Mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel bằng phần mềm CFD-KIVA

hoạt động vào năm 1981, chương trình nghiên cứu 
nâng cao động cơ đốt trong (Advanced Combustion 
Engine R&D - ACE R&D) bắt đầu vào năm 1986. 
Một trong những hệ thống có ảnh hưởng quyết định 
đến các chỉ tiêu của động cơ diesel đó là hệ thống 
cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của nhiên liệu. 
Nhiên liệu được cung cấp vào buồng cháy vào thời 
điểm nào, chất lượng tia phun như thế nào để cho 
quá trình cháy diễn ra tốt nhất. Vì vậy, việc nghiên 
cứu nhằm làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt động 
tốt nhất, tối ưu nhất, luôn nhận được sự quan tâm 
của các nhà nghiên cứu. Các cơ sở nghiên cứu quá 
trình cháy CRF và phát triển động cơ ACE R&D 
đã phát triển các phần mềm máy tính có khả năng 
mô phỏng quá trình phun, hình thành hỗn hợp và 
cháy, chẳng hạn như: KIVA, phần mềm nhiệt động 
học quá trình công tác của động cơ PROMO của 
Đức dựa trên lý thuyết tính toán động lực học chất 
lỏng CFD (computational Fluit Dynamics), phần 
mềm CLEERS (Cross-Cut Lean Exhaust Emissions 
Reduction Simulation); phần mềm BOOST, FIRE, 
HYDSIM, EXCITE, GLIDE, TYCON, BRICKS 
của hãng AVL (cộng hòa Áo). Phần mềm tính toán 
KIVA, đã được phát triển nhiều năm qua tại Phòng 
thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Los Alamos 
National Laboratory – LANL), Hoa Kỳ, là phần 
mềm CFD mô phỏng 2D và 3D các dòng lưu chất 
chảy rối với tia phun, có phản ứng hóa học như mô 
phỏng sự cháy của động cơ đốt trong.
Cấu trúc phần mềm KIVA
KIVA3V là chương trình máy tính dùng để 
mô phỏng các quá trình của động cơ đốt trong nói 
chung và quá trình phun nhiên liệu của động cơ 
Diesel nói riêng. Cấu trúc của chương trình gồm 3 
phần chính:
“Pre - processor”: k3prep_chương trình 
dùng để tạo lưới cho mô hình. 
“Main - processor”: kiva3v_chương trình xử 
lý chính.
“Post - processor”: Origin + Tecplot_ chương 
trình tạo biểu đồ, hình ảnh.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017 Journal of Science and Technology 29
Các mô hình tính toán chính trong KIVA 
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của thông số 
phun nhiên liệu trên động cơ diesel phun trực tiếp 
được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng KIVA3V. 
Đây là chương trình mô phỏng dựa trên các phương 
trình bảo toàn và chuyển hóa về nhiệt, khối lượng 
và mô men giữa các pha khí trong xy lanh. Để mô 
phỏng dòng chuyển động rối, mô hình dòng chảy 
rối “Renormalized Group k-epsilon” (RNG k-f
) được Han và Reitz xây dựng nên [1]. Ngoài ra, 
việc kết hợp giữa hai mô hình Kelvin-Helmholtz và 
Rayleigh-Taylor để hình thành nên mô hình lai KH-
RT được sử dụng để mô phỏng quá trình phân rã tia 
nhiên liệu ([2], [3]). Bên cạnh đó, KIVA3V còn sử 
dụng rất nhiều các mô hình phụ khác để mô phỏng 
các quá trình xảy ra khi nhiên liệu phun vào buồng 
đốt cho đến khi bắt đầu bén lửa như mô hình bay 
hơi nhiên liệu, mô hình truyền nhiệt giữa các phần 
tử, mô hình va chạm giữa các hạt nhiên liệu [4]. 
Việc khảo sát sự tác động của các thông số phun đến 
ô nhiễm môi trường thì KIVA3V sử dụng mô hình 
Zel’dovich cho quá trình hình thành NOx [5] và tính 
toán sự hình thành bồ hóng cũng như quá trình ô xi 
hóa bồ hóng được mô phỏng bằng mô hình bồ hóng 
“8 bước” của Foster [6]. KIVA3V sử dụng mô hình 
lai Kelvin-Helmholtz và Rayleigh-Taylor (KH-RT) 
để diễn tả sự phân rã tia nhiên liệu. Mô hình này, 
được phát triển dựa trên mô hình TAB, là mô hình 
được sử dụng rất rộng rãi trong việc mô phỏng tia 
phun “Lagrangian” ([7]; [8]; [9]). Thực nghiệm 
cho thấy, mô hình KH-RT diễn tả tốt nhất các điều 
kiện hoạt động luôn thay đổi của động cơ [10]. Mô 
hình KH-RT là sự kết hợp giữa hai mô hình phân 
rã tia phun: mô hình Kelvin-Helmholtz, giải thích 
sự phát triển không ổn định của các sóng bề mặt 
của tia nhiên liệu lỏng gây ra bởi sự sai khác về vận 
tốc giữa pha lỏng và pha khí. Mô hình Rayleigh-
Taylor, giải thích sự phát triển sóng bề mặt của các 
hạt nhiên liệu do bởi sự cọ xát giữa các bề mặt hạt 
và khí. 
Theo Kelvin - Helmholtz, lớp biên của 
trường tia nhiên liệu sinh ra sự phát triển nhanh 
chóng về chiều dài sóng (m
KH
) và tốc độ hình thành 
(X
KH
) hạt nhiên liệu:
.
.
. .
We
r Oh Ta
9 02
1 0 856
1 0 45 1 0 4
..
.
KH 1 67 0 6
1
2
0 7
m =
+
+ +
_
` _
i
j i
Trong đó, Oh: số Ohnesorge; Ta: số Taylor; We: số 
Weber.
.
. .
Oh Ta
We
r1 1 1 4
0 34 0 38
.KH
d
0 6
3
2
3t
vX =
+ +
+
_ _
`
i i
j
Bán kính tới hạn của hạt nhiên liệu r
c
 - bán 
kính hình thành sau khi hạt nhiên liệu thoát khỏi tia 
phun phụ thuộc chiều dài sóng m
KH
 và tốc độ mà tại 
đó hạt nhiên liệu thoát khỏi tia phun, hoặc giá trị 
thời gian phân rã tia phun t
KH
 (đại diện cho tốc độ 
phân rã) phụ thuộc vào chiều dài sóng m
KH
, tốc độ 
hình thành X
KH
 và bán kính hạt nhiên liệu, r:
r Bc KH0m=
.
t
B r3 726
KH
KH KH
1
mX
=
Với, r
c
: bán kính tới hạn của hạt nhiên liệu; B
0
, B
1
: 
hằng số mô hình; r: bán kính hạt nhiên liệu
Sự biến thiên kích thước hạt có thể được xác 
định bằng phương trình sau:
dt
dr
t
r r
KH
c=-
-
Phương trình trên mô tả tốc độ mà hạt nhiên 
liệu đạt đến trạng thái cân bằng. Thông số B
0
 và B
1 
được tra trong Bảng 1. Thông số B
0
 sẽ xác định điều 
kiện để sự phân rã bắt đầu. Nếu We < We
giới hạn
, các 
hạt nhiên liệu sẽ tự đạt tới trạng thái ổn định và quá 
trình phân rã tia phun không xảy ra. Thông số thứ 
hai, B
1
, kiểm soát thời điểm mà tại đó hạt nhiên liệu 
mới được hình thành.
Bảng 1. Hằng số mô hình KH-RT
Thông số mô hình Giá trị
B
0
0.61
B
1
40.0
Cx 1.0
C
RT
0.1
We
giới hạn
6
Theo Rayleigh - Taylor, việc xuất hiện hạt 
nhiên liệu bị chi phối bởi tốc độ xáo trộn trên bề mặt 
hạt. Sự xáo trộn này bắt đầu từ đuôi của lớp biên 
[11]. Chiều dài sóng (m
RT
) và tốc độ hình thành (
RTX ) cho bởi công thức: 
g
3 3
2 .
RT
l g
t l g
1 5
v t t
t t
X =
+
-
_
_
i
i
Với, .g g dt
du
u
u
t
d
d
d= +b l 
 C g2
3
RT RT
t l g
m r
v v
v=
-_ i 
Trong đó, C
RT
 là thông số mô hình. C
RT
 xác định 
điều kiện để hạt phân rã thành các hạt mới có kích 
thước nhỏ hơn, và thông số này cũng xác định kích 
thước mà hạt mới đạt được.
Xây dựng mô hình tính toán mô phỏng
Thông số động cơ nghiên cứu một xy lanh:
Hình ảnh động cơ như Hình 1.
Tính toán được thực hiện với mô hình lưới 
xây dựng theo động cơ diesel nghiên cứu AVL 5402 
một xy lanh, phun trực tiếp với một kim phun có 5 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology30 Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017
lỗ phun. Thông số động cơ như Bảng 2.
Hình 1. Động cơ diesel AVL 5402
Bảng 2. Thông số động cơ 1 xy lanh AVL 5402
Thông số Giá trị
Số xy lanh 1
Đường kính xy lanh 85 mm
Dung tích xy lanh 510.7 cm3
Tỉ số nén 17 : 1
Nhiên liệu Diesel
Công suất cực đại 18/4200 kW/rpm
Số lượng xupáp 2 nạp, 1 thải
Kiểu xy lanh Ướt
Hệ thống phối khí DOHC
Kiểu kim phun Bosch CP1 1350Bar
Số lỗ tia x đường kính 
x góc phun
5 x 0.17mm x 1420
Lưu lượng 375ml/30s
Độ nâng kim 0.2mm
Xây dựng mô hình lưới mô phỏng
Hình 2. Bản vẽ thiết kế piston AVL
Việc tạo mô hình lưới động cơ AVL 5402 
trong KIVA3V dựa vào các thông số đầu vào tại 
Bảng 2. Xác định các thông số kết cấu khác của 
động cơ nghiên cứu như: vị trí và biên dạng hình 
học của buồng cháy trên đỉnh piston. Xác lập biên 
dạng hình học của buồng cháy trên đỉnh piston được 
thực hiện dựa vào bản vẽ thiết kế từ nhà sản xuất 
AVL trình bày trên Hình 2.
Góc mô phỏng được xác định bằng 72o 
- tượng trưng cho 1/5 không gian buồng đốt, góc 
mô phỏng xác định dựa vào kim phun sử dụng trên 
động cơ nghiên cứu AVL là loại 5 lỗ tia và kết cấu 
hình học của buồng đốt đối xứng qua đường tâm xy 
lanh như Hình 3.
Hình 3. Phân vùng và lập tọa độ điểm vị trí biên 
của piston
Sau khi xác định các thông số cần thiết cho 
tệp tin đầu vào Iprep.txt. Kết quả ta thu được một 
mô hình lưới của động cơ AVL như Hình 4 với góc 
mô phỏng 72o. Mô hình lưới bao gồm 37 vùng theo 
phương hướng kính, 36 vùng theo phương tiếp 
tuyến và 31 vùng theo phương hướng trục, và được 
tạo bởi 44975 ô khi piston ở vị trí điểm chết dưới.
Hình 4. Mô hình lưới buồng đốt piston AVL với góc 
mô phỏng 72o
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017 Journal of Science and Technology 31
Kết quả và thảo luận
Hình 5 thể hiện sự biến thiên áp suất trong 
xy lanh theo góc quay trục khuỷu ở các chế độ tải 
40%, 60% và 80%. Có thể thấy do tất cả các thông 
số phun không thay đổi, quá trình cháy của cả ba 
chế độ tải như nhau, thể hiện ở sự gia tăng áp suất 
đồng nhất. Sự khác biệt chỉ thể hiện ở giá trị áp suất 
cực đại, tăng dần và lớn nhất với chế độ 80% tải.
Hình 5. Biến thiên áp suất (thực nghiệm) ở các chế 
độ tải 40%, 60% và 80%
Hiệu chỉnh mô phỏng với thực nghiệm: Hình 
6 so sánh sự biến thiên áp suất xy lanh khi chưa 
phun nhiên liệu. Đường nét rời là đường cong thực 
nghiệm, còn nét liền là đường cong mô phỏng. Sự 
trùng khớp của hai đường cong chứng minh thông 
số tỷ số nén, áp suất ban đầu và nhiệt độ ban đầu của 
mô phỏng là phù hợp.
Hình 6. So sánh áp suất xy lanh khi không xảy ra cháy
Kết quả mô phỏng điển hình của một trường 
hợp bất kỳ, ở đây được chọn là trường hợp 80% 
tải, thời điểm phun nhiên liệu -18oATDC, thời gian 
phun 10o góc quay trục khuỷu (CA – Crank Angle). 
Hình 7 thể hiện sự biến thiên áp suất và nhiệt độ 
trong xy lanh theo góc quay trục khuỷu từ thời điểm 
xú páp nạp đóng (-134oATDC) đến khi xú páp thải 
bắt đầu mở (128oATDC).
Hình 7. Biến thiên áp suất và nhiệt độ, 80% tải, thời 
điểm phun -18oATDC
Hình 8 giới thiệu mô hình mô phỏng tại thời 
điểm -17oATDC, khi nhiên liệu vừa được phun vào 
buồng cháy động cơ. Để nghiên cứu chi tiết sự hình 
thành của NOx trong buồng cháy, một mặt cắt đi 
ngang tia nhiên liệu được tạo ra. Hình 8 a, b, c trình 
bày nồng độ và sự phân bố của NOx trên mặt cắt 
ngang này tại ba thời điểm: 0oATDC, 10oATDC và 
20oATDC. Các đường liền nét trên hình thể hiện các 
đường đẳng hệ số dư lượng không khí U = 0.8, 1.0 
và 1.2. Các mặt cắt thể hiện sự phân bố nhiệt độ 
tương ứng cũng được trình bày ở các hình 8 d, e, f.
0oATDC 10oATDC 20oATDC
a) b) c)
Phân bố NOx
d) e) f)
Hình 8. Sự phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx trên 
mặt cắt tại 0o, 10o và 20oATDC
Ở thời điểm 0oATDC, nhiệt độ trong xy lanh 
còn khá thấp hơn ngưỡng cần thiết nên NOx hầu như 
chưa được tạo nên (Hình 8 a). Ở 10oATDC, khu vực 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology32 Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017
có nhiệt độ cao nhất lên đến 2800K (hình 8 e) và tập 
trung quanh vùng có U từ 0.8 đến 1.2. Đây chính là 
khu vực màng lửa. Do các điều kiện thuận lợi như 
vậy, lượng NOx trong buồng cháy hình thành mạnh 
và cũng tập trung quanh khu vực có U từ 0.8 đến 
1.2 (hình 8 b). Đến 20oATDC, lượng NOx trong xy 
lanh không còn tạo ra thêm vì nhiệt độ đã giảm dưới 
ngưỡng cần thiết và thiếu oxy trong xy lanh.
Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu trên đây, có thể 
rút ra các kết luận sau đây:
- Thời điểm phun càng trễ thì thời gian cháy 
trễ càng ngắn. Với cùng một thời điểm phun, động 
cơ hoạt động ở chế độ tải lớn hơn sẽ có thời gian 
cháy trễ ngắn hơn. 
- Thời điểm phun càng trễ thì lượng NOx 
phát thải càng giảm. Với cùng một thời điểm phun, 
nhìn chung động cơ hoạt động ở chế độ tải lớn hơn 
có lượng NOx phát thải lớn hơn. 
- Việc ứng dụng phần mềm đã tìm ra các giá 
trị tối ưu của thời điểm phun mà ở đó các thông số 
về công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, khí thải là 
hợp lí nhất và phù hợp với động cơ thực nghiệm. 
Đây chính là một trong những hướng nghiên cứu 
tiên tiến trong ngành động cơ đốt trong. Đặc biệt, 
nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel 
dùng cho động cơ diesel.
References
[1]. Han, Z.; Reitz, R.D., “Turbulence Modeling of Internal Combustion Engines using RNG k-e 
Models,” Combust. Sci. and Tech. 106, 4-6, p. 267, 1995.
[2]. Angermann, A.; Beuschel, M.; Rau, M.; Wohlfarth, U.: Simulation Mit SIMULINK/MATLAB: 
Skriptum Mit Ubungsaufgaben. Stand: 29. November 2001, TU munchen:
[3]. Reitz, R.D.; Diwakar, R., “Structure of High-Pressure Fuel Sprays,” Society of Automotive 
Engineers Technical Paper 870598, SAE Transactions Vol. 96, Sect. 5, pp. 492-509, 1987. 
[4]. Kärrholm, F.P., “Numerical Modelling of Diesel Spray Injection, turbulence Interaction and 
Combustion”. Thesis for Doctor of Philosophy, 2008. 
[5]. Zel’dovich, Y.B., “The Oxidation of Nitrogen in Combustion and Explosions”. Acta 
Physiochimica USSR, Vol. 21, 1946.
[6]. Kim, H., and N.Sung, 2004. “Combustion and Emission Modelling for a Direct Injection Diesel 
Engine”. SAE paper No.2004-01-0104.
[7]. Amsden, A. A., O’Rourke, P. J. and Butler, T. D. KIVA-II: A Computer Program for Chemically 
Reactive Flows with Sprays, Report No. LA-11560-MS, Los Alamos National Laboratories, May 
1989.
[8]. Amsden, A. A. KIVA-3V, Release 2: Improvements to KIVA-3V, Report No. LA-UR-99-915, 
Los Alamos National Laboratories, October 1996.
[9]. Kimura, S., Ogawa, H., Matsui, Y. and Enomoto, Y. “An Experimental Analysis of Low 
Temperature and Premixed Combustion for Simultaneous Reduction of NOx and Particulate 
Emissions in Direct-Injection Diesel Engines” Int. J. Engine Res., 3, 4 pp. 249-259, 2002.
[10]. Khai, Nguyen Le Duy.,N. Sung, S.S.Lee, H.S.Kim, 2011. “Effects of Split Injectio, Oxygen 
Enriched Air and Heavy EGRon Soot Emissions in a Diesel Engine”. International Journal of 
Automotive Technology, Vol.12, No. 3, 2011.
[11]. G.Stiesch, 2003, “Modeling Engine Spray and Combustion Processes,” Springer-Verlag Berlin 
Heidelberg. 2003.
SIMULATION OF BIODIESEL FUEL COMBUSTION
IN DIESEL ENGINES WITH CFD-KIVA SOFTWARE
Abstract:
One of the systems has a decisive effect on the quality of combustion process, as well as the 
performance of diesel as the fuel supply system. Thus, the study aims to make fuel system works best, most 
optimal; always get the attention of researchers worldwide. KIVA calculation and simulation software, was 
developed many years at Los Alamos National Laboratory (Los Alamos National Laboratory - LANL), USA, 
is the CFD simulation software for 2D and 3D fluid flow turbulence with rays spray, chemical reactions 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng 3 - 2017 Journal of Science and Technology 33
such as combustion simulation of combustion engines. KIVA3V the computer program used to simulate 
the process of internal combustion engines in general and the fuel injection, combustion of diesel fuel in 
particular. This paper presents the results of the KIVA software application to find out the optimum value 
of injection timing at which the parameters of power, fuel consumption rate, gas is the most logical and 
consistent Experimental matching engine. This is one of the advanced researches in internal combustion 
engines. In particular, studies of combustion of biodiesel fuel for diesel engines.
Keywords: Combustion, biodiesel fuel, KIVA software, diesel engine.