TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 283
NGHIÊN CỨU SÁT LƯU LƯỢNG KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL
CÓ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SCR BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT
SURVEY STUDY OF EXHAUST GAS FLOW IN DIESEL ENGINE
USING SCR TECHNOLOGY WITH ANSYS FLUENT SOFTWARE
Lương Văn Tuân1,*, Đỗ Văn Tuấn2, Lê Hữu Chúc3
1Lớp KTOT 02 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp KTOT 04 - K16, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: tluongvan32@gmail.com
TÓM TẮT
Lưu lượng dòng khí chảy trong ống xử lí khí thải của động cơ diesel được khảo sát bằng ANSYS FLUENT để tính
toán động lực học chất lỏng. Bài báo sử dụng mô hình SST k – ω nghiên cứu khí động học ô tô trong điều kiện dòng chảy
rối. Tác giả đã thiết kế mô hình dạng 3D dựa trên đường ống xử lí khí thải động cơ diesel làm đối tượng nghiên cứu. Kết
quả mô phỏng cho thấy sự phân bố giá trị nhiệt độ, vận tốc, áp suất của luồng khí trong và trên thành ống. Qua đó, đánh
giá chất lượng truyền tải lưu lượng dòng khí qua hệ thống xử lí khí thải của động cơ. Đồng thời hiệu chỉnh thiết kế, quan
sát sự thay đổi khi điều chỉnh kích thước đường ống. Cho thấy sự tối ưu khi thiết kế và những giải pháp kiến nghị khi sản
xuất hệ thống xả.
Từ khóa: Ansys Fluent; Mô phỏng; Động học khí xả động cơ đốt trong.
ABSTRACT
The air flow rate in the exhaust gas treatment pipe of a diesel engine was investigated using ANSYS FLUENT to
calculate fluid dynamics. The article uses the SST k – ω model to study car aerodynamics in turbulent flow conditions.
The author designed a 3D model based on the diesel engine exhaust gas treatment pipeline as the research object. The
simulation results show the distribution of temperature, velocity, and pressure values of the air flow in and on the pipe
wall. Thereby, evaluating the quality of air flow transmission through the engine's exhaust gas treatment system. At the
same time, adjust the design and observe changes when adjusting the pipe size. Shows optimal design and recommended
solutions when manufacturing exhaust systems.
Keywords: Ansys Fluent; Simulation; Exhaust kinematics of internal combustion engines.
1. GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, xe hiệu suất cao đã được
phân phối rộng rãi do sự phát triển ngày càng tăng của
công nghệ ô tô. Ở hệ thống ống xả, khí thải từ mỗi ống xả
gắn trong động cơ được kết hợp với nhau để duy trì áp suất
khí xả ở trạng thái ổn định. Sự thay đổi về hình dạng hợp
lưu của các đường ống ảnh hưởng đáng kể đến công suất
động cơ, âm thanh ống xả và khí thải. Hiệu suất và chất
lượng tuyệt vời của những chiếc xe hiệu suất cao mới ra
mắt gần đây cũng làm tăng sự mong đợi của nhiều người
tiêu dùng. Hệ thống ống xả được điều chỉnh chủ yếu để cải
thiện hiệu suất lái xe thông qua việc nâng cấp hiệu suất
công suất của động cơ hoặc để có được âm thanh ống xả
độc đáo có thể gợi lên cảm xúc khi lái xe [1].
Trên thế giới đã có nhiều đề tài, công trình nghiên cứu,
bài báo khoa học có liên quan tới hệ thống xả động cơ đốt
trong. Công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Il-Seok
Kang và Sung-Mo Yang về ảnh hưởng của áp suất ngược
của hệ thống xả đối với độ yên tĩnh khi quay ở tốc độ thấp
[2]. Công trình sau đó của Bae, Myung-whan; Ku, Young
Jin và Park, Hui-seong tiếp tục nghiên cứu về hiệu ứng điều
chỉnh của ống nạp, ống nạp và bộ lọc không khí đối với hiệu
suất và lượng khí thải khi lái xe ô tô [3]. Đề tài của Taylor
đã nghiên cứu về dự đoán CFD và xác thực thử nghiệm
hành vi nhiệt ở nhiệt độ cao trong bộ chuyển đổi xúc tác [4].
Trong khi đó Cho, J.U.; Han, M.S đã nghiên cứu về ứng
suất nhiệt và phân tích dòng chảy tại ống xả của ô tô [5]. Và
nhiều các công trình nghiên cứu khác về xây dựng mô
phỏng hệ thống xả [6] [7] [8] [9]. Qua đó, đã cho thấy mối
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 284quan tâm rất lớn về nghiên cứu đánh giá về ống xả cổ góp
trên ô tô.
Trên cơ sở tìm hiểu và nghiên cứu, bài báo được tác
giả xây dựng tập trung vào việc nghiên cứu khí động học
đường xả của động cơ đốt trong. Đây là một bài toán vô
cùng khó khăn, khó khăn thứ nhất nằm ở mức độ phức tạp
của bài toán lý thuyết dựa trên phương trình Navier -
Stokes. Kể cả đối với những mô hình đã được đơn giản
hóa, khối lượng tính toán cần thực hiện là rất lớn đòi hỏi
phải có công cụ tin học đủ mạnh cả về phần mềm và phần
cứng. Khó khăn thứ hai là sự thiếu thốn về cơ sở vật chất,
trang thiết bị thí nghiệm.
Trong thời gian gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của các
phần mềm chuyên dụng đã mở ra một cơ hội mới cho các
nhà nghiên cứu trong việc mô phỏng và tính toán khảo sát
các hiện tượng vật lý phức tạp như dòng chảy không khí
bao quanh ô tô. Phần lớn các phần mềm này đều sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn được chuẩn hóa trong các mô
đun tính toán chuyên dụng. Với sự trợ giúp của các phần
mềm này, việc mô hình hóa, mô phỏng và tính toán sẽ trở
nên đơn giản hơn nhiều và hoàn toàn có thể được thực hiện
bởi những nhà nghiên cứu không có kiến thức chuyên sâu
về lập trình và phương pháp số. Trong bài báo, tác giả đã
ứng dụng phần mềm ANSYS FLUENT để đánh giá chất
lượng dòng chảy khí của đường xả động cơ dựa trên các yếu
tố: áp suất, vận tốc và nhiệt độ của dòng chảy.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Các phương trình cơ bản
Để mô tả dòng chảy của môi chất bất kỳ một cách đầy
đủ người ta thường sử dụng phương trình Navier-Stokes,
được viết dưới dạng một hệ gồm 3 phương trình: phương
trình bảo toàn khối lượng (còn gọi là phương trình liên tục),
phương trình bảo toàn động lượng và phương trình bảo toàn
năng lượng.
Các nghiên cứu về khí động học ô tô đã chỉ ra rằng, dòng
khí bao quanh là dòng chảy dưới âm với M < 0,3, nên có
thể chấp nhận giả thiết là chất khí không chịu nén [9]. Khi
đó, bài toán khí động học chỉ còn lại hai phương trình:
phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng.
Các phương trình này có thể được viết dưới nhiều dạng khác
nhau. Dưới dạng véc tơ, các phương trình mô tả khí động
học ô tô dưới dạng véc tơ được viết như sau:
Phương trình liên tục:
Phương trình bảo toàn động lượng:


=
−
 + 
(2)
Trong đó:
: vận tốc.
ρ : khối lượng riêng của không khí.
p : áp suất.
: lực thể tích.
v : độ nhớt động học của không khí.
2.2. Mô hình dòng chảy rối trong Fluent
Đối với bài toán dòng chảy rối, FLUENT cung cấp các
mô hình sau:
Mô hình “Spalart-Allmaras”;
Mô hình “k -ε” (“Standard k -ε”, “Renormalization-group (RNG)
k -ε”, “Realizable k -ε”);
Mô hình “k -ω” (“Standard k -ω”, “Shear-stress
transport (SST) k -ω”);
Mô hình “v2 - f”;
Mô hình “Reynolds stress model (RSM)”;
Mô hình “Detached eddy simulation (DES)” ;
Mô hình “Large eddy simulation (LES)”.
Trong 7 mô hình trên, 5 mô hình đầu thuộc dạng mô
hình RANS, 2 mô hình cuối cùng là dạng mô hình mô
phỏng phức tạp hơn loại mô hình RANS và có thể tiệm cận
được với dạng mô hình mô phỏng trực tiếp DNS.
Như đã trình bày trên đây, tác giả đã chọn mô hình SST
k - ω để mô phỏng dòng chảy không khí trong đường ống
xả. Như vậy, hệ phương trình sẽ gồm các phương trình (3)
và (4) phương trình bổ sung sau:
 +
 = (
)+ − + (3)
 + 
 = (
)
+− + + (4)
Γk và Γω đặc trưng cho sự khuếch tán của k và ω; Yk và
Yω đặc trưng cho sự tán xạ của k và ω trong dòng chảy; Dω
đặc trưng cho sự khuếch tán chéo; Sk và Sω là các thông số do
người sử dụng lựa chọn trong thư viện của FLUENT [10].
Các thành phần trong các phương trình (3) và (4) được
xác định như sau:
(5)
(6)
Độ nhớt dòng rối được mô tả thông qua k và ω:
=


∗
,
(7)
Trong đó α* được xác định như trong mô hình k - ω tiêu
chuẩn, a1 = 0,31
Thông số G trong các phương trình (3) và (4) được tính
như sau:
∼

(
,
10
∗

)
(8)
(9)

0
(1)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 285Các thông số trong các biểu thức trên được xác định tương
tự như mô hình tiêu chuẩn.
Các thông số Y được xác định bằng các biểu thức sau:
∗
(10)

(11)
Với β và β* được tính toán tương tự như mô hình k - ω
tiêu chuẩn.
Thành phần Dω trong phương trình (4) chính là phần tử
liên kết hai mô hình cơ sở tạo nên STT k - ω là mô hình k -
ε tiêu chuẩn và mô hình k - ω và được mô tả như sau:
= 2(1 − ),
 (12)
Trong đó, F1 được gọi là thông số liên kết, còn , =
1,168. Các thông số trong các phương trình được xác định
theo tài liệu hướng dẫn sử dụng FLUENT [10].
FLUENT sử dụng các mô hình phẳng (2D) và mô hình
không gian (3D) trong mô phỏng khí động học.
Trong đại đa số các bài toán khí động học, người ta sử
dụng mô hình 3D. Mô hình loại này có những ưu điểm
sau: Mô tả được đúng bản chất vật lý của mô hình và chất
lưu; Mô tả chi tiết các thông số của dòng chảy trong toàn
bộ khu vực mô phỏng; Áp dụng được cho mọi dạng mô
hình hình học.
Tuy nhiên, mô hình 3D có nhược điểm lớn là số lượng
phần tử lớn dẫn đến yêu cầu cấu hình máy tính mạnh, thời
gian mô phỏng dài, tốn chi phí hơn nhiều so với mô hình 2D.
2.3. Xây dựng mô hình 3D
Với những phân tích trên đây, để thực hiện việc mô
phỏng dòng khí chuyển động trong lòng thành ống xử lí khí
thải áp ứng yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy cao, tác
giả đã lựa chọn mô hình dạng 3D. Trên hình 1 thể hiện mô
hình đường ống xử lí khí thải của động cơ diesel dạng 3D
là đối tượng nghiên cứu.
Hình 1. Mô hình 3D đường ống xử lí khí thải động cơ
Các thông số kích thước của đường ống tham khảo đo
đạc dựa theo mô hình ống làm sạch khí thải động cơ diesel.
Chiều dài ống : 800 mm
Đường kính đầu vào: 56 mm
Chiều dày ống: 5 mm
Chiều dài kim phun: 90mm
Góc phun: 30°
Bảng 1. Thông số mô phỏng
1
Nhiệt độ đầu vào khí thải (inlet 1) 757,35 (oK)
2
Nhiệt độ đầu vào kim phun (inlet 2) 712 (oK)
3
Nhiệt độ thành ống (temperture wall)
293 (oK)
4
Áp suất đầu vào (pressure inlet) 0,333
(MN/m2)
5
Vận tốc đầu vào khí thải (inlet 1) 20,5 (m/s)
6
Vận tốc đầu vào kim phun (inlet 2) 75,5 (m/s)
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nhiệt độ
Tiến hành mô phỏng dòng khí chảy trong ống xả cổ góp
với mức nhiệt độ đầu vào bằng nhiệt độ cuối quá trình xả
(757,35oK), áp suất đầu vào bằng áp suất cuối quá trình xả
(0,333 MN/m2) và vận tốc đầu vào bằng 33 m/s.
Hình 2. Nhiệt độ trong trong ống và nơi hòa trộn với ure
Bảng 2. Bảng kết quả nhiệt độ trong và trên thành ống xả cổ góp
STT Thông số Đơn vị Kết quả
1 Nhiệt độ đầu vào khí
thải (inlet 1)
K 757,35
2 Nhiệt độ đầu vào kim
phun (inlet 2)
K 712
3 Nhiệt độ đầu ra K 715,2
4 Nhiệt độ trên thành ống
K 297
5 Nhiệt độ nơi hòa trộn K 815,3-922,3
Nhiệt độ lớn nhất tại nơi hòa trộn của 2 dòng khí
(815,3K -> 922,3K) .
Nhiệt độ trong lòng ống chính phân bố khá đều, do ống
thẳng. Có sự thay đổi sau khi hòa trộn. Nhiệt độ phân bổ
từ giữa lòng ống giảm dần ra thành ống.
Đầu ra nhiệt độ giảm do hao phí trong lòng ống xả, nhiệt
độ vỏ ống tác động không nhỏ khiến nhiệt độ khí đầu ra
giảm.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 2863.2. Vận tốc
Hình 3. Vận tốc dòng cháy khí trong ống
Bảng 3. Kết quả vận tốc trong và trên thành ống xả cổ góp
STT
Thông số Đơn vị
Kết quả
1 Vận tốc lớn nhất (tại nơi hội tụ)
m/s 75,66
2 Vận tốc nhỏ nhất (tại thành ống)
m/s 5,41
3 Vận tốc đầu ra m/s 38,87
Vận tốc phun khí từ kim phun cao nhất để đạt được độ
hòa trộn tốt nhất.
Vận tốc khí đi cạnh thành ống nhỏ nhất và tăng dần khi
ở trong lòng ống.
Sự phân bổ dòng khí tại nơi hòa trộn cho thấy dòng khí
chưa có sự hòa trộn đều, ure phun từ kim chỉ hòa trộn được
phần trên của ống.
4. HIỆU CHỈNH THIẾT KẾ
Từ kết quả mô phỏng với đường ống mô hình thẳng.
Nhận thấy mức độ hòa trộn giữa ure và dòng khí thải không
tốt, nhóm đã tiến hành cải tiến mô hình 3D, bằng cách thu
hẹp đường kính đường ống chính sau khi được bơm ure từ
kim phun, như vậy việc hội tụ và hòa trộn giữa 2 dòng khí
được tối ưu và tập trung hơn.
Cụ thể:
Đường kính đầu vào: 58mm (giữ yên ban đầu) .
Chiều cao, độ dày kim phun được giữ yên
Thu hẹp đường kính của ống sau khi phun ure (từ 56mm
-> 20mm)
Hình 4. Mô hình 3D ống xử lí khí thải sau khi hiệu chỉnh
Sau khi tiến hành mô phỏng lại, thu được kết quả:
Hình 5. Vận tốc dòng chảy khí trong ống sau khi hiệu chỉnh
Bảng 4. Kết quả vận tốc trong ống và nơi hòa trộn với ure sau khi
hiệu chỉnh
STT
Thông số Đơn vị
Kết quả
1 Vận tốc đầu vào khí thải (inlet 1)
m/s 20,5
2 Vận tốc đầu v
ào kim phun
(inlet 2) m/s 75,5
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 2873 Vận tốc tại nơi hòa trộn trư
ớc
khi hiệu chỉnh m/s 51,3
4 Vận tốc tại nơi hòa tr
ộn sau khi
hiệu chỉnh m/s 202,2
Qua đó, ta xây dựng được đồ thị so sánh vận tốc tại nơi
hòa trộn trước và sau hiệu chỉnh:
Nhận thấy rằng, khi điều chỉnh mô hình 3D bằng cách
thu hẹp đường kính ống sau phun ure (từ ∅56 xuống ∅30),
vận tốc lớn nhất tại nơi hòa trộn tăng khoảng 4 lần (từ 51,3
m/s lên 202,2 m/s). Kết quả vận tốc cho thấy mật độ dòng
chảy tại nơi hòa trộn dày hơn, nhanh hơn, khí thải được hoà
trộn cùng ure nhiều và đều hơn.
Hình 6. Vận tốc lớn nhất tại nơi hòa trộn trước và sau khi hiệu
chỉnh
5. KẾT LUẬN
Phần mềm Ansys Fluent thể hiện khả năng hỗ trợ ưu việt
trong giải quyết các bài toán dòng chảy nói chung và dòng
khí trong hệ thống xả ô tô nói riêng. Qua đó, kết quả nghiên
cứu đạt được một số mục tiêu trong việc xây dựng mô hình
mô phỏng; cho thấy sự thay đổi của dòng khí trong lòng ống
về nhiệt độ, vận tốc và áp suất, cũng như ảnh hưởng của khi
thiết kế hiệu chỉnh đường kính của ống xả.
Nhận thấy, nơi hội tụ các dòng khí xả là nơi chịu nhiệt
nhiều nhất, vận tốc lớn nhất, áp suất cao nhất. Các hãng sản
xuất đã rất chú trọng trong việc thiết kế đầu ra được dày
hơn, to hơn để chịu bền tốt, đáp ứng yêu cầu dòng chảy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Kang, I.S.; Yang, S.M, 1855, The Effect of Back Pressure Change on Exhaust Emissions According to the
Confluence Geometry of a Dual Exhaust System in Idling," Appl. Sci. 2022.
[2]. I. Kang, 2019, Influence of Back Pressure of an Exhaust System on Quietness at Low-Speed Rotation, J.
Korean Soc. Manuf. Process.
[3]. Bae, M.W, Ku, Y.J.; Park, H.S, 2016. A Study on Tuning Effects of Intake Manifold, Intake Pipe and Air
Filter upon Performance and Exhaust Emissions of Driving Car, Trans. Korean Soc. Automot.
[4]. Taylor, 1999, W. CFD Prediction and Experimental Validation of High-Temperature Thermal Behavior in
Catalytic Converters, SAE Tech. Pap.
[5]. Cho, J.U, Han, M.S, 2014, Study on Thermal Stress and Flow Analysis at Exhaust Manifold of Car.," Trans.
Korean Soc. Automot. Eng.
[6]. Kim, D.S, Kim, S.C, Hwang, S.H, Cho, Y.S, Ohm, I.Y, 2004, Estimation of Exhaust Gas Recirculation using
In-Cylinder Residual Gas Fraction in an SI Engine, Trans. Korean Soc. Automot. Eng.
[7] . Ruzal-Mendelevich, M, Katoshevski, D, Sher, E, 2016, Controlling nanoparticles emission with particle-
grouping exhaust-pipe, Fuel.
[8]. Shah, S, Kuppili, S, Hatti, K, Thombare, 2010, Practical Approach towards Muffler Design Development
and Prototype Validation, SAE Tech. Pap.
[9]. Tadeusz Stolarski, Y. Nakasone, S. Yoshimoto, 2007, Analysis with ANSYS Software.
[10].
Kent Lawrence-ANSYS Workbench Tutorial-Schroff Development Corp.