Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ

2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng

2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ

Chu trình nhiệt động bên trong xi lanh của động cơ sẽ được tính toán bằng phần mềm GT-Power, cơ sở lý thuyết của phần mềm này được trình bày cụ thể như trong các tài liệu tham khảo [30], [31]. Để mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ cần lựa chọn mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt.

42

 Lựa chọn mô hình cháy

Quá trình cháy của động cơ diesel thường được chia thành hai giai đoạn cơ bản là cháy nhanh và cháy chính hay cháy khuếch tán (ngoài ra còn có giai đoạn cháy trễ được đánh giá bằng tham số thời gian cháy trễ và giai đoạn cháy rớt).

Các mô hình cháy trong buồng cháy của động cơ có rất nhiều và rất đa dạng. Có mô hình tính độc lập quy luật cháy, tốc độ cháy; có mô hình phải tính trong quan hệ mật thiết với sự thay đổi áp suất, nhiệt độ và sự trao đổi nhiệt giữa các vùng với nhau; có mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết động lực học chất lưu (CFD - Computational Fluid Dynamic).

Theo chiều không gian tính toán có thể phân theo 3 loại mô hình:

Mô hình không chiều (Zero-dimensional models).

Mô hình một chiều (Quasi-dimensional models).

Mô hình đa chiều (Multi-dimensional models).

Theo vùng cháy hỗn hợp có thể phân loại theo 3 loại mô hình:

Mô hình cháy đơn vùng (Single zone).

Mô hình cháy 2 vùng (Two zone).

Mô hình cháy đa vùng (Multi zone).

Trong các mô hình được phân theo chiều không gian lại được kết hợp giữa chiều và vùng. Thí dụ trong mô hình cháy 1 chiều lại có thể là 2 vùng hoặc đa vùng tùy theo mục đích nghiên cứu của các tác giả.

Nhìn chung trong mô phỏng, tính toán chu trình công tác của động cơ với mục đích xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của chu trình người ta thường sử dụng các mô hình không chiều hoặc một chiều với đơn vùng, 2 vùng hoặc đa vùng. Tuy nhiên ngày nay, trong thế giới ngày càng cạnh tranh, cải thiện hiệu suất của động cơ hiện trở thành một vấn đề quan trọng đối với nhà

43

sản xuất động cơ. Để nâng cao hiệu suất của động cơ, những nghiên cứu chi tiết về quá trình cháy và sự hình thành chất ô nhiễm là cần thiết.

Trong mô hình không chiều đơn vùng coi hỗn hợp cháy trong buồng cháy của động cơ là đồng nhất. Quy luật cháy và tốc độ cháy của nhiên liệu thực hiện theo đặc tính của tốc độ phản ứng hóa học giữa nhiên liệu với oxy của không khí.

Mô hình đơn vùng thường được sử dụng để mô phỏng, tính toán nhanh các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của chu trình, không đòi hỏi thời gian tính của máy tính.

Theo mô hình này, quy luật cháy x, tốc độ cháy dx/dφ của nhiên liệu trong buồng cháy được xác định theo các công thức (quy luật) của Vibe [2], [3]:

 

1 1

986 , 6 986

, 6

1 986 , 6 1







 







 



 







 



 







 







m

c z

c m

c z

c

e d m

dx e x

m

c z

c  























(2.1)

Quy luật tỏa nhiệt Qc và tốc độ tỏa nhiệt dQc/dφ khi đốt cháy nhiên liệu được xác định như sau:



 d

Q dx d m

dQ

x Q m Q

H nl c

H nl c





(2.2) trong đó:

φ - thời điểm cháy tức thời tính theo vị trí góc quay của trục khuỷu;

φc - thời điểm bắt đầu cháy tính theo vị trí góc quay của trục khuỷu;

φz - thời điểm kết thúc cháy tính theo vị trí góc quay của trục khuỷu;

m - thông số đặc trưng cháy;

mnl - lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, [kg/ct];

QH - nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu, [kJ/kg].

44

Khi sử dụng các công thức của Vibe phải chọn 2 thông số là m và thời gian cháy (φz - φc). Thông số đặc trưng cháy m đánh giá về chất quá trình cháy, còn thông số thời gian cháy (φz - φc) đánh giá về lượng quá trình cháy.

Vì hỗn hợp cháy được coi là đồng nhất nên các công thức của Vibe được áp dụng để tính quy luật cháy x và tốc độ cháy dx/dφ cho cả quá trình cháy của động cơ xăng và động cơ diesel với giả thiết hỗn hợp của chúng cũng đồng nhất.

Thông số đặc trưng cháy m có thể chọn theo khuyến cáo của Vibe, hoặc theo phần mềm …

Theo khuyến cáo của Vibe:

Dạng buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp

(Động cơ diesel) Giá trị m Buồng cháy thống nhất, phun trực tiếp:

- Có mức độ xoáy lốc yếu 0….0,15 - Có tổ chức xoáy lốc trong quá trình nạp 0,3….0,5 - Có tổ chức xoáy lốc trong quá trình nén 0,8….1,2 Buồng cháy phân chia, phun gián tiếp:

- Buồng cháy xoáy lốc 0,4….0,6 - Buồng cháy trước 0,4….0,6

Động cơ xăng 3….4

Trong tính toán mô phỏng chu trình công tác của động cơ diesel người ta có thể dùng hàm Vibe đơn hoặc hàm Vibe kép để mô tả quy luật và tốc độ tỏa nhiệt khi cháy nhiên liệu. Nếu sử dụng hàm Vibe kép thì đã coi quá trình cháy trong động cơ diesel gồm 2 giai đoạn: giai đoạn 1 là cháy phần hỗn hợp đã được chuẩn bị trước (premixed combustion); giai đoạn 2 là cháy khuyếch tán (diffusion combustion) phần hỗn hợp còn lại. Các công thức cụ thể khi sử dụng hàm Vibe kép được biểu diễn như sau:

45

  nl H

c

H nl c

Q m x Q

Q xm Q







2 1

, 1

, (2.3)

 

1 1 , 1

,

986 , 6

1 1 , 1

1 , 1 ,

1 1

1 1 1 ,

1 986

, 6

































 







 







 







 

c c

m c c

c

m c

e m

d Q dQ

(2.4)

 

2 2 , 2

,

986 , 6

2 2 , 2

2 , 2 ,

21

2 2 2 ,

1 986

, 6

































 







 







 







 

c c

m c c

c

m c

e m

d Q dQ

(2.5)





 d

dQ d

dQ d

dQc c,1 c,2



 (2.6) Trong phần mềm GT - Power [30], [31] khi mô phỏng tốc độ tỏa nhiệt khi cháy bằng hàm Vibe người ta còn phân làm 3 giai đoạn: cháy phần hỗn hợp được chuẩn bị trước (pre-mixed combustion), phần cháy khuyếch tán (diffusion combustion), và cháy phần còn lại (tail combustion) với việc lựa chọn các thông số đặc trưng cháy m và các thời gian cháy tương ứng khác nhau.

Nhìn chung mô hình cháy không chiều bằng hàm Vibe được sử dụng rất phổ biến để mô phỏng, tính toán chu trình công tác của động cơ và được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu và trong nhiều phần mềm như Boost, GT-Power…

 Lựa chọn mô hình truyền nhiệt

Chúng ta biết rằng, truyền nhiệt giữa khí và thành vách xi lanh có ảnh hưởng quan trọng tới sự phát thải của động cơ, chẳng hạn như thành phần khí xả HC chưa cháy. Hơn nữa, trao đổi nhiệt cũng có ảnh hưởng tới hiệu suất động cơ. Trong đa số trường hợp, trao đổi nhiệt đối lưu từ khí cháy là sự đóng góp chính tới dòng nhiệt từ khí tới thành xi lanh. Chính vì vậy, trao đổi nhiệt đối lưu hiện là sự quan tâm chính trong những mô hình truyền nhiệt động cơ. Tuy nhiên trong môi trường nhiệt độ cao, đặc biệt khi lượng bồ hóng lớn được hình thành trong xi lanh, dòng nhiệt do bức xạ trở nên quan trọng. Hơn nữa, nếu sự va đập của tia phun trở nên mạnh mẽ, truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt thông qua

46

màng nhiên liệu không thể được bỏ qua. Hiện nay có các mô hình truyền nhiệt được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng CFD đa chiều và các mô hình kinh nghiệm để xác định tốc độ tỏa nhiệt đối lưu giữa khí (môi chất công tác) và thành vách buồng cháy, những mô hình này có thể được phân loại dựa vào dòng nhiệt dự định tính toán và mục đích tính toán cụ thể. Theo đó, có mô hình tính toán dòng nhiệt trung bình thời gian, có mô hình tính toán dòng nhiệt trung bình không gian tức thời và mô hình tính toán dòng nhiệt cục bộ tức thời.

Các mô hình truyền nhiệt được sử dụng để tính toán dòng nhiệt tức thời được trình bày cụ thể trong [3]; trong các mô hình này, phương trình truyền nhiệt của Woschni cho kết quả tính toán dòng nhiệt cao hơn trong suốt quá trình cháy và thấp hơn trong suốt quá trình nén. Mô hình của Annand và Hohenberg cho các giá trị sát với giá trị đo được trong suốt quá trình nén và quá trình cháy.

Mô hình đề xuất bởi Hohenberg dựa trên số liệu quan sát thực nghiệm, thu được sau khi kiểm tra tỉ mỉ công thức nguyên thủy của Woschni. Trong mô hình này, tác giả đã thấy rằng sẽ thích hợp hơn khi sử dụng chiều dài đặc trưng là đường kính của một khối cấu, toàn bộ thể tích của nó tương ứng với thể tích xi lanh tức thời V.

Mô hình truyền nhiệt của Hohenberg như sau:

 = C1V-0.06p0.8Tg-0.4(Cm + C2)0.8 (2.7) trong đó: p - là áp suất trong xi lanh, [bar];

 - hệ số trao đổi nhiệt, [W/m2.K];

Tg - nhiệt độ trong xi lanh, [K];

V = 3

6ds

 - Thể tích xi lanh tức thời, [m3];

Cm - vận tốc trung bình pít tông, [m/s];

C1, C2 - hằng số, giá trị trung bình của các hằng số này lần lượt là 130 và 1,4.

47

Trong mô hình Hohenberg (công thức 2.7), các số mũ hiệu chỉnh và các hằng số là kết quả thực nghiệm trên 4 động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp khác nhau. Kết quả chỉ ra sự phù hợp giữa giá trị dòng nhiệt tính toán và dòng nhiệt đo ở các tốc độ và điều kiện tải khác nhau. Theo Hohenberg khẳng định rằng, trong trường hợp động cơ diesel tốc độ cao, mô hình của Woschni dự đoán thấp dòng nhiệt trong suốt quá trình nén và quá trình thải, nhưng dự đoán cao giá trị cực đại của dòng nhiệt gây ra bởi quá trình cháy. Kết quả trình bày bởi Hohenberg thể hiện sự cải tiến trong những hạn chế của mô hình Woschni như trình bày trên hình 2.3.

[độ GQTK]

Hình 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán theo phương trình của Woschni và Hohenberg

Trong mô hình đề xuất bởi Hohenberg cho phép dự đoán giá trị hệ số trao đổi nhiệt tốt hơn trong suốt kỳ thải và tránh được dự đoán quá cao dòng nhiệt cực đại trong suốt quá trình cháy ở động cơ diesel phun trực tiếp. Điều này có được thông qua các số liệu thực nghiệm thu được khi tiến hành nghiên cứu về các loại động cơ nói trên.

Vì vậy, trong nội dung nghiên cứu của đề tài, tác giả sử dụng mô hình truyền nhiệt của Hohenberg để mô phỏng quá trình truyền nhiệt từ khí cháy tới thành vách buồng cháy.

 Tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy trong xi lanh

[W/m2.K] Mô hình Woschni Mô hình Hohenberg

48

Quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu với ô xy mang đặc tính cháy dây truyền, các phản ứng cháy tiến hành thông qua nhiều giai đoạn.

Mô hình tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy bên trong xi lanh của động cơ trong phần mềm GT-Power người ta sử dụng mô hình tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy theo Vibe và được Heywood cải biến [8] :

 0 '

1 exp a' m

xb      

Các thông số 0, a', m' là các thông số vật lý được gán bởi các giá trị cho trước. Cũng có thể sử dụng các quan hệ A0, A10, A90 để biểu diễn các góc quay trục khuỷu tương ứng với 0, 10, 90% của tổng nhiệt lượng tỏa ra khi cháy.

  

 

 

0 0

10 0

90 0

'

10 0

ln 0, 9 ln ln 0,1 '

ln ln 0, 9

' m

A

m A A

A A a

A A



 

  

  

   

   

  

   



  



Dạng chuẩn về số phần trăm nhiệt lượng tỏa ra khi cháy theo mô hình của Vibe được Heywood đưa ra có dạng như sau [10]:

Hình 2.4. Hình dáng quy luật tỏa nhiệt khi cháy theo Vibe

Quy luật tỏa nhiệt khi cháy là lượng nhiệt được giải phóng thông qua quá trình cháy của nhiên liệu với không khí và phát triển theo thời gian của quá

-10 -5 0 5 10 15 20

α0 0,2

0,4 0,6 0,8 xb(%) 1

0

A90

A10

A0

49

trình cháy. Quy luật tỏa nhiệt khi cháy rất quan trọng quyết định tới công suất và tính kinh tế của động cơ và phụ thuộc vào quy luật cháy của nhiên liệu. Nhiệt lượng tỏa ra khi cháy được xác định theo biểu thức [8]:

 . 1 . 

. . .

c c ct H b i b i

Q  m Q x  x

   ; (kJ)

trong đó: ηc - Hiệu suất cháy giả thiết;

mct - Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, [kg/ct];

QH - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, [kJ/kg.nl].