CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ D240 TRÊN PHẦN MỀM BOOST
2.2. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ D240
2.2.3. Nhập dữ liệu cho mô hình
Nhập dữ liệu cho mô hình là vấn đề quyết định thành bại của mô hình đó. Một mô hình muốn có được kết quả theo đúng mong muốn thì dữ liệu nhập vào phải chính xác. Trong phần mềm BOOST việc nhập dữ liệu là vấn đề hết sức quan trọng. BOOST chia ra việc nhập dữ liệu cho các phần tử khác nhau là khác nhau để tăng tính chính xác cho mô hình.
Có thể chia ra việc nhập dữ liệu trong BOOST thành hai phần: nhập dữ liệu chung và nhập dữ liệu cho các phần tử.
Dữ liệu điều khiển chung mô hình (Simulation Control)
Dữ liệu chung là dữ liệu chi phối toàn bộ quá trình mô phỏng của mô hình. Dữ liệu chung cần phải nhập đầu tiên trước khi nhập dữ liệu cho các phần tử cụ thể của BOOST.
Màn hình nhập dữ liêu chung được thể hiện ở hình 12.
Các dữ liệu này được nhập thông qua các của sổ giao diện. Trong suốt quá trình tính các dữ liệu chung này sẽ là thông số điều khiển bên ngoài, điều khiển các quá trình chạy, truy xuất dữ liệu, cách tính cơ bản …
=============================================================
Hình 12: Khai báo dữ liệu cơ bản ban đầu Việc khai báo dữ liệu chung bao gồm việc khai báo các thông số sau:
* General Control (điều khiển chung): trên cửa sổ giao diện (hình 13) cần xác định tham số:
- Date, Project ID và Run ID: Dữ liệu date sẽ được phần mềm tự động ghi vào. Còn Project ID và Run ID chính là đường dẫn để nhận biết trong quá trình chạy và xem kết quả.
- Tốc độ động cơ (Engine Speed): Tốc độ động cơ được định nghĩa theo tốc độ quay trục khuỷu. Trong trường hợp mô phỏng một chế độ ổn định thì giá trị tốc độ được giữ không đổi, còn khi mô phỏng quá trình chuyển tiếp, tăng hoặc giảm tốc thì tốc độ động cơ sẽ được giữ nguyên giá trị ở 3 chu kỳ đầu, còn chu kỳ tiếp theo tốc độ sẽ thay đổi.
- Cách tính (Calculation Modes), phần mền đưa ra 2 cách tính:
+) Cách tính đơn giản (Single calculation): Tính một chế độ làm việc của động cơ; Các kết quả tính được bao gồm các thông số của dòng môi chất trong động cơ.
+) Cách tính Animation (Animations); Kết quả đầu ra của cách tính animation sẽ cho phép mô tả ở dạng động một chế độ làm việc của động cơ.
=============================================================
Hình 13: Khai báo dữ liệu điều khiển chung
- Mô phỏng quá trình chuyển tiếp (Transient Simulation): Ngoài việc mô tả trạng thái làm việc ổn định (tốc độ động cơ không thay đổi), Chương trình còn mô phỏng chế độ chuyển tiếp của động cơ (quá trình tăng hoặc giảm tốc). Theo yêu cầu sử dụng động cơ thường sẽ phải làm việc ở chế độ chuyển tiếp (tăng hoặc giảm tốc) như vậy đối với mô hình yêu cầu cần phải đề cập đến các nhân tố ảnh hưởng.
Nhân tố quán tính, là quán tính trung bình của hệ trục bao gồm hệ trục khuỷu và hệ trục phụ khác trong động cơ, và quán tính của phương tiện vận hành khi tăng hoặc giảm tốc.
Quan hệ giữa khối lượng, tốc độ của phương tiện vận hành với tốc độ động cơ, thể hiện qua biểu thức sau:
2
. 2
i r
I = mV T (2.38)
Trong đó:
I - Quán tính của phương tiện;
rT -Bán kính quay;
i - Tỉ số truyền giữa động cơ và bánh xe.
Với i được xác định theo biểu thức sau:
w e
n
i= n (2.39)
Trong đó:
ne - Tốc độ động cơ;
nw - Tốc độ bánh xe.
=============================================================
Mô men cản được xác định theo biểu thức sau;
. 2
.n dn c
n b
M =a+ + + (2.40)
Trong đó:
M - Mô men cản;
a, b, c, d - Các hệ số.
Trong đó a, b, c và d được lựa chọn theo thông số cản trên đường, các hệ số trên được xác định dựa vào phạm vi tốc độ làm việc của ôtô.
Ngoài ra mômen cản có thể xác định theo biểu thức sau:
i r M D.T
= (2.41)
Trong đó:
D - Cản lăn, trượt của bánh xe;
- Miture Preparation: Phương pháp hình thành hỗn hợp cháy:
+) Internal: quá trình hình thành hỗn hợp cháy bên trong xylanh động cơ;
+) External: Quá trình hình thành hỗn hợp cháy được thực hiện bên ngoài xylanh, trường hợp này sử dụng cho động cơ sử dụng carburetor hoặc phun xăng.
- Fuel: Đối với nhiên liệu phần mềm cho phép chọn các loại nhiên liệu phổ biến sau:
+) Gasoline (xăng) +) Diesel (điêzen) +) Methanol +) Ethanol
+) Hydrogen (hyđrô)
Sau khi chọn loại nhiên liệu cho mô hình thì giá trị các thông số nhiệt trị thấp nhiên liệu (QH) và lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết một kg nhiên liệu (A/F) đều được tự động mặc định.
- Reference Condition (điều kiện chuẩn); các điều kiện về nhiệt độ, áp suất được xác định thông qua điều kiện chuẩn, các thông số này có ảnh hưởng đến tỷ lệ phân chia lượng khí nạp cho từng xylanh, hệ số nạp, vv..
- Gas Properties (đặc tính hỗn hợp khí); thành phần của hỗn khí trong hệ thống phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của hệ ở từng vị trí khác nhau. Trong mô hình không có xylanh thì thành phần khí được coi là không đổi.
* Time Step Control (điều khiển bước tính): Được thể hiện trên hình 14
- Cycle (kỳ): lựa chọn theo loại động cơ 2 kỳ hoặc động cơ 4 kỳ cho mô hình tương đương.
- Maximum Calculation Period (Chu kỳ tính cực đại): Được chọn theo số chu kỳ của động cơ hoặc theo giá trị góc quay trục khuỷu. Sau một chu kỳ tính kết quả sẽ được ghi vào
=============================================================
file.bst. Đối với mô hình mô tả trạng thái làm việc ổn định thì số chu kỳ tính lựa chọn phụ thuộc vào kết quả đầu ra đạt giá trị ổn định ở các chu kỳ cuối.
Hình 14: Khai báo thông số điều khiển bước tính
Số chu kỳ tính (số chu kỳ lặp) cần được lựa chọn tùy thuộc vào độ chính xác mà người sử dụng yêu cầu, số chu kỳ tính cực đại càng lớn thì thời gian cho mỗi bước tính sẽ dài nhưng độ chính xác đạt được càng cao. Tuy nhiên, tuy thuộc vào bài toán, có thể chỉ cần chọn 20 chu kỳ lặp, bài toán đã hội tụ. Người dùng cũng có thể nhập góc quay trục khuỷu thay vì nhập chu kỳ lặp.
- Pipe (đường ống):
Bước tính lựa chọn cho mô hình quyết định đến độ chính xác của kết quả đầu ra. Tuy nhiên số lượng các đoạn ống tăng cùng với thời gian các bước tính giảm sẽ dẫn đến tăng dung lượng bộ nhớ cho chương trình. Trong quá trình nhập dữ liệu có thể lựa chọn một trong hai thông số Average Cell Size (cỡ của từng đoạn ống) hoặc Calculation time step (thời gian của từng bước tính). Kết quả đưa ra được quyết định do thông số Output.
* Firing order (thứ tự nổ): Được thể hiện trên hình 15
Thứ tự làm việc của các xylanh được xác định theo xylanh thứ nhất.
=============================================================
Hình 15: Khai báo thứ tự nổ
* Engine Only (xét riêng động cơ):
Mômen cản của động cơ được xác định thông qua phương trình (2.40). Vì vậy cần phải đưa vào các hệ số, a, b, c, d.
* Driver (hệ thống dẫn động):
Đối với Driver yêu cầu cần cung cấp các dữ liệu sau:
- Maximum Clutch Torque (mômen lớn nhất của ly hợp).
- Shifting Time (thời gian sang số).
- Acceleration Pedal Off (không chọn chế độ tăng tốc).
- Acceleration Pedal On (chọn chế độ tăng tốc).
- Clutch Pedal Off (đóng ly hợp).
- Minimum Engine Speed (tốc độ nhỏ nhất của động cơ).
- Maximum Engine Speed (tốc độ cực đại của động cơ).
- Vehicle Velocity (tốc độ ôtô); tốc độ xe đưa vào có thể là giá trị không đổi hoặc thay đổi.
- Gear Step at Calculation Start (tốc độ ban đầu); tốc độ ban đầu đựơc lấy theo dữ liệu đầu vào ban đầu.
- Table of gear ratios (bảng tỷ số truyền): Tỷ số truyền tại các vị trí tay số (= tốc độ động cơ/tốc độ xe).
* Vehicle (ôtô):
Mômen cản của xe được xác định theo biểu thức (2.40) với các hệ số được lựa chọn phù hợp với điều kện vận hành xe.
=============================================================
* Gas properties (đặc tính hỗn hợp khí):
Thành phần của hỗn hợp khí trong trường hợp này được lựa chọn là không thay đổi.
* Initialization (điều kiện đầu): Thể hiện trên hình 16
Điều kiện ban đầu được xác định bằng các tham số sau: áp suất, nhiệt độ, hơi nhiên liệu, sản phẩm cháy, tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu.
Điều kiện ban đầu thường được sử dụng làm điều kiện ban đầu cho các phần tử Pipe và junction.
Hình 16: Khai báo điều kiện đầu
* Engine Friction (tổn thất ma sát động cơ): Màn hình khai báo được trình bày ở hình 17. Tổn thất ma sát được xác định theo tốc độ vòng quay của động cơ, dữ liệu đưa vào ở dạng bảng. Dữ liệu này có thể lấy từ một file kết quả đã được xác định bằng phương pháp đo.
=============================================================
Hình 17: Khai báo tổn thất ma sát trong động cơ - Dữ liệu cho các phần tử cơ bản
Thông số đầu vào cho từng phần tử được thực hiện sau khi hoàn thành việc nhập thông số chính cho mô hình.
Sau khi kích đúp phím chuột trái vào phần tử chọn của cửa sổ giao diện nhập dữ liệu của phần tử đó sẽ hiện ra, các dữ liệu cần nhập được thực hiện trên cửa sổ giao diện. Sau khi kết thúc việc nhập dữ liệu phần tử sẽ đổi màu.
Cần chú ý rằng dữ liệu đưa vào trên mỗi cửa sổ giao diện của các phần tử được xác định theo từng loại động cơ, hoặc các dữ liệu đã được xác định bằng các mô hình thực nghiệm trước đó.
Phần tử đường ống
Phần tử Pipe trong mô hình được định nghĩa bằng các tham số hình học, vật lý sau:
Đường kính ống, chiều dài ống, độ cong ống, hệ số cản của thành ống.
Khả năng truyền nhiệt của thành ống với môi trường xung quanh, hệ số dẫn nhiệt
Đối với việc mô phỏng quá trình nhiệt động của động cơ cần quan tâm đến quá trình động học chất khí trong hệ thống nạp thải, ở đây phần tử đường ống là một trong những phần tử quan trọng của mô hình động cơ. Mỗi kích thước dòng chảy trong ống được xác định qua phương trình bảo toàn động lượng.
Phần tử ống được định nghĩa bằng các dữ liệu sau:
* General (dữ liệu chung): Thể hiển ở hình 18 Pipe Length (chiều dài ống).
=============================================================
Diameter (đường kính ống); đường kính ống có thể thay đổi theo độ dài, vì vậy dữ liệu về đường kính ống có thể đưa vào dưới dạng bảng.
Hình 18: Khai báo dữ liệu chung
Bending Radius (bán kính cong ống); được xác định theo đường tâm ống.
Friction Coefficient (hệ số cản ống); hệ số cản ống phụ thuộc vào đường kính ống, vật liệu chế tạo, độ nhám bên trong thành ống.
Heat Transfer (hệ số truyền nhiệt); để làm cơ sở tính tổn thất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ giữa thành và dòng môi chất trong ống.
Wall Temperature (nhiệt độ thành ống); được xác định theo từng vị trí của ống, các giá trị này thông thường phải xác định qua các phép đo thực tế.
* Initialization (điều kiện đầu): Việc khai báo điều kiện đầu được thể hiện trên hình 19.
Điều kiện ban đầu có thể được xác định từ điều kiện chung ban đầu hoặc xác định theo tường điều kịên cụ thể riêng, bao gồm các thông số sau:
Pressure (áp suất);
Gas Temperature (nhiệt độ hỗn hợp khí);
Fuel Vapour (hơi nhiên liệu);
Combustion Products (sản phẩm cháy);
=============================================================
Ratio Type (tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu (A/F)).
Hình 19: Khai báo điều kiện đầu
* Variable Wall Temperature (nhiệt độ thành thay đổi): Khi xét nhiệt độ thành ống thay đổi thì cần bổ sung thêm các dữ liệu sau:
Wall Thicknes (độ dày thành ống): được xác định theo từng vị trí của ống;
Ambient Temperature (nhiệt độ môi trường xung quanh);
Heat Capacity (nhiệt dung riêng);
Coolant (môi chất làm mát);
Characteritic Veloccity of Coolant (tốc độ làm mát).
Dữ liệu các phần tử đường ống đựơc xác định theo kết cấu của mô hình động cơ D240, cụ thể được đưa ra ở bảng 6:
Bảng 6: Dữ liệu của các phần tử đường ống
STT TT L
(mm)
D (mm)
hα (-)
TW
(K)
p (Pa)
T (K)
1 Pipe-1,2 120 50 1 298 99500 298
2 Pipe-3 100 50 1 298 99500 298
3 Pipe-4 120 50 1 298 99500 298
=============================================================
STT TT L
(mm)
D (mm)
hα (-)
TW
(K)
p (Pa)
T (K)
4 Pipe-5 60 50 1 298 98500 298
5 Pipe-6,10,14,18 100 51 1 330 97000 345
6 Pipe-7,11,15,19 150 53 1 350 97000 345
7 Pipe-8,12,16,20 200 55 1 1000 300000 1100
8 Pipe-9,13,17,21 150 55 0 950 250000 950
9 Pipe-22,23,24,25 200 58 0 900 200000 950
10 Pipe-26 200 60 1 900 190000 900
11 Pipe-27 300 60 1 850 190000 900
12 Pipe-28 100 60 1 800 170000 830
13 Pipe-29 100 60 1 750 170000 800
14 Pipe-30 100 60 1 650 110000 700
15 Pipe-31 200 60 1 600 110000 650
Giả thiết đường ống thẳng, vì thế bán kính cong của các ống: r = 100000 (mm);
Hệ số ma sát thành ống f = 0,19;
Trong đó:
L – chiều dài ống;
D - đường kính ống;
hα - nhân tố tính đến truyền nhiệt qua thành ống;
TW – nhiệt độ thành ống;
p - áp suất môi chất trong ống;
T – nhiệt độ môi chất trong ống;
Phần tử điểm đo
Phần tử đo trong mô hình được định nghĩa bằng các tham số sau:
- Vị trí đặt phẩn tử đo;
- Phạm vi của kết quả đo: Khi chọn Standard kết quả đầu ra bao gồm áp suất, nhiệt độ, tốc độ và khối lượng của dòng môi chất trong ống theo góc quay trục khuỷu. Khi chọn Eextended thì ngoài các kết quả trên còn có thêm thông số thành phần nhiên liệu, thành phần sản phẩm cháy, vv….
Màn hình khai báo các dữ liệu cho phần tử đo được thể hiện trên hình 20
Các phần tử điểm đo được đưa vào mô hình tuỳ theo yêu cầu các tham số cần xác định trên mô hình. Phần tử đo được xác định bằng vị trí đặt điểm đo trên mô hình.
=============================================================
Hình 20: Màn hình khai báo thông số cho phần tử điểm đo
Chi tiết việc khai báo các điểm đo trên động cơ mô phỏng được thể hiện cụ thể trên bảng 7:
Bảng 7: Chi tiết các thông số nhập cho phần tử điểm đo trên mô hình
STT Điểm đo số Giá trị Đơn vị STT Điểm đo số Giá trị Đơn vị
1 1 90 mm 6 6 5 mm
2 2 55 mm 7 7 25 mm
3 3 140 mm 8 8 5 mm
4 4 10 mm 9 9,10,11,12,13 10 mm
5 5 25 mm 10
Phần tử System Buondary (điều kiện biên)
Phần tử System boundary được định nghĩa bằng các tham số sau:
* Boundary conditions (điều kiện biên); bao gồm:
- Pressure (áp suất);
- Gas Temperature (nhiệt độ hỗn hợp khí);
- Fuel Vapour (hơi nhiên liệu);
- Combustion Products (sản phẩm cháy);
=============================================================
- Ratio Type (tỷ lệ giữa không khí và nhiên liệu (A/F)).
Việc khai báo tham số Boundary Condition được thể hiện cụ thể trên hình 21
Hình 21: Khai báo thông số điều kiện biên
* Flow Coefficents (hệ số lưu lượng): Khai báo như trên hình 22. Hệ số dòng chảy dùng để đánh giá lưu lượng dòng chảy vào và ra khỏi phần tử, giá trị hệ số lưu lượng phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng ống.
Chú ý với trường hợp dòng chảy từ trong ống ra ngoài môi trường thì hệ số lưu lượng thường được chọn giá trị bằng 1.
Hình 22: Khai báo hệ số lưu lượng
=============================================================
Các dữ liệu của phần tử biên này được nhập vào theo bảng 8:
Bảng 8: Dữ liệu nhập cho phần tử System boundary
STT Thông số Đường nạp Đường thải Đơn vị
1 Áp suất môi trường xung quanh 99500 99500 Pa
2 Nhiệt độ môi trường xung quanh 298 550 K
3 Tỷ lệ A/F 100000 100000
4 Hệ số lưu lượng vào/ra 1/1 1/0.95
Phần tử Restriction (tiết lưu)
Phần tử tiết lưu dòng đựơc định nghĩa bằng các tham số sau:
* General (dữ liệu chung): Xác định địa chỉ cho phần tử.
* Flow Coefficients (hệ số lưu lượng): Hệ số lưu lượng của phần tử cản phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế chi tiết gây hiện tượng tiết lưu (van điều khiển, vòi phun, phân dòng, thay đổi đột biến về kích thước, vv..).
Đối với ống có kích thước đường kính thay đổi đột ngột từ kích thước nhỏ hơn sang ống có kích thước lớn hơn thì chọn hệ số lưu lượng bằng 1.
Trường hợp ống có kính thước thu nhỏ đột ngột thì hệ số lưu lượng phụ thuộc chính vào tỷ lệ diện tích tiết diện mặt cắt tại vị trí chuyển tiếp và phụ thuộc vào tỷ lệ giữa bán kính cong chuyển tiếp và đường kính nhỏ của ống.
Chi tiết việc khai báo hệ số lưu lượng cho các phần tử được thể hiện ở bảng 9 Bảng 9: Khai báo hệ số lưu lượng cho các phần tử tiết lưu
STT Phần tử tiết lưu số Vào Ra
1 1 1 1
2 2,3,4,5,6,7,8,9 0.95 0.95
3 10,11,12,13,14 0.9 0.9
Phần tử Junction (phân dòng)
Phần tử Juntion được định nghĩa bằng các dữ liệu sau:
* Generral (dữ liệu chung): Ngoài các thông tin Auther, Comment, Data còn có thêm thông tin về dạng ống nối (Junction Type).
* Constan Pressure (áp suất không đổi).
* Refined Model (mô hình chuẩn); các tham số đưa vào được xác định theo kết cấu của các ống nối.
Các giá trị nhập cho phần tử phân dòng được thể hiện cụ thể ở bảng 10.
=============================================================
Bảng 10: Các thông số nhập vào cho phần tử phân dòng STT Phân dòng số Giữa các ống Giá trị Đơn vị 1
1
1&2 90 Độ
2&3 90 Độ
3&1 90 Độ
2
2
9&17 175 Độ
17&22 95 Độ
22&9 90 Độ
3
3
13&21 175 Độ
21&23 90 Độ
23&13 95 Độ
Phần tử Plenum (bình ổn áp)
Phần tử Plenum được định nghĩa bằng các dữ liệu sau:
* General (dữ liệu chung); ngoài các thông tin Auther, Comment, Data còn có thêm thông tin về thể tích của bình ổn áp.
* Initialization (điều kiện đầu): Thể hiện trên hình 23. Điều kiện ban đầu có thể được xác định từ điều kiện chung ban đầu hoặc xác định theo từng điều kịên cụ thể riêng, bao gồm các thông số sau:
- Pressure (áp suất);
- Gas Temperature (nhiệt độ hỗn hợp khí);
- Fuel Vapour (hơi nhiên liệu);
- Combustion Products (sản phẩm cháy);
- Ratio Type (tỷ lệ giữa nhiên liệu và không khí (A/F)).
Hình 23: Khai báo điều kiện đầu