Nghiên cứu đánh giá khả năng tăng áp của động cơ d243 tại các chế độ làm việc bằng phần mềm AVL BOOST

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ D243 BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Lan Hương Người tham gia: ThS Nguyễn Thị Xuân Hương Hải Phòng - 2016 MỤC LỤC CHƯƠNG Mở đầu 1.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1.3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu 1.5 Kết đạt đề tài CHƯƠNG CHƯƠNG 2 2 TÌM HIỂU CÁC BIỆN PHÁP TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ 2.1 Tăng áp khí 2.2 Tăng áp sử dụng tuabin khí 2.3 Tăng áp hỗn hợp 2.4 Tăng áp dao động cộng hưởng 2.5 Tăng áp dao động 2.6 Tăng áp chuyển dòng 2.7 Tăng áp nhờ sóng áp suất NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG KHẢ NĂNG TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ D243 BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST 3.1 Giới thiệu phần mềm AVL- BOOST 10 3.2 Nghiên cứu mô phỏng động D243 bằng phần mềm 20 AVL BOOST 3.3 Đánh giá kết mô phỏng CHƯƠNG 23 Kết luận 30 Tài liệu tham khảo 31 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Động đốt (ĐCĐT) đời vào năm 1860 Lenoir, kỹ thuật nghiệp dư chế tạo Trải qua kỷ, ngành ĐCĐT liên tục phát triển đạt nhiều thành tựu rực rỡ Hiện nay, giới đứng trước nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch ô nhiễm bầu khí nghiêm trọng Trong tình hình đó, cần áp dụng công nghệ tiến tiến để chế tạo mẫu động tiết kiệm nhiên liệu thân thiện với môi trường Tăng áp cho động diesel những biện pháp hiệu nhằm tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu cũng thành phần phát thải Động D243 loại động diesel phổ biến Việt Nam Trước đây, động D243 lắp ráp nhà máy Diesel Sông Công phục vụ chủ yếu làm nguồn động lực tàu thủy Hiện nay, động hoán cải lắp đặt xe tải hạng trung Với mục đích nghiên cứu, đánh giá khả tăng áp cho những dòng động diesel phổ biến Việt Nam để ứng dụng vào thực tiễn nâng cao hiệu làm việc những dòng động này, đề tài: “Nghiên cứu đánh giá khả tăng áp cho động D243 bằng phần mềm AVL BOOST” hướng đáp ứng tính cấp thiết thực tiễn sản xuất 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Trên giới, động diesel sử dụng rộng rãi phương tiện giao thông máy móc công nghiệp tính hiệu hiệu suất cao Tại Việt Nam, động diesel cũng chiếm số lượng lớn Tính đến năm 2006, động diesel chiếm 21.75% thị trường ô tô mới Việt Nam (khoảng gần 40.000 chiếc), tăng đáng kể so với năm 2001, tỷ lệ dưới 10% [1] Tuy nhiên phần lớn những dòng động diesel thuộc hệ cũ, tồn nhiều nhược điểm suất tiêu hao nhiên liệu lớn, thành phần phát thải độc hại cao Để khắc phục nhược điểm cần cải tiến, ứng dụng công nghệ cải thiện trình làm việc ĐCĐT Hiện nay, phần lớn động diesel đại giới trang bị hệ thống tăng áp Tuy nhiên Việt Nam, lượng lớn loại động diesel vẫn chưa trang bị hệ thống này, không phát huy tốt những ưu động tăng áp Việc nghiên cứu cải tiến trang bị tăng áp cho những dòng động ứng dụng vào thực tiễn Việt Nam vấn đề cấp thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Nghiên cứu tăng áp cho những dòng động bằng phần mềm mô phỏng sẽ góp phần rút ngắn thời gian giảm chi phí trước chế tạo thực nghiệm Kết nghiên cứu đề tài sẽ cho thấy những lợi ích động sau tăng áp cũng những vấn đề phát sinh cần khắc phục 1.3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu đề tài: Mục tiêu nghiên cứu đề tài: - Tìm hiểu biện pháp tăng áp cho động từ đó lựa chọn giải pháp tăng áp cho động D243 đánh giá khả tăng áp động D243 chế độ làm việc bằng phần mềm AVL BOOST Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu diesel; Động diesel Phạm vi nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu mô tính động cơD243 1.4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Đề tài kết hợp phân tích kết giữa thực nghiệm mô phỏng Kết cấu đề tài: Chương Mở đầu Chương Tìm hiểu biện pháp tăng áp cho động Chương Mô phỏng động D243 tăng áp chưa tăng áp bằng phần mềm AVL BOOST Chương Kết mô phỏng thảo luận 1.5 Kết đạt đề tài: Kết nghiên cứu đề tài sẽ cho thấy những lợi ích động sau tăng áp số vấn đề phát sinh cần khắc phục CHƯƠNG TÌM HIỂU CÁC BIỆN PHÁP TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ 2.1 Tăng áp khí Máy nén thiết bị tăng áp cho động thường dùng máy nén piston, quạt root, quạt li tâm, hoặc quạt hướng trục Máy nén dẫn động từ trục khuỷu ĐCĐT Hình dưới thể sơ đồ nguyên lý tăng áp khí Động đốt trong; Bánh truyền động; Máy nén; Đường nạp; Thiết bị làm mát Hình Sơ đồ nguyên lý tăng áp khí Phương pháp dẫn động máy nén phong phú, nhiều trường hợp giữa máy nén trục khuỷu động bố trí ly hợp nhằm cho phép điều chỉnh phạm vi hoạt động máy nén dẫn động khí cho phù hợp với chế độ làm việc động đốt Trong tăng áp hỗn hợp có kết hợp giữa dẫn động khí với dẫn động bằng TB khí xả thì máy nén dẫn động khí làm việc phạm vi số vòng quay tải trọng nhỏ động đốt nhằm cải thiện đặc tính động tăng áp Trong tăng áp dẫn động khí thì công suất động xác định theo quan hệ: Ne= Ni - Nm - Nk Công suất có ích lấy từ trục khuỷu động N e có từ công suất thị Ni sau bị khấu trừ tổn thất giới thân động N m công suất Nk để dẫn động máy nén Do phần công suất động trích để dẫn động máy nén nên hiệu tăng áp phương pháp khí so với phương pháp tăng áp bằng tuabin khí Vì vậy, phạm vi sử dụng phương pháp tăng áp giới hạn cho những động mà áp suất tăng áp không vượt 1,6 kG/cm2 Nếu P1 lớn 1,6 kG/cm2 NK sẽ lớn 10% công suất có ích Ne Tức công suất tiêu thụ cho máy nén tăng hiệu suất động sẽ giảm Ở phương pháp tăng áp truyền động khí số vòng quay động không đổi, lượng không khí nén đưa vào động sẽ không thay đổi không phụ thuộc vào chế độ tải động cơ, vì dẫn đến tiêu hao công suất cho động để cung cấp lượng khí nạp không cần thiết làm giảm đáng kể hiệu suất cho động giảm tải 2.2 Tăng áp sử dụng tuabin khí Tăng áp bằng tuabin khí phương pháp dùng tuabin làm việc nhờ lượng khí xả động đốt để dẫn động máy nén Khí xả động có áp suất nhiệt độ cao nên lượng nó tương đối lớn Muốn khí thải sinh công nó phải giãn nở thiết bị để tạo công học Nếu để nó giãn nở xylanh động thì dung tích xylanh sẽ lớn, làm cho kích thước động lớn Mặc dù điểu làm tăng hiệu suất nhiệt tính hiệu đánh giá bằng giá trị áp suất trung bình sẽ nhỏ Để tận dụng tốt lượng khí xả, người ta cho nó giãn nở sinh công cánh tuabin Thực tế chứng minh rằng khí xả động đốt tất mọi chế độ sử dụng thực tế đảm bảo điều kiện sau: - Năng lượng đủ cao để có thể sử dụng phần cho giãn nở tuabin sinh công khí - Nhiệt độ không cao nên có thể tránh việc hư hỏng chi tiết tuabin - Tuabin khí có thể dẫn động máy nén ly tâm hoặc chiều trục mà không tạo sức cản lớn đường xả động đốt Trong động cơ, diesel khoảng 35-40% lượng nhiệt phát theo khí xả Trong đó, người ta có thể tận dụng phần lượng vì: - Nếu giả thiết chu trình xảy động đốt chu trình cacno thì phần nguồn lượng khí xả (khoảng 50%) thải môi trường xung quanh Nếu coi lượng khí xả mang khỏi động chiếm 40% tổng lượng nhiêt liệu phát thì lượng thải môi trường 20% - Khoảng 1/4 nguồn lượng khí thải mang bị ma sát, tiết lưu vì thải khí với áp suất nhiệt độ môi trường Như vậy, còn có thể tận dụng 10% lượng nhiêt liệu phát chứa khí xả Người ta thấy rằng, tất lĩnh vực sử dụng khác động đốt phụ thuộc vào tỷ số tăng áp P1/P0, lượng khí thực tế cần thiết để nén môi chất nạp nằm khoảng 1÷3,5% số lượng nhiêt liệu phát Như lượng khí xả sau trừ mọi tổn thất tiết lưu, ma sát thì số còn lại vẫn đủ để cung cấp cho việc nén khí nạp thực việc tăng áp cho động Thông thường người ta sử dụng tuabin máy nén lắp trục có số vòng quay 15000÷16000 vòng/phút số trường hợp có thể đạt tới 270000÷280000 vòng/phút (dùng cho tăng áp lắp xe môtô với tuabin máy nén có đường kính 34mm hoặc cho động diesel cỡ nhỏ lắp xe du lịch) hoặc cao Sử dụng lượng khí xả để quay tuabin khí dẫn động máy nén tăng áp để tăng công suất cho động biện pháp tốt để tăng công suất nâng cao tiêu kinh tế kỹ thuật cho động Ưu điểm tăng áp dùng tuabin khí so với dùng truyền động khí: - Hiệu suất giới tăng 4÷7% tiêu hao công suất động để dẫn động máy nén khí - Áp suất tự động tăng áp thay đổi theo tải trọng động Khi công suất động tăng lượng chứa khí thải lớn làm cho tubin khí dẫn động máy nén quay với số vòng quay lớn đó khối lượng không khí nạp vào xylanh nhiều - Không làm thay đổi đáng kể kết cấu động cường hóa động bằng tăng áp - Mặc dù áp suất đường ống thải động tăng áp tuabin khí lớn so với trường hợp tăng áp dẫn động khí đó phải tiêu hao nhiều công cho trình đẩy sản vật cháy khỏi xylanh điều đó ảnh hưởng không đáng kể tới công suất Ne động - Để tăng giãn nở tuabin người ta làm giảm giãn nở xylanh động bằng cách mở sớm xupáp thải đó giảm hành trình nén piston, giảm tỷ số nén ε làm giảm chiều cao động dẫn đến làm giảm thể tích mặt khác hành trình S piston giảm nên làm tăng độ cứng vững trục khuỷu truyền, nâng cao áp suất cực đại PZmax Nhược điểm phương pháp tăng áp tuabin khí: - Ở chế độ tải thấp, lượng khí thải không đủ để quay tuabin máy nén để cung cấp lượng không khí cần thiết cho động cợ Do đó, để khắc phục người ta làm tuabin máy nén lớn Nhưng ta cũng xa theo hướng vì tăng kích thước tuabin, máy nén sẽ làm quán tính chúng tăng lên mà yêu cầu thời gian đáp ứng tuabin, máy nén phải ngắn đó làm giảm tính tốc độ động Hình dưới thể cấu tạo cụm tuabin : Hình Bộ tăng áp tuabin khí thải Bộ tăng áp đặt sát động có cấu tạo hình Nguyên lý hình thành tăng áp dựa sở tận dụng động dòng khí xả, khỏi động cơ, làm quay máy nén khí Dòng khí xả vào bánh tuabin 1, truyền động làm quay trục 2, dẫn động bánh 3, khí nạp tăng áp vào đường ống nạp động Áp suất khí nạp phụ thuộc vào tốc độ động (tốc độ dòng khí xả hay tốc độ bánh 1) Với mục đích ổn định tốc độ quay bánh khoảng hoạt động tối ưu theo số vòng quay động cơ, đường nạp có bố trí mạch giảm tải Mạch giảm tải làm việc nhờ van điều tiết 6, thông qua đường khí phản hồi cụm xylanh điều khiển Khi áp suất tăng áp tăng, van mở, phần khí xả không qua bánh tuabin 1, thực giảm tốc độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế gia tăng mức áp suất khí nạp 2.3 Tăng áp hỗn hợp Trong phương pháp tăng áp hỗn hợp máy nén dẫn động khí có thể sử dụng máy nén ly tâm, hướng trục ,trục vít, quạt root hoạt động hoàn toàn độc lập với máy nén dẫn động bằng TB khí Nhờ cách ghép nối mà phân bổ phạm vi làm việc hai hệ thống hợp lý Ở phạm vi tải trọng thấp động đốt trong, mà lượng khí xả còn thấp, chưa đảm bảo cung cấp đủ lượng cho máy nén (được dẫn động từ tuabin) để nén môi chất vào động với áp suất lưu lượng mong muốn thì môi chất tăng áp chủ yếu cung cấp máy nén dẫn động khí Khi lượng khí xả đủ lớn người ta cắt nguồn lượng cung cấp cho máy nén khí có cụm tăng áp tuabin máy nén hoạt động mà Phương án cho phép hai động khởi động tốt, gia tốc tốt nên thích hợp cho thiết bị vận tải động hai kỳ máy phát điện GM2100 Phương án lắp nối tiếp sử dụng nhiều trường hợp tăng áp có áp suất cao, đặc biệt tải nhỏ Loại hình ghép nối tiếp tạo điều kiện để khởi động động dễ dàng 2.4 Tăng áp dao động cộng hưởng Ở ta sử dụng dao động dòng khí để tính cộng hưởng dao động để tăng áp suất môi chất xylanh lúc đóng xupap nạp Quá trình đóng mở xupap cách có chu kì kích thích dao động dòng khí Sự dao động áp suất vị trí đường chuyển động khí thay đổi theo thời gian, thay đổi phụ thuộc vào pha tần số ĐCĐT cũng thời gian đóng mở xupap Do vậy, dao động làm tăng hoặc giảm lượng môi chất nạp vào xylanh theo pha tần số ĐCĐT Theo phương pháp tăng áp này, công nạp piston chuyển hóa thành lượng động học cột khí lượng sẽ chuyển hóa thành công nén làm tăng áp suất xylanh cuối trình nạp 2.5 Tăng áp dao động (tăng áp quán tính) Quá trình diễn biến áp suất đường ống trình nạp, thải xem xét theo ký thuyết truyền sóng thì đó trình dịch chuyển sóng nén sóng giãn nở Tùy theo kết cấu đầu ống kín hay hở mà sóng có thể gây phản xạ tạo thành sóng phản xạ đầu kín hay sóng phản xạ đầu hở Các sóng có ảnh hưởng lớn đến trình nạp thải động Do có dao động áp suất đường ống nạp, thải động mà đó xuất trình truyền sóng (sóng áp suất sóng tốc độ) Sóng áp suất sóng tốc độ xuất truyền với tốc độ truyền sóng Nếu tốc độ phần tử chuyển động chiều với tốc độ truyền sóng sóng truyền tới sẽ làm tăng áp suất thì đó sóng nén Nếu chiều truyền sóng ngược lại với chiều phân tử chuyển động, sóng truyền tới sẽ làm giảm áp suất, sóng đó sóng giãn nở Sự dao động môi chất đường ống nạp thực tế sóng đơn tạo mà hai họ sóng truyền theo chiều ngược nhau, nó kết việc tương giao hợp thành sóng phát sinh đầu tạo lên sóng phản xạ đầu Sóng khí thể cũng vậy, tồn tính chồng chất tính xuyên qua gặp Khi gặp nhau, biên độ sóng bằng tổng biên độ hai sóng, sau xuyên qua, tính chất biên độ sóng không thay đổi, sóng nén vẫn sóng nén sóng giãn nở vẫn sóng giãn nở Trong trình thay đổi môi chất động cơ, đường ống thải, kích thích dòng chảy cao tốc khí thải từ xy lanh ông nạp kích thích lực hút piston mà sóng áp suất hình thành, sóng truyền qua lại tạo lên hiệu ứng động dao động sóng áp suất Có thể lợi dụng hiệu ứng kể để cải thiện chất lượng thay đổi môi chất giúp thải khí sót nạp đầy môi chất mới vào xy lanh 2.6 Tăng áp chuyển dòng Khi áp suất tăng cao người ta thường sử dụng tuabin đẳng áp vì nó có hiệu suất cao chế độ làm việc định mức, chế độ tải trọng khác nó có nhiều nhược điểm, chế độ tải trọng nhỏ ĐCĐT Để khắc phục nhược điểm người ta bố trí nhiều tăng áp nhỏ làm việc theo chế độ lắp song song mà phạm vi hoạt động chúng phụ thuộc vào chế độ tải trọng động Tăng áp chuyển dòng có thể tăng áp cấp hoặc cấp Việc đóng hoặc mở tuabin phụ thuộc vào tải trọng số vòng quay động điều khiển từ bên Về phía đường nạp, trước Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp nhiều so với phản ứng cháy Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ O2 Vì điều kiện nhiệt độ cao nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO sản phẩm cháy cũng lớn - Cơ chế hình thành NO2: Nồng độ NO2 có thể bỏ qua so với NO tính toán theo nhiệt độ nhiệt động học cân bằng điều kiện nhiệt độ bình thường ngọn lửa Kết có thể áp dụng gần trường hợp động đánh lửa cưỡng Đối với động diesel, người ta thấy có đến 30% NOx dưới dạng NO2 Dioxyde nitơ NO2 hình thành từ monoxide nitơ NO chất trung gian sản vật cháy theo phản ứng sau: NO + HO2 ⇄ NO2 + OH (3.16) Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng: NO2 + O ⇄ NO + O2 (3.17) Trong trường hợp NO2 sinh ngọn lửa bị làm mát môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (1.8) bị khống chế, nghĩa NO2 tiếp tục tồn sản vật cháy Khi động diesel làm việc chế độ tải thấp thì phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chế vùng không khí có nhiệt độ thấp Dioxyde nitơ cũng hình thành đường xả khí tốc độ thải thấp có diện oxy - Cơ chế hình thành Protoxyde nitơ: Protoxyde nitơ N2O chủ yếu hình thành từ chất trung gian NH NCO chúng tác dụng với NO: NH + NO ⇄ N2O + H NCO + NO ⇄ N2O + CO (3.19) (3.20) N2O chủ yếu hình thành vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà hydrogene chất tạo phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng : NO2 + H ⇄ NH + NO N2O + H ⇄ N2 + OH (3.21) (3.22) Chính vì N2O chiếm tỷ lệ thấp khí xả động đốt (khoảng 3÷8 ppm) - Cơ chế hình thành PM (chất thải dạng hạt-bồ hóng) 18 Ngày nay, người ta biết rõ bồ hóng bao gồm thành phần chính sau đây: - Carbon: Thành phần ít nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ cháy hệ số dư lượng không khí trung bình, đặc biệt động hoạt động chế độ đầy tải hoặc tải - Dầu bôi trơn không cháy: Đối với động cũ thành phần chiếm tỷ lệ lớn Lượng dầu bôi trơn bị tiêu hao lượng hạt bồ hóng có quan hệ với - Nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn: thành phần phụ thuộc vào nhiệt độ hệ số dư lượng không khí - Sunphat: lưu huỳnh nhiên liệu bị oxy hóa tạo thành SO2 hoặc gốc SO42- - Các chất khác: lưu huỳnh, calci, sắt, silicon, chromium, phosphor, hợp chất calci từ dầu bôi trơn Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm trình cháy, dạng động cũng thời hạn cử dụng động (cũ hay mới) Thành phần bồ hóng sản phẩm cháy nhiên liệu có thành phàn lưu huỳnh cao khác với thành phần bồ hóng sản phẩm cháy nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp Các nghiên cứu trình hình thành bồ hóng ngọn lửa buồng cháy động diesel đề cập nhiều tài liệu gần với chế hình thành hạt bồ hóng điển hình: - Polyme hóa qua acetylene polyacetylene - Khởi tạo hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) - Ngưng tụ graphit hóa cấu trúc HAP - Tạo hạt qua tác nhân ion hóa hợp thành phần tử nặng - Tạo hạt qua tác nhân trung tính phát triển bề mặt hợp thành thành phần nặng Sự hình thành bồ hóng qua giai đoạn tóm tắt hình: 19 Hình Các giai đoạn hình thành PM Cơ chế tổng quát tạo thành hạt nhân bồ hóng nhiệt độ thấp trung bình trình bày hình Ở nhiệt độ thấp (