3.1.2. Tính năng chính của phần mềm AVL Boost
Phần mềm AVL Boost bao gồm những tính năng cơ bản sau:
-
Mô phỏng động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ không tăng áp, động cơ tăng áp
-
Mô phỏng các chế độ làm việc, ổn định chế độ chuyển tiếp của động cơ.
-
Tính toán thiết kế và tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ như quá trình
cháy, quá trình trao đổi khí, quá trình phát thải độc hại
-
Có khả năng kết nối với các phần mềm khác (liên kết động) để mô phỏng các
dữ liệu động.
3.1.3. Tính năng áp dụng của phần mềm AVL Boost
AVL Boost là một công cụ mô phỏng chu trình công tác và quá trình trao đổi
khí của động cơ. Boost cho phép xây dựng mô hình đầy đủ toàn thể động cơ bằng
cách lựa chọn các phần tử có trong hộp công cụ và nối chúng lại bằng các phần tử
ống nối. Giữa các đường ống, người ta sử dụng các phương trình động lực học [12].
AVL Boost cho phép tính toán các chế độ tĩnh và động. Boost có thể dùng để
tối ưu hóa ở chế độ tĩnh các hệ thống nạp và thải, đóng mở, xupáp, phối hợp các bộ
phận tăng áp và ước lượng tính năng của các động cơ mới. Boost cũng là một công
cụ lý tưởng cho việc tối ưu hóa các đặc trưng chuyển tiếp của động cơ ở thời kỳ
đầu, khi động cơ chưa được chế tạo, nhưng có tính đến cả hệ truyền động của
phương tiện. Ngoài ra Boost còn cho phép xây dựng mô hình điều khiển động cơ
các chức năng quan trọng của hệ thống điều khiển động cơ mà không cần tới các
phần mềm bên ngoài.
Các ứng dụng điển hình của phần mềm AVL Boost bao gồm:
- Xác định đặc tính mômen, tiêu hao nhiên liệu.
- Thiết kế đường nạp, thải.
- Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupáp.
- Phối hợp với cụm tăng áp, van xả.
26
- Phân tích về âm thanh (độ ồn trên đường nạp, thải).
- Phân tích quá trình cháy và hình thành khí thải.
- Luân hồi khí thải.
- Độ thích ứng của cụm tăng áp.
3.1.4. Các phần tử chính khi xây dựng mô hình trong AVL Boost
3.1.4.1. Xylanh (cylinder)
Thể hiện thể tích công tác bên trong buồng cháy động cơ, cũng có thể được
định nghĩa bằng hành trình dịch chuyển của piston. Có các mô hình cháy sau:
- Mô hình cháy đơn giản: Vibe, Double-Vibe, Point-by-point...
- Mô hình lý thuyết: mô hình cháy đẳng áp, đẳng tích.
- Mô hình buồng cháy phức tạp (Fractal).
Mô hình cháy một chiều trên động cơ xăng giả thiết quá trình trao đổi nhiệt xảy
ra bên trong buồng cháy chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:
- Kích thước hình học buồng cháy.
- Vị trí đặt bugi.
- Thành phần hỗn hợp bên trong xylanh.
- Sự lưu động của dòng không khí và mức độ chảy rối.
- Sự truyền nhiệt bên trong xylanh.
- Đóng mở xupap.
- Quá trình trao đổi chất (hòa trộn lý tưởng, thải sạch,.v.v)
- Vận động xoáy của dòng môi chất.
- Buồng cháy ngăn cách.
- Phun xăng trực tiếp.
27
Đối với chế độ chuyển tiếp thì nhiệt độ thành xylanh thay đổi và quá trình cháy
phụ thuộc vào các chế độ làm việc.
3.1.4.2. Phần tử điều kiện biên (Boundaries Elements)
Điều kiện biên xử lý khí thải (Aftertreatment Boundary)
Cung cấp các kết nối của mô hình xử lý khí thải tới người sử dụng. Có hai điều
kiện xử lý khí thải (điều kiện đầu vào và điều kiện đầu ra) kết nối với một bộ
chuyển đổi xúc tác hoặc với bộ lọc hạt diesel (DPF).
Điều kiện biên bên trong (Internal Boundary)
Quy định điều kiện bên trong ống tại vị trí giới hạn của mô hình, tại đó trạng
thái và thành phần khí có thể thay đổi theo thời gian. Phần tử được sử dụng để
nghiên cứu, đo đạc và xác định các điều kiện bên trong đường ống dẫn tại mọi vị trí.
3.1.4.3. Phần tử bình ổn áp (Plenum)
Dùng thay thế cho các đoạn ống có trạng thái ổn định về áp suất, nhiệt độ, thành
phần hỗn hợp. Phần tử bình ổn áp được định nghĩa bằng các đại lượng thể tích và
diện tích bề mặt, trong đó thể tích của bình được xác định tương đối bằng hai lần
thể tích công tác của các xylanh. Nghĩa là ở một thời điểm tức thời thì áp suất, nhiệt
độ và thành phần hòa khí là như nhau trong toàn bộ thể tích của bình.
3.1.4.4. Phần tử nạp (Charging Elements)
Tuabin tăng áp (Turbocharge)
Dùng cho mô hình động cơ có tuabin tăng áp. Có 2 mô hình tuabin tăng áp: (i)
mô hình đơn giản chỉ yêu cầu cung cấp một số dữ liệu đầu vào như số kỳ động cơ,
tỷ số tăng áp, máy nén, hiệu suất máy nén, hiệu suất tuabin và (ii) mô hình đầy đủ
có bổ sung thêm các dữ liệu về mômen quán tính của máy nén và bánh tuabin.
Máy nén khí (Turbo Compressor)
28
Dùng cho mô hình động cơ tăng áp cơ khí. Nếu tỷ số tăng áp và hiệu suất máy
nén không đổi, có thể xác định được đường tốc độ hoặc một đồ thị chuẩn. Nếu một
đường tốc độ chuẩn hoặc một dải làm việc của máy nén được xác định, thì tỷ số
tăng áp và hiệu suất được xác định theo tỷ lệ khối lượng tức thời của dòng chảy và
tốc độ của máy nén thực tế.
3.1.4.5. Phần tử ống (Pipes)
Là phần tử quan trọng, kết nối các phần tử khác trong mô hình. Mô hình nhiệt
động học của dòng khí trong các ống quyết định độ chính xác khi tính toán các chu
trình làm việc của động cơ.
Dòng chảy trong ống có thể được mô tả bằng các phương bảo toàn khối lượng,
mômen và năng lượng như sau:
v
p
1 dA
v
x
A dx
Phương trình liên tục: t
Phương trình bảo toàn động lượng:
v 2 p
.v
1 A Ffr
v 2
t
x
A x V
Phương trình bảo toàn năng lượng:
v E p
E
1 dA qW
v E p
t
x
A dx V
Trong đó:
ρ mật độ khí: u vận tốc dòng chảy; x chiều dọc theo phương ống
t thời gian; p áp suất tĩnh; Ffr lực ma sát thành ống
cV nhiệt dung riêng đẳng tích; qW lưu lượng nhiệt vách
V thể tích ( = A.dx )
1
E cV .T ..u 2
2
E nội năng của dòng khí
F fr
Tổn thất ma sát: V
fr
2D
v v
(
fr
- hệ số ma sát)
29
qW fr
v c p TW T
W
2
D
Tổn thất nhiệt:
(TW nhiệt độ thành ống)
3.1.4.6. Các phần tử gắn thêm (Assembled Elements)
Bộ lọc khí thải (Catalyst)
Mô phỏng thiết bị xử lý khí thải, định nghĩa bằng các tham số hình học và hệ số
cản dòng. Tuy nhiên, phần tử lọc khí xả chưa đề cập tới vấn đề xử lý khí thải.
Bộ làm mát khí tăng áp (Air Cooler)
Dùng cho mô hình có làm mát khí tăng áp. Các dữ liệu nhập cho phần tử làm
mát khí tăng áp về cơ bản là giống phần tử lọc khí.
3.2. Cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL Boost
3.2.1. Phương trình nhiệt động học thứ nhất
Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình không thuận nghịch, biến
hóa năng thành nhiệt năng. Để xác định trạng thái của môi chất tại từng thời điểm
trong quá trình cần phải biết các phản ứng trung gian biến đổi hỗn hợp ban đầu
thành sản phẩm cháy cuối cùng. Tuy nhiên, mối tương quan giữa trạng thái đầu và
cuối của quá trình cháy có thể xác định nhờ định luật nhiệt động học thứ nhất.
Phương trình nhiệt động học thứ nhất xét cho mô hình tính toán quá trình cháy
trong động cơ đốt trong theo hình 3.1 được viết như sau:
d mcyl .u
d
pcyl .
dQ
dm
dV dQF
W hBB . BB
d d
d
d
Trong đó
d mcyl .u
d
pcyl .
dQF
d
dV
d
- Nội năng biến đổi bên trong xylanh
- Công chu trình thực hiện
- Nhiệt lượng cấp vào
30
(3.1)
dQW
d
hBB .
dmBB
d
- Tổn thất nhiệt qua vách
- Tổn thất enthalpy lọt khí;
mcyl
- Khối lượng môi chất bên trong xylanh
u
- Nội năng;
pcyl
- Áp suất bên trong xylanh
V
- Thể tích xylanh
QF
- Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp
α
- Góc quay trục khuỷu
hBB
- Trị số enthalpy
hBB .
dmBB
d
- Biến thiên khối lượng dòng chảy
Hình 3.1. Mô hình tính toán quá trình cháy trong động cơ đốt trong
3.2.2. Mô hình cháy Fractal
Mô hình cháy Fractal dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, dự đoán tốc độ
giải phóng nhiệt trong động cơ khí nạp đồng nhất. Các thông số quan trọng cần xét
đến gồm có hình dạng buồng cháy, vị trí bugi và thời gian đánh lửa, thành phần khí
nạp (khí sót, khí xả luân hồi và nhiên liệu), chuyển động nạp và mức độ xoáy lốc.
31
Tốc độ cháy tổng thể của mô hình Fractal được tính bằng giá trị trung bình tốc
độ cháy rối và cháy sát vách [13]:
(
dmb
dm
dm
) overall (1 w2 )( b ) fractals w ( b ) wall combustion
dt
dt
dt
(3.2)
Trong đó w2 là hệ số khối lượng, với:
Tốc độ cháy rối:
(
dmb
A
) fractals u As S T u T ) AL S L
dt
AL
Tốc độ cháy sát vách: (
dmb
m mb
) wall combustion
dt
3.2.3 Mô hình truyền nhiệt
Quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua thành vách xylanh, piston, xéc măng,
lót xylanhđược tính theo phương trình truyền nhiệt cơ bản:
Qwi Ai n Tc Twi )
(3.3)
với Qwi nhiệt lượng truyền cho thành; Ai diện tích truyền nhiệt
αw hệ số truyền nhiệt; Tc nhiệt độ môi chất trong xy lanh;
Twi nhiệt độ thành.
Hệ số truyền nhiệt αw có thể được tính theo một số mô hình khác nhau. Với mô
hình Woschni 1978, hệ số truyền nhiệt có dạng sau [40]:
w 130 .D
0, 2
0 ,8
0 , 53
c
. pc .T
V .T
.C1cm C 2 . D c ,1 pc pc , 0
pc ,1Vc ,1
0 ,8
(3.4)
C1 = 2,28 + 0,308.cu/cm;
C2 = 0,00324 với động cơ phun trực tiếp; 0,00622 với động cơ phun gián tiếp
D Đường kính xylanh;
Cm Tốc độ trung bình của piston
VD Thể tích công tác của 1 xylanh; pc Áp suất môi chất trong xylanh
pc,0 áp suất khí trời; Tc,1 Nhiệt độ môi chất tại thời điểm đóng xupap nạp
pc,1 áp suất môi chất tại thời điểm đóng xupap nạp
32
3.2.4. Mô hình hình thành NOx
Mô hình hình thành phát thải NOx trong động cơ xăng dựa trên mô hình động
lực học phản ứng phát triển bởi Pattas và Hafner [14]. Các thông số nhập đầu vào
gồm tốc độ động cơ, nhiên liệu, áp suất, nhiệt độ, hệ số dư lượng không khí λ, thể
tích và khối lượng, thời gian cháy và số vùng cháy. Mô hình sử dụng 6 phản ứng
của chuỗi Zeldovich mở rộng với hệ số tốc độ phản ứng cho trong bảng 3.1. Quá
trình tính toán bắt đầu từ thời điểm xảy ra quá trình cháy.
Lượng N2O sinh ra được tính đến theo biểu thức:
18,71
1,1802.106 T10,6125 exp
O2
RT
N 2O
N2
(3.5)
Tốc độ hình thành NO được tính toán theo công thức sau:
d NO
2 1 2
dt
1 RK
1e
2
R4e p
.
1 K 4 RT
(3.6)
Bảng 3.1. Cơ chế phản ứng hình thành NOx. Hệ số tốc độ k= ATBexp(-E/T)
Phản ứng thuận
Phản ứng
Phản ứng nghịch
B
E
A
B
(-)
(kcal/mol K) (cm3/mols) (-)
E
A (cm3/mols)
(kcal/mol K)
N2+ONO+N
4.93 E13
0.0472 -75.59
1.6 E13
0
0
O2+ONO+N
1.48 E8
1.5
-5.68
1.25 E7
1612
-37.69
OH+NNO+H
4.22 E13
0
0
6.76 E14
-0.212 -49.34
N2O+ONO+NO 4.58 E13
0
-24.1
7.39 E18
0.89
58.93
O2+N2 N2O+O
2.25 E10
0.825
-102.5
3.82 E13
0
-24.1
OH+N2N2O+H
9.14 E7
1.148
-71.9
2.95 E13
0
-10.8
33
3.2.5. Mô hình hình thành CO
CO là sản phẩm cháy các hydrocacbon không hoàn toàn. Lượng phát thải CO
có thể tính dựa trên hai phản ứng [15]:
CO + OH CO2 + H
CO2 + O CO + O2
Tốc độ phản ứng tạo thành CO được tính theo công thức:
CO
d CO
R1 R2 1
dt
COe
(3.7)
Trong đó [CO]e là hàm lượng cân bằng của CO, các giá trị R1 và R2 là các hệ số
được tính theo phương trình sau:
R1 k1 CO e OH e 6,76 .10 10 exp( T / 1102 )
(3.8)
R2 k 2 CO e O2 e 2,5.10 12 exp( 24055 / T )
(3.9)
3.2.6. Mô hình hình thành HC
Lượng phát thải HC ra ngoài chủ yếu gồm các hydrocacbon chưa cháy hết, có
thể hình thành từ nhiều nguyên nhân và được xác định qua các yếu tố sau [16]:
-
Tỉ lệ khí nạp lọt qua khe hở, không cháy được, màng lửa bị dập tắt.
-
Hiệu ứng cháy sát vách.
-
Hơi nhiên liệu cùng màng dầu bôi trơn bám lên mặt gương xylanh trong kỳ
nạp và kỳ nén.
-
Hiện tượng cháy không hoàn toàn hoặc bỏ lửa khi chất lượng cháy kém.
-
Hơi nhiên liệu trong đường ống xả.
Tốc độ hình thành HC được tính theo phương trình sau [15]:
d HC
E / RT
h
c HC AHC e HC gn HC O2
dt
34
(3.10)
Trong đó AHC = 7,7 x 109 ((m3/mol)a+b-1/s); EHC = 156222 (J/mol)
R là hằng số chất khí có giá trị là 8314 (J/mol K)
Tgas là nhiệt độ trung bình trong lớp biên nhiệt có giá trị là (Tgas + Tcyl.wall)/2 với
Tgas là nhiệt độ khí trong trong toàn bộ xylanh
Tcyl.wall là nhiệt độ của thành vách tại thời điểm đó;
a và b là các số mũ và thường bằng 1.
[HC] và [O2] là mật độ của HC và O2 (mol/m3), cHC là hằng số điều chỉnh tốc
độ phản ứng tùy thuộc từng chế độ, từng loại động cơ.
3.3. Quá trình mô phỏng trên phần mềm
3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng
Động cơ mô phỏng là động cơ xe máy với dung tích xylanh 97 cm3 có các
thông số kỹ thuật trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm
Kiểu động cơ
Đánh lửa cưỡng bức
Số xylanh
1
Đường kính xylanh
50 mm
Hành trình piston
49,5 mm
Tỷ số nén
9:1
Dung tích xylanh
97 cm3
Góc đánh lửa sớm
15oTK trước ĐCT
Mô hình động cơ xe máy trên phần mềm AVL Boost thể hiện trên hình 3.2.
Không khí với điều kiện biên thứ nhất (SBI) được lọc bằng bầu lọc khí (CL1).
Nhiên liệu chính (xăng) được cung cấp bởi bộ chế hòa khí (I1), khí giàu hyđrô được
phun vào đường nạp thông qua vòi phun khí (I2). Hỗn hợp không khí/xăng/khí giàu
hyđrô được hút vào trong xylanh (C1) và thực hiện quá trình cháy. Sản phẩm của
35
quá trình cháy được thải ra ngoài môi trường (SB2) sau khi đi qua bình ổn áp (bộ
tiêu âm PL1).
Hình 3.2. Mô hình động cơ thử nghiệm trên AVL Boost
1.Lọc khí; 2. Phần tử cản dòng; 3. Bộ chế hòa khí; 4. Vòi phun khí giàu hyđrô; 5.
Xylanh động cơ; 6. Bình ổn áp (bình tiêu âm)
Do sản phẩm khí giàu hyđrô của quá trình tách một phần nhiên liệu thông qua
bộ xúc tác lắp trên đường thải chưa tính toán được tỷ lệ các thành phần tại mỗi chế
độ một cách cụ thể nên không thiết lập được hỗn hợp khí giàu hyđrô trong trường
hợp này. Nội dung nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm AVL Boost sẽ chỉ tập
trung nghiên cứu ảnh hưởng của khí HHO đến tính năng cũng như phát thải của
động cơ tại các chế độ. Ban đầu thiết đặt General Species Transport được chọn để
thiết lập danh sách các loại nhiên liệu bao gồm xăng (gasoline) và 6 thành phần khí
khác bao gồm O2, N2, CO2, H2O, CO và H2. Trong vòi phun nhiên liệu thể lỏng,
nhiên liệu được chọn là xăng (hình 3.3), trong khi đó ở vòi phun khí, hai thành phần
hyđrô và ôxy được sử dụng với tỷ lệ tương ứng là 0.1111 và 0.8889 (hình 3.4).
36
|
