu - Bắt đầu tính tốn cách nhấp chuột phải vào Case danh sách dự án nhấp vào Start calculation 4.5.1 Giám sát tính tốn - Trong q trình tính tốn, người dùng theo dõi trực tuyến giá trị phần dư biến lưu lượng - Thông tin lưu trữ tệp flb, viết định dạng nhị phân nhìn thấy mơ tả bước sau - Mở cửa sổ sau cách nhấp vào 2D Log danh sách dự án nút chuột phải, sau Xem từ menu nhấp vào 2D Log Thanh ứng dụng SG Cửa sổ mặc định có bốn phần trống - Mỗi phần cửa sổ giám sát chứa hai tab - Bấm vào tab Data để hiển thị giá trị phần dư cho lần lặp ô chọn Bảng cập nhật tự động - Nhấp vào tab Monitor để hiển thị giá trị phần dư cho ô chọn biểu đồ 2D - Hiển thị liệu bắt buộc biểu đồ, ví dụ: Monitor 3, sau: Nhấp vào tab Monitor Chọn số lượng có liên quan danh sách bên trái 62 Hình 4-10: Cửa sổ giám sát 4.5.2 Phân tích đánh giá kết Trong IMPRESS Chart, chạy tất kết Case tạo biểu đồ sau: Hình 4-11: Danh sách biểu đồ tạo 63 4.5.2.1 Áp suất nhiệt độ xupap nạp theo số vịng quay trục khuỷu Hình 4-11: Áp suất xupap nạp Hình 4-12: Nhiệt độ xupap nạp  Biểu đồ (Hình 4-11 Hình 4-12) biểu thị khoảng mở xupap nạp (từ khoảng 350°-570° góc quay trục khuỷu) Trong thời gian lượng nhiên liệu nạp vào khiến nhiệt độ áp suất tăng cao Sau thời gian nạp, xupap nạp đóng lại lượng nhiên liệu hoàn toàn chuyển hoàn toàn vào buồng đốt 4.5.2.2 Áp suất nhiệt độ buồng đốt theo số vòng quay trục khuỷu Hình 4-13: Áp suất buồng đốt 64 Hình 4-14: Nhiệt độ buồng đốt Sơ đồ (Hình 4-13 Hình 4-14) cho ta thấy rõ trình cháy buồng đốt Sau kì nạp (khoảng 570° góc quay trục khuỷu), ta thấy áp suất buồng đốt bắt đầu tăng chứng tỏ bắt đầu chu kì nén Piston lên TDC khiến khoảng thể tích buồng cháy bé nên áp suất lúc lớn (tại 745° góc quay trục khuỷu), bugi đánh lửa nhiệt độ tăng nhanh đột ngột lớn Quá trình cháy-giãn nở sảy ra, áp suất nhiệt buồng đốt giảm xuống, lượng nhiên liệu bị đốt cháy đẩy 4.5.2.3 Q trình cháy sinh lượng Hình 4-15: Giải phóng nhiệt tích lũy Hình 4-16: Tốc độ tỏa nhiệt Trong chu trình hoạt động piston, nhiệt lượng sinh chu kì cháygiãn nở Nhiệt lượng sinh lớn khoảng thời gian ngắn (tại khoảng 720° góc 65 quay trục khuỷu) Nhiệt lượng trì giúp động hoạt động ổn định Khi hết q trình xả, phần nhiệt lượng tích lũy dùng hết bắt đầu chu kì nạp Hình 4-17: Thay đổi cơng suất Nhiệt lượng sinh chuyển thành công suất để nuôi động Công suất thay đổi tỉ lệ thuận với nhiệt lượng (2500KW khoảng 720° góc quay trục khuỷu) Vì có dịng nhiên liệu thay đổi piston Cơng suất sinh lượng nhỏ chu kì nạp xả ‘ Hình 4-18: Tỉ lệ khối lượng khí thải NO Trong chu kì cháy giãn nở, nhiệt lượng sinh với lượng khí thải Trong biểu đồ Hình 4-18 lượng thải NO sinh tốc độ động cao (0.045% 4000v/p) Vì động phun xăng trực tiếp nên lượng khí thải động phun xăng xupap nạp 4.5.2.4 Lượng nhiên liệu xy lanh theo số vịng quay trục khuỷu Hình 4-19: Khối lượng nhiên liệu Sơ đồ biểu thị rõ lượng nhiên liệu sử dụng phun vào buồng đốt 66 Từ góc quay truc khuỷu 430° đến 470°.Lượng nhiên liệu bắt đầu vào buồng đốt Lượng nhiên liệu vào lượng muội than có thay đổi lớn 470° Lượng nhiên liệu bị đốt cháy bắt đầu thay đổi lớn dần Từ góc quay trục khuỷu 470° đến 700° Lượng nhiên liệu vào lớn không thay đổi Lượng muội than giảm dần hết góc quay 700° Lượng nhiên liệu bị đốt cháy lớn dần lớn góc quay 700° Từ góc quay 700° lượng nhiên liệu vào nhiên liệu bị đốt cháy không đổi lớn Còn lượng muội than hết biến giảm dần theo đường kính lỗ kim phun 67 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận - Sau thời gian nổ lực nghiên cứu với giúp đỡ tận tình TS Nguyễn Văn Long Giang, nhóm hồn thành đồ án theo tiến độ nhiệm vụ đặt - Đề tài hoàn thành rút kết luận sau đây: - Đề tài nghiên cứu cách tổng quan trình cháy động xăng sâu vào nghiên cứu kim phun GDI sử dụng hệ thống Xây dựng mơ hình đánh giá kết đạt kim phun cho thấy việc điều khiển kim phun khó, địi hỏi việc phải diễn cách xác Các chuyển động phận kim thuỷ lực vô phức tạp, kiểm sốt chúng mức tương đối khơng thể kiểm sốt cách xác - Xây đựng sở lý thuyết mô phần mềm AVL FIRE cách tối ưu 5.2 Kiến nghị - Nên biên soạn tài liệu AVL FIRE Workflow Manager đưa vào chương trình học cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật ô tô - Khi điều kiện cho phép, nhóm chúng tơi hy vọng thấy kim nhóm thiết kế tạo 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 2012_Bookmatter_CombustionEngineDevelopment [2] Gasoline_Direct_Injected_Engine [3] Toyota D-4S engine manual 69 S K L 0