phần mềm ESP đã được chọn trong đề tài nghiên cứu vì có thể đánh giá đúng được các thông số đặc trưng chu trình công tác và các thông số về nhiệt động học của động cơ, khả năng cho kết q
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Mô phỏng số chu trình
công tác động cơ diesel Yanmar 4CHK” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và
chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm
này
Nha Trang, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn
Trần Thanh Hải
Trang 4Trong điều kiện thiếu thốn về các phương tiện, trang thiết bị, tài liệu trong quá trình nghiên cứu và bản thân còn nhiều hạn chế Đề tài đã được hoàn thành, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong Quý Thầy và các bạn Đồng nghiệp đóng góp ý kiến
Tôi xin chân thành cảm ơn
Nha Trang, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn
Trần Thanh Hải
Trang 5
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN iii
LỜI CẢM ƠN iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC KÝ HIỆU viii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x
DANH MỤC BẢNG xi
DANH MỤC HÌNH - ĐỒ THỊ xii
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1
1.1 Khái quát về đề tài nghiên cứu 1
1.1.1 Lý do lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu 1
1.1.2 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2
1.2 Động cơ diesel 3
1.2.1 Khái quát động cơ diesel 3
1.2.2 Phát thải khí xả động cơ diesel 6
1.2.2.1 Bồ hóng 7
1.2.2.2 NOx 7
1.3 Tình hình nghiên cứu về mô phỏng động cơ 8
1.4 Phát triển phần mềm dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ 10
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ DIESEL 13
2.1 Chu trình công tác của động cơ diesel 13
2.1.1 Khái quát chu trình công tác của động cơ diesel 13
2.1.2 Các thông số tính năng của chu trình công tác động cơ diesel 18
2.1.2.1 Hiệu suất nhiệt của chu trình 18
2.1.2.2 Áp suất trung bình của chu trình 18
2.1.2.3 Công suất động cơ diesel 19
2.1.2.4 Hiệu suất động cơ diesel 21
2.1.2.5 Suất tiêu hao nhiên liệu 23
2.2 Quá trình cháy trong động cơ diesel 25
2.2.1 Giai đoạn I - Cháy trễ 25
Trang 62.2.2 Giai đoạn II – Cháy không điều khiển 26
2.2.3 Giai đoạn III – Cháy có điều khiển 27
2.2.4 Giai đoạn IV – Giai đoạn cháy rớt 27
2.2.5 Đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ diesel 28
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG SỐ CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ DIESEL 30
3.1 Phần mềm ESP dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ 30
3.1.1 Khái quát về phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong ESP 30
3.1.2 Các mô hình tính toán dùng trong ESP 33
3.1.2.1 Thời gian cháy trễ: 33
3.1.2.2 Mô hình cháy hỗn hợp có kiểm soát 34
3.1.2.3 Truyền nhiệt 35
3.1.2.4 Mô hình hình thành bồ hóng 36
3.1.2.5 Mô hình hình thành NOx 37
3.2 Nhiệt động học các quá trình trong mô phỏng chu trình công tác trên phần mềm ESP 37
3.2.1 Quá trình nén 37
3.2.2 Quá trình cháy 38
3.2.3 Sự biến đổi môi chất trong chu trình 39
3.2.4 Công cơ học của chu trình 40
3.3 Chọn các hệ số tính toán nhiệt cho mô hình 40
3.4 Mô phỏng chu trình công tác động cơ diesel YANMAR 4CHK 41
3.4.1 Chạy chương trình ESPJAN và xác định thành phần nhiên liệu 41
3.4.2 Thiết lập các thông số làm việc 43
3.4.3 Thiết lập các thông số cố định cho mô hình động cơ 45
3.4.4 Thiết lập các thông số mô hình cháy 45
3.4.5 Thiết lập chế độ lưu các thông số 46
3.4.6 Chạy mô phỏng với các thông số kĩ thuật động cơ Diesel Yanmar 4CHK đã thiết lập 46
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 49
4.1 Diễn biến giá trị các thông số trong xi lanh 49
4.3 Chu trình công tác của động cơ Yanmar-4CHK khi thay đổi góc phun sớm φs 53
Trang 74.4.1 Công suất 55
4.4.2 Suất tiêu thụ nhiên liệu 56
4.5 So sánh thông số công tác mô phỏng với thông số của động cơ diesel Yanmar-4CHK 56
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58
5.1 Kết luận 58
5.2 Kiến nghị 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
Trang 8DANH MỤC KÝ HIỆU
α Hệ số truyền nhiệt đối lưu
ge Suất tiêu thụ (tiêu hao) nhiên liệu có ích
Ge Lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ
Li (Wi) Công chỉ thị của chu trình
Le (We) Công có ích của chu trình
n1 Chỉ số nén đa biến trung bình
n2 Chỉ số dãn nở đa biến trung bình
pi Áp suất chỉ thị trung bình
pe Áp suất có ích trung bình
pb Áp suất cuối kỳ dãn nở
pc Áp suất cháy tại thời điểm cuối nén
pz Áp suất cháy cực đại
Tb Nhiệt độ cháy cuối kỳ dãn nở
Tc Nhiệt độ cháy cuối kỳ nén
Tmax Nhiệt độ cháy cực đại
Q1 Tổng nhiệt năng cấp cho MCCT trong một chu trình
Q2 Nhiệt năng do MCCT truyền cho nguồn lạnh
QH Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
Vh , Vc Thể tích công tác, thể tích buồng đốt trong xi lanh
t Hiệu suất lý thuyết (hiệu suất nhiệt)
Trang 10ESP Phần mềm mô phỏng động cơ (Engine Simulation Program) CFD Tính toán động lực học chất lỏng (computational Fluit
Dynamics) MCC Mô hình cháy hỗn hợp có kiểm soát (model combustion
contoller) RNG Mô hình k- thường hoá
Trang 11DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 1 Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng 6
Bảng 2 1 Bảng giá trị hiệu suất cơ học và hiệu suất có ích trên động cơ 23
Bảng 3 1 Các hệ số thời gian cháy trễ 34
Bảng 3 2 Các hệ số sử dụng trong mô hình mô phỏng 41
Bảng 3 3 Thông số góc phân phối khí động cơ Yanmar 4CHK 44
Bảng 4 1 Kết quả các thông số mô phỏng động cơ 56
Bảng 4 2 Bảng so sánh các thông số mô phỏng động cơ 56
Trang 12DANH MỤC HÌNH - ĐỒ THỊ
Hình 1 1 Hiệu suất nhiệt động cơ diesel tốc độ chậm 3
Hình 1 2 Tiến bộ của động cơ diesel 4
Hình 1 3 Thị phần xe trang bị động cơ diesel tại Anh từ năm 2000-2011 5
Hình 1 4 Thị phần xe con trang bị động cơ diesel trên thế giới và châu Âu năm 2011 5
Hình 1 5 Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel 7
Hình 2 1 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 14
Hình 2 2 Đồ thị công p –V động cơ diesel bốn kỳ 16
Hình 2 3 Đồ thị công khai triển, thể tích công tác, thời gian phun nhiên liệu, tốc độ cháy 17
Hình 2 4 Quá trình cháy động cơ diesel biểu diễn trên đồ thị công mở rộng p-φ 25
Hình 3 1 Sơ đồ khối mô phỏng quá trình công tác trên ESP 33
Hình 3 2 Mô tả biến đổi môi chất 39
Hình 3 3 Sơ đồ xác định công cơ học 40
Hình 3 4 Môi trường làm việc của ESP 42
Hình 3 5 Thiết lập tỉ lệ phản ứng cháy 42
Hình 3 6 Giao diện chính ESP 43
Hình 3 7 Giao diện khai báo 43
Hình 3 8 Nhập các thông số hoạt động của động cơ 44
Hình 3 9 Nhập các thông số mô hình của động cơ 45
Hình 3 10 Thiết lập các thông số mô hình cháy 46
Hình 3 11 Thiết lập chế độ lưu cho mô hình vừa xây dựng 46
Hình 3 12 Số chu kì kiểm tra hội tụ 47
Hình 3 13 Kết quả hội tụ 10 chu kì đầu 47
Hình 3 14 Tiến trình lưu lại các thông số bằng file Matlab 48
Hình 3 15 Hoàn thành quá trình lưu dữ liệu 48
Hình 4 1 Phát thải khí xả theo chu trình 49
Hình 4 2 Biến thiên áp suất trong xi lanh động cơ 50
Hình 4 3 Phân bố nhiệt độ khí cháy trong xi lanh 50
Trang 13Hình 4 5 Đồ thị thể hiện khối lượng sản phẩm cháy 51
Hình 4 6 Phân bố khối lượng khí cháy trong xi lanh theo chu trình 51
Hình 4 7 Tốc độ tích lũy năng lượng trong xi lanh 52
Hình 4 8 Vận tốc rối của môi chất trong xi lanh 52
Hình 4 9 Đồ thị công chỉ thị 52
Hình 4 10 Đồ thị tốc độ cháy 53
Hình 4 11 Phân bố áp suất trong xi lanh 53
Hình 4 12 Phân bố nhiệt độ trong xi lanh 54
Hình 4 13 Phân bố nhiệt độ trung bình trong xi lanh 54
Hình 4 14 Đồ thị so sánh tốc độ cháy 54
Hình 4 15 Đồ thị công chỉ thị theo chu trình 55
Trang 14TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Với những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với động cơ xăng về công suất và hiệu suất làm việc, hiện tại cũng như trong tương lai động cơ diesel vẫn đang chứng tỏ được vai trò không thể thay thế khi sử dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế như giao thông vận tải, nông nghiệp, công nghiệp… Vì lý do đó, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng, hiệu suất động cơ diesel là vấn đề cần phải được ưu tiên hàng đầu
Với xu hướng nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt và ô nhiễm môi trường gia tăng theo cấp số nhân hiện nay, cần thiết phải tạo nên một động cơ diesel thế hệ mới với hiệu suất tốt hơn, đồng nghĩa với sản phẩm cháy được đốt sạch qua đó giải quyết được bài toán tiết kiệm nhiên liệu và ô nhiễm khí xả Có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau với nhiều cải tiến, trong đó giải pháp nâng cao các thông số tính năng dựa vào tối ưu chu trình công tác của động cơ là một trong những hướng đi tiên tiến đang rất được các nhà sản xuất quan tâm Hướng đến phục vụ đào tạo về lý thuyết động cơ đốt trong và tính toán thiết kế động cơ, đồng thời nghiên cứu cải tiến quá trình cháy là vấn đề cần thiết giúp người học nắm vững và hệ thống hóa lý thuyết, hiểu sâu hơn về động cơ, góp phần chẩn đoán sửa chữa và phục hồi lại động cơ hoặc hỗ trợ trong nghiên cứu cải thiện khả năng làm việc của động cơ
Với động cơ diesel, có nhiều phương pháp để tìm ra thông số tính năng và chu trình công tác của động cơ diesel, như phương pháp mô phỏng số, tính toán lý thuyết hoặc phương pháp thực nghiệm Phương pháp số được chọn vì nó đóng vai trò như một công cụ hiện đại chính xác, nhanh và hiệu quả, hỗ trợ đắc lực cho việc tính toán, thiết kế tối ưu dòng chất lỏng và chất khí và quá trình cháy Phương pháp này được nhìn nhận như một phương pháp thứ ba song song với hai phương pháp truyền thống
là lý thuyết thuần túy và thực nghiệm thuần túy Đây là công cụ hiện đại với sự trợ giúp của máy tính tốc độ cao để giải quyết nhiều vấn đề phức tạp như tính toán, tối ưu,
dự báo, kiểm nghiệm mà phương pháp lý thuyết thuần túy không đủ sức làm trong khi thực nghiệm thuần túy lại mất quá nhiều thời gian, công sức và tiền bạc Kết quả mô phỏng sẽ định hướng, quy hoạch và ước đoán kết quả thực nghiệm
Trang 15Các phần mềm mô phỏng có sẵn trên thị trường hiện nay như: ESP, ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, AVL , STAR-CD và STAR-CCM + phần mềm ESP đã được chọn trong đề tài nghiên cứu vì có thể đánh giá đúng được các thông số đặc trưng chu trình công tác và các thông số về nhiệt động học của động cơ, khả năng cho kết quả mô phỏng khá chính xác và có độ tin cậy cao
Với mục đích ứng dụng mô phỏng số vào đối tượng là chu trình công tác động cơ diesel, phạm vi nghiên cứu gói gọn trong phần mềm mô phỏng và các thông số đánh
giá, mục tiêu đề tài “Mô phỏng số chu trình công tác động cơ diesel YANMAR
4CHK” kết quả nghiên cứu phần nào giải quyết các yêu cầu trong lĩnh vực giảng dạy
lý thuyết động cơ đốt trong và nghiên cứu chuyên sâu về động cơ diesel
Đề tài sử đụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết chu trình công tác động cơ diesel và phần mềm mô phỏng số, khảo sát đánh giá kết quả mô phỏng xây dựng trên
mô hình động cơ diesel YANMAR-4CHK, xuất ra các thông số chu trình công tác từ phần mềm và so sánh với số liệu từ Catalogue của máy
Đề tài đã mô phỏng được chu trình công tác động cơ diesel Yanmar-4CHK cho kết quả thông số đặc trưng sát với thực tế và có độ tin cậy cao Từ kết quả, có thể đưa
ra kết luận như sau:
- Có thể sử dụng phần mềm mô phỏng động cơ ESP vào mục đích giảng dạy chuyên sâu về tính toán thiết kế lý thuyết và nâng cao động cơ đốt trong ở các trường Đại học, nhằm thay thế thực nghiệm, xác định chu trình công tác lý thuyết động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng
- Có thể sử dụng kết quả mô phỏng thay thế các đo đạc thực nghiệm động cơ diesel, thay đổi một số thông số vận hành để đánh giá các thông số tính năng trong quá trình nghiên cứu chế tạo, cho ra động cơ có chu trình công tác tối ưu và
hiệu suất tốt hơn
Tuy nhiên, từ kết quả đạt được cũng cần bổ sung thêm các yếu tố liên quan để việc sử dụng phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong đạt kết quả sát với thực tế:
- Khai thác sâu tất cả khả năng của chương trình và ứng dụng thay đổi với nhiều thông số đầu vào khác nhau: thông số phun nhiên liệu; góc phân phối khí; tỉ số nén; tốc độ động cơ… để nhận ra được sự thay đổi của các thông số tính năng
Trang 16trong các trường hợp nhất định, tạo tiền đề cho việc chẩn đoán bảo dưỡng động
cơ
- Cần tiến hành các đo đạc thực nghiệm để đánh giá kết quả tính của mô hình mô
phỏng
- Xây dựng chương trình tính trên phần mềm Matlab kết nối phần mềm ESP để xử
lý dữ liệu sau khi mô phỏng, trong đó có tích hợp các phương trình thể hiện thông số đặc trưng chu trình công tác, chuyển đổi đơn vị góc quay trục khuỷu (φ)
sang đơn vị thể tích để có thêm đồ thị công p-V và xuất kết quả theo mong muốn
Từ khóa: Mô phỏng số, động cơ diesel, chu trình công tác, ESP, thông số tính năng
Trang 17CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Khái quát về đề tài nghiên cứu
1.1.1 Lý do lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu
Ra đời sớm và phát triển hơn 100 năm nhưng động cơ diesel không phát triển như động cơ xăng do hạn chế về tiếng ồn, khí thải Tuy nhiên, với nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với động cơ xăng về hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và khả năng ứng dụng trong công nghiệp, giao thông vận tải hạng nặng, động cơ Diesel ngày càng được các nhà khoa học, các công ty sản xuất động cơ quan tâm nghiên cứu và chú trọng cải tiến Với sự bùng nổ và phát triển của kỹ thuật công nghệ, các vấn đề dần được giải quyết và động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến và ứng dụng rất mạnh mẽ trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng
Trong một vài thập kỷ gần đây nhìn chung vấn đề động cơ Diesel gặp phải xoay quanh tiếng ồn và muội than trong khí thải, những công nghệ mới về tối ưu hình dạng buồng đốt và kiểm soát quá trình cháy làm cho động cơ Diesel đã xích lại “sạch” gần với động cơ xăng hơn Các cải tiến rất đa dạng như về nhiên liệu, quá trình cháy, quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu-không khí, kiểu phun - góc phun của kim phun, dạng buồng cháy… Trong những cải tiến đó, giải pháp nâng cao các thông số tính năng dựa vào tối ưu chu trình công tác của động cơ là một trong những hướng đi tiên tiến đang rất được các nhà sản xuất quan tâm
Trong xu hướng phát triển khoa học công nghệ đó, việc nghiên cứu và tìm hiểu sâu về động cơ diesel, nhằm phục vụ đào tạo về lý thuyết động cơ đốt trong và tính toán thiết kế động cơ, đồng thời nghiên cứu tìm biện pháp cải tiến về quá trình cháy là vấn đề cần thiết nhằm giúp người học nắm vững và hệ thống hóa lý thuyết, hiểu sâu hơn về động cơ, có khả năng góp phần vào việc chẩn đoán sửa chữa và phục hồi lại động cơ nhanh chóng hoặc hỗ trợ nghiên cứu cải thiện tăng khả năng
làm việc của động cơ
Có nhiều phương pháp để tìm ra thông số tính năng và chu trình công tác của động cơ diesel, như tính toán lý thuyết hoặc phương pháp thực nghiệm, tuy nhiên phương pháp mô phỏng số là một trong những phương pháp nghiên cứu tiên tiến đang được các nước phát triển quan tâm Đây là công cụ phân tích quan trọng trong
Trang 18nghiên cứu động cơ để thiết lập mối tương quan với các nghiên cứu thử nghiệm và cung cấp thông tin mới Phương pháp này được xây dựng dựa trên cơ sở phương pháp số và công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải các bài toán liên quan đến chuyển động của dòng chất lỏng, chất khí xung quanh vật thể bên trong động cơ Phương pháp số được chọn vì nó đóng vai trò như một công cụ hiện đại chính xác, nhanh và hiệu quả, hỗ trợ đắc lực cho việc tính toán, thiết kế tối ưu dòng chất lỏng và chất khí và quá trình cháy Phương pháp này được nhìn nhận như một phương pháp thứ ba song song với hai phương pháp truyền thống là lý thuyết thuần túy và thực nghiệm thuần túy Đây là công cụ hiện đại giải quyết nhiều vấn đề phức tạp như tính toán, tối ưu, dự báo, kiểm nghiệm mà phương pháp lý thuyết thuần túy không đủ sức làm trong khi thực nghiệm thuần túy lại mất quá nhiều thời gian, công sức và tiền bạc Kết quả mô phỏng sẽ định hướng, quy hoạch và ước đoán kết quả thực nghiệm
Các phần mềm mô phỏng có sẵn trên thị trường hiện nay bao gồm ESP, ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, AVL Fire và CD-Adapco STAR-CD và STAR-CCM +, trong khi KIVA và Open FOAM đang trở nên phổ biến như là mã nguồn
mở ESP đã được chọn trong đề tài nghiên cứu này để tận dụng khả năng của nó
mô phỏng và tìm ra các thông số tính năng thông qua xây dựng đồ thị công chỉ thị
Với mục đích ứng dụng mô phỏng số vào một động cơ cụ thể và trong khuôn
khổ thời gian cho phép của luận văn cao học, đề tài “Mô phỏng số chu trình công
tác động cơ diesel YANMAR 4CHK” được cho phép thực hiện phần nào giải
quyết các vấn đề trong lĩnh vực đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về động cơ diesel
1.1.2 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Mô phỏng số chu trình công tác của động cơ diesel
YANMAR-4CHK
Đối tượng nghiên cứu: Chu trình công tác động cơ diesel
Phạm vi nghiên cứu: phần mềm mô phỏng động cơ và các thông số tính
năng của động cơ diesel Yanmar - 4CHK
Trang 191.2 Động cơ diesel
1.2.1 Khái quát động cơ diesel
Động cơ diesel (còn gọi là động cơ nhiên liệu tự cháy – compression ignition engine) là loại động cơ đốt trong sử dụng nhiệt của quá trình nén để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng cháy, trái với động cơ xăng (còn gọi là động cơ đốt cháy cưỡng bức – spark ignition engine) sử dụng bugi đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu cháy Động cơ diesel được phát triển bởi Rudolf Diesel từ năm 1892 [14]
So với động cơ đốt cháy cưỡng bức, động cơ diesel có nhiều ưu điểm:
- Tính kinh tế: Động cơ diesel có hiệu suất nhiệt cao nhất trong tất cả các loại động cơ nhiệt do tỷ số nén cao, từ 15:1 đến 22:1 Động cơ diesel tốc độ chậm (thường
sử dụng cho tàu thủy) có thể đạt hiệu suất nhiệt hơn 50% so với động cơ xăng có cùng
công suất, động cơ diesel có lượng tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 20% (Hình 1.1) [17]
Hình 1 1 Hiệu suất nhiệt động cơ diesel tốc độ chậm [17]
- Mômen lớn: Động cơ diesel có mômen cực đại đạt được ở số vòng quay thấp nên được sử dụng trên các phương tiện xe đầu kéo, tải nặng, giúp việc điều khiển êm ái hơn động cơ xăng
- Độ tin cậy: Do không sử dụng hệ thống đánh lửa điện cao áp, độ tin cậy của động diesel cao hơn, và không gây ra các nhiễu tần số vô tuyến rất quan trọng trong thông tin liên lạc
Trang 20- Tuổi thọ: Tuổi thọ động cơ diesel thường gấp đôi động cơ xăng do các chi tiết
có kết cấu cứng vững hơn Bản thân dầu diesel cũng có tính chất bôi trơn tốt hơn xăng nên ít gây hại màng dầu bôi trơn trên sécmăng và piston, giúp tăng tuổi thọ động cơ
- Độ an toàn: Dầu diesel có tính bay hơi và bắt lửa thấp hơn xăng nên được sử dụng rộng rãi đặc biệt trong tàu thủy thay cho xăng, vì hơi xăng tích tụ đáy tàu dễ gây
ra cháy nổ
- Dễ tăng công suất: Động cơ diesel dễ dàng tăng áp suất khí nạp với turbocharger, giúp tăng lượng không khí nạp vào buồng cháy, từ đó tăng được lượng nhiên liệu có thể đốt và tăng công suất Áp suất gia tăng này chỉ bị giới hạn bởi kết cấu các chi tiết của động cơ, trong khi đó áp suất gia tăng trong quá trình nạp của động cơ xăng có thể gây kích nổ
- Có thể sử dụng nhiên liệu sinh học (biodiesel) được tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau Trong khi đó, ở động cơ xăng khả năng đáp ứng bị hạn chế hơn
Cùng với các tiến bộ công nghệ được áp dụng như phun nhiên liệp áp suất cao (commonrail system), tăng áp (turbocharger), kim phun điện tử, các hệ thống lọc khí
thải… đến năm 2005 (Hình 1.2) động cơ diesel đã gia tăng công suất 135%, mômen
160%, đồng thời với giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ 20% và 99% bồ hóng phát thải so với năm 1983
Hình 1 2 Tiến bộ của động cơ diesel [17]
Trang 21Trước đây, các loại động cơ diesel vốn rất hiếm khi được lắp trên xe con bởi những yếu điểm của loại động cơ này là tiếng ồn lớn, khả năng tăng tốc kém, nhiều khói… Đến nay, việc sử dụng xe có động cơ diesel bắt đầu trở thành một xu hướng Phân khúc xe con sử dụng động cơ diesel đã và đang gia tăng đáng kể trên toàn thế giới trong thời gian gần đây Tại Anh quốc, lượng xe con trang bị động cơ diesel đã gia
tăng hơn 3,5 lần, đạt 50.6% vào năm 2011 so với 14.1% của năm 2000 (Hình 1.3) Nếu tính cho toàn châu Âu, tỷ lệ này là 55% và trên toàn thế giới là 27% (Hình 1.4)
[17]
Hình 1 3 Thị phần xe trang bị động cơ diesel tại Anh từ năm 2000-2011 [17]
Hình 1 4 Thị phần xe con trang bị động cơ diesel trên thế giới và châu Âu
năm 2011 [17]
Động cơ diesel là lựa chọn gần như duy nhất cho dòng xe thương mại, gồm các
xe tải nhẹ, xe tải nặng, xe buýt do tính kinh tế nhiên liệu, sự tin cậy và bền bỉ của động
cơ diesel Trong vận tải thủy, động cơ diesel tốc độ chậm được sử dụng từ năm 1910 thay cho các máy hơi nước Xe lửa, nhà máy điện, các máy nông nghiệp, máy xây dựng … là nơi tiêu thụ số lượng lớn động cơ diesel Hàng năm có khoảng hai mươi
Trang 22đến ba mươi ngàn động cơ diesel mới được sử dụng (Bảng 1.1) trình bày số lượng
động cơ diesel được sản xuất và phân chia ở các lĩnh vực ứng dụng chính
Bảng 1 1 Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng
(Đơn vị: x100) [17]
Region Japan East
Asia
North America
Western Europe
Eastern Europe
Worldwide total
1.2.2 Phát thải khí xả động cơ diesel
Không như động cơ xăng, trong đó hỗn hợp khí cháy là đồng nhất, quá trình cháy của động cơ diesel về bản chất là không đồng nhất Nhiên liệu diesel được phun vào buồng cháy chứa đầy không khí có nhiệt độ cao trong hành trình nén, do đó nồng độ của hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xi lanh tại các điểm khác nhau là không giống nhau Khí thải được hình thành từ kết quả quá trình cháy của hỗn hợp không khí/nhiên liệu không đồng nhất này Các quá trình hòa trộn nhiên liệu trước khi cháy như thời gian cháy trễ, chất lượng tia phun, thời gian lưu trú của nhiên liệu trong các vùng nhiệt độ khác nhau, thời gian giãn nở, đặc điểm thiết kế của động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo thành khí thải Do vậy, tỷ lệ các khí thải thành phần của động
cơ diesel khác nhiều so với động cơ xăng Hàm lượng CO và HC của động cơ diesel
Trang 23cao hơn nhiều Đây cũng chính là điểm yếu của động cơ diesel và cần tìm hiểu kỹ, tập trung khắc phục
1.2.2.1 Bồ hóng
Thuật ngữ bồ hóng chỉ một loại vật liệu hóa than hình thành từ quá trình cháy của nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy Các hạt bồ hóng này cấu thành từ ba nhóm chính
(Hình 1.5):
- Nhóm các hạt rắn (Solid fraction - SOL): Các hạt carbon, tro
- Nhóm các chất hữu cơ có thể hòa tan (Soluble Organic Fraction - SOF): Gồm vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ dầu bôi trơn và dầu diesel
- Nhóm các hạt sunphát (Sulfate particulates - SO4): Gồm Acid sulfuric và nước
Hình 1 5 Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel [17]
Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao khác với nhiên liệu
có hàm lượng lưu huỳnh thấp
Hiện nay cơ chế hình thành bồ hóng từ quá trình cháy trong động cơ diesel vẫn còn gây nhiều tranh cãi vì liên quan đến các hiện tượng xảy ra ở nhiệt độ cao, áp suất lớn
1.2.2.2 NO x
NOx là họ các oxit nitơ, trong đó monoxit nitơ (NO) chiếm đại bộ phận, là kết quả của sự kết hợp giữa oxy và nitơ trong không khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao trong buồng đốt Nhiệt độ cần thiết để hình thành NOx là trên 2000 0K xuất hiện trong kỳ nổ của động cơ NOx có thành phần cấu tạo gồm 97% đến 98% NO và 2%
NO2 NO bản thân là chất khí không màu nhưng khi kết hợp với oxi để hình thành NO2
lại có màu hơi nâu Khi NO2 kết hợp với hidrocarbon dưới tác động của ánh sáng mặt trời sẽ gây nên hiện tượng quang hoá
Trang 24Sự phân bố nhiệt độ và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất Với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy lý thuyết Trong quá trình này, luôn tồn tại những khu vực hay các “túi” không khí có nhiệt độ thấp Nhờ bộ phận không khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ Diesel được làm mát (gọi là sự
“tôi” NO) nhanh chóng hơn và do đó NO ít có khuynh hướng bị phân giải [17]
Cơ chế hình thành NOx của Zel’dovich thường được sử dụng trong tính toán
NOx, mô hình bao gồm các phương trình phản ứng chính như sau:
O + N2 NO + N
N + O2 NO + O
N + OH NO + H
1.3 Tình hình nghiên cứu về mô phỏng động cơ
Ngày nay, trên thế giới với sự phát triển và ứng dụng khoa học kỹ thuật vào nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau như công nghệ, sức khỏe, kinh tế, giáo dục… ứng dụng công nghệ mô phỏng trên máy tính thay thế tính toán lý thuyết hoặc đo đạc thực nghiệm đang trở thành một xu thế mới, ngày càng được hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi trong nhiều nhóm ngành nghề Tiếp theo xu thế đó, ngành công nghệ động cơ đốt trong đang có những bước tiến vượt bậc, tối ưu hóa các thông số chu trình công tác bằng việc sự ứng dụng công nghệ mô phỏng số vào giảng dạy và nghiên cứu thiết kế,
đã góp phần không nhỏ chế tạo ra những loại động cơ thế hệ mới tiết kiệm nhiên liệu
và ít ô nhiễm môi trường hơn
Mô phỏng số đang là công cụ mạnh mẽ được sử dụng một cách rộng rãi trong giảng dạy, nghiên cứu và thử nghiệm ở các nước tiên tiến hiện nay, nhất là khi ngành công nghệ thông tin phát triển một cách nhanh chóng Nhìn chung, mô phỏng số là một công cụ hữu ích không chỉ giới hạn riêng trong mô phỏng động cơ mà còn trong hầu hết các ngành, các lĩnh vực khoa học khác nhau cả về tự nhiên lẫn xã hội, mô phỏng số
sẽ giúp cho chúng ta có cái nhìn trực quan hơn, sinh động hơn về các hệ thống, các công thức, các phản ứng mà rất khó thực hiện và quan sát trong thực tế
Trong chu trình công tác động cơ diesel, quá trình cháy dãn nở là yếu tố quyết định đến công suất, hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu, cũng như mức phát thải ô nhiễm môi trường và các tính năng khác khi vận hành Để hiểu rõ quy luật biến đổi các thông
Trang 25nghiên cứu động cơ đốt trong hoặc mở rộng phát triển hoàn thiện trong chế tạo, cần rất nhiều công sức tính toán Quá trình nghiên cứu và hoàn thiện chu trình công tác này đòi hỏi những công cụ mạnh mẽ trong lý thuyết, thực nghiệm hoặc mô phỏng động cơ đốt trong, đặc biệt là các công cụ để phân tích các thông số đặc trưng của quá trình cháy
Cùng với mô phỏng số, mô phỏng số động cơ đốt trong bắt đầu từ những năm
1970 khá bị hạn chế về mặt kỹ thuật do còn ít kiến thức cơ bản về quá trình đốt cháy, chủ yếu các nhà sản xuất động cơ phát triển và giới hạn trong việc cải thiện sản phẩm của mình
Nhận thấy tầm quan trọng trong việc nghiên cứu động cơ đốt trong, Mỹ đã thành lập các cơ sở nghiên cứu quá trình cháy (Combustion Research Facility - CRF) bắt đầu hoạt động vào năm 1981, chương trình nghiên cứu nâng cao động cơ đốt trong (Advanced Combustion Engine R&D - ACE R&D) bắt đầu vào năm 1986 Các chương trình này đã gắn kết các nhà nghiên cứu, các phòng thí nghiệm quốc gia, các trường Đại học và khối nghiên cứu tư nhân sát lại gần nhau và cùng nhau đạt được những hiểu biết cơ bản về quá trình đốt cháy, đây là nền tảng và cơ sở lý thuyết để phát triển và hoàn thiện các chương trình phần mềm sau này
Trong những năm gần đây đã có rất nhiều các công trình khoa học được công bố nhằm hoàn thiện chu trình công tác trên động cơ, các công trình chủ yếu tập trung trong lĩnh vực mô phỏng số động cơ đốt trong, các tác giả sử dụng nhiều phần mềm
mô phỏng khác nhau nhằm chung mục đích xác định các thông số chu trình công tác
và hoàn thiện các tính năng động cơ Sau đây là một số công trình tiêu biểu nhất
+ Công trình nghiên cứu của H.sushma: “Mô hình hóa dòng chảy của tia phun trong xi lanh động cơ diesel bằng kỹ thuật CFD” thực hiện mô phỏng CFD của động
cơ đốt trong với xupap và piston, sử dụng phương pháp chia lưới động học Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng đỉnh piston với 3 loại khác nhau Kết quả cho thấy, ở mỗi hình dáng đều có mức độ xoáy lốc khác nhau và được áp dụng cho những giải công suất, tính năng làm việc của từng loại động cơ [21]
+ Công trình nghiên cứu của Kohei Fukuda: “Mô phỏng số phun nhiên liệu trong động cơ diesel” Đề tài ứng dụng phương pháp tính toán động lực học lưu chất sử
dụng ANSYS FLUENT 13.0 với động cơ mô phỏng phun nhiên liệu diesel ở áp suất phun từ 100-300 MPa, mô hình động cơ được thiết lập với các điều kiện khác nhau và
Trang 26được kiểm tra bằng cách thay đổi áp suất phun Các dòng chảy bên trong xi lanh tính theo mô hình RANS và DES được xác nhận với các dữ liệu thực nghiệm Mục tiêu của nghiên cứu:
- Hiểu các chức năng và tiện ích của chương trình CFD FLUENT trong việc mô phỏng và cơ chế phun sương
- Nghiên cứu tác động của các áp suất phun cao vào xi lanh động cơ diesel sử dụng xupáp treo
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, mô hình k-ε tiêu chuẩn là phù hợp để hỗ trợ các mô hình khác trong FLUENT, để nghiên cứu chi tiết sâu hơn về quá trình phun, [13]
Tại Việt Nam, mô phỏng số nhìn chung vẫn đang còn rất mới, đang trong giai đoạn làm quen ban đầu, chủ yếu được sử dụng trong một số lĩnh vực hạn hẹp trong nghiên cứu và học tập về quân sự, thủy lợi, tính ứng dụng vẫn còn hạn chế Một số công trình tiêu biểu dùng phương pháp số để mô phỏng động cơ đốt trong như:
+ Công trình nghiên cứu của Nguyễn Vương Chí (2004): “Mô phỏng động cơ diesel khi dùng nhiên liệu biodiesel” đề tài sử dụng phần mềm chuyên dụng BOOST
mô phỏng động cơ diesel công suất 10HP với số vòng quay n=3600 vòng/phút của hãng Vikyno Nghiên cứu thực hiện nhằm xác định diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ [1]
+ Công trình nghiên cứu của Trần Quang Vinh: “Mô phỏng động cơ D1146TIS
sử dụng phần mềm CFD AVL-FIRE” Đề tài ứng dụng phương pháp tính toán động
lực học lưu chất, sử dụng phần mềm AVL-FIRE mô phỏng động cơ nhằm:
- Ứng dụng lý thuyết CFD vào việc tính toán động cơ đốt trong
- Khai thác công cụ mô phỏng động cơ đốt trong của phần mềm AVL-FIRE Kết quả thu được khi mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm trên băng thử đối với công suất, suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ định mức của động cơ [12]
1.4 Phát triển phần mềm dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ
Trải qua gần năm thập kỷ hình thành và phát triển, với sự góp sức của hàng trăm, ngàn nhà khoa học từ nhiều nước phát triển trên thế giới, ngày nay các phần mềm mô phỏng động cơ đã dần hoàn thiện và xuất được nhiều kết quả thay thế cho đo đạc thực nghiệm hoặc tính toán lý thuyết và thiết kế, mô phỏng, tính toán không những rút ngắn đáng kể thời gian, công sức cho người thiết kế mà còn cho kết quả rất chính xác Các
Trang 27phần mềm này rất đa dạng và phong phú với những ưu việt khác nhau Tùy thuộc vào phạm vi áp dụng, lựa chọn phần mềm phù hợp
Các cơ sở nghiên cứu quá trình cháy CRF và phát triển động cơ ACE R&D đã phát triển các phần mềm máy tính có khả năng mô phỏng quá trình phun, hình thành hỗn hợp và cháy Các phần mềm này có thể dùng để nghiên cứu một cách chuyên sâu
về các chu trình công tác làm việc của động cơ, có khả năng thiết kế mẫu, thử nghiệm mẫu trên lý thuyết và những phần mềm mô phỏng này được rất nhiều các nhà sản xuất động cơ sử dụng như Caterpillar, Cummins, General Motors, Ford và Chrysler, dùng
để phát triển động cơ cháy sạch hơn và nâng cao hiệu suất động cơ
Hiện nay, các trung tâm nghiên cứu động cơ đốt trong lớn trên thế giới đã tập trung nghiên cứu phát triển các phần mềm cho phép giải quyết các bài toán tính toán
mô phỏng hoàn thiện chu trình công tác của động cơ, trước hết là giải quyết các vấn đề liên quan đến tổ chức hợp lý quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel Như đã giới thiệu ở trên, mỗi phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong đều được phát triển nhắm đến mục tiêu trong một lĩnh vực nhất định, cụ thể như:
- Phần mềm ESP (Engine Simulation Program): Phần mềm chuyên dùng trong
mô phỏng động cơ, đặc biệt mô phỏng chu trình công tác của động cơ diesel [2]
- KIVA: Phần mềm CFD mô phỏng 2D và 3D với các dòng lưu chất chảy rối, tia
phun có tương tác hóa học như mô phỏng sự cháy động cơ đốt trong [3]
- ANSYS FLUENT: Phần mềm dùng tính toán động lực học chất lỏng, mô hình
hóa dòng lưu chất, dòng chảy rối, trao đổi nhiệt [10], [12]
- AVL – FIRE, BOOST: Mô phỏng nhiệt động lực học trong động cơ đốt trong
- HYDSIM: Mô phỏng hệ thống nhiên liệu và quá trình phun nhiên liệu
- CRUISE: Mô phỏng nâng cao hiệu suất và phân tích khí thải động cơ
Ở Việt Nam, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng động cơ mới được đưa vào những năm gần đây, sử dụng chủ yếu vào mục đích giảng dạy và nghiên cứu trong thí nghiệm động cơ của các trường Đại học, Viện Nghiên cứu Do điều kiện kinh tế và cơ
sở vật chất hạn chế nên phạm vi áp dụng các phần mềm để nghiên cứ chế tạo động cơ mới chưa có nhiều, vẫn chỉ ở giai đoạn nghiên cứu và chưa phát triển rộng
Trong các phần mềm trên, phần mềm mô phỏng ESP là phần mềm tính toán mô phỏng động cơ đốt trong do các chuyên gia khoa Kỹ thuật cơ khí của Đại học Cambridge [15] (Mỹ) phát triển từ năm 1999 Tác giả là giáo sư W.C Reynolds, sau
Trang 28đó được M.J Lumley bổ sung, phát triển ESP ban đầu với mục đích phục vụ cho đào tạo nhưng với nhiều ưu điểm vượt trội, phần mềm này đã được nhiều nhà nghiên cứu thiết kế động cơ sử dụng
Với ưu điểm gọn nhẹ, dễ cài đặt, tính chính xác và khoa học cao, ESP cho phép thiết lập mô hình cho động cơ, khai báo các thông số hình học, thời gian đóng mở xupap, áp suất, thời điểm phun, nhiên liệu sử dụng một cách chính xác và chi tiết Chính vì vậy, ESP cho phép dự báo chính xác kết quả quá trình cháy và các thông số
áp suất, vận tốc, nhiệt độ, lưu lượng, khối lượng biến thiên trong chu trình công tác của động cơ diesel khi thay đổi các thông số nói trên Đây là điều mà một số phần mềm khác thường dùng để tính toán chu trình công tác cho động cơ diesel chưa đề cập đến
Có nhiều phương pháp để hoàn thiện chu trình công tác và tìm ra các thông số tính năng, bên cạnh tính toán thuần túy lý thuyết hoặc dùng thực nghiệm đo đạc kiểm tra thì mô phỏng số là kỹ thuật đi đến thành công tối ưu nhất Các kết quả mô phỏng được so sánh với thực tế để kiểm nghiệm tính chính xác
Từ những phân tích ở trên, sử dụng phần mềm ESP, nghiên cứu mô phỏng chu trình công tác để xác định các thông số tính năng của động cơ diesel là hết sức cần thiết Kết quả nghiên cứu cho phép hiểu sâu hơn quy luật thay đổi các thông số tính năng khi thay đổi một số thông số vận hành (ví dụ: tốc độ động cơ, góc phun sớm), đây là điều quan trọng, làm cơ sở lý thuyết phục vụ đào tạo giảng dạy chuyên sâu, nâng cao về lý thuyết động cơ đốt trong và thay thế số liệu thực nghiệm trong nghiên cứu, lựa chọn các thông số để tìm ra biện pháp cải thiện quá trình cháy cho động cơ
Trang 29CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHU TRÌNH CÔNG TÁC
ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1 Chu trình công tác của động cơ diesel
2.1.1 Khái quát chu trình công tác của động cơ diesel
Ở động cơ đốt trong (ĐCĐT), sự biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng được tiến hành thông qua hàng loạt quá trình lý - hoá diễn ra theo một trình tự nhất định và lặp lại có tính chu kỳ Mỗi chu kỳ hoạt động của ĐCĐT được gọi là một chu trình công tác
Chu trình công tác (CTCT) của ĐCĐT là tổng cộng tất cả những sự thay đổi về
nhiệt độ, áp suất, thể tích, thành phần hoá học của môi chất công tác (MCCT) tính từ thời điểm nó được nạp vào cho đến khi được xả ra khỏi không gian công tác của xi
lanh Mỗi CTCT tương ứng với một lần sinh công trong một xi lanh [7]
Trong quá trình làm việc của động cơ diesel 4 kỳ, để hoàn thành một chu trình công tác piston động cơ phải thực hiện bốn hành trình tương ứng với các quá trình diễn
ra trong xi lanh gồm: nạp, nén, cháy giãn nở, thải Trong đó công có ích chỉ do quá trình cháy dãn nở sinh ra, các kỳ còn lại được thực hiện nhờ quán tính quay của bánh
đà và nhờ công kỳ cháy dãn nở của xi lanh khác (đối với động cơ nhiều xi lanh) Chu trình công tác ở ĐCĐT thực tế bao gồm hàng loạt quá trình nhiệt động, khí động, hoá học và cơ học rất phức tạp Diễn biến của các quá trình này chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như:
- Kết cấu của động cơ (hình dáng và kích thước của buồng đốt, tỷ số nén, kích thước của xi lanh )
- Các thông số điều chỉnh của động cơ (góc phun sớm nhiên liệu, góc đánh lửa sớm, thành phần hỗn hợp cháy )
- Chế độ làm việc của động cơ (tốc độ, tải, nhiệt độ )
Để có thể thiết lập được đặc tính và mức độ ảnh hưởng của các thông số, các quá trình nhiệt động đến các chỉ tiêu chất lượng của chu trình, qua đó đề ra phương hướng
và biện pháp nâng cao công suất và hiệu suất của động cơ trong thực tế, người ta tìm cách thay thế các quá trình nhiệt động thực tế phức tạp bằng các quá trình đơn giản hơn Quá trình cháy thực tế có thể được thay bằng quá trình cấp nhiệt từ một nguồn
Trang 30nóng bên ngoài động cơ hoặc bằng quá trình cháy được thực hiện trong những điều kiện lý tưởng hoá
Căn cứ vào đặc điểm quá trình cấp nhiệt cho MCCT, có thể phân biệt 3 kiểu chu trình lý thuyết của ĐCĐT:
- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích
- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp
- Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (còn được gọi là chu trình Sabathe' ) được xem như
chu trình thực sử dụng cho động cơ diesel có áp suất phun từ 5 – 6 MPa
Hình 2 1 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
Trong đó:
a - thời điểm đầu quá trình nén
c - thời điểm cuối quá trình nén
y - thời điểm áp suất cháy đạt đến trị số cực đại
z - thời điểm kết thúc quá trình cháy
b - thời điểm kết thúc quá trình dãn nở
Quá trình nhiệt động:
- Nén đoạn nhiệt (ac)
- Cấp nhiệt đẳng tích (cy)
- Cấp nhiệt đẳng áp (yz)
Trang 31Q1 = Q1V + Q1P = M.cv.(Ty - Tc) + M.cp.(Tz - Ty) (2- 1)
Q2 = M cV (Tb - Ta ) (2- 2)
Lt = Q1 - Q2 = M.cv.[(Ty - Tc) - (Tb - Ta)] + M cp (Tz - Ty) (2- 3)
Trong các công thức trên :
Q 1 - lượng nhiệt chu trình (tổng số nhiệt năng cấp cho MCCT trong một chu trình) , [J]
Q 2 - phần nhiệt năng do MCCT truyền cho nguồn lạnh , [J]
L t - công của chu trình lý thuyết
p a , p c , p y , p z , p b - áp suất trong không gian công tác của xi lanh tại các điểm đặc trưng của chu trình , [N/m 2 ]
V a , V c , V y , V z , V b - thể tích của không gian công tác của xi lanh tại các điểm đặc trưng của chu trình, [m 3
]
M - lượng MCCT có trong không gian công tác của xi lanh trong một chu trình, [kmol];
c v , c p – tỉ nhiệt mol đẳng tích và đẳng áp của MCCT, [J/kmol.K];
T a , T c , T y , T z , T b - nhiệt độ của MCCT tại các điểm đặc trưng của chu trình, [K]
Hiệu suất lý thuyết của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp:
1
Trang 32. .
k a
P: Áp suất trong lòng xi lanh
V: Thể tích của môi chất trong xi lanh
- Mở sớm tại vị trí 1, trước khi piston lên ĐCT
- Đóng muộn tại vị trí 3, sau khi piston qua ĐCD
Xupap xả:
- Mở sớm tại vị trí 7, trước khi piston tới ĐCD
- Đóng muộn tại vị trí 9, sau khi piston qua ĐCT
Trang 33Như vậy, trong chu trình công tác có thời điểm cả xupap nạp và xả đều mở ở lân cận ĐCT, góc quay trục khuỷu tương ứng với thời điểm cả 2 xupap cùng mở gọi là góc trùng điệp của xupap
Ngoài đồ thị công p – V, để biểu diễn mối quan hệ áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu của động cơ 4 kỳ, còn dùng đồ thị công khai triển p – φ như sau:
Hình 2 3 Đồ thị công khai triển, thể tích công tác, thời gian phun nhiên liệu,
tốc độ cháy [14]
Trong đó:
IVO - thời điểm xupap nạp bắt đầu mở
IVC - thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn
EVO - thời điểm xupap xả bắt đầu mở
EVC - thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn
TC - điểm chết trên
BC - điểm chết dưới
SOI - thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu
Trang 34SOC - thời điểm bắt đầu cháy
EOC - thời điểm kết thúc quá trình cháy
2.1.2 Các thông số tính năng của chu trình công tác động cơ diesel
Thông số tính năng là thuật ngữ được dùng để biểu đạt khả năng và hiệu quả làm
việc của động cơ Có thể dùng các thông số chính sau đây để đánh giá tính năng của
ĐCĐT, đó là: công suất, hiệu suất (hoặc suất tiêu hao nhiên liệu) [11]
Ngoài ra, để đánh giá chất lượng của CTCT về phương diện nhiệt động, người ta thường dùng hai đại lượng : hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình
Có nhiều phương pháp để tìm ra các thông số trên, cụ thể:
- Phương pháp lý thuyết: sử dụng các công thức toán học, định luật vật lý để giải
và tính toán thuần túy về lý thuyết
- Phương pháp thực nghiệm: dùng các thí nghiệm với động cơ, cho ra công suất với số liệu hầu hết dựa vào mômen và tốc độ quay [4]
2.1.2.1 Hiệu suất nhiệt của chu trình [8]
Hiệu suất nhiệt của chu trình () được xác định bằng tỷ số giữa phần nhiệt được biến đổi thành cơ năng và tổng số nhiệt lượng cấp cho MCCT trong một chu trình
1
ct
L Q
Trong đó:
L ct - công chu trình
Q 1 - nhiệt lượng chu trình
Hiệu suất nhiệt là đại lượng đánh giá chu trình về phương diện hiệu quả kinh tế Với cùng một lượng nhiệt cấp cho MCCT, chu trình nào có hiệu suất nhiệt cao hơn thì
số cơ năng được sinh ra nhiều hơn
2.1.2.2 Áp suất trung bình của chu trình [8]
Áp suất trung bình của chu trình (ptb) là đại lượng được xác định bằng tỷ số giữa công sinh ra trong một chu trình (Lct) và dung tích công tác của xylanh (Vh)
ct tb h
L p V
Áp suất trung bình là đại lượng đánh giá chu trình về phương diện hiệu quả kỹ thuật Với cùng một dung tích công tác, chu trình nào có áp suất trung bình cao hơn thì
Trang 35Tuỳ thuộc vào cách xác định công chu trình (Lct) , chúng ta sẽ có các khái niệm hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình khác nhau, như : hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị, áp suất lý thuyết trung bình, áp suất chỉ thị trung bình, áp suất có ích trung bình Tuỳ thuộc vào việc công chu trình được xác định như thế nào, phân biệt các loại
áp suất:
Áp suất lý thuyết trung bình :
t t h
L p V
Áp suất chỉ thị trung bình
i i h
L p V
Áp suất có ích trung bình
e e h
L p V
Trong đó :
L ct - công của chu trình, [J];
L t - công lý thuyết của chu trình, [J];
L i công chỉ thị của chu trình, [J];
L e - công có ích của chu trình, [J]
2.1.2.3 Công suất động cơ diesel
a) Các khái niệm
Công suất là yêu cầu đầu tiên của máy công tác và hệ thống động lực sử dụng động cơ Công suất có ích là công suất thu từ đầu ra của trục khuỷu, đây là chỉ tiêu quan trọng quyết định khả năng sử dụng động cơ để dẫn động máy công tác và hệ thống động lực cụ thể
Công suất của động cơ là công do môi chất công tác giãn nở sinh ra trong một đơn vị thời gian Công suất của ĐCĐT thường được đo bằng đơn vị kilowatt (kW) hoặc mã lực (Hp)
Ở động cơ đốt trong, sự phân biệt các khái niệm công suất như sau:
- Công suất chỉ thị ( N i )[11]:
Là tốc độ thực hiện công chỉ thị của động cơ, nói cách khác, công suất chỉ thị là công suất của động cơ, trong đó không bao gồm cả phần tổn thất cơ học
Trang 36Công suất chỉ thị Ni là công suất ứng với công chỉ thị Theo định nghĩa ta có:
i
L i L i n N
(2- 12) Trong các công thức trên:
N i - Công suất chỉ thị của động cơ (W)
L i - Công chỉ thị của chu trình (J)
i - Số xi lanh của động cơ
t - Thời gian thực hiện một chu trình công tác (s)
n - Tốc độ quay của động cơ, vg/ph
z - Hệ số phụ thuộc vào số kỳ của động cơ, (ĐC 4 kỳ z = 2, ĐC 2 kỳ z = 1)
Thay các giá trị vào công thức tính Ni ta có:
i h i
p V i n N
Từ định nghĩa của công suất, áp suất trung bình của chu trình và tốc độ quay ta
có các công thức xác định công suất chỉ thị và công suất có ích dưới đây:
e .h
e
p V i n N
L p V
V h - Thể tích công tác của một xi lanh, lít
p e - Áp suất có ích trung bình : e
e h
L p V
(2- 16)
L i - Công chỉ thị L i = Q 1 - ∆Q i = Q 1 – (Q m + Q x + Q kh + Q cl )
L e - Công có ích L e = Q 1 - ∆Q e = Q i – Q m
b) Phương pháp xác định công suất động cơ diesel bằng thực nghiệm
Có nhiều phương pháp thực nghiệm xác định công suất động cơ, nhưng hầu hết đều dựa vào mômen và tốc độ quay Đối với máy tàu thủy, có thể phân chia thành các phương pháp sau [4]:
Trang 37Phương pháp này thực chất là đo lực sau đó tính công suất theo công thức [4]:
M - Mômen xoắn thu được qua thiết bị đo (kN.m, kG.m…)
n - Tốc độ quay của động cơ (v/ph)
P - Lực thu được trên thiết bị đo (kN, kG…)
l - Cánh tay đòn trên thiết bị gây tải (m)
ms
M - Mômen ma sát của thiết bị đo ở các gối trục (kN.m, kG.m…)
f
M - Mômen tổn hao trên bị gây tải (kN.m, kG.m…)
Tùy theo từng thiết bị mà các giá trị của M ms và M f sẽ khác nhau
Phương pháp xác định công suất có ích loại không cân bằng
Các thiết bị đo công suất kiểu này có một số đặc điểm:
- Động cơ cần xác định làm quay rotor của thiết bị, thân thiết bị đứng yên, thiết bị này cho ta các thông số trên đồng hồ (vôn kế, ampe kế, áp kế…) từ đó tính ra công suất động cơ
- Các thiết bị này không có thiết bị cân lực kèm theo
- Đây là phương pháp xác định công suất tại nơi sử dụng, dùng trong trường hợp các loại động cơ cỡ nhỏ của tàu cá
2.1.2.4 Hiệu suất động cơ diesel
a) Các khái niệm
+ Hiệu suất lý thuyết (t )
Hiệu suất nhiệt t là tỷ số giữa phần nhiệt lượng được biến thành công lý thuyết (Lt) chia cho tổng nhiệt lượng đưa vào động cơ (Q1)
1
t t
L Q
Đây là hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết hay chu trình lý tưởng của ĐCĐT là chu trình nhiệt động được xây dựng trên cơ sở của hàng loạt giả định, đơn giản hoá các quá trình nhiệt động diễn ra trong không gian công tác của xi lanh động cơ Mức độ đơn giản hoá được lựa chọn tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu
Ví dụ: có thể giả định MCCT là khí lý tưởng với nhiệt dung riêng là hằng số hoặc
là không khí với nhiệt dung riêng phụ thuộc vào thành phần của sản phẩm cháy, quá
Trang 38trình cháy thực tế có thể được thay bằng quá trình cấp nhiệt từ một nguồn nóng bên ngoài động cơ hoặc thay bằng quá trình cháy được thực hiện trong những điều kiện lý tưởng hoá
- Nhiên liệu cháy không hoàn toàn
- Truyền nhiệt vào vách xi lanh
- Lọt khí do không gian công tác của xi lanh không kín
- Tổn thất khí động học do ma sát giữa các phần tử chất khí và giữa khí với vách
xi lanh
+ Hiệu suất cơ học (m )
Là đại lượng đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, tức là đánh giá mức
độ hoàn thiện của động cơ về phương diện cơ học Hiệu suất cơ học m là tỷ số giữa công có ích (Le) chia cho công chỉ thị (Li):
Hiệu suất cơ học là là chỉ tiêu đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, nó phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay và ít phụ thuộc vào phụ tải của động cơ
Ở chế độ chạy không tải, toàn bộ công chỉ thị được sử dụng để cân bằng các loại tổn thất cơ học trong động cơ, khi đó (Le = 0) và (m = 0) Hiệu suất cơ học tăng dần cùng với việc tăng tải và đạt khoảng (m = 0,8 0,85) ở chế độ định mức đối với động
cơ diesel 4 kỳ cao tốc [5]
Trang 39- Chất lượng thiết kế, chế tạo và lắp ráp;
- Chất bôi trơn và chế độ bôi trơn;
L Q
dễ dàng nhận ra rằng có ba cách để tăng hiệu suất có ích của động cơ đó là:
- Tăng hiệu suất nhiệt (t) bằng cách tăng tỷ số nén và tổ chức tốt quá trình cháy
- Tổ chức thực hiện chu trình công tác sao cho nó tiến gần đến chu trình lý tưởng (tăng d)
- Chọn vật liệu thích hợp, sử dụng kết cấu hợp lý nhằm giảm tổn thất cơ học trong động cơ (tăng m)
Hiệu suất có ích thay đổi theo tốc độ quay, phụ tải và tình trạng kỹ thuật của động cơ Khi động cơ làm việc ở chế độ không tải m = 0 vì công suất sinh ra lúc này
chỉ đủ để vượt sức cản ma sát
Khi động cơ bốn kỳ làm việc ở chế độ toàn tải có các giá trị sau:
Bảng 2 1 Bảng giá trị hiệu suất cơ học và hiệu suất có ích trên động cơ
Động cơ diesel 4 kỳ cao tốc, chọn ηm = 0,8 [5]
2.1.2.5 Suất tiêu hao nhiên liệu
+ Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị (g i ):
Trang 40Tính kinh tế nhiên liệu của động cơ cũng có thể đánh giá bằng suất tiêu hao nhiên liệu cho một kW chỉ thị trong một giờ [11]:
3
.10
nl i i
G g N
c
N g g
n i
Trong đó:
g e – suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g/kW.h hoặc g/ml.giờ)
n c - tốc độ quay trục cam theo bơm cao áp (v/p)
i – số xi lanh động cơ
+ Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g e ):
Hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của ĐCĐT cũng đồng nghĩa với khái
niệm "tính tiết kiệm nhiên liệu" của nó Trong thực tế khai thác, thường ít dùng hiệu
suất mà dùng đại lượng thể hiện lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để đánh giá tính tiết kiệm nhiên liệu Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ trong một đơn vị thời gian
được gọi là lượng tiêu thụ nhiên giờ (Ge) Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để sinh ra một đơn vị công suất có ích trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng tiêu
thụ nhiên liệu riêng có ích (gọi tắt là suất tiêu thụ nhiên liệu - ge) [7]
Đơn vị thường dùng của suất tiêu hao nhiên liệu là (g/kW.h) hoặc là (g/ml.h) Có thể tính được suất tiêu hao nhiên liệu (ge) bằng công thức sau:
e e e
G g N
Hoặc bằng công thức [5]:
i e m
g g
G e - lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ
Đơn vị thường dùng của Ge là kg/h được gọi là lượng tiêu hao nhiên liệu giờ Cũng như hiệu suất có ích, suất tiêu hao nhiên liệu cơ bản đánh giá động cơ về phương diện hiệu quả sử dụng năng lượng (nhiên liệu cung cấp) Suất tiêu hao nhiên liệu và