Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng cỡ nhỏ

TÓM TẮT
Việc chuyển đổi động cơ xăng cỡ nhỏ phục vụ mục đích tĩnh tại, sử dụng bộ
chế hịa khí và đánh lửa thường sang sử dụng hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử
EFI là khả thi, hoàn toàn có thể thực hiện được với một chi phí phù hợp, góp phần
tiết kiệm nhiên liệu, giảm thiểu phát thải ơ nhiễm từ khí thải động cơ.
Mơ hình mơ phỏng động cơ Huahie 5,5Hp xây dựng trên cơ sở phần mềm
Boost của hãng AVL phản ảnh tương đối chính xác so với động cơ thực. Cho phép
rút ngắn thời gian khảo sát và giúp định hướng trong q trình tính toán khảo sát,
lựa chọn phương án chuyển đổi động cơ xăng Huahie 5,5 Hp sử dụng bộ chế hịa
khí sang sử dụng hệ thống nhiên liệu EFI.
Góc đánh lửa sớm tối ưu khi bướm ga mở hoàn toàn, tốc độ động cơ thay đổi
từ 2000 vòng/phút đến 3600 vòng/phút thay đổi trong phạm vi từ 14 đến 17 độ
trước điểm chết trên.
Ở chế độ làm việc bướm ga mở hoàn tồn (n = 3000 vịng/phút), góc đánh
lửa sớm tối ưu nhằm đảm bảo công suất và mô men động cơ đều đạt giá trị tối đa là
khoảng 16 độ trước điểm chết trên.
Đề tài chưa đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành đến nồng độ các
chất ô nhiễm có trong khí xả; cũng như ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp (tỷ lệ
khơng khí/nhiên liệu) đến giá trị góc đánh lửa sớm tối ưu. Đây cũng là các điểm hạn
chế chính của đề tài này.

xii


ABSTRACT
The study shows that the conversion of a small gasoline engine using a
carburetor and ignition into an EFI (Electronic Fuel Injection) systemfor stationary
purposes is possibly effective with appropriate costs. Using the new system makes
contributions to fuel savings and reduces exhaust emissions.
The Huahie 5.5Hp engine simulation model built on AVL's Boost software
reflects accurately compared to the real engine. It allows to shorten the survey

length, helps guide the calculating process and chooses the option of converting
Huahie 5.5 Hp gasoline carbureted engine into the EFI system.
The optimal advancing ignition timing is approximately 14 to 17 degrees
before the top dead center when the throttle is fully opened, the engine speed
variations from 2000 rpm to 3600 rpm.
At fully wide throttle open mode (n = 3000 rpm), the optimal advancing
ignitiontiming is approximately 16 degrees before top dead center ensuring the
power and torque engine are both at maximum values.
The thesis has not still assessed the effect of operating parameters on the
concentration of pollutants in exhaust gases as well as the effect of the mixture (A/F
ratio) on the optimal advancing ignition timing. These are the main limitations of
this thesis.

xiii


MỤC LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI…………………………………………………….. i
PHIẾU NHẬN XÉT………………………………………………………………...ii
LÝ LỊCH KHOA HỌC……………………………………………………………..iv
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................x
LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................ xi
TÓM TẮT ................................................................................................................ xii
ABSTRACT ............................................................................................................ xiii
MỤC LỤC ............................................................................................................... xiv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. xvi
DANH SÁCH CÁC HÌNH .................................................................................... xvii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... xix
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1

1.2. Nhu cầu sử dụng động cơ xăng cỡ nhỏ dùng trong nông nghiệp ở Việt Nam .....2
1.3. Tình hình nghiên cứu động cơ xăng cỡ nhỏ.........................................................3
1.4. Tổng quan về mơ hình hóa và phần mềm Boost-AVL ........................................5
1.5. Mục tiêu, đối tượng, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu .......................................9
1.6. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................10
1.7. Hướng nghiên cứu ..............................................................................................10
1.8. Phần mềm và các thiết bị sử dụng nghiên cứu mô phỏng..................................11
1.9. Phương án nghiên cứu dự kiến...........................................................................11
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................12
2.1. Mô hình cháy......................................................................................................12
2.2. Mơ hình truyền nhiệt ..........................................................................................18
2.2.1. Q trình áp suất cao .......................................................................................18
2.2.2. Q trình trao đổi khí (q trình áp suất thấp) ................................................21
2.3. Quá trình hình thành phát thải............................................................................23
2.3.1. Hình thành phát thải CO .................................................................................23
2.3.2. Hình thành HC ................................................................................................25

xiv


2.3.3. Hình thành phát thải NOx ...............................................................................29
Chương 3 NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ
HUAHIE 5.5 HP .......................................................................................................30
3.1. Giới thiệu động cơ Huahie 5,5 HP .....................................................................30
3.2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng.............................................................................31
3.2.1. Xây dựng mơ hình ...........................................................................................31
3.2.2. Quy trình mơ phỏng ........................................................................................36
3.3. Kết quả và bàn luận ............................................................................................37
3.3.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mơ men và công suất động cơ ...........37
3.3.2. So sánh kết quả mô phỏng với thông số của nhà sản xuất ..............................39

3.3.3. Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu ..................................................................41
Chương 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................48
4.1. Kết luận: .............................................................................................................48
4.2. Hướng phát triển ................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................50

xv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH
 Vh

[cm3]

Thể tích cơng tác

 Vc

[cm3]

Thể tích buồng cháy

 S

[mm]

Hành trình piston

 D

[mm]

Đường kính xilanh

 n

[v/ph]

Số vịng quay trục khuỷu

 i

Số xi lanh

 Wi

[J]

Cơng chỉ thị

 Ni

[kW]

Cơng suất chỉ thị

 Ne

[kW]

Cơng suất có ích

2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP
 

Tỉ số nén

 

Số kỳ

 s

Góc đánh lửa sớm, độ góc quay trục khuỷu

 λ

Hệ số dư lượng khơng khí

 nl

Khối lượng riêng của nhiên liệu, kg/m3

 kk

Khối lượng riêng của khơng khí, kg/m3

 

Hệ số tương đương, độ đậm đặc của hỗn hợp

3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT
 A/F

Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu

 O2

Ơ xy

 ĐCT

Điểm chết trên

 ĐCD Điểm chết dưới
 TĐCT Trước điểm chết trên

xvi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Động cơ Huahie 5,5Hp sử dụng bộ chế hịa khí

2

Hình 1.2. Mơ hình một vùng cháy và hai vùng cháy

6

Hình 2.1. Màng lửa tới thành xy lanh

17

Hình 2.2. Sự cân bằng năng lượng trong xy lanh

17

Hình 2.3. Tỷ lệ mol CO dự đốn hàm lượng CO cân bằng và CO động học

23

Hình 2.4. Tỷ lệ mol dự đốn của CO theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư
lượng khơng khí

24

Hình 2.5. Tỷ lệ mol dự đốn của HC theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư
lượng khơng khí

27

Hình 3.1. Sơ đồ bố trí các hệ thống của động cơ mơ phỏng

31

Hình 3.2. Giao diện xây dựng mơ hình mơ phỏng

32

Hình 3.3. Mơ hình mơ phỏng động cơ Huahie 5,5HP

32

Hình 3.4. Cửa sổ khai báo thông số của một đoạn ống

33

Hình 3.5. Cửa sổ khai báo thơng số của xy lanh

34

Hình 3.6. Cửa sổ khai báo góc đánh lửa sớm.

34

Hình 3.7. Cửa sổ khai báo biên dạng cam thải (nạp)

35

Hình 3.8. Cửa sổ khai báo vịi phun nhiên liệu

35

Hình 3.9. Cửa sổ điều khiển các trường hợp tính tốn

36

Hình 3.10. Biến thiên mơ men động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm
Từ 6 đến 30 độ (tốc độ động cơ 3000 vịng/phút, bướm ga mở 100%.)

37

Hình 3.11. Biến thiên cơng suất động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm
Từ 6 đến 30 độ (tốc độ động cơ 3000 vịng/phút, bướm ga mở 100%.)

38

Hình 3.12. Biến thiên áp suất buồng cháy khi thay đổi góc đánh lửa sớm

38

Hình 3.13. Sự thay đổi của mô men và công suất động cơ theo số vịng quay
(Góc đánh lửa sớm giữ cố định 16 độ, bướm ga mở 100%)

39

Hình 3.14. So sánh kết quả thực nghiệm và tính tốn mơ phỏng mơ men động cơ
(góc đánh lửa sớm giữ cố định là 16 độ, bướm ga mở 100%).
40

xvii


Hình 3.15. So sánh kết quả thực nghiệm và tính tốn mơ phỏng cơng suất động cơ
(góc đánh lửa sớm giữ cố định là 16 độ, bướm ga mở 100%).

40
Hình 3.16. Sự thay đổi của mô men và công suất động cơ theo góc đánh lửa sớm
(Bướm ga mở 100%, n = 2000 v/p)

41

Hình 3.17. Sự thay đổi của mơ men và cơng suất động cơ theo góc đánh lửa sớm
(Bướm ga mở 100%, n = 2200 v/p)

42

Hình 3.18. Sự thay đổi của mô men và công suất động cơ theo góc đánh lửa sớm
(Bướm ga mở 100%, n = 2400 v/p)

42

Hình 3.19. Sự thau đổi của mơ men và cơng suất động cơ theo góc đánh lửa sớm
(Bướm ga mở 100%, n = 2600 v/p)

43

Hình 3.20. Sự thay đổi của mơ men và cơng suất động cơ theo góc đánh lửa
sớm (Bướm ga mở 100%, n = 2800 v/p)

43

Hình 3.21. Sự thay đổi của mô men và công suất động cơ theo góc đánh lửa
sớm (Bướm ga mở 100%, n = 3000 v/p)

44

Hình 3.22. Sự thay đổi của mơ men và cơng suất động cơ theo góc đánh lửa
Sớm (Bướm ga mở 100%, n = 3200 v/p)

44

Hình 3.23. Sự thay đổi của mô men và công suất động cơ theo góc đánh lửa
Sớm (Bướm ga mở 100%, n = 3400 v/p)

45

Hình 3.24. Sự thay đổi của mơ men và cơng suất động cơ theo góc đánh lửa
Sớm (Bướm ga mở 100%, n = 3600 v/p)

45

Hình 3.25. Sự biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ động cơ
(Bướm ga mở 100%, n = 2000-3600 v/p)

46

xviii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 1.1. Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn

3

Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Huahie 5,5 HP

30

Bảng 3.2. Số lượng các phần tử đề hồn thiện mơ hình

33

Bảng 3.3. Góc đánh lửa sớm tối ưu theo tốc độ động cơ

46

xix


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Khác với động cơ xăng sử dụng trên ô tô, loại động cơ xăng tĩnh tại cỡ nhỏ
dùng trong nông nghiệp hầu hết vẫn còn sử dụng hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ
chế hịa khí và hệ thống đánh lửa thơng thường. Do đó, chủng loại động cơ xăng
này có hiệu quả sử dụng nhiên liệu không cao, phát thải nhiều chất ơ nhiễm ra mơi
trường và có suất tiêu hao nhiên liệu lớn.
Hiện nay, tại Đắk Lắk, nhiều máy nông cụ được người dân sử dụng cho các
mục đích như: máy băm cành cà phê tại vườn, máy cắt cỏ, máy xịt thuốc, chế biến cà
phê, máy phát điện, phục vụ chế biến và tưới cà phê với quy mô nông hộ ngay tại rẫy.

Sự phổ biến của công nghệ phun xăng đánh lửa điện tử trang bị trên các dòng
xe máy hiện đại thời gian gần đây đã tạo điều kiện thuận lợi để có thể nghiên cứu
ứng dụng chúng trên những dòng động cơ xăng tĩnh tại cơ nhỏ sử dụng bộ chế hịa
khí truyền thống để khắc phục các hạn chế.
Nhằm giúp định hướng tốt trong quá trình nghiên cứu chuyển đổi các động
cơ xăng tĩnh tại, bao gồm chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ, từ bộ chế hịa khí
sang sử dụng cơng nghệ phun xăng; kết hợp với trang bị hệ thống điều khiển đánh
lửa điện tử; đòi hỏi cần thêm các nghiên cứu lý thuyết cũng như nghiên cứu mơ
phỏng q trình làm việc của động cơ trước và sau khi chuyển đổi.
Do đó, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu mơ phỏng q trình cháy của động cơ
xăng cỡ nhỏ” nhằm góp phần định hướng nghiên cứu cải tiến động cơ, cụ thể là
chuyển đổi động cơ truyền thống này sang sử dụng công nghệ phun xăng và đánh
lửa điện tử.

1


Hình 1.1. Động cơ Huahie 5,5Hp sử dụng bộ chế hịa khí
1.2. Nhu cầu sử dụng động cơ xăng cỡ nhỏ dùng trong nông nghiệp ở Việt Nam
Theo số liệu ước tính của Tổng cục Thống kê, giá trị sản xuất tồn ngành
nơng nghiệp năm 2017 tăng 3,16% so với năm 2016, trong đó, trồng trọt tăng
2,23%, chăn ni tăng 2,16%, lâm nghiệp tăng 5,17% và thủy sản tăng 5,89%. GDP
nông lâm thủy sản tăng 2,9% (so với mức 2,95% năm 2013; 3,9% năm 2014; 2,6%
của năm 2015 và 1,44% năm 2016) [1]. Để phát triển nhanh nền kinh tế nơng
nghiệp, việc tăng tỉ lệ cơ giới hóa là một trong những nhiệm vụ quan trọng, đồng
nghĩa với việc gia tăng số lượng động cơ đốt trong sẽ sử dụng.
Bảng 1.1. Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn. [2]
Máy
Máy
Phương

Phương
Máy kéo, kéo,
kéo,
Động cơ, tiện vận
tiện vận
máy cày máy cày
máy cày
máy phát chuyển
chuyển
trung
nhỏ
lớn 35
điện
trên đường trên đường
12-35HP dưới
HP
bộ
thủy
12HP

Năm

Số lượng

2011

Cái

32.700

207.112 275.131 776.261

202.664

153.790

2007

Cái

24.380

105.180 266.098 600.000

7.0289

95.735

2


Theo thống kê của tổng cục Thống kê tính đến năm 2011 thì số lượng máy
móc phục vụ cho q trình cơ giới hóa trong nơng nghiệp và nơng thơn đã và đang
tăng lên đáng kể so với năm 2007 (Bảng 1.1).
1.3. Tình hình nghiên cứu động cơ xăng cỡ nhỏ
Hiện nay, việc nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu trên động cơ xăng
đã và đang được tiến hành. Các nhóm nghiên cứu chủ yếu đến từ các trường đại
học, tiêu biểu như: ĐH Bách Khoa TP. HCM, ĐH Bách Khoa Đà N ng, ĐH Sư
phạm Kỹ thuật TP. HCM, Viện Cơ khí Động lực - ĐH Bách Khoa Hà Nội. Các
nghiên cứu chủ yếu là:

-

Chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống sang dùng
nguồn nhiên liệu thay thế (LPG, Biogas, CNG…vv…).

-

Cải tạo các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu cũ để hoàn thiện quá trình
hịa trộn và q trình cháy…

Mục đích từ các nghiên cứu trên nhằm cải thiện hiệu suất động cơ, tính kinh
tế nhiên liệu, giảm ơ nhiễm khí thải.
Nhóm tác giả PGS.TS. Lê Anh Tuấn; KS. Triệu Tiến Chuẩn; KS. Nguyễn
Đức Khánh - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; ThS. Cao Văn Tài - Trường Cao
đẳng nghề Nha Trang đã nghiên cứu bổ sung khí HHO (hỗn hợp của hai khí H2 và
O2, có được từ q trình điện phân nước, với tỉ lệ theo thể tích là 2:1) vào đường
nạp của động cơ xe máy với sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng AVL BOOST. Kết
quả mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của lượng khí HHO bổ sung đến đặc tính cháy,
cơng suất cũng như phát thải của động cơ. Thời gian cháy trễ và cháy nhanh giảm,
tốc độ tăng áp suất cũng như công suất động cơ tăng lên. Phát thải NOx giảm trong
khi HC và CO tăng khi bổ sung HHO. Nếu giữ nguyên công suất động cơ ở 1,97
kW (ở tốc độ vòng quay động cơ 3000 v/ph và λ ≈ 0,95) trước và sau khi bổ sung
khí HHO, thì có thể tiết kiệm được 12,08% lượng xăng khi bổ sung 4 lít/phút HHO,
nồng độ NOx tăng gấp 2,4 lần, trong khi CO giảm 97,97%, HC giảm 46,98% so với
khi sử dụng xăng [3].

3


GS-TSKH Bùi Văn Ga cùng các cộng sự tại Trung tâm Nghiên cứu bảo vệ

môi trường (thuộc Đại học Đà N ng) đã nghiên cứu, chế tạo và đưa vào ứng dụng
thành công bộ phụ kiện chuyến đổi dành cho động cơ tĩnh tại cỡ nhỏ, từ chạy bằng
xăng hoặc diesel sang sử dụng khí biogas với các bộ phụ kiện GATEC [4]. Với các
bộ phụ kiện chuyển đổi này, các động cơ cỡ nhỏ (bao gồm cả động cơ xăng và động
cơ diesel) có thể được chuyển đổi sang sử dụng biogas theo một trong ba cách:
1. Từ động cơ xăng chuyển đổi thành động cơ biogas/xăng
Phương án này, động cơ chuyển đổi có thể hoạt động với hồn toàn biogas
hoặc hoàn toàn xăng.
2. Từ động cơ diesel chuyển đổi thành động cơ nhiên liệu kép biogas/diesel
Khi hoạt động với biogas, vẫn phải dùng đến diesel, lúc này đóng vai trò
phun mồi; lượng diesel phun mồi này tỉ lệ nghịch với lượng biogas đưa vào động cơ
trong quá trình nạp nhưng thường phải đảm bảo tối thiểu từ 10-20%. Khi hết biogas,
động cơ chuyển đổi vẫn hoạt động bình thường với 100% diesel như trước khi
chuyển đổi.
3. Từ động cơ diesel chuyển đổi hẳn thành động cơ biogas
Động cơ làm việc với biogas theo nguyên lý động cơ đánh lửa cưỡng bức, vì
vậy nó khơng thể hoạt động với diesel khi hết biogas [4].
Tác giả Nguyễn Văn Đông đã thực hiện luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo xe
gắn máy sạch chạy biogas nén. Trong đề tài tác giả đã sử dụng phần mềm mô phỏng
Fluent để nghiên cứu đánh giá các tính năng động cơ như cơng suất, mô men và độ
phát thải của một động cơ xe gắn máy Ware  110cm3 khi sử dụng nhiên liệu xăng
và nhiên liệu biogas với các thành phần nhiên liệu khác nhau. Với mơ hình mơ
phỏng cho phép tác giả rút ngắn thời gian nghiên cứu, định hướng cho việc chế tạo
và nghiên cứu thực nghiệm [4].
TS. Nguyễn Tuấn Nghĩa đã thực hiện đề tài ''Nghiên cứu thiết kế cơ cấu phối
khí linh hoạt trên động cơ xăng một xy lanh công suất nhỏ''. Tác giả đã nghiên cứu

4

thiết kế cơ cấu phối khí linh hoạt trên động cơ xăng một xy lanh cơng suất nhỏ
nhằm tìm ra góc mở sớm, đóng muộn tối ưu đến tính năng kỹ thuật và phát thải của
động cơ, xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng động cơ xăng 01 xylanh cỡ nhỏ
trên phần mềm AVL Boost [5].
Khởi đầu từ năm 2009, định kỳ hằng năm hãng Honda liên tục tổ chức cuộc
thi Lái xe sinh thái – Tiết kiệm nhiên liệu Honda. Cuộc thi là sân chơi cạnh tranh
lành mạnh nơi những người tham gia kết hợp sự sáng tạo, trí tưởng tượng và những
hiểu biết về cơng nghệ để thiết kế ra những chiếc xe có khả năng cạnh tranh về hiệu
suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng động cơ xăng từ 50cc đến 150cc của Honda. Qua
các cuộc thi, nhiều đội thi đến từ các trường đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ
phun xăng đánh lửa điện tử trên cơ sở động cơ xăng cỡ nhỏ (xe Wave  100cc)
dùng bộ chế hịa khí của hãng Honda [6].
1.4. Tổng quan về mơ hình hóa và phần mềm Boost-AVL
Mơ hình hóa trong khoa học và kỹ thuật, có thể được coi như là q trình mơ
tả các hiện tượng vật lý trong một hệ thống bằng cách sử dụng các phương trình
tốn học tùy thuộc vào trường hợp cụ thể và có các phương pháp giải quyết tương
đồng để hiểu hơn về bản chất của hiện tượng cần nghiên cứu. Thơng thường, việc
mơ hình hóa giúp việc thiết kế các thiết bị tốt hơn nhờ việc có hiểu biết hơn về các
quá trình vật lý cơ bản xảy ra bên trong. Các hoạt động mô phỏng động cơ trong
những năm gần đây, phần lớn đã được tập trung theo hướng thiết kế cải tiến để các
loại động cơ hoạt động tốt hơn với lượng khí thải độc hại giảm đi. Ngày nay, với sự
phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính, nhiều cơng ty gia cơng phần mềm đã
ra đời cùng với đó là sự xuất hiện của hàng loạt các phần mềm tính tốn – mơ
phỏng và trở thành công cụ cần thiết của các kỹ sư. Bản chất của q trình mơ
phỏng là dùng các phần tử có s n của phần mềm để mơ tả các chi tiết phức tạp trong
thực tế với các điều kiện biên hợp lý và sau đó giải các phương trình đặc trưng bằng
phương pháp phần tử hữu hạn. Với việc sử dụng các phần mềm tính tốn – mơ
phỏng các nhà thiết kế có thể mơ hình hóa các đối tượng phức tạp bằng các mơ hình

5

đơn giản, trực quan. Ta có thể loại bỏ các thí nghiệm khơng cần thiết và lặp đi lặp
lại q trình tính tốn để tìm ra các thơng số thiết kế phù hợp với các yêu cầu thực
tế. Qua đó sẽ giảm đáng kể chi phí thực nghiệm và thời gian thiết kế. Có nhiều
phương pháp mơ phỏng động cơ đốt trong. Trong đó, mơ hình mơ hình vơ hướng là
đơn giản nhất [7]. Mơ hình vơ hướng được phân chia thành:
- Mơ hình một vùng
- Mơ hình hai vùng
- Mơ hình nhiều vùng

Hình 1.2. Mơ hình một vùng cháy và hai vùng cháy
Trong mơ hình một vùng, chất lỏng làm việc trong động cơ được giả định là
một hệ nhiệt động học và trao đổi khối lượng với môi trường xung quanh, năng
lượng phát ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu được tính bằng cách áp dụng
phương trình nhiệt động I cho hệ thống. Trong mơ hình hai vùng, các chất lỏng làm
việc được coi gồm hai vùng, một vùng không cháy và một vùng cháy. Đây được coi
là hai hệ nhiệt động học khác nhau, chúng trao đổi năng lượng và khối lượng với
nhau và với môi trường xung quanh. Tỷ lệ khối lượng cháy (hoặc áp suất trong

6


xylanh) là hàm của góc quay quay trục khuỷu, sau một số phép tính bằng cách giải
các phương trình đơn giản từ kết quả của việc áp dụng định luật nhiệt động I cho
mơ hình hai vùng. Một lưu ý ngắn gọn là thứ bậc khi đề cập đến bản chất của mơ
hình một vùng và mơ hình hai vùng. Những mơ hình này được sử dụng theo hai
hướng khác nhau (Hình 1.2). Cả hai mơ hình đã được sử dụng để dự đoán áp lực
trong xylanh như là một hàm của góc quay trục khuỷu từ giả thiết giải phóng năng
lượng hoặc khối lượng đã đốt cháy (như một hàm của góc quay trục khuỷu). Mục

đích khác của mơ hình nhằm xác định tỷ lệ giải phóng năng lượng so với khối
lượng đốt cháy là hàm của góc quay trục khuỷu từ thực nghiệm để thu được dữ liệu
áp suất trong xylanh.
Mơ hình nhiều vùng phân tích thêm một bước nữa bằng cách xem xét cân
bằng năng lượng và khối lượng trên nhiều vùng đã đạt được những kết quả gần hơn
với thực tế.
Giả thiết cho một mơ hình hai vùng điển hình:
- Các vùng cháy và vùng khơng cháy là các khí có tính chất khác nhau.
- Vùng không cháy được giả định bao gồm một hỗn hợp nhiên liệu-khơng
khí. Mặc dù điều này có thể khơng chính xác cho q trình đốt cháy động cơ diesel,
nó là thực tế hơn cho động cơ xăng.
- Hằng số đặc trưng của khí ở các vùng cháy và vùng khơng cháy không thay
đổi nhiều với sự thay đổi nhiệt độ và áp suất; hoặc nếu có sự thay đổi ở đây, thì
chúng có thể được mơ hình hóa phù hợp sử dụng các mối quan hệ rõ ràng giữa các
hằng số này với tính chất của khí (T, p, v.v).
- Khơng có truyền nhiệt xảy ra từ vùng cháy vào vùng không cháy và ngược
lại.
- Entanpy kết hợp với nhiên liệu phun vào thường là khơng đáng kể và có thể
bỏ qua. Mất nhiệt qua khe có thể là đáng kể nhưng không được xét đến.
- Mức độ truyền nhiệt tức thời đủ để ước lượng nhiệt truyền cho thành

7


xylanh.
- Áp lực tức thời trong cả hai khu vực là như nhau kể từ khi xuất hiện ngọn
lửa trong buồng cháy.
- Công cần để chuyển môi chất từ vùng không cháy đến vùng cháy là không
đáng kể. Đối với việc thiết kế và cải tiến động cơ đốt trong nói riêng, việc tiếp cận
để nghiên cứu q trình nhiệt động xảy ra trong động cơ là vơ cùng khó khăn và tốn

kém. Vì vậy, việc áp dụng các phần mềm tính tốn mơ phỏng càng trở nên cần thiết
hơn. Trên thế giới đã có nhiều hãng phát triển phần mềm chun dùng để tính tốn,
mơ phỏng động cơ đốt trong. Đặc biệt với các gói phần mềm Boost, Fire, Excite,
Brick… AVL Boost là phần mềm mô phỏng động cơ hàng đầu, có độ chính xác và
tin cậy cao.
AVL-Boost là một cơng cụ mơ phỏng chu trình cơng tác và q trình trao đổi
khí của động cơ. Boost cho phép xây dựng mơ hình đầy đủ của tồn thể động cơ
bằng cách lựa chọn các phần tử có trong thanh công cụ và nối chúng lại bằng các
phần tử ống nối.
Đây là một cơng cụ mơ phỏng tin cậy, nó cho phép giảm thời gian phát triển
động cơ bằng công cụ mơ phỏng và nghiên cứu động cơ chính xác, tối ưu hóa kết
cấu và q trình ngay ở giai đoạn tạo mẫu động cơ mà không cần đến mô hình
cứng.
AVL-Boost cho phép tính tốn các chế độ tĩnh và động. Boost có thể dùng để
tối ưu hóa ở chế độ tĩnh các hệ thống nạp và thải, đóng mở xupáp, phối hợp các bộ
phận tăng áp và ước lượng tính năng của các động cơ mới. Boost cũng là một cơng
cụ lý tưởng cho việc tối ưu hóa các đặc trưng chuyển tiếp của động cơ ở thời kỳ
đầu, khi động cơ chưa được chế tạo, nhưng có tính đến cả hệ truyền động của
phương tiện. Ngoài ra Boost cịn cho phép xây dựng mơ hình điều khiển động cơ
các chức năng quan trọng của hệ thống điều khiển động cơ mà khơng cần tới các
phần mềm bên ngồi. Boost có thể dễ dàng kết nối với Matlab, Simullink và phần
mềm CFD 3D AVL-Fire.

8


Các ứng dụng điển hình của phần mềm AVL-Boost bao gồm 8 ứng dụng sau:
- Xác định đặc tính mơmen, tiêu hao nhiên liệu;
- Thiết kế đường nạp, thải;
- Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupáp;

- Phối hợp với cụm tăng áp, van xả;
- Phân tích về âm thanh (độ ồn trên đường nạp, thải);
- Phân tích q trình cháy và hình thành khí thải;
- Ln hồi khí thải;
- Độ thích ứng của cụm tăng áp.
1.5. Mục tiêu, đối tượng, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
- Mục tiêu nghiên cứu:
+ Đề xuất phương án thay thế bộ chế hịa khí (BCHK) và đánh lửa
thường trên động cơ Huahie 5,5HP bằng hệ thống phun xăng đánh lửa điện tử.
+ Xây dựng mơ hình mơ phỏng động cơ Huahie 5,5HP trên phần mềm
Boost của hãng AVL.
+ Nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu
và vận hành đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ.
- Đối tượng nghiên cứu: Thực hiện trên động cơ xăng tĩnh tại Huahie 5.5Hp,
1 xy lanh sử dụng hệ thống nhiên liệu BCHK dùng trong nông nghiệp Việt Nam.
- Nhiệm vụ nghiên cứu:
+ Nghiên cứu khảo sát đánh giá nhu cầu sử dụng động cơ xăng tĩnh tại
1 xy lanh ở Việt Nam dùng trong lĩnh vực nông nghiêp.
+ Đề xuất phương án và tiến hành chuyển đổi động cơ.
+ Xây dựng mơ hình mơ phỏng động cơ nghiên cứu có sử dụng vịi

9


phun nhiên liệu (thay thế cho bộ chế hịa khí) trên phần mềm Boost - AVL.
+ Nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm
đến mơ men công suất, độ phát thải của động cơ, phân tích và đánh giá kết
quả.
+ Đề xuất hướng phát triển.
- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu mơ phỏng

ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mô men, công suất và độ phát thải của động
cơ xăng tĩnh tại cỡ nhỏ, được chuyển đổi hệ thống nhiên liệu BCHK nguyên thủy
sang hệ thống nhiên liệu EFI. Từ đó đưa ra các đề xuất khi cải tạo các động cơ xăng
sử dụng BCHK sang sử dụng hệ thống nhiên liệu EFI nhằm nâng cao hiệu quả q
trình hịa trộn nhiên liệu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thống kê, phân tích: bao gồm thu thập, phân tích, xử lý, tổng
hợp số liệu từ các tài liệu sưu tầm được và các kết quả nghiên cứu liên quan.
Phương pháp nghiên cứu mô phỏng: Xây dựng mô hình mơ phỏng; nghiên
cứu mơ phỏng phân tích đánh giá ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến mơ men,
cơng suất và độ phát thải của động cơ xăng tĩnh tại cỡ nhỏ, được chuyển đổi hệ
thống nhiên liệu BCHK nguyên thủy sang hệ thống nhiên liệu EFI.
1.7. Hướng nghiên cứu
Việc nghiên cứu mơ phỏng q trình cháy của động cơ xăng cỡ nhỏ, cụ thể ở
đây là động cơ Huahie 5,5 HP sẽ góp phần định hướng cũng như giúp rút ngắn thời
gian chuyển đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu dùng bộ chế hịa khí sang dùng hệ
thống nhiên liệu EFI sớm đạt được các mục tiêu đề ra, bao gồm: giảm tiêu hao
nhiên liệu, tăng hiệu suất, tuổi thọ của động cơ và hạn chế đáng kể lượng khí xả độc
hại thải ra mơi trường.

10


1.8. Phần mềm và các thiết bị sử dụng nghiên cứu mô phỏng
Đề tài sử dung phần mềm Boost AVL, phiên bản 2004.
1.9. Phương án nghiên cứu dự kiến
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng động cơ Huahie 5.5HP trên phần mềm BoostAVL.
- Dựa vào kết quả đánh giá mô phỏng, tiến hành đề xuất các thông số, giá trị
cơ sở để định hướng cho các bước nghiên cứu tiếp theo (lập trình điều khiển phun
xăng và đánh lửa bằng điện tử cho động cơ chuyển đổi).

11


Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mơ hình cháy
Mơ hình cháy Fractal dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, được đề cập
trong BOOST, dự đốn tốc độ giải phóng nhiệt trong động cơ khí nạp đồng nhất.
Do đó phải xét đến ảnh hưởng của các thông số quan trọng sau:
- Hình dạng buồng cháy;
- Vị trí và thời gian đánh lửa;
- Thành phần của khí nạp (khí sót, khí xả luân hồi, bốc hơi khí và nhiên liệu);
- Chuyển động nạp và mức độ xốy lốc;
Nhiệt động học của mơ hình cháy 2 vùng được nêu ra trong [8] -Vibe Two
Zone. Mơ hình cháy 2 vùng được dùng để tính tốn các điều kiện của sản phẩm
cháy (ví dụ như vùng cháy) và duy trì khí nạp mới (vùng khơng cháy). Màng lửa
được chuẩn bị kỹ càng lan truyền theo chuyển động xoáy lốc xảy ra trong buồng
cháy của động cơ đốt trong rất mỏng và bề mặt gợn sóng cao. Diện tích cháy A T, do
có sự gợn sóng nói trên, lớn hơn nhiều so với diện tích diễn ra trong q trình cháy
theo tầng. Sau đó, diện tích tầng cháy AL, xem như có bề mặt trơn cầu tập trung tại
điểm đánh lửa. Độ tăng diện tích bề mặt cháy (AT/AL) tương ứng với độ tăng của
tốc độ xoáy lốc với trường hợp cháy theo tầng. Tốc độ cháy của khối lượng nhiên
liệu được tính như sau:
( )

(2.1)

Phương trình 2.1 chỉ ra rằng tốc độ lan truyền màng lửa duy trì bằng với

trường hợp cháy tầng trong một q trình cháy xốy lốc, tuy nhiên, tốc độ cháy như
nhau có thể diễn đạt như là một hàm số của tốc độ xoáy lốc:

12


( )

(2.2)

( )

(2.3)

Sự diễn đạt trên, đưa ra bởi Damkohler vào năm 1940, về cơ bản thay cho
định nghĩa của tốc độ cháy xốy lốc. Phương trình 2.2 cũng phù hợp khi mà tốc độ
cháy có thể được tính tốn dễ dàng ngay khi sự tăng diện tích cháy được hình thành.
Tuy nhiên, quá trình vật lý thực tế sinh ra sóng lửa ngày nay vẫn chưa thật sự rõ
ràng.
- Sự thay đổi nhiệt độ cục bộ, sự ảnh hưởng theo hàm mũ của tốc độ phản
ứng động học, có thể quyết định tốc độ cháy cục bộ khác nhau, bao gồm cả biến
dạng cháy.
- Quá trình giãn nở của khí cháy và độ uốn lửa kết hợp nhau tạo ra độ lệch
quỹ đạo của chất điểm lỏng qua nó và sự biến dạng cháy thủy động học có thể xảy
ra.
- Xốy lốc có thể tạo ra sóng cháy đối lưu theo những tỷ lệ độ dài khác nhau.
Sóng này sau đó một phần được bù lại bằng q trình cháy tầng được gọi là ảnh
hưởng “trơn” của những sự biến dạng cục bộ.
Sự tương tác giữa các hiện tượng trên càng đa dạng đối với những điều kiện
vận hành của động cơ. Tại những tốc độ cực cao sự biến dạng có thể tăng cường

mạnh để sinh ra vơ số màng lửa, với những “đảo” của hỗn hợp cháy bị giữ lại trong
nó. Tuy vậy có thể chấp nhận rằng trong một tỷ lệ thích hợp của các chế độ cháy
xảy ra trong động cơ đốt trong, những đặc tính của màng lửa như là đại lượng vơ
hướng bị động tạo ra sóng chủ yếu bởi hiện tượng đối lưu của xốy lốc.
Dưới giả thiết này, có khả năng phát triển một mơ hình cháy xem như vơ
hướng, phát triển từ quan niệm về hình học phân dạng. Theo phương pháp này, bề
mặt cầu lửa trơn ban đầu - diện tích tầng lửa AL- sẽ tạo sóng sau đó bởi sự hiện diện
của xoáy lốc từ các tỷ lệ độ dài khác nhau. Sự liên hệ giữa xoáy lốc và màng lửa

13


quyết định sự phát triển của bề mặt xoáy lốc AT, lan truyền với tốc độ lửa tầng SL.
Nếu một sóng đồng dạng được giả thuyết rằng trong khoảng tỷ lệ chiều dài Lmin÷
Lmax sau đó màng lửa thể hiện đặc tính của đối tượng phân dạng và bề mặt cháy của
nó có thể dễ dàng tính tốn:
( )

(

)

(2.4)

Sự diễn đạt trên, thay vào phương trình 3.2 cho phép ta tính tốn tốc độ cháy
ngay khi bề mặt cháy tầng AL và tốc độ cháy SL cũng như tỷ lệ sóng (Lmin÷ Lmax).
Và kích thước phân dạng D3 được tính tốn:
(

)

(

)

(2.5)

Xốy lốc
Trên cơ sở giả thiết vật lý nói trên, sự tính tốn tỷ lệ sóng (L min ÷Lmax) cũng
như kích thước phân dạng D3 phải phụ thuộc vào những đặc tính của xốy lốc trong
xylanh. Sự đánh giá trong mơ hình vơ hướng thật sự có tính thử thách. Một con số
đề xuất có thể tìm được từ con số hiện tại và giữa chúng, một phương pháp K-k
điều chỉnh [12], được đưa ra ở đây:
̇

̇

̇

̇

̇

̇

√

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Trong đó:

K: Năng lượng động lực của lưu lượng trung bình.
(Uf): Sự sinh ra và mất đi của nó chủ yếu liên quan đến tốc độ nạp và thải.

14


k: Năng lượng động lực học của lưu lượng xoáy lốc (giả thuyết là đẳng
hướng).
: Tốc độ phân tán.
P: Biểu thị sự sinh ra xoáy lốc đặc trưng cho sự truyền năng lượng giữa lưu lượng
xoáy lốc và lưu lượng xốy lốc trung bình (năng lượng truyền động gián đoạn [9]).
Ct: Hằng số điều chỉnh.
Phương trình 2.6 ÷ 2.8 được tổng hợp tất cả thơng qua chu trình động cơ và
sự sinh ra xoáy lốc do sự thay đổi mật độ khí chưa cháy bên trong xilanh trong suốt
kỳ nén và giãn nở bao gồm cả trong K và k [10]. Mơ hình trên cũng đưa ra khả năng
để đánh giá tỷ lệ chiều dài Kolmogorov dưới giả thuyết xoáy lốc đẳng hướng, giả
định là:
Với

và

L1 =

LI: Tỷ lệ độ dài thành phần, giả thiết tỷ lệ (cl = 0,2 ÷ 0,8) tới khe hở tức thời;
H: Bên trong xylanh và V là vận tốc động học của hỗn hợp chưa cháy.

Đặc biệt, tỷ lệ chiều dài Kolmogorov và tỷ lệ chiều dài thành phần, LI và Lk,
được lựa chọn như là kích thước sóng lớn nhất và nhỏ nhất trong phương trình 2.4,
trong khi kích thước D3 chủ yếu phụ thuộc vào tỷ số giữa cường độ xoáy lốc u’ và
tốc độ cháy tầng SL [14].
(2.9)
Mơ hình cháy phân dạng mơ tả trên thật sự có hiệu lực cho việc phát triển
đầy đủ và cháy xoáy lốc giãn nở một cách tự do. Trong suốt cả 2 quá trình phát triển
cháy sớm và hoàn thiện cháy.
Sự đánh lửa
Những hiện tượng phức tạp xảy ra sau khi xuất hiện đánh lửa như dạng nhũ
tương và lan tràn hạt lửa xảy ra sau đó được diễn tả chi tiết [11]. Q trình hình

15


thành hạt nhân kết thúc sau khoảng 200ms (điều hưởng được bằng bộ nhân thời
gian hình thành đánh lửa Cign) sau đánh lửa tại bán kính lửa giới hạn khoảng 2mm.
Trong suốt giai đoạn này, tốc độ cháy rất cao, phụ thuộc vào năng lượng giải phóng
của hệ đánh lửa, nó đạt tối thiểu với giá trị giống với tốc độ cháy tầng và sau đó nó
lại tăng lên, kết quả là hình thành sóng lửa.
Những hiện tượng trên khơng bao gồm trong mơ hình thực tế, nó được giả
định để bắt đầu sự tính tốn tại điểm kết thúc quá trình hình thành hạt nhân một
cách chắc chắn và cầu lửa trơn với đường kính khoảng 2mm. Q trình sóng lửa sau
đó bắt đầu tại tốc độ tăng về cả bán kính lẫn cường độ (tỷ lệ với tốc độ động cơ).
Phương trình sau diễn tả cho sự tính tốn tốc độ sóng lửa khơng thứ ngun.
(2.10)
Trong phương trình trên, rf,ref thơng số bán kính chuẩn có thể điều hưởng
được ở phạm vi 1cm, nref là tốc độ động cơ chuẩn ở mức 1000 v/ph. Phương trình
3.9 cuối cùng định nghĩa lại độ tăng kích thước phân dạng liên quan đến độ tăng
dần sóng lửa theo thời gian.

(2.11)

Theo cách diễn đạt này, giai đoạn đầu của quá trình cháy sẽ được đặc tính
hóa bởi một kích thước phân dạng rất gần với cấp độ nhỏ nhất của nó D3,min –
quyết định một tốc độ cháy ban đầu gần bằng với cháy tầng. Giá trị nhỏ nhất của
kích thước phân dạng trong bất cứ trường hợp nào đều lớn hơn 2.
Cháy sát vách
Khi màng lửa lan truyền tới thành buồng cháy, cơ cấu phân dạng đã diễn đạt
ở trên của sự lan truyền lửa khơng cịn hiệu lực nữa. Những đặc tính quan trọng
nhất của sự hồn thiện cháy liên quan tới ảnh hưởng của thành vách trong quá trình
cháy (hiện tượng cháy sát vách). Thành buồng cháy giới hạn khí giãn nở, ngăn tất

16


cả lưu lượng, và hình thành tương ứng biên ứng nhiệt độ thấp làm lạnh khí. Tất cả
các yếu tố thay đổi đặc tính cơ sở của sự cháy so sánh với đặc tính của sự lan truyền
cháy tầng tự do qua buồng cháy. Tốc độ cháy sát vách có thể được miêu tả đơn giản
bằng sự suy giảm theo hàm mũ:
(

)

(2.12)

τ: thời gian đặc trưng của quá trình trên.
Tốc độ cháy tổng thể có thể rút ra như một giá trị trung bình của 2 tốc độ
cháy:
(

)

(

)(

)

(

)

(2.13)

Sự chuyển tiếp giữa 3 mơ hình cháy dần dần bắt đầu khi trải qua khoảng thời
gian chuyển tiếp ttr, xác định tia lửa đầu tiên tới thành xylanh:
(

)

(

)

(2.14)

Hình 2.1. Màng lửa tới thành xylanh

Hình 2.2. Sự cân bằng năng lượng
trong xylanh

17