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, đánh dấu sự ra đời của nhiều thiết bị dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, bao gồm bóng đèn điện và động cơ đốt trong Những phát minh này đã tạo ra bước ngoặt lớn trong sự phát triển công nghiệp.
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã mang lại 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 hiện là quốc gia có tỷ lệ sử dụng xe máy cao thứ hai ở Châu Á, chỉ sau Đài Loan, nhờ vào tính tiện lợi và khả năng tài chính của người dân Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường do khí thải từ xe máy và ô tô ngày càng gia tăng Để giảm thiểu khí thải và bảo vệ môi trường, các nhà sản xuất xe máy cần cải tiến động cơ, nhằm giảm thiểu ô nhiễm và đáp ứng ba thách thức chính: giảm thiểu tác động môi trường, đảm bảo các thông số kỹ thuật hợp lý và phù hợp với khả năng tài chính của người tiêu dùng.
Trong quá trình sử dụng, con người không ngừng cải tiến động cơ để tăng công suất và giảm khí thải ô nhiễm Các cải tiến bao gồm hệ thống nhiên liệu, nạp, xả và ứng dụng công nghệ mới như VVT, VCR, GDI, xe điện và xe Hybrid Nghiên cứu cần dựa trên đường đặc tính của động cơ và tình trạng làm việc thực tế.
Vì thế việc nghiên cứu đặc tính động cơ cũng nhƣ các cải tiến cho động cơ tối ƣu hơn đƣợc 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, cụ thể là trước khi khí thải ra khỏi xú-pap xả Để hạn chế ô nhiễm, cần đảm bảo hoà 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 các chỉ tiêu này và mức độ phát sinh ô nhiễm.
Tình hình ô nhiễm ở các thành phố lớn ở Việt Nam nhƣ: thành phố Hồ Chí Minh và Hà
Trong những năm gần đây, ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng, 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 các nguồn phát thải, 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 xấu đến sức khỏe của nhóm người nhạy cảm.
Năm 2016, nồng độ bụi PM2.5 trung bình tại Hà Nội đạt 50.5 µg/m3, gấp đôi quy chuẩn quốc gia (25 µg/m3) và gấp năm lần mức khuyến nghị của WHO (10 µg/m3) Trong quý I năm 2017, nồng độ này tăng lên 54.6 µg/m3 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 nghiêm trọng 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), giảm 31 ngày so với Hà Nội Mặc dù vậy, thành phố vẫn ghi nhận 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 thực sự tốt hơn, nhưng lại kém hơn so với cùng kỳ năm 2016.
Hồ Chí Minh có xu hướng kém đi, trái với dấu hiệu tích cực tại Hà Nội
Quý 1/2016, tại thành phố Hồ Chí Minh, chỉ có 32.12% tổng số giờ trong quý có chỉ số
AQI ở nhóm không tốt, nhƣng con số này tăng lên 41.82% trong quý 1/2017 So với năm
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 chất lượng không khí tại thành phố Hồ Chí Minh đã tăng gấp 15 lần, chiếm hơn 9.55% tổng số giờ, so với chỉ 0.61% tổng số giờ trong cùng kỳ năm ngoái.
“tốt” cũng không đƣợc cải thiện nhiều, chỉ chiếm 0.15% tổng số giờ trong quý 1/2016 và
Trong quý 1 năm 2017, chỉ số AQI trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh đạt 100.8, cao hơn so với 91.2 của quý 1 năm 2016, trong khi nồng độ bụi PM2.5 trung bình là 35.8 μg/m3, tăng từ 30.72 μg/m3 của năm trước Điều này cho thấy chất lượng không khí tại thành phố kém hơn so với cùng kỳ năm trước Đối với động cơ xe máy, ba chất ô nhiễm chính cần chú ý là NOx, HC và CO, được hình thành từ các phản ứng hóa học giữa hydrocacbon của nhiên liệu và không khí Thành phần và khối lượng của chúng phụ thuộc vào quá trình đốt cháy trong buồng đốt, bao gồm cấu trúc buồng đốt, thời điểm đánh lửa 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 (α > 1) vẫn có thể xảy ra, với nồng độ CO có thể lên tới 0.5% Ba chất ô nhiễm này gây ra những tác hại nghiêm trọng đến 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
Carbon monoxide (CO) cản trở quá trình trao đổi oxy trong máu, gây ra ngộ độc CO khi nồng độ đạt từ 30 đến 40 PPM, dẫn đến tê liệt hệ thần kinh thực vật Nồng độ 500 PPM hoặc cao hơn có thể gây đau đầu, và khi nồng độ tiếp tục tăng, các triệu chứng nghiêm trọng hơn sẽ xuất hiện.
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 quang hóa còn là yếu tố góp phần gây bệnh ung thư và dẫn đến tình trạng tàn rụi rừng.
NO x -Nếu nồng độ NO x 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 nhằm giảm nồng độ các chất ô nhiễm, đặc biệt là hợp chất hữu cơ bay hơi (HC) Việc tăng cường chuyển động rối giúp tăng tốc độ lan tỏa của màng lửa và hạn chế sự xuất hiện của các vùng “chết” gần thành buồng cháy Điều này có thể đạt được bằng cách gia tăng vận động xoáy lốc của hỗn hợp trong ống nạp.
1.1.3 Nhu cầu mong muốn của người dùng
Hiện nay, sự tăng trưởng kinh tế toàn cầu đang chững lại, ảnh hưởng đến các nhà sản xuất xe Để duy trì và phát triển, các hãng xe phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động bán hàng Trên thị trường, không có hãng nào độc quyền về chủng loại hay phân khúc, dẫn đến sự cạnh tranh gay gắt Để vượt qua đối thủ, các hãng xe cần đầu tư vào việc khảo sát nhu cầu khách hàng, nghiên cứu và cải tiến các bộ phận như hệ thống lái, hệ thống treo, các 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
Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu của đề tài này là xác định ảnh hưởng của lốc xoáy trong dòng khí nạp đến công suất động cơ Từ đó, chúng ta có thể cải tiến cổ góp nạp để phù hợp với biên dạng các góc đã được mô phỏng hoặc áp dụng một van để tạo ra hiệu quả tối ưu cho động cơ.
Cải tiến động cơ là rất quan trọng để giải quyết ba vấn đề chính: môi trường, kinh tế và kỹ thuật Việc này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, đồng thời thúc đẩy phát triển kinh tế bền vững.
Việt Nam 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 tối ưu hóa công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế khí thải độc hại, đồng thời vẫn phải 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 ƣu 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 trong những chủ đề quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất động cơ Chúng tôi sẽ khám phá các hướng nghiên cứu trong nước liên quan đến các biện pháp cải thiện hiệu suất động cơ.
Hiện nay, nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ ở 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 của động cơ Đây là một hướng nghiên cứu mới mẻ, mặc dù chưa có nhiều công trình khoa học trong lĩnh vực này Nghiên cứu theo hướng 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 nghiên cứu động cơ Do đó, việc thực hiện nghiên cứu mô phỏng động cơ là rất cần thiết và đáng được chú trọng.
Nâng cao hiệu suất động cơ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong nước, và việc áp dụng các phương pháp cải tiến là cần thiết Dưới đây là một số công trình nghiên cứu có giá trị làm nền tảng cho đề tài này.
(1) Bài báo: “MÔ PHỎNG NÂNG CAO TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CHO ĐỘNG
CƠ DIESEL 1 XI-LANH BẰNG THIẾT KẾ CẢI TIẾN HỌNG NẠP” [4]
Tác giả: Võ Danh Toàn, Huỳnh Thanh Công, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh
Nguồn: Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 18, số K7-2015
Tóm tắt : Bài báo này trình bày nghiên cứu cải tiến đường ống nạp cho động cơ
Động cơ diesel một xi-lanh RV165-2 được cải tiến hiệu suất nạp và tính năng làm việc thông qua mô phỏng trên phần mềm AVL BOOST Các phương án cải tiến được đề xuất và so sánh với mô hình hệ thống nạp hiện tại Điều kiện mô phỏng ban đầu dựa trên cấu trúc động cơ và thông số vận hành thực nghiệm Các thông số về đặc tính công suất, sự cháy và khí thải được chọn làm tiêu chuẩn đánh giá.
Nghiên cứu cho thấy 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 công suất động cơ, đồng thời giảm 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
Bài viết tóm tắt nghiên cứu mô phỏng động cơ Toyota 1 NZ – FE, xây dựng cơ sở lý thuyết về các đặc tính của động cơ và mô hình toán cho các quá trình của nó Nghiên cứu tập trung vào hệ thống VVT-i, phân tích ảnh hưởng của việc điều chỉnh thời điểm đóng mở supap đến hiệu suất động cơ.
Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh thời điểm đóng mở supap có tác động đáng kể đến công suất động cơ, giúp tối ưu hóa quá trình cháy và giảm lượng khí thải phát ra từ động cơ.
Nâng cao công suất động cơ xăng bằng cách xây dựng cơ sở lý thuyết vững chắc và nghiên cứu đặc tính của nó thông qua mô phỏng sử dụng 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
Nguồn: Proceedings of IMECE’03 2003 ASME International Mechanical Engineering
Bài viết này mô phỏng và phân tích các đặc tính của động cơ Yamaha 125cc, trong đó tác giả thực hiện các phép tính để xác định các thông số đầu ra của động cơ xe máy dựa trên những đề xuất cụ thể.
Trong bài viết này, chúng tôi trình bày hai mô hình mô phỏng quan trọng: mô hình chức năng momen xoắn và mô hình tốc độ tỏa 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 về truyền nhiệt, ma sát và động học sinh ra của động cơ.
Cả hai mô hình được nghiên cứu đều cho kết quả gần sát với thực nghiệm, nhưng mỗi mô hình có những đặc điểm riêng Mô hình chức năng mô men xoắn nổi bật với khả năng mô phỏng đặc tính động cơ trong thời gian ngắn, rất phù hợp cho việc điều khiển các trạng thái của xe Hybrid Ngược lại, mô hình tốc độ tỏa nhiệt có ưu thế trong việc mô phỏng 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,
Bài báo phân tích tỉ lệ tạo xoáy trong buồng đốt Tumble và Swirl của động cơ xăng 4 kỳ với 4 xú-páp Nghiên cứu đã xây dựng mô hình thí nghiệm và mô phỏng tỉ lệ xoáy cuộn trong lòng xi lanh trong hai kỳ nạp và nén Bài viết cũng thiết lập các mô hình và đồ thị thể hiện tỉ lệ xoáy tại từng thời điểm quay của trục khuỷu động cơ.
Bài báo đã mô phỏng sự xoáy lốc trong buồng đốt động cơ, phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ Tumble và Swirl đến quá trình hòa trộn trong kỳ nạp và nén Nghiên cứu cho thấy rằng năng lượng xoáy cuộn đứng có tác động tích cực đến quá trình 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, đề tài 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 cách tối ưu hóa công suất động cơ Việc ứng dụng phần mềm này giúp các nhà thiết kế tiết kiệm chi phí trong khi vẫn 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 sử dụng các thông số của động cơ để thiết kế mô hình thông qua phần mềm CATIA, kết hợp với các nguồn tài liệu từ internet và thực tế.
Mô phỏng số, mô phỏng CFD: các số liệu đƣợc lấy từ hình ảnh sau khi mô phỏng
CFD bằng phần mềm ANSYS Fluent sau đó đƣợc nhập vào Matlab tính toán lấy số liệu mô phỏng số
Phương pháp xử lý số liệu: Xử lý các số liệu từ các dữ liệu của phần mềm ANSYS
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA LỐC XOÁY TRÊN ĐỘNG CƠ
VÀ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ
Sơ lƣợc về xoáy lốc
Để tăng công suất động cơ, quá trình cháy cần được tối ưu hóa, trong khi quá trình nạp và xả cũng phải diễn ra hiệu quả Hệ thống T-VIS (Toyota Variable Induction System) trên ô tô là một ứng dụng giúp tối ưu hóa quá trình nạp, liên quan đến việc tạo ra xoáy lốc Trên xe máy, cũng có các hệ thống tương tự nhằm cải thiện hiệu suất động cơ.
The Swirl Tumble Control System (STCS) in Nissan vehicles features the Swirl Control Valve (SCV), which plays a crucial role in optimizing engine performance This system primarily utilizes two types of swirl: vertical and horizontal, enhancing fuel efficiency and emissions control.
(Swirl) và xoáy lốc ngang (Tumble) ngoài ra còn có xoáy lốc ngƣợc với xoáy lốc ngang
Xoáy lốc trên động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hệ số nạp và sự hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí Hiện tượng xoáy lốc diễn ra thông qua các quy trình khí động học phức tạp, và việc đo lường hệ số xoáy lốc là cần thiết để đánh giá hiệu suất động cơ Các ứng dụng của xoáy lốc đã được áp dụng trên nhiều mẫu xe hiện hành, giúp cải thiện hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu và giảm khí thải.
… sẽ được trình bày ở dưới đây.
Định nghĩa về hiện tƣợng lốc xoáy
Quá trình chuyển động của dòng khí nạp trong động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định quá trình cháy và sự hoà trộn hoà khí, đặc biệt là vấn đề xoáy lốc trong động cơ.
Xoáy lốc trong động cơ được hình thành bởi hình dạng đường ống nạp và đỉnh piston, là chuyển động xoay tròn của dòng môi chất trong xi lanh Xoáy lốc xuất hiện do áp suất chân không trong quá trình nạp, khi môi chất có động năng ban đầu Tuy nhiên, sự xoáy lốc này giảm đi khi có ma sát trong chu trình hoạt động của động cơ Nó tồn tại trong nhiều chu trình, bao gồm quá trình nạp khi hoà khí vào tạo xoáy lốc, quá trình nén khi piston di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, và kỳ nổ khi hoà khí bốc cháy do áp suất gia tăng nhanh chóng Trong kỳ xả, môi chất thoát ra cũng tạo ra xoáy lốc, nhưng với mức độ thấp hơn do sự chênh lệch áp suất giữa buồng đốt và môi trường bên ngoài.
Trong quá trình vận hành động cơ, khi đến kỳ xả, áp suất trong buồng đốt cao, khiến khí cháy thoát ra ngoài mà ít gây xoáy lốc Để tạo xoáy lốc trong thiết kế động cơ, piston thường được làm lõm Đặc biệt, ở động cơ Diesel và động cơ nạp phân tầng, hiện tượng xoáy lốc thể hiện rõ qua chuyển động nhanh của hỗn hợp khí khi được nạp vào và trong quá trình phun nhiên liệu Sự xoáy lốc cũng diễn ra trong quá trình đánh lửa với chu kỳ cao, đặc biệt là khi xe tăng tốc Ở động cơ hai kỳ, hiện tượng xoáy lốc xuất hiện trong quá trình quét thải khí Đối với những động cơ có buồng đốt phụ, quá trình xoáy lốc là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất.
Xoáy lốc đƣợc phân loại thành hai thành tố chính đó là 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 công thức đã nêu, với các giá trị được chú thích ở mục ký hiệu Đối với dòng khí nạp ổn định, công thức áp dụng sẽ như sau:
(2.2) Trong đó : , 0 lần lƣợt là thời gian đặc trƣng riêng đầu và sau đó
Vận tốc trung bình của dòng khí nạp trong điều kiện có lốc xoáy được xác định thông qua 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 lƣợng
Khi xoáy lốc hình thành, nó tạo ra mô men động lượng từ các thành phần vận tốc của xoáy lốc dọc và ngang Mô men xoáy này tương tự như thông lượng mô men động lượng trên máy bay, cho thấy rằng khi máy bay hoạt động, nó cũng tạo ra những vùng có mô men xoáy tương tự.
Hiển thị rõ ở hình sau:
Hình 2.2 Vận tốc góc của mô men động lƣợng xoáy lốc dọc và ngang
Xoáy lốc dọc đƣợc đặc trƣng bởi vận tốc góc của mô men động lƣợng chính là s
Xoáy lốc ngang đƣợc đặc trƣng bởi vận tốc của mô men động lƣợng 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 đƣợc 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 một công thức cụ thể.
Hệ số lốc xoáy Cs đƣợc tính thông qua công thức từ thực nghiệm có liên quan đến tốc độ góc của piston với n là số vòng quay
Để tính toán vận tốc đặc trưng của dòng xoáy (v₀) trong xi lanh có đường kính B, ta sử dụng công thức p = 2.π.n/60 Vận tốc này được xác định từ sự rơi áp trong quá trình đo, theo công thức v₀ = √[2(p₀ - pₖ)/ρ].
Trong đó p 0 , p c lần lƣợt 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:
(2.6) Với A là diện tích của xú-pap, v 0 là vận tốc riêng của dòng khí
Khi đó hai thành tố : xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang đƣợc tính nhƣ sau:
Ta có đường kính của xi lanh là B
lần lƣợt là vận tốc góc của xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc m là khối lƣợng của dòng khí nạp vào
Hệ số xoáy lốc dọc: 8.
Hệ số xoáy lốc ngang ; 8.
Hệ số xoáy lốc tổng hợp: C A C S 2 C T 2
Lốc xoáy tạo ra trong quá trình hút
Hiện tượng lốc xoáy trong quá trình hút hòa khí chủ yếu xuất phát từ 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 xoay tròn quanh thân xú-pap trước khi vào buồng đốt, tạo ra sự không đồng nhất xung quanh chu vi xú-pap nạp, dẫn đến một mô men động lượng đáng kể Xoáy lốc trong quá trình nạp chủ yếu là xoáy lốc dọc.
(Swirl) vì loại xoáy lốc này làm hoà khí đƣợc hoà trộn tối ƣu 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 quá trình hòa trộn hoà khí, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ Để tạo ra xoáy lốc dọc, các nhà thiết kế thường áp dụng rãnh trên xú-pap nạp hoặc thiết kế đường ống nạp với biên dạng đặc biệt, nhằm tăng cường sự xoáy và cải thiện quá trình nạp khí.
Hình 2.4 Các biến thể của các dạng đường ống tạo ra xoáy lốc dọc (Swirl)
Lốc xoáy khi vào xi lanh
Khi dòng khí nạp đi qua xú-pap, nó mang theo mô men động lượng ban đầu Tuy nhiên, khi vào buồng đốt, mô men động lượng bắt đầu giảm trong kỳ nạp do tác động của ma sát.
Sự tương tác giữa dòng khí và thành xi lanh, cũng như giữa các phần tử trong dòng khí, rất quan trọng Đặc biệt, hiện tượng xoáy lốc sẽ giảm từ 1/4 đến 1/3 vào cuối quá trình nén Tuy nhiên, vận tốc của xoáy lốc lại tăng lên trong quá trình nén, tùy thuộc vào thiết kế của buồng đốt Theo định luật bảo toàn động lượng, sự thay đổi động lượng được mô tả bằng công thức: dI/dt = -J.
Đạo hàm của mô men động lượng được xác định bằng cách lấy 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 đƣợc tính theo công thức:
Quá trình nạp thông lượng mô men động lực trong xi lanh được tính toán dựa trên diện tích của xú-pap nạp, mật độ dòng khí, bán kính xú-pap và vận tốc trung bình của dòng khí.
Trong khi đó mô men động lƣợng của dòng khí khi đi vào xi lanh trong quá trình nạp đƣợc tính bởi công thức sau:
Mô men động lực tại thời điểm nạp sẽ giảm dần do ma sát giữa các phần tử khí và xú-pap nạp Ma sát này sẽ tiếp tục tăng trong kỳ nén, dẫn đến sự giảm dần của mô men động lực theo thời gian.
Công thức tính chính xác về ma sát đƣợc trình bày ở công thức sau:
Ma sát đƣợc tính nhƣ công thức ở trên ta thấy rằng:
Khi tăng đường kính B của xi lanh, ma sát sẽ 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 đều, gây ra sự phân bố hỗn hợp khí không đồng nhất Hệ quả là quá trình đốt cháy không hoàn hảo, sinh ra muội than nhiều, làm gia tăng ma sát.
C F là hệ số ma sát đƣợc tính bởi công thức:
Hiện tượng xoáy lốc dọc (Swirl) trong xi lanh chủ yếu được tạo ra nhờ thiết kế đỉnh piston có biên dạng lồi và lõm Bên cạnh đó, xoáy lốc ngang cũng xuất hiện, chủ yếu do quá trình phun nhiên liệu.
Xoáy lốc ngang (Tumble) được hình thành khi xú-pap đặt trên động cơ phương của trục dọc thân xú-pap và phương vuông góc của xi lanh tạo thành một góc lệch lớn Ngược lại, Swirl xuất hiện 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 đƣợc tạo ra do nhà thiết kế chế tạo đỉnh piston có biên dạng các khoang với biên dạng lõm
Hình 2.8 Piston đƣợc 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 thường là dòng chảy rối Để kiểm tra đặc tính của sự xoáy lốc, phương pháp dòng chảy ổn định (Steady Flow) được áp dụng, trong đó dòng khí vào tại vị trí xú-pap bằng với dòng môi chất trong xi lanh Để đơn giản hóa, người ta bỏ qua tổn thất do mất mát dòng khí Nếu không sử dụng phương pháp ổn định, khi piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, độ chân không sẽ hút khí vào tại xú-pap, tạo ra lực cản và xoáy lốc rối Để nghiên cứu hiện tượng xoáy lốc, thiết bị tương tự như piston được sử dụng, với khả năng chuyển động xoay tròn kết hợp với chuyển động tịnh tiến xuống Chuyển động xoay tròn tạo ra xoáy lốc cho dòng khí, trong khi chuyển động tịnh tiến tạo độ chân không cho hòa khí đi vào Cấu tạo của thiết bị này rất đặc biệt và hiệu quả trong việc nghiên cứu dòng chảy khí.
Piston (paddle whell): tạo độ kín khít để cho hoà khí hút vào dễ dàng hơn
Trục được lắp chính tâm với piston, có nhiệm vụ chịu lực và tạo ra sự chuyển động xoáy của dòng môi chất.
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 chính là xoáy lốc dọc (Swirl) và xoáy lốc ngang (Tumble) Các hiện tượng này ảnh hưởng đến hiệu suất nạp khí và quá trình đốt cháy trong động cơ Việc đo lường và phân tích các dạng lốc xoáy này là rất quan trọng để cải thiện 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 tƣợng xoáy lốc
Trên ô tô, hiện tượng xoáy lốc được tối ưu hóa công suất chủ yếu bởi hai hãng xe lớn là Toyota và Nissan Trong lĩnh vực xe máy, hãng SYM cũng nổi bật với công nghệ tương tự.
Toyota gọi hệ thống đó là hệ thống biến thiên dòng khí nạp T-VIS viết tắt của từ tiếng
Hệ thống Induction Biến thiên của Toyota được thiết kế để cải thiện hiệu suất động cơ ở tốc độ thấp, nơi dòng khí nạp vào thường diễn ra chậm và ít tạo xoáy lốc 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 theo tốc độ động cơ Hệ thống này được áp dụng cho động cơ có hai xú-páp nạp, trong đó một xú-páp sử dụng cánh bướm thay đổi và xú-páp còn lại không có.
Cánh bướm được điều chỉnh nhờ cơ cấu chấp hành chân không bên ngoài ống cổ nạp, với sự hỗ trợ của bộ điều khiển động cơ điện tử (ECU) Bộ điều khiển này cho phép áp suất chân không đi qua cơ cấu chấp hành thông qua một van điện từ (Solenoid).
Khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp, hệ thống van điều khiển xoáy lốc (SCV) của Nissan sẽ đóng lại, tạo ra áp suất chân không lớn và tăng cường công suất động cơ Điều này dẫn đến việc cánh van nhỏ lại, làm tăng vận tốc hòa khí vào xi lanh, từ đó tạo ra hiện tượng xoáy lốc Khi động cơ quay ở tốc độ cao, lượng chân không giảm và lò xo hồi vị sẽ mở cánh van hết cỡ, làm cho quá trình đóng cánh bướm để tạo xoáy lốc chủ yếu xảy ra ở tốc độ thấp.
Hệ thống STCS (Swirl Tumble Control System) trên xe máy điều chỉnh lưu lượng gió vào xi lanh dựa trên tốc độ và tải của động cơ Bộ xử lý trong ECU tiếp nhận tín hiệu để tối ưu hóa hiệu suất, từ đó nâng cao công suất động cơ.
ECU sẽ điều chỉnh van Swirl để kiểm soát lượng khí nạp vào xi lanh, với xoáy lốc dọc phụ thuộc vào thiết kế buồng đốt của nhà sản xuất Trong khi đó, xoáy lốc ngang (Tumble) được xác định bởi quá trình phun nhiên liệu trực tiếp và sự dịch chuyển của piston So với động cơ truyền thống, hệ thống này mang lại hiệu suất tối ưu hơn.
Việc sử dụng hệ thống STCS giúp tăng công suất lên 9,8%, đồng thời giảm lượng tiêu hao nhiên liệu tới 12% và giảm khí xả 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 được đưa vào trong xi lanh Đây là một giai đoạn quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số nạp của động cơ Nhiều yếu tố tác động khiến lượng môi chất nạp vào xi lanh trong mỗi chu trình thường nhỏ hơn so với lượng nạp lý thuyết 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 P k của động cơ 4 kỳ không tăng áp luôn nhỏ hơn áp suất khí trời P 0 do gặp cản của bộ lọc khí khi vào đường ống nạp Vì vậy, tổn thất áp suất tại bình lọc khí được xác định bằng công thức cụ thể.
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 thay đổi phương hướng lưu động 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 đƣợc 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 không hoạt động tối ưu Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp, bao gồm 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 Các 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 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 môi chất vào trong xi lanh Chênh lệch áp suất này cũng phản ánh trở lực của xú-pap nạp đối với dòng chảy.
Chênh áp giữa đường nạp và môi chất trong xi lanh được duy trì trong giai đoạn đầu của quá trình nén cho đến khi áp suất trên đường nén đạt giá trị P k do quá trình nén khí Dựa vào hiện tượng này, các biện pháp mới đã được đề xuất để nạp môi chất mới vào 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
2.9.2 Hệ số khí sót và các thông số ảnh hưởng
Hệ số khí sót của động cơ đốt trong đƣợc tính bởi công thức sau:
Hệ số khí sót ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ thông qua nhiều yếu tố, bao gồm 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 nghiên cứu tính toán, cần chú 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 được hiệu quả cao trong quá trình nạp, hệ số nạp tối ưu cần phải có hệ số khí sót nhỏ Khi lượng khí sót quá lớn, áp suất của khí sót sẽ cao hơn lượng khí nạp, khiến môi chất khó vào xi lanh, dẫn đến quá trình nạp không đạt hiệu quả tối ưu.
Hệ số khí sót chịu ảnh hưởng lớn từ áp suất khí sót, áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp, khí sót và tỷ số nén Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất 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 đƣợc xác định bởi công thức sau:
C s là hệ số xoáy lốc
p= 2.𝜋 𝑛/60 là tốc độ góc của piston với n là số vòng quay
B là đường kính của xi lanh
26 v 0 là vận tốc đặc trƣng của dòng xoáy, nó có nguồn gốc từ việc rơi áp trong quá trình đo và đƣợc xác định qua công thức 0 [ 2( p o p c ) ] 0.5 v
Trong đó p 0 , p c lần lƣợt là áp suất trong xi lanh và áp suất tham chiếu, là mật độ của môi chất
Từ đây ta có nhận xét nhƣ sau :
Hệ số lốc xoáy chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó tốc độ góc của piston là một yếu tố quan trọng; khi tốc độ động cơ tăng, hệ số lốc xoáy cũng tăng theo Đường kính B của xi lanh càng lớn thì hệ số lốc xoáy càng cao 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 đầu ống góp nạp, ống góp nạp và xi lanh, được xác định thể tích qua phương pháp "Filling and Emptying Methods" Các phương trình động học trong hệ thống này 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 qua đầu ống góp nạp, ống góp xi lanh và xú-pap nạp Mối quan hệ ổn định của dòng khí qua xú-pap mở dựa trên giả thiết về dòng một chiều, ổn định và khí lý tưởng có thể chịu nén.
Lưu lượng khối lượng khí được tính bằng công thức:
2.10.2 Phần đầu ống góp nạp
Hình 2.14 Mô hình dòng khí nạp đi vào xi lanh
Động học ống góp nạp có thể được xác định thông qua phương trình vi phân bậc nhất, liên quan đến sự thay đổi áp suất trong ống góp nạp, P m Phương trình này tính toán lưu lượng khối lượng khí vào và ra khỏi ống góp chung, được biểu diễn bằng m và tổng lưu lượng mr n i 1 mri.
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 của động cơ, nhiệt độ khí nạp và lưu lượng khí lý tưởng vào từng xi lanh Công thức 2.17 là công thức tổng quát để tính áp suất khí nạp cho động cơ đốt trong, trong đó số lượng xi lanh ảnh hưởng đến hệ số n và áp suất.
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 Công thức tính toán cho lưu lượng này như sau:
Với hai điều kiện trên ta có nhận xét tổng quan nhƣ sau:
Lưu lượng môi chất 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.
A φ : diện tích thân bướm ga (m 2 ), là một hàm của vị trí bướm ga Vì thế A φ được tính bằng phương trình sau:
D bướm ga đạt giá trị diện tích lớn nhất
Các chú thích ký hiệu đã được nêu ở phần đầu, giúp độc giả hiểu các thông số liên quan Động lực học trong xi lanh là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ đốt trong Tính toán động lực học này là cơ sở để xây dựng các mô hình 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 được thể hiện qua áp suất trong từng xi lanh, với mức độ thay đổi áp suất được xác định từ phương trình cụ thể.
1 dQ ht dQ hr dp p dV d V d V d d
Các thông số như Qhrnhiệt phát ra, Qhtnhiệt truyền đi, áp suất p trong lòng xi lanh và thể tích công tác được thể hiện qua công thức trên, đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất của động cơ.
Sự thay đổi áp suất trong xi lanh (P ci) phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng khí vào xi lanh (m ci) và sự thay đổi thể tích của xi lanh (V ci).
ci ci ci ci ci RT m V p
Sự thay đổi áp suất trong xi lanh phụ thuộc vào khối lượng khí nạp và thể tích công tác của xi lanh ở từng góc quay trục khuỷu Giá trị thể tích này được tính toán dựa trên các góc quay của trục khuỷu, thể hiện rõ qua công thức cụ thể.
V d : thể tích của xi lanh (m 3 )
V cl : là thể tích phần lõm xi lanh (m 3 )
Lưu lượng khối lượng khí đi qua xú-pap nạp m ci được tính bằng công thức:
ci ri vi vi ci A L d p p m ( ) , (2.25)
Lưu lượng của khối lượng khí đi qua xú-pap nạp được tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ sau:
L vi : độ nâng của xu-pap nạp (mm)
Avi 8 IVPi: diện tích hiệu dụng supap nạp (m 2 ) với IVP là biên dạng supap nạp
2.10.4 Nhiệt lƣợng toả ra và truyền nhiệt
Trong quá trình hoạt động của động cơ đốt trong, nhiệt lượng được sinh ra và mất đi là điều không thể tránh khỏi Nhiệt lượng này được phát sinh khi nhiên liệu được đốt cháy, và việc tính toán nhiệt lượng nhả ra là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Theo lý thuyết cháy, quá trình nhả nhiệt đƣợc đặc trƣng bởi thông số y đƣợc tính bởi công thức:
Thông số y chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, bao gồm khối lượng nhiên liệu cháy và góc quay của trục khuỷu khi bắt đầu quá trình đánh lửa Hai thông số quan trọng a và m được sử dụng để hiệu chỉnh, trong đó a=5 và m=2 khi không tính đến lốc xoáy.
Còn đánh giá về tính lốc xoáy thì phải tính bởi công thức cụ thể Khi đó lƣợng nhiệt nhả ra đƣợc tính bởi tỷ lệ sau:
HV f dQ y Q m d (2.27) Đạo hàm của nhiệt lƣợng nhả ra theo góc quay trục khuỷu chính bằng tích số của:
Q HV là nhiệt trị thấp (MJ/kg) khi đốt cháy nhiên liệu nó nằm trong khoảng giá trị từ
(42-45)MJ/kg và m f là khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy và thông số ảnh hưởng của quá trình cháy đƣợc trình bày ở trên
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 nhƣ 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 thành buồng đốt, nhiệt độ trung bình của dòng khí, hệ số truyền nhiệt đối lưu, và đặc biệt là diện tích bề mặt buồng đốt A.
Giá trị A: diện tích bề mặt buồng đốt (m 2 ) đƣợc tính bằng công thức:
Giá trị A phụ thuộc vào nhiều yếu tố như diện tích bề mặt phần đầu xi lanh, diện tích bề mặt đỉnh piston, bán kính quay trục khuỷu, đường kính xi lanh và chiều dài thanh truyền Tính diện tích bề mặt của buồng đốt là rất quan trọng, vì nó giúp xác định lượng nhiệt truyền trong hệ thống.
Đặc tính động cơ
Đặc tính động cơ là những thông số quan trọng để đánh giá tính chất và khả năng cải tiến động cơ, nhằm nâng cao công suất trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, kinh tế và môi trường Đặc tính này được chia thành hai phần: đặc tính tốc độ ngoài và đặc tính bộ phận Đặc tính tốc độ ngoài được xác định khi bướm ga mở tối đa và nhiên liệu được cung cấp ở mức tối ưu, trong khi đối với động cơ Diesel, điều này xảy ra khi thanh răng cấp nhiên liệu được kéo tối đa Đặc tính bộ phận được xác định ở các chế độ mở bướm ga từng phần 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 đƣợc 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 áp suất theo góc quay trục khuỷu.
Thể tích tức thời của động cơ và mức độ thay đổi của thể tích xi lanh đƣợc thể hiện trong các phương trình sau:
(2.39) Ở công thức 2.39 thể tích xi lanh đƣợc 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 đƣợc mô men xoắn rồi suy ra công suất của động cơ Từ đó tính ngƣợc lại công chỉ thị
Ngoài ra ta có thể áp dụng công thức sau nếu biết đƣợc áp suất chỉ thị của động cơ:
Để tăng công suất động cơ, cần phải tăng áp suất khí cháy, tăng thể tích công tác và số xi lanh, đồng thời giảm số kỳ Tuy nhiên, những yếu tố này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như giá thành 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 quá trình cháy hoà khí diễn ra triệt để và đúng thời điểm, điều này phụ thuộc vào dòng xoáy của khí nạp; càng hoà trộn nhuyễn, công suất càng cao.
Tổn thất ma sát có tác động 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 bằng một phương trình nhất định.
Tổn thất áp suất hiệu dụng trung bình phụ thuộc vào tốc độ động cơ, đó là điều hiển nhiên
Tổn thất ma sát phụ thuộc vào tốc độ động cơ và chất lượng quá trình cháy của hoà khí Nếu hoà khí cháy không triệt để, sẽ sinh ra muội than, làm tăng mài mòn giữa piston và xi lanh Điều này liên quan đến sự đồng nhất trong việc trộn hỗn hợp và thời điểm cháy chính xác, cũng như năng lượng tia lửa đủ lớn Hơn nữa, chất lượng bôi trơn cũng 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 nhƣ 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 đƣợc độ biến thiên áp suất nhƣ sau:
Tổn thất áp suất 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.
Tổn thất áp suất do ma sát phụ thuộc vào nhiều yếu tố đƣợc thể hiện rõ trong công thức ở trên nhƣ:
A j và A p : tương ứng là thành phần nhỏ nhất tiết diện dòng khí và diện tích piston (m 2 ) ρ: khối lƣợng 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 lƣợn 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 Để tính toán mô men xoắn thực tế, ta sử dụng công thức: b i f.
Mô men xoắn thực tế được xác định bằng hiệu số giữa mô men xoắn hỉ thị và mô men xoắn do ma sát Khi mô men xoắn mất mát do ma sát gia tăng, mô men xoắn thực tế sẽ giảm 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 đƣợc tính bởi công thức:
V d : thể tích xi lanh động cơ p mi : áp suất hiệu dụng chỉ thị trung bình đƣợc tính bằng công thức: d mi W V p / (2.46)
Mô men do tổn thất ma sát T f (N-m) đƣợc xác định bởi:
Thực tế tính mô men xoắn có ích của động cơ đƣợc tính nhƣ sau:
Người ta dùng một thiết bị đo công suất trên băng thử thiết bị đó được gọi là
Dynamometer thiết bị này dùng để hãm động cơ lại khi thử nghiệm Hình sau thể hiện thiết bị đo công suất
Hình 2.15 Mô hình thiết bị đo công suất động cơ
Khi lắp đặt thiết bị đo, cần đảm bảo chắc chắn trước khi khởi động động cơ Khi động cơ hoạt động, khuỷu trục sẽ quay, kéo theo trục các đăng quay Lúc này, Dynamometer hoạt động ở chế độ quay tự do Đối với động cơ xăng, cần mở hết cỡ cánh bướm ga, trong khi đối với động cơ diesel, thanh răng cần được kéo về phía cung cấp nhiên liệu tối đa.
Khi sử dụng động cơ diesel, cần điều chỉnh Dynamometer để hãm lại lực hãm được xác định qua cảm biến lực Khi đã có lực hãm, chúng ta có thể tính toán mô men xoắn dựa trên lực vòng đã đo được.
Bằng cách tính toán công suất, chúng ta có thể xác định công suất và mô men có ích Sau khi xác định được hiệu suất ma sát cơ giới, chúng ta có thể tính toán ngược lại 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 đƣợc tính từ công chỉ thị nhƣ sau:
P (2.48) Động cơ thắng đƣợc tổn thất ma sát Vì thế áp suất có ích trung bình đƣợc viết: p me p mi p f (2.49)
Từ đây công suất có ích có thể đƣợc tính:
Mối quan hệ giữa mô ment xoắn và công suất đƣợc thể hiện:
2.11.5 Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiên liệu
Tính 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 tiêu hao nhiên liệu Mục tiêu là tối ưu hóa công suất động cơ, đồng thời đảm bảo cân bằng ba yếu tố kinh tế, kỹ thuật và môi trường.