Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7 2015 Trang 31 Mô phỏng nâng cao tính năng làm việc cho động cơ diesel 1 xi lanh bằng thiết kế cải tiến họng nạp Võ Danh Toàn Huỳnh Thanh Công[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 Mơ nâng cao tính làm việc cho động diesel xi-lanh thiết kế cải tiến họng nạp Võ Danh Tồn Huỳnh Thanh Cơng PTN Trọng điểm ĐHQG-HCM Động đốt trong, Trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 13 tháng năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 10 năm 2015) TĨM TẮT Bài báo trình bày nghiên cứu cải tiến họng nạp cho động diesel xi-lanh RV165-2 nhằm tăng hiệu suất nạp nâng cao tính làm việc thơng qua mơ hình hóa mơ phần mềm chuyên dụng AVL BOOST Các phương án cải tiến đề xuất đánh giá so với mơ hình họng nạp hữu Điều kiện mơ ban đầu dựa kết cấu động thông số điều kiện vận hành từ thực nghiệm Các thơng số đặc tính cơng suất, cháy khí thải lựa chọn làm tiêu chuẩn đánh giá Kết nghiên cứu thể rằng, phương án cải tiến họng nạp tăng hiệu suất nạp, khả hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu khơng khí, giúp q trình cháy tốt hơn, tăng cơng suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu khí thải Từ khóa: hiệu suất nạp, họng nạp, động diesel, mô phỏng, AVL BOOST GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, nhu cầu sử dụng động cỡ nhỏ có công suất tương đối dùng nông nghiệp Việt Nam lớn Các công ty sản xuất động nước cho nhiều loại động hệ có cơng suất mạnh, nhỏ gọn, đại, kiểu dáng đẹp nhằm cạnh tranh với công ty nước ngồi Bên cạnh đó, nghiên cứu năm gần tập trung cải tiến, ứng dụng nhiều phương pháp [1, 2, 3] nhằm tối ưu đặc tính động nâng cao hiệu suất, cơng suất để đáp ứng yêu cầu đặt người sử dụng Trong đó, loại động diesel xi-lanh RV165-2 với công suất 16,5 mã lực đưa thị trường người sử dụng đánh giá cao Các thông số kỹ thuật sau: Bảng Thơng số kỹ thuật động RV165-2 Đường kính xi-lanh (mm) 105 Hành trình piston (mm) 97 Thể tích xi-lanh (cm3) 839 Công suất tối đa (HP/v/ph) 16,5/2400 Moment cực đại 4,9/1800 Tỉ số nén 20 Suất tiêu thụ nhiên liệu (g/HP/h) 175 Tuy nhiên, hạn chế khả công nghệ Việt Nam nay, qua q trình sử dụng nhận thấy động có hiệu suất nạp chưa cao, dẫn đến chưa đạt tính tốt nhất, mức tiêu hao nhiên liệu cao Có nhiều phương án cải tiến cho động như: Trang 31 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 2.1.2 Ảnh hưởng hình dạng họng nạp đến dịng khí nạp vào động Thay đổi tỉ số nén Thay đổi hành trình piston Tối ưu họng nạp 2.1.2.1 Hệ số lưu lượng Trong đó, phương án tối ưu họng nạp tăng hiệu suất nạp, nhiên liệu cháy hơn, tăng công suất giảm suất tiêu hao nhiên liệu [4] Đã có nghiên cứu trước sử dụng phương pháp mô [5, 6, 7] tương đối đơn giản, tính khả thi nghiên cứu tiết kiệm chi phí CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hiệu suất nạp 2.1.1 Ảnh hưởng hiệu suất nạp đến công suất Hệ số lưu lượng tỷ số lưu lượng thực tế đo điều kiện tiêu chuẩn với lưu lượng lý thuyết: k mtt / mlt (3) mtt V Ptt / ( R.Ttt ) (4) mlt AsCs (5) Diện tích piston: A D / Cơng thức tính mật độ: (6) s P1 P2 k R Ttt P1 (7) Cơng thức tính cơng suất có ích [8] : n N e a Vh QH F v c m i /2 Vận tốc dịng khí: Cs (1) Trong đó: a : mật độ khơng khí nạp (kg/m3) Vh: thể tích cơng tác QH: nhiệt trị thấp nhiên liệu (kJ/kgNL) F = mf / ma v : hiệu suất nạp.c : hiệu suất cháy nhiên liệu.m : hiệu suất giới i: số xi-lanh n: tốc độ động : số kỳ Từ phương trình trên, thấy có nhiều phương pháp tăng cơng suất động tăng hiệu suất nạp phương pháp Hiệu suất nạp động có i xi-lanh đơn vị thời gian ứng với công suất Ne giây: v G c tr V h n i P1 - Sự sấy nóng khí nạp bề mặt thành vách hệ thống nạp không gian xi-lanh Trang 32 , P2 P1 P Tăng độ xoáy buồng cháy làm đẩy nhanh q trình hịa trộn hỗn hợp, giảm bồ hóng giảm tiêu hao nhiên liệu Tuy nhiên, tăng độ xoáy làm tăng phân bố nhiên liệu, làm tăng nhiệt độ buồng cháy lượng khí thải NOx 2.2 Quá trình thực Trong nghiên cứu này, sáu kiểu họng nạp cải tiến đề xuất tiến hành mô với phương án họng nạp hữu Phương án 1: họng nạp hữu Phương án 2: tăng độ cong Lượng khí nạp vào chu trình có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nạp định nhiều yếu tố khác nhau: - Sự tồn động khí sót xi-lanh 101325 N / m (8) 2.1.2.2 Độ xoáy (2) - Tổn thất khí động học hệ thống nạp pa làm giảm áp suất nạp pa lượng k 1 P k 2k R Ttt 1 P1 k 1 Phương án 3: tăng chiều dài Phương án 4: tăng đường kính Phương án 5: tăng độ cong,chiều dài, đường kính Phương án 6: họng nạp có đường vào (hình 3), góc ống ống 11 60o Phương án 7: thêm đường cấp khí phụ (hình 4) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 Hình Sơ đồ trình thực nghiên cứu Hình Mơ hình Boost phương án 1,2,3,4,5 Hình Mơ hình Boost phương án Trang 33 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Với phần mềm AVL BOOST, kết đặc tính động trình bày bảng đồ thị Kết định lượng tiến hành mô động chạy tốc độ từ 1200 v/ph đến 2400 v/ph, tải 100% 3.1 Đặc tính cơng suất Hình Mơ hình Boost phương án Bảng Thông số đường ống (L: chiều dài, R: độ cong, D: đường kính, đơn vị mm) hình 2, 3, Phương án L Ống R D 63 40 49 135 90 49 62 40 49 63 40 60 54 135 90 60 54 94 L 71 78.5 129 25.5 33 83 81 89 139 71 78.5 129 41 48 98 47 54.5 105 49 Ống R 70 32 32 70 32 32 70 32 32 70 32 32 70 32 32 70 32 32 D 49 44 44 49 44 44 49 44 44 54 49 49 54 49 49 49 44 44 Đối với phương án 7: Ống L 30 R - Ống 10 D 25 L R 30 - 96 40 172 - Ống 11 D L R D 25 50 32 25 Hình Kết hiệu suất nạp, mô men, công suất Trang 34 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 đường áp suất nhiệt độ lớn phương án cịn lại, có tỏa nhiệt tốt - Giai đoạn cháy chính: phương án có q trình cháy nhanh - Giai đoạn cháy rớt: độ dốc gần giống Đường tỷ lệ phần trăm lượng nhiên liệu cháy: phương án tốt phương án lại có tổng lượng cháy hơn, thời gian cháy ngắn, tổn thất nhiệt thấp Hình Kết suất tiêu hao nhiên liệu hiệu suất nhiệt So với phương án hữu, tốc độ 2400 v/ph: - Phương án tăng hiệu suất nạp (11,79%), tăng công suất mô men (18,79%), giảm suất tiêu hao nhiên liệu (15,83%) Họng nạp thay đổi công suất rõ rệt, đáp ứng kỳ vọng ban đầu - Phương án tăng hiệu suất nạp (6,03%), tăng công suất mô men (10,9%), giảm suất tiêu hao nhiên liệu (9,83%) - Các phương án 2,3,4,5 cịn lại khơng làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơng suất động 3.2 Đặc tính cháy Đường tốc độ tỏa nhiệt: - Giai đoạn cháy trễ: phương án có đường tốc độ tỏa nhiệt ngắn Hình Đồ thị đặc tính cháy 1800 v/ph - Giai đoạn cháy tăng áp suất nhanh: phương án có đỉnh cao hơn, phần diện tích lớn hơn, Trang 35 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 Hình Lượng khí thải CO 1800 2400 v/ph Hình Đồ thị đặc tính cháy 2400 v/ph 3.3 Đặc tính khí thải Hình 10 Lượng khí thải NOx 1800 2400 v/ph Trang 36 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 So với phương án hữu : - Khi tốc độ động tăng, CO Soot tăng dần, NOx tăng khoảng 1200-1400 v/ph giảm - Ở 2400 v/ph, phương án giảm lượng Soot đáng kể (21,02%), giảm mạnh lượng CO (61,4%), tăng NOx (19,96%) Phương án giảm Soot (6,73%), CO giảm 22,46%, NOx tăng 11,99% - Các phương án cịn lại có thay đổi khơng đáng kể KẾT LUẬN Hình 11 Lượng Soot 1800 2400 v/ph Động RV165-2 sau cải tiến họng nạp cho thấy phương án cho khả tăng động dịng khí cao, vận tốc dịng khí vào nhanh hơn, trường áp suất nhiệt độ phân bố đồng buồng cháy, tăng hiệu suất nạp khí Kết làm tăng khả hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu khơng khí, giúp q trình cháy tốt hơn, tăng cơng suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu Bên cạnh đó, lượng khí thải NOx có tăng giảm lượng khí thải CO Soot Simulation on engine characteristic improvement by re-designing intake manifold Vo Danh Toan Huynh Thanh Cong VNU Key - Lab for Internal Combustion Engine, Ho Chi Minh City University of Technology Trang 37 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 ABSTRACT In this paper, a simulation of DI diesel engine cylinder, model RV165-2 is used to investigate the effect of intake manifold design on the volumetric efficiency and characteristics by using AVL BOOST software The proposed plans are evaluated and compared with available models Conditions of simulation is based on the structure of engine and parameters from experimental test The parameters of performance, combustion and emission characteristics are selected as evaluation criteria The results of optimizing intake manifold are increasing volumetric efficiency, ability to blend the mixture of fuel and air, better combustion and increasing engine power, reducing fuel consumption and emission Keyword: volumetric efficiency, intake manifold, diesel engine, simulation, AVL BOOST REFERENCES [1] Nguyễn Hữu Hường, Vương Như Long Nghiên cứu nâng cao hiệu suất công suất động diesel xi-lanh RV195 Đại Học Bách Khoa TP.HCM [2] Bùi Văn Ga, (2008) Sử dụng biogas để chạy động diesel cỡ nhỏ Đại học Đà Nẵng [6] M H Shojaeefard, I Sohrabiasl and E Sarshari Investigation the effect of inlet ports design on combustion characteristics and emission levels of diesel engines Iran University of Science and Technology [3] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang (2008) Tối ưu hóa q trình cung cấp biogas cho động tĩnh sử dụng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ Tạp chí Khoa học Cơng Nghệ, Đại Học Đà Nẵng, 5, 22–30 [7] Yungjin Kim, Yongtaek Han and Kihyung Lee (2014) A Study on the Effects of the Intake Port Configurations on the Swirl Flow Generated in a Small D.I diesel Engine Journal of Thermal Science, Vol 23, No 3, 297–306 [4] Y.L.Qi, L C Dong, H Liu, P V Puzinauskas and K C Midkiff (2012) Optimization of intake port design for SI engine International Journal of Automotive Technology, Vol 13, No 6, pp 861–872 [8] Văn Thị Bông, Huỳnh Thanh Công (2011) Lý thuyết động đốt Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TPHCM [5] H Mohamed Niyaz, A S Dhekane (2014) Twin Helical Intake Port Design Optimization And Validation By Using CFD Analysis International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 4, Issue 4, 454–462 Trang 38 [9] AVL GmbH (2013) AVL BOOST User Guide ... No.K7- 2015 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Với phần mềm AVL BOOST, kết đặc tính động trình bày bảng đồ thị Kết định lượng tiến hành mô động chạy tốc độ từ 1200 v/ph đến 2400 v/ph, tải 100% 3.1 Đặc tính cơng suất... kiểu họng nạp cải tiến đề xuất tiến hành mô với phương án họng nạp hữu Phương án 1: họng nạp hữu Phương án 2: tăng độ cong Lượng khí nạp vào chu trình có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nạp định nhiều... (6,03%), tăng công suất mô men (10,9%), giảm suất tiêu hao nhiên liệu (9,83%) - Các phương án 2,3,4,5 cịn lại khơng làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơng suất động 3.2 Đặc tính cháy Đường tốc độ tỏa nhiệt: