Tổng quan nghiên cứu

Quá trình phát triển các dòng động cơ đốt trong hiện đại luôn đòi hỏi sự cân bằng khắt khe giữa việc nâng cao công suất vận hành và cắt giảm tối đa các thành phần phát thải ô nhiễm môi trường. Trong bối cảnh ngành công nghiệp cơ khí động lực Việt Nam đang đẩy mạnh nội địa hóa, việc tối ưu hóa chu trình nhiệt động của động cơ diesel công suất lớn trở thành nhiệm vụ cấp thiết. Động cơ mẫu D1146TIS do Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam chế tạo là loại động cơ diesel 4 kỳ, 6 xilanh thẳng hàng, trang bị hệ thống tăng áp tuabin có làm mát trung gian, đạt công suất định mức 134 kW tại tốc độ 2800 vòng/phút, dung tích công tác 8,071 lít cùng tỷ số nén 16,8:1.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là việc đo đạc trực tiếp các thông số diễn biến tia phun, trường vận tốc khí xoáy, quá trình tạo hòa khí và diễn biến phản ứng cháy trong buồng cháy kiểu omega kín với áp suất phun lên đến 214 bar là vô cùng phức tạp và tốn kém nếu chỉ dựa vào phương pháp thực nghiệm truyền thống. Nhằm giải quyết thách thức này, nghiên cứu đặt mục tiêu ứng dụng lý thuyết động lực học chất lỏng tính toán 3 chiều để mô phỏng chi tiết các quá trình lý hóa trong xilanh động cơ D1146TIS thông qua phần mềm chuyên dụng AVL-FIRE.

Nghiên cứu được triển khai tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong thuộc Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, kết hợp đối chuẩn dữ liệu trên băng thử động lực học cao. Kết quả của công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn, mở ra giải pháp số hóa chuẩn xác giúp các kỹ sư rút ngắn khoảng 50% thời gian nghiên cứu phát triển và tiết kiệm từ 40% đến 60% kinh phí thử nghiệm chế tạo thực tế cho các dòng động cơ diesel nội địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nền tảng toán học của mô phỏng dòng chảy và quá trình cháy dựa trên hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng Navier-Stokes và bảo toàn năng lượng trong không gian 3 chiều. Hiện tượng dòng chảy rối nhiều thành phần được giải quyết thông qua mô hình xoáy rối hai phương trình k-epsilon chuẩn, trong đó năng lượng động học rối và tốc độ khuếch tán rối được tính toán đồng thời với hằng số thực nghiệm thiết lập ở mức 0,09.

Đối với diễn biến cháy của môi chất hòa khí, mô hình cháy có kiểm soát rối Eddy Breakup được áp dụng để xác định tốc độ phản ứng trung bình dựa trên sự hòa trộn rối giữa các phần tử nhiên liệu và chất oxy hóa, với hệ số phản ứng thực nghiệm A được chọn bằng 3 và hệ số B bằng 1. Quá trình bay hơi của tia phun nhiên liệu lỏng được mô hình hóa theo phương pháp giọt rời rạc thông qua module Spray chuyên sâu.

Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải được dự báo thông qua hai cơ chế lý thuyết hiện đại. Cơ chế Zeldovich mở rộng được tích hợp để mô tả sự hình thành oxit nitơ do nhiệt ở các vùng nhiệt độ cục bộ vượt quá ngưỡng 1600 K đến 1800 K. Đồng thời, mô hình bồ hóng cải tiến Advanced Soot Model được sử dụng để tính toán 4 giai đoạn nối tiếp gồm: tạo mầm hạt nhân, đông kết, nới rộng bề mặt phân tử hydrocarbon thơm và oxy hóa muội than theo hàm áp suất, nhiệt độ và tỷ lệ thành phần oxy cục bộ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để rời rạc hóa các phương trình tích phân điều khiển trên từng ô lưới tính toán, chuyển đổi hệ phương trình vi phân sang hệ phương trình đại số tuyến tính nhờ thuật toán giải đại số tuyến tính GSTB. Dữ liệu đầu vào hình học được thu thập trực tiếp từ thông số kỹ thuật động cơ D1146TIS với đường kính xilanh 111 mm, hành trình piston 139 mm, chiều dài thanh truyền 0,232 m và hệ thống vòi phun kín 6 lỗ đối xứng.

Công cụ chuyên dụng ESE-Diesel của phần mềm AVL-FIRE được sử dụng để xây dựng lưới động 3D cho 1/6 phân vùng buồng cháy piston, tận dụng tính chất đối xứng của 6 tia phun nhằm tối ưu hóa tài nguyên tính toán. Lưới tính toán được cấu hình với 3 lớp biên có tổng chiều dày 0,0002 m và kích thước trung bình mỗi ô lưới là 0,0004 m. Lý do lựa chọn phương pháp thể tích hữu hạn và công cụ ESE-Diesel là khả năng bảo toàn nghiêm ngặt các thông số vật lý tại từng phần tử thể tích cùng khả năng tái tạo lưới động tự động theo chuyển động tịnh tiến của piston.

Quá trình mô phỏng được thực hiện theo chế độ góc quay trục khuỷu từ 0 đến 360 độ, với bước tính toán biến thiên linh hoạt từ 0,05 đến 0,5 độ góc quay trục khuỷu tại tốc độ làm việc 2000 vòng/phút. Các điều kiện biên về nhiệt độ vách piston 575,15 K, nhiệt độ xilanh 525,15 K, nhiệt độ nắp máy 395,15 K, áp suất ban đầu 1,896 bar và nhiệt độ môi chất nạp 423,15 K được xác lập chuẩn xác từ dữ liệu đo đạc trên băng thử nghiệm động cơ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình tính toán 3 chiều trên AVL-FIRE đã tái hiện thành công toàn bộ bức tranh vật lý về trường vận tốc dòng môi chất, quá trình phát triển tia phun và phân bố nhiệt lượng trong xilanh động cơ D1146TIS. Tại bước tính 125 tương ứng với góc quay trục khuỷu 240,4 độ, trường dòng chảy thể hiện sự biến thiên vận tốc mạnh mẽ theo cả 3 phương không gian với các vùng xoáy cục bộ tập trung chủ yếu quanh khu vực tia phun và hõm buồng cháy omega.

Độ nhớt động học của môi chất suy giảm rõ rệt theo phương bán kính, đạt giá trị cực đại khoảng 0,013 Pa.s tại tâm buồng cháy và giảm dần về mức 4,49x10^-5 Pa.s tại các vị trí tiếp giáp thành vách xilanh. Đồng thời, năng lượng động học rối của dòng khí tại góc 240,4 độ tăng cao hơn đáng kể so với các góc tính toán trước đó do tác động của dòng nén và sự dịch chuyển đi xuống của đỉnh piston.

Đường đặc tính áp suất trong xilanh và tốc độ giải phóng nhiệt lượng mô phỏng cho thấy sự ăn khớp rất chặt chẽ với kết quả đo thực nghiệm trên băng thử động cơ AVL, với độ sai lệch về công suất phát cực đại 134 kW và suất tiêu hao nhiên liệu định mức chỉ dao động dưới 5%. Lượng oxit nitơ hình thành đạt mật độ cao nhất tại các vùng có tỷ lệ không khí trên nhiên liệu xấp xỉ 0,9 và nhiệt độ vượt trên 1800 K, chứng minh cơ chế hình thành NOx do nhiệt chiếm tỷ trọng chi phối trên 95% tổng lượng phát thải khí xả của động cơ.

Thảo luận kết quả

Diễn biến của các thông số nhiệt động học được thể hiện trực quan thông qua các biểu đồ 2D về áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu và hệ thống hình ảnh 3D về các mặt đồng mức vận tốc, nhiệt độ và nồng độ chất phát thải. Kết quả mô phỏng làm sáng tỏ cơ chế hòa trộn nhiên liệu: áp suất phun cao 214 bar từ 6 lỗ vòi phun kết hợp với hình dạng buồng cháy omega đã thúc đẩy quá trình xé nhỏ giọt nhiên liệu, gia tăng diện tích tiếp xúc giữa pha lỏng và pha khí, từ đó rút ngắn đáng kể thời gian cháy trễ.

Khi so sánh với các công bố khoa học quốc tế về mô phỏng động cơ diesel cùng phân khúc sử dụng mô hình Eddy Breakup và cơ chế Zeldovich, kết quả của luận văn thể hiện sự tương đồng cao về quy luật phân bố trường nhiệt độ và nồng độ bồ hóng. Sự sụt giảm mật độ muội than ở giai đoạn cuối của quá trình cháy được giải thích bởi nhiệt độ trong xilanh duy trì trên 1600 K giúp tốc độ phản ứng oxy hóa muội than diễn ra vượt trội so với tốc độ tạo mầm hạt carbon. Điều này khẳng định độ tin cậy vững chắc của bộ thông số điều kiện biên và phương pháp tính toán số đã được xác lập trong nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã đạt được, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ:

  1. Hiệu chỉnh kết cấu buồng cháy và góc nghiêng vòi phun: Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam cùng các kỹ sư thiết kế cần tiến hành tối ưu hóa bán kính góc lượn đáy buồng cháy omega và điều chỉnh góc phun nhiên liệu từ mức 20,0075 độ nhằm tăng cường độ xoáy lốc của dòng khí nạp, hướng tới mục tiêu giảm từ 8% đến 12% lượng bồ hóng sinh ra trong quý 2 năm 2027.
  2. Nâng cấp hạ tầng tính toán số chuyên dụng: Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Cơ khí Động lực cần đầu tư nâng cấp hệ thống máy trạm tính toán hiệu năng cao với dung lượng bộ nhớ RAM tối thiểu 64 GB và mở rộng năng lực lưu trữ dữ liệu gấp 4 lần trong vòng 6 tháng tới, khắc phục triệt để tình trạng nghẽn bộ nhớ khi xuất file kết quả đồ họa 3D.
  3. Mở rộng phạm vi mô phỏng chu trình công tác: Nhóm nghiên cứu thuộc bộ môn Động cơ đốt trong cần tiếp tục phát triển mô hình tính toán 3D mở rộng cho toàn bộ cụm đường ống nạp, van xupap và đường ống thải trong vòng 12 tháng, nhằm nâng độ chính xác của bài toán trao đổi khí và dự báo phát thải lên mức 95%.
  4. Kiến nghị hoàn thiện công cụ phần mềm với nhà phát triển: Đội ngũ nghiên cứu gửi văn bản kiến nghị trực tiếp tới hãng phát triển phần mềm AVL GmbH để bổ sung tính năng tự động kiểm tra độ lệch lưới và tối ưu hóa thuật toán nén định dạng file báo cáo văn bản, giúp tiết kiệm ít nhất 30% dung lượng lưu trữ trước năm 2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các tập đoàn ô tô: Trực tiếp ứng dụng quy trình thiết lập lưới động và bộ thông số mô hình cháy trên AVL-FIRE để tối ưu hóa vòi phun và đỉnh piston, giúp rút ngắn 50% thời gian thử nghiệm cho các dự án động cơ mới.
  • Giảng viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Động lực, Cơ khí Động lực: Sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp số thể tích hữu hạn, mô hình dòng rối hai phương trình và cơ chế động hóa học phản ứng cháy trong buồng đốt động cơ piston.
  • Chuyên gia phân tích thủy khí động lực và phát thải môi trường: Khai thác các phương trình động học hình thành NOx theo cơ chế Zeldovich và mô hình muội than để đánh giá chính xác tiêu chuẩn khí thải Euro cho các phương tiện vận tải cơ giới.
  • Kỹ thuật viên tại các phòng thử nghiệm động lực học: Tham khảo phương pháp xây dựng điều kiện biên và quy trình kết nối dữ liệu từ băng thử tải cao AVL sang phần mềm mô phỏng 3D để nâng cao độ chính xác của các bài toán kiểm định động cơ.

Câu hỏi thường gặp

Phần mềm AVL-FIRE có ưu thế gì vượt trội so với các phần mềm CFD đa năng khác khi mô phỏng động cơ? AVL-FIRE tích hợp sẵn 15 module chuyên dụng cùng công cụ ESE-Diesel với khả năng tự động tạo lưới động theo quy luật chuyển động của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền. Phần mềm này cung cấp sẵn các thư viện phản ứng cháy, mô hình tia phun giọt rời rạc và mô hình phát thải chuyên sâu cho động cơ đốt trong với độ chính xác cao.

Vì sao mô hình xoáy rối k-epsilon chuẩn lại được ưu tiên lựa chọn trong bài toán này? Mô hình k-epsilon chuẩn giải quyết đồng thời 2 phương trình vi phân mô tả năng lượng động học rối và tốc độ khuếch tán với độ ổn định rất cao. Mô hình này đòi hỏi chi phí tính toán hợp lý, ít tiêu tốn tài nguyên bộ nhớ máy tính nhưng vẫn phản ánh chính xác trường vận tốc xoáy lốc của dòng khí nén trong buồng cháy động cơ diesel.

Cơ chế Zeldovich mở rộng tính toán lượng phát thải oxit nitơ trong buồng cháy như thế nào? Cơ chế Zeldovich xác định nồng độ oxit nitơ sinh ra từ phản ứng oxy hóa nitơ phân tử trong không khí ở nhiệt độ cao trên 1800 K. Tốc độ phản ứng phụ thuộc trực tiếp vào mật độ oxy nguyên tử và nhiệt độ ngọn lửa cục bộ, chiếm tới hơn 95% tổng lượng NOx sinh ra trong động cơ diesel nén cháy do áp suất.

Lý do tác giả chỉ lựa chọn mô phỏng phân vùng 1/6 buồng cháy thay vì toàn bộ xilanh động cơ là gì? Động cơ D1146TIS sử dụng vòi phun nhiên liệu 6 lỗ bố trí phân bố góc 60 độ đối xứng hoàn toàn trong buồng cháy tròn xoay omega. Việc chia lưới và tính toán trên 1/6 phân vùng giúp giảm khoảng 83% số lượng phần tử lưới, rút ngắn thời gian giải toán trên máy tính mà vẫn đảm bảo độ chính xác vật lý tuyệt đối.

Những yếu tố kỹ thuật nào quyết định trực tiếp đến sự hội tụ của bài toán mô phỏng trên AVL-FIRE? Sự hội tụ của hệ phương trình phụ thuộc vào chất lượng chia lưới lớp biên, bước tính góc quay trục khuỷu từ 0,05 đến 0,5 độ và mức sai số chuẩn hóa thiết lập ở ngưỡng 0,0001. Việc cài đặt số vòng lặp tối thiểu 10 và tối đa 200 cho mỗi bước giải đảm bảo nghiệm đại số đạt độ tin cậy cao nhất.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng động lực học chất lỏng 3 chiều hoàn chỉnh cho động cơ diesel 6 xilanh D1146TIS công suất 134 kW trên nền tảng phần mềm tiên tiến AVL-FIRE.
  • Phân tích chi tiết quy luật chuyển động của trường vận tốc xoáy, quá trình bốc hơi tia phun áp suất 214 bar và diễn biến giải phóng nhiệt lượng trong dải góc quay trục khuỷu từ 0 đến 360 độ.
  • Xác thực độ chính xác của mô hình số thông qua dữ liệu băng thử tải cao với mức sai lệch thông số công suất và suất tiêu hao nhiên liệu định mức dưới 5%.
  • Làm sáng tỏ cơ chế hình thành phát thải oxit nitơ và muội than ở dải nhiệt độ buồng cháy vượt ngưỡng 1800 K, cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế tối ưu hóa buồng đốt.
  • Khai thác hiệu quả công cụ ESE-Diesel, xác lập bộ thông số điều kiện biên chuẩn hóa và đề xuất giải pháp nâng cấp phần cứng cũng như hoàn thiện thuật toán lưới động.

Công trình là đóng góp quan trọng cho ngành kỹ thuật động cơ đốt trong tại Việt Nam, chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ mô phỏng số hiện đại vào nghiên cứu khoa học và sản xuất công nghiệp. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp tục mở rộng mô hình cho toàn bộ hệ thống nạp thải hoặc áp dụng phương pháp luận này để nâng cao hiệu suất và tiêu chuẩn môi trường cho các dòng động cơ thế hệ mới.