Hướng phát triển tiếp theo nhằm nâng cao tính năng làm việc và đặc tính cơng suất & khí thải của dịng động cơ diesel 1 xi-lanh, phun trực tiếp là từ việc cải tiến biên dạng hình học họng nạp bên ngồi Nắp xi-lanh cho đến đường nạp bên trong Nắp xi-lanh. Xây dựng hệ thống thử nghiệm cĩ thể quan sát trọn vẹn và chi tiết tính chất của dịng khơng khí nạp vào bên trong lồng xi-lanh. Sau đĩ, hướng đến việc tối ưu hĩa tồn bộ đường nạp của động cơ. Nên kết hợp giữa sự tối ưu hĩa đường nạp với việc lựa chọn thời điểm và áp suất phun nhiên liệu, song song với đĩ là việc tối ưu kết cấu buồng cháy thống nhất (kết cấu đỉnh piston và thơng số đặc tính của vịi phun (như góc đặt vịi phun, số lỗ tia, …) nhằm nâng cao quá trình hình thành hỗn hợp và vì vậy cĩ thể tạo nên sự cháy hồn thiện. Kết hợp giữa phương pháp mơ phỏng và thực nghiệm kiểm chứng kết quả nghiên cứu và rút ngắn thời gian cải tiến động cơ.
65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Hữu Hường, Vương Như Long. Nghiên cứu nâng cao hiệu suất và cơng suất động cơ Diesel 1 xi-lanh RV195. Đại Học Bách Khoa TP.HCM. [2] Bùi Văn Ga, (2008). Sử dụng biogas để chạy động cơ diesel cỡ nhỏ. Đại học
Đà Nẵng.
[3] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang (2008). Tối ưu hĩa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ. Tạp chí Khoa học và Cơng Nghệ, Đại Học Đà Nẵng, 5, 22–30.
[4] Y. L.Qi, L. C. Dong, H. Liu, P. V. Puzinauskas and K. C. Midkiff (2012). Optimization of intake port design for SI engine. International Journal of Automotive Technology, Vol. 13, No. 6, pp. 861–872.
[5] H. Mohamed Niyaz, A. S. Dhekane (2014). Twin Helical Intake Port Design Optimization And Validation By Using CFD Analysis. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering,Volume 4, Issue 4, 454–462.
[6] M. H. Shojaeefard, I. Sohrabiasl and E. Sarshari. Investigation the effect of inlet ports design on combustion characteristics and emission levels of diesel engines.Iran University of Science and Technology.
[7] Yungjin Kim, Yongtaek Han and Kihyung Lee (2014). A Study on the Effects of the Intake Port Configurations on the Swirl Flow Generated in a Small D.I. Diesel Engine. Journal of Thermal Science, Vol. 23, No. 3, 297– 306.
[8] Hongjiang CUI, Minghai LI, Yundong Han (2010). The Steady Flow Test and CFD Numerical Simulation on Improving Research of Locomotive Diesel Engine Helical Intake Port. WASE International Conference on Information Engineering, 255–259.
66
[9] Văn Thị Bơng, Vy Hữu Thành, Nguyễn Đình Hùng.(2007) Hướng dẫn đồ án mơn học Động Cơ Đốt Trong. Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TPHCM. [10] Lê Viết Lượng, (2000). Lý thuyết động cơ Điezen. Nhà xuất bản Giáo Dục. [11] Văn Thị Bơng, Huỳnh Thanh Cơng. (2011). Lý thuyết động cơ đốt trong.Nhà
xuất bản Đại Học Quốc Gia TPHCM.
[12] Võ Danh Tồn, Nguyễn Thanh Tuấn, Lê Việt Hùng, Lương Huỳnh Giang, Huỳnh Thanh Cơng. (2015). Mơ phỏng nâng cao tính năng làm việc cho động cơ diesel 1 xi-lanh bằng thiết kế cải tiến họng nạp. Tạp chí phát triển
67
PHỤ LỤC 1
BẢNG SỐ LIỆU CHẠY THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN
• Phương án hiện hữu:
Số Vịng Quay
Thơng Số Kỹ Thuật
Khối lượng khơng khí nạp thực tế
Khí Thải
Moment Cơng suất STHNL Độ mờ
khĩi Nox CO HC (v/ph) (KG.m) (Hp) (g/Hp.h) (Kg/h) (%) (ppm) (%) (ppm) 1600 5,2 11,62 530,79 34,2 94,95 477 8,98 477 1800 5,05 12,70 454,84 36,2 94,76 508 8,18 474 2000 5,03 14,05 441,41 40,4 96,67 479 7,78 428 2200 5 15,37 429,24 45,4 97,14 474 7,61 419 2400 4,89 16,39 432,56 48,7 100 490 7,42 391 Cơng suất định mức (2200 v/ph) 4,55 13,98 206,78 46,4 71,01 794 0,34 15
68 • Phương án cải tiến 01:
Số Vịng Quay
Thơng Số Kỹ Thuật
Khối lượng khơng khí nạp thực tế
Khí Thải
Moment Cơng suất STHNL Độ mờ
khĩi Nox CO HC (v/ph) (KG.m) (Hp) (g/Hp.h) (Kg/h) (%) (ppm) (%) (ppm) 1600 5,22 11,67 543,34 34,7 94,95 445 7,19 673 1800 5,18 13,03 461,87 37,4 94,76 495 7,28 512 2000 4,96 13,86 451,39 39,3 96,67 495 7,25 456 2200 4,96 15,24 434,30 43,7 97,14 485 7,71 417 2400 4,88 16,36 443,62 47,6 100 461 8,17 412 Cơng suất định mức (2200 v/ph) 4,55 13,98 208,87 45,7 69,08 781 0,49 0
69 • Phương án cải tiến số 02:
Số Vịng Quay
Thơng Số Kỹ Thuật
Khối lượng khơng khí nạp thực tế
Khí Thải
Moment Cơng suất STHNL Độ mờ
khĩi Nox CO HC (v/ph) (KG.m) (Hp) (g/Hp.h) (Kg/h) (%) (ppm) (%) (ppm) 1600 5,2 11,62 499,83 35 92,92 467 8,48 665 1800 5,3 13,33 435,91 39,1 93,87 458 7,88 489 2000 5,25 14,67 422,33 43 95,28 473 7,48 416 2200 5,18 15,92 410,70 47,9 98,58 468 7,1 373 2400 5,05 16,93 409,14 51,2 100, 435 6,9 368 Cơng suất định mức (2200 v/ph) 4,55 13,98 195.44 48,9 68,59 752 0,26 11
70 • Phương án ngẫu nhiên 01:
Số Vịng Quay
Thơng Số Kỹ Thuật
Khối lượng khơng khí nạp thực tế
Khí Thải
Moment Cơng suất STHNL Độ mờ
khĩi Nox CO HC (v/ph) (KG.m) (Hp) (g/Hp.h) (Kg/h) (%) (ppm) (%) (ppm) 1600 5,1 11,40 509,63 31 93,81 428 8,93 743 1800 4,96 12,47 437,44 36 94,76 460 8,9 668 2000 4,98 13,91 445,23 38 98,1 462 7,73 487 2200 4,95 15,21 429,78 44,4 100 465 7,47 441 2400 4,8 16,09 430,45 48 100 437 7,17 422 Cơng suất định mức (2200 v/ph) 4,55 13,98 208,13 45,7 69,56 735 0,53 35
71 • Phương án ngẫu nhiên 02:
Số Vịng Quay
Thơng Số Kỹ Thuật
Khối lượng khơng khí nạp thực tế
Khí Thải
Moment Cơng suất STHNL Độ mờ
khĩi Nox CO HC (v/ph) (KG.m) (Hp) (g/Hp.h) (Kg/h) (%) (ppm) (%) (ppm) 1600 5,2 11,62 499,83 30,7 94,29 424 8,92 750 1800 4,96 12,47 437,44 35,1 96,19 465 8,86 677 2000 5,08 14,19 436,47 40 100 487 7,8 456 2200 4,96 15,24 428,91 44 100 449 7,54 434 2400 4,74 15,89 435,90 47,5 100 407 7,17 391 Cơng suất định mức (2200 v/ph) 4,55 13,98 208,8 46 71,25 771 0,37 0
72
PHỤ LỤC 2
BÀI BÁO KHOA HỌC
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 16, SỐ K3 – 2015
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 16, No. K3 – 2015
Mơ phỏng nâng cao tính năng làm việc cho động cơ diesel 1 xi-lanh bằng thiết kế cải tiến họng nạp
Võ Danh Tồn1
Nguyễn Thanh Tuấn1
Lê Việt Hùng2
Lương Huỳnh Giang2
Huỳnh Thanh Cơng1
1 Phịng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp. HCM
2 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
TĨM TẮT:
Bài báo này trình bày nghiên cứu cải tiến họng nạp cho động cơ diesel 1 xi-lanh RV165-2 nhằm tăng hiệu suất nạp và nâng cao tính năng làm việc thơng qua mơ hình hĩa và mơ phỏng trên phần mềm chuyên dụng AVL BOOST. Các phương án cải tiến được đề xuất và đánh giá so với mơ hình họng nạp hiện hữu. Điều kiện mơ phỏng ban đầu được dựa trên kết cấu của động cơ và
thơng số điều kiện vận hành từ thực nghiệm. Các thơng số về đặc tính cơng suất, sự cháy và khí thải được lựa chọn làm tiêu chuẩn đánh giá. Kết quả nghiên cứu thể hiện rằng, bằng phương án cải tiến họng nạp đã tăng hiệu suất nạp, khả năng hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí, giúp q trình cháy tốt hơn, tăng cơng suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải.
Từ khĩa: hiệu suất nạp, họng nạp, động cơ diesel, mơ phỏng, AVL BOOST.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Hiện nay, nhu cầu sử dụng động cơ cỡ nhỏ cĩ cơng suất tương đối dùng trong nơng nghiệp Việt Nam là rất lớn. Các cơng ty sản xuất động cơ trong nước đã cho ra nhiều loại động cơ thế hệ mới cĩ cơng suất mạnh, nhỏ gọn, hiện đại, kiểu dáng đẹp nhằm cạnh tranh với các cơng ty nước ngồi. Bên cạnh đĩ, những nghiên cứu trong
những năm gần đây cũng đã tập trung cải tiến, ứng dụng nhiều phương pháp [1, 2, 3] nhằm tối ưu đặc tính động cơ như nâng cao hiệu suất, cơng suất để đáp ứng được những yêu cầu đặt ra của người sử dụng. Trong đĩ, loại động cơ diesel 1 xi-lanh RV165-2 với cơng suất 16,5 mã lực được
73 đưa ra thị trường và được người sử dụng đánh giá cao. Các thơng số kỹ thuật như sau:
Bảng 1. Thơng số kỹ thuật động cơ RV165-2
Đường kính xi-lanh (mm) 105
Hành trình piston (mm) 97
Thể tích xi-lanh (cm3) 839
Cơng suất tối đa (HP/v/ph) 16,5/2400
Moment cực đại 4,9/1800
Tỉ số nén 20
Suất tiêu thụ nhiên liệu (g/HP/h) 175
Tuy nhiên, do những hạn chế về khả năng cơng nghệ tại Việt Nam hiện nay, qua quá trình sử dụng nhận thấy động cơ cĩ hiệu suất nạp chưa cao, dẫn đến chưa đạt được những tính năng tốt nhất, mức tiêu hao nhiên liệu cao.
Cĩ nhiều phương án cải tiến cho động cơ như:
▪ Thay đổi tỉ số nén
▪ Thay đổi hành trình piston
▪ Tối ưu họng nạp
Trong đĩ, phương án tối ưu họng nạp tăng được hiệu suất nạp, nhiên liệu cháy sạch hơn, tăng cơng suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu [4]. Đã cĩ những nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp mơ phỏng [5, 6, 7] tương đối đơn giản, tính khả thi trong nghiên cứu và tiết kiệm chi phí.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Hiệu suất nạp
2.1.1. Ảnh hưởng của hiệu suất nạp đến cơng suất
Cơng thức tính cơng suất cĩ ích [8] :
Trong đĩ: : mật độ khơng khí nạp (kg/m3). Vh: thể tích cơng tác. QH: nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kgNL). F = mf / ma. : hiệu suất nạp. : hiệu suất của sự cháy nhiên liệu. : hiệu suất cơ giới. i: số xi-lanh. n: tốc độ động cơ. : số kỳ. Từ phương trình trên, cĩ thể thấy rằng cĩ nhiều phương pháp tăng cơng suất động cơ và tăng hiệu suất nạp là một trong những phương pháp đĩ. Hiệu suất nạp động cơ cĩ i xi-lanh trong một đơn vị thời gian ứng với cơng suất Ne trong 1 giây:
Lượng khí mới nạp vào mỗi chu trình cĩ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất nạp và được quyết định bởi nhiều yếu tố khác nhau:
- Tổn thất khí động học của hệ thống nạp làm giảm áp suất nạp pa đi một lượng .
- Sự tồn động khí sĩt trong xi-lanh
- Sự sấy nĩng khí nạp bởi bề mặt thành vách của hệ thống nạp và khơng gian trong xi-lanh.
2.1.2. Ảnh hưởng của hình dạng họng nạp đến dịng khí nạp vào động cơ
2.1.2.1. Hệ số lưu lượng
Hệ số lưu lượng là tỷ số giữa lưu lượng thực tế đo ở điều kiện tiêu chuẩn với lưu lượng lý thuyết.
, Diện tích piston: Cơng thức tính mật độ: Vận tốc dịng khí: , 2.1.2.2. Độ xốy
Tăng độ xốy trong buồng cháy làm đẩy nhanh quá trình hịa trộn hỗn hợp, giảm bồ hĩng và giảm tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, tăng độ xốy cũng làm tăng sự phân bố đều của nhiên liệu, làm tăng nhiệt độ buồng cháy và lượng khí thải NOx.
2.2. Q trình thực hiện
Trong nghiên cứu này, sáu kiểu họng nạp cải tiến được đề xuất và tiến hành mơ phỏng cùng với phương án họng nạp hiện hữu.
Phương án 1: họng nạp hiện hữu Phương án 2: tăng độ cong Phương án 3: tăng chiều dài Phương án 4: tăng đường kính
. . . . . . . . (1) / 2 e a h H v c m n N V Q F i a v c m (2) 2 . . . ctr v h G V n i a p / (3) k mtt mlt . / ( . ) (4) tt tt tt m V P R T mlt A Cs s (5) 2 / 4 (6) A D 1 1 2 1 (7) . k s tt P P R T P 1 2 1 2 . . . 1 (8) 1 k k s tt P k C R T k P 2 1 101325 / P N m P2 P1 P
74 Phương án 5: tăng độ cong,chiều dài, đường kính Phương án 6: họng nạp cĩ 2 đường vào (hình 3), gĩc giữa 2 đường vào là 60o
Phương án 7: thêm đường cấp khí phụ (hình 4)
Hình 1. Sơ đồ quá trình thực hiện nghiên cứu
75
Hình 4. Mơ hình Boost phương án 7 Bảng 2. Thơng số đường ống (L: chiều dài, R: độ
cong, D: đường kính, đơn vị mm) ở hình 2, 3, 4 Phương án Ống 3 Ống 8 L R D L R D 1 63 40 49 71 70 49 78.5 32 44 129 32 44 2 135 90 49 25.5 70 49 33 32 44 83 32 44 3 62 40 49 81 70 49 89 32 44 139 32 44 4 0 40 60 71 70 54 63 54 78.5 32 49 129 32 49 5 0 90 60 41 70 54 135 54 48 32 49 98 32 49 6 94 60 49 47 70 49 54.5 32 44 105 32 44
Đối với phương án 7:
Ống 9 Ống 10 Ống 11 L R D L R D L R D 30 - 25 30 - 25 50 32 25 96 40 172 -
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Với phần mềm AVL BOOST, kết quả về các đặc tính động cơ được trình bày trong các bảng và đồ thị. Kết quả định lượng khi tiến hành mơ phỏng
động cơ chạy tốc độ từ 1200 v/ph đến 2400 v/ph, tải 100%.
3.1. Đặc tính cơng suất
76
Hình 6. Kết quả suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu
suất nhiệt
So với phương án hiện hữu, tại tốc độ 2400 v/ph: - Phương án 6 tăng hiệu suất nạp (11,79%), tăng cơng suất và mơ men (18,79%), giảm suất tiêu hao nhiên liệu (15,83%). Họng nạp thay đổi cơng suất rõ rệt, đáp ứng kỳ vọng ban đầu. - Phương án 7 tăng hiệu suất nạp (6,03%), tăng cơng suất và mơ men (10,9%), giảm suất tiêu hao nhiên liệu (9,83%).
- Các phương án 2,3,4,5 cịn lại khơng làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơng suất động cơ.
3.2. Đặc tính sự cháy
Đường tốc độ tỏa nhiệt:
- Giai đoạn cháy trễ: phương án 6 và 7 cĩ đường tốc độ tỏa nhiệt ngắn hơn.
- Giai đoạn cháy tăng áp suất nhanh: phương án 6 và 7 cĩ đỉnh cao hơn, phần diện tích lớn hơn,
đường áp suất và nhiệt độ lớn hơn các phương án cịn lại, vì vậy cĩ sự tỏa nhiệt tốt hơn.
- Giai đoạn cháy chính: phương án 6 và 7 cĩ q trình cháy chính nhanh hơn.
- Giai đoạn cháy rớt: độ dốc gần giống nhau. Đường tỷ lệ phần trăm lượng nhiên liệu đã cháy: phương án 6 và 7 tốt hơn các phương án cịn lại do cĩ tổng lượng cháy ít hơn, thời gian cháy ngắn, tổn thất nhiệt thấp hơn.
77
Hình 8. Đồ thị đặc tính sự cháy tại 2400 v/ph 3.3. Đặc tính khí thải
78
Hình 10. Lượng khí thải NOx tại 1800 và 2400 v/ph
Hình 11. Lượng Soot tại 1800 và 2400 v/ph
So với phương án hiện hữu :
- Khi tốc độ động cơ tăng, CO và Soot tăng dần, NOx tăng trong khoảng 1200-1400 v/ph rồi giảm.
- Ở 2400 v/ph, phương án 6 giảm lượng Soot đáng kể (21,02%), giảm mạnh lượng CO (61,4%), tăng NOx (19,96%). Phương án 7 giảm Soot ít hơn (6,73%), CO giảm 22,46%, NOx tăng 11,99%.
- Các phương án cịn lại cĩ sự thay đổi ít khơng đáng kể.
4. KẾT LUẬN
Động cơ RV165-2 sau khi cải tiến họng nạp cho thấy phương án 6 và 7 cho khả năng tăng động năng của dịng khí cao, vận tốc dịng khí đi vào nhanh hơn, trường áp suất và nhiệt độ phân bố
đồng đều hơn trong buồng cháy, tăng được hiệu suất nạp khí. Kết quả này đã làm tăng khả năng hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí, giúp quá trình cháy tốt hơn, tăng cơng suất động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Bên cạnh đĩ, tuy lượng khí thải NOx cĩ tăng nhưng giảm được lượng khí thải CO và Soot.
79
Simulation and optimization of the intake manifold design on the characteristics for DI diesel engine one cylinder
Vo Danh Toan1
Nguyen Thanh Tuan1
Le Viet Hung2
Luong Huynh Giang2
Huynh Thanh Cong1
1 Vietnam National University Key - Lab for Internal Combustion Engine.
2 Ho Chi Minh City University of Technology and Education.
ABSTRACT:
In this paper, a simulation of DI diesel engine 1 cylinder, model RV165-2 is used to investigate the effect of intake manifold design on the volumetric efficiency and characteristics by using AVL BOOST software. The proposed plans are evaluated and compared with available models. Conditions of simulation is based on the structure of engine and parameters from
experimental test. The parameters of performance, combustion and emission characteristics are selected as evaluation criteria. The results of optimizing intake manifold are increasing volumetric efficiency, ability to blend the mixture of fuel and air, better combustion and increasing engine power, reducing fuel consumption and emission.
Từ khĩa: volumetric efficiency, intake manifold, diesel engine, simulation, AVL BOOST.
REFERENCES
[1]. Nguyễn Hữu Hường, Vương Như Long.