36
2.2.2 Điều khiển hiệu suất nén
Hiệu suất nén được điều khiển bằng cách thay đổi thời điểm đóng van nạp IVC (intake valve closing). Đóng sớm hay muộn van nó ảnh hưởng đến hiệu suất nén. Nếu van đóng muộn có thể làm giảm hiệu suất nén, vì lúc này hỗn hợp nạp trong xilanh bị đẩy ra ngoài khi piston đi lên ĐCT, áp suất và nhiệt độ trong xilanh giảm dẫn đến thời điểm cháy diễn ra muộn hơn. Ngược lại khi đóng quá sớm lượng khí nạp vào xilanh giảm, áp suất và nhiệt độ trong xilanh giảm, thời điểm cháy muộn hơn. Vì vậy thời điểm cháy có thể được điều khiển thơng qua thay đổi góc đóng van nạp. Đặc biệt trên động cơ có sử dụng cơ cấu phối khí thơng minh góc này có thểđược điều khiển linh hoạt theo từng chếđộ tải.
Hình 2.18 Thời điểm cháy là hàm của góc đóng van nạp [70].
2.2.3 Điều khiển nhiệt độ khí nạp
Điều khiển nhiệt độ khí nạp là biện pháp phổ biến nhất để kiểm soát thời điểm cháy trong các thí nghiệm. Khí nạp được sấy nóng làm tăng cường khả năng bay hơi của nhiên liệu, đặc biệt là nhiên liệu có độ nhớt cao khó bay hơi. Ngồi ra khi sấy nóng khí nạp làm cho nhiệt độtrong xilanh tăng lên. Dẫn đến khi tăng khảnăng sấy nóng thời điểm cháy diễn ra sớm hơn. Vì vậy nhiệt độ khí nạp có thể tham gia kiểm soát thời điểm cháy.
37
Phương pháp điều khiển nhiệt độ khí nạp: có thể dùng sấy bằng điện hoặc dùng nhiệt khí xảđể làm nóng khí nạp hoặc kết hợp cả sấy nóng và dùng nhiệt khí xả. Giải pháp kiểm sốt nhanh nhiệt độ khí nạp FTM (Fast Thermal Management) sử dụng nhiệt khí xả và sấy nóng khí nạp làm giảm độ trễ nhiệt trong mơ hình điều khiển vịng kín. FTM sử dụng hai nguồn nhiệt một nóng và một lạnh (Hình 2.19), khí nạp được gia nhiệt nhờ sự kết hợp của nguồn nóng và nguồn lạnh. Nhiệt độ khí nạp được điều khiển thông qua việc thay đổi tỷ lệ nguồn nhiệt nóng và nguồn nhiệt lạnh như trên Hình 2.19 [27]. Trên hình 2.20 ta thấy thời điểm cháy hỗn hợp ảnh hưởng khảnăng sấy nóng hỗn hợp. Nhiệt độ càng lớn thời điểm cháy diễn ra càng sớm.
Hình 2.19 Sơ đồ của hệ thống FTM [27]
Hình 2.20 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp đến tốc độ tỏa nhiệt [6].
38
Tỷ số nén liên quan trực tiếp đến nhiệt độ trong xilanh, nó rất quan trọng trong việc xác định tỷ lệ tỏa nhiệt của động HCCI cơ khi làm việc. Khi tăng tỷ số nén làm tăng nhiệt độ cuối quá trình nén và tỷ lệ của các phản ứng ở nhiệt độ thấp. Điều này cho phép nhiệt độ khí nạp thấp hơn khi động cơ làm việc. Trên động cơ HCCI diesel tỷ số nén thường được giảm tránh cho hỗn hợp cháy quá sớm, giảm được tổn thất nhiệt. Tuy nhiên tỷ số nén giảm ít để tránh giảm hiệu suất nhiệt. Tỷ số nén tăng quá lớn dẫn đến khảnăng động cơ cháy kích nổ và tăng phát thải NOx. Vì vậy tỷ sốnén thay đổi làm thời điểm cháy thay đổi, và đây cũng là nhân tố có thể sử dụng đểđiều khiển quá trình cháy trong động cơ HCCI.
Hình 2.21 Ảnh hưởng của tỷ sốnén đến quá trình cháy động cơ HCCI [77] Các giải pháp khác nhau có thểthay đổi được tỷ sốnén như: thay đổi kết cấu Các giải pháp khác nhau có thểthay đổi được tỷ sốnén như: thay đổi kết cấu buồng cháy hoặc kết cấu nắp máy. Tuy nhiên với biện pháp này tỷ số nén không thay đổi được khi động cơ đã làm việc, nên động cơ chỉ làm việc tốt ở một chế độ. Để động cơ làm việc tốt theo HCCI thì tỷ số nén phải thay đổi liên tục trong quá trình động cơ làm việc, và tỷ số nén phải được điều khiển tự động theo từng điều kiện làm việc động cơ, đây cũng là hướng mới các nhà khoa học đang nghiên cứu.
2.2.5 Hệ thống nhiên liệu kép
Thời điểm tự cháy xảy ra khi nhiệt độ hỗn hợp đạt tới nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu. Vì nhiệt độ tựcháy thay đổi đáng kể với các thành phần nhiên liệu khác nhau, xem Hình 2.22. Vì vậy thành phần nhiên liệu có thể dùng để điều khiển thời điểm cháy. Giải pháp dễ thấy nhất là dùng hệ thống phun kép trên động cơ, một vòi
39
phun cấp nhiên liệu với nhiệt độ tự cháy thấp, một vòi phun cấp nhiên liệu với nhiệt độ tự cháy cao. Bằng cách thay đổi tỷ lệ phun giữa các vòi phun thay đổi được nhiệt độ tự cháy của hỗn hợp và vùng làm việc động cơ được mở rộng. Hệ thống này có thể kiểm sốt thời điểm đánh lửa riêng cho từng xilanh trên một loạt các điều kiện làm việc động cơ. Trên sơ đồ Hình 2.23 ta thấy thời điểm cháy được điều khiển thông qua tỷ lệ của hai loại nhiên liệu, tỷ lệ nhiên liệu được tính tốn dựa trên tín hiệu áp suất trong xilanh. Tín hiệu áp suất này đưa tới bộ điều khiển nhiên liệu, tại đây bộđiều khiển tính tốn lượng nhiên liệu và tỷ lệ hai loại nhiên liệu.
Hình 2.22 Nhiệt độ tựcháy theo cơ chế HCCI của nhiên liệu khác nhau [15].
Hình 2.23 Hệ thống nhiên liệu kép điều khiển thời điểm cháy động cơ HCCI [4].
2.3 Kết luận
Với động cơ HCCI, hỗn hợp đồng nhất và điều khiển thời điểm cháy là vấn đề chính các nhà khoa học nghiên cứu về HCCI quan tâm. Nhiều giải pháp đã được
0 200 400 600 800 1000 1200
Methanol Ethanol Iso - octane Natural gas
N hi ệt độ t ự c há y [K ]
40
nghiên cứu để hình thành hỗn hợp đồng nhất và điều khiển thời điểm cháy, mỗi giải pháp có những ưu điểm riêng và áp dụng trên một vùng làm việc của động cơ nhất định. Luân hồi nội tại cần thay đổi nhiều biên dạng cam, không điều khiển được cho từng xilanh do các vấu cam cùng nằm trên một trục cam, chỉ áp dụng cho chếđộ tải nhỏ. Luân hồi ngoài là giải pháp dễ thực hiện điều khiển thời điểm cháy động cơ làm việc được ở chế độ tải lớn hơn so với trường hợp luân hồi nội tại. Giải pháp thay đổi hiệu suất nén cũng tương tựnhư luân hồi nội tải, thời điểm đóng mở van xả được thay thế thay đổi van nạp. Sấy nóng khí nạp, nhiệt độ khí nạp được gia nhiệt nhờ nhiệt độ khí luân hồi hoặc sử dụng bộ sấy điện, tuy nhiên đểđộng cơ hoạt động tốt nên sử dụng cả nhiệt độ khí xả và bộ sấy điện (sử dụng khi động cơ khởi động). Giải pháp thay đổi tỷ số nén điều khiển thời điểm cháy, chúng ta cần phải chế tạo động cơ có tỷ sốnén thay đổi được trong quá trình làm việc và tìm ra các giá trị tỷ số nén tối ưu cho từng chếđộ tải. Để thực hiện được giải pháp này cần phải nghiên cứu cải tiến kết cấu động cơ, tỷ sốnén thay đổi liên tục trong vùng tốc độ và tải làm việc. Sử dụng hệ thống nhiên liệu kép rất phù hợp cho nhiên liệu thay thế vì các loại nhiên liệu này đa dạng về tính chất hóa học. Để có cái nhìn tổng quan về đặc tính cháy tác giả xây dựng mơ hình cháy HCCI trên phần mềm, đánh giá ảnh hưởng các nhân tố chính đến đặc tính cháy. Kết quả mơ phỏng là cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu thực nghiệm, giảm được chi phí và được thời gian thử nghiệm trên động cơ thực tế.
41
CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ HCCI TRÊN PHẦN MỀM
AVL - BOOST
3.1 Tổng quan về phần mềm AVL Boost 3.1.1 Giới thiệu về phần mềm AVL Boost
Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL BOOST
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 thơng 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 mơ 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 mơi 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 toán 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 quá 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 hoá 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..