QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống như xăng và diesel hiện là nguồn động lực chủ yếu trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông – lâm – ngư nghiệp, và giao thông vận tải Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là hạn chế về tính năng làm việc và phát thải ô nhiễm môi trường cao Động cơ Vikyno của Công ty TNHH Một Thành Viên Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam (SVEAM) là sản phẩm chủ lực của Việt Nam trong lĩnh vực động cơ đốt trong, với hơn 45,000 động cơ xăng và 22,000 động cơ diesel được cung cấp hàng năm Đặc biệt, động cơ RV165-2, được phát triển từ động cơ RV125-2 của Kubota, chiếm khoảng 3,000 sản phẩm mỗi năm và đã được sản xuất hàng loạt từ năm 2005 Tuy nhiên, việc áp dụng các tiến bộ khoa học để cải tiến động cơ vẫn còn hạn chế và đặc tính phát thải của loại động cơ này chưa được khảo sát.
Nhu cầu sử dụng động cơ cỡ nhỏ trong nông – lâm – ngư nghiệp tại Việt Nam hiện nay đang gia tăng mạnh mẽ Thị trường Việt Nam xuất hiện nhiều loại động cơ đến từ Trung Quốc, Đài Loan với công suất mạnh, thiết kế nhỏ gọn và hiện đại Những động cơ thế hệ mới này không chỉ đẹp mắt mà còn tiết kiệm nhiên liệu, giúp chúng chiếm ưu thế trên thị trường.
2 thị trường so với các dòng động cơ Việt Nam Sự cạnh tranh ngày càng khóc liệt ngay tại thị trường trong nước lẫn quốc tế
Việc nâng cao tính năng làm việc và chất lượng của động cơ RV165-2, một sản phẩm mang thương hiệu Việt, là yêu cầu cấp thiết Đối với động cơ diesel, cải thiện hiệu suất và đặc tính khí thải thường bao gồm ba hướng chính: sử dụng nhiên liệu sạch, xử lý khí thải bằng công nghệ tiên tiến, và tối ưu hóa quá trình cháy qua hệ thống cung cấp nhiên liệu Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc ứng dụng nhiên liệu mới như biodiesel và biogas cho động cơ nông nghiệp Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ xử lý khí thải hiện đại đòi hỏi tính toán hợp lý về vị trí lắp đặt và có chi phí cao, gây khó khăn cho người nông dân Tối ưu hóa quá trình cháy thông qua mô phỏng và thực nghiệm cũng rất phức tạp và tốn kém Do đó, một giải pháp khả thi là cải thiện hiệu suất nạp bằng cách thay đổi hình dạng đường nạp, đặc biệt là cổ nối bộ lọc gió Kể từ khi ra đời vào năm 2005, động cơ RV165-2 chưa được đánh giá rõ ràng về hiệu suất nạp, vì vậy nghiên cứu này nhằm khảo sát và nâng cao tính năng của động cơ.
Để cải thiện hiệu suất nạp và tính năng làm việc của động cơ RV165-2, cần thực hiện ba nhiệm vụ chính: phân tích các chức năng hiện tại của động cơ, đề xuất các phương án cải tiến cụ thể và thiết kế các giải pháp ứng dụng thực tế nhằm tối ưu hóa đường nạp.
Các nghiên cứu liên quan
Bài báo “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất và công suất động cơ Diesel 1 xi-lanh RV195” của tác giả Nguyễn Hữu Hường và Vương Như Long từ Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM trình bày các phương pháp cải tiến hiệu suất động cơ Diesel Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và điều chỉnh các thông số kỹ thuật nhằm tăng cường hiệu suất và công suất của động cơ RV195 Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng thực tiễn để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ động cơ Diesel.
Ứng dụng phương pháp mô phỏng để thiết kế và cải tiến động cơ Diesel cỡ nhỏ sản xuất tại Việt Nam là rất quan trọng Nghiên cứu chủ yếu dựa vào phần mềm BOOST để tính toán các thông số kỹ thuật Các phương án cải tiến bao gồm việc thay đổi kích thước đường ống nạp, điều chỉnh biên dạng cam và tối ưu hóa góc phối khí.
- Kết quả: Kết quả mô phỏng sau khi tối ưu hóa kết cấu cụm nạp, hiệu suất nạp động cơ là 0,8, tăng 8,92%, công suất 21,16 mã lực, tăng 10,2%
- Tên bài báo: “Sử dụng biogas để chạy động cơ Diesel cỡ nhỏ” của Bùi Văn
Ga Trường Đại Học Đà Nẵng [2]
Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng khí biogas trên động cơ đốt trong cỡ nhỏ sử dụng phương pháp thực nghiệm Đề tài tiến hành tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas và phân tích các phương án điều tốc khác nhau cho động cơ dual-fuel biogas/diesel, được cải tạo từ động cơ Diesel, nhằm đề xuất một kiểu điều tốc phù hợp nhất với loại động cơ này.
Kết quả thực nghiệm cho thấy các phương án điều tốc điện từ và cơ khí đều cho ra lượng khí thải không chứa bồ hóng, với thành phần CO và HC ở mức thấp Việc sử dụng tín hiệu điện áp từ máy phát điện để điều chỉnh tốc độ động cơ là một giải pháp hiệu quả.
4 giải pháp đơn giản nhất nhưng chỉ phù hợp với trường hợp biên độ dao động cải
Bài báo “Tối ưu hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas - dầu mỏ” của các tác giả Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, và Nguyễn Phi Quang (2008) đăng trên Tạp chí Khoa học và Công Nghệ, Đại Học Đà Nẵng, trình bày phương pháp tối ưu hóa việc cung cấp biogas cho động cơ, nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu kết hợp giữa biogas và dầu mỏ Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp năng lượng bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Nghiên cứu các thông số cơ bản và quy luật vận hành của van cung cấp biogas nhằm tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu cho các động cơ tĩnh sử dụng biogas-dầu mỏ thông qua phương pháp thực nghiệm.
- Kết quả: Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ giảm 100 lần đối với khí
Quá trình cháy trong động cơ CO diễn ra không hoàn toàn, dẫn đến việc cần cung cấp một lượng nhiên liệu lớn hơn 10 lần so với hệ thống HC để đảm bảo đạt được công suất tính toán.
Các nghiên cứu trong nước đã đề xuất nhiều phương án cải tiến cho động cơ, tuy nhiên vẫn còn thiếu các hoạt động cải tiến liên quan đến họng nạp và thải, dẫn đến việc hiệu suất nạp chưa được nâng cao.
Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất nạp của động cơ
Một số đề tài tiêu biểu như:
Nghiên cứu của Puzinauskas và K C Midkiff về "Tối ưu hóa thiết kế họng nạp cho động cơ SI" chỉ ra rằng thiết kế họng nạp ảnh hưởng đáng kể đến dòng chảy trong xi-lanh Chuyển động của dòng khí nạp là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất động cơ SI Việc áp dụng một mô hình dòng khí nạp phù hợp có thể cải thiện mức độ chuyển động vào thời điểm đánh lửa, từ đó nâng cao sự ổn định của quá trình cháy, giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu Đặc biệt, độ xoáy trong họng nạp động cơ SI trong quá trình hút cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất.
Một thay đổi nhỏ trên họng nạp đã được thực hiện nhằm giảm độ xoáy và tăng độ rối mà vẫn duy trì hiệu suất nạp Kết quả cho thấy sự gia tăng độ rối trong mô hình thiết kế mới đã làm tăng 20% độ bay hơi nhiên liệu Nghiên cứu này sử dụng cả hai phần mềm KIVA và STAR-CD để mô phỏng các động cơ dòng chảy lạnh, trong khi ICEM CFD và es-ice được áp dụng để tiền xử lý các phức tạp về hình học Kết quả mô phỏng từ KIVA và STAR-CD đã cung cấp những thông tin quý giá cho nghiên cứu.
CD được phân tích và so sánh
Họng nạp ban đầu Độ bay hơi nhiên liệu ở 400 o GQTK Độ bay hơi nhiên liệu ở 540 o GQTK
Hình 1.1: Mô hình phân tích họng nạp ban đầu [4]
Họng nạp cải tiến Độ bay hơi nhiên liệu ở 400 o GQTK Độ bay hơi nhiên liệu ở 540 o GQTK
Hình 1.2: Mô hình phân tíchhọng nạp sau khi thiết kế tối ưu hóa [4]
Phân tích cho thấy ở góc quay trục khuỷu 540 độ, 68,9% nhiên liệu bay hơi tại họng nạp ban đầu, trong khi sau khi cải tiến, tỷ lệ này tăng lên 90,1% ở họng nạp.
Nhóm nghiên cứu tại trường D.Y Patil College of Engineering, Ấn Độ, đang thực hiện đề tài "Tối ưu hóa thiết kế họng nạp đôi dạng xoắn ốc và phân tích sử dụng CFD" Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện hiệu suất thiết kế họng nạp thông qua công nghệ mô phỏng dòng chảy chất lỏng, nhằm nâng cao hiệu quả và khả năng hoạt động của hệ thống Sử dụng phương pháp CFD, nhóm hy vọng sẽ tìm ra những giải pháp tối ưu cho thiết kế, góp phần vào sự phát triển công nghệ trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí.
Sử dụng mô phỏng CFD để phân tích dòng khí qua cụm họng nạp và xupap nạp, nghiên cứu so sánh với kết quả thực nghiệm Mô hình CFD bao gồm bán cầu, cổ nạp, xupap nạp, xi-lanh và mặt phẳng cắt ngang thân vuông góc với xi-lanh nhằm xác định tỷ số xoáy Kết quả thu được cho thấy hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy ở các mức độ nâng xupap khác nhau.
Hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy từ mô phỏng CFD và thực nghiệm cho thấy giá trị gần nhau, cho thấy độ chính xác của mô hình Khi độ nâng xupap tăng, hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy cũng gia tăng Tuy nhiên, kết quả mô phỏng CFD phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lưới chia mô hình, mô hình vật lý và điều kiện biên Do đó, mô hình CFD cho cụm họng nạp và xupap nạp phản ánh chính xác hành vi của dòng khí thực tế qua các thành phần này.
Hình 1.3: Mô hình họng nạp [5]
Hình 1.4: Mô hình tính toán phân tích [5]
Kết quả thử nghiệm tỷ số xoáy và hiệu quả dòng chảy được trình bày qua phân tích CFD trong bảng 1.1, trong khi kết quả đo thực nghiệm được thể hiện trong bảng 1.2.
Bảng 1.1: Hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy bằng mô phỏng CFD [5] Độ nâng xupap (mm)
Hệ số lưu lượng Tỷ số xoáy
Bảng 1.2: Hệ số lưu lượng và tỷ số xoáy qua thực nghiệm [5] Độ nâng xupap (mm)
Hệ số lưu lượng Tỷ số xoáy
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu là cải tiến đường nạp của động cơ để nâng cao hiệu suất nạp, từ đó cải thiện quá trình cháy và tăng cường tính năng hoạt động của động cơ.
- Đưa ra phương án và thiết kế cụ thể nhằm ứng dụng vào thực tế sản xuất hàng loạt
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là họng nạp động cơ Diesel RV165-2 phun trực tiếp, với buồng cháy thống nhất, chuyên dụng trong nông nghiệp Động cơ Vikyno RV165-2 là loại động cơ một xy-lanh cỡ nhỏ, được sản xuất bởi Công ty TNHH MTV Động cơ và Máy Nông Nghiệp miền Nam (SVEAM) và được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp.
1.4.1 Đặc tính kỹ thuật của động cơ tham khảo
Hình 1.5: Động cơ RV165-2 Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật động cơ RV165-2 KIỂU
Loại 4 kỳ, 1 xi-lanh, nằm ngang Đường kính x hành trình piston (mm) 105 x 97
Thể tích xi-lanh (cm 3 ) 839
Công suất định mức (Mã lực/vòng/phút)
14/2200 16,5/2400 Moment cực đại (kgm/vòng/phút) 4,9/1800
Thể tích thùng nhiên liệu (l) 11
Suất tiêu thụ nhiên liệu(g/Mã lực/giờ) 175
11 Áp suất mở vòi phun (kg/cm 2 ) 220
Dầu bôi trơn Nhớt 30 (SAE30,20,10w-
Thể tích dầu bôi trơn (l) 4,0
Hệ thống đốt nhiên liệu Phun trực tiếp
Hệ thống khởi động Tay quay, Khởi động điện
Hệ thống làm mát Két nước
Thể tích nước làm mát (l) 2,6
Kích thước: Dài x Rộng x Cao (mm) 759 x 388 x 496
Thông số kỹ thuật cơ sở:
Tỉ số S/D có giá trị: S = 97 = 0,9238 < [S/D] = [0,93÷2,25]
Tỉ số S/D nhỏ hơn tiêu chuẩn thiết kế để đạt một số ưu điểm:
Hành trình S ngắn giúp tăng tốc độ quay của trục khuỷu mà không làm tăng tốc độ trung bình của piston, đồng thời không gây ra sự gia tăng đáng kể trong tổn thất ma sát Điều này dẫn đến tuổi thọ của piston được cải thiện hơn.
- Dễ bố trí xupap, tăng kích thước xupap nạp và thải để nạp đầy, thải sạch
Hình 1.6: Mặt cắt dọc động cơ tham khảo
Hình 1.7: Mặt cắt ngang động cơ tham khảo
1.4.2 Cổ nối họng nạp (Cổ nối bộ lọc gió)
Hình 1.8: Bản vẽ họng nạp động cơ tham khảo
Hình 1.9: Mô hình 3D họng nạp
1 Dung sai bề dày cho phép
2 Làm sạch các bề mặt vật đúc.
3 Không có khuyết tật, rỗ, bọt.
4 Độ bóng bề mặt trong của vật đúc ảnh hưởng đến tính năng của máy nên phải đúc cho nhẵn bóng.
5 Sơn bảo vệ sau khi làm sạch vật đúc.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cưu kết hợp bao gồm:
• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết :
Lý thuyết chuyên ngành động cơ đốt trong về quá trình nạp, công suất động cơ,…
Lý thuyết mô phỏng chuyên ngành về nhiệt động, lưu chất,…
Lý thuyết về các mô hình hình thành hỗn hợp, ứng dụng trong phần mềm AVL BOOT
Tham khảo các báo cáo, nghiên cứu khoa học đã được công bố trong các hội nghị khoa học, các tạp chí khoa họctrong và ngoài nước
• Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia :
Tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong và ngoài nước về lĩnh vực cải tiến động cơ
• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định hiệu suất nạp thực tế của động cơ mà không có sự tham gia của quá trình cháy Bài nghiên cứu còn tập trung vào việc xác định các đặc tính kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ hiện tại, cũng như động cơ sau khi áp dụng các biện pháp cải tiến.
Kỹ thuật sử dụng trong đề tài bao gồm các phương pháp đo đạc, thử nghiệm và mô phỏng hiện đại, được hỗ trợ bởi các thiết bị và công cụ tiên tiến.
- Băng thử động cơ bằng thủy lực ứng dụng công nghệ Nhật Bản tại Công ty SVEAM
- Hệ thống phân tích khí thải động cơ
- Hệ thống đo và theo dõi nhiệt độ động cơ
- Thiết bị đo và giám sát lưu lượng không khí nạp ABB
Nội dung nghiên cứu
Luận văn “Thiết kế cải tiến đường nạp động cơ Diesel, một xi-lanh, phun trực tiếp, 16,5 mã lực (Hp)” chia làm 5 nội dung chính như sau:
Chương 1: Nghiên cứ u tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan về động cơ RV165-2 hiện nay Đề xuất các giải pháp, phân tích và lựa chọn giải pháp phù hợp để cải tiến độngcơ
Chương 2:Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình nạp, ảnh hưởng của hình dạng họng nạp đến tính năng làm việc của động cơ
Chương 3: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm đo hiệu xuất nạp và đánh giá mức độ xoáy rối của dòng không khí nạp Xây dựng mô hình đo đạt và đánh giá tính năng làm việc cũng như phát thải ô nhiểm của động cơ hiện hữu và các phương án cải tiến
Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu Kết quả đặc tính của động cơ đối với các mô hình họng nạp cải tiến được đánh giá, so sánh với động cơ hiện hữu và so sánh với nhau Từ đó, đề xuất phương án cải tiến
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Mô hình lưu đồ về vấn đề nghiên cứu trong luận văn
Dựa trên nội dung nghiên cứu, ta có lưu đồ thực hiện luận văn như sau:
Tính mới của đề tài
Bài viết lần đầu tiên xác định một cách khoa học và hệ thống các đặc tính hiện trạng của động cơ RV165-2, đặc biệt là hiệu suất nạp, cũng như các đặc tính kinh tế, kỹ thuật và tác động môi trường.
Tác giả đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo một hệ thống đo hiệu suất nạp, cho phép quan sát dòng chuyển động của khí nạp Hệ thống này hỗ trợ đánh giá thực nghiệm mức độ xoáy rối của dòng không khí, mở ra cơ hội nghiên cứu sâu và tối ưu hóa đường nạp cho động cơ.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đềtài
Bài viết phân tích ảnh hưởng của biên dạng hình học đường nạp đến hiệu suất làm việc của động cơ Vikyno RV165-2, một sản phẩm nông nghiệp được sản xuất tại Việt Nam Đồng thời, bài viết cũng đề xuất các phương án cải tiến cụ thể, có khả năng áp dụng thực tiễn trong sản xuất hàng loạt tại Công Ty TNHH MTV Động Cơ Và Máy Nông Nghiệp Miền Nam.
Kết quả nghiên cứu này sẽ là cơ sở để tối ưu hóa đường nạp động cơ RV165-2 và cải tiến họng nạp, nhằm nâng cao hiệu suất nạp cho các dòng động cơ còn lại tại công ty ViKyNo Việc nâng cao tính năng làm việc của các dòng động cơ sẽ tạo ra sức bật mới, giúp công ty cạnh tranh hiệu quả hơn với các dòng động cơ khác trên thị trường.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Quá trình nạp và thông số đặc trưng quá trình nạp của động cơ Diesel
Công suất là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng, phản ánh yêu cầu động lực của máy công tác Nhà thiết kế luôn hướng tới việc tăng công suất động cơ mà không thay đổi kích thước Một trong những giải pháp mà các nhà sản xuất áp dụng để nâng cao hiệu suất động cơ là cải thiện công suất có ích.
Công suất có ích (Ne) là công suất được truyền đến máy công tác, giúp máy hoạt động hiệu quả Luôn nhỏ hơn công suất chỉ thị (Ni) của động cơ, Ne chịu ảnh hưởng từ tổn thất do ma sát và việc dẫn động các thiết bị phụ Tổng hợp tất cả các loại tổn thất công suất trong một đơn vị thời gian được gọi là công suất cơ giới (Nm).
Trong đó: ρ a: mật độ không khí nạp (kg/m 3 )
Vh: thể tích công tác
QH: nhiệt trị thấp của nhieen liệu (kJ/kgNL) f a
F = m m η v: hiệu suất nạp η c: hiệu suát của sự cháy nhiên liệu η m: hiệu suất cơ giới
19 i: số xi-lanh n: tốc độ động cơ τ: số kỳ của động cơ
Một trong những phương pháp hiệu quả để nâng cao công suất có ích của động cơ là cải thiện hiệu suất nạp Việc tối ưu hóa hiệu suất nạp không chỉ giúp tăng cường hiệu suất hoạt động của động cơ mà còn góp phần vào việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải.
Mà ta có hiệu suất nạp của động cơ trong một chu trình là: ctr v lt η = G
Gctr: khối lượng khí nạp mới thực tế của mỗi chu trình
Glt: khối lượng khí nạp mới lí thuyết của mỗi chu trình
Hiệu suất nạp của động cơ có i xi-lanh có thể được xác định dựa trên công suất Ne trong một giây, với công thức: ctr v h η = G.
Hiệu suất nạp của động cơ là một chỉ số quan trọng mà các nhà sản xuất luôn tìm cách cải tiến Lượng khí mới được nạp vào mỗi chu trình ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nạp, và điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Để nâng cao lượng khí nạp của động cơ, cần phải phân tích và xem xét kỹ lưỡng các yếu tố liên quan.
Quá trình thải và nạp còn gọi là quá trình thay môi chất công tác
Quá trình nạp và thải khí có mối liên hệ chặt chẽ; khi quá trình thải diễn ra sạch sẽ, quá trình nạp sẽ hiệu quả hơn, cho phép tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình Điều này dẫn đến việc gia tăng nhiệt phát sinh từ việc cháy nhiên liệu, từ đó nâng cao hiệu suất nạp của động cơ, tăng cường công giãn nở và cải thiện công suất có ích (Ne).
Chất lượng làm sạch và khối lượng không khí mới nạp vào xi-lanh là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất nạp và công suất của động cơ.
Khối lượng nạp mới trong quá trình nạp, hay là sự điền đầy khí nạp vào xi- lanh phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Tổn thất khí động học của hệ thống nạp làm giảm áp suất nạp pa đi một lượng Δp a
- Sự tồn đọng trong xi-lanh một lượng khí sót, chúng chiếm một phần thể tích xi-lanh
Sự sấy nóng khí nạp mới từ các bề mặt thành vách của hệ thống nạp và không gian trong xi-lanh dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ ΔT, làm giảm mật độ khí nạp vào động cơ.
2.1.1 Áp suất trong xi-lanh ở thời kì nạp p a
Áp suất khí nạp mới trong xi-lanh khi piston ở điểm chết dưới trong quá trình nạp là thông số quan trọng để đánh giá khối lượng khí nạp mới Công thức tính áp suất này được biểu thị là a k a p = p - Δp hoặc p = p - Δp a o a.
Trong đó Δp a là tổn thất áp suất trong quá trình nạp xác định trên cơ sở phương trình Bernoullie cho dòng chảy dừng không chịu nén:
Trong đó: β : hệ số xét ảnh hưởng của giảm tốc dòng khí nạp ξ kn: hệ số (tổn thất) cản của đường nạp quy dẫn về tốc độ khí nạp
Trong động cơ, lưu động của dòng khí trong đường ống nạp và ống thải thường không ổn định, dẫn đến hiện tượng va đập trong đường ống Kết quả là áp suất khí biến đổi trong suốt quá trình nạp và thải, đồng thời áp suất tại các vùng khác nhau trong xi-lanh cũng không đồng nhất.
2.1.2 Nhiệt độ cuối kì nạp T a
Việc sấy nóng khí nạp mới diễn ra nhờ sự tương tác giữa các chi tiết nóng của buồng cháy và khí sót có nhiệt độ cao hơn Kết quả là, vào cuối kỳ nạp, nhiệt độ của hỗn hợp khí mới nạp và khí sót sẽ cao hơn nhiệt độ khí nạp trong xi-lanh ống nạp Tk, nhưng vẫn thấp hơn nhiệt độ khí sót Để xác định nhiệt độ khí nạp, ta áp dụng phương trình cân bằng nhiệt giữa khí sót và khí nạp mới.
Tk : nhiệt độ không khí trước xupap nạp
Tr : nhiệt độ khí sót ΔT : nhiệt độ sấy nóng khi nạp γ r : hệ số khí sót
2.1.3 Sự tồn đọng sản phẩm cháy (khí sót) trong xi-lanh
Trong quá trình thải, không thể đẩy hết sản phẩm cháy ra khỏi xi-lanh, dẫn đến sự tồn tại của khí sót, chiếm một thể tích trong xi-lanh với áp suất pr và nhiệt độ Tr Khi nạp khí mới, khí sót giãn nở làm giảm lượng khí mới vào xi-lanh Mức độ khí sót phụ thuộc vào phương pháp làm sạch xi-lanh và khả năng thổi quét của hỗn hợp khí nạp mới, được xác định bởi hệ số nạp.
Hệ số khí sót, ký hiệu là γr, là tỷ số giữa khối lượng khí sót và khối lượng khí nạp mới (bao gồm không khí nạp hoặc hỗn hợp nạp) vào xi-lanh Công thức tính hệ số khí sót được biểu diễn như sau: γr = (M khí sót) / (M khí nạp mới).
Gr, Gctr: khối lượng khí sót và khí nạp mới thực tế của mỗi chu trình công tác
22 gct: khối lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình
Mr, Mctr: số kmol khí sót và khí nạp mới thực tế tính trên 1kg nhiên liệu
Hệ số khí nạp η v là tỷ lệ giữa lượng khí nạp thực tế Gctr vào xi-lanh tại đầu quá trình nén và lượng khí nạp lý thuyết Glt có thể đạt được trong thể tích công tác trước khi xupap nạp Công thức tính hệ số này là: η v = Gctr / Glt.
Trong phương trình trên, khối lượng không khí nạp không phải điền đầy toàn bộ thể tích xi-lanh Va mà chỉ là thể tích công tác Vh :
Trong đó : ρ k - khối lượng riêng của không khí; k k k ρ = p
2.1.4 Phương trình hệ số nạp
Từ các phương trình (2.6) và (2.7), lượng không khí nạp vào động cơ có thể được xác định dựa trên khối lượng riêng của không khí trước xupap nạp, hệ số nạp và thể tích công tác của xi-lanh.
Tính toán quá trình nạp động cơ Diesel tham khảo
2.2.1 Áp suất và nhiệt độ không khí nạp p 0 , T 0
Ta chọn áp suất khí nạp bằng áp suất khí quyển p0 = 0,1 MPa
Nhiệt độ không khí nạp là yếu tố quan trọng quyết định việc sấy nóng hay không sấy nóng khí nạp vào xi-lanh động cơ, đồng thời ảnh hưởng đến khả năng nạp đầy khí Nhiệt độ này chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường nơi động cơ hoạt động, với nhiệt độ trung bình ở Việt Nam là 29°C Từ đó, nhiệt độ khí nạp mới được tính là T0 = Tk = (tkk + 273)K = 29 + 273 = 302 K Cuối cùng, áp suất trong quá trình nạp đạt 0,086 MPa.
2.2.2 Áp suất và nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp p k , T k Áp suất pk của động cơ bốn kỳ không tăng áp thường nhỏ hơn po (pk< po) vì khi đi vào đường ống nạp thường gặp lực cản của bầu lọc không khí
Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp Tk tương đương với To
Chọn pk = 0,1013 MPa và Tk = T0 = 302 o K
2.2.3 Áp suất khí sót p r Áp suất khí sót là một thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xi-lanh động cơ Áp suất khí sót được xác định bằng quan hệ sau : r th r p = p + Δp (2.20)
Tổn thất Δp r trong quá trình thải chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường thải, bao gồm các yếu tố như động cơ có lắp bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải và bình chứa khí thải Ngoài ra, tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng xupap thải cũng ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất này.
Giá trị của áp suất khí sót pr phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Diện tích tiết diện thông qua của các xupap xả
Biên độ, độ cao, và góc mở của xupap xả ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, đặc biệt khi có hệ thống tăng áp bằng khí xả Độ cản của bình tiêu âm và bộ xúc tác khí xả cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét Đối với động cơ diesel, áp suất được tính theo công thức p = (0,106 - 0,115) r ÷ MPa, trong đó chọn pr = 0,106 MPa để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Giá trị của tỷ số nén (Tr) chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tỷ số nén ε, thành phần hỗn hợp, tốc độ quay n, góc đánh lửa sớm trong động cơ xăng, và góc phun sớm nhiên liệu trong động cơ Diesel.
Giá trị tỷ số nén cao giúp khí cháy dãn nở nhiều hơn, dẫn đến Tr thấp hơn Khi xi-lanh có thành phần hỗn hợp phù hợp, quá trình cháy diễn ra nhanh chóng và giảm thiểu hiện tượng cháy rớt, từ đó làm giảm Tr.
Nếu góc phun sớm nhiên liệu quá nhỏ, quá trình cháy sẽ tăng lên, dẫn đến nhiệt độ Tr cao Đối với động cơ diesel 4 kỳ, nhiệt độ Tr được xác định trong khoảng từ 700 đến 900 K, vì vậy chúng ta chọn giá trị trung bình là Tr = 800 K.
2.2.5 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới T
Khí nạp mới khi di chuyển qua ống nạp vào xi-lanh động cơ sẽ bị sấy nóng do tiếp xúc với vách nóng, dẫn đến một sự gia tăng nhiệt độ là ΔT Mức độ sấy nóng của khí nạp phụ thuộc vào tốc độ lưu thông của khí, thời gian nạp, và sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt xi-lanh và khí nạp.
Theo nghiên cứu, độ tăng nhiệt độ ΔT được xác định trong khoảng 10 đến 25 độ C Do động cơ có đường nạp ngắn, sự tiếp xúc giữa khí nạp và thành động cơ là ít, vì vậy chúng ta chọn ΔT ở giới hạn thấp là 10 độ C.
2.2.6 Áp suất cuối quá trình nạp p a Đối với động cơ không tăng áp áp suất cuối quá trình nạp trong xi-lanh thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do có tổn thất trên ống nạp và tại bầu lọc gây nên
Theo [9] trang 29, áp suất cuối quá trình nạp thường có giá trị : pa= [0,8 ÷ 0,95]po
Trong đó: po = 0,1013 MPa là áp suất khí nạp trước xupap nạp
Hệ số khí nạp được tính theo công thức (1.12), trang 35 [9] ta có:
Chỉ số nén đa biến trung bình của không khí được chọn là m = 1,5 Hệ số nạp thêm λ1 thể hiện sự tương quan giữa lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm và lượng khí công tác chiếm chỗ trong thể tích Va.
Theo [9], hệ số nạp thêm được chọn trong giới hạn λ 1 = 1,021,07
Chọn hệ số nạp thêm λ 1 = 1,03
Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt λ t phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí α và nhiệt độ khí sót Tr
Theo [9], thực nghiệm thống kê với động cơ Diesel ta có thể lấy λ t = 1,11 λ 2=1 : do động cơ không quét buồng cháy
2.2.8 Xác định hệ số khí sót r
Hệ số khí sót được tính theo công thức (1.13) trang 36 [9]:
2.2.9 Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a :
Nhiệt độ của môi chất sau quá trình nạp (Ta) lớn hơn nhiệt độ khí đầu vào (Tk) và nhỏ hơn nhiệt độ khí ra (Tr) do sự truyền nhiệt từ các bề mặt nóng đến môi chất mới khi tiếp xúc, cùng với sự hòa trộn của môi chất với khí sót lớn hơn.
Nhiệt độ cuối quá trình nạp được tính như sau : k r r a r
2.2.10 Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí nạp:
Tính cao tốc của động cơ được xác định thông qua tốc độ trung bình của piston theo công thức (1.2) [11],
Vp = 7,76 < 9(m/s), do đó động cơ tham khảo là động cơ có tốc độ trung bình
Hành trình xupap được tính theo công thức: xp n cn c h = h l l = 7,551(mm) Trong đó:
29 hcn = 5 mm: Độ nâng của cam nạp lxp = 37 mm: Chiều dài cánh tay đòn cần mổ phía xupap lc = 24,5 mm: Chiều dài cánh tay đòn cần mổ phía cam
2.2.12 Tiết diện lưu thông của xupap
Với góc côn của đầu xupap là 45, tiết diện lưu thông của xupap được xác định bằng công thức kln n hn n f = π.h (0,707d + 0,353h), cho kết quả là 697,812 mm² Trong đó, đường kính họng nạp dhn là 49 mm và hành trình xupap hn là 6,04 mm.
Ảnh hưởng của hình dạng họng nạp đến đặc trưng dòng không khí nạp bên
Hệ số lưu lượng là tỷ số giữa lưu lượng thực tế đo được trong điều kiện tiêu chuẩn và lưu lượng lý thuyết Đường kính xi-lanh được coi là chiều dài đặc trưng để tính toán lưu lượng lý thuyết.
Tỷ lệ lưu lượng thực tế đo ở điều kiện tiêu chuẩn được tính theo biểu thức sau đây: tt tt tt m = V P
Tỷ lệ lưu lượng lý thuyết được tính theo biểu thức: lt s s m = Aρ C (2.24)
Diện tích piston được tính từ đường kính xi-lanh: π 2
Công thức tính mật độ:
Vận tốc dòng khí được tính toán bởi dòng đẳng entropy: k 1 k 2 s tt
Độ xoáy trong xi-lanh là chuyển động quay của dòng khí, giúp hòa trộn không khí và nhiên liệu thành một hỗn hợp đồng nhất nhanh chóng Đây là yếu tố quan trọng để ngọn lửa lan tỏa nhanh trong quá trình cháy Để tạo ra độ xoáy, cần thiết kế hệ thống nạp với thành phần tiếp tuyến tương ứng với dòng khí nạp vào xi-lanh, thông qua việc hình thành hình dáng và đường cong của họng nạp, rãnh hút và mặt piston.
Hình 2.1: Swirl Ảnh hưởng của độ xoáy đối với quá trình hòa trộn không khí – nhiên liệu :
Trong động cơ Diesel, thời gian hòa trộn không khí và nhiên liệu diễn ra rất nhanh, và việc gia tăng swirl (tăng SR) trong buồng cháy giúp đẩy nhanh quá trình này Kết quả là giảm lượng soot sinh ra trong quá trình giãn nở và tiết kiệm nhiên liệu Tuy nhiên, việc tăng swirl cũng dẫn đến sự phân bố đồng đều hơn của nhiên liệu, làm tăng nhiệt độ trong buồng cháy, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NOx trong quá trình cháy.
Hình 2.2: Chuyển động tiếp tuyến và chuyển động hướng trục
Tỷ số xoáy là một thông số vô hướng quan trọng, dùng để xác định số lượng chuyển động quay trong xi-lanh Nó có thể được xác định theo hai phương pháp khác nhau.
Cu là vận tốc tiếp tuyến của dòng khí trong xi-lanh, C = π D n u
CA là vận tốc hướng trục của dòng khí trong xi-lanh real A
Vận tốc tiếp tuyến và vận tốc hướng trục được xuất từ kết quả tính toán bằng phần mềm mô phỏng
Hình dưới đây minh họa sự biến đổi của tỷ số xoáy trong các giai đoạn của buồng cháy Tỷ số xoáy đạt mức cao trong quá trình nạp, nhưng giảm đi sau giai đoạn nén do tác động của ma sát với thành xi-lanh.
Hình 2.3: Sự thay đổi tỷ số xoáy qua các quá trình trong động cơ
2.3.3 Tổn thất trong đường ống
Tổn thất dọc đường ống:
Khi dòng chảy di chuyển trong ống, năng lượng sẽ bị mất do ma sát giữa khí và thành ống, cũng như giữa các phần tử khí với nhau Mức độ tổn thất năng lượng tăng lên khi quãng đường di chuyển dài hơn, và hiện tượng này được gọi là tổn thất năng lượng dọc đường, ký hiệu là hd.
Quá trình di chuyển của dòng khí nạp trong đường ống là ngắn, do đó có thể xem nhẹ sự tổn thất năng lượng trong suốt hành trình.
Tổn thất cục bộ trong đường ống:
Ngoài việc mất năng lượng dọc theo dòng chảy, đường ống còn gặp phải tổn thất cục bộ tại các vị trí có sự thay đổi tiết diện, ở những chỗ uốn cong và tại các van.
Trong trường hợp đường ống dài, tổn thất cục bộ thường không đáng kể so với tổn thất dọc đường và có thể được bỏ qua Ngược lại, đối với đường ống ngắn, tổn thất cục bộ lại có ảnh hưởng lớn đến tổng tổn thất trong hệ thống.
Từ các thí nghiệm, có thể nhận thấy rằng tổn thất cục bộ tỷ lệ thuận với tốc độ dòng khí Dựa trên đó, công thức tổng quát để tính toán tổn thất cục bộ đã được đề xuất.
Trong đó ξ được gọi là hệ số tổn thất năng lượng cục bộ phụ thuộc vào loại tổn thất và thường được xác định bằng thực nghiệm.
NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM VÀ THỰC NGHIỆM
Phân tích đánh giá và lựa chọn phương án thực nghiệm phù hợp
Dựa trên nghiên cứu mô phỏng biên dạng hình học của họng nạp động cơ RV165-2, hai phương án (Phương án 02 và Phương án 04) đã được chọn để chế tạo thực nghiệm dựa trên kết quả mô phỏng tốt, ý kiến chuyên gia và khả năng ứng dụng công nghệ cho sản xuất hàng loạt Đồng thời, để tăng tính so sánh, hai phương án thiết kế họng nạp RV165-2 đơn giản và chưa qua mô phỏng cũng được chế tạo để so sánh với họng nạp hiện tại Tổng cộng, năm phương án đã được chế tạo để tiến hành thí nghiệm thực nghiệm.
Hình 3.1 Mô hình 3D phương án hiện hữu
Hình 3.2 Phương án ngẫu nhiên 01
Hình 3.3 Phương án ngẫu nhiên 02
(Phương án 02 trong bài báo: Tăng độ cong)
(Phương án này có độ cong theo ống số 8
BOOST ) là 90mm, so với cổ nối hiện hữu là
40mm) Hình 3.4: Phương án cải tiến 01
(Phương án 04 trong bài báo: Tăng đường kính)
(Phương án này có đường kính ống 2 (mô hình BOOST ) là 60mm, so với cổ nối hiện hữu là
BOOST ) là 49mm, so với cổ nối hiện hữu là
44mm) Hình 3.5: Phương án cải tiến 02
Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm đo hiệu suất nạp (không có sự cháy) và quan sát định tính của dòng không khí nạp
cháy) và quan sát định tính của dòng không khí nạp
3.2.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống thí nghiệm
3.2.1.1 Mô hình thí nghiệm đo hiệu suất nạp (không có sự cháy)
Hình 3.6: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu suất nạp (không có sự cháy)
Hình 3.7: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu suất nạp của động cơ (không có sự cháy)
Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel 165-2, được dẫn động bởi động cơ điện thông qua hệ thống truyền động bằng bánh đai và dây đai Encoder gắn vào trục khuỷu qua bánh đà RV165-2 sẽ nhận tín hiệu số vòng quay và truyền về máy tính để hiển thị Động cơ điện được điều khiển bằng biến tần, cho phép điều chỉnh số vòng quay theo ý muốn một cách dễ dàng.
3.2.1.2 Mô hình thí nghiệm quan sát định tính dòng không khí nạp
Hình 3.8: Sơ đồ thí nghiệm đánh giá định tính của dòng khí nạp
Nguyên lý hoạt động của hệ thống quan sát định tính dòng không khí nạp tương tự như hệ thống đo hiệu suất nạp, nhưng không bao gồm quá trình cháy Có một số điểm quan trọng cần lưu ý trong quá trình này.
Khói màu được đưa vào đường nạp với nồng độ ổn định và đồng nhất trong các lần đo, giúp quan sát định tính dòng không khí nạp một cách hiệu quả.
• Xi-lanh được làm bằng vật liệu trong suốt (Arylic) có độ bền cao và độ trong suốt tới 91%
• Bộ Séc – măng được làm bằng Teflon để tránh làm trầy xước lồng Xi- lanh khi vận hành
• Camera đủ chất lượng để đáp ứng số vòng quay tương đối cao của động
Thí nghiệm được tiến hành để so sánh phương án cải tiến tốt nhất từ thực nghiệm với phương án hiện tại của động cơ, chỉ thực hiện đo đạc ở tốc độ 1200 vòng/phút.
3.2.2.1 Thiết bị sử dụng chung cho thí nghiệm đo hiệu suất nạp (không có sự cháy) và quan sát đánh giá định tính của dòng không khí nạp a Động cơ RV165-2
Hình 3.9: Động cơ RV165-2 trên băng thử b Thiết bị đo số vòng quay trục khuỷu(encoder)
Encoder được lắp đặt trên trục khuỷu của động cơ diesel, giúp gửi tín hiệu về máy tính để hiển thị tốc độ quay của động cơ khi điều khiển biến tần.
Biến tần cho phép điều chỉnh tần số nhờ vào nguồn điện 3 pha, từ đó điều khiển tốc độ quay của động cơ điện theo yêu cầu.
3.2.2.2 Thiết bị thử dùng riêng cho nghiên cứu đo hiệu suất nạp của động cơ
Trong thí nghiệm này, chúng tôi tiến hành đo tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong với các thiết bị đã được thiết lập Các thiết bị đo chuyên dụng bao gồm thiết bị đo lưu lượng không khí nạp, được sử dụng để xác định sự thay đổi của lưu lượng không khí Chúng tôi sử dụng Flowmeter của hãng AVL và thiết bị hiển thị Sensyflow của AVL, được gắn trên đường nạp của động cơ Đơn vị đo lưu lượng không khí nạp được tính bằng kg/h.
Thiết bị hiển thị lưu lượng khí Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp
Hình 3.11: Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp b Thiết bị đo nhiệt độGraphtec
Thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng để đo nhiệt độ không khí tại họng nạp và khí trời, bao gồm một cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao Cảm biến này được gắn trực tiếp vào khu vực cần đo và kết nối với màn hình hiển thị Graphtec Tín hiệu từ cảm biến sẽ được gửi về Graphtec, giúp người thực hiện thí nghiệm thu thập số liệu chính xác cần thiết.
Thiết bị đo áp suất TOYOTA 89420-20300 là một cảm biến được lắp đặt trực tiếp vào ống nạp của xi-lanh, giúp đo áp suất của dòng khí nạp Thiết bị này bao gồm cảm biến áp suất và mạch chuyển đổi tín hiệu, cho phép hiển thị số liệu đo được trên màn hình máy tính.
Hình 3.13: Cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300
3.2.2.3 Thiết bị thí nghiệm quan sát đánh giá định tính của dòng khí nạp a Camera có tốc độ cao và phần mềm tách ảnh Free Video to JPG Converter Một camera có độ phân giải cao là cần thiết để có thể thấy được hết quá trình diễn ra trong xi-lanh trong kỳ nạp của động cơ trong từng phương án thí nghiệm Mọi diễn biến trong xi-lanh sẽ được camera quay lại sau đó qua phần mềm Free video to JPG Converter sẽ được phân tích ra từng hình ảnh để phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá b Bộ Xi-lanh, Pistonvà Séc –măng đặc biệt
Xi-lanh được chế tạo từ vật liệu trong suốt (Acrylic), cho phép quan sát dòng không khí nạp vào bên trong Bộ Séc – măng bằng nhựa Teflon và Piston cũng được thiết kế đặc biệt nhằm ngăn chặn việc xước lồng xi-lanh trong suốt.
Hình 3.14: Xi-lanh được thiết kế trong suốt
Hình 3.16: Piston thiết kế mới 3.2.3 Phương pháp đo và xử lý số liệu
3.2.3.1 Phương pháp đo và xử lý số liệu của hệ thống đo hệ suất nạp không có sự tham gia của quá trình cháy a Phương pháp đo
Thực hiện tuần tự cho 05 phương án họng nạp theo quy trình như sau:
- Thí nghiệm được tiến hành sau khi đã thiết lập được thông số ổn định như tốc độ của động cơ
- Khởi động động cơ điện
Quan sát màn hình máy tính để theo dõi số vòng quay của động cơ RV165-2, đồng thời điều chỉnh biến tần nhằm đảm bảo động cơ hoạt động với vận tốc chính xác ở từng điểm đo.
- Ở từng điểm đo (điểm vận tốc) Ta tiến hành lấy số liệu:
• Khối lượng thực tế dòng khí nạp vào qua dụng cụ đo lưu lượng Flowmeter
• Nhiệt độ: khí nạp (Ta), nhiệt độ khí trời (To) bằng các cảm biến nhiệt độ và được hiển thị trên Graphtec
• Áp suất dòng không khí nạp (Pa), và áp suất khí quyển (Po) bằng cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300
- Mỗi điểm đo được thực hiện 03 lần để lấy giá trị trung bình b Xử lý số liệu thí nghiệm
Các thông số về nhiệt độ, áp suất của dòng khí nạp và khối lượng của nó được đo để tính toán hiệu suất nạp của từng phương án theo công thức.
𝜂 𝑣 : là hiệu suất nạp (%) m a : khối lượng không khí nạp thực tế (Kg/h) ρ a : là khối lượng riêng của không khítrên đường nạp (kg/𝑚 3 )
V̇ alt :là thể tích nạp lý thuyết (m 3 )
46 Đồng thời khi ta phân tích𝜌 𝑎 , ta được phương trình như sau: ρ a = ρ 0 P a
Trong đó: ρ 0 :là khối lượng riêng của không khí ở điều kiện bình thường
P a , P 0 :lần lượt là áp suất của không khí ở ống nạp và của khí trời (bar)
T a , T 0 :lần lượt là nhiệt độ của không khí ttrên đường nạp và của điều kiện bình thường (K)
Thể tích không khí nạp lý thuyết theo thời gian, khi phân tích ta được;
V h , V c :lần lượt là thể tích công tác và thể tích buồng cháy của động của
Động cơ diesel 4 kỳ có số kỳ 𝜏 = 4 và số vòng quay nl = vòng/phút Để phát triển phương trình (1), ta thay đồng thời hai phương trình (3.2) và (3.3) vào (3.1), dẫn đến kết quả: η v = 120.ṁ a.
P a và P 0 :được đo thông qua thí nghiệm nhờ thiết bị đo áp suất (bar) ṁ a :được đo thông qua thiết bị đo khối lượng không khí nạp (Kg/h)
T a , T 0 :được đo thông qua các cảm biến nhiệt độ (K)
3.2.3.2 Phương pháp đo và xử lý số liệu củahệ thống quan sát đánh giá đặc tính của dòng khí nạp
- Thông qua động cơ điện và biến tần điều khiển động cơ RV165-2 hoạt động ở số vòng quay 1200 v/ph
- Cho khói màu có nồng độ giống nhau và ổn định cho từng trường hợp đo vào họng nạp của động cơ
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu suất nạp (có sự cháy), các thông số kỹ thuật và phát thải ô nhiễm trên băng thử tải động cơ
số kỹ thuật và phát thải ô nhiễm trên băng thử tải động cơ
3.3.1 Sơ đồ thực nghiệm và nguyên lý vận hành Động cơ được bố trí và lắp đặt trên băng thử tải thưc tế tại công ty SVEAM Các cảm biến và thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, và khối lượng không khí nạp được bố trí tương tự như trong thí nghiệm đo áp suất nạp (không có sự cháy) Ngoài ra, hệ thống thực nghiệm còn được trang bị các thiết bị đo khí thải (HESHBON HG-520) và độ mờ khói (Dismoke 4000 AVL) để đánh giá sự phát thải ô nhiễm ra môi trường Các phương án họng nạp lần lượt được thay thế vào động cơ để chạy thực nghiệm và đánh giá các thông số kỹ thuật (công suất, mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu) cũng như sự phát thải ô nhiễm ở 02 chế độ đo là: đặc tính ngoài và ở công
Hình 3.17: Sơ đồ thực tế thực nghiệm đánh giá hiệu suất nạp (có quá trình cháy)
Hình 3.18: Sơ đồ thực nghiệm
3.3.2 Các thiết bị thí nghiệm
Hình 3.19: Động cơ RV165-2 của công ty SVEAM
3.3.2.2 Các thiết bị đo nhiệt độ, áp suất và khối lượng dòng không khí nạp
Trong quá trình thí nghiệm đo hiệu suất nạp của động cơ không có sự cháy, một số thiết bị đo quan trọng từ phòng thí nghiệm động cơ đốt trong đã được sử dụng, bao gồm thiết bị đo lưu lượng khí nạp Flowmeter của hãng AVL, thiết bị đo nhiệt độ Graphtec và cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300.
3.3.2.3 Thiết bị đo độ mờ khói
Thiết bị đo độ mờ khói AVL Dismoke là công cụ quan trọng để kiểm tra và đo phần trăm độ mờ khói trong khí xả từ động cơ Thiết bị này bao gồm một buồng đo, được cắm trực tiếp vào đường xả của động cơ, giúp phân tích và truyền tín hiệu về màn hình hiển thị.
Hình 3.20: Máy đo độ mờ khói AVL Dismoke 4000
3.3.2.4 Thiết bị đo phân tích khí thải
Thiết bị đo phân tích khí thải HG-520 dùng để đo thành phần phần trăm của
CO 2 , CO và phần triệu của HC và NO x trong khí thải của động cơ Thiết bị này gồm
1 ống đo để gắn trực tiếp vào đường xả của động cơ, dòng khí xã sẽ đi vào buồng đo sau đó hiển thị trên màn hình
Hình 3.21: Máy đo thành phần khí thải HG-520
3.3.2.5 Các thiết bị đo tại nhà máy công ty SVEAM
Bài viết này đề cập đến các thiết bị quan trọng trong việc đo lường hiệu suất của động cơ diesel, bao gồm thiết bị đo công suất bằng thủy lực, cảm biến quang để đo số vòng quay và hệ thống đo suất tiêu hao nhiên liệu Những công cụ này giúp đánh giá chính xác hiệu suất hoạt động của động cơ, từ đó cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm thiểu khí thải.
3.3.3 Phương pháp đo và xử lý số liệu
3.3.3.1 Phương pháp đo Đối với từng phương án thiết kế họng nạp Ta thực hiện phép đo tuần tự như sau:
- Chạy rà không tải động cơ 15 phút
- Chạy đánh giá đường đặc tính ngoài:
• Kéo cần ga max để động cơ đạt số vòng quay cực đai 2550 v/ph
• Bắt đầu đặt tải vào động cơ (mô – men) để số vòng quay của động cơ giảm dần tới các điểm đo là: 2400, 2200, 2000, 1800,
Tại mỗi điểm đo, chúng ta ghi nhận các thông số quan trọng bao gồm nhiệt độ và áp suất của dòng không khí nạp, nhiệt độ và áp suất khí quyển, khối lượng dòng không khí nạp, mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu, cùng với các thông số đặc trưng của khí thải như Soot, CO, NOx và HC.
Chạy đánh giá công suất định mức 14 Hp (10,29 KW) ở vòng quay 2200 v/ph là điểm công suất mà nhà cung cấp khuyến cáo người tiêu dùng nên sử dụng.
• Cài đặt động cơ hoạt động ở số vòng quay 2200 v/ph và mô-men kéo của động cơ là 44.6 N.m tương ứng với công suất là 14Hp (10,29 KW)
• Ở điểm đo này ta cũng thu thập những số liệu nhiệt độ và áp suất dòng không khí nạp, nhiệt độ và áp suất khí quyển, khối lượng
52 dòng không khí nạp, suất tiêu hao hiêu liệu, và các thông số đặc tính khí thải: Soot, CO, NOx, HC
- Mỗi điểm đo được thực hiện 03 lần để lấy giá trị trung bình
Tương tự như ở thí nghiệm đo hiệu suất nạp không có sự tham gia của quá trình cháy
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Xác định đặc tính làm việc và khí thải của động cơ RV165-2 hiện hữu
Hình 4.1: Đặc tính ngoài của động cơ RV165-2 hiện tại
Hình 4.2:Thành phần CO trong khí thải Hình 4.3:Thành phần PM trong khí thải
Hình 4.4: Thành phần HC trong khí thải Hình 4.5:Thành phần NOx trong khí thải
Động cơ RV165-2 có công suất cực đại đạt khoảng 16,39 HP (12,05 kW) tại tốc độ 2400 v/ph và mô-men cực đại khoảng 5,05 kG.m (49,5 N.m) tại tốc độ 1800 v/ph, như được trình bày trong Hình 4.1.
Kết quả đánh giá khí thải tiêu biểu của động cơ, như thể hiện trong Hình 4.2 và Hình 4.3, cho thấy nồng độ CO và thành phần PM ở mức rất cao, trong khi kết quả từ HC+NOx lại thấp nhất So với tiêu chuẩn khí thải EPA TIER, các chỉ số này cần được xem xét kỹ lưỡng.
Mặc dù áp dụng cho các loại động cơ diesel tĩnh tại công suất nhỏ, nhưng mức khí thải vẫn vượt ngưỡng cho phép Nguyên nhân chủ yếu là do động cơ được thiết kế từ công nghệ cũ, thiếu các cải tiến đáng kể để nâng cao hiệu suất và giảm khí thải.
4.2 So sánh và đánh giá các phương án so với động cơ hiện hữu
4.2.1 Trên hệ thống thí nghiệm đo hiệu suất nạp (không có sự cháy)
Hình 4.6: Hiệu suất nạp đo trên hệ thống thử nghiệm (không có sự cháy)
Phương án cải tiến số 02 đã nâng cao hiệu suất nạp ở hầu hết các điểm vận tốc thử nghiệm, đặc biệt là ở các dãy tốc độ cao Cụ thể, tại tốc độ 2400 v/ph, hiệu suất nạp tăng 10,14% so với họng nạp hiện tại của động cơ Sự gia tăng đường kính họng nạp đã giúp tăng khối lượng không khí nạp thực tế, từ đó nâng cao hệ số lưu lượng và cải thiện hiệu suất nạp tổng thể.
4.2.2 Trên băng thử thực tế (có sự cháy)
4.2.2.1 Hiệu suất nạp (Có sự cháy)
Hình 4.7: Đồ thị so sánh Hiệu suất nạp thực tế (có sự cháy)
Phương án cải tiến đường họng nạp số 02 đã cho kết quả khả quan trên băng thử thực tế, với hiệu suất nạp cao hơn đáng kể so với các phương án khác Cụ thể, hiệu suất nạp trung bình tăng 5,42% tại tất cả các điểm đo trong hệ thống thí nghiệm.
4.2.2.2 Đặc tính làm việc a Công suất
Hình 4.8 : Đồ thị so sánh Công suất b Moment
Hình 4.9: Đồ thị so sánh Moment
58 c Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 4.10: Đồ thị so sánh Suất tiêu hao nhiên liệu
Phương án họng nạp cải tiến 02 đã nâng cao hiệu suất nạp ở tất cả các điểm đo, giúp động cơ RV165-2 nạp nhiều không khí hơn và cải thiện quá trình hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí Kết quả là công suất lớn nhất của động cơ tăng 3,27%, mô-men lớn nhất tăng 2,32%, trong khi suất tiêu hao nhiên liệu ở công suất định mức giảm 5,48% so với phiên bản hiện hữu.
Hình 4.11:Thành phần CO trong khí thải Hình 4.12: Thành phần PM trong khí thải
Hình 4.13:Thành phần HC trong khí thải Hình 4.14:Thành phần NOx trong khí thải
Nồng độ PM và thành phần khí thải của các phương án họng nạp tương đối giống nhau, tuy nhiên, phương án cải tiến họng nạp số 02 cho thấy sự giảm đáng kể về phần trăm CO và NOx so với phương án hiện tại.
4.2.2.4 Tại điểm công suất định mức (n= 2200 v/ph và M= 44,6N.m)
Hình 4.15: Hiệu suất nạp Hình 4.16: Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 4.17: Thành phần CO trong khí thải Hình 4.18:Thành phần PM trong khí thải
Hình 4.20: Thành phần HC trong khí thải
Tại điểm đo suất định mức, phương án cải tiến họng nạp số 02 cho hiệu suất nạp cao hơn 5,46% so với phương hiện hữu, giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu xuống 5,48%, từ 206,78 g/Hp.h xuống còn 195,44 g/Hp.h Nếu động cơ hoạt động ở công suất định mức 8 giờ mỗi ngày trong 1 năm, lượng nhiên liệu tiết kiệm được là 551,88 lít, tương đương với việc giảm chi phí vận hành gần 8,3 triệu đồng khi giá dầu Diesel là 15.000 đồng/lít.
4.2.3 So sánh định tính dòng không khí nạp giữa phương án cải tiến 02
(phương án tốt nhất) và phương án hiện hữu tại vận tốc n= 1200 v/ph
Thời điểm Phương án hiện hữu Phương án cải tiến 02 Đầu kì nạp
Hình 4.19:Thành phần NOx trong khí thải
Hình ảnh cho thấy khả năng nạp không khí của phương án cải tiến họng nạp số 02 vượt trội hơn so với phương án hiện tại Trong suốt các giai đoạn khác nhau của kỳ nạp, phương án cải tiến luôn hút được nhiều không khí hơn, chứng tỏ hiệu suất được cải thiện rõ rệt so với phương án hiện hữu của động cơ.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
