Nghiên cứu cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel khi cường hóa bằng tăng áp

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÕNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN

QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

DIESEL KHI CƢỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÕNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN

QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

DIESEL KHI CƢỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS, TS Hà Quang Minh

2. TS Lê Đình Vũ

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các

số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong

bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Phạm Hồng Sơn

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÕNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM HỒNG SƠN

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN

QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

DIESEL KHI CƢỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ

CỦA TÁC GIẢ

HÀ NỘI - 2014

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

MỞ ĐẦU 1

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1. Tổng quan về tình hình sử dụng động cơ diesel không tăng áp

hiện nay ở nƣớc ta và nhu cầu cải tiến nâng cao công suất động cơ 6

1.1.1. Tình hình sử dụng trong lĩnh vực dân sự 6

1.1.2. Tình hình sử dụng trong lĩnh vực quân sự 6

1.1.3. Nhu cầu cải tiến để nâng cao công suất bằng biện

pháp tăng áp 6

1.1.4. Một số vấn đề cần nghiên cứu khi cường hóa động cơ

bằng tăng áp tua bin khí thải 7

1.1.5. Kết quả nghiên cứu tăng áp động cơ B6 và những vấn

đề cần hoàn thiện tiếp theo 7

1.2. Một số biện pháp cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu đối

với động cơ diesel sau khi cƣờng hóa bằng tăng áp tua bin khí

thải và các nghiên cứu có liên quan 8

1.2.1. Các biện pháp điều chỉnh 8

1.2.2. Các biện pháp thay đổi kết cấu 9

1.2.3. Một số nghiên cứu khác có liên quan 12

1.3. Quy luật cung cấp nhiên liệu và yêu cầu đối với quy luật cung

cấp nhiên liệu của động cơ diesel sau khi cƣờng hóa bằng tăng áp 13

1.3.1. Quy luật cung cấp nhiên liệu 13

1.3.2. Các dạng quy luật phun nhiên liệu của động cơ diesel 16

1.3.3. Yêu cầu mong muốn đối với quy luật cung cấp nhiên

liệu của động cơ diesel khi được cường hóa bằng tăng áp 17

Trang

1.4. Ảnh hƣởng của biên dạng cam, chế độ tải đến quy luật cung

cấp nhiên liệu (quy luật phun) 18

1.4.1. Ảnh hưởng của biên dạng cam 18

1.4.2. Ảnh hưởng của chế độ tải 20

1.5. Ảnh hƣởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến các chỉ tiêu

công tác của động cơ 21

1.6. Trình tự nội dung nghiên cứu của luận án 23

1.7. Kết luận chƣơng 1 25

Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN

QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

DIESEL KHI CƢỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP 27

2.1. Khái quát chung (đặt vấn đề) 27

2.2. Cơ sở tính toán biên dạng cam bơm cao áp nhằm cải thiện quy

luật cung cấp nhiên liệu 28

2.2.1. Tiêu chí và phương án lựa chọn dạng cam cải tiến 28

2.2.2. Cơ sở tính động học pít tông bơm cao áp HK-10 29

2.2.2.1. Động học pít tông bơm cao áp cơ sở HK-10 trên cam

tiếp tuyến 29

2.2.2.2. Động học pít tông bơm cao áp cơ sở HK-10 trên cam

cải tiến 31

2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán thủy động hệ thống nhiên liệu của

động cơ diesel 34

2.3.1. Mô hình tính toán 34

2.3.2. Các giả thuyết 35

2.3.3. Phương pháp tính 36

2.3.4. Phần mềm áp dụng tính GT-FUEL 37

2.3.5. Cơ sở lý thuyết (các phương trình đặc tính) của các

phần tử 37

2.3.5.1. Chất lỏng (nhiên liệu) 37

2.3.5.2. Đường ống cao áp 38

Trang

2.3.5.3. Khoang chưa biết áp suất 39

2.3.5.4. Phần tử tiết lưu (Flow Passage) 40

2.3.5.5. Phần tử van (Valve) 40

2.3.5.6. Phần tử dòng chảy tầng (Laminar Flow) 41

2.3.6. Xác định các điều kiện biên tại bơm cao áp và vòi phun 41

2.3.6.1. Các phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp 41

2.3.6.2. Các phương trình điều kiện biên tại vòi phun 42

2.3.6.3. Hệ phương trình vi phân điều kiện biên 43

2.3.6.4. Xác định các thông số bổ trợ để giải hệ phương trình điều

kiện biên. 47

2.4. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình và các chỉ tiêu công tác

của động cơ diesel tăng áp 51

2.4.1. Mô hình vật lý tính chu trình công tác động cơ diesel

tăng áp 51

2.4.2. Các phương trình cơ bản tính diễn biến áp suất, nhiệt

độ của chu trình 52

2.4.3. Mô hình cháy 53

2.4.3.1. Lựa chọn mô hình cháy 53

2.4.3.2. Mô hình hiện tượng cháy đa vùng áp dụng đối với tia

phun trực tiếp (DI-jet) 54

2.4.4. Truyền nhiệt và phương trình xác định hệ số tỏa nhiệt

đối lưu giữa khí cháy và thành vách 60

2.4.5. Mô hình máy nén và tuabin 62

2.5. Kết luận chƣơng 2 64

Chƣơng 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN QUY LUẬT CUNG CẤP

NHIÊN LIỆU, KHẢO SÁT CHU TRÌNH VÀ CHỈ TIÊU CÔNG

TÁC CỦA ĐỘNG CƠ B6 TĂNG ÁP KHI THAY ĐỔI QUY

LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU 65

3.1. Kết quả tính động học pít tông bơm cao áp HK-10 65

3.1.1. Sơ lược về bơm cao áp HK-10 65

Trang

3.1.2. Động học với biên dạng cam nguyên thủy (cam tiếp tuyến) 66

3.1.3. Động học với biên dạng cam cải tiến 67

3.2. Tính toán thủy động, xác định quy luật cung cấp nhiên liệu khi

dùng cam nguyên thủy và dùng các phƣơng án cam cải tiến 68

3.2.1. Mô hình khảo sát hệ thống nhiên liệu bằng phần mềm

GT - Fuel tính cho động cơ B6 và B6TA 69

3.2.1.1. Mô hình và thông số đầu vào 69

3.2.1.2. Hiệu chỉnh mô hình 71

3.2.2. Kết quả tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu với các

phương án biên dạng cam 72

3.2.3. Kết luận lựa chọn quy luật cung cấp nhiên liệu (quy

luật phun) và biên dạng cam cải tiến 74

3.2.4. Khảo sát các đặc tính thủy động và quy luật cung cấp

nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu sử dụng phương án cam cải tiến

đã lựa chọn (PA3) và cam nguyên thủy 76

3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng quy luật cung cấp nhiên liệu đến chu

trình và chỉ tiêu công tác của động cơ B6 tăng áp 81

3.3.1. Khái quát về phần mềm GT - Power 81

3.3.2. Mô hình mô phỏng chu trình và các chỉ công tác của

động cơ B6 và B6TA bằng phần mềm GT-Power 81

3.3.2.1. Trình tự nghiên cứu và xây dựng mô hình 81

3.3.2.2. Thông số đầu vào của mô hình 86

3.3.2.3. Kết quả tính kiểm tra đối với động cơ B6 khi chưa tăng áp

(động cơ nguyên thủy) 89

3.3.3. Các kết quả tính chu trình và chỉ tiêu công tác của

động cơ B6TA trước và sau cải tiến biên dạng cam bơm cao áp 92

3.3.3.1. Chọn chế độ tính toán 92

3.3.3.2. Kết quả tính chu trình công tác của động cơ B6TA 93

3.3.3.3. Nhận xét, bình luận 99

3.4. Kết luận chƣơng 3 101

Trang

Chƣơng 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 102

4.1. Mục đích và phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 102

4.1.1. Mục đích thực nghiệm 102

4.1.2. Nội dung và phương pháp thực nghiệm 103

4.2. Chế tạo trục cam mới cho bơm cao áp động cơ B6 tăng áp 103

4.2.1. Thiết kế bản vẽ chế tạo trục cam mới cho bơm cao áp 103

4.2.2. Tiến trình công nghệ chế tạo trục cam bơm cao áp mới 104

4.3. Kiểm tra kết quả gia công trục cam mới 108

4.4. Thực nghiệm đo lƣợng nhiên liệu cấp cho chu trình và áp

suất trên đƣờng ống cao áp 110

4.4.1. Trang, thiết bị và chế độ thử nghiệm 111

4.4.1.1. Bệ thử bơm cao áp 111

4.4.1.2. Thiết bị đo áp suất 112

4.4.1.3. Chế độ thử nghiệm 115

4.4.2. Trình tự tiến hành thử nghiệm 116

4.4.3. Kết quả thử nghiệm 118

4.4.3.1. Kết quả đo lượng cung cấp nhiên liệu 118

4.4.3.2. Kết quả đo áp suất đường ống cao áp 118

4.4.4. Đánh giá kết quả thử nghiệm, so sánh kiểm chứng với

kết quả tính mô phỏng 122

4.4.4.1. Xử lý kết quả đo lượng cung cấp nhiên liệu 122

4.4.4.2. So sánh kết quả đo lượng áp suất trong đường ống cao áp 122

4.4.4.3. Nhận xét kết quả thực nghiệm 124

4.5. Kết luận chƣơng 4 125

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126

Danh mục các công trình công bố của tác giả 128

Tài liệu tham khảo 129

Phụ lục

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. KÝ HIỆU LA TINH

Kí hiệu Diễn giải

Đơn vị

tính

BCA Bơm cao áp -

CCNL Cung cấp nhiên liệu -

CNC Computer numerical control (máy điều khiển số) -

CFD

Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực

học chất lỏng)

-

Cn Tốc độ chuyển động của pít tông bơm cao áp m/s

ĐCT Điểm chết trên -

ĐCD Điểm chết dưới -

FP Diện tích tiết diện ngang của pít tông bơm cao áp mm

2

Fi Diện tích tiết diện ngang của lỗ phun mm

2

fc Tổng diện tích mặt cắt ngang của các lỗ phun m

2

GQTC Góc quay trục cam -

GQTK Góc quay trục khuỷu -

ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g/kW.h

gct Lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình mg/ct

Gnl Lượng tiêu thụ nhiên liệu kg/h

HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu -

hc Hệ số truyền nhiệt W/m2

-K

jn Gia tốc chuyển động của pít tông bơm cao áp m/s2

i Số lỗ phun -

K Mô đun đàn hồi khối của nhiên liệu -

Me Mô men có ích của động cơ Nm

Kí hiệu Diễn giải

Đơn vị

tính

Ne Công suất động cơ kW

Nu Hệ số Nusselt -

nc Số vòng quay của trục cam bơm cao áp vg/ph

nđc Số vòng quay của động cơ vg/ph

QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu -

q Tốc độ phun mg/độ

pϕ Áp suất nhiên liệu trong khoang đầu vòi phun Pa, bar

pi Áp suất tức thời tại vòi phun Pa, bar

pXL Áp suất bên trong xi lanh động cơ Pa, bar

Re Hệ số Reynolds -

Smax Hành trình lớn nhất của con đội m

Sn Chuyển vị của pít tông bơm cao áp m

Vcc.ct Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình ml/ct

Vcc Quy luật cung cấp nhiên liệu dạng tích phân -

Vph.ct Quy luật phun tích phân được kí hiệu là -

VT Lưu lượng cung cấp thể tích của bơm cao áp m

3

/s

2. KÝ HIỆU HY LẠP

Kí hiệu Diễn giải

Đơn vị

tính

α Hệ số dư lượng không khí -

ρnl Khối lượng riêng của nhiên liệu kg/m3

k Tỉ số tăng áp của máy nén -

Δφcc Thời gian cung cấp nhiên liệu tính theo góc quay của trục

cam bơm cao áp

độ

φ0 Góc công tác của cam độ

Kí hiệu Diễn giải

Đơn vị

tính

φc Góc quay của trục cam độ

φf Thời điểm bắt đầu phun độ

φe Thời điểm kết thúc phun độ

μc Hệ số lưu lượng qua lỗ phun -

ωc Tốc độ góc của trục cam bơm cao áp rad/s

Δp Độ chênh áp suất Pa

Các kí hiệu khác được giải thích chi tiết theo từng chương mục

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng Tên bảng Trang

2.1 Kí hiệu, đơn vị tính của các thông số trong các phương trình và hệ

phương trình vi phân điều kiện biên 44

3.1 Thông số lựa chọn cho các phương án tính toán cam cải tiến 67

3.2 So sánh một số thông số động học giữa cam cũ và các

phương án cam cải tiến đã chọn 67

3.3 Lượng cung cấp nhiên liệu cho 1 chu trình ở chế độ tải định

mức của BCA HK-10 nguyên thủy 72

3.4 Kết quả tính toán các thông số đặc tính phun với các phương

án biên dạng cam khác nhau 73

3.5 Thông số đặc trưng của biên dạng cam cải tiến 75

3.6 Các phần tử chính sử dụng trong các mô hình 82

3.7 Các thông số đầu vào chung của động cơ B6 (B6TA) 86

3.8 Kết quả tính toán các chỉ tiêu công các động cơ B6 89

3.9 Các thông số đánh giá chu trình công tác động cơ B6 89

3.10 Phân phối năng lượng (cân bằng nhiệt)của động cơ B6

nguyên thủy

90

3.11 Kết quả tính đặc tính ngoài động cơ B6 92

3.12 Bảng so sánh các thông số đặc trưng của chu trình và chỉ tiêu

công tác của động cơ B6TA 98

3.13 Phân phối năng lượng (cân bằng nhiệt) của động cơ B6TA

khi sử dụng trục cam bơm cao áp với biên dạng cam nguyên

thủy và cam mới 99

4.1 Sai lệch kích thước và phân bố các điểm sai lệch của trục

cam sau gia công so với bản vẽ thiết kế

109

4.2 Thông số kĩ thuật chính của bệ thử bơm cao áp DB2000IIA 110

4.3 Kết quả đo lượng nhiên liệu thực nghiệm cho 200 chu kì 117

4.4 Kết quả đo lượng nhiên liệu thực nghiệm cho 1 chu kì 121

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình Tên hình vẽ và đồ thị Trang

1.1 Dạng đồ thị quy luật cung cấp nhiên liệu 14

1.2 Quy luật phun nhiên liệu 15

1.3 Sơ đồ các dạng đặc tính phun 16

1.4 độ nâng của pít tông bơm cao áp với các cam có profile khác

nhau khi tốc độ trục bơm nc = 1000vg/ph 19

1.5 Ảnh hưởng của chế độ tải (vị trí thanh răng BCA) đến lượng

cung cấp NL, khoảng thời gian phun và thời điểm kết thúc

quá trình phun 20

1.6 Ảnh hưởng của thời gian cung cấp nhiên liệu đến sự thay đổi

áp suất trong xi lanh động cơ 22

1.7 Đường cong tốc độ W và chiều dài L 23

1.8 Sơ đồ trình tự nghiên cứu của luận án 25

2.1 Dạng động học của cam cải tiến 29

2.2 Sơ đồ chuyển vị của con đội (piston) BCA động cơ B6 30

2.3 Sơ đồ chuyển vị của con đội con lăn BCA khi sử dụng cam

cải tiến 32

2.4 Mô hình tính hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel 35

2.5 Sơ đồ xác định diện tích lưu thông có ích của cửa nạp và cửa cắt 48

2.6 Sơ đồ kết cấu của van cao áp. 49

2.7 Sơ đồ xác định diện tích lưu thông có ích giữa kim phun và đế 50

2.8 Mô hình vật lý và các dòng năng lượng, khối lượng và các

thông số trạng thái của chu trình công tác của động cơ 51

2.9 Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng 54

3.1 Phân bơm của bơm cao áp động cơ B6 66

3.2 Đồ thị chuyển vị, vận tốc của piston bơm cao áp HK-10 với

biên dạng cam cơ sở trên động cơ B6 66

3.3 Đồ thị chuyển vị của piston bơm cao áp HK-10 với các

phương án lựa chọn biên dạng cam cải tiến trên động cơ B6 68

3.4 Mô hình các phần tử hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu bơm 70

Hình Tên hình vẽ và đồ thị Trang

cao áp - đường ống cao áp - vòi phun trong phần mềm GT-Fuel

3.5 So sánh kiểm tra lượng cung cấp nhiên liệu cho 1 chu trình ở

chế độ toàn tải của BCA HK-10 giữa kết quả tính toán mô

phỏng và số liệu của nhà sản suất 71

3.6 So sánh đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu động cơ B6

với cam cũ và các phương án cam mới 72

3.7 Hình dạng và động học con đội của biên dạng cam bơm cao

áp thay thế 75

3.8 So sánh đặc tính diễn biến áp suất trong đường ống cao áp

của hệ thống nhiên liệu động cơ B6 với biên dạng cam

nguyên thủy trước và sau khi điều chỉnh lượng nhiên liệu

cung cấp cho chu trình đáp ứng yêu cầu tăng áp cho động cơ

và với biên dạng mới (PA3). 78

3.9 So sánh đặc tính áp suất phun của hệ thống nhiên liệu động

cơ B6 với biên dạng cam nguyên thủy trước và sau khi điều

chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và với biên

dạng mới (PA3) 79

3.10 So sánh đặc tính tốc độ phun của hệ thống nhiên liệu động cơ

B6 khi sử dụng biên dạng cam nguyên thủy trước và sau khi

điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và với biên

dạng cam mới (PA3.) 80

3.11 Mô hình liên kết các phần tử của động cơ B6 nguyên bản

trong phần mềm GT-power 84

3.12. Mô hình liên kết các phần tử của động cơ B6TA (động cơ B6

tăng áp) trong phần mềm GT-power 85

3.13 Giao diện nhập thông số lượng phun nhiên liệu cho trình và

diễn biến áp suất phun trong mô hình GT-power 87

3.14 Đặc tính bộ tua bin, máy nén do nhà sản xuất cung cấp 88

3.15 Đặc tính bộ TB-MN Garett TD08 và đặc tính phối hợp động

cơ B6 tăng áp với bộ TB-MN 88