Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3 Ảnh hưởng của hình dạng họng nạp đến đặc trưng dịng khơng khí nạp bên
2.3.1 Hệ số lưu lượng
Hệ số lưu lượng được định nghĩa là tỷ số giữa tỷ lệ lưu lượng thực tế đo ở điều kiện tiêu chuẩn và tỷ lệ lưu lượng lý thuyết. Đường kính xi-lanh được xem như chiều dài đặc trưng cho tính tốn tỷ lệ lưu lượng lý thuyết.
tt k lt m α = m (2.22)
Tỷ lệ lưu lượng thực tế đo ở điều kiện tiêu chuẩn được tính theo biểu thức sau đây: tt tt tt P m = V. R.T (2.23)
Tỷ lệ lưu lượng lý thuyết được tính theo biểu thức:
lt s s
m = Aρ C (2.24)
Diện tích piston được tính từ đường kính xi-lanh:
2
π
A = D
4 (2.25)
30 1 k 1 2 s tt 1 P P ρ = R.T P (2.26)
Vận tốc dịng khí được tính tốn bởi dịng đẳng entropy:
k 1 k 2 s tt 1 P 2k C = .R.T . 1 k 1 P (2.27) Trong đĩ: 2 1 P = 101325 N/m 2 1 P = P ΔP 2.3.2 Độ xốy
Chuyển động quay của dịng khí bên trong xi-lanh được gọi là độ xốy. Độ xốy giúp tăng cường sự hịa trộn của khơng khí và nhiên liệu thành một hỗn hợp đồng nhất trong một thời gian ngắn. Nĩ cũng là cơ chế chính để ngọn lửa lây lan nhanh chĩng trong quá trình cháy.
Độ xốy cĩ thể tạo ra bằng cách xây dựng cấu trúc hệ thống nạp cung cấp một thành phần tiếp tuyến với dịng khí nạp đi vào xi-lanh. Điều này được thực hiện bằng cách tạo hình dáng và đường vịng quanh họng nạp, rãnh hút và mặt piston.
31
Hình 2.1: Swirl
Ảnh hưởng của độ xốy đối với q trình hịa trộn khơng khí – nhiên liệu:
Trong động cơ Diesel, thời gian hịa trộn giữa khơng khí – nhiên liệu diễn ra trong thời gian rất ngắn. Gia tăng swirl (hay tăng SR) trong buồng cháy sẽ làm đẩy nhanh quá trình hịa trộn khơng khí – nhiên liệu trong xi-lanh. Qua đĩ, làm giảm lượng soot sinh ra trong quá trình giãn nở, giảm tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, tăng swirl cũng làm tăng sự phân bố đồng đều của nhiên liêu trong buồng cháy, làm tăng nhiệt độ buồng cháy. Sự tăng nhiệt độ này là điều kiện thuận lợi để tăng lượng NOx sinh ra do quá trình cháy.
32
Hình 2.2: Chuyển động tiếp tuyến và chuyển động hướng trục
Tỷ số xốy: là một thơng số khơng cĩ thứ nguyên, dùng để xác định số lượng
chuyển động quay trong xi-lanh, và được xác định theo hai cách khác nhau:
u
A
C SR =
C . Trong đĩ: (2.28)
Cu là vận tốc tiếp tuyến của dịng khí trong xi-lanh, C = π . D . nu CA là vận tốc hướng trục của dịng khí trong xi-lanh
real A 2 V C = π D 4
Vận tốc tiếp tuyến và vận tốc hướng trục được xuất từ kết quả tính tốn bằng phần mềm mơ phỏng.
Hình dưới cho thấy sự thay đổi tỷ số xốy qua các quá trình trong buồng cháy. Tỷ số xốy cao trong quá trình nạp, giảm sau quá trình nén do ma sát với thành xi-lanh.
33
Hình 2.3: Sự thay đổi tỷ số xốy qua các quá trình trong động cơ 2.3.3 Tổn thất trong đường ống 2.3.3 Tổn thất trong đường ống
Tổn thất dọc đường ống:
Khi một dịng chảy chuyển động trong ống thì luơn luơn sinh ra sự mất mát năng lượng do sự ma sát giữa dịng khí với thành ống hoặc giữa các phần tử chất khí với nhau. Sự tổn thất năng lượng càng lớn khi quãng đường di chuyển trên đường ống càng dài, do đĩ sự tiêu hao năng lượng này được gọi là sự tổn thất năng lượng dọc đường và được ký hiệu là hd.
Tuy nhiên quãng đường dịng khí nạp di chuyển trong đường ống nạp là khơng dài nên ta cĩ thể bỏ qua sự tổn thất năng lượng dọc đường ống.
Tổn thất cục bộ trong đường ống:
Ngồi tổn thất năng lượng dọc theo dịng chảy, trên đường ống cịn cĩ những tổn thất cục bộ xảy ra tại những vị trí cĩ tiết diện ống thay đổi, tại những chỗ uốn cong hoặc tại các van.
34
Thơng thường, đối với một đường ống dài thì tổn thất cục bộ khơng đáng kể đối với tổn thất dọc đường, nên cĩ thể bỏ qua. Tuy nhiên, đối với những đường ống ngắn thì tổn thất cục bộ ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất trên đường ống.
Từ thí nghiệm người ta nhận thấy rằng tổn thất cục bộ tỉ lệ với dịng khí lưu tốc và đưa ra cơng thức tổng quát tính tổn thất cục bộ như sau:
2
cb
V h = ξ
2g (2.29)
Trong đĩ ξ được gọi là hệ số tổn thất năng lượng cục bộ phụ thuộc vào loại tổn thất và thường được xác định bằng thực nghiệm.
35
Chương 3
NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM VÀ THỰC NGHIỆM
3.1 Phân tích đánh giá và lựa chọn phương án thực nghiệm phù hợp
Dựa trên những kết quả nghiên cứu mơ phỏng về biên dạng hình học của họng nạp động cơ RV165-2 được cơng bố trong tạp chí Phát triển KH&KT tập 18, số K3-2015: “Mơ phỏng và năng cao tính năng làm việc cho động cơ Diesel 1 xi-
lanh bằng thiết kế cải tiến họng nạp” [12]. Hai trong bảy phương án (Phương án 02
và Phương án 04 trong bài báo) được lưa chọn chế tạo thực nghiệm dựa trên các tiêu chí sau: kết quả mơ phỏng tốt, ý kiến đĩng gĩp của các chuyên gia trong ngành, và khả năng cơng nghệ để ứng dụng cho việc sản xuất hàng loạt. Đồng thời để nâng cao tính so sánh và đối chứng thì hai phương án thay đổi thiết kế họng nạp RV165-2 đơn giản (ngẫu nhiên) và chưa qua mơ phỏng cùng lúc được chế tạo để làm thí nghiệm và thực nghiệm so sánh với họng nạp của động cơ hiện hữu. Như vậy, cĩ 5 phương án được chế tạo để tiến hành quá trình thực nghiệm như trong bảng sau:
Phương án Hình ảnh
Phương án hiện hữu
36
Phương án ngẫu nhiên
Phương án ngẫu nhiên 1: Thẳng 1800
Phương án ngẫu nhiên 2: Cong 900
Hình 3.2 Phương án ngẫu nhiên 01
37
Phương án cải tiến 01
(Phương án 02 trong bài báo: Tăng độ cong) (Phương án này cĩ độ cong theo ống số 8
(trong mơ hình BOOST) là 90mm, so
với cổ nối hiện hữu là
40mm). Hình 3.4: Phương án cải tiến 01
Phương án cải tiến 02
(Phương án 04 trong bài báo: Tăng đường kính) (Phương án này cĩ đường kính ống 2 (mơ
hình BOOST) là 60mm,
so với cổ nối hiện hữu là 49mm, đường kính ống
8 (trong mơ hình
BOOST) là 49mm, so
với cổ nối hiện hữu là
38
3.2 Thiết kế và chế tạo mơ hình thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy) và quan sát định tính của dịng khơng khí nạp cháy) và quan sát định tính của dịng khơng khí nạp
3.2.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống thí nghiệm
3.2.1.1 Mơ hình thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy)
Hình 3.6: Sơ đồ thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy)
39
Đối tượng nghiên cứu Động cơ diesel 165-2 được dẫn động bằng động cơ điện thơng qua cơ cấu truyền động bánh đai và dây đai. Encoder lắp vào trục khuỷu thơng qua bánh đà động cơ RV165-2 sẽ nhận tín hiệu số vịng quay gửi về cho máy tính và hiển thị trên màn hình. Động cơ điện được điều khiển bằng biến tần. Điều này giúp ta cĩ thể dễ dàng điều khiển số vịng quay của đối tượng nghiên cứu theo ý muốn.
3.2.1.2 Mơ hình thí nghiệm quan sát định tính dịng khơng khí nạp
Hình 3.8: Sơ đồ thí nghiệm đánh giá định tính của dịng khí nạp
Nguyên lý vận hành của hệ thống quan sát định tính của dịng khơng khí nạp tương tự như nguyên lý vận hành của hệ thống đo hiệu suất nạp mà khơng cĩ sự tham gia của quá trình cháy. Chỉ cĩ một vài điểm cần lưu ý là:
• Khĩi màu được cho vào đường nạp cĩ nồng độ ổn định và như nhau trong các lần đo (giúp cĩ thể quan sát định tính dịng khơng khí nạp). • Xi-lanh được làm bằng vật liệu trong suốt (Arylic) cĩ độ bền cao và độ
trong suốt tới 91%.
• Bộ Séc – măng được làm bằng Teflon để tránh làm trầy xước lồng Xi- lanh khi vận hành.
40 cơ (1200 v/ph).
• Thí nghiệm chỉ được thực hiện so sánh kiểm chứng giữa phương án cải tiến tốt nhất từ thực nghiệm với phương án hiện hữu của động cơ và chỉ đo ở tốc độ 1200 v/ph.
3.2.2 Thiết bị thí nghiệm
3.2.2.1 Thiết bị sử dụng chung cho thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy) và quan sát đánh giá định tính của dịng khơng khí nạp.
a. Động cơ RV165-2
Hình 3.9: Động cơ RV165-2 trên băng thử
b. Thiết bị đo số vịng quay trục khuỷu(encoder)
Encoder được tiến hành lắp ghép và sử dụng trên trục khuỷu của động cơ diesel, thiết bị này sẽ gửi tín hiệu trở về máy tính từ đĩ hiển thị được tốc độ quay của động cơ khi ta điều khiển biến tần.
c. Biến tần
Biến tần cĩ thể thay đổi tần số (nhờ cấp điện từ nguồn điện 3 pha) tùy theo bộ điều khiển từ đĩ cĩ thể điều khiển động cơ điện quay theo số vịng quay yêu cầu.
41
Hình 3.10: Biến tần
3.2.2.2 Thiết bị thử dùng riêng cho nghiên cứu đo hiệu suất nạp của động cơ (khơng cĩ sự cháy)
Trong thí nghiệm này ta tiến hành đo tại phịng thí nghiệm động cơ đốt trong với các thiết bị đã được thiết lập. Các thiết bị đo chuyên dụng gồm:
a. Thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạp
Để xác định sự thay đởi của lưu lượng khơng khí nạp, thiết bị đo lưu lượng chuyên dùng Flowmeter của hãng AVL và thiết bị hiển thị Sensyflow của AVL. Thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạp được gắn trên đường nạp của động cơ. Đơn vị đo được tính là kg/h.
42
Thiết bị hiển thị lưu lượng khí Thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạp
Hình 3.11: Thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạpb. Thiết bị đo nhiệt độGraphtec b. Thiết bị đo nhiệt độGraphtec
Thiết bị đo nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ dịng khơng khí tại họng nạp và khí trời. Để thu được số liệu chính xác thiết bị này gồm một cảm biến đo nhiệt độ với độ chính xác cao được kết nối với màn hiển thị (Graphtec), cảm biến nhiệt độ được gắn trực tiếp vào khơng gian cần đo, sau đĩ tín hiệu sẽ được gửi về Graphtec để người làm thí nghiệm cĩ thể lấy được số liệu cần đo.
43
c. Thiết bị đo áp suất TOYOTA 89420-20300.
Áp suất của dịng khí nạp vào xi-lanh được đo bằng một cảm biến đo áp suất được lắp trực tiếp vào ống nạp của xi-lanh. Thiết bị này bao gồm một cảm biến đo áp suất và một mạch chuyển đổi tín hiệu để hiển thị số liệu đo được trên màn hình máy tính.
Hình 3.13: Cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300.
3.2.2.3 Thiết bị thí nghiệm quan sát đánh giá định tính của dịng khí nạp
a. Camera cĩ tốc độ cao và phần mềm tách ảnh Free Video to JPG Converter Một camera cĩ độ phân giải cao là cần thiết để cĩ thể thấy được hết quá trình diễn ra trong xi-lanh trong kỳ nạp của động cơ trong từng phương án thí nghiệm. Mọi diễn biến trong xi-lanh sẽ được camera quay lại sau đĩ qua phần mềm Free video to JPG Converter sẽ được phân tích ra từng hình ảnh để phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá.
b. Bộ Xi-lanh, Pistonvà Séc –măng đặc biệt
Xi-lanh được làm bằng vật liệu trong suốt (Arylic) giúp cĩ thể quan sát được dịng khơng khí nạp vào bên trong. Bộ Séc – măng bằng nhựa (Teflon) vàPiston cũng được thiết kế khác đi để tránh xước lồng Xi-lanh trong suốt.
44
Hình 3.14: Xi-lanh
được thiết kế trong suốt
Hình 3.15:Bộ Séc – măng
(bằng Teflon)
Hình 3.16: Piston thiết kế mới 3.2.3 Phương pháp đo và xử lý số liệu 3.2.3 Phương pháp đo và xử lý số liệu
3.2.3.1 Phương pháp đo và xử lý số liệu của hệ thống đo hệ suất nạp khơng cĩ sự
tham gia của quá trình cháy
a. Phương pháp đo
45
- Thí nghiệm được tiến hành sau khi đã thiết lập được thơng số ổn định như tốc độ của động cơ.
- Khởi động động cơ điện
- Quan sát màn hình máy tính hiển thị số vịng quay của động cơ, đồng thời điều chỉnh biến tần để động cơ RV165-2 quay đúng vận tốc ở từng điểm đo: 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200và 2400 vịng/phút
- Ở từng điểm đo (điểm vận tốc). Ta tiến hành lấy số liệu:
• Khối lượng thực tế dịng khí nạp vào qua dụng cụ đo lưu lượng Flowmeter.
• Nhiệt độ: khí nạp (Ta), nhiệt độ khí trời (To) bằng các cảm biến nhiệt độ và được hiển thị trên Graphtec.
• Áp suất dịng khơng khí nạp (Pa), và áp suất khí quyển (Po) bằng cảm biến đo áp suất TOYOTA 89420-20300.
- Mỗi điểm đo được thực hiện 03 lần để lấy giá trị trung bình. b. Xử lý số liệu thí nghiệm
Các thơng số nhiệt độ, áp suất của dịng khí nạp và khối lượng của dịng khơng khí nạp được đo nhằm mục đích tính tốn hiệu suất nạp của từng phương ántheo cơng thức: 𝜂𝑣 = V̇att V̇alt = mȧ ρa V̇alt (3.1) Với 𝜂𝑣: là hiệu suất nạp (%)
ma: khối lượng khơng khí nạp thực tế (Kg/h)
ρa: là khối lượng riêng của khơng khítrên đường nạp (kg/𝑚3)
46
Đồng thời khi ta phân tích𝜌𝑎, ta được phương trình như sau:
ρa = ρ0.Pa
P0.T0
Ta (3.2)
Trong đĩ:
ρ0:là khối lượng riêng của khơng khí ở điều kiện bình thường (kG/cm3)
Pa, P0:lần lượt là áp suất của khơng khí ở ống nạp và của khí trời (bar)
Ta , T0:lần lượt là nhiệt độ của khơng khí ttrên đường nạp và của điều kiện bình thường (K).
Thể tích khơng khí nạp lý thuyết theo thời gian, khi phân tích ta được;
V̇alt = Va t = Vh+Vc t = Vh30τ+Vc n = (Vh+Vc).n 120 (3.3) Trong đĩ:
Vh, Vc :lần lượt là thể tích cơng tác và thể tích buồng cháy của động của RV165-2 (m3)
𝜏 là số kỳ của động cơ (𝜏 = 4 do sử dụng động cơ diesel 4 kỳ)
nlà số vịng quay của động cơ (vịng/phút)
Để khai triển phương trình (1), thay đồng thời cả 2 phương trình (3.2) và (3.3) vào (3.1), ta được: ηv = 120.ṁa (ρ0.Pa P0. T0 Ta).[(Vh+Vc).n] (3.4) Với:Vh + Vc = 888,8 (cm3) = 888,8. 10−6(m3)
47
ρ0: là hằng số, ρ0= 1,29 (Kg/m3).
Pa và P0:được đo thơng qua thí nghiệm nhờ thiết bị đo áp suất (bar).
ṁa:được đo thơng qua thiết bị đo khối lượng khơng khí nạp (Kg/h). Ta , T0:được đo thơng qua các cảm biến nhiệt độ (K).
3.2.3.2 Phương pháp đo và xử lý số liệu củahệ thống quan sát đánh giá đặc tính
của dịng khí nạp
- Thơng qua động cơ điện và biến tần điều khiển động cơ RV165-2 hoạt động ở số vịng quay 1200 v/ph.
- Cho khĩi màu cĩ nồng độ giống nhau và ổn định cho từng trường hợp đo vào họng nạp của động cơ.
- Sử dụng camera tốc độ cao đặt phía trên Xi-lanh trong suốt quay trong 15 giây để quay quá trình nạp và xốy của dịng khí trong xi-lanh. Các hình ảnh sẽ được cắt ra từ hai video thơng qua phần mềm Free video to JPG converter, lựa chọn những hình ảnh ứng với từng thời điểm mở của xupap của 02 phương án để so sánh và đánh giá.
3.3 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu suất nạp (cĩ sự cháy), các thơng số kỹ thuật và phát thải ơ nhiễm trên băng thử tải động cơ số kỹ thuật và phát thải ơ nhiễm trên băng thử tải động cơ
3.3.1 Sơ đồ thực nghiệm và nguyên lý vận hành
Động cơ được bố trí và lắp đặt trên băng thử tải thưc tế tại cơng ty SVEAM. Các cảm biến và thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, và khối lượng khơng khí nạp được bố trí tương tự như trong thí nghiệm đo áp suất nạp (khơng cĩ sự cháy). Ngồi ra, hệ thống thực nghiệm cịn được trang bị các thiết bị đo khí thải (HESHBON HG-520) và độ mờ khĩi (Dismoke 4000 AVL) để đánh giá sự phát thải ơ nhiễm ra mơi trường. Các phương án họng nạp lần lượt được thay thế vào động cơ để chạy thực