3.1.1.Thông số động cơ 2KD - FTV
Động cơ Diesel 2KD - FTV là động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel, 4 kỳ, 4 piston và sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail. Động cơ 2KD - FTV được bố trí trên nhiều loại xe như xe du lịch 16 chỗ ngồi, SUV, MPV, xe bán tải, xe tải 1.25 tấn và trên một vài loại xe khác.
Hình 3. 1. Động cơ Diesel 2KD - FTV
Thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ 2KD – FTV [28][29][35].
Động cơ ô tô có những đặc điểm kết cấu và những thông số kỹ thuật cơ bản như sau: - Kiểu động cơ: 4 xy lanh thẳng hàng.
- Động cơ Diesel 4 kỳ, buồng đốt hình cầu ở giữa piston. - Thứ tự nổ của động cơ: 1 - 3 - 4 - 2.
- Đường kính piston: D = 92 (mm). - Hành trình piston: S = 93.8 (mm). - Chiều dài thanh truyền: 200 mm.
- Dung tích xy lanh: 2492 cc. - Tỷ số nén: = 18.5.
- Công suất cực đại: Nemax = 75(Kw)/3600(v/p).
- Momen cực đại: Memax = 260(Nm)/1600-2600(v/p). - Piston chế tạo bằng hợp kim nhôm.
- Trục khuỷu có 5 cổ trục và 8 khối cân bằng. - Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo. - Thời gian đóng mở:
Góc mở sớm xupap nạp: α1 =2° Góc đóng muộn xupap nạp: α2 = 31° Góc mở sớm xupap thải: α3 = 30° Góc đóng muộn xupap thải: α4 = 0° Góc phun sớm: α5 = 12°
- Hệ thống nhiên liệu sử dụng bơm cao áp Denso HP-3. - Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt.
- Động cơ làm mát tuần hoàn cưỡng bức, kiểu kín bằng nước thông qua bơm ly tâm.
3.1.2.Thông số biên dạng piston động cơ 2KD-FTV
Hình 3. 4. Biên dạng thiết kế piston của động cơ 2KD-FTV sau khi thiết lập
3.2. Thiết lập các thông số cơ bản trong phần mềm AVL Fire công cụ ESE Diesel
Đối với mô phỏng trong buồng cháy động cơ Diesel, việc tính toán hành trình nạp thường không được thực hiện để giảm khối lượng phần tử và thời gian tính toán. Vậy việc tính toán bắt đầu khi đã đóng xu-pap nạp (bỏ qua hành trình nạp của piston).
Quy ước góc quay trục khuỷu trong phần mềm AVL Fire khi kết thúc kỳ nén tại điểm chết trên (TDC) là 720°. Thể hiện ở hình dưới:
Một biên dạng hình học đơn giản hơn được sử dụng để giảm bớt số lượng lưới không cần thiết trong mô hình. Các chi tiết như cổng nạp và thể tích phần lõm xu-pap trên đỉnh piston không được xem xét khi mô phỏng.
Đối với dạng buồng đốt đối xứng tâm, nếu lưu lượng khối nhiên liệu là như nhau đối với tất cả các lỗ của kim phun, chỉ cần sử dụng một phần buồng đốt cho một lần phun để giảm khối lượng tính toán. Góc của phần được mô phỏng phụ thuộc vào số lượng lỗ tia phun trong kim phun được thể hiện theo công thức (Góc của phần được mô phỏng = 360 ° / số lỗ của kim phun) [18].
Hình 3. 6. Phần được chia lưới mô phỏng đối với kim phun có 4 lỗ tia phun [18] Mật độ lưới trong khu vực phun yêu cầu phải lớn hơn khoảng mười lần đường kính của lỗ kim phun.
Quá trình chuẩn bị mô hình bao gồm nhập các thông tin về động cơ, định dạng và phân vùng, chia lưới, nhập các thông số tính toán cho mô hình.
3.2.1.Thông tin chung về động cơ (General Engine Data)
và do đó giúp xác định động cơ trong khảo sát được thực hiện trước đó hoặc đang được thực hiện.
Các tham số được tách thành hai bảng:
- Bảng thông số chung của động cơ chứa các tham số đầu như: tên động cơ, số lượng xy lanh, đường kính xy-lanh và tỷ số nén của động cơ.
- Thông số chuyển động của piston chứa các tham số đầu vào cho bán kính quay trục khuỷu, chiều dài thanh truyền, độ lệch tâm của chốt piston, v.v.
Các thông số nhập của động cơ thể hiện ở bảng dưới:
Hình 3. 7. Các thông số chung về động cơ Hình 3. 8. Các thông số về chuyển dịch piston
Bảng 3. 1. Bảng thông số chung của động cơ và chuyển dịch piston
Thông số Giá trị nhập Chú thích
General engine parameters - Các thông số chung về động cơ
Engine name 2KD-FTV Tên động cơ
Engine layout Inline Kiểu động cơ (thẳng hàng)
No. of cylinder 4 Số xy lanh
Bore (m) 0.092 Đường kính xy lanh
Compress. ratio 18.5 Tỷ số nén
Piston movement specification - Các thông số về chuyển dịch piston
Crank radius (m) 0.0469 Bán kính quay trục khuỷu
Connecting rod length (m)
0.200 Chiều dài thanh truyền
Piston pin offset (m) 0 Độ lệch tâm của chốt piston
Stroke deflection Deactivate
Stroke (m) 0.09380 Hành trình piston
3.2.2.Phác thảo hình dạng đỉnh piston, kim phun nhiên liệu (Sketcher)
Trong nội dung này, người dùng có thể tiến hành định nghĩa hình học phần đỉnh piston, khu vực chứa kim phun và chia mô hình thành các khối với đặc điểm hình học khác nhau.
Phác thảo được biên dạng hình học piston, kim phun nhiên liệu phải trải qua 5 bước [6]:
- Xác định hình dạng đỉnh piston (Piston)
- Xác định hình dạng kim phun nhiên liệu (Injector) - Sửa đổi cấu trúc khối của mẫu có sẵn (Block structure) - Xác định chi tiết liên quan đến các lựa chọn (Selections)
Với động cơ 2KD-FTV do hình dạng đỉnh piston gần giống với dạng có sẵn nên có thể sửa đổi theo mẫu số 21.
Hình 3. 9. Mẫu piston số 21 trong AVL Fire
Sau khi điều chỉnh một số kích thước của mẫu piston ta được hình dạng piston động cơ 2KD-FTV cần tính như sau:
Hình 3. 10. Hình dạng hình học piston động cơ 2KD-FTV
Bảng tóm tắt các thông số hình dạng của piston động cơ 2KD-FTV được thiết lập như sau:
Hình 3. 12. Thông số hình học của piston
Hình 3. 13. Thông số hình học của kim phun
Bảng 3. 2. Thông số hình học của piston và kim phun
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
1. Thông số hình học của piston 2. Thông số hình học của kim phun
TDC clearance gap (m) 0.001 Number of nozzle holes (-)
12
Dr (m) bowl diameter 0.0468 Injector distance lw (m) 0.00150 Da (m) outer bowl
diameter
0.046 Injector tip protrusion lh (m)
0.00250
T (m) bowl depth 0.0195 Inj. Nozzle position Z-coordinate (m)
0.002
Tm (m) bowl center depth 0.0067 Nozzle diameter at hole center positions (m)
0.0035
S2 (m) distance 0.00 Nozzle hole outer diameter (m)
0.00016
R1 (m) radius 0.004 Nozzle hole inner diameter (m)
0.00
R2 (m) radius 0.0047 Nozzle hole half outer cone angle (deg)
6.00
R3 (m) radius 0.0075 Nozzle hole half inner cone angle (deg)
0.00
R4 (m) radius 0.007 Inj. Spray angle delta 1 (deg)
160.00
R5 (m) radius 0.003 Radius R1 (m) 0.001
R6 (m) radius 0.006 Radius R2 (m) 0.0005
Alpha (deg) angle 5 Center of Radius R2 X(m)
0.0015
Phi (deg) angle 145 Center of Radius R2 Z(m)
0.0013
Di (m) inner bowl diameter
S1 (m) distance 0.00028 Distance S2 (m) 0.0012 Recessed injector
Recessed injector width (m)
0.008
Recessed injector height (m)
0.001
3.2.3.Chia lưới (Mesher)
Các thông số dùng để chia lưới gồm có: - Số lớp biên: 2
- Chiều dày lớp biên (m): 0.0002 - Thể tích bù: 0
- Kích thước trung bình của ô (cell) (m): 0.00145
Hình 3. 15. Mô hình piston động cơ 2KD-FTV sau khi chia lưới
3.2.4.Thiết lập các tham số mô hình hóa (Simulation Parameters)
Các thông số điều khiển tính toán (Solver Control) được nhập thong qua file .ssf (Solver Steering File) tương ứng với từng mô hình tính toán cụ thể (Case).
a. Chế độ chạy (Run mode)
Trong Fire đã định nghĩa sẵn các chế độ chạy là: tĩnh (Steady), theo thời gian (Timestep) và theo góc quay trục khuỷu (Crank-Angle). Với mô hình tính cho động cơ 2KD-FTV chọn chế độ theo góc quay trục khuỷu (Crank-Angle).
- Góc tính toán: 560 đến 850 độ
- Tốc độ động cơ: 800-5000 vòng/phút
- Bước tính toán (Delta_alpha): thay đổi tùy theo kỳ làm việc. Dựa theo tài liệu tham khảo, kinh nghiệm và nhận thấy sự ổn định khi mô phỏng, bước tính toán sẽ được thiết lập theo bảng 3.3.
Hình 3. 16. Thiết lập chế độ mô phỏng Bảng 3. 3. Thay đổi bước tính toán
Thứ tự Vị trí piston Bước tính toán (Delta_alpha)
1 560 0.5 2 600 1 3 640 0.25 4 660 0.5 5 700 0.5 6 760 0.5 7 800 1 8 850 1
b. Lựa chọn mô đun tính toán (Module Activation)
Lựa chọn mô đun Species transport, Spray, Combustion và Emission.
- Species transport: Cung cấp các phương trình vi phân chuyển động của các hợp chất hóa học thể khí trong vùng mô phỏng.
- Combustion: Tính toán quá trình hòa trộn hoặc chuyển động của các thành phần và mô phỏng quá trình cháy của động cơ đốt trong hoặc thiết bị lò đốt trong các điều kiện chuẩn bị trước, chuẩn bị một phần hoặc không chuẩn bị trước hỗn hợp.
Hình 3. 17. Thiết lập các mô đun tính toán
- Spray: Tính toán các vấn đề liên quan đến hiện tượng dòng nhiều pha, giải các phương trình bảo toàn đối với hỗn hợp pha lỏng và pha khí đồng thời. Mô đun này mô phỏng các tia phun theo phương pháp giọt rời rạc (Discrete Droplet Method – DDM) [6].
c. Các điều kiện biên (Boundary Conditions)
Điều kiện biên là điều kiện cần phải thỏa mãn cho nghiệm của bài toán tại mỗi thời điểm, nó phụ thuộc vào từng bài toán cụ thể. Nói riêng, nếu bài toán về dòng chảy, nhiệt độ bao quanh vật rắn có bề mặt không thẩm thấu thì điều kiện biên là điều kiện để không bị thẩm thấu, truyền nhiệt qua bề mặt vật rắn.
Trong thiết lập mô phỏng, nhiệt độ bề mặt (bạc lót xy lanh, đầu xy lanh, piston) dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm và phụ thuộc vào điểm vận hành (tải và tốc độ). Các điều kiện biên của nắp máy được chỉ định là mặt cố định, các điều kiện biên của biên dạng đỉnh piston là mặt di chuyển [30].
Hình 3. 18. Tổng quan về các loại điều kiện biên [18].
Các điều kiện biên đối xứng được áp dụng cho bề mặt bán kính dọc theo trục trung tâm của lưới phân đoạn. Điều kiện biên đối xứng này có thể gây ra vấn đề với kết quả tính toán liên quan đến nhiệt độ. Trong trường hợp này, điều kiện biên tường cố định đáng tin cậy có thể được sử dụng thay thế [30].
Các điều kiện biên liên quan đến thể tích bù được áp dụng tại các mặt ở phía bên ngoài, bên trong và bên dưới của phần thể tích phải được xác định là mặt di chuyển đoạn nhiệt (thông lượng nhiệt = 0) [30].
Hình 3. 20. Vị trí mặt di chuyển đoạn nhiệt [18]. Các mặt theo hướng cực được chỉ định là điều kiện biên tuần hoàn.
Hình 3. 22. Thiết lập điều kiện biên Piston
Nhiệt độ bề mặt piston của động cơ Diesel nằm trong khoảng 295-375˚C. Vì vậy ta có thể chọn nhiệt độ trong điều kiện biên Piston là 570.15˚K [32].
Bảng 3. 4. Thiết lập điều kiện biên Piston
BND_Piston Điều kiện đầu cho piston
Sel. for BC BND_Piston
Name of BC BND_Piston Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Mesh Movement Sự chuyển động
Thermal Temperature
570,15 K
Hình 3. 23. Thiết lập điều kiện biên cho xy lanh
Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy như: xecmăng, xupap, nắp xylanh, thành xylanh chiếm khoảng 25-35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy toả ra. Ở cuối kỳ nén nhiệt độ trong xy lanh vào khoảng 550-630˚C. Từ đó ta có nhiệt độ điều kiện biên cho xy lanh khi bắt đầu mô phỏng vào khoảng 470˚K [28][31]. Bảng 3. 5. Thiết lập điều kiện biên cho xy lanh
BND_Liner Điều kiện đầu cho piston
Sel. for BC BND_Liner
Name of BC BND_Liner Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Mesh Movement Sự chuyển động
Thermal Temperature
470,15 K
Hình 3. 24. Thiết lập điều kiện biên của trục
Bảng 3. 6. Thiết lập điều kiện biên của trục
BND_Axis Điều kiện biên của trục
Sel. for BC BND_Axis
Name of BC BND_Axis Tên điều kiện biên
Hình 3. 25. Thiết lập điều kiện biên đầu mặt chuyển
Bảng 3. 7. Thiết lập điều kiện biên đầu mặt chuyển
BND_Segment _1 Điều kiện đầu mặt chuyển tiếp 1
Sel. for BC BND_Segment_1
Name of BC BND_Segment_1 Tên điều kiện biên
Type of BC Inlet/Outlet Loại điều kiện biên: Cổng vô/ Cổng ra
Inlet/Outlet Periodic Chu kỳ
Boundary connection Boundary_connection1 Sel. for shadow
boundary
Hình 3. 26. Thiết lập điều kiện biên phần thể tích bù
Bảng 3. 8. Thiết lập điều kiện biên phần thể tích bù
BND_Comp_ Vol Điều kiện biên phần thể tích bù
Sel. for BC BND_Comp_Vol
Name of BC BND_Comp_Vol Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Mesh Movement Sự chuyển động
Hình 3. 27. Thiết lập điều kiện biên đầu nắp xy lanh
Nhiệt độ của nắp xy lanh và piston là khá tương đồng nên ta có nhiệt độ của nắp xy lanh là 570.15˚K.
Bảng 3. 9. Thiết lập điều kiện biên đầu nắp xy lanh
BND_Head Điều kiện biên đầu nắp xy lanh
Sel. for BC BND_Head
Name of BC BND_Head Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Velocity Sự chuyển động
d. Thuộc tính nhiên liệu (không khí):
Trong thư mục Thuộc tính chất lỏng trong cây tham số, chọn FP (1): NoName để truy cập thuộc tính chất lỏng của trường đầu vào. Các tính chất chất lỏng của không khí được chọn tự động.
e. Điều kiện đầu (Initial Conditions)
Điều kiện đầu ứng với mỗi động cơ sẽ có sự khác nhau. Với động cơ CDI thì thông số áp suất sẽ có sự thay đổi mỗi khi mô phỏng ở tốc độ khác nhau. Động cơ 2KD-FTV mô phỏng ở các tốc độ là 800, 1200, 1600, 2100, 2600, 3100, 3600, 4100, 4600, 5000 và dựa trên đồ thị đặc tính áp suất - tốc độ của một động cơ Diesel Common Rail ở hình 3.29 sau đó quy đổi tương ứng với động cơ 2KD-FTV thì ta có bảng áp suất 3.10:
Hình 3. 29. Đồ thị đặc tính áp suất – tốc độ Bảng 3. 10. Bảng áp suất ứng với từng tốc độ. Tốc độ (vòng/phút) Áp suất (bar) 800 220 1200 500 1600 750 2100 1100 2600 1600 3100 1850 3600 1900 4100 1950 4600 2000 5000 2050
Các giá trị nhập dùng làm điều kiện đầu cho toàn bộ mô hình bao gồm: Bảng 3. 11. Thiết lập điều kiện ban đầu
Nội dung Giá trị nhập Chú thích
Pressure (Bar) 2050 Áp suất
Density (kg/m3) 0 [30] [34] Khối lượng riêng Temperature (K) 370 [33] Nhiệt độ
Turb.kin.energy (m2/s2) 10 Năng lượng động học rối Turb.length scale (m) 0.0045 Chiều dài dòng chảy rối Initialization mode Swirl/Tumble( Xoáy/Trộn) Chế độ khởi tạo ban đầu
Swirl / Tumble (1/min) 2880 Tốc độ Xoáy / Trộn
Direction of rotation axes X=0 Y=0 Z=-1
Hướng của trục quay
Point of rotation axis X=0 Y=0 Z=0
Điểm của trục quay
Velocity u (m/s) 0 Vận tốc theo phương u
Velocity v (m/s) 0 Vận tốc theo phương v
Velocity w (m/s) 0 Vận tốc theo phương w
Scalar 0 Đại lượng vô hướng
1-Equation-Turbulence model Deactivate (không kích hoạt) Mô hình phương trình nhiễu loạn
Reinitialization Deactivate ( không kích hoạt)
Khởi tạo lại
Smoothing Deactivate ( không kích hoạt)
Làm mịn
Type of hydrocarbon fuel DIESEL Loại nhiên liệu hydrocarbon Equivalence ratio Activate ( kích hoạt) Tỉ số tương đương Equivalence ratio 0
f. Phương pháp giải (Solver Control):
Hình 3. 31. Thiết lập các phương trình được kích hoạt tính toán Bảng 3. 12. Thiết lập tuyến tính hóa
Nội dung Giá trị nhập Chú thích
Discretisation (Rời rạc hóa)
Simple/PISO Activated Các thuật toán
mặc định
Equation Control (Điều kiện việc giải phương trình)
Activate Equation (Các
phương trình được sử dụng
tính toán)
Turbulence k-zeta-f Phương trình mô phỏng rối
Energy Yes Kích hoạt giải
phương trình năng lượng enthaphy Two stage pressure correction No Hiệu chỉnh áp suất 2
cấp
Under Relaxation factors ( Các yếu
tố nhiên liệu)
Pressure 0.5 Áp suất
Turb. kin. energy 0.4 Năng lượng động học rối Turb. diss. rate 0.4 Tỷ lệ phân tán
Energy 0.95 Năng lượng
Mass source 1 Khối lượng nguồn
Viscosity 1 Độ nhớt
Scalar 0.95 Vô hướng