Luận văn thạc sỹ chuyên ngành động cơ ô tô

LUẬN VĂN THẠC SĨLÊ THANH QUANG TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ĐỂ XUẤT BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XE MÁY THÔNG QUA MÔ PHỎNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Tp... LUẬN VĂN T

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ THANH QUANG

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ĐỂ XUẤT BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XE MÁY

THÔNG QUA MÔ PHỎNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2017

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ THANH QUANG

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ĐỂ XUẤT BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XE MÁY

THÔNG QUA MÔ PHỎNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

Hướng dẫn khoa học:

TS LÝ VĨNH ĐẠT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2017

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Lê Thanh Quang Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/02/1993 Nơi sinh: Tiền Giang

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 237/32/99 Đường Phạm Văn Chiêu -

Phường 14 - Gò Vấp- Tp.HCM

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Người hướng dẫn: ThS Phan Nguyễn Quí Tâm

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

1/09/2015 Công ty cổ phần Ôtô Trường Hải Kỹ sư dịch vụ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 3 năm 2017

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt thời gian 1.5 năm học tập và nghiên cứu tại trường đại học SưPhạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, nhận được sựhướng dẫn tận tình của các quí thầy

cô và các điều kiện học tập thuận lợi của quí trường tôi đã tiếp thu được nhiều kiến

thức hửu ích phục vụ cho quá làm việc và nghiên cứu của mình sau này.

Xin cảm ơn đến quí Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp cao học Ôtô niên khoá2015B đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn tốtnghiệp

Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS Lý Vĩnh Đạt ngườithầy đã hết lòng tận tình hướng dẫn chuyên môn tôi trong suốt thời gian thực hiệnluận văn

Xin cám ơn ThS Nguyễn Đỗ Minh Triết,ThS Huỳnh Diệp Ngọc Long đã hỗtrợ thiết bị nghiên cứu,dụng cụ đo kiểm

Dù tôi đã hoàn thành luận văn nhưng chắc sẽ còn thiếu sót, mong nhận được ýkiến đóng góp của quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện tốt hơn

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành và gửi lời chúc sức khỏe đến quýthầy cô, gia đình và mọi người

Học viên thực hiện

Lê Thanh Quang

và hiệu suất chỉ thị, từ đó rút ra được mô hình tối ưu của cổ nạp khí

Từ khóa: Động cơ; mô phỏng; hệ thống nạp; phần mềm Ansys; công suất.

Abstract

Nowadays, the fossil fuels, which are used in internal combustion engine,havebeen exhausting but demand using car and motorbike is gradually rising Thisrequires researchers and engineers design and optimize the performace of theinternal combustion engine And one of the methods for improving engineefficiency is adjust their swirl through reshaping the air intake manifold Under thesupport of the lively visual computational softwate such as Catia, Ansys, Matlab,the engine designers can predict exactly the efficient of the engine and savesignificantly cost and time.In the work, Catia solfware is used to create the 3Dmodel of the intake system and the 125cc internal combustion engine Then usingAnsys software simulate the velocity of the fluid from the intake system to thecylinder After that the intake system is improved for the engine Finally, usingMatlab system calculate the engine parameters such as the indicated work, theindicated power and the indicated efficiency

Keyword: Engine; simulation; intake system; Ansys software; power.

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM TẠ iii

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG x

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Dẫn nhập 1

1.2 Lý do chọn tài 1

1.2.1 Nghiên cứu trong nước 3

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước 5

1.3 Mục tiêu đề tài 7

1.4 Nhiệm vụ đề tài 7

1.5 Giới hạn của đề tài 7

1.6 Đối tượng nghiên cứu 8

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 8

1.8 Phương pháp nghiên cứu 9

1.9 Kế hoạch thực hiện 9

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 11

2.1 Các phương pháp mô phỏng 11

2.2 Động lực ống góp hút và góp thải 12

2.2.1 Ống góp nạp 12

2.2.2 Ống góp thải 17

2.2.3 Động học trong xi lanh 18

2.2.4 Truyền nhiệt 19

2.3 Đặc tính động cơ 20

2.3.1 Công chỉ thị 20

2.3.2 Ma sát 21

2.3.3 Tổn thất ma sát 21

2.3.4 Mô men xoắn và công suất 22

2.3.5 Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiên liệu 23

2.3.6 Hiệu suất nạp: ηv 24

2.4 Phương pháp mô phỏng 25

2.4.1 Giới thiệu 25

2.4.2 Tính toán và phương pháp mô phỏng 27

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA 33

3.1 Các bước thiết lập trong mô phỏng ICE 33

3.2 Chuẩn bị mô hình phân tích 34

3.3 Lưới tính toán 38

3.4 Thiết lập thông số 40

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 47

4.1 Quá trình tạo lưới trong toàn chu kỳ 47

4.2 Phổ vận tốc lưu chất trong động cơ đốt trong 50

4.3 Nhiệt độ theo góc trục khuỷu 55

4.4 Áp suất theo góc trục khuỷu 56

4.5 Tỉ lệ xoáy 58

4.6 Kết quả mô phỏng tương ứng với các trường hợp thay đổi góc cổ nạp khí 61 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 67

5.1 Kết luận 67

5.2 Đề xuất 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

EGR:Exhaust gas recirculation

CFD: Computational fluid dynamics

FEM: Finite Element Method

CAD: Computer-aided design

CAM: Computer Aided Manufacturing

3D: 3 Dimension

ICE: Internal combustion engineer

IVO: Intake valve open

IVC: Intake valve close

EVO: Exhaust valve open

EVE: Exhaust valve close

CA: Crank angle

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1Sơ đồ ống góp nạp 12

Hình 2.2 Mô hình thành phần của dòng khí trong buồng chày trong chế độ “Mô phỏng toàn chu kỳ động cơ” 28

Hình 3.1 Mô hình thực tế của cổ nạp khí động cơ Future 34

Hình 3.2 Tiến hành đo các thông số hình học cổ nạp khí 35

Hình 3.3 Mô hình được xây dựng trong phần mềm CATIA, (a )Cổ nạp và xả (b)Xylanh, pit tông (c)Van nạp, van xả 36

Hình 3.4 Mô hình mở rộng biểu diển thể tích buồngđốt sẽ đạt được khi pit tông di chuyển 36

Hình 3.5 Mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng của nạp khí 15o 37

Hình 3.6 Mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng cổ nạp khí 30o 37

Hình 3.7 Mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng cổ góp khí 45o 38

Hình 3.8 Các bước thiết lậptổng quát trong ANSYS Workbench 38

Hình 3.9 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp nạp 15o 39

Hình 3.10 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp nạp 30o 39

Hình 3.11 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp nạp 45o 40

Hình 3.12 Thiết lập các lựa chọn tổng quát cho quá trình mô phỏng 40

Hình 3.13 Ý nghĩa các thông số trong quá trình thiết lập trong ANSYS ICE 41

Hình 3.14 Hai thẻ thiết lập thông số và các sự kiện xảy tra trong quá trình 42

Hình 3.15 Định nghĩa phản ứng cháy và các thành phần tham gia 43

Hình 3.16 Thiết lập thông số phun nhiên liệu và chế độ đánh lửa 44

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễnGóc mở van hút, van xả và độ mở của van ANSYS ICE 45

Hình 4.1Quá trình tạo lưới trong toàn chu kỳ 48

Hình 4.2 Khu vực chia lưới động lực 49

Hình 4.3 Phổ vận tốc dòng khí trong toàn chu kỳ 51

Hình 4.4 Phổ đường dòng dòng khí trong lòng xy lanh cuối kỳ hút 52

Hình 4.5 Phổ đường dòng dòng khí trong lòng xy lanh trong kỳ nén 54

Hình 4.6 Đáp ứng nhiệt độ theo góc quay của trục khuỷu 55

Hình 4.7Đáp ứng áp suất trong buồng cháytheo góc quay của trục khuỷu 57

Hình 4.8 Tỷ số xoáy của mô hình động cơ nguyên mẫu (15o) và cải tiến (30o) 58

Hình 4.9 Tỷ lệ cuộn của mô hình động cơ nguyên mẫu (15o) và cải tiến (30o) 59

Hình 4.10 Ba thành phần xoáy lốc, xoáy cuộn và xoáy cuộn ngang trong buồng đốt

60

Hình 4.11 Đường cong P-V được tính toán từ giá trị áp suất P và thể tích V 61

Hình 4.12 Đồ thị mô men xoắn tương ứng với các trường hợp tốc độ vòng quay trục khủy sau khi tính toán trong MATLAB 62

Hình 4.13 Ảnh hưởng góc nghiêng cố nạp khí đến công suất 63

Hình 4.14 Ảnh hưởng góc nghiêng cố nạp khí đến hiệu suất nạp 64

Hình 4.15 Ảnh hưởng góc nghiêng cố nạp khí đến suất tiêu hao nhiên liệu 65

DANH SÁCH CÁC BẢN

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật xe Honda Future 125 cc. 26

Bảng 3.1 Bảng thông số động cơ dùng cho mô hình cổ nạp khí-buồng đốt dùng

Bảng 3.2 Đặc trưng phương pháp phân tích transient trong ANSYS. 46

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Dẫn nhập

Thế giới trải qua các cuộc cách mạng công nghiệp từ cuối thế kỷ XVIII, khởiđầu tại các nước Châu Âu Các nhà khoa học đã cho ra đời các động cơ áp dụng vàosản xuất thay cho sức người Điều này Làm cho năng suất lao động tăng lên vượtbậc Động lực của động cơ đốt trong tạo ra góp một phần rất lớn vào sự phát triểnsản xuất, cũng như ngành giao thông Động cơ đốt trong thay thế các cỗ máy hơinước chạy bằng than, củi cồng kềnh hiệu suất thấp Nhân loại tiếp tục nghiên cứu vàphát triển các loại đời động cơ mới với rất nhiều ưu điểm như hiệu suất cao hơnđộng cơ thế hệ trước đó

Trong quá trình sử dụng con người luôn không ngừng cải tiến theo hướng tăngcông suất động cơ và giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính Hàng loạt các cảitiến có thể nhắc đến ở các hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, hệ thống xả…v.v.Cácnghiên cứu này phải được dựa trên các đường đặc tính của động cơ, cũng như tìnhtrạng làm việc thực tế Vì thế việc nghiên cứu đặc tính động cơ cũng như các cảitiến cho động cơ tối ưu hơn được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm

1.2 Lý do chọn tài

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghệ ứng dụng trong lĩnhvực giao thông, góp phần vào sự phát triển nền kinh tế Thời gian vận chuyển hànghóa thương mại và nhu cầu đi lại con người ngày càng được rút ngắn Sự phát triểncông nghệ trong động cơ đốt trong đã làm thay đổi điều này Trong ba loại phươngtiện đường bộ, đường biển và đường hàng không thì số lượng phương tiện đường bộchiếm số lượng lớn nhất Nhu cầu sử dụng phương tiện cá nhân để đi lại và chuyênchở hàng hóa thiết bị tăng cao Ở các nước đang phát triển, đặc biệt là các quốc giatại châu Á nhu cầu sử dụng xe gắn máy ngày càng tăng Sự tiện dụng, cơ động cũngnhư giá thành giúp người dân dễ dàng sở hữu một phương tiện cá nhân riêng biệtcho nhu cầu di chuyển

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

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

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

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

Những vấn đề cấp thiết đó cần có những động cơ xe máy tốt hơn, tiết kiệmnhiên liệu giảm lượng khí xả ra môi trường Đây cũng là hướng nghiên cứu của cácnhà khoa học và hãng sản xuất xe máy Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề

này dưới sự hướng dẫn của TS Lý Vĩnh Đạt học viên đã chọn đề tài “Nghiêncứu,đề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy thông qua mô phỏng.’’

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.

1.2.1 Nghiên cứu trong nước.

Nghiên cứu mô phỏng đặc tính của động cơ ở nước ta hiện nay các nhà khoahọc còn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển Từ khi có sự ra đời của cácphần mềm mô phỏng đã hỗ trợ rất nhiều cho sự thu thập tính toán cũng như môphỏng được các đặc tính của động cơ Đây là một hướng nghiên cứu mới trongnước, cho đến thời điểm hiện tại chúng ta vẫn chưa có nhiều công trình khoa họccho đề tài này Với sự nghiên cứu theo hướng mô phỏng sẽ tiết kiệm chi phí cũngnhư cho ra kết quả chuẩn xác về đối tượng nghiên cứu, phù hợp với điều kiện cònthiếu nhiều cơ sở vật chất cũng như thiết bị nghiên cứu mô phỏng động cơ Do đó,thực hiện nghiên cứu mô phỏng động cơ, đề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động

cơ làm cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng dụng trong nước là hết sức cần thiết Có thể

kể đến một số công trình làm cơ sở cho đề tài

 Bài báo:“MÔ PHỎNG NÂNG CAO TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CHO ĐỘNG

CƠ DIESEL 1 XI-LANH BẰNG THIẾT KẾ CẢI TIẾN HỌNG NẠP”[1]Tác giả: Võ Danh Toàn, Huỳnh Thanh Công, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại họcBách khoa thành phố Hồ Chí Minh

Nguồn: Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 18,số K7-2015.

Tóm tắt: Bài báo này trình bày nghiên cứu cải tiến họng nạp cho động cơ Diesel

1 xi-lanh RV165-2 nhằm tăng hiệu suất nạp và nâng cao tính năng làm việc thôngqua mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST Cácphương án cải tiến được đề xuất và đánh giá so với mô hình hệ thống nạp hiện hữu.Điều kiện mô phỏng ban đầu được dựa trên kết cấu của động cơ và thông số điềukiện vận hành từ thực nghiệm Các thông số về đặc tính công suất, sự cháy và khíthải được lựa chọn làm tiêu chuẩn đánh giá

Kết quả: Nghiên cứu thể hiện rằng, bằng phương án cải tiến họng nạp đã tănghiệu suất nạp, khả năng hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu và không khí, giúp quá trìnhcháy tốt hơn, tăng công suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải

 Luận văn “NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP TĂNG HIỆU SUẤT’’.[2]

Tác giả: Nguyễn Xuân Dung, Lý Vĩnh Đạt, Khoa Cơ khí Động lực, trường đại học

Sư phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh

Nguồn: Luận văn thạc sĩ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Tóm tắt:đề tài được thực hiện mô phỏng trên động cơ Toyota 1 NZ – FE Xâydựng cơ sở lý thuyết các đặc tính của động cơ và mô hình toán cho việc mô phỏngcác quá trình của động cơ Trên cơ sở đó nghiên cứu hệ thống VVT-i việc thay đổithời điểm đóng mở xupap đến khả năng cải tiến hiệu suất động cơ

Kết quả: Qua nghiên cứu cho thấy việc thay đổi thời điểm đóng mở xupap ảnhhưởng đến công suất động cơ Làm tối ưu hóa quá trình cháy, giảm được lượng khíthải động cơ và nâng cao được công suất Tạo một cơ sở lý thuyết tin cậy cho việcnghiên cứu đặc tính động cơ xăng, mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/ simulink

 Luận văn: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ĐỘNG CƠ 3 XY LANH DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY THREE VORTEX

COMBUSTION (TVC), SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC

BIO-DIESEL (THAM KHẢO ĐỘNG CƠ 3 XY LANH KUBOTA E3B)’’.[3]

D1703-M-Tác giả: Huỳnh Diệp Ngọc Long, Phạm Xuân Mai, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đạihọc Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

Nguồn: Luận văn thạc sĩ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Tóm tắt: Nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong cỡ trung đang rất cần cho nền nôngnghiệp trong nước Đề tài đề cập đến nghiên cứu cách thiết kế mẫu chi tiết động cơbằng kỹ thuật thiết kế ngược, dựa trên nền tảng mẫu là động cơ Kubota D17-M-E3B Qua cách thu thập số liệu và kết hợp nhiều phần mềm thiết kế, mô phỏng tínhtoán cho chi tiết chế tạo

Kết quả: Đã thu thập dữ liệu tính toán và nghiên cứu điều kiện làm việc các chitiết và mô phỏng trên phần mềm Catia, Ansys Thiết kế được 5 chi tiết chính củađộng cơ mẫu: piston, thanh truyền, trục khuỷu, thân máy và nắp máy.Kiểm nghiệmsức bền của 5 chi tiết chính: piston, thanh truyền, trục khuỷu, thân máy và nắp máy

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước.

 Bài báo: “ENGINE MODELING WITH INLET AND EXHAUST WAVE ACTION FOR REAL TIME CONTROL”.[4]

Tác giả: Yuh-Yih Wu, Bo-Chiuan Chen, Yaojung Shiao, Feng-Chi Hsieh NationalTaipei University of Technology, TAIWAN

Nguồn: Proceedings of IMECE’03 2003 ASME International MechanicalEngineering Congress Washington, D.C., November 15–21, 2003

Tóm tắt: Bài báo nói về nội dung mô phỏng các đặc tính của động cơ Yamahadung tích 125 Tác giả đã tính toán các đặc tính đầu ra của động cơ xe máy dựa trên

đề xuất 2 mô hình mô phỏng: mô hình chức năng momen xoắn (torque functionmodel) và mô hình tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy (heat release model) Môphỏng các quá trình làm việc của động cơ dựa trên phần mềm Matlab simulink baogồm các mô hình đầu vào truyền nhiệt, ma sát và động học sinh ra của động cơ Kết quả: Cả hai mô hình được đề xuất trong nghiên cứu đều có kết quả gần sátvới thực nghiệm Tuy nhiên mỗi mô hình có đặc điểm khác nhau: mô hình chứcnăng moment xoắn có ưu điểm trong việc mô phỏng tính toán đặc tính động cơ vớithời gian ngắn và phù hợp với mô phỏng điều khiển các trạng thái trong xe Hybrid.Trong khi đó, mô hình tốc độ toả nhiệt có ưu điểm trong việc mô phỏng điều khiển

hệ thống truyền lực trong động cơ và xét các ảnh hưởng của sự dịch chuyển dòngkhí nạp đến quá trình cháy động cơ

 Bài báo” EFFECTS OF VALVE TIMING AND INTAKE FLOW MOTION CONTROL ON COMBUSTION AND TIME-RESOLVED HC & NOX FORMATION CHARACTERISTICS”.[5]

Tác giả: C L Myung, K H Choi, I G Hwang, K H Lee, and S Park

Nguồn: International Journal of Automotive Technology, vol 10, no 2, pp 161–

Kết quả: Bài báo kết luận rằng thời điểm mở xupap nạp sớm có hiệu quả,quátrình hòa trộn nhiên liệu và không khí đều hơn, phân phối khí tối ưu làm giảm HC

và điều chỉ độ tăng NOx thải ra môi trường Với sự xoáy lốc đứng (tumble) thì hàmlượng HC giảm 12% ở chế độ tỉ lệ xoáy lốc đứng chiếm 50% và giảm thêm được16% HC khi xoáy lốc đứng tiếp tục điều chỉnh lên 75% Cần cân chỉ lại lượng NOxthải ra

 Bài báo: “ANALYSIS OF TUMBLE AND SWIRL MOTIONS IN A

MOTIONS IN A FOUR- VALVE SI ENGINE’’.[6]

Tác giả: Yufeng Li, Hua Zhao, Zhijun Peng and Nicos Ladommatos

Nguồn: International Fall Fuels and Lubricants Meeting and Exposition San

Antonio, Texas,September 24-27, 2001

Tóm tắt: Bài báo đề cập đến vấn đề tỉ lệ tạo xoáy trong buồng đốt Tumble vàSwirl trong một động cơ xăng 4 kì có 4 van xuppap Xây dựng được mô hình thínghiệm và mô phỏng tỉ lệ xoáy cuộn trong lòng xylanh động cơ ở 2 kì là nạp và néncủa động cơ, thiết lập các mô hình và đồ thị tỉ lệ ở từng thời điểm quay của trụckhuỷa động cơ

Kết quả: Bài báo đã mô phỏng được sự xoáy lốc trong buồng đốt động cơ và xéttính ảnh hưởng của tỉ lệ Tumble và Swirl đến sự hòa trộn ở kì nạp và nén.Nghiêncứu được năng lượng xoáy cuộn đứng tốt cho quá trình nén trong động cơ

 Bài báo: “AUTOMOTIVE ENGINE MODELING FOR REAL- TIME CONTROL USING MATLAB/SIMULINK”.[7]

Tác giả: Rober W.Weeksand John J.Moskwa Powertrain Control ResearchLaboratory University Of Wisconsin- Maddison

Nguồn: SAE Paper 776-4841

Tóm tắt: Bài báo sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng một động cơ xăng 4

kì Cách xây dựng một mô hình động cơ trong phần mềm Matlab/simulink.Hướngdẫn cách sử dụng phần mềm Sự cần thiết của mô hình hóa động cơ trong mô phỏng

và cải tiến đặc tính giảm khí thải

Kết quả: Xây dựng được 5 mô hình chính trên động cơ xăng trong phần mềm:

Mô hình điều khiển nhúng điện tử,đánh lửa, cảm biến điều khiển và mô hình truyềnlực

1.4 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 xe

máy

- Thuật toán mô phỏng động cơ.

- Xây dựng mô hình hóa mô phỏng các đặc tính động cơ bằng phần mềm

Ansys, Matlab Simulink

- Xét sự ảnh hưởng của các thông số trên hệ thống nạp đến đặc tính động cơ.

Trên cơ sở đó, đề xuất sự cải tiến hệ thống nạp tối ưu cho động cơ xe máyHonda 125 cc

1.5 Giới hạn của đề tài.

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

số và các hệ thống trong động cơ trong quá trình nghiên cứu Liên quan đến nhiềukiến thức của các ngành khoa học và thiết kế đồ họa Trong đề tài này tập trung vào

nghiên cứu đặc tính công suất từ đó cải tiến hệ thống nạp tối ưu để được một hiệusuất tốt nhất.

Động cơ hoạt động rất nhiều tốc độ khác nhau nên ta chọn nghiên cứu ở cácmức tốc độ là: 3000v/p, 5000v/p, 7000v/p, 8000v/p Ảnh hưởng của các cải tiến hệthống nạp đến các thông số công suất và khí thải ở các tốc độ này so với ban đầu

chưa cải tiến Đánh giá được kết quả nghiên cứu đem lại cho sự tối ưu của động cơ.

Đề tài chỉ dừng lại ở mức mô phỏng và thiết kế trên phần mềm chuyên dụng để cho

ra được kết quả nghiên cứu chưa tao ra được sản phẩm áp dụng trên xe

1.6 Đối tượng nghiên cứu.

Nghiên cứu mô phỏng các thông số trên động cơ xe máy thu thập các thông số cóđược của hệ thống nạp Hệ thống nạp và cổ nạp là vấn đề được tập trung nghiên cứutrong đề tài Sự thay đổi hình dạng cũng như kích thước tạo sự xoáy lốc khác nhautrong buồng đốt ảnh hưởng đền hiệu suất động cơ thông qua sự thay đổi hiệu suấtnạp Từ nghiên cứu này đưa ra tài liệu cơ sở lý thuyết tin cậy cho sự nghiên cứu vềcác thông số nạp ảnh hưởng đến hiệu suất, khí thải động cơ diesel mà hệ thống nạpmang đến

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

a Ý nghĩa khoa học

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

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

việc mô phỏng thông qua phần mềm

b Ý nghĩa thực tiễn

Việc xây dựng và mô phỏng động cơ bằng phần mềm Ansuys vàMatlab/simulink sẽ đem lại một số ưu điểm: tiết kiệm thời gian, chi phí, công sức

Điều này phù hợp với tình hình nghiên cứu trong nước ta hiện nay Bên cạnh đó,những thí nghiệm có nhiều thông số ảnh hưởng qua lại hay khó thực hiện đượctrong thực tiễn, thông qua việc thiết lập mô hình mô phỏng sát với thực tế thì có thểcan thiệp vào các thông sốđó dễ dàng Qua đề tài cũng góp phần xây dựng nên mộtphương pháp cải tiến mới cho các động cơ diesel cũ ở nước ta Sự ứng dụng củaphần mềm mô phỏng đến hướng nghiên cứu và phát triển động cơ trong tương lai.Tuy nhiên đây là một vấn đề nghiên cứu lớn và phức tạp, cần có nhiều thời gian vàthiết bị hiện đại trong quá trình nghiên cứu.

1.8 Phương pháp nghiên cứu.

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

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu.

- Phương pháp xây dựng mô hình toán và mô phỏng.

- Phương pháp so sánh đối chiếu kết quả.

- Phương pháp thiết kếmô phỏng dòng chảy.

- Phương pháp khảo sát đối tượng.

1.9 Kế hoạch thực hiện.

Thời gian Công việc

Tháng 5/2016 - tháng 03/2017

0 5

0 6

0 7

0 8

0 9

1 0

1 1

1 2

0 1

0 2

0 3

2 Xác định đề tài nghiên cứu,

xác định hướng nghiên cứu X

3 Tìm hiểu, thu thập tài liệu về

5 Viết chương III X X

7 Hoàn chỉnh thủ tục, bảo vệ

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ

2.1 Các phương pháp mô phỏng.

Mô phỏng động cơ được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau Trong

đó, có bốn loại mô hình hóa tính toán chính xác dòng nạp và xả được phát triển và

sử dụng:

(1) Mô hình Quasi-steady: được sử dụng cho điều khiển, như điều khiển vanEGR Khuyết điểm là dùng quá nhiều phương trình thực nghiệm nghiệm nên kếtquả tính toán không đạt độ chính xác cao

(2) Mô hình Filling and empting: được sử dụng cho tính toán hiệu suất Sử dụngphương trình khối lượng và năng lượng hoặc entropy Không cần đến phương trìnhđộng lực trong việc tính toán

(3) Mô hình Wave action: Dùng các phương trình động lực của dòng chảy mộtchiều Thời gian tính toán khá dài Đối với các đường ống có tỉ lệ chiều dài chiađường kính lớn hơn 10, ảnh hưởng của bản chất sóng không nên bỏ qua

(4) Mô hình CFD: Mô phỏng dòng chảy 3 chiều Thời gian tính toán khá dài.Được dùng cho một thiết kế động cơ mới

Tính toán tốc độ dòng khí vào động cơ là một hàm số theo A (diện tích), PO (ápsuất khí quyển), và Pm/PO (tỉ lệ áp suất của áp suất đướng ống và áp suất khí quyển)

0 0

cơ, thì ta dùng “mô hình hóa Quasi-steady”

Nếu áp suất đường ống Pm không ổn định, ta dùng phương pháp “mô hình hóaFilling and empting”

Nếu áp suất sóng trong đường ống là đáng kể, ta dùng phương pháp “mô hìnhhóa Wave action”

Trong đề tài này là tính toán hiệu suất, suất tiêu hao nhiên hiệu, hiệu suất nạp vànhiên liệu của động cơ đốt trong Vì vậy, đề tài sử dung phương pháp "Fillingand empting" để mô phỏng động cơ Chia thành các mô hình sau đây: (1) Nạp,(2)Cháy, (3) Truyền nhiệt,(4) Ma sát,(5) Làm việc.

2.2 Động lực ống góp hút và góp thải.

2.2.1 Ống góp nạp.

Hệ thống nạp được chia thành một số phần như được thể hiện hình 2.1 baogồm:phần đầu ống góp nạp, ống góp nạp, xi lanh [8] Các phần đó được xem như làthể tích xác định bằng phương pháp “Filling and Emptying Methods” Các phươngtrình động học đặc trưng dựa trên định luật khí lý tưởng, định luật bảo toàn khốilượng và định luật bảo toàn năng lượng

Hình 2.1Sơ đồ ống góp nạp.

Trong phương pháp“Filling and Emptying Methods”, người ta sử dụng một môhình dòng chảy gần như ổn định đi qua một lỗ để suy ra mô hình dòng lưu lượng điqua phần đầu ống góp nạp, ống góp xi lanh, và xupap nạp Mối quan hệ gần như ổn

định của dòng khí đi qua xupap mở dựa trên giả thiết của dòng một chiều, ổn định,chịu nén của khí lý tưởng Lưu lượng khối lượng khí được tính bằng công thức:

- d 0: hàm chuẩn dòng chảy qua lỗ, thông số này phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ

phía dưới, p 1 và T 1 , áp suất và nhiệt độ phía trên, p 2 và T 2

2 2

0 1 2 1 2

1 1

d p p T T

p RT

Động học ống góp nạp có thể được tính bởi phương trình vi phân bậc nhất có

liên quan đến mức độ thay đổi áp suất ống góp nạp, P m, với lưu lượng khối lượngkhí vào và ra khỏi ống góp chung (tương ứng với m 

r i m

- i: biểu thị cho xi lanh thứi th.

- n: số xi lanh trong động cơ

- m 

: lưu lượngkhối lượngkhí đi qua phần đầu ống góp nạp (kg/s).

- m r i: lưu lượng khối lượng khí từống góp chung vào ống góp nạp riêng từng xilanh thứ ith (kg/s)

- p 0:thể hiện cho áp suât môi trường

- p m:áp suất ống góp hút

- :tỉ lệ nhiệt riêng

- A φ : diện tích thân bướm ga (m 2 ), là một hàm của vị trí bướm ga Trong mô hình này, động cơ luôn hoạt động với φ = 90 0 cho tất cả điều kiện hoạt động củađộng cơ Vì thế Aφ được tính bằng phương trình sau:

- d: đường kính thânbướm ga.

- 0: góc mở ban đầu bướm ga

Lưu lượng khối lượng trong ống góp nạp riêng từng xi lanh phụ thuộc vào sự

khác nhau của áp suất và nhiệt độ giữa ống gópnạp chungP m và phần ống gópriêng

- p ci : áp suất ở xi lanh thứ ith(Pa)

-0.14 8

: diện tích hiệu dụng xu-pap nạp (m2) với IVP là biên dạngxu-pap nạp

Áp dụng công thức (2.3) (2.4) (2.5) để tính d(p ci , p ri) đối với dòng lưu lượng

đi qua xu-pap nạp Nó phụ thuộc vào sự khác nhau của nhiệt độ và áp suất giữa ốnggóp từng xi lanh và xi lanh

2.2.1.4 Biên dạng xu-pap.

Biên dạng nâng xu páp ở động cơgần giống với biên dạng đường sin.Thời giannâng xu-papt r, là chu trình của xu-pap đi từ dưới lên trên, thường được tính bằngnửa thời gian dao động:



(2.18)Trong đó:

-M: tổng khối lượng di chuyển của các bộ di chuyển và xu-pap.

-K:tổng độ cứng các lò xo(N/m).

Trong động cơ đánh lửa, biên dạng xu-pap nạp và xu-pap thải giống như biêndạngđường sin Vì thế, biên dạng xu-pap nạp và xả trong nghiên cứu này gần giốngvới công thức (2.19) Độ nâng xu-pap được xác định bởi công thức:

- hmax: độ nâng lớn nhất của xu-pap

Thời gian nâng xu-paptr phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật của hệ thống Trongkhi đó góc nâng tương ứng θr lại phụ thuộc vào tốc độ góc trục khuỷu.r lại phụ thuộc vào tốc độ góc trục khuỷu

2.2.2 Ống góp thải.

Ống góp thải cũng áp dụng phương pháp “Filling and Emptying” Hệ thống thải

có thể được chia thành các phần bao gồm: xi lanh, ống góp thải và ống thải Xácđịnh lưu lượng khối lượngchất thải qua ống góp thải và mức độ thay đổi áp suất ốnggóp thải, p ex , như sau:

(kg/s)

-m ex pipe, : lưu lượng khối lượng chấtthải qua ống thải ra ngoài (kg/s)

-T ex : nhiệt độ khí xả(K)

-V ex: thể tích ống góp thải (m3)

Tương tự, lưu lượng khối lượngchất thải qua ống thải m ex pipe, và xu-pap thải

- A ex : diện tích ống góp thải (m2)

- P ex : áp suất ống góp thải (Pa).

- p ci,out : áp suất xi lanh thứ ithdo xu-pap xả.

Chúng ta cũng có thể áp dụng công thức (2.20) (2.21) (2.22) để tính lưu lượngkhí xả thông qua xu páp xả và ống xả

2.2.3 Động học trong xi lanh.

Mục đích của việc xây dựng mô hình mô phỏng là để phù hợp với mô hìnhđộng cơ thực, vì thế mô hình cháy được sử dụng trong động cơ không trục camkhông bướm ga Mức độ thay đổi áp suất trong xi lanh thu được từ phương trìnhsau:

- Q ht: nhiệt truyền đi

-p và V: áp suất xi lanh (Pa) và thể tích xi lanh (m3)

-θr lại phụ thuộc vào tốc độ góc trục khuỷu.: là góc quay trục khuỷu.

-Tw: nhiệt độ thành buồng đốt (K).

-PV T

mR



: nhiệt độ trung bình của khí

-h: hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m2/K)

- A: diện tích bề mặt buồng đốt (m2) được tính bằng công thức:

- L: Chiều dài thanh truyền.

Hệ số truyền nhiệt đối lưu có thể thu được từ phương trình thực nghiệm, là một

hàm của áp suất xi lanh p (bar), nhiệt độ khí T(K), và vận tốc trung bình khí C m (m/ s).

- Q ht: nhiệt truyền đi.

- p và V: áp suất xi lanh (P a ) và thể tích xi lanh (m 3)

- r: bán kính quay trục khuỷu động cơ.

- L: chiều dài thanh truyền.

- θ: góc quay trục khuỷu.

2.3.2 Ma sát.

Tổn thất ma sát ảnh hưởng đến công suất biểu thị và công suất thực tế của động

cơ xăng Barnes-Moss đã thử nghiệm cho động cơ xăng 4 kỳ 4 xi lanh ứng với thể

tích xi lanh khoảng 845 đến 2000 cm 3 ở chế độ bướm ga mở lớn Tổng áp lực masát hiệu dụng trung bình là một hàm của tốc độ động cơ tương ứng với một phươngtrình có dạng:

Tính năng động cơ xăng 4 kỳ được thể hiện bởi áp suất trung bình Mô mentxoắn thực tế và công suất thực tế có được do mô men và công biểu thị trừđi tổn thất

ma sát Mô ment xoắn thực tế được tính bằng công thức:

Trong đó:

- T b: mô men xoắn thực tế

- T i: mô men xoắn biểu thị

- T f: mô men xoắn do tổn thất ma sát

Mô men xoắn biểu thịđược tính bởi công thức:

p V N

P 

(2.43)Mối quan hệ giữa mô ment xoắn và công suất được thể hiện:

2 60

NT

(2.44)

2.3.5 Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiên liệu.

Suất tiêu hao nhiên liệu m fđược đo bằng tốc độ lưu lượng – lưu lượng khối

lượng trên đơn vị thời gian Mức tiêu hao nhiên liệu riêng (sfc) được tính bằng tỉ lệ

lưu lượng nhiên liệu trên đơn vị công suất đầu ra, là thông số có được dựa vào côngthức:

f

m sfc P

(2.45)Một giá trị cơ bản hơn đánh giá hiệu quả nhiên liệu là hiệu suất chuyển đổinhiên liệu Tỉ lệ công sinh ra với năng lượng nhiên liệu cung cấp tương ứng một chu

kỳ được sinh ra trong quá trình đốt được dùng để đánh giá hiệu quả chuyển đổinhiên liệu Năng lượng nhiên liệu cung cấp được xácđịnh bởi khối lượng nhiên liệucung cấp cho động cơ tương ứng với một chu kỳ so với nhiệt trị của nhiên liệu Vìthế hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu được xác định bởi công thức:

R c

m n

Q N

- f : hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu

- m f: khối lượng nhiên liệu hiệu dụng đối với một chu trình

- W c: công trên chu kỳ

- n R: số vòng quay của trục khuỷu cho mỗi kỳ sinh công trên xi lanh

- Q HV: giá trị nhiệt trị của nhiên liệu

Ta có thể viết lại:

f

HV sfcQ

Vì thế, hiệu suất nạp ηv là tỉ số giữa lượng hòa khí thực tế nạp vào xi lanh ở đầu quátrình nén khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải so với khối lượng hòa khí lý thuyết cóthể nạp đầy vào thể tích công tác của xi lanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ hòa khíphía trước xu-pap nạp Hiệu suất nạp được tính bằng công thức:

- v: hiệu suất nạp

- m a: khối lượng khí đi vào xi lanh

- m a: khối lượng khí thực tếđi vào xi lanh trên mỗi chu trình

Để cải thiện hiệu suất động cơ đốt trong việc tìm hiểu bản chất dòng khí ga vàquá trình cháy trong các động cơ là quan trọng Dòng trong động cơ có thể được đặctrưng bởi tỉ lệ xoáy, tỉ lệ cuộn và tỉ lệ nén của xy lanh Chuyển động của dòng khí

ga ảnh hưởng mạnh đến quá trình cháy và vì vậy cũng ảnh hưởng đến sự bức xạ khíthải của động cơ Tỉ lệ xoáy và tỉ lệ cuộn được tạo ở kỳ nạp và là kết quả của hìnhdạng, đặc biệt là độ nghiêng của cổ nạp khí Vì vậy, độ nghiêng cổ nạp khí là mộtthông số ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ cũng như lượng bức xạ khí thải

ra môi trường Trong nội dung đề tài, chúng tôi mô phỏng và tối ưu hóa hình dạng

cổ nạp khí cho động cơ xe honda future 125 cc

Mô phỏng quá trình cháy của động cơ đốt đánh lửa trong 4 kỳ một xy lanh vớicác góc nghiêng cổ nạp khí khác nhau được tạo hình học bằng ANSYS DesignModeller, được chia lưới và mô phỏng trong FLUENT sử dụng mô hình k-eturbulence [9][10] Mô phỏng và phân tích động lực học chất lưu (CFD) có thể dễdàng hình dung phổ vận tốc trong các kỳ nạp, nén, nổ, xả Hơn thế, xu hướng củacác thông số như áp suất, nhiệt độ và các thông số thu được khác như công suấtthực, công suất chỉ thị theo thời gian có thể được hiểu một cách dễ dàng

Bảng2.1Thông số kỹ thuật xe Honda Future 125 cc.

52,4 x 57,9 mm

124.8 cm3 (7.46 cu-in)9.3: 1

Hai xupap truyền động xích đơn SOHC

Xupap hút: Mở khi nâng lên 1 mm

Đóng khi nâng lên 1mm

Xupap thải: Mở khi nâng lên 1mm

Đóng khi nâng lên 1mm

Hệ thống bôi trơn

Kiểu bơm dầu

Hệ thống làm mátLọc gió

Khối lượng động cơ

Bố trí xilanh

20 trước điểm chết trên

250 sau điểm chết dưới

340 trước điểm chết dưới

00 tại điểm chết trênBôi trơn ướt và áp suất cưỡng bức

Bơm bánh răngLàm mát bằng không khíLọc gió giấy nhờ

24.6kgXilanh đơn nghiêng 800 so với phương thẳng đứng

NHIÊN LIỆU Loại: Chế hòa khí

PGM-FITrụ ga: Chế hòa khí PGM-FI

Loại van pistonPhun xăng điện tử

18 mm

24 mm

2.4.2 Tính toán và phương pháp mô phỏng

2.4.2.1Phương pháp mô phỏng CFD sử dụng mô-đun ICE trong Ansys

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử, phương pháp phần tửhữu hạn (FEM – Finite Element Method) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong kỹthuật Với các chương trình dựa trên nền tảng FEM, ứng xử của các đối tượng trong

kỹ thuật đều có thể tính toán, mô phỏng được Bên cạnh đó, các chương trình FEMcòn được liên kết với các chương trình CAD/CAM để tạo ra một quá trình: môphỏng - tính toán – chế tạo