Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel

iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel ” là công trình nghiên cứu của

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng áp

suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel ” là công trình nghiên

cứu của cá nhân tôi và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Nha Trang, tháng 9 năm 2017

Tác giả luận văn

Trần Văn Thông

iv

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất cuối kỳ nén đến tính

năng kỹ thuật của động cơ diesel” Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Phùng

Minh Lộc đã tận tình hướng dẫn, trao dồi kiến thức và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu của mình

Xin cảm ơn quý Thầy Bộ môn động lực và phòng thí nghiệm động cơ, Trung tâm thí nghiệm thực hành đã hỗ trợ trang thiết bị, tài liệu nghiên cứu và có những ý kiến đóng góp quý báu cho luận văn

Tôi xin cảm ơn quý thầy trong khoa Kỹ thuật giao thông trường Đại học Nha Trang, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài để công trình nghiên cứu được hoàn thành có chất lượng

Trong điều kiện thiếu thốn về các phương tiện, trang thiết bị, tài liệu và bản thân còn nhiều hạn chế Tuy đề tài đã hoàn thành nhưng không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong Quý Thầy và các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến

Tôi xin chân thành cảm ơn

Nha Trang, tháng 9 năm 2017

Tác giả luận văn

Trần Văn Thông

v

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC HÌNH xii

TRÍC YẾU LUẬN VĂN xv

1 Lý do lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu 1

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

2.2 Đối tượng nghiên cứu 2

2.3 Phạm vi nghiên cứu 2

3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu 2

3.1 Phương pháp nghiên cứu 2

3.2 Nội dung nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1 Khái quát chung về sự phát triển của động cơ diesel 3

1.1.1 Động cơ diesel 3

1.1.2 Sự phát triển của động cơ diesel 4

1.2 Ảnh hưởng của nhóm bao kín buồng cháy đến tính năng động cơ diesel 8

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT CUỐI KỲ NÉN ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 15

2.1 Chu trình công tác của động cơ diesel 15

2.2 Các thông số tính năng của chu trình công tác động cơ diesel 19

2.2.1 Công suất động cơ diesel 20

2.2.2 Hiệu suất động cơ diesel 22

2.3 Đặc điểm và các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ diesel 25

2.3.1 Đặc điểm của quá trình cháy 25

2.3.2 Các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ diesel 26

2.4 Các đường đặc tính của động cơ diesel 29

2.4.1 Đặc tính tốc độ 29

vi

2.4.2 Đặc tính phụ tải 30

2.5 Ảnh hưởng áp suất nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel 31

2.5.1 Ảnh hưởng áp suất nén đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu (ge) 31

2.5.2 Ảnh hưởng áp suất nén đến phát thải khí xả 34

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 36

3.1 Động cơ thực nghiệm 36

3.2 Xác định độ giảm tỷ số nén của động cơ diesel 38

3.3 Đo áp suất cuối kỳ nén 40

3.4 Thực nghiệm xác định tính năng kỹ thuật động cơ theo áp suất cuối kỳ nén 40

3.4.1 Bố trí thiết bị thực nghiệm 40

3.4.2 Quy trình thực nghiệm 41

3.4.3 Các chế độ thực nghiệm 41

3.4.4 Quy trình đo và xử lý số liệu đo 42

3.4.5 Thiết bị phục vụ thực nghiệm 44

3.4.5.1 Thiết bị đo áp suất nén 44

3.4.5.2 Thiết bị phân tích khí thải 46

3.4.5.3 Thiết bị đo độ mờ khói MSA-PC-SE.NR 00601 của hãng Beissbarth-Đức 47

3.4.5.4 Phanh thủy lực Dynomite 13 dual - rotor - Mỹ 48

3.5 Kết quả thực nghiệm 50

3.5.1 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến áp suất cuối kỳ nén 50

3.5.2 Ảnh hưởng của áp suất nén đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu 51

3.5.2.1 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất 51

3.5.2.2 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến suất tiêu hao nhiên liệu 54

3.5.3 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải ô nhiễm 59

3.5.3.1 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải bồ hóng 59

3.5.3.2 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải NOx 63

3.5.3.3 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến nhiệt độ khí thải 66

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 70

1.1.Kết luận 70

1.2 Khuyến nghị 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC

vii

DANH MỤC KÝ HIỆU

CHỮ LA TINH

viii

CHỮ HY LẠP

Hệ số điền đầy đồ thị công Hiệu suất có ích

: Điểm chết dưới : Động cơ đốt trong : End Oil Combustion (Thời điểm kết thúc quá trình cháy) : End Oil Injection (Thời điểm kết thúc quá trình phun) : Exhauts Valt Close (Thời điểm đóng xupáp xả)

: Exhauts Valt Open (Thời điểm mở xupáp xả) : Intake Valt Open (Thời điểm mở xupáp nạp) : Intake Valt Close (Thời điểm đóng xupáp nạp) : Góc quay trục khuỷu

: Hỗn hợp cháy : Không gian công tác của xylanh : Môi chất công tác

: Sau điểm chết trên : Start Oil Combustion (Thời điểm bắt đầu quá trình cháy) : Start Oil Injection (Thời điểm bắt đầu phun)

: Tiêu chuẩn Việt Nam : Trước điểm chết trên : Top Dead Position (Vị trí điểm chết trên) : Top Center (điểm chết trên)

x

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng năm 2006 8

Bảng 2.1 Bảng giá trị hiệu suất cơ học và hiệu suất có ích trên động cơ 24

Bảng 3.1 Thông số động cơ 4CHE Yanmar 36

Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả tính toán về sự thay đổi tỷ số nén 40

Bảng 3.3 Các chế độ thực nghiệm theo đặc tính tải ở 1200 v/ph 42

Bảng 3.4 Các chế độ thực nghiệm theo đặc tính tốc độ ở 20% tải 42

Bảng 3.5 Quan hệ giữa các đại lượng theo phương pháp bình phương bé nhất 43

Bảng 3.6 Bảng tính các giá trị trong hàm hồi quy 43

Bảng 3.7 So sánh độ giảm áp suất nén tại thời điểm phun nhiên liệu 51

Bảng 3.8 Công suất theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph 51

Bảng 3.9 Hàm hồi quy thực nghiệm công suất theo tải và áp suấtcuối kỳ nén 52

Bảng 3.10 Công suất theo tốc độ ở 20% tải và áp suất cuối kỳ nén 53

Bảng 3.11 Hàm hồi quy thực nghiệm công suất theo tốc độ ở 20% tải 53

Bảng 3.12 Hàm hồi quy thực nghiệm chi phí nhiên liệu giờ theo đặc tính tải 55

Bảng 3.13 Hàm hồi quy thực nghiệm chi phí nhiên liệu giờ theo đặc tính tốc độ 55

Bảng 3.14 Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải ở 1200 v/ph 56

Bảng 3.15 Hàm hồi quy thực nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải 57

Bảng 3.16 Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tốc độ ở 20% tải 57

Bảng 3.17 Hàm hồi quy thực nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tốc độ 58

Bảng 3.18 Phát thải bồ hóng theo tải ở 1200 v/ph 60

Bảng 3.19 Hàm hồi quy thực nghiệm phát thải bồ hóng theo tải ở 1200 v/ph 60

Bảng 3.20 Phát thải bồ hóng theo tốc độ ở 20% tải 61

Bảng 3.21 Hàm hồi quy thực nghiệm phát thải bồ hóng theo tốc độ ở 20% tải 62

Bảng 3.22 Phát thải NOx theo tải ở 1200 v/ph 63

Bảng 3.23 Hàm hồi quy thực nghiệm phát thải NOx theo tải ở 1200 v/ph 64

Bảng 3.24 Phát thải NOx theo tốc độ ở 20% tải 65

Bảng 3.25 Hàm hồi quy thực nghiệm phát thải NOx theo tốc độ ở 20% tải 65

Bảng 3.26 Nhiệt độ khí xả theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph 66

Bảng 3.27 Hàm hồi quy thực nghiệm nhiệt độ khí xả theo tải 67

xi

Bảng 3.28 Nhiệt độ khí xả theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph 68Bảng 3.29 Hàm hồi quy thực nghiệm nhiệt độ khí xả theo tốc độ 68Bảng 4.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo độ giảm áp suất cuối kỳ nén 72

xii

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Sự kết hợp các công nghệ mới trong chế tạo động cơ diesel 4

Hình 1.2 Những tiến bộ của động cơ diesel 5

Hình 1.3 Thị phần xe con trang bị động cơ diesel tại Anh 5

Hình 1.4 Thị phần xe con trang bị động cơ diesel trên thế giới và tại châu Âu 6

Hình 1.5 Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel 6

Hình 1.6 Phát triển kỹ thuật giảm ô nhiễm cho động cơ theo năm 8

Hình 1.7 Mức độ ảnh hưởng của các chi tiết làm việc đến tính năng kỹ thuật 13

Hình 2.1 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp 16

Hình 2.2 Đồ thị công P - V động cơ diesel bốn kỳ 18

Hình 2.3 Đồ thị khai triển thể tích công tác, tốc độ phun, áp suất trong xylanh 19

Hình 2.4 Sơ đồ ý nghĩa và phương pháp xác định áp suất chỉ thị trung bình 21

Hình 2.5 Quá trình cháy động cơ diesel biểu diễn trên đồ thị công mở rộng p - φ 26

Hình 2.6 Đường đặc tính tốc độ của động cơ diesel 30

Hình 2.7 Đường đặc tính phụ tải của động cơ diesel 31

Hình 2.8 Sự thay đổi áp suất trong xylanh ứng với tỷ số nén khác nhau 33

Hình 2.9 Sự thay đổi tính năng động cơ ứng với tỷ số nén khác nhau 33

Hình 2.10 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén thông qua tỷ số nén 34

Hình 2.11 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén thông qua tỷ số nén đếnphát thải 35

Hình 3.1 Động cơ và các thiết bị thực nghiệm 38

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thực nghiệm 41

Hình 3.3 Thiết bị đo áp suất nén Myrio 45

Hình 3.4 Lắp cảm biến đo nhiệt độ và áp suất nén 45

Hình 3.5 Giao diện đo áp suất nén theo chu trình làm việc của động cơ 46

Hình 3.6 Thiết bị phân tích khí thải CO, HC, NOx Testo 350 XL 47

Hình 3.7 Thiết bị đo độ mờ khói MSA – PC - SE.NR 00601 48

Hình 3.8 Giao diện đo độ mờ khói xả trên màn hình thiết bị 48

Hình 3.9 Phanh thủy lực Dynomite 13 dual-rotor lắp trên bệ thử 49

Hình 3.10 Máy tính Dynomite kết nối máy in 49

Hình 3.11 Áp suất trong xylanh động cơ ở tốc độ 720 v/ph 50

xiii

Hình 3.12 Sự thay đổi công suất theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph 52

Hình 3.13 Sự thay đổi công suất theo tốc độ ở 20% tải và áp suất cuối kỳ nén 53

Hình 3.14 Công suất ứng với áp suất trong xylanh tại thời điểm phun nhiên liệu 54

Hình 3.15 Chi phí nhiên liệu giờ theo đặc tính tải ở 1200 v/ph 55

Hình 3.16 Chi phí nhiên liệu giờ theo đặc tính tốc độ ở 20% tải 55

Hình 3.17 Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải ở 1200 v/ph 56

Hình 3.18 Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tốc độ ở 20% tải 58

Hình 3.19 Suất tiêu hao nhiên liệu theo áp suất trong xylanh tại thời điểm phun 59

Hình 3.20 Phát thải bồ hóng theo tải ở 1200 v/ph 60

Hình 3.21 Phát thải bồ hóng theo tốc độ ở 20% tải 61

Hình 3.22 Phát thải bồ hóng theo áp suất trong xylanh tại thời điểm phun 62

Hình 3.23 Phát thải NOx theo tải ở 1200 v/ph 64

Hình 3.24 Phát thải NOx theo tốc độ ở 20% tải 65

Hình 3.25 Phát thải NOx theo áp suất trong xylanh tại thời điểm phun 66

Hình 3.26 Nhiệt độ khí xả theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph 67

Hình 3.27 Nhiệt độ khí xả theo tốc độ và áp suất cuối kỳ nén ở 20% tải 68

Hình 3.28 Nhiệt độ khí xả theo áp suất trong xylanh tại thời điểm phun 69

Hình 4.1 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất 70

Hình 4.2 Ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải NOx và bồ hóng 71

xiv

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Xu hướng phát triển động cơ gia tăng dẫn đến ô nhiễm môi trường từ khí thải cũng tăng theo, cần thiết phải tạo nên một động cơ diesel thế hệ mới có hiệu suất cao, đồng nghĩa với sản phẩm cháy được đốt sạch, qua đó giải quyết được bài toán tiết kiệm nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Công tác kiểm tra bảo dưỡng định kỳ phải thường xuyên và rất tốn kém về thời gian, công sức và kinh phí khi xác định trạng thái

kỹ thuật của động cơ, để có thể quyết định cho động cơ tiếp tục hoạt động hay buộc động cơ phải dừng hoạt động để sửa chữa đảm bảo an toàn Xác định được nguyên nhân động cơ hư hỏng nhanh phải dựa vào thiết bị chẩn đoán trạng thái kỹ thuật Chẩn đoán kỹ thuật là tổng hợp tất cả các giải pháp để xác định trạng thái của một hệ thống

kỹ thuật và nhận biết hư hỏng mà không cần phải tháo rời các chi tiết bên trong động

cơ, đây là giải pháp quan trọng nhằm tăng tuổi thọ, độ tin cậy Luận văn đã phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ và kỹ thuật chẩn đoán động cơ, về chu trình công tác và đặc tính làm việc của động cơ diesel theo tốc độ và phụ tải Các nội dung này được trình bày làm cơ sở cho việc tính toán tỷ số nén, thực nghiệm đo áp suất nén và các chỉ tiêu về kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel Luận văn đã tính toán sự thay đổi tỷ số nén, bố trí thực nghiệm xác định được các giá trị áp suất cuối kỳ nén ứng với mỗi tỷ số nén khác nhau và đã tiến hành đo công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải khí xả của động cơ Đây là cơ sở để khuyến cáo tình trạng kỹ thuật của động cơ khi mức giảm áp suất cuối kỳ nén đến một giới hạn nhất định Xây dựng được các đồ thị công suất, suất tiêu hao nhiên liêu, phát thải bồ hóng và NOx, nhiệt độ khí xả của động cơ diesel khi thay đổi áp suất cuối kỳ nén, phân tích và đánh giá các mối quan hệ trên làm cơ sở để khuyến cáo mức giảm áp suất cuối kỳ nén cho phép Khi áp suất cuối kỳ nén giảm thì công suất giảm theo và suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên, đồng thời phát thải bồ hóng tăng theo, các chỉ tiêu làm việc của động cơ đều xấu đi Để ngăn ngừa hiện tượng này, mức độ cho phép

giảm áp suất nén nên giới hạn trong một phạm vi cụ thể, áp suất cuối kỳ nén động cơ

nghiên cứu không nên sụt giảm quá 12% Từ kết quả nghiên cứu đạt được, nên phát

triển hướng nghiên cứu về ảnh hưởng của một số yếu tố khác để chẩn đoán trạng thái

kỹ thuật cho động cơ như: Nhiệt độ nước làm mát; Tính chất nhiên liệu; Điều kiện

xv

phun nhiên liệu Ứng dụng phương pháp mô phỏng số trong nghiên cứu đối với một

số loại động cơ khác có kết cấu tương tự để giảm thời gian và chi phí thực nghiệm Cần xây dựng tiêu chuẩn về: Độ giảm công suất, tăng suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt

độ khí xả cho phép, làm cơ sở cho việc đặt ngưỡng cảnh báo về độ giảm áp suất cuối

kỳ nén (theo phần trăm) cho động cơ diesel

Từ khóa: Động cơ diesel, tỷ số nén, áp suất nén, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx, phát thải bồ hóng

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu

Với những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với động cơ xăng về công suất và hiệu suất làm việc hiện tại cũng như trong tương lai, động cơ diesel vẫn đang chứng tỏ được vai trò không thể thay thế khi sử dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế như giao thông vận tải, nông nghiệp, công nghiệp… Vì lý do đó, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng, hiệu suất động cơ diesel đang được quan tâm đặc biệt

Hiện nay, xu hướng phát triển động cơ gia tăng dẫn đến ô nhiễm môi trường từ khí thải cũng tăng theo, cần thiết phải tạo nên một động cơ diesel thế hệ mới có hiệu suất cao, đồng nghĩa với sản phẩm cháy được đốt sạch, qua đó giải quyết được bài toán tiết kiệm nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau để khắc phục những nhược điểm trên, trong đó nghiên cứu nâng cao các thông số tính năng làm việc của động cơ đang được các nhà sản xuất thực hiện, nhằm làm cho quá trình cháy được hoàn thiện hơn, cũng như việc chẩn đoán sửa chữa và phục hồi lại động cơ nhanh chóng để tăng khả năng làm việc của động cơ

Công tác kiểm tra bảo dưỡng định kỳ phải thường xuyên và rất tốn kém về thời gian, công sức và kinh phí khi xác định trạng thái kỹ thuật của động cơ, để có thể quyết định cho động cơ tiếp tục hoạt động hay buộc động cơ phải dừng hoạt động để sửa chữa đảm bảo an toàn Yêu cầu đặt ra là làm thế nào để động cơ không cần tháo rời các chi tiết máy mà vẫn có thể chẩn đoán được nguyên nhân động cơ hư hỏng các chi tiết bên trong

Muốn xác định được nguyên nhân động cơ hư hỏng nhanh phải dựa vào thiết bị chẩn đoán trạng thái kỹ thuật Chẩn đoán kỹ thuật là tổng hợp tất cả các giải pháp để xác định trạng thái của một hệ thống kỹ thuật và nhận biết hư hỏng mà không cần phải tháo rời các chi tiết bên trong động cơ, đây là giải pháp quan trọng nhằm tăng tuổi thọ,

độ tin cậy, giảm chi phí đại tu bảo dưỡng Trong đó, nghiên cứu ảnh hưởng áp suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel sẽ góp phần chẩn đoán được tình trạng nhóm bao kín buồng cháy và do đó xác định được trạng thái kỹ thuật của động cơ, giúp cho công tác khai thác động cơ được an toàn và kịp thời ngăn ngừa, khắc phục sự cố hư hỏng

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật động cơ diesel nhằm chẩn đoán giới hạn cần sửa chữa đối với nhóm bao kín buồng cháy động

cơ

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Áp suất cuối kỳ nén và tính năng kỹ thuật động cơ diesel

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu có ích và phát thải khí xả động cơ diesel 4CHE Yanmar

3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu

3.1 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

3.2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về động cơ diesel, mối quan hệ giữa công suất, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ và phát thải bồ hóng, NOx theo áp suất cuối kỳ nén: Ne, ge,

bồ hóng, NOx = f(pc);

- Thực nghiệm xác định tỷ số nén và đo áp suất cuối kỳ nén;

- Đo công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí xả của động cơ diessel 4CHE Yanmar khi thay đổi áp suất cuối kỳ nén;

- Đề xuất giới hạn sụt giảm cho phép của áp suất cuối kỳ nén (phải sửa chữa, khôi phục nhóm bao kín buồng cháy)

4 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài luận văn

Đề tài tập trung phân tích lý thuyết, để xây dựng mối quan hệ toán học về ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến thông số tính năng động cơ Thông qua đó, thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, hàm lượng phát thải (bồ hóng, NO x ), làm cơ sở khuyến cáo về giới hạn

giảm áp suất cuối kỳ nén, góp phần nâng cao công tác chẩn đoán động cơ diesel

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát chung về sự phát triển của động cơ diesel

1.1.1 Động cơ diesel

Động cơ diesel được phát minh bởi Rudolf Diesel năm 1892, là động cơ được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực với các mục đích khác nhau do có ưu điểm về chi phí nhiên liệu thấp, hiệu suất cao hơn so với động cơ xăng [24] Hiện nay, động cơ diesel đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Trong đó, nghiên cứu những yếu tố liên quan đến tính năng kỹ thuật của động cơ để giảm ô nhiễm khí thải là vấn đề cấp thiết

Động cơ diesel hoạt động theo nguyên lý nhiên liệu tự bốc cháy Nhiên liệu được phun vào buồng cháy ở cuối quá trình nén Trong đó, không khí đã được nén tới áp lực khoảng 41,5 ÷ 45,5 kG/cm2 và đạt tới nhiệt độ trên 500K Nhiệt độ này đủ để làm nhiên liệu tự bốc cháy và khí giãn nở làm tăng áp lực lên tới trên 70 kG/cm2 [2], [7]

Áp lực này tác động lên piston và làm piston chuyển động Chuyển động tịnh tiến của piston thông qua cơ cấu trục khuỷu thanh truyền tạo thành chuyển động quay của trục khuỷu:

- Về tính kinh tế: Động cơ diesel có hiệu suất nhiệt cao nhất trong tất cả các loại động cơ nhiệt do tỷ số nén cao, từ 15:1 ÷ 22:1 Động cơ diesel tốc độ chậm (thường sử dụng cho tàu thủy) có thể đạt hiệu suất nhiệt hơn 50% So với động cơ xăng có cùng công suất, động cơ diesel có lượng tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 20% [13], [14]

- Về mômen: Động cơ diesel có mômen cực đại đạt được ở số vòng quay thấp nên được sử dụng trên các phương tiện xe đầu kéo, tải nặng, giúp việc điều khiển êm hơn động cơ xăng

- Về độ tin cậy: Do không sử dụng hệ thống đánh lửa điện cao áp, nên động cơ diesel có độ tin cậy cao và không gây ra các hiện tượng nhiễu tần số vô tuyến, điều này rất quan trọng trong thông tin liên lạc

- Về tuổi thọ: Tuổi thọ động cơ diesel thường gấp đôi động cơ xăng do các chi tiết có kết cấu cứng vững hơn Bản thân dầu diesel cũng có tính chất bôi trơn tốt hơn

xăng nên ít gây hại màng dầu bôi trơn trên xécmăng và piston, giúp tăng tuổi thọ động

- Về sử dụng nhiên liệu: Có thể sử dụng nhiên liệu sinh học (Biodiesel): Biodiesel có thể tổng hợp từ nhiều nguồn khác dầu mỏ và có thể sử dụng ngay trên động cơ diesel mà không cần cải tạo, trong khi động cơ xăng cần nhiều điều chỉnh hơn khi dùng nhiên liệu tổng hợp (Ethanol) [15]

1.1.2 Sự phát triển của động cơ diesel

Hiện nay, các tiến bộ công nghệ được áp dụng như phun nhiên liệp áp suất cao (Commonrail system), tăng áp (Turbocharger), kim phun điện tử, các hệ thống lọc khí thải, …như trên hình 1.1 Tính đến năm 2005 động cơ diesel đã gia tăng công suất 135%, mômen 160%, bên cạnh đó là giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ đến 20% và giảm đến 99% hàm lượng phát thải bồ hóng so với năm 1983 như trên hình 1.2 [12], [16]

Hình 1.1 Sự kết hợp các công nghệ mới trong chế tạo động cơ diesel [12]

Hình 1.2 Những tiến bộ của động cơ diesel [16]

Với các ưu điểm trên, động cơ diesel hiện nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: giao thông vận tải bộ, vận tải thủy và các ngành công nghiệp khác phục vụ cho lợi ích của con người

Trước đây, các loại động cơ diesel vốn rất hiếm khi được lắp trên xe con bởi những yếu điểm của loại động cơ này là tiếng ồn lớn, tăng tốc kém, nhiều khói… Đến nay, việc sử dụng xe có động cơ diesel bắt đầu trở thành một xu hướng Phân khúc xe con sử dụng động cơ diesel đã và đang gia tăng đáng kể trên toàn thế giới trong thời gian gần đây Tại Anh quốc, lượng xe con trang bị động cơ diesel đã gia tăng hơn 3,5 lần, đạt 50,6% vào năm 2011 so với 14,1% của năm 2000 (hình 1.3) Nếu tính cho toàn Châu âu, tỷ lệ này là 55% và trên toàn thế giới là 27% (hình 1.4)

Hình 1.3 Thị phần xe con trang bị động cơ diesel tại Anh [16]

Hình 1.4 Thị phần xe con trang bị động cơ diesel trên thế giới và tại châu Âu [16]

Động cơ diesel là lựa chọn gần như duy nhất cho dòng xe thương mại, gồm các

xe tải nhẹ, xe tải nặng, xe buýt do tính kinh tế nhiên liệu, độ tin cậy và bền lâu của động cơ diesel Trong vận tải thủy, động cơ diesel tốc độ chậm được sử dụng từ năm

1910 thay cho các máy hơi nước Xe lửa, nhà máy điện, các máy nông nghiệp, máy xây dựng … là nơi tiêu thụ số lượng lớn động cơ diesel Hàng năm có khoảng 20.000 đến 30.000 động cơ diesel mới được sử dụng [16]

Một trong những lý do khiến nhu cầu ngày càng tiếp nhận sử dụng động cơ diesel là việc giảm ô nhiễm được khắc phục, vì phát thải ô nhiễm từ động cơ diesel vỗn dĩ lớn hơn so với động cơ xăng Trong đó, hai dạng phát thải nguy hiểm là bồ hóng (được đánh giá qua độ mờ khói) và oxit nitơ (NOx):

- Bồ hóng:

Thuật ngữ bồ hóng chỉ một loại vật liệu hóa than hình thành từ quá trình cháy của nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy Các hạt bồ hóng này cấu thành từ ba nhóm chính như trên Hình 1.5:

+ Nhóm các hạt rắn (Solid fraction - SOL): Các hạt carbon, tro

+ Nhóm các chất hữu cơ có thể hòa tan (Soluble Organic Fraction - SOF): Gồm vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ dầu bôi trơn và dầu diesel

+ Nhóm các hạt sunphát (Sulfate particulates - SO4): Gồm Acid sulfuric và nước

Hình 1.5 Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel [16]

Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ Thành phần bồ hóng trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao khác với nhiên liệu

có hàm lượng lưu huỳnh thấp [13] Hiện nay cơ chế hình thành bồ hóng từ quá trình cháy trong động cơ diesel vẫn còn gây nhiều tranh cãi vì liên quan đến các hiện tượng xảy ra ở nhiệt độ cao, áp suất lớn, với mỗi loại nhiên liệu khác nhau sẽ có thành phần

và phản ứng hóa học phức tạp trong hỗn hợp cháy tạo bồ hóng khác nhau

- Oxit nitơ (NO x ):

NOx là họ các oxit nitơ, trong đó monoxit nitơ (NO) chiếm tỷ lệ lớn, là kết quả của sự kết hợp giữa ôxy và nitơ trong không khí ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất lớn trong buồng đốt Nhiệt độ cần thiết để hình thành NOx là trên 2000K xuất hiện trong kỳ nổ của động cơ NOx có thành phần cấu tạo gồm 97% đến 98% NO và khoảng 2% NO2 NO bản thân là chất khí không màu nhưng khi kết hợp với ôxy để hình thành NO2 thì nó lại có màu hơi nâu Khi NO2 kết hợp với hydrocarbon dưới tác động của ánh sáng mặt trời sẽ gây nên hiện tượng quang hoá

Do giai đoạn cháy khuếch tán diễn ra sau thời kỳ cháy trễ Sự phân bố nhiệt độ

và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất Với quá trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có thành phần hỗn hợp gần với giá trị cháy lý thuyết Trong quá trình này luôn tồn tại những khu vực hay các “túi” không khí có nhiệt độ thấp Nhờ bộ phận không khí này mà NO hình thành trong buồng cháy động cơ diesel được làm mát (gọi là sự “tôi” NO) nhanh chóng hơn

và do đó NO ít có khuynh hướng bị phân giải

Cơ chế hình thành NOx của Zel’dovich thường được sử dụng trong tính toán NOx,

mô hình bao gồm các phương trình phản ứng chính như sau [13]:

O + N2  NO + N (1-1)

N + O2  NO + O (1-2)

N + OH  NO + H (1-3) Với những tiến bộ công nghệ và kỹ thuật trong việc hạn chế bồ hóng và phát thải

NOx (hình 1.6) đã giúp động cơ diesel được phát triển một cách rộng dãi trên khắp thế giới Bảng 1.1 Trình bày số lượng động cơ diesel được sản xuất và phân chia ở các lãnh vực ứng dụng chính

Hình 1.6 Phát triển kỹ thuật giảm ô nhiễm cho động cơ theo năm [16] Bảng 1.1 Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng năm 2006

thường là hư hỏng nhóm bao kín buồng cháy, điều này làm ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của động cơ

Áp suất cuối kỳ nén pc là tham số ra, phụ thuộc vào mức độ kín khít của nhóm các chi tiêt bao kín buồng cháy: piston xéc măng - lót xylanh, xupáp, đế xupáp

và gioăng máy Ở trạng thái mòn giới hạn pc giảm không nhiều do sự tích tụ muội than trong buồng cháy làm tỷ số nén tăng lên bù dắp lại sự rò rỉ khí và phần thể tích do mài mòn gây ra

Áp suất cuối kỳ nén pc chịu ảnh hưởng khá nhiều yếu tố:

- Do sự trao đổi nhiệt trong suốt quá trình nén giữa môi chất công tác và thành vách xylanh nên chỉ số nén đa biến không phải là hằng số (chỉ số nén đa biến trong chu trình nén thực tế rất phức tạp và không ngừng thay đổi về trị số lẫn chiều, hướng truyền nhiệt giữa môi chất công tác và vách xylanh, giữa bộ phận nhiên liệu đã bốc hơi và chưa bốc hơi hoặc với nhiên liệu vừa mới phun vào trong buồng cháy)

- Do sự tồn tại lượng khí sót cũng như nhiên liệu trong môi chất công tác làm tỷ nhiệt của môi chất cũng luôn biến đổi

- Chịu ảnh hưởng của các điều kiện sử dụng (tốc độ, công suất, sức cản đường ống nạp…) và pha phân phối khí

- Do hư hỏng nhóm piston xéc măng - lót xylanh, gioăng máy, xupáp không đóng kín v.v…

Như vậy, riêng áp suất cuối kỳ nén pc không phản ánh tình trạng kỹ thuật cụ thể một bộ phận hoặc chi tiết nào hư hỏng, mà chỉ là tham số phản ánh trạng thái chung Nhưng sự giảm đột ngột của áp suất cuối kỳ nén pc có thể cho phép kết luận có

sự cố cần phải khắc phục Chẳng hạn như sự bó kẹt xéc măng, gãy xéc măng, xupáp cong vênh, cháy mặt tiếp xúc của xupáp và đế, nắp máy bị cong vênh, đai ốc nắp quy lát không chặt, gioăng đệm quy lát bị rách hỏng v.v…

Về mặt lý thuyết, áp suất cuối kỳ nén pc phụ thuộc vào áp suất trong xylanh đầu quá trình nạp (pa), tỷ số nén (ε) và chỉ số nén đa biến trung bình (n1) Trong đó, chỉ

số nén đa biến trung bình luôn thay đổi trên toàn bộ đường nén Nếu ở trạng thái động

cơ không làm việc hoặc giữ nhiệt độ và tốc độ động cơ không đổi trong suốt quá trình đo…thì có thể coi n1 như một hằng số:

1

n

p p ε (1-4) Đối với động cơ xăng: n1 = 1,34  1,36;

Động cơ diesel: n1 = 1,368  1,372 [3], [7]

Chỉ số nén n1 được giữ không đổi, khi đó ảnh hưởng lớn nhất đến pc là pa Tuy nhiên, như đã phân tích ở trên, pa chịu ảnh hưởng của các tham số kết cấu đường nạp (sức cản bầu lọc gió, đường ống nạp, bướm gió…), kết cấu hệ thống phân phối khí

và mức độ kín khít nhóm bao kín buồng cháy

Piston và nhóm xéc măng chịu tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt lớn do biến đổi

áp suất và nhiệt độ theo chu kỳ trong xylanh Nguyên nhân hay gặp nhất làm ảnh hưởng đến hoạt động và hư hỏng trong khu vực xylanh là các hư hỏng của piston và xéc măng Tuy nhiên, các hiện tượng mòn xupáp nạp và xupáp thải cũng như hư hỏng tại nắp xylanh, tại gioăng nắp máy cũng có thể là những nguyên nhân làm thay đổi tính chất hoạt động của động cơ Dưới đây là những phân tích các hư hỏng có thể xảy ra tại các thành phần kết cấu và tác động của chúng đến quá trình phun và quá trình cháy của động cơ Nứt hoặc cháy piston có thể dẫn đến hư hỏng hoàn toàn xylanh và tiếp tục xuất hiện hư hỏng động cơ với xác suất lớn Khi hư hỏng xéc măng, dẫn đến hỏng chức năng làm kín, làm tăng lọt khí và tăng hao tổn áp suất nén trong xylanh, từ đó làm giảm hiệu suất của quá trình cháy, giảm mômen sinh ra, dẫn đến chuyển động quay không đều của trục khuỷu, làm tăng tải trọng động lực học lên cơ cấu biên tay quay, đặc biệt lên các gối đỡ Hư hỏng ở xéc măng càng tăng, càng làm giảm áp suất nén và mômen sinh ra trong xylanh

Xupáp nạp và xupáp xả có chức năng đóng kín buồng đốt có thể bị hư hỏng trong quá trình hoạt động, đế và nấm xupáp chịu ăn mòn hóa học, chịu nhiệt độ cao, chịu va đập và mài mòn mạnh Khi cốc hóa, muội than bám trên một phần vành nấm xupáp sẽ làm nó đóng không kín, điều này dẫn đến trục trặc về chức năng làm kín buồng đốt, làm hao tổn áp suất nén trong xylanh, quá trình cháy tại đó yếu đi và làm giảm mômen của xylanh Điều khiển xupáp được thực hiện bởi trục cam, do đó mòn biên dạng cam

sẽ tác động đến tính chất hoạt động của động cơ Thời gian sử dụng của động cơ càng lớn, biên dạng cam càng bị mòn nhiều, làm thay đổi thời gian nạp, thải và làm giảm công suất động cơ

Hư hỏng nắp máy và gioăng nắp máy có thể gây nên hậu quả nghiêm trọng cho động cơ, đặc biệt khi chất lỏng làm mát lọt từ hệ thống làm mát vào buồng đốt Nếu xuất hiện lọt nước vào buồng đốt sẽ tăng mạnh tải trọng lên cơ cấu biên tay quay trong thời kỳ nén khi khởi động, dẫn đến hư hỏng nặng khu vực biên và ổ đỡ Những hư

hỏng gioăng nắp máy hoặc nứt nắp máy cũng dẫn đến giảm áp suất nén trong xylanh tương ứng

Sự giảm dần pc theo thời gian thường là do nhóm piston xéc măng - lót xylanh bị mài mòn và hư hỏng gioăng gây nên Khi pc giảm dưới mức cho phép sẽ gây nên tác hại khiến máy khó nổ (thậm chí có xylanh không làm việc), máy nóng, công suất giảm, lượng tiêu thụ nhiên liệu tăng, phát thải bồ hóng lớn và động cơ có thể không mang tải được

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong những năm gần đây nhiều công trình khoa học trên thế giới đã được công

bố nhằm hoàn thiện chu trình công tác của động cơ diesel mà chủ yếu tập trung nghiên cứu vào quá trình cháy Trong đó, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy có xét đến áp suất khí trong xylanh tại thời điểm phun nhiên liệu, để xác định chế độ phun hợp lý và quá trình hình thành hỗn hợp cháy hiệu quả cho động cơ

đã được một số nhà khoa học nghiên cứu:

Antonis K Antonopoulos và Dimitrios T Hountalas (2012) [5], phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, khoa Cơ khí, Đại học Kỹ thuật Heroon Polytechniou Zografou, Hy Lạp, nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ đến áp suất trong xylanh động cơ diesel Công trình nghiên cứu nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của việc thay đổi tốc

độ đột ngột đến áp suất xylanh trong động cơ Từ đó đưa ra khuyến cáo về quá trình vận hành động cơ khi làm việc ở điều kiện tải lớn

Marcus Klein và cộng sự (2002) [20], [21], nghiên cứu bốn phương pháp mô hình hóa về ảnh hưởng của tỷ số nén đến sự thay đổi áp suất trong xylanh Kết quả nghiên cứu này đã giúp đưa ra mô hình tốt nhất phục vụ cho việc tính toán mô phỏng thay cho thực nghiệm để cảnh báo về quá trình làm việc của động cơ nhằm khắc phục những sự cố xảy ra

V.T Lamaris, D T Hountalas (2009) [26], phòng thí nghiệm động cơ, trường

Đại học Kỹ thuật Quốc gia Hy Lạp, nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến áp suất khí trong xylanh động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp, làm cơ sở để chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ Mục tiêu nghiên cứu nhằm xác định các thông số ảnh hưởng đến áp suất khí nén trong xylanh của động cơ diesel phun trực tiếp, kết quả cho thấy nguyên nhân của việc giảm chất lượng nén chủ yếu là do hao mòn và hư hỏng gioăng nắp máy

Karla Stricker và cộng sự (2012) [17], nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình làm việc của các xupáp nạp đến tỷ số nén của động cơ Trong đó nghiên cứu đã chỉ ra rằng,

sự làm việc không ổn định của xupáp do góc đóng mở đã làm thay đổi tỷ số nén dẫn đến thay đổi áp suất khí trong xylanh, làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ Kết quả của nghiên cứu này đã tạo ra sự hoàn thiện hơn trong thiết kế và điều chỉnh hệ thống phối khí phù hợp

Tương tự với nghiên cứu trên, S M Jafari và cộng sự (2014) [25], Đại học Tehran, Iran, nghiên cứu xây dựng hệ thống chẩn đoán hỏng hóc động cơ mà chủ yếu tập trung vào các xupáp Trong đó có sử dụng đến dữ liệu áp suất cuối kỳ nén, kết quả nghiên cứu đã cho thấy hệ thống chẩn đoán có thể đạt hiệu quả 92% trong phát hiện tình trạng của các xupáp như nứt gẫy, cháy lõm bề mặt và hao mòn

Lee J.H và cộng sự (2001) [18], nghiên cứu quá trình hình thành hỗn hợp và cháy khi có xét đến sự thay đổi của áp suất khí trong xylanh tại thời điểm phun nhiên liệu bằng kỹ thuật HSVR (High - Speed Video Recording), kết quả cho thấy sự sụt giảm áp suất trong xylanh làm thay đổi quá trình hình thành hỗn hợp cháy, từ đó làm thay đổi tính năng kỹ thuật của động cơ

Có thể nói, nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel chủ yếu là xác định áp suất nén, nhằm chẩn đoán tình trạng động cơ (nhóm bao kín buồng cháy) hoặc điều chỉnh quá trình cấp nhiên liệu cũng như việc thay đổi chế độ làm việc cho động cơ (thay đổi tải, tốc độ)

Đặc điểm của phương pháp này là không cần mang tải cho động cơ mà thực hiện được ngay cả trong quá trình động cơ đang hoạt động Theo hướng này, ngoài thiết bị của hãng AVL được trang bị tại các Viện, trường Đại học, thì phổ biến trên thị trường

có các loại áp kế cầm tay: Model DJ - 9H, thang đo từ 0.2 ÷ 7MPa (xấp sỉ 70 kG/cm2) của hãng NPA - Nhật Bản; Model AET - 110 của hãng Airpro - Đài Loan; Model VSE

- 204 của hãng SUKYOUNG - Anh và một số model khác nhau do hãng WIKA - Đức sản xuất Ngoài ra, trên thị trường vẫn còn sử dụng một số loại đồng hồ đo do Liên Xô chế tạo có thang đo 40 ÷ 50 atm

Nhìn chung, chẩn đoán trạng thái kỹ thuật động cơ diesel hay nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các yếu tố liên quan đến nhóm bao kín buồng cháy để đánh giá tính năng kỹ thuật động cơ đã được nhiều công trình nghiên cứu [4], [10], [11], [22]

Trong đó, Fathi Hassen Elamin (2013) [14] đã chỉ ra mức độ ảnh hưởng của các chi tiết làm việc đến tính năng kỹ thuật động cơ theo phần trăm như trên hình 1.7

Hình 1.7 Mức độ ảnh hưởng của các chi tiết làm việc đến tính năng kỹ thuật

động cơ diesel [12]

Tương tự với hướng nghiên cứu của các tác giả trên, Tiến sĩ Đào Chí Cường (2011) Học viện nông nghiệp Việt Nam [1], đã nghiên cứu cơ sở khoa học để xây dựng một hệ thống chẩn đoán di động phù hợp với điều kiện làm việc dã ngoại của máy và thiết bị hoạt động trong lĩnh vực nông nghiệp và phát triển nông thôn Việt Nam Xây dựng cơ sở dữ liệu nhằm chẩn đoán trạng thái kỹ thuật và chẩn đoán hư hỏng cho động cơ diesel, góp phần làm tăng hiệu quả kinh tế và giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Công trình nghiên cứu đã đề cập đến các phương pháp chẩn đoán, trong đó tập trung vào các yếu tố của nhóm bao kín buồng cháy để làm cơ sở khoa học

chẩn đoán động cơ diesel trong điều kiện dã ngoại có giá trị khoa học và thực tiễn Tóm lại: Đối với động cơ diesel, chẩn đoán kỹ thuật cho khả năng đánh giá tình

trạng tức thời của động cơ nhằm đưa ra quyết định hợp lý về sự cần thiết của các biện pháp bảo trì và xác định đúng nguyên nhân hư hỏng nhờ quan hệ giữa các thông số khác nhau cũng như các mô hình chẩn đoán phù hợp

Do vậy, áp suất cuối kỳ nén trong động cơ diesel là thông số đáp ứng được yêu cầu chẩn đoán động cơ Nó cho phép đánh giá tình trạng kỹ thuật nhóm bao kín buồng cháy Việc ứng dụng rộng rãi công tác chẩn đoán trạng thái kỹ thuật nhằm góp phần tăng hiệu quả kinh tế, tăng tính thân thiện với môi trường, tăng độ tin cậy cũng như tuổi thọ của động cơ nhờ những tiêu chí sau:

- Tăng khả năng an toàn khi hoạt động, có độ tin cậy và khả năng sử dụng cao;

- Giảm chi phí bảo trì, bảo dưỡng và tăng khả năng tiết kiệm chi phí về phụ tùng thay thế do giảm được các hao mòn không đáng có khi tháo rời các chi tiết;

- Giảm tiêu hao nhiên liệu, dầu bôi trơn nhờ phát hiện và điều chỉnh kịp thời các

bộ phận của động cơ và đưa về tình trạng làm việc tối ưu;

- Giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường nhờ làm giảm chất thải độc hại cũng như phát sinh tiếng ồn và dao động

Từ những phân tích ở trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất cuối kỳ nén

đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel” góp phần chẩn đoán giới hạn cần sửa

chữa đối với nhóm bao kín buồng cháy động cơ

Cho đến thời điểm này chưa có công trình nghiên cứu nào đánh giá sự thay đổi

áp suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật động cơ diesel trùng lặp với luận văn nghiên cứu

Kết luận chương 1:

Nội dung chương 1 đã tổng quan về tình hình phát triển động cơ diesel cũng như

sự phát triển của loại động cơ này đối với các lĩnh vực phục vụ đời sống cho con người Bên cạnh đó đã phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ và kỹ thuật chẩn đoán động cơ theo áp suất cuối kỳ nén, từ đó rút ra được yêu cầu thực hiện đối với đề tài luận văn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT CUỐI KỲ

NÉN ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

2.1 Chu trình công tác của động cơ diesel

Trong xylanh động cơ, sự biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng được tiến hành thông qua hàng loạt quá trình lý - hoá diễn ra theo một trình tự nhất định và lặp lại có tính chu kỳ Mỗi chu kỳ hoạt động của động cơ diesel được gọi là một chu

trình công tác Chu trình công tác (CTCT) là tổng cộng tất cả những sự thay đổi về

nhiệt độ, áp suất, thể tích, thành phần hoá học, của môi chất công tác (MCCT) tính

từ thời điểm nó được nạp vào cho đến khi được xả ra khỏi không gian công tác của xylanh Mỗi CTCT tương ứng với một lần sinh công trong một xylanh Diễn biến của các quá trình này chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như [2], [13] :

- Kết cấu của động cơ (hình dáng và kích thước của buồng đốt, tỷ số nén, kích thước của xylanh, v.v.);

- Các thông số điều chỉnh của động cơ (góc phun sớm nhiên liệu, áp suất phun, thành phần hỗn hợp cháy, v.v.);

- Chế độ làm việc của động cơ (tốc độ, tải, v.v.)

Để có thể thiết lập được đặc tính và mức độ ảnh hưởng của các thông số và của các quá trình nhiệt động đến các chỉ tiêu chất lượng của chu trình, qua đó có thể đề ra được phương hướng và biện pháp nâng cao công suất và hiệu suất của động cơ thực tế, nhiều nghiên cứu đã tìm cách thay thế các quá trình nhiệt động thực tế phức tạp bằng các quá trình đơn giản hơn Quá trình cháy thực tế có thể được thay bằng quá trình cấp nhiệt từ một nguồn nóng bên ngoài động cơ hoặc thay bằng quá trình cháy được thực hiện trong những điều kiện lý tưởng hoá

Căn cứ vào đặc điểm quá trình cấp nhiệt cho MCCT, có thể phân biệt 3 kiểu chu trình lý thuyết của động cơ diesel:

- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích;

- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp;

- Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

Trong đó chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (còn được gọi là chu trình Sabathe' ) được

xem như chu trình thực sử dụng cho động cơ diesel có áp suất phun từ 5 ÷ 6 MPa (hình 2.1) [15]

Trong các công thức trên :

Q1: Lượng nhiệt chu trình (tổng số nhiệt năng cấp cho MCCT trong một chu trình công tác), [J];

Q2: Phần nhiệt năng do MCCT truyền cho nguồn lạnh, [J];

Lt: Công của chu trình lý thuyết, [J];

Va: Thể tích xylanh, [m3];

Vc: Thể tích buồng cháy, [m3];

Vh: Thể tích công tác của xylanh, [m3];

pa , pc , py , pz , pb: Áp suất trong không gian công tác của xylanh tại các điểm đặc trưng của chu trình, [N/m2];

M: Lượng MCCT có trong không gian công tác của xylanh trong một chu trình, [kmol];

cv, cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của MCCT, [J/kmol.K];

Ta, Tc, Ty, Tz, Tb: Nhiệt độ của MCCT tại các điểm đặc trưng của chu trình, [K] Hiệu suất lý thuyết của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp:

k t.C k 1

t.C k 1

11

+ Mở sớm tại vị trí 1, trước khi piston lên ĐCT;

+ Đóng muộn tại vị trí 3, sau khi piston qua ĐCD

- Xupáp xả:

+ Mở sớm tại vị trí 7, trước khi piston tới ĐCD;

+ Đóng muộn tại vị trí 9, sau khi piston qua ĐCT

Như vậy, trong chu trình công tác có thời điểm cả xupáp nạp và xả đều mở ở lân cận ĐCT, góc quay trục khuỷu tương ứng với thời điểm cả 2 xupáp cùng mở gọi là góc trùng điệp của xupáp

Ngoài đồ thị công P – V, để biểu diễn mối quan hệ áp suất trong xylanh theo góc quay trục khuỷu của động cơ, có thể dùng đồ thị công khai triển P – φ như sau (hình 2.3) [13]

Hình 2.3 Đồ thị khai triển thể tích công tác, tốc độ phun, áp suất trong xylanh,

tốc độ cháy nhiên liệu [13]

Trong đó:

IVO: Thời điểm xupáp nạp bắt đầu mở;

IVC: Thời điểm xupáp nạp đóng hoàn toàn;

EVO: Thời điểm xupáp xả bắt đầu mở;

EVC: Thời điểm xupáp xả đóng hoàn toàn;

TC: Điểm chết trên;

BC: Điểm chết dưới;

SOI: Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu;

SOC: Thời điểm bắt đầu cháy;

EOC: Thời điểm kết thúc quá trình cháy

2.2 Các thông số tính năng của chu trình công tác động cơ diesel

Thông số tính năng là thuật ngữ được dùng để biểu đạt khả năng và hiệu quả làm

việc của động cơ Có thể dùng 3 nhóm thông số sau đây để đánh giá tính năng của

động cơ diesel, đó là: công suất, hiệu suất (hoặc suất tiêu hao nhiên liệu) và tải trọng

cơ, tải trọng nhiệt

Có nhiều phương pháp để xác định các thông số tính năng động cơ, chủ yếu là: Phương pháp lý thuyết: Sử dụng các công thức toán học, định luật vật lý để giải

và tính toán thuần túy về lý thuyết để tìm ra các thông số tính năng

Phương pháp thực nghiệm: Dùng các thí nghiệm với động cơ, cho ra công suất với số liệu hầu hết dựa vào mômen và tốc độ quay

2.2.1 Công suất động cơ diesel

Công suất là yêu cầu đầu tiên của máy công tác và hệ thống động lực sử dụng động cơ Công suất có ích là công suất thu từ đuôi trục khuỷu, đây là chỉ tiêu quan trọng quyết định khả năng sử dụng động cơ để dẫn động máy công tác và hệ thống động lực cụ thể Công suất của động cơ là công do môi chất công tác giãn nở sinh ra trong một đơn vị thời gian Công suất thường được đo bằng đơn vị kiloWatt (kW) hoặc mã lực (HP) Đối với động cơ diesel, thường phân biệt các khái niệm công suất như sau:

- Công suất chỉ thị ( N i ):

Công suất chỉ thị là công suất của động cơ, trong đó bao gồm cả phần tổn thất cơ học Công suất chỉ thị Ni là công suất ứng với công chỉ thị như sau [2]:

i i

L iNt

 (2- 10)

Với: t z

n



Trong các công thức trên:

Ni: Công suất chỉ thị của động cơ, [W];

Li: Công chỉ thị của chu trình, Li = pi.Vh, [J];

i: Số xylanh của động cơ;

t: Thời gian thực hiện một chu trình công tác, [s];

n: Tốc độ của động cơ, [vg/ph];

z: Hệ số phụ thuộc vào số kỳ của động cơ, (ĐC 4 kỳ z = 2, ĐC 2 kỳ z = 1)

Thay các đại lượng trên vào công thức 2-10:

i h i

p V i.n N

z

 (2- 11)

- Công suất có ích ( N e ):

Công suất có ích Ne là công suất mà động cơ truyền cho bộ tiêu thụ công suất, nó được đo ở đầu ra của trục khuỷu Nếu biết áp suất có ích trung bình pe có thể tính được công suất có ích của động cơ

Từ định nghĩa của công suất, áp suất trung bình của chu trình và tốc độ quay, công suất có ích được xác định:

e h e

p V i.nN

L p V

 , Le là công có ích của động cơ

- Phương pháp xác định công suất động cơ diesel

+ Xác định công suất bằng lý thuyết [3]:

Xác định công suất bằng lý thuyết có thể tính thông qua áp suất trung bình của chu trình pi, thông qua ý nghĩa và phương pháp xác định áp suất chỉ thị trung bình Đường cong a-c1-c trên hình 2.4 thể hiện đặc điểm thay đổi áp suất chỉ thị (áp suất có thể đo được bằng áp kế) của MCCT trong hành trình nén, đường cong c-z-b thể hiện đặc điểm thay đổi của áp suất chỉ thị trong hành trình xả Diện tích Aac = {a-c1-c-c'-a'-a} tương ứng với công tiêu hao để nén MCCT trong hành trình nén Diện tích Azb = {c-z-b-a'-c'-c} tương ứng với công do MCCT sinh ra trong hành trình dãn nở Diện tích giới hạn bởi đồ thị công chỉ thị Ai = Azb - Aac tương ứng với công chỉ thị của chu trình (Ai  Wi)

Hình 2.4 Sơ đồ ý nghĩa và phương pháp xác định áp suất chỉ thị trung bình [3]

Nếu thay diện tích Ai bằng diện tích hình chữ nhật có đáy bằng chiều dài đoạn c'a' và chiều cao bằng pi thì trị số của pi chính là áp suất chỉ thị trung bình của chu trình Như vậy, áp suất chỉ thị trung bình là áp suất quy ước của MCCT, có trị số không đổi, nếu tác dụng lên piston trên một hành trình thì sinh ra một công bằng công chỉ thị của chu trình Từ đồ thị công P - V, thông qua pi sẽ tìm được công suất chỉ thị

Ni, hoặc công Wi

+ Xác định công suất có ích bằng thực nghiệm [16]:

Có nhiều phương pháp thực nghiệm xác định công suất động cơ, nhưng hầu hết đều dựa vào mômen và tốc độ quay Đối với máy tàu thủy, chủ yếu sử dụng phương pháp xác định công suất có ích loại cân bằng

Phương pháp này thực chất là đo lực sau đó tính công suất theo công thức sau:

M : Mômen xoắn thu được qua thiết bị đo, [kN.m, kG.m…];

P : Lực thu được trên thiết bị đo, [kN, kG…];

l: Cánh tay đòn trên thiết bị gây tải, [m];

ms

M : Mômen ma sát của thiết bị đo ở các gối trục, [kN.m, kG.m…];

f

M : Mômen tổn hao trên bị gây tải, [kN.m, kG.m…]

Các giá trị Mms và Mf có sai số trong phép đo Tùy theo từng thiết bị mà các giá trị của Mms và Mf sẽ khác nhau

2.2.2 Hiệu suất động cơ diesel

+ Hiệu suất lý thuyết ( t )

Hiệu suất nhiệt t là tỷ số giữa phần nhiệt lượng được biến thành công lý thuyết

(Lt) chia cho tổng nhiệt lượng đưa vào động cơ (Q1)

t t 1

L Q

  (2- 14)

Đây là hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết hay chu trình lý tưởng của động cơ,

là chu trình nhiệt động được xây dựng trên cơ sở của hàng loạt giả định đơn giản hoá các quá trình nhiệt động diễn ra trong không gian công tác của xylanh động cơ Mức

độ đơn giản hoá được lựa chọn tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu Ví dụ: Có thể giả

định MCCT là khí lý tưởng với nhiệt dung riêng là hằng số hoặc là không khí với nhiệt dung riêng phụ thuộc vào thành phần của sản phẩm cháy; quá trình cháy thực tế có thể được thay bằng quá trình cấp nhiệt từ một nguồn nóng bên ngoài động cơ hoặc thay bằng quá trình cháy được thực hiện trong những điều kiện lý tưởng hoá

Hệ số điền đầy ɳd của đồ thị công đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình thực

so với chu trình lý tưởng Ngoài phần nhiệt tổn thất truyền cho nguồn lạnh giống như ở chu trình lý tưởng, khi thực hiện chu trình công tác ở động cơ thực tế sẽ xuất hiện hàng loạt các tổn thất năng lượng khác như:

- Nhiên liệu cháy không hoàn toàn;

- Truyền nhiệt vào vách xylanh;

- Lọt khí do không gian công tác của xylanh không kín;

- Tổn thất khí động học do ma sát giữa các phần tử chất khí và giữa khí với vách xylanh

Trong hiệu suất chỉ thị, thường tính đến tất cả các loại tổn thất năng lượng khi thực hiện chu trình công tác ở động cơ thực tế Trị số của hiệu suất chỉ thị nằm trong các phạm vi sau: i = 0,40  0,55

Là đại lượng đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, hiệu suất cơ học phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay và phụ tải của động cơ, tức là đánh giá mức độ hoàn thiện của động cơ về phương diện cơ học Hiệu suất cơ học m là tỷ số giữa công

có ích (Le) chia cho công chỉ thị (Li):

e m i

LL

Ở chế độ chạy không tải, toàn bộ công chỉ thị được sử dụng để cân bằng các loại tổn thất cơ học trong động cơ, khi đó (Le = 0) và (m = 0) Hiệu suất cơ học tăng dần cùng với việc tăng tải và đạt khoảng (m = 0,75  0,92) ở chế độ định mức

Hiệu suất cơ học chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành khác nhau, ví dụ: Vật liệu chế tạo; chất lượng thiết kế, chế tạo và lắp ráp; chất bôi trơn và chế độ bôi trơn; tỷ số nén, tốc độ, tải, v.v

L Q

- Tăng hiệu suất nhiệt (t) bằng cách tăng tỷ số nén và tổ chức tốt quá trình cháy;

- Tổ chức thực hiện chu trình công tác sao cho tiến gần đến chu trình lý tưởng (tăng d);

- Chọn vật liệu thích hợp, sử dụng kết cấu hợp lý nhằm giảm tổn thất cơ học trong động cơ (tăng m)

Hiệu suất có ích thay đổi theo tốc độ quay, phụ tải và tình trạng kỹ thuật của động cơ Khi động cơ làm việc ở chế độ không tải m= 0, công suất sinh ra lúc này chỉ

đủ để vượt sức cản ma sát Khi tăng số vòng quay đến ne (tốc độ khi đạt Nemax), ma sát tăng, hiệu suất cơ khí giảm

Động cơ bốn kỳ làm việc ở chế độ toàn tải có các giá trị sau (bảng 2.1):

Bảng 2.1 Bảng giá trị hiệu suất cơ học và hiệu suất có ích trên động cơ [3], [15]

2.3 Đặc điểm và các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ diesel

2.3.1 Đặc điểm của quá trình cháy

Quá trình cháy trong động cơ diesel được tính từ thời điểm nhiên liệu thực tế được phun vào buồng cháy Để có thời gian cần thiết cho quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu - không khí và chuẩn bị cho hỗn hợp bốc cháy, nhiên liệu được phun vào buồng cháy trước khi piston tới ĐCT Góc quay của trục khuỷu tính từ thời điểm phun nhiên liệu đến ĐCT được gọi là góc phun sớm Trị số của góc phun sớm thường xê dịch trong khoảng (φs = 10 ÷ 400) và phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và tốc độ quay của động cơ Toàn bộ quá trình phun nhiên liệu kéo dài khoảng 25 ÷ 300 gqtk (góc quay trục khuỷu) [9]

Ở động cơ diesel rất khó tạo ra một hỗn hợp cháy đồng nhất Tại các khu vực của buồng cháy ở xa các tia nhiên liệu, hỗn hợp nhiên liệu - không khí quá loãng, không

đủ để bốc cháy (λ > λ max) Còn ở khu vực trung tâm các tia nhiên liệu có mật độ các hạt nhiên liệu rất lớn, hỗn hợp nhiên liệu - không khí ở đây quá đậm, vượt quá giới hạn bốc cháy (λ < λmin) Khu vực có lợi nhất cho quá trình cháy khởi phát là vỏ ngoài của chùm tia nhiên liệu, ở đó các hạt nhiên liệu có kích thước nhỏ chuyển động cùng với không khí Quá trình cháy nhiên liệu ở động cơ diesel không bắt đầu từ một điểm như

ở động cơ đốt cháy bằng tia lửa điện Trong thể tích buồng cháy có thể xuất hiện nhiều trung tâm cháy tại những khu vực có điều kiện thích hợp Để phân biệt với mô hình

“cháy bề mặt” ở động cơ xăng, có thể gọi mô hình bốc cháy nhiên liệu trong động cơ diesel là “cháy thể tích” của một hỗn hợp không đồng nhất [9]

Cháy không hoàn toàn là điều không mong muốn vì khi đó tổng nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác sẽ nhỏ hơn so với trường hợp cháy hoàn toàn Ngoài ra, một số sản phẩm cháy không hoàn toàn như ôxit cacbon, alđêhít, một số hydrocacbon … là những hợp chất độc hại đối với sức khoẻ con người và môi trường xung quanh

Đối với động cơ diesel, hiện tượng cháy không hoàn toàn gia tăng trong quá trình

sử dụng chủ yếu do tình trạng kỹ thuật của động cơ, đặc biệt là tình trạng kỹ thuật của

hệ thống phun nhiên liệu bị giảm sút Vì vậy, phải không ngừng nâng cao chất lượng

sử dụng động cơ, kiểm tra một cách có hệ thống và khoa học tình trạng kỹ thuật của chúng

Như vậy, một quá trình cháy có chất lượng cao phải đạt hai yêu cầu cơ bản sau đây: