Công nghệ phun xăng điện tử và những cải tiến

Theo Junmei Shi, Trưởng nhóm Mô phỏng và Pablo Lopez Aguado, Tiến sĩ tại Hệ thống Ô tô Delphi, Bascharage, Luxembourg

Để cải thiện khả năng phát thải của động cơ đốt trong và tiết kiệm nhiên liệu đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về quá trình các kim phun phân rã nhiên liệu lỏng và đẩy các hạt nguyên tử vào xi lanh. Các kỹ sư ở Delphi đang sử dụng phần mềm tính toán động lực học chất lưu (CFD) của ANSYS để thiết kế hình dạng kim phun nhiên liệu giúp tạo ra các hạt nhỏ theo dạng phun sương mù để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

Cải tiến trong công nghệ động cơ đốt trong sạch đòi hỏi phải kiểm soát và tối ưu hóa quá trình trộn xăng dầu, đánh lửa và quá trình đốt cháy. Các kỹ sư phải chuyển thể được những yêu cầu phun cụ thể của từng động cơ thành thiết kế kim phun chi tiết. Một trong những thách thức lớn đối với việc phát triển kim phun là xác định đặc điểm vật lý cơ bản của quá trình phân rã sơ cấp cũng như cách những đặc điểm này bị ảnh hưởng bởi hình dạng kim phun. Các thí nghiệm vật lý có những hạn chế trong việc tìm hiểu quá trình phân rã vì không có cách nào để đo được chính xác các dòng chảy rối và xoáy trong các kim phun nhỏ. Các kỹ sư của Delphi Automotive Systems sử dụng mô phỏng dòng xoáy lớn (LES) của ANSYS Fluent CFD để mô tả đặc điểm động lực và quá trình phân rã của kim phun. Dòng chảy trong kim phun và dạng phun cụ thể được tiên lượng bằng mô phỏng phù hợp với những kết quả thử nghiệm rất hữu ích cho việc tối ưu hóa thiết kế kim phun nhiên liệu.

“Các kĩ sư của hệ thống ô tô Delphi sử dụng mô phỏng CFD của ANSYS để mô tả đặc điểm của động lực dòng chảy qua phun và quá trình phân rã”

Kim phun nhiên liệu củaDelphi

CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KIM PHUN NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG

Hiệu suất của một ống kim phun nhiên liệu trong việc phân rã nhiên liệu lỏng thành các hạt nhỏ và quá trình pha trộn khí với nhiên liệu trong xylanh động cơ có tác động lớn đến khả năng tiết kiệm nhiên liệu và phát thải. Cả hai hiện tượng phân rã sơ cấp và phân rã thứ cấp xảy ra đồng thời trong quá trình hình thành phun. Phân rã sơ cấp liên quan đến sự biến dạng của vòi lỏng và hiện tượng hình thành các đường ngăn lớn. Các đường ngăn tiếp tục chia thành các hạt nhỏ trong quá trình phân chia thứ cấp. Quá trình phân rã sơ cấp bao gồm các hiện tượng động lực học chất lưu đa pha, đa biến rất phức tạp, bao gồm hiện tượng chảy rối và sủi bọt cùng với sự tương tác giữa các hiện tượng này trong vòi phun và tương tác khí động học ngoài vòi phun. Cộng đồng kỹ thuật phun nhiên liệu đã và đang nghiên cứu vấn đề này trong hơn 50 năm qua nhưng đã gặp cản trở do thiếu các công cụ chuẩn đoán và thử nghiệm số hiệu quả. Các kỹ thuật đo quang học bao gồm tạo ảnh X-quang tương phản pha (PCX) và chụp X-quang đã được phát triển để mô tả đặc tính sủi bọt trong vòi phun, nhưng cho đến nay không có cách nào hiệu quả để đo nhiễu xạ trường bên trong vòi phun.

Đường dẫn của kim phun

Các nhà nghiên cứu cũng đã sử dụng mô phỏng để hiểu rõ quá trình phân rã. Kỹ thuật theo dõi giao diện thiết lập theo cấp đã được sử dụng thành công với CFD để giải quyết giao diện khí lỏng trong quá trình hình thành hạt. Nhưng kỹ thuật này đòi hỏi mô phỏng số trực tiếp (DNS), trong đó phương trình Navier-Stokes được giải mà không có bất kỳ mô hình chảy rối nào để giải quyết các dòng chảy bị khí xâm thực. DNS hiện vẫn không khả thi vì năng lực máy điện toán yêu cầu không cho phép. Một phương pháp thay thế cho kỹ thuật thiết lập cấp độ là phương pháp thể tích chất lỏng (VOF) giúp theo dõi tỷ lượng theo thể tích trong mỗi phần tử chứ không phải là bản thân giao diện. VOF hiệu quả đối với phân tích dòng trong kim phun nhưng không chính trong việc tiên lượng sự vỡ và sự hình thành của giọt.

Do những hạn chế trong kỹ thuật đo lường và mô phỏng, thiết kế bộ phun nhiên liệu vẫn dựa phần lớn vào việc tối ưu hóa tham số của hình học theo phương pháp xây dựng và thử nghiệm. Quá trình này không hiệu quả và nhạy cảm với sự tương tác giữa các thông số hình học nhiều và không chính xác trong hệ thống đo lường.

Bụi phun trong mô phỏng và qua đo đạc thực tế có mối tương quan chặt chẽ khi sử dụng lỗ phun hình tròn ở vị trí van kim cao và thấp cho thấy độ tin cậy của mô phỏng dòng chảy vơi kim phun trong.

LES CHO PHÉP CFD MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY TRONG KIM PHUN

Delphi đang làm việc với Đại học Wayne State và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne để đạt được mô tả chi tiết về cấu trúc giao diện lỏng- khí của kim phun trong quá trình phân rã. Cùng lúc đó, Delphi sử dụng mô phỏng chảy rối LES ANSYS Fluent kết nối với VOF và và các kỹ thuật thiết lập cấp VOF để đồng thời giải quyết động lực xoáy đa pha trong kim phun và giao diện lỏng-khí của tia phun gần kim phun trong quá trình phân rã sơ cấp. Ở LES, các dòng chảy xoáy lớn được phân giải trực tiếp, trong khi các dòng nhỏ được mô phỏng. Do chỉ phân giải những dòng xoáy lớn nên việc sử dụng một mô hình lưới thô hơn hơn và các bước thời gian lớn hơn trong LES so với DNS là khả thi. Delphi sử dụng cách tiếp cận này để mô phỏng các kim phun lỗ tròn và sắc cũng như kim phun phân tử hiệu suất cao (HP), sử dụng một đầu phun rất nhọn để gia tăng hiệu suất thủy lực của kim phun và động lượng khi phun. Các mô phỏng LES của dòng chảy bên trong vòi phun đã giúp các kỹ sư hiểu được cách các hình dạng kim phun khác nhau tạo ra những kết quả tương phản như thể hiện trong biểu đồ.

ĐẦU BO TRÒN

  • Bụi phun gần kim phun cho thấy sự dao động chuyển tiếp giữa cấu trúc bề mặt thông thường quy mô lớn và cấu trúc bất thường quy mô nhỏ.
  • Dòng xoáy và xâm thực khí yếu hơn
  • Cấu trúc chuỗi tồn tại theo toàn bộ thời gian trên đường đến lỗ phun.

DẠNG THÀNH MỎNG

  • Luồng phun bắt đầu phân rã ở gần lỗ của kim phun và có dạng phun ổn định hơn với các cấu trúc tinh vi hơn.
  • Các xoáy quy mô nhỏ đi kèm với luồng xoáy ở mép trên của cửa vào lỗ phun và các cặp chuỗi xoáy ngược chiều kèm theo các chuỗi khí xâm thực
  • Cường độ của dòng xoáy và bọt khí đủ mạnh để phá vỡ cấu trúc chuỗi bên trong lỗ phun.

 

PHUN CÔNG SUẤT CAO

  • Hình phun vừa phải, ổn định với cấu trúc bề mặt không đều
  • Các luồng xoáy tương tác với các chuỗi xoáy nhưng không xuất hiện bọt khí
  • Các xoáy nước tạo ra xung động, thoát ra khỏi lỗ phun và kích hoạt sự biến dạng của luồng phun và cấu trúc giao thoa lỏng- khí.
  • Các luồng xoáy tạo ra các xoáy bề mặt rung, được tăng cường bởi tương tác lỏng- khí giữa chất lỏng và khí xung quanh, gây ra sự hình thành hạt.

So sánh mô phỏng LES của dòng chảy bên trong kim phun giúp các kĩ sư hiểu rõ cách các cấu hình kim phun khác nhau cho ra các kết quả trái ngược nhau.

THIẾT KẾ KIM PHUN TỚI MÔ PHỎNG

“Các kĩ sư của hệ thống ô tô Delphi sử dụng Mô phỏng CFD của ANSYS để mô tả đặc điểm của động lực dòng chảy qua kim phun và quá trình phân rã”

Trong mỗi trường hợp đều có sự tương đồng cao giữa các mẫu phun được tiên lượng và các mẫu phun được đo đạc, tạo ra độ tin cậy cao về tính chính xác của các mẫu dòng chảy bên trong kim phun. Quá trình chất lỏng chảy vào lỗ phun kích hoạt dòng chảy xoáy, tiếp tục khởi tạo sự biến dạng bề mặt lỏng và đường ngăn hình thành trong quá trình phân rã sơ cấp. Phát hiện này giải thích sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế kim phun như: đế van kim, lỗ tròn, độ nhọn, dạng kim và nâng kim đối với việc phun, và cung cấp kiến thức mới về cơ chế phân rã cơ bản trong phun nhiên liệu áp suất cao. Cộng đồng nghiên cứu phun nhiên liệu đã vật lộn trong hơn 50 năm với những thách thức trong việc tìm hiểu sự nhiễu loạn trong kim phun và ảnh hưởng của nó đối với mô phỏng phun. Mô phỏng CFD với LES đã cải thiện đáng kể kiến thức của các kỹ sư về đặc điểm vật lý cơ bản của quá trình phân rã sơ cấp và tác động của hình dạng vòi phun đối với cấu trúc phun. Các kỹ sư của Delphi đang tiếp tục nỗ lực để kết hợp mô phỏng trong quá trình thiết kế kim phun nhiên liệu phun vào các mô hình động cơ mới. Mô phỏng sẽ cho phép các kỹ sư hiểu rõ hơn về những tương tác phức tạp giữa các thông số hình học trong kim phun, cho phép chuyển từ thông số thành quá trình tối ưu hóa dựa trên kiến thức. Sẽ cần ít mẫu hơn để thử nghiệm, và điều này được dự kiến sẽ giúp giảm thời gian cần thiết để phát triển các kim phun, dẫn đến động cơ hoạt động tốt hơn với mức tiêu hao nhiên liệu và lượng phát thải thấp hơn.

 


Nguồn: ANSYS Advantage V11I3, 2017

Lược dịch: Nguyễn Công Đức - Cộng tác viên tại Advantech.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail