VII. Bố cục luận án
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.