Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ" trình bày việc hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất để cải thiện tính năng kinh tế và phát thải động cơ diesel 1 xylanh do Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam sản xuất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ

LỜI CAM ĐOAN Tôi, Phạm Văn Giang, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Khổng Vũ Quảng và PGS.TS Trần Thị Thu Hương. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, ngày tháng năm 2022 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh PGS.TS Khổng Vũ Quảng PGS.TS Trần Thị Thu Hương Phạm Văn Giang i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí Động lực đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và PGS.TS Trần Thị Thu Hương đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng biết ơn Thầy, Cô trong Bộ môn và Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực và các Thầy, Cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô phản biện, các Thầy, Cô trong hội đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Phạm Văn Giang ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................ VI DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... XI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................. 5 1.1. Xu hướng chung về sử dụng động cơ diesel .................................................. 5 1.1.1. Xu hướng sử dụng động cơ diesel trên thế giới ............................................... 5 1.1.2. Xu hướng sử dụng động cơ diesel tại Việt Nam .............................................. 6 1.1.3. Động cơ diesel sử dụng trong nông nghiệp tại Việt Nam ............................... 7 1.2. Các giải pháp công nghệ cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel ........................................................................................................................... 8 1.2.1. Nhóm giải pháp về kết cấu .............................................................................. 8 1.2.2. Nhóm giải pháp sử dụng nhiên liệu thay thế ................................................. 13 1.3. Các dạng buồng cháy phổ biến trên động cơ diesel.................................... 14 1.3.1 Buồng cháy ngăn cách................................................................................... 14 1.3.2 Buồng cháy thống nhất .................................................................................. 16 1.3.3 Ưu nhược điểm của buồng cháy thống nhất so với buồng cháy ngăn cách .. 18 1.4. Các nghiên cứu cải tiến buồng cháy trên động cơ diesel cỡ nhỏ ............... 19 1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới ......................................................................... 19 1.4.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam......................................................................... 31 1.5. Đề xuất giải pháp cải thiện các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải cho động cơ diesel dùng trong nông nghiệp ở Việt Nam .................................... 33 1.6. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 34 1.7. Phương án thực hiện đề tài ........................................................................... 35 1.8. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 38 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ............... 39 2.1. Lý thuyết hình thành hỗn hợp và cháy trên động cơ diesel ............................. 39 2.1.1. Quá trình hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel [28]............................. 39 2.1.2 Quá trình hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel có buồng cháy thống nhất 41 2.1.3. Các thông số chung ảnh hưởng đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ diesel buồng cháy thống nhất ............................................................ 42 2.1.3.1. Các thông số hệ thống nhiên liệu .............................................................. 42 2.1.3.2. Ảnh hưởng của tỉ số nén động cơ .............................................................. 44 2.1.3.3. Các thông số liên quan đường nạp ........................................................... 45 2.1.4. Ảnh hưởng của các thông số hình học đến quá trình hình thành hòa khí động cơ diesel buồng cháy thống nhất ................................................................... 49 2.1.4.1. Kết cấu buồng cháy đỉnh piston ................................................................ 49 2.1.4.2. Các kết cấu khác ....................................................................................... 51 iii
2.1.5. Các mô hình toán học................................................................................... 51 2.2. Cơ sở lý thuyết các phần mềm sử dụng trong tính toán cải tiến buồng cháy thống nhất....................................................................................................... 57 2.2.1. Cơ sở lý thuyết phần mềm Ansys ICE ......................................................... 57 2.2.1.1 Các phương trình bảo toàn ....................................................................... 57 2.2.1.2 Các phương trình tính toán đối với tia phun ............................................ 59 2.2.2. Cơ sở lý thuyết của AVL-Boost và AVL Hydsim ......................................... 67 2.2.2.1. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL Boost [35] ................................................. 67 2.2.2.2. Cơ sở lý thuyết của AVL-Hydsim ................................................................ 73 2.3. Quy trình các bước thực hiện tính toán cải tiến kết cấu buồng cháy ....... 73 2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 77 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ............................................................ 78 3.1 Đánh giá các thông số cơ bản của piston nguyên bản ................................. 78 3.2 Mô phỏng động cơ với các trường hợp buồng cháy bằng phần mềm AVL- Boost ......................................................................................................................... 81 3.2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng ......................................................................... 81 3.2.2 Các chế độ mô phỏng .................................................................................... 82 3.2.3 Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 83 3.3 Xác định quy luật cấp nhiên liệu trong động cơ RV125-2 bằng phần mềm AVL-Hydsim ........................................................................................................... 84 3.3.1 Xây dựng mô hình .......................................................................................... 84 3.3.2 Các chế độ mô phỏng .................................................................................... 84 3.3.3 Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 85 3.4 Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đỉnh piston bằng phần mềm Ansys - ICE .......................................................................................... 87 3.4.1 Mô phỏng quá trình nạp ................................................................................ 88 3.4.2 Mô phỏng quá trình cháy .............................................................................. 94 3.4.3 Ảnh hưởng của các kết cấu buồng cháy đỉnh piston đến các thành phần phát thải trong động cơ .................................................................................................... 99 3.5 Kết luận chương 3 ........................................................................................ 101 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................... 102 4.1 Mục đích thực nghiệm .................................................................................. 102 4.2 Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm ............................................................... 102 4.2.1 Mục tiêu thực nghiệm .................................................................................. 102 4.2.2 Đối tượng và phạm vi thực nghiệm ............................................................. 102 4.3 Nội dung thực nghiệm................................................................................... 103 4.4 Thiết kế và chế tạo kết cấu đỉnh piston của động cơ cải tiến .................... 104 4.5 Trang thiết bị thực nghiệm .......................................................................... 104 4.5.1 Lắp đặt mô hình lên băng thử...................................................................... 104 4.5.2 Băng thử DW16 ........................................................................................... 105 4.5.3 Thiết bị phân tích khí thải ............................................................................ 106 4.5.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu ..................................................................... 107 4.5.5 Cảm biến đo áp suất .................................................................................... 108 iv
4.5.6 Nhiên liệu thực nghiệm ................................................................................ 111 4.5.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thực nghiệm .............................................................. 112 4.5.8 Chế độ thực nghiệm ..................................................................................... 113 4.6 Kết quả thực nghiệm và thảo luận .............................................................. 113 4.6.1 So sánh tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ ......................................... 114 4.6.2 So sánh thực nghiệm với mô phỏng ............................................................. 121 4.7 Kết luận chương 4 ......................................................................................... 123 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................... 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 127 PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.......................................................... 131 BẰNG PHẦN MỀM ANSYS ICE ....................................................................... 131 v
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Nội dung Đơn vị A/F Tỉ lệ không khí/nhiên liệu Aeff Tiết diện lưu thông m2 Aw Góc xoắn rad ANSYS Analysis system Ava Tiết diện lưu thông của xupáp cm2 a Chiều cao xéc măng khí mm CMCN 4.0 Cách mạng Công nghiệp 4.0 CRT Continuously Regenerating Technology - Bộ lọc tái sinh liên tục Cs Hệ số rối xoáy Cd Hệ số dòng chảy CRT Thông số mô hình Ce Hằng số Cp Nhiệt dung riêng đẳng áp kJ/kmol.độ CFD Computational Fluid Dynamics CTCT Chu trình công tác CD Hệ số xé Cc Hệ số hiệu chỉnh qui luật xé Stokes D Đường kính xy lanh m DOC Diesel Oxidation Catalysts - Bộ xúc tác ô-xy hoá DPF Diesel particulate filter - Bộ lọc phát thải dạng hạt d (mc u ) Biến thiên nội năng bên trong xy lanh d dQF Nhiệt lượng cấp vào d dQ Tổn thất nhiệt qua vách  dW dmBB Biến thiên khối lượng dòng chảy d dmi Khối lượng phần tử lưu lượng vào xy lanh dme Khối lượng phần tử lưu lượng ra khỏi xy lanh dm Lưu lượng dòng khí dt vi
dvi Đường kính đế xu-páp m DME Dimethyl Ether DI Direct Injection-Phun trực tiếp DSCC Buồng đốt xoáy kép Dk Đường kính họng của buồng cháy mm D1 Đường kính cực đại mm dp Đường kính piston bơm cao áp d Bán kính vòng xuyến mm dmfi Hàm lượng nhiên liệu chưa cháy trong khối thể tích kiểm soát "i" dmfij Thành phần nhiên liệu trao đổi với thành phần thể tích kiểm soát "j" dm fb Tốc độ cháy của nhiên liệu dt D Kích thước đường kính hạt nhiên liệu m DT,p Hệ số thermophoretic dch Đường kính chốt piston mm d0 Đường kính lỗ trên chốt mm dij Tenso biến dạng ĐCT Điểm chết trên ĐCD Điểm chết dưới ĐCĐT Động cơ đốt trong Fp Diện tích đỉnh piston m2 FEM Finite Elements Methods-Phương pháp phần tử hữu hạn ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g/kWh GQTK Góc quay trục khuỷu ha Hành trình bơm cao áp mm HCC Buồng đốt bán cầu h Chiều sâu của vùng trung tâm buồng cháy mm H Độ sâu buồng cháy mm Hs Chiều cao đường xoắn cơ sở m HP Mã lực dmi Tổn thất enthalpy do lọt khí hBB d hBB Trị số enthalpy vii
Enthalpy của khối lượng vào xy lanh J Enthalpy của khối lượng ra khỏi xy lanh J H Chiều cao piston mm IMEP Áp suất chỉ thị trung bình ISFC Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g/kWh k Hệ số tỉ nhiệt Kn Chuẩn số Knudsen kp Hệ số dẫn nhiệt của hạt W/mK LVC Nhiệt trị thấp kJ/ kg L Lượng không khí thực tế nạp vào động cơ Kg/mol L0 Lượng không khí lí thuyết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu Kg/mol LSCC Buồng đốt xoáy bên MF Khối lượng nhiên liệu phun M Lượng không khí thực tế nạp vào động cơ Kmol/kgnl M0 Lượng không khí lí thuyết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu Kmol/kgnl m0i Khối lượng ban đầu tại thời điểm t = 0 mev Lượng nhiên liệu hóa hơi mc Khối lượng môi chất bên trong xy lanh md Khối lượng hạt nhiên liệu g NB Nguyên bản NOx, CO, Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải của động cơ ppm HC đốt trong bị khống chế trong tiêu chuẩn khí thải OBD On-board diagnostics Oh Số Ohnesorge dV Công chu trình thực hiện pe d pc Áp suất bên trong xy lanh bar pe Áp suất có ích trung bình N/m2 PM Particulate matter – phát thải dạng hạt PTN Phòng thí nghiệm pcyl Áp suất xy lanh bar P( xi , t ) Phân bố chuẩn nhiều chiều Gauss QF Nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp J Qw Nhiệt lượng truyền qua vách J Q Nhiệt lượng viii
Qb Lưu lượng trung bình cấp cho bơm mm3/s R Hằng số chất khí REB Re-Entrance Bowl Rm Bán kính phụ mm RT Độ lớn xoáy ngang Rs Độ lớn xoáy dọc Re Hệ số Reynolds rc Bán kính hạt nhiên liệu m S Diện tích bề mặt hạt mm2 SCR Selective Catalytic Reduction- Bộ xúc tác có chọn lọc SCRT SCR + CRT (Bộ tái sinh liên tục và xúc tác có chọn lọc) SOF Soluble Organic Fraction - phần hữu cơ hoà tan SuOME Simarouba Oil Methyl Ester - dầu Methyl Ester Sh Hằng số Sherwood T Độ Kelvin K TRCC Buồng đốt hình xuyến tp Thời gian phun s Ta Số Taylor Tvap Nhiệt độ bốc hơi của hạt K Tbp Nhiệt độ sôi của hạt K t Chiều dày hướng kính rãnh xéc măng mm up Tốc độ hạt UBHC Hidrocacbon chưa cháy hết Va Thể tích lớn nhất của buồng cháy khi piston ở ĐCD m3 Vb Thể tích phần lõm đỉnh piston m3 Vc Thể tích nhỏ nhất của buồng cháy m3 V Thể tích xy lanh m3 VB Vận tốc Bernouli m/s VD Thể tích công tác m3 Weg Số Weber Wh Bề rộng xoắn ốc WFi Trọng số thành phần phát thải thứ i xk Hành trình nâng kim phun mm Xv,s Hệ số khối lượng của hơi nhiên liệu tại bề mặt hạt Xv, Hệ số khối lượng của hơi nhiên liệu ở vị trí xa hạt. α Góc quay trục khuỷu ˚ ix
 Chiều dày đỉnh piston mm Pi Tốc độ dòng chảy trung bình Biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu  Tỷ số nén i Hệ số tổn thất áp suất v Hệ số nạp λ Hệ số dư lượng không khí KH Bước sóng m Hệ số dòng chảy tại cửa lưu thông i Hằng số hiệu chỉnh Khối lượng riêng g/cm3 d Khối lượng riêng hạt nhiên liệu g/m3  i2 (t ) Dao động hàm mật độ xác suất Thời gian cháy trễ μs a Thời gian phản hồi khí động của hạt τp Thời gian lũy biến Góc phun sớm ˚TK KH Tốc độ hình thành J u Nội năng của hệ ˚ u Tốc độ trung bình của lưu chất u '2p ,i Trung bình phương dao động của tốc độ f Phần tử của nhiệt hóa hơi khi nạp vào xy lanh  Hệ số khuếch tán khối lượng x
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Cơ giới hoá nông nghiệp ở Việt Nam .................................................................... 7 Hình 1. 2 Động cơ máy nông nghiệp cũ gây ô nhiễm môi trường ........................................ 8 Hình 1. 3 Vòi phun thông thường và vòi phun có thể tích chết nhỏ ..................................... 9 Hình 1. 4 Ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc tính động cơ [6] ....................................... 9 Hình 1. 5 Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính động cơ [6] ....................................... 10 Hình 1. 6 Ảnh hưởng của lượng phun mồi tới phát thải NOx [7] ........................................ 10 Hình 1. 7 Ảnh hưởng của lượng phun mồi tới hiệu quả chuyển đổi nhiên liệu [7] ............. 11 Hình 1. 8 Các thông số hình học của buồng cháy ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy [12] ...................................................................................................................................... 13 Hình 1. 9 Buồng cháy xoáy lốc ........................................................................................... 14 Hình 1. 10 Buồng cháy dự bị ............................................................................................... 15 Hình 1. 11 Buồng cháy thể tích ........................................................................................... 16 Hình 1. 12 Buồng cháy thể tích màng ................................................................................. 17 Hình 1. 13 Buồng cháy màng .............................................................................................. 18 Hình 1. 14 Các biên dạng buồng cháy sử dụng trong nghiên cứu ....................................... 20 Hình 1. 15 Tỉ lệ xoáy rối đối với từng dạng buồng cháy theo góc quay trục khuỷu [16] ... 21 Hình 1. 16 Trường vận tốc đối với những dạng buồng cháy khác nhau tại ĐCT [16] ........ 22 Hình 1. 17 Các thông số chuyển đổi [13] ............................................................................ 22 Hình 1. 18 Hình dạng buồng cháy chuyển đổi và kết quả phát thải đối với các biên dạng buống cháy A, B, C, D, E [13] ............................................................................................ 23 Hình 1. 19 Kết cấu hình học của buồng cháy sử dụng trong nghiên cứu [17] .................... 24 Hình 1. 20 Phân bố vận tốc và véc tơ vận tốc tại mặt phẳng trung tâm của xy lanh tại ĐCT [17] ...................................................................................................................................... 25 Hình 1. 21 Phân phối TKE tại mặt phẳng trung tâm của xy lanh [17] ................................ 26 Hình 1. 22 Biến thiên hệ số xoáy theo góc quay TK đối với các phương án chuyển đổi khác nhau [17] .............................................................................................................................. 26 Hình 1. 23 Các thông số chuyển đổi đối với buồng cháy động cơ diesel [18] .................... 27 Hình 1. 24 Các biên dạng buồng cháy sử dụng trong nghiên cứu [19] ............................... 28 Hình 1. 25 Các biên dạng hình học buồng cháy sử dụng trong nghiên cứu [20] ................ 29 Hình 1. 26 Các thông số hình học được điều chỉnh trong nghiên cứu [21] ......................... 29 Hình 1. 27 Một số sản phẩm động cơ của VEAM .............................................................. 32 Hình 1. 28 Lưu đồ thực hiện luận án ................................................................................... 37 Hình 2. 1 Sơ đồ diễn giải cơ chế phá vỡ tia phun [28]. ....................................................... 39 Hình 2. 2 Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [28]. .............................................. 40 Hình 2. 3 Không khí bị cuốn vào tia nhiên liệu (trường hợp không có chuyển động xoáy của dòng khí)……………………………………….……………………………………...41 Hình 2. 4 Không khí thổi ngang qua tia nhiên liệu (trường hợp có chuyển động xoáy của dòng khí). ............................................................................................................................. 42 xi
Hình 2. 5 Thông số thiết kế đường nạp xoắn ốc [32] .......................................................... 48 Hình 2. 6 Thông số thiết kế đường nạp trực tiếp [32]. ........................................................ 48 Hình 2. 7 Sơ đồ các thông số hình học điển hình của buồng cháy thống nhất .................... 49 Hình 2. 8 Bán kính phụ........................................................................................................ 50 Hình 2. 9 Mô hình nhiệt động trong xy lanh ....................................................................... 69 Hình 2. 10 Quy trình thực hiện tính toán cải tiến kết cấu buồng cháy ................................ 76 Hình 3.1 Bản vẽ piston RV 125-2……………………………………………………........79 Hình 3.2 Các phương án thay đổi kết cấu đỉnh piston......................................................... 81 Hình 3.3 Mô hình mô phỏng động cơ cải tiến có buồng cháy thống nhất .......................... 81 Hình 3.4 Diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy động cơ...................................................... 83 Hình 3.5 Tốc độ tăng nhiệt độ trong buồng cháy động cơ .................................................. 83 Hình 3.6 Mô hình mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ .................................................. 84 Hình 3.7 Độ nâng kim phun theo góc quay trục khuỷu ....................................................... 86 Hình 3.8 Lưu lượng nhiên liệu được cấp theo góc quay trục khuỷu ................................... 87 Hình 3.9 Độ nâng cam nhiên liệu ........................................................................................ 87 Hình 3.10 Thông số hình học họng nạp .............................................................................. 89 Hình 3.11 Các phương án cải tiến biên dạng đường nạp trên động cơ ............................... 90 Hình 3.12 Kết cấu họng nạp hình cầu ................................................................................. 90 Hình 3.13 Mô hình 3D (a) và chia lưới (b).......................................................................... 91 Hình 3.14 Phân bố vận tốc của không khí trong quá trình nạp khi động cơ làm việc tại 100% tải và 2200 v/ph. ........................................................................................................ 92 Hình 3.15 Phân bố áp suất của không khí trong quá trình nạp khi động cơ làm việc tại 100% tải và 2200 v/ph ......................................................................................................... 92 Hình 3.16 Hệ số nạp của động cơ với các biên dạng đường nạp khác nhau khi động cơ làm việc tại 2200 v/ph. ............................................................................................................... 93 Hình 3.17 Hệ số nạp của động cơ trong 3 trường hợp theo đặc tính tốc độ ........................ 93 Hình 3.18 Chia lưới buồng cháy động cơ trên Ansys Meshing .......................................... 94 Hình 3.19 Diễn biến thay đổi nhiệt độ bên trong buồng cháy theo góc quay trục khuỷu ứng với 5 trường hợp biên dạng piston khác nhau ..................................................................... 95 Hình 3.20 Vector vận tốc của dòng không khí ứng với 5 trường hợp khi piston ở ĐCT với động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và 100% tải (xoáy dọc) .......................................... 96 Hình 3.21 Vector vận tốc của dòng không khí ứng với 5 trường hợp khi piston ở ĐCT với động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và 100% tải (xoáy ngang). ..................................... 96 Hình 3.22 Hệ số xoáy lốc ngang ứng với 5 trường hợp biên dạng piston khác nhau khi động cơ làm việc tại 2200 /ph và 100% tải. ........................................................................ 97 Hình 3. 23 Hệ số xoáy lốc dọc ứng với 5 trường hợp biên dạng piston khác nhau khi động cơ làm việc tại 2200 /ph và 100% tải. ................................................................................. 97 Hình 3.24 Sự thay đổi áp suất của buồng cháy động cơ theo góc quay trục khuỷu với 5 trường hợp biên dạng piston khác nhau............................................................................... 98 Hình 3.25 Quá trình phun nhiên liệu trong ĐCĐT .............................................................. 98 Hình 3.26 Diễn biến áp suất trong buồng cháy ứng với 5 trường hợp biên dạng piston khác xii
nhau ..................................................................................................................................... 99 Hình 3.27 Công suất của động cơ ứng với 5 TH khác nhau theo đường đặc tính ngoài ..... 99 Hình 3.28 Phát thải CO ứng với 5 trường hợp khác nhau. ................................................ 100 Hình 3.29 Phát thải PM ứng với 5 trường hợp khác nhau. ................................................ 100 Hình 3.30 Phát thải NOx ứng với 5 trường hợp khác nhau. .............................................. 101 Hình 4. 1 Mẫu Piston buồng cháy thống nhất được thử nghiệm………………………....103 Hình 4. 2 Hình ảnh Piston gia công trên máy phay CNC.................................................. 104 Hình 4. 3 Hình ảnh thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải – Viện Cơ khí động lực – Trường ĐHBK Hà Nội ............................................................... 105 Hình 4. 4 Băng thử tải kiểu dòng điện xoáy ...................................................................... 105 Hình 4. 5 Thiết bị phân tích khí thải Horiba Mexa 584L .................................................. 106 Hình 4. 6 Sơ đồ lắp đặt thiết bị đo khí xả ĐCĐT .............................................................. 107 Hình 4. 7 Thiết bị AVL Fuel Balance 733S ...................................................................... 107 Hình 4. 8 Sơ đồ cung cấp nhiên liệu cho ĐCĐT khi thử nghiệm...................................... 108 Hình 4. 9 Cảm biến đo áp suất AVL QC33C .................................................................... 108 Hình 4. 10 Quy trình khảo sát và gia công gắn thiết bị đo áp suất buồng cháy ................ 109 Hình 4. 11 Kết quả gia công lỗ lắp cảm biến đo áp suất trên nắp máy động cơ RT125-2 và động cơ cải tiến.................................................................................................................. 111 Hình 4. 12 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm .............................................................................. 112 Hình 4. 13 Hình ảnh thực tế tại phòng thí nghiệm ............................................................ 113 Hình 4. 14 So sánh công suất giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ............ 114 Hình 4. 15 So sánh công suất giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ............ 114 Hình 4. 16 So sánh tiêu hao nhiên liệu giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ........................................................................................................................................... 115 Hình 4. 17 So sánh tiêu hao nhiên liệu giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ........................................................................................................................................... 115 Hình 4. 18 So sánh phát thải CO giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ....... 116 Hình 4. 19 So sánh phát thải CO giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ....... 116 Hình 4. 20 So sánh phát thải HC giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ....... 117 Hình 4. 21 So sánh phát thải HC giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ....... 117 Hình 4. 22 So sánh phát thải NOx giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ..... 118 Hình 4. 23 So sánh phát thải NOx giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ...... 118 Hình 4. 24 So sánh phát thải PM giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph ....... 119 Hình 4. 25 So sánh phát thải PM giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph ....... 119 Hình 4. 26 So sánh phát thải NOx giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản theo đặc tính ngoài……………………………………………………………………………………...120 Hình 4. 27 So sánh phát thải CO giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản theo đặc tính ngoài……………………………………………………………………………………...120 Hình 4. 28 So sánh phát thải PM giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản theo đặc tính ngoài ……………………………………………………………………………………………121 Hình 4. 29 Đồ thị so sánh công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm ............................... 121 xiii
Hình 4. 30 Đồ thị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm ......... 122 Hình 4. 31 Đồ thị so sánh áp suất trong xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm............. 122 xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Thống kê ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến tính năng và phát thải của động cơ [15] .................................................................................................................. 14 Bảng 1. 2 Kết quả nghiên cứu tối ưu dạng buồng cháy của Arturo de Risi [13] ................ 22 Bảng 1. 3 Tiêu thụ nhiên liệu và hàm lượng khí thải đối với từng biên dạng buồng cháy (động cơ diesel) [18] ............................................................................................................ 27 Bảng 1.4 Thông số buồng cháy ban đầu và thông số buồng cháy đã thay đổi [18]….……32 Bảng 1. 5 Thông số cơ bản của động cơ RV125-2 [27]...................................................... 34 Bảng 3.1 Cơ sở lựa chọn các thông số kích thước thân piston theo đường kính D………………………………………………………………………………...…………78 Bảng 3.2 Thông số của piston nguyên bản của động cơ RV125-2 [38] ............................. 79 Bảng 3.3 Các trường hợp thay đổi kết cấu đỉnh piston ....................................................... 80 Bảng 3.4 Các phần tử trong mô hình mô phỏng. ................................................................ 81 Bảng 3.5 Các thông số đầu vào của mô hình ...................................................................... 82 Bảng 3.6 Các chế độ thử nghiệm của mô hình mô phỏng .................................................. 82 Bảng 3.7 Các chế độ thử nghiệm của mô hình mô phỏng .................................................. 85 Bảng 3.8 Độ nâng kim phun theo góc quay trục khuỷu ...................................................... 85 Bảng 3.9 Lưu lượng nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu .................................................. 86 Bảng 3.10 Các thông số hình học của họng nạp nghiên cứu .............................................. 89 Bảng 3.11. Các giá trị điều kiện biên trong mô hình mô phỏng ......................................... 91 Bảng 3.12 Các giá trị điều kiện biên trong mô hình mô phỏng .......................................... 94 Bảng 4. 1 Khảo sát bên ngoài nắp máy, xác định vị trí gia công lắp đặt cảm biến đo áp suất………………………………………………………………………………………..109 Bảng 4. 2 Khảo sát bên trong nắp máy, xác định vị trí gia công lắp cảm biến đo áp suất buồng cháy......................................................................................................................... 110 xv
MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Ngày nay, nền công nghiệp toàn thế giới đang ngày càng phát triển, các thiết bị máy móc đang dần thay thế sức người. Nhờ đó, tính hiệu quả và năng suất trong tất cả các lĩnh vực sản xuất ngày một nâng cao. Song song với phát triển công nghiệp, sản xuất nông nghiệp trên thế giới cũng ngày càng phát triển và con người đang từng bước áp dụng khoa học công nghệ tiên tiến vào nông nghiệp. Một trong những bước phát triển trong sản xuất nông nghiệp là việc cơ giới hóa, đưa các thiết bị máy móc vào tất cả các khâu như gieo trồng, chăm sóc, thu hoạch và chế biến v.v. Động cơ diesel được lựa chọn là nguồn động lực chính trong các máy nông nghiệp. Tại Việt Nam, việc ứng dụng các thiết bị máy móc trong sản xuất nông nghiệp đang ngày càng trở nên phổ biến. Trong đó, các loại động cơ diesel 1 xy-lanh cỡ nhỏ (dưới 20HP) cũng được lựa chọn là nguồn động lực chính và phù hợp. Nhằm phát huy những ưu điểm nổi trội của động cơ diesel như sức kéo lớn, các chi tiết của động cơ có tuổi thọ và độ bền cao, các nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế, cải thiện các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của loại động cơ này. Có thể kể đến những nghiên cứu cải tiến động cơ như: nghiên cứu cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu; cải tiến kết cấu đường nạp; cải tiến kết cấu buồng cháy; thay đổi tỷ số nén v.v. Những năm trở lại đây, khi nguy cơ nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt, các tiêu chuẩn khí thải của động cơ ngày một nâng cao, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và đưa ra nhiều giải pháp công nghệ nhằm cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ, như: cải tiến các kết cấu và hệ thống của động cơ; sử dụng nhiên liệu thay thế và hệ thống xử lý khí xả v.v. Hiện nay, tại Việt Nam, Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) là một đơn vị trong nước đi đầu trong lĩnh vực sản xuất động cơ diesel 1 xy-lanh. Trong đó, động cơ diesel cỡ nhỏ (
nhỏ, áp suất phun lớn (>200 bar). Nhờ sự chuyển đổi này, động cơ diesel 1 xy-lanh có buồng cháy thống nhất do VEAM sản xuất đã cải thiện khá nhiều về mức tiêu hao nhiên liệu và phát thải so với động cơ cùng loại có buồng cháy ngăn cách. Mặc dù vậy các sản phẩm động cơ diesel 1 xy-lanh do VEAM sản xuất vẫn thiếu sức cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu cùng loại ngay tại thị trường Việt Nam. Hiện nay, Việt Nam phải nhập khẩu gần 70% số máy móc phục vụ nông nghiệp, phần lớn trong số đó có nguồn gốc từ Trung Quốc. Máy nông nghiệp Việt Nam mới chỉ chiếm khoảng gần 30% thị phần, 60% là máy nhập khẩu từ Trung Quốc, còn lại là Nhật Bản và Hàn Quốc [1]. So với sản phẩm cùng loại có xuất xứ từ Trung Quốc, động cơ diesel 1 xy-lanh do VEAM sản xuất có giá thành cao hơn, độ bền thấp và mức tiêu hao nhiên liệu cao. Còn nếu so với các sản phẩm cùng loại có xuất xứ từ Nhật Bản, Thái Lan, thì giá thành có thấp hơn. Tuy nhiên tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải vượt trội hơn hẳn. Nhằm nâng cao hơn nữa tính năng kinh tế, kỹ thuật, giảm phát thải và giảm giá thành cho động cơ diesel 1 xy-lanh để tạo sức cạnh tranh với các sản phẩm cùng loại ngay tại thị trường Việt Nam cũng như hướng đến xuất khẩu sang các thị trường Động Nam Á, Trung Động và Ấn Độ. Do vậy, những năm gần đây, Veam đã phối hợp với các nhà khoa học trong nước thực hiện nhiều nghiên cứu để hoàn thiện các sản phẩm động cơ diesel 1 xy-lanh sử dụng buồng cháy thống nhất do mình sản xuất. Như cải tiến các hệ thống, tính toán thiết kế đường nạp, kết cấu các chi tiết chính của động cơ. Kết quả các nghiên cứu này đã được triển khai ứng dụng vào một số dòng sản phẩm động cơ diesel 1 xy-lanh của Veam và đạt được những thành công nhất định. Tuy nhiên, tính năng kinh tế và phát thải của các sản phẩm này vẫn còn thua kém khá nhiều so với sản phẩm cùng loại có xuất xứ từ Thái Lan hoặc Nhật Bản. Để động cơ diesel 1 xy-lanh do Veam sản xuất có thể cạnh tranh tại thị trường Việt Nam cũng như hướng đến xuất khẩu, thì vẫn cần tiếp tục hoàn thiện. Trong đó, việc hoàn thiện và tối ưu kết cấu buồng cháy trên đỉnh piston được coi là nhận tố quyết định đến chất lượng hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ diesel sử dụng buồng cháy thống nhất. Nếu vấn đề này được giải quyết tốt, thì tính năng kinh tế và phát thải của động cơ diesel 1 xy-lanh do Veam sản xuất sẽ được cải thiện đáng kể và có thể cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu cùng loại xuất xứ Nhật Bản hoặc Thái Lan. Từ các vấn đề nêu trên, cũng như góp phần cải tiến nâng cao chất lượng động cơ sản xuất tại Việt Nam, NCS đã thực hiện nghiên cứu, xây dựng quy trình tính toán hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất động cơ diesel 1 xylanh do Veam sản xuất nhằm nâng cao tính năng kinh tế và giảm phát thải của động cơ. Do đó tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ” góp phần thực hiện các yêu cầu của thực tiễn hiện nay. Kết quả của luận án sẽ là cơ sở khoa học trong tính toán thiết kế động cơ, góp phần nâng cao tính cạnh tranh của các sản phẩm động cơ diesel dùng trong máy nông nghiệp sản xuất trong nước. 2
ii. Mục tiêu của đề tài Hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất để cải thiện tính năng kinh tế và phát thải động cơ diesel 1 xylanh do Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam sản xuất. iii. Đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất của động cơ diesel 1 xi lanh cỡ nhỏ sản xuất tại Việt Nam nhằm nâng cao các tính năng kinh tế và giảm phát thải. iv. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: • Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các kết cấu buồng cháy thống nhất với các biến là các thông số hình học ảnh hưởng đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong xy-lanh động cơ diesel RV125-2. • Nghiên cứu mô phỏng nhằm đánh giá các kết cấu buồng cháy thống nhất bao gồm: - Mô phỏng diễn biến nhiệt độ, áp suất và phát thải của động cơ với các kết cấu buồng cháy khác nhau bằng phần mềm AVL-Boost. - Mô phỏng hệ thống nhiên liệu của động cơ bằng phần mềm AVL-Hydsim. - Mô phỏng đánh giá các thông số kỹ thuật của động cơ với các kết cấu buồng cháy khác nhau bằng phần mềm Ansys-ICE. • Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá động cơ có kết cấu buồng cháy mới và động cơ nguyên bản ban đầu cũng như kiểm chứng độ tin cậy của các mô hình mô phỏng. v. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu - Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel RV125-2 có công suất 12,5 HP. - Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. vi. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Luận án đã đưa ra quy trình tính toán cải tiến, hoàn thiện đối với buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel một xy lanh cỡ nhỏ và áp dụng quy trình đó để đưa ra kết cấu tối ưu cho đối tượng buồng cháy nghiên cứu. - Khi áp dụng kết cấu trên cho đối tượng động cơ nghiên cứu góp phần cải thiện tính năng kinh tế và giảm phát thải cho động cơ - Kết quả của luận án là một có thể được lựa chọn để tiến hành tính toán thiết kế hoàn thiện các động cơ diesel 1 xy lanh cỡ nhỏ, góp phần nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh của động cơ diesel sản xuất trong nước. vii. Bố cục của luận án Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau: - Mở đầu 3
- Chương1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Thiết kế và mô phỏng - Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm Kết luận chung và hướng phát triển 4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Xu hướng chung về sử dụng động cơ diesel 1.1.1. Xu hướng sử dụng động cơ diesel trên thế giới Động cơ đốt trong nói chung có vai trò quan trọng trong sự phát triển của nền văn minh và góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế xã hội. Động cơ đốt trong đã và đang trở thành nguồn động lực chính phục vụ trong nhiều lĩnh vực hoạt động của con người. Xét riêng trong lĩnh vực nông nghiệp – một lĩnh vực có lịch sử phát triển lâu đời – động cơ diesel được sử dụng chiếm một tỉ lệ lớn. Tại một quốc gia lớn như Hoa Kỳ, động cơ diesel đóng vai trò cung cấp năng lượng cho phần lớn các thiết bị nông nghiệp nói riêng và các phương tiện giao thông vận tải nói chung. Trong lĩnh vực nông nghiệp, có thể nói không có loại động cơ nào khác có thể thay thế cho động cơ diesel xét về tính hiệu quả và chi phí. Động cơ diesel là sự kết hợp hiệu quả giữa tính kinh tế năng lượng, công suất, hiệu suất, độ bền và độ tin cậy. Sản xuất nông nghiệp Hoa Kỳ, từ khâu trồng trọt, chăm sóc, thu hoạch và vận chuyển đều được sử dụng các thiết bị máy móc hiện đại có trang bị động cơ diesel như: máy kéo, máy liên hợp, máy bơm tưới tiêu và một số các thiết bị khác. Động cơ diesel cung cấp năng lượng cho hơn 2/3 các thiết bị nông nghiệp, 90% sản phẩm nông nghiệp được vận chuyển bằng các phương tiện có sử dụng động cơ diesel. 1/5 lượng nước bơm ở Hoa Kỳ, 96% các xe tải lớn vận chuyển hàng hóa nông nghiệp được chạy bằng động cơ diesel. 100% đầu máy chở hàng, sà lan chở các loại hạt trên sông, biển và tàu viễn dương cung cấp các sản phẩm này đến thị trường trong và ngoài nước đều chạy bằng dầu diesel. Động cơ diesel chi phối toàn bộ “chuỗi cung ứng trang trại” - cây trồng, chăm sóc cây trồng như: tưới nước, phân bón, thuốc trừ sâu, thu hoạch sản phẩm và vận chuyển sản phẩm [2]. Việc đẩy mạnh cơ giới hóa nông nghiệp cũng chính là một trong những lí do giúp cho nền nông nghiệp Hoa Kỳ phát triển mạnh mẽ, tuy chỉ chiếm 2% GDP nhưng mỗi năm cũng thu về cho đất nước khoảng 240 - 260 tỷ USD. Theo một báo cáo của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, trong năm 2020, lượng tiêu thụ nhiên liệu chưng cất của ngành vận tải nước này, về cơ bản là nhiên liệu diesel, chiếm khoảng 44,61 tỷ gallon (1,06 tỷ thùng), trung bình khoảng 122 triệu gallon mỗi ngày, lượng tiêu thụ này chiếm 77% tổng lượng tiêu thụ chưng cất của Hoa Kỳ, 16% tổng lượng tiêu thụ xăng dầu của Hoa Kỳ và tính theo mức tiêu thụ năng lượng là khoảng 27% tổng mức tiêu thụ năng lượng của ngành vận tải Hoa Kỳ [3]. Động cơ diesel được ứng dụng trên các phương tiện vận chuyển các sản phẩm tiêu dùng trên cả nước như xe tải, xe lửa, thuyền và xà lan. Nhiên liệu diesel cũng được sử dụng rất phổ biến cho động cơ xe buýt công cộng và xe buýt trường học. Trong xây dựng, động cơ diesel được ứng dụng trong các thiết bị như nâng hạ, đào nền móng, khoan giếng và vận chuyển... Trong quân đội Hoa Kỳ, các thiết bị như xe tăng và xe tải đều sử dụng nhiên liệu diesel vì nhiên liệu diesel ít gây ra cháy nổ hơn các loại nhiên liệu khác. Trong công nghiệp, động cơ diesel được sử dụng trong các máy phát điện. Nhiều tiện nghi công nghiệp, tòa nhà lớn, bệnh viện và các tiện ích điện cũng được sử dụng máy phát điện có động cơ diesel để sao lưu và cung cấp năng lượng khẩn cấp. Hầu hết các ngôi làng xa xôi ở Alaska sử dụng máy phát điện diesel là nguồn điện 5