Nghiên cứu khả năng tăng áp động cơ diesel đang lưu hành

-1MỞ ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu tính vận hành phương tiện lắp động cơ, nhiều giải pháp hiệu áp dụng Trong đó, tăng áp cho động đốt (ĐCĐT) giải pháp công nghệ cho thấy hiệu rõ rệt Phần lớn loại ĐCĐT hệ nói chung, có động diesel nói riêng trang bị hệ thống tăng áp, điển hình tăng áp tuabin khí thải Đối với Việt Nam, ĐCĐT hệ cũ sử dụng nhiều, đặc biệt động diesel không tăng áp Những động có đặc điểm độ bền lớn Mặc dù sau thời gian làm việc có suy giảm tính cải tiến thành động tăng áp để tận dụng khả khai thác phần cải thiện tính kinh tế, kỹ thuật động Đề tài “Nghiên cứu khả tăng áp động diesel lưu hành” hướng tới góp phần giải yêu cầu thực tiễn i Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài *) Mục đích nghiên cứu Đưa quy trình công nghệ cải tiến cường hóa động diesel không tăng áp lưu hành tăng áp tuabin khí thải *) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Động D243 lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu, ví dụ áp dụng quy trình Đây động diesel hệ cũ, sử dụng phổ biến máy nông nghiệp, vận tải đường sông đường Các nội dung nghiên cứu đề tài thực Phòng thí nghiệm Động đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Công ty Diesel Sông Công (Thái Nguyên) ii Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết thực công cụ mô chuyên sâu lĩnh vực ĐCĐT Qua phân tích, đánh giá lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi cải tiến tăng áp tuabin khí thải cho động diesel lưu hành Thực nghiệm tiến hành phòng thí nghiệm để đánh giá kết tăng áp ảnh hưởng tăng áp đến thông số làm việc động -2iii Ý nghĩa khoa học thực tiễn Lần Việt Nam đưa quy trình công nghệ hợp lý, toàn diện khả thi để cải tiến động không tăng áp có hệ dự trữ bền cao lưu hành thành động tăng áp dùng tuabin khí thải nhằm tăng công suất có ích Quy trình vừa có tính tổng quát, tức áp dụng cho động diesel không tăng áp có hệ số dự trữ bền đủ lớn, đồng thời vừa có tính đơn lẻ tính đến tình trạng kỹ thuật cụ thể động Việc áp dụng thành công quy trình cho động D243 chứng tỏ tính đắn giải pháp tổng thể giải pháp kỹ thuật thực quy trình Do đó, luận án có giá trị mặt lý luận mà đóng góp thực tiễn việc tận dụng khả khai thác động lưu hành có hệ dự trữ bền cao CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Xu hướng phát triển động đốt Trải qua kỷ, ngành ĐCĐT liên tục phát triển đạt nhiều thành tựu rực rỡ Các nhà sản xuất ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến để đưa mẫu động phù hợp, phục vụ cho nhu cầu vận tải ngành kinh tế khác đời sống Các xu hướng nghiên cứu phát triển chủ yếu hướng tới mục tiêu chế tạo động tiết kiệm nhiên liệu thân thiện với môi trường để làm nguồn động lực cho máy công tác mà điển hình động lắp phương tiện vận tải Ở Việt Nam, động diesel hệ cũ sử dụng nhiều nên xu hướng quan tâm cải tiến các động hệ cũ nhằm nâng cao hiệu suất tận dụng hết lực làm việc động trước bị thay dòng động đại 1.2 Thành đạt công nghệ phát triển động đốt Để đáp ứng tiêu công suất, suất tiêu hao nhiên liệu mức độ phát thải, nhà chế tạo động không ngừng cải tiến, tối ưu hóa sản phẩm Một số thành tựu điển cải tiến kết cấu động cơ, ứng dụng điều khiển điện tử, sử dụng nhiên liệu thay 1.2.1 Cải tiến kết cấu động -31.2.1.1 Cơ cấu phân phối khí thông minh Hiện nay, động ôtô đại sử dụng công nghệ VVT-i (Variable Valve Timing Intelligence) Toyota hay VTEC Honda… Đây cấu phối khí thông minh hãng Toyota theo nguyên lý điện - thủy lực Cơ cấu tối ưu hóa góc phối khí trục cam nạp tùy theo chế độ làm việc động 1.2.1.2 Hệ thống luân hồi khí thải EGR EGR (Exhaust Gas Recirculation) biện pháp hữu hiệu để giảm hình thành NOx buồng cháy Khí thải gồm chủ yếu CO2, N2 nước, sau khỏi động lấy phần đưa trở lại xylanh để làm giảm nồng độ ôxy giảm nhiệt độ cháy 1.2.1.3 Động cháy nén hỗn hợp đồng HCCI Mô hình cháy HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) đời sở kết hợp ưu điểm động cháy nén mà đại diện động diesel động hình thành hỗn hợp cháy cưỡng mà đại diện động xăng Ưu việt mô hình HCCI hiệu suất tương tự với động phun xăng trực tiếp, kiểu cháy tương tự động diesel thành phần phát thải NOX giảm đáng kể độ khói gần không 1.2.2 Ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử động đốt Những động xăng truyền thống chủ yếu sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí dần thay hệ thống phun xăng điện tử, qua nâng cao đáng kể tính kinh tế, tính hiệu chất lượng khí thải động Đối với động diesel, nhược điểm HTNL khí khắc phục hệ thống nhiên liệu tích áp CR (Common Rail) 1.2.3 Sử dụng nhiên liệu thay Hiện nay, gia tăng nhanh chóng số lượng phương tiện vận tải thiết bị động lực sử dụng ĐCĐT chạy nhiên liệu xăng diesel gây ô nhiêm môi trường tăng nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Chính vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay để giảm ô nhiễm môi trường bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Các nhiên liệu thay ưu tiên nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu có trữ lượng lớn sử dụng cho động lưu hành mà không cần thay đổi nhiều kết cấu Đáp ứng yêu cầu -4này, sử dụng loại nhiên liệu nhiên liệu sinh học ethanol, biodiesel hay hydro, LPG khí thiên nhiên… 1.3 Tăng áp cho động đốt Tăng áp dùng biện pháp nén không khí nạp vào xylanh, qua tăng khối lượng không khí nạp vào xylanh chu trình công tác, với tăng lượng nhiên liệu cấp làm tăng công suất động giảm suất tiêu hao nhiên liệu 1.3.1 Xu hướng phát triển biện pháp tăng áp cho động Nhờ ưu điểm vượt trội nhiều mặt nên dòng động đại hầu hết trang bị hệ thống tăng áp Trên thực tế phương pháp tăng áp cho động đa dạng ứng dụng linh hoạt cho mục đích sử dụng khác Dựa vào nguồn lượng để nén không khí, tăng áp chia thành nhóm tăng áp khí, tăng áp tuabin (TB) khí thải, tăng áp dao động cộng hưởng… 1-Máy nén, 2-Thiết bị làm mát trung gian, 3-Động cơ, 4-Bình xả, 5-Tuabin Tăng áp lượng Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tăng áp khí thải phương pháp dùng TB tuabin khí thải làm việc nhờ lượng khí thải ĐCĐT để dẫn động máy nén (MN) Khí thải động có áp suất nhiệt độ cao nên lượng tương đối lớn, chiếm tới 3040% tổng lượng nhiên liệu cung cấp cho động Để tận dụng lượng khí thải, người ta cho giãn nở sinh công TB, sơ đồ nguyên lý tăng áp TB khí thải thể Hình 1.2 1.3.2 Tình hình nghiên cứu tăng áp cho động diesel lưu hành Việt Nam Tình hình nghiên cứu nước cường hóa động diesel tăng áp có số điểm bật sau: a Trên giới: Các động diesel hệ cũ nước XHCN Liên Xô, CHDC Đức, Tiệp Khắc… chế tạo có khả chịu tải trọng cơ, nhiệt cao, dự trữ sức bền lớn khả đáp ứng HTNL dư thừa so với công suất thiết kế Do đó, động có khả cường -5hóa tăng áp để tăng công suất lên cao mà đảm bảo làm việc ổn định, lâu dài Phần lớn động diesel hệ động ЯMZ, Huyndai… trang bị hệ thống tăng áp để cải thiện tính kinh tế, kỹ thuật Các hệ thống động tính toán cải tiến để tối ưu chế độ làm việc động b Trong nước: Nghiên cứu cải tiến nâng cao công suất động diesel lưu hành TB khí thải giải pháp hiệu quan tâm Việt Nam Luận án tiến sỹ kỹ thuật tác giả Nguyễn Đại An, Đại học Hàng Hải Tác giả xây dựng mô hình mô tả trình dao động áp suất đường ống để xác định chiều dài tối ưu đường ống phạm vi làm việc thường xuyên động thủy hóa Kết nghiên cứu thực nghiệm động D50 nâng cao 10% công suất giảm khoảng 8% suất tiêu hao nhiên liệu Luận án tiến sỹ kỹ thuật tác giả Lê Đình Vũ, Học viện Kỹ thuật Quân sự, tính toán thiết kế cải tiến tăng áp dựa vào kinh nghiệm tác giả nước để lựa chọn tỷ số tăng áp nhằm tăng công suất khoảng 30% Tuy nhiên hệ thống bôi trơn, làm mát, cấu phối khí chưa tính toán cải tiến nên động nóng, phát thải khói đen cao Các đề tài nghiên cứu nước tăng áp TB khí thải chủ yếu tập trung giải vấn đề riêng rẽ toán tăng áp cho động như: tính toán cụm TB-MN; thiết kế cải tiến đường nạp, thải, kiểm tra bền piston, truyền, trục khuỷu, cải tiến hệ thống nhiên liệu… Cho đến nay, chưa có đề tài nghiên cứu giải tổng thể vấn đề liên quan thực cải tiến tăng áp cho loại động lưu hành Vì vậy, nhiệm vụ đặt đề tài nghiên cứu cách đầy đủ, vấn đề tiến hành cường hóa động lưu hành phương pháp tăng áp TB khí thải Trên sở quy trình cải tiến này, áp dụng động diesel chưa tăng áp có hệ số dự trữ bền cao 1.4 Kết luận Chương Nội dung Chương tóm lược sau: Tăng công suất riêng, giảm tiêu thụ nhiên liệu giảm phát thải độc hại mục tiêu mà hãng sản xuất động giới -6hướng tới, có nhiều công nghệ ứng dụng Trong tăng áp tuabin máy nén coi giải pháp hiệu mà nhiều hãng sản xuất động giới quan tâm Không áp dụng động hệ mới, biện pháp tăng áp cho thấy hiệu rõ rệt trang bị loại động hệ cũ Các nghiên cứu nước liên quan tới tăng áp cho thấy tính kinh tế, kỹ thuật động cải thiện đáng kể Thông qua số phân tích nêu cho thấy, việc tận dụng khai thác triệt để loại động diesel lưu hành cách trang bị thêm hệ thống tăng áp đáp ứng nhu cầu tính sử dụng mà góp phần đa dạng hóa loại hình động cơ, giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu Mục đích hướng tới đề tài đánh giá khả tăng áp cho dòng động diesel không tăng áp lưu hành Việt Nam, từ đề xuất quy trình công nghệ nhằm giải vấn đề CHƯƠNG 2: CƠ SỞ CẢI TIẾN TĂNG ÁP BẰNG TB-MN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Quan điểm điều kiện để thực cải tiến tăng áp TB-MN 2.1.1 Quan điểm cải tiến Cải tiến tăng áp cho động diesel lưu hành cần thực với tiêu chí thay đổi nhiều kết cấu, tiến hành thuận lợi, phù hợp với điều kiện Việt Nam chi phí thấp 2.1.2 Điều kiện để thực tăng áp Để thực tăng áp động lựa chọn để tăng áp cần phải có độ bền dư lớn để đáp ứng đủ bền sau tăng áp; HTNL, cụ thể bơm cao áp cần có hệ số dự trữ lưu lượng đủ lớn 2.1.3 Xây dựng quy trình thực tăng áp TB-MN cho động diesel lưu hành Hình 2.1 thể quy trình thực cải tiến tăng áp TBMN cho động diesel lưu hành Quy trình gồm phần sau: Phần 1, đánh giá khả tăng áp cho động chọn: lựa chọn động để thực tăng áp; tính toán mô phần mềm AVLBoost AVL-Excite Designer Phần 2, xác định tỷ số tăng áp cho động cơ: tỷ số tăng áp ban đầu tính toán lựa chọn sở kết tính thừa bền phần -7Phần 3, tính toán cải tiến hệ thống cho động sau thực tăng áp theo tỷ số tăng áp chọn: tính toán lựa chọn cụm TB-MN; tính toán thiết kế cải tiến hệ thống nhiên liệu; hệ thống đường nạp thải; hệ thống làm mát; hệ thống bôi trơn 2.2 Cơ sở lý thuyết xác định khả tăng áp 2.2.1 Cơ sở lý thuyết mô phần mềm AVL-Boost Trong tính toán cải tiến tăng áp cho động cơ, tác giả sử dụng phần mềm AVL-Boost để đánh giá khả làm việc động trang bị cụm TB-MN Kết mô cho phép đánh giá thông số làm việc động tỷ số tăng áp khác làm sở để tính toán kiểm nghiệm Hình 2.1 Quy trình cải tiến tăng áp TB-MN cho động bền cho động cơ, từ diesel lưu hành lựa chọn tỷ số tăng áp phù hợp Cơ sở lý thuyết phần mềm AVL-Boost dựa phương trình sau: Quá trình trao đổi nhiệt chất bên động xác định theo định luật nhiệt động học thứ nhất: d mc u  dQ dm dV dQF   pc    w  hBB BB d d d d d (2.1) -8Mô hình động cơ-TB-MN tính toán dựa theo phương trình cân lượng TB MN: Pc  PT (2.2) Công tiêu thụ cho cụm TB-MN xác định thông qua tốc độ lưu động dòng môi chất qua MN chênh lệch enthalpy cửa vào cửa MN Pc  m c ( h2  h1 ) h2  h1   p  cP T1.   p1   s ,c  (2.3) k 1 k   1   (2.4) Công TB cung cấp xác định thông qua tốc độ lưu động dòng môi chất qua TB chênh lệch enthalpy cửa vào cửa TB PT  m T m,TC (h3  h4 )  p  h3  h4   s ,T cP T3.1      p3   (2.5) k 1 k     (2.6) 2.2.2 Cơ sở lý thuyết mô phần mềm AVL-Excite Designer Phần mềm AVL-Excite Designer phần mềm chuyên dụng, bao gồm mô đun tính toán động học, động lực học, tính cân bằng, tính điều kiện hình thành màng dầu ổ đỡ, tính dao động tính bền cấu trục khuỷu truyền CCPPK động phương pháp phần tử hữu hạn Cơ sở lý thuyết tính bền trục khuỷu AVL-Excite Designer thực theo số giả thiết sau: - Độ bền mỏi đánh giá vùng chịu ứng suất lớn Các góc lượn chuyển tiếp má khuỷu với cổ biên cổ trục nơi chịu ứng suất lớn - Độ bền mỏi tính vị trí khoan lỗ dầu cổ trục cổ biên có giá trị thấp giá trị chấp nhận góc lượn 2.3 Cơ sở tính toán lựa chọn cụm TB-MN Các thông số tính toán cụm TB-MN bao gồm: -9- k - Lưu lượng khối lượng khí tăng áp, m - Tỷ số tăng áp MN,  k - Nhiệt độ khí thải qua TB, Tg - Tốc độ vòng quay TB MN, nT Khi tính toán phối hợp TB-MN-ĐCĐT cần xác định thông số ảnh hưởng định đến chế độ làm việc, bao gồm: - Tốc độ vòng quay động cơ: thông số định lưu lượng không khí nạp cần thiết nạp vào xylanh - Chế độ tải trọng động cơ: xác định áp suất có ích trung bình, mômen có ích, lượng nhiên liệu đưa vào chu trình công tác hay hệ số dư lượng không khí Khi lựa chọn cụm TB-MN cần đảm bảo điều kiện sau: - Áp suất lưu lượng khí nạp phải đảm bảo theo yêu cầu tăng áp - Hệ số dư lượng không khí đạt giá trị cần thiết nhằm đảm bảo lượng khí thải cung cấp cho TB, qua cung cấp đủ công cho MN - Cụm TB-MN cần đảm bảo cho động làm việc ổn định vùng làm việc phổ biến động 2.4 Cơ sở tính toán, cải tiến hệ thống thực tăng áp 2.4.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu Sau tăng áp, lượng môi chất nạp vào xylanh chu trình tăng lên Để đạt mục đích tăng công suất động cần tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Có nhiều biện pháp để tăng lượng nhiên liệu cung cấp thay đổi biên dạng cam, tăng đường kính piston bơm cao áp, tăng hành trình có ích bơm… Trong nghiên cứu này, tác giả không thay đổi kết cấu BCA mà thực xoay bơm để tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Để đảm bảo BCA nguyên cung cấp đủ lượng nhiên liệu cho động sau tăng áp, cần tính toán kiểm nghiệm lại khả dự trữ lưu lượng bơm 2.4.2 Thiết kế hệ thống nạp thải Cần tính toán thiết kế đường nạp, thải động cách hợp lý đảm bảo điều kiện dòng khí lưu thông cách thuận lợi kích thước nhỏ gọn, lắp ráp dễ dàng với cụm TB-MN - 10 Sử dụng công cụ tính toán động lực học dòng chảy CFD Fluent để mô trình vận động dòng khí nạp, khí thải, từ đưa kết cấu đường nạp, đường thải đảm bảo khả làm việc động sau TA 2.4.3 Hệ thống làm mát Sau tăng áp, tải trọng nhiệt tăng lên, cần cải tiến HTLM để tăng khả tản nhiệt môi trường, áp dụng biện pháp: - Tăng lưu lượng nước tuần hoàn hệ thống - Thay đổi kết cấu két nước, quạt gió để tăng cường độ trao đổi nhiệt 2.4.4 Hệ thống bôi trơn Sau tăng áp, tải trọng nhiệt tăng, cần cải tiến HTBT động nhằm đảm bảo điều kiện bôi trơn khó khăn hơn, nhằm: - Tăng lưu lượng áp suất dầu bôi trơn đến ổ trục - Cung cấp dầu bôi trơn cụm TB-MN cách thiết kế thêm đường dầu 2.5 Kết luận Chương Nội dung Chương tóm lược sau: Đưa quy trình cải tiến tăng áp TB-MNcho động diesel lưu hành Đưa sở lý thuyết trình tính toán xác định khả tăng áp động diesel lưu hành phần mềm AVLBoost AVL-Exciter Designer Xây dựng sở lý thuyết cho việc tính toán lựa chọn cụm TB-MN, thiết kế cải tiến hệ thống khác hệ thống nhiên liệu, HTLM, HTBT, đường nạp thải động diesel lưu hành thực tăng áp CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, CẢI TIẾN TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ D243 3.1 Quan điểm cải tiến tăng áp động D243 Động D243 sử dụng nhiều ứng dụng Việt Nam máy kéo, tàu thủy máy phát điện Tác giả lựa chọn mua động D243 qua sử dụng để làm ví dụ áp dụng quy trình cải tiến tăng áp theo trình tự trình bày Chương - 11 3.2 Xây dựng đặc tính động D243 phòng thí nghiệm Đối tượng nghiên cứu động qua sử dụng, đặc tính động không đảm bảo tài liệu kỹ thuật, cần xây dựng lại đường đặc tính động Đặc tính động Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm thông số kết cấu sở để xây dựng mô hình mô chu trình công tác tính toán kiểm nghiệm độ bền sau tăng áp phần mềm nêu Chương Quá trình thí nghiệm xác định đặc tính thực PTN Động đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 3.2.1 Trang thiết bị thử nghiệm Động D243 lắp đặt lên băng thử động lực học cao PTN để tiến hành đo đặc tính động thể Hình 3.1 Hệ thống thử nghiệm bao gồm thiết bị phanh điện, thiết bị làm mát dầu bôi Bảng 3.1 Kết thử nghiệm đường đặc tính trơn, tuần hoàn nước… động D243 3.2.2 Kết thử nghiệm n TT Ne (kW) ge (g/kW.h) động D243 băng (v/ph) thử 1000 25,88 289,69 Kết thử nghiệm 1400 41,15 277,32 công suất suất tiêu 1600 45,89 268,38 hao nhiên liệu thể 1800 49,90 265,31 Bảng 3.1 2000 51,05 264,48 Ngoài kết 2200 53,68 280,57 thử nghiệm đo đạc đường đặc tính, thông số kết cấu khác động đường nạp, đường thải, truyền, trục khuỷu, lọc gió… xác định để tiến hành xây dựng mô hình mô phần mềm AVL-Boost AVL-Excite Designer 3.3 Tính toán khả tăng áp động D243 - 12 3.3.1 Tính toán chu trình nhiệt động động D243 tăng áp phần mềm AVL-Boost a) Xây dựng mô hình Mô hình động D243 nguyên xây dựng phần mềm AVL–Boost thể Hình 3.2 Hình 3.2 Mô hình động D243 nguyên c) Xây dựng mô hình động D243 tăng áp Mô hình động D243 tăng áp xây dựng từ mô hình nguyên cách bố trí thêm cụm TB-MN nằm đường thải nhằm tận dụng lượng khí thải để tăng áp cho động Mô hình động sau tăng áp thể Hình 3.4 d) Kết mô Với mô hình động D243 tăng áp xây dựng, tiến hành tăng dần tỷ số tăng áp cụm TB-MN Tại tỷ số tăng áp, thu diễn biến áp suất xylanh theo góc quay trục khuỷu thể Hình 3.5 Đây 60 500 450 50 400 45 Ne_TN Ne_MP ge_TN ge_MP 40 35 350 300 ge (g/kWh) Công suất (kW) 55 30 250 25 20 1000 1200 1400 1600 1800 Tốc độ (v/ph) 2000 200 2200 Hình 3.3 Đặc tính công suất tiêu hao nhiên liệu MP TN Hình 3.4 Mô hình động D243 TA 80 πk=1,5 70 Áp suất xylanh (bar) b) Đánh giá độ tin cậy mô hình Kết so sánh thông số làm việc đường đặc tính thể Hình 3.3 Sai lệch lớn công suất 5,2% n = 1000v/ph, tiêu hao nhiên liệu 7,1% n = 1400v/ph Các kết thể độ tin cậy mô hình πk=1,4 60 πk=1,3 50 πk=1,0 40 30 20 10 270 300 330 360 390 420 450 Góc quay trục khuỷu (o TK) Hình 3.5 Diễn biến áp suất xylanh theo oTK - 13 thông số đầu vào quan trọng cho toán kiểm nghiệm bền AVL Excite Designer Giá trị πk = 1,0 tương ứng với trường hợp động nguyên không tăng áp Tỷ số tăng áp tăng dần từ mức thấp 1,3 với bước 0,1 theo trình tự kiểm nghiệm nêu mục 3.3.2 Khi tăng πk hệ số an toàn trục khuỷu giảm dần Khi πk = 1,5 hệ số an toàn trục khuỷu đạt giới hạn cho phép, tác giả chọn πk = 1,5 3.3.2 Tính toán sức bền trục khuỷu động D243 tăng áp phần mềm AVL-Excite Designer a) Xây dựng mô hình Dựa thông số kết cấu chi tiết cấu truyền, trục khuỷu… để xây dựng mô hình mô tả lại kết cấu động D243 thể Hình 3.6 b) Kết mô Hình 3.6 Mô hình động D243 AVL-Excite Designer Hình 3.7 3.8 thể kết tính toán lực tác dụng lên chốt cổ khuỷu Kết tính bền má khuỷu, lực tác dụng lên chốt cổ khuỷu, ứng suất góc lượn trình bày cụ thể luận án Hình 3.7 Phân bố lực tác dụng chốt khuỷu tốc độ 2200 v/ph Hình 3.8 Phân bố lực tác dụng cổ khuỷu tốc độ 2200 v/ph 3.4 Tính toán lựa chọn TB-MN cho động D243 TA Tiến hành lựa chọn cụm TB-MN sở tỷ số tăng áp  k  1,5 lựa chọn, sau tính toán mô AVL-Boost kiểm nghiệm bền trục khuỷu AVL-Excite Designer chế độ định mức Tiêu chí đưa để lựa chọn cụm TB-MN là: phù hợp với đặc tính động cơ, phổ biến thị trường giá thành thấp - 14 3,0 Dựa vào thông số tính toán tỷ số tăng áp lưu lượng không khí nạp, kết hợp tham khảo tài liệu, tác giả lựa chọn loại TB-MN hãng Garret ký hiệu GT2554R Đặc tính TB-MN thể Hình 3.9 Thông số đường kính ống TB-MN phù hợp với thông số đường nạp thải động D243 Điều giúp cho việc chế tạo ống nối đường nạp, thải đơn giản 2,5 Tỷ số tăng áp (-) 167461 68% 2,0 Điểm làm việc 154869 70% 65% 142275 128662 1,5 112366 71% 92137 65741 1,0 10 15 20 25 30 35 40 Lưu lượng (lb/min) Công suất (kW) 3.5 Đánh giá tính làm việc động sau tăng áp Sau lựa chọn tỷ 90 500 số tăng áp  k  1,5 cụm TB80 450 70 MN GT2554R, tiến hành tính toán 60 400 mô phần mềm AVL – 50 350 Ne_TA Boost để đánh giá tính làm 40 Ne_KTA 30 300 ge_TA việc động sau tăng áp ge_KTA 20 250 trang bị cụm TB-MN 10 Với mô hình động D243 200 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 tăng áp xây dựng, tiến hành Tốc độ (v/ph) hiệu chỉnh lại phần tử TB-MN với Hình 3.10 Đặc tính công suất tiêu hao nhiên thông số cụ thể cụm TBliệu trước sau tăng áp MN GT2554R Kết mô đánh giá đặc tính công suất tiêu hao nhiên liệu động D243 trước sau tăng áp thể Hình 3.10 Công suất có ích tăng trung bình 46,60% suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình khoảng 7,27% toàn dải tốc độ động 3.6 Tính toán cải tiến hệ thống động D243 TA 3.6.1 Tính toán hiệu chỉnh HTNL động D243 tăng áp Bơm cao áp động D243 nguyên sử dụng để cung cấp nhiên liệu động tăng áp, cần tiến hành tính toán kiểm nghiệm sơ khả cung cấp bơm Đường kính piston bơm cao áp (BCA) cần thiết xác định theo công thức: ge (g/kWh) Hình 3.9 Đặc tính TB-MN GT2554R - 15 dp  (3.3) Vct 6nc k   p  cC p Trong đó: k hệ số biến thiên tốc độ cấp nhiên liệu; Vct lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (mm3); φp thời gian phun nhiên liệu (độ trục khuỷu); nc số vòng quay trục cam bơm nhiên liệu (v/ph); Cp tốc độ piston BCA (mm/s); ηc hệ số cung cấp BCA Từ xác định đường kính piston BCA: dp  89,05 6.1100 1,3  8,35 3,14 30 0,85.550 mm Đường kính piston BCA động D243 dp = 9,0 mm (giá trị đo đạc thực tế) hoàn toàn đáp ứng yêu cầu làm việc Hành trình có ích piston BCA:  Vct 89,5   1,923 mm < max = 8,0 mm f p nc 54,75.0,85 Kết luận: BCA nguyên hoàn toàn đáp ứng yêu cầu cung cấp nhiên liệu tiến hành tăng áp cho động 3.6.2 Tính toán cải tiến đường nạp thải cho động D243 tăng áp Dựa vào kết cấu cụ thể động D243, tiến hành cải tiến hệ thống nạp thải cho lắp ghép cụm chi tiết dễ dàng không ảnh hưởng nhiều đến kết cấu nguyên 3.6.2.1 Thiết kế cải tiến đường nạp sau tăng áp Đường nạp cải tiến lại cho đảm bảo yêu cầu sau: (i) thay đổi hình dáng kích thước Hình 3.11 Đường nạp động D243 nguyên để đảm bảo giảm thiểu tổn hao khí động dòng khí nạp; (ii) kết cấu đường nạp cần phải phù hợp thuận lợi cho việc lắp ráp Do đó, sở kết cấu ban đầu (Hình 3.11), đường nạp động sau tăng áp thiết kế Hình 3.12 3.6.2.2 Cải tiến đường thải sau tăng áp Đường thải động D243 (Hình 3.13) cải Hình 3.12 Đường nạp động D243 tăng áp tiến phần nắp máy - 16 thành đường thải (Hình 3.14) đảm bảo giảm thiểu tổn thất lượng dòng khí trước vào cụm TB-MN Hình 3.13 Đường thải động D243 Hình 3.14 Đường thải động D243 TA 3.6.3 Tính toán cải tiến HTBT động D243 tăng áp Trên sở quan điểm trình bày, thiết kế cải tiến HTBT động D243 sau tăng áp thực sau: - Tăng lưu lượng dầu bôi trơn cho hệ thống cách tăng tốc độ bơm dầu thông qua việc tăng tỷ số truyền cặp bánh truyền động bơm dầu từ 1,3125 lên 1,7407 - Tăng giới hạn làm việc van an toàn mạch dầu - Bổ sung thêm đường cấp dầu bôi trơn cho cụm TB-MN Các bước thực Hình 3.15 Lưu đồ tính toán cải tiến HTBT trình tính toán cải tiến HTBT động tăng áp thể lưu đồ Hình 3.15 thực Matlab – Simulink Điều kiện để đảm bảo cho hệ thống làm việc bình thường tăng áp nhiệt độ dầu bôi trơn ổ trục (ttb), hệ số an toàn ma sát ướt (K), lưu lượng dầu bơm cung cấp (Vbơmct) áp suất dầu vào lọc (p1) phải nằm giới hạn cho phép Kết tính toán HTBT tăng áp thể Bảng 3.2 Bảng 3.2 Kết tính hệ thống bôi trơn cho động D243 tăng áp TT Thông số/kí hiệu Nhiệt độ dầu bội trơn chốt khuỷu đạt cực đại (ttb-chốt) Đơn vị C Giá trị Giới hạn 90,88  110 - 17 Nhiệt độ dầu bội trơn cổ khuỷu đạt cực đại (ttb-cổ) C 87,9  110 Hệ số an toàn ma sát ướt chốt khuỷu đạt giá trị nhỏ (Kchốt) - 1,87  1,5 Hệ số an toàn ma sát ướt cổ khuỷu đạt giá trị nhỏ (Kcổ) - 1,54  1,5 Lưu lượng dầu cần cung cấp cho hệ thống (Vbơmct) l/ph 37,4  Vb Áp suất dầu vào lọc ly tâm (p1) N/m2 0,55.106 0,6.106 3.6.4 Tính toán cải tiến HTLM động D243 tăng áp Các bước thực trình tính toán cải tiến HTLM động D243 tăng áp thể lưu đồ Hình 3.16 thực Matlab – Simulink Lưu lượng nước làm mát hệ thống (Gbơm) lưu lượng gió qua két (Gquạt) xác định theo Qlm Do đó, Hình 3.16 Lưu đồ tính toán cải tiến HTLM Qlm tăng Gbơm Gquạt phải tăng để đảm bảo điều kiện nhiệt độ nước khỏi két (tnr) nhiệt độ không khí sau két (tkr) nằm giới hạn cho phép Như vậy, mức độ tăng Gbơm Gquạt xác định sở giải pháp tăng tốc độ bơm nước quạt gió cách thay đổi tỷ số truyền từ puly dẫn động đến puly bơm nước quạt gió từ 1,563 đến 1,957 Kết tính toán cải tiến HTLM thể Bảng 3.3 Bảng 3.3 Kết tính hệ thống làm mát cho động D243 Giá trị TT Thông số/kí hiệu Nhiệt lượng truyền cho hệ thống làm mát chế độ Nemax (Qlm) Nhiệt lượng truyền cho hệ thống làm mát chế độ Memax (Qlm) Đơn vị Chưa t/áp Dự kiến t/áp 38,693 49,586 kW 30,975 45,361 kW - 18 Lưu lượng bơm nước cấp chế độ Nemax (Gb) Lưu lượng bơm nước cấp chế độ Memax (Gb) Tỷ số truyền bơm nước (k) Đường kính puly dẫn động (Dd) Đường kính puly bơm nước (Db) 204,85 247,2 l/ph 130,44 163,4 l/ph 1,563 1,957 - 186 119 mm 95 mm 3.7 Kiểm nghiệm bền chi tiết piston, truyền nắp máy động D243 sau tăng áp Sau tăng áp, tải trọng nhiệt tăng, phải tính toán kiểm nghiệm độ bền chi tiết khác (trừ chi tiết trục khuỷu tính mục 3.3.2) động a) Xây dựng mô hình Hình 3.17 Mô hình chi tiết nắp máy Hình 3.18 Mô hình chi tiết piston Mô hình chi tiết nắp máy, piston truyền xây dựng phần mềm Ansys thể Hình 3.17 đến Hình 3.19 b) Các giới hạn tính toán Hình 3.19 Mô hình chi tiết truyền kiểm nghiệm bền - Khi tính bền cho nắp máy, tính trường hợp chịu áp suất khí thể lớn xem xét đến ảnh hưởng tải trọng nhiệt - Khi tính bền cho chi tiết truyền, cần tính cho trường hợp chịu áp suất nén lớn Bỏ qua ảnh hưởng ứng suất lắp ghép nửa đầu to truyền - Khi tính bền cho chi tiết piston cần tính toán trường hợp chịu áp suất khí thể lớn xem xét đến ảnh hưởng tải trọng nhiệt Bỏ qua ma sát piston xylanh - 19 c) Kết kiểm nghiệm Kết tính toán kiểm nghiệm chi tiết sau tăng áp thể từ Hình 3.20 đến 3.22 Kết cho thấy, ứng suất tương đương lớn chi tiết sau tăng áp nhỏ nhiều so với giới hạn bền vật liệu chế tạo Do đó, chi tiết đảm bảo sức bền Hình 3.21 Ứng suất tác dụng lên piston Hình 3.20 Ứng suất tác dụng lên nắp máy Hình 3.22 Ứng suất tác dụng lên thân truyền 3.8 Kết luận Chương Nội dung thực Chương tóm tắt sau: Đã tính toán, xác định tỷ số tăng áp hợp lý πk = 1,5 cho động D243 lưu hành quy trình đưa Chương Trên sở tính toán lựa chọn cụm TB-MN Garrett (GT2554R) phù hợp Động sau thực tăng áp tính toán kiểm nghiệm lại phần mềm AVL-Boost AVL-Excite Designer, kết cho thấy tính làm việc tính bền động đạt yêu cầu Đã thực tính toán kiểm nghiệm thiết kế cải tiến hệ thống động sau thực tăng áp, kết cho thấy: Hệ thống nhiên liệu nguyên động hoàn toàn đáp ứng yêu cầu dự trữ lưu lượng sau điều chỉnh theo yêu cầu Đường nạp thải động thiết kế cải tiến với kích thước biên dạng phù hợp lắp cụm TB-MN HTBT bổ sung thêm đường dầu cấp cho cụm TB-MN tăng tăng tỷ số truyền dẫn động bơm dầu từ 1,31 đến 1,74 đủ để đáp ứng lưu lượng dầu bôi trơn hệ thống đảm bảo điều kiện bôi trơn HTLM tăng tỷ số truyền dẫn động puly - 20 bơm nước từ 1,563 đến 1,957 đủ để đáp ứng lưu lượng nước lưu lượng gió làm mát động Đã tính toán kiểm nghiệm độ bền chi tiết nắp máy, truyền, piston sau tăng áp phương pháp phần tử hữu hạn, kết cho thấy chi tiết đủ bền CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Mục tiêu phạm vi thử nghiệm a Mục tiêu thử nghiệm Quá trình thử nghiệm động băng thử nhằm mục đích đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sau tăng áp Kết thử nghiệm so sánh với động nguyên mô hình động D243 tăng áp phần mềm AVL-Boost, để từ khẳng định lại tính xác mô hình mô Trong trình thực nghiệm, thông số kỹ thuật HTLM, HTBT, hệ thống nạp thải theo dõi để từ đánh giá hiệu làm việc hệ thống sau cải tiến b Phạm vi thử nghiệm Thực đo đặc tính động sau tăng áp phòng thử động lực Công ty Diesel Sông Công (Thái Nguyên) 4.2 Trang thiết bị thử nghiệm Băng thử động trang bị Công ty Diesel Sông Công băng thử điện Meiden Tổng thể hệ Hình 4.1 Lắp đặt động băng thử thống thử nghiệm sau lắp đặt Meiden động thể Hình 4.1 Ngoài ra, số thiết bị khác sử dụng thử nghiệm như: thiết bị xác định khói đen Dismoke 4000, cảm biến áp suất PSA-1 đường nạp, thiết bị đo nhiệt độ TM-902C, cảm biến đo lưu lượng không khí Flow Meter 735 4.3 Điều kiện thử nghiệm Động phải bảo dưỡng hiệu chỉnh trước thử nghiệm như: thay dầu bôi trơn, kiểm tra hệ thống nhiên liệu… nhằm đảm bảo độ ổn định suốt trình thử nghiệm - 21 Băng thử phải tiến hành hiệu chỉnh trước thử nghiệm nhằm đảm bảo kết đo xác 4.4 Bố trí lắp đặt hiệu chỉnh động băng thử Sau hoàn thành công việc lắp đặt hiệu chỉnh (Hình 4.2), động chạy ấm máy nhiệt độ chi tiết, nhiệt độ dầu bôi trơn nhiệt độ nước làm mát ổn định Để đảm bảo an toàn tính xác phép đo hệ thống luôn kiểm tra tình trạng làm việc thông qua tủ Hình 4.2 Lắp đặt chuẩn bị thí nghiệm điều khiển Các thiết bị đo lưu lượng khí nạp, đo độ khói hiệu chỉnh trước lắp đặt vào hệ thống Két nước làm mát Đường nước vào két Quạt gió Đường nước két 4.5 Kết thử nghiệm thảo luận 4.5.1 Đánh giá tính động trước sau tăng áp Tỷ số tăng áp (-) a Tỷ số tăng áp Kết nghiên cứu cho thấy, cụm TB-MN làm việc đạt hiệu cao tốc độ vòng ge (g/kWh) Công suất (kW) Hình 4.3 thể so sánh 80 600 công suất tiêu hao nhiên liệu 70 550 60 500 động trước sau tăng 50 450 áp Tại chế độ định mức n = 2200 40 400 Ne_KTA Ne_TA 30 350 v/ph công suất đạt giá trị lớn ge_KTA ge_TA 20 300 76,64 kW, tăng 41,7% so với động 10 250 200 chưa tăng áp Trên toàn dải tốc 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ (v/ph) độ, công suất tăng trung bình Hình 4.3 So sánh CS STHNL khoảng 42% Suất tiêu hao nhiên liệu động tăng áp cải thiện rõ rệt với mức giảm suất tiêu hao nhiên liệu trung bình 8,9% 1.6 toàn dải tốc độ 1.55 1.5 4.5.2 Đánh giá thông số làm 1.45 việc trước sau tăng áp 1.4 1.35 1.3 1000 1200 1400 1600 1800 Tốc độ (v/ph) 2000 2200 Hình 4.4 Tỷ số tăng áp theo tốc độ động - 22 - b Lưu lượng không khí nạp Lượng khí nạp tăng lớn 53,10% tốc độ 1400 v/ph tăng trung bình 46,46% toàn dải tốc độ làm việc (Hình 4.5) Như cụm TB-MN chọn đáp ứng yêu cầu tăng áp 450 Lưu lượng khí nạp (kg/h) 400 350 300 250 200 150 Gkk_KTA 100 Gkk_TA 50 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ (v/ph) Hình 4.5 So sánh lưu lượng khí nạp 1.4 Hệ số dư lượng không khí (-) quay lớn, lúc lượng khí thải lớn Tuy nhiên, chế độ vòng quay thấp hiệu làm việc cụm TB-MN giảm, cụ thể tốc độ nhỏ 1200 v/ph, tỷ số tăng áp đạt khoảng 1,32 cụm TB-MN không hoàn toàn phù hợp với đặc tính động (Hình 4.4) 1.3 1.2 1.1 Lamda_KTA 1.0 Lamda_TA 0.9 0.8 1000 1200 1400 1600 1800 Tốc độ (v/ph) 2000 2200 Hình 4.6 So sánh hệ số dư lượng không khí c Hệ số dư lượng không khí Nhìn chung động D243 sau tăng áp, lượng khí nạp tăng lên, đồng thời lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình hiệu chỉnh Do hệ số λ thay đổi toàn dải tốc độ động (Hình 4.6) Điều cho thấy, việc điều chỉnh tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp sau động tăng áp phù hợp d Áp suất dầu bôi trơn Nhìn chung, áp suất dầu trường hợp tăng áp trì đảm bảo áp suất làm việc 3,2 kG/cm2 Hình 4.7 So sánh áp suất dầu bôi trơn e Nhiệt độ nước làm mát 90 Kết thử nghiệm nhiệt độ 85 nước làm mát trước sau tăng áp 80 thể Hình 4.8 Đồ thị 75 cho thấy, sau tăng áp với HTLM T nước_KTA 70 cải tiến, nhiệt độ động gần T nước_TA 65 không thay đổi, tăng lên chưa 60 tới 1% Như giải pháp cải tiến 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Tốc độ (v/ph) áp dụng đáp ứng yêu cầu Hình 4.8 So sánh nhiệt độ nước làm mát f Độ khói Áp suất dầu bôi trơn (kG/cm2 ) 4.0 KTA 3.0 2.5 2.0 1000 Nhiêt độ nước làm mát (oC) TA 3.5 1200 1400 1600 1800 Tốc độ (v/ph) 2000 2200 - 23 110 KTA 100 TA Độ khói (FSN) Hình 4.9 thể so sánh độ khói khí thải động hai trường hợp tăng áp chưa tăng áp Kết cho thấy trình cháy động sau tăng áp cải thiện làm giảm độ khói động λ cải thiện chút vùng tốc độ cao 90 80 70 60 50 40 1000 1200 1400 1600 1800 Tốc độ (v/ph) 2000 2200 Hình 4.9 So sánh độ khói trước-sau TA 4.6 Kết luận Chương Kết thực nghiệm cho thấy động D243 sau tăng áp TB-MN thể nhiều ưu điểm, cụ thể sau: Tại tốc độ định mức n = 2200 v/ph công suất động đạt 76,64 kW, tăng 41,7% tăng trung bình khoảng 42% so với động D243 không tăng áp Đồng thời tính kinh tế cải thiện rõ rệt, thể qua tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình khoảng 8,9% Cụm TB-MN làm việc đạt yêu cầu, thể qua lượng khí nạp tăng lớn 53,10% n = 1600 v/ph tăng trung bình 46,46% toàn dải tốc độ làm việc Hệ số dư lượng không khí trì ổn định sau tăng áp Kết thể phù hợp cụm TB-MN việc điều chỉnh BCA hợp lý để đảm bảo tỷ lệ không khí-nhiên liệu phù hợp Phát thải khói đen động có cải thiện vùng tốc độ cao, tốc độ thấp rơi vào vùng khói đen đặc tính cụm TBMN động chưa phù hợp vùng tốc độ thấp Kết luận chung Tăng áp cho động có độ bền cao lưu hành giải pháp kỹ thuật hợp lý Việt Nam nhằm tận dụng khả khai thác hiệu động Đề tài đưa quy trình công nghệ khả thi thực tăng áp cho động lưu hành áp dụng quy trình cho động diesel D243 cũ lưu hành với kết thể sau: – Đã mô chu trình công tác động kiểm nghiệm bền trục khuỷu tỷ số tăng áp khác nhau, từ xác định tỷ số tăng áp hợp lý πk = 1,5 Từ kết tính - 24 toán lựa chọn cụm TB-MN Garett (GT2554R) đáp ứng yêu cầu tăng áp – Thiết kế cải tiến chế tạo hoàn chỉnh đường nạp thải cho động với kích thước biên dạng phù hợp lắp cụm TBMN – Tính toán kiểm nghiệm BCA nguyên động cho thấy đảm bảo khả cung cấp nhiên liệu sau tăng áp mà không cần thay đổi thông số kết cấu – Tính toán cải tiến HTLM, HTBT công cụ Matlab Simulink Kết cho thấy cần phải tăng tỷ số truyền tới puly bơm nước từ 1,563 lên 1,957, tăngtỷ số truyền cặp bánh bơm dầu từ 1,3125 lên 1,7407 thiết kế đường dầu bôi trơn cho cụm TB-MN Kết thử nghiệm động D243 sau thực tăng áp Công ty Diesel Sông Công cho thấy: – Công suất đạt 76,64 kW 2200 v/ph, tăng 41,4%, suất tiêu thụ nhiên liệu nhỏ 245,23 g/kWh, giảm 8,6% giảm trung bình 8,9% toàn dải tốc độ – Cụm TB-MN làm việc hiệu vùng tốc độ cao, tăng lượng khí nạp vào xylanh trung bình 46,46% – Độ khói giảm tối đa 16,7% giảm trung bình 7,9% – Nhiệt độ làm mát ổn định 80oC, chứng tỏ phương án cải tiến HTLM hợp lý – Áp suất dầu bôi trơn trì ổn định 3,2 kG/cm2, chứng tỏ phương án cải tiến HTBT hợp lý Phương hướng phát triển Đề tài đưa giải pháp trang bị tăng áp động diesel lưu hành khả thi điều kiện thực tế Việt Nam Tuy nhiên, thử nghiệm đánh giá hiệu tăng áp ảnh hưởng tăng áp tới hệ thống dừng lại phạm vi PTN Để đưa kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn, cần thiết phải bổ sung nghiên cứu sau: Đánh giá độ ổn định hệ thống nạp, thải, bôi trơn, làm mát Thử nghiệm bền động thử nghiệm trường để đánh giá khả làm việc hệ thống thời gian dài môi trường thực tế