Đề tài Mô phỏng quá trình chuyển tiếp của động cơ d240 trên phần mềm boost kết nối với Matlab Simulink

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 4 1.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4 1.2. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 5 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ D240 TRÊN PHẦN MỀM BOOST 6 2.1. PHẦN MỀM BOOST MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ 6 2.1.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng động cơ BOOST 6 2.1.2. Tính năng và ứng dụng của phần mềm BOOST 9 2.1.3. Cơ sở lý thuyết của phần mềm BOOST 9 2.1.3. Các phần tử của phần mềm BOOST 20 2.1.4. Các bước cơ bản để xây dựng một mô hình 25 2.2. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ D240 26 2.2.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ D240 26 2.2.2. Xây dựng mô hình 28 2.2.3. Nhập dữ liệu cho mô hình 29 2.2.4. Chạy mô hình ở chế độ ổn định (chế độ toàn tải) 53 2.2.5. Xử lý kết quả 54 CHƯƠNG 3. KẾT NỐI GIỮA PHẦN MỀM BOOST VÀ MATLAB SIMULINK 57 3.1. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB SIMULINK 57 3.1.1. Các khối chức năng có sẵn thường dùng trong phần mềm MATLAB SIMULINK 59 3.1.2. Tạo mới một khối để mô phỏng trong MATLAB SIMULINK 72 3.1.3. Mô phỏng một khối trong MATLAB SIMULINK 73 3.2. ỨNG DỤNG CỦA MATLAB SIMULINK 76 3.3. SỰ TƯƠNG TÁC VÀ HỖ TRỢ LẪN NHAU GIỮA PHẦN MỀM BOOST VÀ PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 76 3.4. KẾT NỐI BOOST VÀ MATLAB SIMULINK 78 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KẾT NỐI GIỮA BOOST VÀ MATLAB SIMULINK KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP CỦA ĐỘNG CƠ D240 79 4.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH 79 4.2. GIAO THỨC KẾT NỐI GIỮA BOOST VÀ MATLAB SIMULINK 81 4.3. NHẬP DỮ LIỆU CHO MÔ HÌNH KẾT NỐI 83 4.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 85 4.4.1. Kết quả dạng bảng 85 4.4.2. Kết quả dạng đồ thị, nhận xét và thảo luận 86 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 92 5.1. KẾT LUẬN CHUNG 92 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC 95 Tên đề tài: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN TIẾP CỦA ĐỘNG CƠ D240 TRÊN PHẦN MỀM BOOST KẾT NỐI VỚI MATLAB SIMULINK LỜI NÓI ĐẦU Trước sự phát triển như vũ bảo của khoa học kỹ thuật, sức lao động của con người dần dần được giải phóng. Hầu hết các công việc bằng sức người được thay thế bằng các loại máy móc tinh vi được lập trình sẵn để làm việc thay con người, không những thay thế lao động chân tay mà nó còn có thể thay thế cả lao động trí óc. Sự can thiệp của khoa học kỹ thuật ngày càng thể hiện rõ không chỉ trong các lĩnh vực công nghiệp mà cả trong các lĩnh vực nông nghiệp. Có thể minh chứng cho điều này một cách rất cụ thể và trực quan, đó là máy vi tính (computer). Một công cụ của thời kì kỹ thuật cao và nó ngày càng được cải thiện. Thử hỏi nếu một ngày thiếu mày máy vi tính thì thế giới sẽ phải chịu một tổn thất là bao nhiêu, tất nhiên là không thể nào có thể thống kê hết thiệt hại của nó gây ra về cả tinh thần và cả vật chất. Việt Nam cũng đang bước vào thời kì phát triển, việc ứng dụng máy vi tính cũng đang phát triển mạnh. Máy tính dần dần len lõi vào tất cả các ngành, các lĩnh vực. Việc ứng dụng nó trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết, nó giúp chúng ta giải quyết vô số các vấn đề. Nói riêng trong cơ sở nghiên cứu khoa học, trong ngành động cơ nói chung và động cơ đốt trong nói riêng thì việc ứng dụng máy vi tính vào công việc là tất yếu. Việc nghiên cứu các vần đề về các loại động cơ trở nên cấp bách do sự sử dụng các loại động cơ đang phát triển rất nhanh nhất là ở những nước đang phát triển như Việt Nam. Với nhiều phát minh khoa học về tất cả các lĩnh vực toán học, vật lý, tin học ... thì ngày càng có nhiều công cụ hơn để có thể khảo sát các loại động cơ hơn. Một trong số các công cụ cần thiết cho việc nghiên cứu các động cơ đó là có thể xây dựng được một mô hình mô phỏng động cơ nhằm tăng tính trực quan của hệ thống cũng như rút ngắn thời gian nghiên cứu, thời gian chế tạo thử, giảm chi phí trong thiết kế và nghiên cứu ... Qua các quá trình mô hình hóa và mô phỏng có thể làm cho các nhà khoa học có thể tối ưu hóa các quá trình công tác, các kết cấu mới phù hợp hơn cho người sử dụng. Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều phần mềm có liên quan đến động cơ nói chung và quá trình nhiệt động học của động cơ nói riêng như phần mềm đa phương KIVA, phần mềm nhiệt động học quá trình công tác của động cơ PROMO của Đức dựa trên lý thuyết tính toàn động lực học chất lỏng CFD (computational Fluit Dynamics), các phần mềm BOOST, FIRE, HYDSIM, EXCITE, GLIDE, TYCON, BRICKS của hãng AVL (cộng hòa Áo). Các phần mềm này có thể dùng để nghiên cứu một cách chuyên sâu về các chu trình công tác làm việc của động cơ, có khả năng thiết kế mẫu, thử nghiệm mẫu trên lý thuyết ... Ở Việt Nam các phầm mềm này mới được đưa vào sử dụng trong vài năm gần đây nên đang ở giai đoạn nghiên cứu. Phần mềm BOOST là một phần mềm chuyên về tính toán các quá trình nhiệt động trong động cơ và dòng chảy. Phần mềm đã được ứng dung khá rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển cũng như các hãng ô tô hiện đại. Tại Việt Nam phần mềm cũng đã được một số cán bộ và sinh viên nghiên cứu và ứng dụng. Ngoài các phần mềm chuyên sâu dó còn có một số phần mềm cũng rất hay được sử dụng đến như phần mềm MATLAB SIMULINK, một phần mềm chuyên dụng về mô phỏng và tính toán các thông số. Phần mềm có thể xử lý hầu hết các phép toán một cách đơn giản dựa trên bộ lệnh có sẵn, hơn nữa nó còn có khả năng thực hiện việc mô phỏng các hệ thống trong cơ học cũng như trong các ngành điện tử. Phần mềm Matlab Simmulink có thể liên kết với các phần mềm khác như C, C++... Nói chung, mỗi phần mềm đều có một lợi thế riêng trong một lĩnh vực nhất định, Phần mềm BOOST thì có khả năng trong việc tính toán các thông số chi tiết bên trong động cơ một cách chi tiết và đáng tin cậy nhưng lại không mềm dẻo, không thể linh động được các trường hợp mà phải chạy riêng cho từng trường hợp sau đó kết nối lại. Phần mềm MATLAB SIMULINK lại có khả năng điều khiển, mềm dẻo trong mọi hoạt động, nói một cách chi tiết hơn đó là điều khiển được các phần tử của BOOST giúp cho phần mềm BOOST có thể hoạt động một cách chính xác hơn, mềm dẻo hơn. Nhưng với riêng phần mềm MATLAB SIMULINK thì lại không thể tính toán một cách chính xác các quá trình diễn ra bên trong động cơ. Chính vì thế việc kết hợp hai phầm mềm này lại với nhau là rất cần thiết, nó giúp cho chúng ta có thể lợi dụng điểm mạnh của phần mềm này để bù vào điểm yếu của phần mềm kia, nó giúp cho việc mô phỏng được chính xác và trực quan hơn, mềm dẻo hơn, có thể nghiên cứu được cả những thông số bên trong động cơ lẫn bên ngoài động cơ, giúp cho các nhà nghiên cứu đỡ mất thời gian hơn. Xuất phát từ việc muốn tăng khả năng cho phần mềm BOOST bằng cách kết nối phầm mềm đó với một phần mềm bên ngoài là MATLAB SIMULINK để giúp cho quá trình nghiên cứu trở nên dễ dàng hơn, chi tiết hơn và hoàn thiện hơn. Tôi đã quyết định chọn đề tài: “Mô phỏng quá trình chuyển tiếp của động cơ D240 trên phần mềm BOOST kết nối với MATLAB SIMULINK” với hy vọng có thể đóng góp một phần nào đó trong việc khai thác có hiệu quả phần mềm BOOST. Do thời gian thực hiện đề tài ngắn so với tính phức tạp và đa dạng của đề tài, do sự hạn chế về các thiết bị kiểm chứng bằng thực tế, bên cạnh đó là khả năng có hạn nên đề tài sẽ không tránh khỏi sự thiếu sót và hạn chế, tác giả sẽ tiếp tục đầu tư để có thể hoàn thiện thêm. Chương 1. TỔNG QUAN Mô phỏng là một công cụ được sử dụng một cách rộng rãi hiện nay, nhất là khi nghành công nghệ thông tin phát triển một cách nhanh chóng. Mô phỏng là một công cụ hữu ích trong hầu hết các ngành, các lĩnh vực khác nhau như trong sinh học, trong công nghệ thông tin, trong kĩ thuật … Mô phỏng giúp cho chúng ta có cái nhìn trực quan hơn, sinh động hơn về các hệ thống, các công thức, các phản ứng mà rất khó thực hiện và quan sát trong thực tế. Các phần mềm mô phỏng giúp cho những người nghiên cứu, thiết kế có thể loại bỏ bớt các thí nghiệm không cần thiết, có thể dễ dàng phân tích và nghiên cứu để có thể giảm bớt chi phí thực nghiệm. Nói riêng trong ngành động cơ đốt trong thì có một số các phần mềm mô phỏng nhưng nổi bật vẫn là gói phần mềm của hãng AVL trong đó có phần mềm BOOST. Phần mềm BOOST có một số tính năng nỗi bật như: Mô phỏng các quá trình công tác của động cơ từ một xilanh đến nhiều xilanh, từ động cơ diezel đến động cơ xăng một cách khá chính xác và có độ tin cậy cao. Phần mềm có thể cung cấp cho chúng ta tất cả các thông số về nhiệt động học của động cơ đốt trong… Phần mềm BOOST là một phần mềm được rất nhiều hãng động cơ trên thế giới sử dụng như Audi, VW, Fiat… và mới được đưa vào Việt Nam mấy năm gần đây. Phần mềm đã được một số cán bộ và sinh viên nghiên cứu và ứng dụng trong đó có một số đề tài như: Tăng áp cho động cơ DSC80-TA - Luận án tiến sỹ của Lê Đình Vũ; Mô phỏng động cơ D243 do nhà máy Sông Công chế tạo – Luận văn tiến sỹ của Cù Huy Thành. Quá trình chuyển tiếp của động cơ là quá thay đổi tốc độ của động cơ theo thời gian, nói cách khác quá trình chuyển tiếp là quá trình tăng tốc hay giảm tốc của động cơ. Việc nghiên cứu quá trình chuyển tiếp là rất quan trọng vì đây là quá trình sát với thực tế nhất, đây là quá trình mà thực tế bắt buộc phải sử dụng, nghiên cứu quá trình là nghiên cứu cho thực tế để có thể cải tiến những phần cần thiết để cho phù hợp hơn với thực tế. Việc mô phỏng quá trình chuyển tiếp của động cơ là hết sức cần thiết, nó có thể giúp cải tiến các thông số của xe trên thực tế. Chính vì thế đề tài này nghiên cứu một trong các cách dùng để mô phỏng động cơ ở chế độ chuyển tiếp để có thể cung cấp thêm một phương pháp mới trong việc nghiên cứu động cơ, đó là việc sử dụng kết hợp hai phần mềm BOOST và MATLAB SIMULINK để có thể nghiên cứu quá trình chuyển tiếp của động cơ. 1.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ D240, một loại động cơ diezel 4 kỳ, công suất thiết kế là 80 mã lực ở số vòng quay 2200 vòng/phút. Sản phẩm của nhà máy Disoco sản xuất với kỹ thuật công nghệ của Liên Xô cũ. Hiện nay động cơ D240 vẫn đang được thị trường Việt Nam chấp nhận. Chính vì thế việc nhiên cứu động cơ D240 là rất cần thiết nhằm mục đích cải thiện động cơ và khả năng làm việc của động cơ, mặt khác góp phần vào việc chẩn đoán sửa chửa và phục hồi lại động cơ nhanh chóng để phục vụ cho sản xuất đưa lại lợi ích kinh tế cho người sử dụng động cơ. Các số thông số cơ bản của động cơ D240 được thể hiện trong bảng 1. Bảng 1: Các thông số cơ bản của động cơ STT  Thông số  Kí hiệu  Giá trị  Đơn vị   1  Công suất định mức  Ne  80  Mã lực   2  Số xi lanh  i  4    3  Thứ tự nổ   1-3-4-2    4  Số vòng quay định mức  ne  2200  Vòng/phút   5  Hành trình pittông  S  125  mm   6  Đường kính xylanh  D  110  mm   7  Chiều dài thanh truyền  L  230  mm   8  Tỷ số nén  (  16.5    9  Suất tiêu hao nhiên liệu  g  180  g/ml.h   10  Đường kính nấm xupáp nạp   48  mm   11  Đường kính nấm xupáp xả   42  mm   12  Đường kính thân xupáp nạp   11  mm   13  Đường kính thân xupáp xả   11  mm   14  Góc phun sớm  (  24  Độ TK   15  Góc mở sớm của xupáp nạp  (1  10  Độ TK   16  Góc đóng muộn của xupáp nạp  (2  46  Độ TK   17  Góc mở sớm của xupáp thải  (1  46  Độ TK   18  Góc đóng muộn của supáp thải  (2  10  Độ TK   Đề tài chủ yếu nghiên cứu về quá trình chuyển tiếp trong động cơ D240 nhờ vào việc ứng dụng phần mềm mô phỏng động cơ Boost kết hợp với phần mềm mô phỏng và tính toán toán học Matlab qua đó có thể đưa ra một số kết quả tham khảo. 1.2. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau: Tìm hiểu về phần mềm BOOST Mô phỏng động cơ D240 trên phần mềm BOOST Chạy mô phỏng và đưa ra kết quả Mô phỏng động cơ D240 trên phần mềm BOOST kết hợp với MATLAB SIMULINK Chạy chương trình để xem quá trình chuyển tiếp của động cơ D240 và rút ra kết luận. Chương 2. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ D240 TRÊN PHẦN MỀM BOOST 2.1. PHẦN MỀM BOOST MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ 2.1.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng động cơ BOOST Phần mềm BOOST là một phần mềm nằm trong bộ phần mềm của hẵng AVL, cửa sổ khởi động phần mềm BOOST được thể hiện trên hình 1.
Hình 1: Cửa sổ khởi động của phần mềm Boost Cửa sổ giao diện của phần mềm BOOST khi khởi động xong để chuẩn bị bước vào quá trình xây dựng mô hình để mô phỏng được thể hiện ở hình 2. Thanh công cụ Programs, File, Edit, Element, Model, Simulation, Options, Utilities và Help. Chức năng của các thanh công cụ thể hiện rõ ở phần Help. Các phần tử có sẵn của chương trình được đặt phía bên trái màn hình. Việc xây dựng mô hình được thực hiện bên phải màn hình. Các phần tử được copy từ bên trái màn hình (danh mục các phần tử) và được đưa sang bên phải màn hình (trong vùng vẽ). Việc sắp xếp, thay đổi kích thước và hướng của các phần tử được thực hiện bằng các phím chức năng khác nhau.
Hình 2: Cửa sổ giao diện chính của phần mền boost Các biểu tượng sử dụng theo các chức năng riêng biệt khác nhau. Các chức năng của các biểu tượng được mô tả cụ thể hơn ở bảng 2: Bảng 2: Các biểu tượng và chức năng của các biểu tượng trong BOOST Biểu tượng  Chức năng  
 File mới  
   Mở file  
 Ghi  
 In  
 Xoá  
 Cắt  
 Copy  
 Dán  
 Zoom  
 Chọn đối tượng  
 Thay đổi đường  
 Chèn đường  
 Vẽ đường elíp  
 Vẽ hình vuông  
 Tẩy hình  
 Viết văn bản  
 Hiện thị đối tượng lên trên  
 Hiện thị đối tượng xuống sau  
 Màu và nét đặc trưng  
 Phông chữ  
 Phông chữ to  
 Phông chữ nhỏ   Để có được mô hình tính, trước tiên cần phải triển khai việc xây dựng mô hình trên vùng vẽ. Các phần tử sử dụng để xây dựng mô hình được lựa chọn phù hợp theo từng loại động cơ. Sau khi đã chọn phần tử, hình dạng, kích thước và hướng của các phần tử trên vùng vẽ có thể thay đổi được. Các biểu tượng có chức năng thay đổi hình dạng, kích thước và hướng của phần tử được thể hiện trên bảng 3: Bảng 3: Các biểu tượng và chức năng của các biểu tượng Biểu tượng  Chức năng  
Pipe  ống nối giữa hai phần tử  
Wire  Dây nối giữa ECU với các phần tử  
 Nối bình tiêu âm  
 Đổi chiều dòng chảy  
 Thay đổi dành dạng ống nối và các dây nối  
 Xoay phần tử ngược chiều kim đồng hồ một góc 90 độ  
 Xoay phần tử theo chiều quay đồng hồ một góc 90 độ.  
 Điều khiển mô hình  
 Chạy mô hình   Sau khi thực hiện xong công việc lựa chọn và định vị các phần tử trên vùng vẽ, tiếp tục thực hiện việc nối các phần tử với nhau thông qua phần tử ống hoặc dây nối. Phần cuối của quá trình xây dựng mô hình là việc đặt các phần tử đo trên ống theo yêu cầu. 2.1.2. Tính năng và ứng dụng của phần mềm BOOST Phần mềm BOOST có nhiều tính năng và tác dụng trong cả lĩnh vực thiết kế cũng như thí nghiệm, sau đây là một số tính năng và tác dụng cơ bản: Mô phỏng các quá trình công tác của động cơ với độ chính xác và tính tin cậy cao, tạo thuận lợi trong mục tiêu thiết kế động cơ hoặc phân tích các quá trình nhiệt động học Có thể mô phỏng các động cơ từ loại một xilanh đến nhiều xilanh, cho loại động cơ xăng hay động cơ diezel, động cơ hai kỳ hay động cơ bốn kỳ với dải công suất khác nhau từ đông cơ cở nhỏ như xe máy đến các động cơ cở lớn như tàu thuỷ, mô phỏng được các chế độ làm việc của động cơ. Xác định các thông số trong quá trình nhiệt động học, dòng chảy trong quá trình trao đổi khí, quá trình phun nhiên liệu, quá trình cháy ... mà trước kia phải sử dụng phương pháp kỹ thuật đo phức tạp và tốn kém mới có thể xác định được. Có khản năng kết nối với các phần mềm khác (liên kết động) như MATLAB để mô phỏng với các dữ liệu động. Trong đào tạo có khả năng tái hiện các hình ảnh gần như thực tế một cách trực quan, mổ xẽ các hiện tượng xảy ra bên trong để giúp học viên có thể quan sát được những phần mà không thể quan sát trực tiếp trên mô hình thực hoặc nếu quan sát được cũng phải dùng các thiết bị rất đắt tiền. Trong sản xuất nó giúp rút ngắn thời gian thiết kế, giảm chi phí và số lượng sản phẩm mẫu trong quá trình thiết kế, tối ưu hoá được các quá trình công tác cũng như kết cấu để có được động cơ với các tính năng cao. Loại trừ được một số trường hợp bất thường có thể xảy ra trên thực tế mà không làm tổn hại đến động cơ thực, lựa chọn được khoảng cần thí nghiệm giúp giảm bớt số lượng thí nghiệm thực tế, tiết kiệm được thời gian và tiền bạc Giúp chẩn đoán được những hư hỏng ban đầu có thể xảy ra trong một số trường hợp làm tăng nhanh tiến độ sữa chữa động cơ 2.1.3. Cơ sở lý thuyết của phần mềm BOOST Phương trình nhiệt động học thứ nhất Trong động cơ đốt trong quá trình cháy là quá trình không thuận nghịch biến năng lượng hoá học thành nhiệt năng. Việc xác định trạng thái của môi chất tại từng thời điểm của quá trình cần phải biết cụ thể các phản ứng trung gian biến đổi từ hỗn hợp ban đầu thành sản phẩm cháy cuối cùng. Cho tới nay, các phản ứng đó chỉ mới được xác định đối với những nhiên liệu đơn giản như hydrogene và methane, ..vv. Tuy nhiên trong tất cả các trường hợp, chúng ta đều có thể dùng định luật nhiệt động học thứ nhất để xác định mối tương quan giữa trạng thái đầu và cuối của quá trình cháy. Việc áp dụng định luật này không đòi hỏi phải biết diễn biến các giai đoạn trung gian của quá trình. Định luật nhiệt động học thứ nhất thể hiện mối quan hệ giữa sự biến thiên của nội năng (hay enthalpie) với sự biến thiên của nhiệt và công. Khi áp dụng định luật này đối với hệ thống mà thành phần hoá học của nó thay đổi chúng ta cần phải xác định trạng thái chuẩn zero của nội năng hay enthanpie của tất cả các chất trong hệ thống. Trong trường hợp cụ thể thì việc tính toán quá trình cháy trong động cơ đốt trong được dựa trên phương trình nhiệt động học thứ nhất:
(1-1) Trong đó:
- biến đổi nội năng bên trong xilanh;
- công chu trình thực hiện;
- nhiệt lượng cấp vào;
- tổn thất nhiệt qua vách;
- tổn thất enthalpy do lọt khí; mc - khối lượng môi chất bên trong xilanh; u - nội năng; pc - áp suất bên trong xilanh; V - thể tích xilanh; QF - nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp; Qw - nhiệt lượng tổn thất cho thành; ( - góc quay trục khuỷu; hBB - trị số enthalpy;
- biến thiên khối lượng dòng chảy. Phương trình 1-1 được áp dụng cho cả động cơ hình thành hỗn hợp bên trong và hỗn hợp bên ngoài. Tuy nhiên sự thay đổi thành phần hỗn hợp của hai trường hợp trên là khác nhau. Đối với trường hợp quá trình hình thành hỗn hợp bên trong xilanh thì có giả thiết: Nhiên liệu cấp vào trong xilanh được đốt cháy tức thì. Hỗn hợp cháy được hoà trộn tức thì với lượng khí sót trong xilanh. Tỷ lệ A/F giảm liên tục từ giá trị cao ở điểm bắt đầu tới giá trị thấp ở điểm kết thúc quá trình cháy. Như vậy phương trình (1-1) sau khi biến đổi sẽ trở thành:
(1-2) Trong đó: Tc - nhiệt độ xilanh; mc - khối lượng môi chất trong xilanh; pc - áp suất trong xilanh; uc - nội năng riêng của khối lượng môi chất bên trong xilanh; Hc- nhiệt trị thấp; ( - hệ số dư lượng không khí (1/(); ( - tỷ lệ tương đương; Vc - thể tích xilanh. Việc giải phương trình trên phụ thuộc vào mô hình quá trình cháy, quy luật toả nhiệt và quá trình truyền nhiệt qua thành xilanh, cũng như áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí. Cùng với phương trình trạng thái.
(1-3) Thiết lập quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ và tỷ trọng, từ phương trình 1-2 ta sử dụng phương pháp Runge-kutta giải để xác định nhiệt độ trong xilanh. Từ đó sẽ xác định được áp suất thông qua phương trình trạng thái. Lý thuyết cháy Vibe Quá trình cháy chịu ảnh hưởng của rất nhiều thông số, phần mềm AVL-Boost mô tả quá trình cháy thông qua đặc tính tỏa nhiệt, chu trình cháy lý thuyết, quá trình cháy do người sử dụng định nghĩa hoặc đặc tính tỏa nhiệt dự tính. Trong đó cách thức tiếp cận tiện lợi và phổ biến nhất là sử dụng phương trình cháy Vibe. Quy luật Vibe được xác định thông qua các tham số như: điểm bắt đầu cháy, thời gian cháy, tham số đặc trưng cháy “m”. Các thông số trên có thể là không đổi hoặc thay đổi phụ thuộc vào từng chế độ làm việc của động cơ thông qua phương trình sau:
(1-4) ở đây
(1-5)
(1-6) Trong đó: Q - nhiệt lượng do nhiên liệu sinh ra; ( - góc quay trục khuỷu; (0 - điểm bắt đầu cháy; ((c - khoảng thời gian cháy; m - tham số đặc trưng cháy; Tích phân phương trình 1-4 ta có:
(1-7) x - phần trăm khối lượng môi chất đốt cháy. Hình 3 là đồ thị mô tả quan hệ tốc độ toả nhiệt và phần trăm khối lượng môi chất cháy theo góc quay trục khuỷu (ROHR rate of heat release (tốc độ toả nhiệt)).
Hình 3. Đồ thị mô tả tốc độ tỏa nhiệt Hình 4 là đồ thị mô tả ảnh hưởng của tham số đặc trưng cháy “m” đến hình dạng của hàm Vibe.
Hình 4 : ảnh hưởng của tham số đặc trưng cháy. Truyền nhiệt Truyền nhiệt trong xilanh Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xilanh, piston, và lót xilanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau:
(1-8) Qwi – nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xilanh, pittông, lót xilanh); Ai – diện tích truyền nhiệt (nắp xilanh, pittông, lót xilanh); (w – hệ số truyền nhiệt; Tc – nhiệt độ môi chất trong xilanh; Twi – nhiệt độ thành (nắp xilanh, pittông, lót xilanh); Trong trường hợp nhiệt độ của thành lót xilanh, biến đổi nhiệt độ dọc trục giữa vị trí ĐCT và ĐCD được tính theo biểu thức sau:
(1-9)
(1-10) Trong đó: TL – nhiệt độ lót xilanh; TL, ĐCT – nhiệt độ lót xilanh tại vị trí ĐCT; TL, ĐCD – nhiệt độ lót xilanh tại vị trí ĐCD; x – dịch chuyển tương đối của pittông (vị trí thực tế của pittông so với toàn bộ hành trình). Đối với hệ số truyền nhiệt thì phần mềm BOOST cho phép lựa chọn một trong 4 mô hình sau: Woschni 1978 Woschni 1990 Hohenberg Lorenz (chỉ dùng cho động cơ có buồng cháy ngăn cách). Mô hình Woschni 1978 được lựa chọn cho việc tính toán quá trình truyền nhiệt trong động cơ thử nghiệm D1146TI. Mô hình Woschni 1978 Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni 1978 được tính theo phương trình sau:
(1-11) Trong đó: C1 = 2,28 + 0,308 .cu/cm; C2 = 0,00324 đối với động cơ phun trực tiếp; C2 = 0,00622 đối với động cơ phun gián tiếp; D - đường kính xilanh; cm - tốc độ trung bình của pittông; cu – tốc độ tiếp tuyến; (cu = (.D.nd/60 trong đó nd – tốc độ xoáy của môi chất, nd = 8,5 n) VD – thể tích công tác của 1 xilanh; pc - áp suất môi chất trong xilanh; pc,o - áp suất khí trời; Tc,1 – nhiệt độ môi chất trong xilanh tại thời điểm đóng xupáp nạp; pc,1 - áp suất môi chất trong xilanh tại thời điểm đóng xupáp nạp. Trao đổi nhiệt tại cửa nạp, thải Trong quá trình quét khí, việc lưu tâm đến quá trình trao đổi nhiệt tại của nạp và thải là hết sức quan trọng. Quá trình này có thể lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy trong đường ống đơn giản do hệ số truyền nhiệt cao và nhiệt độ trong vùng giữa xupáp và đế xupáp. Trong Boost mô hình Zapf hiệu chỉnh được sử dụng để tính toán cho quá trình này.
(1-12) Hệ số trao đổi nhiệt (p phụ thuộc vào hướng của dòng chảy (vào hoặc ra khỏi xilanh):
(1-13) dùng cho dòng chảy ra, và:
(1-14) cho dòng chảy vào. Trong đó: (p – hệ số trao đổi nhiệt tại cửa Td – Nhiệt độ sau cửa Tu – nhiệt độ trước cửa Tw – nhiệt độ thành cửa Aw – diện tích bề mặt cửa
- lưu lượng khối lượng cp – nhiệt dung riêng đẳng áp hv - độ nâng xupáp dvi - đường kính trong của đế xupáp. Bảng 4 thể hiện các hệ số sử dụng trong các phương trình ở trên. Bảng 4: Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải XUPÁP THẢI  XUPÁP NẠP   C4  1.2809  C7  1.5132   C5  7.0451.10-4  C8  7.1625.10-4   C6  4.8035.10-7  C9  5.3719.10-7   Quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất Phương trình cơ bản Quá trình trao đổi chất được thể hiện thông qua phương trình khai triển của phương trình nhiệt động học thứ nhất đã được thể hiện ở (1-1):
(1-15) Trong đó: mc – lượng môi chất bên trong xilanh u – nội năng; pc - áp suất bên trong xilanh; V – thể tích xilanh; Qw – nhiệt tổn thất qua thành; dmi – khối lượng phân tử chất khí đi vào xilanh; dme – khối lượng phân tử chất khí đi ra ngoài xilanh; hi – enthalpy của chất khí bên trong; he - enthalpy của chất khí bên ngoài. Tương tự như đối với quá trình cháy, phương trình nhiệt động học thứ nhất có thể khai triển để xác định sự biến đổi của nhiệt độ trong xilanh theo biểu thức sau: