TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất bắt đầu tại Châu Âu với sự phát minh động cơ hơi nước của nhà bác học James Watt (1736-1819) người Scotland Tiếp theo là cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai, nổi bật với nhiều thiết bị dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, trong đó có sự xuất hiện của bóng đèn điện và động cơ đốt trong.
Cuộc cách mạng công nghiệp 4 đã mang đến sự phát triển mạnh mẽ cho các ngành công nghiệp nặng và công nghệ, trong đó động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô và xe máy Việt Nam là quốc gia có lượng xe máy lớn thứ hai ở Châu Á, dẫn đến nhu cầu cải tiến động cơ nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải Trước tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm ngày càng gia tăng, các nhà sản xuất xe máy cần tập trung vào việc phát triển động cơ với lượng khí xả thấp, đảm bảo các thông số kỹ thuật hợp lý và phù hợp với khả năng tài chính của người tiêu dùng Các cải tiến công nghệ như hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, hệ thống xả, cùng với các công nghệ mới như VVT, VCR, GDI, xe điện và xe Hybrid đang được áp dụng để nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm Nghiên cứu và phát triển phải dựa trên các đặc tính của động cơ và điều kiện làm việc thực tế để đạt được mục tiêu bảo vệ môi trường.
Vì thế việc nghiên cứu đặc tính động cơ cũng như các cải tiến cho động cơ tối ưu hơn được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.
1.1.2 Vấn nạn ô nhiễm của động cơ đốt trong
Trong những thập niên tới, thiết kế động cơ sẽ tập trung vào việc giảm ô nhiễm từ nguồn phát thải, đặc biệt là trước khi khí thải ra khỏi xú-pap xả Để đạt được điều này, cần đảm bảo hòa khí được trộn đều trước khi vào buồng đốt, với quá trình xoáy lốc và cháy hiệu quả, nhằm giảm thiểu khí độc hại Do đó, các nhà thiết kế động cơ không chỉ chú trọng đến công suất và tính kinh tế mà còn phải cân nhắc giữa hiệu suất và mức độ ô nhiễm phát sinh.
Ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn ở Việt Nam, đặc biệt là thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội, đã gia tăng đáng kể trong những năm gần đây, chủ yếu do phát thải từ động cơ đốt trong Các báo cáo từ nhiều tờ báo đã chỉ ra mối liên hệ giữa tình trạng ô nhiễm này và sức khỏe cộng đồng, nhấn mạnh sự cần thiết phải có các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí.
Nghiên cứu cho thấy, chỉ số AQI trung bình của Hà Nội năm 2016 đạt 121, thuộc ngưỡng chất lượng không khí kém, ảnh hưởng tiêu cực đến nhóm người nhạy cảm Lượng bụi PM2.5 trung bình năm 2016 tại Hà Nội lên tới 50.5 µg/m3, gấp đôi quy chuẩn quốc gia (25 µg/m3) và gấp năm lần so với ngưỡng khuyến nghị của WHO (10 µg/m3) Trong quý I năm 2017, nồng độ PM2.5 trung bình là 54.6 µg/m3, cao hơn so với năm 2016 Hà Nội có lượng bụi PM2.5 cao hơn TP Hồ Chí Minh (28.23 µg/m3) và chỉ đứng sau New Delhi, Ấn Độ (124 µg/m3), một trong những khu vực ô nhiễm không khí nặng nhất thế giới.
Trong ba tháng đầu năm 2017, nồng độ trung bình PM 2.5 tại thành phố Hồ Chí Minh thấp hơn Hà Nội, với chỉ 6 ngày vượt quá Quy chuẩn Quốc gia (50 μg/m3), ít hơn 31 ngày so với Hà Nội Mặc dù vậy, vẫn có 78 ngày nồng độ PM 2.5 cao hơn tiêu chuẩn của WHO (25 μg/m3) Ngoại trừ ba giờ cao điểm có chất lượng không khí kém, chất lượng không khí tại thành phố Hồ Chí Minh không vượt quá mức độ không tốt cho nhóm nhạy cảm So với Hà Nội, chất lượng không khí ở thành phố Hồ Chí Minh được đánh giá tốt hơn.
Hồ Chí Minh có xu hướng kém đi, trái với dấu hiệu tích cực tại Hà Nội.
Trong quý 1 năm 2016, thành phố Hồ Chí Minh ghi nhận chỉ 32.12% tổng số giờ có chỉ số AQI ở mức không tốt Tuy nhiên, con số này đã tăng lên 41.82% trong quý 1 năm 2017, cho thấy sự gia tăng đáng kể về chất lượng không khí trong năm qua.
2016, trong quý 1 năm nay, số giờ có chỉ số AQI ở mức “có hại cho sức khỏe” hơn gấp
Trong quý 1 năm nay, thời gian ghi nhận chất lượng không khí tại thành phố Hồ Chí Minh đã tăng lên 15 lần, chiếm hơn 9.55% tổng số giờ, so với chỉ 0.61% trong cùng kỳ năm ngoái.
Chất lượng không khí tại thành phố Hồ Chí Minh trong quý 1 năm 2017 kém hơn so với cùng kỳ năm trước, với chỉ 0.15% tổng số giờ đạt tiêu chuẩn "tốt" và chỉ số AQI trung bình đạt 100.8 Nồng độ bụi PM2.5 cũng tăng lên 35.8 μg/m3 so với 30.72 μg/m3 vào năm 2016 Động cơ xe máy, với cơ chế đánh lửa cưỡng bức, phát thải ba chất ô nhiễm chính là NOx, HC và CO, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc buồng đốt và thời gian cháy Do đó, cần áp dụng các biện pháp hiệu quả để giảm thiểu các thành phần độc hại trong khí thải.
Oxit Cacbon xuất hiện trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn của Cacbon khi thiếu Oxy, đặc biệt trong điều kiện hòa khí đậm (α < 1) Tuy nhiên, hiện tượng cháy không hoàn toàn vẫn có thể xảy ra ngay cả khi α > 1, dẫn đến nồng độ CO có thể lên tới 0.5% Ba chất ô nhiễm này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng cho sức khỏe con người và môi trường.
Bảng 1.1 Tác hại chính của khí thải động cơ đốt trong
Chất ô nhiễm Tác hại chính
CO gây cản trở quá trình trao đổi oxy trong máu, dẫn đến ngộ độc CO khi nồng độ đạt từ 30 đến 40 PPM, làm tê liệt hệ thần kinh thực vật Nồng độ 500 PPM hoặc cao hơn có thể gây đau đầu, và nếu nồng độ tiếp tục tăng, sẽ dẫn đến nguy cơ tử vong.
HC -Kích thích thành bên trong của cơ quan hô hấp.
Khói quang hóa là một nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mù quang hóa, làm giảm tầm nhìn và kích thích mắt Hơn nữa, khói này còn là yếu tố góp phần gây ra bệnh ung thư và tàn phá rừng.
NOx -Nếu nồng độ NOx trong khí quyển từ 10đến 30PPM thì làm cho con người bắt đầu bị kích thích mắt, mũi, họng Nếu từ
30 đến 50 PPM thì có thể gây ho, đau đầu và hại phổi.
Nguyên nhân chính của khói quang hóa ở động cơ thế hệ mới là việc kiểm soát vận động rối của hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong quá trình cháy để giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là hydrocarbon (HC) Việc tăng cường chuyển động rối giúp tăng tốc độ lan tràn của màng lửa và hạn chế vùng “chết” gần thành buồng cháy Gia tăng vận động rối có thể đạt được thông qua việc tăng cường vận động xoáy lốc của hỗn hợp trong đường ống nạp.
1.1.3 Nhu cầu mong muốn của người dùng
Sự tăng trưởng kinh tế toàn cầu hiện nay đang chững lại, ảnh hưởng đến các nhà sản xuất xe, buộc họ phải tập trung vào hoạt động bán hàng để duy trì và phát triển Trên thị trường, không có hãng nào độc quyền về chủng loại hay phân khúc, dẫn đến sự cạnh tranh gay gắt giữa các thương hiệu Để vượt qua đối thủ, các hãng xe đầu tư vào việc khảo sát nhu cầu khách hàng và nghiên cứu cải tiến các bộ phận như hệ thống lái, hệ thống treo, hệ thống hỗ trợ và đặc biệt là động cơ.
Với xu thế phát triển xe hiện tại là phải làm hài lòng những khách hàng khó tính nhất.
Để đánh giá một chiếc xe một cách khách quan, ngoài các tiêu chí như thông số động cơ và hệ thống an toàn, cảm giác lái xe là yếu tố quan trọng nhất Cảm giác lái chính là sự phấn khích mà người lái cảm nhận được khi điều khiển xe, thường bị ảnh hưởng bởi sự tiện nghi trong khoang lái, công nghệ hỗ trợ, hệ thống lái, hệ thống treo và đặc biệt là sức mạnh động cơ khi tăng tốc Việc lái thử xe sẽ giúp khách hàng có cái nhìn chính xác hơn về trải nghiệm lái.
Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu của đề tài này là tìm hiểu ảnh hưởng của lốc xoáy trong dòng khí nạp đến công suất động cơ, từ đó đề xuất cải tiến cổ góp nạp phù hợp với biên dạng các góc đã mô phỏng hoặc sử dụng van để tạo lốc xoáy Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cải tiến động cơ nhằm giải quyết ba vấn đề chính: môi trường, kinh tế và kỹ thuật.
Việt Nam hiện đang đứng thứ hai ở Châu Á về số lượng xe máy, chỉ sau Đài Loan Do đó, nhu cầu cải tiến động cơ xe máy trở nên cấp thiết, nhằm đảm bảo công suất tối ưu, giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu và hạn chế phát thải khí độc ra môi trường, đồng thời vẫn phù hợp với tình hình kinh tế hiện tại.
1.2.3 Phạm vi nghiên cứu Đề tài này tập trung nghiên cứu tính xoáy lốc ảnh hưởng đến công suất cả động cơ xe máy Honda Future FI 125cc làm sao việc cải tiến là tối ưu nhất.
Phân tích, đánh giá các hướng nghiên cứu đã có
1.3.1 Hướng nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu ảnh hưởng của xoáy lốc đến công suất động cơ là một phần quan trọng trong việc tìm kiếm biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ Chúng tôi sẽ tập trung vào các hướng nghiên cứu trong nước liên quan đến các biện pháp cải thiện hiệu suất này.
Hiện nay, nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ tại Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển, với sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng giúp thu thập dữ liệu và mô phỏng các đường đặc tính động cơ Đây là một hướng nghiên cứu mới, với ít công trình khoa học hiện có trong lĩnh vực này Mô phỏng không chỉ tiết kiệm chi phí, thời gian và công sức mà còn mang lại kết quả chính xác, phù hợp với điều kiện hạn chế về cơ sở vật chất và trang thiết bị Do đó, nghiên cứu mô phỏng động cơ và đề xuất phương pháp nâng cao hiệu suất động cơ là rất cần thiết để làm cơ sở lý thuyết cho ứng dụng nghiên cứu trong nước.
(1) Bài báo: “MÔ PHỎNG NÂNG CAO TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CHO ĐỘNG
Cơ diesel 1 xi-lanh với thiết kế cải tiến họng nạp mang lại hiệu suất tối ưu cho động cơ Nghiên cứu của Võ Danh Toàn và Huỳnh Thanh Công từ Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, chỉ ra rằng việc cải tiến này không chỉ nâng cao khả năng nạp khí mà còn cải thiện hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu Những thay đổi trong thiết kế họng nạp giúp tăng cường quá trình cháy, từ đó tối ưu hóa công suất và giảm khí thải.
Nguồn: Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 18, số K7-2015.
Bài báo này trình bày nghiên cứu cải tiến đường ống nạp cho động cơ Diesel một xi-lanh RV165-2 nhằm nâng cao hiệu suất nạp và cải thiện tính năng làm việc Nghiên cứu sử dụng mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm AVL BOOST để đề xuất và đánh giá các phương án cải tiến so với mô hình hệ thống nạp hiện tại Điều kiện mô phỏng được thiết lập dựa trên cấu trúc động cơ và thông số vận hành thực nghiệm Các tiêu chí đánh giá bao gồm đặc tính công suất, sự cháy và khí thải.
Nghiên cứu cho thấy rằng việc cải tiến họng nạp đã nâng cao hiệu suất nạp và khả năng hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu với không khí, từ đó cải thiện quá trình cháy, tăng cường công suất động cơ, đồng thời giảm mức tiêu hao nhiên liệu và khí thải.
(2) Luận văn “NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP TĂNG HIỆU SUẤT” [5]
Tác giả: Nguyễn Xuân Dung, Lý Vĩnh Đạt, Khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Nguồn: Luận văn thạc sĩ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM.
Đề tài này thực hiện mô phỏng trên động cơ Toyota 1 NZ – FE, tập trung vào việc xây dựng cơ sở lý thuyết về đặc tính của động cơ và mô hình toán cho các quá trình của động cơ Nghiên cứu cũng phân tích hệ thống VVT-i, nhằm cải thiện hiệu suất động cơ thông qua việc điều chỉnh thời điểm đóng mở supap.
Nghiên cứu cho thấy việc điều chỉnh thời điểm đóng mở supap có tác động lớn đến công suất động cơ, giúp tối ưu hóa quá trình cháy, giảm khí thải và nâng cao hiệu suất Điều này tạo ra một cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc nghiên cứu đặc tính của động cơ xăng, đồng thời hỗ trợ mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink.
1.3.2 Hướng nghiên cứu ngoài nước
(3) Bài báo: “ENGINE MODELING WITH INLET AND EXHAUST WAVE ACTION FOR REAL TIME CONTROL” [6]
Tác giả: Yuh-Yih Wu, Bo-Chiuan Chen, Yaojung Shiao, Feng-Chi Hsieh National Taipei University of Technology, TAIWAN.
Nguồn: Proceedings of IMECE’03 2003 ASME International Mechanical Engineering Congress Washington, D.C., November 15–21, 2003.
Bài viết này tóm tắt mô phỏng các đặc tính của động cơ Yamaha 125cc, trong đó tác giả đã thực hiện các tính toán để xác định các đặc tính đầu ra của động cơ xe máy dựa trên các đề xuất cụ thể.
Bài viết đề cập đến hai mô hình mô phỏng quan trọng trong nghiên cứu động cơ: mô hình chức năng momen xoắn và mô hình tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy Việc mô phỏng các quá trình làm việc của động cơ được thực hiện thông qua phần mềm Matlab Simulink, bao gồm các mô hình đầu vào liên quan đến truyền nhiệt, ma sát và động học sinh ra trong quá trình hoạt động của động cơ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy cả hai mô hình đề xuất đều cho kết quả gần sát với thực nghiệm, nhưng mỗi mô hình lại có những đặc điểm riêng Mô hình chức năng mô men xoắn nổi bật với khả năng mô phỏng đặc tính động cơ nhanh chóng, rất phù hợp cho việc điều khiển các trạng thái trong xe Hybrid Ngược lại, mô hình tốc độ toả nhiệt có ưu điểm trong việc điều khiển hệ thống truyền lực của động cơ và phân tích ảnh hưởng của dòng khí nạp đến quá trình cháy.
(4) Bài báo: “ANALYSIS OF TUMBLE AND SWIRL MOTIONS IN A MOTIONS IN A FOUR- VALVE SI ENGINE’’
Tác giả: Yufeng Li, Hua Zhao, Zhijun Peng and Nicos Ladommatos
Nguồn: International Fall Fuels and Lubricants Meeting and Exposition San Antonio, Texas, September 24-27, 2001.
Bài báo nghiên cứu tỉ lệ tạo xoáy trong buồng đốt Tumble và Swirl của động cơ xăng 4 kỳ với 4 xú-páp Mô hình thí nghiệm và mô phỏng được xây dựng để phân tích tỉ lệ xoáy cuộn trong lòng xi lanh động cơ trong hai giai đoạn nạp và nén Các mô hình và đồ thị tỉ lệ xoáy được thiết lập cho từng thời điểm quay của trục khuỷu, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu suất động cơ.
Bài báo đã mô phỏng thành công sự xoáy lốc trong buồng đốt động cơ, đồng thời phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ Tumble và Swirl đến quá trình hòa trộn trong kỳ nạp và nén Nghiên cứu chỉ ra rằng năng lượng xoáy cuộn đứng có tác động tích cực đến hiệu suất nén trong động cơ.
Hướng giải quyết của vấn đề
Bằng việc sử dụng các phần mềm mô phỏng và thiết kế như CATIA, ANSYS Fluent và Matlab, nghiên cứu đã cải tiến để phân tích ảnh hưởng của xoáy lốc đến công suất động cơ Qua việc đánh giá trực quan khi thay đổi góc nghiêng của cổ nạp, có thể xác định góc tối ưu giúp tăng cường hiệu suất động cơ Việc ứng dụng các phần mềm này không chỉ giảm chi phí cho các nhà thiết kế mà còn đảm bảo sản phẩm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu bao gồm:
Nghiên cứu tổng quan này tập trung vào việc tính toán và thiết kế mô hình động cơ thông qua phần mềm CATIA, sử dụng các thông số kỹ thuật của động cơ Quá trình này được thực hiện dựa trên các nguồn tài liệu từ internet cũng như các dữ liệu thực tế.
Mô phỏng số và mô phỏng CFD sử dụng dữ liệu hình ảnh từ quá trình mô phỏng CFD qua phần mềm ANSYS Fluent Sau đó, các số liệu này được nhập vào Matlab để thực hiện tính toán và thu thập kết quả mô phỏng số.
Phương pháp xử lý số liệu: Xử lý các số liệu từ các dữ liệu của phần mềm ANSYS Fluent và Matlab.
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LỐC XOÁY TRÊN ĐỘNG CƠ
VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ
Sơ lược về xoáy lốc
Để tăng công suất động cơ, quá trình cháy, nạp và xả cần được tối ưu hóa, với hoà khí phải trộn đều Trên ô tô, hệ thống T-VIS (Toyota Variable Induction System) giúp tối ưu hóa quá trình nạp thông qua hiệu ứng xoáy lốc, trong khi xe máy sử dụng hệ thống Swirl Tumble Control System (STCS) Dòng xe Nissan áp dụng hệ thống SCV (Swirl Control Valve) để cải thiện hiệu suất động cơ Xoáy lốc có hai dạng chính: xoáy lốc dọc (Swirl) và xoáy lốc ngang (Tumble), cùng với xoáy lốc ngược của xoáy lốc ngang.
Xoáy lốc trong động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số nạp và sự hòa trộn tối ưu giữa nhiên liệu và không khí Hiện tượng xoáy lốc xảy ra khi không khí di chuyển qua các bộ phận của động cơ, tạo ra sự khuếch tán và trộn lẫn hiệu quả Các phương pháp đo xoáy lốc giúp đánh giá hệ số xoáy lốc, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ Ứng dụng của xoáy lốc đã được áp dụng trên nhiều loại xe hiện hành, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm khí thải.
… sẽ được trình bày ở dưới đây.
Định nghĩa về hiện tượng lốc xoáy
Quá trình chuyển động của dòng khí nạp trong động cơ đóng vai trò quyết định đến quá trình cháy và sự hòa trộn hòa khí, đặc biệt là vấn đề xoáy lốc Xoáy lốc được hình thành bởi hình dạng của đường ống nạp và đỉnh piston, được định nghĩa là sự chuyển động xoay tròn của dòng môi chất trong xi lanh Sự hình thành xoáy lốc phụ thuộc vào áp suất chân không trong quá trình nạp và động năng ban đầu của môi chất, nhưng giảm đi do ma sát trong chu trình hoạt động Xoáy lốc tồn tại trong nhiều giai đoạn của chu trình động cơ, từ quá trình nạp, nén, đến kỳ nổ và xả Trong thiết kế động cơ, piston thường được làm lõm để tạo ra xoáy lốc, và hiện tượng này đặc biệt rõ rệt trong động cơ Diesel và động cơ nạp phân tầng Sự xoáy lốc cũng xuất hiện trong quá trình đánh lửa và quét thải khí ở động cơ hai kỳ, cũng như trong các động cơ có buồng đốt phụ, nơi mà xoáy lốc đóng vai trò rất quan trọng.
Xoáy lốc được phân loại thành hai thành tố chính đó là xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang.
Hình 2.1 Xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang
Vận tốc trung bình của dòng lốc xoáy
Vận tốc trung bình của dòng lốc xoáy được xác định thông qua các công thức toán học dựa trên mô hình động cơ, với công thức cụ thể như sau:
Vận tốc tức thời của dòng khí được xác định thông qua một giá trị vận tốc tức thời, với các ký hiệu đã được chú thích Đối với dòng khí nạp ổn định, chúng ta áp dụng công thức tương ứng để tính toán.
Trong đó : , 0 lần lượt là thời gian đặc trưng riêng đầu và sau đó
Vận tốc trung bình của dòng khí nạp trong hiện tượng lốc xoáy được xác định dựa trên một vận tốc giới hạn, bao gồm cả vận tốc tức thời của dòng khí.
Hệ số xoáy lốc và vận tốc của mô men động lượng
Khi các xoáy lốc hình thành, chúng tạo ra mô men động lượng từ các thành phần vận tốc dọc và ngang Mô men xoáy này tương đương với thông lượng mô men động lượng trên máy bay, cho thấy rằng khi máy bay hoạt động, nó cũng tạo ra các vùng có mô men xoáy tương tự.
Hình 2.2 Vận tốc góc của mô men động lượng xoáy lốc dọc và ngang
Xoáy lốc dọc được đặc trưng bởi vận tốc góc của mô men động lượng chính là s
Xoáy lốc ngang được đặc trưng bởi vận tốc của mô men động lượng chính là T Hợp hai vận tốc này tạo thành vận tốc tổng hợp
là góc nghiêng hợp giữa hai véc tơ vận tốc A và T
Khi đó góc được tính bởi công thức sau: tan 1( S )
Hệ số xoáy lốc (Swirl Coefficient) là yếu tố quan trọng để so sánh dòng chảy của mô men động lượng với trục của nó Hệ số này được xác định thông qua công thức cụ thể.
Hệ số lốc xoáy Cs được xác định qua công thức thực nghiệm liên quan đến tốc độ góc của piston, với n là số vòng quay và ωp = 2 Đường kính B của xi lanh và vận tốc đặc trưng của dòng xoáy v0 cũng đóng vai trò quan trọng Hệ số này xuất phát từ việc rơi áp trong quá trình đo và được tính toán bằng công thức cụ thể.
Trong đó p0, pc lần lượt là áp suất trong xi lanh và áp suất tham chiếu, là mật độ của môi chất.
Hệ số dòng chảy được tính dựa trên lưu lượng Q của môi chất nạp vào, được tính:
Với A là diện tích của xú-pap, v0 là vận tốc riêng của dòng khí.
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.
lần lượt là vận tốc góc của xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc. m là khối lượng của dòng khí nạp vào.
Hệ số xoáy lốc dọc:
Hệ số xoáy lốc ngang ;
Hệ số xoáy lốc tổng hợp:
Lốc xoáy tạo ra trong quá trình hút
Hiện tượng lốc xoáy trong quá trình hút hòa khí chủ yếu xảy ra do hai yếu tố chính: dòng khí nạp tạo ra khi piston di chuyển từ ĐCT đến ĐCD và lốc xoáy hình thành khi khí đi qua xú-pap nạp Dòng khí này tạo ra sự xoay tròn quanh thân xú-pap trước khi vào buồng đốt, với sự không đồng nhất của lốc xoáy quanh chu vi xú-pap nạp, dẫn đến mô men động lượng đáng kể Trong quá trình nạp, xoáy lốc thường là xoáy lốc dọc (Swirl), giúp hòa khí được trộn đều tối ưu theo thể tích công tác.
Hình 2.3 Xoáy lốc Swirl trong quá trình nạp
Xoáy lốc dọc (Swirl) là hiện tượng quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình hòa trộn hoà khí Để tạo ra xoáy lốc dọc, các nhà thiết kế thường sử dụng rãnh trên xú-pap nạp hoặc thiết kế đường ống nạp với biên dạng đặc biệt nhằm tạo ra hiệu ứng này.
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
Lốc xoáy khi vào xi lanh
Khi dòng khí nạp đi qua xú-pap, mô men động lượng ban đầu giảm dần trong buồng đốt do ma sát với thành xi lanh và giữa các phần tử dòng khí Sự xoáy lốc trong buồng đốt giảm từ 1/4 đến 1/3 vào cuối quá trình nén, nhưng vận tốc của xoáy lốc lại tăng lên tùy thuộc vào thiết kế của buồng đốt Theo định luật bảo toàn động lượng, sự thay đổi này có thể được mô tả bằng công thức c i f d I J T dt .
Đạo hàm của mô men động lượng được xác định là hiệu số giữa thông lượng của mô men động lượng trong xi lanh và mô men ma sát.
Tại mỗi điểm của quá trình nạp J i được tính theo công thức:
Trong quá trình nạp thông lượng mô men động lượng trong xi lanh, việc tính toán được thực hiện trên miền tích phân toàn phần Điều này bao gồm diện tích của xú-pap nạp, mật độ dòng khí nạp, bán kính xú-pap nạp và vận tốc trung bình của dòng khí.
Trong khi đó mô men động lượng của dòng khí khi đi vào xi lanh trong quá trình nạp được tính bởi công thức sau:
Mô men động lượng trong quá trình nạp sẽ giảm dần do ma sát giữa các phần tử khí và xú-pap nạp Ma sát này sẽ tiếp tục gia tăng trong kỳ nén, dẫn đến việc mô men động lượng của chúng giảm theo thời gian.
Công thức tính chính xác về ma sát được trình bày ở công thức sau:
Ma sát được tính như công thức ở trên ta thấy rằng:
Khi tăng đường kính B, ma sát tăng theo tỷ lệ bình phương do diện tích tiếp xúc giữa xi lanh và piston lớn hơn Vận tốc dòng xoáy cao cũng không có lợi, vì nếu quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng hòa khí không đồng đều, gây ra sự đốt cháy không hoàn hảo và tăng lượng muội than, từ đó làm tăng ma sát.
CF là hệ số ma sát được tính bởi công thức:
Khi vào xi lanh, hiện tượng xoáy lốc dọc (Swirl) chủ yếu do thiết kế đỉnh piston với biên dạng lồi, lõm Bên cạnh đó, xoáy lốc ngang (Tumble) được hình thành chủ yếu từ quá trình phun nhiên liệu Xoáy lốc ngang cũng xuất hiện khi xú-pap được đặt trên động cơ với góc lệch giữa phương của đường tâm dọc thân xú-pap và phương vuông góc của xi lanh, trong khi Swirl tạo ra khi góc lệch này 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 đỉnh piston có biên dạng các khoang với biên dạng lõm.
Hình 2.8 Piston được tạo biên dạng lõm để tăng xoáy lốc dọc (Swirl)
Phương pháp đo lốc xoáy (Swirl Measurement)
Quá trình hút khí tự nhiên trong động cơ gặp nhiều khó khăn do dòng chảy rối của môi chất Để kiểm tra đặc tính xoáy lốc, người ta thường áp dụng phương pháp dòng chảy ổn định, trong đó dòng khí vào xú-pap tương đương với dòng môi chất trong xi lanh, bỏ qua sự tổn thất do mất mát dòng khí Khi piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, tạo ra độ chân không hút khí vào xú-pap, lực cản dẫn đến hiện tượng xoáy lốc rối Để đơn giản hóa, người ta chuyển sang sử dụng dòng chảy ổn định Trong kỹ thuật đo xoáy lốc, thiết bị sử dụng piston chuyển động xoay tròn và tịnh tiến, tạo ra xoáy lốc cho dòng khí và độ chân không cho hòa khí đi vào.
Piston (paddle whell): tạo độ kín khít để cho hoà khí hút vào dễ dàng hơn.
Trục được lắp chính tâm với piston, đóng vai trò chịu lực và tạo ra chuyển động xoáy cho dòng môi chất Hình ảnh minh họa dưới đây sẽ thể hiện rõ hơn về chức năng này.
Hình 2.9 Sơ đồ về phương pháp đo dòng chảy ổn định
Quá trình lốc xoáy của dòng khí nạp trong động cơ đốt trong bao gồm hai loại xoáy chính: xoáy lốc dọc (Swirl) và xoáy lốc ngang (Tumble) Cả hai loại xoáy này đều đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình đốt cháy và hiệu suất động cơ.
Hình 2.10 Thiết bị xoáy lốc dọc (Swirl) và lốc xoáy ngang (Tumble)
Giới thiệu một số hãng có ứng dụng hiện tượng xoáy lốc
Trên ô tô, hiện tượng xoáy lốc được tối ưu hóa công suất chủ yếu bởi hai hãng lớn là Toyota và Nissan Trong lĩnh vực xe máy, hãng SYM cũng nổi bật với những cải tiến tương tự.
Toyota đã phát triển hệ thống biến thiên dòng khí nạp T-VIS (Toyota Variable Induction System) nhằm nâng cao công suất động cơ ở tốc độ thấp Ở tốc độ này, dòng khí nạp vào chậm, dẫn đến ít xoáy lốc, do đó cần có T-VIS để đảm bảo hòa khí được trộn đều Hệ thống này điều chỉnh dòng khí nạp bằng cách thay đổi hình dạng của ống cổ nạp tùy theo tốc độ động cơ T-VIS được áp dụng cho động cơ với hai xú-pap nạp, trong đó một xú-pap có cánh bướm thay đổi và xú-pap còn lại thì không.
Cánh bướm được điều chỉnh qua cơ cấu chấp hành chân không bên ngoài ống cổ nạp, với bộ điều khiển động cơ điện tử (ECU) cho phép áp suất chân không đi qua van điện từ khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp Khi tốc độ động cơ tăng, áp suất chân không giảm và lò xo hồi vị mở cánh van hoàn toàn Quá trình đóng cánh bướm để tạo xoáy lốc diễn ra chủ yếu ở tốc độ thấp Hệ thống này, được Nissan gọi là SCV (Swirl Control Valve), tương tự như T-VIS, giúp tăng công suất động cơ bằng cách giảm kích thước cánh van khi ở chế độ cầm chừng và tốc độ thấp, tạo ra áp suất chân không lớn và làm tăng vận tốc hòa khí vào xi lanh, từ đó góp phần vào hiện tượng xoáy lốc.
Hệ thống STCS (Swirl Tumble Control System) trên xe máy cải thiện hiệu suất động cơ bằng cách điều chỉnh lưu lượng gió vào xi lanh dựa trên tốc độ và tải của động cơ ECU nhận tín hiệu và kích hoạt van Swirl, tạo ra xoáy lốc dọc và ngang tùy thuộc vào thiết kế buồng đốt và quá trình phun nhiên liệu So với động cơ truyền thống, STCS giúp tăng công suất lên 9.8%, giảm tiêu hao nhiên liệu 12%, và giảm lượng khí thải nhờ vào quá trình cháy tối ưu.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nạp và công suất của động cơ
2.9.1 Hệ số nạp và các yếu tố ảnh hưởng
Quá trình nạp của động cơ diễn ra khi piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, cho phép hòa khí đi vào xi lanh Đây là một giai đoạn quan trọng ảnh hưởng đến hệ số nạp, nhưng thực tế lượng môi chất nạp vào thường nhỏ hơn so với lượng lý thuyết do nhiều yếu tố tác động Hình ảnh dưới đây minh họa đồ thị công của quá trình thay đổi môi chất trong xi lanh, cụ thể là quá trình nạp.
Hình 2.12 Phần đồ thị công trong quá trình nạp
Giá trị áp suất Pk của động cơ 4 kỳ không tăng áp luôn nhỏ hơn áp suất khí trời P0 do gặp cản từ bộ lọc khí khi vào đường ống nạp Vì vậy, tổn thất áp suất tại bình lọc khí có thể được tính theo công thức sau:
P 0 P 0 P k Muốn giảm tốt thất trên đường ống nạp ta cần:
Để giảm hệ số cản, cần thiết kế đường ống nạp với khí động học tối ưu, có tiết diện lưu thông lớn hơn và hướng lưu động được điều chỉnh một cách từ từ, hạn chế các chỗ ngoặt.
(2) Tăng diện tích của xú-pap nạp hoặc tạo nhiều xú-pap.
Và hệ số nạp của chu trình nạp được tính bởi công thức sau:
Nhìn vào công thức trên ta thấy rằng:
Hệ số nạp là yếu tố quyết định hiệu suất động cơ, vì hệ số nạp thấp dẫn đến quá trình cháy không hoàn hảo và động cơ hoạt động không tối ưu Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hệ số nén đa biến trung bình của không khí, tỷ số nén của động cơ, nhiệt độ trước xú-pap nạp, áp suất khí sót và áp suất cuối quá trình nạp Những yếu tố này tác động trực tiếp và gián tiếp đến hệ số nạp thông qua sự tương tác lẫn nhau Ngoài ra, trong quá trình tính toán, cần xem xét thêm hệ số nạp thêm, hệ số hiệu đính tỷ nhiệt và hệ số quét buồng cháy.
Lượng môi chất nạp vào xi lanh trong động cơ 4 kỳ phụ thuộc chủ yếu vào chênh lệch áp suất Trong quá trình nạp, áp suất trong xi lanh luôn thấp hơn, tạo ra dòng chảy của môi chất vào trong xi lanh Chênh lệch áp suất này phản ánh trở lực của xú-pap nạp đối với dòng chảy.
Chênh áp giữa đường nạp và môi chất trong xi lanh duy trì trong quá trình nén cho đến khi áp suất đạt giá trị Pk nhờ vào việc nén khí Từ hiện tượng này, các biện pháp mới được đề xuất để nạp môi chất vào xi lanh Hơn nữa, hiện tượng lốc xoáy cũng ảnh hưởng đến quá trình nạp do sự tương quan giữa dòng khí trước và sau.
2.9.2 Hệ số khí sót và các thông số ảnh hưởng
Hệ số khí sót của động cơ đốt trong được tính bởi công thức sau:
Hệ số khí sót ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ thông qua các yếu tố như hệ số nén đa biến trung bình, tỷ số nén động cơ, nhiệt độ trước xú-pap nạp, áp suất khí sót và áp suất cuối quá trình nạp.
Trong quá trình nghiên cứu và tính toán, cần lưu ý đến các hệ số ảnh hưởng đến hệ số khí sót, bao gồm hệ số hiệu đính tỷ nhiệt và hệ số quét buồng cháy.
Để đạt hiệu quả cao trong quá trình nạp, hệ số nạp tối ưu cần phải được duy trì, đồng thời hệ số khí sót phải ở mức thấp Nếu lượng khí sót quá lớn, áp suất của nó sẽ cao hơn khí nạp, gây cản trở cho môi chất vào xi lanh, dẫn đến quá trình nạp không đạt hiệu quả tối ưu.
Hệ số khí sót chịu ảnh hưởng đáng kể từ nhiều yếu tố như áp suất khí sót, áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp và khí sót, cũng như tỷ số nén Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và hiệu quả hoạt động của động cơ.
2.9.3 Ảnh hưởng của lốc xoáy đến dòng khí nạp
Lốc xoáy trong động cơ đốt trong có ảnh hưởng đến quá trình nạp Hệ số xoáy lốc (Swirl Coffecient) nó được xác định bởi công thức sau:
Cs là hệ số xoáy lốc.
p= 2 là tốc độ góc của piston với n là số vòng quay.
B là đường kính của xi lanh, trong khi v0 đại diện cho vận tốc đặc trưng của dòng xoáy Vận tốc này phát sinh từ sự chênh lệch áp suất trong quá trình đo lường và được tính toán thông qua một công thức cụ thể.
Trong đó p0, pc lần lượt là áp suất trong xi lanh và áp suất tham chiếu, là mật độ của môi chất.
Từ đây ta có nhận xét như sau :
Hệ số lốc xoáy chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, bao gồm tốc độ góc của piston; khi tốc độ động cơ tăng, hệ số lốc xoáy cũng tăng theo Hơn nữa, đường kính B của xi lanh lớn hơn sẽ dẫn đến hệ số lốc xoáy cao hơn Ngược lại, nếu vận tốc đặc trưng v0 của dòng xoáy lớn, hệ số lốc xoáy sẽ giảm do các phần tử của môi chất trượt lên nhau.
Động lực học ống góp nạp và ống góp xả
2.10.1 Động lực học ống góp nạp
Hệ thống nạp được chia thành các phần chính bao gồm phần đầu ống góp nạp, ống góp nạp và xi lanh Những phần này được xác định thể tích thông qua phương pháp “Filling and Emptying Methods” Các phương trình động học đặc trưng dựa trên định luật khí lý tưởng, định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn năng lượng.
Hình 2.13 Sơ đồ ống góp nạp và xả
Phương pháp "Filling and Emptying" sử dụng mô hình dòng chảy ổn định qua lỗ để suy ra lưu lượng khí qua các bộ phận như ống góp nạp, ống góp xi lanh và xú-pap nạp Dòng khí qua xú-pap mở được giả định là một chiều, ổn định và chịu nén, dựa trên lý thuyết khí lý tưởng Lưu lượng khối lượng khí được tính bằng công thức.
2.10.2 Phần đầu ống góp nạp
Mô hình dòng khí nạp vào xi lanh được mô tả qua động học của ống góp nạp, có thể tính toán bằng phương trình vi phân bậc nhất liên quan đến sự thay đổi áp suất trong ống góp nạp, Pm Lưu lượng khối lượng khí vào và ra khỏi ống góp chung được biểu diễn tương ứng bằng m& và 1 m&r.
Đạo hàm theo thời gian của áp suất khí nạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thể tích ống góp nạp, lưu lượng khối lượng không khí qua đầu ống nạp trong một giây, số xi lanh động cơ, nhiệt độ khí nạp và lưu lượng khí lý tưởng vào từng xi lanh Công thức 2.17 cung cấp phương pháp tổng quát để tính toán áp suất khí nạp cho động cơ đốt trong, với hệ số n và áp suất khác nhau tùy thuộc vào số lượng xi lanh Lưu lượng khối lượng khí qua đầu ống góp nạp được xác định dựa trên tỷ số giữa áp suất khí nạp và áp suất khí trời.
Với hai điều kiện trên ta có nhận xét tổng quan như sau:
Lưu lượng môi chất nạp vào hệ thống phụ thuộc vào áp suất môi trường (p0), áp suất ống góp hút (pm), chỉ số nén đa biến trung bình (γ) và diện tích thân bướm ga Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của quá trình nạp.
A φ : diện tích thân bướm ga (m 2 ), là một hàm của vị trí bướm ga Vì thế Aφ được tính bằng phương trình sau:
� � � � D � � � � bướm ga đạt giá trị diện tích lớn nhất.
Các chú thích ký hiệu ở phần đầu cung cấp thông tin về các thông số cần thiết Động lực học trong xi lanh là yếu tố quyết định tính năng của động cơ đốt trong, và việc tính toán này là cơ sở để xây dựng các khối toán học trong Matlab/Simulink Chi tiết về tính toán động lực học trong xi lanh sẽ được trình bày ở mục tiếp theo.
2.10.3 Động lực học trong xi lanh Động lực học trong xi lanh thể hiện qua áp suất trong từng xi lanh Mức độ thay đổi áp suất trong xi lanh thu được từ phương trình sau:
1 dQ ht dQ hr dp p dV d V d V d d
Các thông số như Qhr (nhiệt phát ra), Qht (nhiệt truyền đi), p (áp suất trong lòng xi lanh) và thể tích công tác có vai trò quan trọng trong việc xác định áp suất của động cơ Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và hoạt động của động cơ.
Sự thay đổi áp suất trong xi lanh, P ci , là một hàm của lưu lượng khối lượng khí vào xi lanh, , và sự thay đổi thể tích xi lanh,
Sự thay đổi áp suất trong xi lanh động cơ phụ thuộc vào khối lượng khí nạp và thể tích công tác của xi lanh tại từng góc quay trục khuỷu Công thức tính toán thể tích tương ứng với từng góc quay của trục khuỷu được trình bày rõ ràng.
: thể tích của xi lanh (m 3 ).
: là thể tích phần lõm xi lanh (m 3 ).
Lưu lượng khối lượng khí đi qua xú-pap nạp được tính bằng công thức:
Lưu lượng của khối lượng khí đi qua xú-pap nạp được tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sau:
L vi : độ nâng của xu-pap nạp (mm).
: diện tích hiệu dụng supap nạp (m 2 ) với IVP là biên dạng supap nạp.
2.10.4 Nhiệt lượng toả ra và truyền nhiệt
Trong quá trình hoạt động của động cơ đốt trong, nhiệt lượng được sinh ra và nhiệt lượng thất thoát là hai yếu tố quan trọng Nhiệt lượng sinh ra từ việc đốt cháy nhiên liệu có thể được tính toán để đánh giá hiệu suất của động cơ.
Theo lý thuyết cháy, quá trình nhả nhiệt được đặc trưng bởi thông số y được tính bởi công thức:
Thông số y bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm khối lượng nhiên liệu cháy và góc quay của trục khuỷu tại thời điểm đánh lửa Hai thông số a và m, với a=5 và m=2, đóng vai trò quan trọng trong việc hiệu chỉnh, đặc biệt khi chưa tính đến lốc xoáy Để đánh giá tính lốc xoáy, cần sử dụng công thức cụ thể, từ đó xác định lượng nhiệt phát ra theo tỷ lệ nhất định.
.( ). hr HV f dQ y Q m d (2.27) Đạo hàm của nhiệt lượng nhả ra theo góc quay trục khuỷu chính bằng tích số của:
QHV, hay nhiệt trị thấp, là giá trị năng lượng khi đốt cháy nhiên liệu, dao động trong khoảng từ 42 đến 45 MJ/kg Khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy (mf) và các thông số ảnh hưởng đến quá trình cháy cũng được đề cập trong bài viết.
Bằng cách lấy tích phân phương trình (2.27) ta được nhiệt nhả ra khi đốt cháy nhiên liệu.
Tốc độ truyền nhiệt đối lưu đến thành buồng đốt trong động cơ đánh lửa có thể được tính như sau:
Quá trình truyền nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá lượng nhiệt được đốt cháy và truyền đến các chi tiết Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ của buồng đốt, nhiệt độ trung bình của dòng khí, hệ số truyền nhiệt đối lưu, và đặc biệt là diện tích bề mặt của buồng đốt (A).
Giá trị A: diện tích bề mặt buồng đốt (m 2 ) được tính bằng công thức:
Giá trị A phụ thuộc vào nhiều yếu tố như diện tích bề mặt đầu xi lanh, diện tích bề mặt đỉnh piston, bán kính quay trục khuỷu, đường kính xi lanh và chiều dài thanh truyền Tính toán diện tích bề mặt buồng đốt là rất quan trọng, vì nó giúp xác định lượng nhiệt truyền trong quá trình hoạt động.
Hệ số truyền nhiệt đối lưu được xác định thông qua phương trình thực nghiệm, phụ thuộc vào áp suất xi lanh p (bar), nhiệt độ khí cháy T (K), và vận tốc trung bình của khí C m (m/s).
Đặc tính động cơ
Đặc tính động cơ là những thông số quan trọng để đánh giá và cải tiến hiệu suất động cơ, nhằm tối ưu hóa công suất mà vẫn đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật, kinh tế và môi trường Đặc tính động cơ được chia thành hai phần: đặc tính tốc độ ngoài, xác định khi bướm ga mở tối đa và nhiên liệu cung cấp ở mức tối ưu, và đặc tính bộ phận, được xác định ở các chế độ mở bướm ga khác nhau tương ứng với từng tốc độ động cơ.
2.11.1 Công suất chỉ thị. Áp suất tức thời trong xi lanh p tương ứng với sự thay đổi thể tích xi lanh V thể hiện công chỉ thị: dW = dV d p d
(2.36) Áp suất trong xi lanh được tính bằng công thức:
1 dQ ht dQ hr dp p dV d V d V d d
Áp suất trong xi lanh được tính toán dựa trên các thông số từ quá trình trước, bao gồm nhiệt lượng phát ra, nhiệt lượng truyền đi và thể tích xi lanh, cùng với việc tính toán theo góc quay trục khuỷu.
Thể tích tức thời của động cơ và mức độ thay đổi của thể tích xi lanh được thể hiện trong các phương trình sau:
Và (2.39) Ở công thức 2.39 thể tích xi lanh được tính toán thông qua
V d : thể tích công tác của xi lanh. r: bán kính quay trục khuỷu động cơ.
L: chiều dài thanh truyền. θ: góc quay trục khuỷu. Để tính công có ích của động cơ bằng cách đơn giản thực tế người ta đo bằng thiết bị đo công suất Dynamometer bằng cách hãm trục khuỷu của động cơ lại và đo lực vòng từ lực vòng tính được mô men xoắn rồi suy ra công suất của động cơ Từ đó tính ngược lại công chỉ thị.
Ngoài ra ta có thể áp dụng công thức sau nếu biết được áp suất chỉ thị của động cơ:
Để tăng công suất động cơ, cần nâng cao áp suất khí cháy, tăng thể tích công tác, tăng số xi lanh và giảm số kỳ Tuy nhiên, việc này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chi phí và công nghệ.
Do đó, cần có lựa chọn thích hợp để vừa đảm bảo công nghệ vừa đảm bảo giá thành và tính phổ biến của nó.
Công suất động cơ tăng lên khi hoà khí cháy triệt để và đúng thời điểm, điều này phụ thuộc vào dòng xoáy của khí nạp Sự hoà trộn càng nhuyễn của hoà khí sẽ dẫn đến công suất cao hơn.
Tổn thất ma sát có tác động đáng kể đến công suất biểu thị và công suất thực tế của động cơ xăng Tổng áp lực ma sát hiệu dụng trung bình phụ thuộc vào tốc độ động cơ và được mô tả bởi một phương trình cụ thể.
Tổn thất áp suất hiệu dụng trung bình phụ thuộc vào tốc độ động cơ, đó là điều hiển nhiên.
Tổn thất ma sát trong động cơ phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ, nhưng cũng bị ảnh hưởng bởi sự hoàn thiện của quá trình cháy Nếu hòa khí cháy không triệt để, sẽ sinh ra muội than, làm tăng mài mòn giữa piston và xi lanh Điều này liên quan đến độ đồng nhất của hỗn hợp khí (lốc xoáy) và thời điểm cháy, cũng như năng lượng tia lửa có đủ mạnh hay không Ngoài ra, chất lượng bôi trơn cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tổn thất ma sát.
2.11.3 Tổn thất ma sát trên đường ống nạp. Áp suất trong xi lanh p c nhỏ hơn áp suất môi trường p 0 trong suốt kỳ hút, do ma sát bên trong mỗi phần của hệ thống nạp Tổng tổn thất áp suất tạo ra bởi các nguyên nhân như lọc gió, ống góp nạp, ống góp nạp riêng từng xi lanh, và xú-pap nạp Sự khác biệt áp suất giữa xi lanh và khí quyển phụ thuộc vào bình phương vận tốc Áp dụng phương trình
Bernoulli cho mỗi phần, ta nhận được độ biến thiên áp suất như sau:
Tổn thất do ma sát trong hệ thống nạp phụ thuộc vào hình học của các phần và vận tốc cục bộ Giả định rằng dòng chảy gần như ổn định, tổng tổn thất áp suất do ma sát có thể được xác định.
(2.43) Tổn thất áp suất do ma sát phụ thuộc vào nhiều yếu tố được thể hiện rõ trong công thức ở trên như:
A j và A p : tương ứng là thành phần nhỏ nhất tiết diện dòng khí và diện tích piston (m 2 ). ρ: khối lượng riêng không khí. v j : vận tốc cục bộ (m/s).
S p: vận tốc trung bình piston. Để giảm tổn thát trên đường ống nạp ta cần:
Giảm hệ số cản bằng cách thiết kế đường ống nạp tối ưu nhất, giảm ngoằn ngoèo ít uốn lượn nhất.
Tăng đường kính xú-pap nạp
Dùng tăng áp động cơ.
2.11.4 Mô men xoắn và công suất.
Mô men xoắn thực tế và công suất thực tế được xác định bằng cách trừ đi tổn thất ma sát từ mô men và công biểu thị Mô men xoắn thực tế có thể được tính toán thông qua công thức: b i f.
Mô men xoắn thực tế được xác định bởi hiệu số giữa mô men xoắn hỉ thị và mô men xoắn mất mát do ma sát Khi mô men xoắn do ma sát tăng lên, mô men xoắn thực tế sẽ giảm xuống Do đó, việc duy trì một hệ thống bôi trơn hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu mô men xoắn mất mát do ma sát.
Mô men xoắn biểu thị được tính bởi công thức:
V d : thể tích xi lanh động cơ. p mi : áp suất hiệu dụng chỉ thị trung bình được tính bằng công thức:
Mô men do tổn thất ma sát T f (N-m) được xác định bởi:
(2.47) Thực tế tính mô men xoắn có ích của động cơ được tính như sau:
Dynamometer là thiết bị được sử dụng để đo công suất trên băng thử, đồng thời hãm động cơ trong quá trình thử nghiệm Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của động cơ.
Hình 2.15 Mô hình thiết bị đo công suất động cơ
Thiết bị đo hoạt động bằng cách lắp đặt chắc chắn và khởi động động cơ, khiến khuỷu trục quay và kéo theo trục các đăng Dynamometer ở chế độ quay tự do, khi động cơ hoạt động với cánh bướm ga mở hết cỡ (đối với động cơ xăng) hoặc thanh răng kéo hết về phía cung cấp nhiên liệu tối đa (đối với động cơ Diesel) Lực hãm được xác định qua cảm biến lực, từ đó tính toán mô men và công suất Qua đó, có thể xác định công suất có ích và mô men có ích, và khi có hiệu suất ma sát cơ giới, ta có thể tính ngược công suất và mô men chỉ thị.
Việc xác định công suất chỉ thị cho của một xi lanh động cơ 4 kỳ có thể được tính từ công chỉ thị như sau:
(2.48) Động cơ thắng được tổn thất ma sát Vì thế áp suất có ích trung bình được viết: p me p mi p f
Từ đây công suất có ích có thể được tính:
(2.50) Mối quan hệ giữa mô ment xoắn và công suất được thể hiện:
2.11.5 Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiên liệu.
Việc tính toán suất tiêu hao nhiên liệu giúp xác định chính xác lượng nhiên liệu mà động cơ tiêu thụ, từ đó đưa ra các phương pháp cải tiến nhằm giảm thiểu mức tiêu hao mà vẫn tối ưu hóa công suất động cơ Điều này đảm bảo cân bằng giữa ba yếu tố kinh tế, kỹ thuật và môi trường.
Suất tiêu hao nhiên liệu m & f được xác định bằng tốc độ lưu lượng khối lượng trong một đơn vị thời gian Mức tiêu hao nhiên liệu riêng (sfc) được tính bằng tỷ lệ lưu lượng nhiên liệu so với công suất đầu ra, và được tính theo công thức: sfc m f.