Cách thứ nhất được thực hiện bằng cách dịng khí làm cho phân bố lưu lượng quanh chu vi xupap nạp khơng đồng đều nên dịng nạp có động lượng quay quanh trục xylanh khá lớn. Các họng định hướng và họng chuyển hướng dịng ở hình 2.3 là hai cách thường dùng để đạt được kết quả này. Họng nạp định hướng hướng dịng khí đến xupap đang mở theo hướng tiếp tuyến định trước. Đường dẫn khí có dạng thẳng nhằm thỏa mãn những yêu cầu khác của nắp xylanh làm cản trở diện tích dịng chảy và hệ số nạp tương đối thấp. Họng chuyển hướng sử dụng các thành phía trong để đẩy dịng khí đi theo phía ngồi diện tích mở của xupap theo hướng tiếp
(a) Kiểu thành họng chuyển hướng
(b) Kiểu định hướng
(c) Kiểu xoắn ốc dốc nông
27
tuyến. Vì chỉ có 1 thành họng được sử dụng để tạo ra hiệu ứng chuyển hướng nên diện tích thơng qua của họng nạp ít bị cản hơn [9].
Chuyển động quay xung quanh trục xylanh có thể được tạo ra bằng cách làm những tấm cản che diện tích mở theo chu vi xupap nạp trên nắp xylanh để tạo ra động lượng quay trong xylanh như thể hiện trên hình 2.4.
Hình 2.4: Phương pháp sử dụng xupap có tấm chắn dịng và tấm cản dịng
Việc làm những tấm cản dòng trên xupap thường được thực hiện trên những động cơ nghiên cứu để có thể thấy được sự thay đổi của dịng khí xốy. Đối với động cơ thương mại, sự gia tăng chi phí và khối lượng, các vấn đề về biến dạng, yêu cầu để chống xupap quay và việc giảm hệ số nạp đã khiến cho phương pháp gây cản này không hiệu quả. Phương pháp hiện thực hơn là chế tạo các tấm cản ở trên nắp xylanh quanh chu vi xupap nạp để tạo dịng xốy được sử dụng trên động cơ đốt cháy cưỡng bức thương mại, việc này có thể thực hiện kết hợp trong quá trình đúc nắp xylanh.
Phương pháp thứ hai được sử dụng rộng rãi là tạo xoáy lốc trong họng nạp quanh trục xupap trước khi dịng khí đi vào xy lanh. Hai ví dụ như vậy là họng nạp có hình xoắn ốc được thể hiện trên hình 2.3. Thơng thường với họng nạp hình xoắn ốc, cùng với mức xốy lốc như nhau thì hệ số nạp cao hơn vì tồn bộ diện tích mở xung quanh chu vi xupap đều được tận dụng nên hệ số nạp cao hơn. Họng nạp xoắn ốc cũng ít nhạy với sự dịch chuyển vị trí, như xảy ra trong q trình đúc, vì dịng
28
xốy tạo ra chỉ phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng họng nạp phía trên xupap chứ khơng phải vị trí tương đối họng nạp với trục xylanh.
Hình 2.5 thể hiện kết quả đo xốy bằng phương pháp đo mơmen ổn định đối với các kiểu họng nạp thay đổi theo tỷ số độ nâng/đường kính xupap nạp trong các kiểu họng nạp ở hình 2.4.
Mức độ xốy tăng lên khi độ nâng xupap tăng, phản ánh sự ảnh hưởng của hình dạng họng nạp tăng lên và ảnh hưởng cản dòng giữa nấm xupap và đế xupap giảm đi. Họng xoắn ốc thường tạo ra động lượng góc lớn hơn so với họng định hướng ở độ nâng trung bình của xupap.
Tỷ số xốy của những kiểu họng này được tính tốn từ các kết quả đo đạc là: 2,5 đối với họng định hướng, 2,9 đối với họng xoắn dốc nông và 2,6 đối với họng xoắn dốc lớn.
Tỷ số xốy đo bằng chong chóng nhỏ hơn khoảng 30%. Tỷ số xoáy đo bằng thiết bị đo xung lượng bằng khoảng 20% tốc độ quay vật rắn có cùng động lượng quay với môi chất trong xylanh, động lượng quay này được xác định từ phép đo vận tốc tiếp tuyến thực hiện trong xylanh của động cơ đang hoạt động với cùng kiểu họng nạp tại cuối hành trình nạp. Các loại họng nạp định hướng và chuyển hướng, dùng tấm chắn trên xupap hay cản trên nắp xylanh tạo ra dòng chuyển động tiếp tuyến đi vào xylanh đều làm tăng cản
dòng khi dòng chảy qua các phần đó là ảnh hưởng khơng mong muốn. Kết quả là dịng chảy khơng đồng nhất qua chu vi xupap và dịng chảy vào xylanh có thành phần vận tốc v khá lớn cùng hướng quanh trục xylanh. Ngược lại, họng xoắn ốc tạo chuyển động xốy trong họng nạp phía trước xupap và các thành phần vận tốc vr, và
Hình 2.5. Độ xốy của dịng khí nạp theo độ nâng xupap trong các kiểu họng nạp [1]
29
vz qua diện tích mở của xupap và v quanh trục xupap là gần như đồng nhất quanh diện tích mở của xupap.
Hình 2.6 là vận tốc xoáy, hướng trục và hướng kính đo được tại vị trí 2mm cách nắp xylanh quanh chu vi xupap đối với (a) họng nạp chuyển hướng dịng khí theo phương tiếp tuyến và (b) họng xoáy ốc; độ lớn của vận tốc được cho bởi khoảng cách dọc theo bán kính (từ trục xupap) từ đường biên của xupap đến đường cong tương ứng được lấy tỷ lệ bởi chiều dài tham chiếu; độ nâng xupap = 12,8 mm, vận tốc đo được trên mặt phẳng ra của xupap trong phép đo dòng ổn định với các kết cấu của hai kiểu họng nạp này. Hình vẽ cũng thể hiện các vị trí của xupap và thành xylanh.
Ở hình 2.6a, thành họng làm dịng khí chuyển hướng theo hướng tiếp tuyến ngăn chặn dòng chuyển động quanh nửa chu vi của xupap.
Ngược lại, ở hình 2.6b với họng nạp xoắn ốc, dịng khí vào xylanh quanh tồn bộ chu vi xupap. Vận tốc hướng trục và hướng kính là gần như giống nhau quanh chu vi xupap. Tốc độ xoáy quanh trục xupap (ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống) với họng nạp xoắn ốc này tương đối đồng nhất và có độ lớn bằng khoảng một nửa vận tốc hướng kính và hướng trục.
Dịng khí xốy bên trong xylanh khi động cơ đang hoạt động là không đồng nhất. Các vận tốc được tạo ra tại vị trí xupap tại mỗi điểm trong hành trình nạp phụ thuộc vào diện tích thơng qua xupap và tốc độ piston. Các vận tốc này là lớn nhất trong nửa đầu của hành trình.
Do vậy, vận tốc xốy tạo ra trong phần này của hành trình nạp cao hơn xốy lốc tạo ra ở nửa sau của hành trình: vậy là có sự phân tầng dịng xốy. Cũng vậy, dịng khí gần với nắp xylanh trong hành trình nạp cũng tương đối khơng có tổ chức và gần giống với vật rắn chuyển động quay. Nó bao gồm một hệ thống xoáy lốc được tạo ra bởi tia nạp tiếp tuyến vận tốc lớn hay có dạng xoắn ốc.
Phía dưới nữa trong xylanh, dịng khí có dạng gần hơn với vật rắn quay với vận tốc xốy tăng lên khi tăng bán kính. Dịng khí trật tự hơn ở ngay phía trên piston tạo ra chuyển động xốy lớn hơn trong vùng đó của xylanh. Khi tốc độ piston giảm
30
Hình 2.6. Vận tốc xốy hướng trục và hướng kính của các đường nạp [1]
trong hành trình nạp, dạng dịng xốy được phân bố lại với vận tốc xoáy ở vùng gần piston giảm xuống và tốc độ xoáy ở vùng tâm xylanh giảm. Chú ý rằng trục của chuyển động quay của khí trong xylanh có thể khơng trùng chính xác với trục tâm xylanh.
2.1.3. Đánh giá ảnh hưởng của kết cấu đường nạp đến động cơ
2.1.3.1. Ảnh hưởng tới hình thành hỗn hợp
Đặc điểm tạo hỗn hợp trong động cơ diesel:
- Hỗn hợp được hình thành bên trong xylanh động cơ với thời gian rất ngắn, tính theo góc quay trục khuỷu chỉ bằng 1/10 1/200TK;
- Nhiên liệu diesel lại khó bay hơi nên yêu cầu phải phun thật tơi và hịa trộn đều trong khơng gian buồng cháy;
- Mặt khác phải đảm bảo cho nhiệt độ khơng khí trong buồng cháy tại thời điểm phun nhiên liệu phải đủ lớn để hỗn hợp có thể tự bốc cháy;
- Kết hợp chặt chẽ giữa số lượng, hình dạng và sự phân bố tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy.
Yêu cầu đối với việc hình thành hịa khí phải tạo được sự phân bố nhiên liệu theo thời gian và không gian trong buồng cháy một cách tốt nhất để nhiên liệu cháy
31
đúng lúc, cháy hoàn toàn và đạt được chỉ tiêu kinh tế (ge) nhỏ và hiệu quả cao ( pe
lớn) nhưng áp suất cực đại ( pz) và tốc độ tăng áp suất ( p
D
D ) khơng q lớn, đồng thời sinh ra ít độc hại trong khí thải.
Do vậy, khi thiết kế đường nạp ta phải để ý đến việc hình thành xốy lốc của dịng khí. Dịng khí xốy lốc mạnh sẽ giúp xé tơi nhiên liệu được tốt giúp quá trình tự bốc cháy được diễn ra thuận lợi. Xốy lốc mạnh sẽ đưa dịng khí và nhiên liệu có nhiệt độ thấp hịa trộn với khí cháy có nhiệt độ cao giúp q trình vừa cháy vừa bay hơi được thuận lợi. Kết cấu buồng cháy cũng có ảnh hưởng rất lớn đến xoáy lốc, tùy theo mỗi loại buồng cháy mà kết cấu đường nạp khác nhau để nâng cao hiệu quả quá trình hình thành hỗn hợp.
Nhiệt độ dịng khí nạp là một yếu tố rất quan trọng cho việc hình thành hịa khí. Động cơ diesel sử dụng nhiên liệu nặng do đó việc hình thành hịa khí khó khăn hơn nhiên liệu xăng. Do đó khi thiết kế đường nạp người ta phải để ý đến nhiệt độ dịng khí khi đi vào xylanh. Có thể sấy nóng dịng khí trước khi vào xylanh hay thiết kế đường nạp và đường xả gần nhau trong động cơ nhiều xylanh…
Thiết kế đường nạp làm sao vừa tạo được xốy lốc mạnh lại có khả năng giữ nhiệt tốt, nhất là động cơ 1 xylanh dịng khí nạp khơng được sấy nóng.
Việc thiết kế đường nạp có xốy lốc mạnh thì đường nạp sẽ phải cong, xoắn ốc… Nhưng việc đó lại gây ra hệ số cản dịng lớn dẫn đến việc tổn thất năng lượng lớn do đó khi thiết kế đường nạp người ta phải để ý các yếu tố này làm sao cho hài hịa nhất để đưa ra được cơng suất có ích lớn nhất.
2.1.3.2. Ảnh hưởng tới hệ số nạp
Để đánh giá chất lượng quá trình nạp người ta đưa ra thông số hệ số nạp v
được định nghĩa như sau [6], [7],[9]:
1 1 1 2 v h h G M V G M V (2.1) Trong đó:
32
- G1(kg) và M1 (kmol) là lượng khí nạp mới thực tế trong xylanh khi kết thúc q trình nạp và V1 là thể tích của lượng khí nạp mới đó quy về điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk.
- Gh(kg) và Mh(kmol) là lượng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể tích Vh
trong điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk.
Qua đây ta có thể thấy được các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp đó chính là việc cản dịng của dịng khí nạp mới sẽ làm cho lượng khí nạp được vào trong xilanh giảm đi nhưng đi kèm với nó lại là xốy lốc của dịng khí nên ta phải chú ý cân nhắc để kết hợp hài hòa với hai yếu tố trên.
Nhiệt độTkvà áp suất pkcủa dòng khí nạp cũng là một yếu tố rất quan trọng trong việc có được một hệ số nạp mới phù hợp. Nhiệt độ Tk cao các phân tử khí sẽ chuyển động hỗn độn với vận tốc lớn do đó sẽ thuận lợi cho quá trình hình thành hịa khí nhưng chính yếu tố đó lại làm cho lượng khí nạp mới bị giảm đi. Áp suất
k
p cao thuận lợi cho q trình hình thành hịa khí và tạo xốy lốc cũng như lượng khí nạp mới vào nhiều nhưng khi áp suất pkcao cũng đi kèm với đó là nhiệt độ khí nạp tăng chính vì vậy đối với các loại động cơ tăng áp người ta phải làm mát khí tăng áp [6].
Động cơ nghiên cứu là động cơ 1 xylanh dùng cho nông nghiệp nên tăng áp là không hợp lý sẽ làm cho động cơ trở nên cồng kềnh và giá thành động cơ tăng cao. Khi tăng áp cho động cơ cịn có phương pháp kết hợp thay đổi kết cấu đường nạp để tận dụng vận tốc của dịng khí. Đây là ý tưởng giúp ta tìm ra hướng cải tiến đường nạp để dịng khí nạp có vận tốc và xốy lốc cao.
Hệ số nạp càng cao lượng khí vào trong xylanh càng nhiều do đó có thể đốt cháy được càng nhiều nhiên liệu do vậy công suất động cơ sẽ tăng lên.
2.1.3.3. Ảnh hưởng tới hệ số khí sót Ta có cơng thức: 1 r r M M (2.2)
33 Trong đó:
r
M là khối lượng khí sót và M1 là khối lượng khơng khí nạp mới.
Đối với động cơ nghiên cứu, lượng khí sót cịn lại trong động cơ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ. Do đó phải có biện pháp cải tiến giảm lượng khí sót bằng cách giảm khe kẽ trên thành vách xi lanh đồng thời thiết kế đường nạp sao cho cháy kiệt thải sạch bằng cách lợi dụng xốy lốc và qn tính dịng khí [6].
Đường nạp có thể tạo ra xốy lốc mạnh, nó sẽ làm cho dịng khí trong cả xylanh chuyển động kể cả những vùng góc cạnh buồng cháy, vùng giáp thành vách xylanh do đó sẽ giảm được lượng khí sót trong xylanh, với xốy lốc mạnh sẽ giúp qn tính của dịng khí khi xả lớn hơn do đó sẽ xả kiệt hơn. Nên ta có thể nạp được nhiều hơn do vậy công suất của động cơ sẽ tăng lên.
2.1.3.4. Ảnh hưởng tới phát thải độc hại
Đường nạp thải cùng với hình dạng buồng cháy khơng phù hợp sẽ dẫn đến sự khơng hợp lý trong q trình hình thành hịa khí cũng như q trình cháy sẽ khiến q trình cháy khơng kiệt, nhiệt độ cháy khơng thích hợp là điều kiện thuận lợi để sinh ra nhiều chất thải độc hại. Với động cơ diesel khi quá trình cháy khơng tốt, khi động cơ chạy tồn tải thì lượng nhiên liệu dư thừa sẽ sinh ra rất nhiều P-M, chúng ta có thể nhìn thấy khói đen, chưa kể đến các chất thải độc hại như CO2 và NOx cũng nhiều. Động cơ 1 xylanh dùng cho nơng nghiệp sẽ khơng có điều kiện để tăng áp hay ln hồi khí xả do đó rất dễ xảy ra q trình cháy khơng được hồn toàn kiệt, nên lượng phát thải độc hại là rất lớn nhất là phát thải P-M. Tuy khơng có u cầu đối với khí thải động cơ dùng cho nơng nghiệp nhưng cũng cần xem xét ảnh hưởng của nó tới mơi trường. Do đó cần đưa ra một kết cấu có thể cải thiện được cả chất lượng khí thải và cơng suất.
2.2. Thiết kế tối ưu đường nạp cho động cơ diesel 1 xylanh 2.2.1. Quan điểm thiết kế cải tiến đường nạp 2.2.1. Quan điểm thiết kế cải tiến đường nạp
Một đường nạp tốt sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp, từ đó cải thiện được quá trình cháy và nâng cao được cơng suất động cơ đồng thời giảm được phát thải độc hại.
34
Trong quá trình phát triển động cơ trên thế giới đã có nhiều xu hướng cải tiến và thiết kế đường nạp khác nhau để phù hợp với từng yêu cầu cũng như hình dạng của từng loại buồng cháy. Dưới đây là một số xu hướng thiết kế đường nạp đã được sử dụng:
- Thiết kế đường nạp phù hợp với buồng cháy: Trên đường nạp được thiết kế với kích thước và biên dạng phù hợp cùng với đó là các đường cong xoắn trôn ốc để tạo nên xốy lốc kết hợp với hình dạng buồng cháy cùng những điều kiện nhiệt độ và áp suất đầu vào sẽ có được dịng khí khi vào xylanh có xốy lốc mạnh nhất, nhiệt độ phù hợp với quá trình hình thành hỗn hợp. Đặc điểm của loại này được thể hiện trên hình 2.7.
Thiết kế đường nạp có ln hồi khí thải: Khí thải được đưa quay lại đường nạp để hịa trộn với khí nạp, sơ đồ bố trí thiết bị như hình 2.8. Trong đó khí thải ln hồi được tính tốn với tỷ lệ hợp lý theo từng chế độ làm việc của động cơ. Để đưa ra được một tỷ lệ hợp lý cũng như tối ưu khi luân hồi thì trên đường nạp phải có nhiều tính tốn sao cho phù hợp với động cơ như