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

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài * Mục đích nghiên cứu Đưa ra các quy trình công nghệ cải tiến cường hóa động cơ diesel không tăng áp đang lưu hành bằng tăng áp tua

có động cơ diesel nói riêng đều được trang bị hệ thống tăng áp, điển hình

là tăng áp tuabin khí thải

Đối với Việt Nam, ĐCĐT thế hệ cũ hiện đang được sử dụng rất nhiều, đặc biệt là các động cơ diesel không tăng áp Những động cơ này

có đặc điểm là độ bền khá lớn Mặc dù sau một thời gian làm việc có suy giảm về tính năng nhưng có thể cải tiến thành động cơ tăng áp để tận dụng khả năng khai thác và phần nào cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ

Đề tài “Nghiên cứu khả năng tăng áp động cơ diesel đang lưu

hành” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên đây của thực tiễn

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

*) Mục đích nghiên cứu

Đưa ra các quy trình công nghệ cải tiến cường hóa động cơ diesel không tăng áp đang lưu hành bằng tăng áp tuabin khí thải

*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Động cơ D243 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu, như một

ví dụ áp dụng quy trình trên Đây là động cơ diesel thế hệ cũ, hiện đang được sử dụng phổ biến trên các máy nông nghiệp, vận tải đường sông và

đường bộ

Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và tại 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 được thực hiện trên các công cụ mô phỏng chuyên sâu trong lĩnh vực ĐCĐT Qua đó phân tích, đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi cải tiến tăng áp tuabin khí thải cho động cơ diesel đang lưu hành

Thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm để đánh giá kết quả tăng áp cũng như các ảnh hưởng của tăng áp đến các thông số làm việc của động cơ

iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Lần đầu tiên ở Việt Nam đưa ra được một quy trình công nghệ hợp lý, toàn diện và khả thi để cải tiến động cơ không tăng áp có hệ dự trữ bền cao đang lưu hành thành động cơ tăng áp dùng tuabin khí thải nhằm tăng công suất có ích

Quy trình vừa có tính tổng quát, tức là có thể áp dụng cho bất kỳ động cơ diesel không tăng áp có hệ số dự trữ bền đủ lớn, đồng thời vừa

có tính đơn lẻ do tính đến tình trạng kỹ thuật cụ thể của từng động cơ Việc áp dụng thành công quy trình cho động cơ D243 chứng tỏ tính đúng đắn của giải pháp tổng thể cũng như của các giải pháp kỹ thuật

đã thực hiện trong quy trình

Do đó, luận án không những có giá trị về mặt lý luận mà còn là một đóng góp thực tiễn trong việc tận dụng khả năng khai thác của động

cơ đang lưu hành có hệ dự trữ bền cao

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Xu hướng phát triển động cơ đốt trong

Trải qua hơn một thế kỷ, ngành ĐCĐT đã liên tục phát triển và đạt được nhiều thành tựu rực rỡ Các nhà sản xuất đã ứng dụng nhiều các công nghệ tiên tiến để đưa ra các mẫu động cơ phù hợp, phục vụ cho nhu cầu vận tải và các ngành kinh tế khác cũng như trong đời sống

Các xu hướng nghiên cứu phát triển chủ yếu hướng tới mục tiêu chế tạo động cơ tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường để làm nguồn động lực cho các máy công tác mà điển hình là các động cơ lắp trên các phương tiện vận tải

Ở Việt Nam, do hiện nay các động cơ diesel thế hệ cũ vẫn còn sử dụng khá nhiều nên một trong những xu hướng được quan tâm là cải tiến các các động cơ thế hệ cũ nhằm nâng cao hiệu suất và tận dụng hết năng lực làm việc của động cơ trước khi bị thay thế bởi các dòng động cơ hiện đại hơn

1.2 Thành quả đạt được trong công nghệ phát triển động cơ đốt trong

Để đáp ứng các chỉ tiêu về công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ phát thải, các nhà chế tạo động cơ đã không ngừng cải tiến, tối

ưu hóa sản phẩm của mình Một số thành tựu điển hình như cải tiến kết cấu động cơ, ứng dụng điều khiển điện tử, sử dụng nhiên liệu thay thế

1.2.1 Cải tiến kết cấu động cơ

1.2.1.1 Cơ cấu phân phối khí thông minh

Hiện nay, trên động cơ ôtô hiện đại sử dụng các công nghệ như VVT-i (Variable Valve Timing Intelligence) của Toyota hay VTEC của Honda… Đây là cơ cấu phối khí thông minh của hãng Toyota theo nguyên lý điện - thủy lực Cơ cấu này tối ưu hóa góc phối khí của trục cam nạp tùy theo chế độ làm việc của động cơ

1.2.1.2 Hệ thống luân hồi khí thải EGR

EGR (Exhaust Gas Recirculation) là một biện pháp hữu hiệu để giảm sự hình thành NOx trong buồng cháy Khí thải gồm chủ yếu là CO2,

N2 và hơi nước, sau khi ra khỏi động cơ sẽ được lấy một phần đưa trở lại xylanh để làm giảm nồng độ ôxy và do đó giảm nhiệt độ cháy

1.2.1.3 Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI

Mô hình cháy HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) ra đời trên cơ sở kết hợp các ưu điểm của động cơ cháy do nén

mà đại diện là động cơ diesel và động cơ hình thành hỗn hợp ngoài và cháy cưỡng bức mà đại diện là động cơ xăng

Ưu việt của mô hình HCCI là hiệu suất tương tự với động cơ phun xăng trực tiếp, kiểu cháy tương tự động cơ diesel nhưng thành phần phát thải NOX giảm đáng kể và độ khói gần như bằng không

1.2.2 Ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử trong động cơ đốt trong

Những động cơ xăng truyền thống chủ yếu sử dụng hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí đã dần được thay bằng hệ thống phun xăng điện

tử, qua đó đã nâng cao đáng kể tính kinh tế, tính hiệu quả và chất lượng khí thải của động cơ

Đối với động cơ diesel, những nhược điểm của HTNL cơ khí đã được khắc phục bằng hệ thống nhiên liệu tích áp CR (Common Rail)

1.2.3 Sử dụng nhiên liệu thay thế

Hiện nay, sự gia tăng nhanh chóng số lượng các phương tiện vận tải và các thiết bị động lực sử dụng ĐCĐT chạy bằng nhiên liệu xăng và diesel đang gây ô nhiêm môi trường và tăng nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế để giảm ô nhiễm môi trường và bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt

là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các loại nhiên liệu có trữ lượng lớn và có thể sử dụng cho các động cơ đang lưu hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu Đáp ứng các yêu cầu

này, có thể sử dụng các loại nhiên liệu như nhiên liệu sinh học như ethanol, biodiesel hay hydro, LPG và khí thiên nhiên…

1.3 Tăng áp cho động cơ đốt trong

Tăng áp là dùng biện pháp nén không khí nạp vào xylanh, qua đó tăng được khối lượng không khí nạp vào xylanh trong mỗi chu trình công tác, cùng với tăng lượng nhiên liệu cấp sẽ làm tăng công suất của động cơ và có thể giảm được suất tiêu hao nhiên liệu

1.3.1 Xu hướng phát triển và các biện pháp tăng áp cho động cơ

Nhờ những ưu điểm vượt trội về nhiều mặt nên hiện nay các dòng động cơ hiện đại hầu hết đều được trang bị hệ thống tăng áp Trên thực

tế các phương pháp tăng áp cho

động cơ cũng rất đa dạng được

ứng dụng linh hoạt cho từng mục

đích sử dụng khác nhau Dựa vào

nguồn năng lượng để nén không

khí, tăng áp được chia thành các

nhóm như tăng áp cơ khí, tăng

áp tuabin (TB) khí thải, tăng áp

dao động cộng hưởng…

Tăng áp bằng năng lượng

khí thải là phương pháp dùng TB

làm việc nhờ năng lượng khí thải

của ĐCĐT để dẫn động máy nén (MN) Khí thải của động cơ có áp suất

và nhiệt độ khá cao nên năng lượng của nó tương đối lớn, chiếm tới 40% tổng năng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ Để tận dụng năng lượng khí thải, người ta cho giãn nở và sinh công trong TB, sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng TB khí thải được thể hiện trên Hình 1.2

30-1.3.2 Tình hình nghiên cứu tăng áp cho động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về cường hóa động cơ diesel bằng tăng áp có một số điểm nổi bật như sau:

a Trên thế giới:

Các động cơ diesel thế hệ cũ do các nước XHCN như Liên Xô, CHDC Đức, Tiệp Khắc… chế tạo có khả năng chịu tải trọng cơ, nhiệt cao, dự trữ sức bền lớn cũng như khả năng đáp ứng của HTNL dư thừa

so với công suất thiết kế Do đó, những động cơ này có khả năng cường

1-Máy nén, 2-Thiết bị làm mát trung gian, 3-Động cơ, 4-Bình xả, 5-Tuabin

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng

tuabin khí thải

3

hóa bằng tăng áp để tăng công suất lên khá cao mà vẫn đảm bảo làm việc

vi làm việc thường xuyên của động cơ khi thủy hóa Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ D50 đã nâng cao được 10% công suất và giảm khoảng 8% suất tiêu hao nhiên liệu

Luận án tiến sỹ kỹ thuật của tác giả Lê Đình Vũ, Học viện Kỹ thuật Quân sự, đã tính toán thiết kế cải tiến tăng áp dựa vào kinh nghiệm của các tác giả nước ngoài để lựa chọn tỷ số tăng áp nhằm tăng công suất khoảng 30% Tuy nhiên các hệ thống như bôi trơn, làm mát, cơ cấu phối khí vẫn chưa được tính toán cải tiến nên động cơ nóng, phát thải khói đen cao

Các đề tài nghiên cứu trong nước về tăng áp bằng TB khí thải chủ yếu tập trung giải quyết các vấn đề riêng rẽ của bài toán tăng áp cho động cơ như: tính toán cụm TB-MN; thiết kế cải tiến đường nạp, thải, kiểm tra bền piston, thanh truyền, trục khuỷu, cải tiến hệ thống nhiên liệu…

Cho đến nay, chưa có đề tài nghiên cứu nào giải quyết tổng thể các vấn đề liên quan khi thực hiện cải tiến tăng áp cho một loại động cơ đang lưu hành Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra của đề tài này là nghiên cứu một cách đầy đủ, bài bản các vấn đề khi tiến hành cường hóa động cơ đang lưu hành bằng phương pháp tăng áp TB khí thải Trên cơ sở quy trình cải tiến này, có thể áp dụng trên bất kỳ động cơ diesel chưa tăng áp nhưng

có hệ số dự trữ bền cao

1.4 Kết luận Chương 1

Nội dung Chương 1 có thể được tóm lược như sau:

Tăng công suất riêng, giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải độc hại là mục tiêu chính mà các hãng sản xuất động cơ trên thế giới

hướng tới, vì vậy đã có nhiều công nghệ mới được ứng dụng Trong đó tăng áp bằng tuabin máy nén được coi là một trong những giải pháp hiệu quả mà nhiều hãng sản xuất động cơ trên thế giới vẫn đang rất quan tâm Không chỉ áp dụng trên các động cơ thế hệ mới, biện pháp tăng áp

đã cho thấy hiệu quả rõ rệt khi trang bị trên các loại động cơ thế hệ cũ Các nghiên cứu trong nước liên quan tới tăng áp đều cho thấy tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ được cải thiện đáng kể

Thông qua một số phân tích nêu trên cho thấy, việc tận dụng khai thác triệt để các loại động cơ diesel đang lưu hành bằng cách trang bị thêm hệ thống tăng áp không những đáp ứng được nhu cầu về tính năng

sử dụng mà còn góp phần đa dạng hóa loại hình động cơ, giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu

Mục đích hướng tới của đề tài là đánh giá khả năng tăng áp cho các dòng động cơ diesel không tăng áp đang lưu hành ở Việt Nam, từ đó

đề xuất quy trình công nghệ nhằm giải quyết vấn đề này

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ CẢI TIẾN TĂNG ÁP BẰNG TB-MN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1 Quan điểm và điều kiện để thực hiện cải tiến tăng áp bằng TB-MN

2.1.1 Quan điểm cải tiến

Cải tiến tăng áp cho các động cơ diesel đang lưu hành cần được thực hiện với tiêu chí không phải thay đổi nhiều về kết cấu, tiến hành thuận lợi, phù hợp với điều kiện Việt Nam và chi phí thấp

2.1.2 Điều kiện để thực hiện tăng áp

Để có thể thực hiện tăng áp thì động cơ được lựa chọn để tăng áp cần phải có độ bền dư lớn để đáp ứng đủ bền sau tăng áp; HTNL, cụ thể

là bơm cao áp cần có hệ số dự trữ lưu lượng đủ lớn

2.1.3 Xây dựng quy trình thực hiện tăng áp bằng TB-MN cho động cơ diesel đang lưu hành

Hình 2.1 thể hiện quy trình thực hiện cải tiến tăng áp bằng

TB-MN cho động cơ diesel đang lưu hành Quy trình gồm các phần sau: Phần 1, đánh giá khả năng tăng áp cho động cơ đã chọn: lựa chọn động cơ để thực hiện tăng áp; tính toán mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost và AVL-Excite Designer

Phần 2, xác định tỷ số tăng áp cho động cơ: tỷ số tăng áp ban đầu được tính toán lựa chọn trên cơ sở kết quả tính thừa bền ở phần 1

Phần 3, tính toán

cải tiến các hệ thống cho

động cơ sau khi thực hiện

tăng áp theo tỷ số tăng áp

đã được chọn: tính toán

lựa chọn cụm TB-MN;

tính toán và thiết kế cải

tiến hệ thống nhiên liệu;

Trong tính toán cải

tiến tăng áp cho động cơ,

tác giả đã sử dụng phần

mềm AVL-Boost để đánh

giá khả năng làm việc

của động cơ khi được

lựa chọn được tỷ số tăng

áp phù hợp Cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL-Boost dựa trên các phương trình sau:

Quá trình trao đổi nhiệt và chất bên trong động cơ được xác định theo định luật nhiệt động học thứ nhất:

dQ d

dQ d

dV p d

u m

BB w F

c c

.

Hình 2.1 Quy trình cải tiến tăng áp bằng TB-MN cho động cơ

diesel đang lưu hành

Mô hình động cơ-TB-MN được tính toán dựa theo phương trình cân bằng năng lượng giữa TB và MN:

(2.2) Công tiêu thụ cho cụm TB-MN được xác định thông qua tốc độ lưu động dòng môi chất qua MN và chênh lệch enthalpy ở cửa vào và cửa ra của MN

1

1

1

2 1 , 1 2

k k P

p T c h h

T s

p

p T c h h

1

3

4 3 , 4

Cơ sở lý thuyết tính bền trục khuỷu trong AVL-Excite Designer được thực hiện theo một số giả thiết như sau:

- Độ bền mỏi được đánh giá tại các vùng chịu ứng suất lớn nhất Các góc lượn chuyển tiếp giữa má khuỷu với cổ biên và cổ trục chính là nơi chịu ứng suất lớn nhất

- Độ bền mỏi tính tại các vị trí khoan lỗ dầu trên cổ trục chính và

cổ biên đều có giá trị thấp hơn giá trị có thể chấp nhận được trên các góc lượn

2.3 Cơ sở tính toán lựa chọn cụm TB-MN

Các thông số cơ bản trong tính toán cụm TB-MN bao gồm:

T

c P

P 

) (h2 h1m

P c c 

) (

m

P T T  m TC 

- Lưu lượng khối lượng của khí tăng áp, m k

Khi lựa chọn cụm TB-MN cần đảm bảo các điều kiện sau:

- Áp suất và 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 năng lượng khí thải cung cấp cho TB, qua đó cung cấp đủ công cho MN

- Cụm TB-MN cần đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định trong vùng làm việc phổ biến của động cơ

2.4 Cơ sở tính toán, cải tiến các hệ thống khi thực hiện tăng

áp

2.4.1 Hệ thống cung cấp nhiên liệu

Sau khi tăng áp, lượng môi chất nạp vào xylanh trong mỗi chu trình sẽ tăng lên Để đạt mục đích tăng công suất động cơ cần tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Có nhiều biện pháp để tăng lượng nhiên liệu cung cấp như thay đổi biên dạng cam, tăng đường kính piston bơm cao áp, tăng hành trình có ích của bơm…

Trong nghiên cứu này, tác giả không thay đổi kết cấu của BCA mà chỉ thực hiện xoay bơm để tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình

Để đảm bảo BCA nguyên bản có thể cung cấp đủ lượng nhiên liệu cho động cơ sau khi tăng áp, cần tính toán kiểm nghiệm lại khả năng dự trữ lưu lượng của bơm

2.4.2 Thiết kế hệ thống nạp và thải

Cần tính toán thiết kế đường nạp, thải của động cơ một cách hợp

lý đảm bảo cả điều kiện dòng khí lưu thông một cách thuận lợi và kích thước nhỏ gọn, lắp ráp dễ dàng với cụm TB-MN

Sử dụng công cụ tính toán động lực học dòng chảy CFD Fluent để

mô phỏng quá trình vận động của dòng khí nạp, khí thải, từ đó đưa ra được kết cấu đường nạp, đường thải đảm bảo khả năng làm việc của động cơ sau khi TA

2.4.3 Hệ thống làm mát

Sau khi tăng áp, tải trọng nhiệt tăng lên, cần cải tiến HTLM để tăng khả năng tản nhiệt ra môi trường, có thể áp dụng một trong các biện pháp:

- Tăng lưu lượng nước tuần hoàn trong hệ thống

- Thay đổi kết cấu của két nước, quạt gió để tăng cường độ trao đổi nhiệt

2.4.4 Hệ thống bôi trơn

Sau khi tăng áp, tải trọng cơ và nhiệt đều tăng, cần cải tiến HTBT của động cơ nhằm đảm bảo điều kiện bôi trơn khó khăn hơn, nhằm:

- Tăng lưu lượng và áp suất dầu bôi trơn đến các ổ trục

- Cung cấp dầu bôi trơn cụm TB-MN bằng cách thiết kế thêm đường dầu

2.5 Kết luận Chương 2

Nội dung Chương 2 có thể được tóm lược như sau:

Đưa ra được quy trình cải tiến tăng áp bằng TB-MNcho động cơ diesel đang lưu hành

Đưa ra được cơ sở lý thuyết trong quá trình tính toán xác định khả năng tăng áp của động cơ diesel đang lưu hành bằng phần mềm AVL-Boost và AVL-Exciter Designer

Xây dựng được cơ sở lý thuyết cho việc tính toán lựa chọn cụm TB-MN, cũng như thiết kế cải tiến các hệ thống khác như hệ thống nhiên liệu, HTLM, HTBT, đường nạp và thải của động cơ diesel đang lưu hành khi thực hiện tăng áp

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, CẢI TIẾN TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ D243

3.1 Quan điểm cải tiến tăng áp động cơ D243

Động cơ D243 được sử dụng trong nhiều ứng dụng ở Việt Nam như trên máy kéo, tàu thủy và máy phát điện Tác giả lựa chọn mua một động cơ D243 đã qua sử dụng để làm ví dụ áp dụng quy trình cải tiến tăng áp theo trình tự đã trình bày trong Chương 2

của động cơ không còn đảm bảo

như tài liệu kỹ thuật, vì vậy cần xây

dựng lại đường đặc tính của động

cơ Đặc tính của động cơ và các

thông số kết cấu là cơ sở để xây

dựng mô hình mô phỏng chu trình

công tác cũng như tính toán kiểm nghiệm độ bền sau khi tăng áp bằng các phần mềm như đã nêu trong Chương 2

Quá trình thí nghiệm xác định đặc tính được thực hiện tại PTN Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

3.2.1 Trang thiết bị thử nghiệm

Động cơ D243 được lắp đặt lên băng thử động lực học cao của PTN để tiến hành đo các đặc tính của động cơ như thể hiện trên Hình 3.1 Hệ thống thử nghiệm bao gồm các thiết bị chính như phanh điện, thiết bị làm mát dầu bôi

trơn, tuần hoàn nước…

3.2.2 Kết quả thử nghiệm

động cơ D243 trên băng

thử

Kết quả thử nghiệm

về công suất và suất tiêu

hao nhiên liệu được thể

3.3 Tính toán khả năng tăng áp động cơ D243

Bảng 3.1 Kết quả thử nghiệm đường đặc tính

3.3.1 Tính toán chu trình nhiệt

động của động cơ D243 khi tăng

áp bằng phần mềm AVL-Boost

a) Xây dựng mô hình

Mô hình của động cơ D243

nguyên bản xây dựng trên phần

mềm AVL–Boost được thể hiện

suất là 5,2% tại n = 1000v/ph, tiêu

hao nhiên liệu là 7,1% tại n =

1400v/ph Các kết quả này đã thể

hiện độ tin cậy của mô hình

c) Xây dựng mô hình động cơ

D243 tăng áp

Mô hình động cơ D243 tăng

áp được xây dựng từ mô hình

nguyên bản bằng cách bố trí thêm

một cụm TB-MN nằm trên đường

thải nhằm tận dụng năng lượng khí

thải để tăng áp cho động cơ Mô

hình động cơ sau khi tăng áp được

thể hiện trên Hình 3.4

d) Kết quả mô phỏng

Với mô hình động cơ D243

tăng áp đã xây dựng, tiến hành

tăng dần tỷ số tăng áp của cụm

TB-MN Tại mỗi tỷ số tăng áp, thu

được diễn biến áp suất trong

xylanh theo góc quay trục khuỷu

như thể hiện trên Hình 3.5 Đây là

Hình 3.3 Đặc tính công suất và tiêu hao nhiên

liệu giữa MP và TN

200 250 300 350 400 450 500

20 25 30 35 40 45 50 55 60

Hình 3.2 Mô hình động cơ D243 nguyên bản

Hình 3.4 Mô hình động cơ D243 TA

Hình 3.5 Diễn biến áp suất xylanh theo o TK

0 10 20 30 40 50 60 70 80