v. Bố cục của luận án
4.2.1. Cơ sở lý thuyết
4.2.1.1. Phương pháp tính toán chu trình công tác của động cơ
Có nhiều phương pháp tính toán CTCT cho ĐCĐT nói chung và động cơ diesel nói riêng như: phương pháp lý thuyết gần đúng, phương pháp cân bằng thể tích và phương pháp cân bằng năng lượng. Dựa trên các phương pháp này, một số mô hình tính toán CTCT cho động cơ đã được các chuyên gia phát triển như mô hình Vôlôđin, mô hình Grinhevesk - Mading, mô hình Vibe, mô hình Hiroyasu, mô hình Xelenhev, mô hình Kuleshov - Razleitsev… Trong đó, nhiều mô hình đã được phát triển thành phần mềm mô phỏng chuyên dụng cho ĐCĐT như: AVL-Boot, Diesel-RK, GT-Suite, KIVA-3V, AMESim… Phần mềm GT-Suite (7.5) sử dụng mô hình tính toán CTCT cho động cơ theo phương pháp cân bằng năng lượng với
giả thiết môi chất công tác trong thể tích công tác của xi lanh tại thời điểm bất kỳ đều ở trạng thái cân bằng (một hệ thống nhiệt cân bằng). Với phương pháp này thì môi chất trong xi lanh ở các quá trình của CTCT luôn luôn tuân theo định luật nhiệt động thứ nhất.
Các mô hình toán học được sử dụng khi tính toán CTCT theo phương pháp cân bằng năng lượng bao gồm: định luật nhiệt động học thứ nhất, mô hình cháy, mô hình tỏa nhiệt, mô hình tính toán hàm lượng các chất ô nhiễm (NOx, soot) có trong khí xả. Thông tin chi tiết về các mô hình này được trình bày trong các tài liệu [72], [94], [95], [96]. Trong Chương 4, nghiên cứu sinh chỉ tập trung giới thiệu về mô hình cháy sử dụng trong phần mềm GT-Power (của bộ phần mềm GT-Suite).
4.2.1.2. Mô hình cháy sử dụng trong phần mềm GT-Power
GT-Power là phần mềm mô phỏng 1-D, được sử dụng để mô phỏng các quá trình trao đổi khí và quá trình cháy trong xi lanh của động cơ. Phần mềm được xây dựng dựa trên phương trình bất định 1-D, phi tuyến của Navier-Stokes. GT-Power chứa các mô hình nhiệt động và mô hình hiện tượng cho phép nghiên cứu các hiệu ứng của quá trình cháy, truyền nhiệt, bay hơi, trao đổi khí [97]. Có 3 loại mô hình cháy trong GT-Power là: mô hình cháy không dự đoán; mô hình bán dự đoán và mô hình cháy dự đoán. Chi tiết của các mô hình cháy này được trình bày trong Phụ lục 2.
Đối với động cơ diesel, GT-Power có hai mô hình cháy dự báo đặc thù, đó là mô hình DI-Jet và mô hình DI-Pulse. Cả hai mô hình này đều là mô hình đa vùng, tuy nhiên DI-Pulse là mô hình mới được phát triển và bắt đầu ứng dụng thử nghiệm từ GT-Suite 7.3 (2013) và chính thức sử dụng trong GT-Suite 7.5 (2016). Mô hình DI-Pulse có thời gian mô phỏng ngắn hơn, độ chính xác bằng hoặc tốt hơn mô hình DI-Jet và phù hợp với kỹ thuật phun nhiều giai đoạn hơn [97].
- Mô hình cháy DI-Jet
Mô hình cháy DI-Jet là mô hình cháy đa vùng, đa xung được phát triển bởi Gamma Technologies cho mục đích phát triển mô hình cháy dự đoán trong GT- Power [98]. Trong đó, mỗi tia phun được chia thành năm vùng hướng kính và tối đa 80 vùng dọc theo trục tia. Một tia phun mới được tạo ra ở mỗi bước thời gian và khối lượng nhiên liệu chứa trong nó, phụ thuộc vào giá trị tích phân của tốc độ phun tức thời trong bước thời gian xác định [98]. Hơn nữa, khối lượng chứa trong mỗi tia được chia đều cho năm vùng xuyên tâm. Mỗi vùng xác định ở trên được chia thành các mô hình con (mô hình thứ cấp) có chứa nhiên liệu lỏng, hỗn hợp hơi nhiên liệu - không khí và khí cháy (Hình 4.1).
Hình 4.1. Sự phân chia các vùng của tia phun [98]
Khi các khối nhiên liệu trong từng vùng phát triển theo thời gian, chúng bắt đầu hòa trộn với không khí và khối nhiên liệu ở tiểu vùng tiếp theo được chuyển sang tiểu vùng không bị cháy như mô tả trong Hình 4.1. Phản ứng cháy diễn ra dựa trên nhiệt độ, áp suất và mật độ hỗn hợp bên trong những tiểu vùng không cháy và các sản phẩm bị cháy được chuyển đến tiểu vùng bị cháy. Lượng NOx và soot được tính toán độc lập cho từng khu vực, dựa trên các điều kiện hình thành của nó và sau đó được cộng dồn lại để có được kết quả tổng thể của phản ứng cháy [98]. Cách tiếp cận đa vùng này mang lại xu hướng dự đoán tổng thể tốt hơn về lượng phát thải của động cơ, vì các sản phẩm phát thải được giải quyết dựa trên các điều kiện hiện có tại mỗi khu vực thay vì các trạng thái của toàn bộ khu vực (áp suất, nhiệt độ) như trong một khu vực duy nhất với mô hình cháy đơn vùng.
Trong giai đoạn cháy và tỏa nhiệt, tại mỗi vùng hướng kính, động học quá trình cháy được xác định theo công thức (4.1):
(4.1) trong đó:
mk – khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy tại mỗi vùng; Ac – hệ số tốc độ cháy hoàn toàn; Bc – Hệ số mũ phụ thuộc vào áp suất; Cc – Hệ số đặc trưng cho nhiệt độ phát ra; f - thứ tự vùng hướng kính.
Với động cơ diesel, Gamma Technologies đã phát triển mô hình phun trực tiếp, đa xung (Direct-Injection Diesel Multi-Pulse Model); còn được gọi là DI-Pulse. Mô hình DI-Pulse là mô hình cháy đa vùng, có thể dự đoán tốc độ cháy và lượng khí thải cho động cơ diesel, phun trực tiếp với các trường hợp phun một giai đoạn và phun nhiều giai đoạn. Cách tiếp cận cơ bản của mô hình này là theo dõi lượng nhiên liệu khi nó được phun vào xi lanh, bay hơi, hòa trộn với không khí xung quanh và cháy. Vì vậy, để đạt được kết quả mô phỏng có độ chính xác cao, yêu cầu phải xác định chính xác QLCCNL của động cơ. Ngoài ra, mỗi lần phun tiếp theo được xác định là một xung phun và được đánh giá riêng biệt với tất cả các xung khác. Với mô hình DI-Pulse, bất kỳ xung phun nào, đều có thể thực hiện phun và được khảo sát giống nhau; không có sự phân biệt giữa các xung phun mồi, phun chính hoặc phun muộn. Phần không gian của xi lanh được phân chia thành ba vùng nhiệt động, mỗi vùng có nhiệt độ và thành phần riêng. Vùng thứ nhất là vùng không cháy chính chứa tất cả lượng môi chất của xylanh ở gần cửa van nạp IVC (Intake Valve Closure), vùng thứ 2 là vùng không cháy của chùm tia phun, chứa nhiên liệu và không khí bị cuốn vào và vùng thứ 3 là vùng bị cháy có chứa các sản phẩm cháy. Mô hình DI- Pulse cũng bao gồm một số mô hình con (mô hình thứ cấp) mô phỏng các quá trình vật lý có liên quan diễn ra trong quá trình phun và cháy. Mô hình DI-Pulse sử dụng bốn tham số hiệu chỉnh, cụ thể là: Hệ số tốc độ xâm nhập của tia phun (Entrainment Rate Multiplier), hệ số thời gian cháy trễ (Ignition Delay Multiplier), hệ số tốc độ cháy trước (Premixed Combustion Rate Multiplier) và hệ số tốc độ cháy khuếch tán (Diffusion Combustion Rate Multiplier) [97].
GT-Power sử dụng các mô hình khác nhau cho các giai đoạn đốt cháy khác nhau. Chi tiết của từng giai đoạn và mô hình sử dụng được giải thích dưới đây.
- Quá trình phun nhiên liệu
DI-Pulse cho phép mô phỏng các quá trình phun bao gồm phun một giai đoạn hoặc phun nhiều giai đoạn mà không giới hạn số lượng các lần phun. Mỗi xung phun được theo dõi riêng và thêm vào vùng không cháy như thể hiện trong Hình 4.2. Do đó, mô hình DI-Pulse yêu cầu độ chính xác cao của mô hình vòi phun. Độ dài thâm nhập của tia phun (S) của một xung phun tại thời điểm sau khi xảy ra quá trình phun, được tính theo phương trình (4.2)
trong đó thời gian phân rã (tb) được xác định bằng công thức (4.3), còn tốc độ tại lỗ vòi phun được xác định theo công thức (4.4):
(4.3)
(4.4) trong đó: t – là thời gian khảo sát; ̇inj- là lưu lượng khối lượng của nhiên liệu; An- tiết diện lỗ vòi phun; dn – đường kính lỗ vòi phun; Cd – hệ số lưu lượng của lỗ vòi phun; l – khối lượng riêng của nhiên liệu lỏng; g – khối lượng riêng của nhiên liệu khí; ∆p- là chênh lệch áp suất trên vòi phun.
Hệ số lưu lượng của lỗ vòi phun (Cd) đánh giá khả năng lưu thông của dòng nhiên liệu đi qua lỗ vòi phun thông qua việc đánh giá khả năng tạo bọt khí (hiện tượng cavitation) ở miệng lỗ vòi phun. Giá trị Cd phụ thuộc vào đặc điểm hình học của lỗ vòi phun (đường kính lỗ vòi phun, chiều dài lỗ vòi phun hoặc tỉ số giữa chiều dài lỗ vòi phun và đường kính lỗ vòi phun) và độ chênh áp trước và sau lỗ vòi phun.
Hình 4.2. Mô hình đa xung trong GT-Power [97]
Khi nhiên liệu được phun vào xi lanh, nó sẽ hòa trộn với không khí, khí sót và nhiên liệu từ các xung khác. Sự ràng buộc của các thành phần trên, dựa theo phương trình bảo toàn động lượng [99], như được thể hiện trong biểu thức (4.5)
minj . uinj = (minj + mair-entrained) . u (4.5) trong đó: minj - là khối lượng ban đầu của phần nhiên liệu được phun vào,
mair-entrained - là khối lượng không khí bị hút vào và u là vận tốc cuối cùng của hỗn
hợp nhiên liệu không khí bị hút vào. Do đó, khối lượng không khí bị cuốn vào phụ thuộc chặt chẽ vào IR, như thể hiện trong phương trình (4.6).
(4.6) Tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu- không khí không đổi được xác định như trong biểu thức (3.6)
(4.7) trong đó: Cent (Entrainment Rate Multiplier) - là hệ số tốc độ xâm nhập của tia phun, được dùng để hiệu chỉnh mô hình cháy.
- Quá trình bay hơi của nhiên liệu
Bước tiếp theo trong chuỗi mô hình là nhiên liệu bay hơi xâm nhập vào trong hỗn hợp. Sự bay hơi của giọt nhiên liệu được mô hình hóa bằng giải pháp kết hợp giữa truyền nhiệt và khối lượng truyền nhiệt thích hợp, cho cả giới hạn bay hơi khuếch tán và giới hạn bay hơi khi sôi. Một phần nhiên liệu được giả định xung quanh giọt nhiên liệu bị bay hơi và được áp dụng theo phương trình bảo toàn năng lượng như thể hiện trong biểu thức (4.8). Sự thay đổi năng lượng bên trong của giọt nhiên liệu là kết quả tổng hợp của quá trình truyền nhiệt đối lưu từ khí nóng và sự thoát nhiệt do bay hơi của chính nó [99].
(4.8)
trong đó
md - là khối lượng của giọt; cpd - là nhiệt dung riêng của giọt nhiên liệu. Tốc độ truyền nhiệt đối lưu được xác định bằng phương trình (4.9).
(4.9)
trong đó: h - là entanpi của nhiên liệu; dd - là đường kính của giọt nhiên liệu lỏng; Tg - là nhiệt độ của các khí trong khu vực, Td - là nhiệt độ của giọt chất lỏng.
Nhiệt hấp thụ từ phần thể tích giả định xung quanh giọt nhiên liệu do thay đổi entanpi được tính bằng phương trình (4.10).
(4.10) trong đó: ∆Hvd - là nhiệt hóa hơi của nhiên liệu; là tốc độ bay hơi của giọt nhiên liệu.
- Thời gian cháy trễ
Thời gian cháy trễ là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phun đến khi hỗn hợp bắt đầu bị đốt cháy. Hỗn hợp môi chất trong mỗi lần phun đều có một thời gian cháy trễ nhất định và được mô hình hóa theo công thức của Arrhenius (4.11). Trong đó, mô hình có thể được hiệu chỉnh thông qua hệ số thời gian cháy trễ (Ignition Delay Multiplier - Cign). Thời gian cháy trễ tính riêng cho từng lần phun dựa trên các điều kiện trong lần phun đó, có tính đến sự ràng buộc và bay hơi trong mỗi lần phun cũng như tương tác giữa các lần phun được xác định trong công thức (4.11):
(4.11)
trong đó: [O2] - là nồng độ của oxi; T - là nhiệt độ của hỗn hợp trong lần phun; - là khối lượng riêng của hỗn hợp khí trong lần phun.
- Giai đoạn cháy trước
Khi nhiên liệu bắt đầu được phun vào trong xi lanh, hỗn hợp có mặt tại thời điểm đó được đặt riêng để thực hiện quá trình cháy trước. Tốc độ của quá trình cháy này được giả định là bị giới hạn về mặt động học và có thể được hiệu chỉnh bởi hệ số tốc độ cháy trước (Premixed Combustion Rate Multiplier - Cpm) như được định nghĩa trong phương trình (4.12).
(4.12) trong đó: tign là thời gian cháy trễ; mpm là khối lượng cháy trước; k: là hằng số động năng hỗn loạn của dòng khí cháy
- Giai đoạn cháy khuếch tán
Sau khi hỗn hợp ứng với một lần phun nào đó bốc cháy, phần nhiên liệu còn lại chưa được hòa trộn và môi chất bị cuốn vào trong lần phun tiếp theo tiếp tục được hòa trộn và cháy trong một pha chính giới hạn gọi là cháy khuếch tán. Tốc độ của quá trình cháy này có thể được hiệu chỉnh bằng hệ số tốc độ cháy khuếch tán (Diffusion Combustion Rate Multiplier - Cdf) như trong Công thức (4.13). Tốc độ cháy khuếch tán sẽ bị giảm đi khi thời gian phun dài, do tương tác giữa bề mặt chùm tia phun và thành xi lanh và giữa các chùm tia phun với nhau.
(4.13) trong đó: Vcyl là xi lanh là thể tích xi lanh; m là khối lượng hỗn hợp nhiên
liệu không khí có sẵn ở giai đoạn cháy khuếch tán.