Mô hình hóa hệ thống làm mát trong động cơ đốt trong

NGUYễN MạNH DũNG Bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội *** NGUYễN MạNH DũNG MÔ HìNH HóA Hệ THốNG LàM MáT TRONG động đốt Kỹ thuật động nhiệt luận văn thạc sĩ khoa học Kỹ thuật động nhiệt khóa: 2009 Hà nội Năm 2012 LI CAM OAN Tụi xin cam đoan đề tài nghiên cứu Nội dung kết nêu luận văn trung thực, chưa công bố cơng trình khác! Hà Nội, tháng 03 năm 2012 Tác giả Nguyễn Mạnh Dũng PHẦN MỞ ĐẦU Khi tính tốn kiểm nghiệm động đốt vai trị hệ thống làm mát quan trọng Trong đó, tài liệu tính toán động lại thường coi nhẹ vấn đề làm mát thường tính tốn đơn lẻ cụm chi tiết két nước, quạt gió, bơm nước lấy theo số liệu thực tế nên thường không xác, rời rạc khơng xây dựng mơ hình tính tốn tổng qt sát với thực tế Tác giả nhận thấy việc cần thiết xây dựng mô hình tính tốn tổng thể hệ thống làm mát động có tính đến yếu tố tổn thất, kết hợp với việc kiểm nghiệm thực tiễn giúp cho q trình tính tốn nhiệt động xác, sát với thực tế tổng quát Để khắc phục vấn đề nêu cần phải xây dựng mơ hình tính tốn tổng thể hệ thống làm mát Trên sở xây dựng hệ phương trình mơ tả q trình trao đổi nhiệt cụm chi tiết hệ thống Kết hợp với ứng dụng cơng nghệ thơng tin, tin học vào tính tốn giải hệ phương trình giúp tìm nhiệt độ môi chất vào, động làm việc Kết tính tốn kiểm nghiệm thực tế thông qua số cụm chi tiết tồn hệ thống để kết luận tính đắn mơ hình tổng qt giúp cho q trình tính tốn nhiệt động xác Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô tồn thể bạn mơn Động đốt - Viện khí Động lực giúp đỡ, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, GS.TS Phạm Minh Tuấn, người trực tiếp hướng dẫn tận tình bảo, tạo điều kiện để em hồn thành luận văn tốt nghiệp Hà Nội, tháng 03 năm 2012 Tác giả Nguyễn Mạnh Dũng MỤC LỤC CHƯƠNG I 6  TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÀM MÁT TRONG ĐỘNG CƠ 6  1.1 Lịch sử ngành động đốt 6  1.2 Ít có khẳ cải tiến động đốt 10  1.3 Vai trò hệ thống làm mát 11  1.4 Các loại hệ thống làm mát 12  1.4.1 Hệ thống làm mát nước 13  1.4.2 Hệ thống làm mát khơng khí 18  1.5 So sánh hệ thống làm mát khơng khí hệ thống làm mát nước 18  1.6 Phương pháp tính hệ thống làm mát thông thường 20  1.7 Nội dung nhiệm vụ luận văn .21  1.7.1 Các đề tài nghiên cứu hệ thống làm mát 21  1.7.2 Nội dung nhiệm vụ luận văn 21  CHƯƠNG 22  MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG LÀM MÁT TRONG ĐỘNG CƠ 22  2.1 Xây dựng mơ hình tính 22  2.1.1 Giới thiệu mơ hình tính 22  2.1.2 Các giả thiết mơ hình tính tốn 24  2.2 Xác định tổn thất áp suất 24  2.2.1 Tổn thất qua két nước làm mát 24  2.2.2 Tổn thất qua bơm nước ly tâm 24  2.2.3 Tổn thất qua van nhiệt 24  2.2.4 Tổn thất qua đường ống dẫn 24  2.2.5 Tổn thất qua góc bơm 24  2.3 Hệ phương trình tính tốn .24  2.3.1 Nhiệt tryền từ động qua vách xy lanh cho nước 24  2.3.2 Nhiệt truyền từ nước két cho không khí 26  2.3.3 Nhiệt lượng bơm nước tải 28  2.3.4 Nhiệt quạt gió mang 28  2.3.5 Giải hệ phương trình 28  CHƯƠNG 30  TÍNH TỐN BƠM NƯỚC, QUẠT GIĨ, KÉT NƯỚC THEO U CẦU CỦA MƠ HÌNH TÍNH TOÁN TỔNG THỂ 30  3.1 Các thông số làm việc máy thủy lực 30  3.1.1 Cột áp 30  3.1.2 Lưu lượng 31  3.1.3 Công suất hiệu suất 32  3.1.4 Đặc tính bơm H = f(Q) 33  3.2 Điểm làm việc điều chỉnh điểm làm việc bơm .35  3.2.1 Điểm làm việc 36  3.2.2 Phương pháp điều chỉnh điểm làm việc hệ thống 36  3.3 Thiết lập đặc tính bơm nước 39  3.4 Thiết lập đặc tính lưới .41  3.5 Lưu lượng nước 43  3.6 Lưu lượng khơng khí quạt cung cấp 43  3.7 Tính thông số két 44  3.7.1 Hệ số tản nhiệt nước đến thành ống 45  3.7.2 Xác định diện tích F1k diện tích F2k 49  3.7.3 Xác định hệ số tản nhiệt α2k 50  CHƯƠNG 57  XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH BẰNG NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH CSHARP (C#) 57  4.1 Vài nét ngơn ngữ lập trình Csharp (C#) 57  4.2 Xây dựng chương trình tính 60  4.3 Các chương trình 62  4.3.1 Tính nhiệt lượng làm mát động truyền cho nước làm mát 62  4.3.3 Tính thơng số két 63  4.3.4 Tính lưu lượng nước 67  4.4 Chương trình 70  4.5 Kết 71  CHƯƠNG 72  TÍNH TỐN KIỂM NGHIỆM HỆ THỐNG LÀM MÁT CỦA ĐỘNG CƠ D50 72  5.1 Giới thiệu hệ thống làm mát động D50 .72  5.2 Dùng phần mềm kiểm nghiệm cho hệ thống làm mát động D50 .73  5.2.1 Nhập thông số động 73  5.2.2 Nhập thông số cho bơm 73  5.2.3 Nhập thơng số cho lưới tìm điểm làm việc bơm 74  5.2.4 Nhập thông số cho quạt 74  5.2.5 Nhập thông số cho két 75  5.2.6 Chạy chương trình cho kết 75  PHỤ LỤC 79  PHẦN LẬP TRÌNH 79  CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÀM MÁT TRONG ĐỘNG CƠ 1.1 Lịch sử ngành động đốt Lịch sử ngành động đốt biết đến động đốt chế tạo vào năm 1860 Lenoir, nhà kỹ thuật nghiệp dư Vào năm 1897, động diesel đời Từ đến nay, ngành động đốt không ngừng phát triển ngày lớn mạnh giữ vai trò trọng yếu kinh tế giới Trong năm 90 kỷ 20, sản lượng bình quân động đốt đạt khoảng 40 triệu chiếc/năm Những năm trở lại đây, số lượng chủng loại phát triển mạnh mẽ mang tính đột phá cải tiến, thiết kế áp dụng tiến kỹ thuật vào sản xuất động nói riêng ngành ơtơ, điều góp phần lớn vào phát triển chung nhân loại Những cải tiến chủ yếu thường giải vấn đề sau: - Không ngừng tăng công suất tăng tính kinh tế, đại hóa cơng nghệ sản xuất tự động hóa q trình điều khiển động nhằm đạt tính kinh tế độ tin cậy cao, chống ô nhiễm môi trường giảm giá thành - Do nhu cầu trang bị động lực cho phương tiện vận tải nên ngày đòi hỏi hoàn thiện kết cấu tính kỹ thuật, chẳng hạn cơng suất cao, tốc độ lớn, tăng tải trọng, động làm việc điều kiện khắc nhiệt khác Nên việc tăng cơng suất động tăng tính tự động hóa, giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải giúp giảm giá thành mang lại hiệu sử dụng, hiệu kinh tế cao Trong vận tải đường bộ, trọng tải xe đa dạng khoảng từ 0,5 đến 700 công suất động tăng từ 10 đến 1500 mã lực Đối với vận tải đường thủy thể rõ tính ưu việt động đốt Tàu biển đạt trọng tải từ vài nghìn đến triệu tấn, công suất động tàu thủy đạt 30.000 đến 50.000 mã lực Công suất xy lanh vượt qua 4000 mã lực Các hãng tiếng động cỡ lớn MAN (Đức), FIAT (ý), SULZER (Thụy Điển), MITSUBITSHI (Nhật) … Hiện nay, hãng tiếp tục nghiên cứu khả tăng công suất giảm suất tiêu hao nhiên liệu Nhình lại lịch sử phát triển ngành động đốt trong, ta thấy động Lenoir đạt công suất mã lực, hiệu suất đạt 3%, đến công suất động đạt 100.000 mã lực (hãng Huyndai) hiệu suất đạt khoảng 37-39% Ngày nay, việc phát triển động đốt phải quan tâm đến điều kiện phát thải khí thải nhằm giảm ô nhiễm môi trường, điều quan trọng lịch sử phát triển ngành động đốt Công suất động phụ thuộc vào nhiều thông số theo công thức sau đây: Ne  p e Vh i.n 30τ (kW) (1.1) Trong đó: pe – Áp suất có ích trung bình chu trình cơng tác (MN/m2) Vh- Dung tích cơng tác xylanh (dm3) i - số xylanh n - tốc độ trục khủy (vòng/phút)  - số kỳ động Như vậy, để tăng công suất động phải tiến hành biện pháp tăng thông số pe, Vh, i n giảm số kỳ  Khả tăng áp suất trung bình động biện pháp liên quan trực tiếp đến việc nghiên cứu cải thiện trình cháy động cơ, cải thiện trình hình thành khí hỗn hợp dạng buồng cháy cho động diesel động xăng Kết cấu buồng cháy động diesel đa dạng, nhiên tuân theo bốn ngun lý hình thành khí hỗn hợp đốt cháy nhiên liệu sau đây: - Quá trình cháy khơng gian, tồn tia phun nhiên liệu không chạm vào mặt buồng cháy - Q trình cháy nửa khơng gian, phần tia nhiên liệu phun vào dịng xốy qt chạm vào mặt buồng cháy - Quá trình cháy màng (thường gọi cháy M) kỹ sư Meurer người Đức phát minh Quá trình cháy màng ngược hẳn với trình cháy khơng gian, tồn tia nhiên liệu phun lên mặt buồng cháy, tia mồi chiếm – 8% Nhiên liệu thu nhiệt bốc cháy lớp màng nhiên liệu Quá trình cháy màng có ưu điểm lớn cháy êm, tỷ số P/ khơng q lớn q trình cháy khơng gian - Q trình cháy mồi, ngun lý thường dùng cho loại động GAZO – diesel mà ngày thường dùng động nhiên liệu kép Ngồi vấn đề nghiên cứu khơng ngừng q trình cháy nói trên, biện pháp tăng Pe có hiệu tăng áp suất khí nạp vào xylanh cách dùng máy nén khí với kỹ thuật tăng áp Ngày nay, áp suất có ích trung bình đạt trị số cao cho loại động kỳ 12 – 18 (at) Tăng Vh: tăng dung tích cơng tác để tăng cơng suất động thể rõ xu hướng tăng đường kính hành trình piston (như động tàu thủy) Ngày nay, đường kính xylanh D vượt 1000 mm hành trình đạt đến 2000 mm Những loại động kích thước thường lớn, dài từ 20-25 m, rộng từ – m, cao từ 11 – 12 m trọng lượng động thường nặng từ 3000 – 4000 (như động kiểu trượt) Tăng số xylanh i thường áp dụng rộng rãi, ngành ôtô với động công suất trung bình Khi tăng số xylanh, tính cân động tốt hơn, tính kinh tế tăng phức tạp (như động hình dùng cho máy bay tàu thủy cao tốc) Tăng số vòng quay n, phương pháp tăng số vòng quay n để tăng công suất phổ biến loại động ô tô động công suất nhỏ, trung bình Khi tăng số vịng quay, cơng suất tăng nhanh, động gọn nhẹ đồng thời lực qn tính tăng theo, độ hao mịn tăng nhanh, tuổi thọ động giảm, số vòng quay thường tăng đến mức độ định Giảm số kỳ động , giảm số kỳ động làm tăng nhanh công suất Ngày động kỳ động kỳ phân biệt rõ ràng phạm vi tính sử dụng Hiện đại hóa cơng nghệ sản xuất tự ddooongj hóa q trình điều khiển động nhằm đạt tính kinh tế độ tin cậy cao, chống ô nhiễm môi trường Công nghệ sản xuất động đốt ngày trở thành ngành cơng nghiệp có vị trí cao kinh tế giới Việc đại hóa sản suất xu hướng tất yếu, dây truyền sản xuất tựu động hóa tối đa, ứng dụng vật liệu mới, thành tựu điều khiển học, tin học, kỹ thuật số, …đã mang lại cho ngành động bước đột phá khơng ngừng, đóng vai trị quan trọng phát triển chung tồn cầu Những nghiên cứu tự động điều khiển thông số trình nạp, trình cung cấp nhiên liệu, q trình cháy thành phần khí thải, thực xác điều khiển điện t ECU Vic gim ụ nhim mụi trng, động diezen đà lắp hệ thống tự động lọc khói, động xăng dùng cảm biến ôxy (cảm biến ) để thông báo cho ECU điều chỉnh hệ số , hệ thống luân hồi khí xả EGR, hệ thống xúc tác khử độc hại khí xả Ngày độ xác công nghệ chế tạo đà có nhiều tiến v-ợt bậc nên tổn thất ma sát đà giảm đáng kể Đồng thời việc nghiên cứu sử dụng l-ợng khí thải n-ớc làm mát động nâng cao hệ số lợi dụng nhiệt tổng hợp Từ tiến thành tựu khoa học, công nghệ, tính kinh tế động thể suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/ml.h) giảm rõ rệt ... Các loại hệ thống làm mát Căn vào môi chất làm mát ta phân biệt loại hệ thống làm mát thể hình 1.2 12 Hình 1.2 Phân loại hệ thống làm mát 1.4.1 Hệ thống làm mát nước Hệ thống làm mát nước động có... trạng làm việc hệ thống làm mát động cơ. Từ ta kết luận trạng thái làm việc hệ thống làm mát động 71 CHƯƠNG TÍNH TỐN KIỂM NGHIỆM HỆ THỐNG LÀM MÁT CỦA ĐỘNG CƠ D50 5.1 Giới thiệu hệ thống làm mát động. .. 1.4.1 Hệ thống làm mát nước 13  1.4.2 Hệ thống làm mát không khí 18  1.5 So sánh hệ thống làm mát khơng khí hệ thống làm mát nước 18  1.6 Phương pháp tính hệ thống làm mát thơng