Hình 3. 4. Môi trường làm việc của ESP
Proceed to fuel identification: Tiến hành tạo dữ liệu cho nhiên liệu
Use another .SUD data file: Sử dụng dữ liệu có khác có sẵn
Quit ESPJAN: thoát chương trình ESPJAN + Xác định các chất tham gia phản ứng cháy:
+ Xác định loại nhiên liệu phản ứng cháy: C14H30 (dầu diesel) + Xác định tỷ lệ phản ứng và khối lượng mol
Cháy ở động cơ đốt trong là quá trình thực hiện các phản ứng hóa học kèm theo tỏa nhiệt, Phương trình hóa học các phân tử nhiên liệu và không khí ở động cơ đốt trong có thể được biểu diễn như sau: [8]
2 2 2 2 2 ( ).( 3, 76 ) 3, 76 4 2 2 4 2 n m r m r m m r C H O n O N nCO H O n N (3- 33) Phương trình (3-29) trên được viết với nhiên liệu C14H30 (nhiên liệu diesel)
14 30 2 2 2 2 2
30
21.5 80,84 14 80,84 2
C H O N CO H O N (3- 34)
Như vậy, để đốt cháy hoàn toàn 1 mol C14H30 cần 21,5 mol oxy, 80,84 mol Nito. Do quá trình cháy thực tế trên động cơ không phải lý tưởng, nên khí thải gồm nhiều chất ô nhiễm khác nhau: CO, CO2 , H20, NO, NO2 ,bồhóng…
Hình 3. 6. Giao diện chính ESP
Run with this setup: Chạy với thiết lập đã nhập.
Use another setup file: Sử dụng tập tin đã cài đặt.
Create totally new setup: Tạo các thiết lập mới.
Chọn Run with this setup để chạy với phần thiết lập thông số động cơ Diesel Yanmar 4CHK từ màn hình chính
Hình 3. 7. Giao diện khai báo
Operating Parameters: Các thông số hoạt động.
Engine Geometry: Các thông số mô hình động cơ.
Model Parameters: Các thông số mô hình cháy.
Setup file save option: Thiết lập chế độ lưu các thông số.
3.4.2. Thiết lập các thông số làm việc
Tại mục Operating Parameters
- Số vòng quay của động cơ: 2300 vòng/phút.
Hình 3. 8. Nhập các thông số hoạt động của động cơ
Các thông số điều kiện môi trường xung quanh.
- Áp suất khí môi trường xung quanh cửa vào: 1,02 amt. (ứng với p0 = 1,03 Bar) - Áp suất khí môi trường xung quanh cửa ra: 1,02 atm.
- Nhiệt độ môi trường xung quanh: 303K
- Hồi lưu khí xả EGR: do động cơ diesel Yanmar 4CHK không có hồi lưu khí xả, nhập 0 vào “mass percent EGR” để hiệu chỉnh chương trình
Các thông số thời gian đóng mở xupap, thời gian mô phỏng. Tính từ điểm chết trên cuối kỳ nén, thời điểm đóng mở xupap:
Bảng 3. 3. Thông số góc phân phối khí động cơ Yanmar 4CHK Góc phân phối khí Các góc phân phối khí tính
từ ĐCT hoặc ĐCD
Quy đổi các góc tính từ ĐCT cuối kỳ nén
Góc mở xupap nạp 16o Trước ĐCT đầu kỳ nạp 344 Góc đóng xupap nạp 52o sau ĐCD đầu kỳ nén 592 Góc mở xupap xả 52o trước ĐCD đầu kỳ xả 128 Góc đóng xupap xả 16o sau ĐCT đầu kỳ nạp 376
3.4.3. Thiết lập các thông số cố định cho mô hình động cơ
Phần mềm ESP xây dựng mô hình buồng cháy phù hợp với động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp, trên cơ sở này người sử dụng cung cấp thông số về buồng cháy của động cơ nghiên cứu, ESP sẽ tự động hiệu chỉnh mô hình phù hợp với điều kiện khai báo đầy đủ thông số làm việc chu trình như các góc đóng mở xupap đã được trình bày ở trên.
Tại mục Engine Geometry
Đường kính xi lanh, hành trình piston, tỉ số nén, chiều dài thanh truyền, với số liệu sau:
Tên các thông số Đơn vị tính Giá trị
Đường kính xi lanh m 0,105
Tỉ số nén. 16,4
Hành trình Piston m 0,125
Chiều dài thanh truyền m 0,215
Hình 3. 9. Nhập các thông số mô hình của động cơ 3.4.4. Thiết lập các thông số mô hình cháy.
Tại mục Model Parameters:
+ Chọn tính chất của khí tham gia phản ứng cháy trong động cơ Chọn file C14H30.ESJ đã lưu sẵn ở trên trong thư mục lưu trữ + Chọn mô hình ống nạp và mô hình ống xả.
Hình 3. 10. Thiết lập các thông số mô hình cháy. 3.4.5. Thiết lập chế độ lưu các thông số
Setup file save option
Hình 3. 11. Thiết lập chế độ lưu cho mô hình vừa xây dựng.
3.4.6. Chạy mô phỏng với các thông số kĩ thuật động cơ Diesel Yanmar 4CHK đã thiết lập thiết lập
+ Chọn “Run With This Setup” để chạy kết quả mô phỏng. Để kiểm tra sự hội tụ ta nhập số chu kì cần kiểm tra rồi OK, (ở đây số chu kì cần kiểm tra là 10). Chọn “ Execute selected run task”.
Hình 3. 12. Số chu kì kiểm tra hội tụ.
Kiểm tra độ hội tụ cho mô hình: Kết quả của 10 chu kì.
Hình 3. 13. Kết quả hội tụ 10 chu kì đầu.
Lưu lại các thông số đầu ra
+ Lưu thay đổi các thông số lưu mặc định “Matlab File.M” với các thông số:
Hộp Temperatures, Matlab File.M thành NHIETDO.4CHK,chọn OK
Hộp Masses, Matlab File.M thành KHOILUONG.4CHK,chọn OK
Hộp pressures, Matlab File.M thành APSUAT.4CHK,chọn OK
Hộp Temperatures, Matlab File.M thành NANGLUONG.4CHK,chọn OK
Hộp Velocities, Matlab File.M thành VANTOC.4CHK,chọn OK Chọn “Execute selected run task” để lưu lại các thông số trên
Hình 3. 14. Tiến trình lưu lại các thông số bằng file Matlab
+ Lưu File ”DIESEL_4CHK.ESM” ghi dữ liệu các thông số mô phỏng động cơ Diesel YANMAR 4CHK
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
4.1. Phát thải khí xả theo chu trình
Các kết quả mô phỏng chu trình động cơ theo thông số tiêu chuẩn. Trong kết quả mô phỏng này:
- Nhiên liệu sử dụng C14H30 - n = 2300 v/p
- Góc phun sớm 180 trước điểm chết trên
- Các thông số khác về động cơ, được chọn theo phụ lục 2
Phát thải khí xả theo chu trình gồm các chất được thể hiện trên hình 4.1, trong đó không thể hiện hàm lượng phát thải bồ hóng, do không hiệu chỉnh các hệ số mô hình phù hợp. Vì vậy, quá trình cháy trong chu trình chưa xác định được hàm lượng bồ hóng (vấn đề này sẽ được đề cập trong phần kiến nghị).
Hình 4. 1. Phát thải khí xả theo chu trình 4.1. Diễn biến giá trị các thông số trong xi lanh
- Áp suất:
Hình 4.2 Thể hiện sự biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ. Đạt giá trị cao nhất 74,28 Bar ở 364 độ gqtk. Giá trị áp suất đạt cực đại sau ĐCT cho thấy, ở góc phun tối ưu của động cơ theo quy định của nhà chế tạo. Tại đó, áp suất cháy cực đại đạt được đúng thời điểm và có giá trị phù hợp để tạo ra chu trình làm việc của động cơ đạt hiệu suất cao nhất.
Hình 4. 2. Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ.
- Nhiệt độ:
Hình 4. 3. Phân bố nhiệt độ khí cháy trong xi lanh
Hình 4.3 thể hiện sự phân bố nhiệt độ khí cháy trong xi lanh động cơ. Đạt giá trị cao nhất 2000 0K ở 356 độ gqtk P (Bar) φ (độ gqtk) φ (độ gqtk) φ (độ gqtk) T (0K) T (0K)
Trên đồ thị hình 4.4 thể hiện sự phân bố nhiệt độ trung bình môi chất trong xi lanh động cơ. Đạt giá trị cao nhất 1990 0K ở 360 độ gqtk, Nhiệt độ giảm nhanh ngay sau khi áp suất đạt cực đại, trong khi đó ở hình 4.3, nhiệt độ khí cháy phân bố ở vùng cháy kéo dài hơn cho đến cuối quá trình cháy (thể hiện ở vùng đỉnh rộng hơn).
Hình 4. 5. Đồ thị thể hiện khối lượng sản phẩm cháy
Trên hình 4.5 cho thấy, thời gian khi nhiên liệu được phun vào trước ĐCT cho đến khi kết thúc phun nhiên liệu sau điểm chết trên khoảng 28-300 góc quay trục khuỷu, sau khi hỗn hợp cháy và sinh công, đồ thị thể hiện khối lượng môi chất trong xi lanh giảm dần theo hành trình xả khoảng 540- 7200.
Hình 4. 6. Phân bố khối lượng khí cháy trong xi lanh theo chu trình Hình 4.6 thể hiện khối lượng khí cháy trong xi lanh theo chu trình công tác. Tính từ thời điểm cuối quá trình nén đến trước khi xả (chưa xét đến thời điểm đóng mở các xupap) từ 1800-5400 góc quay trục khuỷu. Trong khoảng thời gian này, trung bình các giá trị thể hiện là đường thẳng nằm ngang
φ (độ gqtk) m (g) m (g) φ (độ gqtk)
Hình 4. 7. Tốc độ tích lũy năng lượng trong xi lanh
- Vận tốc rối của môi chất:
Hình 4. 8. Vận tốc rối của môi chất trong xi lanh
Từ các đồ thị trên cho thấy giá trị áp suất và nhiệt độ trong xi lanh phù hợp với lý thuyết về chu trình công tác của động cơ.
φ (độ gqtk) φ (độ gqtk) φ (độ gqtk) Q (J/s) v (m/s) Li (J)
Hình 4. 10. Đồ thị tốc độ cháy
4.3. Chu trình công tác của động cơ Yanmar-4CHK khi thay đổi góc phun sớm φs
Tiến hành mô phỏng ở góc phun sớm 160 góc quay trục khuỷu trước ĐCT và so sánh kết quả với góc phun 180 trước ĐCT. Các kết quả so sánh được thể bằng đồ thị và các bảng giá trị:
- Áp suất:
Hình 4. 11. Phân bố áp suất trong xi lanh
- Nhiệt độ: φ (độ gqtk) φ (độ gqtk) Wc P (Bar)
Hình 4. 12. Phân bố nhiệt độ trong xi lanh
Hình 4. 13. Phân bố nhiệt độ trung bình trong xi lanh
- Truyền nhiệt:
Khi thay đổi góc phun sớm dẫn đến thay đổi thời gian cháy trễ, làm thay đổi các giá trị về áp suất, nhiệt độ trong xi lanh và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và phát thải của động cơ.
φ (độ gqtk) φ (độ gqtk) φ (độ gqtk) T (0K) T (0K) Wc
Hình 4. 15. Đồ thị công chỉ thị theo chu trình
Từ Hình 4.11 đến Hình 4.15 so sánh giữa góc phun 160 và 180 trước ĐCT góc quay trục khuỷu cho thấy, các giá trị ở góc phun 160 trước ĐCT đều lùi về phía sau so với ở góc phun 180 trước ĐCT, điều này khẳng định các hệ số hiệu chỉnh trong mô hình là phù hợp.
Do thời gian cháy trễ ngắn, làm giảm tốc độ tăng áp suất trung bình trong xi lanh, giảm hiệu suất nhiệt nên công suất giảm xuống, điều này được thể hiện thông qua áp suất cháy trên đồ thị hình 4.11.
4.4. Xác định các thông số đặc trưng chu trình công tác
Dựa vào đồ thị và số liệu xuất ra, hoàn toàn có thể xác định được các thông số đặc trưng của chu trình công tác
4.4.1. Công suất
Công suất chỉ thị:
Từ hình 4.9 và bảng số liệu phụ lục 4, công chỉ thị đạt Li = 14,52. 10-3 (kJ) Công suất chỉ thị Ni được tính theo công thức (2-12):
i. i. . i L i L i n N z Trong đó: Tốc độ: n = 2300 (v/p); số xi lanh: i =4; hệ số kỳ: z = 2 3 14,52.10 .4.2300 2 i N φ (độ gqtk) Li (J)
Ni = 66,8 (kW) Công suất có ích Theo công thức (2-20): Ne = Ni .ηm Với ηm = 0,8 (theo bảng 2.2 và [5]) Ne = 66,8.0,8 = 53,44 (kW)
4.4.2. Suất tiêu thụ nhiên liệu
Từ số liệu mô phỏng hình 4.1
Lượng nhiên liệu được cấp cho chu trình gct = 0,0452 (g/ct)
Suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị ge được tính theo công thức (2-24) . 60. . e e ct c N g g n i ct.60. .c e e g n i g N Trong đó: Tốc độ: nc = 1150 (v/p); số xi lanh: i =4 0, 0452.60.1150.4 53, 44 e g ge = 233,44 (g/kW.h)
Bảng 4. 1. Kết quả các thông số mô phỏng động cơ.
THÔNG SỐ Ni kW Ne kW gct g/ct ge g/kW.h Mô phỏng 66,8 53,44 0,0452 233,44
4.5. So sánh thông số công tác mô phỏng với thông số của động cơ diesel Yanmar-4CHK 4CHK
Tại vòng quay định mức 2300 (v/p), Số liệu lý lịch máy có giá trị: ge có giá trị xấp xỉ bằng 250 (g/kW.h)
Ne = 70 (HP) = 70. 0,7457 = 52,2 (kW) (theo phụ lục 2)
THÔNG SỐ Lý lịch máy Mô phỏng Sai lệch
Lý lịch máy / mô phỏng
Ne (kW) 52,2 53,44 2,4%
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận
Việc mô hình hóa và biểu diễn một cách đầy đủ, chi tiết, chính xác động cơ đốt trong so với động cơ trong thực tế không phải là một vấn đề đơn giản. Có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu nhằm mô phỏng động cơ để có thể biểu diễn tất cả các quá trình và trạng thái trong một cách chính xác, và cho đến ngày nay họ vẫn đang nghiên cứu để cho các mô hình thêm hoàn thiện.
Ở nước ta, theo xu thế đó bắt đầu có sự định hướng nghiên cứu chuyên sâu về phần mềm mô phỏng động cơ, tại các trường Đại học như Bách Khoa TP.HCM, Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa Đà Nẵng, Đại học Nha Trang… cũng dành nhiều quan tâm và đưa vào chương trình học các phần mềm này. Việc khai thác phần mềm mang lại cho các sinh viên, học viên cao học và các nghiên cứu sinh có cái nhìn trực quan, tổng thể hơn về các chu trình công tác của động cơ, khảo sát các nhân tố ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật, kinh tế đến các động cơ. Qua đó có thể cải tiến nâng cao chất lượng động cơ đặc biệt là những động cơ sản xuất ở trong nước.
Sau khi khảo sát, đánh giá kết quả mô phỏng được xây dựng trên mô hình động cơ diesel YANMAR-4CHK với các thông số đầu vào, thay đổi với góc phun sớm 160
góc quay trược khuỷu trước ĐCT so sánh với 180 trước ĐCT, rút ra được một số kết luận sau:
- Phần mềm mô phỏng động cơ ESP là một công cụ mạnh, giao diện thân thiện, tích hợp các phương trình tính toán cho các quá trình cháy, cũng như chuyển động rối của dòng chất lỏng. Do đó, cho kết quả sát với thực tế và độ tin cậy cao. Các nghiên cứu bằng phần mềm này cho kết quả trực quan và gần với thực tế quá trình làm việc, phù hợp với lý thuyết động cơ diesel.
- Có thể sử dụng phần mềm này vào mục đích giảng dạy chuyên sâu về lý thuyết và nâng cao động cơ đốt trong tại các trường Đại học nhằm thay thế thực nghiệm, xác định chu trình công tác của động cơ diesel .
nghiên cứu chế tạo, nhằm cho ra động cơ có chu trình công tác tối ưu với hiệu suất cao và giảm thiểu ô nhiễm
- Số liệu bảng 4.2 cho thấy:
Trong quá trình mô phỏng, ảnh hưởng giá trị của một số thông số đầu vào dẫn đến gia tăng công suất so với công suất lý lịch máy của động cơ. Tuy nhiên, công suất gia tăng làm suất tiêu hao nhiên liệu giảm xuống. Điều này hoàn toàn phù hợp với quy luật và khẳng định mô hình xây dựng mô phỏng chu trình công tác động cơ phù hợp
Công suất có ích Ne mô phỏng sát với số liệu thực tế, độ lệch 2,4%
Suất tiêu thụ nhiên liệu mô phỏng tương đối sát với số liệu thực tế, độ lệch 6,6%
- Đề tài đã mô phỏng được chu trình công tác động cơ diesel Yanmar-4CHK. Kết quả về thông số đặc trưng sau khi tính toán hoàn toàn phù hợp với thực tế và được thể hiện trên:
Đồ thị áp suất trong xi lanh
Đồ thị phân bố nhiệt độ trong xi lanh
Vận tốc ngọn lửa và vận tốc rối của môi chất trong xi lanh
Xác định được các giá trị, các thông số liên quan đến chu trình công tác
Xác định các hệ số cơ bản và tính toán được thông số đặc trưng của chu trình công tác
5.2. Kiến nghị
Mô phỏng chu trình công tác động cơ diesel ngoài việc xác định các thông số đặc trưng được trình bày trong kết quả nghiên cứu của luận văn. Cần bổ sung thêm các yếu tố liên quan để việc sử dụng phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong đạt kết quả sát với thực tế:
Hiệu chỉnh các hệ số mô hình hình thành khí thải (bồ hóng) để mô phỏng xác định hàm lượng bồ hóng theo chu trình.
Chuyển đổi đơn vị góc quay trục khuỷu (φ ) sang đơn vị thể tích để có thêm đồ thị công p-V.
Mô phỏng ở nhiều tốc độ khác nhau để có đường đặc tính công suất và mômen