HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu mơ ảnh hưởng pha phối khí đến tính kỹ thuật phát thải động xăng xylanh cỡ nhỏ Simulation study on the effect of timing system to technical features and emissions of a small single-cylinder gasoline engine Nguyễn Tuấn Nghĩa1,*, Nguyễn Phi Trường1, Nguyễn Thành Vinh1, Trần Đăng Quốc2 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email: nghiant@haui.edu.vn Mobile: 0982456798 Tóm tắt Từ khóa: AVL-BOOST; Động xăng xylanh; Xupap nạp; Xupap xả Bài báo khảo sát thay đổi tính kỹ thuật phát thải động xăng xylanh sử dụng phần mềm mô AVL-Boot chế độ: tải nhỏ (20% tải), tải trung bình (50%) tải lớn (90% tải) động làm việc tốc độ 5000 vịng/phút Các góc mở sớm đóng muộn xupap nạp xả tiến hành thay đổi phạm vi từ 20 đến 40 so với góc đóng mở nguyên Động hoạt động tốc độ khác mà tốc độ lại tương ứng với pha phân phối khí tối ưu đảm bảo cho hệ số nạp đạt cực đại Chế độ tải nhỏ có góc mở sớm đóng muộn thay đổi nhỏ so với góc đóng mở nguyên để tăng tính kỹ thuật giảm phát thải động Chế độ tải trung bình động thiết kế để làm việc tốt 5000 (vg/ph) nên góc nguyên tối ưu Chế độ tải lớn góc thay đổi lớn so với góc đóng mở nguyên để đạt góc tối ưu động Kết nghiên cứu sở để cải thiện kết cấu, thiết kế hệ thống điều khiển pha phối khí thơng minh dùng cho động xy lanh, nhằm làm cho động có hiệu làm việc cao chế độ tải khác Abstract Keywords: AVL-BOOST; Singlecylinder gasoline engine; Intake valve; Exhaust valve Ngày nhận bài: 30/06/2018 Ngày nhận sửa: 08/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 This paper investigatesthe change of technical features and emission of a singlecylinder gasoline engine using AVL-Bootsimulation software in the following modes: small load (20% load), medium load (50%) and large load (90% load) while the engine working at 5000 rpm The late intake valve closing and early exhaust valve opening were changed in the range of 20 to 40compared to the original angles.The engine runs at different speeds corresponding to determined optimal air distributions, ensuring peak load factor.In small load mode, the late intake valve closing and early exhaust valve openinghave smaller changes than the original angle in order to increase the technical features and reduce engine emissions In mediumload mode, the enginewas designed to work best at 5000 rpm, thus the original angle is optimal In large load mode, the angle underwent major changes compared to the original angle in order to achieve the optimum angle of the engine The research results serve as the basis for structure improvement andintelligent control system design of single-cylinder engines, in order to achieve optimal performance at different load modes HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Đối với động đốt trong, nhằm tăng khả nạp đầy mối chất kỳ nạp thải khí thải kỳ thải, người ta thường thiết kế có góc mở sớm đóng muộn xupap nạp xả [1],[2] Tuy nhiên, giá trị góc mở sớm đóng muộn thường tính tốn tối ưu cho chế độ hay làm việc động (thường chế độ tải trung bình), cịn chế độ khác khơng tối ưu Nhằm tối ưu hóa tất chế độ làm việc động cơ, thời điểm mở khoảng thời gian mở xupap cho động hoạt động với hiệu cao giảm tối đa mức tiêu tốn nhiên liệu đồng thời khí thải phát gây nhiễm mơi trường Cơ cấu phân phối khí biến thiên linh hoạt cơng nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa hiệu động nhiều kỹ sư thiết kế động nước giới nghiên cứu chế tạo Trên giới hệ thống phối khí thông minh ngày phổ biến ô tô biết đến như: Hệ thống VVT-I Toyota, hệ thống VTEC Honda, hệ thống VCT Ford, hệ thống MIVEC Mitsubishi Hầu hết đề tài nghiên cứu ngồi nước có kết nghiên cứu thay đổi pha phối khí tơ số xe máy đời Một phương án thay đổi biên dạng cam [8] thay đổi thời điểm đóng xupap [6], [7] Tuy nhiên, Việt Nam sử dụng hầu hết xe máy có cấu phối khí cố định Việc nghiên cứu thay đổi pha phối khí động nhằm định hướng cho việc thiết kế cải tiến cấu phối khí nhằm nâng cao hiệu làm việc động đáp ứng tiêu chuẩn khí thải áp dụng Bên cạnh phương pháp mơ hình hố - mơ ứng dụng rộng rãi ngày cải tiến để phù hợp với xu hướng nghiên cứu lĩnh vực động đốt (ĐCĐT) Việc ứng dụng phần mềm mô trình nghiên cứu có tác dụng rút ngắn thời gian nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chạy thử nghiệm Ngồi ra, ứng dụng phần mềm mơ hình hố - mơ cịn cho phép tối ưu hố q trình cơng tác, kết cấu ĐCĐT để tối ưu hố tính kinh tế, hiệu giảm nhiễm mơi trường XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Động xăng xylanh mơ hình hóa mơ phần mềm AVL-Boost thực Phòng thí nghiệm Động đốt trong, Trường ĐHBK Hà Nội 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu động xe máy có cấu phối khí cố định với thông số kỹ thuật thể bảng Bảng Thông số kỹ thuật động xăng xylanh STT Thơng số Dung tích Đường kính xy lanh Hành trình piston Tỉ số nén Cơng suất tối đa Mômen xoắn tối đa Giá trị 108 cm3 50 mm 55 mm 11 : 6.5 kW / 7500 v/ph 9,1Nm / 5500v/ph 2.2 Mơ hình động xăng xylanh Mơ hình động xây dựng sở lý thuyết mơ hình như: Mơ hình cháy; mơ trình trao đổi nhiệt; Mơ hình nạp thải; Mơ hình phát thải… Tất mơ hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 lựa chọn phần mềm AVL-Boost Ngoài ra, dựa vào cấu tạo động thực tế tiến hành lựa chọn nhập liệu cho phần tử thuộc mơ hình mơ Số lượng phần tử mơ hình trình bày bảng Bảng Các phần tử mơ hình Tên phần tử Kí hiệu E C CL I PL MP R SB Động Xylanh Lọc gió Vịi phun Bình tiêu âm Các điểm đo Phần tử cản Điều kiện biên Các đường ống Số lượng 1 1 8 Sau kết nối phần tử ta mơ hình hồn chỉnh động xylanh thể hình Hình Mơ hình động phần mềm AVL-Boost 2.3 Đánh giá độ tin cậy mơ hình Độ tin cậy mơ hình đánh giá thơng qua so sánh đặc tính ngồi cơng suất mơ men chạy thực tế băng thử mô hình mơ Kết thể bảng Bảng So sánh mô men, công suất thực nghiệm mô Tốc độ (vg/ph) 3000 4000 5000 6000 7000 Mô 2,21 3,42 4,79 5,74 6,33 Ne Thực nghiệm 2,16 3,45 4,85 5,83 6,45 Me Mô 7,04 8,17 9,15 9,14 8,64 Thực nghiệm 6,88 8,24 9,26 9,28 8,80 Sai lệch Ne Me 2,31% 2,26% -0,87% -0,88% -1,24% -1,25% -1,54% -1,57% -1,86% -1,90% HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Kết cho thấy sai lệch lớn công suất 2,31%, mômen 2,26% Như vậy, tất sai lệch nằm mức cho phép (5%) Do đó, thấy mơ hình đảm bảo độ tin cậy 2.4 Chế độ mô Chế độ mô tiến chế độ tải (20%, 50% 90%) tốc độ 5000 (vg/ph) Tại chế độ tiến hành thay đổi góc mở sớm đóng muộn xupap so với góc nguyên từ 20 đến 40 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Chế độ tải nhỏ 3.1.1 Mở sớm xupap nạp Kết ảnh hưởng việc mở sớm xupap nạp đến tính kỹ thuật phát thải thể hình Hình Tính kỹ thuật phát thải mở sớm xupap nạp + Tính kỹ thuật: Kết mơ cho thấy công suất mô men động tăng cao góc mở sớm 20 giảm góc mở muộn so với góc nguyên Điều giải thích mở xupap nạp sớm tạo điều kiện cho việc nạp hỗn hợp nhiều Tuy nhiên, mở sớm q (40) khơng tốt góc trùng điệp tăng lên tạo điều kiện cho khí xả quay ngược vào đường nạp + Phát thải: Chế độ tải nhỏ mở sớm xupap nạp hàm lượng NOx thay đổi khơng đáng kể, hàm lượng HC CO giảm nhanh Điều giải thích hỗn hợp được tiếp xúc với nhiệt độ cao buồng cháy sớm nên hòa trộn tốt kết hỗn hợp cháy triệt để 3.1.2 Đóng muộn xupap nạp Ảnh hưởng việc đóng muộn xupap nạp thể hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Tính kỹ thuật phát thải đóng muộn xupap nạp + Tính kỹ thuật: Cơng suất mơ men tăng lên giảm đóng sớm Trong khoảng đóng sớm 2o đóng muộn 2o công suất động gần không đổi Khi đóng muộn hỗn hợp khí nạp thêm vào động làm tăng hiệu suất trình cháy + Phát thải: Hàm lượng phát thải khí NOx khơng có biến động Nhưng với đó, hỗn hợp khí nạp vào nhiều, hỗn hợp khí nạp chiếm nhiều không gian buồng cháy cho chất lượng cháy cải thiện nên hàm lượng CO HC khí thải giảm nhanh Đặc biệt hàm lượng CO giảm tới 25% đóng muộn xupap nạp 4o 3.1.3 Mở sớm xupap thải Ảnh hưởng việc mở sớm xupap thải thể hình Hình Tính kỹ thuật phát thải mở sớm xupap thải + Tính kỹ thuật: Khi mở sớm xupap xả tính kỹ thuật động khơng thay đổi nhiều, mở sớm xupap thải không ảnh hưởng nhiều đến công suất mô men động + Phát thải: Hàm lượng CO HC gần khơng thay đổi Ở đây, hàm lượng khí NOx tăng lên mở sớm xupap thải có chiều hướng giảm mở muộn xupap 3.1.4 Đóng muộn xupap thải Ảnh hưởng việc đóng muộn xupap thải thể hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Tính kỹ thuật phát thải đóng muộn xupap thải + Tính kỹ thuật: Kết cho thấy cơng suất mô men gần không bị ảnh hưởng đóng sớm 20 đóng muộn 20 Mơ men động tăng nhẹ đóng muộn 40 + Phát thải: Đóng muộn động chạy chế độ tải nhỏ hàm lượng khí CO khơng thay đổi, hàm lượng khí NOx có tăng lên khơng đáng kể, hàm lượng HC giảm xuống Điều giải thích sau: trình cháy tiếp diễn nên hàm lượng HC hỗn hợp tiếp tục phản ứng kết hàm lượng HC khí thải giảm 3.2 Chế độ tải trung bình 3.2.1 Mở sớm đóng muộn xupap nạp Hình thể ảnh hưởng góc mở sớm, đóng muộn xupap nạp đến cơng suất mơ men động chế độ tải trung bình Kết cho thấy, thay đổi công suất mơ men khơng nhiều, góc ngun cho giá trị cao Hình Tính kỹ thuật thay đổi góc mở sớm, đóng muộn xupap nạp Hình trình bày kết phát thải cho thấy giảm thời gian nạp CO va HC tăng lên giảm thời gian bay ngược lại, NOx không thay đổi đáng kể Tuy nhiên, để đảm bảo công suất mô men góc ngun nên lựa chọn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Phát thải thay đổi góc mở sớm, đóng muộn xupap nạp 3.2.2 Mở sớm đóng muộn xupap thải Hình thể ảnh hưởng góc mở sớm đóng muộn xupap nạp đến tính kỹ thuật Tương tự hình 8, thấy ảnh hưởng khơng nhiều góc ngun cho giá trị lớn Có thể giải thích đay góc tối ưu thiết kế cho chế độ tải trung bình Hình Tính kỹ thuật thay đổi góc mở sớm, đóng muộn xupap thải Hình trình bày kết phát thải Ảnh hưởng góc mở sớm đóng muộn xupap thải đến phát thải độc hại khơng nhiều Do đó, góc ngun nên lựa chọn Hình Phát thải thay đổi góc mở sớm, đóng muộn xupap thải HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.3 Chế độ tải lớn 3.3.1 Mở sớm xupap nạp Hình 10 thể thay đổi góc mở sớm xupap nạp ảnh hưởng đến tính kỹ thuật phát thải động chế độ tải lớn + Tính kỹ thuật: Khi mở sớm xupap nạp cơng suất mơ men động tăng giảm mở muộn so góc nguyên Ở chế độ tải lớn cần phát công suất mơ men lớn, cần mở xupap nạp sớm nhằm tăng lượng hỗn hợp cho động Hình 10 Tính kỹ thuật phát thải mở sớm xupap nạp + Phát thải: Phát thải động khí mở sớm xupap nạp so với góc nguyên hàm lượng CO NOx giảm hàm lượng HC thay đổi khơng đáng kể Ngược lại, mở muộn NOx đặc biệt CO tăng nhanh Nguyên nhân thời gian nạp giảm gây bất lợi cho trình cháy 3.3.2 Đóng muộn xupap nạp Hình 11 thể ảnh hưởng góc đóng muộn xupap nạp chế độ tải lớn Hình 11 Tính kỹ thuật phát thải đóng muộn xupap nạp + Tính kỹ thuật: Công suất mô men động tăng lên góc đóng muộn xupap nạp tăng Khi đóng muộn làm cho lượng khí nạp vào nhiều Để đạt tính HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 cao góc đóng muộn lớn Cùng với đóng sớm xupap nạp dẫn đến công suất mô men động giảm + Phát thải: Động chế độ đóng muộn xupap nạp hàm lượng CO NOx giảm, đặc biệt CO Cùng với tăng nhanh hàm lượng HC lượng hịa khí buồng đốt lớn chất lượng cháy tăng lên Khi đóng sớm xupap nạp ta giảm hàm lượng HC kéo theo tăng nhanh hàm lượng CO 3.3.3 Mở sớm xupap thải Hình 12 Tính kỹ thuật tính phát thải mở sớm xupap thải + Tính kỹ thuật: Khi mở sớm xupap xả chế độ lớn không nhiều làm giảm công suất mô men động Đồng thởi mở muộn xupap xả, tính kỹ thuật động tăng + Phát thải: Khi mở sớm xupap xả hàm lượng khí thải khơng có nhiều thay đổi so với góc mở tiêu chuẩn hàm lượng CO giảm nhẹ mở sớm tăng nhẹ mở muộn xupap xả 3.3.4 Đóng muộn xupap thải Hình 13 Tính kỹ thuật tính phát thải đóng muộn xupap thải + Tính kỹ thuật: khơng có nhiều thay đổi cơng suất cịn mơ men tăng nhẹ đóng muộn xupap xả Nguyên nhân lượng khí thải buồng đốt thải đảm bảo chất lượng khí nạp buồng đốt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 + Phát thải: Khi thay đổi góc đóng muộn xupap xả, hàm lượng CO NOx không thay đổi nhiều hàm lượng HC giảm đóng muộn so với nguyên Nguyên nhân giải thích tương tự chế độ tải nhỏ KẾT LUẬN Thời điểm mở sớm đóng muộn xupap theo góc quay trục khuỷu ảnh hưởng lớn đến tính kỹ thuật phát thải động Chế độ tải nhỏ có góc mở sớm đóng muộn tối ưu thay đổi nhỏ so với góc đóng mở ngun để tăng tính kỹ thuật giảm phát thải động Chế độ tải trung bình có góc ngun tối ưu động thiết kế để làm việc tốt chế độ tải Chế độ tải lớn góc thay đổi lớn so với góc đóng mở nguyên để đạt góc tối ưu động Bài báo sở để mở rộng hướng nghiên cứu như: nghiên cứu truyền nhiệt động xylanh có hệ thống pha phối khí linh hoạt, nghiên cứu điều kiện ứng dụng lắp đặt hệ thống phối khí linh hoạt động xylanh, nghiên cứu nâng cấp lắp đặt hệ thống phối khí linh hoạt cho động xylanh Việt Nam… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tất Tiến, “Nguyên lý động đốt trong”, NXB Giáo dục, 2012 [2] Phạm Minh Tuấn, “Động đốt trong”, NXB KH&KT 2012 [3] Nguyễn Tuấn Nghĩa, Lê Hồng Quân, Phạm Minh Hiếu, “Kết cấu tính tốn động cơ”, NXB KH&KT 2014 [4] NguyễnVăn Tuân, Vũ Ngọc Khiêm, Đào Trọng Thắng “Nghiên cứu ảnh hưởng pha phối khí tới chế độ làm việc động xăng định hướng ứng dụng cho xe Hybrid”, Tạp chí GTVT số tháng 10/2012 [5] Murata, Y., Kusaka, J., Odaka, M., Daisho, Y., Kawano, D., Suzuki, H., Ishii, Y Goto, “Achievement of Medium Engine Speed and Load Premixed Diesel Combustion with Variable Valve Timing”, SAE 2006-01-0203, 2006 [6] Osama H Ghazal, Yousef S Najjar, Kutaeba J AL-Khishali, “Effect of varying inlet valve throat diameter at different IVO, IVC, and Overlap angles on SI engine performance”, Proceedings of the World Congress on Engineering 2011 Vol III, WCE 2011, July - 8, 2011, London, U.K, ISBN: 978-988-19251-5-2, ISSN: 2078-0958 (Print); ISSN: 2078-0966 [7] Can ÇINAR and Fazıl AKGÜN, “Effect of intake valve closing time on engine performance and exhaust emissions in a spark ignition engine”, Journal of Polytechnic, Vol: 10 No: pp.371-375, 2007 [8] G Fontana and E Galloni, “Variable valve timing for fuel economy improvement in a small spark-ignition engine”, Applied Energy 86 (2009), pp: 96–105 ... 20 đến 40 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Chế độ tải nhỏ 3.1.1 Mở sớm xupap nạp Kết ảnh hưởng việc mở sớm xupap nạp đến tính kỹ thuật phát thải thể hình Hình Tính kỹ thuật phát thải mở sớm xupap nạp + Tính. .. xupap thải Ảnh hưởng việc mở sớm xupap thải thể hình Hình Tính kỹ thuật phát thải mở sớm xupap thải + Tính kỹ thuật: Khi mở sớm xupap xả tính kỹ thuật động khơng thay đổi nhiều, mở sớm xupap thải. .. xupap thải Ảnh hưởng việc đóng muộn xupap thải thể hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Tính kỹ thuật phát thải đóng muộn xupap thải + Tính kỹ thuật: