Mô phỏng tối ưu hóa hệ thống nạp khí trên động cơ Honda Future 125 Cc

Nội dung text: Mô phỏng tối ưu hóa hệ thống nạp khí trên động cơ Honda Future 125 Cc

1. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt MÔ PHỎNG TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNGNẠP KHÍ TRÊN ĐỘNG CƠ HONDA FUTURE 125 cc SIMULATION AND OPTIMIZATION OF INTAKE SYSTEMIN 125 cc MOTOR BIKE ENGINE [1] TS.Lý Vĩnh Đạt , [2]KS.Lê Thanh Quang Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM [1]datckd@gmail.com, [2]lethanhquangtg@gmail.com 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, 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 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 125 cc 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. HVTH: Lê Thanh Quang 80 MSHV: 1580505
2. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 1. Giới thiệu phận của xe từ động cơ, CVT, hộp số đến các Sử dụng các phần mềm phân tích phần tử bánh xe được phân tích và mô phỏng dựa hữu hạn để giải bài toán cơ khí là xu hướng trên mô hình động lực học và dữ liệu thực đang được ứng dụng và phát triển mạnh mẽ nghiệm. Các kết quả mô phỏng cho thấy có trong những năm gần đây. Nhóm nghiên cứu thể dùng mô hình này đề tìm hiểu đáp ứng PGS.TS. Lại Văn Định [1] đã ứng dụng phần của các bộ phận trong xe khi chạy ở các điều mềm Ansys để tính toán dao động xoắn hệ kiện khác nhau. Từ các tín hiệu ngõ vào như trục khuỷu động cơ đốt trong. Nhóm nghiên giá vào hai thắng phải trái, mô hình có thể cứu cho thấy với việc sử dụng phần mềm ước lượng được tốc độ của bánh trái và phải. Ansys cho phép tính toán dao động xoắn hệ Từ đó dự đoán được chuyển động của xe và trục khuỷu động cơ đốt trong một cách nhanh nếu xây dựng mô hình ngược lại có thể ước chóng và sát với thực tế hơn. Cụ thể là nhóm lượng được các thông số ngõ vào để điều đã tính toán được biên độ dao động xoắn của khiển xe chay theo một quỹ đạo mong muốn. bánh đà tại 318 vòng/ phút và thể hiện qua đồ Nghiên cứu của A Lakshman [5] đã chỉ ra thị Waterfall. Tiếp đến, nhóm nghiên cứu rằng dòng khí bên trong buồng đốt là dòng Đào Trọng Thắng [2] đã tính toán biến dạng rối, do đó việc tính toán tỉ số xoáy cuộn và của ống lót xylanh động cơ 6412/14 bằng xoáy lốc, những tỉ số ảnh hưởng trực tiếp đến phương pháp phần tử hữu hạn. Nhóm đã tính hiệu suất động cơ, sẽ phụ thuộc vào sự thay toán kết quả trường biến dạng do tác dụng đổi của đầu vào của dòng khí, cụ thể là cổ của nhiệt độ, lực khí thể và lực ngang cho ta nạp khí. Ngoài ra, nghiên cứu của A. M. cái nhìn tổng quan về tác động cơ-nhiệt gây Mohd Shafie[6] cũng cho thấy dòng khí tại ra đối với ống lót xylanh khi làm việc. Từ kết 45 độ sau điểm chết trên sẽ làm gia tăng hệ quả tính toán, nhóm đã xác định được khu số rối, gây ra hiện tượng “squish” tại góc vào vực ứng suất, biến dạng nguy hiểm để có thể của cổ nạp khí, sự thay đổi tỉ số “squish” sẽ đưa ra các giải pháp lựa chọn hình dạng, vật làm gia tăng hệ số xoáy cuộn và xoáy lốc. liệu phục vụ thiết kế chế tạo phù hợp điều Hệ số xoáy lốc SN của động cơ được định kiện làm việc hiệu quả cao. nghĩa bằng tốc độ quay của khí quanh trục Bên cạnh đó, Matlab là phần mềm được dọc chính của xylanh chia cho tốc độ quay sử dụng rộng rãi, công cụ tính toán phong của trục khuỷu. Hệ số xoáy cuộn TN được phú, kết quả được hiển thị dưới dạng đồ họa định nghĩa bằng tốc độ quay của khí quanh rất thuận lợi cho việc so sánh các kết quả tính trục ngang đi qua trong tâm của xy lanh.[7] Ω Ω toán. Nguyễn Vương Chí [3] đã nghiên cứu 푆 = 푠푤𝑖 푙, = 푙푒 (1) tính chất nhiệt động lực học của động cơ ΩE Ω Vikyno-01 xylanh sử dụng nhiên liệu Hai đại lượng trên đóng vai trò quan trọng Biodiesel. Từ kết quả tính toán nhiệt động đặc trưng ứng xử của lưu chất bên trong lực học, nhà nghiên cứu cho thấy khi sử dụng buồng cháy. Dòng khí từ cổ nạp đến vào xy nhiên liệu biodiesel, công chỉ thị của chu lanh trong kỳ nạp và tiếp tục trộn đều trong trình và áp suất chỉ thị của động cơ giảm suốt kỳ nén của động cơ đốt trong. xuống so với khi sử dụng nhiên liệu Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán diesel.Cũng sử dụng phần mềm Matllab, nhà công, công suất và hiệu suất của động cơ. nghiên cứu Trần Thanh Hùng[4] đã mô Công chỉ thị A là công do môi chất sinh ra phỏng xe tự hành hoạt động trên mọi địa i trong xy lanh trong thời gian một chu trình hình. Trong nghiên cứu này, tất cả các bộ công tác mà ta có thể sử dụng được. HVTH: Lê Thanh Quang 81 MSHV: 1580505
3. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 𝑖 = ∫ ( ) ℎ (2) từng cụm chi tiết (Part) và tiến hành lắp ráp Công suất của động cơ là công do môi chất (Assembly). công tác giãn nở sinh ra trong một đơn vị thời gian. 푛 ℎ푛 푣ò푛𝑔 푃 = 𝑖 = 𝑖 = 𝑖 = 𝑖 , với 푛 ( ) (3) 𝑖 푡 2 2 2 𝑔𝑖â 푛 Momen xoắn của động cơ ở các góc quay trục khuỷu khác nhau = 퐹× (4) 푃 Bảng 3:Thông số động cơ Honda Future = 퐹푅 = 𝑖 = 𝑖 , (5) 4 2 푛 Thông số Giá trị Đơn vị (với 𝑖 = 퐹. 푠 = 퐹. 2.2 푅) (6) Độ dài thanh Hiệu suất chỉ thị là tỷ số giữa phần nhiệt 101.5 mm lượng biến thành công chỉ thị chia cho tổng truyền Đường kính nhiệt lượng đưa vào động cơ. [8] 52.4 mm 𝑖 𝑖 xylanh 휂𝑖 = = (7) 푄 푄 Thể tích xy 124.8 cm3 Trong nghiên cứu này, mô hình hình học lanh Bán kính trục dùng trong mô phỏng quá trình cháy của 28.95 mm động cơ đốt trong đánh lửa 4 kỳ một xy lanh khủy với cácgóc nghiêng cổ nạp khí khác nhau (từ Đường kính 23.2 mm 15o đến 45o với gia số là 5o) được xây dựng cổ nạp khí bằng phần mềm Catia, chia lưới và mô phỏng Tỉ số nén 9.3 trongAnsys Fluent [9], dựa trên mô hình rối Sốxú páp 2 k-ε. Bằng cách sử dụng mô phỏng và phân Công suất cực 7.06 kW/ 7500 tích động lực học chất lưu (CFD), ta có thể đại/rpm vòng/phút dễ dàng hình dung phổ vận tốc trong các kỳ Momenxoắn 10.6 N.m/ 5500 nạp, nén, nổ, xả. Hơn thế, các đồ thị mô tả độ cực đại/rpm vòng/phút xoáy của động cơ đốt trong như đồ thị tỷ lệ cuộn và tỷ lệ xoáy được lấy ra khá thuận tiện. Từ đó, chúng tôi đánh giá hiệu suất của mô hình cải tiến của động cơ đốt trong dung tích 125 cc so với nguyên bản của nó nhờ vào phần mềm Matlab. 2. Mô phỏng và tối ưu hoá hệ thống nạp Hình 1: Mô hình được xây dựng trong phần 2.1 Thiết lập mô phỏng hệ thống nạp mềm CATIA, (a )Cổ nạp và xả (b)Xylanh, pit tông (c)xú páp nạp, van xả Các thông số hình học của cấu trúc cổ nạp khí-xy-lanh-Pittông theo các tài liệu của hãng 15o 30o Honda dành cho xe Future và mô hình cải tiến được tiến hành thiết kế trên phần mềm CATIA V5. Phương pháp thiết kế mô hình là sử dụng kỹ thuật bề mặt (Surface), xây dựng 45o HVTH: Lê Thanh Quang 82 MSHV: 1580505
4. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt Hình 2:Mô hình động cơ đốt trong của xe Bảng 4: Các điều kiện thiết lập mô phỏng Honda Future 125 cc với góc nghiêng cổ nạp khí thay đổi từ 15o đến 45o với hệ số gia tăng Thông số Giá trị Đơn vị Tốc độ vòng là 5o 1000- quay trục vòng/phút 7000 Vì chuyển động của pit tông làm biến dạng khuỷu Áp suất vào miền giải trong một chu kỳ động cơ đốt 140 Pa (tuyệt đối) trong. Lưới tính toán tại một số điểm méo Khối lượng 324E-6 kg mó, dẫn đến lỗi tính toán. Một giải pháp để không khí giải quyết vấn đề này là dùng lưới tính toán Khối lượn 18.03E-6 kg bao phủ toàn bộ chu kỳ nạp nén nổ xả của nhiên liệu động cơ. Góc mở van Góc quay trục 82 nạp khuỷu Để mô phỏng đặc tính động cơ đốt trong 4 Góc đóng van Góc quay trục 212 kỳ, tác giả sử dụng gói phần mềm ANSYS hút nạp khuỷu Fluent. Tốc độ quay trục quay trục khuỷu gia Độ mở van 0.2 mm tăng từ1000 vòng/ phútđến 1000 vòng/ phút. nạp Góc mở van Góc quay trục 521 xả khuỷu Góc đóng van Góc quay trục Lưới hình học gồm 674 358 phần tử và chỉ 640 tiêu độ lệch 0.25. Phương pháp lưới động xả khuỷu Độ mở van xả 0.2 mm được lựa chọn để thực hiện đầy đủ chu trình 95 RONOctane (C8H18) và của động cơ. Sau mỗi bước tính toán, pit tông Loại xăng không khí (O2 + 3.773 N2) dịch chuyển và lưới biến dạng vượt ngưỡng Nhiệt độ sẽ được chia lại trong miền tính toán. nhiên liệu 40 oC trước khi phun Đường kính ti 0.6 mm phun Góc Bugi Góc quay trục 345 đánh lửa khuỷu 2.2. Kết quả mô phỏng Phổ vận tốc của lưu chất bên trong động cơ đốt trong trong toàn bộ chu kỳ được liệt kê bên dưới. Theo đó, giá trị phổ thay đổi dần theo chu trình lên xuống của pit tông, phổ Hình 3: Lưới tính toán cho mô hình động cơ vận tốc thể hiện quá trình lưu chuyển không đốt trong 125 ccvới góc nghiêng cổ nạp khí khí trong xi lanh, từ khi van nạp mở, van nạp 15o (ban đầu) và 30o (cải tiến) đóng cho đến khi van xả mở và van xả đóng, Toàn bộ các thông số ảnh hưởng đến quá màu sắc phổ đặc trưng cho giá trị vận tốc trình mô phỏng, góc quay trục khuỷu, tốc độ trong xy lanh. Quá trình cuộn và xoáy của động cơ, tham số phun xăng.[10] được định dòng khí cũng được thể hiện thông qua sự nghĩa trong bảng sau phân bố màu sắc, những nơi khí cuộn, xoáy, HVTH: Lê Thanh Quang 83 MSHV: 1580505
5. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt 0.077 vận tốc sẽ cao hơn so với miền lưu chất xung 0.044 quanh. -0.0305 -0.026 Hình 5:Tỷ số xoáy của mô hình động cơ nguyên mẫu (15o) và cải tiến (30o) Từ đồ thị tỷ lệ độ xoáy, mức dao động độ xoáy của động cơ Honda Future đạt (-0.0305, 0.044) và của động cơ cải tiến đạt ( 0.026,0.077). Kết quả cho thấy động cơ cải tiến có độ xoáy dao động lớn hơn động cơ nguyên mẫu. Đồng thời, giá trị cực đại của tỷ lệ xoáy của động cơ cải tiến là 0.077 lớn hơn động cơ nguyên mẫu (0.044). 0.64 0.9 -0.7 Hình dạng dòng lưu chất trong động cơ đốt -0.71 trong được phần mềm ANSYS mô phỏng một thông qua phổ đường dòng được thể hiện Hình 6:Tỷ lệ cuộn của mô hình động cơ o o ở hình bên dưới. nguyên mẫu (15 ) và cải tiến (30 ) Tỷ lệ cuộn của hai mô hình được thể hiện ở hình 6. Mô hình động cơ nguyên mẫu có độ cuộn dao động từ -0.71 đến 0.64 và mô hình động cơ cải tiến có độ cuộn dao động từ -0.7 đến 0.9. Ngoài ra, giá trị cực đại của tỷ lệ cuộn của động cơ cải tiến (0.9) cao hơn hẳngiá trị của động cơ ban đầu (0.64). Như vậy, giá trị cực đại và độ dao động của tỷ lệ cuộn của động cơ cải tiến lớn hơn so với Hình 4: Hình dạng dòng lưu chất trong xy động cơ xe Honda Future nguyên mẫu . lanh động cơ đốt trong Từ những kết quả mô phỏng động cơ đốt Dựa vào đồ thị tỷ số xoáy cuộn theo trong ở trên, chúng ta thấy rằng góc nghiêng phương ngang và xoáy cuộn theo phương của cổ góp nạp có ảnh hưởng đáng kể đến độ đứng đánh giá mô hình cổ nạp khí tối ưu của xoáy của động cơ nói riêng, cũng như ảnh động cơ. Dựa vào hình dạng dòng khí, ta có hưởng đến hiệu suất của động cơ nói chung. thể quan sát được các khu vực xoáy swirl và Điều này được thể hiện qua đồ thị tỷ lệ xoáy cuộn tumble. và đặc biệt là tỷ lệ cuộn của động cơ đốt trong. Như vậy, động cơ đốt trong xe Honda Future có góc nghiêng cổ nạp 30o có thể đạt HVTH: Lê Thanh Quang 84 MSHV: 1580505
6. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt tỷ lệ xoáy 0.077 (giá trị ban đầu là 0.044) và đương nhau. Như vậy, thay đổi góc cổ nạp tỷ lệ cuộn 0.9 (giá trị ban đầu là 0.64). khí giúp tối ưu hiệu suất của động cơ. Giá trị tối ưu đạt được tại góc nghiên 30o, tại đây, tỉ số xoáy cuộn và xoáy lốc đạt giá trị cao nhất. 3. Kết luận Mô phỏng quá trình cháy của động cơ bốn thì bằng phương pháp động lực học lưu chất giúp thu được kết quả nhanh chóng, tiết kiệm chi phí chế tạo thử nghiệm. Kết quả mô Hình 7:Đồ thị áp suất theo trục khuỷu của phỏng cho thấy sự tỉ lệ của tỉ số xoáy, cuộn động cơ nguyên mẫu (trái) và cải tiến (phải) theo góc nghiêng không đồng biến và không Đồ thị 7 thể hiện ảnh hưởng của góc hoàn toàn tuyến tính, kết quả của quá trình nghiêng của cổ góp nạp lên thông số quan thay đổi tỉ số xoáy cuộn và xoáy lốc chính là trọng nhất của động cơ là áp suất, theo đó, momen xoắn cực đại, giá trị này tăng dần từ o o giả trị đỉnh của áp suất là 0.8Mpa đối với góc góc nghiên 15 đến 30 , sau đó giảm dần khi o nghiêng ban đầu và 1.1Mpa đối với góc góc nghiêng tăng lên 45 . Đỉnh của đường o nghiêng sau khi cải tiến. Từ kết quả đường cong đáp ứng của mô men xoắn đạt tại 30 . cong P-V trong toàn bộ chu trình của động Việc sử dụng phần mềm thiết kế CATIA cơ đốt trong, ta có thể tính mô men xoắn, giúp cho quá trình thay đổi thông số hình học công suất, hiệu suất bằng mô phỏng trên cũng như kiểm soát hình dạng diễn ra dễ Matlab. dàng hơn. 9 45o o 8 40 35o o 7 30 25o 20o 6 15o 5 Torque (Nm) Torque 4 3 2 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Crankshaft Speed (rpm) Hình 8:Đồ thị mô men xoắn tương ứng với các trường hợp tốc độ vòng quay trục khủy sau khi tính toán trong MATLAB Qua đồ thị hình 8, ta có thể kết luận rằng mô hình tối ưu ảnh hưởng hiệu quả đến mô men xoắn của động cơ. Trong đó tỉ số xoáy cuộn và tỉ số xoáy lốc ảnh hưởng gần tương HVTH: Lê Thanh Quang 85 MSHV: 1580505
7. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS. TS. Lại Văn Định (2009), Ứng dụng phần mềm Ansys để tính toán dao động xoắn hệ trục khuỷu động cơ đốt trong, Học viện Kỹ thuật Quân sự. [2] Đào Trọng Thắng (2012), Tính toán biến dạng của ống lót xylanh động cơ 6412/14 bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Học viện Kỹ thuật Quân sự. [3] Nguyễn Vương Chí (2004), Nghiên cứu tính chất nhiệt động lực học của động cơ Vikyno-01 xylanh sử dụng nhiên liệu Biodiesel – dầu dừa, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh. [4] Trần Thanh Hùng (2005), Mô phỏng xe tự hành hoạt động được trên mọi địa hình, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học, 3, 85-95. [5] A Lakshman, 643D In-cylinder Cold Flow Simulation Studies in an IC Engine using CFD, International Journal of Research in Mechanical Engineering, Volume 1, Issue 1, July- September, 2013, pp. 64-69. [6] A. M. Mohd Shafie, INTAKE ANALYSIS ON FOUR-STROKE ENGINE USING CFD, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, VOL. 10, NO. 17, SEPTEMBER 2015. [7] Stefan Gundmalm, CFD modeling of a four stroke S.I. engine for motorcycle application, Master of Science Thesis, Stockholm Sweden, 2009. [8] Heywood, Internal Combustion Engine Fundamental, Mc Graw-Hill,1998 [9] Internal Combustion Engines in Workbench, Ansys Inc, 2013 [10]Introduction to CFD, Fluent Inc, 2002 Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: Họ tên: Lê Thanh Quang Đơn vị: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Điện thoại: 0945321895 Email: lethanhquangtg@gmail.com HVTH: Lê Thanh Quang 86 MSHV: 1580505
8. Luận văn cao học GVHD: TS. Lý Vĩnh Đạt HVTH: Lê Thanh Quang 1 MSHV: 1580505
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.