Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu quá trình nạp và hình thành hòa khí trong động cơ xăng

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu quá trình nạp và hình thành hòa khí trong động cơ xăng qua mô phỏng số, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Nguyễn Thành Nhân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phụ Thượng Lưu
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Trình Nạp Và Hình Thành Hòa Khí Trong Động Cơ Xăng Bằng Mô Phỏng Số
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Kết quả dự kiến
• 1.8. Bố cục luận văn
• 1.9. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 2.1. Các phương trình toán học
• 2.2. Phương trình mô hình rối k-e
• 2.3. Các điều kiện biên
• 2.4. Rời rạc hóa miền tính toán
• 2.5. Giải thuật SIMPLE
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG DÒNG KHÍ NẠP TRONG XI LANH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 3.1. Mô hình mô phỏng
• 3.2. Sự lưu động của khí nạp trong xi lanh
• 3.3. Kết luận
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG DÒNG KHÍ NẠP TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NẠP ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
• 4.1. Mô hình mô phỏng
• 4.2. Mô phỏng đường ống nạp động cơ
• 4.3. Đặc tính dòng chảy khí nạp trong đường ống nạp
• 4.4. Kết luận
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ - CẢI TIẾN ĐƯỜNG ỐNG NẠP ĐỘNG CƠ
• 5.1. Mô hình đường ống nạp cải tiến
• 5.2. Mô phỏng đường ống nạp cải tiến
• 5.3. Ảnh hưởng của đường ống nạp cải tiến đến đặc tính dòng chảy khí nạp
• 5.4. Kết luận
• 6. CHƯƠNG 6
• 6.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Quá trình nạp trong động cơ xăng

Quá trình nạp là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ xăng. Việc nghiên cứu quá trình nạp giúp hiểu rõ hơn về sự phân bố áp suất không khí trong đường ống nạp và từ đó đưa ra các quyết định cải tiến thiết kế. Các phương pháp mô phỏng số, đặc biệt là mô phỏng CFD, đã được áp dụng để phân tích dòng chảy khí nạp trong xi lanh. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế đường ống nạp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ. Theo nghiên cứu, sự hình thành hòa khí trong động cơ xăng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hình dạng đường ống nạp và thời điểm đóng mở xupap. Những yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn đến lượng khí thải ô nhiễm. Việc áp dụng mô phỏng số giúp giảm thiểu khối lượng nghiên cứu thực nghiệm và cung cấp những kết quả trực quan về đặc tính dòng chảy.

1.1. Đặc tính dòng chảy khí nạp

Đặc tính dòng chảy khí nạp trong xi lanh động cơ xăng có ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy và hình thành khí xả. Sự chuyển động rối của dòng chảy khí nạp có thể cải thiện quá trình truyền năng lượng và hòa trộn nhiên liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa dòng chảy khí nạp có thể tạo ra sự phân bố hỗn hợp hợp lý, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ. Các mô hình mô phỏng cho thấy rằng sự hiện diện của chuyển động rối có thể quyết định chất lượng cháy, ảnh hưởng đến động lực học dòng chảy trong xi lanh. Việc nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn trong việc thiết kế và cải tiến động cơ xăng hiện đại.

II. Hệ thống nạp và hình thành hòa khí

Hệ thống nạp đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành hòa khí trong động cơ xăng. Việc thiết kế đường ống nạp có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hình dạng và thông số thiết kế của đường ống nạp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất nạp. Sự tối ưu hóa đường ống nạp không chỉ giúp tăng áp suất nạp mà còn giảm thiểu khí xả độc hại. Các phần mềm mô phỏng như AVL-Fire đã được sử dụng để phân tích và đánh giá các đặc tính dòng chảy trong hệ thống nạp. Kết quả cho thấy rằng việc cải tiến thiết kế đường ống nạp có thể làm giảm sự cản trở lưu động của dòng khí nạp, từ đó tăng hiệu suất nạp thể tích động cơ.

2.1. Ảnh hưởng của thiết kế đường ống nạp

Thiết kế đường ống nạp có ảnh hưởng lớn đến đặc tính vận hành của động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng đường ống nạp có góc lượn lớn giúp cải thiện hiệu suất nạp động cơ. Việc thay đổi hình dạng và thông số của đường ống nạp có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong việc hình thành hỗn hợp nhiên liệu. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc tối ưu hóa đường ống nạp có thể làm tăng động năng dòng khí nạp và giảm thiểu khí xả độc hại. Điều này không chỉ có lợi cho hiệu suất động cơ mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

III. Phương pháp mô phỏng số trong nghiên cứu

Phương pháp mô phỏng số, đặc biệt là mô phỏng CFD, đã trở thành công cụ hữu hiệu trong việc nghiên cứu quá trình nạp và hình thành hòa khí trong động cơ xăng. Các phần mềm như AVL-Fire cho phép mô phỏng và phân tích dòng chảy khí nạp một cách chi tiết. Kết quả từ mô phỏng cung cấp những thông tin quý giá về đặc tính dòng chảy, giúp các kỹ sư có thể đưa ra các quyết định thiết kế chính xác hơn. Việc áp dụng mô phỏng số không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán hiệu suất động cơ.

3.1. Lợi ích của mô phỏng số

Mô phỏng số mang lại nhiều lợi ích trong nghiên cứu động cơ. Nó cho phép phân tích các hiện tượng phức tạp mà khó có thể thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm. Các kết quả mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về sự phân bố áp suất và vận tốc trong hệ thống nạp. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế động cơ, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu khí thải. Mô phỏng số cũng giúp các nhà nghiên cứu có thể thử nghiệm nhiều phương án thiết kế khác nhau mà không cần phải thực hiện nhiều thí nghiệm thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ xăng là nguồn động lực chủ yếu trong ngành công nghiệp ô tô, với mục tiêu nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và hạn chế khí thải độc hại. Quá trình nạp khí trong động cơ xăng đóng vai trò then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành và chất lượng hòa khí. Theo ước tính, việc tối ưu hóa quá trình nạp có thể cải thiện hiệu suất nạp thể tích lên đến 7%, đồng thời giảm thiểu thất thoát áp suất và tăng cường sự hòa trộn nhiên liệu-khí. Nghiên cứu này tập trung mô phỏng quá trình nạp và sự hình thành hòa khí trong động cơ xăng sử dụng phương pháp mô phỏng số CFD (Computational Fluid Dynamics) với phần mềm AVL-Fire, nhằm đánh giá đặc tính dòng chảy khí nạp trong xi lanh và đường ống nạp.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm động cơ xăng một xi lanh, hệ thống phun xăng đa điểm (MPI), mô phỏng quá trình nạp trong khoảng 220° góc quay trục khuỷu từ điểm chết trên đến khi xupap nạp đóng hoàn toàn. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2018. Kết quả mô phỏng cung cấp các thông số áp suất, vận tốc, nhiệt độ và đặc tính rối của dòng khí nạp, từ đó đề xuất cải tiến thiết kế đường ống nạp nhằm giảm thiểu tổn thất áp suất và tăng hiệu suất nạp thể tích. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển động cơ xăng hiện đại, góp phần nâng cao hiệu quả nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các nguyên tắc bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng trong dòng chảy chất khí, được mô tả bằng phương trình Navier-Stokes Reynolds-trung bình. Mô hình rối k-ε tiêu chuẩn được áp dụng để mô phỏng dòng chảy rối trong xi lanh và đường ống nạp, phù hợp với các dòng chảy có số Reynolds cao. Các điều kiện biên vận tốc vào, áp suất ra, thành rắn và đối xứng được thiết lập nhằm phản ánh chính xác môi trường vận hành động cơ. Phương pháp thể tích hữu hạn được sử dụng để rời rạc hóa miền tính toán, với giải thuật SIMPLE giúp hiệu chỉnh áp suất và vận tốc trong quá trình giải số.

Ba khái niệm chính trong nghiên cứu gồm:

• Dòng chảy rối (Turbulent flow): ảnh hưởng đến sự hòa trộn nhiên liệu và chất lượng cháy.
• Hiệu suất nạp thể tích (Volumetric efficiency): tỷ lệ thể tích khí nạp vào xi lanh so với thể tích xi lanh.
• Thất thoát áp suất (Pressure loss): tổn thất áp suất do ma sát và hình dạng đường ống nạp ảnh hưởng đến lượng khí nạp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả mô phỏng số trên phần mềm AVL-Fire, sử dụng mô hình động cơ xăng một xi lanh với các thông số kỹ thuật cụ thể: đường kính xi lanh 80 mm, hành trình piston 81.4 mm, 2 xupap nạp, đỉnh piston phẳng. Mô hình 3D được xây dựng trên Solidworks và nhập vào AVL để tạo lưới tính toán với hơn 168,000 ô lưới tại điểm chết trên và tăng lên khoảng 436,000 ô khi piston ở điểm chết dưới.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình rối k-ε tiêu chuẩn, giả định khí nạp là không khí nhớt, có thể nén được và khí lý tưởng. Các điều kiện biên được thiết lập gồm: khối lượng khí nạp thay đổi theo thời gian, nhiệt độ thành xi lanh và piston lần lượt 330 K và 450 K, áp suất ban đầu 1.15 bar, nhiệt độ khí sót 961 K. Quá trình mô phỏng diễn ra trong khoảng 220° góc quay trục khuỷu với bước tính 1°.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2016 đến tháng 2/2018, bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu phần mềm và lý thuyết CFD (9/2016-1/2017), thực hiện mô phỏng (1/2017-7/2017), xử lý kết quả (7/2017-11/2017), viết báo cáo và hoàn thiện luận văn (11/2017-2/2018).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính thể tích xi lanh trong quá trình nạp: Thể tích xi lanh tăng từ 3.46E-05 m³ tại điểm chết trên đến giá trị lớn nhất khi piston ở điểm chết dưới, theo quan hệ bậc hai với góc quay trục khuỷu.
2. Vận tốc dòng khí nạp: Vận tốc trung bình dòng khí nạp đạt cực đại hơn 20 m/s khi piston đi được khoảng nửa hành trình nạp, không đồng đều theo thời gian và không gian trong xi lanh. Vận tốc dòng khí tăng dần từ 0 m/s tại điểm chết trên đến giá trị cực đại, sau đó giảm khi xupap nạp đóng.
3. Áp suất trong xi lanh: Áp suất chênh lệch giữa xi lanh và cửa nạp tăng dần trong quá trình nạp, đạt giá trị cao nhất khi xupap nạp đóng hoàn toàn, khoảng 1.15 bar ban đầu tăng lên trên áp suất môi trường.
4. Ảnh hưởng của thiết kế đường ống nạp: Mô phỏng đường ống nạp cải tiến cho thấy giảm được sự cản trở lưu động, tăng hiệu suất nạp thể tích khoảng 7% so với đường ống ban đầu, đồng thời giảm các vùng khí thừa do thiết kế biên dạng. Tuy nhiên, vận tốc lưu động dòng khí nạp vẫn còn nhược điểm cần cải thiện.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến đổi rõ rệt của vận tốc và áp suất khí nạp trong xi lanh, phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng trước đây. Vận tốc dòng khí nạp không đều tạo điều kiện hình thành các xoáy lốc ngang và dọc, thúc đẩy sự hòa trộn nhiên liệu và cải thiện quá trình cháy. Áp suất tăng trong quá trình nạp phản ánh hiệu quả của giai đoạn đóng muộn xupap nạp, giúp nạp thêm khí vào xi lanh.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất nạp thể tích cải tiến 7% tương đồng với các kết quả từ mô hình CFD trên động cơ Diesel và xăng. Việc giảm thất thoát áp suất nhờ thiết kế đường ống nạp mới góp phần nâng cao hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải độc hại. Tuy nhiên, nhược điểm về vận tốc lưu động dòng khí nạp cho thấy cần tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa hình dạng và bố trí đường ống nạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vận tốc và áp suất theo góc quay trục khuỷu, cũng như bảng so sánh hiệu suất nạp thể tích giữa các thiết kế đường ống nạp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thiết kế đường ống nạp: Thực hiện điều chỉnh hình dạng và độ nghiêng của ống nạp nhằm giảm thiểu tổn thất áp suất và tăng vận tốc dòng khí, hướng tới nâng cao hiệu suất nạp thể tích trên 10% trong vòng 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu và kỹ sư thiết kế động cơ thực hiện.
2. Ứng dụng mô phỏng CFD mở rộng: Áp dụng mô phỏng CFD cho các loại động cơ đa xi lanh và hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp để đánh giá toàn diện hơn về quá trình nạp và hòa khí, triển khai trong 1 năm tới bởi các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghiệp ô tô.
3. Phát triển mô hình mô phỏng đa vật lý: Kết hợp mô phỏng dòng chảy khí với mô phỏng quá trình cháy và phát thải nhằm tối ưu hóa đồng thời hiệu suất và giảm khí thải, dự kiến hoàn thành trong 3 năm, do các trung tâm nghiên cứu công nghệ động cơ thực hiện.
4. Thực nghiệm kiểm chứng mô phỏng: Thiết kế các thí nghiệm đo vận tốc và áp suất khí nạp thực tế để xác nhận và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng, đảm bảo độ chính xác và tin cậy, thực hiện song song với nghiên cứu mô phỏng trong 1-2 năm, do các phòng thí nghiệm kỹ thuật động cơ đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Cơ khí động lực: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô phỏng dòng chảy khí nạp, mô hình rối k-ε và ứng dụng CFD trong động cơ đốt trong, hỗ trợ phát triển đề tài và luận văn liên quan.
2. Kỹ sư thiết kế động cơ ô tô: Tham khảo để cải tiến thiết kế đường ống nạp, nâng cao hiệu suất nạp thể tích và giảm thất thoát áp suất, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ và giảm khí thải.
3. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển động cơ: Áp dụng kết quả mô phỏng và đề xuất cải tiến để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí thử nghiệm thực tế và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm mới.
4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ môi trường: Sử dụng thông tin về ảnh hưởng của quá trình nạp đến khí thải để xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm và thúc đẩy phát triển công nghệ động cơ sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp mô phỏng CFD có ưu điểm gì so với thực nghiệm?
   Mô phỏng CFD giúp tiết kiệm chi phí, thời gian và cho phép phân tích chi tiết các thông số dòng chảy khó đo đạc trực tiếp, đồng thời dễ dàng thử nghiệm nhiều phương án thiết kế khác nhau. Ví dụ, mô phỏng trên phần mềm AVL-Fire cho phép quan sát trường vận tốc và áp suất trong xi lanh mà thực nghiệm khó thực hiện.

2. Mô hình rối k-ε tiêu chuẩn có phù hợp với dòng chảy trong động cơ không?
   Mô hình k-ε tiêu chuẩn là mô hình bán thực nghiệm phổ biến, phù hợp với dòng chảy rối có số Reynolds cao như trong xi lanh động cơ. Nó cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán, được nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp sử dụng.

3. Làm thế nào để giảm thất thoát áp suất trên đường ống nạp?
   Giảm thất thoát áp suất có thể thực hiện bằng cách tối ưu hóa hình dạng đường ống, giảm các góc gấp khúc, tăng độ mượt bề mặt và điều chỉnh độ nghiêng các ống phân phối để tăng vận tốc dòng khí và giảm ma sát.

4. Tại sao vận tốc dòng khí nạp không đều trong xi lanh?
   Do sự chuyển động phức tạp của piston và xupap, cùng với hình dạng buồng cháy và đường ống nạp, dòng khí tạo ra các vùng xoáy lốc và rối không đồng đều về không gian và thời gian, ảnh hưởng đến sự hòa trộn nhiên liệu và hiệu suất cháy.

5. Kết quả mô phỏng có thể áp dụng cho các loại động cơ khác không?
   Kết quả có thể tham khảo và áp dụng cho các động cơ xăng tương tự, đặc biệt là động cơ một xi lanh hoặc đa xi lanh có cấu trúc đường ống nạp tương tự. Tuy nhiên, cần điều chỉnh mô hình và điều kiện biên phù hợp với từng loại động cơ cụ thể.

Kết luận

• Mô phỏng CFD với phần mềm AVL-Fire đã thành công trong việc mô tả đặc tính dòng khí nạp trong xi lanh và đường ống nạp động cơ xăng.
• Vận tốc dòng khí nạp đạt cực đại hơn 20 m/s, áp suất trong xi lanh tăng dần trong quá trình nạp, phản ánh hiệu quả của giai đoạn đóng muộn xupap nạp.
• Thiết kế đường ống nạp cải tiến giúp giảm thất thoát áp suất và tăng hiệu suất nạp thể tích khoảng 7%, góp phần nâng cao hiệu quả nhiên liệu và giảm khí thải.
• Nghiên cứu đề xuất các giải pháp tối ưu hóa thiết kế và mở rộng mô phỏng đa vật lý để nâng cao hiệu quả động cơ trong tương lai.
• Các bước tiếp theo bao gồm thực nghiệm kiểm chứng mô phỏng, phát triển mô hình đa vật lý và ứng dụng kết quả vào thiết kế động cơ thực tế.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các kết quả nghiên cứu này nhằm thúc đẩy sự tiến bộ trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực và công nghệ động cơ đốt trong.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong động cơ xăng vấn đề tăng hiệu suất, công suất, giảm tính tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí thải ô nhiễm luôn được quan tâm trong mọi giai đoạn phát triển. Trong đó việc tăng hiệu suất động cơ có thể được cải thiện bằng các phương pháp: thay đổi dung tích xi lanh, phun trực tiếp và tạo xoáy lốc hòa trộn tốt (GDI), thay đổi hệ thống nạp, thay đổi phương pháp điều khiển xupap….Sự tác động của quá trình nạp đến hiệu suất động cơ là quá lớn kể cả khi tăng tốc hay chạy cầm chừng. Do đó việc nghiên cứu về quá trình nạp trên động cơ xăng là đặc biệt quan trọng khi người ta muốn thay đổi hiệu suất động cơ. Mặt khác việc nghiên cứu về quá trình nạp giúp ta biết được sự phân bố áp suất không khí trên đường ống nạp, từ đó đưa ra quyết định về cải tiến hình dáng đường ống nạp.

Hơn nữa, sau khi biết được sự phân bố áp suất, tỉ lệ không khí giúp cho việc tính toán tỉ lệ hòa khí tốt nhất cho công suất tối đa. Trong các phương pháp nghiên cứu phương pháp mô phỏng số dựa trên các điều kiện vật lý được đánh giá là khá hữu hiệu, đặc biệt giúp giảm thiểu khối lượng nghiên cứu thực nghiệm. Chính vì lý do đó mà người học quyết định chọn đề tài:“Nghiên cứu quá trình nạp và sự hình thành hòa khí trong động cơ xăng bằng phƣơng pháp mô phỏng số.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc Ngày nay tính toán động lực học chất lỏng đã trở thành một công cụ hữu hiệu để phân tích dòng chảy không khí và lưu chất đồng thời được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành khoa học kỹ thuật. Trong đó có việc thiết kế kết cấu động cơ đốt trong, hệ thống nạp và thải trên động cơ.

1 Luan van Bên cạnh phương pháp thực nghiệm để xác định động lực học dòng chảy khí nạp trong xi lanh, phương pháp mô phỏng số cũng được sử dụng và tỏ ra khá hiệu quả. Phương pháp mô phỏng số CFD (Computational Fluid Dynamics) được đánh giá như là một giải pháp có thể thay thế trong quy trình thực nghiệm hoặc giảm bớt số lần thực nghiệm. Các phần mềm CFD được áp dụng để mô phỏng các hiện tượng trong động cơ đốt trong có thể được liệt kê như: KIVA, STAR-CD, FLUENT, CFX, FIRE.1 Quá trình lưu động dòng khí nạp trong xi lanh Hiện nay, những động cơ đốt trong là nguồn động lực chính trên ô tô bởi vì một số ưu điểm của loại động cơ này như: gọn nhẹ, giá thành chế tạo rẻ và khả năng linh hoạt cao. Dòng chảy của khí nạp trong xi lanh là chủ đề chính trong việc nghiên cứu, cải thiện đặc tính động cơ hơn 40 năm qua vì chúng có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động cơ và khí xả [1].

Khi động cơ làm việc, vận tốc dòng chảy[2] của lưu chất trong xi lanh rất cao và hình thành hiện tượng rối của dòng chảy. Sự hình thành của dòng chảy rối trong xi lanh có tính chu kỳ và phụ thuộc vào không gian-thời gian[3] Sự chuyển động rối của dòng chảy khí nạp mới trong xi lanh có lợi ích trong việc cải thiện quá trình truyền năng lượng, hòa trộn nhiên liệu và bay hơi. Hơn nữa, sự hiện diện của chuyển động rối có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cháy bởi vì chúng quyết định sự phân bố của hỗn hợp nhiên liệu, chi phối động lực học dòng chảy trong xi lanh. Sự chuyển động xoáy lốc ngang và xoáy lốc dọc cùa khí nạp được chỉ ra trong hình 1.1 và ảnh hưởng của chúng trên sự chuyển động rối của khí nạp là rất lớn.

Như trình bày ở trên, sự chuyển động xoáy của khí nạp có ảnh hưởng đến quá trình nạp và có thể được tạo ra theo cách thiết kế động cơ như bố trí đường ống nạp với mong muốn định hướng dòng không khí mới đi vào, hoặc hình dạng đế xupap và thời điểm đóng mở xupap. Trên thực tế, xoáy lốc ngang của khí nạp luôn luôn tồn tại với sự hiện diện của xoáy lốc dọc nhưng ngược lại xoáy lốc dọc có thể xuất hiện trong xi lanh mà không có xoáy lốc ngang. Các cơn xoáy lốc trong xi lanh của khí nạp mới chủ yếu hình thành trong quá trình nạp và không có sự thay đổi nhiều trong suốt quá trình nén. Trong thiết kế động cơ, tối ưu dòng 2 Luan van chảy khí nạp với mong muốn để có sự phân bố hỗn hợp hợp lí phải kết hợp sự hình thành xoáy lốc bên trong xi lanh động cơ thúc đẩy sự hình thành dòng chảy rối có cường độ cao tại cuối quá trình nén và dẫn đến hiệu quả rất tốt cho sự cháy tiếp diễn sau đó.1: Minh họa sự xoáy lốc ngang (trái) và xoáy lốc dọc (phải) của khí nạp trong xi lanh.

Như trên đã trình bày, đặc tính dòng chảy khí nạp có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy và hình thành khí xả trong động cơ đốt trong. Việc nghiên cứu cho sự hiểu biết, thiết kế, cải tạo quá trình nạp và đường ống nạp có ý nghĩa rất quan trọng trong sự phát triển của động cơ hiện đại nhằm tiến tới đạt được cả hai mục tiêu: có hiệu suất nhiên liệu cao trong khi nồng độ khí xả độc hại giảm thiểu ở mức thấp nhất. Quá trình nạp hoàn hảo thúc đẩy sự cháy tốt hơn và giảm thiểu khí xả độc hại, góp phần hoàn thiện công tác thiết kế, cải tiến động cơ. Việc xác định đặc tính dòng chảy của khí nạp có thể được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm hoặc mô phỏng số.

Phương pháp mô phỏng số tỏ ra hiệu quả khi cần tìm hiểu chi tiết về đặc tính dòng chảy và cho kết quả trực quan. Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số dòng khí nạp đi vào trong xi lanh động cơ có thể thực hiện bằng các phần mềm khác nhau như Star-CD, Fluent, Ansys, AVL-FIRE [4][5] với mô hình rối chủ yếu được chọn là (k- ). [6][7] 3 Luan van Paul and Ganesan [8] sử dụng phương pháp mô phỏng số dòng chảy lưu chất (CFD- Computational Fluid Dynamics) nghiên cứu các kiểu đường ống nạp khác nhau (dạng xoắn ốc) để xem xét cấu trúc dòng chảy và sự rối trong xi lanh động cơ Diesel tại tốc độ 3000 vòng/phút. Các kết quả khẳng định rằng hình dáng và thông số thiết kế đường ống nạp có ảnh hưởng sự ảnh hưởng đến dòng chảy khí nạp mới và đến đặc tính vận hành của động cơ.

Tác giả giả định dòng chảy khí nạp trong mô hình nghiên cứu đến đặc tính rối của lưu chất theo mô hình rối k-. Murali and Mallikajuna [9] đã sử dụng phương pháp thực nghiệm PIV (Particle Image Velocimetry) để khám phá sự xoáy lốc dọc của khí nạp trong xi lanh trong động cơ Diesel với piston phẳng trong điều kiện không phun nhiên liệu. Tác giả khẳng định rằng tỉ lệ xoáy lốc khí nạp phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu và động năng rối cực đại tăng theo tốc độ của động cơ. Những kết quả về xoáy lốc dòng chảy trên động cơ có đường ống nạp đối xứng trục xi lanh và kết cấu van nạp nhỏ dưới điều kiện dòng chảy đều (steady) cũng được minh chứng bởi Nadaraajah [10] đã trình bày.

Ba mức độ khác nhau của sự xoáy lốc đã được mang ra để phân tích ảnh hưởng của chúng lên dòng chảy và đặc tính rối. Phương pháp thực nghiệm sử dụng Laser Doppler Aneometry (LDA) để tính toán ứng suất Reynold và các thành phần vận tốc. Tác giả đã so sánh những kết quả đạt được trong trường hợp có và không có sự xoáy lốc. Tác giả khẳng định rằng trường vận tốc của dòng chảy khí nạp trong xi lanh bị ảnh hưởng đáng kể bởi hình dạng động cơ hơn so với tốc độ động cơ.

Do đó, đặc tính dòng chảy khí nạp có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy và hình thành khí xả trong động cơ đốt trong. Quá trình nạp hoàn hảo thúc đẩy sự cháy tốt hơn và giảm thiểu khí xả độc hại, góp phần hoàn thiện công tác thiết kế, cải tiến động cơ.2 Ảnh hưởng của thiết kế đường ống nạp đến đặc tính vận hành động cơ đốt trong IdrisSaad et al.[12] minh chứng rằng đường ống nạp động cơ có góc lượn lớn giúp cải thiện hiệu suất nạp động cơ Diesel. Tác giả đã nghiên cứu đường ống nạp với các góc lượn khác nhau để đánh giá dựa trên tiêu chí cải thiện sự hình thành hỗn hợp trong động cơ Diesel có độ nhớt nhiên liệu cao. Tại góc lượn của đường ống nạp 350o (0o và 360o tương ứng với đường ống nạp thẳng) cho kết quả tốt nhất khi tăng áp suất nạp trong xi lanh động cơ 0,02%, động năng dòng khí nạp tăng 2,7% và vận tốc dòng khí nạp tăng 1,7% so sánh với loại ban đầu (chưa cải tiến).

Tăng sự xoáy lốc dòng khí nạp trong xi lanh có hiệu quả rất tốt đến sự hòa trộn nhiên liệu, bay hơi nhiên liệu và vì vậy cải thiện được đặc tính kinh tế nhiên liệu và khí thải ở động cơ đốt trong. LiuShenghua [13] và PankajN.Shrirao et al. [14] lắp thêm hệ thống tạo xoáy lốc trên đường ống nạp để xem xét ảnh hưởng của chúng đến tính kinh tế nhiên liệu động cơ phun nhiên liệu trực tiếp. Kết quả chỉ ra rằng tại tốc độ động cơ 1500 vòng/phút, hiệu quả từ sự tăng xoáy lốc khí nạp làm giảm khí xả độc hại động cơ.

Phaneendra et al. [15] sử dụng phương pháp thực nghiệm bằng sự thay đổi hình dáng ống nạp để thay đổi hướng dòng chảy khí nạp trên động cơ 4 kỳ làm mát bằng gió tại tốc độ động cơ 1500 vòng/phút để xem xét sự thay đổi của đặc tính động cơ. Thực nghiệm được thực hiện với đường ống nạp có độ nghiêng khác nhau dẫn đến khoảng cách đường tâm ống nạp riêng so với ban đầu (10mm, 15mm, 20mm, 25mm). Tại 10mm khoảng cách do độ nghiêng tạo ra cho đặc tính khí xả tốt so với kiểu ống nạp không có độ nghiêng 5 Luan van Hình 1.2: Độ nghiêng của đường ống nạp riêng so với đường ống nạp chung Benny Paul, V.

Ganesan [16], nghiên cứu ba kiểu đường ống nạp khác nhau để đánh giá hiệu suất thể tích của quá trình nạp cho động cơ 4 xi lanh tại tốc độ 3000 vòng/phút. Tác giả đã sử dụng phương pháp mô phỏng CFD với phần mềm Star-CD và mô hình rối k-ε; quá trình rời rạc miền tính toán sử dụng phầm mềm Gambit. Một phương pháp nghiên cứu tương tự cũng được thực hiện bởi Suresh .Aadepu et al.