Tóm tắt 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:24

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ" là 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: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ

MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Ngày nay, nền công nghiệp toàn thế giới đang ngày càng phát triển, đặc biệt đối với các quốc gia châu Âu. Để tạo ra hệ thống máy móc thay thế sức người và đặc biệt trong giao thông, động cơ diesel đóng một vai trò rất quan trọng. Ngay sau khi nhà khoa học Rudolf Diesel sáng chế ra động cơ diesel, ngành công nghiệp sản xuất xe hơi trên thế giới đã thực sự coi động cơ diesel là đối tượng rất quan trọng trong sự phát triển. Dù có nhiều ưu điểm vượt trội, nhất là tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ xăng khoảng 30% nhưng động cơ diesel vẫn ít phổ biến hơn động cơ xăng do những hạn chế cố hữu về tiếng ồn và khí thải. Tuy nhiên nhờ những cải tiến mạnh mẽ trong công nghệ vật liệu, lọc hóa dầu, động cơ diesel đã có điều kiện khắc phục được những hạn chế của nó. Ngày nay, tiếng ồn của loại động cơ này đã giảm đáng kể và quá trình đốt cháy nhiên liệu tốt hơn, khí thải cũng giảm nhờ các bộ lọc xúc tác, thời gian khởi động nhanh hơn, tương đương với động cơ xăng. Động cơ diesel với ưu điểm nổi trội là sức kéo lớn, đặc biệt là các chi tiết của động cơ có tuổi thọ và độ bền cao, nên động cơ diesel luôn được các nhà khoa học hướng tới để nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế, cải thiện các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải. Tại Việt Nam hiện nay, động cơ diesel thế hệ mới cũng đã bắt đầu được sử dụng khi mà quá quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang diễn ra nhanh chóng và rộng khắp, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp. Việc ứng dụng các thiết bị máy móc trong sản xuất nông nghiệp đang ngày càng trở nên phổ biến. Từ khâu gieo trồng đến khâu thu hoạch cũng như các khâu vận chuyển, chế biến nông sản đều được ứng dụng động cơ diesel. Do đặc điểm về địa lý nên sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam được coi là quy mô nhỏ. Do vậy các loại động cơ sử dụng đa phần là các loại động cơ cỡ nhỏ. Từ đó đặt ra các vấn đề về phát thải, tiêu hao nhiên liệu cũng như tính hiệu quả của các động cơ sản xuất trong nước cũng như các động cơ đang lưu hành trên thị trường là rất cần thiết. Luận án này sẽ nghiên cứu cải tiến kết cấu hình học buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel một xi-lanh cỡ nhỏ nhằm hoàn thiện hơn kết cấu buồng cháy đỉnh piston của động cơ sản xuất trong nước. 1
Do vậy, đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ” góp phần cải tiến các thiết kế của động cơ diesel một xi-lanh cỡ nhỏ dùng trong máy nông nghiệp ở nước ta. ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án - Đưa ra quy trình tính toán hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel một xi lanh cỡ nhỏ. - Đưa ra kết cấu buồng cháy thống nhất hợp lý giúp 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 và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ diesel một xi-lanh cỡ nhỏ sản xuất trong nước, sử dụng trong các máy nông nghiệp. iv. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó:  Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra giải pháp thay đổi kết cấu buồng cháy thống nhất của động cơ diesel cỡ nhỏ.  Nghiên cứu mô phỏng nhằm đánh giá các kết cấu buồng cháy thống nhất bao gồm: - Mô phỏng diễn biến nhiệt độ trong xi-lanh bằng phần mềm AVL- Boost. - Mô phỏng hệ thống nhiên liệu của động cơ bằng phần mềm AVL- Hydsim. - Mô phỏng đánh giá các yếu tố trong buồng cháy ở cả 4 kỳ của động cơ bằng phần mềm Ansys-ICE.  Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá động cơ cải tiến 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 cỡ nhỏ. - 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 hoàn thiệt kết cấu buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel một xi-lanh cỡ nhỏ. 2
- Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng bằng các công cụ hiện đại và nghiên cứu thực ngiệm được ứng dụng trong luận án có cơ sở khoa học và đáng tin cậy. - Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở quan trọng có thể được lựa chọn trong tính toán thiết kế động cơ diesel 1 xi-lanh cỡ nhỏ 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 - Chương1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phần mềm tính toán - Chương 3: Tính toán mô phỏng - Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm - Kết luận chung và hướng phát triển 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. 1.1.2. Xu hướng sử dụng động cơ diesel tại Việt Nam Tại Việt Nam, trong những năm qua, cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương tiện giao thông đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel tăng lên rất nhanh như xe buýt, xe khách, xe tải và các phương tiện chuyên dụng khác. 3
1.1.3. Động cơ diesel sử dụng trong nông nghiệp tại Việt Nam Tại Việt Nam, dân số sống bằng nghề nông chiếm 70% dân số cả nước, 57% lực lượng lao động xã hội làm việc trong ngành nông nghiệp nhưng chỉ tạo ra chưa đầy 20% GDP, dẫn đến chênh lệch thu nhập giữa nông dân và thị dân ngày càng cao. Do vậy, trong quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa và hội nhập kinh tế quốc tế, sản phẩm cơ khí phục vụ nông nghiệp tại Việt Nam đã được quan tâm hơn, với đa dạng các chủng loại sản phẩm gồm: động cơ đốt trong đến 30 mã lực, máy làm đất (máy cày 4 và 2 bánh), máy thu hoạch (gặt đập liên hợp, gặt lúa xếp dãy, máy tuốt lúa), máy bơm nước, máy phun thuốc sâu, máy bảo quản và chế biến (xay xát lúa gạo, máy sấy) [4]. 1.2. Các giải pháp công nghệ cải thiện tính năng kinh tế, kĩ thuật của động cơ cơ diesel 1.2.1. Nhóm giải pháp về kết cấu 1.2.1.1. Thay đổi kết cấu vòi phun 1.2.1.2. Lựa chọn góc phun sớm thích hợp 1.2.1.3. Thay đổi áp suất phun 1.2.1.4. Thay đổi lượng phun mồi 1.2.1.5. Dùng hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử 1.2.1.6. Cải tiến đường ống nạp động cơ 1.2.1.7. Thay đổi kết cấu buồng cháy động cơ 1.2.2. Nhóm giải pháp sử dụng nhiên liệu thay thế 1.3. Các dạng buống cháy phổ biến trên động cơ diesel 1.3.1. Buồng cháy ngăn cách a. Buồng cháy xoáy lốc b. Buồng cháy dự bị 1.3.2. Buồng cháy thống nhất a. Buồng cháy hòa khí thể tích b. Buồng cháy thể tích màng c. Buồng cháy màng 1.3.3. Ưu nhược điểm của buồng cháy thống nhất so với buồng cháy ngăn cách a. Ưu điểm - Kết cấu buồng cháy nhỏ gọn nên tổn thất nhiệt nhỏ, dẫn đến suất tiêu hao nhiên liệu thấp (dưới 200g/kWh). - Động cơ buồng cháy thống nhất sử dụng phổ biến kết cấu buồng cháy hình thành hòa khí thể tích màng nên động cơ làm việc êm hơn. 4
- Ứng suất nhiệt của nắp xilanh và đỉnh pittong nhỏ, dễ khởi động lạnh. - Tổn hao cơ giới ít nhất, hiệu suất cao. - Kết cấu buồng cháy, nắp xylanh đơn giản, bố trí xu páp dễ dàng. - Dễ tăng áp cho động cơ. b. Nhược điểm - Vòi phun có nhiều lỗ với kích thước lỗ phun rất nhỏ, áp suất phun lớn (lớn hơn 200 bar) nên khó chế tạo. Quá trình làm việc rất dễ gây tắc kẹt do cặn bẩn của nhiên liệu. - Động cơ sinh nhiều NOx, đối với động cơ nhỏ nhiều HC. - Tính thích ứng của buồng cháy với chế độ hoạt động của động cơ bị hạn chế. - Đối với loại buồng cháy thể tích – màng và buồng cháy dạng màng đường nạp phải được thiết kế để để tạo ra chuyển động hợp lí đối với dòng khí nạp (thường là tiếp tuyến với xylanh) trong quá trình hòa trộn dẫn đến kết cấu đường nạp trong nắp xylanh phức tạp. 1.4. Các nghiên cứu cải tiến buồng cháy thống nhất trên động cơ diesel cỡ nhỏ 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới 1.4.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam 1.5. Đề xuất giải pháp cải thiện các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải cho động cơ diesel dung trong nông nghiệp ở VN Hiện nay, tại Việt Nam, phần lớn động cơ diesel máy nông nghiệp được sản xuất mới đã có sự chuyển đổi sang loại buồng cháy thống nhất. Đây là loại buồng cháy có tính kinh tế nhiên liệu cao, tính năng phát thải tốt và có nhiều ưu điểm so với loại buồng cháy ngăn cách được sử dụng trước đó. Tuy nhiên, việc sản xuất trong nước mới chỉ đơn thuần tuân theo quy trình công nghệ được chuyển giao chứ chưa thực sự có sự nghiên cứu bài bản. 1.6. Đối tượng nghiên cứu 1.7. Phương pháp thực hiện đề tài Từ các mục tiêu và nội dung nêu trên cũng như tham khảo các luận án tiến sĩ, các công trình khoa học trước đây, NCS đã đưa ra được phương án thực hiện đề tài nghiên cứu bằng cách sử dụng kết hợp phương pháp thực nghiệm và mô phỏng. Do khả năng chế tạo và tiến hành thực nghiệm đo đạc còn hạn chế, luận án sẽ sử dụng các công cụ mô phỏng để tiến hành đánh giá các kết cấu buồng cháy thống nhất 5
khác nhau. Cụ thể luận án sẽ sử dụng 3 phần mềm là AVL-Boost, AVL-Hydsim và Ansys ICE. Đây là các phần mềm đã được thương mại hóa, có độ chính xác cao và đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu cả ở trong và ngoài nước. Các phần mềm này sẽ được sử dụng để đánh giá các thống số về nhiệt động học của động cơ. Quá trình thực nghiệm sẽ được tiến hành với đôi tượng là động cơ trước và sau khi cải tiến, các kết quả thực nghiệm là cơ sở quan trọng, khẳng định tính tin cậy của mô hình mô phỏng và khẳng định kết quả nghiên cứu. Sau cùng kết quả thực nghiệm sẽ được sử dụng để so sánh các thông số về các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ trước và sau khi cải tiến. Các phương pháp nêu trên sẽ giúp NCS thực hiện quá trình nghiên cứu một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả hơn cũng như giúp luận án rõ ràng và mạch lạc. 1.8. Xây dựng lưu đồ thực hiện luận án 6
Hình 1.16 Lưu đồ thực hiện luận án 7
1.9. Kết luận chương 1 Từ các nghiên cứu tổng quan ở trên, NCS rút ra được một số kết luận sau: Động cơ diesel cỡ nhỏ trong nông nghiệp trước đây thường sử dụng buồng cháy ngăn cách vì những khó khăn khi sử dụng buồng cháy thống nhất. Những năm gần đây, cùng với tiến bộ của công nghệ chế tạo máy, động cơ diesel cỡ nhỏ đã dần được chuyển sang sử dụng buồng cháy thống nhất và đã cho thấy có cải thiện về tính năng kinh tế và phát thải. Tuy vậy, việc lựa chọn kết cấu buồng cháy thống nhất phù hợp để nâng cao tính năng kinh tế và phát thải của động cơ diesel cỡ nhỏ cần thiết phải có những nghiên cứu cụ thể bằng các công cụ hiện đại. Đã có nhiều công trình khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu cải tiến kết cấu buồng cháy thống nhất động cơ diesel. Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa đưa ra được quy trình hoặc chưa được thực hiện tính toán theo một quy trình cụ thể. Hơn nữa, hầu hết mới chỉ dừng ở nghiên cứu lý thuyết mà chưa được chế tạo và thực nghiệm kiểm chứng, đặc biệt đối với đối tượng là động cơ diesel một xy-lanh cỡ nhỏ dùng trong máy nông nghiệp. Việc nghiên cứu xây dựng quy trình tính toán, đồng thời kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm để hoàn thiện kết cấu buồng cháy thống nhất là vấn đề hết sức cần thiết để nâng cao tính năng kinh tế kỹ thuật, giảm phát thải cho động cơ diesel một xy lanh cỡ nhỏ. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN 2.1. Lý thuyết hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel 2.1.1. Quá trình hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel 2.1.2. Quá trình hình thành hỗn hợp trên động cơ diesel buồng cháy thống nhất 2.1.3. Các thông số chung ảnh hưởng đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ diesel sử dụng buồng cháy thống nhất 2.1.3.1. Các thông số hệ thống nhiên liệu 2.1.3.2. Ảnh hưởng của tỷ só nén động cơ 2.1.3.3. Các thông số đường nạp 2.1.4. Ảnh hưởng của các thông số hình học đến quá trình hình 8
thành hoà khí động cơ diesel buồng cháy thống nhất 2.1.4.1. Kết cấu buồng cháy đỉnh piston 2.1.4.2. Các kết cấu khác 2.1.5. Các mô hình toán học 2.1.5.1. Mô hình toán học buồng cháy thống nhất a. Các phương trình bảo toàn b. Chuyển khối c. Trao đổi nhiệt 2.1.5.2. Mô hình phân rã tia phun “Kelvin-Helmholtz và Rayleigh- Taylor” 2.1.5.3. Mô hình bay hơi nhiên liệu 2.2. Cơ sở lý thuyết các phần mềm sử dụng trong tính toán cải tiến buồng cháy thống nhất 2.2.1. Cơ sở lý thuyết Ansys ICE 2.2.1.1. Các phương trình bảo toàn 2.2.1.2. Các phương trình tính toán tia phun 2.2.2. Cơ sở lý thuyết của AVL-Boost và AVL Hydsim 2.2.2.1. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL Boost 2.2.2.2. Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL Hydsim 2.3. Quy trình các bước thực hiện tính toán cải tiến buồng cháy thống nhất 9
Hình 2.12. Sơ đồ các bước thực hiện 10
2.4. Kết luận chương 2 - Hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel là những yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả quá trình cháy và hiệu suất làm việc của động cơ. - Việc cải tiến kết cấu buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel một xylanh cỡ nhỏ được thực hiện trong nghiên cứu này nhằm nâng cao chất lượng hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ. - Phương pháp nghiên cứu ứng dụng mô phỏng kết hợp với thực nghiệm để cải tiến động cơ đã và đang được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Trong nghiên cứu này, NCS sử dụng các phần mềm mô phỏng như: AVL Boost, AVL Hydsim và Ansys ICE. Đây là những công cụ mô phỏng đáng tin cậy trong tính toán thiết kế động cơ. Trong đó, phần mềm Ansys ICE là một công cụ chuyên dụng trong mô phỏng 3 chiều, được sử dụng để mô phỏng quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của động cơ. Chương 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 3.1. Đánh giá các thông số cơ bản của piston nguyên bản Các thông số kết cấu của piston nguyên bản được khảo sát và đánh giá dựa trên cơ sở lý thuyết kết cấu động cơ [37]. Kết quả khảo sát kết cấu piston là cơ sở đưa ra các trường hợp thay đổi kết cấu buồng cháy đảm bảo không ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu về độ bền, độ cân bằng của piston. Bảng 3.1 Cơ sở lựa chọn các thông số kích thước của piston theo đường kính D TT Thông số Giá trị 1 Chiều dày đỉnh piston  (0,08÷0,2)D 2 Khoảng cách c từ đỉnh đến xéc- (0.6÷2)  măng thứ nhất 3 Chiều cao H của piston (1÷1,7)D 4 Vị trí của chốt piston đến chân (0,65÷0,9)D piston 5 Đường kính chốt piston dch (0,35÷0,5)D 6 Đường kính lỗ trên chốt d0 (0,4÷0,7) dch 7 Số rãnh xéc-măng khí (4÷6) 11
8 Chiều dày hướng kính t của xéc- (1/25÷1/35)D măng khí 9 Chiều cao a của xéc-măng khí (0,5÷1)t 10 Số rãnh xéc-măng dầu (1÷4) Bảng 3.2 Thông số của piston nguyên bản của động cơ RV125-2 [38] TT Thông số kích thước Giá Đơn Ghi Cở thiết kế trị vị chú đo 1 Chiều dày đỉnh 8,56 mm (0,09)D (0,08÷0,2)D piston  2 Khoảng cách c từ 10,7 mm (1,25) (0.6÷2)  đỉnh đến xéc-măng thứ nhất 3 Chiều cao H của 88,2 mm (0,94)D (1÷1,7)D piston 4 Vị trí của chốt piston 47 mm (0,5)D (0,65÷0,9)D đến đỉnh piston 5 Đường kính chốt 27 mm (0,29)D (0,35÷0,5)D piston dch 6 Đường kính lỗ trên 17 mm (0,63)D (0,4÷0,7) dch chốt d0 7 Số rãnh xéc-măng 3 rãnh (4÷6) khí 8 Chiều dày hướng 4,7 mm (1/20)D (1/25÷1/35)D kính t của xéc-măng khí 9 Chiều cao a của xéc- 2 mm (0,43)t (0,5÷1)t măng khí 10 Số rãnh xéc-măng 1 rãnh (1÷4) dầu 11 Kết cấu buồng cháy Các phương án thiết kế được thể hiện 12 Độ sâu buồng cháy trên bảng 2.3 13 Đường kính đáy buồng cháy 12
Bảng 3.3 Các trường hợp thay đổi kết cấu đỉnh piston Trường hợp d (mm) h d/h Vk/Vc ε TH1-NB 47 15,5 3,00÷1 0,770 18,00 TH2 45 17 2,65÷1 0,771 17,99 TH3 44,5 17,5 2,54÷1 0,774 17,94 TH4 49 14,25 3,43÷1 0,771 17,98 TH5 50 13,75 3,64÷1 0,776 17,92 Hình 3.1 Các trường hợp thay đổi kết cấu đỉnh piston 3.2. Mô phỏng động cơ với các trường hợp buồng cháy bằng phần mềm AVL-Boost 13
3.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng Hình 3.2 Mô hình mô phỏng động cơ cải tiến có buồng cháy thống nhất 3.2.2. Các chế độ mô phỏng Bảng 3.4 Các chế độ thực nghiệm của mô hình mô phỏng Tốc độ % Tải TT động cơ 25 50 75 100 (v/ph) 1 1000 x 2 1200 x 3 1400 x 4 1600 x x x x 5 1800 x 6 2000 x 7 2200 x x x x 14
3.2.3. Kết quả mô phỏng Hình 3.3 Diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy động cơ 3.3. Xác định quy luật cấp nhiên liệu trong động cơ RV125-2 bằng phần mềm AVL-Hydsim 3.3.1. Xây dựng mô hình Hình 3.4 Mô hình mô phỏng hệ thống nhiên liệu động cơ cải tiến 15
3.3.2. Các chế độ mô phỏng Các chế độ mô phỏng cũng được xác định giống với trường hợp mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost 3.3.3. Kết quả mô phỏng 3.3.3.1. Kết quả độ nâng kim theo góc quay trục khuỷu 3.3.3.2. Lưu lượng phun nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu 3.4. Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của kết cấu buồng cháy đỉnh piston bằng phần mềm Ansys - ICE 3.4.1. Mô phỏng quá trình nạp Mục tiêu của nghiên cứu mô phỏng đường nạp trong luận án này là nhằm khảo sát kết cấu đường nạp nguyên bản so với một số kết cấu thay đổi. Từ đó có một số đánh giá sơ bộ về kết cấu đường nạp hiện trạng của động cơ. Những thông số hình học chính khi xét đến họng nạp dạng xoắn ốc là vị trí theo không gian ba chiều của họng nạp, diện tích mặt cắt ngang, bề rộng cũng như chiều cao của họng nạp [40]. 3.4.1.1. Cơ sở xác định các thông số hình học họng nạp ảnh hưởng đến hệ số nạp Bảng 3.5 Các thông số hình học của họng nạp nghiên cứu. Các biến tạo độ xoắn S, R, W, β Các biến cửa nạp S, θ Các biến tọa độ họng nạp T, X, Y Hình 3.5 Thông số hình học họng nạp. a. Các thông số hình học của họng nạp xoắn ốc, b) Các mặt cắt ngang họng nạp Hình 3.6 Các phương án cải tiến biên dạng đường nạp trên động cơ 16
PA1) Bán kính cong R46, đường kính miệng 42mm, PA2) Bán kính cong R38, đường kính miệng 42mm PA nguyên bản PA3) Bán kính cong R42, đường kính miệng 46mm 3.4.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình nạp Bảng 3.6 Các giá trị điều kiện biên trong mô hình mô phỏng STT Điều kiện biên Giá trị 1 Khí nạp vào 300 K 2 Đường ống nạp 330 K 3 Piston 448 K 4 Xu páp nạp-thải 430 K 5 Xi lanh 448 K 6 Nắp máy 448 K 3.4.1.3. Kết quả mô phỏng quá trình nạp Kết quả mô phỏng cho thấy với biên dạng đường nạp theo PA2 (nguyên bản) hệ số nạp của động cơ có giá trị cao hơn các trường hợp còn lại. 3.4.2. Mô phỏng quá trình cháy 3.4.2.1. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cháy 3.4.2.2. Kết quả mô phỏng quá trình cháy Kết quả mô phỏng quá trình cháy của động cơ với 5TH buồng cháy khác nhau cho thấy: Áp suất của động cơ TH2 có giá trị cao hơn trường hợp nguyên bản, các TH khác ít có sự khác biệt với động cơ có buồng cháy nguyên bản. Các chỉ tiêu phát thải của động cơ có buồng cháy theo TH2 giảm nhiều nhất so với động cơ nguyên bản. 3.5. Kết luận chương 3 Từ nội dung đã thực hiện tại Chương 3 có thể rút ra một số kết luận sau: - Từ các cơ sở lý thuyết được trình bày ở chương 2, NCS đã tiến hành lựa chọn và đưa ra các kết cấu buồng cháy với các thông số kích thước hình học thay đổi để tiến hành mô phỏng nhằm chọn ra kết cấu tốt nhất. - Kết quả mô phỏng quá trình nạp bằng phần mềm Ansys ICE cho thấy kết cấu đường nạp nguyên bản cho các thông số hệ số nạp là lớn nhất. 17
- Kết quả mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm Ansys ICE cho thấy với biên dạng kết cấu đỉnh piston của động cơ có buồng cháy thống nhất theo TH2 cho kết quả tốt nhất, cụ thể p-Sim-TH2 = 81,45 bar. - Kết quả mô phỏng thành phần phát thải của các trường hợp đỉnh piston khác nhau cho thấy hàm lượng CO giảm tối đa 13,12% ở TH2, hàm lượng PM giảm tối đa 9,93% ở TH2, hàm lượng NOx tăng tối đa 8,69% ở TH2 so với TH1 (buồng cháy nguyên bản). - Kết cấu buồng cháy đỉnh piston theo TH2 được lựa chọn để tiến hành chế tạo và thực nghiệm ở chương 4. Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Nội dung thực nghiệm a. b. c. Hình 4.1 Các mẫu Piston buồng cháy thống nhất được thực nghiệm a, Piston theo TH1 (NB), b. Piston theo TH2 4.2. Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm 4.2.1. Mục tiêu thực nghiệm Quá trình thực nghiệm động cơ cải tiến và động cơ nguyên bản được tiến hành trên băng thử nhằm mục đích đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của chúng. Kết quả thực nghiệm trên băng thử được so sánh với một số kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng trên các phần mềm AVL-Boost, AVL-Hydsim, Ansys ICE để kiểm chứng độ tin cậy và hiệu chỉnh mô hình. 4.2.2. Đối tượng và phạm vi thực nghiệm Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm xây dựng đặc tính ngoài và đặc tính tải của động cơ diesel nguyên bản RV125-2 và động cơ cải tiến với các mẫu buồng cháy đỉnh piston đã được lựa chọn ở chương 3. 4.3. Nội dung thực nghiệm - Thiết kế chế tạo piston với kết cấu buồng cháy trên đỉnh. 18
- Thay thế, lắp đặt piston mới; thay thế và lắp đặt nắp. - Lắp đặt động cơ cải tiến lên bằng thử, căn chỉnh băng thử. - Tiến hành thực nghiệm các đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. 4.4. Thiết kế và chế tạo kết cấu đỉnh piston của động cơ cải tiến Hình 4.2 Hình ảnh Piston gia công trên máy phay CNC 4.5. Trang thiết bị thực nghiệm 4.5.1. Lắp đặt mô hình lên băng thử 4.5.2. Băng thử DW16 4.5.3. Thiết bị phân tích khí thải 4.5.4. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 4.5.5. Cảm biến đo áp suất 4.5.6. Nhiên liệu thực nghiệm 4.5.7. Sơ đồ bố trí hệ thống thực nghiệm 4.5.8. Chế độ thực nghiệm Động cơ nguyên bản và động cơ cải tiến với các buồng cháy khác nhau được đưa lên băng thử và thực nghiệm các đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải theo các chế độ của đường đặc tính tải của động cơ. Ở đặc tính tải, các động cơ được thực nghiệm ở tốc độ 1600 và 2200 với các mức tải 10%, 50%, 75% và 100% tải. 4.6. Kết quả thực nghiệm và thảo luận 4.6.1. So sánh tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ Kết quả đo đạc và đánh giá tính kinh tế năng lượng của hệ thống tại các chế độ mô men lớn nhất và tốc độ định mức được thể hiện trên hình 4.14 đến hình 4.17. 19
Hình 4.3 So sánh công suất giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 1600 v/ph Hình 4.4 So sánh công suất giữa ĐC cải tiến và ĐC nguyên bản tại 2200 v/ph 20