(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng ngồn nhiệt từ nước làm mát

Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 (Ký tên ghi rõ họ tên) Mang Tấn Thụ HVTH: Mang Tấn Thụ iii MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng LỜI CẢM TẠ Trong khoảng thời gian học tập nghiên cứu mái trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thân yêu này, tơi nhận hướng dẫn tận tình, quan tâm sâu sắc quý thầy cô Thầy cô tạo điều kiện tốt truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho tơi, tảng, động lực cho học tập nghiên cứu, kiến thức tơi vận dụng có ích, linh hoạt vào đời sống sau Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Cơ khí Động lực q thầy khoa khác trang bị cho nhiều kiến thức hay bổ ích, kiến thức làm tảng cho vận dụng vào luận văn thạc sỹ Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới người thầy đáng kính PGS.TS Đỗ Văn Dũng, người mà tận tình, tận tâm tạo điều kiện tốt để hướng dẫn cho tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn KS Phan Đạt hỗ trợ nhiều thiết bị mô Mặc dù tơi hồn thành luận văn cịn thiếu sót, tơi mong nhận đóng góp chân tình q thầy hội đồng đọc giả Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp gửi lời cảm ơn sâu sắc tới quý thầy cô, chúc q thầy gia đình ln vui vẻ, mạnh khoẻ, hạnh phúc, thành đạt nghiệp trồng người Học viên cao học Mang Tấn Thụ HVTH: Mang Tấn Thụ iv MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng TÓM TẮT Từ động đốt đời, cơng nghiệp bắt đầu phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng xe ô tô ngày phổ biến, theo thời gian nguồn nhiên liệu hố thạch ngày cạn kiệt, nhu cầu cấp thiết đặt cho nhà nghiên cứu cải tiến cách có hiệu vừa đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật, môi trường độ bền Như ta biết động đốt muốn hoạt động tốt dãi nhiệt độ từ 85o C – 102oC, thực tế khởi động vào buổi sáng động cịn lạnh theo nhiệt độ mơi trường Chính mà nhà nghiên cứu tính tốn đưa giải pháp phun lượng nhiên liệu đủ lớn động nhanh nóng lên để đạt dải nhiệt độ tối ưu Với ý tưởng có điểm hạn chế là: thứ lượng nhiên liệu bị thải môi trường gây ô nhiễm làm tiêu hao nhiên liệu mức bình thường, thứ hai lượng nhiên liệu cịn lại buồng đốt khơng cháy rửa trơi nhớt bơi trơn làm mài mịn dần xecmang xylanh động Với ý tưởng cho nhiệt độ động khởi động lạnh tiến gần với dải nhiệt độ hoạt động tối ưu động cơ, tận dụng nguồn nhiệt từ nước giải nhiệt để gia nhiệt cho động trước khởi động lạnh Bằng cách sử dụng phần mềm mô động lực học Catia kết hợp với phần mềm mơ nhiệt Comsol, nghiên cứu dự đốn suất tiêu hao nhiên liệu động cách xác hiệu vừa tiết kiệm thời gian nguồn chi phí Trong luận văn tơi sử dụng phần mềm Matlab dùng để tính tốn tốc độ cầm chừng, thời gian cầm chừng, suất tiêu hao nhiên liệu q trình khởi động có hệ thống gia nhiệt khơng có hệ thống gia nhiệt cho động Từ so sánh hai trường hợp rút kết luận Từ khoá: động cơ; hệ thống gia nhiệt cho động cơ; suất tiêu hao nhiên liệu; tốc độ cầm chừng; thời gian cầm chừng; truyền nhiệt; phần mềm CATIA; phần mềm Comsol HVTH: Mang Tấn Thụ v MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Abtract: Since the introduction of the internal combustion engine, it is also the industry that began to develop strongly, the demand for cars is becoming more and more popular, over time, the source of fossil fuels is increasingly exhausted, because It is an urgent need for researchers to improve the efficiency of the economy, technology, environment and durability As we know the internal combustion engine wants to work best in the temperature range of 85o C - 102oC, in fact when it is started in the morning, the engine is still cold according to the ambient temperature Therefore, the researchers calculated the solution is to spray a sufficient amount of fuel to let the engine heat up quickly to reach the optimum temperature range With this idea, there are limitations: the first amount of fuel will be discharged into the environment causing pollution and fuel consumption than normal, and the second is the amount of fuel remaining in the combustion chamber Combustion will wash away lubricant and gradually wear out the cylinder and engine cylinder The idea is to bring the engine temperature on cold start closer to the optimum operating temperature range of the engine, which is to take advantage of the heat source from the cooling water to heat the engine before starting cold By using Catia fluid dynamics simulation software in conjunction with Comsol, the study predicts engine fuel consumption accurately and efficiently while saving time and cost In this dissertation, I use Matlab software to calculate the moderation speed, time delay, fuel consumption of the start process with heating system and no heating system for the engine From there compare the two cases and draw conclusions Keywords: engine; heating system for the engine; fuel consumption rate; moderate speed; time moderately; heat Transfer; CATIA software; Comsol software HVTH: Mang Tấn Thụ vi MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng MỤC LỤC MỤC LỤC…… vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x KÝ HIỆU ĐƠN VỊ……… …………………………………………………… xii DANH SÁCH CÁC HÌNH xiiiii DANH SÁCH CÁC BẢNG .xv Chương 1……………… TỔNG QUAN……………… 1.1 Dẫn nhập 1.2 Lý chọn tài 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 1.3.1 Nghiên cứu nước 1.3.2 Nghiên cứu nước 12 1.4 Mục tiêu đề tài 14 1.5 Nhiệm vụ đề tài 15 1.6 Giới hạn đề tài 15 1.7 Đối tượng nghiên cứu .15 1.8 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 15 1.9 Phương pháp nghiên cứu 16 1.10 Kế hoạch thực .16 Chương …………………………….17 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18 2.1 Lý thuyết truyền nhiệt …………… .…….…… ………….……….….….18 2.2 Định luật cấp nhiệt NEWTON….………… ……… …………… ….18 2.2.1 Phát biểu định luật… …… ……… ……… ………… ………20 2.2 2Công thức…………………………………………… ……… … …… 21 2.3 Suất tiêu hao nhiên liệu hiệu suất tiêu hao nhiên liệu …………………… 24 2.4 Phần mềm mô ….25 2.4.1 Giới thiệu 25 HVTH: Mang Tấn Thụ vii MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Chương 3……………….………………………………………………………….28 THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG.…………………………………… 28 3.1 Giới thiệu hệ thống làm mát ô tô nay………… …………… ……28 3.2 Giới thiệu tổng quan hệ thống thu hồi nước giải nhiệt……… .29 3.2.1 Sơ đồ hệ thống…………….…………………….…………… .29 3.3 Cấu tạo……………………………………………………………… …… 30 3.3.1 Cấu tạo bình lưu trữ nước làm mát…………………… .………… 32 3.3.2 Cấu tạo bơm nước bình lưu trữ…… .34 3.3.3 Cấu tạo van nước…………………… ………… .…………….35 3.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống…………………………………………….39 3.4.1 Chế độ gia nhiệt…………………………………………………………… 38 3.4.2 Chế độ khởi động…………………………………………………………….40 3.4.3 Chế độ lưu trữ (trong xe chạy)…………………………………… 41 3.4.4 Chế độ lưu trữ (IG-OFF)…………………………………………………… 42 3.5 Xác định thông số cửa mơ hình thí nghiệm 44 3.6 Xây dựng lưu đồ thuật toán sơ đồ mạch điện hệ thống 44 3.6.1 Số chân Digital chân Analog cần sử dụng 47 3.7 Tính tốn tổn thất nhiệt q trình hâm nóng động cơ……………………47 3.7.1 Tổn thất nhiệt ống từ bình chứa vào động cơ………………………… 47 Chương 51 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN… …………………… ……… … 51 4.1 Mục tiêu thực nghiệm 51 4.2 Thiết kế mơ hình mơ phỏng……………………………………………………51 4.2.1 Xác định tốn mơ phỏng…………………………………………………51 4.2.2 Thiết kế mơ hình khối động cần mô bàng phần mềm CATIA.52 4.3 Kết mô …… ………………………………………………………55 4.3.1 Sự trao đổi nhiệt khối mơ hình………………………………………… 55 4.3.2 Các thơng khối nước giải nhiệt………………………………… 56 4.3.3 Các thông khối động cơ………………………………………….59 4.3.4 Các thông khối khơng khí……………………………………… 60 HVTH: Mang Tấn Thụ viii MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng 4.4 Thảo luận……………………………………………………………………….61 Chương 63 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT…………………………………… 63 5.1 Kết luận ……………………………………………………………………… 63 5.2 Đề xuất…………………………………………………………………………63 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………….… …………… ….65 HVTH: Mang Tấn Thụ ix MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AQI: Air Quality Index – Chỉ số chất lượng khơng khí CA: Crankshaft Angle – Góc quay trục khuỷu CATIA V5: Computer Aided Three Dimensional Interactive Application – Xử lý tương tác không gian ba chiều có hỗ trợ máy tính CAE: Computer – Aided Engineering – Kỹ thuật có hỗ trợ máy tính ECU: Electronic Control Unit – Hộp điều khiển động điện tử EGR: Exhaust Gas Recirculation – Hệ thống luân hồi khí xả EOS: Equation Of State – Phương trình trạng thái EVC: Exhaust Valve Close – Thời điểm xú–pap thải đóng EVO: Exhaust Valve Open – Thời điểm xú–pap thải mở FEA: Finite Element Analysis – Phân tích phần tử hữu hạn FSD: Flame Surface Density – Mật độ bề mặt lửa GDI: Gasoline Direct Injection – Phun xăng trực tiếp GUI: Graphic User Interface – Giao diện trực quan với người dùng LIS: Laser Ignition System – Hệ thống đánh lửa laser LI: Laser Ignition – Đánh lửa laser ICE: Internal Combustion Engine – Động đốt IMEP: Indicated Mean Effective Pressure – Áp suất thị hiệu dụng trung bình IVC: Intake Valve Close – Thời điểm xú–pap nạp đóng IVO: Intake Valve Open – Thời điểm xú–pap nạp mở MPE: Minimum Plasma Energy – Năng lượng tia laser tối thiểu MIE: Minimum Ignition Energy – Năng lượng đánh lửa tối thiểu HVTH: Mang Tấn Thụ x MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng MFB: Mass Fraction Burn – Khối lượng khí cháy PM: Particulate Matter – Chất dạng hạt PPM: Part Per Million – Một phần triệu SI: Sparrk Ignition – Đánh lửa cưỡng SOHC: Single OverHead Camshaft – Trục cam đơn đặt nắp máy SIS: Spark Ignition System – Hệ thống đánh lửa cưỡng UV: Ultra Violet – Tia cực tím WHO: World Health Organization – Tổ chức Y tế Thế giới RON: Reasearch Octance Number – Chỉ số ốc tan xác định theo phương pháp nghiên cứu VVT: Variable Valve Timing – Hệ thống phối khí biến thiên VCR: Variable Compression Ratio – Hệ thống tỷ số nén biến thiên HVTH: Mang Tấn Thụ xi MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng KÍ HIỆU ĐƠN VỊ  AC : diện tích mặt cắt, m2  BTĐN : trao đổi nhiệt  Dh : đường kính quy ước, m  F : hệ số ma sát Fanning  H : hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K  k : hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K  L : chiều dài kênh mini, m  m : lưu lượng khối lượng, kg/s  NTU : số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit)  Nu : số Nusselt  p : áp suất, Pa  P : đường kính ướt, m  Q : lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W  q : mật độ dòng nhiệt, W/m2  Re : số Reynolds  T : nhiệt độ, K  𝜇 : độ nhớt động lực học, Ns/m2  𝜌 : khối lượng riêng, kg/m3  𝜆 : hệ số dẫn nhiệt, W/m K  𝜔 : vận tốc, m/s  𝜌 : hiệu suất  𝜉 : số hoàn thiện, W/kPa  ∆T : nhiệt độ chênh lệch, K  ∆p : tổn thất áp suất, Pa HVTH: Mang Tấn Thụ xii MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Thời gian hâm nóng động diễn vòng khoảng phút Xe phun lượng nhiên liệu nhiều bình thường hỗn hợp nhiên liệu trở nên giàu Vì vào buổi sáng chi tiết đường ống nạp cịn nhiệt độ thấp, phun nhiên liệu lượng nhiên liệu bám vào chi tiết đường ống nạp, dẫn đến tượng xe khó nổ Dựa vào kết mơ bên ta đánh giá nước từ bình nước lưu trữ làm nóng sơ phần nắp máy, nước bình lưu trữ tầm 700C có mát nhiệt độ qua đêm, theo thông số kỹ thuật nhà sản xuất Khi bơm lượng nhiệt từ nước nóng trao đổi với khơng khí, động chất trung gian cho trao đổi nhiệt Nhiệt độ động lúc nhiệt độ nước hâm nóng Trong q trình hâm nóng khoảng 40 giây lượng nhiệt trao đổi với khơng khí khoảng 280C Vì kết mô bên giây nhiệt độ nước giảm 0,70C Do , nhiệt độ nước sau trao đổi nhiệt với khơng khí khoảng 420C Với kết ta so sánh với thơng số kỹ thuật xe Ford Escape bỏ ln chế độ hâm nóng động HVTH: Mang Tấn Thụ 62 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 5.1 Kết luận Có nhiều cách để cải thiện việc khởi động động cịn lạnh - Hâm nóng động trước khởi động - Hâm nóng dầu bơi trơn - Pha lỗng dầu bơi trơn - Sấy nóng khơng khí khởi động - Hâm nóng nhiên liệu - Làm giàu thêm khả tự bốc cháy nhiên liệu Thông qua việc tính tốn mơ ta thấy Việc sử dụng lắp đặt hệ thống lên xe ô tô phổ thơng dùng bơm nước xe có hệ thống phun nhiên liệu đường ống nạp, chế độ hâm nóng khởi động động khơng cịn Điều có ý nghĩa lớn việc tiết kiệm nhiên liệu, tăng tuổi thọ động cơ, giảm nhiễm mơi trường khí thải tơ Trên xe phổ thơng đời cũ chế độ Điều cho thấy lượng nhiên liệu phun nhiều vào buổi sáng để giúp động đạt nhiệt độ tối thiểu đề hoạt động ổn định Ngồi lượng nhiên liệu dư bám vào đường ống nạp thành xilanh động tràn xuống rửa trôi nhớt giữ bạc xecmang xilanh làm cho bôi trơn q trình piston lên xuống khơng cịn tốt Tình trạng kéo dài dẫn đến thành xylanh mau bị xước bạc xecmang mau mòn Bên cạnh lượng xăng dư cháy khơng hết thải ống xả gây ô nhiễm môi trường 5.2 Kiến nghị Mặc dù đề tài dừng việc tính tốn, mơ so sánh thơng số khơng xác cách tuyệt đối Nhưng, sau mơ tính HVTH: Mang Tấn Thụ 63 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng tốn ta thấy hiệu mà hệ thống mang lại tích cực Hệ thống hồn tồn chế tạo lắp đặt thương mại hóa xe phổ thơng Tuy vậy, đề tài dừng lại mức tính tốn, mơ việc so sánh tối ưu xe gắn hệ thống chưa gắn Đề tài chưa sâu tính tốn lượng nhiên liệu tiêu hao hay tính tốn thơng số kỹ thuật hệ thống Chính việc tính tốn mơ mở hướng việc tính tốn thiết kế hệ thống, ứng dụng công nghệ, hệ thống xe cải thiện nhược điểm mà xe ô tô phổ thông đời cũ mắc phải HVTH: Mang Tấn Thụ 64 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hưởng, Lê Phong Khơng khí hai thị ô nhiễm nặng Tạp chí Trung tâm Phát triển Sáng tạo (GreenID), 19/05/2018 [2] Douglas T., Peterson, C Matthew (Eds.) Reproductive Endocrinology and Infertility [3] Gregory P Meisner System and method to determine the state of charge of a battery using magnetostriction to detect magnetic response of battery material October 2014 [4] Ghojel, J I., & Haidar, J G (2002) Waste heat recovery in heat engines by direct heat-to-electricity energy conversion In F N Ani (Ed.), Cleaner Combustion for a Green Environment: Proceedings of the 6th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization (pp 518 - 524) Malaysia: Universiti Teknologi Malaysia [5] Kalyan Kumar Srinivasan, Pedro J Mago, Analysis of Exhaust Waste Heat Recovery from a Dual Fuel Low Temperature Combustion Engine using an Organic Rankine Cycle, Article in Energy 35(6):2387-2399 · June 2010 [6] Habib Aghaali, Hans-Erik Ångström, A review of turbocompounding as a waste heat recovery system for internal combustion engines, 2015, vol 49, issue C, 813824 [7] R Saidur, M Rezaei, W K Muzammil, M H Hassan, M Hasanuzzaman, Technologies to recover exhaust heat from internal combustion engines, Volume 16, Issue 8, October 2012, Pages 5649-5659 [8] Assmelash Negash, Young Min Kim, Dong Gil Shin, Gyu Baek Cho, Optimization of organic Rankine cycle used for waste heat recovery of construction equipment engine with additional waste heat of hydraulic oil cooler, Energy, Volume 143, 15 January 2018, Pages 797-811 HVTH: Mang Tấn Thụ 65 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng [9] Dipak S Patil, Rachayya R Arakerimath, Pramod V Walke, Thermoelectric materials and heat exchangers for power generation – A review, Volume 95, November 2018, Pages 1-22 [10] Yiji Lu, Anthony Paul Roskilly, Xiaoli Yu, Ke Tang, Yaodong Wang, Parametric study for small scale engine coolant and exhaust heat recovery system using different Organic Rankine cycle layouts, Volume 127, 25 December 2017, Pages 1252-1266 [12] Sangki Park, Seungchul Woo, Jungwook Shon, Kihyung Lee, Experimental study on heat storage system using phase-change material in a diesel engine, Received 31 May 2016, Revised November 2016, Accepted November 2016, Available online 17 November 2016 [13] Lê Quang vũ, Nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ, luận văn Thạc Sỹ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM [14] GS.TS Lê Viết Lượng, nghiên cứu đề xuất sử dụng nồi kiểu MODUYN thu hồi nhiệt phát thải động tàu thủy ĐH Hàng Hải [15] Nguyễn Hà Hiệp, thí nghiệm thu thập thông số mô-đun nhiệt điện, 2010 [16] https://advancecad.edu.vn/phan-mem-catia/ [17]https://advancecad.edu.vn/phan-mem-phan-tich-phan-tu-huu-han-comsolmultiphysics/ [18] https://www.obdvietnam.vn/news/24858/tieng-anh-chuyen-nganh-o-to-phan84-he-thong-lam-mat-hoat-dong-nhu-the-nao.html [19] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [20] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [21] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [22] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [23] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [24] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [25] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf HVTH: Mang Tấn Thụ 66 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng [26] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [27] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [28] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [29] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [30] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [31] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [32] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf [33] https://attachments.priuschat.com/attachment-files/2015/05/74972_1nzfe9.pdf HVTH: Mang Tấn Thụ 67 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIA NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ NƯỚC LÀM MÁT STUDY ON CREATING THE HEAT SYSTEM FOR ENGINE USING HEAT SOURCE FROM COOLING WATER PGS.TS Đỗ Văn Dũng , [2]KS Mang Tấn Thụ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Học viên Cao học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM [1] TÓM TẮT Từ động đốt đời, cơng nghiệp bắt đầu phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng xe ô tơ ngày phổ biến, theo thời gian nguồn nhiên liệu hố thạch ngày cạn kiệt, nhu cầu cấp thiết đặt cho nhà nghiên cứu cải tiến cách có hiệu vừa đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật, môi trường độ bền Như ta biết động đốt muốn hoạt động tốt dãi nhiệt độ từ 850 C – 1020 C, thực tế khởi động vào buổi sáng động cịn lạnh theo nhiệt độ mơi trường Chính mà nhà nghiên cứu tính tốn đưa giải pháp phun lượng nhiên liệu đủ lớn động nhanh nóng lên để đạt dải nhiệt độ tối ưu Với ý tưởng có điểm hạn chế là: thứ lượng nhiên liệu bị thải môi trường gây ô nhiễm làm tiêu hao nhiên liệu mức bình thường, thứ hai lượng nhiên liệu cịn lại buồng đốt không cháy rửa trôi nhớt bơi trơn làm mài mịn dần xecmang xylanh động Với ý tưởng cho nhiệt độ động khởi động lạnh tiến gần với dải nhiệt độ hoạt động tối ưu động cơ, tận dụng nguồn nhiệt từ nước giải nhiệt để gia nhiệt cho động trước khởi động lạnh Bằng cách sử dụng phần mềm mô động lực học Catia kết hợp với phần mềm mô nhiệt Comsol, nghiên cứu dự đoán suất tiêu hao nhiên liệu động cách xác hiệu vừa tiết kiệm thời gian nguồn chi phí Trong luận văn tơi sử dụng phần mềm Matlab dùng để tính tốn tốc độ cầm chừng, thời gian cầm chừng, suất tiêu hao nhiên liệu q trình khởi động có hệ thống gia nhiệt khơng có hệ thống gia nhiệt cho động Từ so sánh hai trường hợp rút kết luận Từ khoá: động cơ; hệ thống gia nhiệt cho động cơ; suất tiêu hao nhiên liệu; tốc độ cầm chừng; thời gian cầm chừng; truyền nhiệt; phần mềm CATIA; phần mềm Comsol Abtract: Since the introduction of the internal combustion engine, it is also the industry that began to develop strongly, the demand for cars is becoming more and more popular, over time, the source of fossil fuels is increasingly exhausted, because It is an urgent need for researchers to improve the efficiency of the economy, technology, environment and durability As we know the internal combustion engine wants to work best in the temperature range of 85o C 102oC, in fact when it is started in the morning, the engine is still cold according to the ambient temperature Therefore, the researchers calculated the solution is to spray a sufficient amount of fuel to let the engine heat up quickly to reach the optimum temperature range With this idea, there are limitations: the first amount of fuel will be discharged into the environment causing pollution and fuel consumption than normal, and the second is the amount of fuel remaining in the combustion chamber Combustion will wash away lubricant HVTH: Mang Tấn Thụ 68 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng and gradually wear out the cylinder and engine cylinder The idea is to bring the engine temperature on cold start closer to the optimum operating temperature range of the engine, which is to take advantage of the heat source from the cooling water to heat the engine before starting cold By using Catia fluid dynamics simulation software in conjunction with Comsol, the study predicts engine fuel consumption accurately and efficiently while saving time and cost In this dissertation, I use Matlab software to calculate the moderation speed, time delay, fuel consumption of the start process with heating system and no heating system for the engine From there compare the two cases and draw conclusions Keywords: engine; heating system for the engine; fuel consumption rate; moderate speed; time moderately; heat Transfer; CATIA software; Comsol software HVTH: Mang Tấn Thụ 69 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ I.GIỚI THIỆU Hiện nay, có nhiều cơng trình khoa học tập trung giải vấn đề động đốt nâng cao hiệu suất, giảm khí thải gây ô nhiễm Nhiều nghiên cứu mô áp dụng nhiều cải tiến động chủ yếu cải tiến đường ống nạp, cải tiến đường ống xả, riêng với đề tài chọn cải tiến suất tiêu hao nhiên liệu, tăng tuổi thọ động giảm khí thải gây nhiễm mơi trường hệ thống gia nhiệt động Douglas T cộng [1] chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải ô tô Cấu trúc máy phát điện Cơng trình đầu tư với kinh phí đến 12 triệu USD vốn từ DOE triệu USD, triệu USD lại đến từ nguồn đầu tư khác có BMW Ford Kết thu có đặc Cơng trình chủ yếu tập trung phát triển chế thu hồi nhiệt phát thải cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán dẫn dùng chất lỏng làm mát thử nghiệm xe Ford Lincoln BMW X6 Kết cho thấy, công suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng cặp nhiệt điện đạt 5000 C hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10% Tuy nhiên, cơng trình nằm phịng thí nghiệm, tốn kinh phí lớn tuổi thọ đạt khoảng tháng Kết cấu vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo phân bố nhiệt độ không đồng đường ống xả Cùng nằm đề án này, Gregory P Meisner [2] chế tạo thu hồi nhiệt với mô-đun nhiệt điện tách rời Cơng trình tham gia hội thảo ứng dụng nhiệt điện lần thứ ngày 21/03/2012 Baltimore, Maryland lượng Mỹ đầu tư với kinh phí 12 triệu USD Cơng trình sử dụng thu hình hộp nhỏ, dẹt có bề rộng lớn đặt đường ống xả để làm chậm vận tốc khí xả HVTH: Mang Tấn Thụ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng tăng thời gian trao đổi nhiệt Mặt trao đổi nhiệt bố trí nhiều dãy mơ-đun nhiệt điện chế tạo từ vật liệu Skutterudite Bi-Te, mặt nóng tiếp xúc với thu nhiệt, mặt lạnh tiếp xúc với nước làm mát Kết Hình 1.5 cho thấy dịng khí vào thu có nhiệt độ 5500 C nhiệt độ bên nóng Skutterudite đạt 4500 C 2500 C với Bi-Te tổng công suất 24 cặp Skutterudite 18 cặp Bi-Te đạt 250W Jihad G Haidar [3] nghiên cứu lý thuyết vật liệu cặp nhiệt điện, khảo sát phân bố nhiệt lượng hiệu suất sử dụng động đốt Nhiệt độ khí xả đạt 5000 C với mức tải 88% cánh bướm ga tốc độ 1.800 RPM Bộ thu nhiệt thiết kế kiểu ống trụ, trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng Tuy nhiên, bố trí sử dụng 98 cặp nhiệt điện nên công suất đạt 45W mức điện áp 14V Theo đó, cặp nhiệt điện bố trí dài đường ống nên khơng đồng nhiệt độ làm việc Phần mềm CATIA dùng để thiết kế mơ hình hóa động bao gồm đường nước khơng khí bao quanh Đó phần mềm hỗ trợ ứng dụng báo Phần mềm Comsol sử dụng để mô truyền nhiệt hệ thống Ta có ống nước vật thể hình trụ, trường hợp ta thấy nhiệt lượng truyền qua vách ống tính cơng thức [4] 𝑄 𝐿 = 2𝜋𝜆(𝑇𝑊 −𝑇𝐾𝐾 ) 𝑑 ln( ) (1) 𝑑1 Q: nhiệt lượng tỏa (W) L: chiều dài đoạn ống nước (m) λ hệ số truyền nhiệt ống nước (W/m.C) TW : nhiệt độ nước giải nhiệt (C) TKK : nhiệt độ khơng khí (C) d2 : đường kính ngồi ống nước (m) d1 : đường kính ống nước (m) 70 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Nhiệt lượng tỏa nước giải nhiệt tính công thức Q=m.C.(T1 – T2) (2) m khối lượng nước giải nhiệt C nhiệt dung riêng nước giải nhiệt T1 nhiệt độ nước ban đầu T2 nhiệt độ nước sau mát lượng nhiệt lượng định Vì phần lớn đường nước giải nhiệt động dạng vách ta có cơng thức NEWTON để tính toán nhiệt lượng thất thoát [5] Q = α.F( Tw - Tkk ) (3) α hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (W/m K) F diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2) Tw nhiệt độ trung bình chất lỏng (0K) Tkk nhiệt độ trung bình bề mặt vách (0K) Ta có α hệ số tỏa nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố [6] α = f(Tw, Tkk, ω, λ, .) (4) Chính mà α xác định từ thực nghiệm phương pháp lý luận đồng dạng [7] Ta có chuẩn số Nuselt Nu = 𝛼.𝑙 𝜆 Phương pháp tính tốn thiết kế, mô phỏng, đọc số liệu, so sánh III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thiết kế mơ hình mô Đầu tiên sử dụng phần mềm CATIA vào modul Part Design để thiết kế mơ hình đơn giản khối động bao gồm phần: khối giả lập động cơ, khối gia lập đường nước tuần hồn động cơ, khối khơng khí bao xung quang động Sau đó, ta vào Modul Assembly Design để lắp khối thành hệ thống Hình 4.4: Khối động cơ, nước giải nhiệt, khơng khí Các thông số đầu vào, điều kiện biên Bảng 3.1: Giá trị đầu vào hệ thống (5) Nu = f(Re, Gr, Pr) (6) Trường hợp trường hợp truyền nhiệt đối lưu cưỡng ta tính tốn hai chuẩn số là: Prantl (Pr) đặc trưng cho tính chất vật lý chất tải nhiệt Reynold (Re) đặc trưng cho chế độ chuyển động cưỡng chất tải nhiệt Pr = Re = 𝐶𝑏 𝜇 λ 𝑙.𝑣.𝜌 𝜇 Giá trị Nhiệt độ nước vào động 700C Vận tốc nước giải nhiệt 0.5m/s động Áp suất nước giải nhiệt 1,5 bar động (7) Lưu lượng dịng chảy (8) Nhiệt độ khơng khí quanh động II.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Q trình nghiên cứu đề tài sử dụng phương pháp chủ yếu sau: Phương pháp khảo sát đối tượng Phương pháp nghiên cứu tài liệu, internet Phương pháp xây dựng mô hình thệ thống HVTH: Mang Tấn Thụ Các thơng số đầu vào 0.1kg/s 300C Áp suất khơng khí quanh động atm Tốc độ khơng khí quanh động 71 m/s MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Tiếp theo, ta đưa mơ hình vào phần mềm COMSOL để tính tốn mô truyền nhiệt xuất kết nhiệt lượng hao tổn nước giải nhiệt, nhiệt độ lại sau gia nhiệt vào động cơ, áp suất nước giải nhiệt, vận tốc nước theo thời gian gia nhiệt 3.2 Kết mô Ta thấy rằng, truyền nhiệt khác từ đầu vô đến đầu mơ hình Đồ thị biểu diễn nhiệt độ khối nước giải nhiệt truyền với khơng khí bên ngồi thơng qua động Đó nhiệt độ mà nước giải nhiệt gia nhiệt cho động để hâm nóng động chuẩn bị cho giai đoạn khởi động Hình 3.1: Biểu đồ thể nhiệt độ khối mơ hình Hình 3.2: Biểu đồ thể mặt cắt ngang nhiệt độ khối mơ hình Những đồ thị thể nhiệt độ nước trao đổi với khơng khí giây Nhìn chung nhiệt độ khơng kể Cứ sau giây nước trao đổi nhiệt với không khí xung quanh động nhiệt độ nước giảm 0.70C HVTH: Mang Tấn Thụ Hình 3.3: Biểu đồ thể nhiệt độ nước giải nhiệt động Hình 3.4: Biểu đồ thể mặt cắt ngang nhiệt độ nước giải nhiệt động IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Có nhiều cách để cải thiện việc khởi động động lạnh - Hâm nóng động trước khởi động - Hâm nóng dầu bơi trơn - Pha lỗng dầu bơi trơn - Sấy nóng khơng khí khởi động - Hâm nóng nhiên liệu - Làm giàu thêm khả tự bốc cháy nhiên liệu Thơng qua việc tính tốn mơ ta thấy Việc sử dụng lắp đặt hệ thống lên xe ô tô phổ thông dùng bơm nước xe có hệ thống phun nhiên liệu đường ống nạp, chế độ hâm nóng khởi động động khơng cịn Điều có ý nghĩa lớn việc tiết kiệm nhiên liệu, tăng tuổi thọ động cơ, giảm ô nhiễm mơi trường khí thải tơ 72 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ Trên xe phổ thông đời cũ chế độ cịn Điều cho thấy lượng nhiên liệu phun nhiều vào buổi sáng để giúp động đạt nhiệt độ tối thiểu đề hoạt động ổn định Ngoài lượng nhiên liệu dư cịn bám vào đường ống nạp thành xilanh động tràn xuống rửa trôi nhớt giữ bạc xecmang xilanh làm cho bơi trơn q trình piston lên xuống khơng cịn tốt Tình trạng kéo dài dẫn đến thành xylanh mau bị xước bạc xecmang mau mịn Bên cạnh lượng xăng dư cháy không hết thải ống xả gây ô nhiễm môi trường Mặc dù đề tài dừng việc tính tốn, mơ so sánh thơng số khơng xác cách tuyệt đối Nhưng GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng sau mô tính tốn ta thấy hiệu mà hệ thống mang lại tích cực Hệ thống hồn tồn chế tạo lắp đặt thương mại hóa xe phổ thơng Tuy vậy, đề tài dừng lại mức tính tốn, mô việc so sánh tối ưu xe gắn hệ thống chưa gắn Đề tài chưa sâu tính tốn lượng nhiên liệu tiêu hao hay tính tốn thơng số kỹ thuật hệ thống Chính việc tính tốn mơ mở hướng việc tính tốn thiết kế hệ thống, ứng dụng công nghệ, hệ thống xe cải thiện nhược điểm mà xe tơ phổ thơng đời cũ cịn mắc phải V LỜI CẢM ƠN Trong trình thực nghiên cứu này, tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật tài trợ kinh phí HVTH: Mang Tấn Thụ 73 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Douglas T., Peterson, C Matthew (Eds.) Reproductive Endocrinology and Infertility [2] Gregory P Meisner System and method to determine the state of charge of a battery using magnetostriction to detect magnetic response of battery material October 2014 [3] Ghojel, J I., & Haidar, J G (2002) Waste heat recovery in heat engines by direct heat-toelectricity energy conversion In F N Ani (Ed.), Cleaner Combustion for a Green Environment: Proceedings of the 6th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization (pp 518 - 524) Malaysia: Universiti Teknologi Malaysia [4] https://www.lhu.edu.vn/Data/News/388/files/CHUONG_2_1_jqirt.pdf [5] https://www.lhu.edu.vn/Data/News/388/files/CHUONG_2_1_jqirt.pdf [6] https://www.lhu.edu.vn/Data/News/388/files/CHUONG_2_1_jqirt.pdf [7] https://www.lhu.edu.vn/Data/News/388/files/CHUONG_2_1_jqirt.pdf HVTH: Mang Tấn Thụ 74 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Mang Tấn Thụ Đơn vị: Học viên Cao họcTrường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Điện thoại: 0332717090 Email: tanthuckd@gmail.com HVTH: Mang Tấn Thụ 75 MSHV: 1780511 S K L 0 ... chưa nghiên cứu tận dụng nguồn nhiệt từ nước làm mát động cho xe phổ thông thị trường Việt Nam Như vậy, mục tiêu đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động sửa dụng nguồn nhiệt từ nước. .. thu hồi nhiệt nước giải nhiệt Hệ thống thu hồi, lưu trữ nước làm mát động làm nóng động lưu trữ bình chứa nước làm mát Sau đó, hệ thống cung cấp chất làm mát nóng cho động trước khởi động động lạnh,... thời gian cầm chừng, suất tiêu hao nhiên liệu trình khởi động có hệ thống gia nhiệt khơng có hệ thống gia nhiệt cho động Từ so sánh hai trường hợp rút kết luận Từ khoá: động cơ; hệ thống gia nhiệt