1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------
NGUYỄN HỮU HÙNG
TỐI ƯU GÓC PHUN SỚM, ÁP SUẤT PHUN VÀ TỶ SỐ NÉN
CHO ĐỘNG CƠ D243 SAU KHI THỰC HIỆN TĂNG ÁP
BẰNG TUA BIN MÁY NÉN BẰNG PHẦN MỀM AVL -
BOOST
LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. PHẠM MINH TUẤN
HÀ NỘI- 2014
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Tác giả
Nguyễn Hữu Hùng
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
PTN Phòng thí nghiệm
ĐCĐT Động cơ đốt trong
TB Tuabin
MN Máy nén
TB-MN Tuabin máy nén
FEM Phương pháp phần tử hữu hạn
BKHN Bách khoa Hà Nội
THNL Tiêu hao nhiên liệu
ĐCT Điểm chết trên
ĐCD Điểm chết dưới
4
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đ nguyên l tăng p cơ kh................................................................. 17
Hình 1.2. Bộ tăng p TB kh thải .............................................................................. 20
Hình 2.1. Mặt cắt dọc động cơ D243 ....................................................................... 28
Hình 2.2. Mặt cắt ngang động cơ D243 ................................................................... 28
Hình 2.3. Hệ thống nhiên liệu động cơ D243 .......................................................... 30
Hình 2.4. Hệ thống bôi trơn động cơ D243 .............................................................. 31
Hình 2.5. Sơ đ bố tr thiết b thử nghiệm ................................................................ 34
Hình 2.6. Sơ đ phòng thử động lực cao động cơ .................................................... 34
Hình 2.7. Sơ đ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100 ................................. 35
Hình 2.8. Sơ đ nguyên lý của thiết b làm mát dầu bôi trơn AVL 554 ................... 36
Hình 2.9. Sơ đ nguyên lý thiết b làm mt nước AVL 553 ...................................... 37
Hình 2.10. Sơ đ nguyên lý hoạt động của thiết b cân nhiên liệu 733S.................. 38
Hình 3.1. Van xả Waste Gate ................................................................................... 49
Hình 3.2. Cc giai đoạn hình thành PM .................................................................. 61
Hình 3.3. Các cấu trúc hạt PM................................................................................. 62
Hình 3.4. Mô hình động cơ D243 sau khi tăng p ................................................... 66
Hình 3.5. Đặc tnh công suất và tiêu hao nhiên liệu của thực nghiệm và mô phỏng
................................................................................................................................... 68
Hình 3.6. Đặc tnh công suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ ........................... 68
Hnh 3.7. So snh biến thiên nhiệt độ và p suất tại n = 1400 (v/ph)...................... 69
Hnh 3.8. So snh biến thiên nhiệt độ và p suất tại n = 1600 (v/ph)...................... 70
Hnh 3.9. Pht thải NO
x
trước và sau khi tăng p ................................................... 71
Hnh 3.10. Pht thải CO trước và sau khi tăng p ................................................... 71
Hnh 3.11. Pht thải Soot trước và sau khi tăng p ................................................. 71
Hnh 4.1. Mô hình động cơ D243 không tăng p ..................................................... 74
Hnh 4.2. Mô hình động cơ D243 sau khi tăng p ................................................... 75
Hnh 4.3. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc tnh động cơ ............................... 76
5
Hnh 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun đến đặc tính động cơ ................................ 77
Hnh 4.5. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến đặc tnh động cơ ....................................... 78
6
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. So snh động cơ tăng p và không tăng p ............................................. 15
Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ D243 ....................................................... 29
Bảng 2.2. Đặc tnh ngoài động cơ D243 .................................................................. 39
Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của một số động cơ Diesel .......................................... 41
Bảng 3.1. Phần tử lựa chọn cho mô hình tăng p .................................................... 65
Bảng 3.2. Dữ liệu điều kiện chung mô hình động cơ D243 khi tăng p .................. 66
Bảng 3.3. So sánh kết quả chạy mô phỏng động cơ D243 trước tăng p và kết quả
thực nghiệm dạng bảng ............................................................................................. 67
Bảng 3.4. So snh đặc tnh động cơ D243 trước và sau tăng p ............................. 69
Bảng 3.5. So sánh thành phần phát thải của động cơ D243 trước và sau tăng p .. 70
Bảng 4.1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến đặc tnh động cơ ............................... 76
Bảng 4.2. Ảnh hưởng của áp suất phun tới đặc tnh động cơ ................................... 77
Bảng 4.3. Ảnh hưởng của tỷ số nén đến đặc tnh động cơ ....................................... 78
7
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................... 4
MỤC LỤC .................................................................................................................. 7
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... 10
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 10
2. Các đề tài nghiên cứu liên quan ......................................................................... 11
3. Mc đch ca lun văn, đi tưng v phm vi nghiên cứu ............................. 12
4. Ý nghĩa khoa học v ý nghĩa thực tiễn .............................................................. 13
5. Các ni dung chnh trong lun văn ................................................................... 13
CHƯƠNG 1.............................................................................................................. 14
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ ......................................... 14
1.1. Mc đch tăng áp cho ÐCÐT .......................................................................... 14
1.2. Các phương pháp tăng áp cho đng cơ đt trong ......................................... 16
1.2.1. Tăng áp có sử dụng máy nén ......................................................................... 16
1.2.1.1. Tăng p cơ kh .............................................................................................. 16
1.2.1.2. Tăng p sử dụng tuabin (TB) khí ................................................................. 18
1.2.1.3. Tăng p hỗn hợp .......................................................................................... 21
1.2.2. Tăng áp không sử dụng máy nén .................................................................. 21
1.2.2.1. Tăng p dao động và cộng hưởng ................................................................ 21
1.2.2.2. Tăng p dao động (tăng p qun tnh) ........................................................ 22
1.2.2.3. Tăng p chuyển dòng ................................................................................... 23
1.2.2.4. Tăng p nh sóng p suất kh thải ............................................................... 24
1.3. Các hn chế và biện pháp khắc phc khi tăng áp bằng tuabin máy nén cho
đng cơ đt trong. ................................................................................................... 24
1.4. Kết lun chương 1 ............................................................................................ 25
CHƯƠNG 2.............................................................................................................. 27
NGHIÊN CỨU TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ D243 .............................................. 27
2.1. Đặc điểm kết cấu đng cơ D243 ...................................................................... 27
8
2.1.1. Các thông s k thut đng cơ D243 ............................................................. 27
2.1.2. Các hệ thng của đng cơ D243 .................................................................... 27
2.1.2.1. Hệ thống nhiên liệu ...................................................................................... 27
2.1.2.2. Hệ thống bôi trơn ......................................................................................... 31
2.1.2.3. Hệ thống làm mát ......................................................................................... 32
2.1.2.4. Hệ thống khởi động ...................................................................................... 33
2.2. Xây dựng đặc tnh đng cơ D243 trong phòng th nghiệm .......................... 33
2.2.1. Trang thit b thử nghiệm .............................................................................. 34
2.2.1.1. Sơ đ bố trí thiết b thử nghiệm trong phòng thử ........................................ 34
2.2.1.2. Phanh điện APA 100 .................................................................................... 35
2.2.1.3. Thiết b làm mát dầu bôi trơn AVL 554 ....................................................... 36
2.2.1.4. Thiết b làm mt nước AVL 553 ................................................................... 37
2.2.1.5. Thiết b đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S .............................. 38
2.2.1.6. Bộ ổn đnh nhiệt độ nhiên liệu AVL 753 ...................................................... 39
2.2.1.7. Bộ điều khiển tay ga THA 100 ..................................................................... 39
2.2.2. Kt qu thử nghiệm đng cơ D243 trên băng thử ........................................ 39
2.3. Đánh giá khả năng tăng áp cho đng cơ D243 .............................................. 40
2.3.1. Cơ s tnh toán la chn t s tăng áp cho đng cơ D243 .......................... 40
2.3.2. La chn phương pháp tăng áp cho đng cơ D243 ..................................... 41
2.4. Kết lun chương 2 ............................................................................................ 42
CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 43
MÔ PHNG ĐỘNG CƠ D243 BẰNG PHẦN MỀM AVL - BOOST ............... 43
3.1. Phn mềm AVL - BOOST ............................................................................... 43
3.1.1. Gii thiệu Phần mềm AVL-BOOST .............................................................. 43
3.1.2. Cấu trúc và các phần tử của phần mềm ....................................................... 44
3.1.3. Xử lý kt qu và mt s vấn đề cần lưu ý khi sử dụng phần mềm .............. 50
3.2. Cơ sở lý thuyết trong mô phỏng ..................................................................... 51
3.2.1. Phương trình nhiệt đng hc thứ nhất ......................................................... 51
3.2.2. Mô hình truyền nhiệt ..................................................................................... 53
3.2.3. Mô hình cháy .................................................................................................. 55
9
3.2.3.1. Mô hình cháy AVL MCC ............................................................................ 55
3.2.3.2. Mô hình cháy Vibe ....................................................................................... 57
3.2.4. Hình thành phát thi đc hại ........................................................................ 58
3.2.5. Tính toán cụm TB máy nén ........................................................................... 62
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng đng cơ D243 khi tăng áp ............................. 65
3.3.1. Xây dng mô hình .......................................................................................... 65
3.3.2. Dữ liệu và điều kiện biên cho mô hình ......................................................... 66
3.4. Ðánh giá đ tin cy của mô hình ..................................................................... 67
3.5. Đánh giá hiệu qu đng cơ sau khi tăng áp .................................................... 68
3.6. So sánh thay đổi áp suất và nhiệt đ quá trình cháy ....................................... 69
3.7. So sánh thành phần khí x của đng cơ .......................................................... 70
3.8. Kết lun chương 3 ............................................................................................ 72
CHƯƠNG 4.............................................................................................................. 73
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH GÓC PHUN SỚM, ÁP SUẤT PHUN VÀ TỶ SỐ
NÉN TỐI ƯU CHO ĐỘNG CƠ D243 KHI TĂNG ÁP ....................................... 73
4.1. Cơ sở lý thuyết thực hiện ti ưu góc phun sớm, áp suất phun và tỷ s nén
cho đng cơ D243 khi tăng áp ................................................................................ 73
4.1.1. Xây dng mô hình .......................................................................................... 74
4.1.1.1. Cc thông số và đặc tnh kỹ thuật động cơ D243 ........................................ 74
4.1.1.2. Xây dựng mô hình trên phần mềm AVL_BOOST ......................................... 74
4.1.2. Điều kiện biên, dữ liệu đầu vào và chạy mô hình ........................................ 75
4.1.3. Đánh giá đ tin cy của mô hình .................................................................. 75
4.2. Nghiên cứu xác định góc phun sớm ti ưu cho đng cơ D243 khi tăng áp . 75
4.3. Nghiên cứu xác định áp suất phun ti ưu cho đng cơ D243 khi tăng áp .. 77
4.4. Nghiên cứu xác định tỷ s nén ti ưu cho đng cơ D243 khi tăng áp ......... 78
4.5. Kết lun chương 4 ............................................................................................ 79
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 82
10
LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề ti
Trên thế giới, động cơ diesel được sử dụng rộng ri trên các phương tiện giao
thông v các máy mc công nghiệp bi tnh hiệu qu v hiệu sut cao. Tại Việt
Nam, động cơ diesel cng chiếm một số lượng lớn. Tuy nhiên phần lớn những dng
động cơ diesel ny thuộc thế hệ c, tn tại nhiu nhược điểm như sut tiêu hao
nhiên liệu lớn, các thnh phần phát thi độc hại cao. Để khc phục các nhược điểm
ny cần ci tiến, ng dụng công nghệ hiện đại để ci thiện quá trnh lm việc ca
ĐCĐT.
Động cơ diesel D243 do Công ty Diesel Sông Công chế tạo được sử dụng khá
phổ biến trên máy kéo và tàu thy cỡ nhỏ. Động cơ c sc bn khá cao nên có thể
ci tiến thnh động cơ tăng áp bằng tuốc bin khí thi để tăng công sut v tăng tnh
hiệu qu ca động cơ.
Dựa vào kết qu tính toán ng sut sau khi tăng áp c thể tm được tỷ số tăng
áp phù hợp, từ đ lựa được cặp tuốc bin - máy nén thích hợp. Tuy nhiên động cơ
sau tăng áp cần phi ci tiến một số cơ cu, hệ thống cho phù hợp. Cụ thể cần tăng
g
ct
chế độ định mc, tăng cường độ lm mát v bôi trơn. Ngoi ra, để tối ưu ha
quá trnh hnh thnh ha kh cng như ton bộ chu trình công tác cần phi lựa chọn
được góc phun sớm, áp sut phun và tỷ số nén phù hợp nht.
Nhằm rút ngn thời gian cng như gim chi phí nghiên cu – phát triển máy
móc, hiện nay các phần mm mô phỏng được sử dụng khá phổ biến. Bộ môn Động
cơ đốt trong, Viện Cơ kh Động lực, Trường ĐHBK H Nội hiện đang sử dụng một
số phần mm mô phỏng cao cp chuyên dùng cho Động cơ đốt trong. Một trong số
đ l phần mm một chiu mô phỏng chu trình nhiệt động Boost do hãng AVL (CH
Áo) phát triển. Phần mm này hoàn toàn có thể đáp ng được mục tiêu nghiên cu
xác định góc phun sớm, áp sut phun và tỷ số nén tối ưu cho động cơ D243 sau khi
tăng áp bằng tuabin máy nén.
11
2. Các đề ti nghiên cứu liên quan
* Nghiên cứu tính toán mô phỏng dao đng đng cơ v hệ truyền đng – tác giả
Nguyễn Đi An ở Hải Phòng
Trong đ tài này, tác gi đ áp dụng phương pháp số cùng với sự trợ gip ca
máy tnh để tiến hành tính toán cho phép xây dựng mô hnh dao động xon theo
quan điểm động lực học nhiu vật sử dụng phương trnh Lagrange loại 2, thành lập
phương trnh vi phân dao động ca hệ dao động cơ v cơ cu truyn lực. Trong
phạm vi lý thuyết tuyến tnh phương trnh dao động ca hệ là hệ phương trnh vi
phân tuyến tính hệ số tuần hoàn. Tiến hnh tnh toán dao động ca hệ kho sát trên
máy tnh. Mô hnh dao động này gn với mô hnh dao động thực tế, bi vậy kết qu
thu được chnh xác hơn, đng thời cho phép điu khiển thông số đầu vào nhanh
chóng trong một di rộng nhằm trợ giúp cho việc thiết kế khi cần thiết để đạt tính ổn
định cao hệ thống khi làm việc.
* Nghiên cứu thay đổi cơ cấu phi kh để thay đổi công suất ca đng cơ – Tác
giả Cù Huy Thành ở Học viện Kỹ thut quân sự
Việc nghiên cu chế tạo các chi tiết trong động cơ phục vụ cho việc sửa chữa,
thay thế và ci thiện các tnh năng ca động cơ đang đặt ra những yêu cầu bc thiết.
Trong đ, trục cam ca cơ cu phân phối khí là một trong những chi tiết được ưu
tiên nghiên cu chế tạo.
Động cơ D243 l động cơ do nh máy Diesel Sông Công sn xut trên dây
chuyn ca Cộng Hoà Belarut. Trục cam ca cơ cu phân phối khí có biên dạng li
ba cung vì vậy cơ cu phối khí làm việc không êm, ng sut trên b mặt tiếp xúc lớn,
trị số thời gian tiết diện thp. Động cơ được chế tạo ch yếu lp trên thị trường Việt
Nam. Ngoài ra, động cơ ny cn được sử dụng để lp trên các tàu thuyn cỡ nhỏ phục
vụ vận ti. Vì vậy, cần phi có những ci tiến để hoàn thiện loại động cơ ny. Trên cơ
s kết qu tính toán biên dạng cam và pha phối khí tối ưu bằng phần mm
AVL_BOOST và AVL_TYCON, từ đ đưa ra những nghiên cu thiết kế và chế tạo
12
trục cam cơ cu phối kh động cơ D243 cho nhu cầu thy hóa dựa trên những trang
thiết bị và công nghệ hiện có ca công ty Diesel Sông Công.
* Nghiên cứu khả năng hoàn thiện hệ thng làm mát đng cơ D243 tác giả
Nguyễn Tiến Hán ở Hà Ni
Thy hóa động cơ l hướng đi phù hợp trước yêu cầu ca thực tiễn. Nhưng để
tiến hành thy ha được động cơ th động cơ đ cần phi thay thế cng như ci tiến
một số hệ thống cho phù hợp với điu kiện làm việc mới như hệ thống khi động, hệ
thống bôi trơn, hệ thống làm mát, hệ thống phối khí, vn đ cân bằng động cơ. Động
cơ chuyển từ chế độ làm việc mô mem cựu đại M
emax
sang