:Thành phần NOx trong khí thải

Hình 4.1 trình bày đặc tính ngồi của động cơ RV165-2 với họng nạp hiện hữu. Kết quả cho thấy cơng suất cực đại khoảng 16,39 HP (12,05 kW) ứng với tốc độ động cơ tại 2400 v/ph và mơ-men cực đại của động cơ vào khoảng 5,05 kG.m (49,5 N.m) ứ ng với tốc độ 1800 v/ph.

Hình 4.2 và Hình 4.3 trình bày kết quả đánh giá khí thải tiêu biểu của động cơ. Kết quả trên hình cho thấy nồng độ CO và thành phần PM rất cao, kết quả thu được tử HC+NOx là thấp nhất. Tuy nhiên khi so với tiêu chuẩn khí thải EPA TIER 2 (áp dụng cho các loại động cơ diesel tĩnh tại cơng suất nhỏ – Non-road diesel engines) thì vẫn vượt ngưỡng cho phép rất nhiều. Nguyên nhân có thể do động cơ được thiết kế chế tạo từ cơng nghệ cũ và chưa có cải tiến nào đáng kể để nâng cao đặc tính của động cơ cũng như làm giảm khí thải từ động cơ.

55

4.2 So sánh và đánh giá các phương án so với động cơ hiện hữu 4.2.1 Trên hệ thống thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy) 4.2.1 Trên hệ thống thí nghiệm đo hiệu suất nạp (khơng cĩ sự cháy)

Hình 4.6: Hiệu suất nạp đo trên hệ thống thử nghiệm (khơng cĩ sự cháy)

Phương án cải tiến số 02 cho hiệu suất nạp tăng trên hầu hết các điểm vận tốc được chọn thí nghiệm, và cĩ xu hướng tăng cao hơn ở các dãy tốc độ cao. Ở tốc độ 2400 v/ph thì hiệu suất nạp tăng 10,14% so với họng nạp hiện hữu theo động cơ. Điều này cho thấy việc tăng đường kính họng nạp giúp khối lượng khơng khí nạp thực tế vào nhiều hơn các phương án cịn lại, làm tăng hệ số lưu lượng và gĩp phần tăng hiệu suất nạp.

56

4.2.2 Trên băng thử thực tế (cĩ sự cháy)

4.2.2.1 Hiệu suất nạp (Cĩ sự cháy)

Hình 4.7: Đồ thị so sánh Hiệu suất nạp thực tế (cĩ sự cháy)

Trên băng thử thực tếphương án cải tiến đường họng nạp số 02 cũng cho kết quả với xu hướng hồn tồn tương đồng trên hệ thống thí nghiệm. Phương án cải tiến số 02 cho hiệu suất nạp cao hơn hẳn các phương án cịn lại, hiệu suất nạp tăng trung bình 5,42% trên tất cả các điểm đo.

57 4.2.2.2 Đặc tính làm việc a. Cơng suất Hình 4.8: Đồ thị so sánh Cơng suất b. Moment Hình 4.9: Đồ thị so sánh Moment

58 c. Suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 4.10: Đồ thị so sánh Suất tiêu hao nhiên liệu

Với việc hiệu suất nạp được nâng cao đáng kể ở tất cả các điểm đo, thì phương án họng nạp cải tiến 02 giúp động cơ nạp nhiều khơng khí hơn, q trình hịa trộn giữa nhiên liệu và khơng khí được cải thiện, đĩng vai trị quan trọng trong việc cải thiện tính năng làm việc của động cơ RV165-2:cơng suất lớn nhất tăng 3,27%, mơ – men lớn nhất sinh ra tăng 2,32% và suất tiêu hao nhiên liệu ở cơng suất định mức giảm 5,48% so với động cơ RV165-2 hiện hữu.

59

4.2.2.3 Đăc tính khí thải

Hình 4.11:Thành phần CO trong khí thải Hình 4.12: Thành phần PM trong khí thải

Hình 4.13:Thành phần HC trong khí thải Hình 4.14:Thành phần NOx trong khí thải

Nồng độ PM và thành phần các chất trong khí thải của các phương án họng nạp là khá tương đồng nhau. Tuy phương án cải tiến họng nạp số 02 cho kết quả thành phần phần trăm CO và NOx giảm tương đối so với phương án hiện hữu.

60

4.2.2.4 Tại điểm cơng suất định mức (n= 2200 v/ph và M= 44,6N.m)

Hình 4.15: Hiệu suất nạp Hình 4.16: Suất tiêu hao nhiên liệu

61

Hình 4.20: Thành phần HC trong khí thải

Tại điểm đo suất định mức (Điểm cơng suất và tốc độ động cơ nhà cung cấp khuyến khích khách hàng sử dụng). Phương án cải tiến họng nạp số 02 cũng cho kết quả hiệu suất nạp cao hơn các phương án khác, và cao hơn 5,46% so với phương hiện hữu. Điều này giúp giảm suất tiêu hao nhiên liệu xuống 5,48% (từ 206,78 g/Hp.h xuống cịn 195,44 g/Hp.h). Cĩ nghĩa là: nếu để động cơ hoạt động ở cơng suất định mức mỗi ngày 08 giờ trong 01 năm thì lượng nhiêu liệu ít tiêu tốn là 551,88 lít ( chi phí vận hành giảm gần 8,3 triệu đồng nếu giá dầu Diesel là 15,000 nghìn đồng 01 lít).

4.2.3 So sánh định tính dịng khơng khí nạp giữa phương án cải tiến 02 (phương án tốt nhất) và phương án hiện hữu tại vận tốc n= 1200 v/ph

Thời điểm Phương án hiện hữu Phương án cải tiến 02

Đầu kì nạp

62 Giữa kì nạp

Giữa kì nạp

Cuối kì nạp

Các hình ảnh chứng minh khả năng nạp khơng khí của phương án cải tiến họng nạp số 02 cao hơn đáng kể so với phương án hiện hữu. Ở từng thời điểm khác nhau của kì nạp, phương án cải tiến đều hút được một lượng khơng khí nhiều hơn (hút được nhiều khĩi hơn). Đều này minh chứng rõ nét cho việc cải thiện hiệu suất này của phương án lựa chọn cải tiến so với phương án hiện hữu của động cơ.

63

Chương 5

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Các đặc tính làm việc quan trọng của động cơ (gồm cơng suất, mơ-men, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt) và đặc tính phát thải (nồng độ NOx, độ mờ khĩi) của 05 phương án họng nạp khác nhau đã được tiến hành thử nghiệm và đánh giá thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu chính trong luận văn đã tìm thấy như sau:

1. Các họng nạp với biên dạng hình học khác nhau cĩ ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính năng làm việc (cơng suất, mơ - men, suất tiêu hao nhiêu liệu) và khí thải động cơ Diesel 1 xy-lanh, phun trực tiếp. Sự thay đởi các biên dạng hình học từ việc tăng đường kính cho tới việc kéo dài họng nạp cho ta cĩ cái nhìn tổng quan về biên dạng họng nạp phù hợp cho động cơ RV165-2 nhằm mục đích nâng cao hiệu suất nạp, cải thiện đặc tính làm việc và khí thải của động cơ RV165-2.

2. Kết quả thí nghiệm và thực nghiệm cho thấy phương án cải tiến 02 cho các giá trị về: hiệu suất nạp, cơng suất, mơ – men, suất tiêu hao nhiên liệu tại các thời điểm được nâng cao hơn đáng kể so với phương án hiện hữu. Hiệu suất nạp tăng trung bình tăng 5,42% ở tất cả các điểm đo thưc nghiệm so với phương án hiện hữu theo động cơ thì cơng suất max tăng 3,27%, mơ – men max sinh ra tăng 2,32% và suất tiêu hao nhiên liệu ở cơng suất định mức giảm 5,48%. Về khí thải: nổng độ NOx giảm trung bình 5,16% tại các điểm đo, PM khơng giảm nhiều tại các điểm đo đường đăc tính ngồi, nhưng giảm gần 9% tại điểm đo cơng suất định mức.

3. Phương án cải tiến họng nạp số 02 đã được hồn thiện bản vẽ thiết kế 2D và 3D và được duyệt để ứng dụng vào việc sản xuất hàng loạt động cơ RV165-2 tại cơng ty SVEAM trong thời gian sắp tới.

64

Hình 5.1: Mơ hình 3D phương án cải tiến họng nạp 02 cho động cơ RV165-2

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: