(Đề tài NCKH) nghiên cứu ảnh hưởng xoáy lốc trên đường ống nạp đến hiệu suất động cơ xe máy

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐcũng được thực hiện nhằm xem xét ảnh hưởng các hệ số xoáy lốc đến đặc tính cháycủa động cơ, qua đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự xoáy lốc đến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG XOÁY LỐC

TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NẠP ĐẾN HIỆU

SUẤT ĐỘNG CƠ XE MÁY

MÃ SỐ: T2018

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG XOÁY LỐC TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NẠP ĐẾN HIỆU SUẤT

ĐỘNG CƠ XE MÁY

Mã số: T2018- 21TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

TP HCM, Tháng 04 Năm 2019

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm T2017-29TĐ

CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Lý Vĩnh Đạt

Đơn vị phối hợp thực hiện: Bộ môn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại

học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

MỤC LỤC

Trang

Danh sách thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện i

Mục lục ii

Danh sách các bảng v

Danh sách các hình vi

Danh mục các chữ viết tắt viii

Thông tin kết quả nghiên cứu ix

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Error! Bookmark not defined 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. 3

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước 3

1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước 4

1.4 Mục đích nghiên cứu 5

1.5 Đối tượng nghiên cứu 5

1.6 Phương pháp nghiên cứu 5

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Khái quát về xoáy lốc trên động cơ đốt trong 7

2.1.1 Định nghĩa về hiện tượng lốc xoáy 7

2.1.2 Vận tốc trung bình của dòng lốc xoáy 8

2.1.3 Hệ số xoáy lốc và vận tốc của moment động lượng 9

2.1.4 Lốc xoáy tạo ra trong quá trình hút 11

2.1.5 Lốc xoáy khi vào xi lanh 13

2.1.6 Phương pháp đo lốc xoáy (Swirl Measurement) 16

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nạp và công suất của động cơ 2.2.1 Hệ số nạp và các yếu tố ảnh hưởng 19

2.2.2 Hệ số khí sót và các thông số ảnh hưởng 20

2.2.3 Ảnh hưởng của lốc xoáy đến dòng khí nạp 21

ii

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NẠP TRÊN ĐỘNG

CƠ XE MÁY HONDA FUTURE FI 125cc 23

3.1 Mô hình hoá hệ thống nạp trên động cơ 23

3.2 Phần mềm thiết kế CATIA V5 26

3.3 Giới thiệu phần mềm ANSYS 32

3.4 Thiết lập các thông số cho mô hình để mô phỏng 35

3.4.1 Phần mềm mô phỏng 35

3.4.2 Thiết lập các thông số cơ bản 36

3.4.3 Định nghĩa các mặt hình học 39

3.4.4 Quá trình chia lưới 40

3.4.5 Tiến hành mô phỏng 46

3.5 Mô hình mô phỏng đặc tính động cơ 47

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 49

4.1 Thiết lập mô phỏng 49

4.1.1 Quá trình tạo lưới toàn chu kỳ 49

4.1.2 Phổ vận tốc toàn chu kỳ 50

4.1.3 Phổ vận tốc quá trình nạp 52

4.1.4 Năng lượng động năng trung bình của dòng chảy mô phỏng 53

4.2 Ảnh hưởng hệ thống nạp đến hệ số xoáy lốc 54

4.2.1 Hệ số xoáy lốc dọc 55

4.2.2 Hệ số xoáy ngang 58

4.2.3 Hệ số xoáy lốc theo phương cắt ngang 61

4.3 Ảnh hưởng của hệ số xoáy lốc đến đặc tính động cơ 62

4.3.1 Ảnh hưởng của hệ số xoáy lốc đến công suất động cơ 62

4.3.2 Ảnh hưởng của hệ số xoáy lốc đến moment xoắn động cơ 65

4.3.3 Ảnh hưởng của hệ số xoáy lốc đến công suất động cơ 66

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 67

6.1 Kết luận 67

6.2 Đề nghị: 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

iv

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số kết cấu xe máy Honda Future FI 125cc dùng để thiết kế và mô

phỏng……….……… 24Bảng 4.1 Giá trị các tỷ lệ xoáy theo góc nghiêng khác nhau 62

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang 8

Hình 2.2 Vận tốc góc của moment động lượng xoáy lốc dọc và ngang 9

Hình 2.3 Xoáy lốc Swirl trong quá trình nạp 11

Hình 2.4 Các biến thể của các dạng đường ống tạo ra xoáy lốc dọc (Swirl) 12

Hình 2.5 Xú-pap nạp được tạo rãnh để tạo xoáy lốc 12

Hình 2.6 Xoáy lốc ngang (Tumble) chủ yếu do phun nhiên liệu 14

Hình 2.7 Xoáy lốc ngang (Tumble) được tạo ra khi xú-pap thường đặt nghiêng… 15

Hình 2.8 Piston được tạo biên dạng lõm để tăng xoáy lốc dọc (Swirl)………… 15

Hình 2.9 Sơ đồ về phương pháp đo dòng chảy ổn định……… 16

Hình 2.10 Thiết bị xoáy lốc dọc (Swirl) và lốc xoáy ngang (Tumble) 17

Hình 2.11 Hệ thống T-VIS 18

Hình 2.12 Phần đồ thị công trong quá trình nạp 19

Hình 3.1 Dạng cổ nạp xe máy Honda Future FI 125cc ngoài thực tế 24

Hình 3.2 Tiến hành đo thông số kết cổ nạp 24

Hình 3.3 Giao diện CATIA V5 sau khi khởi động 27

Hình 3.4 Chức năng lệnh cơ bản trong 2D của phần mềm CATIA V5 27

Hình 3.5 Lệnh thường vẽ trong môi trường 2D 28

Hình 3.6 Biên dạng của đường ống nạp trong 2D có màu xanh lá 29

Hình 3.7 Lệnh Shaft 30

Hình 3.8 Lệnh Rib 30

Hình 3.9 Biên dạng đường ống nạp và cổ xả được vẽ khi dùng lệnh Rib 31

Hình 3.10 Mô hình 3D động cơ xe máy Honda Future FI 125cc hoàn chỉnh 32

Hình 3.11 Giao diện khi khởi động phần mềm ANSYS Workbench 36

Hình 3.12 Hai mô hình ICE trong ANSYS 36

Hình 3.13 Xem các thông số thiết lập 37

Hình 3.14 Các loại hình mô phỏng cho mô hình ICE 37

Hình 3.15 Việc mô phỏng này là toàn chu trình 37

Hình 3.16 Thiết lập thông số tổng quát cho mô phỏng. 38

Hình 3.17 Các thông số thiết lập cơ bản của một động cơ đốt trong 39

Hình 3.18 Chọn các mặt hình học để định nghĩa chúng 40

Hình 3.19 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp nạp 250 41

vi

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

Hình 3.20 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp

nạp 30o 42

Hình 3.21 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp nạp 350 43

Hình 3.22 Thiết lập các thông số cơ bản và điều kiện biên 43

Hình 3.23 Thiết lập thông số cho mô hình chuẩn bị quá trình cháy 44

Hình 3.24 Thiết lập các thông số phun xăng và đánh lửa……….……… 45

Hình 3.25 Thiết lập thông số mở sớm đóng muộn cho xú-pap nạp và thải 46

Hình 3.26 Biểu tượng thể hiện dấu "Check" thì mới tiến hành mô phỏng. 47

Hình 3.27 Hình các thông số đầu vào của động cơ xe máy Honda Future 125cc 47

Hình 3.28 Xây dựng mô hình động cơ xe máy Honda Future 125cc bằng Simulink 48

Hình 4.1 Tạo lưới toàn chu kỳ 49

Hình 4.2 Phổ vận tốc toàn chu kỳ 51

Hình 4.3 Phổ vận tốc kỳ nạp 52

Hình 4.4 Năng lượng động năng trung bình của dòng chảy mô phỏng 54

Hình 4.5 Tỷ lệ xoáy lốc dọc (Swirl) của động cơ nguyên mẫu góc nghiêng 250 và góc nghiêng 300 55

Hình 4.6 Tỷ lệ xoáy lốc ngang của động cơ nguyên mẫu 250 và động cơ cải tiến 300 57

Hình 4.7 Tỷ lệ xoáy lốc dọc của động cơ với góc nghiêng 300 và góc nghiêng 350 58

Hình 4.8 Tỷ lệ xoáy lốc ngang của góc nghiêng 300 và góc nghiêng 350 60

Hình 4.9 Hệ số xoáy lốc theo phương cắt ngang của tỷ lệ xoáy ngang 62

Hình 4.10 Các hệ số a, m được đưa vào model để đánh giá tới công suất 63

Hình 4.11 Công suất của động cơ ứng với các góc nghiêng khác nhau 63

Hình 4.12 Moment động cơ xe máy Honda Future 125cc ứng với các góc nghiêng khác nhau 65

Hình 4.13 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ứng với các góc nghiêng khác nhau 66

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

-ANSYS: Analyst system – Phân tích hệ thống

-AQI: Air Quality Index – Chỉ số chất lượng không khí

-CA: Crankshaft Angle – Góc quay trục khuỷu

-CATIA V5: Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) - Xử

lý tương tác trong không gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính

-CPU: Central Processing Unit – Bộ phận xử lý trung tâm

-ĐCD: Điểm chết dưới

-ĐCT: Điểm chết trên

-ECU: Electronic Control Unit - Hộp điều khiển động cơ bằng điện tử

-EGR: Exhaust Gas Recirculation – Hệ thống luân hồi khí xả

-EVC: Exhaust Valve Close - Xú-pap thải đóng

-EVO: Exhaust Valve Open - Xú-pap thải mở

-FEA: Finite Element Analysis – Phân tích phần tử hữu hạn

-GDI: Gasoline Direct Injection – Phun xăng trực tiếp

-ICE: Internal Combustion Engine – Động cơ đốt trong

-IVC: Intake Valve Close - Xú-pap nạp đóng

-IVO: Intake Valve Open - Xú-pap nạp mở

-PM: Particulate Matter: chất dạng hạt

-PPM: Part Per Million một phần triệu

-WHO: World Health Organization – Tổ chức Y tế Thế giới

-RON: Reasearch Octance Number – Chỉ số ốc tan xác định theo phương pháp nghiên cứu

-SCV: Swirl Control Valve – Van điều khiển xoáy lốc

-STCS: Swirl Tumble Control System – Hệ thống điều khiển xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang

-T-VIS: Toyota Variable Induction System – Hệ thống biến thiên dòng khí nạp.-VVT: Variable Valve Timing – Hệ thống điều khiển van biến thiên thông minh

- VCR: Variable Compression Ratio – Hệ thống thay đổi tỷ số nén biến thiên

viii

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Tp HCM, Ngàythángnăm

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

1.- Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng xoáy lốc trên đường ống nạp đến hiệu suất động cơ xe máy”

- Chủ nhiệm:PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 12 tháng

2 Mục tiêu:

Cải tiến đường ống nạp trên các động cơ hiện nay để tối ưu sự xoáy lốc(tumble và swirl) thông qua các phần mềm chuyên phù hợp với từng chế độ hoạtđộng trên động cơ nhằm nâng cao hiệu suất, công suất và tính kinh tế nhiên liệutrên xe

3 Tính mới và sáng tạo:

Động cơ xe máy rất phổ biến ở Việt Nam Tuy nhiên, thiết kế đường ống nạpđơn giản, điều này ảnh hưởng của sự xoáy lốc không tốt dẫn đến công suất, suất tiêuhao nhiên liệu, hiệu suất động cơ rất thấp Ảnh hưởng của xoáy lốc đến sự hoà trộnhỗn hợp không khí - nhiên liệu (hoà khí) ở tốc độ thấp rất đáng kể Sự xoáy lốc

cũng ảnh hưởng đến sự tổn hao năng lượng khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao Sựxoáy lốc trên động cơ bao gồm xoáy lốc dọc (swirl) và xoáy lốc ngang (tumble) phụthuộc vào biên dạng, đường kính, chiều dài của đường ống nạp Nghiên cứu sử

dụng phần mềm chuyên ngành phân tích và cải tiến đường ống nạp hiện tại trênđộng cơ xe máy để tối ưu sự xoáy lốc ứng với từng chế độ hoạt động trên động cơ.Qua đó, nâng cao công suất và hiệu suất động cơ

4 Kết quả nghiên cứu:

Đề tài này nghiên cứu cải tiến hệ thống nạp trên xe máy 125cc, góp phầncải thiện sự hoà trộn hỗn hợp hoà khí nhằm nâng cao đặc tính động cơ Nghiên cứu

sử dụng các phần mềm Ansys mô phỏng cải tiến hệ thống nạp thông qua các hệ số

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

cũng được thực hiện nhằm xem xét ảnh hưởng các hệ số xoáy lốc đến đặc tính cháycủa động cơ, qua đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự xoáy lốc đến công suất, momenxoắn, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở các số vòng quay khác nhau Kết quả

mô phỏng chỉ ra rằng ở góc nghiêng của cổ nạp 300 có hệ số xoáy lốc dọc và xoáylốc ngang là tối ưu nhất Đồng thời, đặc tính công suất,momem xoắn của động cơ có

hệ thống nạp cải tiến (góc nghiêng 300) là cao nhất, trong khi suất tiêu hao nhiênliệu của đ ộng cơ là thấp nhất so với các trường hợp khác

Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: “A Study of the effects of swirl and tumble ratios on engine performance in motorbike"

Code number: T2018-21TĐ

Coordinator: Assoc, PhD LY VINH DAT

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology andEducation

Duration: 12 months

2 Objective(s):

The purpose of research study, the improving of intake system in motorbike tooptimize the swirl and tumble ratios at various operating conditions via software.This results to increase the engine power, torque and decrease fuel consumption inmotorbike engine

3 Creativeness and innovativeness:

Motorbike is popularly used in Vietnam However, the intake manifold isdesigned simply and not optimal These causes bad mixture between air and fuel inengines, this results to reduce engine performance and increase fuel consumption,especially at part loads The swirl and tumble ratios depend on the intake profile,diameter, length This study uses the software such as Asys, Matlab/Simulink thatcan analyze and improve the currently intake system in motorbike Consequently,the engine performance and fuel consumption are considerably improved at partloads

4 Research results:

The paper studies the improving of intake system in 125cc motorbike engine,this improves air-fuel mixture that increases engine performance The study usesAnsys software to simulate the improving of intake system via tumble and swirlratios at different cases Besides, a model is also built by Matlab/Simulink thatexamines the effects of swirl and tumble ratios on engine performance and fuelconsumption in engine at various engine speeds The simulation results show thatthe modified intake system (with 300 angle) has optimal tumble and swirl ratios

xi

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

Additionally, power and torque in engine has high value with the the modifiedintake system (with 300 angle) Whereas, the fuel consumption reduces comparing

to the other cases

5 Products:

- 01 published paper in Journal of Techical Education Science, HCMUTE , 2019

- 01 published paper in National Technology Science about Mechanical and

Automotive Proceeding, pp 260-265, 2017

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

The study takes part in decreasing fuel consumption and increasing engineperformance in motorbike engine at part loads by improving the swirl and tumble ratios in the intake manifold

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ khi cuộc các mạng công nghiệp lần thứ nhất ra đời tại Châu Âu với sự ra đờicủa động cơ hơi nước với phát minh của nhà bác học James Watt(1736-1819) nhà

phát minh người Scottland, tiếp sau đó là cuộc cách mạng công nghiệp lần 2 với sự

phát minh nhiều thiết bị dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ với sự xuất hiện củabóng đèn điện, trong đó không thể không kể đến đó động cơ đốt trong, sau đó làcách mạng công nghiệp 3 và cuộc cách mạng công nghiệp 4 với sự phát triển như

vũ bão về các ngành công nghiệp nặng, máy móc, Internet… Qua 4 cuộc cách mạngnày ta đề thấy rằng động cơ đốt trong ra đời rất sớm và chiếm một phần rất quantrọng trong các ngành công nghiệp, trong đó phải kể đến đó là động cơ ô tô, xe máy.Theo nhu cầu và tài chính của con người thì xe máy lại tiện lợi, trong khi đó nước ta

là nước có sử dụng xe máy lớn thứ 2 ở Châu Á sau Đài Loan Như vậy, theo thờigian thì nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt, tình trạng ô nhiễm môitrường ngày càng tăng do sự phát thải về lượng khí xả trên xe máy và ô tô Ngàynay với xu thế của thế giới là làm sao hạn chế lượng khí xả phát thải ra môi trường,mong muốn môi trường luôn xanh, tránh tình trạng nóng lên của trái đất thì câu hỏiđặt ra cho các nhà sản xuất xe máy họ phải luôn cải tiến về động cơ của mình saocho lượng khí xả phát thải ra môi trường là thấp nhất, ít độc hại nhất, việc cải tiếnnày là làm sao phải giải quyết ba bài toán chính đó là: bài toán về môi trường phảilàm sao cho khí xả của động cơ đốt trong là ít gây hại cho môi trường nhất Bài toán

kỹ thuật: phải đảm bảo các thông số kỹ thuật của xe gắn máy như về công suất, suấttiêu hao nhiên liệu là hợp lý Bài toán về kinh tế làm sao phù hợp với tài chính củangười dân

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghệ ứng dụng tronglĩnh vực giao thông, góp phần vào sự phát triển nền kinh tế Thời gian vận chuyểnhàng hóa thương mại và nhu cầu đi lại con người ngày càng được rút ngắn Sự pháttriển công nghệ trong động cơ đốt trong đã làm thay đổi điều này Trong ba loạiphương tiện đường bộ, đường biển và đường hàng không thì số lượng phương tiệnđường bộ chiếm số lượng lớn nhất Nhu cầu sử dụng phương tiện cá nhân để đi lại

và chuyên chở hàng hóa thiết bị tăng cao Ở các nước đang phát triển, đặc biệt làcác quốc gia tại châu Á nhu cầu sử dụng xe gắn máy ngày càng tăng Sự tiện dụng,

Trang 1

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

cơ động cũng như giá thành giúp người dân dễ dàng sở hữu một phương tiện cánhân riêng biệt cho nhu cầu di chuyển

Việt Nam cũng là một quốc gia nằm trong quy luật phát triển của châu Á, hiệnnay xe máy là phương tiện chiếm đa số trong giao thông đường bộ Bởi sự phù hợpcủa phương tiện này trong đi lại, lao động sản xuất của người dân Sự gia tăngnhanh về số lượng xe máy ở nước ta bên cạnh những ưu điểm mà phương tiện nàyđem tới thì không ít những vấn đề lo ngại Một trong những vấn đề đó là sự ô nhiễmmôi trường do một lượng khí xả lớn thải ra từ động cơ xe máy Động cơ xe máy thải

ra một lượng khí thải lớn gây ô nhiễm môi trường sống, gây ra hiện tượng hiệu ứngnhà kính Lượng khí thải này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, khói bụinơi thành phố lớn do số lượng xe máy lớn Một vấn đề nữa là hiện nay hiệu suấttrên động cơ đốt trong là chưa cao, quá trình hòa trộn và cháy chưa hoàn thiện nênchưa tạo ra công suất tối ưu Thế giới chúng ta đang lo ngại về vấn đề cạn kiệtnguồn nhiên liệu hóa thạch cũng như phương hướng tìm nguồn nhiên liệu thay thế.Động cơ đốt trong hiện nay thì có hiệu suất thấp và chưa tiết kiệm nhiên liệu tối ưuvẫn còn một phần nhiên liệu cháy chưa sạch thải ra môi trường, gây tiêu hao nhiênliệu và ô nhiễm Trước khi tìm ra nguồn nhiên liệu mới thì vấn đề nghiên cứu cảitiến động cơ đốt trong nhằm mục đích nâng cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiênliệu mang tính chất cấp thiết

Hiện nay có nhiều công trình khoa học tập trung giải quyết vấn đề trên của động

cơ đốt trong Nghiên cứu mô phỏng được áp dụng nhiều trong cải tiến động cơ Sựphát triển mạnh của các phần mềm mô phỏng góp phần rất lớn cho các kết quảnghiên cứu Mô phỏng bằng phần mềm có nhiều ưu điểm là tiết kiệm được thờigian, công sức và kinh phí cho việc cải tiến Dự đoán được trước kết quả của quátrình tính toán mô phỏng cho thực tế chế tạo Mô phỏng cũng là xu thế trong nghiêncứu thiết kế chế tạo một một động cơ mới

Động cơ xăng có hiệu suất nhỏ do rất nhiều nguyên nhân như kết cấu, hệ thốngđánh lửa, nhiên liệu, mất mát do công tiêu hao (pumping loses) trong quá trìnhhoạt động Một trong các lý do là ảnh hưởng của xoáy lốc đến sự hoà trộn hỗn hợpkhông khí - nhiên liệu (hoà khí) không tốt, đặc biệt là ở tốc độ thấp Sự xoáy lốccũng ảnh hưởng đến sự tổn hao năng lượng khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao Sự

dụng phần mềm chuyên ngành phân tích và cải tiến đường ống nạp hiện tại trênđộng cơ xe máy để tối ưu sự xoáy lốc ứng với từng chế độ hoạt động trên động cơ.Qua đó, nâng cao công suất và hiệu suất động cơ.

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.

1.2.1 Nghiên cứu trong nước.

Việc nghiên cứu ảnh hưởng xoáy lốc đến công suất động cơ cũng là mộttrong những đề tài nghiên cứu về biện pháp để nâng cao hiệu suất của động cơ, do

đó chúng tôi sẽ tìm hiểu hướng nghiên cứu trong nước về các đề tài các biện phápnâng cao hiệu suất của động cơ

Hiện nay ở nước ta, việc nghiên cứu của các nhà khoa học về mô phỏng đặctính của động cơ còn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển Từ khi có sự trợgiúp của các phần mềm mô phỏng đã hỗ trợ rất nhiều cho việc thu thập số liệu tínhtoán cũng như mô phỏng các đường đặc tính của động cơ Đây được xem là mộthướng nghiên cứu mới trong nước, cho đến nay chúng ta vẫn chưa có nhiều côngtrình nghiên cứu khoa học cho lĩnh vực này Việc nghiên cứu theo hướng mô phỏng

sẽ tiết kiệm về chi phí, thời gian, công sức…cũng như cho ra kết quả chuẩn xác vềđối tượng nghiên cứu, điều này thì rất phù hợp với điều kiện còn thiếu hụt về cơ sởvật chất cũng như trang thiết bị nghiên cứu mô phỏng động cơ Vì vậy, thực hiệnnghiên cứu mô phỏng động cơ, đề xuất phương pháp nâng cao hiệu suất động cơlàm cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng dụng trong nước là hết sức cần thiết Sau đây cóthể đề cập đến một số công trình làm cơ sở cho đề tài:

Tác giả Võ Danh Toàn và Huỳnh Thanh Công trình bày nghiên cứu cải tiếnđường ống nạp cho động cơ Diesel một xi lanh RV165-2 nhằm tăng hiệu suất nạp

và cải thiện tính năng làm việc thông qua mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềmchuyên dụng AVL BOOST [1] Các phương án cải tiến được đề xuất và đánh giá sovới mô hình hệ thống nạp hiện hữu Điều kiện mô phỏng ban đầu được dựa trên kếtcấu của động cơ và thông số điều kiện vận hành từ thực nghiệm Các thông số vềđặc tính công suất, sự cháy và khí thải được lựa chọn làm tiêu chuẩn đánh giá Kếtquả: Nghiên cứu thể hiện rằng, bằng phương án cải tiến họng nạp đã tăng hiệu suấtnạp, khả năng hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu và không khí, giúp quá trình cháy tốthơn, tăng công suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải NguyễnXuân Dung và các cộng sự thực hiện mô phỏng trên động cơ Toyota 1 NZ – FE [2].Xây dựng cơ sở lý thuyết các đặc tính của động cơ và mô hình toán cho việc mô

Trang 3

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

phỏng các quá trình của động cơ Trên cơ sở đó nghiên cứu hệ thống VVT-i việcthay đổi thời điểm đóng mở xú-pap đến khả năng cải tiến hiệu suất động cơ Kếtquả nghiên cứu cho thấy việc thay đổi thời điểm đóng mở xú-pap ảnh hưởng đếncông suất động cơ Làm tối ưu hóa quá trình cháy, giảm được lượng khí thải động

cơ và nâng cao được công suất Tạo một cơ sở lý thuyết tin cậy cho việc nghiên cứuđặc tính động cơ xăng, mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink

1.2.2 Nghiên cứu nước ngoài.

- Tác giả Yuh-Yih Wu và các cộng sự [3]đề cập đến nội dung mô phỏng cácđặc tính của động cơ Yamaha dung tích 125 Tác giả đã tính toán các đặc tính đầu ra củađộng cơ xe máy dựa trên đề xuất 2 mô hình mô phỏng: mô hình chức năng momen xoắn(torque function model) và mô hình tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy (heat releasemodel) Kết quả: Cả hai mô hình được đề xuất trong nghiên cứu đều có kết quả gần sátvới thực nghiệm Tuy nhiên mỗi mô hình có đặc điểm khác nhau: mô hình chức năngmoment xoắn có ưu điểm trong việc mô phỏng tính toán đặc tính động cơ với thời gianngắn và phù hợp với mô phỏng điều khiển các trạng thái trong xe Hybrid Trong khi đó,

mô hình tốc độ toả nhiệt có ưu điểm trong việc mô phỏng điều khiển hệ thống truyền lựctrong động cơ và xét các ảnh hưởng của sự dịch chuyển dòng khí nạp đến quá trình cháyđộng cơ

Bài báo “Analysis of Tumble And Swirl Motions on a Motions in a Valve SI Engine” của tác giả Yufeng Li và các cộng sự [4] đã đề cập đến vấn đề tỉ

Four-lệ tạo xoáy trong buồng đốt Tumble và Swirl trong một động cơ xăng 4 kì có 4 vanxuppap Xây dựng được mô hình thí nghiệm và mô phỏng tỉ lệ xoáy cuộn trong lòng

xi lanh động cơ ở 2 kì là nạp và nén của động cơ, thiết lập các mô hình và đồ thị tỉ

lệ ở từng thời điểm quay của trục khuỷa động cơ Bài báo đã mô phỏng được sựxoáy lốc trong buồng đốt động cơ và xét tính ảnh hưởng của tỉ lệ Tumble và Swirlđến sự hòa trộn ở kì nạp và nén.Nghiên cứu được năng lượng xoáy cuộn đứng tốtcho quá trình nén trong động cơ

Tác giả C L Myung và các cộng sự [5] đã trình bày ảnh hưởng của khí nạpvào buồng đốt động cơ sẽ ảnh hưởng đến quá trình cháy sạch Bài báo là một thínghiệm nhằm kiểm tra quá trình đốt trong động cơ ở các thời điểm đóng mở xú-papnạp khác nhau ở điều kiện không toàn tải Bài báo kết luận rằng thời điểm mở xú-pap nạp sớm có hiệu quả,quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí đều hơn, phân

xoáy lốc ngang(tumble) thì hàm lượng HC giảm 12% ở chế độ tỉ lệ xoáy lốc đứngchiếm 50% và giảm thêm được 16% HC khi xoáy lốc đứng tiếp tục điều chỉnh lên75% Cần cân chỉ lại lượng NOx thải ra.

1.3 Mục tiêu đề tài.

Xây dựng một cơ sở lý thuyết đặc tính cho động cơ xe máy giúp ích cho quátrình nghiên cứu động cơ Tạo một cơ sở dữ liệu tin cậy cho quá trình giảng dạy vàhọc tập tại trường

Đề tài đề xuất ra mô hình mô phỏng các đặc tính xe gắn máy, mô hình hoá môphỏng hệ thống nạp trên xe máy Trên cơ sở đó, đề xuất biện pháp nâng cao hiệusuất động cơ thông quá trình nghiên cứu cải tiến hệ thống nạp, sự hòa trộn tăng hiệusuất Tối ưu hóa được quá trình hòa trộn nhiên liệu bên trong xi lanh Đưa ra cáchthiết kế cải tiến một đường ống nạp mới tối ưu cho động cơ đang sử dụng

1.4 Giới hạn của đề tài.

Vấn đề nghiên cứu đặc tính động cơ để từ đó tăng hiệu suất động cơ và giảm ônhiễm môi trường và một vấn đề nghiên cứu rộng Có nhiều sự liên quan các thông

số và các hệ thống trong động cơ trong quá trình nghiên cứu Liên quan đến nhiềukiến thức của các ngành khoa học và thiết kế đồ họa Trong đề tài này tập trung vàonghiên cứu cải tiến xoáy lốc trên hệ thống nạp của xe máy 125cc thông qua môphỏng bằng phân mềm Xem xét ảnh hưởng của các hệ số xoáy lốc đến đặc tínhcông suất từ đó cải tiến hệ thống nạp tối ưu để được một hiệu suất tốt nhất

1.5 Đối tượng nghiên cứu.

Nghiên cứu mô phỏng các thông số trên động cơ xe máy thu thập các thông số

có được của hệ thống nạp Hệ thống nạp và cổ nạp là vấn đề được tập trung nghiêncứu trong đề tài Sự thay đổi hình dạng cũng như kích thước tạo sự xoáy lốc khácnhau trong buồng đốt ảnh hưởng đền hiệu suất động cơ thông qua sự thay đổi hiệusuất nạp Từ nghiên cứu này đưa ra tài liệu cơ sở lý thuyết tin cậy cho sự nghiên cứu

về các thông số nạp ảnh hưởng đến hiệu suất, khí thải động cơ xe máy mà hệ thốngnạp mang đến

1.6 Phương pháp nghiên cứu.

Quá trình nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp xây dựng mô hình toán và mô phỏng

Trang 5

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

- Phương pháp so sánh đối chiếu kết quả

- Phương pháp thiết kế mô phỏng dòng chảy

- Phương pháp khảo sát đối tượng

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học:

Đề tài xây dựng một nguồn tài liệu làm cơ sở tin cậy cho quá trình nghiên cứuđộng cơ Tính toán mô hình hóa được các thông số của động cơ đưa vào mô phỏng.Nghiên cứu được sự ảnh hưởng thay đổi dòng khí nạp ảnh hưởng đến hiệu suấtđộng cơ và giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường Nghiên cứu cải tiếnđường ống nạp mới cho sự mô phỏng dòng khí nạp đánh giá khả năng của cải tiến

mới so với đường nạp cũ Thu thập số liệu động cơ mô hình hóa được động cơ vào

việc mô phỏng thông qua phần mềm

 Ý nghĩa thực tiễn

Việc xây dựng và mô phỏng động cơ bằng phần mềm Ansys và Matlab/simulink

sẽ đem lại một số ưu điểm: tiết kiệm thời gian, chi phí, công sức Điều này phùhợp với tình hình nghiên cứu trong nước ta hiện nay Bên cạnh đó, những thínghiệm có nhiều thông số ảnh hưởng qua lại hay khó thực hiện được trong thựctiễn, thông qua việc thiết lập mô hình mô phỏng sát với thực tế thì có thể can thiệpvào các thông sốđó dễ dàng Qua đề tài cũng góp phần xây dựng nên một phươngpháp cải tiến mới cho các động cơ Diesel cũ ở nước ta Sự ứng dụng của phần mềm

mô phỏng đến hướng nghiên cứu và phát triển động cơ trong tương lai Tuy nhiênđây là một vấn đề nghiên cứu lớn và phức tạp, cần có nhiều thời gian và thiết bịhiện đại trong quá trình nghiên cứu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái quát về xoáy lốc trên động cơ đốt trong

Ta đã biết muốn công suất động cơ tăng lên thì quá trình cháy phải tối ưu vàquá trình nạp phải tốt, quá trình xả phải sạch, hoà khí phải trộn đều Trên ô tô đã cónhiều ứng dụng làm cho quá trình nạp tối ưu mà liên quan đến xoáy lốc đó là hệ

thống T-VIS viết tắt của chữ tiếng Anh Toyota Variable Induction System và trên xe

máy có hệ thống Swirl Tumble Control System (STCS), dòng xe Nissan thì có hệthống SCV (Swirl Control Valve) Xoáy lốc có hai dạng chính đo là xoáy lốc dọc(Swirl) và xoáy lốc ngang (Tumble)

Xoáy lốc trên động cơ đốt trong là một thông số quan trọng để tạo nên hệ sốnạp, sự hoà trộn nhiên liệu và không khí có tối ưu hay không, hiện tượng xoáy lốcdiễn ra như thế nào, phương pháp đo, hệ số xoáy lốc, các ứng dụng của nó trên một

số xe hiện hành… sẽ được trình bày ở dưới đây

2.1.1 Định nghĩa về hiện tượng lốc xoáy

Quá trình chuyển động của dòng khí nạp trong động cơ là yếu tố chính quyếtđịnh đến quá trình cháy và sự hoà trộn hoà khí, đó chính là vấn đề xoáy lốc trongđộng cơ Vấn đề xoáy lốc bị chi phối bởi yếu tố như: hình dạng của đường ống nạp,hình dạng đỉnh piston Như vậy, xoáy lốc nó thường được định nghĩa là sự chuyểnđộng xoay tròn của dòng môi chất nạp vào trong xi lanh của động cơ Xoáy lốcđược tạo ra do áp suất chân không của quá trình nạp khi môi chất có động năng banđầu Sự xoáy lốc này giảm khi có sự ma sát xảy ra trong chu trình hoạt động củađộng cơ Sự xoáy lốc này có thể tồn tại trong các chu trình của động cơ như quátrình nạp thì hoà khí đi vào tạo nên xoáy lốc, quá trình nén dưới sự dịch chuyển củapiston đi từ ĐCD đến ĐCT thì cũng gây nên sự xoáy lốc, kỳ nổ cũng vậy khi hoàkhí bốc cháy thì do sự giản nở của áp suất quá nhanh nên cũng gây xoáy lốc, kỳ xảthì môi chất thoát ra ngoài cũng gây sự xoáy lốc nhưng ít do sự chênh lệch áp suấtgiữa bên trong buồng đốt và ngoài buồng đốt, khi hoàn thành quá trình chạy thì tới

kì xả lúc này áp suất trong buồng đốt rất lớn nên khi xú-pap thải mở thì lượng khí

đã cháy thoát ra ngoài do đó ít gây hiện tượng xoáy lốc Trong quá trình thiết kếđộng cơ, piston thường được làm lõm để tạo xoáy lốc ,còn trong động cơ Diesel vàđộng cơ nạp phân tầng (stratified charge ) thì hiện tượng xoáy lốc được thể hiện rõ

đó là sự chuyển động nhanh của hoà khí khi hoà khí được nạp vào và quá trình phun

Trang 7

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

nhiên liệu Sự xoáy lốc cũng được thấy ở quá trình đánh lửa với chu kì nhiều (khi xetăng tốc), trong động cơ hai kỳ thì sự xoáy lốc được thể hiện ở quá trình quét thảikhí Trong một số động cơ có buồng đốt phụ thì quá trình xoáy lốc xảy ra Ở buồngđộng cơ có buồng đốt phụ thì quá trình xoáy lốc là rất quan trọng

Xoáy lốc được phân loại thành hai thành tố chính đó là xoáy lốc dọc và xoáy lốcngang

Hình 2.1 Xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang

2.1.2 Vận tốc trung bình của dòng lốc xoáy

Vận tốc trung bình của dòng lốc xoáy được thiết lập từ các công thức toán họcxây dựng trên mô hình động cơ, nó được xác lập qua công thức sau:

U (t )  U  u (t )

(2.1)Trong đó :

 U(t) là vận tốc tức thời của dòng khí nạp

 U

là vận tốc trung bìnhĐối với dòng khí nạp là ổn định thì ta áp dụng theo công thức sau:

Trong đó :  , 0 lần lượt là thời gian đặc trưng riêng đầu và sau đó

Như vậy, vận tốc trung bình của dòng khí nạp khi có hiện tượng lốc xoáy nó tínhthông qua một vận tốc giới hạn có chứa vận tốc tức thời của dòng khí.[6]

2.1.3 Hệ số xoáy lốc và vận tốc của moment động lƣợng

Khi các xoáy lốc được tạo ra thì bản thân nó xuất hiện moment động lượng cácthành phần vận tốc của moment động lượng từ xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang.Moment xoáy này tương đương với thông lượng của moment động lượng trên máybay, nghĩa là khi máy bay hoạt động thì tạo ra những vùng có moment xoáy giốngvới trường hợp này Hiển thị rõ ở hình sau:

Hình 2.2 Vận tốc góc của moment động lượng xoáy lốc dọc và

ngang

Xoáy lốc dọc được đặc trưng bởi vận tốc góc của moment động lượng chính là

 s Xoáy lốc ngang được đặc trưng bởi vận tốc của moment động lượng chính là

 T.Hợp hai vận tốc này tạo thành vận tốc tổng hợp

   2

 2

Trang 9

 là góc nghiêng hợp giữa hai véc tơ vận tốc A và T

Khi đó góc  được tính bởi công thức sau:

Hệ số xoáy lốc (Swirl Coffecient) nó là điều kiện thiết yếu để so sánh với

dòng chảy của moment động lượng với trục của momnet động lượng ấy Nó được

xác định bởi công thức sau:

p =2 là tốc độ góc của piston với n là số vòng quay

 B là đường kính của xi lanh

 v0 là vận tốc đặc trưng của dòng xoáy, nó có nguồn gốc từ việc rơi áp trong

quá trình đo và được xác định qua công thức v  [

Khi đó hai thành tố : xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang được tính như sau:

Ta có đường kính của xi lanh là B

T ,S lần lượt là vận tốc góc của xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc

m là khối lượng của dòng khí nạp vào

Trang 10

2.1.4 Lốc xoáy tạo ra trong quá trình hút:

Hiện tượng lốc xoáy tạo ra trong quá trình hút hoà khí chủ yếu là do hai phátsinh chính đó là dòng khí nạp khi hút vào tạo với thành xi lanh theo phương tiếptuyến khi piston đi từ tử điểm thượng đến tử điểm hạ và lốc xoáy được tạo ra phầnlớn khi đi qua xú-pap nạp Dòng khí sẽ tạo ra sự xoay tròn quanh thân xú-pap trướckhi đi vào buồng đốt Sự lốc xoáy xung quanh chu vi của xú-pap nạp là không đồngnhất, vì vậy lốc xoáy tại xú-pap nạp có một moment động lượng đáng kể Xoáy lốctrong quá trình nạp thường là xoáy lốc dọc (Swirl) vì loại xoáy lốc này làm hoà khíđược hoà trộn tối ưu theo thể tích công tác

Hình 2.3 Xoáy lốc dọc (Swirl) trong quá trình nạp

Trang 11

Xoáy lốc dọc (Swirl) thường được ứng dụng nhiều vì làm cho hoà khí đượchoà trộn tối ưu, như vậy để xảy ra hiện tượng xoáy lốc dọc (Swirl) thường nhà thiết

kế tạo cho cho xú-pap nạp có rãnh hoặc chế tạo đường ống nạp có biên dạng tạo raxoáy lốc dọc

Hình 2.4 Các biến thể của các dạng đường ống tạo ra xoáy lốc dọc (Swirl)

Hình 2.5 Xú-pap nạp được tạo rãnh để tạo xoáy lốc

Trang 12

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

2.1.5 Lốc xoáy khi vào xi lanh

Khi dòng khí nạp đi qua xú-pap thì có moment động lượng ban đầu ,do đó khibước vào trong buồng đốt thì moment động lượng bắt đầu giảm trong kì nạp do có

sự ma sát của dòng khí với thành xi lanh và các phần tử của dòng khí với nhau Đặcbiệt là sự xoáy lốc này sẽ giảm 1/4 đến 1/3 khi cuối quá trình nén Tuy nhiên, vậntốc của xoáy lốc là tăng lên trong quá trình nén tuỳ theo thiết kế phù hợp của buồngđốt.Theo định luật bảo toàn động lượng thì :

ivo A

v

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

 B là đường kính của xi lanh

CF là hệ số ma sát được tính bởi công thức:

C F  0.037  (ReB ) 0.2

 là hệ số thực nghiệm có giá trị bằng 1.528 ReB là hệ số Reynolds [7]

Khi vào xi lanh thì hiện tượng xoáy lốc dọc (Swirl) là chủ yếu do thiết kế

đỉnh piston có biên dạng lồi, lõm Ngoài ra còn xoáy lốc ngang chủ yếu là phunnhiên liệu Hoặc xoáy lốc ngang (Tumble) còn được tạo ra khi xú-pap đặt trên động

cơ phương của đường tâm dọc thân xú-pap và phương vuông góc của xi lanh là cómột góc lệch, còn Swirl tạo ra khi góc lệch này là nhỏ

Hình 2.6 Xoáy lốc ngang (Tumble) chủ yếu do phun nhiên liệu

Hình 2.7 Xoáy lốc ngang (Tumble) được tạo ra khi xú-pap thường đặt nghiêng

Quá trình xoáy lốc dọc (Swirl) trong xi lanh được tạo ra do nhà thiết kế chế tạo đỉnhpiston có biên dạng các khoang với biên dạng lõm

Hình 2.8 Piston được tạo biên dạng lõm để tăng xoáy lốc dọc (Swirl)

Trang 15

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

2.1.6 Phương pháp đo lốc xoáy (Swirl Measurement)

Quá trình trình hút khí tự nhiên trong quá trình nạp cả động cơ là rất khó khăn

vì đó thường là dòng chảy của môi chất là dòng chảy rối Theo đó, phương phápdòng chảy ổn định (Steady Flow) thường được kiểm tra đặc tính của sự xoáy lốc.Điều đó được hiểu là trong quá trình nạp thì dòng khí đi vào tại vị trí xú-pap thìbằng với dòng môi chất trong xi lanh, vì ở đây để đơn giản hoá người ta bỏ đi sự tổnthất về sự mất mát của dòng khí, nếu không dùng phương pháp ổn định dòng chảythì khi quá trình nạp xảy ra piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chất dưới tạo ra

độ chân không hút khí vào tại xú-pap có lực cản nên có sự xoáy lốc, thì hiện tượng

đó là sự xoáy lốc rối, để đơn giản người ta bỏ sự xoáy lốc rối đó đi và chuyển vềdòng chảy ổn định Trong kỹ thuật đo về hiện tượng xoáy lốc người ta dùng thiết bịgiống tương tự như piston lắp vào trong ống xi lanh piston này vừa chuyển độngxoay tròn cùng với đó là vừa chuyển động tịnh tiến đi xuống, như vậy thiết bị nàyvừa chuyển động quay vừa chuyển động tịnh tiến Việc chuyển động xoay trònnhằm mục đích tạo xoáy lốc cho dòng khí và việc chuyển động tịnh tiến đi xuốngnhằm mục địch tạo độ chân không cho hoà khí đi vào Cấu tạo của nó như sau:

 Piston (paddle whell): tạo độ kín khít để cho hoà khí hút vào dễ dàng hơn

 Trục: được lắp chính tâm với piston và có bạc đạn để giảm sự ma sát sựchuyển động xoay của piston phụ thuộc vào vị trí của piston và thiết kế của nó,cụ thể hơn

đó là sự chuyển động xoáy dòng môi chất Được thể hiện rõ trong hình sau:

Quá trình lốc xoáy của dòng khí nạp trong động cơ đốt trong được thể

hiện bởi xoáy lốc dọc (Swirl) và xoáy lốc ngang (Tumble)

Quá trình đo tương tự

Hình 2.10 Thiết bị xoáy lốc dọc (Swirl) và lốc xoáy ngang (Tumble)

2.1.7 Giới thiệu một số hãng có ứng dụng hiện tƣợng xoáy lốc

Trên ô tô thì hiện tượng xoáy lốc tạo ra để tối ưu hoá công suất phải kể đến haihãng xe lớn đó là Toyota và Nissan trên xe máy thì có hãng xe SYM

Toyota gọi hệ thống đó là hệ thống biến thiên dòng khí nạp T-VIS viết tắt của từ

tiếng Anh Toyota Variable Induction System nhằm cải thiện công suất của động cơ

ở tốc độ thấp, vì ở tốc độ thấp thì dòng khí nạp nạp vào một cách từ từ do đó ít tạoxoáy lốc, muốn cho hoà khí trộn đều thì cần có đến hệ thống này Nó biến thiên dòng khínạp bằng cách thay đổi dạng hình học của ống cổ nạp đến tốc độ động cơ Hệ thống nàyứng dụng cho động cơ có hai van nạp, một van thì có cánh bướm thay đổi và còn lại thìkhông

Trang 17

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

Hình 2.11 Hệ thống T-VIS

Cánh bướm này được thay đổi nhờ cơ cấu chấp hành chân không bên ngoài

ống cổ nạp Bộ điều khiển động cơ bằng điện tử (ECU-Electronic Control Unit) sẽ

cho phép áp suất chân không đi qua cơ cấu chấp hành này thông qua một van điện

từ (Solenoid Valve) khi động cơ quay ở tốc độ thấp Khi động cơ quay ở tốc độ caothì lượng chân không này sẽ cắt giảm và lò xo hồi vị trong cơ cơ cấu chấp hành này

sẽ làm cho cánh van mở hết cỡ Như vậy quá trình đóng cánh van để tạo xoáy lốcxảy ra chủ yếu khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp

Ở hãng Nissan gọi hệ thống này là SCV (Swirl Control Valve) cấu tạo cũng

giống tương tự như T-VIS ở chế độ cầm chừng và tốc độ thấp để tăng công suất động cơthì cánh van đóng nhỏ lại để áp suất chân không lớn, đồng thời khi cánh van đóng nhỏ lạithì tiết diện hoà khí đi vào xi lanh là nhỏ tức là vận tốc hoà khí sẽ tăng điều đó góp phầnvào tạo nên hiện tượng xoáy lốc

Trên xe máy phải kể đến đó là hệ thống STCS (Swirl Tumble Control System).

Hệ thống dựa vào tốc độ và tải của động cơ, bộ xử lý trong ECU sẽ tiếp nhận tínhiệu để từ đó thay đổi lưu lượng gió vào trong xi lanh là tốt nhất để nâng cao côngsuất động cơ ECU sẽ kích hoạt van Swirl đến lượng khí nạp vào trong xi lanh, xoáylốc dọc phụ thuộc vào việc thiết kế buồng đốt là do nhà chế tạo, còn xoáy lốc ngang(Tumble) dựa vào việc phun nhiên liệu trực tiếp và sự dịch chuyển của piston Sovới động cơ truyền thống thì việc sử dụng hệ thống STCS thì công suất tăng lên

9.8% và lượng tiêu hao nhiên liệu là nhỏ hơn (giảm 12%) và lượng khí xả là giảm

do quá trình cháy tối ưu

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nạp và công suất của động cơ

2.2.1 Hệ số nạp và các yếu tố ảnh hưởng

Quá trình nạp của động cơ được thực hiện khi piston đi từ ĐCT xuống ĐCD,hoà khí được nạp vào trong xi lanh của động cơ, quá trình nạp là quá trình rất quantrọng có ảnh hưởng đến hệ số nạp Quá trình nạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, khiếncho môi chất mới nạp vào trong xi lanh mỗi chu trình nhỏ hơn lượng nạp lý thuyết.Hình ảnh dưới đây hiển thị phần đồ thị công của quá trình thay đổi môi chất trong xilanh cụ thể là quá trình nạp

Hình 2.12 Phần đồ thị công trong quá trình nạp

Nhìn vào đồ thị ta thấy rằng giá trị áp suất Pk của động cơ 4 kỳ không tăng

áp luôn nhỏ hơn áp suất khí trời P0 vì khi vào đường ống nạp thì gặp cản của bộ lọckhí Do đó,tổn thất áp suất tại bình lọc khí được tính bởi công thức sau:

P0  P0  Pk

Muốn giảm tốt thất trên đường ống nạp ta cần:

(1) Giảm hệ số cản bằng cách tạo đường ống nạp có khí động học tốt,tiếtdiện lưu thông lớn hơn và phương hướng lưu động được thay đổi một cách từ từ ít chổngoặt

(2) Tăng diện tích của xú-pap nạp hoặc tạo nhiều xú-pap

(3) Dùng Turbo tăng áp

Và hệ số nạp của chu trình nạp được tính bởi công thức sau:

Trang 19

Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2018-21TĐ

 Tk là nhiệt độ trước xú-pap nạp

 là độ tăng nhiệt độ của khí nạp mới

 pr là áp suất khí sót

 pa là áp suất cuối quá trình nạp

 1 là hệ số nạp thêm

 t là hệ số hiệu đính tỷ nhiệt

 2 là hệ số quét buồng cháy

Lượng môi chất mới nạp vào xi lanh trong mỗi chu trình động cơ 4 kỳ phụthuộc nhiều nhất vào chênh lệch áp suất, suốt quá trình nạp áp suất trong xi lanhthấp hơn, chênh lệch ấy tạo nên dòng chảy của môi chất vào trong xi lanh, nó phảnánh trở lực của xú-pap nạp đối với dòng chảy

Chênh áp giữa đường nạp và môi chất trong xi lanh còn duy trì ở đầu quá trìnhnén cho tới khi áp suất trên đường nén đạt tới giá trị Pk do kết quả của việc nén khí.Dựa vào hiện tượng ấy người ta đưa ra các biện pháp mới để nạp môi chất mới vàotrong xi lanh Ngoài ra, hiện tượng lốc xoáy còn có ảnh hưởng đến quá trình nạp do

sự tương quan giữa dòng khí trước và sau

Trang 20