Luận án Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu Diesel-Biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ Diesel - Dương Quang Minh

lt;pt), (kg); i, u - Entanpi và nội năng của môi chất công tác trong xi lanh, (J); Gnl - Lượng nhiên liệu được phun vào xi lanh, (kg); Qtd - Lượng nhiệt trao đổi với thành vách, (J); Fn, Ft - Diện tích tích diện lưu thông ở xu páp nạp và xu páp thải, (m2). Hình 4.1. Mô hình vật lý các dòng khối lượng và năng lượng với sự thay đổi các thông số trong xi lanh Để mô phỏng CTCT trong xi lanh động cơ, NCS sử dụng phương pháp cân bằng năng lượng. Đây là phương pháp mô phỏng chu trình làm việc của động cơ trên cơ sở xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi khí trong động cơ. Phương pháp này do Vôlôđin đề xuất và được Woschini tiếp tục phát triển (hiện nay phương pháp được dùng phổ biến để tính nhiệt độ và áp suất và trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu). Hệ phương trình mô tả sự trao đổi năng lượng và trao đổi chất của hệ với môi trường xung quanh gồm các phương trình sau: Phương trình cân bằng năng lượng (phương trình nhiệt động I): nl td n n rn t t tv vdQ dQ i dG idG idG i dG c GdT udG pdV         (4.1) Phương trình cân bằng khối lượng: Tn, pn, in Tt, pt, it dGnl dGrn dGn dGt dGtv Fn Ft p, T, G V, i, u dQnl dQtd 79 n rn t tv nldG dG dG dG dG dG     (4.2) Phương trình trạng thái: pV GRT (4.3) trong đó: dQnl - Số gia thể hiện sự thay đổi năng lượng cung cấp của nhiên liệu; dQtd - Số gia thể hiện sự thay đổi năng lượng trao đổi với thành vách; in - Entanpi của không khí nạp; dGn - Số gia thể hiện sự thay đổi của lượng khí nạp vào; i - Etanpi của môi chất công tác trong xi lanh; dGrn - Số gia thể hiện sự thay đổi lượng khí từ xi lanh ra đường ống nạp; dGt - Số gia thể hiện sự thay đổi lượng khí từ xi lanh ra đường ống thải; it - Entanpi của khí thải; dGtv - Số gia thể hiện sự thay đổi của lượng khí thải vào xi lanh; cv- Nhiệt dung riêng đẳng tích của môi chất công tác; G, dG - Lượng môi chất công tác và số gia thể hiện sự thay đổi của nó; dT - Số gia thể hiện sự thay đổi nhiệt độ của môi chất công tác; u - Nội năng của môi chất công tác; pdV - Công cơ khí. Trong phương trình (4.1), vế trái bao gồm tổng nhiệt năng cấp vào cho môi chất công tác do đốt cháy nhiên liệu, do trao đổi nhiệt với thành vách và do trao đổi khí; Ở vế phải, hai thành phần đầu biểu diễn sự thay đổi nội năng của môi chất công tác do sự thay đổi nhiệt độ dT và sự thay đổi lượng môi chất công tác dG. Các giá trị nhiệt dung cv và nội năng u là các hàm của nhiệt độ T và thành phần thứ ba của vế phải pdV biểu diễn sự thay đổi công cơ khí. Để giải được phương trình (4.1), đồng thời xác định áp suất trong xi lanh phải sử dụng thêm phương trình cân bằng khối lượng (4.2) và phương trình trạng thái (4.3). Thay phương trình (4.2) vào phương trình (4.1) ta xác định được quy luật phát triển nhiệt độ: nl td n n n rn t t t tv nlv dQ dQ pdV (i u)dG (i u )dG1 dT (i u )dG (i u)dG udG c G                (4.4) Quy luật phát triển áp suất được xác định từ phương trình trạng thái (4.5): V GRT p  80 4.2.2. Xác định thời gian cháy trễ, mô hình cháy 4.2.2.1. Xác định thời gian cháy trễ của nhiên liệu Các công thức thực nghiệm xác định thời gian cháy trễ (M_VBxx) (3.25), (3.26), (3.27), (3.28) và (3.29) của nhiên liệu B0, B20, B40, B60, B100 đã được NCS xây dựng ở chương 3 sẽ được đưa vào mô hình mô phỏng CTCT. Các công thức xác định thời gian cháy trễ này đã mô tả sự phụ thuộc τi vào: nhiệt độ, áp suất tại thời điểm phun, trị số xê tan, năng lượng kích hoạt...cũng như tỷ lệ pha trộn và tỷ lệ C:H:O hay của nhiên liệu hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel mà yếu tố kể trên này ảnh hưởng lớn đến TGCT. Ngoài ra, để đánh giá ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy thì NCS còn sử dụng công thức của các tác giả Sitkei (3.1), Hesse (3.2), Tolstov (3.3) với Ea=28000, Hardenberg & Hase (3.5). 4.2.2.2. Xác định mô hình cháy Hai thông số quan trọng của quá trình cháy nhiên liệu là quy luật cháy x và tốc độ cháy d dx . Tốc độ cháy d dx là đại lượng đánh giá số lượng nhiên liệu tham gia phản ứng cháy trong một đơn vị GQTK. Tốc độ cháy và tốc độ toả nhiệt khi cháy tỷ lệ thuận với nhau, do vậy việc xác định được tốc độ cháy sẽ là điều kiện đủ để xác định tốc độ toả nhiệt )(  d dx f d dQc  . Việc tính toán các thông số của quá trình cháy được lồng ghép trong các mô hình tính. Hiện nay, các mô hình tính toán quá trình cháy trong buồng cháy của động cơ 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). Trong luận án, NCS lựa chọn mô hình cháy không chiều đơn vùng, đây là mô hình 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 nhiều thời gian tính của máy tính. Khi sử dụng mô hình cháy ''không chiều- đơn vùng'' thì quy luật cháy x, tốc độ cháy dx/dφ của quá trình cháy nhiên liệu trong buồng cháy được xác định theo mô hình cháy của Vibe: 81 m 1 bdc z m 1 bdc z 6,908 m 6,908 bdc z z x 1 e dx m 1 6,908 e d                                      (4.12)  - Vị trí góc quay trục khuỷu, [độ GQTK] bdc - Thời điểm bắt đầu cháy, [độ GQTK]; với bdc fs i     φfs- Góc phun sớm, [độ GQTK]; φτi- Góc cháy trễ, [độ GQTK]. z - Thời gian cháy của của toàn bộ quá trình cháy tính theo GQTK và được tính từ thời điểm bắt đầu cháy, (độ). m - Thông số đặc trưng cháy. Thông số cháy m mô tả động học của cơ chế phản ứng, là thông số phản ánh sự thay đổi theo thời gian của mật độ tương đối của các trung tâm hoạt tính trong quá trình cháy hay nói cách khác m là thông số phản ánh diễn biến quá trình cháy. Thông số đặc trưng cháy cho phép đánh giá một cách chính xác quá trình cháy về mặt lượng. Giá trị của z và m phụ thuộc vào kiểu buồng cháy; phương pháp hình thành hỗn hợp khí, chế độ tải của động cơ, các tham số này có thể lựa chọn trong Bảng 4.1. Quy luật toả nhiệt khi cháy phụ thuộc vào quy luật cháy của nhiên liệu, quy luật tỏa nhiệt khi cháy rất quan trọng, quyết định tới chỉ tiêu kinh tế năng lượng của động cơ và nó phụ thuộc vào quy luật cháy của nhiên liệu. Quy luật toả nhiệt và tốc độ toả nhiệt khi cháy được xác định theo quan hệ sau, [24].  d dx Hg d dQ uct nl .. (4.13) trong đó: gct - Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình, (kg/chu trình). Hu - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, (kJ/kg). d dx - Tốc độ cháy của nhiên liệu (được xác định theo mô hình của Vibe) 82 Thay giá trị của d dx từ biểu thức (4.12) vào (4.13) ta có thể tính được tốc độ toả nhiệt khi cháy theo góc quay trục khuỷu: m 1 bdc z m 6,908 bdcnl ct u z z dQ m 1 6,908.g .H . e d                        (4.14) Trong tính toán các giá trị z và m có thể chọn theo số liệu cho trong Bảng (4.1), [24]. Bảng 4.1. Khoảng giá trị của m và  trong mô hình cháy Vibe, [24] Loại động cơ Chế độ làm việc z m 1. Động cơ diesel phun gián tiếp - Không tăng áp - Có tăng áp - Tăng áp có làm mát trung gian Tốc độ định mức 30%Tốc độ định mức Tốc độ định mức 30%Tốc độ định mức Tốc độ định mức 30%Tốc độ định mức 90 65 90 65 75 55 0,5 0,5 1,0 0,8 1,0 0,7 2. Động cơ diesel phun trực tiếp - Không tăng áp - Có tăng áp - Tăng áp có làm mát trung gian Tốc độ định mức 30%Tốc độ định mức Tốc độ định mức 30%Tốc độ định mức Tốc độ định mức 30%Tốc độ định mức 80 55 75 55 75 55 0,4 0,4 0,9 0,7 1,0 0,7 Trong Chương 4, NCS lựa chọn mô hình cháy Viber do mô hình này đơn giản và có độ chính xác đảm bảo, được sử dụng rất phổ biến để mô phỏng, tính toán CTCT của động cơ, đã được sử dụng trong các phần mềm như AVL-Boost, GT-Power 4.2.3. Xác định hệ số trao đổi nhiệt và tốc độ trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất công tác với các bề mặt trao đổi nhiệt 4.2.3.1. Xác định nhiệt lượng trao đổi giữa môi chất công tác với các bề mặt trao đổi nhiệt Lượng nhiệt trao đổi giữa môi chất công tác với thành buồng cháy được xác định theo phương trình toả nhiệt của Newton - Rixman, [8]: 83 dt).TT.(F.dQ tdtd  (4.15) hay: dt).TT(FdQ tdjtdj 3 1j jtd   (4.16) trong đó: F - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, [m2]; Ttd - Nhiệt độ ổn định trung bình của bề mặt trao đổi nhiệt, [K]; T - Nhiệt độ của môi chất trong xi lanh, (K);  - Hệ số trao đổi nhiệt, [W/m2 K]; t - Thời gian xảy ra quá trình trao đổi nhiệt, [s]; j - Số thứ tự bề mặt trao đổi nhiệt riêng biệt; Ftdj - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thứ j, [m2]; Ttdj - Nhiệt độ trung bình của bề mặt trao đổi nhiệt thứ j, [K]. Do thời gian xảy ra quá trình trao đổi nhiệt và GQTK  có mối quan hệ n6 t   nên lượng nhiệt trao đổi giữa môi chất công tác với các bề mặt thành buồng cháy được xác định như sau: )( 3600.6 1 3 1 TTF nd dQ tdjtdj j j td      (4.17) trong đó: n là tốc độ quay của trục khuỷu động cơ (v/ph) Theo phương trình (4.17) thì lượng nhiệt trao đổi ứng với một đơn vị thời gian tính theo GQTK () phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt (), diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và độ chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất công tác và thành buồng cháy. Do hệ số trao đổi nhiệt và hai yếu tố sau đều thay đổi theo GQTK nên lượng nhiệt trao đổi cũng như tốc độ trao đổi nhiệt cũng thay đổi theo GQTK. Tương ứng với mỗi phạm vi nhỏ bất kỳ của GQTK trong quá trình động cơ làm việc i - i+1 = i+1 - i, phương trình (4.17) có thể viết như sau: )TT(F 3600.n6 Q tdjtdj 3 1j j 1ii td      Trong tính toán, người ta thường sử dụng dòng nhiệt riêng trao đổi (mật độ dòng nhiệt) ứng với một đơn vị thời gian và ứng với một đơn vị của môi chất công tác, nên công thức trên có thể viết tiếp như sau: )( 1 . 3600.6 3 1 1 TTF Mn q tdjtdj j j a ii td         (4.18) 84 Hay : )( )1( . 3600.6 3 1 0 01 TTF Vp RT n q tdjtdj j j nhv ii td           (4.19) 4.2.3.2. Xác định hệ số trao đổi nhiệt Các công thức điển hình của nhiều tác giả để xác định hệ số trao đổi nhiệt () có thể kể đến như của Nussel [8], Hohenberg [55], Woschni [8]..., Trong đó, bằng những kết quả tính toán và so sánh theo [8], cho thấy công thức của Woschni cho kết quả sát thực tế hơn. Do đó, trong quá trình tính toán trao đổi nhiệt thường sử dụng công thức tính hệ số trao đổi nhiệt của Woschni (1978), [8]: 8,0 21 53,02,08,0 ][130 aa n ahm Vp pp TVCCCTDp    (W/m2K) (4.20) trong đó: C1 = 6,18 + 0,417 m u C C - Đối với quá trình trao đổi khí; C1 = 2,128 + 0,308 m u C C - Đối với quá trình nén và giãn nở; C2 = 3,24.10-3 - Đối với động cơ buồng cháy thống nhất; C2 = 6,22.10-3 - Đối với động cơ buồng cháy phân chia; pn - áp suất nén thuần túy trong xi lanh khi không cháy, [Pa]; Cm - Tốc độ trung bình của pít tông [m], (Cm = 30 nS ); Cu - Tốc độ tiếp tuyến của môi chất, (Cu = 60 Dn d  ; nd = 8,5n); p - áp suất của khí trong xi lanh, [Pa]; T - Nhiệt độ của khí trong xi lanh, (K); pa - áp suất cuối quá trình nạp, [Pa]; Ta - Nhiệt độ cuối quá trình nạp, (K); Vh, Va - Thể tích công tác và thể tích toàn phần của xi lanh, [m3]; D - Đường kính của xi lanh, [m]. 4.2.4. Xác định lượng khí vào/ra qua họng xu páp nạp/thải trong quá trình trao đổi khí Khi thể tích xi lanh được thông với các đường ống nạp, ống thải thì quá trình lưu động của dòng khí sẽ đi qua họng các xu páp. Hướng lưu động của dòng khí khi vào hoặc ra khỏi xi lanh phụ thuộc vào độ chênh áp suất trong các khoang thể tích nối thông đó. Lưu lượng khí lưu động qua lại các xu páp nạp, thải được xác định từ phương trình liên tục, [99]: dG = FCdt (kg/s) (4.21) trong đó:  - Hệ số lưu lượng được NCS tham khảo theo khuyến nghị của phần mềm AVL-Boost áp dụng cho động cơ 1 xi lanh, [73]; F - Diện tích lưu thông, (m2);  - 85 Mật độ của khí tại tiết diện lưu thông, (kg/m3); C - Vận tốc của dòng khí, (m/s); t - Thời gian, (s). Tốc độ lưu động của dòng khí hoặc khí cháy qua tiết diện họng các xu páp phụ thuộc vào độ chênh áp suất. Nếu trong quá trình lưu động đó giả thiết không có sự trao đổi nhiệt với môi trường (xem quá trình này là đoạn nhiệt) ta có: 2 2 RT p  và )ii(2C 21  (4.22) k 1k 1 2 12 p p TT         (4.23) trong đó: T1, T2 - Nhiệt độ đầu và cuối quá trình, (K); p1, p2, - Áp suất đầu và cuối quá trình, (Pa); i1, i2, - Entanpi đầu và cuối quá trình, (J); K - Hệ số mũ đoạn nhiệt; cv, cp - Nhiệt dung riêng đẳng tích, đẳng áp của khí, (J/kgK). Kết hợp các phương trình (4.24) và (4.25) với phương trình (4.23), lượng khí nạp vào và thải ra khỏi xi lanh qua họng các xu páp nạp và thải được xác định theo công thức, [99]:                          K K K p p p p K K RT Fp dt dG 1 1 2 2 1 2 1 1 1 2  (4.26) Nếu tính theo GQTK thì lưu lượng đó được xác định như sau:                          K K K p p p p K K RT p n F d dG 1 1 2 2 1 2 1 1 1 2 6   (4.27) Tại thời điểm đầu của quá trình thải khí là giai đoạn thải tự do, sau khi xu páp thải mở nếu tỷ số giữa áp suất trên đường ống thải và áp suất khí trong xi lanh nhỏ hơn hoặc bằng giá trị giới hạn, nghĩa là: 1K K t 1K 2 p p          Khi đó, áp dụng công thức vượt âm, để tính lượng khí thải qua họng xu páp thải, [99]: 86                         K K K KKK K RT p n F d dG 12 1 2 1 2 1 2 6   (4.28) trong đó: p - áp suất môi chất công tác trong xi lanh (Pa) T - Nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh (K). Quá trình lưu động của dòng khí qua họng các xu páp nạp và thải, đặc biệt trong giai đoạn trùng điệp của pha phối khí là rất phức tạp. Do vậy, phải căn cứ vào độ chênh áp suất trước và sau họng xu páp để có được những kết quả tính chính xác lượng khí nạp, thải qua các họng xu páp. Công thức tổng quát tính lượng khí vào/ra qua họng xu páp nạp/thải trong quá trình trao đổi khí có dạng như sau:                  ),,,( 6 1 d dG ),,,( 6 1 d dG ),,,( 6 1 d dG ),,,( 6 1 d dG tv t rn n xtttvttv xttttt xnnrnnrn ynnnnn rpTpfF n rpTpfF n rpTpfF n rpTpfF n         (4.29) 4.2.5. Xác định khối lượng không khí và sản vật cháy trong xi lanh Khối lượng của không khí và sản vật cháy trong xi lanh của động cơ đối với nhiên liệu B0 được xác định theo công thức: kk n rn tv t nl y x dG dG dG dG dG dG (1 r )( ) (1 r )( ) 14,58 d d d d d d              (4.30) spcs n rn tv t nl y x dG dG dG dG dG dG r ( ) r ( ) 14,58 d d d d d d            (4.31) trong đó: Gkk, Gsvcs - Khối lượng không khí và sản phẩm cháy trong thể tích xi lanh động cơ, (kg); spcskk spcs x GG G r   - Số phần trăm sản phẩm cháy hoàn toàn trong thể tích xi lanh động cơ; ry - Số phần trăm sản phẩm cháy trong đường ống nạp. 87 Nếu không khí từ đường ống nạp được nạp vào xi lanh thì ry = 0, còn khi có khí thải từ đường ống nạp vào xi lanh thì rx = ry. Lượng không khí cần thiết lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu theo khối lượng đối với nhiên liệu B0 là 14,58 kgkk/kgnl; đối với các nhiên liệu B20, B40, B60, B80, B100 sử dụng theo kết quả trong Bảng 2.1. 4.2.6. Hệ phương trình vi phân các quá trình công tác của động cơ Trên cơ sở phương trình (4.4) và các phương trình mô tả từng thông số riêng biệt thay đổi theo GQTK như đã trình bày trên thì hệ phương trình vi phân mô tả mô hình tính toán CTCT của động cơ có dạng như sau: tdnl n rn n n t tv nlv kk spcs t t m m 1 nl ct u z z z td tdj tdj dQdQ dG dGdL (i u) (i u ) d d d d ddT 1 dG dG dGd c (G G ) (i u ) (i u) u d d d dQ m 1 6,908g H exp[ 6,908 ] d dQ 1 F (T T d 6n.3600                                                         3 j 1 tv tkk n rn nl y x spcs tv tn rn nl y x n n n n n n y m m n m n n x t t t t t t x ) dG dGdG dG dG dG (1 r )( ) (1 r )( ) 14,58 d d d d d d dG dG dGdG dG dG r ( ) r ( ) 14,58 d d d d d d dG 1 F f (p ,T ,p, r ) d 6n dG 1 F f (p ,T ,p, r ) d 6n dG 1 Ff (p ,T ,p, r d 6n                                      tv tv t tv t t x nl nl u ) dG 1 Ff (p ,T ,p, r ) d 6n dG dQ1 dL dV ; p d H d d 4.32 d                                          4.2.7. Lựa chọn phần mềm mô phỏng Hiện nay có rất nhiều phần mềm chuyên dụng để tính toán mô phỏng CTCT của động cơ như AVL-Boost (Áo), GT-Power (Mỹ), Diesel-RK (Nga)... Trong đó, các công 88 thức tính TGCT được ngầm định bên trong phần mềm và tính toán qua một số thông số nhất định: thông số kết cấu, vận hành của động cơ... Do đó, không thể đưa được các công thức dự báo TGCT của NCS vào các phần mềm chuyên dụng được. Để đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy thì NCS phải đã xây dựng chương trình tính toán mô phỏng CTCT đưa được các công thức dự báo TGCT vào trong mô hình, cũng như để chủ động hơn trong khai thác sử dụng phần mềm để tính toán với nhiều loại biodiesel có nguồn gốc khác nhau. NCS sử dụng phần mềm nền là Matlab để tiến hành mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ diesel CFR-F5 cũng như đánh giá ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5. 4.2.8. Xác định các thông số tại thời điểm bắt đầu mô phỏng Để thuận tiện khi nghiên cứu riêng biệt các quá trình và toàn bộ CTCT của động cơ khi sử dụng phương pháp cân bằng năng lượng, việc tính mô phỏng CTCT được chia thành hai phần: phần tính trong xi lanh động cơ bao gồm các quá trình nén, cháy - giãn nở từ thời điểm xu páp nạp đã đóng kín dn đến thời điểm xu páp thải bắt đầu mở t và phần còn lại ứng với quá trình trao đổi khí gồm quá trình nạp và thải. Kết quả tính các giá trị áp suất và nhiệt độ tại đầu quá trình nén và cuối quá trình trao đổi khí phải thoả mãn điều kiện sau, [99]: T p tndn tndn TT pp       tndn pp  , - Áp suất đầu quá trình nén và cuối quá trình giãn nở (Pa); tndn TT  , - Nhiệt độ đầu quá trình nén và cuối quá trình giãn nở (K); p, T - phạm vi sai số cho phép. Thời điểm bắt đầu tính các quá trình của CTCT được lựa chọn tại thời điểm xu páp nạp đóng dn. Các thông số tại thời điểm bắt đầu tính là pdn, Tdn, Vdn(dn), cần phải xác định trước, [99]: a dn a a dn K dn dn V p p p (0,9 0,98)p V       (4.36) 89 a dn a a dn dn V T T T V    (4.37) trong đó: pa - Áp suất của khí trong xi lanh cuối quá trình nạp tại vị trí ĐCD, (Pa); Ta - Nhiệt độ của khí trong xi lanh cuối quá trình nạp tại vị trí ĐCD, (K); dn - Tỷ số nén của động cơ khi pít tông nằm ở vị trí xu páp nạp đóng; Nhiệt độ của môi chất công tác trong xi lanh (Ta) ở cuối quá trình nạp tại vị trí ĐCD, thể tích xi lanh tại thời điểm xu páp nạp đóng (Vdn) và tỷ số nén tương ứng khi pit tông từ ĐCD đến thời điểm xu páp nạp đóng dn, được xác định như sau, [99]: r rr a TTT T      1 0 (4.38)              )sin11( 1 )cos1(5,0 1 1 22     hdn VV (4.39) dn a dn V V  (4.40)         1  hhca VVVV (4.41) trong đó:  - Tỷ số nén của động cơ; T0 - Nhiệt độ của môi trường, (K) ; p0 - Áp suất môi trường, (Pa); T - Độ sấy nóng khí nạp mới, (K); r - Hệ số khí sót; Tr - Nhiệt độ khí sót, (K). Lượng khí trong xi lanh tại thời điểm xu páp nạp đóng: Gdn = Gkk + Gspcs Gkk - Lượng khí nạp đầy vào xi lanh tại thời điểm xu páp nạp đóng, (kg). Gspcs - Lượng khí sót còn lại xi lanh tại thời điểm xu páp nạp đóng, (kg). dnkk dndn kk TR Vp G  ; rspcs cr spcs TR Vp G  trong đó: Rkk =287,3 J/kg.K và Rspcs =286 J/kg.K, [8]. 4.2.9. Chế độ, trình tự tính toán mô phỏng Để thuận tiện cho quá trình mô phỏng CTCT và xây dựng thuật toán để lập chương trình tính, từ hệ phương trình vi phân các quá trình công tác của động cơ (4.32), 90 NCS tiến hành xây dựng hệ phương trình vi phân cho từng quá trình công tác. Chương trình tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel theo phương pháp cân bằng năng lượng trên phần mềm Matlab được viết riêng cho từng quá trình công tác của chu trình động cơ diesel, việc tính toán tách biệt như vậy với mục đích là thuận tiện cho việc lập trình và cũng dễ dàng kiểm tra mức độ sai số của từng quá trình để có thể hiệu chỉnh các thông số đầu vào cho hợp lý. Chương trình tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5 với các thông số kết cấu và thông số đầu vào được trình bày chi tiết trong Bảng 2.7 và Bảng 2.13. - Chế độ tính toán, khảo sát: + Chương trình mô phỏng CTCT do NCS xây dựng có thể khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến các đặc tính cháy khi thay đổi ở các GPS và gct bất kỳ. Tuy nhiên, luận án chỉ đề cập đến tỷ lệ pha trộn cao (>20%) cho nên khi đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến các đặc tính cháy, luận án chỉ tập trung khảo sát với các nhiên liệu là: B20, B40, B60, B100 ở TSN=17 (do TSN này thường sử dụng trên động cơ diesel và các kết quả thực nghiệm ở TSN =15 và 17 có quy luật giống nhau được trình bày trong Phụ lục 2.2); GPS là 16, 18, 20; gct=0,0242[g/ct] (tương ứng với ϕ=0,77÷0,699). Đây là các thông số chế độ vận hành và lượng tiêu thụ nhiên liệu thường sử dụng trên động cơ diesel. Trong khuôn khổ của luận án, NCS chỉ trình bày kết quả mô phỏng ở chế độ: TSN=17; GPS=18; gct=0,0242 g/ct (ϕ=0,77 với B0; ϕ=0,756 với B20; ϕ=0,742 với B40; ϕ=0,727 với B60; ϕ=0,699 với B100) còn các chế độ khác được trình bày trong Phụ lục 5. Một số kết quả đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5. + Để đánh giá ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5, NCS mô phỏng ở chế độ: TSN=17; GPS =18 và gct=0,0242 g/ct (tương ứng với ϕ= 0,727) khi sử dụng B60. Do nội dung của luận án đề cập đến tỷ lệ pha trộn cao, cũng như khuôn khổ của luận án có hạn, NCS chỉ trình bày ở 01 chế độ. - Trình tự tính toán: Việc mô phỏng CTCT để đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh của hỗn hợp diesel-biodiesel (B0, B20, B40, B60, B100) được thực hiện theo các bước sau: 91 Hình 4.2. Sơ đồ khối mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5 Công thức xác định τi của NCS Hiệu chỉnh mô hình Kết quả mô phỏng pxl lý thuyết Chưa đạt So sánh pxl thực nghiệm khi cháy và khi nén thuần túy Đạt Xác định các đặc tính cháy: x, dx/dφ, Q, dQ/dφ pxl, dp/dφ, (CA5, CA10, CA50, CA90) Kết thúc Xác định các hệ số, thông số thay đổi của các mô hình thành phần Bắt đầu Nhập dữ liệu đầu vào Tính toán các thông số nhiệt động của CTCT 92 + Bước 1: Xây dựng mô hình mô phỏng sơ bộ (có đưa các thuộc tính của nhiên liệu và công thức cháy trễ của NCS và các tác giả) tính toán xác định diễn biến các qui luật nhiệt động của động cơ CFR-F5 khi sử dụng nhiên liệu B0, theo điều kiện các chế độ khảo sát đã nêu ở trên ở mục 4.2.9. + Bước 2: Sử dụng giá trị diễn biến áp suất xi lanh pxl đo thực nghiệm trên động cơ diesel CFR-F5 khi cháy và khi nén thuần túy tại cùng chế độ khảo sát và để hiệu chuẩn mô hình đã xây dựng (hiệu chỉnh các tham số cho phép của mô hình), nội dung này được trình bày trong Mục 4.2.10. Mô hình hiệu chỉnh xong là mô hình thỏa mãn đồng thời có giá trị pxl lý thuyết chênh lệch không quá 8 % với pxl thực nghiệm (tại cùng một thời điểm) và có thời điểm bắt đầu cháy, kết thúc cháy của pxl lý thuyết không chênh lệch với quá 0,5 độ GQTK với pxl thực nghiệm. + Bước 3: Sử dụng mô hình đã hiệu chỉnh để mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5 khi sử dụng B20, B40, B60, B100. + Bước 4: Sử dụng kết quả mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ khi sử dụng B20, B40, B60, B100. Sơ đồ khố