∂ + = ∂ r (2.46) Đây là phương trình liên tục biểu diễn dưới dạng tổng quát cho cả dòng chảy nén được và không nén được.
Trong đó:
- ρ: mật độ (kg/m3) - νr: vec tơ tốc độ
- Sm: khối lượng được thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán thứ 2 (chẳng hạn như do bay hơi...) và các nguồn do người dùng định nghĩa.
( x) ( )y ( z) m S t x y z ρν ρν ρν ρ ∂ ∂ ∂ ∂ + + + = ∂ ∂ ∂ ∂ (2.47)
Trong phương trình trên:
- Số hạng đầu tiên trong vế trái của phương trình là tốc độ thay đổi theo thời gian của khối lượng riêng.
- Ba số hạng tiếp theo là lưu lượng khối lượng đi ra khỏi phân tử các biên của nó theo các phương x, y, z.
Đối với dòng chảy không nén được thì khối lượng riêng p = const, khi đó phương trình bảo toàn khối lượng có dạng đơn giản như sau:
divνr = Sm (2.48) + Phương trình bảo toàn động lượng
( ) ( ) ( ) x X
x
p
u div vu div gradu B V
x ρ ρ µ ∂ + = −∂ + + ∂ ∂ uur (2.49) Trong đó: - u: tốc độ theo phương x (m/s) -µ: độ nhớt (kg m-1s-1) - p : áp suất tình (m)
- vx: các thảnh phần nhớt ngoài các thành phần trong div (µgradu).
Đối với dòng lưu động là chất khí cần phải bổ sung thêm phương trình trạng thái. Ngoài ra, còn có các điều kiện biên để xác định các thông số trong các phương trình nói trên. Tất cả tạo thành hệ phương trình mô phỏng dòng khí thực.
2.3.5. Cải tiến hệ thống làm mát
Hệ thống làm mát (HTLM) tuần hoàn trong động cơ sẽ lấy đi một lượng nhiệt khoảng 25-30% tổng lượng nhiệt cung cấp cho động cơ [4,10,16,26,28]. Tuy nhiên, khi được tăng áp, có nghĩa là tăng năng lượng cung cấp, giá trị này sẽ tăng lên dẫn tới HTLM nguyên bản không thể đáp ứng được các yêu cầu về tản nhiệt, duy trì chế độ làm việc ổn định. Do đó, cần phải có các giải pháp cụ thể tác động vào HTLM, ví dụ như: cải tiến bơm nước để cung cấp đủ lượng nước theo yêu cầu cho HTLM bằng cách thay đồi tốc độ của bơm, thay đổi kết cấu của bơm, thay đổi két làm mát nước.
HTLM của động cơ sau khi tăng áp phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Lưu lượng nước làm mát tuần hoàn trong hệ thống làm mát phải đủ để mang lượng nhiệt do động cơ truyền cho HTLM
- Bơm nước cung cấp đủ lượng nước theo yêu cầu cho HTLM
- Kết cấu của két nước làm mát và quạt gió tải được lượng nhiệt cần thiết ra môi trường
- Hạn chế thay đổi nhiều hay đồng thời các kết cấu của HTLM mà vẫn đáp ứng được yêu cầu.
Để tăng lưu lượng nước làm mát động cơ, có các phương án liên quan tới các chi tiết trong hệ thống như sau: (i) cải tiến bơm nước ly tâm: thay đồi tốc độ của bơm, thay đổi kết cấu của bơm; (ii) cải tiến két nước làm mát: thay số lượng ống, số hàng ống, số ống trên một hàng, tiết diện của ống, số lá tản nhiệt; (iii) cải tiến thay đổi kết cấu của quạt làm mát: tốc độ của quạt, chiều rộng, chiều dài của quạt. Trong các phương án kể trên, thay đổi tốc độ bơm nước bằng cách thay đổi tỷ số truyền của cặp puly bơm nước là phương án khả thi, đơn giản và hiệu quả.
Sau khi động cơ được tăng áp, nhiệt độ khí nạp tăng lên. Nhiệt độ khi nạp càng cao thi mật độ không khí càng giảm, vì thế lượng khí nạp vào buông đốt sẽ ít hơn. Bằng biện pháp kỹ thuật giảm nhiệt độ khí nạp sau khi táng áp, môi chất có thể nạp nhiều hơn nhờ đó làm tăng công suất động cơ. Để làm mát khí nạp, sử dụng két làm mát trung gian bố trí sau máy nén trước khi vào các ống phân phối tới từng xylanh. Phần lớn các động cơ tăng áp cao đều phải trang bị két làm mát trung gian, còn đối với động cơ tăng áp thấp, trung bình không cần thiết phải bố trí két làm mát trung gian [4]. Vì trong thực tế là không cần thiết, do vây sẽ không sử dụng két làm mát trung gian để làm mát khí tăng áp nhằm giảm thiểu thay đổi kết cấu đường nạp.
2.3.6. Cải tiến hệ thống bôi trơn
Hệ thống bôi trơn (HTBT) trong động cơ có nhiệm vụ giảm ma sát, tẩy rửa các bề mặt và tản nhiệt cũng như chống ăn mòn, oxy hóa các chi tiết kim loại. Khi tăng áp, phụ tải tác dụng lên các ổ trục, chốt tăng lên đồng thời tải trọng nhiệt cũng tăng. Ngoài ra, khi tăng áp bằng TB khí thải, cần phải bố trí thêm đường dầu đi bôi trơn cụm chi tiết này. Khi đó phải thay đổi lại HTBT để có thể cung cấp dầu với lưu lượng và áp suất đáp ứng được các chế độ làm việc của động cơ [20,21,25,26].
HTBT của động cơ sau tăng áp phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Lưu lượng dầu bôi trơn tuần hoàn trong HTBT phải đủ để bôi trơn các bề mặt ma sát trong hệ thống (ổ trục, piston-xylanh, cơ cấu phối khí, cụm TB-MN...)
- Bơm bánh răng cung cấp đủ lượng dầu bôi trơn với áp suất theo yêu cầu trong HTBT
- Hạn chế thay đổi nhiều hay đồng thời các kết cấu của HTBT mà vẫn đáp ứng được yêu cầu
- Bố trí đường dầu bôi trơn cấp cho cụm TB-MN.
Để giải quyết vấn đề về lưu lượng bơm dầu, có hai phương án: - Thay đổi kích thước và biên dạng bơm bánh răng
- Tăng tỷ số truyền của cặp bánh răng truyền động bơm dầu.
Phương án (i) đảm bảo được kích thước nhỏ gọn, không gian bố trí trong hệ thống thay đổi không nhiều. Tuy nhiên chi phí chế tạo bơm bánh răng cao hơn chế
tạo cặp bánh răng truyền động, do đó ưu tiên lựa chọn phương án thứ hai. Phương án (ii) khá đơn giản; có thể tháo cặp bánh răng để thiết kế chế tạo mới; kết cấu hệ thống thay đồi không nhiều mà vẫn đảm bảo được yêu cầu.
2.4. XÂY DỰNG QUI TRÌNH CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ KHÔNG TĂNG ÁP THÀNH ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP
Trên cơ sở quan điểm và điều kiện để thực hiện cải tiến tăng áp bằng TB- MN cho các động cơ diesel đang lưu hành như đã trình bầy ở trên, quy trình thực hiện tăng áp đã được xây dựng như thể hiện trên (hình 2.5). Trên hình 2.5 cho thấy quy trình thực hiện tăng áp bằng TB-MN cho động cơ diesel đang lưu hành được chia thành 3 phần chính, bao gồm:
Phần 1. Đánh giá khả năng tăng áp cho động cơ đã chọn. Trong phần này, thực hiện lựa chọn động cơ để thực hiện tăng áp, với các đặc điểm kết cấu, thông số và thực trạng kỹ thuật hiện tại làm cơ sở thực hiện quá trình tính toán mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost và AVL – Excite Designer. Tính toán các chu trình nhiệt động của động cơ nguyên bản được thực hiện trên phần mềm AVL – Boost, kết quả tính toán trên phần mềm AVL – Boost sẽ là cơ sở dữ liệu đầu vào và tính toán kiểm bền cho trục khuỷu động cơ trên phần mềm AVL – Excite Designer. Kết quả phân tích này sẽ được đem so sánh với điều kiện thừa bền để làm cơ sở xác định khả năng tăng áp cho động cơ. Trong đó điều kiện thừa bền được xác định trên cơ sở ứng suất cho phép của vật liệu hoặc hệ số an toàn mỏi cho phép với hệ số thừa bền. Để đảm bảo tính hiệu quả việc thực hiện tăng áp băng TB-MN cho các động cơ đang lưu hành thì hệ số thừa bền phải lớn hơn 1,3 để có thể tăng được công suất của động cơ khoảng 30% [1]. Như vậy trong quá trình tính toán xác định khả năng tăng áp cho động cơ, nếu kết quả tính bền từ phần mềm AVL – Excite Designer mà đạt điều kiện thừa bền thì mới đưa sang phần tiếp theo để tính toán xá định tỷ số tăng áp cho động cơ, còn nếu không đạt kết quả thừa bền thì loại, không thực hiện tăng áp.
Phần 2. Xác định tỷ số tăng áp cho động cơ. Trong phần này tỷ số tăng áp được lựa chọn trên cơ sở tính bền ở phần 1 và theo phương pháp tăng dần. Ứng với tỷ số tăng áp ban đầu đã chọn sẽ thực hiện tính toán các chu trình nhiệt động và tính
kiểm bền động cơ, ứng với tỷ số tăng áp đã chọn trên phần mềm AVL – Boost và AVL – Excite Designer, các bước thực hiện được tiến hành tương tự như ở phần 1. trong đó, điều kiện đủ bề được xác định trên cơ sở ứng suất cho phép của vật liệu hoặc hệ số an toàn mỏi cho phép. Như vậy quá trình tính xác định tỷ số tăng áp kết thúc khi kết quả tính bền từ AVL – Excite Designer đạt yêu cầu. Tuy nhiên để đảm bảo yêu cầu việc cải tiến các hệ thống của động cơ khi thực hiện tăng áp TB-MN phải đơn giản và không làm thay đổi nhiều về nguyên lý, kết cấu các hệ thống. Theo kinh nghiệm các nhà sản xuất động cơ, nếu tỷ số tăng áp mà lớn hơn khoảng 1,7 thì cần thiết phải tính toán cải tiến lại các chi tiết và các hệ thống khác để đảm bảo khả năng làm việc ổn định [16,18]. Ngoài ra, khi tăng áp cao mà không thay đổi lại cơ cấu phối khí hay quy luật cung cấp nhiên liệu thi không tối ưu được chu trình cồng tác, quá trình quét khí kém, các chi tiết bị nóng. Vì vậy, trong nghiên cứu này, để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật thì hệ số tăng áp lựa chọn không lớn hơn 1,7.
Phần 3, tính toán cải tiến các hệ thống và kiểm bền các chi tiết chính cho động cơ sau khi thực hiện tăng áp bằng TB-MN.
Trong phần này, trên cơ sở tỷ số tăng áp đã xác định được trên phần 2, thực hiện lựa chọn cụm TB-MN. Sau khi lựa chọn được cụm TB-MN sẽ tiến hành tính toán chu trình nhiệt động của động cơ sau khi tăng áp bằng cụm TB-MN đã chọn trên phần mềm AVL- Boost. Các kết quả tính được từ phần này sẽ là cơ sở để thực hiện tỉnh toán, thiết kế cải tiến các hệ thống và kiểm bền các chi tiết chính bằng các phần mềm CFD Fluent, Matlab và Ansys. Trong phần này các hệ thống, như HTNL, hệ thống đường nạp và thải, HTLM, HTBT, cơ cấu phối khí và các chi tiết chính gồm piston, thanh truyền và nắp máy được thực hiện tính toán, cải tiến, kiểm bền và chế tạo nếu cần thiết. Động cơ sau khi được hoàn thiện phần cải tiến các hệ thống sẽ tiến hành thử nghiệm kiểm tra và đánh giá thực trạng của động cơ trên băng thử thông qua đặc tính kỹ thuật và tính ổn định làm việc của động cơ sau khi thực hiện cải tiến tăng áp. Quả trình thiết kế cải tiến chỉ kết thúc khi kết quả kiểm tra đánh giá động cơ sau khi tăng áp đáp ứng các yêu cầu về tính năng kỹ thuật, độ ổn định làm việc của các hệ thống và động cơ.
Với quy trình thực hiện tăng áp cho động cơ diesel đang lưu hành được chia thành 3 phần như trên đã thể hiện quy trình cải tiến được thực hiện theo các bước và phải đặt các yêu cầu trong từng phần thì mới tiếp tục thực hiện bước tiếp theo. Như vậy, sẽ đảm bảo giải quyết hoàn thiện từng phần, tránh không để xảy ra các bước thực hiện thừa không cần thiết ở các phần tiếp theo khi không đạt điều kiện ở phần trước.
Cơ sở lý thuyết để thực hiện các bước trên sẽ được trình bày chi tiết ở các nội dung tiếp theo.
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trên cơ sở các nội dung đã trình bày, có thể rút ra những kết luận như sau: - Quy trình cải tiến tăng áp cho động cơ được thực hiện một cách đơn giản nhằm tiết kiệm chi phí chuyển đổi, nhưng vẫn bảo đảm sau khi tăng áp động cơ phải hoạt động ổn định.
- Đối tượng tăng áp là các loại động cơ diesel chưa tăng áp có khả năng dự trữ độ bền, đáp ứng các yêu cầu làm việc khi tăng áp.
- Việc tính toán lựa chọn tỷ số tăng áp dựa vào kết quả tính toán chu trình nhiệt động bằng phần mềm AVL-Boost và tính toán bền trục khuỷu bằng phần mềm AVL- Excite Designer.
- Với tỷ số tăng áp phù hợp, tiến hành tính toán và lựa chọn một cụm TB- MN phù hợp với thông số làm việc, kết cấu lắp đặt thuận tiện nhất. Tính toán sự phù hợp của động cơ với cụm TB-MN đã chọn, nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số sau khi tăng áp.
- Các hệ thống khác của động cơ được cải tiến để đáp ứng được các yêu cầu cụ thể, với tiêu chí hạn chế thay đổi trên động cơ nguyên bản. Hệ thống nạp, thải được cải tiến để lắp đặt được cụm TB-MN và hệ thống BT-LM cũng được cải tiến để nâng cao hiệu quả bôi trơn và làm mát cho động cơ.
CHƯƠNG 3
THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ 3.1. MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM
3.1.1. Mục tiêu thí nghiệm
Quá trình thử nghiệm động cơ trên băng thử nhằm mục đích đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sau khi tăng áp. Kết quả thử nghiệm được so sánh với động cơ nguyên bản và mô hình động cơ D243 tăng áp trong phần mềm AVL- Boost, để từ đó khẳng định lại tính chính xác của mô hình mô phỏng.
Trong quá trình thực nghiệm, các thông số làm kỹ thuật của các HTLM, HTBT, hệ thống nạp, thải được theo dõi để từ đó đánh giá hiệu quả làm việc của các hệ thống này sau khi được cải tiến.
Quá trình thử nghiệm được tiến hành song song với các cải tiến phù hợp để nâng cao được tính hiệu quả và kinh tế của động cơ sau khi tăng áp.
3.1.2. Phạm vi thí nghiệm
Trong nội dung đã trình bày ở Chương 2, quá trình đo đạc xây dựng đặc tính động cơ D243 được thực hiện trên cơ sở đó xác định được các số liệu tin cậy để xây dựng mô hình mô phỏng.
Các nội dung thử nghiệm trong Chương 3 được tiến hành trên băng thử động lực Meiden tại Công ty Diesel Sông Công Thái Nguyên.
3.2. TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.2.1. Động cơ thử nghiệm
Để đảm bảo kết quả thử nghiệm so sánh đối chứng được tin cậy, động cơ D243 nguyên bản được đo đạc lại đặc tính trước khi tiến hành những cải tiến[ ]9 .
Các chi tiết puyly bơm nước, bánh răng dẫn động, bơm dầu được chế tạo đảm bảo kích thước và độ chính xác theo thiết kế.
Bơm cao áp được điều chỉnh xoay tương đối piston với vành răng theo hướng tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình.
Sau khi đo đạc các thông số đối với động cơ nguyên bản, tiến hành lắp cụm TB-MN, puly bơm nước, bánh răng dẫn động bơm dầu và căn chỉnh BCA. Động cơ được lắp lên băng và đo đạc xác định các thông số cần thiết.
3.2.2. Băng thử động cơ
Băng thử động cơ được trang bị tại Diesel Sông Công Thái Nguyên là băng thử điện, có ký hiệu là Meiden. Phanh điện có thể hoạt động ở hai chế độ là động cơ điện và máy phát điện.
Với chế độ động cơ điện thì phanh điện có khả năng làm việc với công suất tôi đa là 150kW trong dải tốc độ từ 1000 đến 6000v/ph. Phạm vi công suất của băng hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu thử nghiệm trên động cơ D243 nguyên bản cũng như sau khi trang bị tăng áp.
Băng thử được trang bị hệ thống làm mát bằng nước, việc lắp đặt động cơ và các thiết bị đo phụ trợ lên băng thử được thực hiện một cách đơn giản, dễ dàng. Sơ