Mô phỏng số quá trình cháy của động cơ tăng áp cummins NTA855M

DANH MỤC KÝ HIỆU Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp trung bình của không khí CV: Nhiệt dung riêng đẳng tích trung bình của không khí D: Đường kính xi lanh e: Nội năng độ phân tán động năng rố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Mô phỏng số quá trình cháy của động

cơ tăng áp Cummins NTA855M ” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chƣa

từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Khánh Hòa, Ngày tháng 10 năm 2015

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý phòng

ban trường Ðại học Nha Trang, Khoa Kỹ thuật giao thông, Khoa Sau đại học đã tạo

điều kiện tốt nhất cho tôi được hoàn thành đề tài Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu

sắc đến PGS.TS Trần Gia Thái, người thầy đã hướng dẫn, định hướng, truyền đạt

những kinh nghiệm quý báu và tận tình giúp tôi hoàn thành đề tài này

Xin chân thành cảm các quý thầy cô trực tiếp giảng dạy chương trình cao học và

quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ luận văn đóng ghóp cho bản thân những ý kiến,

những luận cứ khoa học để bản thân tôi hoàn thiện hơn về chuyên môn và có khả năng

nghiên cứu tiếp theo, cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên Khoa Cơ điện - Học viện Hải

quân đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành đề tài này

Cảm ơn Đại lý CUMMINS BÌNH THỊNH Hòn Rớ, Phước Đồng, Nha Trang,

Khánh Hòa tạo điều kiện cho tôi được đo đạc thực tế các thông số kết cấu động cơ

phục vụ thực hiện đề tài này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và tất cả bạn bè đã giúp

đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Khánh Hòa, Ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC HÌNH xi

DANH MỤC ĐỒ THỊ xv

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN xvi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 PHẦN TỔNG QUAN 2

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 4

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 7

1.3.2 Đối tượng và khách thể nghiên cứu 7

1.3.3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu 7

1.4 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU 9

1.4.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Cummins NTA855M 9

1.4.2 Đặc điểm cấu tạo chung của động cơ 10

Chương 2 MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 15

2.1 CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 15

2.1.1 Các giai đoạn của quá trình cháy động cơ Diesel 15

2.1.2 Đặc điểm của quá trình cháy động cơ Diesel 18

2.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ Diesel 21

2.2 TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ 24

2.2.1 Các yêu cầu khi tăng áp cho động cơ 24

2.2.2 Các chế độ chuyển tiếp động cơ 26

2.3 CFD VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ 27

2.3.1 Khái niệm và các phương trình chủ đạo của CFD 27

2.3.2 Lý thuyết về điều kiện biên 30

2.3.3 Lưới chia trong CFD 36

2.4 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CFD- ANSYS FLUENT 41

2.4.1 Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent 41

2.4.2 Một số mô hình chảy rối trong ANSYS FLUENT 43

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 46

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 47

3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ 48

3.1.1 Khảo sát kết cấu thực tế của buồng đốt động cơ NTA855M 49

3.1.2 Xây dựng mô hình buồng đốt 3D của động cơ khảo sát 51

3.2 CHIA LƯỚI MÔ HÌNH TRONG ANSYS WORKBENCH 53

3.3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ NTA855M 56

3.3.1 Khởi động chương trình ANSYS FLUENT 56

3.3.2 Nhập và thiết lập thuộc tính mô hình chia lưới buồng đốt trong Fluent 57

3.3.3 Thiết lập thuộc tính cho lưới động - Dynamic Mesh 61

3.3.4 Thiết lập điều kiện biên tuần hoàn 63

3.3.5 Thiết lập sự kiện cho lưới động 65

3.3.6 Sử dụng mã lệnh UDF thiết lập dòng nhiên liệu xoáy ban đầu cho động cơ 66

3.3.7 Giải bài toán 69

3.4 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP 80

3.5 THẢO LUẬN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 84

3.5.1 Về mặt định tính 84

3.5.2 Về mặt định lượng 85

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 86

4.1 KẾT LUẬN 86

4.2 KHUYẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC KÝ HIỆU

Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp trung bình của không khí

CV: Nhiệt dung riêng đẳng tích trung bình của không khí

D: Đường kính xi lanh

e: Nội năng (độ phân tán động năng rối)

fx, fy, fz: Các thành phần lực theo phương x, y, z

gi: Lượng nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ

ge: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

gct: Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

Gk : Động năng chảy rối do gradient vận tốc trung bình

Gb : Động năng chảy rối do lực đẩy

i: Số xi lanh của động cơ

k: Động năng rối của dòng khí (trong lý thuyết CFD)

n: Tốc độ quay trục khuỷu động cơ

Ne: Công suất của động cơ

pz: Áp suất cháy cực đại

pc: Áp suất cuối quá trình nén

pk: Áp suất khí tăng áp

p0: Áp suất môi trường

p3: Áp suất khí thải đầu vào tuabin

p4: Áp suất khí thải đầu ra tuabin

q : Lượng truyền nhiệt do sự dẫn nhiệt gây ra

Re: Hệ số Reynolds

S: Hành trình piston

Sk: Modul của tỉ số ứng suất tensor động học

Sε: Modul của tỉ số ứng suất tensor khuyếch tán

t: Thời gian

ti: Thời gian cháy trễ

T: Nhiệt độ khí

T1: Nhiệt độ của không khí vào máy nén

T3: Nhiệt độ khí thải đầu vào tua bin

Tz: Nhiệt độ cháy cực đại

Tc: Nhiệt độ cuối quá trình nén

Tk: Nhiệt độ của môi chất sau khi qua máy nén

ui: Thành phần vận tốc rối (phân tán)

Vc: Thể tích buồng đốt

vi: Các thành phần vận tốc theo các phương x,y,z

Vh: Thể tích công tác của xi lanh

V

: Trường véc tơ vận tốc dòng chảy

V: Thể tích kiểm soát dòng chảy

YM: Hệ số thể hiện sự biến thiên của quá trình giãn nở so với giá trị trung bình

i: Góc cháy trễ theo góc quay trục khuỷu

s: Góc phun sớm theo góc quay trục khuỷu

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Cummins NTA855M… 9

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn về độ lệch……… 39

Bảng 2.2 Mô hình rối trong phần mềm Ansys Fluent và phạm vi áp dụng… 44 Bảng 3.1 Tổng hợp kết quả đo thực tế……… 50

Bảng 3.2 Các thông số nhập cho hộp thoại Options……… 62

Bảng 3.3 Các thông số nhập thiết lập quá trình phun nhiên liệu……… 68

Bảng 3.4 Thông số nhập cho hộp Initial Values……… 71

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đặc điểm cấu tạo khối thân động cơ……… 10

Hình 1.2 Hình chiếu đứng phía trước động cơ Cummins NTA855M……… 11

Hình 1.3 Hình chiếu đứng phía sau động cơ Cummins NTA855M………… 12

Hình 1.4 Hình chiếu bằng động cơ Cummins NTA855M……… 13

Hình 1.5 Hình chiếu cạnh động cơ Cummins NTA855M……… 13

Hình 1.6 Hệ thống nạp của động cơ……… 14

Hình 1.7 Hệ thống xả khí……… 14

Hình 2.1 Đồ thị công mở rộng p-φ cho động cơ Diesel……… 15

Hình 2.2 Các điều kiện biên cho một vòi hội tụ -phân kỳ……… 31

Hình 2.3 Các điều kiện biên cơ bản định nghĩa một dòng chảy……… 32

Hình 2.4 Thiết lập vận tốc dòng vào và dòng ra biên inlet……… 33

Hình 2.5 Thiết lập vận tốc dòng vào và dòng ra biên outlet……… 33

Hình 2.6 Mô hình thiết lập điều kiện biên đối xứng……… 35

Hình 2.7 Thiết lập điều kiện biên cho buồng đốt động cơ trong Ansys……… 35

Hình 2.8 Mô tả mặt phẳng chia lưới……… 36

Hình 2.9 Các dạng phần tử lưới chia……… 37

Hình 2.10 Mô tả các dạng lưới chia……… 38

Hình 2.11 Mô tả các dạng lưới chia không cấu trúc……… 38

Hình 2.12 Xác định độ lệch theo phương pháp thể tích……… 39

Hình 2.13 Xác định độ lệch theo phương pháp độ sai lệch góc……… 39

Hình 2.14 Độ trơn lưới chia……… 40

Hình 2.15 Các tỷ lệ co dãn của lưới chia khác nhau……… 40

Hình 2.16 Tỷ lệ co giãn xấp xỉ 1……… 40

Hình 2.17 Ứng dụng Fluent trong mô phỏng động lực học chân vịt………… 41

Hình 2.18 Tối ưu hóa hình dáng mũ quả lê bằng phần mềm Ansys Fluent… 42 Hình 3.1 Trình tự giải bài toán mô phỏng số quá trình cháy động cơ tăng áp

CUMMINS NTA855M bằng phần mềm Ansys Fluent……… 47

Hình 3.2 Các phương án xây dựng mô hình hình học trong Ansys………… 48

Hình 3.3 Kết cấu đỉnh piston ……… 49

Hình 3.4 Đo kích thước piston……… 49

Hình 3.5 Đo xi lanh động cơ……… 49

Hình 3.6 Đo thanh truyền……… 49

Hình 3.7 Tổng hợp kết quả đo……… 50

Hình 3.8 Bản vẽ kết cấu piston động cơ NTA855M……… 50

Hình 3.9 Sơ đồ tăng áp động cơ NTA855M……… 51

Hình 3.10 Mô hình nắp xi lanh……… 51

Hình 3.11 Vẽ phác họa buồng đốt gắn với thông số kết cấu bằng Solidwork 52

Hình 3.12 Mô hình buồng đốt 3D……… 52

Hình 3.13 Mô hình buồng đốt 3D cắt 1/8……… 52

Hình 3.14 Mô hình buồng cháy động cơ NTA855M sau khi nhập từ phần mềm SolidWork sang phần mềm Ansys……… 53

Hình 3.15 Thiết lập các miền cho buồng đốt trong Ansys……… 54

Hình 3.16 Giao diện chia lưới trong Ansys Workbench……… 54

Hình 3.17 Mô hình lưới chia trong Ansys Workbench……… 55

Hình 3.18 Hiển thị hộp thoại khi khởi động CMD Shell……… 56

Hình 3.19 Giao diện khởi động Fluent bằng đường dẫn……… 56

Hình 3.20 Thiết lập thuộc tính chung cho bài toán……… 57

Hình 3.21 Hộp thoại Vicous Model……… 58

Hình 3.22 Hộp thoại Species Model……… 58

Hình 3.23 Hộp thoại Autoignition……… 59

Hình 3.24 Hộp thoại Discrete Phase Model……… 59

Hình 3.25 Hộp thoại Reaction……… 60

Hình 3.26 Hộp thoại Piecewise-Polynomial……… 60

Hình 3.27 Hộp thoại Dynamic Mesh……… 61

Hình 3.28 Hộp thoại Mesh Methods Settings……… 61

Hình 3.29 Nhập các thông số trong hộp thoại Options……… 62

Hình 3.30 Thiết lập lưới động cho Fluid và Piston……… 63

Hình 3.31 Thiết lập lưới động cho Head……… 63

Hình 3.32 Tạo các sự kiện cho lưới động (Dynamic Mesh Event)……… 65

Hình 3.33 Thiết lập giá trị cho Preview Mesh Motion……… 66

Hình 3.34 Hộp thoại Compiled UDFs……… 67

Hình 3.35 Hộp thoại Initialization ……… 67

Hình 3.36 Hộp thoại thiết lập thuộc tính tia phun - Set Injection Properties……… 68

Hình 3.37 Hộp Solution Method……… 70

Hình 3.38 Hộp Solution Controls……… 70

Hình 3.39 Hộp thoại Initial Values……… 71

Hình 3.40 Hộp thoại Patch……… 71

Hình 3.41 Hộp thoại Iso-Surface……… 72

Hình 3.42 Hộp thoại Residual Monitors……… 72

Hình 3.43 Thiết lập chế độ hiển thị đồ thị áp suất (Pressure)……… 73

Hình 3.44 Thiết lập chế độ hiển thị đồ thị nhiệt độ (Temperature)……… 74

Hình 3.45 Hộp thoại Autosave……… 74

Hình 3.46 Hộp thoại Execute Comand……… 75

Hình 3.47 Hộp thoại Run Calculation……… 75

Hình 3.48 Hộp thoại Contours……… 78

Hình 3.49 Hiển thị biểu đồ phân bố áp suất động cơ không tăng áp ………… 78

Hình 3.50 Hiển thị biểu đồ phân bố nhiệt độ động cơ không tăng áp ……… 79

Hình 3.51 Hiển thị biểu đồ vận tốc động cơ không tăng áp……… 79

Hình 3.52 Hộp thoại Intergrate UDFs ……… 80

Hình 3.53 Hiển thị biểu đồ phân bố áp suất động cơ tăng áp ……… 83

Hình 3.54 Hiển thị biểu đồ phân bố nhiệt độ động cơ tăng áp ……… 83

Hình 3.55 Hiển thị biểu đồ vận tốc động cơ tăng áp……… 84

DANH MỤC ĐỒ THỊ

Biểu đồ 3.1 Biểu đồ Residual (là sai số khép, dung sai) động cơ không tăng áp… 76

Biểu đồ 3.2 Biểu đồ Residual (là sai số khép, dung sai) động cơ tăng áp… 81

Đồ thị 3.1 Chu trình áp suất cháy động cơ không tăng áp ……… 77

Đồ thị 3.2 Chu trình nhiệt độ cháy động cơ không tăng áp……… 77

Đồ thị 3.3 Chu trình áp suất cháy động cơ tăng áp……… 81

Đồ thị 3.4 Chu trình nhiệt độ cháy động cơ tăng áp……… 82

Đồ thị 3.5 Áp suất khí nạp biến thiên theo thời gian đối với động cơ tăng áp… 82

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Tăng áp là một trong các biện pháp hữu hiệu để tăng công suất có ích động cơ Thực tế cho thấy, có rất nhiều biên pháp khác nhau để thực hiện tăng áp cho động cơ, trong đó phương pháp tăng áp bằng tổ hợp tua bin-máy nén áp dụng rộng rãi hiện nay Tuy nhiên, hạn chế chính của tăng áp động cơ là làm tăng các giá trị ứng suất nhiệt và ứng suất cơ, được thể hiện qua áp suất, nhiệt độ chu trình và sự hình thành hỗn hợp

Do điều kiện khai thác, tính năng kỹ - chiến thuật của tàu, yêu cầu nhiệm vụ, các tàu

sử dụng động cơ tăng áp thường xuyên phải làm việc ở các chế độ khác nhau (chế độ

ổn định, chế độ không ổn định, chế độ định mức, chế độ quay vòng, chế độ quá tải…) Khi ở các chế độ này, tổ hợp (tuabin - máy nén) không cấp đủ khí nạp cho động cơ làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng quá trình hòa trộn nhiên liệu trong buồng đốt và trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình cháy, dẫn đến không phát huy hết công suất động cơ Việc xác định ảnh hưởng của tổ hợp tua bin - máy nén đến quá trình cháy của động cơ tăng áp là bài toán phức tạp, do đó cần đặt vấn đề nghiên cứu quá trình cháy diễn ra trong động cơ tăng áp và đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi áp suất, nhiệt độ chu trình và

sự hình thành hỗn hợp cháy trong không gian phức tạp của buồng đốt khi tổ hợp tuabin

- máy nén không cấp đủ áp suất khí nạp ở các chế độ khai thác khác nhau của động cơ Thực tế cho thấy, việc tiến hành thực nghiệm nghiên cứu vấn đề này là điều rất khó, thậm chí là không thể thực hiện được trong điều kiện kỹ thuật như ở nước ta hiện nay Trong trường hợp này, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp số thông qua sử dụng các phần mềm tính toán động lực học lưu chất (Computional Fluid Dynamics - CFD)

để mô phỏng quá trình cháy diễn ra bên trong các động cơ tăng áp và sử dụng mô hình

mô phỏng số để giải các bài toán liên quan đang đặt ra là giải pháp hữu hiệu nhất Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, vấn đề mô phỏng trên máy tính đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật Các phần mềm CFD xây dựng dựa trên kỹ thuật tính toán động lực học lưu chất đã cho phép mô phỏng chuyển động dòng lưu chất xung quanh vật thể có hình dạng bất kỳ

Mô phỏng là phương pháp khoa học hiện đại tái hiện lại hoạt động của hệ thống thực nên rất hiệu quả trong nghiên cứu các hệ thống phức tạp, cơ sở nghiên cứu lý thuyết và định hướng nghiên cứu thực nghiệm, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hệ thống phức tạp,

và kiểm nghiệm kết quả những vấn đề tranh luận hay lý thuyết giả định đã được đặt ra

Mô phỏng số nói chung và mô phỏng số quá trình cháy của động cơ nói riêng được hiểu là kỹ thuật xây dựng mô hình quá trình cháy bằng phương pháp số, kết hợp công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải bài toán dòng lưu chất bên trong động cơ và dựa trên cơ sở đó để mô tả, giải thích và dự đoán ảnh hưởng sự thay đổi của những thông số đầu vào đến quá trình cháy đang diễn ra trong buồng đốt động cơ nói chung

và ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường của động cơ nói riêng Đối với động cơ tăng áp, mô hình số mô phỏng quá trình cháy còn được sử dụng trong phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi lượng khí nạp và áp suất khí nạp đến chất lượng quá trình cháy và các thông số đầu ra khi động cơ hoạt động ở các chế độ khác nhau

 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu khác nhau như phương pháp điền

dã, phương pháp nghiên cứu lý thuyết cụ thể: Đi thực tế điền dã khảo sát đo đạc kết cấu buồng đốt động cơ tăng áp Cummins NTA855M tại đại lý Cummins để xây dựng mô hình tính; Phân tích, lựa chọn mô hình tính phù hợp với quá trình cháy động cơ tăng áp; Sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng số quá trình cháy động cơ tăng áp

 Kết quả nghiên cứu

Bài toán mô phỏng số quá trình cháy của động cơ tăng áp Cummins NTA855M được giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn dựa trên phần mềm CFD Ansys Fluent, được tiến hành theo trình tự sau:

- Xây dựng mô hình hình học

Khảo sát và đo thực tế kích thước piston, xilanh hình thành nên buồng đốt của động cơ NTA855M và dựa trên cơ sở đó xây dựng bản vẽ 2D trong AutoCAD, sau đó sử dụng phần mềm SolidWork để dựng mô hình 3D toàn bộ buồng đốt,

và cắt 1/8 để khảo sát

- Chia lưới

Tiến hành chia lưới tự động trong Workbench dưới dạng Hex Dominant để bảo đảm cho hai mặt biên tuần hoàn, tỉ lệ lưới và số phần tử lưới là như nhau

để thiết lập chế độ lưới động trong mô phỏng

- Thiết lập lưới động và điều kiện biên

Tiến hành viết mã code cho các điều kiện biên đặc biệt đối với điều kiện biên ảnh hưởng của thay đổi áp suất khí nạp, thải khi động cơ làm việc ở các chế độ chuyển tiếp khi tổ hợp tua bin - máy nén không phát huy được hết công suất

- Thiết lập mô hình giải

Phân tích và sử dụng mô hình chảy rối k-ε tiêu chuẩn với dòng đa pha để giải

Sử dụng thuật toán Coupled PISO, với lời giải dựa trên áp suất tiêu chuẩn (standar pressure-coupled solver)

Kết quả mô phỏng đã phản ánh đúng yêu cầu bài toán đặt ra, việc xây dựng mô hình hình học, các điều kiện biên và phương pháp giải là đúng đắn

 Kết luận và khuyến nghị

- Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và các phần mềm chuyên dùng, vấn đề tính toán bằng mô phỏng đang được áp dụng rộng rãi trong thiết kế, kiểm nghiệm các máy móc, thiết bị nói chung và động cơ đốt trong nói riêng

Để mô phỏng đạt được độ chính xác cao và kết quả sát với thực tế luôn cần phải lựa chọn được mô hình tính chính xác và phù hợp

- Sử dụng phần mềm Ansys Fluent cùng kỹ thuật CFD thực hiện mô phỏng số quá trình cháy của động cơ tăng áp Cumins NTA855M theo các phương trình bảo toàn về khối lượng, động lượng và năng lượng kèm theo một số giả thiết tại vùng biên liên kết

- Kết quả mô phỏng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết về quá trình cháy đối với động cơ tăng áp, đặc biệt kết quả cho dưới dạng 3D rất sinh động và trực quan,

do đó có thể dùng kết quả này phục vụ cho công tác nghiên cứu và đào tạo, cũng như phục vụ công tác giảng dạy của bản thân đối với môn học lý thuyết động cơ đốt trong tại Học viện Hải quân

- Kết quả nghiên cứu của luận văn là cơ sở quan trọng để mở ra các hướng nghiên cứu mới khi sử dụng lý thuyết CFD để giải quyết nhiều bài toán trong chuyên ngành động cơ nói riêng và trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau nói chung như cơ khí, xây dựng và kỹ thuật giao thông

- Đã gắn được mô hình động cơ với mô hình tăng áp thông qua việc xây dựng

đánh giá ảnh hưởng của quá trình hòa trộn nhiên liệu đến chất lượng quá trình cháy nói chung và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ nói riêng

- Xây dựng mô hình tính toán đúng các số liệu cần đo thực nghiệm

- Lý thuyết CFD vẫn đang là lĩnh vực rất mới và tài liệu về vấn đề này còn rất ít, các công trình nghiên cứu, tài liệu chính thức in thành sách hầu như chưa có Các tài liệu về hướng dẫn sử dụng phần mềm ANSYS chủ yếu bằng tiếng Anh đòi hỏi người sử dụng cần phải có được trình độ tiếng Anh tốt mới có thể hiểu

MỞ ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, nguồn động lực chính trong các lĩnh vực về giao thông, công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, kinh tế, quốc phòng vẫn là động cơ đốt trong, trong đó, do có những ưu điểm nổi bật nên động cơ Diesel được sử dụng rất phổ biến Ngành công nghiệp động cơ đốt trong đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và thu được những thành tựu đáng kể, đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu của thực tiễn Trong những năm qua, do trữ lượng nhiên liệu giảm mạnh, sự biến đổi khí hậu trái đất, nhu cầu nâng cao khả năng và chất lượng làm việc nên luôn đặt ra cho những nhà chuyên môn nhiệm vụ nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ mới vào động cơ Ngoài những yêu cầu đối với động cơ như tăng tuổi thọ, làm việc tin cậy, tiêu thụ ít nhiên liệu… thì các nhu cầu khác như tăng công suất tổng, giảm hàm lượng các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường… là những hướng nghiên cứu đang được quan tâm Nhờ sự phát triển của các ngành khoa học liên quan, ngành động cơ đốt trong cũng có những bước phát triển vượt bậc và đã sử dụng nhiều giải pháp có hiệu quả để đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, trong đó tăng áp cho động cơ là một biện pháp hữu hiệu Tăng áp bằng tuabin khí đáp ứng tốt các yêu cầu trên nên đang được áp dụng rộng rãi Việc sử dụng dòng khí xả trong tuabin quay máy nén khí đã làm cho vai trò thiết bị tăng áp càng tăng trong sự cân bằng năng lượng của động cơ, đồng thời làm tăng sự nhạy cảm của động cơ với điều kiện khai thác sử dụng thực tế như nhiệt độ và áp suất khí trước máy nén, đối áp sau tuabin, nhiệt độ nước trước bình làm mát không khí… Tăng áp động cơ nhằm cải thiện một số chỉ tiêu như giảm thể tích tổng, trọng lượng riêng toàn bộ và giá thành sản suất tương ứng với một đơn vị công suất của động cơ; tăng hiệu suất động cơ, đặc biệt là tăng áp bằng tuabin khí và do đó giảm suất tiêu hao nhiên liệu; có thể làm giảm lượng khí thải độc hại và giảm được độ ồn của động cơ Tuy nhiên tăng áp cho động cơ cũng gây ra nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết, nhất là ảnh hưởng của các thông số tăng áp đến chất lượng của quá trình cháy động cơ

ở các chế độ chuyển tiếp, việc tăng các giá trị của ứng suất nhiệt và ứng suất cơ… Chính vì thế việc nghiên cứu quá trình cháy bên trong động cơ tăng áp vẫn là vấn đề

có vai trò, ý nghĩa quan trọng và là lý do để chúng tôi thực hiện luận văn cao học với

đề tài “Mô phỏng số quá trình cháy của động cơ tăng áp Cummins NTA855M”

Chương 1 PHẦN TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Như đã trình bày, do có nhiều ưu điểm nổi bật nên động cơ Diesel tăng áp thường được lựa chọn làm thiết bị động lực chính cho tàu đi biển, nhất là tàu quân sự Tuy nhiên, do điều kiện về khai thác, tính năng kỹ chiến thuật, yêu cầu nhiệm vụ…, các tàu sử dụng động cơ tăng áp thường xuyên phải làm việc ở các chế độ khác nhau (chế độ ổn định, không ổn định, chế độ quay vòng, chế độ định mức, chế độ quá tải…)

Ở các chế độ này, tổ hợp Tuabin - máy nén thường không cấp đủ lượng khí nạp cho động cơ nên làm ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn nhiên liệu trong buồng đốt và ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy, dẫn đến không phát huy hết công suất động cơ, mặt khác còn làm tăng hàm lượng độc tố trong khí thải và ảnh hưởng đến môi trường

Do đó cần đặt vấn đề nghiên cứu quá trình cháy đang diễn ra trong động cơ tăng áp và đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi của áp suất, nhiệt độ chu trình và sự hình thành hỗn hợp cháy trong không gian phức tạp của buồng đốt khi tổ hợp tuabin - máy nén không cung cấp đủ áp suất khí nạp ở các chế độ khai thác khác nhau của động cơ Thực tế cho thấy, việc tiến hành thực nghiệm nghiên cứu vấn đề này là điều rất khó, thậm chí là không thể thực hiện được trong điều kiện kỹ thuật như ở nước ta hiện nay Trong trường hợp này, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp số thông qua sử dụng các phần mềm tính toán động lực học lưu chất (Computional Fluid Dynamics - CFD)

để mô phỏng quá trình cháy diễn ra bên trong các động cơ tăng áp và sử dụng mô hình

mô phỏng số để giải các bài toán liên quan đang đặt ra là giải pháp hữu hiệu nhất Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, vấn đề mô phỏng trên máy tính đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật Các phần mềm CFD xây dựng dựa trên kỹ thuật tính toán động lực học lưu chất đã cho phép mô phỏng chuyển động dòng lưu chất xung quanh vật thể có hình dạng bất kỳ

Mô phỏng là phương pháp khoa học hiện đại tái hiện lại hoạt động của hệ thống thực nên rất hiệu quả trong nghiên cứu các hệ thống phức tạp, cơ sở nghiên cứu lý thuyết và định hướng nghiên cứu thực nghiệm, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hệ thống phức tạp,

và kiểm nghiệm kết quả những vấn đề tranh luận hay lý thuyết giả định đã được đặt ra

Mô phỏng số nói chung và mô phỏng số quá trình cháy của động cơ nói riêng được hiểu là kỹ thuật xây dựng mô hình quá trình cháy bằng phương pháp số, kết hợp công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải bài toán dòng lưu chất bên trong động cơ và dựa trên cơ sở đó để mô tả, giải thích và dự đoán ảnh hưởng sự thay đổi của những thông số đầu vào đến quá trình cháy đang diễn ra trong buồng đốt động cơ nói chung

và ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trường của động cơ nói riêng Đối với động cơ tăng áp, mô hình số mô phỏng quá trình cháy còn được sử dụng trong phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất khí nạp đến chất lượng quá trình cháy và các thông số đầu ra khi động cơ Từ đó có thể rút ra được vai trò và ý nghĩa lý thuyết

và thực tiễn của đề tài như sau:

- Định hướng việc ứng dụng lý thuyết tính toán động lực học lưu chất - CFD nghiên cứu động cơ đốt trong thông qua việc sử dụng phần mềm mô hình hóa

và mô phỏng hiện đại phù hợp với điều kiện nước ta hiện nay

- Việc mô tả chính xác quá trình cháy diễn ra trong xylanh của động cơ tăng áp cho phép mô tả, giải thích đúng bản chất các hiện tượng xảy ra trong động cơ,

cơ sở để nghiên cứu tính toán, lựa chọn được các thông số điều chỉnh tối ưu

- Hoàn thiện phương pháp tính các bài toán về trường nhiệt độ, ứng suất nhiệt

và biến dạng nhiệt của loại động cơ đốt trong nói chung và các động cơ 4 kỳ tăng áp nói riêng

- Tạo tiền đề ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán tính ứng suất và biến dạng của các chi tiết chịu nhiệt trong động cơ

- Từ kết quả mô phỏng, kết hợp với các nghiên cứu chuyên sâu hơn và kết quả thực nghiệm để nghiên cứu chế tạo các thiết bị điều chỉnh lưu lượng khí nạp,

áp suất khí nạp, thời điểm nạp tối ưu cho máy nén của động cơ tăng áp ở các

chế độ chuyển tiếp

- Các kết quả tính toán mô phỏng mang tính trực quan, sinh động và cung cấp được các tư liệu cần thiết cho việc giảng dạy các môn học về động cơ trong

các cơ sở đào tạo, giảng dạy

- Sử dụng các phương pháp và công cụ hiện đại để nghiên cứu và phát triển

động cơ ở các cơ sở nghiên cứu và các tại các nhà máy chế tạo

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

CFD nói chung và ứng dụng CFD mô phỏng số quá trình cháy động cơ nói riêng

đã được nghiên cứu từ lâu ở những nước tiên tiến, nhất là ở Mỹ và các nước Châu Âu CFD đã được nghiên cứu ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến những lĩnh vực chính như hàng không vũ trụ, công nghiệp đóng tàu, sinh học, y tế, khí tượng Trong ngành chế tạo máy, các hãng sản xuất lớn thế giới đã đưa CFD vào chương trình nghiên cứu của mình để thực hiện quá trình mô phỏng và tính toán các trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng để phục vụ cho bài toán thiết kế tối ưu các máy móc, thiết bị

Đó cũng là chiến lược phát triển để nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh sản phẩm Riêng trong lĩnh vực động cơ, CFD cũng đã được nghiên cứu ứng dụng giải quyết nhiều bài toán như xây dựng các mô hình tính dòng tia phun nhiên liệu, quá trình xé nhỏ và lan truyền của tia phun nhiên liệu, sự hình thành của hỗn hợp A/F, sự lan truyền của ngọn lửa trong buồng đốt, sự hình thành của các chất độc hại trong khí thải động cơ, truyền nhiệt cho nước làm mát trong động cơ và nhiều bài toán có liên quan khác Điển hình nhất trong các mô hình mô phỏng quá trình cháy trong động cơ đốt trong là phương pháp LES (Large - Eddy Simulation) và đã được các tác giả Ham (2006), Moin

và Apte (2007) và một số tác giả khác thực hiện trong các nghiên cứu của mình, đặc biệt

là trong bài báo “Large-eddy simulation analysis of turbulent combustion in a gas turbine engine combustor” do D You, F Ham và P Moin giới thiệu năm 2008 [14] Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ phân tích bản chất phương pháp của phương pháp LES khi nghiên cứu quá trình cháy, không đề cập đến đối tượng động cơ cụ thể nào Cùng với các nghiên cứu này là sự xuất hiện của nhiều phần mềm chuyên dụng dùng trong lĩnh vực động cơ đốt trong như KIVA, GT-Power, Star-CD, AVL-FIRE… Tuy nhiên theo tìm hiểu của chúng tôi, các nghiên cứu mô phỏng số quá trình cháy của động cơ đốt trong bằng phương pháp CFD hoặc bằng các phần mềm mô phỏng nói trên hầu như chưa đề cập động cơ tăng áp hoặc tách động cơ tăng áp ra để nghiên cứu riêng rẽ Ngoài các phần mềm chuyên dụng cho động cơ đốt trong nói trên, phần mềm Ansys Fluent là một phần mềm có mã mở cho phép người khai thác sử dụng có thể nghiên cứu, ứng dụng, phát triển giải quyết bài toán mô phỏng quá trình cháy của động cơ tăng áp nhưng hầu như cũng chưa được các nhà nghiên cứu khai thác

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Về các nghiên cứu trong nước, có thể kể một số đề tài có liên quan đến vấn đề đang đặt ra như sau:

1 TS Vũ Văn Duy với đề tài nghiên cứu “Mô phỏng số dòng chảy và sự cháy của động cơ tua bin khí” [2]

Trong nghiên cứu này, đối tượng nghiên cứu là động cơ tuabin khí, quá trình cháy trong động cơ tuabin khí được giả thiết liên tục (không có tính chu kỳ)

2 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ D1146TIS sử dụng phần mềm CFD AVL-FIRE” [11] của tác giả Trần Quang Vinh

Luận văn chủ yếu sử dụng những công cụ có sẵn trong phần mềm AVL-FIRE

để nhập các thông số kết cấu của động cơ mà không tiến hành xây dựng mô hình để mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ Mặt khác, mô hình hình học và các điều kiện biên không đề cập đến động cơ tăng áp, nên nghiên cứu không trùng lặp với đề tài chúng tôi đã chọn

3 Luận văn thạc sỹ “Ứng dụng lý thuyết CFD nghiên cứu các thông số hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ sau tăng áp”[13]của tác giả Nguyễn Hoàng Vũ Nội dung luận văn là áp dụng lý thuyết của CFD để khảo sát ảnh hưởng của một số các thông số của hệ thống nhiên liệu trên động cơ B6 sau khi tăng áp (áp suất phun, góc phun sớm .) đến các thông số nhiệt động của chu trình công tác, các thông số công tác của động cơ v.v , và dựa trên cơ sở đó đưa ra các giải pháp để điều chỉnh các giá trị áp suất phun và góc phun sớm tối ưu Tuy nhiên, động cơ B6 sử dụng trong luận văn là động cơ dùng trên xe tăng hoạt động ở những điều kiện khác biệt so với động cơ lắp đặt dưới tàu thủy

4 Chuyên đề Tiến sỹ “Mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt dùng để mô phỏng, tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong” của tác giả Nguyễn Lê Văn [10] Chuyên đề đưa ra các mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt nhằm xác định ảnh hưởng phụ tải nhiệt đến sự tương tác cặp piston – xylanh động cơ Diesel

5 Luận án Tiến sỹ kỹ thuật “Ảnh hưởng của hình dáng hình học hệ thống thải đến các chỉ tiêu kinh tế-năng lượng động cơ diesel 4 kỳ tăng áp bằng tuabin biến áp” của tác giả Lê Đình Vũ [12]

Nội dung của luận án ứng dụng mô hình 3D cho đường ống góp khí thải và

mô hình dòng 1D cho phần còn lại động cơ để tính toán, thiết kế hệ thống thải, kết nối các mô hình cục bộ của đường ống - tua bin - máy nén - động cơ để khảo sát kết quả cuối cùng là những chỉ tiêu kinh tế - năng lượng của động cơ Trên cơ sở đó, tác giả nghiên cứu xác định các thông số hình dạng hợp lý của đường ống góp khí thải nối các xylanh động cơ với tuabin nhằm đáp ứng các yêu cầu sử dụng hệ thống tăng áp xung, đảm bảo thuận lợi trong việc chế tạo

và bố trí chung của động cơ

 Các nghiên cứu về đề tài này trong nước thường có xu hướng sử dụng các phần mềm CFD chuyên dụng cho động cơ như AVL Boot, AVL-FIRE, KIVA Tuy nhiên, khi nghiên cứu các phần mềm CFD dạng này chúng tôi nhận thấy hầu như chúng đưa vào trong thư viện của mình những kết cấu động cơ dưới dạng chung, không đề cập đến đặc điểm cấu tạo và kích thước cụ thể của các chi tiết, hệ thống nói chung và của buồng đốt động cơ nghiên cứu nói riêng như đối với phần mềm Ansys Fluent và do đó, có thể sẽ làm ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu trong trường hợp tăng áp cho động cơ

 Một số nghiên cứu cũng đã có sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng quá trình cháy của động cơ nhưng như đã đề cập, chưa thực hiện đối với các động cơ tăng áp và do đó chưa đặt vấn đề nghiên cứu sử dụng điều kiện biên tuần hoàn cho điều kiện tăng áp như chúng tôi sẽ thực hiện trong đề tài này

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Từ những trình bày trên đây, có thể rút ra mục tiêu nghiên cứu của đề tài như sau:

- Lựa chọn mô hình toán mô tả quá trình cháy phù hợp với động cơ tăng áp

- Mô phỏng số quá trình cháy trong một động cơ tăng áp cụ thể, trong trường hợp này là động cơ Cummins NTA855M – động cơ thủy của Hãng Cummins của Mỹ

Từ mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài nhằm mục đích nghiên cứu cụ thể như sau:

- Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật như áp suất phun, góc phun sớm đến quá trình cháy diễn ra trong động cơ tăng áp nói chung và các thông số nhiệt động của chu trình công tác, thông số công tác của động cơ nói riêng

- Phân tích, đánh giá quá trình cháy trong động cơ tăng áp khi áp suất khí nạp biến thiên theo thời gian do tổ hợp tua bin – máy nén làm việc ở các chế độ chuyển tiếp

1.3.2 Đối tượng và khách thể nghiên cứu

Mô phỏng quá trình cháy trong động cơ bằng lý thuyết CFD nói chung và bằng các phần mềm CFD nói riêng là một vấn đề rất phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian, công sức Trong đề tài này, chúng tôi tập trung vào nghiên cứu sử dụng phần mềm Ansys Fluent – một trong những phần mềm CFD đang được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay để thực hiện mô phỏng số cho quá trình cháy đang diễn ra trong động cơ tăng áp cụ thể Khách thể nghiên cứu được chọn trong đề tài là động cơ tăng áp Cummins NTA855M

vì đây là loại động cơ thủy đang được sử dụng rộng rãi trên các tàu ở nước ta hiện nay nhờ độ bền và tính tin cậy khi làm việc, tiết kiệm nhiên liệu và giá thành không cao

Do hạn chế về điều kiện thí nghiệm nên trong đề tài này chỉ tiến hành nghiên cứu

sử dụng phần mềm Ansys Fluent mô phỏng quá trình cháy trong động cơ tăng áp

NTA855M trên máy tính mà không tổ chức thực nghiệm thật

1.3.3 Phương pháp và nội dung nghiên cứu

Sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu khác nhau như phương pháp điền

dã, phương pháp nghiên cứu lý thuyết

 Đi thực tế điền dã khảo sát đo đạc kết cấu buồng đốt động cơ tăng áp Cummins NTA855M tại đại lý Cummins để xây dựng mô hình tính

 Phân tích, lựa chọn mô hình tính phù hợp với quá trình cháy động cơ tăng áp

 Sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng số quá trình cháy động cơ tăng áp Với phương pháp nghiên cứu này, đề tài cần giải quyết được các nội dung chính sau:

 Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết CFD trong tính toán, mô phỏng quá trình cháy trong động cơ đốt trong nói chung và động cơ tăng áp nói riêng

 Phân tích, lựa chọn mô hình tính phù hợp với quá trình cháy động cơ tăng áp

 Nghiên cứu sử dụng các phần mềm CFD thông dụng, trong trường hợp này là phần mềm Ansys Fluent để thực hiện mô hình hóa và mô phỏng quá trình cháy trong động cơ cụ thể

 Phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi các thông số đầu vào đến quá trình cháy nói chung và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ nói riêng

Trên cơ sở đó, nội dung đề tài bao gồm 4 chương chính như sau

Chương 1 Phần tổng quan

Chương này trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, bao gồm các nội dung như

Lý do thực hiện đề tài; Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đối với vấn đề đặt ra trong đề tài; Mục tiêu, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu Chương 2 Một số vấn đề lý thuyết liên quan

Chương này trình bày một số vấn đề lý thuyết có liên quan đến nội dung đề tài gồm lý thuyết quá trình cháy động cơ tăng áp và lý thuyết CFD, chủ yếu là về các phương trình cháy, điều kiện biên và kỹ thuật chia lưới khi mô phỏng Chương 3 Kết quả nghiên cứu

Nội dung chương trình bày nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy trong động cơ bằng phần mềm Ansys Fluent cụ thể và những kết quả nghiên cứu có liên quan Chương 4 Kết luận và khuyến nghị

Trình bày các kết luận và khuyến nghị sau khi thực hiện xong đề tài

1.4 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU

1.4.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Cummins NTA855M

Động cơ Cummins tăng áp NTA855M là động cơ thủy của hãng Cummins (Mỹ)

có các tính năng kỹ thuật tốt và thích hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta Đặc biệt, công suất động cơ phù hợp tàu cá xa bờ nước ta hiện nay, cùng với giá thành

và chi phí nhiên liệu thấp nên đang được sử dụng khá phổ biến ở nước ta hiện nay Động cơ là động cơ Diesel 4 kỳ, 6 xylanh 1 hàng thẳng đứng, công suất 350 mã lực, tốc độ 1800 vòng/ phút, tăng áp bằng tuabin khí xả, hộp số 2 cấp tiến và lùi (i1= i2) Bảng 1.1 là các thông số kỹ thuật chính của động cơ

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Cummins NTA855M

Ký hiệu của động cơ NTA855M như sau

N - ký hiệu đời động cơ (máy Cummins đời thứ N)

T - động cơ có sử dụng tuabin tăng áp

A - động cơ có sử dụng hệ thống làm mát khí nạp

M - động cơ dùng cho tàu thuỷ

1.4.2 Đặc điểm cấu tạo chung của động cơ

Động cơ có kết cấu gọn nhẹ, thân động cơ được đúc liền thành khối bằng thép, trên thân chính của động cơ có khoét các lỗ để lắp khối xylanh, các đường ống khí xả, nạp và có khoan các lỗ có ren bên trên để lắp nắp xylanh của động cơ bằng bulong Ngoài ra, trên thân máy còn có khoan những lỗ tròn để dẫn nước làm mát và khoét các khoang chứa nước để làm mát khối xylanh, hai bên thân máy có khoan các lỗ có ren để bắt các chi tiết của máy bằng bulong như bệ đỡ máy, các ống dẫn dầu, lọc dầu v.v… Phía dưới thân máy có một nửa bệ đỡ chính động cơ được chế tạo liền với thân máy, nửa còn lại của bệ đỡ chính được chế tạo rời và lắp với nhau bằng bulong (hình 1.1)

Hình.1.1 Đặc điểm cấu tạo khối thân động cơ

Các hệ thống chính của động cơ có đặc điểm như sau:

- Hệ thống làm mát thuộc loại gián tiếp, hai vòng tuần hoàn, nước ngọt làm mát trực tiếp cho động cơ và nước bơm từ ngoài tàu vào để làm mát nước ngọt Piston được làm mát bằng dầu bôi trơn

- Hệ thống bôi trơn cacte ướt, cưỡng bức bằng bơm bánh răng

- Hệ thống nhiên liệu dùng bơm vận chuyển nhiên liệu, không có bơm cao áp

mà sử dụng kết cấu vòi phun bơm cao áp liên hợp được dẫn động bằng cơ khí

Hệ thống phun nhiên liệu kiểu bơm phun cùng loại buồng đốt thống nhất đã khắc phục nhược điểm phun rớt, cháy sớm, cháy muộn, cháy không hoàn toàn

Do đó tận dụng các ưu điểm để nâng cao công suất, hiệu suất của động cơ, giảm được lượng chi phí nhiên liệu tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ của động cơ

- Hệ thống nạp dùng tuabin tăng áp với áp suất khí nạp sau tuabin 1143 mmHg, làm mát bằng hệ thống làm mát khí nạp, cùng với việc nạp, xả bằng xupap Các hình dưới đây giới thiệu các hình chiếu của động cơ

26- Chỗ lắp ống cấp dầu 27- Cần bơm tay nhiên liệu 28- Bơm nhiên liệu

29- Bộ phận điều khiển đồng hồ đo tốc độ 30- Bệ đỡ phía trước máy

31- Bộ phận giảm rung 32- Bơm dầu bôi trơn 33- Tấm kim loại tháo được để kiểm tra 34- Tấm chắn bảo vệ dây curoa

35- Nút tráng kẽm 36- Bình làm mát nước – nước 37- Máy phát

38- Két giãn nở

Hình 1.2 Hình chiếu đứng phía trước động cơ Cummins NTA855M

25- Máy khởi động 26- Ống dầu hồi từ lọc nhánh mạch dầu bôi trơn

27- Bệ đỡ máy phía trước 28- Bệ đỡ hộp số

29- Que thăm dầu hộp số 30- Hộp số

31- Lỗ thông hơi và thăm dầu hộp số 32- Lọc nhánh lọc dầu bôi trơn 33- Lối ra của bình làm mát lọc dầu bôi trơn hộp số

34- Bình làm mát dầu bôi trơn 35- Lối vào của bình làm mát lọc dầu bôi trơn hộp số

36- Bình lọc không khí 37- Nắp bình lọc không khí

Hình 1.3 Hình chiếu đứng phía sau động cơ Cummins NTA855M

1- Bình lọc không khí

2- Bệ đỡ hộp số

3- Bệ đỡ phí trước máy

4- Ống thông hơi cacte

5- Lỗ thông hơi cacte

16- Nắp két giãn nở 17- Chỗ nối với lối ra 18- Van hằng nhiệt 19- Chỗ nối ống khí xả 20- Ống góp nước 21- Tuabin tăng áp 22- Ống góp khí xả 23- Ống cấp khí nạp 24- Lọc không khí 25- Van điều tiết dầu hồi

Hình 1.4 Hình chiếu bằng động cơ Cummins NTA855M

1- Nắp bình lọc không khí

2- Bình lọc không khí 3- Ống cấp nước cho bộ phận làm mát khí nạp 4- Kính xem mực nước 5- Bình làm mát khí nạp 6- Ống góp khí nạp 7- Nút tráng kẽm 8- Máy phát 9- Truyền động bơm nhiên liệu

10- Bộ giảm rung 11- Bệ đỡ máy phí sau

12- Lỗ tháo dầu cacte 13- Hộp số

14- Bơm nước vòng ngoài 15- Chỗ nối ống cấp nước 16- Bơm nước làm mát máy

17- Ống cấp nước cho bình làm mát nước- nước 18- Chỗ nối với lối ra nước ngoài tàu

19- Bình làm mát nước- nước

20- Két nước giãn nở 21- Chỗ nối ống khí xả

Hình 1.5 Hình chiếu cạnh của động cơ

1.4.3 Hệ thống nạp xả của động cơ

Không khí đi qua bình lọc không khí, vào đường ống góp, rồi đi vào máy nén

Tại máy nén, không khí được nén lên áp suất khoảng 1.3 at và đưa vào bình làm mát khí nạp sau đó cung cấp cho các xylanh qua các xupap nạp thông qua ống góp khí nạp

1 Khí nạp vào tua bin

2 Đường dẫn khí nạp từ tua bin vào bình làm mát khí nạp

3 Bình làm mát khí nạp

4 Đường khí nạp từ ống góp vào xylanh

Chương 2 MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

2.1 CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL

2.1.1 Các giai đoạn của quá trình cháy động cơ Diesel

Quá trình cháy trong động cơ có nhiệm vụ chuyển hoá năng lượng của nhiên liệu

dưới dạng hóa năng sang nhiệt năng nhằm để cung cấp cho môi chất công tác [7], [8] Tốc độ, thời điểm, mức độ hoàn hảo của quá trình cháy có ảnh hưởng quyết định đến công suất, hiệu suất, tuổi thọ và hàng loạt chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác của động cơ

Ở động cơ Diesel, nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy cuối hành trình nén Gặp không khí nén có áp suất và nhiệt độ cao, nhiên liệu tự bốc cháy mà không cần nguồn lửa từ bên ngoài Trên cơ sở của đồ thị công chỉ thị và một số điểm đặc trưng, chia quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ Diesel thành 4 giai đoạn sau: giai đoạn cháy trễ, giai đoạn cháy nhanh, giai đoạn cháy chính (cháy từ từ), giai đoạn cháy rớt

Hình 2.1 Đồ thị công mở rộng p-φ quá trình cháy động cơ Diesel

2.1.1.1 Giai đoạn I - Cháy trễ

Giai đoạn này tính bắt đầu từ lúc nhiên liệu thực tế được phun vào buồng cháy (điểm C‟) và kết thúc khi xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên trong buồng cháy Việc xác định thời điểm xuất hiện trung tâm cháy đầu tiên trong buồng cháy rất khó nên quy ước thời điểm cuối giai đoạn cháy trễ là lúc đường cong áp suất trong xylanh tách khỏi đường nén lí thuyết (điểm C1)

Các thông số đặc trưng cho giai đoạn cháy trễ của quá trình gồm:

- Thời gian cháy trễ tính bằng giây (ti) hoặc góc cháy trễ tính theo góc quay của trục khuỷu (φi)

- Lượng nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ (gi) Thời gian cháy trễ ở động cơ Diesel kéo dài vào khoảng vài phần nghìn giây, trong thời gian đó có khoảng (30†40)% lượng nhiên liệu của chu trình được đưa vào bên trong buồng cháy, đặc biệt là ở một số động cơ Diesel cao tốc, lượng nhiên liệu phun trong giai đoạn này có thể lên tới 100%

2.1.1.2 Giai đoạn II – Cháy nhanh (không điều khiển)

Giai đoạn này bắt đầu từ lúc đường áp suất cháy tách khỏi đường nén (điểm C1)

và kéo dài cho đến lúc áp suất cháy đạt cực đại (điểm z‟) Từ những trung tâm cháy hình thành ở giai đoạn I, ngọn lửa phát triển và bao trùm khắp không gian buồng cháy Tốc độ toả nhiệt rất lớn trong điều kiện thể tích không gian công tác nhỏ sẽ làm cho nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác ở bên trong buồng cháy tăng lên đột ngột Giai đoạn II quá trình cháy có thể coi như tương ứng với quá trình cấp nhiệt đẳng tích

và được đánh giá bằng các thông số sau:

Áp suất cháy cực đại càng cao, những chi tiết chịu lực phải có kích thước càng lớn

2.1.1.3 Giai đoạn III – cháy có điều khiển

Giai đoạn này được tính bắt đầu từ lúc áp suất cháy đạt giá trị cực đại (điểm z‟)

và kết thúc khi áp suất bên trong buồng cháy của động bắt đầu giảm xuống (điểm z),

có thể coi tương ứng với quá trình cấp nhiệt đẳng áp của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Các động cơ cao tốc thường kết thúc quá trình phun nhiên liệu trong giai đoạn II của quá trình cháy, do đó giai đoạn III chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian rất ngắn Vào giai đoạn III, mặc dù quá trình cháy vẫn diễn ra mạnh mẽ trong buồng đốt nhưng

áp suất của môi chất công tác hầu như không tăng do thể tích công tác tăng nhanh Nhiệt độ môi chất công tác đạt cực đại khoảng (1800 † 2200)0K cuối giai đoạn III Cũng vào cuối giai đoạn III, phần lớn nhiên liệu cung cấp cho chu trình đã đốt cháy, sản vật cháy trong xylanh động cơ tăng lên nhanh, nồng độ ôxy bị giảm đi đáng kể Nếu chất lượng phun và hoà trộn nhiên liệu không tốt, sẽ có các khu vực buồng cháy tập trung nhiều nhiên liệu hoặc các hạt nhiên liệu có kích thước lớn chưa kịp bay hơi Lượng ôxy còn lại khó tiếp xúc với các phần tử nhiên liệu và ôxy hoá nó hoàn toàn

Ở nhiệt độ cao, các phần tử nhiên liệu bị phân huỷ, cácbon trong nhiên liệu giải phóng dưới dạng bồ hóng, không đốt cháy và bị thải ra ngoài theo khí thải (khí thải màu đen)

2.1.1.4 Giai đoạn IV – Giai đoạn cháy rớt

Cháy rớt trong động cơ đốt trong là hiện tượng cháy kéo dài trên đường giãn nở

Ở các động cơ Diesel, hiện tượng cháy rớt thường nghiêm trọng hơn ở động cơ xăng bởi vì rất khó để tạo ra được một hỗn hợp cháy đồng nhất trong một thời gian ngắn

Do đó dù dùng nhiều biện pháp hòa trộn nhiên liệu với không khí trong buồng cháy, với động cơ Diesel vẫn phải sử dụng hệ số dư lượng không khí khá lớn (α =1.2 † 2.0) Hiện tượng cháy rớt có hại về mọi phương diện vì:

- Tăng tổn thất cho nước làm mát do bề mặt tiếp xúc giữa môi chất công tác với vách xylanh lớn khi piston đã rời xa ĐCT

- Làm tăng tổn thất nhiệt theo khí thải động cơ do có một phần nhiên liệu không kịp cháy thải ra ngoài và do môi chất công tác có nhiệt độ cao cuối hành trình giãn nở

- Nhiệt độ cao của môi chất công tác trong xylanh duy trì lâu có thể làm xupáp, đỉnh piston quá nóng, làm kẹt các xéc măng…

2.1.2 Đặc điểm của quá trình cháy động cơ Diesel

Quá trình cháy ở động cơ Diesel tính từ thời điểm nhiên liệu phun vào buồng cháy

Để có thời gian cho quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu-không khí và chuẩn bị cho hỗn hợp bốc cháy, nhiên liệu được phun vào buồng cháy trước khi piston đi đến ĐCT Góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm phun nhiên liệu đến ĐCT gọi là góc phun sớm φs, thường xê dịch khoảng (10 † 40)0

, tùy thuộc đặc điểm cấu tạo và tốc độ quay động cơ Toàn bộ quá trình phun nhiên liệu thường kéo dài khoảng (25 † 30)0

góc quay trục khuỷu Hiện tượng tự bốc cháy của nhiên liệu trong buồng đốt của động cơ Diesel rất phức tạp

Ở đây nhiệt độ không khí trong buồng cháy không đủ cao để có thể phá huỷ cấu trúc bên trong các phân tử hyđrocacbon như trong trường hợp đốt cháy bằng tia lửa điện Một số học thuyết về sự bốc cháy nhiên liệu còn cho rằng hiện tượng tự bốc cháy nhiên liệu trong động cơ Diesel là kết quả của hàng loạt các quá trình hoá học với sự hình thành những hợp chất trung gian để dẫn đến hình thành những phần tử hoạt tính Với một nồng độ nhất định, những phần tử hoạt tính này sẽ đóng vai trò như những trung tâm cháy đầu tiên, mở đầu cho các phản ứng oxy hoá dây chuyền có toả nhiệt Như vậy, trong giai đoạn cháy trễ ở động cơ Diesel đã diễn ra hàng loạt các quá trình trung gian trong việc hình thành và chuẩn bị cho hỗn hợp cháy có thể tự bốc cháy Những quá trình đó là: quá trình phá huỷ các tia nhiên liệu thành những hạt nhỏ và phân bố chúng trong thể tích của buồng cháy, sấy nóng và hoá hơi các hạt nhiên liệu, hình thành các hợp chất trung gian và những trung tâm cháy đầu tiên trong buồng cháy Thời gian diễn ra tất cả các quá trình nêu trên đây được gọi là thời gian cháy trễ τi Thời gian cháy trễ dài hay ngắn ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ quá trình cháy và sự làm việc của động cơ Nếu như thời gian cháy trễ τi (hoặc góc cháy trễ φi = 6.n.τi) dài, lượng nhiên liệu tập trung bên trong buồng cháy tại thời điểm cuối giai đoạn I sẽ lớn Điều này sẽ dẫn đến kết quả tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở giai đoạn II càng lớn, động cơ làm việc “cứng” và “ồn”, tải trọng động tác động lên cơ cấu truyền lực sẽ lớn Tốc độ quay động cơ càng cao, hậu quả hiện tượng cháy trễ và cháy rớt càng lớn Chính vì vậy, với những giải pháp kỹ thuật hiện có, tốc độ quay của động cơ Diesel chưa vượt quá 5000v/ph, trong khi tốc độ quay của động cơ xăng đã đạt 20000v/ph Giảm thời gian cháy trễ là một trong các biện pháp cơ bản nhằm hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ Diesel, đặc biệt đối với động cơ Diesel cao tốc [8]

Có thể rút ngắn được thời gian cháy trễ ở động cơ Diesel bằng các biện pháp như dùng nhiên liệu có trị số xetan cao, tăng chất lượng phun nhiên liệu, tăng cường vận động rối trong buồng cháy, tăng tỷ số nén để nâng áp suất, nhiệt độ của khí trong buồng cháy

Ở động cơ Diesel, rất khó có thể tạo ra được một hỗn hợp cháy hoàn toàn đồng nhất Tại khu vực xa các tia nhiên liệu, hỗn hợp nhiên liệu - không khí quá loãng, không đủ để bốc cháy (α > αmax), còn ở khu vực trung tâm, các tia nhiên liệu có mật độ hạt lớn, hỗn hợp nhiên liệu - không khí ở đây quá đậm, vượt quá giới hạn bốc cháy (α < αmin) Khu vực có lợi nhất cho quá trình cháy khởi phát là vỏ ngoài của chùm tia nhiên liệu, ở đó những hạt nhiên liệu có các kích thước nhỏ sẽ chuyển động cùng với không khí Quá trình cháy nhiên liệu ở các động cơ Diesel không bắt đầu từ một điểm giống như ở các động cơ đốt cháy bằng tia lửa điện Trong thể tích buồng cháy của động cơ có thể xuất hiện nhiều trung tâm cháy tại những khu vực có điều kiện thích hợp cho sự cháy Để phân biệt với

mô hình “cháy bề mặt” ở động cơ xăng, có thể gọi mô hình bốc cháy nhiên liệu trong động cơ Diesel là “cháy thể tích” của một hỗn hợp không đồng nhất Quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ đốt trong, thực chất là quá trình ôxy hoá những thành phần cháy được của nhiên liệu (cácbon, hyđrô và một lượng rất nhỏ các tạp chất như lưu huỳnh, phốt pho, vannađi ) theo các phương trình hoá học dưới đây [8]

2H2 + O2  2H2O (2.5)

S + O2  SO2 (2.6) Trong một số trường hợp, ví dụ động cơ làm việc với hỗn hợp cháy đậm (α <1), hoặc khi nhiên liệu không được hoà trộn đều với không khí, sản phẩm quá trình cháy của các bon (C) không phải là cacbonic (CO2) mà là ôxit cacbon (CO)

2C + O2  2CO (2.7) trong các phương trình trên:

C, H2, S - Những chất cháy được có trong thành phần nhiên liệu

O2 - Ôxy được nạp vào xylanh cùng với không khí và oxy có trong thành phần của nhiên liệu

CO2, H2O, SO2, CO - Các sản phẩm cháy

Nếu toàn bộ lượng cácbon (C) và hydrô (H2) có trong nhiên liệu đốt cháy thành cácbonic (CO2) và nước (H2O), quá trình cháy hoàn toàn, ngược lại, nếu trong khí thải còn cácbon (C), oxyt cácbon(CO), hydrocacbon (CnHm) là sự cháy không hoàn toàn

Sự tồn tại C, CO và CnHm trong khí thải có thể do hai nguyên nhân chủ yếu [8]:

- Lượng ôxy trong xylanh không đủ để ôxy hoá nhiên liệu cho đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O (do sử dụng hỗn hợp cháy đậm hoặc nhiên liệu không được hoà trộn đều với lượng không khí có trong buồng cháy)

- Nhiên liệu và sản phẩm cháy bị phân giải dưới tác dụng áp suất, nhiệt độ cao

OH

2

mnC

HC

o



 (2.10) Một phần hoặc toàn bộ sản phẩm quá trình phân giải (CO, C, H2) được đốt cháy vào giai đoạn cuối quá trình cháy hoặc trong thời gian giãn nở (quá trình hoàn nguyên của sản phẩm cháy), phần còn lại không kịp cháy sẽ thoát ra ngoài cùng với khí thải Cháy không hoàn toàn là điều hoàn toàn không mong muốn, vì khi đó tổng nhiệt lượng cung cấp cho môi chất công tác sẽ nhỏ hơn nhiều so với trường hợp cháy hoàn toàn Ngoài ra một số sản phẩm cháy không hoàn toàn như CO, alđêhít, một số hydrocacbon

là những hợp chất độc hại đối với sức khoẻ của con người và môi trường xung quanh Đối với các động cơ Diesel, hiện tượng cháy không hoàn toàn gia tăng trong quá trình

sử dụng chủ yếu do tình trạng kỹ thuật động cơ, đặc biệt là tình trạng kỹ thuật hệ thống phun nhiên liệu bị giảm sút, vì vậy phải không ngừng nâng cao chất lượng sử dụng động cơ, kiểm tra một cách có hệ thống và khoa học tình trạng kỹ thuật của chúng Qua phân tích ở trên ta thấy quá trình cháy có chất lượng cao đạt hai yêu cầu cơ bản:

- Nhiên liệu cháy hoàn toàn (sản phẩm cháy cuối cùng là CO2 và H2O) và cháy kịp thời (cháy gần ĐCT) Khi đó ta có được hiệu quả sử dụng nhiệt cao nhất

- Tốc độ tăng áp suất trung bình (wtb) và áp suất cháy cực đại (pz) phải có trị số vừa phải, đảm bảo cho động cơ làm việc “mềm”, có độ ồn thấp và hạn chế các tải trọng cơ học tác dụng lên cơ cấu truyền lực

2.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ Diesel

2.1.3.1 Tính chất lý hoá của nhiên liệu

Hai tính chất quan trọng của nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến của quá trình cháy trong các động cơ Diesel là tính tự bốc cháy và độ nhớt của nhiên liệu (a) Tính tự bốc cháy

Nhiên liệu khi được phun vào buồng cháy của động cơ Diesel sẽ tự bốc cháy mà không cần tới nguồn lửa từ bên ngoài như đối với loại động cơ đốt cháy cưỡng bức

Từ đặc điểm này mà nhiên liệu dùng cho động cơ Diesel phải có tính tự bốc cháy cao Chỉ tiêu đánh giá tính tự bốc cháy của nhiên liệu phổ biến nhất hiện nay là trị số xetan, được xác định bằng động cơ thí nghiệm đã được tiêu chuẩn hoá và nhiên liệu mẫu Nhiên liệu mẫu là hỗn hợp của xetan (C16H34 mạch thẳng) với số xetan được quy ước lấy bằng 100 và alfa – mêtyl - naptalin (C10H7CH3) có trị số xetan quy ước bằng 0 Nếu như thời gian cháy trễ (hoặc tỷ số nén tới hạn) khi động cơ chạy bằng nhiên liệu thí nghiệm và chạy bằng nhiên liệu mẫu giống như nhau thì trị số xetan của nhiên liệu làm thí nghiệm chính là số phần trăm thể tích của xetan có trong nhiên liệu mẫu này

Rõ ràng là động cơ có trị số xetan càng cao thì thời gian cháy trễ sẽ diễn ra càng ngắn,

do đó nếu từ góc độ của quá trình cháy thì nhiên liệu có trị số xetan càng cao càng tốt Động cơ Diesel có tốc độ quay lớn yêu cầu nhiên liệu phải có trị số xetan cao hơn (b) Độ nhớt nhiên liệu

Độ nhớt của nhiên liệu có liên quan đến quá trình cháy thông qua ảnh hưởng tới chất lượng phun nhiên liệu và tốc độ hoá hơi của các hạt nhiên liệu trong buồng cháy

Độ nhớt quá thấp (ví dụ như dầu Diesel có bị lẫn nhiều xăng, cồn ) sẽ không đảm bảo được về độ kín và điều kiện bôi trơn cho các chi tiết thuộc hệ thống phun nhiên liệu Khi đó, tia phun nhiên liệu sẽ ngắn, hạt nhiên liệu phun tơi và cháy gần vòi phun Ngược lại, nếu độ nhớt quá lớn thì chất lượng phun và khả năng hoá hơi của nhiên liệu

sẽ bị giảm sút, làm tăng cường thêm hiện tượng cháy không hoàn toàn trong động cơ Nhiên liệu nặng có độ nhớt cao phải được sấy nóng trước khi dẫn đến bơm cao áp Cũng có thể sử dụng các chất phụ gia như PEROLIN Fuel Oil Treatment 667-ND, VECOMEOT Oil Treatment…để cải thiện chất lượng phun và chất lượng hoá hơi [8]