zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Nghiên cứu và mô phỏng quá trình nạp của động cơ không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ sử dụng CFD và DPM

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu và mô phỏng quá trình nạp của động cơ không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ sử dụng CFD và DPM trình bày một mô phỏng số sử dụng động lực học chất lỏng (CFD: Computational Fluid Dynamics) và mô hình pha rời rạc (DPM: Discrete Phase Model) được thực hiện để kiểm tra và so sánh quá trình nạp diễn ra trong động cơ không trục khuỷu hai kỳ khi khởi động.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu và mô phỏng quá trình nạp của động cơ không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ sử dụng CFD và DPM

Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Số 12/2022 Nghiên cứu và mô phỏng quá trình nạp của động cơ không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ sử dụng CFD và DPM A research and simulation of the charging process of small two-stroke free piston linear engines using CFD and DPM Huỳnh Văn Lộc1,*, Nguyễn Huỳnh Thi1, Trương Hoà Hiệp1 1 Trường Đại học Tiền Giang, 119 Ấp Bắc, Phường 5, Mỹ Tho, Tiền Giang, Việt Nam Thông tin chung Tóm tắt Ngày nhận bài: Bài báo này trình bày một mô phỏng số sử dụng động lực học 29/04/2022 chất lỏng (CFD: Computational Fluid Dynamics) và mô hình pha rời rạc (DPM: Discrete Phase Model) được thực hiện để kiểm tra Ngày nhận kết quả phản biện: và so sánh quá trình nạp diễn ra trong động cơ không trục khuỷu 18/05/2022 hai kỳ khi khởi động. Kết quả cho thấy mặc dù chênh lệch ± 3% Ngày chấp nhận đăng: nhưng hai mô hình cho thấy hiệu suất nạp với tốc độ 0,32m/s cao hơn 1,25m/s. 13/06/2022 Abstract Từ khóa: This paper presents a numerical simulation using Động cơ không trục Computational Fluid Dynamics (CFD) and Discrete Phase Model khuỷu; piston tự do; động lực (DPM) to test and compare the loading process couuring when a học chất lỏng; mô hình pha two-stroke free piston engine is started. The results show that rời rạc. despite a difference of ±3%, the two models illustrate that the Keywords: charging efficiency with a speed of 0.32m/s is higher than that of Free piston linear 1.25m/s. engines; free pistons; computational fluid dynamics; Discrete Phase Model. 1. GIỚI THIỆU động thẳng tự do giữa tâm điểm chết trên Động cơ đốt trong không trục khuỷu (TDC: top dead center) và tâm điểm chết phát điện tuyến tính (FPLE - free piston dưới (BDC: bottom dead center) và linear engine) là một động cơ đốt trong chuyển động của cụm piston được điều tuyến tính được loại bỏ tay quay và piston khiển bởi khí và lực tải tác dụng lên nó. chuyển động tự do trong xilanh. Với ưu Việc hủy bỏ cơ cấu tay quay cho phép điểm gọn nhẹ, hiệu suất cao [1], tỷ số nén piston di chuyển tự do giữa hai xilanh, tạo thay đổi nên thích hợp với nhiều loại nhiên cho động cơ ưu điểm về đặc tính linh hoạt, liệu khác nhau [2], giảm ma sát so với nhưng cũng đặt ra thách thức đối với sự ổn động cơ nhiệt thông thường [3]. Có thể định của động cơ. Mất ổn định ở đây là thấy, FPLE là một xu hướng nghiên cứu khống chế vị trí của TDC trước quá trình để cải thiện hiệu suất của xe hybrid. FPLE cháy, các vị trí khác nhau của TDC tạo ra được xem xét trong nghiên cứu này là loại áp suất cuối nén khác nhau ảnh hưởng đến piston kép hai kỳ. Cụm piston có chuyển công suất của động cơ. Có rất nhiều nghiên cứu liên quan về kiểm soát độ ổn * tác giả liên hệ, email: huynhvanloc@tgu.edu.vn, 0907 171 921 -79-
No.12/2022 Journal of Science, Tien Giang University định của FPLE và đề xuất các phương làm sạch không khí thấp hơn nhưng hiệu pháp kiểm soát khác nhau [4-7]. Những suất nạp hỗn hợp cao hơn [11-12]. nghiên cứu này chỉ tập trung vào việc điều Các nghiên cứu trên cho thấy quá khiển chuyển động của piston. Mặc dù đã trình trao đổi khí đã được mô phỏng và tối đạt được nhiều tiến bộ đáng kể, nhưng ưu hóa ảnh hưởng của các thông số thiết cách thức kiểm soát FPLE vẫn là một kế đến FPLE. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong những vấn đề cản trở việc thương này đã bỏ qua quá trình trao đổi khí trong mại hóa nó. Một yếu tố khác là khối lượng quá trình khởi động FPLE, quá trình này không khí và nhiên liệu bị giữ lại bên thường hoạt động ở tốc độ thấp nhưng trong buồng đốt. Các hỗn hợp bị mắc kẹt phải đảm bảo hiệu suất nạp hỗn hợp. làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi khí, Nghiên cứu này trình bày một mô phỏng trong đó có quá trình làm sạch. Đó được CFD để khảo sát cấu trúc và các thông số coi là chìa khóa để hiện thực hóa hiệu quả của quá trình trao đổi khí FPLE. Các tham đốt cháy và tiềm năng phát thải của động số kích thước được chọn dựa trên FPLE cơ [8]. Nhưng sự ổn định của trao đổi khí thực, chuyển động của piston tự do được là không thể đoán trước và khó khăn cho xây dựng dựa trên mô hình động lực học các kỹ thuật đo lường. để tính toán các biên dạng chuyển động CFD (Computational Fluid của piston. Trong nghiên cứu này, các Dynamics) là một công cụ rất hữu ích để thông số chính như tốc độ dịch chuyển phân tích khí trao đổi thông qua quá trình piston hoạt động ở tần số thấp và áp suất chuyển động của FPLE cũng như quá trình nạp là các thông số đầu vào. Hai phương quét khí. Blarigan và cộng sự, tại Phòng pháp CFD và mô hình pha rời rạc thí nghiệm Quốc gia Sandia, đã nghiên Eulerian-Lagrangian (DPM) được sử dụng cứu ảnh hưởng của các thông số thiết kế để theo dõi tỷ lệ các hạt hỗn hợp hoà khí như áp suất khí nạp, vị trí đầu vào và góc bị mắc kẹt và thoát ra khỏi hình trụ sau đó nghiêng đến hiệu quả nạp và hiệu quả hỗn tìm ra hiệu suất nạp và so sánh độ chính hợp được giữ lại của FPLE thông qua xác với nhau. CFD [9]. Kết quả nghiên cứu của họ chỉ ra 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU rằng trong giai đoạn đầu của quá trình trao đổi khí, một số khí đi từ cổng nạp đến 2.1. Mô hình hóa và mô phỏng cổng xả, gây ra tổn thất trực tiếp do hỗn Mô hình chuyển động hợp quét không sạch. Blarigan và cộng sự, Các lực cơ học tác dụng lên piston tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã bao gồm lực khí thể trong xilanh trái và giới thiệu cấu hình chuyển động piston phải, lực ma sát cơ học, lực quán tính và được mô hình hóa dựa vào KIVA-3V, mô lực kéo của cơ cấu chấp hành. Động lực phỏng nó để đạt được hiệu suất nạp của học của piston có thể được xác định bởi FPLE cơ bản với áp suất nạp không đổi định luật Newton II. bằng cách sử dụng mô hình CFD [10]. Kết quả cho thấy rằng một hệ thống trao đổi Fst + Fcyl – Fcyr – Ff = (1) khí với áp suất tăng giảm liên tục sẽ tối ưu Fcyl, Fcyr là lực khí thể tác dụng lên hóa hiệu suất và giảm lượng khí thải ô piston bên trái và bên phải động cơ nhiễm. Ngoài ra, một số nghiên cứu khác Fcyl = Pcyl S (2) cho thấy FPLE có tốc độ piston nhanh hơn động cơ thông thường, dẫn đến thời gian Fcyr = Pcyr S (3) trao đổi khí của FPLE ngắn hơn, hiệu suất -80-
Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Số 12/2022 Pcyl, Pcyr là áp suất trong xilanh trái dữ liệu đầu vào, cơ sở dữ liệu đầu vào là và phải, S là diện tích của đỉnh piston. Ff một chức năng do người dùng định nghĩa. là lực ma sát, m là khối lượng của Trong lưới động, sự phân lớp được sử chuyển động tịnh tiến, d2x/dt2 là gia tốc dụng để thêm hoặc bớt các lớp lưới theo vị trí của piston. Ngoài ra, lưới động lực của piston, Fsl, Fsr lần lượt là lực lò xo thay đổi theo vị trí của piston để thay đổi ở bên trái và bên phải. Fst lực nhận được tỷ số nén, áp suất .... Vị trí của piston có từ thiết bị khởi động. Vận tốc của piston thể thay đổi từng bước với mỗi bước là được tính theo phương trình: 0,5mm, từ đó có thể kiểm soát được áp (4) suất ở cuối hành trình nén ở các vị trí khác nhau. Trên mô hình thực tế, tốc độ ban Để khảo sát ảnh hưởng của áp suất đầu V0 dựa trên bộ khởi động cơ học đầu vào đến bộ lọc và áp suất cuối quá Hình 1. Tốc độ này bị cản trở bởi lực lò trình nén, áp suất đầu vào được điều chỉnh xo ở bên trái hoặc bên phải. Vận tốc của từ 1,05bar đến 1,2bar; tốc độ ban đầu là piston từ BDC đến TDC được xác định 0,32m/s và 1,25m/s. Nhiệt độ đầu vào và bởi: đầu ra được đặt ở 3000K trong quá trình (5) mô phỏng. Hỗn hợp đầu vào được giả định là khí lý tưởng. Ngoài ra, mô hình 𝑘 - 𝜀 được sử dụng để nắm bắt dòng chảy rối của hỗn hợp. Các thông số đầu vào được cung cấp cho mô hình tính toán động lực học chất lỏng (CFD) để tính toán hiệu suất nạp của hỗn hợp. Trong động cơ hai thì, hiệu suất nạp được xác định như sau [14]: Hình 1. Một nguyên mẫu của động cơ không trục khuỷu hai kỳ t= 1- Xi lanh 1; 2- Cơ cấu khởi động; 3- Tăng áp; 4-Bộ chế hoà khí, 5- Buồng khí Với mk là khối lượng khí nạp mới được nén; giữ lại trong xilanh và ms là khối lượng Mô hình CFD khí nạp mới đi vào xilanh Mô hình piston và các thông số chính của FPLE được thể hiện trong Hình 2 và Bảng 1. Tham số của FPLE được nhập vào phần mềm CFD thương mại Ansys Fluent v.21 để xác định các bề mặt và thể tích tính toán cũng như tạo lưới. Sau đó là quá trình chia lưới, lưới xilanh được tạo theo phương pháp đa vùng (multi-zone method) và tạo lưới trong phương pháp Hình 2. a) Thông số của FPLE, b) quét (sweep method). Vận tốc của piston Tính toán lưới của FPLE được tính toán bởi một chương trình viết Bảng 1. Thông số kỹ thuật động cơ bằng Microsoft Visual C++ trước khi nhập và điều kiện hoạt động nó vào phần mềm Ansys như một cơ sở -81-
No.12/2022 Journal of Science, Tien Giang University Thông số Giá trị Trong đó F là số hạng gia tốc bổ sung (lực/đơn vị khối lượng hạt);  là Khoảng chạy (S) 28 mm mật độ hạt và p là mật độ pha liên tục; u là vận tốc pha chất lỏng cục bộ và up lần Đường kính (D) 34 mm lượt là vận tốc của pha hạt; g là trọng lực của hạt. Mục đầu tiên bên phải là lực cản Cửa nạp (Di) 06 mm trên một đơn vị khối lượng hạt, r là thời Cửa xả (De) 013mm Cửa chuyển (Dt) 10 mm Áp suất khí nạp (Pin) 1,05  1,25bar Nhiệt độ khí nạp (Tin) 300oK Mô hình pha rời rạc (DPM) Mô hình pha rời rạc (DPM) được sử dụng để đồng theo dõi chuyển động của các hạt. DPM dựa trên khung Euler- Lagrangian, các lực như lực cản nhớt, Hình 3. Mô hình tính toán DPM lực nâng ... tác động lên các hạt dọc theo gian giãn ra của hạt. Các thông số ban quỹ đạo của chúng và hành vi ngẫu đầu của hạt như vận tốc, khối lượng nhiên của dòng chảy rối đều được tính dòng vào… tương tự như mô hình CFD; đến. Dựa trên việc theo dõi các hạt, các hiệu suất nạp trong DPM được thay thế pha rời rạc trong các khu vực biên để bằng số lượng hạt. Hiệu suất nạp được thoát ra, giữ lại và phản xạ. Điều kiện định nghĩa: bằng số lượng các hạt đi vào các hạt thoát ra được giả định tại các xilanh chia cho số lượng các hạt được cổng vào và ra, điều kiện giữ lại được cung cấp từ các cổng nạp. coi là hình trụ và điều kiện phản xạ là 2.2. Kết quả và thảo luận thành ống nạp và ống xả Hình 3. Để rút Kết quả mô phỏng CFD ngắn thời gian tính toán và cách tiếp cận Sự thay đổi áp suất tại cổng nạp và trở nên đơn giản hơn nhiều, các giả định vị trí đóng, mở ảnh hưởng đến quá trình trong tính toán chuyển động của hạt sẽ nạp. Với tốc độ ban đầu 0,32m/s, áp suất được đơn giản hóa: tất cả các hạt đều có ban đầu tăng dần từ 1,05bar đến 1,2bar. cùng kích thước, và dòng chảy xung Hiệu suất nạp tăng lên nhưng không quanh các hạt và sự tương tác giữa hạt đáng kể vì dòng khối lượng vào và ra với hạt bị bỏ qua trong mô phỏng. Trong khỏi xilanh gần như ổn định. Cổng quét hệ quy chiếu Lagrangian, quỹ đạo được hoàn toàn đóng. Ở áp suất 1,05bar do dự đoán bằng tích phân cân bằng lực trên lưu lượng khối lượng lớn tại cổng mỗi hạt riêng lẻ và có thể được viết là chuyển nhưng ở cổng xả khối lượng [14]: không có sự khác biệt đáng kể với các trường hợp khác nên hiệu suất nạp vẫn có xu hướng tăng lên; ở áp suất 1,1bar do lưu lượng khối lượng tại cửa xả thấp nhưng áp suất tại cửa xả tăng nên hiệu -82-
Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Số 12/2022 suất nạp vẫn có xu hướng giảm. Vận tốc dòng chảy tại cổng xả dựa trên vận tốc dòng chảy tại cổng nạp, vận tốc dòng chảy ở cửa nạp càng cao thì ở cửa xả cũng càng cao. Kết quả mô phỏng vận tốc dòng chảy khi De = 0mm; De = 2mm; De = 3,5 mm ở 1,05bar được trình bày ở Hình 6 và phần còn lại của các trường hợp được hiển thị trong Hình 7. Hình 7. Vận tốc dòng khí ở tốc độ piston 0,32m/s Khi tăng tốc độ lên 1,25m/s thì hiệu suất nạp tăng lên. Ở áp suất 1,05bar, Hình 4. Hiệu suất nạp ở áp suất nhiều hỗn hợp hoà khí hơn chảy vào 1,05bar đến 1,25bar xilanh và ra ngoài xilanh gần trùng với các đường cong ở các áp suất khác nhau. Qua hai kết quả, tốc độ 0,32m/s vẫn cho hiệu suất nạp cao hơn 1,25m/s, nguyên nhân là do lượng khí nạp mới ra khỏi cửa xả nhiều nhưng lượng khí nạp mới vào xilanh ở tốc độ thấp lại tăng, như thể hiện ở dòng khối lượng khí nạp mới chỉ trong Hình 8 và kết quả mô phỏng vận Hình 5. Khối lượng khí nạp so với tốc khi De = 0mm; De = 2mm; De = 3,5 độ dịch chuyển của piston ở tốc độ mm ở 1,05bar được trình bày ở Hình 9, 0,32m/s phần còn lại của các trường hợp được hiển thị trong Hình 10. Hình 6. Vận tốc đo được tại A) De = 0mm; B) De = 2mm; C) De = 3,5mm với áp suất ban đầu = 1,05bar và vận tốc của piston = 0,32m/s. Hình 8. Khối lượng khí nạp ở tốc độ piston 1,25m/s -83-
No.12/2022 Journal of Science, Tien Giang University Hình 9. Vận tốc đo được tại A) De = 0mm; B) De = 2mm; C) De = 3,5mm Hình 12. với áp suất ban đầu = 1,05bar và vận A) Thời gian cư trú của hạt tại De = tốc piston = 1,25m/s 0mm B) Thời gian cư trú của hạt tại De = 4mm C) Thời gian cư trú của hạt tại De = 6mm Với tốc độ piston thấp 0,32m/s, lượng hạt bị giữ lại trong xilanh nhiều và ổn định. Khi các cổng quét được đóng hoàn toàn, số lượng các hạt bị mắc kẹt giảm xuống, làm cho lượng khí thoát ra lớn qua cổng xả Hình 10. Vận tốc dòng khí ở tốc độ Hình 13. Với tốc độ piston 1,25m/s, piston 1,25m/s thời gian đóng nhanh của các cổng Kết quả mô phỏng DPM quét làm cho số lượng các hạt không Với cùng điều kiện đầu vào như mô di chuyển kịp đến xilanh, nhưng số hình CFD, nhưng hiệu suất nạp có sự khác lượng các hạt bị giữ lại nhiều hơn do biệt. Số lượng hạt bị mắc kẹt trong xilanh thời gian đóng cửa xả nhanh Hình tương ứng với lượng hạt bị thất thoát qua 14. Tuy nhiên, ở tốc độ 0,32m/s, cửa xả và bị giữ lại do sự cản trở của thành hiệu suất nạp vẫn cao hơn. piston tại các cửa nạp Hình 12. Hình 13. Lượng hạt so với độ dịch Hình 11. Hiệu suất nạp ở áp suất chuyển của piston ở tốc độ 0,32m/s 1,05bar đến 1,25bar (DPM) -84-
Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Số 12/2022 [4]. R. Mikalsen, A.P. Roskilly, The control of a free-piston engine generator. Part 1: Fundamental analyses, Appl. Energy 87 (2010) 1273–1280. [5]. R. Mikalsen, A.P. Roskilly, The control of a free-piston engine generator. Part 2: Fig. 15. In- cylinder gas pressure and Hình 14. Lượng hạt so với độ dịch temperature of each combustion chuyển của piston ở tốc độ 1,25m/s duration. C. Yuan, et al. Applied 3. KẾT LUẬN Thermal Engineering 173 (2020) 115201 10 Engine dynamics and Dựa trên sự kết hợp của mô hình piston motion control, Appl. Energy động lực học, mô hình CFD và mô hình 87 (2010) 1281–1287. DPM, quá trình nạp trong động cơ đốt trong không trục khuỷu hai kỳ cỡ nhỏ đã [6]. B.R. Jia, Z.X. Zuo, H.H. Feng, G.H. được mô hình hóa và mô phỏng. Mặc dù Tian, A. Smallbone, A.P. Roskilly, có sự khác biệt ± 3% về hiệu suất nạp Effect of closed-loop controlled giữa hai mô hình, nhưng vẫn có những resonance based mechanism to start điểm tương đồng về quy tắc. Kết quả mô free piston engine generator: phỏng cho thấy hiệu suất nạp ở tốc độ simulation and test results, Appl. piston 0,32m/s cao hơn 1,25m/s. Điều Energy 164 (2016) 532–539. này chứng minh rằng, khi động cơ hoạt [7]. B.R. Jia, G.H. Tian, H.H. Feng, Z.X. động ở tốc độ cao thì hiệu suất nạp giảm. Zuo, A.P. Roskilly, An experimental Vì vậy, để cải thiện hiệu suất nạp chúng investigation into the starting ta cần phải tăng áp cho động cơ. process of free-piston engine TÀI LIỆU THAM KHẢO generator, Appl. Energy 157 (2015) 798–804. [1]. J. Hansson and M. Leksell., “Performance of a Series Hybrid [8]. Goldsborough SS, Blarigan P V. Electric Vehicle with a Free-Piston Optimizing the scavenging system Energy Converter,” IEEE Xplore, for a two-stroke cycle, free piston 2007. engine for high efficiency and low emission: A computational [2]. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, “A approach. SAE Paper 2003-01-0001, review of free-piston engine history 2003. and applications,” Applied Thermal Engineering, vol. 27, pp. 2339- [9]. A. Sofianopoulos, Y.C. Zhou, B. 2352, Oct 2007. Lawler, S. Mamalis, Gas exchange processes of a small HCCI free [3]. B. Jia, R. Mikalsen, A. Smallbone, piston engine - A computational and A. Paul Roskilly, “A study and study, Appl. Therm. Eng. 127 comparison of frictional losses in (2017) 1582–1597. free-piston engine and crankshaft engines,” Applied Thermal [10]. S. Goldsborough, P. Blarigan, Engineering, 2018. Optimizing the scavenging system for a two-stroke cycle, free-piston -85-
No.12/2022 Journal of Science, Tien Giang University engine for high efficiency and low emissions: a computational approach, SAE Paper, No.2003-01- 0001, 2008. [11]. C. Yuan, H. Ren, X. Jing, Comparison of the gas exchange of a loop scavenged freepiston engine alternator and the conventional engine, Appl. Therm. Eng. 127 (2017) 638–649. [12]. Nguyen Ba Hung, Sung Jaewon, Ocktaeck Lim. (2017). A study of a scavenging process in a two-stroke free piston linear engine using CFD. 9th International Conference on Applied Energy (pp. 1354-1360). Cardiff, UK: Elsevier Ltd. [13]. Grljuši´c, M.; Tolj, I.; Radica, G.; Sciubba, E. An Investigation of the Composition of the Flow in and out of a Two-Stroke Diesel Engine and Air Consumption Ratio. Energies 2017, 10, 1. [14]. A. Vakhrushev, M. Wu, A. Ludwig, G. Nitzl, Y. Tang, & G. Hackl, “Verification of a Discrete Phase Model with Water-Particle Flow Experiments in a Tundish,” in 5th. Int. Conf. on Simulation; Modeling of Metall, Processes in Steelmaking (STEELSIM) (2013). -86-

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.