Tiến Sĩ Nghiên cứu khả năng tăng áp động cơ diesel đang lưu hành

MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu vận chuyển và nguồn động lực phục vụ công-nông nghiệp tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương tiện, máy công tác sử dụng nhiên liệu diesel tăng lên rất nhanh như xe khách, xe tải và máy nông nghiệp, phát điện. Đa phần các phương tiện này được lắp ráp trong nước hoặc nhập khẩu t Liên Xô (cũ), Trung Quốc và Hàn Quốc, chỉ có một số lượng nhỏ được nhập t Nhật Bản, Đức. Phần lớn các xe đã qua sử dụng nên chất lượng động cơ rất thấp, tính năng vận hành như công suất thấp, tiêu hao nhiên liệu lớn, khả năng gia tốc kém Nhờ sự phát triển của các ngành khoa học liên quan, ngành động cơ đốt trong đã có nhiều bước phát triển vượt bậc. Để đáp ứng nhu cầu về tính năng vận hành của các phương tiện giao thông, nhiều giải pháp hiệu quả đã được áp dụng. Trong đó, cường hóa cho động cơ bằng tăng áp là một giải pháp cho thấy hiệu quả rõ rệt. Đa phần các loại động cơ thế hệ mới nói chung, trong đó có động cơ diesel nói riêng đều được trang bị hệ thống tăng áp. Đối với Việt Nam, do nền công nghiệp chế tạo động cơ chưa thực sự phát triển, các loại phương tiện và động cơ do Liên Xô cũ sản xuất hiện còn đang được sử dụng rất nhiều, đặc biệt là các động cơ diesel không tăng áp. Nhu cầu cấp thiết đặt ra là nâng cao tính năng kỹ thuật của động cơ để đáp ứng yêu cầu về khả năng tải, khả năng cơ động và tính kinh tế nhiên liệu nhằm tận dụng tối đa khả năng khai thác những động cơ này. Giải pháp hiệu quả, có tính khả thi cao, thường được các nhà nghiên cứu động cơ ở Việt Nam lựa chọn là cường hóa những loại động cơ này bằng tăng áp tuabin khí thải. Việc thực hiện tăng áp bằng tuabin khí thải trên động cơ diesel thế hệ cũ đã và đang được các nhà nghiên cứu tiến hành và mang lại kết quả nhất định. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu, bài bản về quy trình cải tiến tăng áp tuabin khí thải cho động cơ diesel đang lưu hành được thực hiện.
Do vậy, việc xây dựng quy trình cải tiến động cơ không tăng áp thành động cơ tăng áp TB-MN đang trở nên cấp thiết trong bối cảnh thực trạng nhu cầu sử dụng, khai thác các loại động cơ này đang được quan tâm. Đề tài “Nghiên cứu khả năng tăng áp động cơ diesel đang lưu hành” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên đây của thực tiễn.
i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
* Mục đích nghiên cứu
Đưa ra các quy trình công nghệ cải tiến cường hóa động cơ diesel không tăng áp đang lưu hành bằng tăng áp tuabin khí thải.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu-2-
Động cơ D243 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu. D243 là động cơ diesel thế hệ cũ, sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống, hiện đang được sử dụng phổ biến trên các máy nông nghiệp, vận tải đường sông, đường bộ.
Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thử động cơ nhiều xylanh, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và tại công ty Diesel Sông Công Thái Nguyên.
ii. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nâng cao hiệu quả khai thác các loại động cơ diesel thế hệ cũ và các giải pháp cải thiện tính năng của động cơ đã được thực hiện ở Việt Nam và thế giới.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được sử dụng xuyên suốt trong nghiên cứu này. Nghiên cứu lý thuyết được tiến hành trên các công cụ mô phỏng chuyên sâu như AVL-Boost, AVL-Excite Designer, Matlab-Simulink, CFD Fluent, Ansys Qua đó phân tích, đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi cải tiến tăng áp tuabin khí thải cho các động cơ diesel đang lưu hành.
Thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ sau tăng áp cũng như các ảnh hưởng của tăng áp đến các thông số làm việc của động cơ.
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Lần đầu tiên ở Việt Nam, nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng với thực nghiệm trên các thiết bị hiện đại, đồng bộ đưa ra được giải pháp khả thi và phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam để nâng cao tính năng kỹ thuật của động cơ diesel thế hệ cũ bằng tăng áp tuabin khí thải.
Quy trình cải tiến tăng áp bao gồm: phân tích, lựa chọn đánh giá khả năng và phạm vi khai thác của động cơ; đánh giá mức độ tăng áp thông qua tính toán lý thuyết và mô phỏng bằng các công cụ chuyên sâu; lựa chọn cụm tuabin-máy nén phù hợp với yêu cầu tăng áp, đặc tính làm việc của động cơ; đưa ra được quy trình cải tiến các hệ thống của động cơ khi tăng áp: hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, thải, hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát, tính toán kiểm nghiệm độ bền các chi tiết sau tăng áp.
Quy trình cải tiến tăng áp được áp dụng thí điểm cho động cơ D243. Kết quả đã lựa chọn được cụm tuabin máy nén thích hợp cho động cơ, cải tiến hệ thống làm mát, bôi trơn và nạp thải để động cơ có thể vận hành hiệu quả sau khi tăng áp. Thực tế thử nghiệm trên băng thử cho thấy, sau tăng áp tính năng kỹ thuật của động cơ cải thiện rõ rệt, các hệ thống vận hành ổn định.
Các kết quả của luận án có giá trị đáng kể về phương pháp luận trong quy trình cải tiến động cơ diesel không tăng áp thành tăng áp tuabin khí thải ở điều kiện Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng giải quyết nhu cầu nâng cao tính năng vận hành của các loại động cơ diesel thế hệ cũ, đặc biệt là động cơ diesel tính năng vận hành thấp và dư th a về độ bền. Quy trình cải tiến có thể áp dụng cho bất kỳ loại động cơ diesel không tăng áp nhưng th a bền, đảm bảo được tính khoa học và khả thi trong thực tiễn.
iv. Các nội dung chính trong đề tài
Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần như sau:
 Mở đầu
 Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
 Chương 2. Cơ sở cải tiến tăng áp bằng tuabin máy nén cho động cơ đốt trong
 Chương 3. Tính toán, cải tiến tăng áp cho động cơ D243
 Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá
 Kết luận chung và phương hướng phát triển.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii
MỞ ĐẦU 1
i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1
ii. Phương pháp nghiên cứu 2
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2
iv. Các nội dung chính trong đề tài 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1. Xu hướng phát triển động cơ đốt trong 4
1.2. Thành quả đạt được trong công nghệ phát triển động cơ đốt trong 4
1.2.1. Cải tiến kết cấu động cơ 4
1.2.2. Ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử trong động cơ đốt trong 5
1.2.3. Sử dụng nhiên liệu thay thế 7
1.3. Tăng áp cho động cơ đốt trong 8
1.3.1. Xu hướng phát triển và các biện pháp tăng áp cho động cơ 8
1.3.2. Tình hình nghiên cứu tăng áp cho động cơ diesel đang lưu hành 15
1.4. Kết luận chương 1 19
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ CẢI TIẾN TĂNG ÁP BẰNG TUABIN MÁY NÉN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 20
2.1. Quan điểm và điều kiện để thực hiện tăng áp bằng TB-MN cho động cơ 20
2.1.1. Quan điểm cải tiến tăng áp 20
2.1.2. Điều kiện để thực hiện tăng áp 20
2.1.3. Xây dựng quy trình thực hiện tăng áp bằng TB-MN cho động cơ diesel đang lưu hành 21
2.2. Cơ sở lý thuyết xác định khả năng tăng áp 23
2.2.1. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost 23
2.2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Excite Designer 30
2.2.3. Xác định tỷ số tăng áp 34
2.3. Cơ sở tính toán lựa chọn cụm TB-MN 36
2.3.1. Xác định các thông số đầu vào cho cụm TB-MN 36
2.3.2. Tính toán lựa chọn cụm TB-MN 36
2.4. Cơ sở tính toán, cải tiến các hệ thống khi thực hiện tăng áp 38
2.4.1. Lựa chọn tỷ số nén phù hợp cho động cơ khi tăng áp 38
2.4.2. Cải tiến cơ cấu phân phối khí 39
2.4.3. Cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu 40
2.4.4. Thiết kế hệ thống nạp và thải 42
2.4.5. Cải tiến hệ thống làm mát 46
2.4.6. Cải tiến hệ thống bôi trơn 47
2.5. Tính toán kiểm nghiệm bền các chi tiết 47-iv-
2.6. Kết luận chương 2 48
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, CẢI TIẾN TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ D243 50
3.1. Đối tượng thực hiện cải tiến tăng áp 50
3.2. Xây dựng đ c tính động cơ D243 trong ph ng thí nghiệm 50
3.2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ D243 51
3.2.2. Trang thiết bị thử nghiệm 52
3.2.2. Kết quả thử nghiệm động cơ D243 trên băng thử 55
3.3. Tính toán khả năng tăng áp động cơ D243 55
3.3.1. Tính toán chu trình nhiệt động của động cơ D243 khi tăng áp bằng phần mềm AVL-Boost 55
3.3.2. Tính toán khả năng bền của động cơ D243 khi tăng áp bằng phần mềm AVL-Excite Designer 59
3.4. Lựa chọn TB-MN cho động cơ D243 khi tăng áp 64



3.5. Đánh giá tính năng làm việc của động cơ sau tăng áp 66
3.5.1. Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sau khi tăng áp 66
3.5.2. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số làm việc đến đặc tính động cơ sau khi tăng áp 69
3.6. Tính toán cải tiến các hệ thống cho động cơ D243 khi thực hiện tăng áp 71
3.6.1. Tính toán hiệu chỉnh hệ thống nhiên liệu động cơ D243 khi thực hiện tăng áp 71
3.6.2. Tính toán cải tiến đường nạp và thải cho động cơ D243 khi thực hiện tăng áp 73
3.6.3. Tính toán cải tiến HTBT động cơ D243 khi thực hiện tăng áp 79
3.6.4. Tính toán cải tiến HTLM động cơ D243 khi thực hiện tăng áp 85
3.7. Kiểm nghiệm bền chi tiết piston, thanh truyền và nắp máy động cơ D243 sau tăng áp 91
3.7.1. Giới thiệu chung 91
3.7.2. Xây dựng mô hình 91
3.7.3. Tính toán ứng suất tác dụng lên các chi tiết sau khi tăng áp 93
3.8. Kết luận chương 3 101
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 103
4.1. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm 103
4.2. Trang thiết bị thử nghiệm 103
4.2.1. Động cơ thử nghiệm 103
4.2.2. Băng thử động cơ 103
4.2.3. Thiết bị đo khí thải 104
4.2.4. Các thiết bị khác 106
4.3. Điều kiện thử nghiệm 107
4.4. Bố trí lắp đ t và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử 108
4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận 109
4.5.1. Đánh giá tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ trước và sau khi tăng áp 109
4.5.2. Đánh giá các thông số làm việc của động cơ trước và sau khi tăng áp 110
4.5.3. So sánh độ khói trước và sau tăng áp 112
4.6. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm 112
4.7. Kết luận chương 4 114
KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 115
Kết luận chung 115
Phương hướng phát triển 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO 117