Hình 4. 26. Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc 1600(vòng/phút) Nhận xét:
- Tại tốc độ động cơ 1600 (vòng/phút), xét về mặt công suất thì D1 có công suất lớn nhất so với đường kính khác, đường kính càng tăng thì công suất càng giảm.
- Xét về moment thì tương tự như công suất khi D1 có moment lớn nhất và đường kính càng tăng thì moment càng giảm.
- Xét về mặt phát thải NOx thì với đường kính D5 cho phát thải nhỏ nhất so với các đường kính còn lại. Và với đường kính càng giảm thì lượng phát thải NOx càng tăng lên.
- Xét về mặt phát thải muội than thì với đường kính D1 cho phát thải nhỏ nhất so với các đường kính còn lại. Và với đường kính càng tăng thì lượng phát thải muội than càng tăng lên. 0 1 2 3 4 5 Công suất Moment
Suất tiêu hao nhiên liệu
Nox Muội than
Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc 1600 (vòng/phút)
- Xét về mặt suất tiêu hao nhiên liệu thì với đường kính D1 có lượng tiêu hao nhiên liệu ít nhất. Và đường kính càng tăng thì suất tiêu hao nhiên liệu càng tăng.
Nhận xét:
- Tại tốc độ động cơ 2600 (vòng/phút), xét về mặt công suất thì có sự chênh lệch khi thay đổi đường kính lỗ tia phun. Với đường kính lỗ tia phun càng nhỏ thì công suất càng nhỏ, công suất lớn nhất ở D5.
- Xét về mặt phát thải NOx thì với đường kính D5 cho phát thải lớn nhất so với các đường kính còn lại. Các đường kính còn lại có lượng NOx gần như bằng nhau. - Xét về moment đạt giá trị lớn nhất ở đường kính D5. Với đường kính lỗ tia càng
nhỏ thì moment càng nhỏ. 0 1 2 3 4 5 Công suất Moment
Suất tiêu hao nhiên liệu
Nox Muội than
Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc 2600 (vòng/phút)
D1=0.16 D2=0.17 D3=0.18 D4=0.19 D5=0.20
- Xét về mặt suất tiêu hao nhiên liệu với đường kính D1 cho suất tiêu hao nhiên liệu lớn nhất so với các đường kính còn lại. Và đường kính tia phun càng tăng thì suất tiêu hao nhiên liệu càng giảm.
- Xét về mặt phát thải muội than thì với đường kính D5 cho phát thải lớn nhất so với các đường kính còn lại, và có sự chênh lệch rõ ràng về lượng muội than so với các đường kính còn lại. Và với đường kính càng giảm thì lượng phát thải muội than càng giảm.
Hình 4. 28. Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc 3600(vòng/phút) Nhận xét:
- Tại tốc độ động cơ 3600 (vòng/phút), xét về mặt công suất và moment thì đạt giá trị lớn nhất tại D5. Với đường kính lỗ tia phun càng nhỏ thì càng công suất, moment càng giảm. 0 1 2 3 4 5 Công suất Moment
Suất tiêu hao nhiên liệu
Nox Muội than
Biểu đồ so sánh các đặc tính ngoài động cơ tại vận tốc 3600 (vòng/phút)
- Xét về mặt suất tiêu hao nhiên liệu thì đường kính D1 cho suất tiêu hao nhiên liệu lớn nhất. Và suất tiêu hao nhiên liệu càng giảm khi đường kính lỗ tia phun càng tăng.
- Xét về mặt phát thải NOx thì lượng NOx thay đổi rất nhỏ khi mà thay đổi các đường kính lỗ tia phun khác nhau.
- Khác với phát thải NOx, về mặt phát thải muội than thì có sự chênh lệch rõ ràng giữa đường kính D5 với các đường kính còn lại, cũng cho phát thải lớn nhất so với các đường kính còn lại. Và với đường kính càng giảm thì lượng phát thải muội than càng giảm.
* Để chọn được đường kính lỗ tia phun tối ưu nhất ta phải cân bằng cả 5 yếu tố về công suất, moment, suất tiêu hao nhiên liệu, NOx, muội than. Qua 3 đồ thị mạng nhện trên thì ta thấy đường kính D3= 0.18mm là có thể thỏa mãn được cả 5 yếu tố một cách tốt nhất.
- Nếu như chỉ quan tâm về công suất và moment mà không để ý đến các yếu tố còn lại thì ta có thể chọn đường kính D5= 0.20mm.
Bảng 4. 6. Bảng so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực tế của động cơ 2KD-FTV Cực đại công suất (kW) Cực đại momen (Nm)
Thực tế 75 260
Mô phỏng (D3= 0.18mm) 75.34 262.27
Kết quả mô phỏng so với thực tế không vượt quá sai số 5% nên ta có thể công nhận kết quả mô phỏng.
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận
Quá trình mô phỏng động cơ đốt trong dựa trên các phần mềm mô phỏng hiện đại như AVL-FIRE đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức nhất định về thuỷ khí động lực. Đây chính là cơ sở để xây dựng mô hình sát với thực tế, lựa chọn và nhập các điều kiện biên phù hợp cho mô hình mô phỏng.
Việc mô phỏng đòi hỏi phải có rất nhiều thông số điều kiện biên và điều kiện đầu. Trong các thông số này, ngoài các thông số có thể đo đạc được trên động cơ thì còn rất nhiều thông số cần xác định trực tiếp trên băng thử động cơ, thông số không thể đo đạc trực tiếp được mà phải dựa vào kinh nghiệm và các tài liệu tham khảo. Chính vì vậy kết quả do mô hình mô phỏng đưa ra còn phụ thuộc nhiều vào mức độ thành thạo và kinh nghiệm của người thiết lập.
Công cụ ESE Diesel là một công cụ thân thiện với người dùng. Mặc dù vẫn đòi hỏi người dùng phải có kiến thức cơ bản về việc xây dựng mô hình trong không gian 3 chiều và lý thuyết CFD, cũng như phương pháp mô phỏng được phần mềm đưa ra để giải các hệ phương trình vi phân cho phép người thiết lập mô hình có thể lựa chọn theo điều kiện riêng của đề tài. Việc xuất kết quả mô phỏng trên công cụ ESE Diesel cũng khá đơn giản.
5.2. Kiến nghị
Công cụ ESE Diesel sử dụng để mô phỏng động cơ đang trong giai đoạn phát triển nên độ ổn định chưa cao, nhất là đối với việc xây dựng mô hình đòi hỏi cần có băng thử động cơ để đo đạc các thông số trên thực tế. Ngoài ra, cấu hình và bộ nhớ máy tính đòi hỏi phải mạnh mẽ và lớn để có thể đáp ứng được các điều kiện thiết lập trong mô hình. Nếu số lượng các mô đun thiết lập càng nhiều đòi hỏi phần cứng máy tính phải đáp ứng để giảm thời gian mô phỏng xuống mức tối thiểu.
Trong thời gian tới đề tài cần tiếp tục hoàn thiện theo hướng sau:
- Tiếp tục hoàn thiện việc mô phỏng trên mô hình thực tế dựa trên băng thử động cơ. - Hiệu chỉnh các thông số mô phỏng phù hợp với thực tế hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Anh Tuấn Hoàng and Văn Vang Lê, QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ THỨ CẤP CỦA CHÙM TIA PHUN NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL. 2017. 20(08): p. 61- 64.
[2]. BÙI HỒNG DƯƠNG HOÀNG VĂN SĨ, Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỷ lệ không khí-nhiên liệu đến nồng độ khí thải NOx trong động cơ diesel tàu thủy bằng phần mềm ricardo wave. Tạp chí Giao thông Vận tải, (7): p. 37.
[3]. Phạm Minh Hiếu, Nguyễn Mạnh Dũng, Lê Đức Hiếu, Đánh giá ảnh hưởng của các thông số làm việc đến công suất và khí thải NOx của động cơ Diesel Common Rail.
2021, Tập 57 - Số 1Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội.
[4]. Phạm Đình Thọ, Nghiên cứu quá trình phun nhiên liệu trong động cơ Diesel. 2006. [5]. Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong. Nhà xuất bản giáo dục, 2001. [6]. Trần Quang Vinh, Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong động
cơ D1146TiS sử dụng phần mềm CFD AVL-FIRE. 2007, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[7]. TS. Khổng Văn Nguyên; TS. Anh Vũ; TS. Trần Văn Thoan; TS. Trần Anh Trung; PGS. TS. Nguyễn Hoàng Vũ, Nghiên cứu xây dựng mô hình cháy động cơ diesel Common Rail khi sử dụng diesel và biodiesel với một lần phun chính. 2019, Tạp chí Giao thông Vận tải.
[8]. Huỳnh Phước Sơn, Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ Common Rail Diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG-Diesel). 2018.
[9]. Zi Lai Luo, Han Bao Chang, Li Min Shao, Research on Effect of Nozzle Structure Parameters on Performance of Common Rail Diesel Engine. 2011.
[10]. Kazuhiro Akihama, et al., Mechanism of the smokeless rich diesel combustion by reducing temperature. Sae Transactions, 2001: p. 648-662.
[11]. Masataka Arai. Physics behind diesel sprays. in Proc. of ICLASS, 12th Triennial International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Heidelberg, Germany, Sept. 2012.
[12]. Carsten Baumgarten, Mixture formation in internal combustion engines. 2006: Springer Science & Business Media.
[13]. SJ Charlton. US Perspective on Engine Development. in SAE Heavy-Duty Diesel Emissions Control Symposium. 2007.
[14]. Jose Maria Desantes, et al., Measurements of spray momentum for the study of cavitation in diesel injection nozzles. 2003, SAE Technical Paper.
[15]. C. Syed Aalam, C.G. Saravanan, Effects of Fuel Injection Pressure on CRDI Diesel Engine Performance and Emissions using CCD. 2015.
[16]. Magnus Lewander, Characterization and control of multi-cylinder partially premixed combustion. 2011: Lund University.
[17]. Mikael Lindström, Injector nozzle hole parameters and their influence on real DI diesel performance. 2009, KTH.
[18]. Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List, Engine Simulation Environment (ESE) Tutorial. 2011.
[19]. WH Nurick, Orifice cavitation and its effect on spray mixing. Journal of fluids engineering, 1976. 98(4): p. 681-687.
[20]. Rolf D Diwakar Reitz, Structure of high-pressure fuel sprays. SAE transactions, 1987: p. 492-509.
[21]. Patamaporn Chaikool, Kemwat Intravised, Prapan Patsin and Teerawat Laonapakul, A Study of Effect of Biodiesel on Common-Rail Injection Nozzle. 2016.
[22]. C. Syed Aalam, Reduction of Emissions from Common-rail Diesel Engine using Mahua and Pongamia Methyl Esters. 2019.
[23]. PGS.TS. Đào Mạnh Hùng Ths. Đỗ Khắc Sơn, BÀI GIẢNG CÁC HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TRÊN Ô TÔ. Hà Nội 2012, Trường Đại học Giao thông Vận tải.
[24]. https://luatvietnam.vn/giao-thong/thong-tu-06-2021-tt-bgtvt-quy-chuan-ky-thuat- quoc-gia-ve-khi-thai-muc-5-voi-o-to-san-xuat-lap-rap-va-nhap-khau-moi-200926- d1.html
[25]. http://teikin.com/assets/media/catalogue/TOY/46348.pdf
[26]. https://www.staparts.co.nz/
[27]. Guangzhao Yue, Tao Qiu, Hefei Dai, Yan Lei and Ning Zhao, Rail pressure control strategy based on pumping characteristics for the common rail fuel system. 2018. [28]. https://hbsmartlab.com/index.php?language=vi&nv=news&op=2kd-ftv/tim-hieu-
[29]. https://tailieu.vn/doc/de-tai-commorail-toyota-hyace-578077.html
[30]. www.avl.com
[31]. https://oto-hui.com/threads/nhiet-do-trong-buong-chay.40904/
[32]. https://dieselnet.com/tech/combustion_piston-cool.php
[33]. F.J. Salvador, Jaime Gimeno, Marcos Carreres and Marco Crialesi Esposito, Fuel temperature influence on the performance of a last generation common-rail diesel ballistic injector. Part I: Experimental mass flow rate measurements and discussion. 2016.
[34]. Trần Nhật Phi, Hà Quốc Minh Phương, Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kim phun đến công suất động cơ diesel". Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, 2019.
[35]. https://www.tailieucokhi.net/2018/03/thiet-ke-he-thong-cung-cap-nhien-lieu-dong- co-diesel-toyota.html
PHỤ LỤC A
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM AVL FIRE 1. Khái quát về phần mềm AVL Fire
AVL là công ty độc lập lớn nhất thế giới về phát triển, mô phỏng và thử nghiệm các hệ thống truyền động (hybrid, động cơ đốt, truyền động, truyền động điện, pin, pin nhiên liệu và công nghệ điều khiển) và tích hợp những công nghệ cho xe khách, xe thương mại, xây dựng, động cơ.
Công ty có nhiều thập kỷ kinh nghiệm trong việc phát triển và tối ưu hóa hệ thống truyền động cho tất cả các ngành công nghiệp. AVL cung cấp các môi trường phát triển hoàn chỉnh và tích hợp các hệ thống đo lường và thử nghiệm cũng như các phương pháp mô phỏng hiện đại.
AVL Fire là một phần mềm của hãng AVL sử dụng để giải quyết tất cả các vấn đề trong động cơ đốt trong liên quan tới động lực học chất lỏng (CFD). Được xem như một
tô. Phần mềm có phạm vi sử dụng rộng rãi vì được thực hiện thông qua các mô hình tính toán tự động được tạo ra mà không cần hiểu quá nhiều các kiến thức chuyên sâu, hay việc xây dựng các mô hình của bộ phận như piston, van, trục, bánh răng,… Cũng trở nên dễ dàng với các mẫu có sẵn vì vậy giúp người dùng có thể tập trung hơn trong việc thiết xây dựng mô hình theo ý muốn với các tính chất vật lý và hóa học một cách chính xác hơn. Tính chính xác của những mô hình vật lý dùng để mô phỏng và phân tích động cơ trong Fire đã được thừa nhận rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới.
Phạm vi hoạt động AVL FIRE: Với AVL FIRE người dùng có thể xử lý, tính toán
việc phun nhiên liệu, đánh lửa, quá trình cháy và sự hình thành các chất phát thải của động cơ sau đó đưa ra kết quả để có thể điều chỉnh, thiết kế lại mô hình để có đạt được mục tiêu đề ra trong nghiên cứu.
AVL Fire cho phép xây dựng mô hình tính toán:
- Dòng tia phun (cavitating flows) trong các lỗ kim phun nhiên liệu - Quá trình xé nhỏ tia phun
- Sự lan truyền của tia phun
- Sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu/ không khí
- Tính chất của lớp màng nhiên liệu (wallfilm behaviour) - Đánh lửa
- Sự lan truyền của ngọn lửa
- Sự hình thành của các chất độc hại trong khí thải động cơ - Các quá trình động hóa học bên trong bộ xử lý xúc tác - Quá trình sấy nóng các dòng nước làm mát
Ngoài ra nhờ các giao diện trực tiếp, rõ ràng với mô hình chu trình nhiệt động và tự động kết nối với các phần mềm phần tử hữu hạn (FEM) thông dụng sẽ đảm bảo việc tính toán các quá trình trao đổi và phân tích ứng suất nhiệt là chính xác nhất.
Người dùng cũng có thể tự định nghĩa các thuật ngữ liên quan tới các hiện tượng vật lý và hóa học, mô tả và tính toán mô hình với các phần tử này [6].
2. Công cụ ESE Diesel
Hình 0. 1. Công cụ AVL Fire ESE Diesel
Hơn 30 năm hình thành và cải tiến, AVL FIRE là gói mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) hàng đầu cho Động cơ đốt trong. Và trong kỷ nguyên của các công nghệ mới, nó là một công cụ mạnh mẽ trong việc phát triển các thành phần chính trong hệ thống truyền động điện khí hóa.
Được thiết kế để mô phỏng chính xác vật lý và hóa học có liên quan, nó có phạm vi sử dụng rộng rãi. Chúng bao gồm dự đoán về phun nhiên liệu, đánh lửa, đốt cháy và thải ra động cơ cũng như điều chỉnh các thành phần của hệ thống xử lý khí thải, mà còn mô hình hóa điện hóa và biến đổi nhiệt của pin và pin nhiên liệu.
ESE Diesel là công cụ mô phỏng CFD, cho phép người dùng mới tiếp xúc với kỹ thuật mô phỏng, thiết lập, thực hiện và phân tích quá trình phun và đốt trong động cơ Diesel một cách đáng tin cậy và chính xác.
Quá trình xây dựng một mô hình bằng công cụ ESE Diesel được thực hiện lần lượt như sau:
- Thông tin chung về động cơ (General Engine Data) - Phác thảo hình dạng đỉnh piston (Sketcher)
- Chia lưới (Mesher)
3. Kết luận
Phần mềm AVL Fire được xây dựng trên nền tảng là các mô hình toán mô phỏng các quá trình mà lý thuyết CFD quan tâm giải quyết, đặc biệt trong lĩnh vực động cơ đốt trong như quá trình cháy, quá trình phun nhiên liệu, quá trình truyền nhiệt, chuyển động của các phân tử, các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình trao đổi chất, xử lý khí thải (after- treatment),… Đối với mỗi mỗi bài toán cụ thể, Fire đều có rất nhiều mô hình toán hiện đại với mức độ phức tạp cũng như quan điểm tính toán khác nhau giúp người dùng có thể lựa