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

Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí Toàn quốc năm 2014 112 MÔ PHỎNG SỰ VẬN ĐỘNG DÒNG MÔI CHẤT TRONG QUÁ 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 Trường đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt:Bài báo trình bày kết mô vận động trạng thái dòng môi chất đa pha trình nạp động thực nghiệm Daewoo 1.6L DOHC sử dụng nhiên liệu xăng-ethanol công cụ mô số động lực học dòng chảy (CFD) phần mềm ANSYS-FLUENT Mô hình 3D đường nạp buồng cháy động xây dựng công cụ CAD phần mềm CATIA chia lưới công cụ ICM có trong phần mềm ANSYS Quá trình tính toán dựa mô hình rối k – epsilon Kết tính toán thể phân bố trường vận tốc, áp suất nhiệt độ thành phần dòng môi chất đường nạp buồng cháy động sử dụng xăng 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 GIỚI THIỆU Động đánh lửa cưỡng hoạt động với hỗn hợp không khí-nhiên liệu hình thành bên Mức độ đồng hỗn hợp trước cháy có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, công suất hàm lượng chất độc hại khí thải Hỗn hợp cháy đồng lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy hoàn toàn đơn vị khối lượng nhiên liệu nhỏ Nếu hỗn hợp cháy không đồng nhất, có khu vực buồng đốt thiếu thừa oxy Tại khu vực thiếu oxy, nhiên liệu cháy không hoàn toàn làm giảm hiệu suất nhiệt động tăng hàm lượng chất độc hại khí thải Việc thừa oxy mức làm giảm hiệu suất động phải tiêu hao lượng Dương Việt Dũng, Nguyễn Quang Trung 113 cho việc sấy nóng, nạp xả phần không khí dư mức, đồng thời làm giảm hiệu sử dụng công tác xylanh [1] Độ đồng hỗn hợp cháy định yếu tố: tính chất vật lý nhiên liệu (tính hoá hơi, sức căng bề mặt, độ nhớt), nhiệt độ không khí bề mặt tiếp xúc với hỗn hợp cháy (vách đường nạp, đỉnh piston, thành xylanh), chuyển động rối khí đường ống nạp xylanh [3] Vì tính toán lý thuyết trình nạp cho phép thay đổi thông số nạp, phun nhiên liệu đánh giá ảnh hưởng chúng đến trình nạp động cơ, góp phần xác lập xác điều kiện vận hành cho động thực nghiệm LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả khai thác mô hình rối k-ε mô hình chuyển hóa chất Species Transport có FLUENT để tính toán trình vận động, hòa trộn không khí-nhiên liệu động đánh lửa cưỡng [5,6] 2.1 Mô hình rối k –ε Mô hình rối k-ε gồm phương trình xác định lượng rối k (2-3) phương trình xác định độ phân tán động rối ε (2-4) để đóng kín hệ phương trình trung bình thời gian dòng gồm phương trình liên tục (2-1) phương trình Navier-Stokes Reynolds (22) [8]: - Phương trình liên tục dòng chảy chịu nén: ∂(ρv x ) ∂ (ρv y ) ∂ (ρv z ) ∂ρ + + + =0 ∂x ∂y ∂z ∂t ( − 1) - Phương trình Navier-Stokes Reynolds: ∂ (ρu i ) + ∂ (ρu i ρu j ) = − ∂p + ∂ ∂t ∂x j ∂xi ∂x j   ∂u i ∂u j ∂ul  ∂  + + − δ ij − ρ u'i u' j  µ     ∂x j ∂xi ∂xl  ∂x j ( - Phương trình xác định lượng rối k :   ∂ (ρk ) + ∂ (ρkui ) = ∂  µt ∂k  + 2µ t Eij Eij − ρε ∂t ∂x i ∂x j σ k ∂x j  ) ( − 2) ( − 3) - Phương trình xác định độ phân tán động rối ε: ∂ (ρε ) + ∂ (ρεui ) = ∂ ∂t ∂xi ∂x j  µt ∂ε  ε ε2   + C1ε 2µt Eij Eij − C2ε ρ k k σ ε ∂x j  Trong đó: ui – vận tốc theo phương ρ - khối lượng riêng ( − 4) 114 Mô vận động dòng môi chất trình nạp động sử dụng dụng nhiên liệu xăng-ethanol µ t = ρC µ k2 ε - độ nhớt rối Eij - biến dạng trung bình phần tử lưu chất Các 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 sở phương trình thông lượng khuếch tán (2-5) để xác định tỉ lệ khối lượng cục môi chất Yi [2] v ∂ (ρYi ) + ∇.(ρυrYi ) = −∇.J i + Ri + S i ∂t ( − 5) Trong biểu thức (2-5), Ri tỷ lệ chất i sản phẩm sinh phản ứng hóa học; Si tỷ lệ tạo cách bổ sung từ giai đoạn phân tán cộng nguồn cung r cấp khác; J i thông lượng khuếch tán + Trong dòng chảy tầng thông lượng khuếch tán tính xấp xỉ gần đúng: r J i = − ρDi , m∇Yi ( − 6) Với Di,m hệ số khuếch tán cho chất i hỗn hợp + Trong dòng chảy rối thông lượng khuếch tính: r  µ  J i = − ρDi , m + t ∇Yi S ct   ( − 7) Với Sct số rối Schmidt ( µt ), µt độ nhớt rối Dt hệ số khuếch tán rối, ρDt giá trị mặc định Sct=0.7 Đối với dòng pha trộn nhiều thành phần, thông lượng khuếch tán làm enthanpy thay n đổi lượng ∇. h Jr  ∑  i =1 i i   NỘI DUNG Tính toán động lực học môi chất trình nạp với trình phun nhiên liệu, phân tán, bay hòa trộn không khí - nhiên liệu thực cách giải toán cân lượng, động rối mô hình rối k-ε chuyển hóa chất mô hình Species Transport [5,6] Trình tự thực thể theo lưu đồ thể hình 3-1 Dương Việt Dũng, Nguyễn Quang Trung Hình 3-1: Lưu đồ trình tính toán Bảng 3-1: Thông số kỹ thuật động Daewoo 1.6L DOHC 115 116 Mô vận động dòng môi chất trình nạp động sử dụng dụng nhiên liệu xăng-ethanol Đường kính xilanh D(mm) Hành trình piston S (mm) Tỷ số nén ε Tốc độ động cực đại nmax (vòng/phút) Số xupáp nạp Zn Số xupáp thải Zt Nhiên liệu sử dụng 80 80 5000 2 Xăng Hình 3-2 thể mô hình 3D CATIA ½ không gian đường nạp, kết cấu xupáp nạp, xupáp thải ½ buồng cháy động Daewoo 1.6L DOHC với thông số cho bảng 3-1 Dữ liệu từ mô hình kết nối với ANSYS nhờ công cụ CAD Configuration Manger ANSYS xác lập yếu tố hình học đặc trưng cửa nạp, cửa thải, bề mặt xilanh, bề mặt đối xứng, xupáp nạp đế xupáp nạp, xupáp thải đế xupáp thải, kiểm tra tỷ số nén động nhờ công cụ DesignModeler (xem hình 3.3) Hình 3-2: Mô hình kích thước đường nạp buồng cháy động Daewoo 1.6L DOHC Hình 3-4a thể hình dáng hình học, vị trí nút cho tứ diện đặc trưng phần tử FLUID142, phần tử Fluid/thermal gồm bốn nút có tính chất vật liệu đẳng hướng sử dụng làm phần tử lưới Quá trình chia lưới thực tự động ANSYS ICM CFD nhờ công cụ ICE Mesh áp dụng chia lưới cho động đốt [6], phần tử có kích thước xác lập mặc định (nhỏ 0.304mm lớn 2.736mm), kết sau chia lưới thể hình 3-4b Dương Việt Dũng, Nguyễn Quang Trung a) Khai báo kết cấu động ANSYS 117 b) Mô hình hình học động khởi tạo ANSYS Hình 3-3: Mô hình hình học đường nạp-thải, nắp máy xilanh động Daewoo 1.6L DOHC a) Phần tử Fluid 142 b) Cấu trúc lưới mô hình Hình 3-4: Mô hình phần tử Fluid142 cấu trúc lưới mô hình Quá trình phun nhiên liệu thực đường nạp vòi phun với cấu trúc tia phun côn có thông số hình học góc côn θ, góc phân bố tia phun α β, điểm phun P phương tia phun a thể hình 3-4 [5] Tính chất nhiệt động học nhiên liệu độ nhớt, nhiệt dung riêng, nhiệt ẩn, khối lượng riêng,… thể lỏng thể đại lượng thay đổi theo nhiệt độ Fluent cung cấp (Fluent Database) Trong tính toán đại lượng nhiệt động học heptan ethanol nhập theo sổ tay tính chất vật lý chất lỏng khí [7] 118 Mô vận động dòng môi chất trình nạp động sử dụng dụng nhiên liệu xăng-ethanol Hình 3-5: Thông số hình học vòi phun tia phun Mô hình tính công cụ CFD Fluent sử dụng kết hợp hai mô hình rối k-ε Species Transport với số bước tính lặp 50 lần cho bước lưới Điều kiện biên xác lập thông qua thông số trình nạp (áp suất, nhiệt độ thành phần môi chất cửa nạp thải, áp suất xilanh cuối trình thải, nhiệt độ thành xilanh, thành đường nạp, nhiệt độ thân xupáp cuối trình thải) thông số phun nhiên liệu (vị trí phun, hướng phun, lưu lượng phun, vận tốc phun, đường kính góc côn vòi phun) (xem bảng 3-2) Bảng 3-2: Dữ liệu tính toán động Daewoo 1.6L DOHC Nhiên liệu sử dụng Tốc độ động (vòng/phút) Nhiệt độ khí nạp (K) Áp suất khí nạp (Pa) Hệ số tương đương trung bình 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 300 105 1,1 0.004557 40 Ethanol (C2H5OH) 2000 300 105 1,1 0.004557 40 Sau bước tính, lưới xác lập lại theo qui luật động học piston xupáp với độ tăng góc quay trục khuỷu 0,05o Kết tính toán mô vận động dòng khí nạp đường nạp, xilanh động trình phun, phân tán bay nhiên liệu xilanh động phân tích công cụ ANSYS CFD-Post ANSYS CFD-Post sau cập nhật kết tính toán từ Fluent biểu diễn trường vận tốc, áp suất, mật độ, nồng độ chất có hỗn hợp không khí-nhiên liệu cách trực quan trực quan véctơ biểu đồ màu theo mặt, theo phương khác toàn không gian 3D Bên cạnh ANSYS CFD-Post truy xuất đồ thị hệ số rối, nhiệt độ, áp suất trung bình,… hỗn hợp theo góc quay trục khuỷu (Crankshaft Angle - CA) Dương Việt Dũng, Nguyễn Quang Trung 119 KẾT QUẢ Trên hình 4-1 thể trường vận tốc môi chất mặt cắt qua đường tâm xupáp nạp thải (plan1) thời điểm ứng với góc quay 0, 40, 90, 120, 150 180o trục khuỷu với môi chất hỗn hợp heptan-air (hình 4-1a) ethanol-air (hình 41b) Vận tốc môi chất khác biệt lớn môi chất heptan-air ethanol-air, vấn tốc lớn tập trung phần không gian từ họng xupáp nạp đến tiết diện vành khăn đế xupáp với nấm xupáp có giá trị dao động từ đến khoảng 300m/s tùy thuộc vào góc quay trục khuỷu; Bên cạnh vùng có vận tốc tăng đột biến vùng bị xoáy lốc chủ yếu trước xupáp nạp với giá trị lên 1000m/s thời điểm sau xupáp nạp mở CA=40o CA=0o CA=40o CA=0o CA=90o CA=120o CA=90o CA=120o CA=150o CA=180o CA=150o CA=180o a) Heptan-air a) Ethanol-air Hình 4-1: Trường vận tốc môi chất đường nạp xilanh động 120 Mô vận động dòng môi chất trình nạp động sử dụng dụng nhiên liệu xăng-ethanol a) b) Hình 4-2: Áp suất (a) nhiệt độ (b) trung bình môi chất xilanh động Hình 4-2 thể qui luật thay đổi áp suất nhiệt độ trung bình môi chất xilanh động cơ, theo thời gian áp suất trung bình xilanh giảm dần từ 1.106 đến 5.103Pa tạo độ chân không nạp môi chất vào xilanh đồng thới nhiệt độ trung bình môi chất giảm theo từ 900 đến 350K Diễn biến áp suất cục thời điểm khác trình nạp thể chi tiết hình 4-3, cuối trình nạp (CA=180o ) áp suất môi chất xilanh hỗn hợp ethanol-air khoảng -3.103Pa cao so với hỗn hợp heptan-air khoảng -5.103Pa CA=0o CA=40o CA=0o CA=40o CA=90o CA=120o CA=90o CA=120o CA=150o CA=180o CA=150o CA=180o Dương Việt Dũng, Nguyễn Quang Trung 121 a) Heptan-air a) Ethanol-air Hình 4-3: Trường áp suất phân bố đường nạp xilanh Hình 4-4 thể mật độ hạt nhiên liệu phân tán đường nạp xilanh động Từ đầu đến thời điểm góc quay trục khuỷu 40o khoảng thời gian phun nhiên liệu xupáp nạp chưa mở nên tia phun chưa chịu tác động khí nạp hạt nhiên liệu phân bố co cụm theo cấu trúc tia phun Sau xupáp nạp mở, vòi phun kết thúc phun nhiên liệu bắt đầu phân tán rộng khắp không gian đường nạp sau vào xilanh với mật độ hạt giảm dần không gian phân bố tăng lên nhiên liệu bắt đầu bay hới; so với heptan ethanol có độ nhớt nhiệt ẩn lớn nên bay chậm cuối trình nạp mật độ hạt ethanol lớn không tìm thấy hạt heptan CA=0o CA=40o CA=0o CA=40o CA=90o CA=120o CA=90o CA=120o CA=150o CA=180o CA=150o CA=180o a) Heptan-air a) Ethanol-air Hình 4-4: Phân bố hạt nhiên liệu đường nạp xilanh động Sự bay nhiên liệu định nồng độ khối lượng phân tử heptan ethanol (Mass Fraction) định độ đậm (hệ số tương đương) hỗn hợp heptan-air ethanol-air Do ảnh hưởng khả bay nêu nên nồng độ khối lượng heptan lớn nồng độ khối lượng ethanol (xem hình 4-5) hệ số tương đương hỗn hợp heptan-air lớn hỗn hợp ethanol-air (xem hình 4-6) xét diễn biến hệ số tương đương hỗn hợp theo phương hướng kính chiều sâu xilanh Cụ thể hệ số 122 Mô vận động dòng môi chất trình nạp động sử dụng dụng nhiên liệu xăng-ethanol tương đương hỗn hợp heptan-air dao động khoảng 1,25 đến 1,50 (hỗn hợp đậm); trừ phần không gian phần đầu sát thành phải xilanh có hệ số tương đương nhỏ 1,0 phần không gian tập trung nhiên liệu vào cuối trình nạp trình phun kết thúc sớm Đối với hỗn hợp ethanol-air bay ethanol kết hợp với lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1kg ethanol (L0=9kgkk/kgnl) nhỏ heptan (L0=15kgkk/kgnl) nên hệ số tương đương hỗn hợp nhỏ 1,0 có giá trị dao động khoảng 0,50 đến 0,80 (hỗn hợp nhạt) gần giống với hỗn hợp heptan-air hỗn hợp ethanol-air đậm dần theo chiều sâu xilanh CA=0o CA=40o CA=0o CA=40o CA=90o CA=120o CA=90o CA=120o CA=150o CA=180o CA=150o CA=180o a) Heptan-air a) Ethanol-air Hình 4-4: Phân bố nhiên liệu đường nạp xilanh động Dương Việt Dũng, Nguyễn Quang Trung 123 b) Ethanol-air a) Heptan-air Hình 3-7: Độ đậm hỗn hợp xilanh Với qui luật diễn biến vận tốc, áp suất, nhiệt độ, phân bố nhiên liệu phân cho thấy kết tính toán phù hợp với lý thuyết trình nạp, tạo hỗn hợp động đánh lửa cưỡng bức, thấy ảnh hưởng tính chất nhiên liệu tới chất lượng hỗn hợp Tuy nhiên sở ban đầu, cần phải thay đổi điều chỉnh điều kiện ban đầu động cơ, thời điểm phun, kết thúc phun cấu trúc tia phun để thấy ảnh hưởng yếu tố cụ thể hơn; đồng thời tăng thời gian tính toán lên đến cuối trình nén để đánh giá xác hỗn hợp trước cháy KẾT LUẬN - Ansys giúp kết nối công cụ CAD Catia, CFD Fluent để tính toán chu trình nhiệt cho động đốt Với công cụ ICE, Ansys xác lập thông số hình học, động học piston, động học xupáp cho động đốt trong; chia lưới tạo lưới động theo góc quay trục khuỷu; xác lập nhiệt động lực nhiên liệu, lưu lượng, thời gian phun cấu trúc tia phun; đồng thời ứng dụng mô hình lượng Energy, mô hình rối k-ε mô hình chuyển hóa chất Species Transport để tính toán trình nạp hình thành hỗn hợp cho động đốt - Quá trình nạp động Daewoo 1.6L DOHC sau tính toán phản ánh trường vận tốc, qui luật thay đổi áp suất, qui luật thay đổi nhiệt độ đặc biệt qui luật phân bố nhiên liệu xilanh động so với lý thuyết - Ethanol có độ nhớt nhiệt ẩn lớn làm cho tính bay xăng (heptan) cuối trình nạp chưa bay hoàn toàn; đồng thời lượng không khí lý thuyết đốt cháy hết 1kg nhiên liệu nhỏ xăng nên hỗn hợp ethanol-air cuối trình nạp nhạt xăng đậm điều kiện nạp hệ số tương đương trung bình hỗn hợp - Điều kiện biên xác lập để tính toán trình nạp bước đầu làm sở hoàn thiện tính toán chu trình nhiệt cho động đốt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động đốt NXB Giáo 124 Mô vận động dòng môi chất trình nạp động sử dụng dụng nhiên liệu xăng-ethanol 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 Publishers B.V, pp.1-12 in engines" Elsevier Science [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 [8] http://en.wikipedia.org/wiki/K-epsilon_turbulence_model