TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Cuộc cách mạng công nghiệp bắt đầu từ động cơ hơi nước của James Watt đã mở ra nhiều tiến bộ công nghệ, dẫn đến sự phát triển của động cơ đốt trong và các thiết bị điện Qua bốn cuộc cách mạng, động cơ đốt trong đã trở thành yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp, đặc biệt là ô tô và xe máy Hiện nay, với xu hướng bảo vệ môi trường, các nhà sản xuất xe máy phải cải tiến động cơ để giảm thiểu khí xả độc hại Điều này đòi hỏi phải giải quyết ba bài toán chính: giảm thiểu tác động môi trường của khí xả, đảm bảo các thông số kỹ thuật như công suất và tiêu hao nhiên liệu, và phù hợp với khả năng tài chính của người tiêu dùng.
Hình 1.1 Lịch sử bốn cuộc cách mạng công nghiệp
Trong quá trình sử dụng, con người liên tục cải tiến để nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu khí thải ô nhiễm môi trường Nhiều cải tiến đã được thực hiện nhằm đạt được mục tiêu này.
Trong nghiên cứu về hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp và xả, việc áp dụng công nghệ mới như VVT, VCR, GDI, xe điện và xe Hybrid đang được chú trọng Các nghiên cứu này cần dựa trên đường đặc tính của động cơ và tình trạng làm việc thực tế Do đó, việc cải tiến và tối ưu hóa động cơ là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học.
❖ 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 xupap xả Để đạt được điều này, cần đảm bảo hoà khí được trộn đều trước khi vào buồng đốt, tối ưu hóa quá trình xoáy lốc và cháy để 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 đến mức độ phát sinh ô nhiễm.
❖ Đáp ứng nhu cầu của người sử dụng
Trong xu thế phát triển xe hiện nay, việc làm hài lòng khách hàng khó tính trở thành ưu tiên hàng đầu Để đánh giá một chiếc xe, người ta thường xem xét nhiều tiêu chí như thông số động cơ, hệ thống thông minh và an toàn Tuy nhiên, cách đánh giá nhanh và khách quan nhất là dựa vào cảm nhận của người lái sau khi trải nghiệm lái thử Cảm giác lái chính là sự phấn khích mà người lái cảm nhận được, và nó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như 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.
Khách hàng ngày càng chú trọng đến giá cả, mức tiêu hao nhiên liệu và chi phí bảo trì của xe, những yếu tố này liên quan mật thiết đến công nghệ được áp dụng, đặc biệt là công nghệ động cơ Nhận thức được nhu cầu này, các nhà sản xuất xe hàng đầu thế giới không ngần ngại đầu tư vào nghiên cứu và cải tiến công nghệ, đặc biệt là để nâng cao hiệu suất động cơ Để tăng sức mạnh cho động cơ, có nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng.
Tăng dung tích công tác của động cơ có thể dẫn đến chi phí vận hành và giá xe cao hơn, từ đó làm giảm tính cạnh tranh của sản phẩm.
3 thường áp dụng ở chế tạo ra những dòng xe mới
Lắp thêm turbo tăng áp giúp cải thiện hệ số nạp cho xe máy dầu, tuy nhiên, phương pháp này sẽ làm tăng chi phí vận hành và bảo dưỡng, đồng thời cũng khiến giá xe cao hơn.
Tăng tỷ số nén là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hệ số nạp trong động cơ, tuy nhiên, cách này cũng gặp nhiều nhược điểm do tỷ số nén bị giới hạn ở động cơ xăng và dầu.
Cải tiến công suất động cơ có thể thực hiện hiệu quả thông qua việc nâng cao hệ số nạp và hệ số xoáy lốc bằng cách thay đổi đường ống nạp Phương pháp này ít can thiệp vào động cơ, giúp giảm chi phí bảo dưỡng, vận hành và sửa chữa, đồng thời làm giảm giá thành xe.
Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của xoáy lốc trong dòng khí nạp đến công suất động cơ, từ đó đề xuất cải tiến cổ góp nạp hoặc sử dụng van tạo xoáy lốc Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cải tiến động cơ để nâng cao hiệu suất kinh tế, kỹ thuật và giảm thiểu khí thải ô nhiễm môi trường.
Việt Nam hiện 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 phát thải khí độc, đồng thời phù hợp với tình hình kinh tế hiện tại.
Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của xoáy lốc đến công suất của động cơ xe máy Honda Future FI 125cc, nhằm cải tiến và tối ưu hóa hệ số xoáy lốc của động cơ để nâng cao hiệu suất hoạt động.
Hướng giải quyết của vấn đề
Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng và thiết kế như Solidworks và ANSYS Fluent, nghiên cứu đã cải tiến và phân tích ảnh hưởng của xoáy lốc đến công suất động cơ Việc đánh giá trực quan sự thay đổi góc nghiêng của cổ nạp cho thấy hệ số xoáy lốc động cơ thay đổi ra sao để đạt hiệu quả tối ưu Do đó, ứng dụng phần mềm không chỉ giúp các nhà thiết kế tiết kiệm chi phí 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 được thực hiện bằng cách sử dụng các thông số của động cơ để tính toán và thiết kế mô hình thông qua phần mềm SolidWorks, dựa trên các tài liệu từ internet và thực tế.
• Mô phỏng CFD: Mô hình sau khi được thiết kế sẽ được mô phỏng CFD bằng phần mềm ANSYS Fluent
• Phương pháp xử lý số liệu: Xử lý các số liệu từ các dữ liệu của phần mềm ANSYS Fluent.
Nội dung nghiên cứu
Nội dung sơ lược của các chương được tóm tắt như sau:
Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng nghiên cứu, hướng nghiên cứu, hướng giải quyết vấn đề, phương pháp nghiên cứu
Chương 2: Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nạp và phương pháp cải thiện hiệu suất nạp Chương này trình bày khái quát về quá trình nạp của động cơ đốt trong, liệt kê các yếu tố ảnh hưởng cũng như phương pháp cải thiện hiệu suất nạp
Chương 3: Cơ sở lý thuyết của xoáy lốc trên động cơ và đặc tính động cơ Chương này trình bày khái niệm, các thông số, phương pháp đo của xoáy lốc và các đặc tính của động cơ
Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng của hệ thống nạp trên động cơ Chương này trình bày về việc thiết kế mô hình hệ thống nạp, thiết lập các thông số cũng như điều kiện biên để tiến hành chạy mô phỏng trên phần mềm
Chương 5: Kết luận và kiến nghị Chương này trình bày nhận xét từ những phân tích ở các chương trước và đưa ra các ý kiến tốt nhất để nâng cao đề tài cũng như hướng phát triển của đồ án
YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH NẠP VÀ PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN HIỆU SUẤT NẠP
Khái quát về quá trình nạp
2.1.1 Khái niệm quá trình nạp
Quá trình nạp trong động cơ bắt đầu khi piston ở điểm chết trên, với buồng đốt chứa đầy sản phẩm cháy từ kỳ nổ trước và có áp suất cao hơn áp suất khí trời, gọi là áp suất khí sót Khi trục khuỷu quay, piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, trong khi xupap nạp mở và xupap xả đóng Chuyển động đi xuống của piston tạo ra chân không trong xi lanh, khiến áp suất trong lòng xi lanh thấp hơn áp suất trong đường ống nạp, từ đó môi chất được nạp vào xi lanh.
Hiệu suất nạp là yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả hoạt động của động cơ bốn kỳ, đặc biệt trong chu trình nạp xả Công thức tính hiệu suất nạp được thể hiện như sau: η v = 2𝑚̇ a ρ a,0 v d N (2.1).
Mật độ khí nạp ρ a,0 được đo tại áp suất khí trời cho phép xác định hệ số nạp tổng quát η v của động cơ Khi ρ a,0 được đo trong đường ống nạp, η v sẽ phản ánh hiệu suất nạp của cụm xi lanh, cửa nạp và xupap.
Hiệu suất nạp bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như dòng chuyển động nhiên liệu, thiết kế động cơ, các chế độ vận hành của động cơ:
− Loại nhiên liệu, tỷ số hòa khí, trọng lượng của phần nhiên liệu bay hơi, nhiệt độ nhiên liệu bốc hơi
− Hòa khí bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
− Tỷ số áp suất của xả ảnh hưởng đến quá trình nạp
− Thiết kế cửa nạp và xả
− Xupap nạp, xả: hình dạng, kích thước, độ nhấc, thời gian mở
Các yếu tố trong nhóm trên có tác động bán ổn định, ảnh hưởng của chúng không nhất thiết phải phụ thuộc vào tốc độ động cơ, mà có thể thể hiện qua tốc độ trung bình của động cơ Hầu hết các yếu tố này liên quan đến dòng chảy không ổn định và hiện tượng áp suất, cùng với sự thay đổi theo thời gian của quá trình trao đổi khí.
Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất nạp
2.2.1 Ảnh hưởng của sự chuyển động thuận nghịch dòng khí
Hiệu suất nạp trong chu trình lý tưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm áp suất nạp của hòa khí (pi), nhiệt độ (Ti), tỷ số A/F, tỷ số nén (rc), áp suất khí xả (pe), trọng lượng phân tử (M) và hệ số γ của chu kỳ.
❖ Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu, giai đoạn, tỷ số A/F
Trong động cơ đốt trong, sự có mặt của nhiên liệu dạng khí và hơi nước trong hệ thống nạp làm giảm áp suất riêng phần của khí, khiến nó thấp hơn áp suất riêng phần của hòa khí Áp suất của hòa khí được xác định bằng tổng các áp suất riêng phần, bao gồm áp suất không khí, áp suất hơi nhiên liệu và áp suất hơi nước, được thể hiện qua công thức pi = pa,i + pf,i + pw,i Đối với nhiên liệu lỏng như xăng, ảnh hưởng của hơi nhiên liệu là không đáng kể Tuy nhiên, đối với nhiên liệu dạng hơi như hơi methanol, hiệu suất nạp sẽ giảm do sự hiện diện của hơi nhiên liệu trong hòa khí nạp.
❖ Ảnh hưởng của tỷ số áp suất nạp và xả, tỷ số nén
Khi tỷ số áp suất (pe/pi) và tỷ số nén thay đổi, một phần thể tích xi lanh bị chiếm bởi khí dư khi áp suất nạp thay đổi, dẫn đến việc hiệu suất nạp giảm Sự ảnh hưởng của tỷ số áp suất được thể hiện rõ qua công thức tính hệ số nạp.
{ r c r c−1 − 1 γ(r c−1 )[ p e p i + (γ − 1)]} (2.3) Khi tỷ số áp suất nạp/áp suất xả bằng 1 thì công thức tính hiệu suất nạp trở thành: η v = ( M
2.2.2 Ảnh hưởng của động lực học
Khi dòng khí di chuyển qua các ống và buồng, ma sát, áp suất và quán tính đều tác động đến quá trình này Mối quan hệ giữa các lực này phụ thuộc vào tốc độ dòng khí, kích thước và hình dạng của ống cùng các điểm nối Sự thay đổi tốc độ động cơ, thiết kế đường ống nạp xả, và cấu trúc của xupap đều ảnh hưởng lẫn nhau, từ đó có thể xác định được một số thành phần riêng biệt tác động đến hiệu suất nạp.
Hệ số nạp lý tưởng đạt 100% trong điều kiện tối ưu, nhưng thực tế, nhiều yếu tố tác động làm giảm hiệu suất nạp từ đường A xuống đường G Nhiệt độ cao trong ống nạp làm giảm hệ số nạp lý tưởng xuống B, đặc biệt rõ rệt ở tốc độ thấp do thời gian tiếp xúc lâu Tổn hao ma sát giữa các dòng khí nạp tăng theo bình phương tốc độ, khiến đường B giảm xuống C, đặc biệt ở vòng quay cao Ở tốc độ cao, hiệu ứng RAM tăng hệ số nạp từ D lên E, nhưng việc đóng muộn xupap nạp làm khí nạp trong xi lanh quay ngược về đường nạp, giảm hệ số nạp ở tốc độ thấp từ C, D xuống F Cuối cùng, việc tinh chỉnh đường nạp và xả giúp nâng cao hiệu suất từ F lên G.
❖ Tổn hao do ma sát
Trong suốt kỳ nạp, áp suất trong xi lanh thấp hơn áp suất khí trời do ma sát trong hệ thống nạp, với mức giảm phụ thuộc vào bình phương tốc độ Tổng áp suất giảm là kết quả của áp suất mất trên từng phần của hệ thống như lọc gió, bộ chế hòa khí, bướm ga, đường nạp, cửa nạp và xupap nạp Áp suất mất ở mỗi phần chỉ khoảng vài phần trăm, nhưng cửa nạp và xupap nạp gây ra áp suất mất lớn nhất Khi piston di chuyển với tốc độ cao, áp suất mất có thể lên đến 10-20%, dẫn đến áp suất trong xi lanh thấp hơn áp suất khí trời.
Do sự thay đổi của vận tốc piston, khoảng mở xupap và hình dạng đường ống nạp, áp suất trong đường ống nạp cũng biến đổi Để đánh giá hiệu suất nạp, ta có thể dựa vào áp suất tại cửa nạp ngay trước khi xupap nạp đóng Ở tốc độ động cơ cao, dòng khí có quán tính lớn, tạo áp suất tại cửa nạp, giúp dòng khí tiếp tục nạp vào xi lanh mặc dù piston đã gần điểm chết dưới Hiệu ứng RAM là hiện tượng môi chất được nạp vào xi lanh nhờ quán tính dòng môi chất, không phải lực hút của piston Tốc độ động cơ càng cao, hiệu ứng này càng hiệu quả, do đó, xupap nạp được điều chỉnh đóng muộn để khai thác tối đa hiệu ứng này.
40 đến 60 sau điểm chết dưới
Ứng dụng hiệu ứng RAM, nạp RAM air là hệ thống nạp trực diện giúp tăng cường hiệu suất động cơ Khi ô tô di chuyển với tốc độ cao, không khí được ép vào ống nạp qua khe hút gió trên nắp ca-pô, tạo ra áp lực cao hơn so với hút tự nhiên Áp suất khí nạp cao hơn giúp không khí dày đặc hơn, làm đầy buồng đốt tương tự như động cơ tăng áp nhẹ Khi vận tốc khí giảm, áp suất động giảm nhưng áp suất tĩnh lại tăng, cho phép lưu lượng khí lớn hơn qua động cơ, từ đó nâng cao công suất động cơ.
❖ Khí nạp đi ngược về đường nạp (backflow)
Việc xupap nạp đóng muộn mang lại lợi ích ở tốc độ cao nhưng lại trở thành nhược điểm ở tốc độ thấp Khi xupap nạp đóng sau khi kỳ nén bắt đầu, một phần môi chất sẽ bị đẩy ra ngoài qua cửa nạp Lượng môi chất đi ngược này tăng lên khi tốc độ động cơ cao hơn.
10 độ động cơ càng thấp Điều này là khó tránh được nếu muốn tận dụng hiệu ứng RAM ở tốc độ cao
❖ Hiệu chỉnh đường nạp/xả (tunning)
Bản chất của việc hút khí nạp vào xi lanh liên quan đến sự lan truyền của sóng áp thấp và phản xạ của sóng áp cao Khi xupap nạp mở và piston di chuyển xuống BDC, sóng áp thấp được tạo ra tại cửa nạp và lan truyền tới cuối đường nạp, nơi có ống góp khí Tại đây, khí trong ống góp có áp suất gần bằng áp suất khí trời, dẫn đến sự phản xạ của sóng áp thấp thành sóng áp cao Sóng áp cao này tiếp tục lan truyền trong đường nạp, kéo khí nạp vào trong xi lanh.
Hình 2.2 Sóng áp thấp lan truyền trong đường nạp
Hình 2.3 Sóng áp cao phản xạ về phía cửa nạp
Hiện tượng tương tự cũng xuất hiện ở đường xả, nhưng với sự khác biệt là sóng áp cao được tạo ra ở cửa xả, trong khi sóng phản xạ ở cuối đường xả lại là sóng áp thấp Sóng áp thấp này có tác dụng hút khí xả từ trong xi lanh ra ngoài.
Khi sóng áp cao phản xạ đến cửa nạp hoặc sóng áp thấp phản xạ đến cửa xả đúng thời điểm, quá trình nạp/xả của động cơ sẽ diễn ra thuận lợi hơn, từ đó nâng cao hiệu suất nạp Việc điều chỉnh chiều dài đường nạp/xả để đạt được thời điểm tối ưu này được gọi là tunning, mang lại hai lợi ích chính.
Khi piston chạm BDC ở cuối kỳ nạp nhưng xupap nạp chưa đóng, sóng áp cao tiếp tục di chuyển vào cửa nạp, góp phần tăng áp và cung cấp thêm môi chất vào xi lanh.
Trong giai đoạn cuối của quá trình xả và đầu nạp, sóng áp thấp di chuyển đến cửa xả, giúp loại bỏ hoàn toàn khí thừa trong xi lanh, ngay cả khi piston đã đạt đến điểm chết trên (TDC).
Xupap, cửa nạp/xả là những bộ phận chủ yếu gây cản trở môi chất trong hệ thống nạp và xả trong động cơ bốn kỳ
Cửa nạp thường có hình dạng tròn, với mặt cắt không được lớn hơn yêu cầu để đạt công suất tối ưu Cửa xả cần có bệ xupap chất lượng và phần tản nhiệt, với chiều dài tối thiểu của phần thân xupap tiếp xúc Kích thước phần đầu xupap thay đổi tùy theo hình dạng buồng đốt; xupap lớn hơn cho phép nạp nhiều khí vào xi lanh hơn.
❖ Thời điểm đóng mở xupap, biên dạng xupap
Các phương pháp cải thiện hiệu suất nạp
"Tăng áp" là thuật ngữ chỉ các hệ thống nạp nhiên liệu cưỡng bức, giúp động cơ ô tô nén thêm không khí vào buồng đốt Điều này cho phép đưa vào nhiều nhiên liệu hơn, từ đó tăng công suất so với động cơ hút khí tự nhiên khi hỗn hợp nhiên liệu được đốt cháy trong xi lanh.
Động cơ tăng áp mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, nổi bật là khả năng tăng cường sức mạnh cho động cơ mà không cần phải tăng số lượng và dung tích xi lanh Điều này giúp xe tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả hơn.
Có ba phương pháp cơ bản được sử dụng để tăng áp khí nạp:
❖ Cách thứ nhất: Kiểu cơ khí, dùng bơm hay máy nén được dẫn động bằng công suất động cơ, để tạo nên khí nén
Supercharger là một thiết bị siêu nạp có chức năng tăng áp lực và mật độ không khí cho động cơ đốt trong Nhờ vào supercharger, mỗi chu kỳ nạp được cung cấp nhiều oxy hơn, từ đó cải thiện hiệu quả quá trình đốt cháy nhiên liệu và tăng cường công suất đầu ra của động cơ.
Bộ siêu tăng áp gồm các bộ phận như roto, trục đầu vào ổ bi, puly dẫn động, ống lót đầu vào, ống lót đầu ra, lò xo xoắn và bánh răng đồng bộ Supercharger được kết nối với trục khuỷu qua dây curoa, cung cấp động lực trực tiếp từ động cơ Nhờ sử dụng năng lượng từ động cơ, bộ siêu nạp luôn hoạt động hiệu quả ngay cả khi xe di chuyển với tốc độ thấp.
Hình 2.27 Supercharger kiểu cánh quay
Không khí nén từ bộ siêu tăng áp (supercharger) sẽ trở nên rất nóng và thay đổi mật độ ban đầu, điều này làm giảm năng lượng sản sinh ra nếu thời gian nổ kéo dài Do đó, bộ làm mát liên động có vai trò quan trọng trong việc làm mát không khí nóng trước khi nó đi vào đường ống nạp.
Turbocharger là một giải pháp hiệu quả, hoạt động bằng cách sử dụng khí xả để quay cánh turbine Khi cánh turbine quay, cánh nén cũng sẽ quay theo nhờ nằm trên cùng một trục, từ đó tăng cường mật độ khí nạp và hòa khí, giúp cải thiện hiệu suất động cơ.
Turbocharger là hệ thống nạp khí cưỡng bức, hoạt động nhờ dòng khí xả và không kết nối trực tiếp với động cơ Nó bao gồm hai cánh đúc liên kết với trục chung: cánh turbine nối với hệ thống xả và cánh nén kết nối với hệ thống nạp của động cơ Khi khí xả chạy qua cánh turbine, nó sẽ quay cánh nén, nhưng tài xế sẽ không cảm nhận ngay sự tăng công suất do turbo cần thời gian để hoạt động hiệu quả Để cánh turbine hoạt động, áp suất khí xả phải đạt tối thiểu 2000 RPM, hiện tượng này được gọi là độ trễ turbo.
Hình 2.28 Hoạt động của Turbocharger
➢ Hệ thống VGT (Variable Geometry Turbocharger)
Turbocharger có một khuyết điểm lớn là độ trễ khi phản hồi chân ga Để khắc phục vấn đề này, giải pháp là thay đổi góc quay của các cánh điều chỉnh turbine, giúp tăng áp ngay cả ở tốc độ thấp và giảm sức ì của Turbo Công nghệ này mang lại hiệu suất tối ưu hơn cho động cơ.
VGT, viết tắt của Variable Geometry Turbocharger, hay còn gọi là Turbo tăng áp VGS (Variable Geometry System), là công nghệ được nhiều hãng xe Nhật Bản như Nissan và Isuzu áp dụng.
Hình 2.29 Hoạt động của hệ thống VGT
Hình 2.30 Turbine của hệ thống VGT
Turbo tăng áp VGT thường có từ 10 đến 15 cánh quạt di động xung quanh đĩa turbine Bộ điều khiển trung tâm ECU điều chỉnh mô-tơ để xoay các cánh quạt, giúp kiểm soát tốc độ dòng khí hút vào turbine Phương pháp này hiệu quả trong việc thay đổi lưu lượng khí nạp vào động cơ, tạo ra áp suất khí nén tức thời nhanh chóng và gia tăng công suất nhanh.
❖ Cách thứ ba: Tăng áp bằng sóng áp suất, tạo sóng trong hệ thống nạp và xả để nén môi chất nạp
Nghiên cứu và thực tiễn về tăng áp chỉ ra rằng loại tăng áp này gặp khó khăn chủ yếu do đặc tính mômen kém và khả năng gia tốc thấp của động cơ cùng các thiết bị khác Tuy nhiên, nhược điểm này đã được cải thiện đáng kể nhờ vào hệ thống tăng áp COMPREX, dựa trên sóng áp suất.
Hình 2.31 Hệ thống tăng áp bằng sóng áp suất
Trong phương án này, năng lượng động học của khí xả được sử dụng để nén khí nạp Sự thay đổi áp suất được truyền với tốc độ của các xung nén từ khu vực áp suất cao đến khu vực áp suất thấp Dòng khối lượng và xung của sóng áp suất tác động trực tiếp lên khu vực áp suất thấp với tốc độ âm thanh trong môi trường Đồng thời, dòng năng lượng di chuyển với tốc độ chậm hơn, giúp ngăn chặn hiện tượng trộn lẫn giữa khí xả và khí mới.
❖ So sánh hiệu quả của hút thông thường với tăng áp
Hình 2.32 So sánh tăng áp và lấy gió tự nhiên
Động cơ tăng áp có áp suất nạp cao hơn so với động cơ không tăng áp, với đỉnh áp suất cao nhất trong chu trình của động cơ tăng áp nhỉnh hơn một chút Đồ thị thể hiện rằng động cơ tăng áp luôn duy trì đường cong cao hơn, dẫn đến áp suất có ích cũng được cải thiện Hơn nữa, diện tích dưới đồ thị của động cơ tăng áp lớn hơn, cho thấy công suất động cơ cũng vượt trội hơn.
2.3.2 Công nghệ xupap biến thiên (Variable Valve Timing – VVT)
Trục cam thông thường trong hệ thống nạp của động cơ có nhược điểm là chỉ có một biên dạng cố định, không thể điều chỉnh theo tốc độ hoạt động của động cơ Điều này dẫn đến việc thời điểm đóng mở xupap không linh hoạt, khiến trục cam phải lựa chọn tối ưu cho tốc độ cao hoặc thấp Đối với các xe ô tô phổ thông, thường hoạt động dưới 3000 rpm, góc trùng điệp nhỏ là phù hợp để tối ưu momen xoắn ở tốc độ thấp Ngược lại, xe đua, với yêu cầu vận hành ở tốc độ cao, cần góc trùng điệp lớn để cải thiện quá trình nạp Do đó, cần thiết phải có cơ cấu hỗ trợ để động cơ hoạt động hiệu quả ở cả hai dải tốc độ, và công nghệ VVA (variable valve actuation) được áp dụng để điều chỉnh độ nhấc, thời điểm và thời gian mở của xupap.
❖ Hệ thống VVT-i của Toyota
Công nghệ VVT-i điều chỉnh linh hoạt hoạt động của hệ thống van nạp, cho phép thời điểm mở và độ mở van thay đổi theo điều kiện vận hành thực tế của động cơ Nhờ đó, công suất động cơ được tối ưu hóa, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA XOÁY LỐC TRÊN ĐỘNG CƠ
Sơ lược về xoáy lốc
Để tăng công suất động cơ, quá trình cháy cần được tối ưu hóa, quá trình nạp phải hiệu quả, quá trình xả phải sạch và hoà khí phải được trộn đều Trên ô tô, hệ thống T-VIS (Toyota Variable Induction System) đã được áp dụng để tối ưu hóa quá trình nạp thông qua xoáy lốc, trong khi trên xe máy, hệ thống Swirl Tumble Control System (STCS) cũng thực hiện chức năng tương tự Xoáy lốc có hai dạng chính là xoáy lốc ngang (Swirl) và xoáy lốc dọc (Tumble), bên cạnh đó còn có xoáy lốc ngược với xoáy lốc ngang.
Xoáy lốc trong động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ số nạp và tối ưu hóa sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí Bài viết này sẽ khám phá hiện tượng xoáy lốc, phương pháp đo lường, hệ số xoáy lốc, và ứng dụng của nó trên một số mẫu xe hiện nay.
Định nghĩa về hiện tượng xoáy lốc
Quá trình chuyển động của dòng khí nạp trong động cơ quyết định đến sự cháy và hoà trộn hoà khí, với vấn đề xoáy lốc là yếu tố chính Xoáy lốc được ảnh hưởng bởi hình dạng đường ống nạp và đỉnh piston, được định nghĩa là sự chuyển động xoay tròn của dòng môi chất trong xi lanh Hiện tượng này hình thành do áp suất chân không trong quá trình nạp khi môi chất có động năng ban đầu, nhưng giảm đi do ma sát trong chu trình hoạt động Xoáy lốc xuất hiện trong các giai đoạn như quá trình nạp, nén và kỳ nổ, khi hoà khí bốc cháy Trong kỳ xả, sự xoáy lốc ít hơn do chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài buồng đốt Để tạo ra xoáy lốc, piston thường được thiết kế lõm, đặc biệt rõ nét trong động cơ Diesel và động cơ nạp phân tầng.
Quá trình hòa khí trong động cơ, đặc biệt khi nhiên liệu được phun vào, tạo ra sự xoáy lốc quan trọng Sự xoáy lốc này không chỉ xuất hiện trong quá trình đánh lửa khi xe tăng tốc mà còn thể hiện rõ trong động cơ hai kỳ qua quá trình quét thải khí Đối với những động cơ có buồng đốt phụ, sự xoáy lốc đóng vai trò quan trọng, góp phần vào hiệu suất hoạt động của động cơ.
Xoáy lốc được phân loại thành hai thành tố chính đó là xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang
Hình 3.1 Xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang
Vận tốc trung bình của dòng xoáy lốc
Vận tốc trung bình của dòng lốc xoáy được xác định dựa trên các công thức toán học xây dựng từ mô hình động cơ Công thức tính toán này cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về đặc điểm và hành vi của lốc xoáy.
Vận tốc tức thời của dòng khí được xác định thông qua một công thức cụ thể Đối với dòng khí nạp ổn định, chúng ta áp dụng công thức phù hợp để tính toán.
(3.2)Trong đó : 𝜏, 𝜏 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 tính toán 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 xoáy lốc hình thành, nó tạo ra mô men động lượng với các thành phần vận tốc từ xoáy lốc dọc và ngang Mô men xoáy này tương tự như thông lượng mô men động lượng trên máy bay, khi máy bay hoạt động tạo ra các vùng mô men xoáy tương tự.
Hình 3.2 Vận tốc góc của mô men động lượng xoáy lốc dọc và ngang
Xoáy lốc dọc được xác định bởi vận tốc góc của mô men động lượng 𝜏 𝑠, trong khi xoáy lốc ngang được đặc trưng bởi vận tốc mô men động lượng 𝜏 𝑇 Sự kết hợp của hai vận tốc này tạo ra vận tốc tổng hợp.
𝛽 là góc nghiêng hợp giữa hai véc tơ vận tốc 𝜏 𝐴 và 𝜏 𝑇
Khi đó góc 𝛽 được tính bởi công thức sau:
Hệ số xoáy lốc (Swirl Coefficient) là yếu tố quan trọng để so sánh với dòng chảy của mô men động lượng theo trục của mô men động lượng đó Hệ số này được xác định thông qua một công thức cụ thể.
Hệ số lốc xoáy Cs được tính thông qua công thức từ thực nghiệm có liên quan đến tốc độ góc của piston với n là số vòng quay 𝜔 𝑝 =2.𝜋 𝑛
Đường kính B của xi lanh là 60, và vận tốc đặc trưng của dòng xoáy v0 được xác định từ sự chênh lệch áp suất trong quá trình đo Công thức tính v0 là 𝑣 0 = [ 2(𝑝 𝑜 −𝑝 𝑐 ).
𝜌 ] 0.5 Trong đó p0, pc lần lượt là áp suất trong xi lanh và áp suất tham chiếu, 𝜌 là mật độ của môi chất
Hệ số dòng chảy được tính dựa trên lưu lượng Q của môi chất nạp vào, được tính:
(3.6) Với A là diện tích của xupap, 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
𝜔 𝑇 , 𝜔 𝑆 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: 𝐶 𝑠 = 𝜔 𝑠 𝐵
Hệ số xoáy lốc ngang ; 𝐶 𝑇 = 𝜔 𝑇 𝐵
Hệ số xoáy lốc tổng hợp: 𝐶 𝐴 = √𝐶 𝑆 2 + 𝐶 𝑇 2
Xoáy lốc tạo ra trong quá trình hút
Hiện tượng lốc xoáy trong động cơ được hình thành chủ yếu do dòng khí nạp khi piston di chuyển từ ĐCT đến ĐCD, tạo ra lực hút theo phương tiếp tuyến với thành xi lanh Lốc xoáy chủ yếu xuất hiện khi khí đi qua xupap nạp, tạo ra sự xoay tròn quanh thân xupap trước khi vào buồng đốt.
Chu vi của xupap nạp không đồng nhất, dẫn đến việc hình thành xoáy lốc tại xupap nạp với mô men động lượng đáng kể Trong quá trình nạp, xoáy lốc chủ yếu là xoáy lốc ngang (Swirl), loại xoáy này giúp hòa trộn khí tối ưu theo thể tích công tác.
Hình 3.3 Xoáy lốc Swirl trong quá trình nạp
Xoáy lốc ngang (Swirl) được ứng dụng rộng rãi trong việc tối ưu hoà trộn hoà khí Để tạo ra hiện tượng này, các nhà thiết kế thường thiết kế xupap nạp với rãnh hoặc chế tạo đường ống nạp có biên dạng đặc biệt nhằm tạo ra xoáy lốc ngang.
Hình 3.4 Các biến thể của các dạng đường ống tạo ra xoáy lốc ngang (Swirl)
Hình 3.5 Xupap nạp được tạo rãnh để tạo xoáy lốc
Xoáy lốc khi vào xi lanh
Khi dòng khí nạp đi qua xupap, nó mang theo mô men động lượng ban đầu, nhưng khi vào buồng đốt, mô men này giảm do ma sát với thành xi lanh và giữa các phần tử khí Đặc biệt, sự xoáy lốc 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, điều này có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
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 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, dựa vào diện tích của xupap nạp, mật độ dòng khí nạp, bán kính xupap 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 bị giảm do ma sát giữa các phần tử khí và với xupap nạp Ma sát này sẽ tăng dần trong kỳ nén, dẫn đến sự giảm dần mô men động lượng 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 Vận tốc dòng xoáy cao cũng không có lợi, vì nếu quá lớn sẽ gây ra hiện tượng hòa khí không đồng đều, dẫn đến việc đốt cháy không hoàn hảo và sinh ra nhiều muội than, từ đó làm tăng ma sát.
CF là hệ số ma sát được tính bởi công thức:
Hiện tượng xoáy lốc ngang (Swirl) trong xi lanh chủ yếu do thiết kế đỉnh piston có biên dạng lồi, lõm Xoáy lốc dọc (Tumble) chủ yếu được hình thành từ quá trình phun nhiên liệu và cũng có thể tạo ra khi xupap được đặt trên động cơ theo phương dọc thân xupap với một góc lệch nhất định Trong khi đó, Swirl xuất hiện khi góc lệch này là nhỏ.
Hình 3.6 Xoáy lốc dọc (Tumble) chủ yếu do phun nhiên liệu
Hình 3.7 Xoáy lốc dọc (Tumble) được tạo ra khi xupap thường đặt nghiêng
Quá trình xoáy lốc ngang (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 3.8 Piston được tạo biên dạng lõm để tăng xoáy lốc ngang (Swirl)
Phương pháp đo xoáy lốc
Quá trình hút khí tự nhiên trong động cơ gặp nhiều khó khăn do dòng chảy rối Để kiểm tra đặc tính xoáy lốc, phương pháp dòng chảy ổn định (Steady Flow) thường được áp dụng Trong quá trình nạp, dòng khí vào xupap tương đương với dòng môi chất trong xi lanh, bỏ qua tổn thất khí Nếu không sử dụng phương pháp ổn định, khi piston di chuyển từ điểm chết trên xuống, sẽ tạo ra độ chân không hút khí vào xupap, gây ra lực cản và xoáy lốc rối Để đơn giản hóa, người ta chuyển sang dòng chảy ổn định Trong kỹ thuật đo xoáy lốc, thiết bị tương tự piston được sử dụng, có khả năng chuyển động xoay tròn và tịnh tiến Chuyển động xoay tròn tạo ra xoáy lốc cho dòng khí, trong khi chuyển động tịnh tiến tạo độ chân không cho hoà khí 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 3.9 Sơ đồ về phương pháp đo dòng chảy ổn định
Quá trình xoáy lốc của dòng khí nạp trong động cơ đốt trong bao gồm hai loại chính: xoáy lốc ngang (Swirl) và xoáy lốc dọc (Tumble) Những hiện tượng này có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình cháy và nâng cao hiệu suất động cơ.
Hình 3.10 Thiết bị đo xoáy lốc ngang (Swirl) và lốc xoáy dọc (Tumble)
Giới thiệu một số hãng có ứng dụng hiện tượng xoáy lốc
❖ Hệ thống biến thiên dòng khí nạp T-VIS của hãng Toyota
Hệ thống biến thiên dòng khí nạp T-VIS viết tắt của từ tiếng Anh Toyota Variable
Induction System ứng dụng cho động cơ có hai xupap nạp, một xupap thì có cánh bướm thay đổi và cái còn lại thì không
Hình 3.11 Hệ thống T-VIS trên đường ống nạp
Hình 3.12 Cấu tạo hệ thống T-VIS
ECU động cơ điều khiển chân không cho cơ cấu chấp hành bằng cách cấp nguồn cho van điện từ solenoid khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp Khi tốc độ vượt quá 4.200 vòng/phút, chân không sẽ bị ngắt và lò xo trong bộ truyền động mở hoàn toàn van bướm Hệ thống này giúp cải thiện công suất động cơ ở tốc độ thấp, nơi dòng khí nạp vào chậm và ít tạo xoáy lốc Để đảm bảo hoà khí được trộn đều, hệ thống này điều chỉnh dòng khí nạp bằng cách thay đổi hình học của ống cổ nạp theo tốc độ động cơ.
❖ Hệ thống van điều khiển xoáy lốc SCV của hãng Nissan
Hình 3.13 Sơ đồ cấu tạo hệ thống Swirl Control Valve
Hệ thống SCV (Swirl Control Valve) của Nissan tương tự như T-VIS, hoạt động ở chế độ cầm chừng và tốc độ thấp để tăng công suất động cơ Khi cánh van đóng nhỏ lại, áp suất chân không tăng, đồng thời tiết diện hòa khí vào xi lanh giảm, dẫn đến việc tăng vận tốc hòa khí và tạo ra hiện tượng xoáy lốc.
Hệ thống hoạt động bằng cách ECU động cơ điều khiển van điện từ solenoid BẬT/TẮT dựa trên điều kiện hoạt động, sử dụng chân không để tác động vào cơ cấu chấp hành van điều khiển xoáy Khi động cơ ở tải thấp và tốc độ thấp, ECU sẽ đóng van tạo xoáy lốc, giúp tạo ra dòng xoáy mạnh trong buồng đốt, từ đó cải thiện hiệu suất đốt cháy.
❖ Hệ thống điều khiển xoáy lốc dọc và ngang STCS của hãng SYM
Hệ thống STCS (Swirl Tumble Control System) trên xe máy giúp tối ưu hóa công suất động cơ bằng cách điều chỉnh lưu lượng gió vào xi lanh dựa trên tốc độ và tải của động cơ Bộ xử lý trong ECU nhận tín hiệu và kích hoạt van Swirl, tạo ra xoáy lốc ngang và dọc tùy thuộc vào thiết kế buồng đốt và quá trình phun nhiên liệu So với động cơ truyền thống, STCS mang lại tăng trưởng công suất lên đến 9.8%, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu 12% và lượng khí xả nhờ vào quá trình cháy được tối ưu hóa.
Hình 3.14 Hệ thống Swirl Tumble Control System trên xe SYM
Đặc tính động cơ
Đặc tính động cơ là các thông số quan trọng để đánh giá và cải tiến hiệu suất động cơ, nhằm tối ưu hóa công suất trong khi vẫn đáp ứng yêu cầu 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 tối ưu, trong khi đối với động cơ Diesel, điều này xảy ra khi thanh răng cấp nhiên liệu được kéo tối đa Ngược lại, đặc tính bộ phận được xác định tại các góc mở bướm ga khác nhau tương ứng với từng tốc độ động cơ.
3.9.1 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 dθ = p dV dθ (3.11) Áp suất trong xi lanh được tính bằng công thức:
Áp suất trong xi lanh được tính toán dựa vào 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 được thể hiện trong các phương trình sau:
2𝐿𝑠𝑖𝑛( 2𝜃)) (3.14) Ở công thức 3.13 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
Để tính công có ích của động cơ, người ta sử dụng thiết bị đo công suất Dynamometer, hãm trục khuỷu và đo lực vòng Từ lực vòng, có thể tính được mô men xoắn và 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 tăng áp suất khí cháy, thể tích công tác và số xi lanh, đồng thời giảm số kỳ Tuy nhiên, việc này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giá thành và công nghệ Do đó, cần lựa chọn giải pháp phù hợp để đảm bảo cả công nghệ lẫn chi phí và tính phổ biến.
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; càng hoà trộn nhuyễn, công suất càng cao.
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 phụ thuộc vào tốc độ động cơ và chất lượng quá trình cháy Nếu hoà khí cháy không triệt để, sẽ sinh ra sản vật cháy có muội than, làm tăng mài mòn giữa piston và xi lanh Điều này liên quan đến sự hoà trộn đồng đều của hỗn hợp và thời điểm cháy chính xác, cũng như năng lượng tia lửa có đủ lớn hay không Thêm vào đó, chất lượng bôi trơn cũng ảnh hưởng đến mức độ tổn thất ma sát.
3.9.3 Tổn thất ma sát trên đường ống nạp
Trong suốt kỳ hút, áp suất trong xi lanh (p c) luôn nhỏ hơn áp suất môi trường (p 0) do ma sát trong hệ thống nạp Tổng tổn thất áp suất phát sinh từ các yếu tố như lọc gió, ống góp nạp, ống góp nạp từng xi lanh và xupap nạp Sự chênh lệch áp suất giữa xi lanh và khí quyển phụ thuộc vào bình phương vận tốc Bằng cách áp dụng phương trình Bernoulli cho từng phần, ta có thể xác định độ biến thiên áp suất.
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 : Thành phần nhỏ nhất tiết diện dòng khí và diện tích piston (m 2 ) ρ: Khối lượng riêng không khí
𝑆̄ 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 xupap nạp
− Dùng tăng áp động cơ
3.9.4 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 Công thức tính mô men xoắn thực tế là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của máy móc.
Mô men xoắn thực tế được xác định bởi hiệu số giữa mô men xoắn chỉ 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 cần thiết 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:
Thực tế tính mô men xoắn có ích của động cơ được tính như sau:
Thiết bị đo công suất được gọi là Dynamometer, được sử dụng để hãm động cơ trong quá trình thử nghiệm Hình ảnh dưới đây minh họa cho thiết bị đo công suất này.
Hình 3.15 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 Dynamometer ở chế độ quay tự do, và khi động cơ được mở hết cỡ (đối với động cơ xăng) hoặc thanh răng kéo tối đa (đối với động cơ Diesel), lực hãm được xác định qua cảm biến lực Từ lực hãm này, ta tính được mô men và từ đó tính công suất Phương pháp này cho phép xác định công suất có ích và mô men có ích, đồng thời tính toán hiệu suất ma sát cơ giới để xác định công suất và mô men chỉ thị.
Việc xác định công suất chỉ thị cho của một xi lanh động cơ bốn kỳ có thể được tính từ công chỉ thị như sau:
60 (3.23) Động cơ thắng được tổn thất ma sát Vì thế áp suất có ích trung bình được viết:
Từ đây công suất có ích có thể được tính:
Mối quan hệ giữa mô men xoắn và công suất được thể hiện:
3.9.5 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 nhiên liệu của động cơ, từ đó đề xuất các phương pháp cải tiến nhằm giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu hao mà vẫn tối ưu hóa công suất động cơ Mục tiêu là đảm bảo sự cân bằng giữa ba yếu tố kinh tế, kỹ thuật và môi trường.
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NẠP TRÊN ĐỘNG CƠ
Thiết kế hệ thống nạp trên động cơ
Mô hình động cơ xe máy Honda Future FI 125cc được thiết kế bằng phần mềm Solidworks và mô phỏng bằng ANSYS Fluent, nhằm cải thiện hiệu suất động cơ thông qua việc nghiên cứu dòng khí nạp và quá trình cháy Dòng khí trong động cơ được đặc trưng bởi tỉ lệ xoáy, tỉ lệ cuộn và tỉ lệ nén của xi lanh, trong đó chuyển động của khí nạp ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy và phát thải khí thải Tỉ lệ xoáy và tỉ lệ cuộn được hình thành trong kỳ nạp và phụ thuộc vào hình dạng, đặc biệt là độ nghiêng của cổ nạp khí Độ nghiêng này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ mà còn đến lượng khí thải ra môi trường Đề tài này tập trung vào việc mô phỏng và tối ưu hóa hình dạng cổ nạp khí cho động cơ Honda Future FI 125cc, từ đó cải thiện công suất động cơ mà không cần thay đổi các bộ phận khác, với quá trình nạp phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố xoáy lốc.
Dựa trên việc tìm kiếm và tham khảo thông tin trên internet, chúng tôi đã tổng hợp các thông số kỹ thuật của động cơ xe máy Honda Future FI 125cc, như được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 4.1 Thông số động cơ Honda Future
Thông số Giá trị Đơn vị Độ dài thanh truyền 101.5 mm Đường kính xi lanh 52.4 mm
Thể tích xi lanh 124.8 cm 3
Bán kính trục khủyu 28.95 mm Đường kính cổ nạp khí 23.2 mm
4.1.1 Giới thiệu phần mềm Solidworks
Hiện nay, Solidworks là phần mềm phổ biến toàn cầu, đặc biệt được ưa chuộng tại Việt Nam Phần mềm này không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác như điện, khoa học ứng dụng và cơ mô phỏng.
Phần mềm Solidworks mang đến cho người dùng những tính năng ưu việt trong thiết kế chi tiết 3D, lắp ráp các bộ phận máy móc và xuất bản bản vẽ 2D Ngoài những tính năng phổ biến này, Solidworks còn hỗ trợ phân tích động học và động lực học, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và nâng cao hiệu suất làm việc.
Việc tích hợp nhiều tính năng và module trong phần mềm Solidworks giúp người dùng nâng cao chuyên môn và hiệu quả công việc, đồng thời giảm thiểu nhu cầu sử dụng nhiều phần mềm khác nhau để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
Hình 4.1 Giao diện làm việc của phần mềm Solidworks
Các chức năng vẽ 2D, 3D được thể hiện cụ thể ở hình sau:
Hình 4.2 Thanh công cụ trong Features
Hình 4.3 Thanh công cụ trong Sketch
Trong đó, một số lệnh được dùng để thiết kế mô hình hệ thống nạp động cơ
− Lệnh Sketch: Chọn mặt phẳng để thực hiện các thao tác, có ba mặt phẳng để chọn: Front Plane, Top Plane, Right Plane
− Lệnh Line: Dùng để vẽ đường thẳng dựa vào hai điểm
− Lệnh Circle: Dùng để vẽ hình tròn
− Lệnh Centerpoint Arc: Dùng để vẽ cung tròn
− Lệnh Extrude - Boss: Dùng để tạo khối 3D từ một sketch
− Lệnh Extrude - Cut: Lệnh này dùng để loại bớt một lượng vật liệu trên chi tiết 3D với một sketch nào đó
− Lệnh Revolve: Dùng để xoay một biên dạng quanh một trục để tạo khối 3D
Lệnh Sweep cho phép người dùng tạo ra chi tiết 3D bằng cách di chuyển một biên dạng kín theo một đường dẫn cụ thể Cần lưu ý rằng hai biên dạng này phải nằm ở hai mặt phẳng khác nhau để đảm bảo quá trình tạo hình diễn ra chính xác.
4.1.2 Thiết kế hệ thống nạp
Vẽ xi lanh động cơ
− Dùng lệnh Circle vẽ biên dạng tròn đường kính 52.4 mm với tâm là góc toa độ
Hình 4.4 Đường kính của xi lanh
− Dùng lệnh Extrude tạo khối cho xi lanh với độ dày bằng 10mm
− Sử dụng lệnh Line, vẽ hai biên dạng tam giác
− Sử dụng lệnh Extrude - Cut, cắt hai biên dạng tam giác vừa vẽ
Hình 4.5 Xi lanh sau khi được cắt
− Tạo mặt phẳng XY, dùng lệnh Line vẽ biên dạng của bệ xupap nạp và thải
Hình 4.6 Biên dạng của bệ xupap nạp và thải
− Sử dụng lệnh Revolve tạo khối cho bệ xupap nạp và thải
Hình 4.7 Bệ xupap nạp và thải
Vẽ đường ống nạp và đường ống thải cho động cơ
− Dùng lệnh Line vẽ đoạn thẳng dài 18.56 mm, điểm đầu cách gốc tọa độ X 14.58 mm, Y = 9.56 mm
− Dùng lệnh Centerpoint Arc vẽ một cung R = 30mm
− Dùng lệnh Line vẽ đoạn thẳng dài 31.26 mm
− Dùng lệnh Centerpoint Arc vẽ một cung R = 45mm
Hình 4.8 Biên dạng đường ống nạp
− Dùng lệnh Line vẽ đoạn thẳng dài 18.42 mm, điểm đầu cách gốc tọa độ X = 14.2 mm, Y = 9.45 mm
− Dùng lệnh Centerpoint Arc vẽ một cung R = 30 mm
− Dùng lệnh Line vẽ đoạn thẳng dài 34.93 mm
Hình 4.9 Biên dạng đường ống thải
− Sử dụng lệnh Sweep để vẽ đường ống nạp và thải theo hai biên dạng vừa vẽ
Hình 4.10 Hoàn thiện đường ống nạp và thải
Sau khi hoàn thành các bước vẽ, ta tiến hành gắn xupap vào để hoàn chỉnh hệ thống nạp
Hình 4.11 Mô hình hệ thống nạp hoàn chỉnh
Mô phỏng hệ thống nạp trên động cơ
4.2.1 Giới thiệu phần mềm Ansys
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công cụ tính toán và máy tính điện tử đã dẫn đến việc hoàn thiện các phần mềm công nghiệp để giải quyết các bài toán cơ học như cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, và các bài toán động ANSYS, một phần mềm mạnh mẽ và phổ biến toàn cầu, đáp ứng tốt các yêu cầu này trong tính toán thiết kế cơ khí Phần mềm này có khả năng liên kết với các công cụ thiết kế mô hình 2D và 3D để phân tích ứng suất, biến dạng, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy, đồng thời xác định độ mòn, mỏi và phá huỷ của chi tiết Nhờ vào những phân tích này, ANSYS giúp tìm ra các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo và cung cấp phương pháp giải cho nhiều loại mô hình vật liệu khác nhau, bao gồm đàn hồi tuyến tính, phi tuyến tính, siêu đàn hồi, và các chất lỏng, chất khí.
ANSYS (Analysis Systems) là phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) hoàn chỉnh, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật như kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện và điện từ Phần mềm này cho phép mô phỏng và tính toán thiết kế công nghiệp, giải quyết các bài toán cơ kỹ thuật thông qua phương pháp phần tử hữu hạn với chuyển vị làm gốc ANSYS cung cấp hệ thống tính toán đa năng, đáp ứng nhu cầu nghiên cứu và phát triển trong nhiều ngành công nghiệp.
Phần mềm ANSYS là công cụ chuyên dụng cho mô phỏng động lực học CFD, được phát triển bởi ANSYS, Inc, một công ty Mỹ đạt tiêu chuẩn ISO 9001:2008 Phần mềm này phục vụ cho việc mô phỏng trong nhiều lĩnh vực liên quan đến động lực học, bao gồm động lực học dòng chảy, cơ cấu cơ khí, từ trường trong điện và các hệ thống đa cấu trúc vật liệu.
Cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS bao gồm ba phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), thực hiện tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor).
4.2.2 Thiết lập các thông số mô phỏng
❖ Thiết lập các thông số cơ bản
Trong ANSYS, có hai mô hình ICE là ICE (Fluent) và ICE (Forte), với kết quả tương tự tùy thuộc vào cách thiết lập Trong đồ án này, chúng tôi sử dụng mô hình ICE (Fluent) để thực hiện mô phỏng.
Hình 4.12 Hai mô hình ICE trong ANSYS
Trong phần mềm ANSYS, có ba loại mô phỏng cho động cơ đốt trong: mô phỏng dòng khí lạnh, mô phỏng dòng khí qua lỗ tiết diện và mô phỏng cháy Để đánh giá hệ số xoáy lốc của động cơ qua dòng khí, chúng tôi đã chọn mô phỏng dòng khí lạnh.
Hình 4.13 Các loại mô phỏng cho mô hình ICE
Mô hình hóa động cơ xe máy Honda Future FI 125cc được thực hiện thông qua phần mềm ANSYS, dựa trên mô hình ICE Các thông số cần thiết như đặc trưng động cơ, độ dài thanh truyền, bán kính trục khuỷu, độ nâng van nạp và van xả đã được thiết lập từ các tài liệu tham khảo.
Hình 4.14 Các thông số thiết lập cơ bản của động cơ
❖ Định nghĩa các mặt hình học
Việc lựa chọn các mặt hình học trong mô hình ICE trên phần mềm ANSYS, bao gồm các thành phần như cửa nạp, cửa thải và xupap, giúp phần mềm hiểu rõ định nghĩa của các hình học này Nhờ đó, ANSYS tự động tạo ra các giao diện file để định nghĩa, và khi thực hiện chạy mô hình, phần mềm sẽ tự động truy xuất dữ liệu ra các file có tên gọi tương tự như ban đầu.
Hình 4.15 Định nghĩa các mặt hình học
Hình 4.16 Valve Body của xupap nạp và thải
Sau khi định nghĩa xong các mặt hình học, ta tiến hành phân rã (Decompose) để tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo của quá trình mô phỏng
Hình 4.17 Mô hình sau khi được phân rã
Quá trình chia lưới mô phỏng là bước quan trọng để thiết lập không gian làm việc của động cơ trên mô hình ICE Việc này giúp nội suy kết quả tính toán trên lưới mới Mô hình nghiên cứu sử dụng lưới động, và các thông tin cũng như chỉ số lưới cho ba trường hợp mô phỏng sẽ được trình bày chi tiết dưới đây.
Trong quá trình giải quyết bằng phương pháp CFD, lưới mô hình đóng vai trò quan trọng trong kết quả Hình dạng và kích thước lưới cần được điều chỉnh dựa trên đặc tính của dòng không khí Đặc biệt, các khu vực có vận tốc lớn, thay đổi dòng đột ngột, hoặc trao đổi nhiệt mạnh, cũng như các vùng tiếp xúc giữa không khí với thành ống, xi lanh và piston, cần được chia lưới mịn để đảm bảo độ chính xác cao.
Hình 4.18 Lưới tính toán cho mô hình với góc nghiêng cổ nạp 25 0
Lưới tính toán cho mô hình với góc nghiêng cổ nạp 25 o có 335578 phần tử và
Số lượng nút trong mô hình là 120915, với các phần tử tứ diện chủ yếu phân bố ở khu vực có biên dạng cong và không tuyến tính Tại bề mặt tiếp xúc với thành ống, các phần tử được phân chia theo dạng lớp biên, đảm bảo khu vực gần thành ống có dạng chảy tầng Khu vực tính toán trong buồng đốt lưới sẽ tự sinh ra với dạng phần tử lục diện, phù hợp cho tính toán động cơ đốt trong.
Hình 4.19 Lưới tính toán cho mô hình với góc nghiêng cổ nạp 3 5 0
Mô hình tính toán sử dụng lưới với góc nghiêng cổ nạp 35 độ, bao gồm 336.133 phần tử và 121.070 nút Độ lệch trung bình của lưới là 0.27967, trong khi giá trị tối ưu nhất nằm trong khoảng từ 0.90 đến 0.95.
Hình 4.20 Lưới tính toán cho mô hình với van tạo xoáy lốc
Lưới tính toán cho mô hình van tạo xoáy lốc bao gồm 336.010 phần tử và 121.072 nút, phù hợp cho tính toán động cơ đốt trong theo các tiêu chí đã phân tích Đặc biệt, các khu vực có biên dạng thay đổi đột ngột cần được chia lại với độ mịn cao để đảm bảo độ chính xác trong tính toán.
❖ Thiết lập các phân tích
− Nhập tần số lưu tự động là 30, tốc độ quay là 5000 rpm, số góc mô phỏng là 720.
− Nhấp chuột vào Profile Editor để chỉnh Time step size và các giá trị Profile khác
Các điều kiện biên được thiết lập với tất cả các biên là Wall, cho phép trao đổi nhiệt qua thành vách ra bên ngoài Riêng miền biên của piston và xi lanh, cùng với hai van nạp và xả, được thiết lập theo phương pháp lưới động lực thông qua hàm UDF Biên ngoài cùng của cổ nạp khí được định nghĩa theo kiểu biên Inlet velocity với vận tốc bằng 0 và chênh lệch áp suất so với áp suất tham chiếu là 0 Pascal Ống xả được thiết lập theo kiểu biên Pressure Outlet với chênh lệch áp suất so với áp suất tham chiếu cũng là 0 Pascal.
Monitor Definitions: Thiết lập các dữ liệu cần theo dõi để xuất ra báo cáo
Initialization: Tiến hành khởi tạo giá trị cho các vùng
Hình 4.23 Monitor Definitions và Initialization
Giải pháp kiểm soát cho phép thiết lập các thông số như thời gian mở sớm và đóng muộn của xupap nạp và thải Việc sử dụng Adaptive Time Step giúp điều chỉnh bước giải trong giới hạn đã định, từ Max CA Step Size đến Min CA Step Size, dựa trên mức độ hội tụ Điều này không chỉ cải thiện quá trình giải mà còn tăng tốc độ hội tụ hiệu quả.
Kết quả và đánh giá
Sau khi thiết lập các thông số và thực hiện mô phỏng, quá trình tạo lưới được thực hiện theo các thông số thiết kế, như được thể hiện trong hình dưới đây.
Hình 4.26 Quá trình tạo lưới
Quá trình tạo lưới động cho động cơ diễn ra tự động dựa trên các thông số cơ bản đã cung cấp, tương ứng với các góc xupap đã thiết lập Hình ảnh minh họa cho thấy sự tương tác giữa các kỳ nạp và nén, với sự phối hợp hợp lý của các xupap tại từng thời điểm Khi piston di chuyển xuống điểm chết dưới, lưới động được tạo ra sau mỗi bước thời gian và sau đó thu hồi khi piston lên điểm chết trên Xen kẽ giữa các kỳ, van nạp và van xả lần lượt mở ra, tạo ra lưới tứ diện để xử lý dòng chảy rối và xoáy với hình dạng cong, thay thế cho lưới lục diện.
Mật độ lưới tại các khu vực có khối giao nhau, đặc biệt gần các xupap và nắp máy, rất mịn do không gian hạn chế, dẫn đến hệ số rối cao và sự gia tăng đột ngột về vận tốc và áp suất; vì vậy, lưới tứ diện được sử dụng trong những khu vực này Tại hai mép xupap và thành xi lanh, mật độ lưới dày hơn với phần tử nhỏ hơn so với các khu vực lân cận, tương tự như lưới xung quanh thành xupap nạp Sau mỗi bước tạo lưới, phần mềm tự động kiểm tra các tiêu chí, giúp kỹ sư tiết kiệm thời gian kiểm tra thủ công Lớp lưới gần sát thành xi lanh cần được hình thành theo phương pháp lớp biên để đảm bảo đáp ứng dòng chảy tầng.
Trường vận tốc được thể hiện qua bảng màu sắc, với màu xanh dương biểu thị vận tốc thấp nhất và màu đỏ cho vận tốc cao nhất Trong quá trình nạp của động cơ, khi piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, vận tốc rất nhỏ, do đó trường vận tốc có màu xanh dương Khi quá trình nén diễn ra, vận tốc bắt đầu tăng dần và đạt giá trị lớn nhất vào cuối quá trình nén, nhưng sau đó giảm do bị giới hạn không gian.
4.3.3 Trường vận tốc ở kì nạp
Quá trình nạp đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến công suất động cơ, vì vậy cần thảo luận về trường vận tốc trong quá trình này Đặc biệt, quá trình mô phỏng được thực hiện dưới dạng 3D để mang lại cái nhìn chi tiết và chính xác hơn.
74 nên muốn nhìn được các chiều của trường vận tốc quá trình nạp thì ta cần phải nhìn theo hướng mặt cắt
Hình 4.28 Trường vận tốc ở kì nạp
Trong kỳ hút, sự phân bố vận tốc không đều trong trường vận tốc được gây ra bởi các dòng xoáy ngang và xoáy dọc Khi piston di chuyển lên trong kỳ nén, các dòng khí tiếp tục lưu thông, làm cho trường vận tốc biến thiên Hiện tượng xoáy lốc này có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất đốt cháy của động cơ Phân tích đường đi dòng của không khí trong lòng xi lanh cho thấy hướng và chiều di chuyển của các dòng khí, với giá trị trường vận tốc từ xanh dương đến xanh lá do dòng xoáy dọc hình thành Tỷ số xoáy lốc ngang và dọc được tính toán từ các thông số vận tốc qua phương pháp tích phân ba phương, và giá trị này sẽ được cập nhật theo thời gian, tương ứng với góc quay của trục khuỷu.
4.3.4 Năng lượng động năng trung bình của dòng chảy
Năng lượng động năng trung bình của dòng chảy TKE (Turbulent Kinetic Energy) trong mô phỏng động lực học là năng lượng xoáy động năng của dòng khí trên một đơn vị khối lượng Năng lượng này được tính toán từ phương trình Navier-Stokes trung bình của Reynolds, thường dựa trên ứng suất thông thường và chuyển động hỗn loạn của dòng chảy Tuy nhiên, việc tính toán năng lượng động năng này liên quan đến nhiều công thức phức tạp trong lĩnh vực toán học và vật lý, nên chúng tôi không đề cập chi tiết trong đồ án này.
Hình 4.29 Năng lượng động năng trung bình của dòng chảy
4.3.5 Tỷ lệ xoáy Độ rối của hỗn hợp khí trong xi lanh được thể hiện qua các đồ thị dưới đây Dựa vào đồ thị tỷ lệ xoáy ngang (Swirl) và tỷ lệ xoáy dọc (Tumble) để đánh giá mô hình cổ nạp khí tối ưu của động cơ Dựa vào hình dạng đồ thị, ta có thể quan sát được các khu vực xoáy Swirl và xoáy Tumble, cụ thể là hiện tượng xoáy lốc xảy ra chủ yếu ở kì nào và đánh giá được mô hình cổ nạp khí đó có mang lại hiệu quả xoáy lốc cao hay không
❖ So sánh tỷ lệ xoáy ngang (Swirl)
Hình 4.30 Tỷ lệ xoáy ngang của mô hình góc nghiêng cổ nạp 25 o
Hình 4.31 Tỷ lệ xoáy ngang của mô hình góc nghiêng cổ nạp 35 o
Hình 4.32 Tỷ lệ xoáy ngang của mô hình với van tạo xoáy lốc
Khi so sánh tỷ lệ xoáy lốc ngang của động cơ nguyên mẫu với góc nghiêng cổ nạp 25 độ và động cơ cải tiến với góc nghiêng 35 độ, động cơ xe máy Honda Future FI 125cc cho thấy mức dao động độ xoáy của động cơ nguyên mẫu đạt (-0.001, 0.021) trong khi động cơ cải tiến đạt (-0.012, 0.04) Kết quả cho thấy động cơ cải tiến có độ xoáy dao động lớn hơn, với giá trị cực đại đạt 0.04, cao hơn so với 0.021 của động cơ nguyên mẫu Độ tăng tỷ lệ xoáy lốc là 0.02, mặc dù mức tăng này không lớn nhưng vẫn cải thiện tỷ lệ hòa trộn hòa khí, dẫn đến quá trình cháy diễn ra hoàn hảo hơn và động cơ sinh công lớn hơn.
Tỷ lệ xoáy ngang của động cơ cải tiến với van tạo xoáy lốc dao động từ (-0.01, 0.25) so với góc nghiêng cổ nạp 25 độ dao động từ (-0.001, 0.021) cho thấy sự gia tăng gấp 10 lần so với động cơ nguyên mẫu Điều này chứng tỏ rằng việc thay đổi góc nghiêng cổ nạp và van tạo xoáy lốc mang lại hiệu quả tối ưu hơn Với tỷ lệ xoáy lốc ngang cao, quá trình hòa trộn hoà khí trong giai đoạn nén được cải thiện, dẫn đến tỷ lệ hòa khí cháy hoàn hảo hơn và động cơ sinh công lớn hơn.
❖ So sánh tỷ lệ xoáy dọc (Tumble)
Hình 4.33 Tỷ lệ xoáy dọc của mô hình góc nghiêng cổ nạp 25 o
Hình 4.34 Tỷ lệ xoáy dọc của mô hình góc nghiêng cổ nạp 35 o
Hình 4.35 Tỷ lệ xoáy dọc của mô hình với van tạo xoáy lốc
Trong quá trình hoạt động của động cơ, thành phần xoáy lốc dọc (Tumble) đóng vai trò quan trọng Tỷ lệ xoáy dọc của ba mô hình cho thấy sự khác biệt không đáng kể, với mức dao động từ 0 đến 2.6, điều này cho thấy đây là một tỷ lệ tốt cho động cơ xăng Sự hòa trộn giữa các dòng chảy theo chiều dọc khác nhau sẽ tăng cường tỉ lệ đốt cháy, từ đó cải thiện tính ổn định của quá trình đốt cháy, giúp động cơ sinh công lớn hơn và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Kết quả mô phỏng cho thấy góc nghiêng của cổ góp nạp và van tạo xoáy lốc có ảnh hưởng lớn đến độ xoáy của động cơ, từ đó tác động đến hiệu suất tổng thể của động cơ Điều này được minh chứng qua đồ thị tỷ lệ xoáy dọc và tỷ lệ xoáy ngang của động cơ.
Qua quá trình so sánh giữa xoáy lốc ngang (Swirl) và xoáy lốc dọc (Tumble) ở các góc nghiêng 25° và 35°, cùng với van tạo xoáy lốc, chúng tôi rút ra được những kết luận tổng quát về hiệu suất và đặc điểm của từng loại xoáy lốc.
Tỷ lệ xoáy ngang của mô hình với van tạo xoáy lốc đạt tối ưu nhất so với hai mô hình còn lại, đặc biệt là trong quá trình nạp Điều này cho thấy rằng tỷ lệ khí trong mô hình này có hiệu suất cao, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động.
80 nạp được hoà trộn tốt nên hoà khí dễ bốc cháy và quá trình cháy diễn ra hoàn hảo, nghĩa là động cơ sinh công lớn
Tỷ lệ xoáy lốc dọc của ba mô hình cho thấy hiệu suất tốt trong việc hòa khí, giúp tăng cường tỉ lệ đốt cháy và giảm nguy cơ kích nổ cho động cơ Tuy nhiên, nếu hệ số xoáy lốc dọc quá cao, khí sẽ không tập trung tại bu-gi mà lại ở khu vực xupap thải, dễ dẫn đến kích nổ hoặc hao hụt nhiên liệu do khí cháy không hết Do đó, việc duy trì hệ số xoáy lốc dọc ở mức tối ưu là rất quan trọng để đảm bảo hòa khí tập trung tại khu vực bu-gi.
❖ Hệ số xoáy lốc theo phương cắt ngang của xoáy lốc dọc