Nghiên cứu thiết kế động cơ thí nghiệm một xy lanh có tỷ số nén thay đổi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ ĐỨC TRỌNG NGUYỄN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CĨ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng, năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ ĐỨC TRỌNG NGUYỄN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 8.52.01.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS DƢƠNG VIỆT DŨNG Đà Nẵng, năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa cơng bố cơng trình khác! Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2018 HỌC VIÊN THỰC HIỆN LÊ ĐỨC TRỌNG NGUYỄN TÓM TẮT ĐỀ TÀI Nghiên cứu thiết kế chế tạo động thay đổi tỷ số nén đem lại nhiều ý nghĩa cho việc phát triển động đốt Khi động thay đổi tỷ số nén đời giúp thuận lợi cho việc nghiên cứu động tìm kiếm nhiên liệu Trong luận văn này, tác giả thiết kế chế tạo thành công động thay đổi tỷ số nén từ động diesel D28- có tỷ số nén thay đổi 8.5-16.3 phƣơng pháp điều chỉnh khí Các kết thực nghiệm chạy băng thử công suất POWER TEST 500HP tỷ số nén khác đo đƣợc ở: 16.3 (CS/Moomen lớn nhất), 16(CS/MM), 15.75(CS/MM), 15(CS/MN) cho thấy thay đổi công suất mô men lớn Ở tỷ số nén 15.75-16.3 động sử dụng đƣợc thực nghiệm nhiên liệu diesel, từ 8.5-15.5 động sử dụng đƣợc cho nhiên liệu xăng SUMMARY OF TITLE The research of a compression turbo engine’ designand manufacturebring lots of meaning to the development of internal combustion engine When an engine changes compression ration, it helps with engine research and finding of new fuel Within this thesis, the author sucessfully created a compression turbo engine from a diesiel D28 engine with has compression ration varies from 8.5- 16.3 through adjustment machanism The experiment’s results from mechanical test bench POWER TEST 500HP in different compression ratios were measured at 16.3 (biggest CS/ MN), 16(CS/MN), 15.75 (CS/MN) which indicate quite large change in capacity and moment At compression ratios of 15.75-16.3, the engine can practically be used with diesel fuel, from 8.5-15.5, the engine is usable with gasoline MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .3 TÓM TẮT ĐỀ TÀI SUMMARY OF TITLE DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU 10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 11 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 13 MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu .1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu: 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYỀN THỐNG 1.1.1 Động đốt loại động cao hiệu suất nhiệt cao 1.1.2 Ƣu khuyết điểm động đốt 1.1.3 Phân loại 1.1.4 Một số thuật ngữ khái niệm thông dụng 1.1.5 Nguyên lý làm việc động đốt pittông .10 1.1.5.1 Động xăng kỳ 10 1.1.5.2 Động Diesel kỳ không tăng áp .13 1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 16 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 17 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 17 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 18 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 19 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 CÁC ẢNH HƢỞNG CỦA TỶ SỐ NÉN ĐẾN QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ .20 2.1.1 Quá trình nén tỷ số nén động đốt .20 2.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến số nén đa biến n1 trung bình 23 2.1.3 Ảnh hƣởng tỷ số nén đến trình làm việc động xăng .24 2.1.4 Ảnh hƣởng tỷ số nén đến trình làm việc động Diesel: .25 2.1.5 Tỷ số nén điển hình động đốt 25 2.2 CÁC PHƢƠNG ÁN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 27 2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ĐIỀU CHỈNH TỶ SỐ NÉN CHO ĐỘNG CƠ .36 2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ TRONG THỰC NGHIỆM 37 2.4.1 Xây dựng đƣờng đặc tính tốc độ ngồi động .37 2.4.2 Mối liên hệ tỷ số nén đến công suất động 38 CHƢƠNG CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CĨ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI 40 3.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ĐỘNG CƠ DIESEL D28 40 3.1.1 Thông số kỹ thuật 40 3.1.2 Đặc điểm kết cấu động Diesel D28 40 3.1.2.1 Nắp máy 41 3.1.2.2 Thân máy 41 3.1.2.3 Cacte 42 3.1.2.4 Cơ cấu phân phối khí 42 3.1.2.5 Hệ thống bôi trơn làm mát .43 3.1.2.6 Pittông 43 3.1.2.7 Thanh truyền 44 3.1.2.8 Trục khủy 45 3.1.2.9 Hệ thống nhiên liệu 46 3.2 PHƢƠNG ÁN BỐ TRÍ CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 48 3.3 PHƢƠNG ÁN LẮP ĐẶT CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY 50 3.4 THIẾT KẾ PITTÔNG THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN .51 3.5 THIẾT KẾ ĐỒ GÁ CẢM BIẾN ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY 54 3.6 THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐẶC TÍNH KẾT CẤU DỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XILANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI 56 3.6.1 Đặc tính kết cấu động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi 56 3.6.2 Thông số kỹ thuật động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi 58 3.6.3 Điều chỉnh thay đổi thể tích buồng cháy động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi 58 3.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 61 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ CĨ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI 62 4.1 MỤC ĐÍCH THỬ NGHIỆM .62 4.2 ĐỐI TƢỢNG THỬ NGHIỆM 62 4.3 QUY TRÌNH VÀ PHẠM VI THỬ NGHIỆM 62 4.3.1 Quy trình thực nghiệm .62 4.3.2 Phạm vi thử nghiệm 63 4.4 SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THỬ NGHIỆM VÀ TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM 63 4.4.1 Giới thiệu thiết bi thử công suất động 63 4.4.2 Các phận thuộc băng thử công suất 65 4.4.2.1 Hệ thống đo lƣờng .65 4.4.2.2 Phanh thủy lực 65 4.4.2.3 Các tín hiệu cảm biến đầu vào .66 4.4.2.4 Các thiết bị sử lý tín hiệu 71 4.4.2.5 Tổng quan phần mềm 73 4.5 TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL 74 4.6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .77 4.6.1 Kết đo công suất động băng thử tải .77 4.6.2 Kết đo áp suất nén động 78 4.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 80 KẾT LUẬN CHUNG .81 PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 Tài liệu tham khảo nƣớc 83 Tài liệu nƣớc ngoài: 83 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1- Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động đốt Hình 1- Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động đốt Hình 1- Nguyên lý làm việc động đốt pittông sử dụng xăng .10 Hình 1- Đồ thị cơng động xăng kỳ .10 Hình 1- Đồ thị pha phân phối khí .11 Hình 1- Nguyên lý làm việc động diesel kỳ khơng tăng áp 13 Hình 1- Đồ thị công động diesel kỳ 14 Hình 1- Thiết kế thay đổi thể tích cháy .17 Hình 2- Các hƣớng thay đổi tỷ số nén 28 Hình 2- Các mơ hình động thay đổi tỷ số nén đƣợc thực 29 Hình 2- Động thay đổi tỷ số nén Saab 30 Hình 2- Động thay đổi tỷ số nén FEV 31 Hình 2- Động thay đổi tỷ số nén INFINITI 32 Hình 2- Động thay đổi tỷ số nén MCE-5 34 Hình 2- Phƣơng án thay đổi thể tích buồng cháy buồng cháy phụ đƣợc thiết kế nắp máy 36 Hình 3- Động Diesel D28 40 Hình 3- Nắp máy động Diesel D28 .41 Hình 3- Thân máy động Diesel D28 41 Hình 3- Cấu tạo hệ thống phân phối khí 42 Hình 3- Kết cấu pittơng động Diesel D28 43 Hình 3- Cấu tạo truyền .44 Hình 3- Cấu tạo trục khủy 45 Hình 3- Bơm cao áp PF 46 Hình 3- Vòi phun nhiên liệu .47 Hình 3- 10 Mặt cắt nắp máy trƣớc gia công 48 Hình 3- 11 Bề mặt nắp máy trƣớc gia công 48 Hình 3- 12 Vị trí lắp đặt cấu thay đổi tỷ số nén .49 Hình 3- 13 Kết cấu thay đổi tỷ số nén chế tạo 50 Hình 3- 14 Vị trí lắp đặt cảm biến áp suất buồng cháy 51 Hình 3- 15 Pittông phụ cấu thay đổi tỷ số nén 52 Hình 3- 16 Cơ cấu đo hành trình dịch chuyển pittơng phụ điều chỉnh thay đổi tỷ số nén 53 Hình 3- 17 Pittơng động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi động hoạt động theo phƣơng pháp tự cháy 54 Hình 3- 18 Pittơng động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi động hoạt động theo phƣơng pháp đốt cháy cƣỡng 54 Hình 3- 19 Đồ gá cảm biến đo áp suất buồng cháy .55 Hình 3- 20 Hình vẽ lắp đồ gá cảm biến áp suất 56 Hình 3- 21 Động sau gia công 57 Hình 3- 22 Cơ cấu cần liên động điều chỉnh độ mở bơm cao áp 57 Hình 4- Các phận băng thử công suất POWER TEST 500HP .64 Hình 4- Cấu tạo phanh thủy lực 65 Hình 4- Cảm biến lực cánh tay đòn .66 Hình 4- Cảm biến tốc độ 67 Hình 4- Cảm biến tiêu hao nhiên liệu 67 Hình 4- Cảm biến áp suất nhớt 68 Hình 4- Cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát .68 Hình 4- Cảm biến nhiệt độ nƣớc phanh thủy lực 69 Hình 4- Cảm biến áp suất nƣớc vào 70 Hình 4- 10 Hệ thống điều khiển ga tự động .70 Hình 4- 11 Biến tần điều khiển động điện 71 Hình 4- 12 Thiết bị hiệu chuẩn cảm biến lực 72 Hình 4- 13 Máy tính để thu thập sử lý tín hiệu 72 Hình 4- 14 Giao diện phần mềm 73 Hình 4- 15 Giao diện chƣơng trình chạy thử nghiệm thủ cơng 74 Hình 4- 16 Giao diện chƣơng trình chạy thử nghiệm tự động 74 Hình 4- 17 Đồ thị đƣờng mối liên hệ công suất số vòng quay động tỷ số nén tƣơng ứng 77 Hình 4- 18 Đồ thị đƣờng mối liên hệ mômen số vòng quay động tỷ số nén tƣơng ứng 78 Hình 4- 19 Đồ thị thể thay đổi áp suất nén động phạm vi tỷ số nén từ 10-16.3 .79 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2- Đánh giá nội dung thực phƣơng án thực thay đổi tỷ số nén .35 Bảng 3- Đánh giá nội dung thực phƣơng án thực thay đổi tỷ số nén .35 Bảng 3- Thông số kỹ thuật động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi tỷ số nén 58 Bảng 3- Thông số điều chỉnh tỷ số nén thay đổi pittông phụ thứ 59 Bảng 3- Thông số điều chỉnh tỷ số nén thay đổi pittông phụ thứ hai .60 Bảng 4- Các tiêu kỹ thuật nhiên liệu Diesel 76 Bảng 4- Kết đo công suất, mô men theo số vòng quay động tỷ số nén 77 Bảng 4- Áp suất cuối kỳ nén động tỷ số nén tƣơng ứng 78 80 4.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG Qua kết thay đổi giá trị áp suất nén tỷ số nén khác nhƣ thay đổi công suất, momen tốc độ động tỷ số nén thay đổi Từ kết thực nghiệm cho thấy việc thay đổi tỷ số nén thành cơng động thí nghiệm xy lanh có tỷ số nén thay đổi Đề tài nghiên cứu thử nghiệm đƣợc kết sau + Đã thực nghiệm áp suất cuối trình nén tỷ số nén từ 16.3 xuống đến 10 + Đã thực nghiệm với nhiên liệu Diesel tỷ số nén 15.5, 15.75, 16, 16.3 thông qua việc điều chỉnh cấu thay đổi tỷ số nén đƣợc thực số vòng quay 800-1400 vòng/phút, khơng nên giảm tỷ số nén xuống dƣới 15.5 xuống dƣới giá trị động chạy Diesel hoạt động không ổn định 81 KẾT LUẬN CHUNG Trên sở phân tích đƣợc tình hình nghiên cứu chế tạo động thay đổi tỷ số nén giới Việt Nam, Tác giả đƣa giải pháp thiết kế chế tạo động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi sở động Diesel D28 Đã nghiên cứu thiết kế chế tạo cấu thay đổi tỷ số nén sử dụng pittông phụ đƣợc lắp nắp máy có khả thay đổi từ 16.3-10 Tuy nhiên nên thay đổi đơn vị để không thay đổi nhiều đặc trƣng buồng cháy động làm ảnh hƣởng đến trình cháy động Đã nghiên cứu chế tạo cấu kiểm tra điều chỉnh tỷ số nén có độ xác 0.25 đơn vị Đã nghiên cứu thiết kế chế tạo đồ gá cảm biến áp suất buồng cháy có khả tháo rời không sử dụng Chạy thực nghiệm nhiên liệu Diesel tỷ số nén 16.3 xuống đến 15.5 động hoạt động ổn định khoảng tốc độ từ 800-1400 vòng/ phút Chạy thực nghiệm áp suất cuối trình nén tỷ số nén từ 16.3 xuống đến 10 82 PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trong thời gian tới, nghiên cứu tiếp tục phát triển theo hƣớng mở rộng thêm chức cho động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi nhƣ sau: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đánh lửa có khả thay điều chỉnh góc đánh lửa để mở rộng thêm khả ứng dụng động thí nghiệm xilanh Từ nghiên cứu ảnh hƣởng việc thay đổi tỷ số nén đến công suất, momen động nhiên liệu đốt cháy cƣỡng Tiếp tục giải pháp mở rộng khả thay đổi tỷ số nén cho động mà không cần tháo rời động Nghiên cứu giải pháp hƣớng đến thời điểm có tỷ số nén phù hợp để động xăng nén cháy 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo nƣớc [1] Bùi Văn Ga (chủ biên), Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng,Ơ tơ nhiễm mơi trường, NXB Giáo dục, (1999) [2] Bùi Văn Ga (chủ biên), Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam, Trần Thanh Hải Tùng, Mơ hình hố q trình cháy động đốt trong, NXB Giáo dục, (1997) [3] Bùi Văn Ga,Quá trình cháy động đốt trong, NXB Khoa học Kỹ thuật, (2002) [4] Nguyễn Hữu Cẩn, Dƣ Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng, Lý thuyết Ô tô Máy Kéo, NXB khoa học kỹ thuật,(1998) [5] Nguyễn Tất Tiến,Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo dục, (2000) [6] Nguyễn Duy Tiến, Nguyên lý động đốt trong, NXB GTVT HÀ NỘI, (2007) [7] TS Trần Đăng Quốc, PGS TS Khổng Vũ Quảng, ThS Nguyễn Đức Khánh Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội TS Nguyễn Tuấn Nghĩa, KS Nguyễn Thành Vinh, ThS Nguyễn Phi Trƣờng Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội ThS Vũ Thị Phƣơng Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định, nghiên cứu ảnh hưởng tỷ số nén động xilanh sử dụng nhiên liệu cng hình thành hỗn hợp bên ngồi, [8] Khƣơng Thị Hà, Trần Thị Thu Hƣơng, Hồng Đình Long, Lê Anh Tuấn ‘Nghiên cứu phát triển mơ hình cháy nén hỗn hợp đồng (HCCI) động đốt trong’, Kỷ yếu hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí - lần thứ III, – 2013 Tài liệu nƣớc ngoài: [9] Tran Dang Quoc, Daewoo Nam, JongTai Lee, “A study on compression ratio of CNG engine with early direct injection”, KSAE 2008 11 David A Mullin, Harshad R Velankar:Production of Butanol from Cellulosic Feedstock; Intellectual Property, PCT/US2011/47372 [10] Tran Dang Quoc, Kwangju Lee, Changhee Byun, Daewoo Nam, JongTai Lee, “Experimental Study to Expend the Lean Limit for Heavy-Duty Direct Injection Natural Gas Spark Fueled Spark Ignition engine”, KSAE 2010.11 Tulane University – CPERC/DOE Research Proposal; Overview of new bio-building blocks and biopolymers [11] Tran Dang Quoc, “Effects of High Power and Thermal Efficiency on Lean Limit in Direct Injection Natural Gas Fueled Spark Ignition Engine”, International Journal of Renewable Energy and Environmental Engineering, ISSN2348-0157, Vol 03, No 01, January 2015 84 [12] Stanglemaier RH, Roberts CE, (1999), “Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI): benefits, compromises and future engine applications”, SAE, paper 1999-01-3682 Trang website, tài liệu khác [13] S Ishikawa, M Kadota, K Yoshida, K Takahashi S Kawajiri (2009) Thiết kế nâng cao công suất nén động với chế kép pittông (SAE 2009-011046)-(SAE 2009-01-1063) Hệ thống điều khiển tiên tiến động VCR (Variable Compression Ratio) [14] Kleeberg, H., Tomazic, D., Dohmen, J., Wittek, K cộng sự, "Tăng hiệu hệ thống truyền động xăng với hệ thống tỷ số nén hai giai đoạn (VCR)", Tài liệu Kỹ thuật SAE 2013-01- 0288, 2013, doi: 10.4271 / 2013-010288 [15] D Tomacic, H Kleeberg, S Bowyer, J Dohmen, K Wittek, B Haake (2012) Hệ số nén tỷ lệ hai giai đoạn (VCR) để tăng hiệu hệ thống truyền động xăng (Hội nghị DEER 2012) [16] Pischinger, S., et al “Tỷ lệ nén biến đổi hai giai đoạn với Pin lập dị Piston”, MTZ Worldwide Edition, 2009-02 [17] Pischinger, S., Wittek, K., Tiemann, C (2009) Tốc độ nén hai giai đoạn với Pin Pittông lệch tâm MTZ toàn giới doi: 10.1007 / BF03227930 http://www.greencarcongress.com/2013/04/fev-20130422.html http://articles.sae.org/15040/ http://VCREngine.com http://mce-5.com ... CHỈNH TỶ SỐ NÉN CHO ĐỘNG CƠ 2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ TRONG THỰC NGHIỆM 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG CHƢƠNG CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI 3.1... 2- Các mơ hình động thay đổi tỷ số nén đƣợc thực 29 Hình 2- Động thay đổi tỷ số nén Saab 30 Hình 2- Động thay đổi tỷ số nén FEV 31 Hình 2- Động thay đổi tỷ số nén INFINITI ... dụng thí nghiệm Mục đích nghiên cứu Mục đích chung: Thiết kế động thí nghiệm xilanh có tỷ số nén thay đổi Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu: Động xy lanh Diesel D28 Đây động