Ứng dụng mềm AVL mô phỏng động cơ FAWDE 4DX23

DANH MỤC BẢNGBảng 1-1: Các tiêu chuẩn EURO giới hạn lượng phát thải cho xe tải nặng sử dụng động cơ diesel, g/kWh với khói là g /kW m -1 Bảng 2-1: Các hệ số của phương trình trao đổi n

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.1 Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu EURO 3

1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 5

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu 6

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

1.4 Nội dung 7

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LUÂN HỒI KHÍ THẢI TRÊN AVL BOOST 8

2.1 Giới thiệu chung về phần mềm AVL BOOST 8

2.2 Lý thuyết cơ bản 9

2.2.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất 9

2.2.2 Lý thuyết cháy Vibe 12

2.2.3 Truyền nhiệt 13

2.2.4.Tính toán cụm tuabin máy nén 17

2.2.5 thuyết vibe 2 18

2.3 Ứng dụng của phần mềm AVL BOOST tính toán phần khí thải của động cơ FAWDE- 4DX23 20

2.3.1 Các thông số cơ bản của động cơ FAWDE- 4DX23 20

2.3.2 Xây dựng mô hình 21

2.3.3 Kiểm chứng độ chính xác của mô hình 23

2.3.4 Kết quả mô phỏng 23

2.4 Kết luận chương 3 23

Chương 3 24

3.1 Kết luận chung 24

3.2 Hướng phát triển trong tương lai 25

Tài liệu tham khảo: 26

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1: Các tiêu chuẩn EURO giới hạn lượng phát thải cho xe tải nặng

sử dụng động cơ diesel, g/kWh (với khói là g /kW m -1 )

Bảng 2-1: Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải

Bảng 2-2 Các thông số kết cấu của động cơ FAWDE- 4DX23-110

Bảng 2-3: Các phần tử của mô hình mô phỏng của hình 2-3

Bảng 2.4: Bảng đánh giá độ chính xác của mô hình

Bảng 2.5: Bảng so sánh về chất thải của hai mô hình

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ, giữ vai trò quan trọngtrong nhiều ngành kinh tế quốc dân như nông nghiệp, giao thông vận tải đường bộ,đường biển, đường không cũng như nhiều ngành công nghiệp khác Sản lượngđộng cơ đốt trong ngày nay trên thế giới đã đạt mức 30 triệu chiếc / năm và sảnlượng còn có thể tăng hơn nữa Trong nhiều nước công nghiệp phát triển, ngành cơkhí năng lượng bao gồm cả công nghiệp Ô tô, thường đứng ở vị trí thứ ba saungành điện tử công nghiệp và ngành hoá học Số lượng lao động trong ngành động

4 đốt trong và thiết bị liên quan đến động cơ đốt trong chiếm tỷ lệ cao trong laođộng toàn xã hội Đi kèm với phát triển của xã hội là tình trạng ô nhiễm môi trường

và nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt

Với điều kiện nước tại như hiện nay, nền công nghiệp động cơ phát triển (long gópmột phần to lớn vào sự phát triển của đất nước Vì vậy việc nắm bắt tnguyên lý, kếtcấu cũng như những tiến bộ khoa học tiên tiến nhất hiện nay vào việc nâng caohiệu quả, tính kinh tế của động cơ đốt trong là hết sức quan trọng đối với một kỹ sư

ô tô Với lý do như vậy, nhóm em quyết dịnh chọn đề tài: Xây dựng mô phỏngđộng cơ FAWDE- 4DX23 bằng phần mềm AVL BOOST

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu chung

Theo quyết định số 249/2005/QĐTTg ngày 10/10/2005 của thủ tướng chínhphủ, ngày 1/7/2007 Việt Nam sẽ chính thức áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO II.Đồng thời một lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn EURO cao hơn nữa cũng được thảoluận và sẽ được áp dụng trong một tương lai không xa Với những tiểu chuẩnEURO cao hơn như EURO III và đặc biệt là EURO IV, V, những thành phần độchại như HC, CO, PM…đặc biệt là NOx ngày càng được thắt chặt Điều đó đòi hỏicần có những biện pháp xử lý trong động cơ như luân hồi khí thải hay dùng bộ xúctác DeNOx Luân hồi khí thải là một biện pháp được dùng phổ biến do khá hiệuquả trong việc giảm lượng phát thải NOx đối với động cơ diesel

1.1.1 Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu EURO

Năm 1987, tại Châu Âu, một dự luật hoàn chỉnh quy định giá trị nồng độ giớihạn của các loại khí thải mới được thông qua và người ta vẫn thường gọi đó làEURO 0 Trải qua 18 năm, thêm 4 tiêu chuẩn nữa được ban hành bao gồm: Euro Inăm 1992, EURO II năm 1996, Euro III năm 2000 và EURO IV năm 2005 Vớimỗi tiêu chuẩn mới ra đời, nồng độ giới hạn của khí thải lại thấp hơn tiêu chuẩntrước Tiêu chuẩn EURO áp dụng cho tất cả các loại xe trên 4 bánh lắp động cơ đốttrong chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu, LPG (Liquefied Petroleum Gas) và chia theotính năng như: xe du lịch, xe công suất nhỏ, xe công suất lớn và xe bus

Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu rất chú ý giới hạn lượng phát thải của động cơdiesel xe tải nặng đặc biệt là EURO III, EURO IV Các tiêu chuẩn này còn đòi hỏinhững biện pháp tự chuẩn đoán ngay trên xe (OBD – Onboard Diagnostic), khi xetải có lỗi dẫn đến tăng lượng phát thải của động cơ, hệ thống phải cảnh báo cho lái

xe biết

Bảng 1-1 dưới đây thể hiện cụ thể lượng phát thải với các thành phần độc hại

khác nhau đối với xe tải nặng sử dụng động cơ diesel Tất cả các phép đo đều đượctiến hành theo các qui trình thử tiêu chuẩn

có hiệu lực

Chutrình thử

CO

Trong đó ECE R-49 là chu trình thử steady-satete 13-mode

ESC – European Sationary Cycle

ELR – European Load Response

ETC – European Transient Cycle

Bảng 1-2: Các tiêu chuẩn EURO giới hạn lượng phát thải cho xe tải nặng sử

dụng động cơ diesel, g/kWh (với khói là g /kW m -1 )

Với động cơ diesel thông thường chỉ cần qua chu trình thử ESC/ELC Vớiđộng cơ sử dụng các phương pháp xử lý khí thải (xúc tác NOx và DPF) cần qua cácchu trình ESC/ELC + ETC Độ mờ của khói đươc đo trên chu trình thử ELR.

1.1.2 Động cơ diesel xe tải nặng

Động cơ diesel không chỉ khác động cơ xăng ở chỗ dùng một loại nhiên liệukhác Hầu hết các phương tiện giao thông được dùng động cơ xăng trong khi các xetải thường dùng động cơ diesel bởi tính kinh tế của chúng Điểm khác nhau giữađộng cơ diesel và xăng là :

 Quá trình đốt cháy nhiên liệu: Động cơ xăng hoà trộn hỗn hợp trong đường

nạp và nén trong kỳ nén để đốt cháy bằng tia lửa của bugi Động cơ dieselnạp vào động cơ chỉ có không khí, nén chúng trong kỳ nén sau đó phunnhiên liệu vào không khí nén đẻ hình thành hỗn hợp Nhiệt độ và áp suất caocủa khí nén áp suất cao sẽ làm nhiên liệu bốc cháy

 Tỷ số nén: Động cơ xăng có tỷ số nén chỉ khoảng từ 8 đến 12 trong khi động

cơ diesel có tỷ số nén rất cao, từ 14 đến 25 Do có tỷ số nén cao hơn nênđộng cơ diesel có hiệu suất cao hơn động cơ xăng

 Nạp nhiên liệu: Động cơ xăng nói chung thường dùng bộ chế hoà khí để tạo

hỗn hợp hay vòi phun điện tử để cấp nhiên liệu vào đường nạp (bên ngoàixilanh) Động cơ diesel được phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy tạicuối kỳ nén

 Quá trình hoà trộn nhiên liệu: động cơ xăng có quá trình hoà trộn nhiên

liệu dài và đồng đều trong khi động cơ diesel có quá trình hoà trộn nhiên liệungắn và không đồng đều…

Động cơ diesel được dùng phổ biến trên các phương tiện vận tải cả đường bộ

và thuỷ và có vai trò rất quan trọng nền kinh tế quốc dân Do đó, nghiên cứuphát triển động cơ diesel là một trong những chiến lược phát triển kinh tế

1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu

1.2.1 Mục đích

Xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ FAWDE- 4DX23 bằng phầnmềm AVL - BOOST

So sánh kết quả mô phỏng khi sử dụng 2 mô hình cháy Vibe và Vibe 2 vùng

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu

Trong điều kiện sử dụng ở nước ta, ô tô cỡ nhỏ và trung bình ngày càng được

sử dụng rộng rãi do khả năng di chuyển tốt trên các tuyến đường nội đô và đườngnông thôn Theo Cục Đăng kiểm Việt Nam, trong số các ô tô tải đã đăng ký lưuhành tại Việt Nam, ô tô có tải trọng nhỏ và trung bình có số lượng tương đối lớn[4]

Với các loại ô tô tải nhỏ và trung bình, loại động cơ được sử dụng nhiều nhất

là động cơ có công suất trên dưới 100 KW Tham khảo thực tế thị trường và để phùhợp với tình hình sử dụng ô tô tải hiện nay, đề tài chọn động cơ để nghiên cứu thựcnghiệm là động cơ FAWDE- 4DX23 làm động cơ nghiên cứu mô phỏng và thựcnghiệm Động cơ FAWDE- 4DX23 là động cơ diesel tăng áp được sản xuất tại củaTrung Quốc Loại động cơ này được sử dụng trên các ô tô khách, ô tô tải cỡ nhỏ vàtrung bình

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Tại Việt Nam số lượng phương tiện cơ giới đường bộ ngày càng được sử dụng nhiều và được trang bị động cơ đốt trong, số lượng này hàng năm tăng lên nhanh chóng đặc biệt tại các thành phố lớn Trên thế giới sản lượng động cơ đót trong khoảng 30 triệuchiếc / năm và sản lượng còn có thể tăng hơn nữa Nhiên liệu sử dụng chính vẫn là

2 loại nhiên liệu truyền thống đó là xăng và diesel Điều này đẫn đến nhiên liệu hóathạch ngày càng cạn kiệt và tình trạng ô nhiễm môi trường trở lên trầm trọng Đây

là một bài toán đang thách thức rất nhiều các quốc gia trên thế giới làm thế nào đểgiảm thiểu ô nhiễm cũng như hạn chế được việc khai thác tài nguyen một cách kiệtquệ Nhiều quốc gia đã đưa ra các giải pháp đó là sử dụng các loại nhiên liệu mớinhư: ethanol, nhiên liệu sinh học hoặc là các loại động cơ lai, động cơ điện Đối vớiViệt Nam – là một đất nước đang phát triển chúng ta cũng đang tìm những giảmpháp để khắc phục và hạn chế tình trạng trên Vậy lên nhóm em quyết định chọn đềtài tìm hiểu và nghiên cứu động cơ FADE- 4DX23 từ đó tiến rới nghiên cứu nhữnggiải pháp công nghệ để khắc phục các tình trạng trên.

1.4 Nội dung

Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần chính:

 Cơ sở lý thuyết sử dụng trong quá trình tính toán và mô phỏng

 Kết luận chung và hướng phát triển

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã đưa ra các nghị định của nhà nước cũng như tiêu chuẩn khí thảicủa châu âu Đồng thời cũng nêu ra một số điểm khác biệt giữa động cơ diesel vàđộng cơ xăng Để từ đó làm rõ đối tượng nghiên cứu và mục đích của đề tài Qua

đó làm sáng tỏ ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 4DX23 TRÊN AVL BOOST

2.1 Giới thiệu chung về phần mềm AVL BOOST

chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho các trương chình tính toán chính Việc phân tích kết

quả được hỗ trợ bởi một bộ hậu vi sử lý tương tác Công cụ tiền xử lý mới trênphiên bản 5.0 AVL Workspace Graphical User Interface gồm một mô hình sắp xếp

và chỉ dẫn các dữ liệu đầu vào cần thiết Mô hình tính toán của động cơ được thiết

kế bằng cách chọn các phần tử (element) từ cây thư mục phần tử bằng cách kíchchuột và liên kết lại bằng phần tử đường ống (pipe) Theo cách này thì ngay cả cácđộng cơ rất phức tạp cũng có thể được mô hình hoá một cách đơn giản, có rất nhiềuphần tử trong phần mềm BOOST

Chương trình chính gồm các thuật toán mô phỏng được tối ưu hoá cho tấtcác các phần tử Dòng khí trong ống được coi như chuyển động theo một phương.Điều đó có nghĩa là áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng khí thu được từ những phươngtrình khí động học là giá trị trung bình trên toàn bộ đường ống Tổn thất dòng khí

do hiệu ứng ba chiều, tại những vị trí cụ thể của động cơ được thể hiện bằng hệ sốcản Trong trường hợp hiệu ứng ba chiều cần lượng xem xét chi tiết hơn thìBOOST sẽ được liên kết với phần mềm FIRE Nó giúp ta có thể mô phỏng đa chiềudòng khí tại những chi tiết quan trọng có thể kết hợp với mô phỏng một chiều cácchi tiết khác Phần mềm còn có thể mô phỏng động học của xi lanh, quá trình quétkhí của động cơ 2 kỳ cũng như mô phỏng chuyển động phức tạp của dòng khí trongcác phần tử giảm thanh

Công cụ hậu xử lý IMPRESS Chart và PP3 cho phép phân tích và đưa ra kếtquả mô phỏng theo nhiều dạng khác nhau Tất cả các kết quả đề có thể được sosánh với các kết quả đo cũng như kết quả tính toán trước đó Thêm nữa, phần mềmcho phép trình diễn kết quả dạng động, điều đó cho phép phát triển những giải pháptối ưu những vấn đề của người sử dụng

2.2 Lý thuyết cơ bản

2.2.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất

Trong động cơ đốt trong quá trình cháy là quá trình không thuận nghịch biếnnăng 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 hỗnhợp ban đầu thành sản phẩm cháy cuối cùng Cho tới nay, các phản ứng đó chỉ mớiđược 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 nhiệtđộng học thứ nhất để xác định mối tương quan giữa trạng thái đầu và cuối của quátrình cháy

Việc áp dụng định luật này không đòi hỏi phải biết diễn biến các giai đoạntrung gian của quá trình Định luật nhiệt động học thứ nhất thể hiện mối quan hệgiữa 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 đổichúng ta cần phải xác định trạng thái chuẩn zero của nội năng hay enthanpie của tất

dQ d

dQ d

dV p d

u

m

BB w F

c

, (2-1)

Trong đó:

: biến đổi nội năng bên trong xilanh;

:công chu trình thực hiện;

: nhiệt lượng cấp vào;

: biến thiên khối lượng dòng chảy.

Phương trình 2-1 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 trườnghợp trên là khác nhau Đối với trường hợp quá trình hình thành hỗn hợp bên trongxilanh 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 ởđiểm kết thúc quá trình cháy

Như vậy phương trình 3-1 sau khi biến đổi sẽ trở thành:

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;

(2-3)

Thiết lập quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ và tỷ trọng, từ phương trình 3-2 ta sửdụng phương pháp Runge-kutta giải để xác định nhiệt độ trong xilanh Từ đó sẽ xácđịnh được áp suất thông qua phương trình trạng thái

c c

c c BB

BB w u

c c

F

c

c c

c

V

m p

u 1 d

dV p u m p

u p u

h

.

d

dm d

dQ H

p p

u u 1 d dQ T

p p

u T

u m

1 d

V

p 1 .

2.2.2 Lý thuyết cháy Vibe

Quá trình cháy chịu ảnh hưởng của rất nhiều thông số, phần mềm AVLBOOST 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 đổihoặc thay đổi phụ thuộc vào từng chế độ làm việc của động cơ thông qua phươngtrình sau:

0 : điểm bắt đầu cháy;

c :khoảng thời gian cháy;

m : tham số đặc trưng cháy;

Tích phân phương trình 3-4 ta có:

 1 6 908  1 

908

x – phần trăm khối lượng môi chất đốt cháy

Hình 2-1 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 2-2 đồ thị mô tả ảnh hưởng của tham số đặc trưng cháy “m” đến hình

TK (độ) 1/ TK Tỷ lệ hỗn hợp cháy (-)

Hình 22 ảnh hưởng của tham số đặc trưng cháy.

1/ TK

TK (độ)

 1  908 6

động lực học đầu tiên được áp dụng cho khí đốt và khí không cháy tương ứng

Chỉ số b vùng bị đốt cháy

Chỉ số u vùng không cháy

Thuật ngữ bao gồm dòng entanpy từ vùng chưa cháy đến vùng bị cháy dochuyển đổi một khoản phí mới sang các sản phẩm đốt Thông lượng nhiệt giữa haikhu vực bị bỏ quên Ngoài ra, tổng các thay đổi âm lượng phải bằng với thể tích xilanh thay đổi và tổng thể tích vùng phải bằng thể tích hình trụ

Lượng hỗn hợp cháy ở mỗi quá trình được thu từ phương trình Vibe được thiếtlập sẵn Với tất cả những quá trình khác, như thoát nhiệt qua thành vách , các kiểukhác giống với kiểu vùng đơn với sự tham gia đủ trong hai vùng được sử dụng.Với động cơ xăng ( hỗn hợp được hòa trộn bên ngoài), một kiểu gõ tính toán hàm lượng octane tối thiểu được yêu cầu cho sự hoạt động không gõ Ngưỡng cho

sự khởi đầu của gõ được nếu vượt quá tích phân:

là sự đánh lửa chễ ở điều kiện vùng không cháy rộng hơn thời điểm trước khi đến điểm cuối của buồn cháy

Sự đánh lửa trễ cho kiểu gõ phụ thuộc vào hàm lượng octane trong nhiên liệu

và điều kiện xăng phụ thuộc vào:

2.2.4 Truyền nhiệt

2.2.4.1 Truyền nhiệt trong xilanh

Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắpxilanh, piston, và lót xilanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau:

(2-8)

Trong đó:

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:

(2-9)

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;

 c wi

w i

Q   

c x

e T

T

x DCT

L L

.

1 ,

DCT L

T

T c

, , ln

x : dịch chuyển tương đối của pittông (vị trí thực tế của pittông so vớitoàn bộ hành trình).

Đối với hệ số truyền nhiệt thì phần mềm BOOST cho phép lựa chọn một trong

4 mô hình sau:

 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 nhiệttrong động cơ thử nghiệm D1146TIS

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 môichất, nd = 8,5 n)

8 , 0

0 , 1

, 1 ,

1 , 2

1 53 , 0 8 , 0 2 ,

.

.

.

c D m

c c

V p

T V C c C T p D

