VII. Bố cục luận án
2.5. Mô hình xác định trị số Ốc-tan yêu cầu (ON: Required Octane Number)
Đối với động cơ đốt trong làm việc theo chu trình Otto, quá trình đốt cháy nhiên liệu ở bên trong buồng cháy được thực hiện bởi một tia lửa điện phát ra bởi bugi đặt trên nắp máy ở thời điểm gần cuối của kỳ nạp. Tuy nhiên trong quá trình động cơ làm việc nếu điều kiện về cháy được thoả mãn, hỗn hợp bên trong xylanh động cơ sẽ tự bốc cháy mà không cần đến tia lửa của bugi. Do vậy hiện tượng cháy kích nổ có thể được hiểu đơn giản là do sự xuất hiện của màng lửa ngược chiều nhau tạo ra các sóng xung áp suất dội lên thành vách buồng cháy. Hiện tượng cháy bất thường có thể xuất hiện đối với động cơ cháy cưỡng bức được các nhà nghiên cứu và sản xuất động cơ gọi là cháy kích nổ (knocking hoặc knock). Cháy kích nổ xuất hiện sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của động cơ (nếu xuất hiện ở dạng nhẹ), trong trường hợp xuất hiện thường xuyên, liên tục với tần số cao sẽ dẫn đến phá huỷ động cơ. Nguyên nhân làm xuất hiện cháy kích ở ở động cơ cháy cưỡng bức đến từ nhiều yếu tố khác nhau như: Trị số Ốc-tan của nhiên liệu thấp, thời điểm đánh lửa không phù hợp, tỷ lệ không khí với nhiên liệu ở bên trong xylanh động cơ không phù hợp, hình dạng buồng cháy, điều kiện vận hành của động cơ, … v.v. Để giảm nguy cơ xảy ra hiện tượng tự đánh lửa ở động cơ cháy cưỡng bức, sự kết hợp giữa giá trị áp suất cực đại với trị số Ốc-tan yêu cầu (ON) để có thể tìm được giới hạn xảy ra kích nổ. Trị số Ốc-tan yêu cầu như là hàm toán học được tính theo công thức sau:
1 p n 1 B a ON 100. 95% MBF .exp dt (2.47)
A SOC pRef TUBZ
- SOC : Thời điểm bắt đầu quá trình đốt cháy đến
- (85% MBF ) : Thời điểm khối lượng nhiên liệu đã cháy đạt 85% (đỉnh áp suất) - A, a: Hằng số của nhiên liệu
- ON: Chỉ số octane
- p: Áp suất trong buồng đốt - n: Hệ số áp suất
- B: Hệ số nhiệt độ
2.6. Mô hình xác định vận tốc squish ở bên trong xylanh động cơ (Squish velocity)
Trong những năm gần đây, người ta đã quan tâm đến việc tăng tốc độ cháy bằng cách tăng đồng thời độ xoáy và cường độ nhiễu động. Hai cách nổi bật nhất để tăng cường độ xoáy là thay đổi hình dạng của hệ thống nạp để tăng độ xoáy của dòng khí nạp và thay đổi kết cấu buồng đốt để tăng cường độ xoáy bên trong xylanh động cơ. Một số công trình nghiên cứu được thực hiện để xác định ảnh hưởng của thông số hình học buồng đốt đến thời gian cháy, truyền nhiệt và tiêu thụ nhiên liệu. Những kết quả này chỉ ra rằng các mức cường độ xoáy và nhiễu loạn có thể thay đổi để tạo ra mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu cho các điều kiện được thử nghiệm. Squish là chuyển động của dòng khí trong xy lanh hướng tâm được tạo ra bởi chuyển động của piston khi lên đến gần điểm chết trên của quá trình nén. Đặc tính của cường độ xoáy và hỗn loạn của hỗn hợp khí trong xylanh khi bị ảnh hưởng bởi chuyển động squish. Mô hình xác định vận tốc Squish dùng để nghiên cứu ảnh hưởng thông số hình học đỉnh piston trong xylanh đến thời gian cháy, truyền nhiệt và tiêu thụ nhiên
liệu.
Hình 2.3. Hình dạng đỉnh piston và vùng xuất hiện squish
Vận tốc squish có thể được tính từ sự dịch chuyển tức thời của dòng khí qua các cạnh trong của vùng squish, vùng xuất hiện squish chính là khu gạch chéo trên hình
2.3. Động cơ diesel gốc có nắp máy và đỉnh piston phẳng, bỏ qua ảnh hưởng của động lực học chất khí (áp suất không đồng đều), ma sát, sự rò rỉ qua các xéc măng và sự truyền nhiệt, công thức tính vận tốc squish như sau:
v D B 2 v sq b 1 (2.48) Sp 4z Db AC z vb Trong đó: vb: Thể tích phần lõm trên đỉnh piston.
Ac: Tiết diện mặt cắt ngang của xylanh.
Sp: Vận tốc tức thời của piston.
z: Khoảng cách giữa đỉnh piston và nắp máy.
B: Đường kính xy lanh
Db: Đường kính lõm.
Hb: Độ sâu vết lõm.
2.7. Kết luận chương 2
Xây dựng “Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ở động cơ đốt cháy cưỡng bức sử
dụng nhiên liệu khí thiên nhiên” rất quan trọng. Mục tiêu của việc xây dựng này là
để làm rõ các quá trình trong nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm. Các kết luận của Chương được tóm tắt như sau:
Cơ sở lý thuyết của mô hình cháy cưỡng bức được dựa vào định luật bảo toàn khối lượng, định luật thứ nhất của nhiệt động học và phương trình trạng thái khí lý tưởng. Để mô hình cháy cưỡng bức sát với thực tế, các mô hình con đã được xây dựng chủ yếu là giải quyết bài toán về năng lượng (K-k) mà không xem xét đến ảnh hưởng trong không gian.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của thông số kết cấu và vận hành đến mô men, công suất và thời gian cháy, các mô hình kết hợp với nhau gồm: tốc độ nhiệt được giải phóng (Heat Release Rate), hệ số khối lượng nhiên liệu đã cháy (Mass Fraction Burned), bugi, mô hình cháy sát vách và mô hình truyền nhiệt.
Trong khi đó mô hình xác định trị số Ốc-tan yêu cầu (ON: Required Octane Number) được sử dụng để xác định tỷ số nén giới hạn cho động cơ khí thiên nhiên.
Đặc tính của mô hình cháy Fractal trùng hợp với động cơ cháy cưỡng bức, cấp khí thiên nhiên trên đường nạp. Sử dụng mô hình cháy này cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đỉnh piston đến thời gian cháy và khí thải.
Sử dụng mô hình vận tốc squish ở bên trong xylanh động cơ (Squish velocity), là để làm rõ hơn sự ảnh hưởng của kết cấu đỉnh piston đến động năng chuyển động rối (TKE) của dòng khí.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN
3.1. Giới thiệu chung
Hiện nay, để có thể định hướng cho việc nghiên cứu hoặc giảm thời gian và giá thành cho thiết kế, chế tạo mới; giải quyết những vấn đề nghiên cứu mà thực nghiệm rất khó hoặc không thể thực hiện được trong những điều kiện nguy hiểm vượt quá giới hạn hoạt động bình thường…. người ta có thể sử dụng mô phỏng. Tuỳ thuộc vào từng lĩnh vực nghiên cứu khoa học kỹ thuật và điều kiện có thể lựa chọn phương pháp mô hình hoá và mô phỏng khác nhau.
Trong lĩnh vực nghiên cứu động cơ đốt trong, phương pháp mô hình hoá và mô phỏng đã và đang được ứng dụng rộng rãi hơn. Đồng thời các phần mềm ngày càng phong phú và được cải tiến để đáp ứng xu hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này. Cùng với xu hướng phát triển chung trên thế giới hãng AVL của Áo đã xây dựng gói phần mềm mô phỏng cho động cơ đốt trong bao gồm: BOOST, EXCITE, FIRE,... để tính toán và mô phỏng các quá trình xảy ra trong động cơ đốt trong.
Phần mềm AVL-Boost là phần mềm một chiều mạnh mẽ và có độ tin cậy cao. Phần mềm cho phép tính toán mô phỏng một cách nhanh chóng, đầy đủ và chi tiết các quá trình nhiệt động, hình thành phát thải trong động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau. Với sự tích hợp tính toán quá trình cháy, trao đổi nhiệt, trao đổi chất và hình thành các thành phần phát thải, từ đó có thể tối ưu hoá các quá trình làm việc của động cơ [88].
Chính vì vậy, trong luận án này, tác giả lựa chọn phần mềm AVL-Boost để nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải. Với mục đích đặt ra, để chuyển đổi động cơ diesel sử dụng được nhiên liệu khí thiên nhiên cần phải tìm ra được tỷ nén, kết cấu hình dạng buồng cháy phù hợp để động cơ phát huy được công suất, giảm thiểu sự hình thành và phát thải các chất độc hại. Do đó, bài toán mô phỏng được đặt ra ở đây là cần tính toán mô phỏng các thông số đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sử dụng sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cho các trường hợp khi thay đổi tỷ số nén, kết cấu hình dạng buồng cháy.
Nhiên liệu khí thiên nhiên với thành phần chủ yếu là khí mê tan (CH4>90%) nên trong nghiên cứu mô phỏng động cơ sử dụng khí thiên nhiên có thể lựa chọn nhiên liệu là khí mê tan.
Phần mềm AVL-Boost có các tính năng cơ bản sau:
- Mô phỏng động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ không tăng áp, động cơ tăng áp sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau;
-Mô phỏng các chế độ làm việc;
- Tính toán thiết kế và tối ưu hoá quá trình làm việc của động cơ như quá trình cháy, quá trình trao đổi khí, quá trình hình thành và phát thải các chất độc hại;
-Kết nối với phần mềm khác (liên kết động) để mô phỏng với các dữ liệu động; - Mô phỏng chu trình công tác và quá trình trao đổi khí của động cơ; Boost cho phép xây dựng mô hình đầy đủ của toàn thể động cơ bằng cách lựa chọn các phần tử có trong hộp công cụ và kết nối chúng lại bằng các phần tử ống nối. Giữa các đường ống, người ta sử dụng các phương trình động lực học;
- Tính toán các chế độ tĩnh và động; Boost có thể dùng để tối ưu hoá ở chế độ tĩnh các hệ thống nạp và thải, đóng mở xupáp, phối hợp các bộ phận tăng áp và ước lượng tính năng của các động cơ mới. Boost cũng là một công cụ lý tưởng cho việc tối ưu hoá các đặc trưng chuyển tiếp của động cơ ở thời kỳ đầu, khi động cơ chưa được chế tạo, nhưng có tính đến cả hệ truyền động của phương tiện. Ngoài ra Boost còn cho phép xây dựng mô hình điều khiển động cơ với các chức năng quan trọng của hệ thống điều khiển động cơ mà không cần tới các phần mềm bên ngoài. Boost có thể dễ dàng kết nối với Matlab, Simullink và phần mềm CFD 3D AVL Fire.
Phần mềm AVL-Boost cho phép thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu sâu về động cơ như sau:
-Xác định đặc tính mômen, tiêu hao nhiên liệu; -Thiết kế đường nạp, thải;
-Tối ưu hoá thời điểm đóng mở xupáp;
-Phân tích quá trình cháy và hình thành khí thải; -Tối ưu góc đánh lửa sớm, tỉ số nén;
-Thiết kế kết cấu, hình dạng buồng cháy.
Gói phần mềm Boost gồm một bộ tiền xử lý tương tác sẽ hỗ trợ với phần chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho các chương trình tính toán chính. Việc phân tích kết quả được hỗ trợ bởi một bộ hậu vi xử lý tương tác. Công cụ tiền xử lý (AVL Workspace Graphical User Interface) gồm một mô hình sắp xếp và chỉ dẫn các dữ liệu đầu vào
cần thiết. Mô hình tính toán của động cơ được thiết kế bằng cách chọn các phần tử (element) từ cây thư mục phần tử bằng cách kích chuột và liên kết lại bằng phần tử đường ống (pipe). Theo cách này thì ngay cả các động cơ rất phức tạp cũng có thể được mô hình hoá một cách đơn giản, có rất nhiều phần tử trong phần mềm Boost.
Chương trình chính gồm các thuật toán mô phỏng được tối ưu hoá cho tất các phần tử. Dòng khí trong ống được coi như chuyển động theo một phương. Điều đó có nghĩa là áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng khí thu được từ những phương trình khí động học là giá trị trung bình trên toàn bộ đường ống. Tổn thất dòng khí do hiệu ứng ba chiều, tại những vị trí cụ thể của động cơ được thể hiện bằng hệ số cản. Trong trường hợp hiệu ứng ba chiều cần lượng xem xét chi tiết hơn thì Boost sẽ được liên kết với phần mềm Fire. Nó giúp ta có thể mô phỏng đa chiều dòng khí tại những chi tiết quan trọng có thể kết hợp với mô phỏng một chiều các chi tiết khác.
Công cụ hậu xử lý (Impress Chart) cho phép phân tích và đưa ra kết quả mô phỏng theo nhiều dạng khác nhau. Tất cả các kết quả đều có thể được so sánh với các kết quả đo cũng như kết quả tính toán trước đó. Hơn nữa, phần mềm có thể trình diễn kết quả dạng động, điều đó cho phép phát triển những giải pháp tối ưu những vấn đề của người sử dụng [89].
Phần mềm mô phỏng AVL-Boost đã trở thành một công cụ thực sự hữu ích trong việc dự đoán các đặc tính động cơ khi sử dụng các nhiên liệu truyền thống nói chung và động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nói riêng. Điều này góp phần quan trọng trong việc ứng dụng các nguồn nhiên liệu mới cho động cơ đốt trong, hỗ trợ mạnh mẽ trong việc cải tiến và phát triển động cơ và đặc biệt là các nguồn nhiên liệu thay thế mới.
3.2. Xây dựng và điều khiển mô hình mô phỏng động cơ
3.2.1. Lựa chọn các phần tử cho mô hình và kết nối các phần tử
Động cơ nghiên cứu được mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost trên cơ sở các thông số kết cấu của động cơ thực tế (hình 3.2), các phần tử của mô hình được lựa chọn theo đặc điểm kết cấu của động cơ (bảng 3.1). Thông số kết cấu đối với từng phần tử được đo trực tiếp trên động cơ thực và nhập vào cho từng phần tử, sau đó kết nối bằng các đường ống theo đúng thứ tự. Thao tác kết nối được tiến hành từ giao diện làm việc của phần mềm AVL Boost, các phần tử mô phỏng cho động cơ sẽ được lựa chọn và di chuyển đến vị trí xác định bởi chuột trái. Kết nối các phần tử của động cơ bằng phần tử nối ( ), động cơ nghiên cứu được xây dựng bằng các phần tử.
Bảng 3.1. Các phần tử trong mô hình động cơ
Tên phần tử Kí hiệu Số lượng
Động cơ E1 1 Xylanh C1 1 Lọc gió CL1 1 Vòi phun I1 1 Bình tiêu âm PL1 1 Các điểm đo MP 7 Phần tử cản R 3
Điều kiện biên SB 2
Các đường ống P 9
3.2.2. Nhập dữ liệu chung cho mô hình
Đối với phần mềm AVL-Boost dữ liệu chính sau khi được nhập nó sẽ được sử dụng trong suốt quá trình tính và nó còn là dữ liệu đầu vào của một số phần tử trong mô hình tính. Để nhập dữ liệu chung cho mô hình ta kích chuột vào mục: Simulation/Control trên thanh công cụ, các thông số cần nhập trong phần dữ liệu chung gồm: Điều kiên biên đầu vào và đầu ra (là phần tử không thể thiếu được trong các mô hình mô phỏng để đưa ra các điều kiện biên cho phần mềm thực hiện tính toán); Nhiên liệu sử dụng; Chu kỳ lặp tại điểm thử nghiệm; Khoảng lưu kết quả.
- Điều kiện biên đầu vào và đầu ra gồm: Thông số điều kiện biên đầu vào đối với động cơ nghiên cứu được liệt kê như bảng 3.2 và 3.3.
Bảng 3.2. Thông số nhập cho điều kiện biên đầu vào Set Pressure (bar) Temp (oC) Fuel Vapour Combustion
Products A/F Ratio
1 0,98 25 0 0 10000
2 0,96 25 0 0 10000
3 0,95 25 0 0 10000
4 0,95 25 0 0 16,922565
Bảng 3.3. Thông số nhập ở điều kiện biên đầu ra
Set Pressure (bar) Temp (oC) Fuel Vapour Combustion
Products A/F Ratio
5 1,1 500 0 1 17,2
6 1,1 400 0 1 17,2
7 1,1 300 0 1 10000
8 1,05 200 0 1 10000
9 1 200 0 1 10000
Nhiên liệu sử dụng: Để thuận lợi cho nghiên cứu, nhiên liệu lựa chọn là Methane (CH4) đây là một dạng đặc biệt của nhiên liệu CNG.
Chu kỳ lặp tại điểm thử nghiệm: Mô hình khảo sát gồm 1 xylanh, số lượng