Mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu Biodiesel trong động cơ Diesel bằng phần mềm CFD-KIVA

Nội dung của bài viết trình bày kết quả của việc ứng dụng phần mềm KIVA để tìm ra các giá trị tối ưu của thời điểm phun mà ở đó các thông số về công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, khí thải là hợp lí nhất và phù hợp với động cơ thực nghiệm. Đây chính là một trong những hướng nghiên cứu tiên tiến trong ngành động cơ đốt trong. Đặc biệt, nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel dùng cho động cơ diesel.

ISSN 2354-0575 MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU BIODIESEL TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG PHẦN MỀM CFD-KIVA Nguyễn Mạnh Cường1, Vũ Xuân Trường1, Phạm Văn Hải1, Mai Đức Nghĩa2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Trường Sỹ quan Không quân Ngày nhận: 10/01/2017 Ngày sửa chữa: 18/02/2017 Ngày xét duyệt: 15/03/2017 Tóm tắt: Một hệ thống có ảnh hưởng định đến chất lượng trình cháy tiêu động diesel hệ thống cung cấp nhiên liệu Vì vậy, việc nghiên cứu nhằm làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt động tốt nhất, tối ưu nhất, nhận quan tâm nhà nghiên cứu giới Phần mềm tính tốn mô KIVA, phát triển nhiều năm qua Phịng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Los Alamos National Laboratory – LANL), Hoa Kỳ, phần mềm CFD mơ 2D 3D dịng lưu chất chảy rối với tia phun, có phản ứng hóa học mô cháy động đốt KIVA3V chương trình máy tính dùng để mơ q trình động đốt nói chung trình phun nhiên liệu, trình cháy nhiên liệu động Diesel nói riêng Bài báo trình bày kết việc ứng dụng phần mềm KIVA để tìm giá trị tối ưu thời điểm phun mà thơng số cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu, khí thải hợp lí phù hợp với động thực nghiệm Đây hướng nghiên cứu tiên tiến ngành động đốt Đặc biệt, nghiên cứu trình cháy nhiên liệu biodiesel dùng cho động diesel Từ khóa: Q trình cháy, nhiên liệu biodiesel, phần mềm KIVA, động diesel Giới thiệu Quá trình cháy động đốt định đến công suất, hiệu suất, mức kinh tế, mức phát thải ô nhiễm tính động vận hành Các nguyên lý làm việc cải tiến, loại nhiên liệu thay nhiên liệu tái tạo (ví dụ: LPG, CNG, biogas, dầu thực vật, biodiesel, xăng pha cồn…) không ngừng nghiên cứu phát triển cho động đốt tốn tiết kiệm, sử dụng hiệu lượng bảo vệ mơi trường, chống biến đổi khí hậu Q trình nghiên cứu phát triển địi hỏi cơng cụ mạnh mẽ thực nghiệm mô động đốt trong, đặc biệt công cụ để phân tích thơng số đặc trưng q trình cháy Giải vấn đề, số phủ Mỹ thành lập sở nghiên cứu trình cháy (Combustion Research Facility - CRF) bắt đầu hoạt động vào năm 1981, chương trình nghiên cứu nâng cao động đốt (Advanced Combustion Engine R&D - ACE R&D) bắt đầu vào năm 1986 Một hệ thống có ảnh hưởng định đến tiêu động diesel hệ thống cung cấp nhiên liệu trình cháy nhiên liệu Nhiên liệu cung cấp vào buồng cháy vào thời điểm nào, chất lượng tia phun trình cháy diễn tốt Vì vậy, việc nghiên cứu nhằm làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt động tốt nhất, tối ưu nhất, nhận quan tâm nhà nghiên cứu Các sở nghiên cứu 28 trình cháy CRF phát triển động ACE R&D phát triển phần mềm máy tính có khả mơ q trình phun, hình thành hỗn hợp cháy, chẳng hạn như: KIVA, phần mềm nhiệt động học q trình cơng tác động PROMO Đức dựa lý thuyết tính tốn động lực học chất lỏng CFD (computational Fluit Dynamics), phần mềm CLEERS (Cross-Cut Lean Exhaust Emissions Reduction Simulation); phần mềm BOOST, FIRE, HYDSIM, EXCITE, GLIDE, TYCON, BRICKS hãng AVL (cộng hịa Áo) Phần mềm tính tốn KIVA, phát triển nhiều năm qua Phịng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Los Alamos National Laboratory – LANL), Hoa Kỳ, phần mềm CFD mô 2D 3D dịng lưu chất chảy rối với tia phun, có phản ứng hóa học mơ cháy động đốt Cấu trúc phần mềm KIVA KIVA3V chương trình máy tính dùng để mơ q trình động đốt nói chung q trình phun nhiên liệu động Diesel nói riêng Cấu trúc chương trình gồm phần chính: “Pre - processor”: k3prep_chương trình dùng để tạo lưới cho mơ hình “Main - processor”: kiva3v_chương trình xử lý “Post - processor”: Origin + Tecplot_ chương trình tạo biểu đồ, hình ảnh Khoa học & Cơng nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Các mơ hình tính tốn KIVA Việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số phun nhiên liệu động diesel phun trực tiếp thực phần mềm mơ KIVA3V Đây chương trình mơ dựa phương trình bảo tồn chuyển hóa nhiệt, khối lượng mơ men pha khí xy lanh Để mơ dịng chuyển động rối, mơ hình dịng chảy rối “Renormalized Group k-epsilon” (RNG k-f ) Han Reitz xây dựng nên [1] Ngồi ra, việc kết hợp hai mơ hình Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor để hình thành nên mơ hình lai KHRT sử dụng để mơ q trình phân rã tia nhiên liệu ([2], [3]) Bên cạnh đó, KIVA3V cịn sử dụng nhiều mơ hình phụ khác để mơ q trình xảy nhiên liệu phun vào buồng đốt bắt đầu bén lửa mơ hình bay nhiên liệu, mơ hình truyền nhiệt phần tử, mơ hình va chạm hạt nhiên liệu [4] Việc khảo sát tác động thông số phun đến ô nhiễm môi trường KIVA3V sử dụng mô hình Zel’dovich cho q trình hình thành NOx [5] tính tốn hình thành bồ hóng q trình ô xi hóa bồ hóng mô mô hình bồ hóng “8 bước” Foster [6] KIVA3V sử dụng mơ hình lai Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor (KH-RT) để diễn tả phân rã tia nhiên liệu Mơ hình này, phát triển dựa mơ hình TAB, mơ hình sử dụng rộng rãi việc mơ tia phun “Lagrangian” ([7]; [8]; [9]) Thực nghiệm cho thấy, mơ hình KH-RT diễn tả tốt điều kiện hoạt động thay đổi động [10] Mơ hình KH-RT kết hợp hai mơ hình phân rã tia phun: mơ hình Kelvin-Helmholtz, giải thích phát triển khơng ổn định sóng bề mặt tia nhiên liệu lỏng gây sai khác vận tốc pha lỏng pha khí Mơ hình RayleighTaylor, giải thích phát triển sóng bề mặt hạt nhiên liệu cọ xát bề mặt hạt khí Theo Kelvin - Helmholtz, lớp biên trường tia nhiên liệu sinh phát triển nhanh chóng chiều dài sóng ( m KH) tốc độ hình thành (X KH) hạt nhiên liệu: r `1 + 45Oh j_1 + 4Ta i = 02 0.6 _1 + 856We1 67 i m KH Trong đó, Oh: số Ohnesorge; Ta: số Taylor; We: số Weber `0 34 + 38We j v X KH = _1 + Oh i_1 + 4Ta i t d r Bán kính tới hạn hạt nhiên liệu rc - bán kính hình thành sau hạt nhiên liệu thoát khỏi tia phun phụ thuộc chiều dài sóng m KH tốc độ mà Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 hạt nhiên liệu khỏi tia phun, giá trị thời gian phân rã tia phun tKH (đại diện cho tốc độ phân rã) phụ thuộc vào chiều dài sóng m KH, tốc độ hình thành X KH bán kính hạt nhiên liệu, r: rc = B0 m KH 726B1 r tKH = X KH m KH Với, rc: bán kính tới hạn hạt nhiên liệu; B0, B1: số mơ hình; r: bán kính hạt nhiên liệu Sự biến thiên kích thước hạt xác định phương trình sau: r - rc dr dt =- tKH Phương trình mô tả tốc độ mà hạt nhiên liệu đạt đến trạng thái cân Thông số B0 B1 tra Bảng Thông số B0 xác định điều kiện để phân rã bắt đầu Nếu We < Wegiới hạn, hạt nhiên liệu tự đạt tới trạng thái ổn định trình phân rã tia phun không xảy Thông số thứ hai, B1, kiểm sốt thời điểm mà hạt nhiên liệu hình thành Bảng Hằng số mơ hình KH-RT Thơng số mơ hình B0 Giá trị 0.61 B1 40.0 Cx 1.0 CRT 0.1 Wegiới hạn Theo Rayleigh - Taylor, việc xuất hạt nhiên liệu bị chi phối tốc độ xáo trộn bề mặt hạt Sự xáo trộn đuôi lớp biên [11] Chiều dài sóng ( m RT) tốc độ hình thành ( X RT ) cho công thức: gt _ t l - t g i 3v _ t l + t g i du u Với, gt = b g + dtd l d ud 3v m RT = 2rCRT gt _v l - v g i Trong đó, CRT thơng số mơ hình CRT xác định điều kiện để hạt phân rã thành hạt có kích thước nhỏ hơn, thơng số xác định kích thước mà hạt đạt 1.5 X RT = Xây dựng mơ hình tính tốn mơ Thơng số động nghiên cứu xy lanh: Hình ảnh động Hình Tính tốn thực với mơ hình lưới xây dựng theo động diesel nghiên cứu AVL 5402 xy lanh, phun trực tiếp với kim phun có Journal of Science and Technology 29 ISSN 2354-0575 Việc tạo mơ hình lưới động AVL 5402 KIVA3V dựa vào thông số đầu vào Bảng Xác định thông số kết cấu khác động nghiên cứu như: vị trí biên dạng hình học buồng cháy đỉnh piston Xác lập biên dạng hình học buồng cháy đỉnh piston thực dựa vào vẽ thiết kế từ nhà sản xuất AVL trình bày Hình Góc mơ xác định 72o - tượng trưng cho 1/5 khơng gian buồng đốt, góc mơ xác định dựa vào kim phun sử dụng động nghiên cứu AVL loại lỗ tia kết cấu hình học buồng đốt đối xứng qua đường tâm xy lanh Hình lỗ phun Thơng số động Bảng Hình Động diesel AVL 5402 Bảng Thông số động xy lanh AVL 5402 Thông số Giá trị Số xy lanh Đường kính xy lanh Dung tích xy lanh 85 mm 510.7 cm3 Tỉ số nén 17 : Nhiên liệu Công suất cực đại Số lượng xupáp Diesel 18/4200 kW/rpm nạp, thải Kiểu xy lanh Ướt Hệ thống phối khí Kiểu kim phun Số lỗ tia x đường kính x góc phun Lưu lượng DOHC Bosch CP1 1350Bar x 0.17mm x 1420 375ml/30s Độ nâng kim 0.2mm Hình Phân vùng lập tọa độ điểm vị trí biên piston Sau xác định thông số cần thiết cho tệp tin đầu vào Iprep.txt Kết ta thu mơ hình lưới động AVL Hình với góc mơ 72o Mơ hình lưới bao gồm 37 vùng theo phương hướng kính, 36 vùng theo phương tiếp tuyến 31 vùng theo phương hướng trục, tạo 44975 piston vị trí điểm chết Xây dựng mơ hình lưới mơ Hình Bản vẽ thiết kế piston AVL 30 Hình Mơ hình lưới buồng đốt piston AVL với góc mơ 72o Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Kết thảo luận Hình thể biến thiên áp suất xy lanh theo góc quay trục khuỷu chế độ tải 40%, 60% 80% Có thể thấy tất thơng số phun khơng thay đổi, q trình cháy ba chế độ tải nhau, thể gia tăng áp suất đồng Sự khác biệt thể giá trị áp suất cực đại, tăng dần lớn với chế độ 80% tải xy lanh theo góc quay trục khuỷu từ thời điểm xú páp nạp đóng (-134oATDC) đến xú páp thải bắt đầu mở (128oATDC) Hình Biến thiên áp suất nhiệt độ, 80% tải, thời điểm phun -18oATDC Hình Biến thiên áp suất (thực nghiệm) chế độ tải 40%, 60% 80% Hiệu chỉnh mô với thực nghiệm: Hình so sánh biến thiên áp suất xy lanh chưa phun nhiên liệu Đường nét rời đường cong thực nghiệm, nét liền đường cong mô Sự trùng khớp hai đường cong chứng minh thông số tỷ số nén, áp suất ban đầu nhiệt độ ban đầu mô phù hợp Hình giới thiệu mơ hình mơ thời điểm -17oATDC, nhiên liệu vừa phun vào buồng cháy động Để nghiên cứu chi tiết hình thành NOx buồng cháy, mặt cắt ngang tia nhiên liệu tạo Hình a, b, c trình bày nồng độ phân bố NOx mặt cắt ngang ba thời điểm: 0oATDC, 10oATDC 20oATDC Các đường liền nét hình thể đường đẳng hệ số dư lượng khơng khí U = 0.8, 1.0 1.2 Các mặt cắt thể phân bố nhiệt độ tương ứng trình bày hình d, e, f 0oATDC 10oATDC 20oATDC a) b) c) e) f) Phân bố NOx d) Hình So sánh áp suất xy lanh không xảy cháy Kết mơ điển hình trường hợp bất kỳ, chọn trường hợp 80% tải, thời điểm phun nhiên liệu -18oATDC, thời gian phun 10o góc quay trục khuỷu (CA – Crank Angle) Hình thể biến thiên áp suất nhiệt độ Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Hình Sự phân bố nhiệt độ nồng độ NOx mặt cắt 0o, 10o 20oATDC Ở thời điểm 0oATDC, nhiệt độ xy lanh thấp ngưỡng cần thiết nên NOx chưa tạo nên (Hình a) Ở 10oATDC, khu vực Journal of Science and Technology 31 ISSN 2354-0575 có nhiệt độ cao lên đến 2800K (hình e) tập trung quanh vùng có U từ 0.8 đến 1.2 Đây khu vực màng lửa Do điều kiện thuận lợi vậy, lượng NOx buồng cháy hình thành mạnh tập trung quanh khu vực có U từ 0.8 đến 1.2 (hình b) Đến 20oATDC, lượng NOx xy lanh khơng cịn tạo thêm nhiệt độ giảm ngưỡng cần thiết thiếu oxy xy lanh Kết luận Từ kết nghiên cứu đây, rút kết luận sau đây: - Thời điểm phun trễ thời gian cháy trễ ngắn Với thời điểm phun, động hoạt động chế độ tải lớn có thời gian cháy trễ ngắn - Thời điểm phun trễ lượng NOx phát thải giảm Với thời điểm phun, nhìn chung động hoạt động chế độ tải lớn có lượng NOx phát thải lớn - Việc ứng dụng phần mềm tìm giá trị tối ưu thời điểm phun mà thơng số cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu, khí thải hợp lí phù hợp với động thực nghiệm Đây hướng nghiên cứu tiên tiến ngành động đốt Đặc biệt, nghiên cứu trình cháy nhiên liệu biodiesel dùng cho động diesel References [1] Han, Z.; Reitz, R.D., “Turbulence Modeling of Internal Combustion Engines using RNG k-e Models,” Combust Sci and Tech 106, 4-6, p 267, 1995 [2] Angermann, A.; Beuschel, M.; Rau, M.; Wohlfarth, U.: Simulation Mit SIMULINK/MATLAB: Skriptum Mit Ubungsaufgaben Stand: 29 November 2001, TU munchen: [3] Reitz, R.D.; Diwakar, R., “Structure of High-Pressure Fuel Sprays,” Society of Automotive Engineers Technical Paper 870598, SAE Transactions Vol 96, Sect 5, pp 492-509, 1987 [4] Kärrholm, F.P., “Numerical Modelling of Diesel Spray Injection, turbulence Interaction and Combustion” Thesis for Doctor of Philosophy, 2008 [5] Zel’dovich, Y.B., “The Oxidation of Nitrogen in Combustion and Explosions” Acta Physiochimica USSR, Vol 21, 1946 [6] Kim, H., and N.Sung, 2004 “Combustion and Emission Modelling for a Direct Injection Diesel Engine” SAE paper No.2004-01-0104 [7] Amsden, A A., O’Rourke, P J and Butler, T D KIVA-II: A Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays, Report No LA-11560-MS, Los Alamos National Laboratories, May 1989 [8] Amsden, A A KIVA-3V, Release 2: Improvements to KIVA-3V, Report No LA-UR-99-915, Los Alamos National Laboratories, October 1996 [9] Kimura, S., Ogawa, H., Matsui, Y and Enomoto, Y “An Experimental Analysis of Low Temperature and Premixed Combustion for Simultaneous Reduction of NOx and Particulate Emissions in Direct-Injection Diesel Engines” Int J Engine Res., 3, pp 249-259, 2002 [10] Khai, Nguyen Le Duy.,N Sung, S.S.Lee, H.S.Kim, 2011 “Effects of Split Injectio, Oxygen Enriched Air and Heavy EGRon Soot Emissions in a Diesel Engine” International Journal of Automotive Technology, Vol.12, No 3, 2011 [11] G.Stiesch, 2003, “Modeling Engine Spray and Combustion Processes,” Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003 SIMULATION OF BIODIESEL FUEL COMBUSTION IN DIESEL ENGINES WITH CFD-KIVA SOFTWARE Abstract: One of the systems has a decisive effect on the quality of combustion process, as well as the performance of diesel as the fuel supply system Thus, the study aims to make fuel system works best, most optimal; always get the attention of researchers worldwide KIVA calculation and simulation software, was developed many years at Los Alamos National Laboratory (Los Alamos National Laboratory - LANL), USA, is the CFD simulation software for 2D and 3D fluid flow turbulence with rays spray, chemical reactions 32 Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 such as combustion simulation of combustion engines KIVA3V the computer program used to simulate the process of internal combustion engines in general and the fuel injection, combustion of diesel fuel in particular This paper presents the results of the KIVA software application to find out the optimum value of injection timing at which the parameters of power, fuel consumption rate, gas is the most logical and consistent Experimental matching engine This is one of the advanced researches in internal combustion engines In particular, studies of combustion of biodiesel fuel for diesel engines Keywords: Combustion, biodiesel fuel, KIVA software, diesel engine Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology 33 ... số phun nhiên liệu động diesel phun trực tiếp thực phần mềm mô KIVA3V Đây chương trình mơ dựa phương trình bảo tồn chuyển hóa nhiệt, khối lượng mơ men pha khí xy lanh Để mơ dịng chuyển động rối,... để mơ q trình phân rã tia nhiên liệu ([2], [3]) Bên cạnh đó, KIVA3V cịn sử dụng nhiều mơ hình phụ khác để mơ q trình xảy nhiên liệu phun vào buồng đốt bắt đầu bén lửa mơ hình bay nhiên liệu, mơ... hạt nhiên liệu, r: rc = B0 m KH 726B1 r tKH = X KH m KH Với, rc: bán kính tới hạn hạt nhiên liệu; B0, B1: số mô hình; r: bán kính hạt nhiên liệu Sự biến thiên kích thước hạt xác định phương trình