6. Các nội dung chính trong đề tài
2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác độngcơ đốt trong
Chu trình công tác của động cơ được đặc trưng bằng các thông số mà khi tính toán cũng như khi phân tích cần phải xét đến như áp suất chỉ thị trung bình, hiệu suất chỉ thị, áp suất cực đại và tốc độ tăng áp suất trong quá trình cháy, nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy và các thông số trạng thái của môi chất công tác. Toàn bộ các thông số đặc trưng đó được phản ánh tổng quát thông qua quy luật phát triển của áp suất và nhiệt độ trong quá trình cháy có xét đến
quy luật cháy của nhiên liệu và quy luật trao đổi nhiệt giữa khí cháy và thành vách [2], [3].
Phương pháp tính toán lý thuyết gần đúng đầu tiên được sử dụng cho việc tính toán chu trình công tác dựa trên cơ sở của chu trình lý tưởng, trong đó quá trình cháy được thay bằng các quá trình cấp nhiệt tương đương đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp đã được trình bày trong các giáo trình nhiệt động kỹ thuật. Nhược điểm của phương pháp này là khi tính không xét đến sự thay đổi môi chất công tác về mặt hóa học trong quá trình cháy, những tổn thất khí động trong quá trình nạp, sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng của môi chất công tác vào nhiệt độ cũng như những tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn và do truyền nhiệt. Do đó, kết quả tính toán chỉ mang tính chất định tính.
Để nâng cao kết quả tính toán lý thuyết sát với kết quả của chu trình thực, sau này người ta đã áp dụng phương pháp của giáo sư Grinheveski (1906 - 1907) và được các nhà khoa học Liên Xô như viện sĩ Briling, Streekin, giáo sư Mading phát triển. Việc tính nhiệt của chu trình công tác theo phương pháp Grinheveski - Mading có xét đến sự thay đổi trạng thái môi chất công tác về mặt hóa học trong quá trình cháy, những tổn thất khí động trong quá trình nạp - thải, sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ và tổng lượng nhiệt tổn thất do cháy không hoàn toàn và do truyền nhiệt thông qua các hệ số. Phương pháp này chủ yếu dựa trên việc tính toán nhiệt động các quá trình đã được đơn giản hóa khá nhiều (ví dụ: chọn áp suất của các quá trình nạp, thải pa, pr bằng hằng số theo kinh nghiệm mà không tính quá trình trao đổi khí; hay chọn hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z(z) và tại điểm b (b) chứ không tính toán diễn biến quá trình tỏa nhiệt khi cháy… nên kết quả tính toán có độ chính xác không cao. Mặc dù vậy, phương pháp Grinheveski-Mading vẫn phản ánh được bản chất của các quá trình cũng như toàn bộ chu trình công tác của động cơ [3].
Đối với động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả, các quá trình công tác trong xi lanh động cơ và trong bộ tua bin - máy nén có mối liên hệ và phụ thuộc lẫn nhau, điều đó không được đề cập đến trong phương pháp của Grinheveski và Mading [4]. Phương pháp này cũng không thể xác định được đặc tính thay đổi các thông số chủ yếu của các quá trình công tác của động cơ theo động lực học tỏa nhiệt, trao đổi nhiệt với thành xi lanh và các thông số điều chỉnh. Vì vậy cần phải có mô hình toán học cho phép tính đến các yếu tố này trong các quá trình công tác và cho phép đánh giá ảnh hưởng của chúng đến đặc tính diễn biến quá trình công tác, tính kinh tế nhiên liệu và độ tin cậy làm việc của động cơ. Mô hình toán học các quá trình công tác của động cơ là hệ các phương trình vi phân khép kín. Với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên đã cho, mỗi hệ phương trình này mô tả đầy đủ mối quan hệ của các thông số quá trình công tác với sự thay đổi năng lượng, khối lượng và các thông số kết cấu của động cơ [3].
Hiện nay có hai phương pháp tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi đó là phương pháp cân bằng năng lượng và phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics).
Phương pháp cân bằng năng lượng là phương pháp mô phỏng chu trình làm việc của động cơ trên cơ sở xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi khí trong động cơ; hệ phương trình bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng, phương trình cân bằng khối lượng và phương trình trạng thái. Phương pháp này do GS Vô-lô-đin (Liên Xô cũ) đề xuất những năm 80 của thế kỷ 20 và được GS Woschni (CHLB Đức) tiếp tục phát triển, được dùng khá phổ biến để tính toán nhiệt độ và áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu và qua đó xây dựng được đồ thị công của chu trình. Hệ phương trình vi phân cùng các điều kiện biên kèm theo chỉ có thể giải gần đúng bằng phương pháp số, ví dụ phương pháp Runge - Kutta. Đầu tiên người
ta chọn thông số của môi chất tại một điểm nào đó của chu trình, thông thường chọn tại điểm đóng xu páp nạp, làm điều kiện đầu. Điểm chọn được gọi là điểm đầu của chu trình. Sau đó tiến hành tính toán theo bước cho đến khi kết thúc chu trình tức là quay lại điểm đầu. So sánh kết quả nhận được với giá trị chọn ban đầu nói chung có sự sai lệch. Căn cứ vào độ lệch sẽ chọn lại những thông số tại điểm đầu rồi tiến hành tính lần 2, lần 3… cho đến khi kết quả tính trùng với kết quả chọn thì dừng lại. Kết quả của lần tính cuối cùng chính là nghiệm của hệ phương trình vi phân, đó là khối lượng m, áp suất p và nhiệt độ T của môi chất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu. Quá trình giải đòi hỏi một khối lượng tính toán rất lớn nên thường phải lập trình giải trên máy tính. So với phương pháp tính toán nhiệt động của Grinheveski - Mading thì mô hình mô tả các quá trình thành phần sát thực hơn nên kết quả chính xác hơn. Hiện nay, nhiều phần mềm mô phỏng xây dựng trên cơ sở phương pháp cân bằng năng lượng được phát triển và áp dụng khá phổ biến trong nghiên cứu - phát triển động cơ như AVL Boost (Áo), GT-Power (Mỹ)…
Phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp mô phỏng hiện đại cho đối tượng là dòng lưu chất trong không gian 3 chiều. Cơ sở lý thuyết của phương pháp CFD là hệ phương trình Navier - Strockes mô tả trao đổi năng lượng, động lượng và trao đổi chất của dòng môi chất là chất lỏng nhớt trong không gian 3 chiều. Đối với dòng lưu động là chất khí cần phải bổ sung thêm phương trình trạng thái. Ngoài ra, còn có các điều kiện biên để xác định các thông số trong các phương trình nói trên. Tất cả tạo thành hệ phương trình mô phỏng dòng khí thực. Giải hệ phương trình mô phỏng thường dùng phương pháp thể tích hữu hạn (tương tự như phương pháp phần tử hữu hạn FEM - Finite Element Method). Kết quả tính toán ở mỗi thời điểm, tại mỗi thể tích khảo sát thông thường gồm 6 giá trị là vx, vy, vz (xác định véc tơ vận tốc v), nhiệt độ T, áp suất p và mật độ . Nếu như thêm vào hệ phương trình mô
phỏng các phương trình tính toán động học phản ứng trong quá trình cháy thì còn nhận được nồng độ các chất độc hại như CO, NOx, PM… Do số thể tích khảo sát thường rất lớn và bước thời gian tính toán thường rất nhỏ nên để bảo đảm độ chính xác, khối lượng tính toán sẽ rất lớn cần phải sử dụng máy tính lớn có tốc độ tính toán rất cao. Mặc dù vậy, thời gian tính toán một chu trình công tác của động cơ vẫn rất lâu, có thể đến nhiều ngày tùy theo bài toán và cấu hình của máy tính. Ngoài ra, việc chuẩn bị những số liệu, những thông số cần thiết để đưa vào mô hình mô phỏng cũng mất rất nhiều thời gian và công sức. Vì vậy, phương pháp CFD chỉ được sử dụng ở các phòng thiết kế và các trường đại học lớn. Đây là phương pháp mô phỏng hiện đại và có tiềm năng phát triển. Hiện nay có nhiều phần mềm CFD trên thị trường như Fluent và Kiva (Mỹ), AVL-Fire (Áo), Star-CD (Anh), Promo (Đức)… Những phần mềm này đã được áp dụng tính toán các quá trình bên trong động cơ tạo nên chu trình làm việc bao gồm cả hình thành các chất độc hại cho kết quả rất phù hợp với số liệu đo bằng thực nghiệm.