Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - Diesel

 = - 0 .VL y T T y          1.5.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ Bức xạ nhiệt là một dạng cơ bản của truyền nhiệt được thực hiện bằng những sóng điện từ. Khác với dẫn nhiệt và đối lưu (là dạng truyền nhiệt tiếp xúc), bức xạ nhiệt là dạng truyền nhiệt không tiếp xúc. Sự truyền bá các tia nhiệt trong không gian gọi là bức xạ nhiệt, quá trình trao đổi nhiệt dưới dạng bức xạ gọi là quá trình trao đổi nhiệt bức xạ. Tất cả các vật trong không gian, một mặt biến nội năng thành năng lượng bức xạ, mặt khác lại hấp thụ một phần năng lượng bức xạ của các vật khác để biến thành nội năng. Khi nhiệt độ của các vật bằng nhau, năng lượng phát đi và hấp thụ trong mỗi vật sẽ bằng nhau, ta nói vật ở trạng thái cân bằng. Khác với trao đổi nhiệt dẫn nhiệt và đối lưu, ở đây quá trình trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của nhiệt độ các vật. Trong động cơ đốt trong có hai nguồn trao đổi nhiệt bức xạ [2]: nguồn nhiệt từ khí cháy với nhiệt độ cao và các hạt bồ hóng trong ngọn lửa động cơ diesel. Trong động cơ xăng, ngọn lửa lan truyền ngang qua buồng cháy từ điểm đánh lửa qua hỗn hợp nhiên liệu (nhiên liệu và không khí) đã được hòa trộn trước. Mặc dù phía trước ngọn lửa là tương đối sáng chói, tất cả các phản ứng hóa học trung gian là thể khí. Quá trình cháy thực sự hoàn tất vào đầu quá trình giãn nở. Trong động cơ diesel, đa số nhiên liệu cháy trong ngọn lửa rối khuếch tán khi nhiên liệu và không khí hòa trộn cùng nhau. Có thể có nhiều điểm cháy và ngọn lửa phù hợp với tia phun nhiên liệu cho đến khi bị phân tán bởi chuyển động rối của dòng 20 không khí. Khi ngọn lửa sáng hơn và những hạt bồ hóng (chủ yếu là Carbon) được hình thành ở giữa quá trình cháy. Trao đổi nhiệt bức xạ từ hạt bồ hóng trong ngọn lửa động cơ diesel vào khoảng 5 lần so với bức xạ từ khí cháy. Trao đổi nhiệt bức xạ trong động cơ xăng thông thường là nhỏ so với quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. Tuy nhiên, trao đổi nhiệt bức xạ trong động cơ diesel là không đáng kể, chiếm 20  35% tổng số lượng nhiệt trao đổi. 1.5.2.4. Quá trình trao đổi nhiệt tổng quát trong động cơ Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ quá trình trao đổi nhiệt từ khí cháy trong xi lanh động cơ qua thành vách buồng cháy tới nước làm mát. Hình 1.4 giới thiệu sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy. Hình 1.3. Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dòng nhiệt ngang thành vách buồng cháy Hình 1.4. Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2] M«i chÊt c«ng t¸c T N-íc lµm m¸t tw Tg Tg Tw.g Tw.c Tc Tc qCV + qR qCVqCN Thành xi lanh Số Nusselt Số Reynolds Số Prandtl. Buồng cháy Lớp biên nhiệt Lớp biên thủy lực 21 Dòng nhiệt trao đổi với thành vách ở cả hai dạng thông thường, đối lưu và bức xạ. Sau đó dòng nhiệt được dẫn nhiệt qua thành vách và cuối cùng được đối lưu từ thành tới nước làm mát. Trong mỗi chu trình công tác của động cơ đốt trong, trao đổi nhiệt diễn ra dưới điều kiện nhiệt độ, áp suất và tốc độ dòng khí thay đổi. Tốc độ dòng khí thay đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào hình dạng buồng cháy và cửa nạp. Hơn nữa, diện tích bề mặt buồng cháy thay đổi theo chu trình. Dòng nhiệt trong thành vách thay đổi một cách liên tục từ một giá trị âm trong suốt quá trình nạp tới giá trị dương ở đầu quá trình giãn nở. Quá trình truyền nhiệt đối lưu từ khí cháy tới thành vách được mô tả trên hình 1.4, trong đó lớp biên thủy lực đóng vai trò quan trọng tới nhiệt độ bề mặt gương xi lanh. Tuy nhiên, để mô phỏng chính xác lớp màng thủy lực này gặp rất nhiều khó khăn lên trong quá trình tính toán trường nhiệt độ của xi lanh bỏ qua ảnh hưởng của lớp biên này. 1.6. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài Có thể thấy rằng, vấn đề nghiên cứu sử dụng các loại alcohol làm nhiên liệu thay thế cho xăng khoáng đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ và thu được những kết quả rất quan trọng. Ở Việt Nam, đến nay đã có một số công trình nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học. Trong đó các nghiên cứu chủ yếu liên quan đến việc đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học (có tỷ lệ cồn ethanol nhỏ và thậm chí có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%) đến động cơ xăng truyền thống và một số ít nghiên cứu liên quan đến việc chuyển đổi động cơ xăng dùng chế hòa khí sang sử dụng cồn ethanol. Trên thế giới, nghiên cứu sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng đã được tiến hành rất tỉ mỉ và công phu. Từ việc đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng cho đến thiết kế chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt FFV - Flexible Fuel Vehicles. Thông thường xăng sinh học cho phương tiện FFV có tỷ lệ cồn ethanol tới 85% (E85). Vấn đề sử dụng alcohol cho động cơ diesel chưa được đề cập trong các nghiên cứu ở Việt Nam. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng các loại nhiên liệu alcohol khác nhau cho động cơ cháy do nén [11 ÷ 29]. Các 22 công trình này chủ yếu tập trung đánh giá ảnh hưởng của các loại nhiên liệu alcohol tới các chỉ tiêu năng lượng, kinh tế và phát thải của động cơ. Một số công trình đã phân tích đánh giá ảnh hưởng của các loại nhiên liệu alcohol tới đặc tính cháy. Như vậy có thể thấy rằng, nghiên cứu sử dụng các nhiên liệu alcohol cho động cơ cháy do nén (động cơ diesel) vẫn còn khá hạn chế đặc biệt là ở Việt Nam. Về các công trình liên quan đến vấn đề phụ tải nhiệt và truyền nhiệt trên động cơ có thể kể đến các công trình của các tác giả Nguyết Viết Cường, Nguyễn Lê Văn và Nguyễn Trung Kiên. Trong công trình “Nghiên cứu trạng thái ứng suất nhiệt nắp xi lanh động cơ xăng” của Nguyễn Viết Cường, tác giả đã nghiên cứu trạng thái ứng suất nhiệt nắp xi lanh động cơ xăng UAZ 451. Từ các kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy vùng cầu nối giữa hai xu páp và cửa xả là những vùng có nhiệt độ cao nhất (tương ứng là 716 và 681 [K]). Trường nhiệt độ của nắp xi lanh phân bố không đồng đều, có sự chênh lệch lớn về nhiệt độ giữa các vị trí của nắp xi lanh. Đây là nguyên nhân gây ra rạn nứt, cong, vênh nắp xi lanh trong quá trình làm việc, ảnh hưởng tới khả năng bao kín buồng cháy và độ tin cậy làm việc của động cơ. Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy” của Nguyễn Lê Văn, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát điện tàu thủy. Các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy khi có xét đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt, vận tốc chuyển động phụ của pít tông trong khe hở giữa pít tông và xi lanh giảm đi một cách đáng kể, làm giảm lực va đập giữa pít tông và xi lanh và khẳng định sự cần thiết phải tiến hành sấy nóng động cơ đến một nhiệt độ nhất định trước khi cho động cơ nhận tải để tránh va đập và hao mòn cho cặp pít tông - xi lanh động cơ. Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ tăng áp đến phụ tải nhiệt của động cơ diesel” của Nguyễn Trung Kiên, tác giả đã nghiên cứu ảnh 23 hưởng của các mức độ tăng áp khác nhau đến phụ tải nhiệt của động cơ; thông qua các kết quả tính toán và thực nghiệm, để đảm bảo độ tin cậy làm việc của động cơ khảo sát theo các chỉ tiêu phụ tải nhiệt khi tăng áp bằng bộ tua bin biến áp chỉ nên sử dụng hệ số k  2,0. Như vậy có thể thấy rằng, vấn đề nghiên cứu trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh nói riêng và phụ tải nhiệt của động cơ nói chung đã có một số công trình tiêu biểu kể trên đề cập tới; tuy nhiên, chưa có công trình nào đề cập tới khi động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu cồn - diesel. 1.7. Kết luận chương 1 Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan trực tiếp đến hướng nghiên cứu của luận văn, tác giả rút ra một số kết luận sau: - Cồn etylic thường được gọi ethanol là nhiên liệu sinh học có ưu điểm cháy sạch. Ethanol có thể được sản xuất từ vụn gỗ, rơm rạ, cây lương thực biến đổi gen... điều này giúp cho giảm chu kỳ tái sinh của CO2, là một hướng mà nhiều nước đang hết sức quan tâm. Do đó việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế sẽ làm giảm ô nhiễm khí thải, tăng cường kinh tế nông nghiệp, tạo nhiều cơ hội việc làm và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. - Việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn làm nhiên liệu cho phương tiện, đặc biệt ở điều kiện Việt Nam giúp giảm sự phụ thuộc vào được sản xuất thông qua việc phối trộn giữa xăng khoáng và cồn ethanol đang là loại nhiên liệu sinh học được ứng dụng và phát triển rộng rãi trên thế giới nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng của con người đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. - Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sử dụng ethanol với tỷ lệ khác nhau và công nghệ khác nhau cho động cơ đốt trong, nhưng chủ yếu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, chưa quan tâm nhiều cho động cơ cháy do nén (động cơ diesel) vì ethanol có tính tự cháy kém. Để nâng cao tỷ lệ ethanol thay thế cho nhiên liệu hóa thạch cần tăng cường nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel là động cơ chiếm tới 50% tổng số động cơ đốt trong. 24 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM GT-POWER 2.1. Giới thiệu phần mềm GT-Power 2.1.1. Giới thiệu chung Phần mềm GT-Power nằm trong bộ phần mềm GT-Suite do hãng Gama Technologies của Mỹ xây dựng và phát triển. Hiện nay phần mềm GT-Power đã được thương mại hóa trên toàn cầu. Phần mềm này đang được các công ty lớn trên thế giới trong lĩnh vực sản xuất động cơ, xe đua công thức 1, tàu thủy và các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học sử dụng. GT-Power là công cụ mô phỏng động cơ chuyên nghiệp, áp dụng cho các loại động cơ đốt trong 2 kỳ hoặc 4 kỳ, sử dụng cho phương tiện vận tải đường bộ, tàu thuyền, trạm phát điện, xe thể thao GT-Power cung cấp cho người sử dụng nhiều phần tử để mô hình hóa bất kỳ bộ phận nào của động cơ. Nó có khả năng liên kết (link) với các phần mềm khác để mô phỏng hiệu quả và chính xác hơn như phần mềm CFD Star-CD, Fulent, Simulink, Nó được tích hợp các công cụ mạnh phục vụ thiết kế như DOE/optimization (thiết kế theo thực nghiệm/tối ưu hóa), mô hình sơ đồ mạng nơ rôn và điều khiển GT-Power được xây dựng cho việc tính toán trạng thái ổn định và trạng thái chuyển tiếp. GT-Power có thể sử dụng như một công cụ riêng, cũng có thể được liên kết với bộ GT khác như: - GT-Drive (hệ thống truyền lực); - GT-VTrain (hệ thống phân phối khí); - GT-Fuel (hệ thống nhiên liệu); - GT-Cool (hệ thống làm mát); - GT-Crank (cơ cấu khuỷu trục thanh truyền) Các ứng dụng chính của GT-Power: - Xây dựng đặc tính mô men và tiêu thụ nhiên liệu của động cơ; - Thiết kế và hiệu chỉnh đường ống; - Đặc tính chuyển tiếp và phản ứng của hệ thống; - Tối ưu hóa trị số thời gian – thiết diện; 25 - Tính toán mô phỏng cháy và khí xả; - Tăng áp và liên kết tuabin – máy nén; - Thiết kế hệ thống tuần hoàn khí xả (EGR); - Tính toán âm (độ ồn nạp, thải); - Đặc tính kéo của phương tiện; - Tính toán chu trình nhiệt của động cơ; - Mô phỏng hệ thống điều khiển; - Mô phỏng theo biến thời gian thực của động cơ; - Tính toán thiết kế với DOE (Design of Expremental). 2.1.2. Cửa sổ giao diện chính Phần mềm GT-Power có cửa sổ giao diện dùng để xây dựng mô hình và tính toán như cửa sổ giao diện của các phần mềm hiện đại khác như: SolidWork, Inventor, AVL-BOOTS, Cửa sổ giao diện chính trên hình 2.1 bao gồm [9]: Các thanh công cụ File, Edit, View, Run, DOE, Assembly, Tools, Window và Help. Công dụng của các thanh công cụ được diễn giải cụ thể trong phần Help. Các biểu tượng chức năng được sắp xếp bên dưới của các thanh công cụ. Các phần tử có sẵn của chương trình được sắp xếp bên trái màn hình. Quá trình xây dựng mô hình được thực hiện bên phải màn hình. Các phần tử tham gia quá trình xây dựng mô hình được đưa từ bên trái mành hình (danh mục các phần tử) sang bên phải màn hình (trong vùng xây dựng mô hình) bằng lệnh coppy. Việc thay đổi kích thước, khoảng cách và hướng của các phần tử được thực hiện bởi các phím và biểu tượng chức năng khác nhau. Sau khi thực hiện xong việc lựa chọn và định vị các phần tử trên vùng xây dựng mô hình, tiếp tục việc nối các phần tử với nhau thông qua các phần tử liên kết. Số lượng các phần tử được lựa chọn phù hợp với từng loại động cơ. 26 Hình 2.1. Cửa sổ giao diện GT-Power Các phần tử được nhập dữ liệu ngay trên giao diện cửa sổ phụ. Định nghĩa các thuộc tính của các phần tử có trong thư viện GT-Suite. 2.2. Thư viện các phần tử của GT-Power Thư viện các phần tử dòng chảy (flow) bao gồm các phần tử bộ phận (component), các phần tử liên kết (connection), các phần tử tra cứu (reference). Các phần tử bộ phận gồm: phần tử xy lanh, trục khuỷu, hộp trục khuỷu, đường ống, rẽ nhánh, tuabin, máy nén, điều kiện môi trường, tiết lưu, Các phần tử liên kết gồm: phần tử vòi phun, bơm cao áp, xu páp, 27 Các phần tử của mô hình động cơ khảo sát bao gồm: 2.2.1. Phần tử xy lanh (EngCylinder) Hình 2.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh Phần tử này dùng định nghĩa các đặc trưng của xy lanh động cơ. Dữ liệu cần nhập vào cho phần tử này bao gồm: - Start of Cycle (CA at IVC): Góc quay trục khuỷu tại điểm bắt đầu chu trình tính. Giá trị này không ảnh hưởng đến tính toán mô phỏng, thường được chọn ngầm định “def’’. - Cylinder Geometry Object: Định nghĩa các thông số hình học của xy lanh và pít tông. - Initial State Name: Phần tử tra cứu diễn tả các giá trị điều kiện đầu bên trong xy lanh. - Reference State for Volumetric Efficiency: Điều kiện chuẩn để xác định hệ số nạp. Điều kiện này thường tuân theo các điều kiện biên môi trường. - Cylinder Combustion Mode: Lựa chọn mô hình cháy, có nhiều mô hình cháy được sử dụng như mô hình Wibe, Woschni, 28 - Independent: Trong mô hình này tốc độ cháy trong mỗi xy lanh được tính độc lập. Chức năng này được chọn cho tất cả chế độ cháy ngoại trừ động cơ có buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc. - Master, Slave: Lựa chọn này áp dụng để tính toán cho các loại động cơ có buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc. 2.2.2. Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamconn) Hình 2.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân phối khí Phần tử này định nghĩa các thông số của cam đóng mở xu páp nạp và xu páp thải, bao gồm các thông số hình học, biên dạng cam và đặc tính dòng chảy qua xu páp. - Valve reference diameter: Đường kính nấm xu páp; - Valve Lash: Khe hở nhiệt của đuôi xu páp; - Cam Timing Angle: Góc làm việc của cam; Ngoài ra, các tham số cần được đưa vào là độ nâng xu páp theo góc quay trục khuỷu, các giá trị về hệ số dòng chảy theo độ nâng xu páp được biểu diễn dưới dạng bảng trong menu Lift Array, Flow Array, 29 2.2.3. Phần tử vòi phun (InjProfileConn) Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun Phần tử này được dùng để mô tả vòi phun nhiên liệu. Chức năng chính của vòi phun là phun nhiên liệu với áp suất cao vào buồng cháy động cơ. Một số kiểu vòi phun được mô tả sẵn là: vòi phun kiểu chốt, kiểu kim phun, đơn cấp, đa cấp. Các thông số cần nhập vào mô hình gồm: - Inject Mass: lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình; - Start of Injection: Góc phun sớm nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu; - Nozzle Type Injection: Kiểu lỗ phun; 2.2.4. Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrankTrain) Phần tử này xác định các thuộc tính chung của động cơ. Các mô hình của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền, biến áp suất cháy trong xy lanh thành mô men có ích trên trục khuỷu. 30 Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ Các thông số cần nhập vào phần tử bao gồm: - Engine Type: Loại động cơ 2 kỳ hay 4 kỳ; - Number of cylinder: Số xy lanh động cơ; - Configuration of cylinder: Bố trí xi lanh 1 hàng hay chữ V; - Speed or load specification: Xác định chế độ tính toán theo tốc độ vòng quay (speed) hay phụ tải (Load). - Engine speed: Số vòng quay động cơ ở chế độ khảo sát; - Engine Friction Object: Tổn hao do mát sát. - Start of Cycle (CA at IVC): Góc quay trục khuỷu tại điểm bắt đầu chu trình tính, trước điểm chết trên. - Firing order: Thứ tự công tác của động cơ; - Cylinder Geometry: Các thông số hình học của xy lanh như đường kính xy lanh, hành trình pít tông, chiều dài thanh truyền, tỷ số nén, 31 2.2.5. Phần tử EndEnvironment (các biến môi trường) Phần tử này mô tả các điều kiện biên môi trường đầu vào và đầu ra của mô hình. 2.2.6. Phần tử đường ống (Pipe) Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống Phần tử này được sử dụng để xác định các thuộc tính về hình dáng hình học của đường ống. Phần mềm sẽ tự động tính toán tổn thất áp suất tại các chỗ cong, tiết diện co thắt. Các thông số đầu vào của mô hình bao gồm: - Diameter at Inlet End: Đường kính đầu vào của ống; - Diameter at Outlet End: Đường kính đầu ra của ống; - Length: Chiều dài ống. - Discretization Length: Chiều dài rời rạc đường ống, thông số này cho phép chia đường ống thành các đoạn nhỏ để tính toán. - Surface Roughness: Độ nhám thành ống. Thông số này được sử dụng để xác định tổn thất dòng, đối với các loại vật liệu và phương pháp gia công khác nhau sẽ có giá trị khác nhau và được lựa chọn theo các khuyến cáo trong phần trợ giúp của phần mềm. 32 - Wall Temperature: Nhiệt độ thành ống, được chọn là hằng số hay hàm theo thời gian, được sử dụng để tính toán trao đổi nhiệt của thành ống với môi chất công tác và môi trường. Ngoài ra, các thông số về nhiệt độ ban đầu, hệ số lưu lượng của dòng tới, dòng phản hồi, các mô hình truyền nhiệt khác cũng được lựa chọn đối với các bài toán khác nhau. 2.2.7. Phần tử liên kết dòng (OrificeConn Connection) Phần tử này mô tả vị trí giao tiếp giữa hai thành phần dòng chảy. Các thông số cần định nghĩa cho phần tử này là: đường kính phần tử, hệ số lưu lượng dòng tới và dòng phản hồi. Phần tử này đóng vai trò như một van tiết lưu hoặc như một nhân tố cản dòng. 2.2.8. Phần tử dòng phân chia (Fsplit) Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia Phần tử này được sử dụng để mô tả các dòng rẽ nhánh, nó được dung để mô tả dòng rẽ nhánh bất kỳ. 2.2.9. Phần tử chặn dòng (EndFlowCap) Phần tử này được sử dụng để chặn dòng tại các vị trí cuối của đường ống hay dòng phân nhánh. Không có dữ liệu được nhập cho phần tử này. 33 Trên đây là một số phần tử cơ bản của phần mềm GT-Power được sử dụng trong quá trình thiết lập mô hình động cơ khảo sát. 2.3. Mô hình động cơ V12 2.3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình 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 tài liệu tham khảo [9]. Để mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ cần lựa chọn mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt. Lựa chọn mô hình cháy: Như trình bày trong [2 ÷ 5], để tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong có nhiều mô hình cháy khác nhau để lựa chọn tùy theo mục đích và đối tượng nghiên cứu cụ thể. 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 (Computational Fluid Dynamics - CFD). Trong các mô hình cháy thường áp dụng hiện nay, mô hình cháy đa vùng áp dụng cho tia phun trực tiếp (gọi tắt là DI-jet) là mô hình được phát triển từ mô hình cháy của Hiroyasu và Kadota trong đó có tính đến va chạm thành vách là mô hình phù hợp để tính động học tỏa nhiệt khi cháy đối với động cơ diesel phun trực tiếp. Do vậy, luận án lựa chọn mô hình cháy đa vùng cho tia phun trực tiếp (DI-jet) được tích hợp trong phần mềm GT - Power để tính toán chu trình công tác. Mô hình hiện tượng đa vùng đưa ra cơ sở tính toán sự phát triển của tia phun, bay hơi, hòa trộn, tỏa nhiệt ở các không gian khác nhau trong buồng cháy bằng việc phân chia không gian trong xi lanh thành 2 hay nhiều vùng. Mỗi vùng được xem như một hệ thống nhiệt động học hòa trộn mở, bởi vậy mô hình này có thể xác định được nhiệt độ và thành phần hóa học cục bộ của từng vùng và cuối cùng là động học tỏa nhiệt khi cháy. Với việc phân chia tia phun thành nhiều vùng, mô hình bao gồm các mô hình thứ cấp (mô hình con) như: mô hình phát triển tia phun, thâm nhập và hòa trộn, bay hơi của các hạt, truyền nhiệt của vùng, ... Hình 2.8 mô tả cách phân chia các vùng của tia phun và 34 quy luật đánh số thứ tự của các vùng trong mô hình DI-jet ứng dụng trong phần mềm mô phỏng GT-Power [9], [2]. Hình 2.8. Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng, [2], [9] Theo hình 2.8, tia phun được phân chia thành 5 vùng hướng kính và tối đa là 80 vùng dọc theo trục tia và cách đánh số các vùng; ngoài ra còn cho thấy sự thâm nhập, hòa trộn không khí và sự bay hơi của các hạt nhiên liệu khác nhau ở các vùng hướng kính; ở vùng xa trục tia có tốc độ thâm nhập của không khí nhanh hơn do đó tốc độ phát triển vào sâu của chúng cũng giảm hơn so với vùng gần tâm trục tia. Trong mô hình DI-jet có đề cập đến mô hình phun, mô hình này được thiết lập như là một mô hình con của mô hình cháy và đề cập tới động học tia nhiên liệu như: độ xuyên sâu (độ dài) của tia phun, vấn đề phân rã hạt, sự thâm nhập của không khí vào tia phun, sự bay hơi của các hạt, cháy trễ cũng như tốc độ tỏa nhiệt khi cháy. Cơ sở toán học của mô hình DI-jet được trình bày cụ thể trong [2], [9]. 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 35 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 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 [2]; 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 [2]:  = C1V-0.06p0.8Tg-0.4(Cm + C2)0.8 (2.1) 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 6 ds  - 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. 36 Trong mô hình Hohenberg (công thức 2.1), 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. Hohenberg cho 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 2.9. [độ GQTK] Hình 2.9. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán theo phương trình của Woschni và Hohenberg, [2] Trong mô hình đề xuất bởi Hohenberg cho phép