Tính tốn q trình nạp độngcơ Diesel tham khảo

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2 Tính tốn q trình nạp độngcơ Diesel tham khảo

2.2.1 Áp suất và nhiệt độ khơng khí nạp p0, T0

Ta chọn áp suất khí nạp bằng áp suất khí quyển p0 = 0,1 MPa.

Nhiệt độ khơng khí nạp là một thơng số rất quan trọng, nĩ khơng những quyết định cho việc sấy nĩng hay khơng sấy nĩng khí nạp mới mà cịn ảnh hưởng tới khả năng nạp đầy khí nạp mới vào xi-lanh động cơ. Nhiệt độ khí nạp mới chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường nơi động cơ hoạt động. Nhiệt độ trung bình của nước ta là 290C, do đĩ. T0 = Tk = (tkk + 273)K = 29+ 273 = 302oK.

Áp suất cuối quá trình nạp pa = 0,086 MPa.

2.2.2 Áp suất và nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp pk, Tk

Áp suất pk của động cơ bốn kỳ khơng tăng áp thường nhỏ hơn po (pk< po) vì khi đi vào đường ống nạp thường gặp lực cản của bầu lọc khơng khí.

Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp Tk tương đương với To. Chọn pk = 0,1013 MPa và Tk = T0 = 302oK.

2.2.3 Áp suất khí sĩt pr

Áp suất khí sĩt là một thơng số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xi-lanh động cơ. Áp suất khí sĩt được xác định bằng quan hệ sau :

r th r

26

Với Δprlà tổn thất trong quá trình thải, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường thải (động cơ cĩ lắp bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải, bình chứa khí thải hay khơng), tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thơng của họng xupap thải.

2 r 2 th k.n Δp = f (2.21)

Giá trị của áp suất khí sĩt pr phụ thuộc vào các yếu tố sau: Diện tích tiết diện thơng qua của các xupap xả.

Biên độ, độ cao, gĩc mở sớm, đĩng muộn của xupap xả. Động cơ cĩ lắp hệ thống tăng áp bằng khí xả hay khơng. Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả..

Đối với động cơ diesel thì p = (0,106 0,115)r  MPa, ta chọn pr = 0,106 MPa.

2.2.4 Nhiệt độ khí sĩt Tr

Giá trị của Tr phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén ε, thành phần hỗn hợp, tốc độ quay n, gĩc đánh lửa sớm (ở động cơ xăng), hoặc gĩc phun sớm nhiên liệu (ở động cơ Diesel).

Giá trị của tỷ số nén càng cao thì khí cháy dãn nở càng nhiều nên Tr càng thấp. Xi-lanh thành phần hỗn hợp càng phù hợp thì quá trình cháy xảy ra càng nhanh, ít cháy rớt nên Tr càng giảm.

Nếu gĩc phun sớm nhiên liệu quá nhỏ thì quá trình cháy rớt tăng lên nên Tr cao.

Đối với động cơ diesel 4 kỳ thì T = (700 900)r  oK,ta chọn Tr cĩ giá trị trung bình. Chọn Tr = 800oK.

2.2.5 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới T

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xi-lanh của động cơ do tiếp xúc với vách nĩng nên được sấy nĩng lên một trị số nhiệt độ là ΔT. Mức độ sấy nĩng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu thơng của khí nạp, thời gian nạp dài hay ngắn, ngồi ra cũng phụ thuộc vào mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt tiếp xúc của xi-lanh với khí nạp.

27

Theo [9] trang 32, độ tăng nhiệt độ ΔT được xác định theo thực nghiệm ΔT = 10 250C. Do động cơ cĩ đường nạp ngắn nên sự tiếp xúc giữa khí nạp và thành động cơ ít nên ta chọn ΔT ở giới hạn thấp ΔT = 100C.

2.2.6 Áp suất cuối quá trình nạp pa

Đối với động cơ khơng tăng áp áp suất cuối quá trình nạp trong xi-lanh thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do cĩ tổn thất trên ống nạp và tại bầu lọc gây nên.

Theo [9] trang 29, áp suất cuối quá trình nạp thường cĩ giá trị : pa= [0,8 ÷ 0,95]po

Chọn: pa= 0,848po = 0,085 MPa

Trong đĩ: po = 0,1013 MPa là áp suất khí nạp trước xupap nạp.

2.2.7 Hệ số nạp v

Hệ số khí nạp được tính theo cơng thức (1.12), trang 35 [9] ta cĩ: 1 m a k r v 1 t 2 k k a 1 1.5 v p T p 1 η = . . ε.λ -λ λ ε-1 T +ΔT p p 1 302 0,085 0,106 η = . . 18.1,03-1,11.1. =0.824 18-1 302+10 0,1013 0,085                                Trong đĩ:

m: chỉ số nén đa biến trung bình của khơng khí, chọn m =1,5.

1

λ : Hệ số nạp thêm ,biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí cơng tác sau khi nạp thêm so với lượng khí cơng tác chiếm chỗ ở thể tích Va.

Theo [9], hệ số nạp thêm được chọn trong giới hạn λ1 = 1,021,07. Chọn hệ số nạp thêm λ1 = 1,03.

Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt λt phụ thuộc vào hệ số dư lượng khơng khí α và nhiệt độ khí sĩt Tr.

28

Theo [9], thực nghiệm thống kê với động cơ Diesel ta cĩ thể lấy

t

λ = 1,11.

2

λ =1 : do động cơ khơng quét buồng cháy.

2.2.8 Xác định hệ số khí sĩt r

Hệ số khí sĩt được tính theo cơng thức (1.13) trang 36 [9]:

2 k r r 1 r a m r 1 t 2 a λ (T +ΔT) p 1 γ = T p p ελ -λ λ p         r 1 1,5 1. 302+10 0,106 1 γ = = 0,028 800 0,085 0,106 18.1,03-1,11.1 0,085      

2.2.9 Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta:

Nhiệt độ mơi chất cuối quá trình nạp Ta lớn hơn Tk và nhỏ hơn Tr là do kết quả của việc truyền nhiệt từ các bề mặt nĩng tới mơi chất mới khi tiếp xúc và việc hịa trộn của mơi chất với khí sĩt lớn hơn.

Nhiệt độ cuối q trình nạp được tính như sau :

k r r a r T +ΔT+γ T 302+10+0,028.800 T = = = 325 K 1+γ 1+0,028 o

2.2.10 Xác định các thơng số cơ bản của cơ cấu phân phối khí nạp:

Tính cao tốc của động cơ được xác định thơng qua tốc độ trung bình của piston theo cơng thức (1.2) [11],

-3 p

S.n 97.10 .2400

V = = =7,76(m/s)

30 30 . Ta cĩ 6 (m/s) <

Vp = 7,76 < 9(m/s), do đĩ động cơ tham khảo là động cơ cĩ tốc độ trung bình.

2.2.11 Hành trình xupap

Hành trình xupap được tính theo cơng thức: xp n cn c l h = h . l = 7,551(mm) Trong đĩ:

29 hcn = 5 mm: Độ nâng của cam nạp.

lxp = 37 mm: Chiều dài cánh tay địn cần mổ phía xupap. lc = 24,5 mm: Chiều dài cánh tay địn cần mổ phía cam.

2.2.12 Tiết diện lưu thơng của xupap

Với gĩc cơn của đầu xupap  = 45, tiết diện lưu thơng của xupap được xác định theo cơng thức: kln n hn n f =π.h (0,707d + 0,353h ) = 697,812 (mm2 ) Trong đĩ: dhn = 49 mm: Đường kính họng nạp hn = 6,04 mm: Hành trình xupap

2.3 Ảnh hưởng của hình dạng họng nạp đến đặc trưng dịng khí bên trong động cơ

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