Luận văn thạc sỹ chuyên ngành động cơ ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THANH QUANG

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ĐỂ XUẤT BIỆN PHÁP
NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XE MÁY
THÔNG QUA MÔ PHỎNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THANH QUANG

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ĐỂ XUẤT BIỆN PHÁP
NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ XE MÁY
THÔNG QUA MÔ PHỎNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116
Hướng dẫn khoa học:
TS. LÝ VĨNH ĐẠT

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017



Luận văn cao học

HVTH: Lê Thanh Quang

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

4

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Lê Thanh Quang

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/02/1993

Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán: Tiền Giang

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 237/32/99 Đường Phạm Văn Chiêu Phường 14 - Gò Vấp- Tp.HCM.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng:

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến …/…

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo: 09/2011 đến 08/2015

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ
Chí Minh.
Ngành học: Cơ khí động lực.

Tên đồ ántốt nghiệp: Nghiên cứu, tính toán chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng
điện cảm trên hệ thống điện ô tô.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 15/08/2015 tại trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật Tp.HCM
Người hướng dẫn: ThS. Phan Nguyễn Quí Tâm.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
1/09/2015

Nơi công tác
Công ty cổ phần Ôtô Trường Hải
LỜI CAM ĐOAN

HVTH: Lê Thanh Quang

5

Công việc đảm nhiệm
Kỹ sư dịch vụ

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 3 năm 2017

LỜI CẢM TẠ

HVTH: Lê Thanh Quang

6

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

Trong suốt thời gian 1.5 năm học tập và nghiên cứu tại trường đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, nhận được sựhướng dẫn tận tình của các quí thầy
cô và các điều kiện học tập thuận lợi của quí trường tôi đã tiếp thu được nhiều kiến
thức hửu ích phục vụ cho quá làm việc và nghiên cứu của mình sau này.
Xin cảm ơn đến quí Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp cao học Ôtô niên khoá
2015B đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp.
Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS. Lý Vĩnh Đạt người
thầy đã hết lòng tận tình hướng dẫn chuyên môn tôi trong suốt thời gian thực hiện
luận văn.
Xin cám ơn ThS. Nguyễn Đỗ Minh Triết,ThS. Huỳnh Diệp Ngọc Long đã hỗ
trợ thiết bị nghiên cứu,dụng cụ đo kiểm.

Dù tôi đã hoàn thành luận văn nhưng chắc sẽ còn thiếu sót, mong nhận được ý
kiến đóng góp của quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện tốt hơn.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành và gửi lời chúc sức khỏe đến quý
thầy cô, gia đình và mọi người.
Học viên thực hiện

Lê Thanh Quang

HVTH: Lê Thanh Quang

7

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt
TÓM TẮT

Nguồn nhiên liệu ngày càng cạn kiệt song nhu cầu sử dụng xe ô-tô và xe máy
đang dần tăng lên đòi hỏi các nhà nghiên cứu và thiết kế động cơ đốt trong cần tối
ưu hóa hiệu suất của xe. Và một trong những cách thức dùng để cải thiện hiệu suất
của động cơ là điều chỉnh độ xoáy của động cơ dựa trên sự thay đổi hình dạng của
cổ nạp khí. Dưới sự hỗ trợ của các phần mềm thiết kế Catia và phần mềm mô phỏng
động lực học lưu chất Ansys Fluent kết hợp Matlab, nghiên cứu có thể dự đoán hiệu
suất của động cơ một cách chính xác và tiết kiệm nguồn kinh phí đáng kể. Bài báo
này sử dụng phần mềm Catia để tạo mô hình 3D cho hệ thống nạp và động cơ đốt
trong 125 cc. Bài báo cũng sử dụng phần mềm Ansys để mô phỏng vận tốc lưu chất

qua hệ thống nạp đến xy lanh. Từ đó cải thiện hình dạng cổ nạp khí cho động cơ.
Phần mềm Matlab được sử dụng để tính toán thông số động cơ như công, công suất
và hiệu suất chỉ thị, từ đó rút ra được mô hình tối ưu của cổ nạp khí.
Từ khóa: Động cơ; mô phỏng; hệ thống nạp; phần mềm Ansys; công suất.
Abstract
Nowadays, the fossil fuels, which are used in internal combustion engine,
havebeen exhausting but demand using car and motorbike is gradually rising. This
requires researchers and engineers design and optimize the performace of the
internal combustion engine. And one of the methods for improving engine
efficiency is adjust their swirl through reshaping the air intake manifold. Under the
support of the lively visual computational softwate such as Catia, Ansys, Matlab,
the engine designers can predict exactly the efficient of the engine and save
significantly cost and time.In the work, Catia solfware is used to create the 3D
model of the intake system and the 125cc internal combustion engine. Then using
Ansys software simulate the velocity of the fluid from the intake system to the
cylinder. After that the intake system is improved for the engine. Finally, using
Matlab system calculate the engine parameters such as the indicated work, the
indicated power and the indicated efficiency.
Keyword: Engine; simulation; intake system; Ansys software; power.

MỤC LỤC

HVTH: Lê Thanh Quang

8

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
EGR:Exhaust gas recirculation
CFD: Computational fluid dynamics
FEM: Finite Element Method
CAD: Computer-aided design
CAM: Computer Aided Manufacturing
3D: 3 Dimension
ICE: Internal combustion engineer
IVO: Intake valve open
IVC: Intake valve close
EVO: Exhaust valve open
EVE: Exhaust valve close
CA: Crank angle

HVTH: Lê Thanh Quang

9

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt
DANH SÁCH CÁC HÌNH

HVTH: Lê Thanh Quang

10

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt
DANH SÁCH CÁC BẢNG

HVTH: Lê Thanh Quang

11

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt
Chương 1 TỔNG QUAN

1

Dẫn nhập

Thế giới trải qua các cuộc cách mạng công nghiệp từ cuối thế kỷ XVIII, khởi

đầu tại các nước Châu Âu. Các nhà khoa học đã cho ra đời các động cơ áp dụng vào
sản xuất thay cho sức người. Điều này Làm cho năng suất lao động tăng lên vượt
bậc. Động lực của động cơ đốt trong tạo ra góp một phần rất lớn vào sự phát triển
sản xuất, cũng như ngành giao thông. Động cơ đốt trong thay thế các cỗ máy hơi
nước chạy bằng than, củi cồng kềnh hiệu suất thấp. Nhân loại tiếp tục nghiên cứu và
phát triển các loại đời động cơ mới với rất nhiều ưu điểm như hiệu suất cao hơn
động cơ thế hệ trước đó.
Trong quá trình sử dụng con người luôn không ngừng cải tiến theo hướng tăng
công suất động cơ và giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Hàng loạt các cải
tiến có thể nhắc đến ở các hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, hệ thống xả…v.v.Các
nghiên cứu này phải được dựa trên các đường đặc tính của động cơ, cũng như tình
trạng làm việc thực tế. Vì thế việc nghiên cứu đặc tính động cơ cũng như các cải
tiến cho động cơ tối ưu hơn được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.
2

Lý do chọn tài
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghệ ứng dụng trong lĩnh

vực giao thông, góp phần vào sự phát triển nền kinh tế. Thời gian vận chuyển hàng
hóa thương mại và nhu cầu đi lại con người ngày càng được rút ngắn. Sự phát triển
công nghệ trong động cơ đốt trong đã làm thay đổi điều này. Trong ba loại phương
tiện đường bộ, đường biển và đường hàng không thì số lượng phương tiện đường bộ
chiếm số lượng lớn nhất. Nhu cầu sử dụng phương tiện cá nhân để đi lại và chuyên
chở hàng hóa thiết bị tăng cao. Ở các nước đang phát triển, đặc biệt là các quốc gia
tại châu Á nhu cầu sử dụng xe gắn máy ngày càng tăng. Sự tiện dụng, cơ động cũng
như giá thành giúp người dân dễ dàng sở hữu một phương tiện cá nhân riêng biệt
cho nhu cầu di chuyển.

HVTH: Lê Thanh Quang

12

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

Việt Nam cũng là một quốc gia nằm trong quy luật phát triển của châu Á, hiện
nay xe máy là phương tiện chiếm đa số trong giao thông đường bộ. Bởi sự phù hợp
của phương tiện này trong đi lại, lao động sản xuất của người dân. Sự gia tăng
nhanh về số lượng xe máy ở nước ta bên cạnh những ưu điểm mà phương tiện này
đem tới thì không ít những vấn đề lo ngại. Một trong những vấn đề đó là sự ô nhiễm
môi trường do một lượng khí xả lớn thải ra từ động cơ xe máy. Động cơ xe máy thải
ra một lượng khí thải lớn gây ô nhiễm môi trường sống, gây ra hiện tượng hiệu ứng
nhà kính. Lượng khí thải này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, khói bụi
nơi thành phố lớn do số lượng xe máy lớn. Một vấn đề nữa là hiện nay hiệu suất
trên động cơ đốt trong là chưa cao, quá trình hòa trộn và cháy chưa hoàn thiện nên
chưa tạo ra công suất tối ưu. Thế giới chúng ta đang lo ngại về vấn đề cạn kiệt
nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng như phương hướng tìm nguồn nhiên liệu thay thế.
Động cơ đốt trong hiện nay thì có hiệu suất thấp và chưa tiết kiệm nhiên liệu tối ưu
vẫn còn một phần nhiên liệu cháy chưa sạch thải ra môi trường, gây tiêu hao nhiên
liệu và ô nhiễm. Trước khi tìm ra nguồn nhiên liệu mới thì vấn đề nghiên cứu cải
tiến động cơ đốt trong nhằm mục đích nâng cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên
liệu mang tính chất cấp thiết.
Hiện nay có nhiều công trình khoa học tập trung giải quyết vấn đề trên của động

cơ đốt trong. Nghiên cứu mô phỏng được áp dụng nhiều trong cải tiến động cơ. Sự
phát triển mạnh của các phần mềm mô phỏng góp phần rất lớn cho các kết quả
nghiên cứu. Mô phỏng bằng phần mềm có nhiều ưu điểm là tiết kiệm được thời
gian, công sức và kinh phí cho việc cải tiến. Dự đoán được trước kết quả của quá
trình tính toán mô phỏng cho thực tế chế tạo. Mô phỏng cũng là xu thế trong nghiên
cứu thiết kế chế tạo một một động cơ mới.
Những vấn đề cấp thiết đó cần có những động cơ xe máy tốt hơn, tiết kiệm
nhiên liệu giảm lượng khí xả ra môi trường. Đây cũng là hướng nghiên cứu của các
nhà khoa học và hãng sản xuất xe máy. Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề
này dưới sự hướng dẫn của TS. Lý Vĩnh Đạt học viên đã chọn đề tài “Nghiên
cứu,đề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy thông qua mô phỏng.’’
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.

HVTH: Lê Thanh Quang

13

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

1

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

Nghiên cứu trong nước.
Nghiên cứu mô phỏng đặc tính của động cơ ở nước ta hiện nay các nhà khoa

học còn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Từ khi có sự ra đời của các
phần mềm mô phỏng đã hỗ trợ rất nhiều cho sự thu thập tính toán cũng như mô
phỏng được các đặc tính của động cơ. Đây là một hướng nghiên cứu mới trong
nước, cho đến thời điểm hiện tại chúng ta vẫn chưa có nhiều công trình khoa học
cho đề tài này. Với sự nghiên cứu theo hướng mô phỏng sẽ tiết kiệm chi phí cũng
như cho ra kết quả chuẩn xác về đối tượng nghiên cứu, phù hợp với điều kiện còn
thiếu nhiều cơ sở vật chất cũng như thiết bị nghiên cứu mô phỏng động cơ. Do đó,
thực hiện nghiên cứu mô phỏng động cơ, đề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động
cơ làm cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng dụng trong nước là hết sức cần thiết. Có thể
kể đến một số công trình làm cơ sở cho đề tài.
 Bài báo:“MÔ PHỎNG NÂNG CAO TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CHO ĐỘNG
CƠ DIESEL 1 XI-LANH BẰNG THIẾT KẾ CẢI TIẾN HỌNG NẠP”[1]
Tác giả: Võ Danh Toàn, Huỳnh Thanh Công, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học
Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh.
Nguồn: Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 18,số K7-2015.
Tóm tắt: Bài báo này trình bày nghiên cứu cải tiến họng nạp cho động cơ Diesel
1 xi-lanh RV165-2 nhằm tăng hiệu suất nạp và nâng cao tính năng làm việc thông
qua mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST. Các
phương án cải tiến được đề xuất và đánh giá so với mô hình hệ thống nạp hiện hữu.
Điều kiện mô phỏng ban đầu được dựa trên kết cấu của động cơ và thông số điều
kiện vận hành từ thực nghiệm. Các thông số về đặc tính công suất, sự cháy và khí
thải được lựa chọn làm tiêu chuẩn đánh giá.
Kết quả: Nghiên cứu thể hiện rằng, bằng phương án cải tiến họng nạp đã tăng
hiệu suất nạp, khả năng hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu và không khí, giúp quá trình
cháy tốt hơn, tăng công suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải.

HVTH: Lê Thanh Quang

14

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

 Luận văn “NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ XĂNG ĐỀ
XUẤT BIỆN PHÁP TĂNG HIỆU SUẤT’’.[2]
Tác giả: Nguyễn Xuân Dung, Lý Vĩnh Đạt, Khoa Cơ khí Động lực, trường đại học
Sư phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh.
Nguồn: Luận văn thạc sĩ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM.
Tóm tắt:đề tài được thực hiện mô phỏng trên động cơ Toyota 1 NZ – FE. Xây
dựng cơ sở lý thuyết các đặc tính của động cơ và mô hình toán cho việc mô phỏng
các quá trình của động cơ. Trên cơ sở đó nghiên cứu hệ thống VVT-i việc thay đổi
thời điểm đóng mở xupap đến khả năng cải tiến hiệu suất động cơ.
Kết quả: Qua nghiên cứu cho thấy việc thay đổi thời điểm đóng mở xupap ảnh
hưởng đến công suất động cơ. Làm tối ưu hóa quá trình cháy, giảm được lượng khí
thải động cơ và nâng cao được công suất. Tạo một cơ sở lý thuyết tin cậy cho việc
nghiên cứu đặc tính động cơ xăng, mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/ simulink.
 Luận văn: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ĐỘNG CƠ 3 XY LANH
DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY THREE VORTEX
COMBUSTION (TVC), SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIODIESEL. (THAM KHẢO ĐỘNG CƠ 3 XY LANH KUBOTA D1703-ME3B)’’.[3]
Tác giả: Huỳnh Diệp Ngọc Long, Phạm Xuân Mai, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại
học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh.
Nguồn: Luận văn thạc sĩ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM.
Tóm tắt: Nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong cỡ trung đang rất cần cho nền nông
nghiệp trong nước. Đề tài đề cập đến nghiên cứu cách thiết kế mẫu chi tiết động cơ
bằng kỹ thuật thiết kế ngược, dựa trên nền tảng mẫu là động cơ Kubota D17-ME3B. Qua cách thu thập số liệu và kết hợp nhiều phần mềm thiết kế, mô phỏng tính

toán cho chi tiết chế tạo.
Kết quả: Đã thu thập dữ liệu tính toán và nghiên cứu điều kiện làm việc các chi
tiết và mô phỏng trên phần mềm Catia, Ansys. Thiết kế được 5 chi tiết chính của
động cơ mẫu: piston, thanh truyền, trục khuỷu, thân máy và nắp máy.Kiểm nghiệm
sức bền của 5 chi tiết chính: piston, thanh truyền, trục khuỷu, thân máy và nắp máy.

2

Nghiên cứu ngoài nước.

HVTH: Lê Thanh Quang

15

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

 Bài báo: “ENGINE MODELING WITH INLET AND EXHAUST WAVE
ACTION FOR REAL TIME CONTROL”.[4]
Tác giả: Yuh-Yih Wu, Bo-Chiuan Chen, Yaojung Shiao, Feng-Chi Hsieh National
Taipei University of Technology, TAIWAN.
Nguồn: Proceedings of IMECE’03 2003 ASME International Mechanical
Engineering Congress Washington, D.C., November 15–21, 2003.
Tóm tắt: Bài báo nói về nội dung mô phỏng các đặc tính của động cơ Yamaha
dung tích 125. Tác giả đã tính toán các đặc tính đầu ra của động cơ xe máy dựa trên

đề xuất 2 mô hình mô phỏng: mô hình chức năng momen xoắn (torque function
model) và mô hình tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy (heat release model). Mô
phỏng các quá trình làm việc của động cơ dựa trên phần mềm Matlab simulink bao
gồm các mô hình đầu vào truyền nhiệt, ma sát và động học sinh ra của động cơ.
Kết quả: Cả hai mô hình được đề xuất trong nghiên cứu đều có kết quả gần sát
với thực nghiệm. Tuy nhiên mỗi mô hình có đặc điểm khác nhau: mô hình chức
năng moment xoắn có ưu điểm trong việc mô phỏng tính toán đặc tính động cơ với
thời gian ngắn và phù hợp với mô phỏng điều khiển các trạng thái trong xe Hybrid.
Trong khi đó, mô hình tốc độ toả nhiệt có ưu điểm trong việc mô phỏng điều khiển
hệ thống truyền lực trong động cơ và xét các ảnh hưởng của sự dịch chuyển dòng
khí nạp đến quá trình cháy động cơ.
 Bài báo” EFFECTS OF VALVE TIMING AND INTAKE FLOW MOTION
CONTROL ON COMBUSTION AND TIME-RESOLVED HC & NOX
FORMATION CHARACTERISTICS”.[5]
Tác giả: C. L. Myung, K. H. Choi, I. G. Hwang, K. H. Lee, and S. Park.
Nguồn: International Journal of Automotive Technology, vol. 10, no. 2, pp. 161–
166, 2009.
Tóm tắt: Ảnh hưởng của khí nạp vào buồng đốt động cơ sẽ ảnh hưởng đến quá
trình cháy sạch. Bài báo là một thí nghiệm nhằm kiểm tra quá trình đốt trong động
cơ ở các thời điểm đóng mở xupap nạp khác nhau ở điều kiện không toàn tải.
Kết quả: Bài báo kết luận rằng thời điểm mở xupap nạp sớm có hiệu quả,quá
trình hòa trộn nhiên liệu và không khí đều hơn, phân phối khí tối ưu làm giảm HC

HVTH: Lê Thanh Quang

16

MSHV: 1580505

Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

và điều chỉ độ tăng NOx thải ra môi trường. Với sự xoáy lốc đứng (tumble) thì hàm
lượng HC giảm 12% ở chế độ tỉ lệ xoáy lốc đứng chiếm 50% và giảm thêm được
16% HC khi xoáy lốc đứng tiếp tục điều chỉnh lên 75%. Cần cân chỉ lại lượng NOx
thải ra.
 Bài báo: “ANALYSIS OF TUMBLE AND SWIRL MOTIONS IN A
MOTIONS IN A FOUR- VALVE SI ENGINE’’.[6]
Tác giả: Yufeng Li, Hua Zhao, Zhijun Peng and Nicos Ladommatos
Nguồn: International Fall Fuels and Lubricants Meeting and Exposition San
Antonio, Texas,September 24-27, 2001
Tóm tắt: Bài báo đề cập đến vấn đề tỉ lệ tạo xoáy trong buồng đốt Tumble và
Swirl trong một động cơ xăng 4 kì có 4 van xuppap. Xây dựng được mô hình thí
nghiệm và mô phỏng tỉ lệ xoáy cuộn trong lòng xylanh động cơ ở 2 kì là nạp và nén
của động cơ, thiết lập các mô hình và đồ thị tỉ lệ ở từng thời điểm quay của trục
khuỷa động cơ.
Kết quả: Bài báo đã mô phỏng được sự xoáy lốc trong buồng đốt động cơ và xét
tính ảnh hưởng của tỉ lệ Tumble và Swirl đến sự hòa trộn ở kì nạp và nén.Nghiên
cứu được năng lượng xoáy cuộn đứng tốt cho quá trình nén trong động cơ.
 Bài báo: “AUTOMOTIVE ENGINE MODELING FOR REAL- TIME
CONTROL USING MATLAB/SIMULINK”.[7]
Tác giả: Rober W.Weeksand John J.Moskwa Powertrain Control Research
Laboratory University Of Wisconsin- Maddison.
Nguồn: SAE Paper 776-4841
Tóm tắt: Bài báo sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng một động cơ xăng 4
kì. Cách xây dựng một mô hình động cơ trong phần mềm Matlab/simulink.Hướng
dẫn cách sử dụng phần mềm. Sự cần thiết của mô hình hóa động cơ trong mô phỏng

và cải tiến đặc tính giảm khí thải.
Kết quả: Xây dựng được 5 mô hình chính trên động cơ xăng trong phần mềm:
Mô hình điều khiển nhúng điện tử,đánh lửa, cảm biến điều khiển và mô hình truyền
lực.

HVTH: Lê Thanh Quang

17

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

3

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

Mục tiêu đề tài.
Mục tiêu đề tài “Nghiên cứu, đề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe

máy thông qua mô phỏng.’’Là xây dựng một cơ sở lý thuyết đặc tính cho động cơ
xe máy giúp ích cho quá trình nghiên cứu động cơ. Tạo một cơ sở dữ liệu tin cậy
cho quá trình giảng dạy và học tập tại trường.
Đề tài đề xuất ra mô hình mô phỏng các đặc tính xe gắn máy. Trên cơ sở đó,đề
xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ thông quá trình nghiên cứu cải tiến hệ
thống nạp, sự hòa trộn tăng hiệu suất. Tối ưu hóa được quá trình hòa trộn nhiên liệu
bên trong xilanh. Đưa ra cách thiết kế cải tiến một đường ống nạp mới tối ưu cho
động cơ đang sử dụng.

4

Nhiệm vụ đề tài.

Đề tài cần làm được rõ các nội dung sau:
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán các đặc tính đầu ra trong động cơ xe

-

máy.
Thuật toán mô phỏng động cơ.
Xây dựng mô hình hóa mô phỏng các đặc tính động cơ bằng phần mềm

-

Ansys, Matlab Simulink.
Xét sự ảnh hưởng của các thông số trên hệ thống nạp đến đặc tính động cơ.
Trên cơ sở đó, đề xuất sự cải tiến hệ thống nạp tối ưu cho động cơ xe máy
Honda 125 cc.

5

Giới hạn của đề tài.
Vấn đề nghiên cứu đặc tính động cơ để từ đó tăng hiệu suất động cơ và giảm ô

nhiễm môi trường và một vấn đề nghiên cứu rộng. Có nhiều sự liên quan các thông
số và các hệ thống trong động cơ trong quá trình nghiên cứu. Liên quan đến nhiều
kiến thức của các ngành khoa học và thiết kế đồ họa. Trong đề tài này tập trung vào

nghiên cứu đặc tính công suất từ đó cải tiến hệ thống nạp tối ưu để được một hiệu
suất tốt nhất.
Động cơ hoạt động rất nhiều tốc độ khác nhau nên ta chọn nghiên cứu ở các
mức tốc độ là: 3000v/p, 5000v/p, 7000v/p, 8000v/p. Ảnh hưởng của các cải tiến hệ

HVTH: Lê Thanh Quang

18

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

thống nạp đến các thông số công suất và khí thải ở các tốc độ này so với ban đầu
chưa cải tiến. Đánh giá được kết quả nghiên cứu đem lại cho sự tối ưu của động cơ.
Đề tài chỉ dừng lại ở mức mô phỏng và thiết kế trên phần mềm chuyên dụng để cho
ra được kết quả nghiên cứu chưa tao ra được sản phẩm áp dụng trên xe.
6

Đối tượng nghiên cứu.

Nghiên cứu mô phỏng các thông số trên động cơ xe máy thu thập các thông số có
được của hệ thống nạp. Hệ thống nạp và cổ nạp là vấn đề được tập trung nghiên cứu
trong đề tài. Sự thay đổi hình dạng cũng như kích thước tạo sự xoáy lốc khác nhau
trong buồng đốt ảnh hưởng đền hiệu suất động cơ thông qua sự thay đổi hiệu suất
nạp. Từ nghiên cứu này đưa ra tài liệu cơ sở lý thuyết tin cậy cho sự nghiên cứu về

các thông số nạp ảnh hưởng đến hiệu suất, khí thải động cơ diesel mà hệ thống nạp
mang đến.
7

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
a. Ý nghĩa khoa học.
Đề tài xây dựng một nguồn tài liệu làm cơ sở tin cậy cho quá trình nghiên cứu

động cơ. Tính toán mô hình hóa được các thông số của động cơ đưa vào mô phỏng.
Nghiên cứu được sự ảnh hưởng thay đổi dòng khí nạp ảnh hưởng đến hiệu suất
động cơ và giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu cải tiến
đường ống nạp mới cho sự mô phỏng dòng khí nạp đánh giá khả năngcủa cải tiến
mới so với đường nạp cũ. Thu thập số liệu động cơ mô hình hóa được động cơ vào
việc mô phỏng thông qua phần mềm.
b. Ý nghĩa thực tiễn.
Việc xây dựng và mô phỏng động cơ bằng phần mềm Ansuys và
Matlab/simulink sẽ đem lại một số ưu điểm: tiết kiệm thời gian, chi phí, công sức...
Điều này phù hợp với tình hình nghiên cứu trong nước ta hiện nay. Bên cạnh đó,
những thí nghiệm có nhiều thông số ảnh hưởng qua lại hay khó thực hiện được
trong thực tiễn, thông qua việc thiết lập mô hình mô phỏng sát với thực tế thì có thể
can thiệp vào các thông sốđó dễ dàng. Qua đề tài cũng góp phần xây dựng nên một

HVTH: Lê Thanh Quang

19

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

phương pháp cải tiến mới cho các động cơ diesel cũ ở nước ta. Sự ứng dụng của
phần mềm mô phỏng đến hướng nghiên cứu và phát triển động cơ trong tương lai.
Tuy nhiên đây là một vấn đề nghiên cứu lớn và phức tạp, cần có nhiều thời gian và
thiết bị hiện đại trong quá trình nghiên cứu.
8

Phương pháp nghiên cứu.
Quá trình nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp sau:
-

9

Phương pháp nghiên cứu tài liệu.
Phương pháp xây dựng mô hình toán và mô phỏng.
Phương pháp so sánh đối chiếu kết quả.
Phương pháp thiết kếmô phỏng dòng chảy.
Phương pháp khảo sát đối tượng.
Kế hoạch thực hiện.
Tháng 5/2016 - tháng 03/2017

Thời gian
Công việc

1.Đăng ký tên đề tài.
2. Xác định đề tài nghiên cứu,
xác định hướng nghiên cứu.

3. Tìm hiểu, thu thập tài liệu về
vấn đề nghiên cứu.
4. Viết chươngI, II.

0

0

0

0

0

1

5

6

7

8

9

0

X

X

X
X

X

1

0

0

2

1

2

X

X

X

03

X
X

X

5. Viết chương III.
6. Viết chương IV,V.

X

7. Hoàn chỉnh thủ tục, bảo vệ

X

luận văn. Kết thúc nghiên cứu.

HVTH: Lê Thanh Quang

11

20

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

HVTH: Lê Thanh Quang

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

21

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ
2.1 Các phương pháp mô phỏng.
Mô phỏng động cơ được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau. Trong
đó, có bốn loại mô hình hóa tính toán chính xác dòng nạp và xả được phát triển và
sử dụng:
(1) Mô hình Quasi-steady: được sử dụng cho điều khiển, như điều khiển van EGR.
Khuyết điểm là dùng quá nhiều phương trình thực nghiệm nghiệm nên kết quả tính
toán không đạt độ chính xác cao.
(2) Mô hình Filling and empting: được sử dụng cho tính toán hiệu suất. Sử dụng
phương trình khối lượng và năng lượng hoặc entropy. Không cần đến phương trình
động lực trong việc tính toán.
(3) Mô hình Wave action: Dùng các phương trình động lực của dòng chảy một chiều.
Thời gian tính toán khá dài. Đối với các đường ống có tỉ lệ chiều dài chia đường
kính lớn hơn 10, ảnh hưởng của bản chất sóng không nên bỏ qua.
(4) Mô hình CFD: Mô phỏng dòng chảy 3 chiều. Thời gian tính toán khá dài. Được
dùng cho một thiết kế động cơ mới.
Tính toán tốc độ dòng khí vào động cơ là một hàm số theo A (diện tích), P O (áp
suất khí quyển), và Pm/PO (tỉ lệ áp suất của áp suất đướng ống và áp suất khí quyển)

P 
&= f  A, P0 , m ÷

m
P0 


(2.1)

Nếu áp suất đường ống P m là trạng thái ổn định, chỉ phụ thuộc vào tốc độ động
cơ, thì ta dùng “mô hình hóa Quasi-steady”.
Nếu áp suất đường ống Pm không ổn định, ta dùng phương pháp “mô hình hóa
Filling and empting”.
Nếu áp suất sóng trong đường ống là đáng kể, ta dùng phương pháp “mô hình
hóa Wave action”.

HVTH: Lê Thanh Quang

22

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

Trong đề tài này là tính toán hiệu suất, suất tiêu hao nhiên hiệu, hiệu suất nạp và
nhiên liệu ... của động cơ đốt trong. Vì vậy, đề tài sử dung phương pháp "Filling and
empting" để mô phỏng động cơ. Chia thành các mô hình sau đây: (1) Nạp,(2) Cháy,
(3) Truyền nhiệt,(4) Ma sát,(5) Làm việc.
2.2 Động lực ống góp hút và góp thải.

2.2.1 Ống góp nạp.
Hệ thống nạp được chia thành một số phần như được thể hiện hình 2.1 bao
gồm:phần đầu ống góp nạp, ống góp nạp, xi lanh [8]. Các phần đó được xem như là
thể tích xác định bằng phương pháp “Filling and Emptying Methods”. Các phương
trình động học đặc trưng dựa trên định luật khí lý tưởng, định luật bảo toàn khối
lượng và định luật bảo toàn năng lượng.

Hình 2.1Sơ đồ ống góp nạp.
Trong phương pháp“Filling and Emptying Methods”, người ta sử dụng một mô
hình dòng chảy gần như ổn định đi qua một lỗ để suy ra mô hình dòng lưu lượng đi
qua phần đầu ống góp nạp, ống góp xi lanh, và xupap nạp. Mối quan hệ gần như ổn

HVTH: Lê Thanh Quang

23

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

định của dòng khí đi qua xupap mở dựa trên giả thiết của dòng một chiều, ổn định,
chịu nén của khí lý tưởng. Lưu lượng khối lượng khí được tính bằng công thức:
m&= Cd A0 d 0 ( p1 , p2 , T1 , T2 )

(2.2)

Trong đó:
-

Cd: hệ số lưu lượng dòng chảy.
A0:diện tích lỗ dòng chảy.
d0: hàm chuẩn dòng chảy qua lỗ, thông số này phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ
phía dưới, p1 và T1, áp suất và nhiệt độ phía trên, p2 và T2.



d 0 ( p1 , p2 , T1 , T2 ) = 




p 
P2
×δ 0  1 ÷
RT2
 p2 

khi p1 ≤ p2

p 
×δ 0  2 ÷
RT1
 p1 

khi p1 > p2

P1

(2.3)

với
  2 ( γ +1) /2( γ −1)
γ 1/2 
÷
  γ + 1 
δ 0 ( x) = 
1/ γ
( γ −1) / γ
 p1 
 p1 
2γ
(1 −  ÷
 ÷
γ −1
 p2 
 p2 

γ /(γ −1)

p  2 
khi 1 ≤ 
÷
p2  γ + 1 

γ /( γ −1)

p  2 
khi 1 > 
÷
p2  γ + 1 

(2.4)

2.2.1.1. Phần đầu ống góp nạp:
Động học ống góp nạp có thể được tính bởi phương trình vi phân bậc nhất có
liên quan đến mức độ thay đổi áp suất ống góp nạp, Pm, với lưu lượng khối lượng
m&ϕ

khí vào và ra khỏi ống góp chung (tương ứng với

và

m&r = ∑in=1 m&ri

).

n

m&m = m&φ − ∑ m&ri
i =1

dpm RT
=
dt
Vm

(2.5)

 m& − ∑ m&  , i = 1...n
 φ i =1 ri 
n

(2.6)

Trong đó:
-

i: biểu thị cho xi lanh thứith.
n: số xi lanh trong động cơ.

HVTH: Lê Thanh Quang

24

MSHV: 1580505


Luận văn cao học

GVHD: TS. Lý Vĩnh
Đạt

m&ϕ

-

: lưu lượngkhối lượngkhí đi qua phần đầu ống góp nạp (kg/s).
m&ri

: lưu lượng khối lượng khí từống góp chung vào ống góp nạp riêng từng xi

lanh thứ ith (kg/s).
Vm: thể tích ống góp (m3).
T: nhiệt độ(K).
R: hằng số khí (J/kg.K).
Áp dụng phương trình (2.20) (2.21) (2.22). Lưu lượng khối lượngkhí đi qua

phần đầu ống góp nạp được tính như sau:
m&ϕ = Aϕ (ϕ )Cd d ( pm , p0 )

nếu

Pm  2 
>

P0  γ + 1 

1

 P γ
m&ϕ =
×Cd ×Aϕ ( ϕ ) × m ÷
RT0
 P0 
P0

nếu

Pm  2 
≤

P0  γ + 1 

(2.7)

γ
γ −1

γ −1



 2γ   Pm  γ  
×
× 1−  ÷ 
  P0  
γ
−
1



 


(2.8)

γ
γ −1

γ +1

m&ϕ =

1
P0
 2  2( γ −1)
×Cd ×Aϕ ( ϕ ) ×γ 2 ×
÷
RT0
 γ +1

(2.9)
Trong đó:
-

p0:thể hiện cho áp suât môi trường.
pm:áp suất ống góp hút.
γ:tỉ lệ nhiệt riêng.
Aφ: diện tích thân bướm ga (m2), là một hàm của vị trí bướm ga. Trong mô hình
này, động cơ luôn hoạt động với φ = 900 cho tất cả điều kiện hoạt động của
động cơ. Vì thế Aφ được tính bằng phương trình sau:

HVTH: Lê Thanh Quang

25

MSHV: 1580505