10 15 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 109
PHI Angle (Degree) X Coordinate (mm) P re ssu re ( N /m 2) PRESSURE (N/m2)
108
Hình 4.38 :Phân bố chuyển vị trên trục khuỷu
Trường hợp trục khuỷu chịu lực TMax. Ta tiến hành kiểm tra bền ở khuỷu số 3.
Trong trường hợp này má khuỷu chịu ứng suất uốn và xoắn lớn nhất, ngoài ra còn chịu ứng suất nén trong quá trình làm việc. ng suất tổng lớn nhất trên má khuỷu là 28,1 MN m2, ứng suất lớn nhất trên cổ trục khuỷu và chốt khuỷu khoảng 6 – 12
2
109
Hình 4.39 : Biểu đồứng suất dọc theo biên ḍng má khuỷu trường hợp lực ngang lớn nhất
4.3.4.4 Nhóm thân máy và nắp máy
Quá trình phân tích bền của buồng ch́y ch́nh ć xét đến trường hợp khi Bugi
xông và kim phun đã được lắp vào. Quy trình thực hiện cũng như ćc chi tiết trước. Tuy nhiên do mô hình lớn và ć ćc đường con với ḱch thước nhỏ nên việc chia
lưới diễn ra khá phức ṭp và dễsai śt. Do đ́ chất lượng phần tử cần được quan tâm
đặc biệt. Việc quản lý chất lượng phần tử được thực hiện trong môi trường Hypermesh thể hiện ở Hình 4.40 và Hình 4.41.
110
Hình 4.40 :Mô hình buồng ch́y ch́nh trong môi trường CATIA.
111
0 180 360 540 720
1 Nổ Thải Ṇp Nén
2 Thải Ṇp Nén Nổ
3 Nén Nổ Thải Ṇp
Hình 4.42 : Các quá trình của buống cháy 1, 2, 3 theo góc quay trục khuỷu Kếđến, tiến hành phân tích và kiểm bền buồng cháy chính. Do áp lực chủ yếu gây nên ứng suất nguy hiểm ṭi khu vực buồng cháy chính, tức là khoảng không gian giữa xi lanh và piston nên ta xét trường hợp buồng đốt đang ở quá trình cháy:
Buồng đốt 1: 2/3 quá trình ṇp
Buồng đốt 2: quá trình cháy
Buồng đốt 3: 1/3 quá trình thải
Khi động cơ làm việc ổn định, các buồng đốt chịu các lực khí thểtương ứng. Các quá trình giãn nở và nén là các quá trình đa biến với sốmũ đa biến tương ứng
như sau.
Buống đốt 1: 2/3 quá trình ṇp
Trong quá trình ṇp từ, thời gian piston di chuyển từĐCT đến ĐCD là
rất nhanh và piston chuyển động với vận tốc không đổi và luôn duy trì áp suất hút là 0,08MPa:
1 0, 08
p MPa
Buồng đốt 2: quá trình cháy
Áp suất của buồng đốt quá trình cháy pz 10, 404MPa
Buồng đốt 3: 1/3 quá trình thải
Do khi xupap mở ra, khí thải ć xu hướng cân bằng với áp suất khí quyển rất nhanh, do đ́ ta xem ́p suất ṭi 1/3 quá trình thài gần bằng áp suất khí quyển.
3 0,104
112
Qú tr̀nh đặt tải được thể hiện trên Hình 4.43. Vị trí Piston trong xi lanh ứng với góc quay của ba khủy cách nhau 120o.
Hình 4.43 : Vịtŕ đặt tải áp suất phân bốđều trong thành các xi lanh
Kết quả phân bố ứng suất và chuyển vị thể hiện trên Hình 4.44, 4.45, 4.46 và 4.47, nhận thấy ứng suất Von Misses trong cả hai trường hợp từ 19.5 MN/m2 đến 28.0 MN/m2, tức là vẫn bé hơn ứng suất tới ḥn [ ] 150 200MN / m 2. Do đ́, kết cấu buồng cháy chính và lốc ḿy đảm bảo bền.
P1
P2
113
Hình 4.44 : Phân bố chuyển vị nhìn theo mặt cắt ngang lốc máy
114
Hình 4.46 : Phân bố chuyển vị theo mặt cắt ngang lốc ḿy ph́a đối diện
115
4.4.Ḱt lu n
Qua phần tính toán sức bền bằng mềm Ansys giúp người nghiên cứu dễ
dàng nắm bắt được quá trình nghiên cứu mà không cần phải thông qua quá trình thực nghiệm thực tế, có thể thấy trước được những kết quả phân tích trong quá trình nghiên cứu, từ đ́ giảm chi phí nghiên cứu thực nghiệm mà vẫn bảo đảm độ chính xác cao.
Từ kết quả nghiên cứu có thểđưa ra những giải ph́p để khắc phục ćc nhược
điểm phát sinh trong quá trình thiết kế, cũng như đưa ra ćc giải pháp cải tiến nhằm nâng cao tính thiết thực của đề tài nghiên cứu.
116
Ch ơng 5
THIẾT KẾ C I TIẾN Đ NG C M U S D NG
NHIÊN LI U BIODIESEL
5.1.Gi i thi u về Biodiesel
Biodiesel còn được gọi dầu diesel sinh học là một lọi nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡđộng vật. Biodiesel nói chung là một lọi năng lượng ṣch. Mặt khác, chúng
không độc và dễ phân giải trong tự nhiên. Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel
được định nghĩa: “Là ćc mono alkyl ester của các axit ṃch dài có nguồn gốc từ
các lipit có thể tái ṭo ḷi như dầu thực vật, mỡđộng vật”.
Bản chất của Biodiesel là sản phẩm ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Tùy thuộc vào lọi dầu và lọi
rượu sử dụng mà alkyl ester có tên khác nhau:
- Nếu đi từ dầu cây đậu nành (soybean) và methanol th̀ ta thu được SME
(Soy Methyl Esters). Đây là lọi Esters thông dụng nhất được sử dụng ṭi Mỹ. - Nếu đi từ dầu cây cải dầu (rape-seed) và methanol th̀ ta thu được RME (Rape-Seed Methyl Esters). Đây là lọi esters thông dụng nhất được sử dụng ở châu Âu.
Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đ́ người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu
được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl ester gọi chung là Biodiesel.
Ngày 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế để cḥy ḿy. Năm 1912, ông đã dự b́o: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ ć thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những lọi dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ
117
dầu mỏ và than đ́”. Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang c̣n kiệt và những t́c động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, thì nhiên liệu tái sinh ṣch trong đ́ ć Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi. Để tưởng nhớ nguời đã ć công đầu tiên đón được giá trị to lớn của Biodiesel, Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng
năm bắt đầu từnăm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International Biodiesel Day).
Năm 1900 ṭi Hội chợ thế giới tổ chức ṭi Paris, Diesel đã biểu diễn động cơ
dùng dầu Biodiesel chế biến từ dầu phụng (ḷc). Trong những năm của thập kỷ 90,
Ph́p đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu ḥt cải, và được dùng ở ḍng B5 (5% Biodiesel với 95% Diesel) và B30 (30% Biodiesel trộn với 70% Diesel).
5.2.Đặc điểm của đ ng cơ m u
Động cơ Kubota D1703 được biết đến với việc sử dụng phương ph́p h̀nh
thành hỗn hợp trong buồng cháy xoáy lốc 3 dòng xoáy (three vortexs combustion)
Hình 5.1: Kết cấu của buồng ch́y three vortexs combustion động cơ D1703
1:cửa buồng cháy phụ; 2:buồng cháy phụ; 3: ba dòng xoáy; 4:kim phun; 5:buồng cháy phụ; 6:buri xông; 7:rãnh lõm dẫn hướng dòng xoáy; 8: lỗ lõm xoáy lốc
118
Trong phương ph́p hình thành hỗn hơp kh́ trong buồng cháy xoáy lốc. Buồng cháy của động cơ được chia làm hai phần :buồng cháy xoáy lốc có ḍng hình trụ hoặc hình cầu (KUBOTA D1703) đặt trên nắp xy lanh hoặc trong thân động cơ
và buồng ch́y ch́nh động cơ nằm trong xy lanh.Hai buồng ch́y này đươc nối với nhau bằng 3 đường lưu thông ć tiết diện lớn đặt tiếp tuyến với buồng cháy xoáy lốc.Thể tích buồng cháy xoáy lốc chiếm khoảng 0.5-0.8 % Thể tích toàn bộ Vc của buồng cháy,nhiên liệu được phun vào buồng cháy xoáy lốc.
Quá trình hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy xoáy lốc tiến hành như
sau: trong quá trình nén không khí từ xy lanh của động cơ bị đẩy vào buồng cháy xoáy lốc với tốc độ lưu thông lớn.Dòng không kh́ lưu động theo hướng tiếp tuyến ṭo nên vận động xoáy lốc ṃnh của không khí trong buồng cháy xoáy lốc làm cho khối lượng nhiên liệu đang phun vào buồng cháy lúc ấy được xé nhỏ ra và hỗn hợp
đều với không khí.
Sau khi nhiên liệu bốc cháy,áp suất và nhiệt độ của môi chất trong buồng cháy xoáy lốc tăng lên nhanh và trở nên lớn hơn so với buồng cháy chính vì vậy sản vật cháy,không khí nhiên liệu chưa ć điều kiện bốc cháy trong buồng cháy xoáy lốc đều được phun ra buồng cháy chính qua cửa hình móng cọp của buồng cháy xoáy lốc và tiếp tục bốc ch́y trong xy lanh động cơ.
119
Công dụng chủ yếu của buồng cháy xoáy lốc là ṭo ra vận động xoáy lốc ṃnh của không khí làm cho nhiên liệu và không kh́ được hòa trộn với nhau thật
đều.Chính vì vậy thể tích của buồng cháy xoáy lốc và diện tích tiết diện ngang của
đường thông nhau giữa buồng cháy xoáy lốc và buồng ch́y ch́nh tương đối lớn.Đường thông được đặt trên nắp buồng cháy.Nắp này được làm bằng thép hoặc gang nên chịu nhiệt và không được làm mát nên khi động cơ cḥy nắp buồng cháy rất nóng.Chính vì vậy đã làm tăng nhiệt độ không khí buồng cháy và làm cho nhiên liệu dễ bốc hơi kể cả những nhiên liệu có thành phần chưng cất nặng, cho nên khi
thay đổi phụ tải và số vòng quay của động cơ trong qú tr̀nh làm việc,động cơ vẫn rất ổn định.Tăng số vòng quay động cơ sẽ làm tăng tốc độ vận động của dòng khí xoáy lốc nên không kh́ được hòa trộn với nhiên liệu tốt hơn và qú tr̀nh công t́c
của động cơ ổn định hơn.
Muốn tận dụng khối lượng không khí trong buồng cháy chính vào quá trình hình thành khí hổn hợp và quá trình cháy của động cơ cần tìm biện pháp tập trung hầu hết khối không khí trong buồng cháy chính vào khu vực đối diện với họng thông,đồng thời ṭo điều kiện để cho môi chất trong buồng ch́y ch́nh được vận
động xoáy lốc ṃnh sau khi nhiên liệu đã bốc cháy trong buồng cháy xoáy lốc,tức là sau khi môi chất được phun ra từ cửa buồng cháy xoáy lốc vào buồng cháy chính.Một trong những biện pháp tốt nhất là khoét lõm đỉnh pistong ṭi khu vực đối diện với họng thông,đồng thời cố gắng giảm kẽ hở giữa đỉnh piston và nắp xy lanh nhằm mục đ́ch dồn hết không khí vào buồng cháy chính vào khu vực khoét lõm
trên đỉnh piston.
5.3.V n đề hòa tr n Biodiesel trên đ ng cơ
Hòa trộn hỗn hợp trong buồng ch́y động cơ Diesel, nhất là động cơ Diesel
phun gián tiếp đ́ng vai trò quan trọng trong quá trình mồi lửa và cháy của hỗn hợp nhiên liệu- không kh́ trong động cơ Diesel nhiều xy lanh. Hiện nay quá trình chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu Bio Diesel đang được tiến hành nhiều ở trong phòng thí nghiệm và ở ngoài thực tế, nhưng động cơ để thực hiện việc cḥy thử
120
nhiên liệu Bio- Diesel vẫn chủ yếu là các lọi động cơ ć cấu ṭo phù hợp với việc cḥy Diesel đơn thuần , nên khi chuyển qua cḥy Bio Diesel gặp một số vấn đề về đường nhiên liệu cũng như công suất của động cơ,…
Việc Nghiên cứu phương ph́p hòa trộn thích hợp với nguồn nhiên liệu Bio-
Diesel để ứng dụng trên động cơ nhiều xy lanh (3 xy lanh) là một hướng phát triển bắt kịp với xu hướng chung của thế giới khi chúng ta đi vào việc nghiên cứu chế
ṭo động cơ 3 xy lanh để phục vụ cho nhu cầu sản xuất.
Hiện nay việc sử dụng dầu Diesel sinh học pha với dầu Diesel thường đã
thực hiện ở nhiều nơi, dầu Diesel sinh học thường được pha với các tỉ lệ : B5, B10,
B30,… Đem ćc mẫu thử nghiệm nhiên liệu Diesel, Diesel pha với Diesel sinh học
được sản xuất từ mỡ cá theo các tỉ lệ B5, B10,B30 để thử các thành phần hóa học trong các mẫu nhiên liệu và so sánh một số thông số chính giữa hai lọi nhiện liệu này ta có thể thấy một sốđiểm sau (*)
Tính Chất Đơn Vị Diesel (0.05%) B5 B10 B 30 Khối lượng riêng Kg/L 0.8225 0.8372 0.8392 0.8496 Nhiệt độ chớp cháy 0 C 81 84 84 84 Độ nhớt động học ở 400 C cSt 2.918 3.255 3.571 4.041
Nhiệt lượng Kcal/kg 10978 10835 10775 10450
(* Kết quả từ Trung Tâm Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng 3- Quatest 3)
Có thể thấy độ nhớt và nhiệt độ của nhiên liệu Biodiesel tăng dần so với dầu
Diesel, điều đ́ đặt ra vấn đề khi sử dụng lọi nhiên liệu này cho động cơ sẽ ảnh
121
- Nhiên liệu Bio có tính chất thay đổi so với Diesel nên hầu hết các lọi buồng
đốt sử dụng phun trực tiếp sẽ gặp phải vấn đề lớn là áp suất phun không thay
đổi mà nhiên liệu Bio Diesel có khối lượng riêng và độ nhớt tăng lên nên khả năng động học của nhiên liệu sẽ kém làm cho khả năng hòa trộn của nhiên liệu kém hơn hẳn so với Diesel, điều này ảnh hưởng đến công suất và môment động cơ.
( *kết quả thử nghiệm trên nền động cơ Yanmar NF9)
- Nhiên liệu Bio ć t́nh ăn mòn cao hơn Diesel nên việc sử dụng kim phun nhiều lỗgây ăn mòn ṃnh và giảm tuổi thọ của động cơ
122
Hình 5.3: Sựthay đổi của kim phun sau khi test
Hình 5.4: Sựthay đổi của piston sau khi test
123
- Để giải quyết điều này chỉ có một ćch là tăng ́p suất phun lên và chế ṭo lọi kim phun chịu được áp suất phun này, đồng thời chế ṭo vật liệu chống
ăn mòn tốt . Từ những thay đổi trên ta phải tiến hành thay đổi kết cấu, dẫn
đến giá thành của động cơ tăng cao.
Trong khi đ́ sử dụng buồng cháy gián tiếp (IDI) là một giải pháp thay thế, hầu hết các lọi buồng cháy gián tiếp đều sử dụng vòi phun 1 lỗ, áp suất trung bình,
nhưng nhờ buồng cháy xoáy lốc có thể giúp hòa trộn nhiên liệu tốt hơn mà không
cần phải tăng ́p suất phun.
Và một trong những ứng dụng của buồng cháy xoáy lốc chính là lọi buồng cháy Three Vortex Combustion System-TVCS tỏ ra rất phù hợp và có tính khả thi
cao đối với động cơ sử dụng nhiên liệu Bio Diesel.
Hình 5.6: Mô hình buồng cháy Three Vortex
5.4.V n đề hòa tr n Biodiesel trên đ ng cơ có bu ng cháy TVC
Nhờ vào buồng cháy xoáy lốc TVCS mà dòng khí ṇp vào đ̣t được động
năng rất lớn, hỗ trợ tối ưu cho việc mồi lữa và bắt cháy giữa không khí và nhiên liệu Biodiesel khi nhiên liệu được phun vào buồng cháy xoáy lốc.
Buồng Cháy
Cửa Thoát Hình Ḍng đầu Pí tông