s Đường kính giọt ban đầu 2,29mm
3.2.4. Các điều kiện mô phỏng
Các mô hình tính toán chính đã được trình bày chi tiết, mục này chỉ liệt kê tóm tắt các mô hình tính toán tại Bảng 3.8.
Bảng 3.8: Các mô hình tính toán trong mô phỏng quá trình cháy
Hiện tượng Mô hình tính
Dòng chảy rối Re-Normalisation Group (RNG) k- cải tiến của Han và Reitz, 1995
Xé tơi tia nhiên liệu Wave Breakup của Liu và cộng sự, 1993
Cháy trễ Mô hình Shell bởi Kong và cộng sự, 1995
Cháy chính Mô hình cháy theo thời gian đặc trưng của Abraham và cộng sự, 1985
Hình thành NOx Cơ chế Zel’dovich mở rộng
Hình thành bồ hóng Mô hình hình thành bồ hóng theo nhiều bước của Kazakov và Foster, 1998
Ô xy hóa bồ hóng Mô hình Nagle and Strickland-Constable, 1962
Để so sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng, các thông số đưa vào mô phỏng cũng được xây dựng tương ứng với các thông số động cơ nghiên cứu một xy
102
lanh AVL 5402 tại Phòng thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong của Đại học Quốc gia TPHCM.
Thông số kỹ thuật chính của động cơ AVL 5402 được liệt kê trong Bảng 3.9, còn Bảng 3.10 là các điều kiện biên cơ bản.
Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật động cơ AVL 5402
Thông số Giá trị
Mã số AVL 5402
Loại động cơ Diesel, phun trực tiếp
Kiểu buồng cháy Omega, trên đỉnh piston
Số xy lanh 1
Đường kính piston, mm 85
Hành trình, mm 90
Dung tích xy lanh, cm3 510,7
Chiều dài thanh truyền, mm 148
Tỷ số nén 17,1:1
Góc phun sớm 18o gqtk trước ĐCT
Trong thực tế hoạt động của động cơ, chế độ tải lớn là chế độ phát sinh nhiều khí thải ô nhiễm nhất. Vì vậy việc mô phỏng được thực hiện tại chế độ 80% tải ở số vòng quay 2000 vg/phút với 5 mẫu nhiên liệu khác nhau: B0 – B25
Do tính chất đối xứng của buồng cháy và vòi phun có 5 lỗ phun, việc mô phỏng được thực hiện trên mô hình 1/5 buồng cháy (72o) thay vì toàn buồng cháy để giảm thời gian tính toán.
103
Bảng 3.10: Các điều kiện biên khi mô phỏng
Số vòng quay 2000 rpm
Góc đóng trễ van nạp (IVC) -134o
Góc mở sớm van xả (EVO) 128o
Hệ thống phun nhiên liệu Common rail CP1
Áp suất phun 800 bar
Số lỗ phun x kích thước 5 x 0,17mm
Góc phun 142o
Khối lượng phun/chu kỳ 0,0178g/chu kỳ (80% tải)
Mô hình chia lưới buồng cháy để tính toán được trình bày trên Hình 3-16 với 37 ô theo phương hướng kính (trục x), 36 ô phương tiếp tuyến (trục y) và và 31 ô theo theo phương dọc trục (trục z). Việc tính toán được thực hiện trên máy vi tính lắp bộ vi xử lý Intel Core 2 Duo, trung bình mất 4 giờ để có một kết quả.
Hình 3-16. Lưới tính toán buồng cháy với tia phun nhiên liệu tại 17ogqtk trước ĐCT
104
Trong mô phỏng, dầu diesel được xem như chất đồng nhất có công thức hóa học là C14H36. Chỉ số cetan của mẫu diesel B0 là 50, trong khi đó chỉ số cetan của các hỗn hợp với dầu dừa cao hơn B0 do pha thêm phụ gia procetan (nano fuel bosster). Đốivới hỗn hợp nhiên liệu diesel + dầu dừa, có thể thấy các khác biệt chính khi nồng độ dầu dừa gia tăng là sự giảm dần chỉ số cetan, trong khi độ nhớt và khối lượng riêng tăng dần lên.
Bảng 3.11 giới thiệu các tính chất cơ bản của nhiên liệu sinh học được thử nghiệm bởi Trung tâm Kiểm định và Đo lường Chất lượng 3
Bảng 3.11: Các chỉ tiêu cơ bản của nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa, dầu diesel và chất phụ gia
Mẫu Chỉ số cetan (CN) Độ nhớt ở 400C (mm2/s) Khối lượng riêng (g/cm3) B0 50 3,250 0,8360 B10 53 3,267 0,8372 B15 52 3,652 0,8420 B20 51 4,056 0,8468 B25 49 4,514 0,8518
Để xét đến các ảnh hưởng của chỉ số cetan, độ nhớt và khối lượng riêng, một
số thông số đầu vào được thay đổi trong khi mô phỏng, còn các thông số khác giữ nguyên như khi tính toán cho dầu diesel. Điều này đã được đề cập từ Chương 1
Các thông số thay đổi là:
Ảnh hưởng của chỉ số cetan: Cetan là chỉ số quan trọng ảnh hưởng đến sự bốc cháy của nhiên liệu. Khi chỉ số cetan tăng, thời gian cháy trễ sẽ ngắn hơn. Trong mô phỏng quá trình cháy bằng KIVA-3V, mô hình cháy trễ Shell được áp dụng.
Trong các phản ứng của mô hình Shell, tốc độ của phản ứng số 4 (phương trình 3.99d) chi phối quá trình cháy và kiểm soát thời gian cháy trễ (Kong và Reitz,
105
[30]). f4kp là tốc độ hình thành chất trung gian Q, trong đó f4 được xác định bởi công thức:
4 y4
4 f4exp f4/ 2 x
f A E RT O RH (1)
với Ef4 = 3 x 104, x4 = -1, y4 = 0,35.
Xét ảnh hưởng của chỉ số cetan, dựa trên các kết quả thực nghiệm, Ayoub [13] đề nghị điều chỉnh giá trị Ef4 theo chỉ số cetan:
*4 4 4 4 75 25 f f E E CN (2)
Như vậy, với chỉ số cetan CN = 50 của nhiên liệu diesel (B0), hệ số điều chỉnh là 1. Khi chỉ số cetan tăng lên, năng lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng sẽ giảm, dẫn đến thời gian cháy trễ sẽ giảm theo tương ứng. Các hệ số điều chỉnh Ef4 của các mẫu thử được liệt kê trong Bảng 3.12.
Ảnh hưởng độ nhớt: Độ nhớt tăng theo sự gia tăng nồng độ dầu dừa là nguyên nhân chính cần phải thay đổi thời gian phun nhiên liệu để lượng cung cấp nhiên liệu chu trình phù hợp với thực nghiệm. Mối quan hệ độ nhớt - thời gian phun
đã được báo cáo trong tài liệu [18], trong đó nêu rõ khi độ nhớt tăng lên, thời gian phun sẽ giảm xuống. Cụ thể ở đây (Bảng 3.12), với hỗn hợp B10 và B15 giữ nguyên
thời gian phun, còn B20 và B25, sự thay đổi độ nhớt vượt quá 20% nên cần điều chỉnh thời gian phun.
Bảng 3.12: Các thông số chính được điều chỉnh
Ca Mẫu thử
Hệ số điều chỉnh theo cetan: Ef4
Thời điểm phun Thời gian phun 1 B0 1 18o gqtk trước ĐCT 10° gqtk 2 B10 0,926 18o gqtk trước ĐCT 10° gqtk 3 B15 0,974 18o gqtk trước ĐCT 10° gqtk 4 B20 0,987 18o gqtk trước ĐCT 9,5° gqtk 5 B25 1,013 18o gqtk trước ĐCT 9,5° gqtk
106