Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu cải tiến biên dạng cam nhiên liệu để nâng cao tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel 1 xylanh. Các nghiên cứu được thực hiện trên động cơ diesel 1 xylanh RV-165 với biên dạng cam nhiên liệu được thay đổi.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BIÊN DẠNG CAM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL XY LANH STUDY TO IMPROVE THE FUEL CAM PROFILE OF AN ONE CYLINDER DIESEL ENGINE Khổng Vũ Quảng1,*, Nguyễn Duy Tiến1, Nguyễn Mạnh Phú1, Nguyễn Thế Trực1, Đinh Xuân Thành2, Đồn Thành Tun1, Lê Trí Hùng3 TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu cải tiến biên dạng cam nhiên liệu để nâng cao tính kinh tế kỹ thuật phát thải động diesel xylanh Các nghiên cứu thực động diesel xylanh RV-165 với biên dạng cam nhiên liệu thay đổi Quá trình nghiên cứu thực phần mềm AVL-Boost kết hợp với AVL-Hydsim Kết nghiên cứu cho thấy tính kinh tế kỹ thuật phát thải động cải thiện biên dạng cam nhiên liệu cải tiến Kết nghiên cứu sở quan trọng cho trình thiết kế cải tiến biên dạng cam nhiên liệu động RV-165 Từ khóa: Động diesel; hệ thống nhiên liên; biên dạng cam nhiên liệu ABSTRACT The paper presents the research results to improve fuel cam profile to improve economic and technical features and emissions of cylinder diesel engine The studies were carried out on RV-165 single cylinder diesel engine with modified fuel cam profile The research was conducted on AVL-Boost software in combination with AVL-Hydsim The results show that the economic and technical performance and engine emissions are improved when the fuel cam profile is improved The outcomes of this study will be an important basis for the design process to improve the fuel cam profile of the RV-165 engine Keywords: Diesel engine; fuel system; fuel cam profile Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tổng công ty Máy Động lực Máy Nông nghiệp Việt Nam *Email: quang.khongvu@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 02/6/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 30/7/2020 Ngày chấp nhận đăng: 23/12/2020 GIỚI THIỆU CHUNG Theo báo cáo Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn (NN&PTNT), từ 2011 đến nay, giới hóa khâu sản xuất nơng nghiệp tăng nhanh, ví dụ: số lượng máy kéo tăng 48%; máy gặt đập liên hợp tăng 79%, Đến trang bị động lực bình quân sản xuất nông nghiệp nước đạt khoảng 2,4HP/ha canh tác [1] Do vậy, năm qua nhu cầu động công suất nhỏ từ đến 30HP lớn, khoảng 120.000 động năm tăng trưởng hàng năm từ ÷ 10% [2] Tuy nhiên động diesel Tổng công ty Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Máy động lực Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM) sản xuất chiếm khoảng 20% thị phần, lại 70% Trung Quốc 10% nước khác Mặc dù động Trung Quốc chiếm lượng lớn thị trường Việt Nam nhờ giá thành rẻ, nhiên khơng chiếm lịng tin người tiêu dùng, tồn nhiều nhược điểm, tiêu hao nhiêu liệu lớn, động làm việc không ổn định thường xuyên phải sửa chữa, tuổi thọ kém, phát thải cao Còn động Nhật Bản Thái Lan có suất tiêu hao nhiên liệu thấp (170 ÷ 190g/HP.h), động làm việc ổn định, tuổi thọ cao, giá thành đắt Trong động diesel VEAM sản xuất có tính kinh tế kỹ thuật phát thải tốt động Trung Quốc không động Nhật Bản Thái Lan [3], nhiên giá thành chưa thực có tính cạnh tranh, thị phần thị trường Việt Nam bị hạn chế Hơn nữa, thời gian tới quan nhà nước đưa áp dụng tiêu chuẩn phát thải cho máy nông nghiệp để giảm thiểu phát thải độc hại động máy nông nghiệp gây làm hàng rào kỹ thuật để kiểm soát động ngoại nhập Đây coi hạn chế việc chủ động tăng mức độ giới hóa sản xuất nơng nghiệp tới 80 ÷ 100% trang bị động lực đạt tới ÷ 6HP/ha mục tiêu Bộ NN&PTNT đạt đến năm 2030 [1] Đây hội thuận lợi thách thức để VEAM nghiên cứu phát triển động diesel mở rộng thị phần thị trường Việt Nam thời gian tới Để nâng cao chất lượng hướng đến xuất động diesel VEAM sản xuất sang nước khu vực Đông Nam Á, Trung Đông Ấn Độ có tiêu kỹ thuật phát thải cao Do đó, thời gian qua VEAM liên kết với nhà khoa học để thực nhiều nghiên cứu đề xuất nhiều giải pháp phát triển động cơ, cải tiến hệ thống nhiên liệu, thiết kế lại đường nạp, nhằm nâng cao tính kinh tế kỹ thuật phát thải động diesel xylanh sản xuất Việt Nam [4÷7] Tuy nhiên giải pháp số hạn chế tính khả thi chưa cao nên triển khai gặp nhiều khó khăn, đặc biệt áp dụng giá thành khó cạnh tranh với sản phẩm loại nước ngồi Hơn nữa, q trình thiết kế cải tiến động Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 79 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ xylanh chưa thực đầy đủ đồng hệ thống động cơ, hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp thải, kết cấu buồng cháy, hệ thống làm mát bơi trơn Chính tính kinh tế kỹ thuật chưa cải thiện đáng kể, phát thải động mức cao so với tiêu chuẩn phát thải áp dụng cho động diesel sử dụng nông nghiệp [8] Để giải phần hạn chế vướng mắc nêu trên, nhóm nghiên cứu sử dụng kết hợp phần mềm AVLBoost với AVL-Hydsim để nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng biên dạng cam nhiên liệu đến tính kinh tế kỹ thuật phát thải động RV-165 lựa chọn biên dạng cam hợp lý cho động Các kết nghiên cứu cho thấy, biên dạng cam nhiên liệu ảnh hưởng nhiều đến tính kinh tế kỹ thuật phát thải động cơ, sử dụng cam nhiên liệu có biên dạng hợp lý cải thiện tính kinh tế kỹ thuật phát thải động RV-165 Các kết nghiên cứu sở quan trọng cho trình thiết kế cải tiến biên dạng cam nhiên liệu động RV-165 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hiện nay, phun nhiên liệu trực tiếp với áp suất cao vào xylanh áp dụng phổ biến động diesel sử dụng nông nghiệp, nhờ điều kiện hịa trộn tạo hỗn hợp thuận lợi so với phun gián tiếp Mặt khác, nhờ phát triển công nghệ gia công chế tạo nay, biên dạng cam nhiên liệu có xu hướng chuyển sang sử dụng cam lõm không đối xứng thay cho cam tiếp tuyến cam lồi đối xứng mở rộng cung đỉnh, nên cho quy luật cấp nhiên liệu kiểu bậc thang Do đó, q trình hình thành hỗn hỗn hợp chất lượng trình cháy cải thiện đáng kể so với động sử dụng buồng cháy ngăn cách phun gián tiếp Tuy nhiên để phát huy ưu điểm hệ nhiên liệu này, cần phải có nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng biên dạng cam nhiên liệu quy luật cấp nhiên liệu đến trình hình thành hỗn hợp cháy động cơ, sở đưa biên dạng cam hợp lý để cải thiện tính kinh tế kỹ thuật phát thải động diesel xylanh VEAM sản xuất Do vậy, nghiên cứu sử dụng phối hợp phần mềm AVL-Boost với AVL-Hydsim để thực nghiên cứu cải tiến biên dạng cam để nâng cao tính kinh tế kỹ thuật phát thải động diesel xylanh VEAM sản xuất Trong thực mơ với nhiều phương án cải tiến biên dạng cam, với biên dạng cam lại thực mô phần mềm AVL-Hydsim để xác định quy luật cấp nhiên liệu, kết làm liệu đầu vào cho mơ hình AVL-Boost để thực mơ tính tốn chu trình cơng tác phát thải động Trên sở kết đạt được, nhóm nghiên cứu phân tích đánh giá lựa chọn biên dạng cam thích hợp Trong phạm vi báo này, nhóm nghiên cứu đưa kết so sánh sử dụng cam nguyên với cảm cải tiến P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG 3.1 Đối tượng nghiên cứu Trong nghiên cứu này, động RV-165 sử dụng làm đối tượng nghiên cứu, động diesel xylanh không tăng áp, sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu khí Hiện động sản phẩm VEAM Đặc điểm kết cấu động cơ, hệ thống nhiên liệu thông số kỹ thuật động thể bảng hình Hình Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động RV-165 Cam nhiên liệu; Con lăn; Thân bơm; Lò xo bơm cao áp; Piston bơm cao áp; Xylanh; Đế van chiều; Van chiều; Đường ống cao áp; 10 Thân vòi phun; 11 Lò xo kim phun; 12 Thân kim phun; 13 Kim phun Bảng Thông số kỹ thuật động RV-165 Thông số Tên động Loại động Số xylanh Đường kính x hành trình Dung tích Tỷ số nén Công suất cực đại Mô men cực đại Tiêu hao nhiên liệu nhỏ Góc phun sớm Áp suất phun Hệ thống bôi trơn Hệ thống làm mát Giá trị RV 165 Diesel kỳ, không tăng áp 105x97mm 839cm3 18:1 12,1/2400 kW/rpm 59,0/1600 Nm/rpm 275 g/kW.h 16 độ trục khuỷu 185 kg/cm2 Hỗn hợp Đối lưu tự nhiên 3.2 Xây dựng mơ hình Trên sở đặc điểm kết cấu động RV-165 hệ thống nhiên liệu động cơ, mơ hình mơ chu trình cơng tác xây dựng phần mềm AVL-Boost mơ hình mơ hệ thống nhiên liệu động RV-165 xây dựng phần mềm AVL-Hydsim, thể hình 80 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 trì ổn định khoảng 50 độ góc quay trục cam, sau có xu hướng giảm độ dốc đến cuối trình cấp Với biên dạng cam làm tăng tốc độ phun đầu giai đoạn phun, trì ổn định, sau tốc độ phun có giảm so với tốc độ phun ứng với biên dạng cam nguyên 3.3 Thông số đầu vào điều kiện biên cho mơ hình Trên sở thông số kết cấu cụm chi tiết hệ thống nhiên liệu, đơi piston bơm cao áp, van chiều vịi phun, biên dạng cam nhiên liệu sử dụng làm thơng số đầu vào cho mơ hình Ngồi thông số lưu lượng nhiên liệu phun, áp suất phun chế độ làm việc động được sử dụng làm điều kiện biên cho mơn hình Trong nghiên cứu mơ này, chế độ chạy mơ thực chế độ tồn tải tốc độ từ 1000 2200v/ph với bước thay đổi 200v/ph KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong phần trình bày kết so sánh tính kinh tế kỹ thuật phát thải động RV-165 sử dụng cam nguyên cam cải tiến 4.1 Độ nâng cam nguyên cải tiến Do nang cam (mm) Cam nguyen ban (mm) Cam cai tien (mm) 600 Cam nguyen ban (bar) Cam cai tien (bar) 500 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 Goc truc cam (deg) Hình Áp suất nâng kim phun cam nguyên cam cải tiến chế độ 1600v/ph Ap suat nang kim phun (bar) Hình Mơ hình hệ thống nhiên liệu động RV-165 phần mềm Hydsim Ap suat nang kim phun (bar) 4.2 Áp suất nâng kim phun cam nguyên cam cải tiến Hình thể áp suất nâng kim phun cam cải tiến so với cam nguyên Kết cho thấy chế độ tốc độ 1600v/ph 2200v/ph, áp suất nâng kim phun cực đại ứng với cam cải tiến lớn gấp lần so với cam nguyên bản, nhiên cuối giai đoạn cấp áp suất nâng kim phun cam cải tiến giảm nhiều so với cam nguyên 700 Cam nguyen ban (bar) Cam cai tien (bar) 600 500 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 Goc truc cam (deg) Hình Áp suất nâng kim phun cam nguyên cam cải tiến chế độ 2200v/ph 0 50 100 150 200 250 300 Goc truc cam (deg) Hình Độ nâng cam nguyên cam cải tiến Với mục tiêu cải tiến bên dang cam nhiên liệu nhằm tăng tốc độ phun trình cấp ban đầu giảm giai đoạn cuối để cải thiện trình hình thành hỗn hợp cháy động Sau thực mô kết hợp AVL-Boost AVL-Hydsim với nhiều biên dạng cam nhiên liệu khác nhau, xác định biên dạng cam cải tiến hợp lý thể hình Kết cho thấy, so với biên dạng cam cũ, độ nâng biên dạng cam cải tiến có xu hướng dốc giai đoạn đầu trinh cấp, Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 4.3 Quy luật cấp nhiên liệu cam nguyên cam cải tiến Quy luật cấp nhiên liệu chế độ 1600v/ph 2200v/ph cam cải tiến cam nguyên thể hình Kết cho thấy, lưu lượng cấp tăng nhanh đạt giá trị cực đại đầu giai đoạn phun, sau trì giá trị khoảng 30 độ trục cam lưu lượng giảm sau so với cam nguyên Các kết thể trên, cho thấy quy luật cấp nhiên liệu thay đổi theo chiều hướng tăng nhanh tốc độ phun đầu giai đoạn phun, sau trì tốc độ phun cực đại khoảng 30 góc quay trục cam giảm tốc độ phun cuối giai đoạn phun Với quy luật cải thiện trình hình thành hỗn hợp cháy, giảm thời gian cháy trễ lượng nhiệt thời gian cháy rớt Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 81 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Luu luong phun (cm^3/min) 3000 Cam nguyen ban (cm^3/min) Cam cai tien (cm^3/min) 2500 2000 1500 1000 500 -500 50 100 150 200 250 300 Goc truc cam (deg) Hình Quy luật cấp nhiên liệu cam nguyên cam cải tiến chế độ 1600v/ph Luu luong phun (cm^3/min) 3000 Cam nguyen ban (cm^3/min) Cam cai tien (cm^3/min) 2500 2000 1500 1000 500 Kết cho thấy áp suất nhiệt độ xylanh ứng với cam cải tiến lớn so với cam nguyên bản, nhiên nhiệt độ ứng với cam cải tiến giai đoàn cháy rớt giảm so với cam cải ngun Kết giải thích quy luật cảm cải tiến làm tăng lượng nhiên liệu cháy giai đoạn cháy giảm giai đoạn cháy rớt Hình 10 thể cơng suất có ích (Ne) suất tiêu hao nhiên liệu (ge) động dùng cam nhiên liệu cải tiến so với cam nguyên Kết cho thấy, Ne động sử dụng cam cải tiến có xu hướng tăng cao so với cam nguyên xu hương tăng tăng tăng tốc độ động Đồng thời ge động sử dụng cam cải tiến có xu hướng giảm so với cam nguyên mức độ giảm tăng tăng tốc độ động Kết giải thích quy luật cấp nhiên liệu cam cải tiến cải thiện trình hình thành hỗn hợp cháy động cơ, mức độ cải thiện tăng tăng tốc độ động -500 50 100 150 200 250 300 Goc truc cam (deg) Hình Quy luật cấp nhiên liệu cam nguyên cam cải tiến chế độ 2200v/ph 4.4 Tính kinh tế kỹ thuật phát thải cam nguyên cam cải tiến 4.4.1 Tính kinh tế kỹ thuật Kết hình thể diễn biến áp suất nhiệt độ bên xylanh động trường hợp trước sau cải tiến cam nhiên liệu chế độ 2200v/ph Hình 10 Công suất tiêu hao nhiên liệu động sử dụng cam nguyên cam cải tiến 4.4.2 Phát thải động sử dụng cam nguyên cam cải tiến Hình Diễn biến áp suất xylanh sử dụng cam nguyên cam cải tiến chế độ 2200v/ph Hình Diễn biến nhiệt độ xylanh sử dụng cam nguyên cam cải tiến chế độ 2200v/ph Hình 11 Phát thải CO động sử dụng cam nguyên cam cải tiến Hình 11 thể mức độ phát thải CO động sử dụng cam cải tiến so với cam nguyên Kết cho thấy, phát thải CO chế độ tốc độ giảm sử dụng cam cải tiến, mức độ giảm CO tăng tăng tốc độ động Còn mức phát thải muội than thể hình 12 Kết cho thấy, mức phát thải muội than động sử dụng cam cải tiến có xu hướng giảm so với cam nguyên Các kết này, giải thích ảnh hưởng quy luật cấp nhiên liệu cải 82 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thiện trình hình thành hỗn hợp cháy động sử dụng cam nhiên liệu cải tiến, nên thành phần phát thải CO muội than giảm chế độ tốc độ Tuy nhiên phát thải NOX động sử dụng cam cải tiến có xu hướng tăng so với sử dụng cam nguyên chế độ tốc độ Kết giải thích hỗn hợp cải thiện nhờ tốc độ phun tăng giai đoạn đầu giảm giai đoạn kết thúc, nhiệt độ giai đoạn cháy tăng cao đẫn đến tăng NOX tất chế độ tốc độ Hình 12 Phát thải muội than động sử dụng cam nguyên cam cải tiến Hình 13 Phát thải NOx động sử dụng cam nguyên cam cải tiến Các kết cho thấy, sử dụng cam cải tiến với tốc độ phun tăng giai đoạn đầu giảm giai đoạn cuối cải thiện trình cháy nên phát thải CO muội than giảm, nhiên phát thải NOx có xu hướng tăng theo chế độ tốc độ động (hình 13) KẾT LUẬN Trên sở phân tích đánh giá kết thấy rằng: - Biên dạng cam nhiên liệu ảnh hưởng nhiều đến quy luật cấp nhiên liệu, Với quy luật cấp có tốc độ tăng nhanh giai đoạn đầu giảm nhanh giai đoạn cuối phun giúp cải thiện trình hình thành hỗn hợp cháy động diesel - Nghiên cứu đưa biên dạng cam nhiên liệu hợp lý cho động RV-165 VEAM sản xuất Khi động sử dụng biên dạng cam giúp tăng công suất giảm tiêu hao nhiên liệu động cơ, phát thải CO muội than giảm Tuy nhiên phát thải NOx tăng chế độ tốc độ Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn - Kết nghiên cứu sở để thực cải tiến cam nhiên liệu để nâng cao tính kinh tế kỹ thuật phát thải động RV-165 LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Bộ Cơng Thương cấp kinh phí thực đề tài “Nghiên cứu thực trạng đề xuất giải pháp công nghệ ứng dụng động diesel 01 xi lanh cỡ nhỏ dùng cho máy động lực máy nông nghiệp Việt Nam”, Mã số ĐTKHCN.151/18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://dangcongsan.vn/kinh-te/thuc-day-co-gioi-hoa-trong-cac-khausan-xuat-nong-nghiep-549963.html [2] Vũ Xuân Thiệp, Khổng Vũ Quảng, Phạm Văn Giang, 2015 Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng đường nạp đến hiệu suất nạp động diesel xylanh Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội ISSN 1859-3585 [3] Lê Việt Hùng, Phạm Văn Giang, Khổng Vũ Quảng, Trần Thị Thu Hương, Nguyễn Anh Thi, 2018 Nghiên cứu số hóa mơ hình 3D đường nạp, thải buồng cháy làm sở nghiên cứu mô động diesel Tạp chí Giao thơng vận tải ISSN 2354-0818 [4] Võ Danh Tồn, Huỳnh Thanh Cơng, 2015 Mơ nâng cao tính làm việc cho động diesel xi-lanh thiết kế cải tiến họng nạp Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ - Vol 18, No 7K [5] Nguyễn Hữu Hường, Vương Như Long Nghiên cứu nâng cao hiệu suất công suất động diesel xylanh RV 195 Trường Đại học Bách khoa TP.HCM [6] Nguyễn Đình Hùng Nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu động diesel RV-195 Trường Đại học Bách khoa TP.HCM [7] Vu Xuan Thiep, Khong Vu Quang, Le Van Binh, 2013 A Study of Intake Manifold Improvement of Diesel Engine by Using CFD The 3rd International Conference on Sustainable Energy; ISBN 978-604-73-1990-9 [8] Lê Việt Hùng, Khổng Vũ Quảng, Nguyễn Đức Khánh, Phạm Văn Trọng, 2019 Nghiên cứu mô đánh giá phát thải độc hại động máy nông nghiệp RV-165 động kubota RT155 theo tiêu chuẩn ISO 8178 Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi & Môi trường ISSN 1859-3491 AUTHORS INFORMATION Khong Vu Quang1, Nguyen Duy Tien1, Nguyen Manh Phu1, Nguyen The Truc1, Dinh Xuan Thanh2, Doan Thanh Tuyen1, Le Tri Hung3 Hanoi University of Science and Technology Hanoi University of Industry Vietnam Engine And Agricultural Machinery Corporation Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 83 ... để nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng biên dạng cam nhiên liệu đến tính kinh tế kỹ thuật phát thải động RV -16 5 lựa chọn biên dạng cam hợp lý cho động Các kết nghiên cứu cho thấy, biên dạng cam. .. suất xylanh sử dụng cam nguyên cam cải tiến chế độ 2200v/ph Hình Diễn biến nhiệt độ xylanh sử dụng cam nguyên cam cải tiến chế độ 2200v/ph Hình 11 Phát thải CO động sử dụng cam nguyên cam cải tiến. .. hợp trước sau cải tiến cam nhiên liệu chế độ 2200v/ph Hình 10 Công suất tiêu hao nhiên liệu động sử dụng cam nguyên cam cải tiến 4.4.2 Phát thải động sử dụng cam nguyên cam cải tiến Hình Diễn