v. Bố cục của luận án
4.2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng CTCT
4.2.2.1. Trình tự xây dựng mô hình mô phỏng CTCT trong phần mềm GT-Power
Sơ đồ trình tự các bước xây dựng MHMP CTCT của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A trong phần mềm GT-Suite được trình bày trên Hình 4.3, bao gồm các bước chính sau:
- Bước 1: Lựa chọn các phần tử chính của MHMP: phần mềm GT-Suite đã xây dựng sẵn thư viện các phần tử cho động cơ như: xilanh, cụm tua bin-máy nén, vòi phun, các bộ xử lý khí thải... Trong quá trình mô phỏng các phần tử được lựa chọn theo đúng kết cấu thực của động cơ. Các phần tử được chọn từ thư viện và được sắp xếp cho phù hợp
- Bước 2: Liên kết các phần tử trong mô hình: Phần mềm GT-Suite cho phép liên kết các phần tử và mô phỏng quá trình trao đổi môi chất công tác bằng cách sử dụng các phần tử đường ống được đặc trưng bằng các đường thẳng nối các phần tử này với phần tử kia, trên đường thẳng đó có mũi tên đánh dấu chiều tương tác giữa các phần tử với nhau.
- Bước 3: Lựa chọn mô hình cháy phù hợp cho MHMP động cơ diesel Hyundai 2.5 TCI-A.
- Bước 4: Nhập thông số cho từng phần tử hoặc cho cụm các phần tử trên MHMP, bao gồm: các thông số kết cấu, thông số vận hành, các điều kiện biên của từng phần tử... Các thông số này có thể được đo từ thực nghiệm hoặc lấy từ số liệu của nhà sản xuất hoặc lựa chọn theo khuyến cáo của phần mềm. Nếu các thông số được đo bằng thực nghiệm càng chi tiết, chính xác thì kết quả tính toán CTCT có độ chính xác càng cao.
- Bước 5: Xác định bộ thông số hiệu chỉnh của MHMP. Bộ thông số hiệu chỉnh thường phụ thuộc vào mô hình cháy sử dụng trong từng phần mềm mô phỏng. Với mô hình cháy DI-Pulse trong GT-Power, bộ thông số hiệu chỉnh bao gồm nhóm thông số là: hệ số tốc độ xâm nhập của tia phun (Cent); hệ số tốc độ cháy trước (Cpm); hệ số thời gian cháy trễ (Cign); hệ số tốc độ cháy khuếch tán (Cdf).
- Bước 6: Sử dụng bộ thông số của mô hình cháy và chương trình hiệu chỉnh áp suất xi lanh (trong phần mềm GT-Power) để hiệu chỉnh MHMP theo pcyl đo thực nghiệm sao cho: giá trị đạt đỉnh của các pcyl chênh nhau không quá 5%, thời điểm đạt đỉnh của các pcyl chênh nhau không quá 0,5o GQTK và hệ số tương quan (R) đánh giá đường cong của các đường diễn biến pcyl không nhỏ hơn 0,95.
Bắt đầu
Lựa chọn mô hình cháy phù hợp với đối tượng mục đích nghiên cứu Lựa chọn các phần tử chính
Nhập thông số cho từng phần tử
Không đạt Đạt
Không đạt So sánh với Me, ge, Gkk thực nghiệm Đạt
Hiệu chỉnh MHMP theo pcyl từ thực nghiệm Xác định bộ thông số hiệu chỉnh của mô hình Liên kết các phần tử trong mô hình
Kết thúc Tính toán CTCT
- Bước 7: Tính toán, xác định các thông số liên quan đến CTCT của động cơ như: Me, Ne, ge, Gkk, hàm lượng NOx và soot. So sánh Me, ge, Gkk từ MHMP với các kết quả đo thực nghiệm.
Hình 4.3. Trình tự tính toán CTCT trong phần mềm GT-Suite
- Bước 8: Sử dụng mô hình sau khi đã được hiệu chỉnh: MHMP sẽ được sử dụng để tính toán các thông số CTCT của động cơ khi thay đổi chế độ làm việc, loại nhiên liệu sử dụng như: diễn biến quá trình truyền nhiệt, pcyl, Tcyl, các thông số liên quan đến chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ (Me, Ne, ge, Gkk, hàm lượng NOx và soot).
Kết quả xây dựng MHMP CTCT của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A trong GT- Power được trình bày trên Hình 4.4. Các phần tử chính của MHMP bao gồm:
- Engine và Cyl: mô tả khối động cơ và các xi lanh động cơ, cho phép khai báo các thông số liên quan đến động cơ (số xi lanh, đường kính xi lanh, hành trình pít tông, tỉ số nén, tốc độ vòng quay định mức, kiểu bố trí của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền, kích thước thanh truyền và vật liệu chế tạo các chi tiết). Bên cạnh đó,
Hì n h 4. 4. M ô hì n h m ô ph ỏn g độ ng cơ 2. 5 T CI -A tr on g ph ần
trong phần tử Cyl còn yêu cầu người dùng lựa chọn mô hình tính toán phát thải cho NOx và mô hình phát thải soot.
- Tuabin - Compress: khai báo các thông số của bộ tua bin-máy nén như: kích thước hình học của tuabin, máy nén; MAP điều khiển tuabin; MAP máy nén; tốc độ vòng quay lớn nhất của tuabin; nhiệt độ và áp suất trước và sau tuabin; nhiệt độ và áp suất trước và sau máy nén; cùng với MAP điều khiển độ mở van VGT [1]. Đi kèm với bộ tuabin-máy nén, mô hình cũng yêu cầu khai báo các thông số về hệ thống nạp thải (kích thước đường nạp, đường thải; kích thước bộ làm mát khí tăng áp (intercooler); nhiệt độ và áp suất khí nạp trước và sau làm mát; lưu lượng bơm; cường độ làm mát…).
- EGR-Cooler và EGR-Control: khai báo hệ thống tuần hoàn khí xả EGR, gồm: kích thước van EGR, MAP điều khiển van EGR và các đường ống dẫn ….
- HTPNL: bao gồm cụm vòi phun (4 vòi phun giống nhau CRI2.2), đường ống cao áp và ống tích áp. Trong đó, cần khai báo chi tiết cho mỗi vòi phun với đầy đủ bộ thông số như mô hình vòi phun CRI2.2 đã xây dựng trong chương 3 hoặc khai báo các thông số chính về vòi phun (số lỗ trên 1 vòi phun, đường kính lỗ, hệ số thống qua của lỗ, lượng phun nhỏ nhất của vòi phun, lượng phun cho mỗi lần phun, thời điểm bắt đầu phun, áp suất phun…) kết hợp khai báo MAP vòi phun. Cụm bơm cao áp cùng với các van điều chỉnh áp suất, van điều chỉnh lưu lượng sẽ không được thể hiện trên mô hình mà được thay bằng thông số: áp suất rail đầu vào (luôn không đổi ứng với từng chế độ nhất định).
4.2.2.2. Khai báo các thông số cho các phần tử
Để xây dựng MHMP CTCT của động cơ trong phần mềm GT-Power, cần xác định thông số đầu vào và khai báo dữ liệu theo các nhóm, bao gồm:
- Nhóm các thông số về động học, động lực học của động cơ (Engine Cranktrain): cần nhập các thông số cơ bản của động cơ như loại động cơ, tốc độ động cơ, đường kính xi lanh; hành trình của pít tông, chiều dài thanh truyền, tỷ số nén, thứ tự công tác; các hệ số cần thiết cho việc tính toán tổn thất cơ khí (theo mô hình Chen- Flynn)...
- Nhóm các thông số về thuộc tính xi lanh và buồng cháy (Engine và Cyl): các thông số ban đầu cho xi lanh (nhiệt độ, áp suất trong xi lanh, nhiệt độ thành xi lanh); vật liệu chế tạo xi lanh, pít tông, nắp máy, xu páp nạp thải; các thông số dùng để tính toán trao đổi nhiệt theo mô hình WoschniGT, các thông số kết cấu của pít tông và các thông số cần thiết cho việc tính toán sự hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và các quy luật nhiệt động trong xi lanh.
- Nhóm các thông số về hệ thống phun nhiên liệu, tập trung vào vòi phun và ống rail: các thông số kết cấu chi tiết của vòi phun (đường kính lỗ phun, số lượng lỗ phun, kích thước kim phun, và các cụm chi tiết về điện và từ của vòi phun); các thông số về QLCCNL (áp suất phun, thời gian cấp điện, thời điểm cấp điện...); các thông số về ống rail và đường ống cao áp từ ống rail đến vòi phun.
- Nhóm các thông số về hệ thống nạp, thải, bao gồm: kích thước đường ống nạp, thải; áp suất khí tăng áp, diễn biến độ nâng xu páp, đường kích đế xu páp nạp, thải; hệ số lưu lượng qua xu páp.
- Nhóm các thông số về tua bin và máy nén của động cơ: cần nhập MAP của tuabin và MAP của máy nén cho động cơ.
- Nhóm các thông số về hệ thống tuần hoàn khí thải EGR, đặc tính van VGT;
- Nhóm thông số về nhiên liệu (Fuel): Phần mềm GT-Suite xây dựng sẵn cơ sở dữ liệu về các thuộc tính cơ bản của những nhiên liệu truyền thống, đối với các loại nhiên liệu phi truyền thống cần khai báo các thuộc tính cơ bản của nhiên liệu sử dụng vào phần mềm như: công thức hóa học đại diện; hàm lượng C, H, O và S (nếu có); khối lượng riêng, nhiệt trị thấp, độ nhớt, mô đun đàn hồi... (các thông số của nhiên liệu B0, B40 và B100 được lấy từ Bảng 1.2 và Bảng 1.3 Chương 1).
Các thông số đầu vào nêu trên, được nghiên cứu sinh xác định dựa theo tài liệu kỹ thuật của động cơ [3]; đo trực tiếp trên động cơ; đo các thông số vận hành bằng thực nghiệm [1]; một số thông số được xác định gián tiếp thông qua các tính toán trung gian hoặc lựa chọn dựa theo khuyến nghị của phần mềm GT-Power.