Trong nghiên cứu này LPG và ethanol được phun riêng rẽ (phun kép). Vòi phun xăng của động cơ được sử dụng để phun ethanol hoặc hỗn hợp ethanol- xăng. Vịi phun nhiên liệu khí được lắp đặt bổ sung thêm bên cạnh vòi phun xăng để phun LPG.
3.1.2. Phương pháp mơ phỏng
3.1.2.1. Mơ phỏng q trình nạp
Mơ phỏng quá trình nạp được thực hiện bằng phần mềm Ansys Fluent. Ansys Fluent [69] cho phép mơ phỏng dịng chảy hai pha, trong đó một pha rời rạc trong một khung tham chiếu Lagrange, pha thứ hai bao gồm các hạt hình cầu (có thể được chụp để biểu diễn các giọt hoặc bong bóng) phân tán trong pha liên tục. Ansys
Fluent tính tốn các quỹ đạo của các thực thể pha rời rạc này, cũng như trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa các hạt này với môi trường xung quanh chúng. Sự liên kết giữa các pha và tác động của nó lên cả hai quỹ đạo pha rời rạc và dòng pha liên tục là bản chất của q trình phun nhiên liệu có trong mơ hình Discrete phase. Ansys Fluent cung cấp các tùy chọn mơ hình pha rời rạc sau đây:
- Tính tốn quỹ đạo pha rời rạc bằng cách sử dụng công thức Lagrange bao gồm quán tính pha rời rạc, lực kéo thủy lực và lực hấp dẫn cho cả dòng chảy ổn định và khơng ổn định.
- Dự đốn ảnh hưởng của nhiễu loạn lên sự phân tán của các hạt do các xoáy hỗn loạn có mặt trong pha liên tục.
- Gia nhiệt/ làm mát của giai đoạn rời rạc. - Bốc hơi và sôi các hạt chất lỏng.
Pha rời rạc trong mơ hình Ansys Fluent cho phép xác định vị trí ban đầu, vận tốc, kích thước và nhiệt độ của các hạt riêng lẻ. Các điều kiện ban đầu này, cùng với các yếu tố đầu vào của vịi phun giúp xác định các đặc tính vật lý của pha rời rạc, được sử dụng để bắt đầu các phép tính quỹ đạo và nhiệt/khối lượng. Các tính tốn quỹ đạo và nhiệt/khối lượng được dựa trên sự cân bằng lực trên hạt và nhiệt đối lưu/ bức xạ và sự truyền khối lượng từ hạt, sử dụng các điều kiện pha liên tục cục bộ khi hạt di chuyển qua dịng chảy. Các lựa chọn từ mơ hình pha rời rạc (Discrete phase). - Tương tác với pha liên tục (Interaction with the Continuous phase).
- Các hạt không ổn định (Unsteady Particle Tracking).
- Số hạt tối đa mỗi bước (500), tỷ lệ chiều dài mỗi bước (0,5). - Mơ hình con vật lý cần thiết cho mơ hình pha rời rạc: Breakup; - Số lượng pha liên tục tương tác với hạt là 2.
- Mơ hình phun: Nhóm vịi phun (Group).
- Xác định các điều kiện ban đầu: Sử dụng phương pháp phân phối đường kính Rosin-Rammler.
- Xác định các đặc tính nhiên liệu lỏng.
Breakup (TAB) và mơ hình “wave”. Mơ hình TAB dựa trên sự tương tự giữa một hạt dao động và biến dạng và một hệ thống khối lượng đàn hồi. Mơ hình "wave" xem xét sự phân rã của tia phun lỏng được gây ra do tác dụng của vận tốc tương đối giữa các pha lỏng và khí. Khi tia phun lỏng đã phân rã thành các hạt, sự xâm nhập của tia phun phụ thuộc chủ yếu vào động năng của các hạt. Trong động cơ, mơ hình phân chia TAB đưa ra dự đoán tốt hơn về quỹ đạo hạt và dự đốn kích thước hạt so với mơ hình “wave”. Trong trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức, các ảnh hưởng của dịng khí nạp trong q trình nạp vào hình dạng tia phun là quan trọng hơn tốc độ tương đối giữa pha lỏng và khí. Vì vậy, mơ hình TAB đã được chọn để mơ hình phân rã các hạt của tia phun.
3.1.2.2. Mơ phỏng q trình cháy, phát thải ơ nhiễm
Việc mơ phỏng q trình cháy và phát thải của động cơ được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm tính tốn động lực học chất lỏng (CFD) Ansys Fluent. Hệ phương trình đối lưu khuếch tán cơ bản của động lực học chất lỏng được khép kín nhờ mơ hình rối k-ε và được giải trong khơng gian 3 chiều.
Quá trình cung cấp nhiên liệu được thực hiện riêng rẽ thơng qua 2 vịi phun, vịi phun ethanol và vịi phun LPG và được mơ hình hóa thơng qua mơ hình 2 dịng (two streams). Các thơng số đầu vào gồm nhiệt độ, áp suất của khơng khí nạp; nhiệt độ, áp suất, thành phần nhiên liệu của mỗi vòi phun.
Hệ số tương đương tổng quát và thành phần nhiên liệu thực tế được xác định trong tồn khơng gian của xi lanh và buồng cháy sau khi các xu páp đóng hồn tồn. Vì vậy điều kiện ban đầu tính tốn đã tính đến ảnh hưởng của các yếu tố vật lý diễn ra trên đường nạp.
Q trình cháy được mơ phỏng thơng qua mơ hình cháy hịa trộn trước cục bộ Partially Premixed Combustion. Sự hình thành NOx được tính tốn thơng qua mơ hình Zeldovitch trong đó động học hình thành NOx phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ hỗn hợp cháy. Bồ hóng hình thành chủ yếu do q trình cháy khuếch tán của hạt nhiên liệu lỏng chưa kịp bốc hơi và được biểu diễn thơng qua mơ hình Magnussen. Tốc độ sản sinh bồ hóng là hiệu số tốc độ hình thành bồ hóng và tốc độ cháy của bồ
hóng. Tốc độ sản sinh bồ hóng phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ cục bộ của nhiên liệu và cường độ rối. CO được tính tốn dựa trên cân bằng của phản ứng khí- nước cịn HC được tính tốn dựa trên nhiệt động hóa học cân bằng tồn bộ hỗn hợp nhiên liệu- khơng khí với hệ số tương đương cho trước.
3.2. Đặc điểm quá trình cung cấp nhiên liệu LPG-ethanol
Khác với quá trình cung cấp nhiên liệu xăng-ethanol, do LPG và ethanol có trạng thái khác nhau ở điều kiện mơi trường nên khơng thể hịa trộn với nhau trước khi cung cấp vào đường nạp động cơ, việc cung cấp LPG và ethanol vì vậy được thực hiện riêng rẽ, LPG và ethanol được cung cấp qua hai kênh riêng biệt. Tỷ lệ Ethanol trong hỗn hợp LPG-ethanol được xác định theo khối lượng. Việc chuyển đổi thành phần mol sang thành phần khối lượng hay ngược lại được thực hiện dễ dàng bằng cách lựa chọn thành phần nhiên liệu trong Fluent.
Việc cung cấp nhiên liệu riêng rẽ làm tăng tính phức tạp của hệ thống nhưng có thuận lợi rất lớn là có thể điều chỉnh được thành phần nhiên liệu một cách mềm dẻo, phù hợp vào các chế độ công tác của động cơ. Việc đo đạc phân bố nồng độ nhiên liệu cục bộ và tức thời rất khó được thực hiện bằng thực nghiệm. Mơ phỏng là công cụ hữu hiệu giúp chúng ta hiểu tường tận các hiện tượng vật lý diễn ra trong quá trình tạo hỗn hợp. Trên cơ sở đó chúng ta có thể thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp hỗn hợp phù hợp nhất cho động cơ chạy bằng nhiên liệu LPG-ethanol.
Kết quả mơ phỏng q trình nạp là xác định ảnh hưởng của chế độ vận hành và thành phần nhiên liệu đến hệ số tương đương và phân bố nhiên liệu trong xi lanh, buồng cháy.
3.3. Mơ phỏng q trình nạp nhiên liệu LPG-ethanol
3.3.1. Mơ hình hình học của động cơ và điều kiện biên mơ phỏng
Miền tính tốn được mơ hình hóa và chia lưới bằng cơng cụ thiết kế và chia lưới của Ansys. Đường nạp và buồng cháy tại ĐCT (vị trí góc quay ϕ=0οTK) được thể hiện như trên hình 3.2.
Để đánh giá đặc điểm nạp, hòa trộn hỗn hợp, cháy và hình thành chất ơ nhiễm, chế độ mơ phỏng dự kiến như bảng 3.2.
Bảng 3.2: Các giá trị tính của điều kiện biên mô phỏng
TT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Tốc độ làm việc động cơ (n) vg/ph 2000; 2500; 3000; 3500;4000; 4500; 5000; 5500; 2 Tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp ethanol-LPG (ExL) % 0, 10; 15; 20; 30; 40; 45; 50; 60; 70; 80; 90; 100 3 Độ mở bướm ga (BG) % 0; 30; 45; 100 4 Nhiệt độ khí nạp (Tnạp) K 280; 290; 310; 315; 330; 350 5 Góc đánh lửa sớm (ϕs) οTK 10; 15; 20; 25; 28; 30; 35