Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy

Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy

TỔNG QUAN

Dẫn nhập

Động cơ đốt trong đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lịch sử phát triển của nhân loại, thay thế sức lao động của con người bằng máy móc và nâng cao năng suất lao động Động cơ này đã góp phần lớn vào sự phát triển của sản xuất và ngành giao thông, thay thế các cỗ máy hơi nước cồng kềnh và hiệu suất thấp Nhân loại không ngừng nghiên cứu và phát triển các loại động cơ mới với hiệu suất cao hơn, đồng thời cải tiến để tăng công suất và giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính Các cải tiến này tập trung vào hệ thống nạp, xả và nhiên liệu, dựa trên các đường đặc tính của động cơ và điều kiện làm việc thực tế, điều này thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học.

Một trong những ưu tiên hàng đầu trong thiết kế động cơ là giảm thiểu ô nhiễm từ nguồn phát thải Để đạt được điều này, cần đảm bảo rằng hoà khí được trộn đều trước khi vào buồng đốt, với quá trình xoáy lốc hiệu quả và cháy triệt để, nhằm giảm thiểu khí độc hại Do đó, các nhà thiết kế động cơ không chỉ tập trung vào công suất và hiệu quả kinh tế mà còn phải cân nhắc giữa các yếu tố này và mức độ phát sinh ô nhiễm.

Ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn ở Việt Nam, đặc biệt là Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội, đang gia tăng đáng kể trong những năm gần đây Nguyên nhân chính của tình trạng này là do khí thải từ động cơ đốt trong, trong đó động cơ xe máy đóng vai trò quan trọng.

Chất ô nhiễm chính cần quan tâm trong môi trường là NOx, HC và CO Các chất này được hình thành từ các phản ứng hóa học giữa HydroCacbon của nhiên liệu và không khí Khi nhiên liệu cháy hoàn toàn, sản phẩm chính tạo ra bao gồm CO2, H2O và N2, trong đó NOx, HC và CO là những chất gây ô nhiễm cần được kiểm soát.

NOx, HC và CO là những thành phần gây phát thải cao nhất trong khí thải Khối lượng và thành phần của chúng phụ thuộc vào quá trình đốt cháy hỗn hợp trong buồng đốt, bao gồm cấu trúc buồng đốt, thời điểm đánh lửa, thời gian cháy và năng lượng tia lửa Để giảm thiểu các thành phần độc hại trong khí thải, cần áp dụng các biện pháp hiệu quả nhằm cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp hoà khí và quá trình cháy Các chất độc hại này chủ yếu xuất phát từ những yếu tố trên.

Oxit Cacbon xuất hiện trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn của Cacbon khi thiếu Oxy, thường xảy ra trong môi trường có tỷ lệ hoà khí đậm (α < 1) Tuy nhiên, ngay cả khi α > 1, hiện tượng cháy không hoàn toàn vẫn có thể xảy ra, dẫn đến nồng độ CO có thể đạt tới 0,5% Ba chất ô nhiễm này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng đối với sức khoẻ 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) gây cản trở quá trình trao đổi oxy trong máu, dẫn đến ngộ độc CO Nồng độ CO từ 30 đến 40 PPM có thể làm tê liệt hệ thần kinh thực vật, trong khi nồng độ 500 PPM hoặc cao hơn sẽ gây ra đau đầu Nếu nồng độ tiếp tục tăng, có thể dẫn đến 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 Ngoài ra, nó còn là yếu tố gây bệnh ung thư và góp phần vào tình trạng tàn rụi rừng.

Nồng độ NOx trong khí quyển từ 10 đến 30 PPM có thể gây kích thích cho mắt, mũi và họng, trong khi mức từ 30 đến 50 PPM có thể dẫn đến ho, đau đầu và tổn hại cho phổi Đây là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng khói quang hóa.

Trong động cơ thế hệ mới, việc làm việc với hỗn hợp nghèo yêu cầu 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 hydrocarbon (HC) Tăng cường chuyển động rối không chỉ giúp tăng tốc độ lan tỏa của màng lửa mà còn hạn chế sự xuất hiện của các vùng "chết" gần thành buồng cháy Để đạt được điều này, có thể gia tăng dòng xoáy của hỗn hợp trong ống nạp.

Lý do chọn tài

Trong bối cảnh công nghệ giao thông phát triển mạnh mẽ, thời gian vận chuyển hàng hóa và nhu cầu đi lại của con người ngày càng được rút ngắn, góp phần vào sự phát triển kinh tế Trong ba loại phương tiện giao thông, phương tiện đường bộ chiếm ưu thế lớn nhất, với nhu cầu sử dụng xe cá nhân để di chuyển và vận chuyển hàng hóa tăng cao Tại các nước đang phát triển, đặc biệt ở châu Á, xe gắn máy trở thành lựa chọn phổ biến nhờ tính tiện dụng, cơ động và giá thành hợp lý, giúp người dân dễ dàng sở hữu phương tiện cá nhân cho nhu cầu di chuyển.

Hiện nay, xe máy là phương tiện giao thông chủ yếu tại Việt Nam, phù hợp với nhu cầu đi lại và sản xuất của người dân Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng số lượng xe máy cũng gây ra nhiều vấn đề, trong đó có ô nhiễm môi trường do khí thải lớn từ động cơ Khí thải này không chỉ gây ô nhiễm không khí mà còn góp phần vào hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn Bên cạnh đó, hiệu suất của động cơ đốt trong vẫn còn thấp, với quá trình hòa trộn và cháy chưa hoàn thiện, dẫn đến công suất không tối ưu.

Nghiên cứu về nguồn nhiên liệu hóa thạch và tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang trở nên cấp thiết Động cơ đốt trong hiện tại có hiệu suất thấp, tiêu tốn nhiên liệu và thải ra khí độc hại gây ô nhiễm môi trường Do đó, việc cải tiến động cơ để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu là một nhiệm vụ quan trọng trước khi phát hiện ra nguồn nhiên liệu mới.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

Trần Xuân Dung đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ xăng nhằm đề xuất các biện pháp tăng hiệu suất Đề tài tập trung vào động cơ Toyota 1 NZ – FE, xây dựng cơ sở lý thuyết về các đặc tính động cơ và mô hình toán học để mô phỏng các quá trình vận hành Nghiên cứu cũng xem xét hệ thống VVT-i, phân tích ảnh hưởng của việc thay đổi thời điểm đóng mở xu-páp đến khả năng cải thiện hiệu suất động cơ.

Nghiên cứu cho thấy việc điều chỉnh thời điểm đóng mở xu-páp có tác động tích cực đến công suất động cơ, tối ưu hóa quá trình cháy và giảm lượng khí thải Điều này tạo ra một cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc nghiên cứu đặc tính động cơ xăng, đồng thời hỗ trợ mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink.

Lê Thanh Quang đã nghiên cứu và đề xuất các biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy thông qua mô phỏng Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ xe máy 125 cc, sử dụng phần mềm Catia để xây dựng mô hình hình học cho quá trình cháy của động cơ đốt trong 4 kỳ, 1 xy-lanh Các góc nghiêng của cổ nạp khí được thử nghiệm từ 15 độ đến 45 độ với gia số 5 độ Phần mềm Ansys Fluent, với mô-đun ICE, được sử dụng để mô phỏng và cải tiến hệ thống nạp của động cơ.

HVTH: Đặng Như Phúc 5 MSHV: 1820509 thông qua các hệ số xoáy lốc dọc (Tumble) và xoáy lốc ngang (Swirl) tương ứng với các trường hợp khác nhau

Nghiên cứu chỉ ra rằng góc nghiêng 30 độ của cổ nạp mang lại hệ số xoáy lốc dọc (Tumble) và xoáy lốc ngang (Swirl) tối ưu nhất Đặc biệt, động cơ với hệ thống nạp cải tiến ở góc nghiêng này đạt công suất và mô-men xoắn cao nhất, đồng thời tiêu hao nhiên liệu thấp nhất so với các trường hợp khác.

Nguyễn Phụ Thượng Lưu và Nguyễn Thành Nhân [3] đã nghiên cứu đặc tính dòng chảy không khí nạp trong động cơ dựa trên mô phỏng CFD

Bài báo này trình bày nghiên cứu quá trình nạp của động cơ xăng thông qua mô phỏng số bằng chương trình AVL-Fire, từ thời điểm pít-tông ở điểm chết trên đến khi van nạp đóng hoàn toàn (220° CA) Nghiên cứu nhằm phân tích đặc tính dòng khí nạp trong xy-lanh, sử dụng mô hình rối k-e tiêu chuẩn để xác định vận tốc và áp suất tại các vùng thể tích số, đồng thời áp dụng các điều kiện dòng chảy nhớt và không đều của lưu chất nạp trong suốt quá trình mô phỏng.

Nghiên cứu cho thấy phương pháp mô phỏng quá trình nạp động cơ giúp hiển thị rõ ràng đặc tính của khí nạp, từ đó hiểu rõ hơn về hành vi phức tạp của chúng Sự hình thành vùng xoáy lốc ngang (Swirl) và xoáy lốc dọc (Tumble) của khí nạp bị ảnh hưởng bởi van nạp, ảnh hưởng đến đặc tính dòng khí Phân bố nhiệt độ trong xy-lanh trong quá trình nạp là kết quả của sự hòa trộn giữa khí nạp mới và khí sót, cùng với sự truyền nhiệt giữa các thành phần như vách xy-lanh, buồng đốt và pít-tông Diễn biến quá trình khí nạp vào xy-lanh và áp suất trong xy-lanh phụ thuộc vào độ mở của van nạp và chuyển động của pít-tông Nghiên cứu có thể được mở rộng để xem xét ảnh hưởng của thời điểm đóng mở van nạp, hình dạng pít-tông, cửa nạp và các tốc độ khác nhau.

HVTH: Đặng Như Phúc 6 MSHV: 1820509

Võ Danh Toàn và Huỳnh Thanh Công [4] đã mô phỏng nâng cao tính năng làm việc cho động cơ Diesel 1 xy-lanh bằng thiết kế cải tiến họng nạp

Bài viết này giới thiệu nghiên cứu cải tiến họng nạp cho động cơ Diesel 1 xy-lanh RV165-2 nhằm nâng cao hiệu suất nạp và cải thiện tính năng làm việc thông qua mô hình hóa và 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 được thiết lập dựa trên cấu trúc động cơ và thông số vận hành thực nghiệm Các chỉ tiêu về đặc tính công suất, sự cháy và khí thải được sử dụng làm tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả cải tiến.

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 công suất động cơ, đồng thời giảm mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải.

Huỳnh Diệp Ngọc Long đã nghiên cứu và thiết kế mẫu động cơ Diesel 3 xy-lanh với buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel, dựa trên động cơ Kubota D1703-M-E3B Đề tài tập trung vào việc thiết kế chi tiết động cơ thông qua kỹ thuật thiết kế ngược, kết hợp thu thập dữ liệu và sử dụng phần mềm thiết kế, mô phỏng như Catia và Ansys Nghiên cứu đã hoàn thành thiết kế 5 chi tiết chính của động cơ: pít-tông, thanh truyền, trục khuỷu, thân máy và nắp máy, đồng thời kiểm nghiệm sức bền của các chi tiết này.

Weeks và Moskwa [6] đã mô hình hoá động cơ ô tô cho kiểm soát thời gian thực dùng Matlab/Simulink

Bài viết này trình bày việc sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng động cơ xăng 4 kỳ, bao gồm hướng dẫn xây dựng mô hình động cơ trong Matlab/Simulink Nó cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc mô hình hóa động cơ trong quá trình mô phỏng và cải thiện các đặc tính giảm khí thải.

Trong phần mềm, đã xây dựng thành công 5 mô hình chính liên quan đến động cơ xăng, bao gồm mô hình điều khiển nhúng điện tử, mô hình đánh lửa, mô hình cảm biến điều khiển và mô hình truyền lực.

Wu và các cộng sự [7] đã mô hình hoá động cơ với tác động đầu vào và ra cho kiểm soát thời gian thực

Bài báo nói về nội dung mô phỏng các đặc tính của động cơ Yamaha dung tích

Tác giả đã nghiên cứu và mô phỏng các đặc tính đầu ra của động cơ xe máy 125 cc thông qua hai mô hình: mô hình chức năng mô-men xoắn và mô hình tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy Quá trình mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink, bao gồm các yếu tố đầu vào như truyền nhiệt, ma sát và động học sinh ra của động cơ.

Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của nghiên cứu là nâng cao hiệu suất động cơ xe máy ở vùng tải và tốc độ thấp Bằng cách nghiên cứu các giải pháp lý thuyết, chúng tôi đã chọn giải pháp tăng cường xoáy lốc và tiến hành thử nghiệm trên một dòng xe máy cụ thể Sau khi thu thập và xử lý dữ liệu, chúng tôi đã rút ra kết luận về hiệu quả của giải pháp đã áp dụng.

Nhiệm vụ đề tài

Đề tài cần làm được rõ các nội dung sau:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán các đặc tính đầu ra trong động cơ (công suất, mô-men xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu)

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hệ thống nạp đến đặc tính động cơ là rất quan trọng Dựa trên những phân tích này, chúng tôi đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả quá trình nạp cho động cơ xe máy Honda 125 cc.

- Thử nghiệm bằng phương pháp mô phỏng động cơ, xây dựng mô hình hoá mô phỏng các đặc tính động cơ bằng phần mềm Ansys Fluent, Matlab/Simulink

- Xử lý số liệu thử nghiệm và đưa ra kết luận về giải pháp đã chọn.

Giới hạn của đề tài

Nghiên cứu đặc tính động cơ nhằm nâng cao hiệu suất và giảm ô nhiễm môi trường là một vấn đề quan trọng, liên quan đến nhiều thông số và hệ thống trong động cơ Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu đặc tính công suất để đề xuất giải pháp cải thiện quá trình nạp cho động cơ hoạt động ở vùng tải và tốc độ thấp, nhằm đạt hiệu suất tối ưu hơn Nghiên cứu cũng phân tích ảnh hưởng của các cải tiến hệ thống nạp đến các thông số công suất và khí thải so với trạng thái ban đầu Kết quả nghiên cứu cho thấy sự cải thiện đáng kể cho động cơ, tuy nhiên, đề tài chỉ dừng lại ở mức mô phỏng.

Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu tập trung vào các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy, đặc biệt là quá trình nạp và xoáy lốc Nghiên cứu cho thấy việc tăng cường xoáy lốc trong buồng đốt trong giai đoạn khởi động và chế độ tải thấp có ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất động cơ thông qua sự cải thiện hiệu suất nạp Từ đó, nghiên cứu cung cấp tài liệu lý thuyết đáng tin cậy về tác động của các thông số nạp đến hiệu suất và khí thải động cơ.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu xây dựng nguồn tài liệu tin cậy cho quá trình nghiên cứu động cơ, nhằm đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi dòng khí nạp đến hiệu suất động cơ và giảm thiểu khí thải ô nhiễm Việc cải tiến hệ thống nạp mới giúp tăng cường xoáy lốc dòng khí nạp, từ đó đánh giá hiệu quả của các cải tiến so với hệ thống chưa được cải tiến.

Nghiên cứu các giải pháp mới nhằm nâng cao hiệu suất động cơ xe máy hoạt động ở vùng tải thấp và tốc độ thấp là cần thiết để cải tiến động cơ đốt trong Việc sử dụng phần mềm Ansys Fluent và Matlab/Simulink để xây dựng và mô phỏng động cơ mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm thời gian, chi phí và công sức, phù hợp với tình hình nghiên cứu hiện tại của nước ta.

Phương pháp nghiên cứu

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

- Phương pháp khảo sát đối tượng

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp xây dựng mô hình toán và mô phỏng

- Phương pháp thiết kế, mô phỏng CFD và mô phỏng số

- Phương pháp so sánh đối chiếu kết quả.

Kế hoạch thực hiện

1.Đăng ký tên đề tài X

2 Xác định đề tài nghiên cứu, xác định hướng nghiên cứu X

3 Tìm hiểu, thu thập tài liệu về vấn đề nghiên cứu X

7 Hoàn chỉnh thủ tục, bảo vệ luận văn Kết thúc nghiên cứu X

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sơ lược về xoáy lốc

Để tăng công suất động cơ, cần tối ưu hóa quá trình cháy, đảm bảo quá trình nạp hiệu quả, quá trình xả sạch sẽ và hòa khí phải được trộn đều.

Trên ô tô, nhiều ứng dụng tối ưu hóa quá trình nạp liên quan đến xoáy lốc, bao gồm hệ thống T-VIS (Toyota Variable Induction System) của Toyota, hệ thống SCV (Swirl Control Valve) của Nissan và hệ thống STCS (Swirl Tumble Control System) trên xe máy.

Xoáy lốc có hai dạng chính, đó là: xoáy lốc ngang (Swirl) và xoáy lốc dọc (Tumble) Ngoài ra còn có xoáy lốc ngược với xoáy lốc dọc

Xoáy lốc trong động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số nạp và tối ưu hóa quá trình hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về hiện tượng xoáy lốc và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất động cơ.

Định nghĩa về hiện tượng xoáy lốc

Quá trình chuyển động của dòng khí nạp trong động cơ đóng vai trò then chốt trong việc quyết định hiệu quả của quá trình cháy và sự hòa trộn nhiên liệu với không khí, trong đó vấn đề xoáy lốc là yếu tố quan trọng cần được xem xét.

Xoáy lốc trong động cơ được hình thành bởi các yếu tố như hình dạng của đường ống nạp và đỉnh pít-tông Định nghĩa xoáy lốc là sự chuyển động xoay tròn của dòng môi chất khi được nạp vào xy-lanh.

Xoáy lốc được hình thành bởi áp suất chân không trong quá trình nạp, khi môi chất có động năng ban đầu Hiện tượng này giảm dần do ma sát trong chu trình hoạt động của động cơ Xoáy lốc có thể xuất hiện trong nhiều giai đoạn của động cơ, chẳng hạn như trong quá trình nạp khi hòa khí vào, trong quá trình nén khi pít-tông di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, và trong kỳ nổ khi hòa khí bốc cháy, gây ra sự giãn nở áp suất nhanh chóng.

Trong quá trình hoạt động của buồng đốt, hiện tượng xoáy lốc xảy ra khi môi chất thoát ra ngoài, tuy nhiên, mức độ xoáy lốc này giảm đi do sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài buồng đốt Khi quá trình cháy hoàn tất và đến kỳ xả, áp suất trong buồng đốt rất cao, dẫn đến việc khí đã cháy thoát ra ngoài qua xu-páp thải, từ đó hạn chế hiện tượng xoáy lốc.

Trong thiết kế động cơ, pít-tông thường được làm lõm để tạo ra xoáy lốc, đặc biệt rõ nét trong động cơ Diesel và động cơ nạp phân tầng, nơi có sự chuyển động nhanh của hòa khí trong quá trình nạp và phun nhiên liệu Hiện tượng xoáy lốc cũng xuất hiện trong quá trình đánh lửa với chu kỳ nhiều, đặc biệt khi xe tăng tốc Đối với động cơ hai kỳ, xoáy lốc thể hiện rõ trong quá trình quét thải khí Ngoài ra, trong các động cơ có buồng đốt phụ, xoáy lốc đóng vai trò rất quan trọng.

Xoáy lốc được phân loại thành hai thành tố chính, đó là: xoáy lốc ngang (Swirl) và xoáy lốc dọc (Tumble)

Hình 2.1: Xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc

Vận tốc trung bình của dòng xoáy lốc

Vận tốc trung bình của dòng xoáy lốc được xác định dựa trên các công thức toán học được phát triển từ mô hình động cơ, theo công thức cụ thể như sau:

Vận tốc tức thời của dòng khí được xác định dựa vào một vận tốc tức thời khác, với các giá trị được chú thích trong mục ký hiệu Đối với dòng khí nạp ổn định, công thức áp dụng sẽ như sau:

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

Vận tốc trung bình của dòng khí nạp trong điều kiện có xoáy lốc 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 của cả xoáy lốc dọc và ngang Mô-men xoáy này tương tự như thông lượng mô-men động lượng trên máy bay, với việc máy bay hoạt động tạo ra các vùng mô-men xoáy tương tự Hình ảnh minh họa dưới đây thể hiện rõ điều này.

Hình 2.2: Vận tốc góc của mô-men động lượng xoáy lốc dọc và ngang

Xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc được đặc trưng bởi hai loại vận tốc mô-men động lượng khác nhau, với xoáy lốc ngang có vận tốc chính là  s và xoáy lốc dọc có vận tốc chính là  T Sự kết hợp của hai vận tốc này tạo ra 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 mô-men động lượng Hệ số này được xác định thông qua một công thức cụ thể.

Hệ số xoáy lốc Cs được xác định thông qua công thức thực nghiệm liên quan đến tốc độ góc của pít-tông Công thức tính tốc độ góc là ωp = 2.π.n/60, trong đó n là số vòng quay và đường kính cũng được xem xét trong tính toán này.

B của xy-lanh và v0, vận tốc đặc trưng của dòng xoáy, được xác định từ sự rơi áp trong quá trình đo Công thức tính toán cho v0 là 0 [2(p0 - pc)]^0.5 / ρ.

= − Trong đó p0, pc lần lượt là áp suất trong xy-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 xu-páp, v0 là vận tốc riêng của dòng khí

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

Hệ số xoáy lốc ngang: 8.

Hệ số xoáy lốc dọc: 8.

B là đường kính của xy-lanh

  lần lượt là vận tốc góc của xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang m là khối lượng của dòng khí nạp vào

Hệ số xoáy lốc tổng hợp: C A = C S 2 +C T 2

Xoáy lốc tạo ra trong quá trình hút

Hiện tượng xoáy lốc trong quá trình hút hòa khí chủ yếu phát sinh từ hai nguyên nhân chính: dòng khí nạp tạo ra khi pít-tông di chuyển từ ĐCT đến ĐCD và sự hình thành xoáy lốc khi khí đi qua xu-páp nạp Dòng khí này xoay tròn quanh thân xu-páp trước khi vào buồng đốt, tạo ra một mô-men động lượng đáng kể Xoáy lốc tại xu-páp nạp không đồng nhất và thường là xoáy lốc ngang (Swirl), giúp tối ưu hóa sự hòa trộn của hòa khí theo thể tích công tác.

Hình 2.3: Xoáy lốc ngang (Swirl) trong quá trình nạp

Xoáy lốc ngang (Swirl) là hiện tượng quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình hòa trộn hòa khí Để tạo ra xoáy lốc ngang, các nhà thiết kế thường thiết kế xu-páp nạp với rãnh hoặc chế tạo ống nạp có biên dạng đặc biệt nhằm khuyến khích sự hình thành của xoáy lốc này.

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

Hình 2.5: Xu-páp nạp được tạo rãnh để tạo xoáy lốc

Xoáy lốc khi vào xy-lanh

Khi dòng khí nạp đi qua xu-páp, mô-men động lượng ban đầu sẽ giảm khi vào buồng đốt do ma sát với thành xy-lanh và giữa các phần tử dòng khí Sự xoáy lốc trong buồng đốt có thể 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 mô-men động lượng được mô tả bởi công thức d I c J i T f dt = −.

Đạo hàm của mô-men động lượng được xác định là hiệu số giữa thông lượng của mô-men động lượng trong xy-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 xy-lanh, mỗi điểm được tính toán dựa trên miền tích phân toàn phần Điều này bao gồm diện tích của xu-páp nạp, mật độ dòng khí, bán kính xu-páp nạp và vận tốc trung bình của dòng khí.

Trong khi đó mô-men động lượng của dòng khí khi đi vào xy-lanh trong quá trình nạp được tính bởi công thức sau:

Mô-men động lượng khi nạp sẽ giảm dần do ma sát giữa các phần tử khí và ma sát giữa dòng khí với xu-páp nạp Sự ma sát này sẽ tiếp tục gia tăng trong kỳ nén, dẫn đến việc mô-men động lượng 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 đường kính B tăng, ma sát cũng tăng theo tỉ lệ bình phương do diện tích tiếp xúc giữa xy-lanh và pít-tông lớn hơn Vận tốc dòng xoáy cao không có lợi, vì nếu quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng hoà khí không đồng đều, gây ra sự khác biệt về nồng độ, dẫn đến quá trình đốt cháy không hoàn hảo và tăng sinh muội than, từ đó làm gia tăng ma sát.

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

Khi vào xy-lanh, hiện tượng xoáy lốc ngang (Swirl) chủ yếu do thiết kế đỉnh pít-tông với biên dạng lồi, lõm Bên cạnh đó, xoáy lốc dọc (Tumble) chủ yếu được hình thành bởi quá trình phun nhiên liệu Xoáy lốc dọc còn được tạo ra khi xu-páp trên động cơ có góc lệch giữa phương của đường tâm dọc thân xu-páp và phương vuông góc của xy-lanh, trong khi xoáy lốc ngang xuất hiện khi góc lệch này nhỏ.

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

Hình 2.7: Xoáy lốc dọc (Tumble) được tạo ra khi xu-páp thường đặt nghiêng

Quá trình xoáy lốc ngang trong xy-lanh được hình thành nhờ thiết kế đỉnh pít-tông với biên dạng khoang lõm, tạo ra hiệu ứng xoáy hiệu quả.

Hình 2.8: Pít-tông được tạo biên dạng lõm để tăng xoáy lốc ngang (Swirl)

Phương pháp đo xoáy lốc (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 quá trình nạp, dòng khí vào tại vị trí xu-páp phải bằng với dòng môi chất trong xy-lanh, và để đơn giản hóa, người ta bỏ qua sự tổn thất do mất mát dòng khí Nếu không sử dụng phương pháp ổn định dòng chảy, khi pít-tông di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, sẽ tạo ra độ chân không hút khí vào xu-páp, dẫn đến sự xoáy lốc rối Do đó, hiện tượng xoáy lốc rối được bỏ qua và chuyển sang mô hình dòng chảy ổn định.

Trong kỹ thuật đo xoáy lốc, thiết bị được sử dụng tương tự như pít-tông trong ống xy-lanh, với pít-tông vừa chuyển động xoay tròn vừa chuyển động tịnh tiến đi xuống Chuyển động xoay tròn tạo ra xoáy lốc cho dòng khí, trong khi chuyển động tịnh tiến đi xuống tạo độ chân không để hòa khí đi vào Cấu tạo của thiết bị này rất đặc biệt và hiệu quả trong việc đo lường hiện tượng xoáy lốc.

• Pít-tông (Paddle wheel): tạo độ kín khít để cho hoà khí hút vào dễ dàng hơn

Trục được lắp chính tâm với pít-tông, chịu lực và tạo ra chuyển động xoáy cho 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 xoáy chính: xoáy lốc ngang (Swirl) và xoáy lốc dọc (Tumble), cả hai đều ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ Việc đo lường các hiện tượng này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả nạp khí.

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

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

2.8.1 Hệ số nạp và các yếu tố ảnh hưởng

Quá trình nạp của động cơ diễn ra khi pít-tông di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, dẫn đến việc hòa khí được đưa vào xy-lanh Đây là một giai đoạn quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số nạp Nhiều yếu tố tác động đến quá trình này, khiến lượng môi chất nạp vào trong xy-lanh mỗi chu trình thường nhỏ hơn so với lượng nạp lý thuyết Hình ảnh bên dưới minh họa đồ thị công thể hiện sự thay đổi của môi chất trong xy-lanh trong quá trình nạp.

Hình 2.11: Phần đồ thị công trong quá trình nạp

Giá trị áp suất Pk của động cơ 4 kỳ không bao giờ vượt quá áp suất khí trời P0 do sự cản trở của bộ lọc khí khi không khí vào đường ống nạp Vì vậy, tổn thất áp suất tại bình lọc khí có thể được tính theo công thức cụ thể.

Muốn giảm tổn 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 thay đổi một cách từ từ, hạn chế các chỗ ngoặt.

(2) Tăng diện tích của xu-páp nạp hoặc tạo nhiều xu-páp

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 quan trọng 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 Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hệ số nén đa biến trung bình của không khí, tỉ số nén của động cơ, nhiệt độ trước xu-páp 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 Bên cạnh đó, trong quá trình tính toán, cần xem xét thêm hệ số nạp thêm, hệ số hiệu đính tỉ nhiệt và hệ số quét buồng cháy.

Lượng môi chất nạp vào xy-lanh trong động cơ 4 kỳ phụ thuộc chủ yếu vào chênh lệch áp suất Trong quá trình nạp, áp suất trong xy-lanh luôn thấp hơn, tạo ra dòng chảy của môi chất vào trong xy-lanh Chênh lệch áp suất này phản ánh trở lực của xu-páp nạp đối với dòng chảy.

Chênh áp giữa đường nạp và môi chất trong xy-lanh duy trì cho đến khi áp suất trên đường nén đạt giá trị Pk nhờ quá trình nén khí Từ hiện tượng này, các biện pháp mới được đề xuất để nạp môi chất vào xy-lanh Bên cạnh đó, hiện tượng xoáy lốc cũng ảnh hưởng đến quá trình nạp do sự tương quan giữa dòng khí trước và sau.

2.8.2 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 có ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ, tương tự như hệ số nạp, thông qua các yếu tố như hệ số nén đa biến trung bình, tỉ số nén động cơ, nhiệt độ trước xu-páp nạp, cũng như áp suất khí sót và áp suất cuối quá trình nạp.

Trong nghiên cứu tính toán, các hệ số ảnh hưởng đến hệ số khí sót rất quan trọng, bao gồm hệ số hiệu đính tỉ nhiệt và hệ số quét buồng cháy.

Để đạt được 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 khí sót sẽ lớn hơn áp suất khí nạp, làm cho môi chất khó vào được xy-lanh, dẫn đến việc quá trình nạp không đạt hiệu quả tối ưu.

Hệ số khí sót chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố như áp suất khí sót, áp suất khí nạp, nhiệt độ khí nạp, và tỉ số nén Những yếu tố này đều đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và hoạt động của động cơ.

2.8.3 Ảnh hưởng của xoáy lốc đến dòng khí nạp

Xoáy lốc trong động cơ đốt trong có ảnh hưởng đến quá trình nạp

Hệ số xoáy lốc (Swirl Coefficient) được xác định bởi công thức (2.5) như sau:

Cs là hệ số xoáy lốc

p=2.𝜋 𝑛/60 là tốc độ góc của pít-tông với n là số vòng quay

B là đường kính của xy-lanh, trong khi v0 đại diện cho vận tốc đặc trưng của dòng xoáy Vận tốc này được xác định từ sự rơi áp trong quá trình đo lường và được tính theo công thức v0 = [2( p0 - pc )]0.5 / ρ.

= − Trong đó p0, pc lần lượt là áp suất trong xy-lanh và áp suất tham chiếu,  là mật độ của môi chất

Từ đây ta có nhận xét như sau :

Hệ số xoáy lốc chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, trong đó có tốc độ góc của pít-tông; khi tốc độ động cơ tăng, hệ số xoáy lốc cũng tăng theo Đường kính B của xy-lanh càng lớn thì hệ số xoáy lốc càng tăng Ngược lại, nếu vận tốc đặc trưng v0 của dòng xoáy lớn, hệ số xoáy lốc sẽ giảm do các phần tử của môi chất trượt lên nhau.

Động lực học ống góp nạp và trong xy-lanh

2.9.1 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 xy-lanh Những phần này được xác định thể tích thông 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 2.12: Sơ đồ ống góp nạp và xả

Phương pháp "Filling and Emptying" sử dụng mô hình dòng chảy ổn định để phân tích lưu lượng khí qua các bộ phận như ống góp nạp, xy-lanh và xu-páp nạp Dòng khí qua xu-páp mở được giả định là dòng một chiều, ổn định và chịu nén của khí lý tưởng Lưu lượng khối lượng khí được xác định thông qua công thức tính toán cụ thể.

2.9.2 Phần đầu ống góp nạp

Mô hình dòng khí nạp vào xy-lanh được mô tả qua động học ống góp nạp, có thể tính toán bằng phương trình vi phân bậc nhất Phương trình này liên quan đến sự thay đổi áp suất trong ống góp nạp, ký hiệu là Pm, và lưu lượng khối lượng khí vào và ra khỏi ống góp chung, tương ứng với các đại lượng mv và 1mr = ∑ni mri.

Áp suất khí nạp trong động cơ đốt trong phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thể tích ống góp nạp, lưu lượng khối lượng không khí qua đầu ống nạp mỗi giây, số xy-lanh của động cơ, nhiệt độ khí nạp và lưu lượng khí lý tưởng vào từng ống nạp của các xy-lanh Công thức 2.20 cung cấp một phương pháp tổng quát để tính toán áp suất khí nạp, với sự thay đổi của hệ số n tùy thuộc vào số lượng xy-lanh, dẫn đến sự khác biệt về áp suất.

Lưu lượng khối lượng khí qua phần đầu ống góp nạp được xác định dựa trên tỉ số giữa áp suất khí nạp và áp suất khí trời Công thức tính toán lưu lượng này được biểu diễn như sau: m  = A  ( ) C d p d ( m ,p 0 ) (2.21), áp dụng khi tỉ số áp suất lớn hơn 1.

Với hai điều kiện trên ta có nhận xét tổng quan như sau:

Lưu lượng của môi chất nạp vào hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm áp suất môi trường (p0), áp suất tại 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 ), 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 được đề cập ở phần ký hiệu ở phần đầu)

2.9.3 Động lực học trong xy-lanh Động lực học trong xy-lanh thể hiện qua áp suất trong từng xy-lanh Mức độ thay đổi áp suất trong xy-lanh thu được từ phương trình sau: dp p dV 1 dQ ht dQ hr d V d V d d

Các thông số như Q hr nhiệt phát ra, Q ht nhiệt truyền đi, p áp suất trong lòng xy-lanh và thể tích công tác đều được thể hiện qua công thức trên và có ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất của động cơ.

Sự thay đổi áp suất trong xy-lanh (P ci) phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng khí vào xy-lanh (m  ci) và sự thay đổi thể tích của xy-lanh (V  ci).

 ci ci ci  ci ci RT m V p

Sự thay đổi áp suất trong xy-lanh động cơ phụ thuộc vào khối lượng khí nạp và thể tích công tác của xy-lanh tại từng góc quay trục khuỷu Công thức tính thể tích ứng với từng góc quay của trục khuỷu được thể hiện như sau: ci V d ( ) V cl.

V d : thể tích của xy-lanh (m 3 )

V cl : là thể tích phần lõm xy-lanh (m 3 )

Lưu lượng khối lượng khí đi qua xu-páp nạp m ci được tính bằng công thức: m  ci = A vi ( L vi ) d ( p ci , p ri ) (2.28)

Lưu lượng của khối lượng khí đi qua xu-páp nạp được tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sau:

L vi : độ nâng của xu-páp nạp (mm) và

: diện tích hiệu dụng xu-páp nạp (m 2 ) với IVP là biên dạng xu-páp nạp

2.9.4 Nhiệt lượng toả ra và truyền nhiệt

Trong quá trình hoạt động của động cơ đốt trong, nhiệt lượng được sinh ra và thất thoát là điều không thể tránh khỏi Nhiệt lượng này được giải phóng khi nhiên liệu được đốt cháy và có thể được tính toán một cách chính xác.

Theo lý thuyết cháy, quá trình nhả nhiệt được đặc trưng bởi thông số y được tính bởi công thức:

Thông số y chịu ảnh hưởng bởi 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 hiệu chỉnh quan trọng là a=5 và m=2, chưa tính đến yếu tố xoáy lốc, mà cần được tính toán bằng công thức cụ thể Lượng nhiệt phát ra được xác định theo tỉ lệ dQ hr ( HV ) f y Q m d = (2.30) Đạo hàm của nhiệt lượng phát ra theo góc quay trục khuỷu là tích số của QHV (nhiệt trị thấp, 42-45 MJ/kg) và khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy, cùng với các thông số ảnh hưởng đến quá trình cháy đã được đề cập.

Bằng cách lấy tích phân phương trình (2.30) ta được nhiệt lượng 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: ht hA ( T T w ) dt dQ = − (2.31)

Quá trình truyền nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lượng nhiệt được đốt cháy và truyền đến các chi tiết Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ trong buồng đốt, nhiệt độ trung bình của dòng khí, hệ số truyền nhiệt đối lưu và diện tích bề mặt 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 quan trọng, bao gồm diện tích bề mặt phần đầu xy-lanh, diện tích bề mặt đỉnh pít-tông, bán kính quay trục khuỷu, đường kính xy-lanh và chiều dài thanh truyền Những yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và hoạt động của động cơ.

Diện tích bề mặt của buồng đốt là yếu tố quan trọng, vì nó giúp xác định lượng nhiệt được truyền trong quá trình hoạt động Việc nắm rõ diện tích này sẽ hỗ trợ trong việc tối ưu hóa hiệu suất và hiệu quả của buồng đốt.

Đặc tính động cơ

Đặc tính động cơ là những thông số quan trọng giúp đánh giá và cải tiến hiệu suất động cơ, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu để nâng cao 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 và đặc tính bộ phận Đặc tính tốc độ ngoài được xác định khi bướm ga mở tối đa và nhiên liệu 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 về mức tối đa Ngược lại, đặc tính bộ phận được xác định ở các chế độ góc mở bướm ga từng phần tương ứng với từng tốc độ động cơ.

HVTH: Đặng Như Phúc 35 MSHV: 1820509 Áp suất tức thời trong xy-lanh p tương ứng với sự thay đổi thể tích xy-lanh V thể hiện công chỉ thị: dW = p dV d  d 

(2.35) Áp suất trong xy-lanh được tính bằng công thức:

1 dQ ht dQ hr dp p dV d V d V d d

Áp suất trong xy-lanh được xác định dựa trên các thông số từ quá trình trước, bao gồm nhiệt lượng phát ra, nhiệt lượng truyền đi và thể tích xy-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 xy-lanh được thể hiện trong các phương trình sau:

V r d dV d (2.38) Ở công thức 2.42 thể tích xy-lanh được tính toán thông qua:

V d : thể tích công tác của xy-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:

Nhìn vào công suất chỉ thị của động cơ ta thấy rằng:

Để tăng công suất động cơ, cần nâng cao áp suất khí cháy, mở rộng thể tích công tác và tăng số xy-lanh, đồng thời giảm số kỳ Tuy nhiên, những yếu tố như giá thành và công nghệ cũng ảnh hưởng đến quyết định này Vì vậy, việc lựa chọn giải pháp phù hợp là cần thiết để đảm bảo cả công nghệ, chi phí và tính khả thi.

Công suất động cơ tăng lên khi hòa khí cháy triệt để và đúng thời điểm, điều này phụ thuộc vào dòng xoáy của khí nạp; hòa khí được trộn đều càng tốt thì công suất sẽ càng cao.

Tổn thất ma sát ảnh hưởng đến công suất biểu thị và công suất thực tế của động cơ xăng, với tổng áp lực ma sát hiệu dụng trung bình là một hàm của tốc độ động cơ, 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 ở động cơ phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ hoạt động, đồng thời cũng bị ảnh hưởng bởi sự hoàn thiện của quá trình cháy Nếu hòa khí cháy không triệt để, sẽ sinh ra các sản phẩm cháy như muội than, làm tăng mài mòn giữa pít-tông và xy-lanh Điều này liên quan đến sự hòa trộn đồng đều của hỗn hợp khí (xoáy lốc) và thời điểm cháy chính xác, cũng như năng lượng tia lửa có đủ mạnh hay không Thêm vào đó, chất lượng bôi trơn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tổn thất ma sát.

2.10.3 Tổn thất ma sát trên đường ống nạp Áp suất trong xy-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 xy-lanh và xu-páp nạp Sự khác biệt áp suất giữa xy-lanh và khí quyển phụ thuộc vào bình phương vận

HVTH: Đặng Như Phúc 37 MSHV: 1820509 tốc Áp dụng phương trình Bernoulli cho mỗi phần, ta nhận được độ biến thiên áp suất như 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 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 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 pít-tông (m 2 ) ρ: khối lượng riêng không khí v j : vận tốc cục bộ (m/s)

S p : vận tốc trung bình pít-tông 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 xu-páp nạp

✓ Dùng tăng áp động cơ

2.10.4 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 một công thức cụ thể.

Mô-men xoắn thực tế được xác định bằng hiệu số giữa mô-men xoắn chỉ thị và mô-men xoắn mất mát do ma sát Khi mô-men xoắn mất mát do ma sát tăng lên, 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 này.

Mô-men xoắn biểu thị được tính bởi công thức:

V d : thể tích xy-lanh động cơ p mi : áp suất hiệu dụng chỉ thị trung bình được tính bằng công thức: d mi W V p = / (2.45)

Mô-men do tổn thất ma sát T f (N.m) được xác định bởi:

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, giúp 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 2.14: Mô hình thiết bị đo công suất động cơ

Thiết bị đo hoạt động bằng cách lắp gá chắc chắn và khởi động động cơ, khiến khuỷu trục quay kéo theo trục các đăng Khi Dynamometer ở chế độ quay tự do, cần mở hết cỡ cánh bướm ga đối với động cơ xăng hoặc kéo thanh răng tối đa cho động cơ Diesel Sau đó, Dynamometer sẽ hãm lại và lực hãm này được xác định qua cảm biến lực Từ lực hãm, ta tính được mô-men và từ đó xác định công suất Phương pháp này giúp xác định công suất có ích và mô-men có ích, sau đó tính toán ngược lại công suất và mô-men chỉ thị dựa trên hiệu suất ma sát cơ giới.

Việc xác định công suất chỉ thị cho của 1 xy-lanh động cơ 4 kỳ có thể được tính từ công chỉ thị như sau:

P = = (2.47) Động cơ thắng được tổn thất ma sát Vì thế áp suất có ích trung bình được viết: p p p me = mi − f (2.48)

Từ đây công suất có ích có thể được tính:

Mối quan hệ giữa mô-men xoắn và công suất được thể hiện:

2.10.5 Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiên liệu

Việc tính toán suất tiêu hao nhiên liệu giúp xác định chính xác mức tiêu thụ của động cơ, từ đó đưa ra các phương pháp cải tiến nhằm giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu hao mà vẫn đảm bảo công suất tối ưu Mục tiêu là đạt được sự cân bằng giữa ba yếu tố quan trọng: kinh tế, kỹ thuật và môi trường.

Suất tiêu hao nhiên liệu được đo bằng tốc độ lưu lượng khối lượng trên đơn vị thời gian Mức tiêu hao nhiên liệu riêng (sfc) là thông số quan trọng được tính bằng tỉ lệ lưu lượng nhiên liệu trên đơn vị công suất đầu ra, được xác định bởi công thức mf sfc= P Ngoài ra, năng lượng nhiên liệu cung cấp được xác định bởi khối lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ tương ứng với một chu kỳ so với nhiệt trị của nhiên liệu, từ đó hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu được xác định.

Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu được cho bởi công thức trên, nhìn vào công thức ta có nhận xét rằng:

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XE MÁY

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

Tiêu đề	Nghiên Cứu Các Giải Pháp Nâng Cao Hiệu Suất Động Cơ Xe Máy
Tác giả	Đặng Như Phúc
Người hướng dẫn	PGS.TS Đỗ Văn Dũng
Trường học	Trường Đại Học
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Luận Văn Cao Học
Năm xuất bản	1820509
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	3,77 MB