Nghiên cứu cải tiến đƣờng nạp và thải cho động cơ d243 khi tăng áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐẶNG NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN ĐƢỜNG NẠP VÀ THẢI CHO ĐỘNG CƠ D243 KHI TĂNG ÁP Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS KHỔNG VŨ QUẢNG HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan t nh to n u n v n n y đ t i nghi n c u c a ri ng trung th c v ch a t ng đ c số i u c công ố c công tr nh n o h c H n i th ng n m T c gi Đặng Ngọc Tú t qu t DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT PTN Ph ng th nghi m ĐCĐT Đ ng c TB Tuabin MN M yn n TB-MN Tuabin máy nén FEM Ph BKHN B ch khoa Hà N i THNL Tiêu hao nhiên li u CO Mơnơxít cácbon NOX C c lo i ôx tnit CO2 C cbon iôx t PM Chất th i d ng h t ĐCT Đi m ch t ĐCD Đi m ch t d MP Mô TN Thực Nghi m t ng ph p ph n t h u h n i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .2 MỤC LỤC DANH MỤC H NH V VÀ ĐỒ TH DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TĂNG ÁP VÀ CÁC VẤN ĐỀ TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Mục 1.2 C c ph ch tăng p cho ĐCĐT ng ph p tăng p th ờng dùng 1.2.1 Tăng p c kh 1.2.2 Tăng p s dụngTua bin máy nén 1.2.3 Tăng p hỗn hợp 1.2.4 Tăng p dao ng c ng h ởng 1.2.5 Tăng p dao ng tăng p qu n t nh 10 1.2.6 Tăng p chuy n dòng .11 1.2.7 Tăng p nhờ s ng p suất 12 1.3 Các vấn ề ph t sinh tăng p cho ng c .12 Kết luận .14 CHƢƠNG 2: CẢI TIẾN ĐƢỜNG NẠP VÀ ĐƢỜNG THẢI ĐỘNG CƠ D243 KHI TĂNG ÁP 15 2.1 Đ c i m k t cấu 2.2 X y dựng 2.2.1 Băng th c t nh ng c D243 .15 ng c D243 ph ng th nghi m 17 ng c .18 2.2.1.1 Phanh i n APA 100 .19 2.2.1.2 Thi t bị làm mát d u bôi tr n AVL 554 20 2.2.1.3 Thi t bị làm m t n c AVL 553 21 2.2.1.4 Thi t bị o tiêu hao nhiên li u AVL Fuel Balance 733S 22 2.2.2 C c b c thực hi n xây dựng 2.3 K t qu th nghi m c tính .23 ng c D243 băng th 23 2.4 Kh tăng p cho ng c D243 23 2.4.1 C sở t nh to n lựa ch n s b t s tăng p cho 2.4.2 Lựa ch n ph 2.5 Thi t k c i ti n ng ph p tăng p cho ờng ng c D243 nghiên cứu 25 ờng n p th i 2.5.1 C sở thi t k c i ti n ng c D243 23 ờng n p ng D243 tăng p .26 ờng th i .26 2.5.2 Thi t k c i ti n ờng th i 28 2.5.3 Thi t k c i ti n ờng n p 30 t 2.5.4 Lắp ờng n p th i ng c D243 c i ti n tăng p 32 Kết luận .33 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM AVL-BOOST ĐỂ XÁC Đ NH 34 THƠNG SỐ CỦA CHẤT KHÍ TRÊN ĐƢỜNG NẠP, THẢI 34 3.1 Gi i thi u Ph n mềm AVL_BOOST 34 3.2 C sở mô ề tài ph n mềm AVL-BOOST 35 3.2.1 Ph ng trình nhi t ng h c thứ 35 3.2.2 Mơ hình truyền nhi t 37 3.2.3 Mơ hình ch y 39 3.2.3.1 Mơ hình cháy AVL MCC 39 3.2.3.2 Mơ hình cháy Vibe .39 3.2.4 Tính tốn cụm TB máy nén 40 3.3 Mô ng c D243 b ng ph n mềm AVL BOOST .42 3.3.1 X y dựng mơ hình ng c D243 khơng tăng p 42 3.3.2 X y dựng mơ hình ng c D243 sau tăng p 44 3.4 Đ nh gi k t qu mô 46 3.4.1 Đ nh gi 3.4.2 So s nh tin c y mơ hình 46 c t nh ng c D243 tr 3.4.2.1 Đ nh gi hi u qu 3.4.2.2 So s nh thay c sau tăng p 47 ng c sau tăng p .47 i p suất nhi t qu trình ch y 49 Kết luận .50 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA-GAMBIT-FLUENT MƠ PHỎNG DỊNG MƠI CHẤT TRONG ĐƢỜNG THẢI CỦA 51 ĐỘNG CƠ D243 KHI TĂNG ÁP 51 4.1 Thi t l p mơ hình 4.2 Chia l ờng th i 3D Catia 51 i Gambit mơ hình ờng th i ng c D243 .53 4.3 Mô CFD-Fluent 59 4.3.1 Các thông s mô 59 4.3.2 Ti n hành mô 60 4.3.2.1 Nh p file *.msh từ Gambit vào Fluent bắt u ti n hành mô 60 4.3.2.2 X c ịnh c c iều ki n u vào v i tab Define 61 4.3.2.3 X c ịnh mơ hình tính tốn, g c tính tốn 62 4.3.3 Tính toán sai s 63 c ớc th c hi n mơ s u đ ng c a dịng h tr n đ ờng th i 65 4.4 K t qu mô .69 Kết luận .77 KẾT LUẬN 79 Phụ lục 80 Phụ lục 81 Phụ lục 82 Phụ lục 83 Phụ lục 84 Phụ lục 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 DANH MỤC H NH V VÀ ĐỒ TH Hình 1.2 B tăng p TB - MN Hình 2.1 M t cắt d c ng c D243 16 Hình 2.2 M t cắt ngang ng c D243 16 Hình 2.3 S b tr thi t bị th nghi m 18 Hình 2.4 S phịng th Hình 2.5 S ngun lý làm vi c phanh i n APA 100 19 Hình 2.6 S nguyên lý thi t bị làm mát d u bôi tr n AVL 554 20 Hình 2.7 S nguyên lý thi t bị làm m t n Hình 2.8 S nguyên lý ho t Hình 2.9 S ghép n i Hình 2.10 B n vẽ Hình 2.15 B n vẽ 3D ng c D243 tăng p .29 Hình 2.17 B n vẽ 3D ng c D243 tăng p 30 ng c D243 ch a tăng p 31 ờng n p ờng n p Hình 2.16 B n vẽ ng c D243 ch a tăng p 29 ờng th i ờng n p ng c D243 tăng p 27 ng c D243 ch a tăng p 28 ờng th i Hình 2.13 B n vẽ 3D c AVL 553 .21 ng thi t bị cân nhiên li u 733S 22 ờng th i Hình 2.12 B n vẽ ng c .18 ờng th i ờng th i Hình 2.11 B n vẽ 3D Hình 2.14 B n vẽ ng lực cao ng c D243 ch a tăng p 31 ng c D243 tăng p 32 ờng n p ng c D243 tăng p .32 Hình 2.18 B n vẽ ng c D243 tăng p 33 Hình 3.1 Mơ hình ng c D243 ph n mềm AVL_BOOST 43 Hình 3.2 Mơ hình ng c D243 sau tăng p .45 Hình 3.3 Đ c t nh công suất tiêu hao nhiên li u 47 Hình 3.4 Đ c t nh công suất tiêu hao nhiên li u ng c 48 Hình 3.5 So s nh bi n thiên nhi t p suất t i n 14 v ph 49 Hình 3.6 So s nh bi n thiên nhi t p suất t i n 16 v ph 49 Hình 4.1 Mơ hình ờng th i Hình 4.2 Ph n bên ng c D243 ch a tăng p 51 ờng th i ch a tăng p 52 Hình 4.4 Ph n bên Hình 4.5 Giao di n ch ờng th i ng trình Gambit 53 Hình 4.6 Mơ hình c n chia l Hình 4.7 mơ hình ng c D243 sau tăng p 53 i 54 ờng th i tăng p ch a tăng p ợc chia l i .55 Hình 4.8 Đ t c c ịnh nghĩa ban u cho ph n lõi ờng x nguyên b n 56 Hình 4.9 Đ t c c ịnh nghĩa ban u cho ph n lõi ã tăng p 57 Hình 4.10 Xuất mơ hình ã chia l id i d ng file* msh .58 Hình 4.11 Mơ hình ph n lõi bên ờng th i ngun b n ã chia l Hình 4.12 Mơ hình ph n lõi bên ờng th i tăng p ã chia l i hoàn tất 58 i hoàn tất .59 Hình 4.13 Giao di n Fluent 6.3 nh p file từ Gambit 60 Hình 4.14 Tab cơng cụ Grid ki m tra b c u mơ hình a vào t nh to n 61 Hình 4.15 Lựa ch n d ng tính tốn mơ hình Define> Solver 61 Hình 4.16 Điều ki n ho t ng Operating Conditions 62 Hình 4.17 Điều ki n biên mơ hình .62 Hình 4.18 Mơ hình ph i tính tốn .63 Hình 4.19 C sở tính tốn mơ hình từ u output 63 Hình 4.20 S vịng l p x c ịnh 1000 64 Hình 4.21 Qu trình t nh to n n h i tụ 64 Hình 4.22 Trình tự trình xây dựng mô ờng th i nguyên b n 65 Hình 4.23 Trình tự trình xây dựng mô ờng th i sau c i ti n 66 Hình 4.24 Cách ch n d ng hi n thị k t qu mô 67 Hình 4.25 K t qu xuất d i d ng tr ờng v n t c Vectors 67 Hình 4.26 B ng thông s ch n hi n thị k t qu d Hình 4.27 K t qu mơ d i d ng vector 67 i d ng vector mũi tên h ng 68 Hình 4.28 Ch n thơng s hi n thị áp suất tr ờng vector 68 Hình 4.29 T o m t phẳng cắt k t qu mô 69 Hình 4.30 V n t c l u hợp ng dịng khí th i ng c ch a tăng p t i ờng th i nguyên b n v i tr ờng góc quay trục khu u 69 Hình 4.31 V n t c l u hợp ng c ã tăng p t i Hình 4.32 V n t c l u hợp ng c Hình 4.34 V n t c l u hợp Hình 4.35 V n t c l u hợp ng c ờng th i nguyên b n v i tr ờng góc quay trục khu u 71 ng dịng khí th i ã tăng p t i 36 ờng th i nguyên b n v i tr ờng góc quay trục khu u 71 ng dịng khí th i ng c ch a tăng p t i 36 ờng th i nguyên b n v i tr ờng góc quay trục khu u 70 ng dịng khí th i ã tăng p t i 18 ờng th i nguyên b n v i tr ờng góc quay trục khu u 70 ng dịng khí th i ng c ch a tăng p t i 18 Hình 4.33 V n t c l u hợp ng dịng khí th i ờng th i ngun b n v i tr ờng góc quay trục khu u 72 .72 Hình 4.36 V n t c l u hợp ng c ch a tăng p t i 54 Hình 4.37 V n t c l u hợp ng dịng khí th i ng c Hình 4.38 Mơ hình góc quay trục khu u 72 ng dịng khí th i ã tăng p t i 54 ờng th i nguyên b n v i tr ờng ờng th i nguyên b n v i tr ờng góc quay trục khu u 73 ờng th i ã chia l i a vào Fluent .74 DANH MỤC BẢNG B ng 1.1 So s nh ng c tăng p không tăng p B ng 2.1 Thông s chung B ng 2.2 Đ c t nh ng c 17 ng c D243 23 B ng 2.3 Thông s k thu t m t s ng c diesel 24 B ng 3.1 Ph n t lựa ch n cho mơ hình ng c D243 43 B ng 3.2 D li u iều ki n chung mơ hình ng c D243 không tăng p .44 B ng 3.3 Ph n t lựa ch n cho mơ hình tăng p 44 B ng 3.4 D li u iều ki n chung 45 B ng 3.5 B ng so sánh k t qu ch y mô (MP) thực nghi m (TN) 46 B ng 3.6 So s nh B ng 4.1 S li u thu c t nh ng c D243 tr c sau tăng p 48 ợc xuất k t qu từ ph n mềm AVL-BOOST v i ng c D243 nguyên b n 59 B ng 4.2 S li u thu ợc xuất k t qu từ ph n mềm AVL-BOOST v i ng c D243 tăng p .60 H nh 4.35 Vận tốc ưu động dịng khí thải đư ng thải ngu n với trư ng hợp động tăng áp 360 độ g c qua trục khu u K t qu mô tr ờng hợp ờng th i nguyên b n ng c ch a tăng p c tăng p t i 5400 góc quay trục khu u ợc th hi n hình 4.36 4.37 H nh 4.36 Vận tốc ưu động dịng khí thải đư ng thải ngu n với trư ng hợp động chưa tăng áp 540 độ g c qua trục khu u 72 H nh 4.37 Vận tốc ưu động dịng khí thải đư ng thải ngu n với trư ng hợp động tăng áp 540 độ g c qua trục khu u K t qu mô c ch a tăng p s li u thu qu trình l u ờng th i ch a c i ti n v i thông s ờng th i ch a c i ti n v i thông s u ng c ã tăng p từ ợc Boost b ng 3.7 3.8 Mơ hình ph n cho thấy ng d ng kh ờng th i ng c ợc ã x y hi n t ợng xuất hi n nh ng vùng r i, kh th i kh tho t th m ch c xu h ờng th i kh c Nh v y ng ờng n p không phủ hợp ng quay l i c c ng c lắp thêm b tăng p TB – MN Đ iv i l i ờng th i ng c sau ã c i ti n a vào mô sau Mơ hình hi n chia l suất k t qu d ờng th i sau c i ti n i Gambit tr ờng th i m i ợc chia i d ng Pathlines ợc thi t l p catia sau thực c thực hi n mơ Fluent nh hình 4.38 73 Hình 4.38 Mơ h nh đư ng thải chia ưới đưa vào F uent Sau thực hi n mô t l u ờng th i ợc c i ti n v i tr ờng hợp tăng p ng ứng v i iều ki n biên b ng 4.1 4.2 ta thu ng d ng kh x nh hình 4.39 4.4 74 4.41, 4.42 ợc k t qu th hi n Sau nh p c c thông s mô k t qu thu ợc: Hình 4.39 Vận tốc ưu động dịng khí thải đư ng thải cải tiến với trư ng hợp động tăng áp độ g c qua trục khu u Hình 4.40 Vận tốc ưu động dịng khí thải đư ng thải cải tiến với trư ng hợp động tăng áp 180 độ g c qua trục khu u 75 Hình 4.41 Vận tốc ưu động dịng khí thải đư ng thải cải tiến với trư ng hợp động tăng áp 360 độ g c qua trục khu u Hình 4.42 Vận tốc ưu động dịng khí thải đư ng thải cải tiến với trư ng hợp động tăng áp 540 độ g c qua trục khu u Qu trình mơ cho ta thấy từ u ợc v n ng d ng kh ờng th i Chiều d ng kh c c i m c v n t c p suất ng c ợc bi u thị từ n max Ta c th t nh to n v n t c p suất cho i m m t 76 phẳng B ng ph ng ph p mô c c c t nh d ng kh ợc bi u di n m t c ch trực quan vùng khu vực d ng l i c v n t c p suất kh c ợc bi u thị qua gam màu T i c c g c quay trục khu u ta ều thấy v n t c d ng kh t i c v n t c cao h n so v i nh ng ờng th i m i ờng th i nguyên b n M c dù iều ki n u vào ờng th i m i cho thấy kh th i s ch h n c a tho t g n h n t n dụng t i a l ợng kh x Qua c c hình nh gi i th ch ợc t i c c vùng c c khu vực l i xuất hi n v i v n t c max Nh ng vùng xuất hi n r i d ng kh hay d ng kh c xu h ng quay ng ợc l i ờng th i d n n qu trình th i g p kh khăn.Từ k t qu mô cho ta ki m nghi m l i l thuy t cho ta thấy rõ chuy n ng ờng th i d ng kh th i Đ t i u ng c nên ph ợc biên d ng ng h ng m y cho phù hợp trình th i s ch Ph ợc ch n thay i biên d ng n k t cấu ờng th i bên nắp t o kh th i tho t t t h n giúp n ng cao c i thi n qu ng n a thất d ng kh v i s ch l ợng kh x Từ c c mô hình ờng th i mà khơng nh h ởng ờng th i h n ch c c khúc khu u mi ng ờng th i to h n qua gi m t n giúp qu trình th i ợc t n dụng t i a ờng th i ban a vào mô cho c hai u ta s dụng b s li u mơ hình D243 tăng p ờng th i nguyên b n ã c i ti n ta nh n thấy ờng th i m i giúp c v n t c kh tho t cao h n t i c c g c quay trục khu u qua mức r i ờng th i t h n Nên ph n p ứng ợc yêu c u ng c D243 sau c i ti n Kết uận Đ ờng th i m i sau thay qu trình th i v i i k t cấu bên nắp m y ã c i thi n ng c Đ ờng th i ã c i thi n ờng th i g c nguyên b n: Đ ờng th i m i thay cao h n hi n t ợng r i ã ph n ợc khắc phục 77 ợc ợc m t s y u t t ch cực so i c v n t c d ng kh th i Qua ph n mềm mô ã x y dựng thành cơng mơ hình mơ th i ng c D243 c ch a c tăng p Qua d ng kh x c ch a c tăng p 78 nh gi ợc v n ờng ng KẾT LUẬN Lu n văn ã thực hi n nghiên cứu nh gi c c ph ch n nh x c ịnh t l tăng p phù hợp cho Thi t k c i ti n hoàn chỉnh ng n tăng p lựa ng c D243 ờng n p th i cho ng c D243 sau c i ti n tăng p X y dựng mơ hình AVL – Boost từ ng c D243 tr x c ịnh c sau tăng p ph n mềm ợc c c tham s c n thi t cho vi c thực hi n mô ờng th i b ng ph n mềm CFD Mô l u ng d ng kh x c c tr ờng hợp sau tăng p K t qu cho thấy k ch th c hình d ng khơng làm xuất hi n c c hi n t ợng r i d ng kh th i h ởng n hi u suất tăng p 79 ng c D243 tr c ờng th i sau c i ti n ờng th i tr nh nh Phụ ục 80 Phụ ục 81 Phụ ục 82 Phụ ục 83 Phụ ục 84 Phụ ục 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Nghĩa Lê Anh Tuấn Tăng p Đ ng c [2] Nguy n Tất Ti n t NXB Khoa H c K thu t ý thuy t đ ng c đốt NXB Gi o dục [3] AVL GmbH BOOST Version 4.1 User’s Guide AST 1 47 -29-Jul-2005 [4] Kh ng Vũ Qu ng Mơ q trình nhi t đ ng trình trao đ i ch t đ ng c đốt ằng phần m m BOOST, 2002 [5] PGS.TS Ph m Minh Tuấn huy n đ Đ i H c B ch Khoa Hà N i h th i đ ng c v ô nhiễm môi tr ờng [6] Hồ Tấn Chuẩn Nguy n Đức Phú Tr n Văn T Nguy n Tất Ti n K t cấu t nh to n ng c t nhà xuất b n i h c trung h c chuyên nghi p 1977 [8] Turbocharger - http://en.wikipedia.org/wiki/Turbocharger [9] Bronicki, L.Y., "Supercharger system for combustion engine," U.S Patent.1974 [10] Catia User’s Manual and Help online [11] MSC Software Corporation, Catia V5 Structural Analysis for the Designer, 2002 [12] Dassault Systèmes, Generative Part Stress Analysis, 2006 86 ... đư ng thải động D243 chưa tăng áp 28 Hình 2.11 Bản vẽ 3D đư ng thải động D243 chưa tăng áp Hình 2.12 Bản vẽ đư ng thải động D243 tăng áp 29 Hình 2.13 Bản vẽ 3D đư ng thải động D243 tăng áp Nh... ng n tăng p b ng TB kh x d dàng nghiên cứu ta chon ph ng n tăng p b ng TB kh x 2.5 Thi t k c i ti n đƣờng đƣờng n p th i động D243 tăng áp 2.5.1 Cơ sở thiết kế cải tiến đư ng nạp đư ng thải. .. MN Khi thực hi n tăng p cho ng c diesel ã g p ph i nh ng h n ch k thu t công ngh nh : T i tr ng c nhi t tăng kh gia t c gi m 14 CHƢƠNG 2: CẢI TIẾN ĐƢỜNG NẠP VÀ ĐƢỜNG THẢI ĐỘNG CƠ D243 KHI TĂNG