CHƯƠNG II : THIẾT KẾ CẢI TIẾN ĐƯỜNG NẠP
2.1. Cơ sở lý thuyết về dòng chảy của môi chất trong đường nạp
2.1.2. Tác động của đường nạp tới chất lượng làm việc của động cơ
Chuyển động của dịng khí nạp trong xylanh động cơ là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình cháy trong các loại động cơ đốt cháy cưỡng bức
26
và q trình hịa trộn nhiên liệu - khơng khí và q trình cháy trong các động cơ diesel. Nó cũng có ảnh hưởng quan trọng đối với q trình truyền nhiệt. Cả chuyển động theo lớp và đặc tính rối của dịng khí nạp đều quan trọng. Dịng khí nạp ban đầu được tạo ra bởi hình dáng đường ống nạp. Dịng khí này sẽ bị thay đổi đáng kể trong suốt quá trình nén.
Có hai phương pháp thường dùng để tạo ra dịng khí xốy trong q trình nạp. Một cách là hút dịng khí vào xylanh theo chiều tiếp tuyến với thành xylanh, khi chạm thành dịng khí chuyển hướng và chuyển động xuống phía dưới tạo thành chuyển động xốy. Một cách khác là dịng khí xốy được tạo ra trên họng nạp: dịng khí bị đẩy quay quanh trục xupap trước khi đi vào xylanh.
Hình 2.3. Các kiểu họng nạp tạo xoáy lốc
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 dòng 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 nơng
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 dòng
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 q 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
xoáy 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 xoáy bằng phương pháp đo mômen 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 xoáy 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
dịng khi dịng 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 xoáy 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.