Thiết kế hình dạng cổ nạp của hệ thống nạp trên động cơ đốt trong đóng một vai trò khá quan trọng trong việc thiết kế động cơ do nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hòa trộn của hỗn hợp hòa khí trước khi được hút vào xi lanh. Từ đó, nó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của động cơ như ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ, khí xả, công suất đầu ra, mô-men xoắn. Tuy nhiên, chúng ta rất khó để quan sát hay đo kiểm các đặc tính của dòng khí di chuyển trong cổ nạp trong quá trình hoạt động của động cơ. Chính vì vậy, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng dòng chảy khí chuyển động trong cổ nạp được xem là một phương tiện hữu hiệu nhất để tối ưu hóa thiết kế. Hiện nay, ANSYS Fluent được dùng khá phổ biến trong việc mô phỏng các dòng chảy lưu chất qua các đường ống dẫn có hình dạng khác nhau, trong đó, có đường ống nạp và xả của động cơ đốt trong.

Hiện nay, một số công trình nghiên cứu đãđược công bố liên quan đến các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ đốt trong. Đặc biệt là sự ảnh hưởng của sự xoáy lốc đến chất lượng hoà trộn nhiên liệu; qua đó, hiệu quả quá trình cháy trong động cơ được cải tiến đáng kể, hiệu suất động cơ được nâng cao, giảm khí xả do động cơ phát ra. Một nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng mô hình mô phỏng động cơ xe máy 125 cc. Nghiên cứu xem xét ảnh hưởng của các trường hợp hệ số xoáy lốc dọc và ngang (tumble and swirl ratios) khác nhau bằng cách thay đổi thời điểm mở của van điều khiển trên hệ thống nạp, nhằm tạo ra tốc độ chuyển động dòng không khí ở các trường hợp khác nhau. Kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm từ thực nghiệm chỉ ra rằng tốc độ chuyển độ dòng khí càng cao thì nhiệt lượng toả ra của quá trình cháy càng nhanh. Do tốc độ cháy nhanh dẫn đến công suất đầu ra đáp ứng kịp thời đặc biệt ở chế độ tải nhỏ. Để xem xét ảnh hưởng của các hệ số xoáy lốc đến khí xả và quá trình cháy, nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ một xilanh phun xăng trực tiếp, tác giả đã so sánh các trường hợp động cơ nguyên thuỷ với hai trường hợp là động cơ cải tiến có xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, các trường hợp xoáy lốc dọc và ngang có nồng độ HC trong khí thải giảm đáng kể. Tác dụng của sự xoáy lốc có thể giảm đến 10% nồng độ HC so với động cơ nguyên thuỷ ở chế độ hoạt động lạnh. Đồng thời, việc tăng sự xoáy lốc dọc và ngang sẽ có lợi đến sự bay hơi, hoà trộn nhiên liệu, đặc biệt trong trường hợp tăng thời điểm đánh lửa sớm, qua đó nâng cao tốc độ cháy và cải thiện đáng kể đặc tính động cơ. Một nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng dòng khí bên trong buồng đốt là dòng chảy rối. Do đó, việc tính toán hệ số xoáy lốc ngang và dọc là những hệ số ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ, hệ số lốc xoáy phụ thuộc vào sự thay đổi đầu vào của dòng khí, cụ thể là hệ thống nạp khí trên động cơ. Ngoài ra, nghiên cứu cũng cho thấy dòng khí tại 45 độ sau điểm chết trên sẽ làm gia tăng hệ số rối, gây ra hiện tượng “squish” tại góc vào của cổ nạp khí. Sự thay đổi tỉ số “squish” sẽ làm gia tăng hệ số xoáy dọc và ngang.

Hệ thống nạp thực tế trên xe máy 125 cc

Quá trình nghiên cứu đã thành công trong việc sử dụng phần mềm CATIA để xây dựng mô hình hình học dùng cho sự mô phỏng quá trình cháy của động cơ xăng bốn kì một xi lanh trên xe Honda Future FI 125 cc với các góc nghiêng cổ nạp khí khác nhau (25 độ, 30 độ, 35 độ) và vận dụng phần mềm ANSYS Fluent với mô đun ICE (Internal Combustion Engine) đặc trưng cho phân tích động cơ đốt trong. Hơn nữa, kĩ thuật lưới động cũng được vận dụng thành công vào bài toán nhằm mô phỏng chu trình của động cơ bốn kì. Các đồ thị mô tả độ xoáy của động cơ đốt trong như đồ thị hệ số xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang đã phản ánh đúng bản chất chuyển động của dòng lưu chất trong động cơ ứng với từng góc nghiêng cổ nạp khí. Quá trình cháy của động cơ bốn kì được mô phỏng 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 phỏng cho thấy tỉ lệ của hệ số xoáy lốc dọc và xoáy lốc ngang theo góc nghiêng cổ nạp không đồng biến và không hoàn toàn tuyến tính. Nghiên cứu cũng đã 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 với mô-đun Simulink. Đỉnh cực đại của đường cong đáp ứng mô men xoắn và công suất đạt tại 30 độ với suất tiêu hao nhiên liệu là nhỏ nhất. Qua đó, chúng ta thấy, sự cải tiến góc nghiêng cổ nạp 30 độ sẽ giúp động cơ làm việc hiệu quả hơn so với thiết kế ban đầu của nhà sản xuất ở số vòng quay động cơ từ 1.000÷8.500 vòng/phút.