1. Trang chủ
  2. » Kỹ Thuật - Công Nghệ

MÔ PHỎNG SỰ VẬN ĐỘNG DÒNG MÔI CHẤT TRONG QUÁ TRÌNH NẠP Ở ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG-ETHANOL

13 343 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 13
Dung lượng 873,5 KB

Nội dung

Kết quả tính toán thể hiện sự phân bố trường vận tốc, áp suất và nhiệt độ cũng như thành phần của dòng môi chất trên đường nạp và trong buồng cháy của động cơ khi sử dụng xăng và khi sử

Trang 1

TRÌNH NẠP Ở ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG DỤNG NHIÊN LIỆU

XĂNG-ETHANOL

SIMULATING FLOW MOTION IN THE INTAKE PROCESS OF

ENGINE USING GASOLINE-ETHANOL FUEL

Dương Việt Dũng 1, Nguyễn Quang Trung 1

1 Trường đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt:Bài báo trình bày kết quả mô phỏng sự vận động và trạng thái của dòng môi chất đa pha

trong quá trình nạp của động cơ thực nghiệm Daewoo 1.6L DOHC sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol bằng công cụ mô phỏng số động lực học dòng chảy (CFD) của bộ phần mềm ANSYS-FLUENT Mô hình 3D đường nạp và buồng cháy động cơ được xây dựng bằng công cụ CAD của phần mềm CATIA

và chia lưới bằng công cụ ICM có trong trong phần mềm ANSYS Quá trình tính toán được dựa trên

mô hình rối k – epsilon Kết quả tính toán thể hiện sự phân bố trường vận tốc, áp suất và nhiệt độ cũng như thành phần của dòng môi chất trên đường nạp và trong buồng cháy của động cơ khi sử dụng xăng và khi sử dụng ethanol

Từ khóa: ethanol, heptan, xăng, mô hình, đường nạp,buồng cháy.

Abstract: This paper shows the results simulating the motion and state of multi-phase fluid flow in

the intake process of the experiment engine 1.6L DOHC Daewoo with gasoline-ethanol fuel by using CFD tool of the ANSYS-FLUENT software 3D model of manifold and combustion chamber are built

by CAD tool in CATIA software and are meshed by ICM tool in the ANSYS software The approximate solutions is obtained by using k - epsilon turbulence model and finite difference – solid elements methods in FLUENT software Reresults show the velocity, pressure, temperature and elements of the fluid flow in the manifold and combustion chamber of engine using gasoline and

ethanol

Keywords: ethanol,heptan, gasoline, model, manifold, combustion chamber

1 GIỚI THIỆU

Động cơ đánh lửa cưỡng bức hoạt động với hỗn hợp không khí-nhiên liệu được hình thành bên ngoài Mức độ đồng nhất của hỗn hợp trước khi cháy có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, công suất và hàm lượng các chất độc hại trong khí thải Hỗn hợp cháy càng đồng nhất thì lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu sẽ càng nhỏ Nếu hỗn hợp cháy không đồng nhất, sẽ có những khu vực trong buồng đốt thiếu hoặc thừa oxy Tại khu vực thiếu oxy, nhiên liệu cháy không hoàn toàn

sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ và tăng hàm lượng các chất độc hại trong khí thải Việc thừa oxy quá mức cũng làm giảm hiệu suất của động cơ do phải tiêu hao năng lượng

Trang 2

khí-nhiên liệu của động cơ đánh lửa cưỡng bức [5,6]

2.1 Mô hình rối k – ε

Mô hình rối k-ε gồm 2 phương trình xác định năng lượng rối k (2-3) và phương trình xác định độ phân tán động năng rối ε (2-4) để đóng kín hệ phương trình trung bình thời gian của dòng gồm phương trình liên tục 1) và phương trình Navier-Stokes Reynolds (2-2) [8]:

- Phương trình liên tục dòng chảy chịu nén:

∂ +

∂ +

+

t z

v y

v

x

- Phương trình Navier-Stokes Reynolds:

j l

l ij i j j i j i j i

j

x x

u x

u x

u x x

p u u

x

u

µ ρ

ρ

∂ +

∂ +

∂ +

=

+

- Phương trình xác định năng lượng rối k :

σ

µ ρ

=

+

ij ij t j k t j i i

E E x

k x

ku

x

k

) 3 2 ( −

- Phương trình xác định độ phân tán động năng rối ε:

k C E E k

C x x

u x

t j i i

2 2

ε σ

µ ρε

ε

− +

=

+

) 4 2 ( − Trong đó:

ui – vận tốc theo các phương

ρ - khối lượng riêng

Trang 3

ε ρ

µt = Cµ k2 - độ nhớt rối

Eij - biến dạng trung bình của phần tử lưu chất

Các hằng số hiệu chỉnh: Cµ=0,09; C1ε=1,44; C2ε=1,92; σk=1,00; σε=1,30;

2.2 Mô hình Species Transport

Mô hình Species Transport dựa trên cơ sở phương trình thông lượng khuếch tán

(2-5) để xác định tỉ lệ khối lượng cục bộ của môi chất Yi [2]

( )Y i ( Y i) J i R i S i

t +∇ =−∇ + +

υ

Trong biểu thức (2-5), Ri là tỷ lệ của chất i trong sản phẩm sinh ra bởi phản ứng hóa học; Si là tỷ lệ tạo ra bằng cách bổ sung từ giai đoạn phân tán cộng bất kỳ nguồn cung cấp khác; J rilà thông lượng khuếch tán

+ Trong dòng chảy tầng thông lượng khuếch tán được tính xấp xỉ gần đúng:

i m i

i D Y

Với Di,m là hệ số khuếch tán cho chất i trong hỗn hợp

+ Trong dòng chảy rối thông lượng khuếch được tính:

i ct

t m i

S D



+

,

r

Với Sct là số rối Schmidt (

t

t

D

ρ

µ ), µ

t là độ nhớt rối và Dt là hệ số khuếch tán rối, giá trị mặc định của Sct=0.7

Đối với dòng pha trộn nhiều thành phần, thông lượng khuếch tán làm enthanpy thay đổi một lượng

=

n i i

i J

1

3 NỘI DUNG

Tính toán động lực học môi chất trong quá trình nạp cùng với quá trình phun nhiên liệu, phân tán, bay hơi và hòa trộn giữa không khí - nhiên liệu được thực hiện bằng cách giải bài toán cân bằng năng lượng, động năng rối của mô hình rối k-ε và chuyển hóa chất của mô hình Species Transport [5,6] Trình tự thực hiện được thể hiện theo lưu đồ thể hiện trên hình 3-1

Trang 4

Hình 3-1: Lưu đồ quá trình tính toán

Bảng 3-1: Thông số kỹ thuật động cơ Daewoo 1.6L DOHC

Trang 5

Đường

kính xilanh

D(mm)

Hành trình

piston S

(mm)

Tỷ số nén ε

Tốc độ động cơ cực đại nmax (vòng/phút)

Số xupáp nạp Zn

Số xupáp thải Zt

Nhiên liệu

sử dụng

Hình 3-2 thể hiện mô hình 3D trên CATIA của ½ không gian đường nạp, kết cấu xupáp nạp, xupáp thải và ½ buồng cháy động cơ Daewoo 1.6L DOHC với các thông số cho

ở bảng 3-1 Dữ liệu từ mô hình sẽ được kết nối với ANSYS nhờ công cụ CAD Configuration Manger của ANSYS và được xác lập các yếu tố hình học đặc trưng như cửa nạp, cửa thải, bề mặt xilanh, bề mặt đối xứng, xupáp nạp và đế xupáp nạp, xupáp thải và đế xupáp thải, kiểm tra tỷ số nén của động cơ nhờ công cụ DesignModeler (xem hình 3.3)

Hình 3-2: Mô hình và kích thước đường nạp và buồng cháy động cơ Daewoo 1.6L DOHC

Hình 3-4a thể hiện hình dáng hình học, vị trí nút cho một tứ diện đặc trưng của phần tử FLUID142, là phần tử Fluid/thermal gồm bốn nút có tính chất vật liệu đẳng hướng được sử dụng làm phần tử lưới Quá trình chia lưới được thực hiện tự động trong ANSYS ICM CFD nhờ công cụ ICE Mesh áp dụng chia lưới cho động cơ đốt trong [6], các phần tử

có kích thước được xác lập mặc định (nhỏ nhất là 0.304mm và lớn nhất là 2.736mm), kết quả sau khi chia lưới thể hiện trên hình 3-4b

Trang 6

a) Khai báo kết cấu động cơ trong ANSYS b) Mô hình hình học động cơ được

khởi tạo trong ANSYS Hình 3-3: Mô hình hình học đường nạp-thải, nắp máy và xilanh động cơ Daewoo 1.6L

DOHC

a) Phần tử Fluid 142 b) Cấu trúc lưới mô hình

Hình 3-4: Mô hình phần tử Fluid142 và cấu trúc lưới mô hình

Quá trình phun nhiên liệu được thực hiện trên đường nạp bằng vòi phun với cấu trúc tia phun côn có các thông số hình học góc côn θ, góc phân bố tia phun α và β, điểm phun P và phương tia phun a được thể hiện trên hình 3-4 [5] Tính chất nhiệt động học của nhiên liệu như độ nhớt, nhiệt dung riêng, nhiệt ẩn, khối lượng riêng,… ở thể lỏng và thể hơi

là các đại lượng thay đổi theo nhiệt độ đã được Fluent cung cấp (Fluent Database) Trong tính toán này các đại lượng nhiệt động học của heptan và ethanol được nhập theo sổ tay tính chất vật lý của chất lỏng và khí [7]

Trang 7

Hình 3-5: Thông số hình học vòi phun và tia phun

Mô hình được tính bởi công cụ CFD của Fluent sử dụng kết hợp hai mô hình rối k-ε và Species Transport với số bước tính lặp 50 lần cho mỗi bước lưới Điều kiện biên được xác lập thông qua các thông số quá trình nạp (áp suất, nhiệt độ và thành phần môi chất của cửa nạp và thải, áp suất xilanh cuối quá trình thải, nhiệt độ thành xilanh, thành đường nạp, nhiệt độ thân xupáp cuối quá trình thải) và thông số phun nhiên liệu (vị trí phun, hướng phun, lưu lượng phun, vận tốc phun, đường kính và góc côn của vòi phun) (xem bảng 3-2)

Bảng 3-2: Dữ liệu tính toán động cơ Daewoo 1.6L DOHC Nhiên

liệu sử

dụng

Tốc độ

động cơ

(vòng/phút)

Nhiệt

độ khí nạp (K)

Áp suất khí nạp (Pa)

Hệ số tương đương trung bình của hỗn hợp (φ)

Lưu lượng phun nhiên liệu (kg/s)

Thời điểm phun (Start angle) (độ)

Thời điểm kết thúc phun (Stop angle) (độ) Xăng

(C7H16) 2000 300 10

Ethanol

(C 2 H 5 OH)

Sau mỗi bước tính, lưới được xác lập lại theo đúng qui luật động học của piston và xupáp với độ tăng góc quay trục khuỷu 0,05o Kết quả tính toán mô phỏng sự vận động của dòng khí nạp trên đường nạp, trong xilanh động cơ và quá trình phun, phân tán và bay hơi của nhiên liệu trong xilanh động cơ được phân tích bởi công cụ ANSYS CFD-Post ANSYS CFD-Post sau khi cập nhật kết quả tính toán từ Fluent sẽ biểu diễn trường vận tốc,

áp suất, mật độ, nồng độ các chất có trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu một cách trực quan trực quan bằng véctơ và biểu đồ màu theo các mặt, theo các phương khác nhau và toàn bộ không gian 3D Bên cạnh đó ANSYS CFD-Post còn truy xuất các đồ thị về hệ số rối, nhiệt độ, áp suất trung bình,… của hỗn hợp theo góc quay trục khuỷu (Crankshaft Angle - CA)

Trang 8

CA=0 CA=40 CA=0 CA=40

Hình 4-1: Trường vận tốc môi chất trên đường nạp và trong xilanh động cơ

Trang 9

a) b)

Hình 4-2: Áp suất (a) và nhiệt độ (b) trung bình của môi chất trong xilanh động cơ

Hình 4-2 thể hiện qui luật thay đổi áp suất và nhiệt độ trung bình của môi chất trong xilanh động cơ, theo thời gian áp suất trung bình trong xilanh giảm dần từ 1.106 đến -5.103Pa tạo độ chân không nạp môi chất vào xilanh và đồng thới nhiệt độ trung bình của môi chất cũng giảm theo từ 900 đến 350K Diễn biến áp suất cục bộ tại các thời điểm khác nhau trong quá trình nạp được thể hiện chi tiết trên hình 4-3, cuối quá trình nạp (CA=180o)

áp suất môi chất trong xilanh khi hỗn hợp là ethanol-air khoảng -3.103Pa cao hơn so với hỗn hợp là heptan-air khoảng -5.103Pa

Trang 10

CA=90o CA=120o CA=90o CA=120o

Hình 4-4: Phân bố hạt nhiên liệu trên đường nạp và trong xilanh động cơ

Sự bay hơi của nhiên liệu quyết định nồng độ khối lượng phân tử heptan và ethanol (Mass Fraction) quyết định độ đậm (hệ số tương đương) của hỗn hợp heptan-air và ethanol-air Do ảnh hưởng của khả năng bay hơi như đã nêu nên nồng độ khối lượng heptan lớn hơn nồng độ khối lượng ethanol (xem hình 4-5) và do đó hệ số tương đương của hỗn hợp heptan-air lớn hơn của hỗn hợp ethanol-air (xem hình 4-6) khi xét diễn biến hệ số tương đương của hỗn hợp theo phương hướng kính và chiều sâu của xilanh Cụ thể hệ số

Trang 11

tương đương của hỗn hợp heptan-air dao động trong khoảng 1,25 đến 1,50 (hỗn hợp đậm); trừ phần không gian ở phần đầu sát thành phải xilanh có hệ số tương đương nhỏ hơn 1,0 do phần không gian này ít tập trung nhiên liệu vào cuối quá trình nạp do quá trình phun kết thúc sớm Đối với hỗn hợp ethanol-air do sự bay hơi kém của ethanol kết hợp với lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1kg ethanol (L0=9kgkk/kgnl) nhỏ hơn heptan (L0=15kgkk/kgnl) nên hệ số tương đương của hỗn hợp nhỏ hơn 1,0 và có giá trị dao động trong khoảng 0,50 đến 0,80 (hỗn hợp nhạt) và gần giống với hỗn hợp heptan-air hỗn hợp ethanol-air đậm dần theo chiều sâu của xilanh

Hình 4-4: Phân bố hơi nhiên liệu trên đường nạp và trong xilanh động cơ

Trang 12

Với qui luật diễn biến của vận tốc, áp suất, nhiệt độ, phân bố nhiên liệu như đã phân

ở trên cho thấy rằng kết quả tính toán phù hợp với lý thuyết quá trình nạp, tạo hỗn hợp trong động cơ đánh lửa cưỡng bức, thấy được ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu tới chất lượng hỗn hợp Tuy nhiên đây mới là cơ sở ban đầu, cần phải thay đổi và điều chỉnh điều kiện ban đầu của động cơ, thời điểm phun, kết thúc phun và cấu trúc của tia phun để thấy được ảnh hưởng của các yếu tố này cụ thể hơn; đồng thời tăng thời gian tính toán lên đến cuối quá trình nén để đánh giá chính xác hỗn hợp trước khi cháy

5 KẾT LUẬN

- Ansys giúp kết nối công cụ CAD của Catia, CFD của Fluent để tính toán chu trình nhiệt cho động cơ đốt trong Với công cụ ICE, Ansys xác lập được thông số hình học, động học piston, động học xupáp cho động cơ đốt trong; chia lưới và tạo lưới động theo góc quay trục khuỷu; xác lập nhiệt động lực của nhiên liệu, lưu lượng, thời gian phun và cấu trúc của tia phun; đồng thời ứng dụng mô hình năng lượng Energy, mô hình rối k-ε và mô hình chuyển hóa chất Species Transport để tính toán quá trình nạp và hình thành hỗn hợp cho động cơ đốt trong

- Quá trình nạp của động cơ Daewoo 1.6L DOHC sau khi tính toán phản ánh đúng trường vận tốc, qui luật thay đổi áp suất, qui luật thay đổi nhiệt độ và đặc biệt là qui luật phân bố nhiên liệu trong xilanh động cơ so với lý thuyết

- Ethanol có độ nhớt và nhiệt ẩn lớn làm cho tính bay hơi kém hơn xăng (heptan) cho nên cuối quá trình nạp chưa bay hơi hoàn toàn; đồng thời do lượng không khí lý thuyết đốt cháy hết 1kg nhiên liệu nhỏ hơn xăng nên hỗn hợp ethanol-air cuối quá trình nạp rất nhạt trong khi xăng khá đậm trong cùng điều kiện nạp và hệ số tương đương trung bình của hỗn hợp

- Điều kiện biên được xác lập để tính toán quá trình nạp là bước đầu làm cơ sở hoàn thiện tính toán chu trình nhiệt cho động cơ đốt trong

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động cơ đốt trong NXB Giáo

Trang 13

Dục

[2] André Bakker (2006), Modeling Material/Species Transport

[3] Heywood JB (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals New York: McGraw-Hill

[4] W.B.EARL(1984), " Alcohol use in engines " Elsevier Science Publishers B.V, pp.1-12

[5] ANSYS FLUENT User's Guide Release 14.0 November 2011

[6] Internal Combustion Engines in Workbench ANSYS, Inc Release 15.0 Southpointe, November 2013

[7] Vargaftik, N.B., 1975, Handbook of Physical Properties of Liquids and Gases, Hemisphere, New York, NY

Ngày đăng: 17/09/2017, 22:12

Nguồn tham khảo

Tài liệu tham khảo Loại Chi tiết
[4] W.B.EARL(1984), " Alcohol use in engines ". Elsevier Science Publishers B.V, pp.1-12 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Alcohol use in engines
Tác giả: W.B.EARL
Năm: 1984
[2] André Bakker (2006), Modeling Material/Species Transport Khác
[3] Heywood JB (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw-Hill Khác
[5] ANSYS FLUENT User's Guide. Release 14.0. November 2011 [6] Internal Combustion Engines in Workbench. ANSYS, Inc. Release 15.0. Southpointe, November 2013 Khác
[7] Vargaftik, N.B., 1975, Handbook of Physical Properties of Liquids and Gases, Hemisphere, New York, NY Khác

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w