Luận văn Nghiên cứu, để xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy thông qua mô phỏng (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, để xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ xe máy thông qua mô phỏng (Phần 1)

1. 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 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 S K C0 0 5 2 3 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017
2. 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
3. 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
4. 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: lethanhquangtg@gmail.com 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 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 1/09/2015 Công ty cổ phần Ôtô Trường Hải Kỹ sư dịch vụ HVTH: Lê Thanh Quang i MSHV: 1580505
5. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt LỜI CAM ĐOAN 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 HVTH: Lê Thanh Quang ii MSHV: 1580505
6. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt LỜI CẢM TẠ 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 sự hướng 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 iii MSHV: 1580505
7. 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 Fluent; công suất. Abstract Nowadays, the fossil fuels, which are used in internal combustion engine, have been 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 software such as Catia, Ansys, Matlab, the engine designers can predict exaclly 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 Fluent software; power. HVTH: Lê Thanh Quang iv MSHV: 1580505
8. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH SÁCH CÁC HÌNH viii DANH SÁCH CÁC BẢNG x Chương 1 TỔNG QUAN 11 1.1 Dẫn nhập 11 1.2 Lý do chọn tài 11 1.2.1 Nghiên cứu trong nước. 12 1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước. 14 1.3 Mục tiêu đề tài. 16 1.4 Nhiệm vụ đề tài. 16 1.5 Giới hạn của đề tài. 17 1.6 Đối tượng nghiên cứu 17 1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 17 1.8 Phương pháp nghiên cứu. 18 1.9 Kế hoạch thực hiện. 18 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 20 2.1 Các phương pháp mô phỏng. 20 2.2 Động lực ống góp hút và góp thải. 21 2.2.1 Ống góp nạp. 21 2.2.2 Ống góp thải. 26 2.2.3 Động học trong xylanh. 27 2.2.4 Truyền nhiệt. 27 2.3 Đặc tính động cơ. 28 HVTH: Lê Thanh Quang v MSHV: 1580505
9. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 2.3.1 Công chỉ thị. 28 2.3.2 Ma sát. 29 2.3.3 Tổn thất ma sát. 29 2.3.4 Mô men xoắn và công suất. 30 2.3.5 Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiên liệu 31 2.3.6 Hiệu suất nạp: ηv. 32 2.4 Phương pháp mô phỏng 32 2.4.1 Giới thiệu 32 2.4.2 Tính toán và phương pháp mô phỏng 34 Chương 3 MÔ HÌNH HÓA 41 3.1 Các bước thiết lập trong mô phỏng ICE. 41 3.2 Chuẩn bị mô hình phân tích 42 3.3 Lưới tính toán 46 3.4 Thiết lập thông số 48 Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 54 4.1 Quá trình tạo lưới trong toàn chu kỳ 55 4.2 Phổ vận tốc lưu chất trong động cơ đốt trong 57 4.3 Nhiệt độ theo góc trục khuỷu 62 4.4 Áp suất theo góc trục khuỷu 63 4.5 Tỉ lệ xoáy 65 4.6 Kết quả mô phỏng tương ứng với các trường hợp thay đổi góc cổ nạp khí. 67 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 73 5.1 Kết luận 73 5.2 Đề xuất 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 76 HVTH: Lê Thanh Quang vi MSHV: 1580505
10. 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 engine IVO: Intake valve open IVC: Intake valve close EVO: Exhaust valve open EVE: Exhaust valve close CA: Crank angle HVTH: Lê Thanh Quang vii MSHV: 1580505
11. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1Sơ đồ ống góp nạp. 21 Hình 2.2 Mô hình thành phần của dòng khí trong buồng cháy trong chế độ “Mô phỏng toàn chu kỳ động cơ” 36 Hình 3.1 Mô hình thực tế của cổ nạp khí động cơ Future 42 Hình 3.2 Tiến hành đo các thông số hình học cổ nạp khí 43 Hình 3.3 Mô hình được xây dựng trong phần mềm CATIA, (a )Cổ nạp và xả (b)Xylanh, pit tông (c)Van nạp, van xả 44 Hình 3.4 Mô hình mở rộng biểu diễn thể tích buồng đốt sẽ đạt được khi pit tông di chuyển 44 Hình 3.5 Mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng của nạp khí 15o 45 Hình 3.6 Mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng cổ nạp khí 30o 45 Hình 3.7 Mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng cổ góp khí 45o 46 Hình 3.8 Các bước thiết lập tổng quát trong ANSYS Workbench 46 Hình 3.9 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp nạp 15o 47 Hình 3.10 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp nạp 30o 47 Hình 3.11 Lưới tính toán cho mô hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp nạp 45o 48 Hình 3.12 Thiết lập các lựa chọn tổng quát cho quá trình mô phỏng 48 Hình 3.13 Ý nghĩa các thông số trong quá trình thiết lập trong ANSYS ICE 49 Hình 3.14 Hai thẻ thiết lập thông số và các sự kiện xảy tra trong quá trình 50 Hình 3.15 Định nghĩa phản ứng cháy và các thành phần tham gia 51 Hình 3.16 Thiết lập thông số phun nhiên liệu và chế độ đánh lửa. 52 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn Góc mở van hút, van xả và độ mở của van ANSYS ICE 53 Hình 4.1Quá trình tạo lưới trong toàn chu kỳ 56 Hình 4.2 Khu vực chia lưới động lực 57 Hình 4.3 Phổ vận tốc dòng khí trong toàn chu kỳ 59 Hình 4.4 Phổ đường dòng dòng khí trong lòng xy lanh cuối kỳ hút 60 Hình 4.5 Phổ đường dòng dòng khí trong lòng xy lanh trong kỳ nén 61 Hình 4.6 Đáp ứng nhiệt độ theo góc quay của trục khuỷu 62 Hình 4.7 Đáp ứng áp suất trong buồng cháytheo góc quay của trục khuỷu 64 Hình 4.8 Tỷ số xoáy của mô hình động cơ nguyên mẫu (15o) và cải tiến (30o) 65 Hình 4.9 Tỷ lệ cuộn của mô hình động cơ nguyên mẫu (15o) và cải tiến (30o) 66 Hình 4.10 Ba thành phần xoáy lốc, xoáy cuộn và xoáy cuộn ngang trong buồng đốt 67 HVTH: Lê Thanh Quang viii MSHV: 1580505
12. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt Hình 4.11 Đường cong P-V được tính toán từ giá trị áp suất P và thể tích V 68 Hình 4.12 Đồ thị mô men xoắn tương ứng với các trường hợp tốc độ vòng quay trục khủy sau khi tính toán trong MATLAB 69 Hình 4.13 Ảnh hưởng góc nghiêng cổ nạp khí đến công suất 70 Hình 4.14 Ảnh hưởng góc nghiêng cổ nạp khí đến hiệu suất nạp 71 Hình 4.15 Ảnh hưởng góc nghiêng cổ nạp khí đến suất tiêu hao nhiên liệu 72 HVTH: Lê Thanh Quang ix MSHV: 1580505
13. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật xe Honda Future 125 cc. 33 Bảng 3.1 Bảng thông số động cơ dùng cho mô hình cổ nạp khí-buồng đốt dùng trong mô phỏng ANSYS ICEngine 41 Bảng 3.2 Đặc trưng phương pháp phân tích transient trong ANSYS. 54 HVTH: Lê Thanh Quang x MSHV: 1580505
14. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 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 động cơ đời 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. 1.2 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. Việt Nam cũng là một quốc gia nằm trong quy luật phát triển của các nước đang phát triển tại 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 HVTH: Lê Thanh Quang 11 MSHV: 1580505
15. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 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 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 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. 1.2.1 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 HVTH: Lê Thanh Quang 12 MSHV: 1580505
16. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 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. ❖ 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 HVTH: Lê Thanh Quang 13 MSHV: 1580505
17. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 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 BIO-DIESEL. (THAM KHẢO ĐỘNG CƠ 3 XY LANH KUBOTA D1703-M-E3B)’’.[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-M-E3B. 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. 1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước. ❖ 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 HVTH: Lê Thanh Quang 14 MSHV: 1580505
18. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 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 xúpap nạp khác nhau ở điều kiện không toàn tải. Kết quả: Bài báo kết luận rằng thời điểm mở xúpap nạp sớm có hiệu quả,quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí đều hơn, phân phối khí tối ưu làm giảm HC 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 chỉnh 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 xúpap. Xây dựng được mô hình thí nghiệm và HVTH: Lê Thanh Quang 15 MSHV: 1580505
19. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 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. 1.3 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 xylanh. Đưa ra cách thiết kế cải tiến một đường ống nạp mới tối ưu cho động cơ đang sử dụng. 1.4 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. HVTH: Lê Thanh Quang 16 MSHV: 1580505
20. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt - 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. 1.5 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 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. 1.6 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 đến 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 xe máy mà hệ thống nạp mang đến. 1.7 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. HVTH: Lê Thanh Quang 17 MSHV: 1580505
21. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 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 năng 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 Ansys 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 số đó dễ dàng. Qua đề tài cũng góp phần xây dựng nên một phương pháp cải tiến mới cho các động cơ xăng 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. 1.8 Phương pháp nghiên cứu. Quá trình nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp sau: - 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 kế mô phỏng dòng chảy. - Phương pháp khảo sát đối tượng. 1.9 Kế hoạch thực hiện. Tháng 5/2016 - tháng 03/2017 Thời gian Công việc 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 1.Đăng ký tên đề tài. X HVTH: Lê Thanh Quang 18 MSHV: 1580505
22. S K L 0 0 2 1 5 4