7. Nội dung nghiên cứu
3.3. Tính toán chu trình công tác động cơ V12 tăng áp sử dụng lưỡng nhiên liệu
liệu diesel - ethanol
Để xác định các điều kiện biên trao đổi nhiệt của pít tông động cơ ta cần xác định diễn biến nhiệt độ và áp suất bên trong xi lanh động cơ trong quá trình làm việc. Trong luận văn, tác giả sử dụng phần mềm GT-Power để tính toán chu trình công tác và xác định diễn biến nhiệt độ và áp suất bên trong xi lanh động cơ.
Phần mềm GT-Power nằm trong bộ phần mềm GT-Suite do hãng Gama Technologies của Mỹ xây dựng và phát triển. Hiện nay phần mềm GT-Power đã được thương mại hóa trên toàn cầu. Phần mềm này đang được các công ty lớn trên thế giới trong lĩnh vực sản xuất động cơ, xe đua công thức 1, tàu thủy và các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học sử dụng. GT-Power là công cụ mô phỏng động cơ chuyên nghiệp, áp dụng cho các loại động cơ đốt trong 2 kỳ hoặc 4 kỳ, sử dụng cho phương tiện vận tải đường bộ, tàu thuyền, trạm phát điện, xe thể thao… GT-Power cung cấp cho người sử dụng nhiều phần tử để mô hình hóa bất kỳ bộ phận nào của động cơ. Nó có khả năng liên kết (link) với các phần mềm khác để mô phỏng hiệu quả và chính xác hơn như phần mềm CFD Star-CD, Fulent, Simulink, … Nó được tích hợp các công cụ mạnh phục vụ thiết kế như DOE/optimization (thiết kế theo thực nghiệm/tối ưu hóa), mô hình sơ đồ mạng nơ rôn và điều khiển… GT-Power được xây dựng cho việc tính toán trạng thái ổn định và trạng thái chuyển tiếp. GT-Power có thể sử dụng như một công cụ riêng, cũng có thể được liên kết với bộ GT khác có trong phần mềm GT-Suite
Phần mềm GT-Power có cửa sổ giao diện dùng để xây dựng mô hình và tính toán như cửa sổ giao diện của các phần mềm hiện đại khác như: SolidWork, Inventor, AVL-BOOTS,… Các thanh công cụ File, Edit, View, Run, DOE, Assembly, Tools, Window và Help. Công dụng của các thanh công cụ được diễn giải cụ thể trong phần Help. Các biểu tượng chức năng được sắp xếp bên dưới của các thanh công cụ. Các phần tử có sẵn của chương trình được sắp xếp bên trái màn hình. Quá trình xây dựng mô hình được thực hiện bên phải màn hình. Các
phần tử tham gia quá trình xây dựng mô hình được đưa từ bên trái mành hình (danh mục các phần tử) sang bên phải màn hình (trong vùng xây dựng mô hình) bằng lệnh coppy. Việc thay đổi kích thước, khoảng cách và hướng của các phần tử được thực hiện bởi các phím và biểu tượng chức năng khác nhau.
Sau khi thực hiện xong việc lựa chọn và định vị các phần tử trên vùng xây dựng mô hình, tiếp tục việc nối các phần tử với nhau thông qua các phần tử liên kết. Số lượng các phần tử được lựa chọn phù hợp với từng loại động cơ.
Các phần tử được nhập dữ liệu ngay trên giao diện cửa sổ phụ. Định nghĩa các thuộc tính của các phần tử có trong thư viện GT-Suite.
Trong nội dung nghiên cứu của luận văn, tác giả sẽ khảo sát diễn biến nhiệt độ, hệ số trao đổi nhiệt và áp suất của môi chất trong xi lanh động cơ V12 tăng áp sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol với tỷ lệ ethanol thay thế tính theo khối lượng được phun vào đường nạp là 30%.
Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel và ethanol
TT Thông số Diesel Ethanol
1 Công thức hóa học C14H30 C2H5OH 2 Khối lượng phân tử, [g/mol] 198,4 46,07 3 Khối lượng riêng ở 20oC, [g/cm3] 0,856 0,785 4 Nhiệt trị thấp, [MJ/kg] 41,66 26,87
5 Số xê tan 51 8
6 Hàm lượng cácbon [% khối lượng] 87 52,2 7 Hàm lượng hydro [% khối lượng] 13 13 8 Hàm lượng ô xy [% khối lượng] 0 34,8
Để có thể tiến hành thiết lập mô hình động cơ tăng áp sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol, trước hết tác giả xây dựng mô hình động cơ nguyên bản là động cơ V12, diesel cao tốc 4 kỳ, 12 xi lanh bố trí chữ V, phun nhiên liệu diesel trực tiếp, và buồng cháy thống nhất. Sau khi đánh giá được tính chính xác của mô hình này, sẽ tiếp tục tiến hành thiết lập mô hình mô phỏng động cơ cần khảo sát.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Các thông số đầu vào động cơ V12 để thiết lập mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Power được giới thiệu trong bảng 3.3 [30].
Bảng 3.3. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình
TT Thông số Ký
hiệu Giá trị Đơn vị
1 Số xi lanh i 12 -
2 Kiểu động cơ V12
Diesel cao tốc 4 kì, phun nhiên liệu trực tiếp tăng áp, buồng cháy thống nhất. 3 Thứ tự làm việc của các xi lanh 1 T-6P-5T-2P-3T-4P-6T-1P-2T-5P-4T-3P 4 Đường kính xi lanh D 150 mm 5 Hành trình pít tông
- Dãy chính (dãy bên trái) - Dãy phụ (dãy bên phải)
S
180 186,7
mm
6 Chiều dài thanh truyền L 320 mm
7 Độ lệch chốt pít tông 0 mm
8 Kiểu bố trí xi lanh Kiểu chữ V -
9 Tỷ số nén 150,5 10 Góc đóng mở Xu páp - Xu páp nạp + Mở trước ĐCT + Đóng sau ĐCD - Xu páp thải + Mở trước ĐCD + Đóng sau ĐCT 1 2 4 5 203 483 483 203 Độ (GQTK) 11 Số xu páp cho một xi lanh - Xu páp nạp - 4 2 Cái
- Xu páp thải 2 12 Đường kính tán xu páp - Xu páp nạp - Xu páp thải 54 50 mm
13 Số lỗ phun của vòi phun ivp 7 -
14 Đường kính lỗ phun d 0,25 mm
15
Lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình ứng với chế độ định mức.
gct 138,90 mg/ct
16 Nhiệt độ nhiên liệu Tnl 320 K
17 Góc phun sớm nhiên liệu 30 33 Độ (GQTK)
18 Áp suất môi trường p0 0,98 bar
19 Nhiệt độ môi trường T0 298 K
20 Mô hình cháy - Vibe -
21 Mô hình truyền nhiệt - Hohenberg -
22 Hành trình nâng xu páp nạp theo góc quay trục khuỷu
Trên cơ sở định nghĩa và lựa chọn các phần tử tương ứng, mô hình động cơ V12 được trình bày trên hình 3.1.
0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 Độ (GQTK) Đ ộ n â n g x u p á p (m m )
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
V12 Hình 3.1. Mô hình động cơ V12
Các thành phần trong mô hình được giới thiệu trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12
TT Phần tử S.lg Mô tả Các thông số đầu vào
1 Inlet-Env 02
Điều kiện biên môi trường, dòng vào
Áp suất, nhiệt độ môi trường vào....
2 Exhaust-
Env 24
Điều kiện biên môi trường, dòng ra
Áp suất, nhiệt độ môi trường ra....
3 FS_Intake 12 Mô tả chỗ dòng rẽ nhánh
Thể tích, độ nhám bề mặt, nhiệt độ thành, trạng thái dòng, góc giữa các nhánh trên hệ toạ độ xyz.
4 PR_In 10
Mô tả đoạn ống có mặt cách ngang hình dạng hình chữ nhật
Chiều cao, chiều rộng, độ nhám bề mặt, nhiệt độ thành, trạng thái dòng. 5 OC_In 12 Phần tử mô tả điều kiện dòng thay đổi
Thể tích, hệ số lưu lượng vào, ra.
6 intport 24 Mô tả các đoạn ống nạp
Đường kính vào, ra, chiều dài ống, chiều dài rời rạc hóa (để tính toán), nhám bề mặt, nhiệt độ thành, các yếu tố truyền nhiệt.
7 exhport 24 Mô tả các đoạn ống xả
Như trên
8 intvalve 24 Mô tả xu páp nạp
Đường kính tán nấm Xu páp, khe hở nhiệt, biên dạng cam, hệ số lưu lượng....
9 exhvalve 24 Mô tả Xu páp thải Như trên
10 Inject 12 Mô tả vòi phun
Lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình, góc phun sớm nhiên liệu, quy luật phun, áp suất phun, nhiệt độ nhiên liệu, đường kính lỗ phun, số lỗ phun, hệ số lưu lượng qua lỗ phun....
11 Cyl 12 Mô tả phần tử xi lanh
Các thông số kích thức hình học, mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt....
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
12 B2 01 Mô tả phần còn lại của động cơ
Số xi lanh, bố trí, chế độ tính toán động cơ, tổn hao cơ giới, mô men quán tính của trục khuỷu, chu kỳ tính, thứ tự làm việc của các xi lanh...
Để làm cơ sở xây dựng mô hình động cơ V12 tăng áp sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cũng như hiệu chỉnh mô hình động cơ V12 theo các số liệu đã chọn cho độ chính xác cao, thì trước hết tác giả sẽ xây dựng và đánh giá mô hình động cơ V12 nguyên bản chưa tăng áp. Kết quả tính toán các thông số nhiệt động động cơ V12 cụ thể như sau:
- Kết quả tính các chỉ tiêu công tác và chu trình công tác của động cơ V12 tại chế độ công suất định mức được trình bày trên các bảng 3.5.
Bảng 3.5. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12
STT Thông số Giá trị
1 Brake Power [kW] Công suất có ích 388
2 Brake Power [HP] Công suất có ích 521
3 Brake Torque [N.m] Mô men xoắn có ích 1850 4 IMEP [bar] Áp suất chỉ thị trung bình 8,39 5 Air Flow Rate [kg/hr] Lưu lượng khí nạp 2430 6 BSAC [g/kW.h] Suất tiêu hao không khí có ích 6260 7 Fuel Flow Rate [kg/hr] Lưu lượng nhiên liệu 100 8 BSFC [g/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 258
9 A/F Ratio Tỉ lệ không khí/nhiên liệu 24,3
10 Hệ số dư lượng không khí 1,69
11 Brake Efficiency [%] Hiệu suất có ích 32,5
Để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng ta sử dụng đặc tính ngoài của nhà sản xuất để hiệu chỉnh.
- Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài động cơ V12 trong vùng làm việc (n = 1200 2000 [v/ph]) được trình bày trên bảng 3.6 và trên hình 3.2.
Bảng 3.6. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài động cơ V12
Tốc độ quay trục khuỷu - n [v/ph] Me-NSX [N.m] Me-TT [N.m] Sai số tương đối Me [%] Gnl-NSX [kg/h] Gnl-TT [kg/h] Sai số tương đối Gnl [%] 1200 2158,20 2310 7,03 67,20 67,80 0,89 1400 2118,96 2260 6,66 75,00 78,10 4,13 1600 2060,10 2160 4,85 82,00 87,10 6,22 1800 1962,00 2040 3,98 88,50 95,00 7,34 2000 1814,85 1850 1,94 96,00 100,00 4,17
Hình 3.2. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài của động cơ V12
1200 1400 1600 1800 2000 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 n [v/ph] M e [ N .m
] Mo men xoan co ich
1200 1400 1600 1800 2000 65 70 75 80 85 90 95 100 n [v/ph] G n l [k g /h
] Luong nhien lieu tieu thu trong 1 h
Gnl - NSX Gnl - TT Me - NSX
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng động cơ V12 trên bảng 3.6 và trên hình 3.2 có thể thấy rằng: kết quả mô phỏng chu trình công tác động cơ V12 là khá phù hợp với tài liệu giới thiệu động cơ V12 [30]. Việc xây dựng mô hình mô phỏng động cơ V12 bằng phần mềm GT-Power cho độ chính xác và tin cậy cao. Vì vậy có thể sử dụng mô hình này để tiến hành tính toán các thông số nhiệt động của động cơ cũng như thiết lập mô hình động cơ tăng áp chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol. Để thiết lập được mô hình này, cần xây dựng phần tử vòi phun ethanol vào đường nạp và thiết lập các thuộc tính của nhiên liệu được phun. Phần tử vòi phun ethanol vào đường nạp, mô hình đường ống nạp sau khi bố trí thêm vòi phun ethanol lần lượt được giới thiệu trên hình 3.3. và hình 3.4.
Hình 3.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun ethanol vào đường nạp của động cơ
Hình 3.4. Mô hình cụm đường ống nạp động cơ V12 khi thiếp lập mô hình chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
Các thông số của động cơ V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol được giới thiệu trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. Các thông số của động cơ V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
TT Tên thông số Giá trị Đơn vị
1 Mức tăng áp của máy nén 1,8 -
2 Công suất định mức của động cơ
(khi chưa tăng áp)
478
(388) [kW]
3 Tốc độ quay của trục khuỷu 2000 [vg/ph]
Kết quả tính toán diễn biến của áp suất và nhiệt độ bên trong xi lanh động cơ V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol bằng phần mềm GT- Power được thể hiện như trên các hình từ hình 3.5 đến hình 3.7.
Các ký hiệu và chữ viết tắt biểu thị trên các kết quả: + BDC: Điểm chết dưới;
+ TDC: Điểm chết trên; + COMPRESSION: Kỳ nén; + POWER: Kỳ cháy - giãn nở; + EXHAUST: Kỳ thải;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 3.5. Diễn biến nhiệt độ của môi chất công tác trong xi lanh động cơ V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
Hình 3.6. Diễn biến áp suất của môi chất công tác trong xi lanh động cơ V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
Hình 3.7. Diễn biến hệ số trao đổi nhiệt của môi chất công tác trong xi lanh động cơ V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol 3.4. Tính toán trạng thái ứng suất cơ - nhiệt pít tông động cơ V12 tăng áp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
3.4.1. Cơ sở lý thuyết xác định trường nhiệt độ, ứng suất cơ - nhiệt
Trường nhiệt độ của pit tông được xác định bằng lý thuyết phần tử hữu hạn. Định luật nhiệt động I. .. T T T c v L T L q q t (3.1)
Định luật Fourier về thông lượng nhiệt:
q D L T (3.2) trong đó: 0 0 0 0 0 0 Kxx D Kyy Kzz là ma trận các hệ số dẫn nhiệt.
Các điều kiện biên cơ bản biểu diễn sự tương tác về nhiệt của bề mặt chi tiết và môi trường xung quanh có thể sử dụng các điều kiện biên sau đây [2]:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Điều kiện biên loại 1: sự phân bố của nhiệt độ theo bề mặt F hoặc một
phần của bề mặt của chi tiết F1:
T = T(x,y,z)
trong đó T(x,y,z) là hàm nhiệt độ trên bề mặt vật thể.
- Điều kiện biên loại 2: Mật độ của dòng nhiệt q0 qua bề mặt F hoặc một
phần của bề mặt F2:
q0(x,y,z) = - . T x y z( , , )
n
trong đó n - là pháp tuyến ngoài tới bề mặt của vật thể tại điểm có tọa độ x, y, z.
- Điều kiên biên loại 3: Nhiệt độ của môi trường xung quanh Tcp và quy
luật trao đổi nhiệt giữa môi trường và bề mặt F hoặc một phần bề mặt F3:
- . T x y z( , , )
n
= α (T-Tcp)
trong đó α - là hệ số truyền nhiệt đến bề mặt chi tiết.
- Điều kiện biên loại 4: Sự trao đổi nhiệt của hệ vật thể xảy ra theo quy luật dẫn nhiệt.
Điều kiện biên loại 1 và loại 2 thường ít gặp trong tính toán trạng thái nhiệt độ của các chi tiết động cơ nhiệt. Trong thực tiễn tính toán các chi tiết trên ta thường nhận được điều kiện biên loại 3 và loại 4. Trong bài báo, tác giả sử dụng điều kiện biên loại 3 để tính toán trạng thái nhiệt pit tông. Tính toán sử dụng giả thiết bỏ qua trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt qua màng dầu tại nhóm xéc măng và thân pit tông với thành xi lanh.
Trường nhiệt độ được xác định bởi: T
e
T N T (3.3) trong đó:
T = T(x, y, z, t) là trường nhiệt độ cần xác định, {N} = {N(x, y, z)} là ma trận hàm dáng, {Te} = {Te(x, y, z, t)} là véc tơ nhiệt độ tại các nút của phần tử.