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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG XOÁY LỐC
TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NẠP ĐẾN HIỆU SUẤT
ĐỘNG CƠ XE MÁY

MÃ SỐ: T2018

SKC006466

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ
MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG XOÁY LỐC TRÊN
ĐƯỜNG ỐNG NẠP ĐẾN HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ
XE MÁY
Mã số: T2018- 21TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt

TP. HCM, Tháng 04 Năm 2019


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI NGHIÊN
CỨU VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài: PGS. TS. Lý Vĩnh Đạt
Đơn vị phối hợp thực hiện: Bộ môn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM

i


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

MỤC LỤC
Trang
Danh sách thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện........................................... i
Mục lục.......................................................................................................................................................... ii
Danh sách các bảng................................................................................................................................. v
Danh sách các hình................................................................................................................................ vi
Danh mục các chữ viết tắt................................................................................................................ viii
Thông tin kết quả nghiên cứu........................................................................................................... ix
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN...................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1 Tính cấp thiết của đề tài....................................................... Error! Bookmark not defined.
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc.................................................. 3

1.2.1. Các nghiên cứu trong nƣớc................................................................................................. 3
1.2.2. Các nghiên cứu ngồi nƣớc................................................................................................. 4
1.4 Mục đích nghiên cứu...................................................................................................................... 5
1.5 Đối tƣợng nghiên cứu.................................................................................................................... 5
1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................................................. 5
1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................................... 6
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................................ 7
2.1 Khái quát về xoáy lốc trên động cơ đốt trong.................................................................... 7
2.1.1 Định nghĩa về hiện tƣợng lốc xoáy..................................................................................... 7
2.1.2. Vận tốc trung bình của dịng lốc xốy............................................................................ 8
2.1.3. Hệ số xoáy lốc và vận tốc của moment động lƣợng................................................. 9
2.1.4. Lốc xốy tạo ra trong q trình hút.............................................................................. 11
2.1.5. Lốc xoáy khi vào xi lanh..................................................................................................... 13
2.1.6. Phƣơng pháp đo lốc xoáy (Swirl Measurement).................................................... 16
2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình nạp và cơng suất của động cơ
2.2.1. Hệ số nạp và các yếu tố ảnh hƣởng............................................................................ 19
2.2.2. Hệ số khí sót và các thơng số ảnh hƣởng................................................................. 20
2.2.3. Ảnh hƣởng của lốc xốy đến dịng khí nạp............................................................ 21

ii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

CHƢƠNG 3. MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG HỆ THỐNG NẠP TRÊN ĐỘNG
CƠ XE MÁY HONDA FUTURE FI 125cc.......................................................................... 23
3.1. Mơ hình hố hệ thống nạp trên động cơ...................................................................... 23
3.2. Phần mềm thiết kế CATIA V5.......................................................................................... 26

3.3. Giới thiệu phần mềm ANSYS............................................................................................ 32
3.4. Thiết lập các thơng số cho mơ hình để mơ phỏng.................................................... 35
3.4.1. Phần mềm mô phỏng....................................................................................................... 35
3.4.2. Thiết lập các thông số cơ bản...................................................................................... 36
3.4.3. Định nghĩa các mặt hình học....................................................................................... 39
3.4.4. Q trình chia lƣới.......................................................................................................... 40
3.4.5. Tiến hành mơ phỏng........................................................................................................ 46
3.5. Mơ hình mơ phỏng đặc tính động cơ............................................................................. 47
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG................................................................................. 49
4.1. Thiết lập mơ phỏng................................................................................................................. 49
4.1.1. Q trình tạo lƣới tồn chu kỳ.................................................................................. 49
4.1.2. Phổ vận tốc tồn chu kỳ................................................................................................. 50
4.1.3. Phổ vận tốc q trình nạp............................................................................................ 52
4.1.4. Năng lƣợng động năng trung bình của dịng chảy mô phỏng....................53
4.2. Ảnh hƣởng hệ thống nạp đến hệ số xoáy lốc............................................................. 54
4.2.1 Hệ số xoáy lốc dọc.............................................................................................................. 55
4.2.2. Hệ số xoáy ngang............................................................................................................... 58
4.2.3. Hệ số xoáy lốc theo phƣơng cắt ngang................................................................... 61
4.3. Ảnh hƣởng của hệ số xoáy lốc đến đặc tính động cơ............................................ 62
4.3.1. Ảnh hƣởng của hệ số xốy lốc đến cơng suất động cơ.................................... 62
4.3.2. Ảnh hƣởng của hệ số xoáy lốc đến moment xoắn động cơ............................ 65
4.3.3. Ảnh hƣởng của hệ số xoáy lốc đến công suất động cơ.................................... 66

iii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ


CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ............................................................................. 67
6.1 Kết luận......................................................................................................................................... 67
6.2 Đề nghị:.......................................................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................ 69

iv


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số kết cấu xe máy Honda Future FI 125cc dùng để thiết kế và mô
phỏng…………………………….………………………………………………...............24
Bảng 4.1 Giá trị các tỷ lệ xốy theo góc nghiêng khác nhau....................................................... 62

v


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Xốy lốc dọc và xốy lốc ngang............................................................................................ 8
Hình 2.2 Vận tốc góc của moment động lượng xốy lốc dọc và ngang..................................... 9
Hình 2.3 Xốy lốc Swirl trong q trình nạp.................................................................................... 11
Hình 2.4 Các biến thể của các dạng đường ống tạo ra xốy lốc dọc (Swirl)........................12
Hình 2.5 Xú-pap nạp được tạo rãnh để tạo xốy lốc...................................................................... 12

Hình 2.6 Xốy lốc ngang (Tumble) chủ yếu do phun nhiên liệu............................................... 14
Hình 2.7 Xoáy lốc ngang (Tumble) được tạo ra khi xú-pap thường đặt nghiêng…............15
Hình 2.8 Piston được tạo biên dạng lõm để tăng xốy lốc dọc (Swirl)…………...............15
Hình 2.9 Sơ đồ về phương pháp đo dịng chảy ổn định………………………….............16
Hình 2.10 Thiết bị xốy lốc dọc (Swirl) và lốc xốy ngang (Tumble)..................................... 17
Hình 2.11 Hệ thống T-VIS....................................................................................................................... 18
Hình 2.12 Phần đồ thị cơng trong quá trình nạp.............................................................................. 19
Hình 3.1 Dạng cổ nạp xe máy Honda Future FI 125cc ngồi thực tế....................................... 24
Hình 3.2 Tiến hành đo thơng số kết cổ nạp....................................................................................... 24
Hình 3.3 Giao diện CATIA V5 sau khi khởi động........................................................................... 27
Hình 3.4 Chức năng lệnh cơ bản trong 2D của phần mềm CATIA V5.................................... 27
Hình 3.5 Lệnh thường vẽ trong mơi trường 2D................................................................................ 28
Hình 3.6 Biên dạng của đường ống nạp trong 2D có màu xanh lá............................................ 29
Hình 3.7 Lệnh Shaft.................................................................................................................................... 30
Hình 3.8 Lệnh Rib........................................................................................................................................ 30
Hình 3.9 Biên dạng đường ống nạp và cổ xả được vẽ khi dùng lệnh Rib............................... 31
Hình 3.10 Mơ hình 3D động cơ xe máy Honda Future FI 125cc hồn chỉnh........................32
Hình 3.11 Giao diện khi khởi động phần mềm ANSYS Workbench........................................ 36
Hình 3.12 Hai mơ hình ICE trong ANSYS......................................................................................... 36
Hình 3.13 Xem các thơng số thiết lập................................................................................................... 37
Hình 3.14 Các loại hình mơ phỏng cho mơ hình ICE..................................................................... 37
Hình 3.15 Việc mơ phỏng này là tồn chu trình................................................................................ 37
Hình 3.16 Thiết lập thơng số tổng qt cho mơ phỏng................................................................. 38
Hình 3.17 Các thơng số thiết lập cơ bản của một động cơ đốt trong........................................ 39
Hình 3.18 Chọn các mặt hình học để định nghĩa chúng................................................................ 40
Hình 3.19 Lưới tính tốn cho mơ hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp
nạp 25

0
.............................................................................................................................................................. 41


vi


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

Hình 3.20 Lưới tính tốn cho mơ hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp
o

nạp 30 .............................................................................................................................................................. 42
Hình 3.21 Lưới tính tốn cho mơ hình động cơ đốt trong với góc nghiêng ống góp
0

nạp 35 .............................................................................................................................................................. 43
Hình 3.22 Thiết lập các thơng số cơ bản và điều kiện biên.......................................................... 43
Hình 3.23 Thiết lập thơng số cho mơ hình chuẩn bị q trình cháy.......................................... 44
Hình 3.24 Thiết lập các thơng số phun xăng và đánh lửa……….………………..............45
Hình 3.25 Thiết lập thơng số mở sớm đóng muộn cho xú-pap nạp và thải............................ 46
Hình 3.26 Biểu tượng thể hiện dấu "Check" thì mới tiến hành mơ phỏng.............................47
Hình 3.27 Hình các thơng số đầu vào của động cơ xe máy Honda Future 125cc................47
Hình 3.28 Xây dựng mơ hình động cơ xe máy Honda Future 125cc bằng Simulink.........48
Hình 4.1 Tạo lưới tồn chu kỳ................................................................................................................. 49
Hình 4.2 Phổ vận tốc tồn chu kỳ........................................................................................................... 51
Hình 4.3 Phổ vận tốc kỳ nạp..................................................................................................................... 52
Hình 4.4 Năng lượng động năng trung bình của dịng chảy mơ phỏng................................... 54
0

Hình 4.5 Tỷ lệ xốy lốc dọc (Swirl) của động cơ nguyên mẫu góc nghiêng 25 và

0
góc nghiêng 30 ............................................................................................................................................. 55
0
0
Hình 4.6 Tỷ lệ xốy lốc ngang của động cơ nguyên mẫu 25 và động cơ cải tiến 30 ......57
0
0
Hình 4.7 Tỷ lệ xốy lốc dọc của động cơ với góc nghiêng 30 và góc nghiêng 35 ...........58
0
0
Hình 4.8 Tỷ lệ xốy lốc ngang của góc nghiêng 30 và góc nghiêng 35 ............................... 60
Hình 4.9 Hệ số xoáy lốc theo phương cắt ngang của tỷ lệ xốy ngang.................................... 62
Hình 4.10 Các hệ số a, m được đưa vào model để đánh giá tới cơng suất..............................63
Hình 4.11 Cơng suất của động cơ ứng với các góc nghiêng khác nhau................................... 63
Hình 4.12 Moment động cơ xe máy Honda Future 125cc ứng với các góc nghiêng
khác nhau......................................................................................................................................................... 65
Hình 4.13 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ứng với các góc nghiêng khác nhau......66

vii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
-ANSYS: Analyst system – Phân tích hệ thống.
-AQI: Air Quality Index – Chỉ số chất lượng khơng khí.
-CA: Crankshaft Angle – Góc quay trục khuỷu.
-CATIA V5: Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) - Xử

lý tương tác trong khơng gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính.
-CPU: Central Processing Unit – Bộ phận xử lý trung tâm.
-ĐCD: Điểm chết dưới.
-ĐCT: Điểm chết trên.
-ECU: Electronic Control Unit - Hộp điều khiển động cơ bằng điện tử.
-EGR: Exhaust Gas Recirculation – Hệ thống luân hồi khí xả.
-EVC: Exhaust Valve Close - Xú-pap thải đóng.
-EVO: Exhaust Valve Open - Xú-pap thải mở.
-FEA: Finite Element Analysis – Phân tích phần tử hữu hạn.
-GDI: Gasoline Direct Injection – Phun xăng trực tiếp.
-ICE: Internal Combustion Engine – Động cơ đốt trong.
-IVC: Intake Valve Close - Xú-pap nạp đóng.
-IVO: Intake Valve Open - Xú-pap nạp mở.
-PM: Particulate Matter: chất dạng hạt.
-PPM: Part Per Million một phần triệu.
-WHO: World Health Organization – Tổ chức Y tế Thế giới.
-RON: Reasearch Octance Number – Chỉ số ốc tan xác định theo phương pháp
nghiên cứu.
-SCV: Swirl Control Valve – Van điều khiển xoáy lốc.
-STCS: Swirl Tumble Control System – Hệ thống điều khiển xoáy lốc dọc và
xoáy lốc ngang.
-T-VIS: Toyota Variable Induction System – Hệ thống biến thiên dịng khí nạp.
-VVT: Variable Valve Timing – Hệ thống điều khiển van biến thiên thông minh.
- VCR: Variable Compression Ratio – Hệ thống thay đổi tỷ số nén biến thiên.

viii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm


THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
1.- Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng xoáy lốc trên đường ống nạp đến hiệu
suất động cơ xe máy”
- Mã số:
2.

Chủ nhiệm:PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT
Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
Thời gian thực hiện: 12 tháng
Mục tiêu:

Cải tiến đường ống nạp trên các động cơ hiện nay để tối ưu sự xốy lốc
(tumble và swirl) thơng qua các phần mềm chuyên phù hợp với từng chế độ hoạt
động trên động cơ nhằm nâng cao hiệu suất, công suất và tính kinh tế nhiên liệu
trên xe.
3.

Tính mới và sáng tạo:

Động cơ xe máy rất phổ biến ở Việt Nam. Tuy nhiên, thiết kế đường ống nạp
đơn giản, điều này ảnh hưởng của sự xốy lốc khơng tốt dẫn đến công suất, suất tiêu
hao nhiên liệu, hiệu suất động cơ rất thấp. Ảnh hưởng của xốy lốc đến sự hồ trộn
hỗn hợp khơng khí - nhiên liệu (hồ khí) ở tốc độ thấp rất đáng kể. Sự xoáy lốc
cũng ảnh hưởng đến sự tổn hao năng lượng khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao. Sự
xoáy lốc trên động cơ bao gồm xoáy lốc dọc (swirl) và xoáy lốc ngang (tumble) phụ
thuộc vào biên dạng, đường kính, chiều dài của đường ống nạp. Nghiên cứu sử
dụng phần mềm chuyên ngành phân tích và cải tiến đường ống nạp hiện tại trên
động cơ xe máy để tối ưu sự xoáy lốc ứng với từng chế độ hoạt động trên động cơ.
Qua đó, nâng cao cơng suất và hiệu suất động cơ

4.

Kết quả nghiên cứu:

Đề tài này nghiên cứu cải tiến hệ thống nạp trên xe máy 125cc, góp phần
cải thiện sự hồ trộn hỗn hợp hồ khí nhằm nâng cao đặc tính động cơ. Nghiên cứu
sử dụng các phần mềm Ansys mô phỏng cải tiến hệ thống nạp thông qua các hệ số
xoáy lốc dọc (Tumble ratio) và xoáy lốc ngang (Swirl ratio) tương ứng với các
trường hợp khác nhau. Một mơ hình mơ phỏng sử dụng phần mềm Matlab Simulink

ix



Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

cũng được thực hiện nhằm xem xét ảnh hưởng các hệ số xoáy lốc đến đặc tính cháy
của động cơ, qua đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự xốy lốc đến cơng suất, momen
xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở các số vịng quay khác nhau. Kết quả
0

mơ phỏng chỉ ra rằng ở góc nghiêng của cổ nạp 30 có hệ số xoáy lốc dọc và xoáy
lốc ngang là tối ưu nhất. Đồng thời, đặc tính cơng suất,momem xoắn của động cơ có
0

hệ thống nạp cải tiến (góc nghiêng 30 ) là cao nhất, trong khi suất tiêu hao nhiên
liệu của đ ộng cơ là thấp nhất so với các trường hợp khác.
5.

Sản phẩm:
01 bài báo khoa học thuộc tạp chí khoa học giáo dục và kỹ thuật
được cơng bố (có điểm từ 0 đến 0.5 điểm trong hội đồng xét chức danh
PGS), năm 2019.
01 bài báo đăng trong kỷ yếu hội nghị khoa học cơng nghệ tồn
quốc về Cơ khí-Động lực 2017, trang 260-265, 14/10/2017.
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng:
Kết quả của đề tài góp giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu, tăng đặc tính động cơ
bằng cách cải tiến hệ số xoáy lốc trên hệ thống nạp. Đề tài nâng cao hiệu quả học
tập nghiên cứu cho học viên sinh viên chuyên ngành, góp phần vào việc ứng dụng
các phương pháp nâng cao hiệu suất trên động cơ xăng
Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

Trƣởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

x


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:

Project title:


“A Study of the effects of swirl and tumble ratios on engine

performance in motorbike"

Code number: T2018-21TĐ
Coordinator: Assoc, PhD. LY VINH DAT
Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and
Education
Duration: 12 months
2. Objective(s):
The purpose of research study, the improving of intake system in motorbike to
optimize the swirl and tumble ratios at various operating conditions via software.
This results to increase the engine power, torque and decrease fuel consumption in
motorbike engine.
3. Creativeness and innovativeness:
Motorbike is popularly used in Vietnam. However, the intake manifold is
designed simply and not optimal. These causes bad mixture between air and fuel in
engines, this results to reduce engine performance and increase fuel consumption,
especially at part loads. The swirl and tumble ratios depend on the intake profile,
diameter, length.... This study uses the software such as Asys, Matlab/Simulink that
can analyze and improve the currently intake system in motorbike. Consequently,
the engine performance and fuel consumption are considerably improved at part
loads.
4. Research results:
The paper studies the improving of intake system in 125cc motorbike engine,
this improves air-fuel mixture that increases engine performance. The study uses
Ansys software to simulate the improving of intake system via tumble and swirl
ratios at different cases. Besides, a model is also built by Matlab/Simulink that
examines the effects of swirl and tumble ratios on engine performance and fuel
consumption in engine at various engine speeds. The simulation results show that

0

the modified intake system (with 30 angle) has optimal tumble and swirl ratios.

xi


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

Additionally, power and torque in engine has high value with the the modified
0

intake system (with 30 angle). Whereas, the fuel consumption reduces comparing
to the other cases.
5. Products:
HCMUTE ,
-

01 published paper in Journal of Techical Education Science,

2019

- 01 published paper in National Technology Science about Mechanical and
Automotive Proceeding, pp 260-265, 2017.

6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
The study takes part in decreasing fuel consumption and increasing engine
performance in motorbike engine at part loads by improving the swirl and tumble

ratios in the intake manifold.

xii


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ khi cuộc các mạng công nghiệp lần thứ nhất ra đời tại Châu Âu với sự ra đời
của động cơ hơi nước với phát minh của nhà bác học James Watt(1736-1819) nhà
phát minh người Scottland, tiếp sau đó là cuộc cách mạng cơng nghiệp lần 2 với sự
phát minh nhiều thiết bị dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ với sự xuất hiện của
bóng đèn điện, trong đó khơng thể khơng kể đến đó động cơ đốt trong, sau đó là
cách mạng cơng nghiệp 3 và cuộc cách mạng công nghiệp 4 với sự phát triển như
vũ bão về các ngành công nghiệp nặng, máy móc, Internet… Qua 4 cuộc cách mạng
này ta đề thấy rằng động cơ đốt trong ra đời rất sớm và chiếm một phần rất quan
trọng trong các ngành cơng nghiệp, trong đó phải kể đến đó là động cơ ơ tơ, xe máy.
Theo nhu cầu và tài chính của con người thì xe máy lại tiện lợi, trong khi đó nước ta
là nước có sử dụng xe máy lớn thứ 2 ở Châu Á sau Đài Loan. Như vậy, theo thời
gian thì nguồn nhiên liệu hố thạch ngày càng cạn kiệt, tình trạng ơ nhiễm mơi
trường ngày càng tăng do sự phát thải về lượng khí xả trên xe máy và ô tô. Ngày
nay với xu thế của thế giới là làm sao hạn chế lượng khí xả phát thải ra môi trường,
mong muốn môi trường luôn xanh, tránh tình trạng nóng lên của trái đất thì câu hỏi
đặt ra cho các nhà sản xuất xe máy họ phải ln cải tiến về động cơ của mình sao
cho lượng khí xả phát thải ra mơi trường là thấp nhất, ít độc hại nhất, việc cải tiến
này là làm sao phải giải quyết ba bài tốn chính đó là: bài tốn về mơi trường phải
làm sao cho khí xả của động cơ đốt trong là ít gây hại cho mơi trường nhất. Bài tốn

kỹ thuật: phải đảm bảo các thông số kỹ thuật của xe gắn máy như về công suất, suất
tiêu hao nhiên liệu là hợp lý. Bài toán về kinh tế làm sao phù hợp với tài chính của
người dân.
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 khơng 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,
Trang
1


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

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 châu Á, hiện
nay xe máy là phương tiện chiếm đa số trong giao thông đường bộ. Bởi sự phù hợp
của phương tiện này trong đi lại, lao động sản xuất của người dân. Sự gia tăng
nhanh về số lượng xe máy ở nước ta bên cạnh những ưu điểm mà phương tiện này
đem tới thì khơng ít những vấn đề lo ngại. Một trong những vấn đề đó là sự ơ nhiễm
mơi 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, q trình hịa trộn và cháy chưa hồn thiện nên
chưa tạo ra công suất tối ưu. Thế giới chúng ta đang lo ngại về vấn đề cạn kiệt
nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng như phương hướng tìm nguồn nhiên liệu thay thế.
Động cơ đốt trong hiện nay thì có hiệu suất thấp và chưa tiết kiệm nhiên liệu tối ưu
vẫn còn một phần nhiên liệu cháy chưa sạch thải ra môi trường, gây tiêu hao nhiên
liệu và ô nhiễm. Trước khi tìm ra nguồn nhiên liệu mới thì vấn đề nghiên cứu cải
tiến động cơ đốt trong nhằm mục đích nâng cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên
liệu mang tính chất cấp thiết.
Hiện nay có nhiều cơng 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 mơ 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, cơng sức và kinh phí cho việc cải tiến. Dự đốn được trước kết quả của q
trình tính tốn mơ phỏng cho thực tế chế tạo. Mô phỏng cũng là xu thế trong nghiên
cứu thiết kế chế tạo một một động cơ mới.
Động cơ xăng có hiệu suất nhỏ do rất nhiều nguyên nhân như kết cấu, hệ thống
đánh lửa, nhiên liệu, mất mát do công tiêu hao (pumping loses)... trong quá trình
hoạt động. Một trong các lý do là ảnh hưởng của xốy lốc đến sự hồ trộn hỗn hợp
khơng khí - nhiên liệu (hồ khí) khơng tốt, đặc biệt là ở tốc độ thấp. Sự xoáy lốc
cũng ảnh hưởng đến sự tổn hao năng lượng khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao. Sự
xoáy lốc trên động cơ bao gồm xoáy lốc dọc (Swirl) và xoáy lốc ngang (Tumble)
phục thuộc vào biên dạng, đường kính, chiều dài của đường ống nạp. Nghiên cứu sử
Trang
2


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ


dụng phần mềm chuyên ngành phân tích và cải tiến đường ống nạp hiện tại trên
động cơ xe máy để tối ưu sự xoáy lốc ứng với từng chế độ hoạt động trên động cơ.
Qua đó, nâng cao cơng suất và hiệu suất động cơ.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc.
1.2.1. Nghiên cứu trong nƣớc.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng xoáy lốc đến công suất động cơ cũng là một
trong những đề tài nghiên cứu về biện pháp để nâng cao hiệu suất của động cơ, do
đó chúng tơi sẽ tìm hiểu hướng nghiên cứu trong nước về các đề tài các biện pháp
nâng cao hiệu suất của động cơ.
Hiện nay ở nước ta, việc nghiên cứu của các nhà khoa học về mơ phỏng đặc
tính của động cơ cịn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Từ khi có sự trợ
giúp của các phần mềm mơ phỏng đã hỗ trợ rất nhiều cho việc thu thập số liệu tính
tốn cũng như mơ phỏng các đường đặc tính của động cơ. Đây được xem là một
hướng nghiên cứu mới trong nước, cho đến nay chúng ta vẫn chưa có nhiều cơng
trình nghiên cứu khoa học cho lĩnh vực này. Việc nghiên cứu theo hướng mô phỏng
sẽ tiết kiệm về chi phí, thời gian, cơng sức…cũng như cho ra kết quả chuẩn xác về
đối tượng nghiên cứu, điều này thì rất phù hợp với điều kiện còn thiếu hụt về cơ sở
vật chất cũng như trang thiết bị nghiên cứu mơ phỏng động cơ. Vì vậy, thực hiện
nghiên cứu mơ phỏng động cơ, đề xuất phương pháp nâng cao hiệu suất động cơ
làm cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng dụng trong nước là hết sức cần thiết. Sau đây có
thể đề cập đến một số cơng trình làm cơ sở cho đề tài:
Tác giả Võ Danh Toàn và Huỳnh Thanh Cơng trình bày nghiên cứu cải tiến
đường ống nạp cho động cơ Diesel một xi lanh RV165-2 nhằm tăng hiệu suất nạp
và cải thiện tính năng làm việc thơng qua mơ hình hóa và mơ phỏng trên phần mềm
chun dụng AVL BOOST [1]. Các phương án cải tiến được đề xuất và đánh giá so
với mơ 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 cơng 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 khơng khí, giúp q trình cháy tốt

hơn, tăng công suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải. Nguyễn
Xuân Dung và các cộng sự thực hiện mô phỏng trên động cơ Toyota 1 NZ – FE [2].
Xây dựng cơ sở lý thuyết các đặc tính của động cơ và mơ hình tốn cho việc mơ
Trang
3


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

phỏng các quá trình của động cơ. Trên cơ sở đó nghiên cứu hệ thống VVT-i việc
thay đổi thời điểm đóng mở xú-pap đến khả năng cải tiến hiệu suất động cơ. Kết
quả nghiên cứu cho thấy việc thay đổi thời điểm đóng mở xú-pap ảnh hưởng đến
công suất động cơ. Làm tối ưu hóa q 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.
1.2.2. Nghiên cứu nƣớc ngoài.
Tác giả Yuh-Yih Wu và các cộng sự [3]đề cập đến nội dung mơ phỏng các
đặc tính của động cơ Yamaha dung tích 125. Tác giả đã tính tốn các đặc tính đầu ra
của động cơ xe máy dựa trên đề xuất 2 mơ hình mơ phỏng: mơ hình chức năng
momen xoắn (torque function model) và mơ hình tốc độ toả nhiệt của quá trình cháy
(heat release model). Kết quả: Cả hai mơ hình được đề xuất trong nghiên cứu đều có
kết quả gần sát với thực nghiệm. Tuy nhiên mỗi mơ hình có đặc điểm khác nhau:
mơ hình chức năng moment xoắn có ưu điểm trong việc mơ phỏng tính tốn 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, mơ hình tốc độ toả nhiệt có ưu điểm trong việc mơ
phỏng điều khiển hệ thống truyền lực trong động cơ và xét các ảnh hưởng của sự
dịch chuyển dịng khí nạp đến quá trình cháy động cơ.
Bài báo “Analysis of Tumble And Swirl Motions on a Motions in a FourValve SI Engine” của tác giả Yufeng Li và các cộng sự [4] đã đề cập đến vấn đề tỉ

lệ tạo xoáy trong buồng đốt Tumble và Swirl trong một động cơ xăng 4 kì có 4 van
xuppap. Xây dựng được mơ hình thí nghiệm và mơ phỏng tỉ lệ xốy cuộn trong lịng
xi lanh động cơ ở 2 kì là nạp và nén của động cơ, thiết lập các mơ hình và đồ thị tỉ
lệ ở từng thời điểm quay của trục khuỷa động cơ. Bài báo đã mô phỏng được sự
xốy 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 xốy cuộn đứng tốt
cho q trình nén trong động cơ.
Tác giả C. L. Myung và các cộng sự [5] đã trình bày 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 q trình đốt trong động cơ ở các thời điểm đóng mở xú-pap
nạp khác nhau ở điều kiện khơng tồn tải. Bài báo kết luận rằng thời điểm mở xúpap nạp sớm có hiệu quả,q trình hịa trộn nhiên liệu và khơng khí đều hơn, phân
phối khí tối ưu làm giảm HC và điều chỉ độ tăng NOx thải ra môi trường. Với sự
Trang
4


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

xốy lốc ngang(tumble) thì hàm lượng HC giảm 12% ở chế độ tỉ lệ xoáy lốc đứng
chiếm 50% và giảm thêm được 16% HC khi xoáy lốc đứng tiếp tục điều chỉnh lên
75%. Cần cân chỉ lại lượng NOx thải ra.
1.3. Mục tiêu đề tài.
Xây dựng một cơ sở lý thuyết đặc tính cho động cơ xe máy giúp ích cho q
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 mơ hình mơ phỏng các đặc tính xe gắn máy, mơ hình hố mơ
phỏng hệ thống nạp trên xe máy. Trên cơ sở đó, đề xuất biện pháp nâng cao hiệu
suất động cơ thơng q trình nghiên cứu cải tiến hệ thống nạp, sự hòa trộn tăng hiệu

suất. Tối ưu hóa được q trình hịa trộn nhiên liệu bên trong xi lanh. Đưa ra cách
thiết kế cải tiến một đường ống nạp mới tối ưu cho động cơ đang sử dụng.
1.4. 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 cải tiến xoáy lốc trên hệ thống nạp của xe máy 125cc thông qua mô
phỏng bằng phân mềm. Xem xét ảnh hưởng của các hệ số xốy lốc đến đặc tính
cơng suất từ đó cải tiến hệ thống nạp tối ưu để được một hiệu suất tốt nhất.
1.5. Đối tƣợng nghiên cứu.
Nghiên cứu mô phỏng các thông số trên động cơ xe máy thu thập các thơng 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 xốy lốc khác
nhau trong buồng đốt ảnh hưởng đền hiệu suất động cơ thông qua sự thay đổi hiệu
suất nạp. Từ nghiên cứu này đưa ra tài liệu cơ sở lý thuyết tin cậy cho sự nghiên cứu
về các thông số nạp ảnh hưởng đến hiệu suất, khí thải động cơ xe máy mà hệ thống
nạp mang đến.
1.6. Phƣơng 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 mơ hình tốn và mơ phỏng.
Trang
5


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ


- Phương pháp so sánh đối chiếu kết quả.
- Phương pháp thiết kế mô phỏng dòng chảy.
- Phương pháp khảo sát đối tượng.
1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn



Ý nghĩa khoa học:

Đề tài xây dựng một nguồn tài liệu làm cơ sở tin cậy cho q trình nghiên cứu
động cơ. Tính tốn mơ hình hóa được các thơng số của động cơ đưa vào mô phỏng.
Nghiên cứu được sự ảnh hưởng thay đổi dịng khí nạp ảnh hưởng đến hiệu suất
động cơ và giảm thiểu lượng khí thải gây ơ nhiễm mơi trường. Nghiên cứu cải tiến
đường ống nạp mới cho sự mô phỏng dịng khí nạp đánh giá khả năng của cải tiến
mới so với đường nạp cũ. Thu thập số liệu động cơ mơ hình hóa được động cơ vào
việc mơ phỏng thông qua phần mềm.



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, cơng sức... Điều này phù
hợp với tình hình nghiên cứu trong nước ta hiện nay. Bên cạnh đó, những thí
nghiệm có nhiều thơng số ảnh hưởng qua lại hay khó thực hiện được trong thực
tiễn, thơng qua việc thiết lập mơ hình mơ phỏng sát với thực tế thì có thể can thiệp
vào các thơng sốđó dễ dàng. Qua đề tài cũng góp phần xây dựng nên một phương
pháp cải tiến mới cho các động cơ Diesel cũ ở nước ta. Sự ứng dụng của phần mềm
mô phỏng đến hướng nghiên cứu và phát triển động cơ trong tương lai. Tuy nhiên
đây là một vấn đề nghiên cứu lớn và phức tạp, cần có nhiều thời gian và thiết bị

hiện đại trong quá trình nghiên cứu.

Trang
6


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Khái quát về xoáy lốc trên động cơ đốt trong
Ta đã biết muốn công suất động cơ tăng lên thì quá trình cháy phải tối ưu và
quá trình nạp phải tốt, q trình xả phải sạch, hồ khí phải trộn đều. Trên ơ tơ đã có
nhiều ứng dụng làm cho quá trình nạp tối ưu mà liên quan đến xốy lốc đó là hệ
thống T-VIS viết tắt của chữ tiếng Anh Toyota Variable Induction System và trên xe
máy có hệ thống Swirl Tumble Control System (STCS), dịng xe Nissan thì có hệ
thống SCV (Swirl Control Valve). Xốy lốc có hai dạng chính đo là xốy lốc dọc
(Swirl) và xoáy lốc ngang (Tumble).
Xoáy lốc trên động cơ đốt trong là một thông số quan trọng để tạo nên hệ số
nạp, sự hồ trộn nhiên liệu và khơng khí có tối ưu hay khơng, hiện tượng xốy lốc
diễn ra như thế nào, phương pháp đo, hệ số xoáy lốc, các ứng dụng của nó trên một
số xe hiện hành… sẽ được trình bày ở dưới đây.
2.1.1 Định nghĩa về hiện tƣợng lốc xốy
Q trình chuyển động của dịng khí nạp trong động cơ là yếu tố chính quyết
định đến quá trình cháy và sự hồ trộn hồ khí, đó chính là vấn đề xoáy lốc trong
động cơ. Vấn đề xoáy lốc bị chi phối bởi yếu tố như: hình dạng của đường ống nạp,
hình dạng đỉnh piston. Như vậy, xốy lốc nó thường được định nghĩa là sự chuyển
động xoay trịn của dịng mơi chất nạp vào trong xi lanh của động cơ. Xoáy lốc
được tạo ra do áp suất chân khơng của q trình nạp khi mơi chất có động năng ban

đầu. Sự xốy lốc này giảm khi có sự ma sát xảy ra trong chu trình hoạt động của
động cơ. Sự xốy lốc này có thể tồn tại trong các chu trình của động cơ như quá
trình nạp thì hồ khí đi vào tạo nên xốy lốc, q trình nén dưới sự dịch chuyển của
piston đi từ ĐCD đến ĐCT thì cũng gây nên sự xốy lốc, kỳ nổ cũng vậy khi hồ
khí bốc cháy thì do sự giản nở của áp suất quá nhanh nên cũng gây xốy lốc, kỳ xả
thì mơi chất thốt ra ngồi cũng gây sự xốy lốc nhưng ít do sự chênh lệch áp suất
giữa bên trong buồng đốt và ngoài buồng đốt, khi hồn thành q trình chạy thì tới
kì xả lúc này áp suất trong buồng đốt rất lớn nên khi xú-pap thải mở thì lượng khí
đã cháy thốt ra ngồi do đó ít gây hiện tượng xốy lốc. Trong q trình thiết kế
động cơ, piston thường được làm lõm để tạo xốy lốc ,cịn trong động cơ Diesel và
động cơ nạp phân tầng (stratified charge ) thì hiện tượng xốy lốc được thể hiện rõ
đó là sự chuyển động nhanh của hồ khí khi hồ khí được nạp vào và quá trình phun
Trang
7


Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm

MS:T2018-21TĐ

nhiên liệu. Sự xoáy lốc cũng được thấy ở quá trình đánh lửa với chu kì nhiều (khi xe
tăng tốc), trong động cơ hai kỳ thì sự xốy lốc được thể hiện ở q trình qt thải
khí. Trong một số động cơ có buồng đốt phụ thì q trình xốy lốc xảy ra. Ở buồng
động cơ có buồng đốt phụ thì q trình xốy lốc là rất quan trọng.
Xoáy lốc được phân loại thành hai thành tố chính đó là xốy lốc dọc và xốy lốc
ngang.

Hình 2.1. Xốy lốc dọc và xốy lốc ngang
2.1.2. Vận tốc trung bình của dịng lốc xốy
Vận tốc trung bình của dịng lốc xốy được thiết lập từ các cơng thức tốn học

xây dựng trên mơ hình động cơ, nó được xác lập qua cơng thức sau:
U (t ) U u (t )

(2.1)
Trong đó :
 U(t) là vận tốc tức thời của dịng khí nạp

U

 là vận tốc trung bình
Đối với dịng khí nạp là ổn định thì ta áp dụng theo công thức sau:

Trang
8


0

Trong đó : ,0 lần lượt là thời gian đặc trưng riêng đầu và sau đó
Như vậy, vận tốc trung bình của dịng khí nạp khi có hiện tượng lốc xốy nó tính
thơng qua một vận tốc giới hạn có chứa vận tốc tức thời của dịng khí.[6]
2.1.3. Hệ số xoáy lốc và vận tốc của moment động lƣợng
Khi các xốy lốc được tạo ra thì bản thân nó xuất hiện moment động lượng các
thành phần vận tốc của moment động lượng từ xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang.
Moment xốy này tương đương với thơng lượng của moment động lượng trên máy
bay, nghĩa là khi máy bay hoạt động thì tạo ra những vùng có moment xốy giống
với trường hợp này. Hiển thị rõ ở hình sau:

Hình 2.2. Vận tốc góc của moment động lượng xốy lốc dọc và
ngang

Xốy lốc dọc được đặc trưng bởi vận tốc góc của moment động lượng chính là 
 s . Xốy lốc ngang được đặc trưng bởi vận tốc của moment động lượng chính là



T .Hợp

hai vận tốc này tạo thành vận tốc tổng hợp .

A


Trang 9