Nghiên cứu đặc tính dòng chảy không khí nạp trong động cơ dựa trên mô phỏng CFD

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14, tháng 10, 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH DÒNG CHẢY KHÔNG KHÍ NẠP

TRONG ĐỘNG CƠ DỰA TRÊN MÔ PHỎNG CFD

Nguyễn Phụ Thượng Lưu ¹

Nguyễn Thành Nhân²

¹Bộ môn Công nghệ ô tô, Trường Đại học Công nghệ TP.HCM

Email: [email protected]

²Khoa Cơ khí Động Lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Báo cáo tóm tắt: Động cơ đốt trong hiện đại được thiết kế, phát triển trong mục đích hội tụ cả hai

tiêu chí: hiệu suất nhiên liệu tối đa trong khi giảm thiểu các khí thải độc hại. Nghiên cứu quá trình nạp

động cơ chỉ ra được sự phân bố của hỗn hợp không khí-nhiên liệu, là cơ sở cho những cải tiến, tối

ưu quá trình cháy; từ đó nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm ô nhiễm môi trường. Trong nghiên cứu

này, quá trình nạp của động cơ xăng từ thời điểm piston ở điểm chết trên (ĐCT) đến khi đóng van

nạp hoàn toàn (220^oCrank Angle-CA) để xem xét đặc tính của dòng khí nạp trong xy lanh. Do sự hòa

trộn giữa khí sót và không khí nạp mới và sự truyền nhiệt với vách xy lanh, diễn biến của các thông

số nhiệt động học cho quá trình nạp cũng được xem xét. Hơn nữa, ảnh hưởng của van nạp lên sự

xoáy lốc và nhào lộn của khí nạp đã được thể hiện rõ trong nghiên cứu này.

Từ khóa: CFD, dòng chảy khí nạp, động cơ xăng 4 kỳ, hệ thống nạp, mô phỏng.

lanh động cơ thúc đẩy sự hình thành dòng

1 . GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

chảy rối có cường độ cao tại cuối quá trình

Dòng chảy của khí nạp trong xy lanh là

nén và dẫn đến hiệu quả rất tốt cho sự

chủ đề chính trong việc nghiên cứu, cải

cháy tiếp diễn sau đó. ^[4]

thiện đặc tính động cơ hơn 40 năm qua vì

chúng có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính

động cơ và khí xả^[1]. Khi động cơ làm việc,

vận tốc dòng chảy^[2]của lưu chất trong xy

lanh rất cao và hình thành hiện tượng rối

của dòng chảy. Sự hình thành của dòng

chảy rối trong xy lanh có tính chu kỳ và phụ

thuộc vào không gian-thời gian^[3]. Sự

chuyển động rối của dòng chảy khí nạp

mới trong xy lanh có lợi ích trong việc cải

thiện quá trình truyền năng lượng, hòa trộn

nhiên liệu và bay hơi. Hơn nữa, sự hiện

diện của chuyển động rối có ảnh hưởng

đáng kể đến chất lượng cháy bởi vì chúng

quyết định sự phân bố của hỗn hợp nhiên

liệu chi phối động lực học dòng chảy trong

xy lanh.

Hình 1. Minh họa sự xoáy (trái) và nhào

lộn (phải) của khí nạp trong xy lanh.

Việc xác định đặc tính dòng chảy của

khí nạp có thể được thực hiện bằng

phương pháp thực nghiệm hoặc mô phỏng

số. Phương pháp mô phỏng số tỏ ra hiệu

quả khi cần tìm hiểu chi tiết về đặc tính

dòng chảy và cho kết quả trực quan. Vì

vậy, nghiên cứu này sử dụng phương pháp

mô phỏng số để nghiên cứu dòng khí nạp

đi vào trong xy lanh động cơ xăng trong

quá trình nạp bằng phần mềm AVL-FIRE

Trong thiết kế động cơ, tối ưu dòng

chảy khí nạp với mong muốn để có sự

phân bố hỗn hợp hợp lí phải kết hợp sự

hình thành xoáy và nhào lộn bên trong xy

^[4][5]với mô hình rối được chọn (k- ). ^[6][7]

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14, tháng 10, 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

Tốc độ[vòng/phút]

2000

2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ

Thể tích xi lanh[dm³] 0.42

Trong nghiên cứu này đặc tính dòng

chảy khí nạp tại cửa nạp và trong xy lanh

động cơ được xác định bằng phương pháp

mô phỏng CFD. Phần mềm AVL-Fire được

sử dụng mà sự mô phỏng số dựa trên

phương pháp thể tích hữu hạn để xác định

các giá trị áp suất, vận tốc, nhiệt độ...dựa

trên các phương trình toán học như

phương trình liên tục, phương trình bảo

toàn động lượng, phương trình năng

lượng. Mô hình 3D động cơ được xây

dựng từ phần mềm Solidworks, sau đó mô

hình được đưa vào AVL cho việc xây dựng

vùng tính toán số.

Mô hình động cơ được xem xét là

động cơ một xy lanh đơn, 2 van nạp với 2

đường gió nạp đi vào và phân bố đều đến

mỗi van nạp. Bán kính cong của van nạp là

45^o. Động cơ xăng phun nhiên liệu trên

đường ống nạp được sử dụng phổ biến

hiện nay và hầu hết chúng đều có piston

đỉnh phẳng. Vì vậy, đỉnh piston dạng phẳng

cũng được xây dựng trong mô hình động

cơ mô phỏng. Mô phỏng được thực hiện

trong 220^ocủa góc quay trục khủyu bao

gồm từ lúc piston tại điểm chết trên [0^oCA]

đến khi van nạp đóng hoàn toàn[220^oCA].

2.2. Các phương trình mô hình toán học

Các phương trình chi phối động

2.1. Mô hình động cơ

Mô hình động cơ trong nghiên cứu

này là động cơ xăng với các thông số như

ở bảng 1 và hình ảnh động cơ được xây

dựng từ Solidworks như trong hình 2.

lực học cho dòng chảy chất khí được áp

dụng để diễn tả sự bảo toàn của khối

lượng, động lượng và năng lượng. Đặc

tính của khí nạp trong xy lanh được xem

xét đến đặc tính của lưu chất nhớt, nén

được và khí lý tưởng. Hơn nữa, trong quá

trình mô phỏng số, để xác định các thông

số cường độ rối và độ tiêu tán rối, 2

phương trình của mô hình rối k- cho

Hình 2. Mô hình động cơ cho nghiên cứu

quá trình nạp.

dòng chảy rối tại số Reynold cao được áp

dụng và được trình bày như sau:

Bảng 1: Các thông số động cơ.

Phương trình bảo toàn khối lượng:

Thông số động cơ

Loại động cơ

Đường kính xi

lanh[mm]

Giá trị

Xăng, xi lanh đơn

80

(1)

Hành trình

81.4

137

Phương trình bảo toàn động lượng:

piston[mm]

Chiều dài thanh

truyền[mm]

Tỉ số nén

12.5

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14, tháng 10, 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

,

là các hệ số của phương trình

mô hình rối k- và chúng có giá trị như

sau:

(2)

Bảng 2: Các giá trị hằng số.

Phương trình năng lượng

1.44 1.92 0.8

0.33

1

1.3

Trong nghiên cứu này, công cụ Fram

Engine Flus đã tích hợp sẵn trong AVL-Fire

được sử dụng để rời rạc hóa miền tính

toán thành các thể tích hữu hạn. Quá trình

rời rạc hóa xảy ra theo điều kiện dịch

chuyển tịch tiến của piston từ ĐCT đến

ĐCD, lưới thể tích được tạo ra chủ yếu là

lưới lục giác vì lưới lục giác có độ chính

xác và ổn định tốt hơn so với lưới tứ

diện^[8]. Số ô lưới được tạo ra khi piston tại

ĐCT khoảng 168,498 và khoảng 436,286

khi piston tại ĐCD; hơn một nữa của số

lượng lưới kể trên tập trung tại vùng van

nạp và buồng cháy như minh họa hình 3.

Mật độ lưới số có ảnh hưởng lớn đến độ

chính xác của lời giải số, trong nghiên cứu

này mật độ lưới được chọn căn cứ trên mô

phỏng của tác giả khác trên mô hình động

cơ có thể tích làm việc tương tự^[8].

(3)

Trong các phương trình trên

là mật độ

lưu chất [kg/m³], u là vận tốc của lưu chất

[m/s], p là áp suất [Pa], là tensor ứng

suất tiếp nhớt, S_ilà lực tác dụng bên

ngoài[N],

là tensor ứng suất Reynolds,

H là enthalpy nhiệt và Q_hlà nguồn nhiệt.

Phương trình mô hình rối k- tiêu chuẩn:

(4)

Hình 3: Cấu trúc lưới trong quá trình mô

phỏng

(5)

Lưu chất được chọn trong quá trình

mô phỏng là không khí, nhớt và nén được.

Mô hình k-e tiêu chuẩn với số Reynolds

Trong đó P là lực căng bề mặt[N], G là lực

vật thể[N], là độ nhớt rối;

,

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14, tháng 10, 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

cao được sử dụng để giải quyết các vấn đề

piston tại ĐCT được xem là nhỏ nhất và

lưu chất trong xy lanh lúc này là khí đã

cháy của chu trình trước đó. Thông qua mô

phỏng, thể tích trong xy lanh khi piston tại

ĐCT trên là 3.46E-05[m³] và thể tích lớn

nhất trong xy lanh đạt được khi piston đi

xuống của piston tại ĐCT là 4.2E-04[m³].

Quan hệ bậc hai giữa thể tích xy lanh và

góc quay trục khuỷu được thể hiện trên

hình 4.

về dòng chảy rối trong xi lanh^[9]. Giải thuật

Simple được chọn để giải các phương

trình toán học cho sự xác định các thành

phần vận tốc - áp suất của vùng tính toán.

Mô phỏng được thực hiện tại 0^oCA khi

piston ở ĐCT và kết thúc khi van nạp đóng

hoàn toàn (220^oCA), bước tính toán được

sử dụng cho mỗi 1^oCA. Các điều kiện biên

trong quá trình mô phỏng như ở bảng 3.

Không khí nạp đi vào xi lanh được giả thiết

đến khí lí tưởng.

Bảng 3: Các giá trị điều kiện biên

Điều kiện biên

Khí nạp vào [Kgs]

Thành ống nạp [K]

Piston [K]

Giá trị

Thay đổi

Wall, 330

Wall, 450

Wall, 330

Wall, 450

Intake valve [K]

Chamber [K]

Hình 4. Thể tích trong xy lanh trong quá

trình nạp theo góc quay trục khuỷu.

3.2. Vận tốc dòng chảy khí nạp

Cylinder [K]

Hình 5 trình bày vận tốc dòng chảy

Ngoài ra, các điều kiện ban đầu cũng

được cung cấp cho quá trình giải số. Áp

suất ban đầu được giả định là 1.15bar và

nhiệt độ khí sót là 900K tại bắt đầu quá

trình nạp (piston tại ĐCT). Lượng khí sót

dư trong buồng đốt được giả định đến giá

trị 1 tại bắt đầu quá trình nạp (equivalence

ratio = 1, toàn bộ khí trong xi lanh tại thời

điểm 0^oCA là khí sót). Động năng rối k

được giả định đến 5% tốc độ trung bình

của piston.

của khí nạp đi vào xy lanh trong quá trình

nạp động cơ. Tốc độ dòng chảy không có

sự chuyển biến rõ rệt tại vị trí piston của

ĐCT khi mà độ nâng van nạp nhỏ. Sau đó

dòng khí nạp đi vào trong xy lanh động cơ

với vận tốc tăng dần theo sự chuyển động

đi xuống của piston. Tuy nhiên vận tốc

trung bình dòng chảy khí nạp đạt cực đại

khi piston đi được khoảng nữa hành trình

của quá trình nạp và tại thời điểm này cũng

tương đương với vận tốc piston là lớn

nhất.

3.KẾT QUẢ.

3.1 Thể tích xilanh

Trong quá trình nạp, piston di chuyển từ

ĐCT đến ĐCD và thể tích trong xy lanh

tăng dần. Vùng thể tích mà piston đi qua

sẽ được điền đầy bởi không khí nạp mới.

Khi động cơ làm việc, thể tích xilanh khi

Thông qua trường vận tốc dòng chảy

có thể nhận thấy rằng tốc độ dòng khí nạp

trong quá trình nạp là không đều về thời

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14, tháng 10, 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

gian (theo góc quay trục khuỷu) và cả

trên hình 4 mô tả giá trị vận tốc theo cả ba

thành phần trục tọa độ. Sự phân bố vận

tốc không đồng đều từ các hình về trường

vận tốc dòng chảy là cơ sở có thể dự đoán

khả năng hình thành những vùng xoáy lốc

và nhào lộn của khí nạp trong xi lanh trong

suốt hành trình này

không gian (bên trong xi lanh). Bên trong xi

lanh, có sự hình thành của những vùng có

vận tốc trung bình dòng chảy đạt được hơn

20[m/s] và cũng có những vùng có vận tốc

dòng chảy là 0[m/s]. Tuy nhiên, cũng cần

chú ý rằng giá trị vận tốc được thể hiện

Vận tốc dòng chảy khí nạp[m/s]: 5^oCA

Vận tốc dòng chảy khí nạp[m/s]: 60^oCA

Vận tốc dòng chảy khí nạp[m/s]: 120^oCA

Vận tốc dòng chảy khí nạp[m/s]: 180^oCA

Hình 5: Vận tốc dòng chảy khí nạp theo góc quay trục khuỷu.

Trong thực tế vận hành của động cơ đốt trong,

thời điểm đóng van nạp được kéo dài sau

ĐCD bởi góc đóng muộn van nạp. Chính yếu

tố này đã hình thành giai đoạn nạp thêm của

quá trình này. Hình 6 (trái) minh họa khí nạp

vẫn tiếp tục đi vào xy lanh khi piston đã đi qua

ĐCD 20^ogóc quay trục khuỷu và quá trình nạp

đã thật sự kết thúc tại 220^ogóc quay trục

khuỷu khi mà van nạp đã gần như đóng hoàn

toàn (phải)

Vận tốc dòng chảy khí nạp[m/s]:

200^oCA

220^oCA

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14, tháng 10, 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

Hình 6. Vận tốc dòng chảy theo góc quay trục khuỷu trong giai đoạn đóng muộn van nạp.

3.3 Áp suất trong xy lanh

Áp suất trong xy lanh được theo các

đi xuống của piston. Sự chênh lệch này tiếp

tục tiếp diễn tại những vị trí thấp hơn của

piston trong suốt quá trình nạp

góc quay trục khuỷu được minh họa trong hình

7. Tại 5^oCA đã có sự chên lệch giữa áp suất

trong xy lanh và cửa nạp bởi sự chuyển động

Áp suất trong xy lanh[Pa]: 5^oCA

Áp suất trong xy lanh[Pa]: 60^oCA

Áp suất trong xy lanh[Pa]: 120^oCA

Áp suất trong xy lanh[Pa]: 180^oCA

Áp suất trong xy lanh[Pa]: 200^oCA

Áp suất trong xy lanh[Pa]: 220^oCA

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14, tháng 10, 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

Hình 7. Áp suất trong xy lanh trong quá trình nạp

Tại ĐCD của quá trình nạp, chênh

lệch áp suất giữa trong xy lanh và cửa nạp

tăng lên bởi sự đóng dần của van nạp làm

khe hở đi vào của dòng khí giảm dần. Giai

đoạn đóng muộn van nạp đã minh họa và

chứng minh hiệu quả của nó đối với việc

tăng hiệu suất nạp trong động cơ đốt trong.

phương pháp mô phỏng số sử dụng

chương trình mô phỏng AVL-Fire. Mô hình

rối k-e tiêu chuẩn, cho sự xác định vận tốc,

áp suất tại các vùng thể tích số cùng với

những điều kiện dòng chảy nhớt, không

đều của lưu chất nạp được áp dụng trong

suốt quá trình mô phỏng. Nghiên cứu chỉ

ra một số kết luận như sau:

- Thông qua phương pháp mô phỏng

cho quá trình nạp động cơ, đặc tính

của khí nạp thể hiện một cách trực

quan và có ý nghĩa cao trong công tác

nghiên cứu-tìm hiểu ứng xử phức tạp

của khí nạp.

- Sự hình thành của những vùng xoáy

lốc và nhào lộn khí nạp bởi ảnh hưởng

của van nạp lên đặc tính dòng khí nạp.

- Phân bố nhiệt độ trong xi lanh trong

suốt quá trình nạp mà kết quả từ sự

hòa trộn của khí nạp mới với khí sót và

sự truyền nhiệt giữa vách xi lanh,

buồng đốt, piston với khí nạp mới.

- Diễn biến của quá trình khí nạp đi

vào trong xi lanh và áp suất trong xi

lanh theo độ mở của van nạp và

chuyển động của piston.

Hình 8. Áp suất trong xy lanh trong quá

trình nạp.

Minh họa áp suất trong xy lanh trong

suốt quá trình nạp được thể hiện qua hình

8. Sau 120^oCA áp suất trong xy lanh tăng

dần một cách rõ rệt và lớn hơn áp suất môi

trường. Tuy nhiên, sau 120^oCA khí nạp

vẫn tiếp tục đi vào trong xy lanh như minh

họa trên hình 6 & 7 bởi động năng của

chúng.

Nghiên cứu đặc tính chảy rối của khí

nạp có ý nghĩa rất lớn đối với việc tối ưu hệ

thống nạp và góp phần trong công tác cải

thiện đặc tính vận hành (kinh tế nhiên liệu

và khí xả) cho động cơ đốt trong. Xuất phát

từ số lượng khổng lồ của động cơ đốt

trong hiện nay, cải thiện tính kinh tế nhiên

liệu của chúng sẽ góp phần giảm áp lực

lên vấn đề năng lượng hóa thạch toàn cầu

và có ý nghĩa đối với xã hội dưới góc độ

giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên,

thực tế vận hành của động cơ đốt trong,

Nghiên cứu áp suất trong xy lanh và ứng

xử của khí nạp trong suốt quá trình nạp từ

đó làm cơ sở cho việc đặt thời điểm đóng

mở van nạp, van xả (góc đóng muộn van

xả) hợp lý mà hạn chế sự thất thoát khí

nạp là mục tiêu mong muốn.

4. KẾT LUẬN

Trong nghiên cứu này, đặc tính của

dòng khí nạp trong quá trình nạp của mô

hình động cơ xăng đã được trình bày bằng

HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2017

Ngày 14, tháng 10, 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa-ĐHQG TP.HCM

quá trình nạp và đặc tính khí nạp bị ảnh

[4]. Heywood J.B. InternalCombustion

Engine Fundamentals. McGraw-

Hill, Singapore, 1988.

hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. Nghiên

cứu có thể mở rộng cho sự xem xét ảnh

hưởng của thời điểm đóng mở van nạp;

hình dạng piston, cửa nạp và các tốc độ

khác nhau để xem xét ảnh hưởng của

chúng.

[5]. Laimbock F.J., Meist G., Grilc S.

CFD Application In Compact

Engine Development. SAE

technical Paper No. 982016,

1998.

Tài Liệu Tham Khảo

[1]. Murali Krishna B., Bijucherian A.,

Mallikarjuna J.M. Effect of Intake

Manifold Inclination on Intake

Valve Flow characteristics of a

Single Cylinder Engine using

Particle Image Velocimetry.

Proceedings of World Academy

of Science, Engineering and

Technology, Vol 46, Oct. 2008,

pp.853.

[6]. Hori H., Ogawa T., Toshihiko K.

CFD In-Cylinder Flow Simulation

Of An Engine And Flow

Visualization. SAE Technical

Paper No. 950288, 1985.

[7]. Payri F., Benajes J., Margot X., Gil

A. CFD Modeling Of The

Incylinder Flow In Direct-Injection

Diesel Engines. Journal Of

Computers & Fluids, Vol.33,

2004, pp.995-1021.

[2]. Jakirlic S., Tropea C., Hadzic I., et

al. Computational Study Of Joint

Effects Of Shear Compression

and Swirl On Flow and

[8]. Kurniawan, W.H.; Abdullah, S.

Numerical analysis of the

combustion process in a four-

stroke compressed natural gas

engine with direct injection

system. Journal of Mechanical

Science and Technology 2008,

22, 1937-1944.

Turbulence In A Valveless

Piston-Cylinder Assembly. SAE

Transactions, 2001-01-1236,

pp.1402-1439, 2001.

[3]. Basha S.A., Gopal K.R. In-

Cylinder Fluid Flow, Turbulence

and Spray Models^_A Review.

Renewable and Sustainable

Energy Reviews, Vol. 13, Issues

6-7, Sep. 2009, pp. 1620-1627.

[9]. El Tahry, S. K-epsilon equation for

compressible reciprocating

engine flows. Journal of Energy

1983, 7, 345-353.

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.