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.