điệp van âm NVO (Negative Valve Overlap). Nguyên lý làm việc NVO van xả đóng sớm van nạp mở muộn kết quả khí sót được giữ lại trong xilanh. Lượng khí sót được giữ lại nhiều khi độ âm NVO càng lớn, thời điểm cháy diễn ra càng sớm.
Hình 2.14 Quan hệđộ nâng xupap theo góc quay khi sử dụng NVO
Với cách tiếp cận này nhiều động cơ được sản xuất có thểthay đổi được góc đóng mởvan thơng minh, thơng qua thay đổi biên dạng cam. Thơng thường sự thay đổi này trên tồn bộ xilanh là như nhau, có nghĩa khơng có hỗ trợ điều khiển từng xilanh, đây cũng là hạn chế của phương pháp này. Hạn chế khác là vùng làm việc động cơ hẹp. Tải cao đạt được khi duy trì lượng khí sót ít nhất có thể, từ đó có thể giảm thiểu được nhiệt độ khí nạp và pha cháy muộn. Tuy nhiên ở tải cao không giữ được pha cháy một cách hợp lý. Lượng khí sót làm cho hỗn hợp cháy nhanh, mạnh
34
mẽ trong hành trình nén, áp suất trong xilanh rất cao, hiệu suất nhiệt thấp. Ở tải thấp u cầu lượng khí sót cao để duy trì nhiệt độ cho hỗn hợp tự cháy. Ở tốc độđộng cơ thấp nó khơng duy trì đủ nhiệt độ để hỗn hợp tự cháy trừ khi ở tải cao hơn BMEP=1,5 bar. Vấn đề này có thể được cải thiện phần nào khi sử dụng hệ thống phun trực tiếp. Nhiên liệu được phun trong giai đoạn NVO một số tiền phản ứng xẩy ra trong hành trình nén kết quả làm cho phản ứng mạnh mẽ hơn và thời điểm cháy sớm hơn.
Một giải pháp khác có liên quan tới NVO là cho van xả mở trở lại trong quá trình nạp (Hình 2.15). Ta thấy van xảđược mở trở lại trong hành trình nạp và lượng khí thải được hút trở lại trong buồng cháy.
Hình 2.15 Minh họa khí thải được nạp lại trong xilanh khi van xả mở trở lại Tỷ lệ giữa xả mở bình thường và van xả mở trở lại nó quyết định lượng khí thải Tỷ lệ giữa xả mở bình thường và van xả mở trở lại nó quyết định lượng khí thải nóng quay trở lại và giảm pha cháy muộn. Với loại điều khiển van này có nhiều bậc tự do hơn so với cam tiêu chuẩn. Một giải pháp đơn giản hơn là cho van xả mở trong thời kỳ nạp và dùng góc đóng van xả để xác định lượng khí sót quay trở lại buồng cháy [66].
- Luân hồi ngoài: Sơ đồđiều khiển thời điểm cháy sử dụng khí luân hồi được thể hiện trên Hình 2.16. Trên sơ đồ khí luân hồi được làm mát bằng nước, lượng khí luân hồi được điều khiển bởi van EGR. Tỷ lệ luân hồi được xác định bằng cách đo nồng độ CO2 nạp vào xilanh và nồng độ CO2 ống xả, được tính theo cơng thức sau:
inlet exhaust = . [CO ]2 %EGR 100% [CO ]2
35
Hình 2.16 Sơ đồ thí nghiệm hệ thống sử dụng khí luân hồi [47]
Trên hình 2.17 cho ta thấy ảnh hưởng của khí luân hồi đến thời điểm cháy hỗn hợp. Khi tăng tỷ lệ khí ln hồi và duy trì nhiệt độ khí nạp khơng đổi thời điểm cháy diễn ra muộn hơn, áp suất lớn nhất trong xilanh giảm, tốc độtăng áp suất giảm động cơ làm việc êm hơn.
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 sốt 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 dịng 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 dịng 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 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 mơi 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 dịng 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