Nghiên cứu hoàn thiện buồng cháy thống nhất cho động cơ diesel cỡ nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN GIANG NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN BUỒNG CHÁY THỐNG NHẤT CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI – 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi, Phạm Văn Giang, xin cam đoan đề tài nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Khổng Vũ Quảng PGS.TS Trần Thị Thu Hương Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, ngày tháng TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Người hướng dẫn Người hướng dẫn PGS.TS Khổng Vũ Quảng PGS.TS Trần Thị Thu Hương i năm 2023 Nghiên cứu sinh Phạm Văn Giang LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Khoa Cơ khí Động lực cho phép thực đề tài nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phòng Đào tạo Khoa Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi thực luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng PGS.TS Trần Thị Thu Hương hướng dẫn tận tình chu tơi thực hồn thành luận án Tơi xin trân trọng biết ơn Thầy, Cô Bộ môn Trung tâm nghiên cứu Nguồn động lực Phương tiện tự hành, Trường Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, lãnh đạo Khoa Cơ khí động lực Thầy, Cô Khoa hậu thuẫn động viên suốt q trình nghiên cứu học tập Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy, Cô phản biện, Thầy, Cô hội đồng đồng ý đọc duyệt góp ý kiến quý báu để tơi hồn chỉnh luận án Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người động viên khuyến khích tơi suốt thời gian tham gia nghiên cứu thực nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Phạm Văn Giang ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH ẢNH xi MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………1 Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Xu hướng chung sử dụng động diesel 1.1.1 Xu hướng sử dụng động diesel giới 1.1.2 Xu hướng sử dụng động diesel Việt Nam 1.1.3 Động diesel sử dụng nông nghiệp Việt Nam 1.2 Các giải pháp cơng nghệ cải thiện tính kinh tế, kỹ thuật động diesel 1.2.1 Nhóm giải pháp kết cấu 1.2.2 Nhóm giải pháp sử dụng nhiên liệu thay 13 1.3 Các dạng buồng cháy phổ biến động diesel 14 1.3.1 Buồng cháy ngăn cách 14 1.3.2 Buồng cháy thống 16 1.3.3 Ưu nhược điểm buồng cháy thống so với buồng cháy ngăn cách 18 1.4 Các nghiên cứu cải tiến buồng cháy động diesel cỡ nhỏ 19 1.4.1 Các nghiên cứu giới 19 1.4.2 Các nghiên cứu Việt Nam 31 1.5 Đề xuất giải pháp cải thiện tính kinh tế, kỹ thuật phát thải cho động diesel dùng nông nghiệp Việt Nam 33 1.6 Đối tượng nghiên cứu 34 1.7 Phương án thực đề tài 35 1.8 Kết luận chương 37 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TỐN 38 2.1 Lý thuyết hình thành hỗn hợp cháy động diesel 38 2.1.1 Quá trình hình thành hỗn hợp động diesel 38 2.1.2 Quá trình hình thành hỗn hợp động diesel có buồng cháy thống ………………………………………………………………………………40 2.1.3 Các thông số chung ảnh hưởng đến trình hình thành hỗn hợp cháy động diesel buồng cháy thống 41 2.1.3.1 Các thông số hệ thống nhiên liệu 41 2.1.3.2 Ảnh hưởng tỉ số nén động 43 2.1.3.3 Các thông số liên quan đường nạp 43 2.1.4 Ảnh hưởng thơng số hình học đến q trình hình thành hịa khí động diesel buồng cháy thống 47 2.1.4.1 Kết cấu buồng cháy đỉnh piston 47 iii 2.1.4.2 Các kết cấu khác 49 2.1.5 Các mơ hình tốn học 50 2.2 Cơ sở lý thuyết phần mềm sử dụng tính tốn cải tiến buồng cháy thống 56 2.2.1 Cơ sở lý thuyết phần mềm Ansys ICE 56 2.2.1.1 Các phương trình bảo tồn 56 2.2.1.2 Các phương trình tính tốn tia phun 57 2.2.2 Cơ sở lý thuyết AVL-Boost AVL Hydsim 65 2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL Boost [35] 65 2.2.2.2 Cơ sở lý thuyết AVL-Hydsim 71 2.3 Quy trình bước thực tính tốn cải tiến kết cấu buồng cháy 71 2.4 Kết luận chương 75 Chương TÍNH TỐN MƠ PHỎNG 76 3.1 Đánh giá thông số piston nguyên 76 3.2 Xây dựng kết cấu buồng cháy tính tốn mơ phỏng…………… 78 3.3 Mơ động với trường hợp buồng cháy phần mềm AVLBoost 79 3.3.1 Xây dựng mơ hình mơ 79 3.3.2 Các chế độ mô 80 3.3.3 Kết mô 81 3.4 Xác định quy luật cấp nhiên liệu động RV125-2 phần mềm AVL-Hydsim 82 3.4.1 Xây dựng mơ hình 82 3.4.2 Các chế độ mô 82 3.4.3 Kết mô 83 3.5 Mô đánh giá ảnh hưởng kết cấu buồng cháy đỉnh piston phần mềm Ansys - ICE 85 3.5.1 Mơ q trình nạp 86 3.5.2 Mơ q trình cháy 92 3.5.3 Ảnh hưởng kết cấu buồng cháy đỉnh piston đến thành phần phát thải động 97 3.6 Kết luận chương 99 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 101 4.1 Mục đích thực nghiệm 101 4.2 Mục tiêu phạm vi thực nghiệm 101 4.2.1 Mục tiêu thực nghiệm 101 4.2.2 Đối tượng phạm vi thực nghiệm 101 4.3 Nội dung thực nghiệm 102 4.4 Thiết kế chế tạo kết cấu đỉnh piston động cải tiến 103 4.5 Trang thiết bị thực nghiệm 103 4.5.1 Lắp đặt mơ hình lên băng thử 103 4.5.2 Băng thử DW16 104 4.5.3 Thiết bị phân tích khí thải 105 iv 4.5.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 106 4.5.5 Cảm biến đo áp suất 107 4.5.6 Nhiên liệu thực nghiệm 110 4.5.7 Sơ đồ bố trí hệ thống thực nghiệm 111 4.5.8 Chế độ thực nghiệm 112 4.6 Kết thực nghiệm thảo luận 112 4.6.1 So sánh tính kinh tế, kỹ thuật động 112 4.6.2 So sánh thực nghiệm với mô 120 4.7 Kết luận chương 122 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 130 BẰNG PHẦN MỀM ANSYS ICE 132 v Ký hiệu A/F Aeff Aw ANSYS Ava a CMCN 4.0 CRT Cs Cd CRT Ce Cp CFD CTCT CD Cc D DOC DPF d (mc u ) dα dQF dα dQW ∑ dα DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Nội dung Tỉ lệ khơng khí/nhiên liệu Tiết diện lưu thơng Đơn vị m2 Góc xoắn Analysis system Tiết diện lưu thông xupáp Chiều cao xéc măng khí Cách mạng Cơng nghiệp 4.0 rad cm mm Continuously Regenerating Technology - Bộ lọc tái sinh liên tục Hệ số rối xốy Hệ số dịng chảy Thơng số mơ hình Hằng số Nhiệt dung riêng đẳng áp Computational Fluid Dynamics Chu trình cơng tác Hệ số xé Hệ số hiệu chỉnh qui luật xé Stokes Đường kính xy lanh Diesel Oxidation Catalysts - Bộ xúc tác ơ-xy hố Diesel particulate filter - Bộ lọc phát thải dạng hạt Biến thiên nội bên xy lanh Nhiệt lượng cấp vào Tổn thất nhiệt qua vách dmBB dα Biến thiên khối lượng dòng chảy dmi Khối lượng phần tử lưu lượng vào xy lanh dme Khối lượng phần tử lưu lượng khỏi xy lanh dm dt Lưu lượng dịng khí vi kJ/kmol.độ m dvi DME DI Đường kính đế xu-páp Dimethyl Ether Direct Injection-Phun trực tiếp DSCC Dk D1 dp d dmfi Buồng đốt xốy kép Đường kính họng buồng cháy Đường kính cực đại Đường kính piston bơm cao áp Bán kính vịng xuyến Hàm lượng nhiên liệu chưa cháy khối thể tích kiểm sốt "i" Thành phần nhiên liệu trao đổi với thành phần thể tích kiểm sốt "j" Tốc độ cháy nhiên liệu dmfij dm fb dt D DT,p dch d0 dij ĐCT ĐCD ĐCĐT Fp FEM ge GQTK HCC h H Hs HP hBB dmi dα hBB Kích thước đường kính hạt nhiên liệu Hệ số thermophoretic Đường kính chốt piston Đường kính lỗ chốt Tenso biến dạng Điểm chết Điểm chết Động đốt Diện tích đỉnh piston Finite Elements Methods-Phương pháp phần tử hữu h ạn Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Góc quay trục khuỷu Hành trình bơm cao áp Buồng đốt bán cầu Chiều sâu vùng trung tâm buồng cháy Độ sâu buồng cháy Chiều cao đường xoắn sở Mã lực Tổn thất enthalpy lọt khí Trị số enthalpy vii m mm mm mm m mm mm m2 g/kWh mm mm mm m   Enthalpy khối lượng vào xy lanh J Enthalpy khối lượng khỏi xy lanh J H IMEP ISFC k Kn kp LVC L L0 LSCC MF M M0 m 0i mev mc Chiều cao piston Áp suất thị trung bình Suất tiêu hao nhiên liệu thị Hệ số tỉ nhiệt Chuẩn số Knudsen Hệ số dẫn nhiệt hạt Nhiệt trị thấp Lượng khơng khí thực tế nạp vào động Lượng khơng khí lí thuyết để đốt cháy kg nhiên liệu Buồng đốt xoáy bên Khối lượng nhiên liệu phun Lượng khơng khí thực tế nạp vào động Lượng khơng khí lí thuyết để đốt cháy kg nhiên liệu Khối lượng ban đầu thời điểm t = Lượng nhiên liệu hóa Khối lượng môi chất bên xy lanh md NB NO x, CO, HC OBD Oh Khối lượng hạt nhiên liệu Nguyên Hàm lượng chất độc hại khí thải động đốt bị khống chế tiêu chuẩn khí thải On-board diagnostics Số Ohnesorge Cơng chu trình thực pe dV dα pc pe PM PTN pcyl P (xi ,t ) QF Qw Q Áp suất bên xy lanh Áp suất có ích trung bình Particulate matter – phát thải dạng hạt Phịng thí nghiệm Áp suất xy lanh Phân bố chuẩn nhiều chiều Gauss Nhiệt lượng nhiên liệu cung cấp Nhiệt lượng truyền qua vách Nhiệt lượng viii mm g/kWh W/mK kJ/ kg Kg/mol Kg/mol Kmol/kgnl Kmol/kgnl g ppm bar N/m2 bar J J Qb R REB Rm RT Rs Re rc S SCR SCRT SOF SuOME Sh T TRCC Ta Tvap T bp t up UBHC Va Vb Vc V VB VD We g Wh WF i xk Xv,s Xv,∞ Lưu lượng trung bình cấp cho bơm Hằng số chất khí Re-Entrance Bowl Bán kính phụ Độ lớn xốy ngang Độ lớn xốy dọc Hệ số Reynolds Bán kính hạt nhiên liệu Diện tích bề mặt hạt Selective Catalytic Reduction- Bộ xúc tác có chọn lọc SCR + CRT (Bộ tái sinh liên tục xúc tác có chọn lọc) Soluble Organic Fraction - phần hữu hoà tan Simarouba Oil Methyl Ester - dầu Methyl Ester Hằng số Sherwood Độ Kelvin Buồng đốt hình xuyến Thời gian phun Số Taylor Nhiệt độ bốc hạt Nhiệt độ sôi hạt Chiều dày hướng kính rãnh xéc măng Tốc độ hạt Hidrocacbon chưa cháy hết Thể tích lớn buồng cháy piston ĐCD Thể tích phần lõm đỉnh piston Thể tích nhỏ buồng cháy Thể tích xy lanh Vận tốc Bernouli Thể tích cơng tác Số Weber Bề rộng xoắn ốc Trọng số thành phần phát thải thứ i Hành trình nâng kim phun Hệ số khối lượng nhiên liệu bề mặt hạt Hệ số khối lượng nhiên liệu vị trí xa hạt ix mm3/s mm m mm2 K s K K mm m3 m3 m3 m3 m/s m3 mm