Trải qua gần năm thập kỷ hình thành và phát triển, với sự góp sức của hàng trăm, ngàn nhà khoa học từ nhiều nước phát triển trên thế giới, ngày nay các phần mềm mô phỏng động cơ đã dần hoàn thiện và xuất được nhiều kết quả thay thế cho đo đạc thực nghiệm hoặc tính toán lý thuyết và thiết kế, mô phỏng, tính toán không những rút ngắn đáng kể thời gian, công sức cho người thiết kế mà còn cho kết quả rất chính xác. Các
phần mềm này rất đa dạng và phong phú với những ưu việt khác nhau. Tùy thuộc vào phạm vi áp dụng, lựa chọn phần mềm phù hợp
Các cơ sở nghiên cứu quá trình cháy CRF và phát triển động cơ ACE R&D đã phát triển các phần mềm máy tính có khả năng mô phỏng quá trình phun, hình thành hỗn hợp và cháy. Các phần mềm này có thể dùng để nghiên cứu một cách chuyên sâu về các chu trình công tác làm việc của động cơ, có khả năng thiết kế mẫu, thử nghiệm mẫu trên lý thuyết và những phần mềm mô phỏng này được rất nhiều các nhà sản xuất động cơ sử dụng như Caterpillar, Cummins, General Motors, Ford và Chrysler, dùng để phát triển động cơ cháy sạch hơn và nâng cao hiệu suất động cơ.
Hiện nay, các trung tâm nghiên cứu động cơ đốt trong lớn trên thế giới đã tập trung nghiên cứu phát triển các phần mềm cho phép giải quyết các bài toán tính toán mô phỏng hoàn thiện chu trình công tác của động cơ, trước hết là giải quyết các vấn đề liên quan đến tổ chức hợp lý quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel.
Như đã giới thiệu ở trên, mỗi phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong đều được phát triển nhắm đến mục tiêu trong một lĩnh vực nhất định, cụ thể như:
- Phần mềm ESP (Engine Simulation Program): Phần mềm chuyên dùng trong mô phỏng động cơ, đặc biệt mô phỏng chu trình công tác của động cơ diesel [2]. - KIVA: Phần mềm CFD mô phỏng 2D và 3D với các dòng lưu chất chảy rối, tia
phun có tương tác hóa học như mô phỏng sự cháy động cơ đốt trong [3].
- ANSYS FLUENT: Phần mềm dùng tính toán động lực học chất lỏng, mô hình hóa dòng lưu chất, dòng chảy rối, trao đổi nhiệt [10], [12].
- AVL – FIRE, BOOST: Mô phỏng nhiệt động lực học trong động cơ đốt trong. - HYDSIM: Mô phỏng hệ thống nhiên liệu và quá trình phun nhiên liệu
- CRUISE: Mô phỏng nâng cao hiệu suất và phân tích khí thải động cơ.
Ở Việt Nam, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng động cơ mới được đưa vào những năm gần đây, sử dụng chủ yếu vào mục đích giảng dạy và nghiên cứu trong thí nghiệm động cơ của các trường Đại học, Viện Nghiên cứu. Do điều kiện kinh tế và cơ sở vật chất hạn chế nên phạm vi áp dụng các phần mềm để nghiên cứ chế tạo động cơ mới chưa có nhiều, vẫn chỉ ở giai đoạn nghiên cứu và chưa phát triển rộng.
Trong các phần mềm trên, phần mềm mô phỏng ESP là phần mềm tính toán mô phỏng động cơ đốt trong do các chuyên gia khoa Kỹ thuật cơ khí của Đại học Cambridge [15] (Mỹ) phát triển từ năm 1999. Tác giả là giáo sư W.C. Reynolds, sau
đó được M.J Lumley bổ sung, phát triển. ESP ban đầu với mục đích phục vụ cho đào tạo nhưng với nhiều ưu điểm vượt trội, phần mềm này đã được nhiều nhà nghiên cứu thiết kế động cơ sử dụng.
Với ưu điểm gọn nhẹ, dễ cài đặt, tính chính xác và khoa học cao, ESP cho phép thiết lập mô hình cho động cơ, khai báo các thông số hình học, thời gian đóng mở xupap, áp suất, thời điểm phun, nhiên liệu sử dụng một cách chính xác và chi tiết. Chính vì vậy, ESP cho phép dự báo chính xác kết quả quá trình cháy và các thông số áp suất, vận tốc, nhiệt độ, lưu lượng, khối lượng biến thiên trong chu trình công tác của động cơ diesel khi thay đổi các thông số nói trên. Đây là điều mà một số phần mềm khác thường dùng để tính toán chu trình công tác cho động cơ diesel chưa đề cập đến.
Có nhiều phương pháp để hoàn thiện chu trình công tác và tìm ra các thông số tính năng, bên cạnh tính toán thuần túy lý thuyết hoặc dùng thực nghiệm đo đạc kiểm tra thì mô phỏng số là kỹ thuật đi đến thành công tối ưu nhất. Các kết quả mô phỏng được so sánh với thực tế để kiểm nghiệm tính chính xác.
Từ những phân tích ở trên, sử dụng phần mềm ESP, nghiên cứu mô phỏng chu trình công tác để xác định các thông số tính năng của động cơ diesel là hết sức cần thiết. Kết quả nghiên cứu cho phép hiểu sâu hơn quy luật thay đổi các thông số tính năng khi thay đổi một số thông số vận hành (ví dụ: tốc độ động cơ, góc phun sớm), đây là điều quan trọng, làm cơ sở lý thuyết phục vụ đào tạo giảng dạy chuyên sâu, nâng cao về lý thuyết động cơ đốt trong và thay thế số liệu thực nghiệm trong nghiên cứu, lựa chọn các thông số để tìm ra biện pháp cải thiện quá trình cháy cho động cơ.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ DIESEL