hệ số lưu lượng của van EGR
2.3.2.5. Bộ làm mát khí luân hồi
Bộ làm mát khí luân hồi được khai báo với tiêu chí chọn lưu lượng, nhiệt độ và áp suất đầu ra của khí theo mong muốn trước khi dẫn tới van EGR. Chọn áp suất và nhiệt độ khí ra khỏi bộ làm mát khí luân hồi là 100 ͦ C và 1,2 bar (Hình 2.9). Riêng lưu lượng ra khỏi bộ làm mát khí luân hồi do AVL Boost tự tính toán khi có các thông số đầu vào bộ làm mát khí luân hồi và thông số hình học bộ làm mát khí luân hồi. Các thông số khí tại đầu vào bộ làm mát khí luân hồi như lưu lượng, nhiệt độ và áp suất được xác định theo điểm MP5 trên mô hình trong Hình 2.2 (các thông số này phụ thuộc hoàn toàn vào các chế độ làm việc của động cơ trong mô hình). Thay đổi các thông số hình học trong mô hình bộ làm mát khí luân hồi như: tổng thể tích bộ làm mát, thể tích vào, thể tích ra, chiều dài lõi bộ làm mát ….đến khi đạt được nhiệt độ và áp suất mong muốn. Các thông số thu được sẽ làm cơ sở để thiết kế bộ làm mát khí luân hồi sau này (Hình 2.10).
33
Hình 2. 9 Thiết lập lưu lượng, nhiệt độ và áp suất đầu ra mong muốn áp suất đầu ra mong muốn
Hình 2. 10 Các thông số bộ làm mát khí luân hồi luân hồi
2.3.2.6. Thiết lập phần tử động cơ và xi-lanh (Cylinder)
a) Thiết lập điều kiện biên
- Các phần tử điều kiện biên được xác định như thể hiện trong Bảng 2.4.
Bảng 2. 4 Các thông số của phần tử điều kiện biên
Phần tử Thông số Giá trị Đơn vị
Phần tử điều kiện biên 1 (SB1)
Loại biên Chuẩn -
Áp suất 1 bar
Nhiệt độ 25 oC
Hoá hơi nhiên liệu 0 -
Sản phẩm cháy 0 -
Tỷ số A/F 10000 -
Hệ số lưu lượng vào và ra ống 1 -
Phần tử điều kiện biên 2 (SB2)
Loại biên Chuẩn -
Áp suất 1 bar
Nhiệt độ 100 oC
Hoá hơi nhiên liệu 0 -
Sản phẩm cháy 0,62 -
Tỷ số A/F 1000 -
Hệ số lưu lượng vào và ra ống 1 -
b) Thiết lập phần tử đường ống (Pipe)
Phần tử đường ống trong mô hình được định nghĩa bằng các tham số hình học, vật lý sau: Đường kính ống, chiều dài ống, độ cong ống, hệ số cản của thành ống. Thứ tự ống lấy như trong sơ đồ của mô hình mô phỏng. Các thông số được xác định từ tính toán sơ bộ và được trình bày trong Bảng 2.5.
+ Các thông số vật lý
Bảng 2. 5 Các thông số hình học, vật lý của các đường ống
Thống số /Ống số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Chiều dài (mm) 50 50 100 100 300 100 50 150 100 50
Đường kính (mm) 40 30 30 30 30 30 30 20 20 20
Nhiệt độ thành ống(ͦ C) 28 28 28 28 500 400 100 300 80 65
Áp suất khí trong ống (bar) 1 0,98 0,98 0,95 1,5 1,3 1,1 1,3 1,1 1,1
34
+ Các thông số khác chung cho tất cả các đường ống: * Hệ số ma sát Laminar: 64 (-)
* Dạng truyền nhiệt giữa Dòng khí-Thành: dạng Re-Analogy. * Hệ số truyền nhiệt: 1 (-)
c) Thiết lập phần tử lọc khí (Air-Cleaner)
Trên đường ống nạp của động cơ R180 có bố trí một bộ lọc khí, có chiều dài phần tử lọc là 60 mm, đường kính phần tử lọc là 60 mm. Lưu lượng khí qua bộ lọc khí được tự tính toán theo dung tích buồng đốt; tổn thất áp suất qua lọc là 0,05 bar; áp suất khí đầu vào là 1 bar; nhiệt độ khí là 30 ͦ C.
d) Thiết lập phần tử điểm đo (Measuring point)
Để thuận lợi cho quá trình xác định các thông số làm việc của động cơ ở bất kỳ vị trí nào. AVL Boost hỗ trợ thiết lập các phần tử điểm đo. Các phần tử điểm đo này có tác dụng như các cảm biến đặt trên hệ thống đường ống của động cơ trong quá trình thực nghiệm. Khi hoàn thành quá trình mô phỏng, trong kết quả đo sẽ hiển thị các thông số của các điểm đo này như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng khí đi qua … Trong mô hình nghiên cứu sử dụng 7 điểm đo.
e) Thiết lập các thông số cơ bản của xi-lanh
Các thông số cơ bản của phần tử xi-lanh được trình bày trong Hình 2.11. Các thông số bao gồm:
+ Đường kính: 80 mm; + Hành trình: 80; +Tỉ số nén: 20 (-);
+ Chiều dài thanh truyền: 150 mm;
+ Độ lệch tâm của chốt pít-tông: 0,02 mm;
+Khe hở giữa thành xi-lanh và xéc-măng: 0,01 mm; + Áp suất hộp trục khuỷu: 1,2 bar.
35
f) Thiết lập mô hình truyền nhiệt (Heat Transfer)
Các thông số mô hình truyền nhiệt được trình bày trong Hình 2.12, gồm: - Mô hình truyền nhiệt: chọn mô hình Woschni 1990;
- Diện tích bề mặt Pít-tông: 5024,5 mm2; - Diện tích nắp máy gần đúng: 5012,5 mm2; - Diện tích thành xi-lanh: 100 mm2;
- Nhiệt độ bề mặt trong của pít-tông, xi-lanh, và thành xi-lanh thay đổi theo tải và tốc độ.
g) Các thông số kĩ thuật của xu-páp
Các thông số của xu-páp nạp và thải được khai báo trong AVL Boost được trình bày lần lượt trong Hình 2.13 và 2.14.
Hình 2. 13 Thiết lập xú-páp nạp Hình 2. 14 Thiết lập xú-páp thải
+ Đường kính đế xu-páp nạp và thải lần lượt là : 40 mm và 37 mm; Xu-páp nạp: Diện tích bề mặt: 1,256 (mm2); Nhiệt độ thành: 130°C. Xu-páp thải: Diện tích bề mặt: 1,074 (mm2); Nhiệt độ thành: 300°C. + Khe hở nhiệt: 0,15 mm (xu-páp nạp) và 0,2 (xu-páp thải);
+ Góc phối khí xu-páp nạp: 180°+18°+41° = 229° (mở sớm 18°trước ĐCT và đóng muộn 41° sau ĐCT);
+ Góc phối khí xu-páp thải: 180° + 48° +15°=243° (mở sớm trước ĐCT 48° và đóng muộn 15° sau ĐCT).
Độ nâng cam được xác định thông qua biên dạng thực tế của cam phối khí với dạng cam lồi và thông số đường kính cổ trục dc = 22 mm, độ nâng cam hc=5 mm và bán kính vòng đỉnh cam r =2,1 mm . Độ nâng được tính toán theo công thức trong tài liệu “ KC&TTĐCĐT tập II”[107]. Bảng 2.6 và 2.7 lần lượt trình bày độ nâng xu-páp nạp và thải theo góc quay trục khuỷu.
36
Bảng 2. 6 Độ nâng xu-páp nạp theo góc quay trục khuỷu
Bảng 2. 7 Độ nâng xu-páp thải theo góc quay trục khuỷu
h) Chọn lựa mô hình cháy (Combustion)
- Các thông số thiết lập mô hình cháy được trình bày trong Hình 2.15, gồm: + Mô hình cháy: AVL MCC;
+ Lượng nhiên liệu cho mỗi chu trình (Fuel/cycle) gct: thay đổi theo tải và tốc độ động cơ (nhập vào mô hình bằng kết quả nghiên cứu thực nghiệm);
+ Quá trình hình thành hòa khí: Bên trong; + Nhiệt độ nhiên liệu: 25°C;
+ Kiểu buồng cháy: Buồng cháy phụ.
TT Góc trục khuỷu (°TK) Độ nâng (mm) TT Góc trục khuỷu (°TK) Độ nâng (mm) 1 344 0,000 13 463 4,999 2 352 0,125 14 473 4,935 3 360 0,498 15 483 4,774 4 367,3 0,88 16 493 4,516 5 380 1,873 17 503 4,163 6 400 3,186 18 523 3,186 7 420 4,163 19 543 1,873 8 430 4,516 20 556,2 0,88 9 440 4,774 21 561 0,498 10 450 4,935 22 569 0,125 11 460 4,999 23 575 0,000 12 462 5 TT Góc trục khuỷu (°TK) Độ nâng (mm) TT Góc trục khuỷu (°TK) Độ nâng (mm) 1 132 0,000 13 255 4,999 2 140 0,079 14 265 4,935 3 148 0,317 15 275 4,774 4 156 0,712 16 285 4,516 5 164,3 1,285 17 315 3,186 6 172 1,873 18 335 1,873 7 192 3,186 19 342,7 1,285 8 222 4,516 20 351 0,712 9 232 4,774 21 359 0,317 10 242 4,935 22 367 0,079 11 252 4,999 23 375 0,000 12 253,5 5
37
Hình 2. 15 Chọn lựa mô hình cháy và phương pháp hình thành hòa khí
i) Mô hình cháy AVL MCC
Thông số mô hình cháy AVL MCC bao gồm thông số vật lý của vòi phun diesel (Hình 2.16) và quy luật phun diesel theo biên dạng cam của bơm cao áp (Hình 2.17).
Hình 2. 16 Khai báo thông số vật lý vòi phun diesel phun diesel
Hình 2. 17 Tỉ lệ phun của vòi phun diesel sơ bộ theo biên dạng cam bơm sơ bộ theo biên dạng cam bơm
- Đặc tính vật lý: * Số lỗ phun: 4
* Đường kính lỗ: 0,25 mm * Hệ số lưu lượng: 0,8(-) * Áp suất phun: 150 bar - Các thông số hiệu chỉnh mô hình
Để có thể hiệu chỉnh mô hình, AVL Boost cung cấp 2 công cụ là hiệu chỉnh trực tiếp mô hình cháy AVL MCC theo loại nhiên liệu (Hình 2.18) và theo kinh nghiệm của người mô phỏng (Hình 2.19).
38
Hình 2. 18 Các thông số hiệu chỉnh mô hình cháy trong mô hình AVL MCC cháy trong mô hình AVL MCC
Hình 2. 19 Hiệu chỉnh mô hình theo kinh nghiệm người dùng nghiệm người dùng
+ Thông số hiệu chỉnh theo loại nhiên liệu:
Bảng 2.8 trình bày các thông số hiệu chỉnh mô hình cháy theo loại nhiên liệu mà tác giả đã thực hiện nhiều lần để chọn lựa.
Bảng 2. 8 Bảng thông số hiệu chỉnh mô hình AVL MCC theo loại nhiên liệu
Thông số hiệu chỉnh Nhiên liệu
diesel
Nhiên liệu diesel và hydro
Hệ số hiệu chỉnh thời gian cháy trễ 1 0,8
Hệ số cháy 0,8 1
Hệ số rối 0,78 1
Hệ số tiêu tán 1 1
Hệ số ảnh hưởng của luân hồi khí thải 1 0,9
Hệ số cháy đồng nhất 0,7 0,97
+Thông số hiệu chỉnh theo mô hình:
Bảng 2.9 trình bày các thông số hiệu chỉnh theo tính toán của người mô phỏng.
Bảng 2. 9 Bảng thông số hiệu chỉnh mô hình AVL MCC theo người dùng
Thông số hiệu chỉnh Nhiên liệu
diesel
Nhiên liệu diesel và hydro
Hệ số thời gian cháy trước hòa trộn 2 1,7
Tính toán động năng rối Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn
Hệ số bốc hơi nhiên liệu 0,70353 0,9
j) Mô hình phát thải trong AVL MCC
Hình 2.20 trình các hệ số hiệu chỉnh phát thải của mô hình AVL-MCC được xác định sau nhiều lần thử nghiệm và tính toán cho mô hình thuần diesel của tác giả bao gồm các phát thải là NOx, CO và soot.
39
Hình 2. 20 Hiệu chỉnh các hệ số phát thải của mô hình cháy AVL-MCC
2.3.3. Khai báo biến và thực hiện mô phỏng 2.3.3.1. Khai báo biến 2.3.3.1. Khai báo biến
Trong mô hình xác định 3 biến cần thay đổi đó là:
- Lượng diesel cấp cho một chu trình (biến mDiesel) (Hình 2.21); - Lượng hydro cấp cho một chu trình (biến mHydro) (Hình 2.21); - Góc quay van EGR (biến EGR) (Hình 2.22)/
Trình tự mô phỏng được thực hiện như sau:
Bước 1: Tính toán lượng nhiên liệu diesel bị thay thế
Hình 2. 21 Thay đổi lượng diesel và hydro Hình 2. 22 Thay đổi tỉ lệ EGR
Với lượng diesel cấp cho một chu trình tại các chế độ tải trọng được xác định dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Chọn lựa tỉ lệ hydro bổ sung thay thế một phần diesel lần lượt là: 5%, 10%, 20% và 30%. Do đó, dễ dàng xác định được lượng diesel bị thay thế theo công thức (2.1).
40
Lượng hydro bổ sung thay thế một phần diesel được tính toán dựa trên cơ sở nhiệt lượng của hai phần nhiên liệu thay thế này tương đương nhau được tính theo công thức (2.2).
Tỉ lệ diesel thay thế bởi H2 = 𝑚𝐷𝑡𝑡
𝑚𝐷𝑏𝑑× 100% (2. 1)
Lượng H2 thay thế = 𝑚𝐷𝑡𝑡×𝐿𝐻𝑉𝐷
𝐿𝐻𝑉𝐻
(2. 2)
Trong đó mDtt là lượng diesel bị thay thế, mDbd là lượng diesel ban đầu, LHVD và
LHVH là nhiệt trị thấp của diesel và hydro (MJ/kg).
Bước 3: Thực hiện mô phỏng động cơ diesel có bổ sung hydro ở các chế độ tải trọng với các tỉ lệ thay thế 5%, 10%, 20% và 30% được ký hiệu lần lượt là H5, H10, H20 và H30.
- Lượng diesel nhập vào mô hình là lượng diesel còn lại sau khi trừ đi phần diesel bị thay thế, đơn vị (gam/ chu trình)
-Lượng hydro nhập vào mô hình là lượng hydro bổ sung thay thế phần diesel bị thay thế, đơn vị (gam/chu trình). Để đảm bảo tính chính xác của mô hình nhiên liệu hydro bổ sung trên đường ống nạp, nhiên liệu hydro được khai báo thêm các điều kiện biên và thông số hiệu chỉnh như: áp suất nhiên liệu hydro phun vào đường ống nạp, hệ số cháy, hệ số rối....Các thông số hiệu chỉnh được trình bày trong Bảng 2.8 và Bảng 2.9.
Bước 4: Thực hiện mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-hydro có luân hồi khí thải:
Tại cùng một chế độ tải trọng, với lượng hydro bổ sung như nhau thực hiện mô phỏng luân hồi khí thải (EGR) với biến là độ mở van EGR. Với mỗi độ mở van EGR, tính toán tỉ lệ luân hồi theo công thức (2.3)
(%) EGR 100 i V EGR V = (%) (2. 3)
VEGRlà lưu lượng khí luân hồi được lấy từ điểm MP6 trên mô hình; Vi là lưu lượng khí nạp được lấy từ điểm MP3 đóng vai trò như cảm biến lưu lượng khí nạp.
Bước 5: Tổng hợp kết quả mô phỏng khi động cơ làm việc với các tỉ lệ hydro bổ sung và tỉ lệ EGR khác nhau
Các kết quả mô phỏng chỉ lấy ở trong vùng hệ số lambda lớn hơn 1,2 để có đủ ô- xy đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu diesel và nhiên liệu hydro.
Các kết quả mô phỏng được quy đổi về theo các tải trọng của động cơ nguyên bản lần lượt là 1kW đến 5kW để dễ dàng xác định xu hướng, so sánh và đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ hydro bổ sung và tỉ lệ EGR tới đặc tính làm việc và phát thải của động cơ.
Trong trường hợp sử dụng lưỡng nhiên liệu, tính năng kinh tế của động cơ được đánh giá bằng suất tiêu hao nhiên liệu qui đổi ra diesel xác định theo công thức (2.4):
41 𝑔e=𝑚𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙+ 𝑚𝐻×𝐿𝐻𝑉𝐻 𝐿𝐻𝑉𝐷 𝑁𝑒 (2. 4)
Trong đó mdiesel và mH lần lượt là lượng nhiên liệu diesel và hydro tiêu thụ (kg/h); Ne
là công suất có ích của động cơ (kW).
2.3.3.2. Các nội dung mô phỏng
Các nội dung mô phỏng bao gồm:
1) Mô phỏng động cơ nguyên bản (NB) và hiệu chỉnh mô hình tại đặc tính ngoài, đặc tính tải cho mô-men lớn nhất và đặc tính tải cho công suất lớn nhất đảm bảo độ tin cậy của mô hình với kết quả mô phỏng sai lệch dưới 5% so với thực nghiệm;
2) Mô phỏng động cơ R180 có thực hiện bổ sung hydro với tỉ lệ 5%, tỉ lệ luân hồi 5% và hiệu chỉnh mô hình tại hai đặc tính tải nêu trên đảm bảo độ tin cậy của mô hình với kết quả mô phỏng sai lệch dưới 5% so với thực nghiệm
3) Mô phỏng động cơ ở đặc tính tải ở tốc độ cho mô men lớn nhất (1500 v/p) với các tỉ lệ hydro bổ sung và EGR lớn hơn;
4) Mô phỏng động cơ ở đặc tính tải ở tốc độ cho công suất lớn nhất (2600 v/p) với các tỉ lệ hydro bổ sung và EGR lớn hơn;
5) Mô phỏng động cơ ở đặc tính ngoài với các tỉ lệ hydro bổ sung 5% và EGR 5%.
Hiệu chỉnh mô hình và đánh giá độ tin cậy
Quá trình đo đạc và nghiên cứu thực nghiệm đã giúp xác định được một số thông số đầu vào cho mô hình và một số thông số để đánh giá độ tin cậy của mô hình. Việc hiệu chỉnh được thực hiện bằng cách so sánh giá trị của một số thông số đầu ra của mô hình mô phỏng với kết quả thực nghiệm rồi thay đổi các thông số điều chỉnh trong mô hình để đạt được sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm nhỏ hơn 5%. Lúc đó mô hình R180 được coi là đủ độ tin cậy để sử dụng tính toán mô phỏng.
Các đồ thị Hình 2.23 đến 2.25 trình bày so sánh kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm về công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ ở đặc tính ngoài sử dụng thuần nhiên liệu diesel.
Hình 2.26 đến 2.28 trình bày so sánh kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm về tiêu hao nhiên liệu và phát thải tại đặc tính tải ở tốc độ 1500 v/p và 2600 v/p.
Hình 2.29 đến 2.30 trình bày so sánh kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm