Nghiên cứu thiết kế động cơ thí nghiệm một xy lanh có tỷ số nén thay đổi.PDF

Chủ yếu, một số nghiên cứu thực hiện việc thay đổi tỷ số nén bằng phương pháp thay đổi roan quy-láp, khoan đỉnh pittông tạo sự thay đổi thể tích buồng cháy nhưng gặp nhiều khó khăn và kh

Đà Nẵng - Năm 2018

60.52.01.16

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Trung tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

- Thư viện Khoa Cơ khí Giao Thông, Trường Đại học Bách Khoa ĐHĐN

TS Phan Minh Đức

TS Phùng Xuân Thọ

1 Lý do chọn đề tài

Xu hướng phát triển động cơ đốt trong ngày nay chủ yếu tập trung là nâng cao công suất và hiệu suất của động

cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải độc hại

Để giải quyết các vấn đề nêu trên hiện nay có 2 xu hướng nghiên cứu phát triển là thay đổi cải tạo kết cấu động cơ và tìm nhiên liệu mới thay thế cho nhiên liệu truyền thống

Do đó, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều hướng nghiên cứu cải tạo từ các kiểu động cơ truyền thống để nghiên cứu nhằm tối ưu hóa ngày càng hoàn thiện cho các kiểu động cơ trong tương lai Một trong những phương án được xây dựng cho các nghiên cứu trong khoa học đó là thay đổi kết cấu động cơ bằng cách thay đổi tỷ số nén Đây là phương án khá phổ biến hiện nay

Ứng dụng động cơ thay đổi tỷ số nén sẽ tạo thuận lợi cho nhiều hướng lựa chọn nghiên cứu khác nhau Theo nguyên lý cháy của động cơ cháy cướng bức và tự cháy phục vụ cho việc nghiên cứu nhiều loại nhiên liệu khác nhau

Tuy nhiên, ở Việt Nam việc chế tạo động cơ thay đổi

tỷ số nén phục vụ cho mục đích nghiên cứu là rất khó khăn và hạn chế Chủ yếu, một số nghiên cứu thực hiện việc thay đổi tỷ số nén bằng phương pháp thay đổi roan quy-láp, khoan đỉnh pittông tạo sự thay đổi thể tích buồng cháy nhưng gặp nhiều khó khăn và không hiệu quả trong nghiên cứu thực nghiệm

Chính những yếu tố phân tích trên trong luận văn này em chọn hướng nghiên cứu thiết kế động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi được chuyển đổi

từ động cơ Diesel D28 một xilanh truyền thống nhằm sử dụng trong thí nghiệm

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích chung:

Thiết kế động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Động cơ một xy lanh Diesel D28 Đây là động cơ diesel truyền thống, một xylanh, không tăng áp, làm mát bằng nước, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải),

buồng cháy thống nhất

Thông số kỹ thuật động cơ Diesel D28

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cụ thể sau đây:

- Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của tỷ số nén đến quá trình làm việc của quá trình cháy trong động

cơ

Thu thập tài liệu dựa trên các công trình báo cáo khoa học đã công bố, tạp trí uy tín

- Nhóm nghiên cứu thực nghiệm:

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ thay đổi tỷ số nén một xilanh

Thu thập thông tin và các số liệu sau được sẽ mô phỏng bằng phần mềm

- Phương pháp phân tích và đánh giá:

Phương pháp chạy thực nghiệm đo giá trị áp suất thay đổi ở cuối kỳ nén

Tham khảo ý kiến của cán bộ hướng dẫn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

Phục vụ cho việc nghiên cứu trên động cơ một xylanh Ở nhiều tỷ số nén và nhiều nhiên liệu khác nhau

Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài đã thiết kế và chế tạo được động cơ thay đổi

tỷ số nén Trên cơ sở thực nghiệm đánh giá khả năng mở rộng vùng làm việc của động cơ, qua đó đánh giá được ảnh hưởng của việc điều chỉnh tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ Mở ra hướng phát triển động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt

6 Cấu trúc của luận văn

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Chế tạo động cơ động cơ thí nghiệm một

xy lanh có tỷ số nén thay đổi

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm tính năng kỹ thuật động cơ có tỷ số nén thay đổi

Trong các loại động cơ đốt trong nêu trên loại động

cơ đốt trong pittông có hiệu suất cao nhất

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN

Động cơ thay đổi tỷ số nén đã được nghiên cứu từ hàng thập kỷ trước tuy nhiên chỉ sử dụng trong các phòng thí nghiệm cho tới những năm đầu của thế kỷ XXI mới thực sự nghiên cứu phát triển các sản phẩm thực nghiệm Theo một thống kê năm 2015 có hơn 1163 bằng sáng chế

và có 127 kiểu thiết kế động cơ thay đổi tỷ số nén

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới việc nghiên cứu động cơ thay đổi tỷ số nén đã được thực hiện từ rất lâu như :

- Động cơ cũng được biết đến, trong đó piston chính được nối với bộ phận đồng bộ và bộ chốt bánh răng và trục ra đầu ra trong các bộ phận chịu lực bằng vòng bi với các con dấu ở các đầu của trục Trên trục đã lắp đặt một số bánh răng từ phần xa xíu của răng (xem chứng chỉ của tác giả USSR số 1257257, IPC F 02 B 75/04, publ 15.09.1986)

- Động cơ đốt trong được biết đến với sự đốt cháy ở

áp suất không đổi ( xem bằng sáng chế của Nga số

2103532, IPC F 02 B 75/32, ấn bản ngày 27.01.1998),

trong đó piston thứ cấp có vị trí đồng trục với piston chính

Trong đề tài nghiên cứu “Phương pháp duy trì sự đốt cháy trong động cơ đốt trong và đầu xi lanh của động cơ phía trên nắp máy”

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay trong nước vẫn chưa có đề tài nghiên cứu khoa học chính thức nào về động cơ thay đổi tỷ số nén Chủ yếu ở các đề tài nghiên cứu về nhiên liệu, quá trình cháy trong động cơ đốt trong pittông có liên quan đến tỷ

số nén như:

- “Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số nén ở động cơ một xilanh khi sử dụng nhiên liệu CNG hình thành hổn hợp bên ngoài” của nhóm tác giả TS Trần Đăng Quốc, PGS TS Khổng Vũ Quảng, ThS Nguyễn Đức Khánh-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội;TS Nguyễn Tuấn Nghĩa, KS Nguyễn Thành Vinh, ThS Nguyễn Phi Trường-Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội;ThS Vũ Thị Phương-Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ đốt trong pittông 1 xylanh và tỷ số nén thay đổi từ 10÷15

- “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu, tỷ số nén

và góc đánh lửa sớm đến quá trình cháy hổn hợp Xăng- Ethanol trong động cơ Daewoo” của nhóm tác giả GS.TS Bùi Văn Ga, TS Nguyễn Văn Đông, ThS Bùi Văn Tấn ( Năm 2016) Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ Daewoo, 4 xylanh và tỷ số nén thay đổi từ 9.5÷10.3

+ Luận án “Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel” của tác giả Khương Thị Hà đại học Bách khoa Hà Nội ( Năm 2017) Nghiên cứu được thực hiện trên 1 xylanh Kubota

BD178F(E) và thực hiện thay đổi tỷ số nén ở 18,85; 18,0; 16,93; 16,3; 15,4 và 14,87

Trong các nghiên cứu nêu trên việc thay đổi tỷ số nén được thực hiện nhờ bằng các phương pháp như: cắt bỏ bớt phần kim loại trên đỉnh pittông, thêm roan quy láp nên chỉ thực hiện ở một số tỷ số nén nhất định và còn hạn chế trong quá trình tinh chỉnh việc thay đổi tỷ số nén

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Từ những tìm hiểu thông tin trên cho thấy hoạt động nghiên cứu về động cơ thay đổi tỷ số nén là rất lâu trên thế giới Tuy nhiên việc thực hiện các mô hình động cơ thay đổi tỷ số nén chỉ mới được thực sự quan tâm và phát triển trong những năm đầu thế kỷ XXI

Tại Việt Nam hiện tại nghiên cứu về động cơ thay đổi tỷ số nén cũng chưa có đề tài nghiên cứu chính thức nào chủ yếu nằm trong một số đề tài nghiên cứa sự ảnh hưởng của tỷ số nén đến các loại nhiên liệu

Do vậy, việc chế tạo động cơ thí nghiệm thay đổi tỷ

số nén sẽ được ứng dụng để phục vụ nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm là rất cần thiết

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ SỐ NÉN ĐẾN QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ

2.2 CÁC PHƯƠNG ÁN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN

thực tế CR + + + + + + - - - - Hình dạng

buồng cháy ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ Impact on

Package - - - ++ + + + Thay đổi

kết cấu o - - + + + +

o tác động vừa phải- Tác động tiêu cực cao

tác động tiêu cực rất cao Qua các phương án trình bày nêu trên với các phương án thiết kế khác nhau trong luận văn tốt nghiệp tác giả chọn hướng thực hiện ở phương án thay đổi thể tích buồng cháy bằng cách sử dụng buồng cháy phụ được thiết

kế trên nắp máy Trong phương án thiết kế này hiện chưa phải là phương án tối ưu nhất tuy nhiên trong điều kiện gia công chế tạo còn hạn chế đây là phương án khả thi nhất

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐIỀU CHỈNH

TỶ SỐ NÉN CHO ĐỘNG CƠ

Công thức tính tỷ số nén của động cơ thí nghiệm một xylanh có tỷ số nén thay đổi :

2 1

1

C C

h C

a

V V

V V

Va : Thể tích toàn phần của động cơ

Vh : Thể tích công tác của động cơ

Vc∑ : Thể tích buồng cháy tổng

VC1 : Thể tích buồng cháy chính

VC2 : Tổng thể tích buồng cháy phụ động cơ khi điều chỉnh pittông thay đổi tỷ số nén

Trong thiết kế động cơ thí nghiệm một xylanh có tỷ

số nén thay đổi bằng cách thay đổi thể tích buồng cháy

phụ trên nắp máy hoàn toàn có khả năng thay đổi liên tục, tuy nhiên để hạn chế sự ảnh hưởng đến đặc trưng buồng cháy nên trong luận văn này tác giả đã đưa ra phạm vi thay đổi tỷ số nén trong 2 đơn vị bằng cơ cấu điều chỉnh

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Qua việc khảo sát các phương án, luận văn sử dụng phương án thiết kế cải tạo động cơ thành động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi là thay đổi thể tích buồng cháy bằng cách sử dụng buồng cháy phụ được thiết kế trên nắp máy Với phương án thiết kế trên được thực hiện trên động cơ D28 có ưu điểm là dải thay đổi tỷ

số nén lớn phù hợp cho việc nghiên cứu trên nhiều loại nhiên liệu khác nhau

Đưa ra được công thức tính tỷ số nén cho động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ TỶ SỐ NÉN

THAY ĐỔI

3.1 ĐẶC DIỂM KẾT CẤU DỘNG CƠ DIESEL D28 3.1.1 Thông số kỹ thuật

Bảng 3- 1 Thông số kỹ thuật động cơ Diesel D28

STT Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị

9 Loại buồng cháy Thống nhất

10 Kiểu xupáp Treo

3.1.2 Đặc điểm kết cấu động cơ Diesel D28

Động cơ Diesel D28 là động cơ Diesel một xy lanh nằm ngang truyền thống

Nắp máy được đúc bằng gang nguyên khối buồng cháy thống nhất ( cháy trực tiếp), đỉnh pittông có thiết kế dạng lõm, trong nắp máy có bố trí khoang nước làm mát, đường dầu bôi trơn là nơi lắp đặt các chi tiết thuộc cơ cấu phân phối khí, đường ống nạp-thải, lắp vòi phun nhiên liệu…

Thân máy ( xilanh ) được đúc liền với hộp trục khủy, bên trên thân máy bố trí các ổ lắp đặt ổ bi gối đỡ trục khủy

và bi gối đỡ cho 2 đối trọng giúp cân bằng động cơ, là vị trí gá lắp bơm dầu bôi trơn và các đường dẫn dầu Phần phía trên thân máy có bố trí 6 gujông để liên kết với nắp máy Xilanh là loại lót xilanh ướt được đúc rời và lắp chặt với vỏ thân máy mặt ngoài làm việc tiếp xúc trực tiếp với thân máy

Cacte được làm rời bằng thép dập và lắp với thân máy bằng bulông là nơi chứa dầu bôi trơn

Cơ cấu phân phối khí động cơ sử dụng cơ cấu phân phối khí sử dụng xupap treo có trục cam đặt trong thân máy có 2 xupap(1 nạp, 1 thải) truyền động từ trục cam đến xupap thông qua các chi tiết trung gian con đội đũa đẩy đòn gánh Nấm xupáp được bố trí sát mép với bề mặt của nắp máy

Hệ thống bôi trơn sử dụng hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte ướt có các te gồm các chi tiết bơm nhớt ( bơm bánh răng ăn khớp trong), lọc nhớt, các đường dầu bôi trơn Dầu bôi trơn được bơm hút qua lọc nhớt đặt dưới cacte qua bơm lên đường dầu bôi trơn phân phối đến các

bề mặt cần bôi trơn

Hệ thống làm mát sử dụng kiểu bốc hơi: Bộ phận chứa nước bao gồm các khoang chứa nước làm mát ở thân máy, nắp máy và bình chứa nước lắp ở phía trên của thân máy Quá trình làm mát dựa vào sự chênh lệch của tỷ trọng giữa nước nóng sẽ nổi lên trên bề mặt tạo thành dòng đối lưu tự nhiên

3.2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN

Hình 3- 12 Vị trí lắp đặt cơ cấu thay đổi tỷ số nén 3.3 PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY

Sau khi tiến hành gia công cơ cấu điều khiển thay đổi tỷ số nén thì bề mặt buồng cháy của động cơ không còn khoản không gian để bố trí lắp đặt chính vì vậy đồ gá cảm biến đo áp suất được bố trí ngay bên trên phần pittông thay đổi tỷ số nén thứ 2 có đường kính bao 22mm

Hình 3- 14 Vị trí lắp đặt cơ cảm biến áp suất buồng cháy 3.4 THIẾT KẾ PITTÔNG THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN

Hình 3- 15 Pittông phụ trong cơ cấu thay đổi tỷ số nén 3.5 THIẾT KẾ ĐỒ GÁ CẢM BIẾN ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY

Trong quá trình thí nghiệm động cơ việc đo đạc áp suất bên trong buồng cháy của động cơ giúp ghi nhận các thông số chỉ thị động cơ trong quá trình thực nghiệm và đây là phương pháp tiện ích giúp nghiên cứu quá trình cháy động cơ đốt trong

Tuy nhiên trong quá trình thí nghiệm trên động cơ không phải lúc nào cũng đo áp suất buồng cháy Chính vì vậy nếu quá trình thí nghiệm trên động cơ diễn ra kéo dài

mà vẫn để cố định cảm biến đo áp suất buồng cháy bên trong xylanh động cơ thì dễ gây nên hư hỏng Chính vì vậy trong luận văn này phương án thiết kế các chi tiết đồ

gá cảm biến được chế tạo thành nhiều chi tiết rời và được gia công lắp ghép với nhau bằng các mối ghép ren Và

52 5

8 5

60

°

được lắp đặt trên pittông phụ thay đổi thể tích buồng cháy thứ 2

Đồ gá cảm biến gồm 2 phần được lắp với nhau bằng mối ghép ren

Hình 3- 19 Đồ gá cảm biến đo áp suất buồng cháy

3.6 THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐẶC TÍNH KẾT CẤU DỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XYLANH CÓ

TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI

Bảng 3- 2 Thông số kỹ thuật động cơ thí nghiệm một

xylanh có tỷ số nén thay đổi tỷ số nén

7 Góc phun sớm φps Độ 14

8 Loại buồng cháy Thống nhất

9 Kiểu xupáp Xupáp treo- trục cam

nằm trong thân máy

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Đã nghiên cứu thiết kế chế tạo cơ cấu thay đổi tỷ số

nén sử dụng pittông phụ được lắp trên nắp máy có khả

năng thay đổi từ 16.3-10 Tuy nhiên chỉ nên thay đổi trong

2 đơn vị để không thay đổi quá nhiều đặc trưng buồng

cháy của động cơ làm ảnh hưởng đến quá trình cháy của

động cơ

Đã nghiên cứu chế tạo cơ cấu kiểm tra điều chỉnh tỷ

số nén có độ chính xác 0.25 đơn vị

Trường hợp động cơ thay đổi tỷ số nén thấp hơn và

sử dụng loại nhiên liệu đốt cháy cưỡng bức thì tiến hành

thay thế pittông có biên dạng buồng cháy phù hợp

Đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo đồ gá cảm biến áp

suất buồng cháy có khả năng tháo rời khi không sử dụng

Đưa ra được bảng thông số điều chỉnh cơ cấu thay

đổi tỷ số nén, đây là cơ sở để giúp cho quá trình thay đổi

tỷ số nén được thuận lợi trong quá trình thực nghiệm

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ CÓ TỶ SỐ

NÉN THAY ĐỔI

4.1 MỤC ĐÍCH THỬ NGHIỆM

Chạy thực nghiệm trên băng thử chuyên dụng nhằm xác định được các giá trị cơ bản của động cơ sau: công suất động cơ (Ne), mômen động cơ (Me) và số vòng quay động cơ (n) khi tiến hành thay đổi tỷ số nén trên động cơ Chạy thực nghiệm nhằm mở rộng vùng làm việc của động cơ tại nhiều tỷ số nén khác nhau Từ đó đưa ra đánh giá được ảnh hưởng của việc thay đổi tỷ số nén đến công suất của động cơ nhằm đưa ra kết luận việc thay đổi tỷ số nén là đã thực hiện được bằng cơ cấu điều chỉnh thay đổi

tỷ số nén

4.2 ĐỐI TƯỢNG THỬ NGHIỆM

Đối tượng thử nghiệm là động cơ thí nghiệm một xylanh có tỷ số nén thay đổi đã được gia công chế tạo với thông số kỹ thuật như trong bảng 3.2

Quy trình thực nghiệm dựa trên nội dung, mục tiêu

và yêu cầu của đề tài Trong đề tài này, tác giả thực nghiệm đo đạc các chỉ tiêu về công suất và momen của động cơ ở các thời điểm nhất định ở các tỷ số nén khác nhau nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của việc thay đổi tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ

4.3.2 Phạm vi thử nghiệm

Gồm 2 nội dung: