Mô phỏng số quá trình làm việc của động cơ đốt trong ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế, cải tiến động cơ. Mô phỏng CFD (Computational Fluid dynamics) động cơ có thể cung cấp một góc nhìn toàn diện về các hiện tượng vật lý vật lý xảy ra trong động cơ, chẳng hạn như quá trình trộn lẫn nhiên liệu và không khí, quá trình đánh lửa và quá trình xảy ra phản ứng hóa học đốt cháy. Biết được chi tiết quá trình các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, sẽ giúp chúng ta dự đoán, phân tích, đánh giá được chính xác các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình làm việc của động cơ, làm cơ sở để cải tiến, nâng cao hiệu suất động cơ, giảm phát thải ra môi trường.
Không ngoài mục đích trên, trong chương này, trong nội dung nghiên cứu này xây dựng mô hình mô phỏng và thực hiện các trường hợp mô phỏng khác nhau cho quá trình cháy xảy ra trong CVCC. Các kết quả tính toán mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để kiểm chứng, đồng thời từ đó đưa ra các phân tích đánh giá cho quá trình cháy xảy ra trong CVCC.
Phương trình cơ bản mô tả quá trình cháy
Quá trình cháy nhiên liệu là quá trình đa vật lý, tổng hợp của các hiện tượng: phản ứng giữa các chất hóa học, đối lưu của dòng chảy, truyền nhiệt. Để mô phỏng được chính xác quá trình cháy, cần xác định rõ các đại lượng vật lý tồn tại trong mô hình, các hiện tượng vật lý liên quan các đại lượng vật lý đó, và các phương trình mô tả quan hệ của các đại lượng vật lý được dưới dạng vi phân đạo hàm riêng. Trong mô phỏng này, hành trình piston được đặt với một giá trị đủ nhỏ để biến thiên thể tích rất nhỏ, do đó dV lúc này là vô cùng nhỏ. Khi đó buồng cháy sẽ trở nên tương đương với CVCC. Hệ phương trình liên hệ các đại lượng vật lý mô tả hiện tượng cháy của nhiên liệu trong một cùng thể tích hữu hạn V được bao bởi bề mặt kín A gồm có các phương trình viết dưới dạng tích phân sau đây:
- Phương trình biến thiên động lượng dòng chảy chất lỏng, mô tả quan hệ giữa vận tốc hỗn hợp khí, nhiên liệu với áp suất, nhiệt độ, lực khối [81].
𝜕 𝜕𝑡∫ 𝜌𝑣𝑑𝑉 + ∮ 𝜌𝑣®𝑣. 𝑑𝑎 = − ∮ 𝑝𝐼. 𝑑𝑎 + ∮ 𝑇. 𝑑𝑎 +𝑉 𝐴 𝐴 𝐴 ∮ 𝑓𝑉 𝑏𝑑𝑉 + ∫ 𝑠𝑉 𝑢𝑑𝑉 (4.1) Trong đó: p: là áp suất T: là tensor ứng suất nhớt fb: là vectơ lực tổng hợp Su: là nguồn chất lỏng
83
𝜕
𝜕𝑡∫ 𝜌𝑑𝑉 + ∮ 𝜌𝑣. 𝑑𝑎 = ∫ 𝑆𝑉 𝑉 𝑉 𝑢𝑑𝑉 (4.2) - Phương trình năng lượng mô tả liên hệ qua lại giữa động năng dòng chảy,
nhiệt độ [81]. 𝜕 𝜕𝑡∫ 𝜌𝐸𝑑𝑉 + ∮ 𝜌𝐻𝑣. 𝑑𝑎 = − ∮ 𝑞. 𝑑𝑎 + ∮ 𝑇. 𝑣. 𝑑𝑎 + ∫ 𝑓𝑉 𝐴 𝐴 𝐴 𝑉 𝑏. 𝑣𝑑𝑉 + ∫ 𝑆𝑉 𝑢𝑑𝑉 (4.3) Trong đó: E: là tổng năng lượng H: là tổng entanpy q: là thông lượng nhiệt
- Phương trình trạng thái với khí thực Van der Waals [9].
(p + a
v2) . (v − b) = R. T (4.4) Trong đó:
a
b: là hệ số điều chỉnh về áp suất khi có lực hút giữa các phân tử b: hệ số tính đến thể tích của các phân tử
Các hệ số a và b được xác định qua trạng thái tới hạn của chất khí và tính theo công thức: a = 27 64.R2.Tk pk ; b =1 8.R.Tk pk (4.5) Trong đó:
Tk và pk là nhiệt độ và áp suất của môi chất ở trạng thái tới hạn - Phương trình chuyển động
Phương trình vận chuyển của động năng và tốc độ phân tán hỗn loạn [81].
𝜕 𝜕𝑡(𝜌𝑘) + ∇. (𝜌𝑘∇) = ∇. [(𝜇 +𝜇𝑡 𝜎𝑘) ∇𝑘] + 𝑃𝑘− 𝜌(𝜀 − 𝜀0) + 𝑆𝑘 (4.6) 𝜕 𝜕𝑡(𝜌𝜀) + ∇. (𝜌𝜀∇̅) = ∇. [(𝜇 +𝜇𝑡 𝜎𝜀) ∇𝜀] + 1 𝑇𝑒𝐶𝜀1𝑃𝜀 − 𝐶𝜀2𝑃2𝜌 (𝜀 𝑇𝑒−𝜀0 𝑇0) + 𝑆𝜀 (4.7) Trong đó: 𝑣̅: là vận tốc trung bình. μ: là độ nhớt động học. 𝜎𝑘, 𝜎𝜀, 𝐶𝜀1, 𝐶𝜀2: là hệ số mô hình. Pk và Pε: là điều kiện mô phỏng. f2: chức năng giảm chấn.
Sk và Sε là các điều kiện nguồn.
ε0 là giá trị nhiễu loạn xung quanh trong điều kiện nguồn chống lại sự phân rã nhiễu loạn. Khả năng áp đặt thuật ngữ nguồn xung quanh cũng dẫn đến định nghĩa về một thang thời gian cụ thể được định nghĩa là:
𝑇0 = 𝑚𝑎𝑥 (𝑘0
𝜀0, 𝐶𝑡√𝑣
84 Trong đó:
Ct: là hệ số của mô hình
- Phương trình năng lượng trong chất lỏng
Simcenter STAR-CCM + thực hiện phương trình năng lượng ở dạng tích phân sau [81]. 𝜕 𝜕𝑡∫ 𝜌𝐸𝑑𝑉 + ∮ 𝜌𝐻𝑣𝑑𝑎 = − ∮ 𝑞𝑉 𝐴 𝐴 ′′. 𝑑𝑎 + ∮ 𝑇. 𝑣𝑑𝑎 + ∫ 𝑓𝐴 ̇𝑉 𝑏. 𝑣𝑑𝑉 + ∫ 𝑆𝑉 𝑢𝑑𝑉 (4.9) Trong đó: E: là tổng năng lượng H: là tổng entanpi
𝑞̇′′: vector thông lượng nhiệt là T: là tensor ứng suất nhớt v: là vectơ vận tốc
Su: là vectơ lực tổng hợp cho các thành phần còn lại: quay, trọng lực, quạt…
Su nguồn năng lượng, chẳng hạn như nguồn bức xạ, nguồn năng lượng xen kẽ hoặc nguồn năng lượng do phản ứng hóa học. Các nguồn thể tích do người dùng xác định cũng nhập thông qua thuật ngữ này.
Tổng năng lượng liên quan đến tổng entanpi H bằng:
𝐸 = 𝐻 −𝑝
𝜌 (4.10)
𝐻 = ℎ + |𝑣|2/2 (4.11) Để mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu, mô hình ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model Three Zone) được áp dụng nhờ khả năng mô phỏng các cơ chế phức tạp quá trình trộn lẫn hỗn hợp nhiên liệu, đánh lửa, lan truyền ngọn lửa và cháy khuếch tán đặc trưng của động cơ đốt trong.
Các phản ứng xảy ra trong buồng cháy:
C2H2+ O2+ N2 → CO2+ H2O + N2 𝐶8𝐶18+ 2O2 → 𝐶𝑂2+ 𝐻2O 𝐶17𝐻32𝑂2+ O2 → 𝐶𝑂2+ 𝐻2𝑂
Phương pháp mô phỏng
Để mô phỏng quá trình cháy trong động cơ đốt trong, Simcenter Star-CCM+ đã xây dựng riêng một công cụ bổ sung (Add-on) chuyên dụng cho lớp các bài toán cháy trong xi-lanh. Với tên gọi In-Cylinder, công cụ này được phát triển riêng cho lớp các bài toán cháy của nhiên liệu trong thể tích không gian hình tròn. In-Cylinder cho phép mô phỏng đầy đủ quá trình làm việc, phối kết hợp của các bộ phận trong động cơ, nó cho phép đặt chính xác các điều kiện đầu vào về thông số hình học, vật lý, và động học của các bộ phận trong động cơ. Để thuận tiện, giảm độ phức tạp cài đặt mô hình mô phỏng, trong In-Cylinder xây dựng sẵn các thông số xác định hình dạng vật lý và điều kiện làm việc cho xi-lanh, van, kim phun, và bộ đánh lửa.
85
Trong mô phỏng số, tạo lưới là quá trình phức tạp, tốn nhiều thời gian, ảnh hưởng tới độ chính xác mô phỏng, đặc biệt đối với các bài toán có dạng hình học phức tạp, thể tích không gian vật lý thay đổi theo thời gian, đa vật lý xảy ra cùng lúc – như bài toán cháy trong động cơ. In-cylinder cung cấp chức năng tự động chia lưới theo các thông số đầu vào về dạng hình học của xy-lanh, pit-tông, chuyển động của piston, các van xả, van nạp. Lưới chuyển động được tính toán phù hợp với vị trí chuyển động của piston và các van. Thuật toán nội suy dữ liệu trong quá trình thay đổi lưới được xây dựng dựa trên các quy luật bảo toàn khối lượng, động lượng, và năng lượng.
Với các đặc điểm trên, In-Cylinder là một công cụ mạnh trong mô phỏng quá trình cháy của động cơ đốt trong, và được dùng rất phổ biến trong các nhóm nghiên cứu mạnh.
Khi mô hình cần mô phỏng có dạng giống với mô hình cháy trong động cơ truyền thống, công cụ In-Cylinder sẽ phát huy được tối đa hiệu quả, ngược lại khi mô hình mô phỏng không đồng nhất với mô hình động cơ truyền thống, chẳng hạn không có piston, hoặc không có quá trình xả khí, thì cần phải đưa vào những hiệu chỉnh cần thiết để In-Cylinder làm việc như ý muốn.
Vấn đề mô phỏng Buồng cháy có thể tích không đổi có những đặc trưng không được mô tả trong công cụ In-Cylinder: Quá trình diễn biến cháy không phụ thuộc vào góc quay trục khuỷ, không có piston, các van nạp không đóng mở theo chu kỳ... Do đó, khi sử dụng công cụ In-Cylinder để mô phỏng quá trình cháy trong Buồng cháy có thể tích không đổi cần những hiểu biết đầy đủ về phương pháp vận hành của In- Cylinder để đưa ra các hiệu chỉnh phù hợp nhằm mô phỏng chính xác các hiện tượng thực tế xảy ra trong buồng cháy.
Trong Simcenter STAR-CCM + In-Cylinder, quá trình cháy trong động cơ được mô phỏng sử dụng mô hình ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model Three Zone). Mô hình ECFM-3Z có khả năng mô phỏng các cơ chế phức tạp quá trình trộn lẫn hỗn hợp nhiên liệu, đánh lửa, lan truyền ngọn lửa và cháy khuếch tán đặc trưng của động cơ đốt trong.
Đối tượng mô phỏng
Đối tượng mô phỏng là CVCC có đường kính xylanh 80 mm, chiều cao 90 mm và bề dày thành xylanh là 60 mm
86
Nhiên liệu sử dụng trong mô phỏng là nhiên liệu B0 và B10. Nhiên liệu B0 sử dụng cho động cơ đốt trong là sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ. Nhiên liệu này ngày càng khan hiếm do nhu cầu khai thác và sử dụng của con người trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội. Việc nghiên cứu nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống là nhiệm vụ mang tính cấp thiết. Nhiên liệu B10 có tính chất gần với nhiên liệu diesel truyền thống, chỉ khác biệt một chút về các thuộc tính (trị số xê tan, tỉ lệ C/H/O, nhiệt trị thấp và độ nhớt...). Tuy nhiên, sự khác biệt này nhỏ. Vì vậy, việc nghiên cứu đối với nhiên liệu B10 sẽ thuận lợi hơn khi phân tích các kết quả nghiên cứu và so sánh kết quả với nhiên liệu B0. Mặt khác, nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, theo dự báo với mức độ sử dụng nhiên liệu như hiện nay thì trong khoảng 40 - 50 năm nữa nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt. Ngoài ra, các nước trong khối EU đã sử dụng nhiên liệu này tư lâu. Từ năm 2007 đến 2012 ở Châu Âu đã tiêu thụ dầu biodiesel tăng 57% và hội đồng của nghị viện EU ủng hộ phê duyệt giới hạn 7% với nhiên liệu biodiesel vào tháng 6 năm 2014 (nguồn https://www.eubia.org/cms/wiki-biomass/biofuels/biodiesel/). Vì vậy, nghiên cứu đặc tính cháy nhiên liệu B10 là cần thiết trong việc sử dụng nhiên liệu này ở Việt Nam trong tương lai.
Mô hình mô phỏng
Mô hình mô phỏng số được xây dựng dựa trên các thông số thiết kế hình học của buồng cháy có thể tích không đổi, các thông số quá trình nạp, đốt cháy nhiên liệu cũng được đặt thống nhất với các thông số của mô hình thực nghiệm. Vì vậy các kết quả mô phỏng số có thể được dùng để so sánh, đánh giá, và phân tích các kết quả đạt được trong thực nghiệm Bảng 4. 1
Bảng 4. 1. Thông số hình học của mô hình mô phỏng
Thông số Giá trị Ghi chú
Đường kính buồng đốt 80mm Độ dài buồng đốt 90mm Đường kính van nạp 5mm Đường kính van xả 5mm Đường kính vòi phun 0,14mm
Sử dụng các thông số hình học trong Bảng 4.1, mô hình lưới tính toán được xây dựng sử dụng công cụ 3D-CAD tích hợp trong Star-CCM+. Theo quy định của In- Cylinder mô hình CAD phải chứa có 3 thành phần: Cylinder-phần thể tích sảy ra phản ứng cháy của nhiên liệu trong buồng cháy; IntakeValve, ExhaustValve-được định nghĩa là các van xupáp nạp nhiên liệu và xả hỗn hợp sản phẩm sau khi cháy.
Miền không gian xảy ra phản ứng cháy (Cylinder), và các van nạp, xả trong mô hình mô phỏng được hiển thị trong Hình 4. 2.
87
Hình 4. 2. Mô hình mô phỏng CVCC
Công cụ In-Cylinder yêu cầu piston phải chuyển động theo vòng quay trục khủyu trong quá trình cháy. Khi sử dụng In-Cylinder để mô phỏng CVCC, cần điều chỉnh các hệ số để piston không chuyển động. Qua tìm hiểu các thống số cài đặt của công cụ In- Cylinder, cho thấy rằng chuyển động của piston dựa trên các thông tin cụ thể về hình dạng của động cơ, sử dụng các đặc tính hình học di chuyển piston dọc theo trục z âm, độ lệch từ vị trí điểm chết trên được tính theo phương trình 4.12, Trong đó S là hành trình dịch chuyển của vấu cam, CA là góc quay trục khuỷu tính bằng độ (từ 0 đến 720°), CRL là chiều dài thanh truyền, PO là vị trí xác định ban đầu. Trong mô hình mô phỏng tham số S được đặt bằng 0.05mm (tương ứng bằng 1 nửa kích thước ô lưới cơ bản).
Để mô phỏng quá trình phun nhiên liệu trong xylanh, công cụ In-Cylinder cho phép đưa vào mô hình kim phun một hoặc nhiều vòi phun với các dạng phun khác nhau và được đặt ở bất kỳ bên trong buồng cháy. Trong mô phỏng này, nhiên liệu phun được điều chỉnh theo 4 tham số: vận tốc tia phun, tỉ lệ phun, nhiệt độ và kích thước hạt nhiên liệu phun vào buồng cháy. Các tham số nhiệt độ và kích thước hạt được nội suy trực tiếp từ bảng dữ liệu đầu vào. Các tham số vận tốc và tỉ lệ phun được xác định như sau:
Vận tốc được xác định như sau:
𝑢𝑖 = 𝑚̇⁄𝑛 𝐶𝑑.𝑖𝑃(𝑑𝑖
2 ⁄ )2𝜋
(4.12)
Trong đó: 𝑚,̇ 𝑛, 𝐶𝑑,𝑖, 𝑃, 𝑑𝑖 lần lượt là tỉ lệ phun, số lượng vòi phun, hệ số xả, khối lượng riêng của nhiên liệu, và là đường kính thủy lực tiết diện phun.
Tỉ lệ phun được tính như sau :
𝑚̇ = 𝐹𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑝𝑜𝑙𝑎𝑡𝑒(𝐶𝐴𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 − 𝐼𝐶𝐴𝑇 + 𝐼𝐶𝐴𝐴) (4.13) Trong đó:
𝑚̇; 𝐹𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑝𝑜𝑙𝑎𝑡𝑒; 𝐶𝐴𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒, 𝐼𝐶𝐴𝑇, 𝐼𝐶𝐴𝐴 lần lượt là hàm nội suy từ bảng dữ liệu, góc quay trục khuỷu tính bằng độ (0-720°), các góc quay trục khủy xác định thời điểm phun nhiên liệu.