42
Phần mềm AVL-Boost bắt đầu được phát triển từ năm 1992, từ đó đến nay phần mềm này đã và đang ngày càng được phát triển và ứng dụng nhiều trong nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong. Phiên bản mới nhất của phần mềm AVL- Boost hiện nay là AVL-Boost 2013. Gói phần mềm Boost bao gồm một bộ tiền xử
lý tương tác sẽ hỗ trợ với bộ xử lý dữ liệu đầu vào cho các chương trình tính tốn chính. Q trình phân tích kết quả sẽđược hỗ trợ bởi một bộ hậu vi xử lý tương tác.
Công cụ tiền xử lý trên AVL Workspace Graphical User Interface đặc trưng bởi một mơ hình sắp xếp và một chỉ dẫn của dữ liệu đầu vào cần thiết. Mơ hình tính tốn của động cơ được thiết kế bằng cách lựa chọn các phần tử cần thiết từcây thư
mục thông qua cách kích đúp chuột và kết nối chúng bằng các phần tử đường ống. Theo cách này ngay cả những động cơ kết cấu rất phức tạp cũng có thể được mơ hình hóa một cách đơn giản. Chương trình chính cung cấp các thuật tốn mơ phỏng
được tối ưu hóa cho tất cả các phần tử. Dòng chảy trong ống được coi như là dòng một chiều. Theo đó các áp suất, nhiệt độ và vận tốc dòng chảy thu được từ các
phương trình khí động học biểu diễn giá trị trung bình qua mặt cắt của đường ống. Tổn thất dòng chảy do hiệu ứng ba chiều, tại các vị trí cụ thể trong động cơ, được
xét đến bởi hệ số cản thích hợp. Trong trường hợp hiệu ứng ba chiều cần xét đến chi tiết hơn, kết nối với mơ hình dịng chảy 3 chiều của AVL (Fire) sẽ giúp cho quá trình nghiên cứu trở nên rõ ràng hơn. Điều này có nghĩa rằng một mơ hình đa chiều của dịng khí trong động cơ có thểđược kết hợp với một mơ hình một chiều của một chi tiết khác. Đặc trưng này có lợi cho mơ phỏng chuyển động trong xylanh, q trình qt khí của động cơ 2 kỳ hay mô phỏng chuyển động phức tạp trong các phần tử giảm thanh. Công cụ hậu xử lý IMPRESS CHART và PP3 phân tích rất nhiều các kết quả dữ liệu khác nhau từ mơ hình hóa. Tất cả các kết quả có thểđược đem
so sánh với các điểm đo hoặc kết quả tính tốn trước đó [1]. Ngồi ra, phần mềm cịn cho phép trình diễn kết quả dạng hình động. Điều này góp phần cho việc phát triển các giải pháp tối ưu với các vấn đề của người dùng [9].
43
3.1.2 Cơ sở lý thuyết
a. Phương trình chuyển đổi năng lượng
Hình 3.3 Mơ hình cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ
Hình 3.3 thể hiện mơ hình buồng cháy động cơ đốt trong, được giới hạn bởi thân xylanh, nắp xylanh, piston và xupap. Phương trình tính tốn trạng thái nhiệt
động học trong xylanh động cơ dựa vào phương trình nhiệt động học 1 [8]:
( ) - - - - - . . c F w BB i e ev c BB i ev d m u dV dQ dQ dm dm dm dm p h h h q f dα = dα + dα ∑ dα dα +∑ dα ∑ dα dt (3.1) Sựthay đổi khối lượng môi chất trong xylanh được tính tốn bằng tổng đại số của thành phần đi vào và thành phần đi ra theo công thức sau:
c i e BB ev dm dm dm dm dm dα =∑ dα −∑ dα − dα + dα (3.2) Trong đó: ( c ) d m u
44
-pcdV
dα cơng chu trình thực hiện
F
dQ
dα nhiệt lượng cấp vào
w dQ dα ∑ tổn thất nhiệt qua vách BB BB dm h dα tổn thất enthanpy do lọt khí
mc khối lượng môi chất trong xylanh u nội năng
pc áp suất trong xylanh V dung tích xylanh QF năng lượng nhiên liệu
Qw lượng nhiệt tổn thất qua vách
Α góc quay trục khuỷu hBB enthanpy lọt khí
BB
dm
dα lưu lượng khí lọt xuống cácte dmi dòng đi vào động cơ
dme dòng đi ra động cơ
hi enthanpy của dòng vào he enthanpy của dòng ra
qev nhiệt lượng bay hơi của nhiên liệu mev khối lượng nhiên liệu bay hơi
b. Mơ hình truyền nhiệt
Nhiệt lượng truyền qua thành vách bao gồm đỉnh piston, nắp máy, thân máy
và xupap được tính tốn theo cơng thức sau [8]:
. .( )
wi i i c wi
Q = Aα T −T (3.3)
Trong đó:
45 Ai diện tích bề mặt truyền nhiệt
αw hệ số truyền nhiệt
Tc nhiệt độ môi chất cháy trong xylanh Twi nhiệt độ thành vách xylanh
Do trong quá trình làm việc, piston dịch chuyển dọc theo thân máy, diện tích truyền nhiệt của mặt gương xylanh thay đổi theo thời gian, nhiệt độ mặt gương xylanh được tính tốn như sau:
, 1 . . ex L L TDC e T T x c − − = (3.4) , , ln L TDC L BDC T c T = (3.5)
TL : nhiệt độ mặt gương xylanh
TL,TDC nhiệt độ mặt gương xylanh khi piston ởĐCT
TL,BDC nhiệt độ mặt gương xylanh khi piston ởĐCD
x vị trí của piston
Theo mơ hình truyền nhiệt của Woschni 1978, hệ số truyền nhiệt αw được
tính tốn như sau: 0,8 . ,1 0,2 0,8 0,53 1 2 ,0 ,1 ,1 130. . . . . . .( ) . D c w c c m c c c c V T D p T C c C p p p V α − − = + − (3.6) Trong đó: C1 = 2,28 + 0,308.cu/cm C2 = 0,00324 (động cơ phun trực tiếp)
= 0,00622 (động cơ phun gián tiếp) D đường kính xylanh
cm vận tốc trung bình piston cu tốc độ tiếp tuyến
VD thể tích mỗi xylanh pc,0 áp suất nén không cháy
46
pc,1 áp suất trong xylanh đầu q trình nén (xupap nạp đóng)
c. Mơ hình cháy HCCI một vùng
Đối với mơ hình cháy HCCI, thơng số dQF/dα trong phương trình 3.1 được
tính tốn như sau [8]:
. 1 . . . nSpcGas F i i dQ u M W dα ω = = ∑ (3.7)
Tỷ lệ khối lượng của các thành phần được tính như sau:
. . i . i dw MW d ρ ω α = (3.8) Trong đó: nSpcGas số phần tử trong hỗn hợp khí [-]
MW khối lượng mol của mỗi phân tử [kg/kmol] U nội năng của mỗi phần tử [J/kg.K]
w tỷ lệ khối lượng của mỗi phần tử [-]
ρ khối lượng riêng của hỗn hợp [kg/m3]
ω. tốc độ phản ứng của mỗi thành phần [kmol/m3s]
d. Mơ hình chuyển đổi C7H16 trong quá trình cháy HCCI
Cơ chế chuyển đổi C7H16 trong quá trình cháy HCCI được thực hiện với 26 thành phần và 66 phản ứng [Phụ lục]. Phương pháp được sử dụng là phân tích tốc
độ toả nhiệt theo thời gian của mỗi phản ứng riêng biệt, cơ chế này được tổng kết trong file C7H16_skel_mech.inp. Tại đây, các phương trình phản ứng với các hệ số
liên quan như A, B và E (trong phương trình tính tốn hệ số tốc độ k=ATBexp(- E/T)) được trình bày một cách rõ ràng.
3.2. Trình tự mơ phỏng
3.2.1. Đối tượng thử nghiệm mô phỏng
Động cơ được chọn làm đối tượng nghiên cứu là động cơ nghiên cứu một xylanh AVL 5402 với các thông số kỹ thuật như trên bảng 3.1. Đường nạp động cơ được cải tiến để lắp thêm vòi phun nhiên liệu nhằm giúp động cơ hình thành hỗn
47
hợp một cách đồng nhất ngay từ trên đường nạp. Nhiên liệu thử nghiệm là n- heptane có cơng thức hố học là C7H16, là một ankan mạch thẳng có các tính chất
như trên Bảng 3.2.
Bảng 3.1. Thông sốđộng cơ AVL 5402
Kiểu động cơ 1 xilanh, 4 kỳ, khơng tăng áp
Đường kính xilanh 85 mm Hành trình piston 90 mm Dung tích xylanh 510,7 cm3 Tỷ số nén 17,3:1 Xupap nạp Mở sớm 16oTK trước ĐCT Đóng muộn 46oTK sau ĐCD Xupap thải Mở sớm 53,5oTK trước ĐCD Đóng muộn 16,5oTK sau ĐCT Bảng 3.2 Tính chất của nhiên liệu n-heptan Cơng thức hố học n-C7H16 Khối lượng mol 100,16 g/mol Trị số cetane 56
Khối lượng riêng 0,692 g/ml Nhiệt trị thấp 44,5 MJ/kg Nhiệt ẩn hóa hơi 0,317 MJ/kg Hệ số A/F 15,132
3.2.2. Xây dựng mơ hình mơ phỏnga. Các phần tử chính trong mơ hình a. Các phần tử chính trong mơ hình
48
Bảng 3.3 Chức năng các phần tử chính trong mơ hình
Tên phần tử Chức năng chính Ký hiệu
Cylinder
Mơ hình hóa xilanh động cơ: nhập các tham số kích thước hình học, mơ hình truyền nhiệt, mơ hình cháy..
Injector Vòi phun nhiên liệu cho phép thay đổi
lượng nhiên liệu đưa vào xilanh.
System Boundary
Điều kiện biên: nhập các điều kiện đầu vào khí nạp và đầu ra khí xả.
Plenum
Cổ nạp, dùng để hòa trộn nhiên liệu và
khơng khí trước khi vào xilanh. Restriction
Phần tử cản, tạo ra tổn thất trên đường
ống.
Pipe Ống nối dùng để kết nối các phần tử.
Measuring Point
Xác định các giá trị cần đo: vận tốc , lưu lượng, nhiệt độ.. của dịng khí.
Turbocharger
Bộ tua bin máy nén dùng để tăng áp cho động cơ.
Air Cooler
Bộ làm mát khí luân hồi.
Engine
Phần tử động cơ: nhập tổn thất cơ giới, tốc độđộng cơ.
Junction
Giắc kết nối các phần tử.
49
Các phần tử trên mơ hình đại diện cho các chi tiết, hệ thống của động cơ thử
nghiệm. Dữ liệu nhập vào trong các phần tử của mơ hình được lấy từđộng cơ này. Các dữ liệu này có thể đo từ kết cấu thực tế hoặc từ tài liệu của nhà sản xuất động
cơ.
b. Kết nối các phần tử trong mơ hình
Dựa vào kết cấu thực tế động cơ thử nghiệm, ta có phương án kết nối khác nhau. Động cơ AVL5402 là động cơ diesel 1xilanh, phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy. Trong mơ hình động cơ đã được cải tiến để cấp nhiên liệu bên ngoài xilanh, nhằm mục đích hịa trộn hỗn hợp đồng nhất khơng khí và nhiên liệu, động
cơ có thể làm việc được theo nguyên lý HCCI. Việc kết nối các phần tử dùng phần tử pipe. Sau khi kết nối ta có mơ hình động cơ
Hình a/
Hình b/
Hình 3.4 Mơ hình HCCI trên động cơ
AVL5402
a. Mơ hình đánh giá ảnh hưởng thời
điểm cháy qua nhiệt độ khí nạp
b. Mơ hình đánh giá ảnh hưởng thời
điểm cháy bằng tăng áp
c. Mơ hình điều khiển thời điểm cháy bằng luân hồi khí xả
50
d. Thiết lập thơng số mơ phỏng của mơ hình
Trong phần này chúng ta thiết lập các tham số mô phỏng cho chương trình bao gồm: lựa chọn nhiên liệu sử dụng là n-heptane, cơ chế phản ứng cháy trong xilanh là C7H16_skel_mech.inp, cài đặt số chu trình mơ phỏng. Độ chính xác mơ hình càng cao khi số chu trình mơ phỏng càng cao.
e. Thiết lập các chếđộ mô phỏng và chạy chương trình
Các chếđộ mơ phỏng được thiết lập theo phương pháp điều khiển thời điểm cháy. Mơ hình được chạy ở 4 giá trị lượng nhiên liệu cấp chu trình là: 10mg/chu trình; 10,4mg/chu trình; 10,8 mg/chu trình; 11,2 mg/chu trình, tốc độđộng cơ 2000 vịng/phút.
- Chếđộ mơ phỏng đánh giá ảnh hưởng của tăng áp: ứng với 1 giá trị lượng nhiên liệu cấp, đánh giá đặc điểm cháy ở 4 giá trịtăng áp là: 1 bar; 1,15 bar; 1,2 bar; 1,25 bar; 1,3 bar.
- Chếđộ mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của sấy nóng khí nạp: ứng với 1 giá trị lượng nhiên liệu cấp, đánh giá đặc điểm cháy ở 5 giá trị nhiệt độ sấy nóng 298K, 308K, 318K, 328K, 338K.
- Chếđộ mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của luân hồi khí xả: ứng với 1 giá trị lượng nhiên liệu cấp, đánh giá đặc điểm cháy ở 5 giá trị phần trăm khí luân hồi: 0%; 17,87%; 27,53%; 31,51%; 33,36%.
- Chếđộ mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của tỷ số nén: ứng với 1 giá trịlượng nhiên liệu cấp, đánh giá đặc điểm cháy ở 4 giá trị tỷ số nén: 18:1; 17,3:1; 16:1; 15:1.
51
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Đánh giá ảnh hưởng của tăng áp đến đặc tính cháy HCCI
Hình 4.1 Ảnh hưởng của tăng áp đến tốc độ tỏa nhiệt
Hình 4.1 thể hiện ảnh hưởng của tăng áp đến tốc độ tỏa nhiệt tại các giá trị lưu lượng cấp chu trình: 10mg/chu trình; 10,4mg/chu trình; 10,8 mg/chu trình; 11,2 mg/chu trình. Kết quả mô phỏng cho thấy, tại tất cả các giá trị của lượng nhiên liệu chu trình, khi tăng áp suất nạp, tốc độ tỏa nhiệt đều tăng và quá trình cháy diễn ra sớm hơn. Đặc biệt, có sự khác biệt rất lớn khi so sánh giữa trường hợp có tăng áp và so với trường hợp khơng tăng áp (1bar). Điều này có thể được lý giải như sau: khi
0 20 40 60 80 100 120 320 335 350 365 380 395 410 425 Tốc đ ộ tỏa nh iệ t [ J/ độ] Góc quay trục khuỷu [độ] áp suất 1 bar áp suất 1,15 bar áp suất 1,2 bar áp suất 1,25 bar áp suất 1,3 bar 0 20 40 60 80 100 120 320 335 350 365 380 395 410 425 Tốc đ ộ tỏa nh iệ t [ J/ độ] Góc quay trục khuỷu [độ] áp suất 1 bar áp suất 1,15 bar áp suất 1,2 bar áp suất 1,25 bar áp suất 1,3 bar 0 20 40 60 80 100 120 320 335 350 365 380 395 410 425 Tốc đ ộ tỏa nh iệ t [ J/ độ] Góc quay trục khuỷu [độ] áp suất 1 bar áp suất 1,15 bar áp suất 1,2 bar áp suất 1,25 bar áp suất 1,3 bar 0 20 40 60 80 100 120 320 335 350 365 380 395 410 425 Tốc đ ộ tỏa nh iệ t [ J/ độ] Góc quay trục khuỷu [độ] áp suất 1 bar áp suất 1,15 bar áp suất 1,2 bar áp suất 1,25 bar áp suất 1,3 bar 10,4 mg 10,8 mg 11,2 mg 10 mg
52
áp suất khí nạp tăng làm tăng nhiệt độ và mật độ khơng khí trong xilanh và tăng cường khảnăng vận động rối của hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí, tăng lượng ơxy tham gia q trình cháy làm cho hỗn hợp đồng nhất hơn và dễ dàng, nhanh chóng đạt được các điều kiện để quá trình cháy bắt đầu sớm hơn. Vì thế quá trình cháy triệt đểhơn dẫn đến tốc độ tỏa nhiệt lớn hơn.
Tăng áp làm khối lượng hỗn hợp nạp vào xilanh trong một chu trình nhiều hơn, do đó khi cố định lượng nhiên liệu trong một chu trình thì hệ số dư lượng khơng khí tăng lên. Trong trường hợp lượng nhiên liệu cấp là 10 mg/chu trình, áp suất tăng áp lần lượt là p1 = 1 bar; p2 = 1,15 bar; p3 = 1,2 bar; p4 = 1,25 bar; p5 = 1,3 bar thì hệ số dư lượng khơng khí lần lượt là: λ1 = 3,74; λ2 = 4,00; λ3 = 4,04; λ4 = 4,15; λ5 = 4,23. Trên Hình 4.1 cho ta thấy khi lượng nhiên liệu tăng (tăng tải) đường cong tỏa nhiệt dịch dần sang bên trái, tức thời điểm cháy diễn ra sớm hơn, hỗn hợp cháy khi piston đang lên điểm chết trên, tổn thất nhiệt cho môi trường, hiệu suất nhiệt động cơ giảm. Trường hợp lượng nhiên liệu cấp 10 mg/chu trình và 10,4 mg/chu trình cho ta hiệu suất nhiệt cao nhất lần lượt là η1 = 42,54% và η2 = 41,26% khi áp suất tăng áp p = 1,15 bar. Trường hợp lượng nhiên liệu cấp 10,8 mg/chu trình và 11,2 mg/chu trình hiệu suất nhiệt cao nhất lần lượt là η3 = 45,09%; η4 = 43,54% khi ta không tăng áp (p = 1bar). Vậy tăng áp chỉ nên áp dụng trong trường hợp tải nhỏ, làm tăng hiệu suất nhiệt động cơ, do chất lượng hình thành hỗn hợp tốt hơn. Khi động cơ làm việc ở chếđộ tải lớn tăng áp không tốt cho động cơ, ngược lại nó cịn làm suy giảm hiệu suất nhiệt, động cơ làm việc rung, điều này là do thời điểm cháy diễn ra quá sớm.
Trên hình 4.2 thể hiện ảnh hưởng của tăng áp đến tốc độ tăng áp suất trong xilanh. Kết quả cho thấy cảkhi tăng áp và khi tăng tải tốc độtăng áp suất đều tăng lên. Khi tốc độ tăng áp suất tăng lên quá cao vượt giới hạn “10 bar/độ ” tạo nên các xung áp suất đập vào các bề mặt chi tiết trong buồng cháy, gây nên tiếng gõ đanh, sắc.
53
Hình 4.2 Ảnh hưởng của tăng áp tới tốc độ tăng áp suất trong xilanh