Nghiên cứu qui trình kỹ thuật cải tiến động cơ diesel không tăng áp đang lưu hành thành động cơ tăng áp bằng tuốc bin khí thải

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa khác công bố Hà Nội, tháng năm 2016 Học viên Lý Quang Đại -i- LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực Bộ môn Động đốt cho phép thực luận văn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học Viện Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt trình học tập trƣờng Hơn hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Minh Tuấn Với hƣớng dẫn tận tình chu đáo thầy mà nhờ hoàn thành đƣợc luận văn cao học Ngoài ra, xin chân thành biết ơn tới quý thầy, cô giáo Bộ môn Phòng thí nghiệm Động đốt - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để thực luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình đồng nghiệp, ngƣời động viên khuyến khích suốt thời gian học tập làm luận văn Học viên Lý Quang Đại - ii - MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU x i Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu đề tài xi * Mục đích nghiên cứu: xi * Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài: xi ii Phƣơng pháp nghiên cứu xi iii Ý nghĩa khoa học thực tiễn xi iv Các nội dung đề tài xii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP 1.1 Tăng áp cho động đốt 1.1.1 Xu hƣớng phát triển biện pháp tăng áp cho động 1.1.2 Tình hình nghiên cứu tăng áp cho động diesel lƣu hành Việt Nam 10 1.2 Kết luận chƣơng 12 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRANG BỊ TUỐC BIN – MÁY NÉN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL KHÔNG TĂNG ÁP 14 2.1 Quan điểm điều kiện để thực cải tiến tăng áp tuốc bin – máy nén 14 2.1.1 Quan điểm cải tiến tăng áp 14 2.1.2 Điều kiện để thực tăng áp 14 2.1.3 Xây dựng quy trình thực tăng áp TB-MN cho động diesel lƣu hành 15 2.2 Xác định khả tăng áp 18 2.2.1 Cơ sở lý thuyết mô phần mềm AVL – Boost 18 2.2.2 Cơ sở lý thuyết mô phần mềm AVL-Excite Designer 27 2.2.3 Xác định tỷ số tăng áp 34 2.3 Cơ sở tính toán lựa chọn cụm TB-MN 36 2.3.1 Xác định thông số đầu vào cho cụm TB-MN 36 2.3.2 Tính toán lựa chọn cụm TB-MN 37 2.4 Cơ sở tính toán, cải tiến hệ thống thực tăng áp 39 2.4.1 Lựa chọn tỷ số nén phù hợp cho động tăng áp 40 2.4.2 Cải tiến cấu phân phối khí 40 2.4.3 Cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu 42 2.4.4 Thiết kế hệ thống nạp thải 45 2.4.5 Cải tiến hệ thống làm mát 46 2.4.6 Cải tiến hệ thống bôi trơn 47 2.5 Tính toán kiểm nghiệm bền chi tiết 48 2.6 Kết luận chƣơng 49 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN CẢI TIẾN TĂNG ÁP CHO 50 ĐỘNG CƠ D243 50 3.1 Giới thiệu tổng quan động D243 50 - iii - 3.2 Đặc tính động D243 nguyên 51 3.2.1 Thông số kỹ thuật động D243 51 3.2.2 Kết thử nghiệm động D243 băng thử 52 3.3 Tính toán khả tăng áp động D243 53 3.3.1 Tính toán chu trình nhiệt động động D243 tăng áp phần mềm AVL-Boost 53 3.3.2 Tính toán khả bền động D243 tăng áp phần mềm AVLExcite Designer 57 3.4 Lựa chọn TB-MN cho động D243 tăng áp 64 3.5 Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải động sau tăng áp 67 3.5.1 So sánh công suất suất tiêu hao nhiên liệu 67 3.5.2 So sánh thay đổi áp suất nhiệt độ trình cháy 68 3.6 Tính toán cải tiến hệ thống thực tăng áp 69 3.6.1 Tính toán hiệu chỉnh hệ thống nhiên liệu thực tăng áp 69 3.6.2 Tính toán cải tiến đƣờng nạp thải thực tăng áp 69 3.6.3 Tính toán cải tiến HTBT động D243 thực tăng áp 73 3.6.4 Tính toán cải tiến HTLM động D243 thực tăng áp 81 3.7 Kiểm nghiệm bền số chi tiết động D243 sau tăng áp 88 3.7.1 Giới thiệu chung 88 3.7.2 Xây dựng mô hình 88 3.7.3 Tính toán ứng suất tác dụng lên chi tiết sau tăng áp 89 3.8 Kết luận chƣơng 94 CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ D243 SAU TĂNG ÁP 95 4.1 Mục tiêu phạm vi thử nghiệm 95 4.2 Trang thiết bị thử nghiệm 96 4.2.1 Động thử nghiệm 96 4.2.2 Băng thử động 96 4.3 Điều kiện thử nghiệm 97 4.4 Bố trí lắp đặt hiệu chỉnh động băng thử 97 4.5 Kết thử nghiệm thảo luận 98 4.5.1 Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật động trƣớc sau tăng áp 98 4.5.2 Đánh giá thông số làm việc động trƣớc sau tăng áp 99 4.5.3 So sánh độ khói trƣớc sau tăng áp 102 4.6 Đánh giá kết mô thực nghiệm 102 4.7 Kết luận chƣơng 104 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN 104 Kết luận chung 104 Phƣơng hƣớng phát triển 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 - iv - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải ĐCĐT Động đốt ĐCT Điểm chết ĐCD Điểm chết dƣới ECU Khối xử lý trung tâm AVL-Boost Phần mềm mô chu trình nhiệt động động AVL-Excite Phần mềm tính toán trục khuỷu Designer CFD Tính toán động lực học chất lƣu có trợ giúp máy tính Gambit Công cụ hỗ trợ chia lƣới Fluent Phần mềm mô động lực học dòng chảy FDM Phƣơng pháp sai phân hữu hạn FVM The Finite-Volume Method (Phƣơng pháp thể tích hữu hạn) FEM The Finite Element Method (Phƣơng pháp phần tử hữu hạn) Catia Phần mềm đồ họa Catia Ansys Phần mềm tính toán phân tích kết cấu GTVT Giao thông vận tải HTBT Hệ thống bôi trơn HTLM Hệ thống làm mát HTNL Hệ thống nhiên liệu BCA Bơm cao áp -v- PTN Phòng thí nghiệm ETB Băng thử động lực học cao APA Phanh điện APA MP Mô TN Thử nghiệm TB Tuốc bin MN Máy nén TB-MN Cụm tuốc bin máy nén WG Van xả - vi - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các phƣơng pháp tăng áp động đốt Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tăng áp khí Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý tăng áp TB khí liên hệ khí thể Hình 1.4 Tăng áp tuốc bin khí có liên hệ thuỷ lực Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý phƣơng án tăng áp hỗn hợp cho động Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống tăng áp dao động Hình 1.7 Nguyên lý đƣờng ống nạp có chiều dài thay đổi vô cấp Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống tăng áp cộng hƣởng Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống tăng áp sóng khí Hình 1.10 Sơ đồ khai triển thể trình truyền sóng áp suất tăng áp sóng áp suất Hình 2.1 Quy trình cải tiến tăng áp TB-MN cho động diesel lƣu hành 16 Hình 2.2 Mô hình cân lƣợng xylanh 21 Hình 3.1 Động D243 50 Hình 3.2 Mô hình động D243 nguyên 53 Hình 3.3 Đặc tính công suất tiêu hao nhiên liệu MP TN 55 Hình 3.4 Mô hình động D243 tăng áp 56 Hình 3.5 Diễn biến áp suất xylanh theo o TK 57 Hình 3.6 Mô hình động D243 AVL-Excite Designer 58 Hình 3.7 Thông số kết cấu truyền 59 Hình 3.8 Thông số hình học chốt khuỷu 59 Hình 3.9 Kết cấu chi tiết trục khuỷu 59 Hình 3.10 Thông số má khuỷu 60 Hình 3.11 Thông số đối trọng lắp má khuỷu 60 Hình 3.12 Ứng suất uốn má khuỷu 61 Hình 3.13 Ứng suất xoắn má khuỷu 61 Hình 3.14 Phân bố lực tác dụng chốt khuỷu tốc độ 2200 v/ph 62 Hình 3.15 Phân bố lực tác dụng tốc độ 1400 v/ph 62 Hình 3.16 Phân bố lực tác dụng cổ khuỷu tốc độ 1400 v/ph 62 Hình 3.17 Phân bố lực tác dụng cổ khuỷu tốc độ 2200 v/ph 62 Hình 3.18 Phân bố ứng suất góc lƣợn chốt khuỷu 63 Hình 3.19 Phân bố ứng suất góc lƣợn cổ khuỷu 63 Hình 3.20 Đặc tính MN cung cấp hãng Garrett 65 Hình 3.21 Đặc tính TB-MN GT2554R 66 Hình 3.22 Đặc tính TB-MN GT1548 66 Hình 3.23 Cụm TB-MN GT2554R 66 Hình 3.24 Đặc tính công suất tiêu hao nhiên liệu trƣớc sau tăng áp 68 Hình 3.25 So sánh biến thiên nhiệt độ áp suất n = 2200 v/ph 68 Hình 3.26 Động D243 nguyên 69 Hình 3.27 Kết cấu đƣờng nạp động D243 nguyên 70 Hình 3.28 Kết cấu đƣờng nạp động D243 tăng áp 70 Hình 3.29 Phƣơng án ghép nối cổ góp đƣờng thải động D243 TA 72 Hình 3.30 Kết cấu đƣờng thải động D243 nguyên 72 Hình 3.31 Kết cấu đƣờng thải động D243 tăng áp 73 Hình 3.32 Động D243 sau cải tiến đƣờng nạp, thải 73 - vii - Hình 3.33 Lƣu đồ tính toán cải tiến hệ thống bôi trơn 74 Hình 3.34 Chƣơng trình tính V bct Matlab 75 Hình 3.35 Chƣơng trình tính V b Matlab 77 Hình 3.36 Cặp bánh dẫn động bơm dầu Z1 Z2 78 Hình 3.37 Chƣơng trình tính Q ms, Qdm Q tn Matlab 80 Hình 3.38 Lƣu đồ tính toán cải tiến hệ thống làm mát 81 Hình 3.39 Chƣơng trình tính lƣu lƣợng bơm nƣớc Matlab 84 Hình 3.40 Chƣơng trình tính két nƣớc Matlab 86 Hình 3.41 Chi tiết puly bơm nƣớc 87 Hình 3.42 Mô hình pít tông 88 Hình 3.43 Mô hình truyền 89 Hình 3.44 Mô hình đặt lực tác dụng lên truyền 91 Hình 3.45 Ứng suất tác dụng lên thân truyền 92 Hình 3.46 Ứng suất tác dụng lên thân truyền 94 Hình 3.47 Ứng suất tác dụng lên piston (nhìn bên ngoài) 94 Hình 3.48 Ứng suất tác dụng lên piston (mặt cắt dọc) 94 Hình 4.1 Lắp động băng thử 98 Hình 4.2 Tỷ số tăng áp theo tốc độ động 99 Hình 4.3 So sánh lƣu lƣợng khí nạp 100 Hình 4.4 So sánh hệ số dƣ lƣợng không khí 100 Hình 4.5 So sánh áp suất dầu bôi trơn 101 Hình 4.6 So sánh nhiệt độ nƣớc làm mát 101 Hình 4.7 So sánh độ khói khí thải 102 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các hệ số phƣơng trình trao đổi nhiệt cửa nạp thải 25 - viii - Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật động D243 51 Bảng 3.2 Kết thử nghiệm đƣờng đặc tính động D243 52 Bảng 3.3 Các phần tử xây dựng mô hình động D243 53 Bảng 3.4 Dữ liệu điều khiển chung mô hình động D243 nguyên 54 Bảng 3.5 Bảng so sánh kết chạy mô (MP) thực nghiệm (TN) 55 Bảng 3.6 Các phần tử xây dựng mô hình động D243 tăng áp 56 Bảng 3.7 Các thông số chung mô hình 58 Bảng 3.8 Kết tính toán bền trục khuỷu tỷ số tăng áp πk = 1,5 63 Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật cụm TB-MN GT2554R 67 Bảng 3.10 Kết tính hệ thống bôi trơn cho động D243 tăng áp 80 Bảng 3.11 Phần trăm nhiệt lƣợng chuyển hóa trƣớc sau tăng áp 82 Bảng 3.12 Kết tính hệ thống làm mát cho động D243 tăng áp 86 Bảng 3.13 Thông số vật liệu truyền 90 Bảng 3.14 Thông số chia lƣới truyền 91 Bảng 3.15 Thông số vật liệu piston 92 Bảng 3.16 Thông số đầu vào mô hình piston 93 Bảng 3.17 Thông số chia lƣới piston 93 Bảng 4.1 Kết thử nghiệm động D243 nguyên 98 Bảng 4.2 Kết thử nghiệm động D243 tăng áp 99 Bảng 4.3 Kết so sánh công suất suất tiêu hao nhiên liệu mô thực nghiệm động D243 tăng áp 102 Bảng 4.4 Kết so sánh tỷ số tăng áp hệ số dƣ lƣợng không khí mô thực nghiệm động D243 tăng áp 103 - ix - MỞ ĐẦU Tuy nhiên nƣớc ta có số lớn động diesel không tăng áp lƣu hành có độ bền thiết kế cao, đa số động có xuất xứ từ nƣớc xã hội chủ nghĩa Đông Âu (cũ) Theo thời gian làm việc, tính kinh tế, kỹ thuật động bị suy giảm, cụ thể công suất giảm, tiêu thụ nhiên liệu nhƣ phát thải độc hại tăng, vấn đề có tính qui luật Nhằm khôi phục chí tăng công suất động để tận dụng khả khai thác động có độ bền cao, giải pháp hiệu quả, có tính khả thi cao thƣờng đƣợc sử dụng cải tiến thành động tăng áp trang bị thêm cho động cụm tuốc bin khí thải Cho đến có số công trình công bố liên quan đến hƣớng nghiên cứu Tuy nhiên, nghiên cứu chƣa đƣa đƣợc qui trình thuyết phục áp dụng cho động nhƣng lại ý đến tình trạng kỹ thuật thực tế động Cụ thể là, tính toán thiết kế cải tiến để động đạt công suất khoảng 30% theo khuyến cáo chuyên gia thuộc Liên Xô cũ, nhƣ chƣa tận dụng triệt để khả tăng công suất động Ngoài ra, công trình chƣa đề cập toàn diện đến cải tiến đồng hệ thống phụ liên quan nhƣ hệ thống làm mát hệ thống bôi trơn Do vậy, việc nghiên cứu qui trình kỹ thuật cải tiến động diesel không tăng áp lƣu hành thành động tăng áp tuốc bin khí thải để áp dụng cho động thực tế cần thiết nhằm nâng cao hiệu sử dụng, tính kinh tế giảm phát thải độc hại động Diesel không tăng áp lƣu hành Đề tài “Nghiên cứu qui trình kỹ thuật cải tiến động diesel không tăng áp lưu hành thành động tăng áp tuốc bin khí thải” nhằm mục đích nghiên cứu qui trình cải tiến động không tăng áp có độ bền cao thành động tăng áp áp -x- động tịnh tiến, chịu kéo tác dụng lực quán tính chuyển động tịnh tiến lực ngang Xét trƣờng hợp piston chịu lực khí thể lớn pzmax = 8,526.10 6N/m2 ứng suất nén tác dụng lên piston cực đại Chi tiết piston chi tiết tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy, chịu tải trọng nhiệt lớn khả làm mát Nhìn chung, nhiệt độ đỉnh piston thƣờng cao so với nắp máy Phần đỉnh piston chịu tải trọng nhiệt trung bình 700 oC Phần đầu có nhiệt độ trung bình 500 o C phần thân có nhiệt độ trung bình 300 oC Các thông số đầu vào cho mô hình trình bày Bảng 3.16 Bảng 3.16 Thông số đầu vào mô hình piston Thông số TT Giá trị Đơn vị Áp suất cực đại 85,26 bar Áp suất môi trƣờng bar Nhiệt độ trung bình đỉnh piston 700 oC Nhiệt độ trung bình đầu piston 500 o C Nhiệt độ trung bình thân piston 300 C c Chia lưới mô hình Các thông số chia lƣới mô hình chi tiết piston đƣợc thể Bảng 3.20 mô hình chia lƣới hoàn chỉnh đƣợc thể Hình 3.46 Bảng 3.17 Thông số chia lưới piston TT Thông số Giá trị Đơn vị Kiểu lƣới Tam diện - Tổng số phần tử 6221 - Tổng số nút 9689 - - 93 - Kích thƣớc lƣới 0,3 mm Hình 3.46 Ứng suất tác dụng lên thân truyền d Kết tính toán Kết tính toán ứng suất tác dụng lên piston đƣợc thể Hình 3.47 3.48 Hình 3.47 Ứng suất tác dụng lên piston Hình 3.48 Ứng suất tác dụng lên piston (mặt cắt dọc) (nhìn bên ngoài) Kết tính toán cho thấy, ứng suất lớn tác dụng lên piston lân cận khu vực tiết diện suy yếu (rãnh xéc măng dầu), với ứng suất lớn 402 MPa Sau tăng áp ứng suất tác dụng lên chi tiết tăng lên lớn, ứng suất nằm giới hạn chịu lực vật liệu chế tạo nhƣ trình bày Bảng 3.13, 3.15 Tuy nhiên ứng suất tăng lên ảnh hƣởng trực tiếp tới độ bền tuổi thọ động Do vậy, mặt nguyên tắc cần có biện pháp để giảm tải trọng tác dụng sau tăng áp nhƣ tăng cƣờng biện pháp làm mát, làm mát trung gian… 3.8 Kết luận chƣơng Nội dung thực Chƣơng gồm nội dung nhƣ sau: - Áp dụng quy trình tăng áp TB khí thải động D243 - Lựa chọn đƣợc tỷ số tăng áp phù hợp πk = 1,5 công cụ mô AVLBoost AVL-Excite Designer cho động D243 chọn - Lựa chọn đƣợc cụm TB-MN hãng Garret có mã hiệu GT2554R đảm bảo đƣợc yêu cầu lƣu lƣợng tỷ số tăng áp - 94 - - Mô trình làm việc động trang bị cụm TB-MN GT2554R Công suất lớn 80,00 kW tốc độ 2200v/ph, tăng 43,44% Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ 228,96 g/kW.h tốc độ 1800 v/ph, giảm 7,7% - Đánh giá đƣợc mức độ ảnh hƣởng thông số nhƣ tỷ số nén, góc phun sớm nhƣ áp suất phun tới đặc điểm trình làm việc động sau tăng áp phần mềm AVL-Boost - Tính toán kiểm nghiệm lại đƣờng kính hành trình có ích cực đại piston BCA Kết cho thấy, kết cấu bơm nguyên động D243 hoàn toàn đáp ứng đƣợc yêu cầu lƣợng nhiên liệu cung cấp sử dụng động tăng áp - Xây dựng mô hình đƣờng nạp, thải nguyên động cơ, từ đƣa nhƣng thay đổi mặt kết cấu để lắp đặt cụm TB-MN cách dễ dàng Tính toán mô trình lƣu động dòng khí thải với kết cấu đƣờng thải nguyên đƣờng thải cải tiến phần mềm mô chiều CFD - Lựa chọn phƣơng án cải tiến HTLM tăng lƣu lƣợng bơm nƣớc cách giảm đƣờng kính puly bơm nƣớc từ 119 mm xuống 95 mm - Lựa chọn đƣợc phƣơng án cải tiến HTBT tăng lƣu lƣợng dầu bôi trơn cách thay đổi tỷ số truyền cặp bánh bơm dầu từ 1,31 lên 1,74 tăng áp suất dầu cách điều chỉnh áp suất mở van an toàn bơm dầu - Tính toán kiểm nghiệm độ bền chi tiết truyền, piston sau động tăng áp phần mềm Ansys Kết cho thấy, ứng suất nhiệt tác dụng lên chi tiết nhỏ giá trị cho phép, chi tiết đảm bảo độ bền CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ D243 SAU TĂNG ÁP 4.1 Mục tiêu phạm vi thử nghiệm Thực thử nghiệm động băng thử nhằm mục đích đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sau tăng áp Kết thử nghiệm đƣợc - 95 - 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 thử nghiệm, cải tiến phù hợp để nâng cao đƣợc tính hiệu kinh tế động sau tăng áp đƣợc tiến hành đồng thời Quá trình đo đạc xây dựng đặc tính động D243 đƣợc thực PTN Động Đốt trong, ĐH BKHN băng thử động lực Meiden Công ty Diesel Sông Công Thái Nguyên 4.2 Trang thiết bị thử nghiệm 4.2.1 Động thử nghiệm Để đảm bảo kết thử nghiệm so sánh đối chứng đƣợc tin cậy, động D243 nguyên đƣợc đo đạc lại đặc tính trƣớc tiến hành cải tiến nhƣ tính toán Chƣơng Các chi tiết puly bơm nƣớc, bánh dẫn động, bơm dầu đƣợc chế tạo đảm bảo kích thƣớc độ xác theo thiết kế Bơm cao áp đƣợc điều chỉnh xoay tƣơng đối piston với vành theo hƣớng tăng lƣợng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Sau đo đạc thông số động nguyên bản, tiến hành lắp cụm TB-MN, puly bơm nƣớc, bánh dẫn động bơm dầu chỉnh BCA Động đƣợc lắp lên băng đo đạc xác định thông số cần thiết 4.2.2 Băng thử động Băng thử động đƣợc trang bị Diesel Sông Công băng thử điện, có tên Meiden Phanh điện hoạt động hai chế độ: động điện máy phát điện Với chế độ động điện phanh điện có khả làm việc với công suất tối đa 150kW dải tốc độ từ 1000 đến 6000v/ph Phạm vi công suất băng hoàn toàn đáp ứng đƣợc yêu cầu thử nghiệm động D243 nguyên nhƣ sau trang bị tăng áp [1] - 96 - 4.3 Điều kiện thử nghiệm Động đƣợc bảo dƣỡng trƣớc thử nghiệm nhằm đảm bảo độ ổn định suốt trình thử nghiệm nhƣ: thay dầu bôi trơn, kiểm tra hệ thống nhiên liệu, thay lọc dầu bôi trơn lọc nhiên liệu… Đối với băng thử phải tiến hành hiệu chuẩn thiết bị trƣớc thử nghiệm nhằm đảm bảo kết đo đƣợc xác Thử nghiệm đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp đối chứng với điều kiện nhiệt độ phòng thử trạng thái động nhƣ Nhiên liệu diesel sử dụng thử nghiệm đƣợc mua cửa hàng xăng dầu thị trƣờng có hàm lƣợng lƣu huỳnh (s) theo tiêu chuẩn nhỏ 500ppm Nhiên liệu thử nghiệm mua thời điểm nhằm đảm bảo tính chất nhiên liệu không thay đổi thử nghiệm 4.4 Bố trí lắp đặt hiệu chỉnh động băng thử Động trƣớc thí nghiệm đƣợc tiến hành bảo dƣỡng, hiệu chỉnh để đảm bảo trạng thái làm việc bình thƣờng Ngoài bơm nhiên liệu vòi phun đƣợc kiểm tra cân chỉnh theo thông số làm việc bình thƣờng động Việc lắp ráp bơm cao áp vòi phun phải đƣợc thực phòng riêng đạt tiêu chuẩn phòng để tránh bụi bẩn bám vào chi tiết siêu xác Các chi tiết cụm chi tiết đƣợc kiểm tra đủ tiêu chuẩn kỹ thuật trƣớc lắp Kiểm tra điều chỉnh đệm bu lông theo yêu cầu kỹ thuật Hình 4.1 thể việc lắp động lên băng thử, sau hoàn thành công việc lắp đặt hiệu chỉnh, động đƣợc chạy chế độ tải nhỏ tới nhiệt độ chi tiết, nhiệt độ dầu bôi trơn nhiệt độ nƣớc làm mát đƣợc ổn định Để kiểm soát đƣợc trạng thái nhiệt nhƣ đảm bảo làm việc hệ thống bôi trơn, hệ thống - 97 - làm mát cần lắp đặt cảm biến để theo dõi thông số Để đảm bảo an toàn nhƣ tính xác phép đo hệ thống điều khiển phải kiểm tra tình trạng làm việc thông qua tủ điều khiển Các thiết bị đo lƣu lƣợng khí nạp, đo độ khói đƣợc hiệu chỉnh trƣớc lắp đặt vào Hình 4.1 Lắp động băng thử hệ thống 4.5 Kết thử nghiệm thảo luận 4.5.1 Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật động trước sau tăng áp Kết thử nghiệm đo đối chứng động D243 nguyên tăng áp đƣợc đƣa Bảng 4.1 Bảng 4.2 [1] Bảng 4.1 Kết thử nghiệm động D243 nguyên Ne T nƣớc (o C) Pkk (bar) Độ khói (g/kWh) Pdầ u (bar) 1,16 281,26 2,69 69 - 100 128,00 1,06 283,49 2,80 78 - 100 40,65 139,03 1,04 280,77 2,86 80 - 100 1600 47,11 174,49 1,04 274,28 2,89 80 - 96 1800 49,56 217,12 1,14 267,14 2,88 81,2 - 84 2000 50,35 241,45 1,25 268,21 2,91 83 - 71 2200 54,08 261,67 1,21 278,51 2,85 84 - 63 Tốc độ (v/ph) (kW) 1000 G kk (kg/h) Lamda 26,68 107,21 1200 32,10 1400 ge - 98 - Bảng 4.2 Kết thử nghiệm động D243 tăng áp Ne Tốc độ (v/ph) (kW) 1000 38,24 156,51 1200 49,20 1400 G kk (kg/h) ge (g/kWh) Pdầ u (bar) T nƣớc (o C) Pkk (bar) Độ khói 1,09 243,24 3,00 70 1,2 100 190,23 1,03 256,16 3,24 79,5 1,2 100 56,33 212,86 1,08 258,47 3,28 80,5 1,3 92 1600 66,56 252,58 1,13 248,91 3,20 81,2 1,31 80 1800 70,24 315,66 1,16 256,48 3,18 81,6 1,33 70 2000 72,22 333,53 1,23 245,23 3,20 84 1,35 65 2200 76,64 390,53 1,29 252,73 3,00 85,9 1,38 58 Lamda 4.5.2 Đánh giá thông số làm việc động trước sau tăng áp a Tỷ số tăng áp Áp suất tăng áp thông số quan trọng để đánh giá hiệu trình tăng áp Áp suất tăng áp hiệu làm việc cụm TB-MN định Ta thấy cụm TB-MN làm việc đạt hiệu cao tốc độ vòng quay lớn, lúc lƣợng 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 (Hình 4.2) - 99 - Hình 4.2 Tỷ số tăng áp theo tốc độ động Có kết nhƣ cụm TB-MN GT2554 đƣợc thiết kế cho dải công suất định, mà không thiết kế cho riêng mẫu động D243 nên đƣờng đặc tính chƣa thực phù hợp b Lưu lượng không khí nạp Lƣợng không khí nạp thông số quan trọng cho việc đánh giá khả tăng công suất cho động Hình 4.3 thể so sánh lƣợng không khí nạp hai trƣờng hợp động có tăng áp không tăng áp Kết cho thấy toàn dải làm việc tốc độ lƣợng không khí nạp vào tăng rõ rệt động động đƣợc tăng áp Lƣợng khí nạp tăng lớn Hình 4.3 So sánh lưu lượng khí nạp 53,10% tốc độ 1400v/ph tăng áp tăng trung bình 46,46% toàn dải tốc độ làm việc Nhƣ cụm TB-MN làm việc hiệu quả, tận dụng đƣợc lƣợng khí thải để đƣa thêm không khí vào xylanh c Hệ số dư lượng không khí Hệ số dƣ lƣợng không khí thông số đánh giá tính đậm hay nhạt hỗn hợp không khí – nhiên liệu Để tăng công suất động cần phải tăng lƣợng nhiên liệu đốt cháy, nhiên trƣờng hợp cụm TB-MN làm việc không hiệu làm cho hỗn hợp nhiên liệu đậm làm giảm hiệu Hình 4.4 So sánh hệ số dư trình cháy Do hệ số dƣ lƣợng không khí λ thông số - 100 - lượng không khí quan trọng để đánh giá mức độ tăng áp đặc biệt hiệu cụm TB-MN lựa chọn So sánh giá trị hệ số dƣ lƣợng không khí λ theo tốc độ vòng quay động có tăng áp đƣợc thể Hình 4.4 Nhìn chung động D243 sau tăng áp, lƣợng khí nạp tăng lên, đồng thời lƣợng nhiên liệu cung cấp cho chu trình đƣợc hiệu chỉnh Do hệ số λ thay đổi toàn dải tốc độ động Điều cho thấy, việc điều chỉnh tăng thêm lƣợng nhiên liệu cung cấp sau động đƣợc tăng áp phù hợp d Đánh giá áp suất dầu bôi trơn Áp suất dầu bôi trơn thông số quan trọng đánh giá khả bôi trơn cho động Đối với động thực tăng áp phải trích đƣờng dầu từ đƣờng dầu để bôi trơn cho TB-MN, làm giảm lƣợng dầu bôi trơn cho động Do bơm dầu đƣợc cải tiến để làm tăng lƣu Hình 4.5 So sánh áp suất lƣợng trì áp suất dầu bôi trơn để đảm bảo dầu bôi trơn điều kiện làm việc bình thƣờng cho động Kết so sánh áp suất dầu bôi trơn trƣớc sau tăng áp đƣợc thể Hình 4.5 Nhìn chung, áp suất dầu trƣờng hợp tăng áp đƣợc trì đảm bảo áp suất làm việc khoảng 3,2kG/cm2 Nhƣ cải tiến HTBT phù hợp e Đánh giá nhiệt độ động Nhiệt độ động thông số quan trọng để đánh giá hiệu làm việc HTLM sau cải tiến Kết thử nghiệm nhiệt độ nƣớc làm mát trƣớc chƣa cải tiến sau tăng áp cải tiến đƣợc thể Hình 4.6 Đồ thị cho thấy, sau Hình 4.6 So sánh nhiệt độ nước làm mát - 101 - tăng áp với hệ Thống làm mát đƣợc cải tiến, nhiệt độ động gần nhƣ không thay đổi, tăng lên chƣa tới 1% Nhiệt độ làm việc trung bình động khoảng 80 oC Điều cho thấy HTLM làm việc hiệu quả, đảm bảo đƣợc khả tản nhiệt cho động 4.5.3 So sánh độ khói trước sau tăng áp Độ khói thông số quan trọng đánh giá hiệu trình cháy động Trong trƣờng hợp trình cháy thiếu ôxy làm tăng độ khói khí thải Hình 4.7 thể so sánh độ khói khí thải động hai trƣờng hợp tăng áp chƣa tăng áp Kết cho thấy trình cháy động sau tăng áp đƣợc cải thiện làm giảm độ khói động λ đƣợc cải thiện chút vùng tốc độ cao nhƣ thể Hình 4.16 Tuy nhiên tốc độ vòng quay thấp 1400v/ph độ khói đạt tới 100, động rơi vào vùng giới hạn khói đen Muốn Hình 4.7 So sánh độ khói khí thải khắc phục, phải dùng loại TB biến hình [21,33] phải có biện pháp bổ trợ MN khí [13] MN điện Tuy nhiên, biện pháp phức tạp không phù hợp trang bị loại động cũ, lƣu hành Để hạn chế phát thải khói đen, không nên cho động hoạt động dải tốc độ thấp 4.6 Đánh giá kết mô thực nghiệm Kết bảng 4.3 thể công suất suất tiêu thụ nhiên liệu động D243 tăng áp mô thực nghiệm sai lệch không nhiều Bảng 4.3 Kết so sánh công suất suất tiêu hao nhiên liệu mô thực nghiệm động D243 tăng áp Tốc độ Công suất (kW) Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) - 102 - (v/ph) Mô Thực nghiệm Sai lệch % Mô Thực nghiệm Sai lệch 1000 39,20 38,24 -2,45 248,64 243,24 -2,17% 1400 60,20 56,33 -6,43 237,28 258,47 8,93% 1600 66,17 66,56 0,59 230,48 248,91 8,00% 1800 73,30 70,24 -4,17 228,96 256,48 12,02% 2000 75,73 72,22 -4,63 236,9 245,23 3,52% 2200 80,00 76,64 -4,20 251,08 252,73 0,66% Bảng 4.4 Kết so sánh tỷ số tăng áp hệ số dư lượng không khí mô thực nghiệm động D243 tăng áp Tốc độ (v/ph) Hệ số dƣ lƣợng không khí (-) Tỷ số tăng áp (-) Mô Thực nghiệm Sai lệch Mô Thực nghiệm Sai lệch 1000 1,31 1,33 1,53% 1,074 1,01 1,49% 1400 1,34 1,33 -0,75% 1,080 0,86 -4,63% 1600 1,37 1,44 5,11% 1,074 0,85 0,56% 1800 1,41 1,46 3,55% 1,074 0,97 5,21% 2000 1,45 1,48 2,07% 1,082 1,10 7,21% 2200 1,47 1,50 2,04% 1,177 1,22 4,50% Dựa vào kết nêu thấy việc sử dụng kết mô phần mềm AVL-Boost làm sở để tính toán lựa chọn cụm TB-MN để thực cải tiến tăng áp cho động phù hợp rút ngắn đƣợc thời gian nhƣ chi phí cho việc chuyển đổi động từ không tăng áp thành tăng áp TB-MN - 103 - 4.7 Kết luận chƣơng Qua kết thực nghiệm thể đƣợc nhiều ƣu điểm động D243 sau đƣợc tăng áp, cụ thể nhƣ sau: - Công suất động cải thiện rõ rệt, đạt 76,64 kW tăng 41,7% tốc độ n = 2200 v/ph tăng trung bình khoảng 42% toàn dải tốc độ nghiên cứu - Tính kinh tế đƣợc cải thiện rõ rệt, mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ 245,23 g/kWh, giảm khoảng 8,6% mức tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình khoảng 8,9% - Lƣợng không khí nạp vào tăng rõ rệt động đƣợc tăng áp, tăng lớn 53,10% tốc độ 1600 v/ph tăng trung bình 46,46% toàn dải tốc độ làm việc KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung Qua trình nghiên cứu, tìm hiểu quy trình thực tăng áp tuốc bin khí thải cho động Diesel không tăng áp có độ bền cao lƣu hành thấy giải pháp kỹ thuật hợp lý Việt Nam nhằm tận dụng khả khai thác hiệu động Cụ thể nhƣ sau: - Hiểu đƣợc quy trình công nghệ khả thi thực tăng áp cho động lƣu hành: + Sử dụng phần mềm mô AVL-Boost, AVL-Excite để tính toán khả tăng áp lựa chọn tỷ số tăng áp + Sử dụng phần mềm mô AVL-Boost, AVL-Excite, Ansys để kiểm tra sức bền chi tiết động sau tăng áp + Trình bày đƣợc phƣơng pháp tính toán, thiết kế điều chỉnh cải tiến hệ thống làm mát, bôi trơn, đƣờng nạp, thải + Phân tích kết thử nghiệm động sau tăng áp - 104 - - Nghiên cứu việc thực áp dụng quy trình cho động diesel D243 cũ lƣu hành: + Sử dụng phần mềm AVL-Boost xây dựng mô hình động D243 nguyên đánh giá độ xác mô hình số liệu đo đạc thử nghiệm PTN Động đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội + Xây dựng đƣợc mô hình động D243 tăng áp AVL-Boost AVLExcite Designer để đánh giá khả tăng áp động + Mô chu trình công tác động kiểm nghiệm bền trục khuỷu tỷ số tăng áp khác nhau, từ lựa chọn đƣợc tỷ số tăng áp hợp lý π k = 1,5 Với tỷ số tăng áp chọn, tính toán lựa chọn đƣợc cụm TB-MN Garett (GT2554R) đáp ứng yêu cầu tăng áp Tính toán chu trình công tác kiểm nghiệm bền lại động với cụm TB-MN + Qua kết tính toán chu trình công tác động sau tăng áp cho thấy: (i) Công suất tăng nhiều 51,54% tốc độ 1000 v/ph, tăng tối thiểu 41,7% tốc độ 2000 v/ph tăng trung bình 42% toàn dải tốc độ (ii) Suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình khoảng 7,27% toàn dải tốc độ động Phƣơng hƣớng phát triển Trong thời gian thực luận văn, em tìm hiểu hiểu đƣợc quy trình thực trang bị tăng áp động diesel lƣu hành áp dụng điều kiện thực tế Việt Nam Tuy nhiên, việc nghiên cứu dừng lại phân tích lý thuyết tham khảo tài liệu Em hy vọng thời gian tới có đủ điều kiện để áp dụng quy trình thực cải tiến động diesel có đơn vị nơi em công tác - 105 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Tiến Hán (2014), Nghiên cứu khả tăng áp Động diesel lưu hành, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội [2] Phạm Minh Tuấn (2007), Động đốt trong, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Võ Nghĩa, Lê Anh Tuấn (2004), Tăng áp Động đốt NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Lê Đình Vũ (2006), Nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải đến tiêu kinh tế - lượng động diesel kỳ tăng áp tuốc bin biến áp, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân Tiếng Anh [5] AVL Excite Designer (2011), Theory, pape 2-111 [6] AVL Excite Designer (2013), Theory, Version 2013.1, edition 4/2013 [7] AVL-List GmbH (2009), BOOST v.2009 Users Guide & Theory, Hans-ListPlatz 1, A-8020 Graz, Austria [8] Bosch GmbH (2000), Bosch Gasoline Fuel Injection System, 4th Edition [9] Chen, H (2006), Turbine wheel design for Garrett advanced variable geometry turbines for commercial vehicle applications Institution of Mechanical Engineers (Great Britain), th International Conference on Turbochargers and Turbocharging, pp317-328, ISBN: 1845691741, 9781845691745 [10] Colin R Ferguson and Allan T Kirkpatrick (2001), Internal Combustion Engine: Applied Thermoscience, Second edition, John Wiley & Sons, Inc [11] Daniela Siano (2010), Fuel Injection, Sciyo Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia Copyright © 2010, ISBN: 9533071168, 9789533071169 - 106 - [12] Desmond E Winterbone and Richard J Pearson (2010), Theory of Engine Manifold Design-Wave action methods for IC engines Professional Engineering Publishing Limited, London and Bury St Edmunds, UK [13] Donghee Han, Seung K Han, Bong H Han and Woo T Kim (2007), “Development of 2.0L Turbocharged DISI Engine for Downsizing Application”, SAE paper No 2007-01-0259 [14] George E.Totten (2006), Handbook of Lubrication and Tribology, Volume 1, Application and Maintenace, nd Edition, Taylor and Francis [15] Grant Lumsden, Dave OudeNijeweme, Neil Fraser and Hugh Blaxill (2009), “Development of a Turbocharged Direct Injection Downsizing Demonstrator Engine”, SAE paper No 2009-01-1503 [16] Heywood, J and Welling, O (2009), Trends in Performance Characteristics of Modern Automobile SI and Diesel Engines, SAE Int J Engines 2(1):16501662 [17] Hiroschi Uchida, et.al, Transient Performance Prediction of the Turbocharging System with the variable Geometry Turbocharges , TOYOTA Central R&D Labs.Ins [18] Marco Chiodi (2011), An Innovative 3D-CFD Approach towards Virtual Development of Internal Combustion Engines, st Edition, ISBN 978-3-83481540-8 [19] P Hoecker, F.Pflüger, Dr.J.W.Jaisle, Dr.S.Münz, Modern turbocharging designs for passenger car diesel engines BorgWarner Turbosystems [20] Unified Requirements: M53-Calculation of Crankshafts for I.C Engines [21] Xinqian Zheng, et.al (2013), Stability Improvement of Turbocharger Centrifugal Compressor by Asymmetric Vaneless Diffuser Treatment Turbine Technical Conference and Exposition, Volume 6C: Turbomachinery, San Antonio, Texas, USA, June 3-7, 2013, ISBN: 978-07918-5524-9 - 107 - ... không tăng áp lƣu hành Đề tài Nghiên cứu qui trình kỹ thuật cải tiến động diesel không tăng áp lưu hành thành động tăng áp tuốc bin khí thải nhằm mục đích nghiên cứu qui trình cải tiến động không. .. kinh tế động 1.1.1.2 Động tăng áp tuốc bin khí thải Tăng áp tuốc bin khí: biện pháp tăng áp mà máy nén đƣợc dẫn động nhờ tuốc bin tận dụng lƣợng khí thải động đốt Khí thải ĐCĐT có nhiệt độ áp suất... VỀ ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP 1.1 Tăng áp cho động đốt 1.1.1 Xu hướng phát triển biện pháp tăng áp cho động Sau đó, năm 1885 Gottlieb Da tăng áp tăng áp tăng áp , tăng áp sóng áp Đối với động diesel, tăng