v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
2.5 Kết quả tính toán mô phỏng
Việc tính toán các thông số đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel theo các mô hình toán mô tả ở trên được thực hiện trên phần mềm AVL BOOST phiên bản 2011 [83, 84] kết hợp với lập trình tính toán trên ngôn ngữ FORTRAN.
Phần mềm AVL-BOOST phiên bản 2011 là phần mềm tiên tiến hiện đại chuyên dùng cho mô phỏng chu trình động cơ đốt trong cho phép xác định các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ với độ tin cậy cao. Phần mềm cho phép mô phỏng các quá trình nội tại diễn ra trong động cơ như hình thành hỗn hợp, phản ứng cháy và hình thành các chất phát thải độc hại có tính đến ảnh hưởng của sức cản dòng chảy, thành phần nhiên liệu, nhiệt trị của nhiên liệu và ảnh hưởng của quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất… của môi chất công tác trong động cơ. Phần mềm cho phép áp dụng với nhiều loại nhiên liệu khác nhau với việc lựa chọn các thông số lý hóa của nhiên liệu và các mô hình cháy khác nhau trong kho dữ liệu của phần mềm hoặc của người dùng tùy thuộc loại nhiên liệu sử dụng. Phần mềm này có kho dữ liệu lớn, dễ sử dụng, tốc độ tính toán nhanh và kết quả tính toán khá chính xác, tin cậy nên rất thích hợp cho việc tính toán các thông số của chu trình công tác, các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ.
Trong đề tài này, tác giả sử dụng mô hình cháy là mô hình Vibe kép (mô hình 2.10 trong luận án) cho cả hai trường hợp nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu LPG/diesel. Đây là mô hình hai hàm Vibe chồng lấn áp dụng cho hai vùng hỗn hợp cháy là vùng cháy hỗn hợp đồng nhất được chuẩn bị trước và vùng cháy khuyếch tán của nhiên liệu diesel phun sau. Các thông số của mô hình Vibe là các thông số liên quan đến thời điểm bắt đầu cháy,
-63-
thời gian cháy, lượng nhiên liệu tham gia quá trình cháy và lượng nhiên liệu đã bay hơi hòa trộn với không khí trước khi cháy.
Thời điểm bắt đầu cháy phụ thuộc vào thời gian cháy trễ, được xác định theo mô hình 2.9 trong thuyết minh luận án.
Đối với đơn nhiên liệu diesel, lượng nhiên liệu bốc hơi và hòa trộn trước với không khí thường khá nhỏ so với tổng lượng nhiên liệu phun trong một chu trình nên có thể bỏ qua (mp=0). Khi đó, chỉ số định dạng Md (chỉ số đặc trưng cho tốc độ cháy) của hàm Vibe áp dụng cho cháy khuyếch tán được chọn theo số liệu chuẩn của AVL-BOOST là 0,85.
Còn đối với trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, trong vùng tia phun (có thể bao gồm gần hết thể tích buồng cháy khi ở toàn tải) phần hỗn hợp được chuẩn bị trước bao gồm cả nhiên liệu diesel bay hơi và hỗn hợp LPG-không khí khá lớn nên có thể chọn chỉ số định dạng của hàm Vibe trong giai đoạn này mp=2-3, còn hàm Vibe với phần nhiên liệu cháy khuyếch tán có thể chọn chỉ số định dạng Md=0,5-0,8 [83, 84]. Chỉ số định dạng được lấy giá trị nhỏ ứng với tỷ lệ LPG thay thế lớn và ngược lại. Các chỉ số này sẽ được hiệu chỉnh thêm khi so sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm để đảm bảo sai lệch giữa các kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm không quá 3%. Với cách hiệu chỉnh này trong đề tài, sai số giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm về mô men, công suất động cơ khi sử dụng đơn nhiên liệu và lưỡng nhiên liệu đều dưới 3%.
Ngoài phần mềm AVL-BOOST, còn có nhiều phần mềm khác có thể sử dụng để tính toán các thông số chu trình cũng như các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ như KIVA, Ansys Fluent, GT-Power, AVL-Fire và một số phần mềm khác. Tuy nhiên, với mục đích tính toán các thông số chu trình và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ thì các phần mềm này phức tạp và khó sử dụng hơn trong khi độ chính xác phụ thuộc rất nhiều vào việc phân tích quá trình và lựa chọn các thông số đầu vào cho mô hình của người sử dụng.
Phần mềm KIVA là phần mềm mã mở viết trên ngôn ngữ FORTRAN của phòng thí nghiệm Los Alamos. Đây là phần mềm 3D cho phép tính toán được tất cả các thông số của chu trình từ phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp đến quá trình cháy và hình thành phát thải tại các điểm khác nhau và thời gian khác nhau trong xi lanh động cơ. Tuy nhiên, mã nguồn viết rất phức tạp, dài đến 600 trang và chạy mất hàng mấy chục giờ nên khó áp dụng.
Phần mềm GT-Power là phần mềm một chiều cho phép mô phỏng và phân tích được hầu hết các quá trình trong động cơ. Đây cũng là phần mềm thông dụng trong nghiên cứu động cơ nhưng kho thư viện dữ liệu ít nên việc sử dụng không thuận tiện.
Phần mềm Ansys Fluent và AVL-Fire là các phần mềm đa năng CFD cho phép tính toán được hầu hết các quá trình trong động cơ và các thông số kể cả trường dòng, trường nhiệt độ của môi chất với độ phân giải và độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc sử dụng khá phức tạp và thời gian tính toán lâu nên không tiện dụng bằng phần mềm AVL-BOOST nếu chỉ quan tâm tính toán các chỉ tiêu kinh tê, kỹ thuật và phát thải của động cơ.
Phần mềm AVL BOOST cho phép chọn các mô hình toán thích hợp và tính toán được hầu hết các thông số nhiệt động của chu trình công tác cũng như các thông số đặc
-64-
trưng cho đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ với độ tin cậy cao. Tuy nhiên, phần mềm này lại không tích hợp chương trình tính toán phát thải HC cho động cơ diesel, do đó không tính toán được phát thải HC khi động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel. Trong khi đó, động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel có mức phát thải HC rất đáng kể theo như kết quả thực nghiệm của Lata và cộng sự [29, 72, 73] nên rất cần được nghiên cứu. Do vậy, việc tính toán mô phỏng phát thải HC theo các mô hình toán mô tả ở trên được thực hiện bằng mã code lập trình riêng trên ngôn ngữ FORTRAN, các thông số tính toán khác nhận được từ kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL BOOST. Chương trình tính toán lập trình trên ngôn ngữ FORTRAN được trình bày trong phụ lục 1.2.
Các thông số đầu vào phục vụ tính toán mô phỏng gồm các thông số kết cấu và các thông số làm việc ở chế độ tính toán lựa chọn của động cơ AVL 5402 và các thông số liên quan tới sự cấp nhiên liệu diesel và LPG ở các chế độ làm việc. Các thông số hóa lý và nhiệt động liên quan đến môi chất công tác (không khí, nhiên liệu và dầu bôi trơn) được xác định dựa trên các bảng JANAF về thông số nhiệt động của các chất [71] và được tích hợp trong phần mềm AVL BOOST. Mô hình AVL BOOST mô phỏng động cơ AVL 5402, với số lượng các phần tử để và các thông số điều khiển chung được trình bày trong phụ lục 1.3, 1.4 và 1.5.