Lượng không khí nạp là thông số quan trọng cho việc đánh giá khả năng tăng công suất cho động cơ. Hình 3.14 thể hiện so sánh lượng không khí nạp rong hai trường hợp động cơ có tăng áp và không tăng áp.
Kết quả cho thấy trên toàn dải làm việc tốc độ thì lượng không khí nạp vào tăng rõ rệt khi động cơ được tăng áp. Lượng khí nạp tăng lớn nhất 53,10% tại tốc độ 1400 v/ph và tăng trung bình 46,46% trên toàn dải tốc độ làm việc. Như vậy cụm TB-MN đã làm việc hiệu quả, tận dụng được năng lượng khí thải để đưa thêm không khí vào xylanh.
3.5.2.2. Hệ số dư lượng không khí
Hệ số dư lượng không khí là thông số đánh giá tính đậm hay nhạt của hỗn hợp không khí - nhiên liệu. Để tăng công suất của động cơ thì cần phải tăng lượng
nhiên liệu đốt cháy, tuy nhiên trong trường hợp cụm TB-MN làm việc không hiệu quả sẽ làm
cho hỗn hợp nhiên liệu quá đậm và làm giảm hiệu quả quá trình cháy. Do vậy hệ số dư lượng không khí λ là thông số quan trọng để đánh giá mức độ tăng áp và đặc biệt là hiệu quả của cụm TB-MN đã lựa chọn. So sánh giá trị hệ số dư lượng không khí
λ theo tốc độ vòng quay khi động cơ có và không có tăng áp được thể hiện trong Hình 3.15
Nhìn chung động cơ D243 sau khi tăng áp, lượng khí nạp đã tăng lên, đồng thời lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình đã được hiệu chỉnh. Do đó hệ số λ thay đồi ít trên toàn dải tốc độ của động cơ. Điều này cho thấy, việc điều chỉnh tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp sau khi động cơ được tăng áp là phù hợp.
Tốc độ (v/phút)
3.5.2.3. Đánh giá áp suất dầu bôi trơn
Áp suất bơm dầu là thông số quan trọng trọng đánh giá khả năng bôi trơn cho động cơ. Đối với động cơ nghiên cứu sau khi tăng áp phải trích một đường dầu từ đường dầu chính để bôi trơn cho TB-MN, do vậy sẽ làm giảm lượng dầu bôi trơn cho động cơ. Trong nghiên cứu đã tính toán lại và đưa ra cải tiến cho bơm dầu để làm tăng lưu lượng và duy trì áp suất dầu bôi trơn để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho động cơ. Kết quả so sánh áp suất dầu bôi trơn trước và sau tăng áp được thể hiện trong Hình 3.16.
Hình 3.16. So sánh áp suất dầu bôi trơn
Nhìn chung, áp suất dầu trong trường hợp tăng áp vẫn được duy trì đảm bảo áp suất làm việc khoảng 3,2 kG/cm2. Điều này cho thấy việc tỉnh toán cải tiến HTBT là phù hợp.
3.5.2.4.Đánh giá nhiệt độ động cơ
Nhiệt độ động cơ là thông số quan trọng để đánh giá hiệu quả làm việc của HTLM sau khi cải tiến. Kết quả thử nghiệm nhiệt độ nước làm mát trước (chưa cải tiến) và sau khi tăng áp (đã cải tiến) được thể hiện trên Hình 3.17. Đồ thị cho thấy,
Tốc độ (v/phút)
sau khi tăng áp với HTLM được cải tiến, nhiệt độ động cơ gần như không thay đổi, chỉ tăng lên chưa tới 1%. Nhiệt độ làm việc trung bình của động cơ khoảng 80°c. Điều này cho thấy HTLM đã làm việc hiệu quả, đảm bảo được khả năng tản nhiệt cho động cơ.
3.5.3. So sánh độ khói trước và sau tảng áp
Độ khói là một thông số quan trọng đánh giá hiệu quả quá trình cháy của động cơ. Trong trường hợp quá trình cháy kém hoặc thiếu oxy sẽ làm tăng độ khói trong khí thải. Hình 3.18 thể hiện so sánh độ khói trong khí thải của động cơ trong hai trường hợp tăng áp và chưa tăng áp.
Hình 3.18. So sánh độ khói trong khí thải
Kết quả cho thấy quá trình cháy của động cơ sau khi tăng áp đã được cải thiện do đó làm giảm độ khói của động cơ do λ được cải thiện một chút ở vùng tốc độ cao như thể hiện trên Hình 3.16.
Tuy nhiên tại tốc độ vòng quay thấp hơn 1400 v/ph độ khói đạt tới 100, do vậy động cơ vẫn rơi vào vùng giới hạn khói đen. Muốn khắc phục, phải dùng loại TB biến hình [14,24] hoặc phải có biện pháp bổ trợ bằng MN cơ khí [10] hoặc MN điện. Tuy nhiên, các biện pháp này khá phức tạp và không phù hợp khi trang bị trên các loại động cơ cũ, đang lưu hành. Để hạn chế phát thải khói đen, không nên cho động cơ hoạt động trong dải tốc độ thấp.
3.6. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Kết quả trong bảng 3.5 thể hiện công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ D243 táng áp khi mô phỏng và thực nghiệm sai lệch không nhiều. Giá trị công suất trung bình sai lệch 3,55%, còn giá trị suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình sai lệch 3,22%.
Bảng 3.5. Kết quả so sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phòng và thực nghiệm của động cơ D243 tăng áp
Tốc độ (v/phút)
Công suất (kW) Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh)
Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch % Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch 1000 39,20 38,24 -2,54 248,64 243,24 -2,17% 1400 60,20 56,33 -6,43 237,28 258,47 8,93% 1600 66,17 66,56 0,59 230,48 248,91 8,00% 1800 73,30 70,24 -4,17 228,96 256,48 12,02% 2000 75,73 72,22 -4,63 236,9 245,23 3,52% 2200 80,00 76,64 -4,20 251,08 252,73 0,66%
Bảng 3.6. Kết quả so sánh tỷ số tăng áp và hệ số dư lượng không khí giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ D243 tăng áp
Tốc độ (v/phút)
Tỷ số tăng áp (-) Hệ số dư lượng không khí(-)
Mô phỏng Thực
nghiệm Sai lệch Mô phỏng
Thực nghiệm Sai lệch 1000 1,31 1,33 1,53% 1,047 1,01 1,49% 1400 1,34 1,33 -0,75% 1,080 0,86 -4,63% 1600 1,37 1,44 5,11% 1,074 0,85 0,56% 1800 1,41 1,46 3,55% 1,074 0,97 5,21% 2000 1,45 1,48 2,07% 1,082 1,10 7,21%
2200 1,47 1,50 2,04% 1,177 1,22 4,50%
So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm hai thông số tỷ số tăng áp và hệ số dư lượng không khí được thể hiện trong Bảng 3.6. Tỷ số tăng áp sai lệch trung bình khoảng 2,22% và hệ số dư lượng không khí sai lệch trung bình 3,11% trên toàn giải tốc độ.
Với kết quả sai lệch không đáng kể về công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu cũng như tỷ số tăng áp và hệ số dư lượng không khí, cho thấy việc sử dụng các kết quả mô phỏng trên phân mềm AVN-Boost làm cơ sở để tính toán lựa chọn cụm TB- MN để thực hiện cải tiến tăng áp cho động cơ là phù hợp và rút ngắn thời gian cũng như chi phí cho việc chuyển đổi động cơ từ không tăng áp thành tăng áp TB-MN.
3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Kết quả thực nghiệm cho thấy động cơ D243 sau khi tăng áp có ưu điểm sau. - Công suất tăng, đạt 76,64 kW Tăng 41,7% tại tốc độ n = 2200 v/ph, tăng trung bình khoảng 42% trên toàn giải tốc độ nghiên cứu.
- Tính năng kinh tế cũng được cải thiện rõ rệt, mức tiêu hao nhỏ nhất là 245,23g/kWh, giảm khoảng 8,6%, trung bình giảm 8,9%.
- Lượng không khí nạp vào tăng rõ rệt khi động cơ được tăng áp, cụ thể tăng lớn nhất 53,10% tại 1600 v/ph, tăng trung bình 46,46% trên toàn giải tốc độ làm việc.
- Hệ số dư lượng không khí được duy trì sau khi tăng áp.
- Thành phần khói đen của động cơ có cải thiện một chút ở vùng tốc độ cao khi tăng áp cho λ lớn hơn một chút, trong khi đó tại vùng tốc độ thấp thì thành phần này gần như không thay đổi so với trường hợp không tăng áp.
- Qua quá trình đánh giá và phân tích cho thấy kết quả mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost làm cơ sở để tính toán cải tiến tăng áp cho động cơ là phù hợp.
CHƯƠNG 4
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỀN 4.1. KẾT LUẬN CHUNG
Tăng áp cho động cơ cố độ bền cao đang lưu hành là một giải pháp kỹ thuật hợp lý ở Việt Nam nhằm tận dụng khả năng khai thác hiệu quả những động cơ này.
- Đưa ra quy trình công nghệ khả thi thực hiện tăng áp cho động cơ đang lưu hành:
+ Sử dụng các phần mềm mô phỏng AVL-Boost, AVL-Excite để tính toán khả năng tăng áp và lựa chọn tỷ số tăng áp.
+ Sử dụng các phần mềm mô phỏng AVL-Boost, AVL-Excite, Ansys để kiểm tra sức bền các chi tiết chính của động cơ sau tăng áp.
+ Tính toán, thiết kế điều chỉnh và cải tiến hệ thống làm mát, bôi trơn, đường nạp- thải.
+ Thiết kế, chế tạo, láp đặt, hiệu chỉnh và thử nghiệm động cơ sau tăng áp. - Đã áp dụng quy trình cho một động cơ diesel D243 cũ đang lưu hành: + Sử dụng phần mềm AVL-Boost xây dựng mô hình động cơ D243 nguyên bản và đánh giả độ chính xác của mô hình bàng số liệu đo đạc thử nghiệm.
+ Xây dựng được mô hình động cơ D243 tăng áp trên AVL-Boost và AVL- Excite Designer để đánh giá khả năng tăng áp của động cơ.
+ Mô phỏng chu trình công tác của động cờ và kiểm nghiệm bền trục khuỷu ở các tỷ số tăng áp khác nhau, từ đó lựa chọn được tỷ số tăng áp hợp lý là πk = 1,5.
Với tỷ số tăng áp đã chọn, tính toán lựa chọn được cụm TB-MN Garett (GT2554R) đáp ứng yêu cầu tăng áp. Tính toán chu trình công tác và kiểm nghiệm bền lại động cơ với cụm TB-MN này.
- Chế tạo, lắp đặt tại Công ty Diesel Sông Công:
+ Chọn mua được cụm TB-MN Garett GT2554R đáp ứng yêu cầu tăng áp. + Chế tạo đường nạp, thải mới đảm bảo lắp ghép thuận lợi và có kết cấu phù hợp.
+ Chế tạo puly bơm nước trên cơ sở kế thừa puly nguyên bản bằng cách tiện giảm kích thước của puly theo kết quả đã tính toán cải tiến.
+ Chế tạo mới cặp bánh răng bơm dầu theo kết quả tính toán cải tiến, hiệu chỉnh lại sức căng lò xo van an toàn bơm dầu.
- Kết quả thử nghiệm tại Công ty Diesel Sông Công:
+ Công suất đạt 76,64 kW tại 2200 v/ph, tăng 41,4%, suất tiêu thụ nhiên liệu nhỏ nhất 245,23 g/kWh, giảm 8,6%, giảm trung bình 8,9% trên toàn dài tốc độ.
+ Cụm TB-MN làm việc hiệu quả ở vùng tốc độ cao, tăng được lượng khí nạp vào xylanh trung bình 46,46%. Điều này cho thấy cải tiến hệ thống nạp, thải và trang bị cụm TB-MN Garett GT2554R là phù hợp.
+ Độ khói giảm tối đa 16,7% và giảm trung bình 7,9%.
+ Nhiệt độ làm mát ổn định ở 80°c. Điều này cho thấy việc cải tiến HTLM là phù hợp.
+ Áp suất dầu bôi trơn duy trì 3,2 kG/cm2. Động cơ làm việc bình thường trong quá trình thử nghiệm. Điều này cho thấy việc cải tiến HTBT là phù hợp.
4.2. KIẾN NGHỊ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Qua khảo sát và đánh giá các thí nghiệm của đề tài tôi thấy đề tài cải tiến động cơ diesel không tăng áp thành động cơ diesel tăng áp ở Việt Nam trong điều kiện thực tế như hiện nay là khả thi và rất phù hợp. Tuy nhiên nghiên cứu đánh giá hệ thống mới chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm.
Để đề tài này có thể ứng dụng rộng rãi vào thực tiễn, cần thiết phải làm bổ sung thêm các nghiên cứu chuyên sâu sau:
- Đánh giá độ ổn định của các hệ thống nạp, thải và hệ thống bôi trơn, làm mát.
- Thử nghiệm bền động cơ và thử nghiệm hiện trường để đánh giá khả năng làm việc của hệ thống trong thời gian dài và trong điều kiện làm việc thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Cù Huy Thành (2005), “ Nghiên cứu hoàn thiện cơ cấu phân phối khí động cơ diesel khi thủy hóa”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội.
2. Lê Đình Vũ (2006). Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học hệ thống thải đến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng của động cơ diesel 4 kỳ tăng áp bằng tuốc bin biến áp. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự.
3. Nguyễn Đại An (2002), “Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống nạp-thải khi thủy hóa”
4. Nguyễn Tất Tiến (2003), “Lý thuyết động cơ đốt trong”, NXB giáo dục. 5. Phạm Minh Tuấn (2013), “Lý thuyết động cơ”, NXN KH&KT Hà Nội. 6. Võ Nghĩa – Lê Anh Tuấn (2004), “Tăng áp động cơ đốt trong”, NXB KH&KT Hà Nội.
7. Lê Đình Vũ (2010). Nghiên cứu cường hóa động cơ B6 bằng tăng áp tuốc bin khí thải. Đề tài cấp Bộ (Bộ quốc phòng), nghiệm thu 11/2010.
8. Nguyễn Tiến Hán, Nguyễn Duy Vinh, Khổng Vũ Quảng, Phạm Minh Tuấn (2012). Nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun, áp suất phun và tỷ số nén đến đặc tính động cơ D243 sau khi tăng áp. Tạp chí KHCN, ĐHCN Hà Nội, số 9/2012.
9. Nguyễn Tiến Hán (2014). Nghiên cứu khả năng tăng áp động cơ diesel đang lưu hành. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật động cơ nhiệt, Trường ĐHBK Hà Nội.
Tiếng anh.
10. Aaron Edward Teo Sheng Jye, et.al, “Effects of Mechanical Turbo Compounding on a Turbocharged Diesel Engine”. 2013-01-0103/TSAE-13AP- 0103.
11. AVL Excite Desiger (2011), Theory, pape 2- 111.
12. AVL Excite Desiger (2013), Theory, Version 2013.1, edition 4/2013. 13. AVL- List GmbH (2009), BOOST v.2009 Users Guide & Theory, Hans- List- Platz 1, A- 8020 Graz, Austria.
14. Byongil, Takashi Shiraishi, “Development of Variable Two- stage Turbocharger for Passenger Car Diesel Engines”. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 47 No. 4, December 2010.
15. Chen, H, “Turbine wheel design for Garret advanced variable geometry turbines for commercial vehicle applications”. Institution of Mechenical Engineers (Great Britain), 8th International Conference on Turbochargers and Turbocharging, pp317- 328, 2006, IBBN: 1845691741, 9781845691745.
16. Colin R. Ferguson and Allan T. Kirkpatrick (2001), “Internal Combustion Engine: Applied Thermoscience”,Second edition, John Wiley & Sons, Inc.,
17. Desmond E Winterbone and Richard J Pearson (2010), “Theory of Engine Manifold Design- Wave action method for IC engines”. Professional Engineering Publising Limited, London and Bury St Edmunds, UK.
18. Desmond E Winterbone and Richard J Pearson (2010), “Design Techniques for Engine Manifolds- Wave action methods for IC engines”. Society of Automotive Engineers, Inc. Warrendale, Pennsylvania, USA.
19. Donghe Han, Seung K. Han, Bong H. Han and Woo T. Kim,
“Development of 2.0L Turbocharged DISI Engine for Downsizing Application”. SAE paper No. 2007- 01- 0259.
20. George E.Totten (2006), “Handbook of Lubrication and Tribulogy”, Volume 1, Application and Maintenace, 2th Edition, Taylor and Francis.
21. Gunter P. Merler, Christian Schawars (2009), “Combustion Engines Development”, Springer Heidelberg Dordrecht, London, NewYork.
22. Grant Lumsden, Dave OudeNijeweme, Neil Fraser and Hugh Blaxill,
“Development of a Turbocharged Direct Injection Downsizing Demonstrator Engine”, SAE paper No. 2009-01-1503.
23. Heywood, J. and Welling, O., “Trends in Performance Characteristics of Modern Automobile SI and Diesel Engines” SAE Int. J. Engines 2(1):1650- 1662, 2009, doi: 10.4271/2009-01-1892.
24. Hiroschi Uchida, et.al, “Transient Performance Prediction of the Tubocharging System with the variable Geometry Tubocharges”, TOYOTA Central R&D Labs.Ins.
25. Horst Bauer, Robert Bosch GmbH. (2003), “Diesel-Engine Manegement: An Overview”, Robert Bosch GmbH, ISBN: 3934584624, 9783934584624.
26. Klaus Mollenhauer, Helmut Tschoke (2010), “Hanbook of Diesel Engines”, Springer Heidelberg Dordrecht, London, NewYork.
27. P. Hoecker, F.Pfluger, Dr.J.W.Jaisle, Dr.S.Munz, “Modern turbocharging designs for passenger car diesel engines”. BorgWarner Turbosystems.
28. Richar van Basshuysen, Fred Schafer, “Internal combustion engine handbook”, SAE International, Siamens VDO, Automotive.
29. Unified Requirements: M53- Calculation of Crankshafts for I.C.Engines. 30. Wiliam P. Attard, Steven Konidaris, Elisa Toulson and Harry C. Watson,
“The Feashibility of Downsizing a 1.25 Liter Normally Aspirated Engine to a 0.43 Liter Highly Turbocharged Engine”, SAE paper No. 2007-24-0083.
31. Xinqian Zheng, et.al, “Stability Improvement of Turbocharger Centrifugal Compressor by Asymmetric Vaneless Diffuser Treatment”. Turbine Technical Conference and Exposition, Volume 6C: Turbomachinery, San Antonio, Texas, USA, June 3-7, 2013, ISBN: 978-0-7918-5524-9.