7. Nội dung nghiên cứu
2.3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ
Chu trình nhiệt động bên trong xi lanh của động cơ sẽ được tính toán bằng phần mềm GT-Power, cơ sở lý thuyết của phần mềm này được trình bày cụ thể như trong tài liệu tham khảo [9]. Để mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ cần lựa chọn mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt.
Lựa chọn mô hình cháy:
Như trình bày trong [2 ÷ 5], để tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong có nhiều mô hình cháy khác nhau để lựa chọn tùy theo mục đích và đối tượng nghiên cứu cụ thể. Có mô hình tính độc lập quy luật cháy, tốc độ cháy; có mô hình phải tính trong quan hệ mật thiết với sự thay đổi áp suất, nhiệt độ và sự trao đổi nhiệt giữa các vùng với nhau; có mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics - CFD). Trong các mô hình cháy thường áp dụng hiện nay, mô hình cháy đa vùng áp dụng cho tia phun trực tiếp (gọi tắt là DI-jet) là mô hình được phát triển từ mô hình cháy của Hiroyasu và Kadota trong đó có tính đến va chạm thành vách là mô hình phù hợp để tính động học tỏa nhiệt khi cháy đối với động cơ diesel phun trực tiếp. Do vậy, luận án lựa chọn mô hình cháy đa vùng cho tia phun trực tiếp (DI-jet) được tích hợp trong phần mềm GT - Power để tính toán chu trình công tác. Mô hình hiện tượng đa vùng đưa ra cơ sở tính toán sự phát triển của tia phun, bay hơi, hòa trộn, tỏa nhiệt ở các không gian khác nhau trong buồng cháy bằng việc phân chia không gian trong xi lanh thành 2 hay nhiều vùng. Mỗi vùng được xem như một hệ thống nhiệt động học hòa trộn mở, bởi vậy mô hình này có thể xác định được nhiệt độ và thành phần hóa học cục bộ của từng vùng và cuối cùng là động học tỏa nhiệt khi cháy. Với việc phân chia tia phun thành nhiều vùng, mô hình bao gồm các mô hình thứ cấp (mô hình con) như: mô hình phát triển tia phun, thâm nhập và hòa trộn, bay hơi của các hạt, truyền nhiệt của vùng, ... Hình 2.8 mô tả cách phân chia các vùng của tia phun và
quy luật đánh số thứ tự của các vùng trong mô hình DI-jet ứng dụng trong phần mềm mô phỏng GT-Power [9], [2].
Hình 2.8. Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng, [2], [9]
Theo hình 2.8, tia phun được phân chia thành 5 vùng hướng kính và tối đa là 80 vùng dọc theo trục tia và cách đánh số các vùng; ngoài ra còn cho thấy sự thâm nhập, hòa trộn không khí và sự bay hơi của các hạt nhiên liệu khác nhau ở các vùng hướng kính; ở vùng xa trục tia có tốc độ thâm nhập của không khí nhanh hơn do đó tốc độ phát triển vào sâu của chúng cũng giảm hơn so với vùng gần tâm trục tia. Trong mô hình DI-jet có đề cập đến mô hình phun, mô hình này được thiết lập như là một mô hình con của mô hình cháy và đề cập tới động học tia nhiên liệu như: độ xuyên sâu (độ dài) của tia phun, vấn đề phân rã hạt, sự thâm nhập của không khí vào tia phun, sự bay hơi của các hạt, cháy trễ cũng như tốc độ tỏa nhiệt khi cháy. Cơ sở toán học của mô hình DI-jet được trình bày cụ thể trong [2], [9].
Lựa chọn mô hình truyền nhiệt:
Chúng ta biết rằng, truyền nhiệt giữa khí và thành vách xi lanh có ảnh hưởng quan trọng tới sự phát thải của động cơ, chẳng hạn như thành phần khí xả HC chưa cháy. Hơn nữa, trao đổi nhiệt cũng có ảnh hưởng tới hiệu suất động cơ. Trong đa số trường hợp, trao đổi nhiệt đối lưu từ khí cháy là sự đóng góp chính tới dòng nhiệt từ khí tới thành xi lanh. Chính vì vậy, trao đổi nhiệt đối lưu hiện là sự quan tâm chính trong những mô hình truyền nhiệt động cơ. Tuy nhiên trong môi trường nhiệt độ cao, đặc biệt khi lượng bồ hóng lớn được hình thành trong xi
lanh, dòng nhiệt do bức xạ trở nên quan trọng. Hơn nữa, nếu sự va đập của tia phun trở nên mạnh mẽ, truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt thông qua màng nhiên liệu không thể được bỏ qua. Hiện nay có các mô hình truyền nhiệt được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng CFD đa chiều và các mô hình kinh nghiệm để xác định tốc độ tỏa nhiệt đối lưu giữa khí (môi chất công tác) và thành vách buồng cháy, những mô hình này có thể được phân loại dựa vào dòng nhiệt dự định tính toán và mục đích tính toán cụ thể. Theo đó, có mô hình tính toán dòng nhiệt trung bình thời gian, có mô hình tính toán dòng nhiệt trung bình không gian tức thời và mô hình tính toán dòng nhiệt cục bộ tức thời.
Các mô hình truyền nhiệt được sử dụng để tính toán dòng nhiệt tức thời được trình bày cụ thể trong [2]; trong các mô hình này, phương trình truyền nhiệt của Woschni cho kết quả tính toán dòng nhiệt cao hơn trong suốt quá trình cháy và thấp hơn trong suốt quá trình nén. Mô hình của Annand và Hohenberg cho các giá trị sát với giá trị đo được trong suốt quá trình nén và quá trình cháy.
Mô hình đề xuất bởi Hohenberg dựa trên số liệu quan sát thực nghiệm, thu được sau khi kiểm tra tỉ mỉ công thức nguyên thủy của Woschni. Trong mô hình này, tác giả đã thấy rằng sẽ thích hợp hơn khi sử dụng chiều dài đặc trưng là đường kính của một khối cấu, toàn bộ thể tích của nó tương ứng với thể tích xi lanh tức thời V.
Mô hình truyền nhiệt của Hohenberg như sau [2]:
= C1V-0.06p0.8Tg-0.4(Cm + C2)0.8 (2.1) trong đó: p - là áp suất trong xi lanh, [bar];
- hệ số trao đổi nhiệt, [W/m2.K]; Tg - nhiệt độ trong xi lanh, [K];
V = 3
6 ds
- Thể tích xi lanh tức thời, [m3]; Cm - vận tốc trung bình pít tông, [m/s];
C1, C2 - hằng số, giá trị trung bình của các hằng số này lần lượt là 130 và 1.4.
Trong mô hình Hohenberg (công thức 2.1), các số mũ hiệu chỉnh và các hằng số là kết quả thực nghiệm trên 4 động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp khác nhau. Kết quả chỉ ra sự phù hợp giữa giá trị dòng nhiệt tính toán và dòng nhiệt đo ở các tốc độ và điều kiện tải khác nhau. Hohenberg cho rằng, trong trường hợp động cơ diesel tốc độ cao, mô hình của Woschni dự đoán thấp dòng nhiệt trong suốt quá trình nén và quá trình thải, nhưng dự đoán cao giá trị cực đại của dòng nhiệt gây ra bởi quá trình cháy. Kết quả trình bày bởi Hohenberg thể hiện sự cải tiến trong những hạn chế của mô hình Woschni như trình bày trên hình 2.9.
[độ GQTK]
Hình 2.9. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán theo phương trình của Woschni và Hohenberg, [2]
Trong mô hình đề xuất bởi Hohenberg cho phép dự đoán giá trị hệ số trao đổi nhiệt tốt hơn trong suốt kỳ thải và tránh được dự đoán quá cao dòng nhiệt cực đại trong suốt quá trình cháy ở động cơ diesel phun trực tiếp. Điều này có được thông qua các số liệu thực nghiệm thu được khi tiến hành nghiên cứu về các loại động cơ nói trên.
Vì vậy, trong nội dung nghiên cứu của luận văn, tác giả sử dụng mô hình truyền nhiệt của Hohenberg để mô phỏng quá trình truyền nhiệt từ khí cháy tới thành vách buồng cháy.