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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------------------------- LÊ ĐỨC TRỌNG NGUYỄN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng, năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------------------------- LÊ ĐỨC TRỌNG NGUYỄN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 8.52.01.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS DƢƠNG VIỆT DŨNG Đà Nẵng, năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng ai công bố trong các công trình nào khác! Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2018 HỌC VIÊN THỰC HIỆN LÊ ĐỨC TRỌNG NGUYỄN TÓM TẮT ĐỀ TÀI Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ thay đổi tỷ số nén đem lại nhiều ý nghĩa cho việc phát triển động cơ đốt trong. Khi động cơ thay đổi tỷ số nén ra đời nó giúp chúng ta thuận lợi cho việc nghiên cứu động cơ và tìm kiếm nhiên liệu mới. Trong luận văn này, tác giả đã thiết kế chế tạo thành công động cơ thay đổi tỷ số nén từ động cơ diesel D28- có tỷ số nén thay đổi 8.5-16.3 bằng phƣơng pháp điều chỉnh cơ khí. Các kết quả thực nghiệm chạy trên băng thử công suất POWER TEST 500HP ở các tỷ số nén khác nhau đo đƣợc ở: 16.3 (CS/Moomen lớn nhất), 16(CS/MM), 15.75(CS/MM), 15(CS/MN) cũng đã cho thấy sự thay đổi công suất và mô men là khá lớn. Ở các tỷ số nén 15.75-16.3 động cơ vẫn sử dụng đƣợc thực nghiệm đối với nhiên liệu diesel, từ 8.5-15.5 động cơ sử dụng đƣợc cho nhiên liệu xăng. SUMMARY OF TITLE The research of a compression turbo engine’ designand manufacturebring lots of meaning to the development of internal combustion engine. When an engine changes compression ration, it helps with engine research and finding of new fuel. Within this thesis, the author sucessfully created a compression turbo engine from a diesiel D28 engine with has compression ration varies from 8.5- 16.3 through adjustment machanism. The experiment’s results from mechanical test bench POWER TEST 500HP in different compression ratios were measured at 16.3 (biggest CS/ MN), 16(CS/MN), 15.75 (CS/MN).. which indicate quite large change in capacity and moment. At compression ratios of 15.75-16.3, the engine can practically be used with diesel fuel, from 8.5-15.5, the engine is usable with gasoline. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................................3 TÓM TẮT ĐỀ TÀI ...................................................................................................................4 SUMMARY OF TITLE ...........................................................................................................4 DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................................8 DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................................10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................................11 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................................13 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu. ...........................................................................................................1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. .......................................................................................1 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu: ........................................................................................................1 3.2 Phạm vi nghiên cứu: ...........................................................................................................2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..............................................................................................2 6. Cấu trúc của luận văn............................................................................................................2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................................4 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYỀN THỐNG. ..............................4 1.1.1. Động cơ đốt trong là loại động cơ cao hiệu suất nhiệt cao nhất. ..................................4 1.1.2. Ƣu và khuyết điểm của động cơ đốt trong. ....................................................................5 1.1.3. Phân loại ..........................................................................................................................6 1.1.4. Một số thuật ngữ và khái niệm thông dụng ...................................................................8 1.1.5. Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong pittông. ...........................................................10 1.1.5.1. Động cơ xăng 4 kỳ. ....................................................................................................10 1.1.5.2. Động cơ Diesel 4 kỳ không tăng áp. .........................................................................13 1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN.............................................16 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN. ........................................................................................................................................17 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. ..............................................................................17 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc. ................................................................................18 1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1. ...............................................................................................19 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................20 2.1. CÁC ẢNH HƢỞNG CỦA TỶ SỐ NÉN ĐẾN QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ...............................................................................................................................20 2.1.1. Quá trình nén và tỷ số nén trong động cơ đốt trong. ...................................................20 2.1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chỉ số nén đa biến n1 trung bình. ......................................23 2.1.3. Ảnh hƣởng của tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ xăng. .........................24 2.1.4. Ảnh hƣởng của tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ Diesel: .......................25 2.1.5. Tỷ số nén điển hình của động cơ đốt trong hiện nay. ..................................................25 2.2. CÁC PHƢƠNG ÁN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN. ............................................................27 2.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐIỀU CHỈNH TỶ SỐ NÉN CHO ĐỘNG CƠ. .36 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ TRONG THỰC NGHIỆM. ................................................................................................................................37 2.4.1. Xây dựng đƣờng đặc tính tốc độ ngoài động cơ. .........................................................37 2.4.2. Mối liên hệ giữa tỷ số nén đến công suất động cơ. .....................................................38 CHƢƠNG 3. CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI. ......................................................................................................40 3.1. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ĐỘNG CƠ DIESEL D28. .......................................................40 3.1.1. Thông số kỹ thuật. ........................................................................................................40 3.1.2. Đặc điểm kết cấu động cơ Diesel D28. ........................................................................40 3.1.2.1. Nắp máy . ...................................................................................................................41 3.1.2.2. Thân máy. ..................................................................................................................41 3.1.2.3. Cacte. ..........................................................................................................................42 3.1.2.4. Cơ cấu phân phối khí. ................................................................................................42 3.1.2.5. Hệ thống bôi trơn và làm mát. ...................................................................................43 3.1.2.6. Pittông. .......................................................................................................................43 3.1.2.7. Thanh truyền. .............................................................................................................44 3.1.2.8. Trục khủy. ..................................................................................................................45 3.1.2.9. Hệ thống nhiên liệu ...................................................................................................46 3.2. PHƢƠNG ÁN BỐ TRÍ CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN. ..............48 3.3. PHƢƠNG ÁN LẮP ĐẶT CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY. ....................50 3.4. THIẾT KẾ PITTÔNG THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN. .........................................................51 3.5. THIẾT KẾ ĐỒ GÁ CẢM BIẾN ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY. .....................................54 3.6. THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐẶC TÍNH KẾT CẤU DỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XILANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI......................................................................56 3.6.1. Đặc tính kết cấu động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi. .....................56 3.6.2. Thông số kỹ thuật động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi. ..................58 3.6.3. Điều chỉnh thay đổi thể tích buồng cháy động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi. ............................................................................................................................58 3.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ................................................................................................61 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI. .............................................................62 4.1. MỤC ĐÍCH THỬ NGHIỆM. .........................................................................................62 4.2. ĐỐI TƢỢNG THỬ NGHIỆM. .......................................................................................62 4.3. QUY TRÌNH VÀ PHẠM VI THỬ NGHIỆM. ..............................................................62 4.3.1. Quy trình thực nghiệm. .................................................................................................62 4.3.2. Phạm vi thử nghiệm. .....................................................................................................63 4.4. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THỬ NGHIỆM VÀ TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM. ................63 4.4.1. Giới thiệu về thiết bi thử công suất động cơ. ...............................................................63 4.4.2. Các bộ phận thuộc băng thử công suất. .......................................................................65 4.4.2.1. Hệ thống đo lƣờng .....................................................................................................65 4.4.2.2. Phanh thủy lực. ..........................................................................................................65 4.4.2.3. Các tín hiệu cảm biến đầu vào. .................................................................................66 4.4.2.4. Các thiết bị sử lý tín hiệu. ..........................................................................................71 4.4.2.5. Tổng quan phần mềm. ...............................................................................................73 4.5. TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL. ..................................................................74 4.6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. .........................................................................................77 4.6.1. Kết quả đo công suất động cơ trên băng thử tải. .........................................................77 4.6.2. Kết quả đo áp suất nén động cơ. ..................................................................................78 4.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4. ...............................................................................................80 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................................81 PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.........................................................................82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................83 Tài liệu tham khảo trong nƣớc................................................................................................83 Tài liệu nƣớc ngoài: ................................................................................................................83 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1- 1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong. .............................................5 Hình 1- 2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong. .............................................8 Hình 1- 3 Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong pittông sử dụng xăng .......................10 Hình 1- 4 Đồ thị công động cơ xăng 4 kỳ .....................................................................10 Hình 1- 5 Đồ thị pha phân phối khí ...............................................................................11 Hình 1- 6 Nguyên lý làm việc động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp ............................... 13 Hình 1- 7 Đồ thị công động cơ diesel 4 kỳ....................................................................14 Hình 1- 8 Thiết kế thay đổi thể tích cháy .....................................................................17 Hình 2- 1 Các hƣớng thay đổi tỷ số nén ........................................................................28 Hình 2- 2 Các mô hình động cơ thay đổi tỷ số nén đã đƣợc thực hiện ......................... 29 Hình 2- 3 Động cơ thay đổi tỷ số nén Saab. ..................................................................30 Hình 2- 4 Động cơ thay đổi tỷ số nén FEV. ..................................................................31 Hình 2- 5 Động cơ thay đổi tỷ số nén INFINITI. .......................................................... 32 Hình 2- 6 Động cơ thay đổi tỷ số nén MCE-5. ............................................................. 34 Hình 2- 7 Phƣơng án thay đổi thể tích buồng cháy bằng buồng cháy phụ đƣợc thiết kế trên nắp máy ..................................................................................................................36 Hình 3- 1 Động cơ Diesel D28 ......................................................................................40 Hình 3- 2 Nắp máy động cơ Diesel D28 .......................................................................41 Hình 3- 3 Thân máy động cơ Diesel D28. .....................................................................41 Hình 3- 4 Cấu tạo của hệ thống phân phối khí. ............................................................. 42 Hình 3- 5 Kết cấu pittông động cơ Diesel D28 ............................................................. 43 Hình 3- 6 Cấu tạo thanh truyền .....................................................................................44 Hình 3- 7 Cấu tạo của trục khủy....................................................................................45 Hình 3- 8 Bơm cao áp PF .............................................................................................. 46 Hình 3- 9 Vòi phun nhiên liệu .......................................................................................47 Hình 3- 10 Mặt cắt nắp máy trƣớc khi gia công ............................................................ 48 Hình 3- 11 Bề mặt nắp máy trƣớc khi gia công. ........................................................... 48 Hình 3- 12 Vị trí lắp đặt cơ cấu thay đổi tỷ số nén .......................................................49 Hình 3- 13 Kết cấu thay đổi tỷ số nén đã chế tạo .......................................................... 50 Hình 3- 14 Vị trí lắp đặt cơ cảm biến áp suất buồng cháy ............................................51 Hình 3- 15 Pittông phụ trong cơ cấu thay đổi tỷ số nén. ...............................................52 Hình 3- 16 Cơ cấu đo hành trình dịch chuyển của pittông phụ điều chỉnh thay đổi tỷ số nén .................................................................................................................................53 Hình 3- 17 Pittông chính của động cơ thí nghiệm 1 xilanh có tỷ số nén thay đổi khi động cơ hoạt động theo phƣơng pháp tự cháy .............................................................. 54 Hình 3- 18 Pittông chính của động cơ thí nghiệm 1 xilanh có tỷ số nén thay đổi khi động cơ hoạt động theo phƣơng pháp đốt cháy cƣỡng bức...........................................54 Hình 3- 19 Đồ gá cảm biến đo áp suất buồng cháy .......................................................55 Hình 3- 20 Hình bản vẽ lắp đồ gá cảm biến áp suất ......................................................56 Hình 3- 21 Động cơ sau khi gia công ............................................................................57 Hình 3- 22 Cơ cấu cần liên động điều chỉnh độ mở bơm cao áp ..................................57 Hình 4- 1 Các bộ phận của băng thử công suất POWER TEST 500HP .......................64 Hình 4- 2 Cấu tạo phanh thủy lực .................................................................................65 Hình 4- 3 Cảm biến lực cánh tay đòn. ...........................................................................66 Hình 4- 4 Cảm biến tốc độ. .......................................................................................... 67 Hình 4- 5 Cảm biến tiêu hao nhiên liệu. ........................................................................67 Hình 4- 6 Cảm biến áp suất nhớt. ..................................................................................68 Hình 4- 7 Cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát. .................................................................68 Hình 4- 8 Cảm biến nhiệt độ nƣớc phanh thủy lực. ......................................................69 Hình 4- 9 Cảm biến áp suất nƣớc vào. ..........................................................................70 Hình 4- 10 Hệ thống điều khiển ga tự động. .................................................................70 Hình 4- 11 Biến tần điều khiển động cơ điện. ............................................................... 71 Hình 4- 12 Thiết bị hiệu chuẩn cảm biến lực. ............................................................... 72 Hình 4- 13 Máy tính để thu thập sử lý tín hiệu. ............................................................ 72 Hình 4- 14 Giao diện phần mềm. ..................................................................................73 Hình 4- 15 Giao diện chƣơng trình chạy thử nghiệm thủ công. ....................................74 Hình 4- 16 Giao diện chƣơng trình chạy thử nghiệm tự động ......................................74 Hình 4- 17 Đồ thị đƣờng mối liên hệ giữa công suất và số vòng quay động cơ tại các tỷ số nén tƣơng ứng ...........................................................................................................77 Hình 4- 18 Đồ thị đƣờng mối liên hệ giữa mômen và số vòng quay động cơ tại các tỷ số nén tƣơng ứng ...........................................................................................................78 Hình 4- 19 Đồ thị thể hiện sự thay đổi áp suất nén của động cơ trong phạm vi tỷ số nén từ 10-16.3.......................................................................................................................79 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2- 1 Đánh giá nội dung thực hiện của các phƣơng án thực hiện thay đổi tỷ số nén .......................................................................................................................................35 Bảng 3- 1 Đánh giá nội dung thực hiện của các phƣơng án thực hiện thay đổi tỷ số nén .......................................................................................................................................35 Bảng 3- 2 Thông số kỹ thuật động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi tỷ số nén .................................................................................................................................58 Bảng 3- 3 Thông số điều chỉnh tỷ số nén khi thay đổi pittông phụ thứ nhất. ...............59 Bảng 3- 4 Thông số điều chỉnh tỷ số nén khi thay đổi pittông phụ thứ hai. .................60 Bảng 4- 1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu Diesel ..................................................76 Bảng 4- 2 Kết quả đo công suất, mô men theo số vòng quay của động cơ tại các tỷ số nén .................................................................................................................................77 Bảng 4- 3 Áp suất cuối kỳ nén động cơ tại các tỷ số nén tƣơng ứng ............................ 78 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu La tin: TK [K] Nhiệt độ không khí nạp T [K] Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới Tr [K] Nhiệt độ khí sót Pk [MN/m2] Áp suất không khí nạp Pa [MN/m2] Áp suất cuối quá trình nạp Pr [MN/m2] Áp suất khí sót m [-] Chỉ số nén đa biến Ta [K] Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp i [-] Số xy lanh n [vòng/phút] Tốc độ quay trục khuỷu Cm [m/s] Tốc độ trung bình của pittông Vh [m3 ] Thể tích công tác xy lanh S [m] Hành trình pittông mCVkk [KJ/Kmol0K] Tỷ nhiệt mol trung bình không khí mCV" [KJ/Kmol0K] Tỷ nhiệt mol trung bình sản vật cháy mCV' [KJ/Kmol0K] Tỷ nhiệt mol trung bình của hỗn hợp công tác mCVz" [KJ/Kmol0K] Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z n1 [-] Chỉ số nén đa biến trung bình Ký hiệu Hylạp: 1 [-] Hệ số nạp thêm 2 [-] Hệ số quét buồng cháy t [-] Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt r [-] Hệ số khí sót v [-] Hệ số nạp  [-] Hệ số dƣ lƣợng không khí B [-] Phân tử lƣợng của Butane P [-] Phân tử lƣợng của Propane  [-] Tỷ số nén 0 [-] Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết  [-] Hệ số biến đổi phân tử thực tế z [-] Hệ số biến đổi phân tử tại z z [-] Hệ số lợi dụng nhiệt tại z b [-] Hệ số lợi dụng nhiệt tại b  [-] Hệ số tăng áp  [-] Tỷ số giãn nở sau  [-] Tỷ số giãn nở sớm d [-] Hệ số điền đầy đồ thị công i [-] Hiệu suất chỉ thị m [-] Hiệu suất cơ giới e [-] Hiệu suất có ích  [-] Hệ số kỳ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT HCCI Động cơ nén hổn hợp đồng nhất ĐCĐT Động cơ đốt trong ĐCT Điểm chết trên ĐCD Điểm chết dƣới VCR Thay đổi tỷ số nén CR Tỷ số nén LPG Khí hóa lỏng FO Dầu Diesel DO Dầu mazút NG Khí thiên nhiên GTDI Động cơ phun xăng trực tiếp 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Xu hƣớng 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 hƣớng 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 hƣớng nghiên cứu cải tạo từ các kiểu động cơ truyền thống để nghiên cứu nhằm tối ƣu hóa ngày càng hoàn thiện cho các kiểu động cơ trong tƣơng lai. Một trong những phƣơng án đƣợc 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 phƣơng án khá phổ biến hiện nay. Ứng dụng động cơ thay đổi tỷ số nén sẽ tạo thuận lợi cho nhiều hƣớng lựa chọn nghiên cứu khác nhau. Theo nguyên lý cháy của động cơ cháy cƣớng 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 phƣơng pháp thay đổi roan quy-láp, khoan đỉnh pittông tạo sự thay đổi thể tích buồng cháy nhƣng 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 hƣớng nghiên cứu thiết kế động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi đƣợc 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu. 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu: Động cơ một xy lanh Diesel D28. Đây là động cơ diesel truyền thống, một xilanh, không tăng áp, làm mát bằng nƣớc, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải), buồng cháy thống nhất. Thông số kỹ thuật động cơ Diesel D28 STT Loại : Động cơ diesel 1 Kiểu động cơ 2 Công suất ( Ne ) Thông số Thứ nguyên 17.2 Kw 2 3 Số vòng quay ( n ) 1500 Vòng /phút 4 Đƣờng kính xilanh ( Dxl ) 125 Mm 5 Hành trình pittông ( S ) 120 Mm 6 Dung tích xilanh ( Vh ) 1473 Cc 7 Tỉ số nén ( ℇ ) 17 3.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cơ cấu thay đổi tỷ số nén từ 8.5 đến 16.3. Nghiên cứu bố trí lắp đặt cảm biến áp suất buồng cháy. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cụ thể sau đây: - Nhóm phƣơng pháp nghiên cứu lý luận: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ảnh hƣởng 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 đƣợc sẽ mô phỏng bằng phần mềm. - Phƣơng pháp phân tích và đánh giá: Phƣơng pháp chạy thực nghiệm đo giá trị áp suất thay đổi ở cuối kỳ nén. Tham khảo ý kiến của cán bộ hƣớng dẫn. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Phục vụ cho việc nghiên cứu trên động cơ một xilanh. Ở nhiều tỷ số nén và nhiều nhiên liệu khác nhau Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài đã thiết kế và chế tạo đƣợc 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 đƣợc ảnh hƣởng của việc điều chỉnh tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ. Mở ra hƣớng phát triển động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt . 6. Cấu trúc của luận văn CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYỀN THỐNG. 3 1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN. 1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. CÁC ẢNH HƢỞNG CỦA TỶ SỐ NÉN ĐẾN QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 2.2. CÁC PHƢƠNG ÁN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN. 2.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐIỀU CHỈNH TỶ SỐ NÉN CHO ĐỘNG CƠ. 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ TRONG THỰC NGHIỆM. 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2. CHƢƠNG 3. CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI. 3.1. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ĐỘNG CƠ DIESEL D28. 3.2. PHƢƠNG ÁN BỐ TRÍ CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN. 3.3. PHƢƠNG ÁN LẮP ĐẶT CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY. 3.4. THIẾT KẾ PITTÔNG THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN. 3.5. THIẾT KẾ ĐỒ GÁ CẢM BIẾN ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY. 3.6. THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐẶC TÍNH KẾT CẤU DỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XILANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI. 3.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3. CHƢƠNG 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. 4.2. ĐỐI TƢỢNG THỬ NGHIỆM. 4.3. QUY TRÌNH VÀ PHẠM VI THỬ NGHIỆM. 4.4. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THỬ NGHIỆM VÀ TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM. 4.5. TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL. 4.6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. 4.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN CHUNG PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYỀN THỐNG. 1.1.1. Động cơ đốt trong là loại động cơ cao hiệu suất nhiệt cao nhất. Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, nhiên liệu đƣợc đốt cháy trực tiếp trong không gian công tác của động cơ và cũng tại đó diễn ra quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Trong động cơ đốt trong quá trình chuyển hóa nhiên liệu, và chuyển biến nhiệt năng thành cơ năng đƣợc thực hiện bên trong động cơ. Trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt do nhiên lƣợng do nhiên liệu đốt cháy tạo ra đƣợc chuyển thành công có ích thì động cơ đốt trong đƣợc sử dụng rộng rãi với số lƣợng lớn nhất trong nhìu lĩnh vực : giao thông vận tải ( đƣờng bộ, đƣờng sắt, đƣờng thủy, hàng không…) nông nghiệp, quốc phòng, công nghiệp… Tổng công suất do động cơ đốt trong sinh ra chiếm 90% công suất thiết bị động lực do moi nguồn nhiên liệu tao ra ( nhiệt năng, thủy năng, năng lƣợng nguyên tử…) Động cơ đốt trong gồm có: động cơ đốt trong pittông, tua bin khí và động cơ phản lực. Trong các loại động cơ đốt trong nêu trên loại động cơ đốt trong pittông có hiệu suất cao nhất vì nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy có thể đat đến 1800- 2800K, còn nhiệt khí thải ra ngoài trời chỉ là 900-1500K. Tuy nhiệt độ cao nhƣ vậy do quá trình hoạt động của động cơ có tính chu kỳ và các chi tiết tiếp xúc với khí nóng luôn đƣợc làm mát nên không gây ảnh hƣởng đến độ tin cậy trong hoạt động của động cơ. Các chi tiết trong động cơ đốt trong kiểu pittông ( hình 1.1) bao gồm: 1. Xupáp nạp và thải, 2. Pittông, 3. Thanh truyền, 4. Trục khuỷu, 5. Cacte, 6. Thân máy, 7. Nắp máy, 8. Vòi phun ( động cơ diesel)- Bugi ( động cơ xăng), 9. Bánh đà. Khí và nhiên liệu cần đốt cháy đƣợc đƣa vào thể tích xylanh động cơ, giới hạn bởi nắp máy, thành xylanh và đỉnh pittông. Khí đƣợc tạo ra khi cháy có nhiệt độ cao tạo nên áp suất lớn đẩy pittông dịch chuyển trong xylanh, chuyển động tịnh tiến của pittông sẽ đƣợc biến thành chuyển động xoay vòng của trục khuỷu. Ngày nay động cơ đốt trong pittông chiếm số lƣợng lớn nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Vì vậy thuật ngữ “động cơ đốt trong” đƣợc dùng với ý khái quát chung cho các động cơ đốt trong, đồng thời cũng có ý ngắn gọn để chỉ động cơ đốt trong pittông. 5 1 8 7 2 6 3 4 5 Hình 1- 1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong. 1. Xupáp nạp và thải, 2. Pittông, 3. Thanh truyền, 4. Trục khuỷu, 5. Cacte, 6. Thân máy, 7. Nắp máy, 8. Vòi phun ( động cơ diesel)- Bugi ( động cơ xăng) 1.1.2. Ƣu và khuyết điểm của động cơ đốt trong. So với động cơ nhiệt khác ƣu điểm chính của động cơ đốt trong kiểu pittông là : Hiệu suất có ích (ηe) cao nhất, động cơ diesel tăng áp hiện đại có thể đạt đến hiệu suất ηe= 0.4- 0.52, trong khi đó hiệu suất của máy hơi nƣớc ηe =0.09- 0.14, của tua bin hơi nƣớc ηe=0.22- 0.28 và của tua bin khí không vƣợt quá 0.3. Kich thƣớc nhỏ gọn, khối lƣợng nhẹ vì toàn bộ chu trình đông có đốt trong thực hiện trong một thiết bị duy nhất ( ngƣợc lại ở các loại động cơ tua bin khí, động cơ hơi nƣớc cần có nhiều trang thiết bị đi kèm nhƣ nồi hơi buồng cháy, máy nén.. rất nặng và cồng kềnh. Động cơ hiện đại đạt khối lƣợng trên 1KW là: 0.25- 23 (kg/KW) và công suất lít là 1.2-38 (KW/l) thậm chí đạt đến 160 (KW/l) Khởi động nhanh, bất kỳ động cơ đốt trong nào trong mọi điều kiện chỉ cần vài giây đến vài phút là có thể cho nổ máy và chuyển đến toàn tải. 6 Hao ít nƣớc, động cơ đốt trong có thể không dùng nƣớc hoặc tiêu thụ rất ít. Bảo dƣỡng đơn giản và thuận tiện. Nhƣợc điểm của động cơ đốt trong là : Trong xylanh không thể đốt nhiên liệu thể rắn hay nhiên liệu có phẩm chất kém. Động cơ đốt trong chủ yếu dùng nhiên liệu lỏng hoặc nhiên liệu khí sạch không chứa các thành phần ăn mòn kim loại cũng nhƣ tạp chất cơ học. Công suất thiết bị bị giới hạn, về mặt này động cơ tua bin hơi nƣớc ƣu việt hơn so với động cơ đốt trong. Động cơ diesel không thể vƣợt qua công suất 37.000KW, với công suất trên 20.000 KW cấu tạo động cơ phức tạp hoạt động thiếu linh hoạt. Trên thiết bị vận tải đƣờng bộ không thể nối trực tiếp động cơ với trục của máy công tác do hạn chế về đặc tính của động cơ đốt trong. Do đó trên hệ thống cần có hệ thống truyền động bao gồm ly hợp, hộp số để thay đổi momen của trục bị động. Động cơ đốt trong hoạt động khá ồn, nhất là động cơ cao tốc. Do các ƣu điểm kể trên động cơ đốt trong hiện nay đã phát triển rộng khắp các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải… Chính vì vậy nghành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong đã phát triển rộng khắp và đƣợc xem là bộ phận tất yếu của nghành cơ khí và nên kinh tế quốc dân của các nƣớc. Động cơ đốt trong là một thiết bị cơ khí phức tạp, bên trong động cơ thực hiện các quá trình khác nhau ; biến đổi hóa học, nhiệt động học, các quá trình cơ khí và điện khí, các cơ cấu đảm bảo thực hiện các quá trình trên đều phức tạp. Khi chế tạo cũng vậy, vì hình dạng của các chi tiết hết sức phức tạp, kích thƣớc lớn đòi hỏi nhiêu nguyên vật liệu khác nhau, nhiều loại máy công cụ đặc chủng phức tạp để có độ chính xác cao. 1.1.3. Phân loại - Theo cách thực hiện chu trình công tác: + Động cơ bốn kỳ: là động cơ mà chu trình công tác đƣợc thực hiện trong hai vòng quay của trục khuỷu hay bốn hành trình của pittông + Động cơ hai kỳ: là động mà chu trình công tác đƣợc thực hiện trong một vòng quay của trục khuỷu hay hai hành trình của pittông - Theo loại nhiên liệu dùng cho động cơ: + Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng, loại nhẹ: xăng, cồn...; loại nặng: dầu Diesel (FO), dầu mazút (DO)... + Nhiên liệu khí: khí hoá lỏng (LPG), khí thiên nhiên (NG) + Nhiên liệu rắn: than, than đá thành khí CO - Theo phƣơng pháp hình thành hỗn hợp: + Hình thành hỗn hợp bên ngoài động cơ (bên ngoài xilanh): động cơ xăng, khí ga 7 + Hình thành hỗn hợp bên trong động cơ: động cơ Diesel - Theo phƣơng pháp đốt cháy khí hỗn hợp công tác: + Động cơ đốt cháy cƣỡng bức: nhờ tia lửa điện của bugi + Động cơ tự cháy: là loại động cơ nhiên liệu đƣợc đƣa vào xilanh ở cuối quá trình nén, tự bốc cháy trong không khí nóng - Theo phƣơng pháp nạp: + Động cơ không tăng áp: áp suất không khí nạp gần bằng áp suất khí trời + Động cơ tăng áp: việc nạp không khí hoặc hỗn hợp cháy vào xilanh tiến hành ở áp suất cao hơn áp suất khí trời do đƣợc nén trƣớc trong máy nén với mục đích tăng lƣợng khí nạp mới vào xilanh, do đó nâng cao đƣợc công suất động cơ - Theo cấu tạo động cơ: + Theo số xilanh: động cơ một xilanh, nhiều xilanh + Cách bố trí xilanh: động cơ có xilanh đặt thẳng đứng, đặt nghiêng và nằm ngang; + Theo số hàng xilanh: động cơ 1 hàng, động cơ chữ V và động cơ hình sao; +Theo số trục khuỷu: động cơ một, hai hoặc ba trục khuỷu, thậm chí có động cơ không có trục khuỷu (nhƣ động cơ pittông quay- Wallkel). Ngoài ra có thể phân loại động cơ theo công dụng, phƣơng pháp làm mát và dung tích làm việc... - Theo công dụng của đông cơ: + Động cơ tĩnh tại: động cơ đặt tĩnh ở một nơi + Động cơ tàu thuỷ, tàu hoả, ôtô máy kéo, máy nông nghiệp - Theo tốc độ trung bình của pittông: + Động cơ tốc độ thấp: tốc độ trung bình của pittông nhỏ hơn 6,5m/s + Động cơ cao tốc: tốc độ trung bình của pittông lớn hơn 6,5m/s - Theo khả năng thay đổi chiều quay của động cơ. + Động cơ chỉ quay một chiều theo chiều kim đồng hồ hoặc ngƣợc lại ( hƣớng nhìn từ đầu puli nhìn vào) + Động cơ quay đƣợc 2 chiều nhờ vào cơ cấu đảo chiều (chỉ dung ở động cơ chính của tàu thủy ) - Theo chiều lực tác dụng lên pittông. + Động cơ tác dung lực đơn ( lực tác dụng chỉ một phía của pittông) + Động cơ tác dụng kép ( lực tác dụng cả 2 phía của pittông)