Nghiên cứu quá trình nạp và sự hình thành hòa khí trong động cơ xăng bằng phương pháp mô phỏng số

TĨM TẮT
Nội dung của luận văn trình bày các kết quả về mơ phỏng đặc tính dịng chảy lưu
chất trong động cơ đốt trong sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học dòng chảy
lưu chất CFD. Các kết quả được phân tích dựa trên phần mềm mơ phỏng AVL-Fire.
Đầu tiên, luận văn trình bày một số đặc tính của dịng chảy khí nạp trong xi lanh
và trong đường ống nạp. Ngoài ra, ảnh hưởng của biên dạng thiết kế đường ống nạp đến
đặc tính vận hành của động cơ cũng được trình bày. Các kết quả từ các tác giả thơng qua
các nghiên cứu trước giúp tác giả có nền tảng và cơ sở cho các thiết kế, cải tiến và đánh
giá sau này.
Trong phạm vi sử dụng mô phỏng phần mềm AVL, các cơ sở lý thuyết sử dụng
trong AVL được trích dẫn và trình bày. Dựa trên mơ hình động cơ xây dựng trong AVL,
đặc tính dịng chảy của khí nạp trong q trình nạp được đánh giá.
Các thơng số từ kết quả mơ phỏng q trình nạp trong xi lanh được sử dụng cho
mô phỏng đường ống nạp có sẳn. Kết quả mơ phỏng và các đánh giá được trình bày trong
tiêu chí vận hành động cơ. Một số kết quả mơ phỏng và phân tích đã được trình bày trong
chương 4.
Dựa trên một số tiêu chí được chọn, mơ hình đường ống nạp cải tiến được xây
dựng và mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy trên đường ống nạp cải tiến đã giảm
được sự cản trở lưu động của dịng khí nạp, tăng hiệu suất nạp thể tích động cơ, giảm
những vùng thừa do thiết kế biên dạng tuy nhiên vẫn còn nhược điểm về vận tốc lưu
động dịng khí nạp. Các kết quả và giới hạn được trình bày trong chương 6

iv


ABSTRACT
This thesis includes simutational results of flow characteristics into internal
combustion engine using Computational Fluid Dynamics (CFD). The results were
analysed by open-source software AVL – Fire.
The thesis presents some flow characteristics in in-cylinder and intake manifold.
The effect of manifold shape on the operated engine performance was also introduced.

The results of other authors helped more background and that is the basic of designment,
improvement and analysis.
In the used area of AVL, some theories of nummerical simulation method were
introduced. Due to the engine model in AVL, some characteristics of intake flow into incylinder were analysed. The simulation of in-cylinder flow was useful for illustration of
turbulence as swirl and tumble. The results were also used in manifold simulation as
boundary conditions
Some simulated results of in-cylinder flow were used for simulation of original
intake manifold. Based on engine operation criterion, some simulated results and
analyses were show in chaper 04. The original intake manifold can be improved in
increasing performance with higher engine speed.
The improvenment of intake manifold was carried. Some results of inprovement
intake manifold were compared to that of original intake manifold. The simulation results
shown that new manifold can help decreasing flow resistance and increasing volume
intake efficiency. Moreover, the results also have an important role in improving design
of intake manifold for internal combustion engine.
However, there are some problems of fluid flow into the manifold that it was not
be mentioned in this study. In the last chapter, the chapter 06th showns comments and
limitations of this thesis.

v


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân

i

Lời cam đoan

ii

Cảm tạ

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

vi

Danh sách các bảng

viii

Danh sách các hình

ix

Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1

1.1 Đặt vấn đề

1

1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước

1

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

13

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

14

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

14

1.6 Phương pháp nghiên cứu

14

1.7 Kết quả dự kiến

15

1.8 Bố cục luận văn

15

1.9 Kế hoạch thực hiện

15

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY TRONG ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG

17

2.1 Các phương trình tốn học

17

2.2 Phương trình mơ hình rối k-e

18

2.3 Các điều kiện biên

21

2.4 Rời rạc hóa miền tính tốn

23

2.5 Giải thuật SIMPLE

26

vi


Chƣơng 3. MƠ PHỎNG DÕNG KHÍ NẠP TRONG XI LANH ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG

28

3.1 Mơ hình mơ phỏng

28

3.2 Sự lưu động của khí nạp trong xi lanh

31

3.3 Kết luận

43

Chƣơng 4. MƠ PHỎNG DÕNG KHÍ NẠP TRÊN ĐƢỜNG ỐNG NẠP ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG

45

4.1 Mơ hình mơ phỏng

45

4.2 Mơ phỏng đường ống nạp động cơ

47

4.3 Đặc tính dịng chảy khí nạp trong đường ống nạp

54

4.4 Kết luận

70

Chƣơng 5. THIẾT KẾ - CẢI TIẾN ĐƢỜNG ỐNG NẠP ĐỘNG CƠ

60

5.1 Mơ hình đường ống nạp cải tiến

60

5.2 Mô phỏng đường ống nạp cải tiến

63

5.3 Ảnh hưởng của đường ống nạp cải tiến đến đặc tính dịng chảy khí nạp

65

5.4 Kết luận

70

Chƣơng 6. KẾT LUẬN

72

6.1 Kết luận

72

6.2 Hướng phát triển của đề tài

73

TÀI LIỆU THAM KHẢO

76

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Hệ số phương trình mơ hình rối k-

19

Bảng 3.1: Các thơng số mơ hình động cơ

29

Bảng 3.2: Các giá trị điều kiện biên

31

Bảng 4.1: Các thông số đường ống nạp hãng Edelbrock

47

Bảng 4.2: Các giá trị điều kiện biên

52

Bảng 4.3: Các giá trị điều kiện ban đầu

52

Bảng 4.4: Đặc tính của lưu chất khí trong mô phỏng

53

Bảng 4.5: Các thông số cung cấp để lời giải hội tụ

54

viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Minh họa sự xốy (trái) và nhào lộn (phải) của khí nạp trong xi lanh

03

Hình 1.2: Độ nghiêng của đường ống nạp riêng từng xi lanh khác 90o so với
đường ống nạp chung

05

Hình 1.3: Vùng khí nạp vào trong đường ống nạp

07

Hình 1.4: Vùng dự trữ khí nạp trong đường ống nạp

08

Hình 1.5: Vùng phân phối khí nạp đến xy lanh trong đường ống nạp

08

Hình 1.6: Các thơng số đường ống nạp

09

Hình 1.7: Đường ống nạp có ống dự trữ kiểu nghiêng

10

Hình 1.8: Đường ống nạp kiểu thẳng

11

Hình 1.9: Đường ống nạp bố trí kiểu nghiêng

12

Hình 1.10: Đường ống nạp trên động cơ hiện đại

12

Hình 2.1: Lưu đồ phương pháp giải tuần tự.

24

Hình 2.2: Lưu đồ phương pháp giải đồng thời

25

Hình 3.1: Mơ hình động cơ cho nghiên cứu quá trình nạp.

29

Hình 3.2: Cấu trúc lưới trong q trình mơ phỏng

30

Hình 3.3: Thể tích trong xi lanh trong q trình nạp theo góc quay trục khuỷu

32

Hình 3.4: Vận tốc dịng chảy khí nạp theo góc quay trục khuỷu

33

Hình 3.5: Vận tốc dịng chảy theo góc quay trục khuỷu trong giai đoạn đóng muộn van
nạp

34

Hình 3.6: Áp suất trong xi lanh trong quá trình nạp

35

Hình 3.7: Áp suất trong xi lanh trong quá trình nạp

36

Hình 3.8: Nhiệt độ trong xi lanh [K]tại đầu quá trình nạp (5oCA)

37

Hình 3.9: Nhiệt độ trong xi lanh trong quá trình nạp

38

Hình 3.10: Nhiệt độ trung bình của mơi chất trong xi lanh trong q trình nạp theo góc
quay trục khuỷu.

39
ix


Hình 3.11: Trường vận tốc khí nạp tại đầu q trình nạp (5oCA)

40

Hình 3.12: Trường vận tốc của khí nạp tại các thời điểm khác nhau

41

Hình 3.13:Vector vận tốc của khí nạp tại các thời điểm khác nhau

42

Hình 4.1: Đường ống nạp của hãng Edelbrock dùng trên ơ tơ Honda

46

Hình 4.2: Thơng số đường ống nạp

46

Hình 4.3: Mơ hình số đường ống nạp

48

Hình 4.4: Lưới số mơ hình ống nạp trong mơ phỏng

49

Hình 4.5: Kiểm tra chất lượng lưới sau khi rời rạc

50

Hình 4.6: Trường áp suất phân bố trong đường ống nạp

55

Hình 4.7: Trường vận tốc trong đường ống nạp

56

Hình 4.8: Vector vận tốc của lưu chất trong vùng mơ phỏng

57

Hình 4.9: Minh họa các vùng rối bên trong ống nạp

58

Hình 5.1: Cải tiến thiết kế ống nạp qua các kiểu khác nhau

61

Hình 5.2: Minh họa đường ống nạp cải tiến

62

Hình 5.3: Lưới số mơ hình đường ống nạp cải tiến

63

Hình 5.4: Minh họa kiểm tra chất lượng và mật độ lưới được tạo ra trong đường ống nạp
cải tiến

64

Hình 5.5: Phân bố trường áp suất tại hai mặt cắt vng góc trong đường ống nạp 65
Hình 5.6: Phân bố trường vận tốc hai mặt cắt vng góc trong đường ống nạp

67

Hình 5.7: Phân bố vận tốc rối tại hai mặt cắt vng góc trong đường ống nạp

68

x


Hình 5.8: Phân bố vận tốc rối tại hai mặt cắt vng góc trong đường ống nạp

69

Hình 5.9: Đường dịng chảy trong đường ống nạp cải tiến

70

xi


CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề
Trong động cơ xăng vấn đề tăng hiệu suất, công suất, giảm tính tiêu hao nhiên liệu,
giảm lượng khí thải ơ 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 xốy lốc hịa 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
khơng 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
tốn tỉ lệ hịa 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
q trình nạp và sự hình thành hịa khí trong động cơ xăng bằng phƣơng pháp mơ
phỏng số. ’’
1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc
Ngày nay tính tốn động lực học chất lỏng đã trở thành một công cụ hữu hiệu để

phân tích dịng chảy khơng 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


Bên cạnh phương pháp thực nghiệm để xác định động lực học dịng 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...
1.2.1 Q trình lưu động dịng khí nạp trong xi lanh
Hiện nay, những động cơ đốt trong là nguồn động lực chính trên ơ tơ 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 dịng chảy. Sự hình thành của dịng chảy rối trong xi
lanh có tính chu kỳ và phụ thuộc vào khơng gian-thời gian[3] Sự chuyển động rối của
dịng chảy khí nạp mới trong xi lanh có lợi ích trong việc cải thiện q trình truyền năng
lượng, hịa 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 xốy của khí nạp có ảnh hưởng đến q 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

dịng khơng khí mới đi vào, hoặc hình dạng đế xupap và thời điểm đóng mở xupap. Trên
thực tế, xốy lốc ngang của khí nạp ln ln tồn tại với sự hiện diện của xốy lốc dọc
nhưng ngược lại xốy lốc dọc có thể xuất hiện trong xi lanh mà khơng có xốy lốc ngang.
Các cơn xốy lốc trong xi lanh của khí nạp mới chủ yếu hình thành trong q trình nạp và
khơng có sự thay đổi nhiều trong suốt quá trình nén. Trong thiết kế động cơ, tối ưu dòng
2


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 dịng 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. [4]

Hình 1.1: 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 dịng chảy khí nạp có ảnh hưởng rất lớn đến q
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. Q trình nạp hồn
hảo thúc đẩy sự cháy tốt hơn và giảm thiểu khí xả độc hại, góp phần hồn thiện cơng tác
thiết kế, cải tiến động cơ.
Việc xác định đặc tính dịng 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 dịng chảy và cho kết quả trực quan. Nghiên cứu sử dụng
phương pháp mơ phỏng số dịng 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 mơ
hình rối chủ yếu được chọn là (k- ). [6][7]

3

Paul and Ganesan [8] sử dụng phương pháp mô phỏng số dòng chảy lưu chất (CFDComputational 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 thơng số thiết kế đường ống
nạp có ảnh hưởng sự ảnh hưởng đến dịng chảy khí nạp mới và đến đặc tính vận hành của
động cơ. Tác giả giả định dòng chảy khí nạp trong mơ hình nghiên cứu đến đặc tính rối
của lưu chất theo mơ 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 xốy 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 xốy lốc dịng 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 dịng chảy và đặc tính rối. Phương pháp
thực nghiệm sử dụng Laser Doppler Aneometry (LDA) để tính tốn ứng suất Reynold và
các thành phần vận tốc. Tác giả đã so sánh những kết quả đạt được trong trường hợp có
và khơng có sự xốy lốc.
Gosman [11] nghiên cứu bằng phương pháp mơ phỏng số và thực hiện thực nghiệm
để xem xét đặc tính dòng chảy rối trong xi lanh trong trường hợp chạy trơn (không phun
nhiên liệu, không đánh lửa). Tác giả khẳng định rằng trường vận tốc của dịng 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 dịng chảy khí nạp có ảnh hưởng rất lớn đến q trình cháy và hình
thành khí xả trong động cơ đốt trong. Q trình nạp hồn hảo thúc đẩy sự cháy tốt hơn và
giảm thiểu khí xả độc hại, góp phần hồn thiện cơng tác thiết kế, cải tiến động cơ.

4

1.2.2 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 dịng khí nạp tăng
1,7% so sánh với loại ban đầu (chưa cải tiến).
Tăng sự xốy lốc dịng 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 xốy 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 dịng 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 khơng có độ
nghiêng

5


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 q 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

mơ hình rối k-ε; q trình rời rạc miền tính tốn sử dụng phầm mềm Gambit. Một
phương pháp nghiên cứu tương tự cũng được thực hiện bởi Suresh .Aadepu et al. [17]
trên động cơ Diesel 2 xi lanh 800cc để đánh giá hiệu suất nạp thể tích dựa trên tiêu chí
thay đổi thể tích đường ống nạp. Sau khi lựa chọn các điều kiện biên phù hợp và dòng
chảy đều, tác giả khẳng định rằng đường ống nạp sau khi thiết kế lại có thể cải tiến 7%
hiệu suất nạp thể tích động cơ.
Bên cạnh các động cơ có dung tích xi lanh lớn, dịng động cơ xe mơ tơ có dung tích
làm việc nhỏ hơn cũng được nghiên cứu để cải thiện đặc tính động cơ, đặc biệt là suất
tiêu hao nhiên liệu. S. A. Sulaiman et al [18] đã nghiên cứu dịng chảy của khí nạp trong
các kiểu ống nạp khác nhau cho động cơ xe Mô tô Go-Kart 200cc. Tác giả sử dụng
phương pháp mô phỏng số với 6 mơ hình đường ống nạp khác nhau và mô phỏng bằng
Fluent 6.2. Các kết quả sau khi mô phỏng được kiểm nghiệm bằng nghiên cứu thực
nghiệm. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các kết quả bằng phương pháp sử dung mô phỏng số
tương đồng (agreement) so với các kết quả sử dụng phương pháp thực nghiệm. Đường

6


ống nạp được thiết kế tốt có thể tạo ra sự khác nhau hơn 20% về khối lượng khí nạp đi
vào xi lanh so với kiểu có hiệu quả thấp.
1.2.3 Đường ống nạp khí trong xi lanh động cơ đốt trong
Đường ống nạp động cơ là một phần của động cơ, được bố trí giữa bướm ga và xi
lanh động cơ. Ở động cơ nhiều xi lanh, đường ống nạp có nhiệm vụ chính là cung cấp khí
nạp đến từng xi lanh động cơ. Tùy theo sự phát triển của hệ thống nhiên liệu mà kết cấu,
hình dáng và cơng dụng của đường ống nạp có khác nhau. Động cơ phun xăng đa điểm
trên đường ống nạp (MPI) có nhiệm vụ tạo ra hỗn hợp khơng khí – nhiên liệu trong khi ở
động cơ phun xăng trực tiếp lại quan trọng vận tốc và sự xốy lốc dịng khí trên đường
ống nạp. Đường ống nạp có ảnh hưởng đến tốc độ lưu động dịng khí và khối lượng khí
nạp có thể vào trong xi lanh. Ống nạp còn là nơi dự trữ một khối lượng khơng khí ban
đầu cho động cơ.

Thất thoát áp suất trên đường ống nạp
Thất thoát áp suất trên ống nạp có thể được chia thành 2 ngun nhân: chính và phụ.
Thất thốt áp suất chính gây ra bởi chiều dài vật lý của ống nạp và sự ma sát bởi độ nhớt
giữa khơng khí nạp và thành ống nạp. Thất thoát áp suất phụ gây ra bởi hình dạng ống
nạp như: đường khí vào, đường khí ra (trịn, vng), góc nghiêng đường ống nạp riêng, ...
Kết cấu ống nạp
Kết cấu ống nạp được chia thành 3 phần: vùng khí nạp vào, vùng trữ khí nạp và
vùng phân phối khí nạp
Vùng khí nạp vào (vùng a) là nơi tiếp giáp với bướm ga, có đặc điểm đường kính
nhỏ hơn so với đường kính vùng dự trữ khí nạp, chiều dài có thể khác nhau tùy theo động
cơ. Vùng khí nạp vào được minh họa như hình 1.3.

7


Hình 1.3: Vùng khí nạp vào trong đường ống nạp
Vùng dự trữ khí nạp (vùng b): vùng dự trữ khơng khí giúp động cơ tăng tốc. Vùng
này thể hiện rõ nét ở các động cơ phun xăng điện tử trên đường ống nạp. Ở các động cơ
kiểu chế hịa khí, vùng này được giảm nhằm hạn chế sự đọng của xăng trên thành ống
nạp gây ảnh hưởng đến đặc tính động cơ.

Hình 1.4: Vùng dự trữ khí nạp trong đường ống nạp
Vùng phân phối khí nạp (vùng c): số đường ống nạp riêng phụ thuộc vào số xi
lanh động cơ. Chiều dài đường ống nạp phụ thuộc vào kiểu hệ thống nhiên liệu (chế hịa
khí, phun xăng trên ống nạp hoặc phun xăng trực tiếp. Các động cơ phun xăng trên đường
ống nạp, để tăng hiệu suất nạp có khuynh hướng kéo dài đường ống nạp riêng và bố trí
8


dạng xoắn ốc. Kiểu kéo dài đường ống nạp riêng và bố trí dạng xoắn ốc thể hiện rõ trong

các động cơ phun xăng trực tiếp; lúc này vùng b giảm đáng kể.

Hình 1.5: Vùng phân phối khí nạp đến xi lanh trong đường ống nạp
Thất thoát áp suất nạp bởi 2 thành phần, trong đó thành phần phụ có thể giảm bằng
cách thiết kế hình dáng ống nạp. Hình dáng đường ống nạp do các thông số thiết kế quyết
định.
Thông số đường ống nạp
Các thông số đường ống nạp được thể hiện trong hình 1.6, bao gồm:

Hình 1.6: Các thông số đường ống nạp

9


D: chiều dài từ điểm xa nhất tiếp giáp với bướm ga đến điểm có đường kính trong
bằng với vùng dự trữ khí nạp. Đây là vùng chuyển đổi về đường kính trong, xuất hiện do
sự khác nhau của đường kính trong bướm ga và đường kính trong vùng dự trữ.
A, B: chiều dài ống phân phối và đường kính ngồi vùng dự trữ
C: Chiều dài ống dự trữ khí nạp
E: độ nghiêng mặt lắp ghép với phần bướm ga, tùy theo loại động cơ E có thể
bằng 0

Hình 1.7: Đường ống nạp có ống dự trữ kiểu nghiêng
CAo: góc nghiêng đường ống dự trữ do sự sai khác giữa A và B
H: Chiều cao lỗ thốt khí ra tại từng ống nạp riêng
W: Chiều rộng lỗ thốt khí ra tại từng ống nạp riêng
Ngồi ra cịn có thêm thơng số R1, R2; đường kính cổ bướm ga và đường kính
ống vùng dự trữ khí
Để tăng tốc độ lưu động dịng khí nạp vào xi lanh, đường tâm các đường ống nạp
riêng hợp với đường tâm ống dự trự khác 90o, hình thành một độ nghiêng nhất định.

10


Hình 1.8: Đường ống nạp kiểu thẳng
Đường ống nạp kiểu nghiêng có thể gồm các loại như: đường tâm các ống phân
phối thẳng và đường tâm ống dự trữ nghiêng hoặc ngược lại; hoặc bố trí nghiêng đồng
thời cả đường tâm các ống phân phối và đường tâm ống dự trữ.

11


Hình 1.9: Đường ống nạp bố trí kiểu nghiêng
Các động cơ đốt trong hiện đại được phát triển theo khuynh hướng tăng số vòng
quay động cơ. Tốc độ lưu động và sự hịa trộn của khí nạp với nhiên liệu đóng vai trị rất
quan trọng. Đường ống nạp động cơ được phát triển theo khuynh hướng giảm thể tích
vùng khí nạp dự trữ (vùng b) và tăng chiều dài đường ống nạp riêng từng xi lanh như
hình 1.10.
Vùng b

Vùng c
Nơi chuyển
tiếp

Kim phun

Hình 1.10: Đường ống nạp trên động cơ hiện đại
Như vậy đường ống nạp có ảnh hưởng lớn đến đặc tính động cơ. Các động cơ tốc
độ cao cần thiết kế đường ống nạp có khuynh hướng tăng vận tốc dịng khí vào xi lanh.
Tốc độ lưu động dịng khí có vai trị và ảnh hưởng lớn đến khuynh hướng đảm bảo công

12


suất động cơ lớn so với khối lượng (nhờ tăng số vòng quay làm việc), tiết kiệm nhiên liệu
(hòa trộn tốt và cháy sạch), giảm ơ nhiễm mơi trường.
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Trong những năm gần đây quá trình phát triển nghiên cứu động cơ đốt trong ở nước
ta cũng đi cùng sự phát triển chung của thế giới. Nhiều phần mềm tính tốn và thiết kế
động cơ được các hãng phát triển đã góp phần khơng nhỏ trong việc nghiên cứu và thiết
kế ôtô. Những thông số và q trình phức tạp, rất khó có thể đo đạc trực tiếp hoặt có thể
đo nhưng rất tốn kém đã được mô phỏng tương đối thành công và sát với thực tế.
Tại Hội nghị Khoa học lần 20 (Hà Nội), Lê Anh Tuấn [19] đã trình bày nghiên cứu
về mơ hình “mơ phỏng chuyển động của khí thải và hệ thống lấy mẫu khí thải” được thực
hiện trên phần mềm động lực học chất lỏng CFD_FLUENT. Các kết quả nghiên cứu tính
tốn lý thuyết và thực nghiệm cho thấy sự thay đổi rất lớn về nhiệt độ, vận tốc chuyển
động của khí thải từ cửa thải đến cuối đường ống thải. Đồng thời mơ phỏng sự hịa trộn
giữa các thành phần khí thải trong đường ống. Trên thực tế việc mơ phỏng chuyển động
dịng khí thải và mơ phỏng chuyển động dịng khí nạp trên ơtơ là giống nhau về phương
pháp nghiên cứu và lý thuyết thực hiện chỉ khác nhau khi xây dựng mơ hình mơ phỏng.
Tại trường Học viện Kỹ thuật Quân sự (Hà Nội), Phạm Hồng Sơn [20] đã sử dụng
mơ hình phun nhiên liệu Hiroyasu kết hợp phần mềm AVL Boost để mô phỏng chu trình
cơng tác của động cơ. Các kết quả cho thấy sự thay đổi nhiệt độ và áp suất và nhiệt độ
trong xi lanh động cơ thay đổi liên tục trong suốt quá trình nạp.
Tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trần Quang Vinh [21] đã bảo vệ thành công
luận văn “ Mơ phỏng q trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ
D1146TIS sử dụng phần mềm CFD AVL_FIRE’’. Luận văn đã đưa ra giới thiệu cơ bản
về phần mềm AVL FILE và phương pháp mô phỏng phun nhiên liệu trên phần mềm
AVL FIRE.
Nghiên cứu CFD cũng được ứng dụng mở rộng trong phát triển thiết kế ô tô. Năm
2007, Nguyễn Thành Sa[22] đã bảo vệ luận văn “Mơ phỏng số dịng qua ơ tơ sử dụng

13


phương pháp thể tích hữu hạn”. Tác giả đã sử dụng Fluent để đánh giá đặc tính khí động
học ơ tơ hãng Daewoo sau khi rời rạc hóa miền tính tốn dùng Gambit. Khoảng sáng gầm
xe có ảnh hưởng đáng kể lên lực hút ô tô khi ô tô chuyển động ở tốc độ cao. Ngoài ra
biên dạng thiết kế ơ tơ có ảnh hưởng lớn đến lực cản khí động.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu dịng chảy khí nạp bên trong xi lanh
- Đánh giá hiệu suất nạp của hệ thống nạp thông qua kết quả mô phỏng dựa trên các
kết quả mơ phỏng dịng khí bên trong xi lanh
- Nghiên cứu dịng chảy khí nạp trên đường ống nạp
- Đưa ra mơ hình hệ thống nạp cải tiến dựa trên kết quả mơ phỏng
- Tìm hiểu các ứng xử của khí nạp trong đường ống một cách trực quan (kết quả mô
phỏng)
- Ảnh hưởng của kết cấu đường ống nạp đến các thông số nạp động cơ
1.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Quá trình nạp động cơ xăng, các q trình khác sẽ khơng được đề cập đến.
- Đường ống nạp trong hệ thống phun xăng đa điểm (MPI)
- Chỉ nghiên cứu, đánh giá kết quả dựa trên phương pháp mô phỏng.
- Thiết kế đường ống nạp theo tiêu chí được chọn
- Ứng dụng dùng phần mềm AVL FIRE để mô phỏng.
1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: tìm hiểu đánh giá các nghiên cứu của các tác giả trước
- Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm
- Phương pháp đánh giá, phân tích: dựa trên các kết quả thu được

14

1.7 Kết quả dự kiến
- Mơ phỏng q trình nạp trong xi lanh với sự thay đổi góc quay trục khuỷa.
- Xác định thông số áp suất, nhiệt độ, vận tốc của dịng khí nạp trong xi lanh.
- Mơ phỏng dịng chảy và đánh giá các thơng số đường ống nạp có sẳn trên động cơ
cụ thể
- Mơ phỏng dịng chảy và đánh giá các thông số đường ống nạp cải tiến
- Kết luận và đánh giá đường ống nạp mới so với kiểu trước đó.
1.8 Bố cục luận văn.
 Chương 1: Tổng quan.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết .
 Chương 3: Mơ phỏng dịng khí nạp trong xi lanh động cơ.
 Chương 4: Mơ phỏng dịng khí nạp trong đường ống nạp.
 Chương 5: Nghiên cứu cải tiến đường ống nạp động cơ.
 Chương 6: Kết luận.
 Tài liệu tham khảo.
1.9 Kế hoạch thực hiện
Trong quá trình tìm hiểu, học hỏi và thực hiện đề tài, tác giả đề xuất các phương án
thực hiện như sau:
 Nghiên cứu phần mềm CFD AVL FIRE sử dụng trong mô phỏng; nghiên cứu
tổng quan các nội dung liên quan của các tác giả khác
 Thực hiện mô phỏng trên phần mềm.
 Xử lý kết quả sau khi mô phỏng.
 Viết báo cáo, hoàn thiện luận văn.
Dự kiến kế hoạch thực hiện đề tài:
Sau khi bảo vệ thành công chuyên đề, dự kiến kế hoạch thực hiện đề tài như sau:

15


T9/2016

T1/2017

T7/2017

T11/2017

T02/2018

Từ tháng 9/2016 đến tháng 01/2017: Nghiên cứu phần mềm CFD AVL FIRE sử
dụng trong mô phỏng.
Từ tháng 01/2016 đến tháng 07/2017: Thực hiện mô phỏng trên phần mềm.
Từ tháng 07/2017 đến tháng 11/2017: Xử lý kết quả sau khi mô phỏng.
Từ tháng 11/2017 đến tháng 02/2018: Viết báo cáo, hoàn thiện luận văn.

16


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ PHỎNG DỊNG
CHẢY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
AVL CFD (Computational Fluid Dynamics) được xây dựng dựa trên phương pháp
thể tích hữu hạn. Trong phần này, tác giả trình bày các ngun tắc bảo tồn nói chung và
các thuật tốn được sử dụng trong mơ phỏng. Phần mềm mơ phỏng có thể giải quyết đối
với các dịng khơng khí nén được và khơng nén được. Mơ hình rối là cơng cụ để tính tốn
chính xác cho dịng chảy rối. Phần này trình bày những kiến thức nền cần thiết cho
nghiên cứu thạc sĩ của tác giả, trong đó chủ yếu là về mơ phỏng dịng chảy. Các phương
pháp mô phỏng đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của tính tốn số và lý thuyết được
áp dụng là vơ cùng. Như vậy, chỉ có các nguyên tắc và các thuật toán được sử dụng trong
AVL-Fire, được trình bày trong nghiên cứu này.
2.1 Các phƣơng trình tốn học

Các phương trình chi phối sự chuyển động chất lỏng là ba nguyên tắc cơ bản sau:
bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng.
- Phương trình bảo tồn khối lượng:
Phương trình bảo tồn khối lượng thể hiện như sau :
(

)

Ở đậy ρ là mật độ chất lỏng và U là vận tốc chất lỏng.
-

Phương trình bảo tồn động lượng được thể hiện như sau :

* (
Trong đó g, p, μ,

)+

ứng với trọng lực, áp lực, độ nhớt phân tử và ứng suất nhớt.

17