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 theo theo tốc độ.
Khai thác sâu các mô hình toán và ứng dụng thay đổi với nhiều thông số đầu vào khác nhau: góc phân phối khí; tỉ số nén; tốc độ động cơ…
Chạy mô hình cho nhiều trường hợp khác nhau, để có thể nhận ra được sự thay đổi của các thông số tính năng trong các trường hợp nhất định, tạo tiền đề cho việc chẩn đoán bảo dưỡng động cơ sau này.
Cần tiến hành các đo đạc thực nghiệm để đánh giá kết quả tính của mô hình.
Xây dựng chương trình tính trên phần mềm Matlab kết nối phần mềm ESP để xử lý dữ liệu sau khi mô phỏng, trong đó có tích hợp các phương trình thể hiện thông số đặc trưng chu trình công tác để người dùng xuất kết quả theo mong muốn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu Tiếng Việt
[1] Nguyễn Vương Chí 2004, Mô phỏng động cơ diesel khi dùng nhiên liệu biodiesel, KhoaKỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp.HCM.
[2] Nguyễn Mạnh Cường 2012, Ứng dụng máy tính trong tính toán thiết kế động cơ,
ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên.
[3] TS Phùng Minh Lộc 2012, Nghiên cứu mô phỏng quá trình phun và cháy nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật – dầu DO trong động cơ Diesel, Chuyên đề 2 luận án Tiến sĩ, ĐH Nha Trang.
[4] TS Phùng Minh Lộc 2014, Bài giảng thử nghiệm động cơ đốt trong, ĐH Nha Trang.
[5] Lê Viết Lượng 2000, Lý thuyết động cơ Điezen, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[6] Mai Đức Nghĩa 2015, Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của áp suất phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel-dầu thực vật đến phát thải khí xả và tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel, hội nghị cơ học kỹ thuật toàn quốc - cơ học máy và robot, ĐH Đà Nẵng.
[7] PGS.TS Nguyễn Văn Nhận 2010, Lý Thuyết Động cơ đốt trong, Trường ĐH Nha Trang.
[8] PGS.TS Nguyễn Văn Nhận 2012, Nâng cao tính năng động cơ đốt trong, ĐH Nha Trang.
[9] Võ Văn Nhận, Nguyễn Văn Trạng 2006, Nguyên lý kết cấu động cơ đốt trong, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM.
[10] PGS.TS Trần Quang Minh 2010, Giáo trình hướng dẫn môn học động cơ đốt trong, Học viện KTQS
[11] PGS.TS Nguyễn Duy Tiến 2007, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[12] Trần Quang Vinh2007, Mô phỏng động cơ D1146TIS sử dụng phần mềm CFD AVL-FIRE, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường ĐH Bách khoa Hà nội, Hà nội.
[13] Fukuda, Kohei 2012, Numerical simulation of fuel sprays in diesel engines, the Degree of Master of Applied Science at the University of Windsor, Ontario, Canada
[14] Heywood, J.B, 1998. Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw- Hill, Singapore.
[15] John L.Lumley 1999, Engines an introduction Cambridge University Press [16] Karman Insitute, Computational Fluid Dynamics, Germany 2010
[17] K. Mollenhauer, H. Tschoeke, Handbook of Diesel Engines, DOI 10.1007/978- 3-540-89083-6, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010.
[18] Lino Guzzella and Christopher H. Onder, Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine Systems, _c 2010 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
[19] Magnussen BF, Hjertager BH, 1976, On mathematical models of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. In 16th Symp. (Int'l.) on Combustion, The Combustion Institute.
[20] Operation manual 4CHE3-6CHE3-6CH-HTE3 2013, Yanmar technical service CO.,LTD, Janpan.
[21] Sushma H, 2013, CFD modeling of the in-cylinder flow in Direct injection Diesel engine, Pursuing masters degree program in Thermal power engineering in V.T.University, India, PH-08105343368
[22] P.A. Lakshminarayanan, Yogesh V. Aghav, 2010, Modelling Diesel Combustion, Springer Science + Business Media B.V.
[23] http://coewww.rutgers.edu/classes/mae/mae461/hw/ESP_tutorial.html
[24] Hanson RK, Salimian S. Survey of Rate Constants in H/N/O Systems. In W. C. Gardiner, editor, Combustion Chemistry, page 361, 1984
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC NỘI DUNG SỐ TRANG
01
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
YANMAR 4CHK 01
02 THÔNG SỐ MÔ PHỎNG CHU TRÌNH CÔNG TÁC
ĐỘNG CƠ DIESEL YANMAR 4CHK 01
03
ÁP SUẤT – NHIỆT ĐỘ - KHỐI LƯỢNG THEO GÓC QUAY TRỤC KHUỶU CỦA ĐỘNG CƠ VỚI GÓC PHUN SỚM 180
05
04 VẬN TỐC- NĂNG LƯỢNG THEO GÓC QUAY TRỤC
KHUỶU CỦA ĐỘNG CƠ VỚI GÓC PHUN SỚM 180 05
05
SO SÁNH ÁP SUẤT THEO GÓC QUAY TRỤC KHUỶU CỦA ĐỘNG CƠ VỚI GÓC PHUN SỚM 160 , 180
02
06
SO SÁNH NHIỆT ĐỘ THEO GÓC QUAY TRỤC