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

Bộ giáo dục và Đào tạo Bộ Quốc Phòng
Học viện Kỹ thuật Quân sự
=== ===


Lê Đình Vũ


NH HNG CA HèNH DNG HèNH HC
H THNG THI N CC CH TIấU
KINH T - NNG LNG NG C DIESEL 4 K
TNG P BNG TUABIN BIN P

Chuyờn ngnh : K thut ng c nhit
Mó s : 62.52.34.01

tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật








H nội - 2006

Công trình đợc hoàn thành tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự

Tập thể hớng dẫn khoa học:
1. PGS-TS H Quang Minh
2. PGS-TS Lại văn định


Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:


Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Nhà
nớc họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi giờ ngày tháng
năm




Có thể tìm hiểu luận án tại:



danh mục các công trình của tác giả
liên quan luận án
1. Lê Đình Vũ, Hà Quang Minh, "Nghiên cứu mô hình tính toán các
quá trình công tác của động cơ khi sử dụng hệ thống tăng áp kiểu
tua bin xung", Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện KTQS, số

93 /IV-2000, tr. 70-75.
2. Hà Quang Minh, Lê Đình Vũ, "Mô hình tính toán quy luật toả nhiệt
tơng đối và tốc độ toả nhiệt khi cháy có xét đến đặc điểm tạo hỗn
hợp của động cơ", Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện
KTQS, Số 95 /IV-2001, tr. 67-71.
3. Lê Đình Vũ, "Góp phần hoàn thiện mô hình Volodin tính quá trình
công tác của động cơ", Toàn văn các báo cáo khoa học - Hội nghị
Khoa học lần thứ 13 - Học viện KTQS, 10-2001, tr. 81-85.
4. Le Dinh Vu, Ha Quang Minh, "Optimal diameter determination
according to the exhaust manifold length of impulsive turbo-
charging engines", ICAT 2002. Hanoi, 10-2002, N
o
068.
5. Lê Đình Vũ, Hà Quang Minh, Lại Văn Định, "Khảo sát chu trình
công tác động cơ DC-80 khi tăng áp bằng tua bin máy nén TD04H-
15G ở chế độ ổn định", Tạp chí Giao thông Vận tải, Số 6/2004, tr.
41-43.
6. Lê Đình Vũ, Hà Quang Minh, "Nghiên cứu cờng hoá động cơ
DSC-80 sản xuất trong nớc bằng tăng áp", Thuyết minh đề tài
nghiên cứu khoa học, Học viện Kỹ thuật Quân sự 12-2004.
7. Le Dinh Vu, Ha Quang Minh, Lai Văn Dinh, " Simulation of
Turbo-Charging Diesel Engines using GT-Power", ICAT 2005,
Hanoi 10-2005, N
o
055.
8. Lê Đình Vũ, Hà Quang Minh, Lại Văn Định, "Mô hình hoá quá
trình nhiệt khí động dòng khí thải của động cơ bằng lý thuyết
CFD", Tạp chí Giao thông Vận tải, Số 4/2006, tr. 31-32, 37.
9. Lê Đình Vũ, Lại Văn Định, Hà Quang Minh, "Mô phỏng động cơ
tăng áp tua bin khí biến áp bằng mô hình liên kết 1D-3D", Tạp chí

Giao thông Vận tải, Số 5/2006, tr. 50-52, 32.

1
MỞ ĐẦU
Tăng áp động cơ bằng tuabin khí nhằm nâng cao các chỉ tiêu
công tác cho động cơ đang được sử dụng rộng rãi. Các động cơ lắp
trên các phương tiện giao thông, cơ động quân sự làm việc ở chế độ
thường xuyên thay đổi nên thường sử dụng động cơ tăng áp bằng tua
bin kiểu biến áp. Vấn đề nghiên cứu động cơ tăng áp là rất rộng, liên
quan đế
n nhiều cơ cấu, hệ thống, trong đó việc nghiên cứu tổ chức hệ
thống thải nối động cơ với tua bin khí là rất quan trọng, đảm bảo tận
dụng tối đa năng lượng dòng khí thải, nâng cao chất lượng thay đổi
khí Vì vậy luận án lựa chọn đề tài: “Ảnh hưởng của hình dáng
hình học hệ thống thải đến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượ
ng động
cơ diesel 4 kỳ tăng áp bằng tuabin biến áp”.
Mục đích nghiên cứu: Xây dựng mô hình tổng quát động cơ tăng áp,
trong đó mô hình đường ống thải được xây dựng theo lý thuyết động
lực học chất lưu CFD nhằm khảo sát ảnh hưởng của hình dáng hình
học hệ thống thải xung nối xylanh với tua bin đến các chỉ tiêu công
tác của động cơ.
Đối tượng nghiên cứu: độ
ng cơ diesel DSC-80.
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm.
Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Mô tả bản chất vật lý của dòng khí không ổn định trong đường ống
thải bằng lý thuyết động lực học chất lưu CFD (Computational Fluid
Dynamics).

- Mô tả bản chất vật lý các mô hình phần tử động cơ tăng áp: đường
ống - tuabin - máy nén - động cơ và kết nối chúng để tính toán các
chỉ tiêu công tác của động cơ bằng cách kết hợp phần mềm mô
phỏng động cơ GT-Power với phần mềm CFD Star-CD.
- Cho phép tính toán và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu hệ thống
thải khi tăng áp bằng tuabin biến áp.

2
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Rút ra những kết luận về sự ảnh
hưởng của hình dáng hình học hệ thống thải xung, làm cơ sở cho
việc tính toán thiết kế hệ thống thải xung cho động cơ khi tăng áp
nhằm cải thiện các chỉ tiêu công tác của động cơ.
Bố cục luận án: Mở đầu, 4 chương thuyết minh, kết luận và kiến
ngh
ị.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Trong chương tổng quan, luận án đã phân tích tăng áp bằng
tua bin khí là một trong các biện pháp hiệu quả nhất nhằm nâng cao
các chỉ tiêu công tác của động cơ; xu hướng sử dụng tăng áp bằng
tua bin khí trên động cơ diesel; hệ thống tăng áp bằng tua bin khí của
động cơ diesel cao tốc và sơ đồ tổ chức hệ thống thải; ảnh hưởng
hình dáng hình học của hệ thống thả
i đến các thông số khí động của
dòng khí thải trước tuabin và tình hình nghiên cứu trên thế giới và
tính toán hệ thống thải cho động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí.
Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều khẳng định:
chiều dài, đường kính đường ống thải có ảnh hưởng trực tiếp đến các
tham số nhiệt khí động trước tuabin, qua đó ảnh hưởng đến chỉ tiêu
công tác của động cơ. Ngoài ra những thông số hình h
ọc đặc trưng

khác của đường ống như độ cong được thể hiện bằng bán kính góc
lượn, cách bố trí v.v chưa thấy có tài liệu nào công bố mà chỉ theo
một nguyên tắc chung là hệ thống đường ống phải gọn, có thể tích
nhỏ theo các tiêu chuẩn Strukhalia.
Để nghiên cứu động cơ tăng áp, có thể áp dụng các mô hình:
Mô hình dòng một chiều tựa ổn định (Quasi - Steady); Mô hình điền
đầy - tháo rỗng (Filling & Emptying); Mô hình truyền sóng áp suất
(Wave Action) và mô hình động lực học chất lưu (Computational
Fluid Dynamics - CFD). Trong các mô hình đó thì chỉ có mô hình
CFD cho phép khảo sát ảnh hưởng của hình dáng hình học hệ thống

3
thải (sơ đồ bố trí, kích thước hình học và hình dáng đường ống) đến
các chỉ tiêu công tác của động cơ tăng áp.
Hướng nghiên cứu: Xây dựng mô hình động cơ tăng áp đầy đủ,
trong đó áp dụng mô hình CFD để xây dựng mô hình đường ống
thải, phần còn lại gồm: động cơ, bộ tua bin máy nén, đường ống nạp
được mô hình bằng các lý thuyết dòng 1D, sau đó liên kết trong một
mô hình kín để tính toán thiết kế
cho các trường hợp tăng áp cụ thể
và đưa ra được phương án tối ưu cho đường ống thải
Giới hạn nghiên cứu: áp dụng mô hình CFD để mô phỏng đường
ống thải. Các cơ cấu, hệ thống khác của động cơ tăng áp như cơ cấu
phối khí, hệ thống làm mát, bôi trơn, cung cấp nhiên liệu không đề
cập nghiên cứu trong luận án.
Kết luận chương 1: Đối
với động cơ diesel lắp trên các phương tiện
vận tải và cơ động quân sự thì tăng áp bằng tua bin biến áp là biện
pháp tốt nhất để nâng cao các chỉ tiêu công tác của động cơ. Yếu tố
hình học hệ thống thải có ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu công

tác của bộ tua bin - máy nén, qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu công
tác của động cơ, đặc biệt đối v
ới các động cơ nhiều xi lanh. Để xác
định các thuộc tính nhiệt khí động của dòng khí trong đường ống thải,
luận án đã sử dụng mô hình CFD 3D và ghép nối với các mô hình
1D mô phỏng các phần tử của mô hình tống quát để xác định các chỉ
tiêu công tác của động cơ khi tăng áp.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ XÂY DỰNG MÔ HÌNH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP
TÍNH TOÁN CHO ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP BẰNG TUA BIN KHÍ
2.1. Quan hệ giữa công suất lít với các thông số nhi
ệt - khí động
trước và sau bộ tua bin – máy nén: Bằng các quan hệ đã biết, sau
khi biến đổi nhận được biểu thức xác định ảnh hưởng của các thông

4
số nhiệt khí động trước và sau bộ tua bin - máy nén đến công suất lít
của động cơ:
n
L
Q
30
1
N
mi
v
0
H
L

ηη
α
η
τ
=
.
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤

⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
−
1
p
p
p
p
1
T
T
m
k
1k
1
2
k

1k
3
4
1
3
TC
T

η
.
.
kk
Av
1
.
;(kW/l) (2.11)
Các thông số nhiệt khí động như T
3
, p
3
,
.
T
m trong hệ thống thải phụ
thuộc vào việc bố trí, hình dáng hình học của hệ thống đường ống
thải xung nối động cơ với tuabin.
2.2. Mô hình tính động cơ tăng áp bằng tua bin khí.
2.2.1. Tổng quát

Mô hình mô phỏng chu trình công tác của động cơ tăng áp bao gồm:
mô hình nhiệt động bên trong xylanh động cơ; mô hình đường ống
của hệ thống thải xung; mô hình tuabin – máy nén; mô hình đường
ống nạp. Trong đó đường ống thải được mô hình hoá bằng lý thuyết
CFD 3D.
2.2.2. Mô hình nhiệt động bên trong xylanh động cơ: bao gồm các
mô hình
CFD
H
ình 2.2. Sơ đồ liên kết tính
toán động cơ tăng áp bằn
g

tuabin khí.

5
2.2.2.1. Mô hình vật lý và phương trình (PT) tính toán

Phương trình (PT) cân bằng năng lượng:
rprrvpvvwCp
TCdmTCdmdQdQpdVTdmC
−
+
−
+−=
(2.12)
PT cân bằng khối lượng và trạng thái:
⎩
⎨
⎧

=
+−=
)()( mRTdpVd
dmdmdmdm
nlrv
(2.13)
2.2.2.2. Các quan hệ hình học của xylanh bao gồm chuyển vị của
piston x(α), diện tích bề mặt trao đổi nhiệt A(α) và tiết diện lưu thông
của các xu páp theo góc quay trục khuỷu α.
2.2.2.3. Nhiệt lượng toả ra khi cháy trong xylanh được xác định
theo Wibe và Heywood:
[
]
'
)('exp
m
0b
a1x
αα
−−= (2.19)
Nhiệt lượng toả ra khi cháy:
).(
,, ib1ibHctcc
xxQmQ
−
=
+
η
Δ
; (2.21)

2.2.2.4. Trao đổi nhiệt giữa môi chất và thành vách trong xylanh
xác định theo mô hình Woschni:
tTTAQ
ww
∂
−
=
∂
)(
α
(2.25)
2.2.3. Mô hình đường ống thải nối động cơ với tuabin: Quá trình
khí động trong đường ống thải là rất phức tạp, có rối, ma sát và
truyền nhiệt. Sự thay đổi áp suất, nhiệt độ, vận tốc khí phụ thuộc cả
vào thời gian và không gian. Mô hình đầy đủ dòng khí thải được mô
tả bằng hệ phương trình Navies-Stokes kết hợp với phương trình rối
Reynolds có kể đến trao đổi nhiệt với giả
thiết là dòng một pha và
không có phản ứng hoá học.
2.2.3.1. Hệ phương trình Navier-Stokes mô tả dòng khí thực
dQ
p, V, T, m,
ρ

d(C
v
mT)
dh
r
dm

r
dm
nl
d
dh
v
dm
Biªn cña hÖ
thèng

dW = pdV
H
ình 2.3. Mô hình các
dòng năng lượng và khối
lượng qua các biên của th
ể
tích xylanh trong một chu
trình.

6
- PT liên tục:
ii
v
Dt
D
∂−=
ρ
ρ
(2.26)
- PT bảo toàn động lượng:

ijiji
i
Fp
Dt
Dv
ρτρ
+∂+−∂=
(2.27)
- PT bảo toàn năng lượng:
iiijjiii
qvvp
D
t
DE
∂−∂+∂−=
τρ
(2.28)
trong đó : τ
ji
là ten sơ ứng suất nhớt:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂−∂+∂−=
iiijkkijij
qvv
3

2
δμτ

Các phương trình trên có 6 biến xác định các thuộc tính nhiệt - động
của dòng khí thải là v
i
, p, ρ và E cần xác định nhưng chỉ có 5 phương
trình, cần bổ sung thêm phương trình trạng thái p = p(ρ,T).
2.2.3.2. Ảnh hưởng của rối đến các phương trình của Navier-
Stokes. Phương trình Reynolds
Dòng chảy rối gồm hai thành phần: không đổi U và phân tán u’(t).
Phương trình liên tục:
0div
t
=+
∂
∂
)( U
ρ
ρ
(2.42)
Phương trình Reynolds theo phương x:
MX
2
S
z
wu
y
vu
x

u
gradUdiv
x
P
Udiv
t
U
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−++
∂
∂
−=+
∂
∂ )''()''()'(

)()(
)(
ρρρ
μρ
ρ
U
Phương trình Reynolds theo phương y:
MY
2
S
z
wv
y
v
x
vu
gradVdiv
y
P
Vdiv
t
V
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝

⎛
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−++
∂
∂
−=+
∂
∂ )''()'()''(
)()(
)(
ρρρ
μρ
ρ
U

Phương trình Reynolds theo phương z:
MW
2
S
z
w
y
wv

x
wu
gradWdiv
z
P
Wdiv
t
W
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−++
∂
∂
−=+
∂

∂ )'()''()''(
)()(
)(
ρρρ
μρ
ρ
U

(2.43a,b,c)
Phương trình trao đổi đại lượng vô hướng:

7
φφ
ϕρϕρϕρ
φΓρφ
ρφ
S
z
w
y
v
x
u
graddivdiv
t
+
⎟
⎟
⎠
⎞

⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂
−+=+
∂
∂ )''()''()''(
)()(
)(
U

(2.44)
Các PT (2.42), (2.43 a,b,c), (2.44) tạo thành hệ phương trình mô tả
dòng chảy rối của khí thải, gồm 10 ẩn số là 4 ẩn số u, v, w và p của
phương trình liên tục và 6 thành phần dạng u'
i
u'
j
(i=x,y,z; j=x,y,z)
(
''
ji

uu
ρ
- ứng suất Reynolds) Các PT này không thể giải trực tiếp
được mà được giải qua các mô hình rối.
2.2.3.3. Mô hình rối: có nhiều mô hình rối được áp dụng để giải. Mô
hình thông dụng và cho độ chính xác cao là mô hình k-ε (động năng
rối - khuếch tán). Tham số thứ nhất - k biểu diễn động năng rối
()
ii
uu
2
1
k
= ; Tham số thứ hai ε - biểu diễn sự phân tán động năng rối
ijij
ee
υε
2= ;trong đó e
ij
là ten sơ biến dạng tỷ lệ.
2.2.3.4. Phương pháp thể tích hữu hạn giải mô hình toán học dòng
khí động bao gồm các bước:
- Chia vùng khảo sát thành những thể tích nhỏ gọi là thể tích hữu hạn.
- Tích phân các phương trình theo thể tích hữu hạn.
- Rời rạc hoá các phương trình tích phân:
∑
++=
m
0
PPn

n
mm
n
PP
BsAA
φφφ

- Giải phương trình đại số theo thuật toán PISO của Issa (1986) xác
định vận tốc và áp suất tại các nút lưới.
2.2.4. Mô hình tuabin - máy nén
Lưu lượng không khí nạp
9
c
hee
kk
10162n
Vgnp
AFRm
.,.

.=
.
(2.70)
Áp suất không khí nạp tăng áp p
k
:
9
v
kkee
k

1063
TRgpAFR
p
.,.

η
= (2.72)
Tỷ số tăng áp suất của máy nén:
lk0
k
k
pp
p
Δ
π
−
=
(2.73)
Việc tính toán chọn bộ tua bin - máy nén được tiến hành tại 3
điểm: ưng với số vòng quay nhỏ nhất, số vòng quay ứng với mômen

8
lớn nhất và số vòng quay ở chế độ định mức theo đặc tính ngoài. Tốc
độ quay của trục bộ tua bin - máy nén được xác định thông qua PT
cân bằng mô men quay của trục tua bin:
TC
CT
TC
TC
NN

I
1
dt
d
ω
ω
−
=
(2.74)
2.2.5. Mô hình đường ống nạp: được mô tả bằng các PT: bảo toàn
khối lượng, năng lượng và động lượng kết hợp với phương trình
trạng thái. Các PT này được giải tức thời đối với dòng khối lượng,
mật độ và nội năng, qua đó xác định các tham số khác của dòng khí.
2.3. Kết luận chương 2:
- Xây dựng được mô hình tính toán động cơ tăng áp gồm: các mô
hình nhiệt động bên trong xylanh động c
ơ, mô hình đường ống thải
bằng lý thuyết CFD có kể đến ảnh hưởng của hình dáng hình học
đường ống đến các thuộc tính nhiệt - động lực học của dòng khí thải,
mô hình tuabin - máy nén và mô hình đường ống nạp.
- Phân tích, lựa chọn phương pháp thể thích hữu hạn để tính và thuật
toán PISO xác định các thông số nhiệt - động lực học của dòng khí
thải.
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ ÁP
DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐỘNG CƠ
DSC-80TA
3.1. Đối tượng nghiên cứu, nội dung và mục đích tính toán: Động
cơ DSC-80 do Công ty Diesel Sông công sản xuất. Việc tính toán
được tiến hành theo các bước sau: tính chọn bộ tua bin – máy nén
để tổ chức tăng áp cho động cơ DSC-80; xây dựng mô hình mô

phỏng động cơ DSC-80 chưa tăng áp; xây dựng mô hình mô phỏng
bộ tuabin máy nén; xây dựng mô hình mô phỏng động cơ DSC-
80TA (tăng áp); xây dựng mô hình mô phỏng đường ống thải bằng
phần mềm CFD; xây dựng mô hình liên kết 1D/3D mô phỏng toàn
bộ động cơ.
Việc sử dụng mô hình 3D mô phỏng đường ống thải nhằm khảo sát
các thuộc tính nhiệt -động lực học dòng khí thải, bao gồm cả các ảnh

9
hưởng của dòng tại chỗ rẽ nhánh, thay đổi thiết diện, dòng xoáy có
nhớt đến các thông số khí động trước tua bin. Qua đó làm cơ sở để
xác định ảnh hưởng của hình dáng hình học hệ thống thải xung đến
các chỉ tiêu công tác của động cơ diesel tăng áp trong một mô hình
mô phỏng khép kín.
3.2. Lựa chọn bộ tua bin máy nén tăng áp cho DSC-80: Việc tính
chọn bộ tua bin - máy nén để tăng áp cho động cơ xuất phát từ yêu
cầu: bộ tua bin - máy nén phải cung cấp đủ không khí và ổn định ở
các chế độ làm việc của động cơ. Sử dụng phần mềm AVL-Boost
(tại ĐH Bách khoa Hà nội) tính toán sơ bộ, sau đó kết hợp đặc tính
do nhà chế tạo cung cấp, chọn được bộ tua bin - máy nén của hãng
Misubishi TD04H-15G.
3.3. Giới thiệu phần mềm GT-Power và Star-CD
Phần mềm GT-Power là công cụ mô phỏng động cơ chuyên nghiệp.
Nó được tích hợ
p các công cụ mạnh phục vụ thiết kế như
DOE/optimization, mô hình sơ đồ mạng nơ rôn và điều khiển
Phần mềm STAR-CD lµ phần mềm CFD. Nó được dùng để mô
phỏng dòng nhiệt - khí động. Đây là một công cụ mạnh, hiệu quả để
mô hình hoá dòng lưu chất, truyền nhiệt, truyền khối lượng và các
phản ứng hoá học. Cơ sở lý thuyết của nó là phương trình Navier –

Stockes trong hệ
toạ độ không gian theo thời gian, kết hợp các mô
hình phản ứng hoá học, rối, truyền nhiệt
3.4. Mô hình động cơ DSC-80: Mô hình động cơ DSC-80 được xây
dựng bằng phần mềm GT-Power kết hợp với các số liệu thực nghiệm
đo được tại phòng thí nghiệm AVL- Đại học Bách khoa HN về tổn
thất cơ giới, diễn biến áp suất trong xylanh để hiệu chỉnh mô hình.
3.5. Mô hình bộ tuabin – máy nén: xây dựng tệ
p dữ liệu số liệu về
đặc tính đồng dạng của bộ tua bin - máy nén trên cơ sở nội suy và
ngoại suy các điểm trên đường đặc tính tua bin và máy nén do nhà
sản xuất cung cấp.

10
3.6. Mô hình động cơ DSC-80TA: Mô hình mô phỏng động cơ
DSC-80TA được thực hiện bằng cách ghép nối mô hình động cơ
DSC-80 và mô hình tua bin - máy nén. Mô hình đường ống thải được
xây dựng bằng phần mềm CFD Star-CD với các phương án khác
nhau.
3.6.1. Mô hình mô phỏng động cơ DSC-80TA bằng GT-Power:
thông số đầu vào có một số thay đổi: áp suất phun nhiên liệu được
điều chỉnh từ 170bar lên 180 bar, lượng cung cấp nhiên liệu cho một
chu trình được điều ch
ỉnh từ 60mg/chu trình lên 72 mg/chu trình để
đảm bảo hệ số dư lượng không khí α thấp nhất là 1,4 (giới hạn thấp
nhất đối với động cơ tăng áp có phương pháp tạo hỗn hợp kiểu màng
- thể tích).
3.6.2. Mô hình đường ống thải 3 chiều (3D): do kết cầu nắp máy
của động cơ DSC-80, xi lanh thứ 2 và3 nối chung với nhau trong nắp
máy, 2 phương án được lựa chọn: tua bin - máy nén bố trí ở gi

ữa và
cuối động cơ.
Chiều dài đường ống thải được chọn trước theo 1 trong 2 tiêu chí:
(*) Bảo đảm bố trí chung của động cơ trên thiết bị động lực.
(*) Chiều dài đường ống góp khí thải phải được chọn sao cho sóng
áp suất phản hồi từ tua bin không làm ảnh hưởng đến chất lượng của
quá trình quét khí. Thời gian tính theo góc quay trục khuỷu để sóng
áp suất phản hồi:
k
kRT
n.l.12
=
αΔ
; Sau khi tính toán có thể kết luận:
sóng áp suất phản hồi từ tua bin không ảnh hưởng xấu đến chất
lượng quá trình quét khí. Do vậy tiêu chí thứ nhất được ưu tiên để
xem xét. Sau khi chọn được chiều dài đường ống thải, đường kính tối
ưu đường ống thải sẽ được tính toán trên quan điểm tổn thất năng
lượng nhỏ nhất theo chiều dài đường ống của Orlin và Cruglop. Tác
giả đã xây d
ựng chương trình DOPI xác định đường kính đường ống
thải tối ưu theo chiều dài cho động cơ DSC-80TA là 44.82mm.

11
Trong mô hình CFD, kích thước đó được sử dụng để khảo sát sơ đồ
bố trí và hình dáng hình học của đường ống thải. Các phương án
khảo sát được chia thành 2 nhóm chính:
Nhóm 1: bộ tua bin – máy nén bố trí ở giữa động cơ, hình dáng và
kích thước hình học phần lõi ống của các phương án nhóm 1 được
giới thiệu trên hình 3.12 (a,b,c,d).

Hình 3.12. Hình dáng và kích thước hình học phần lõi đường ống thải
nhóm 1. (a)- đường ống đơn giản. (b),(c),(d) - đường ống khí động học,
kích thước miệng phun khác nhau.
Nhóm 2: bộ tua bin – máy nén bố trí ở đầu động cơ, hình dáng và
kích thước hình học phần lõi ống của các phương án nhóm 2 được
giới thiệu trên hình 3.13 (a,b).

(a) (b)
Hình 3.13. Hình dáng và kích thước hình học phần lõi đường ống thải
nhóm 2. (a) - đường ống đơn giản. (b) - đường ống dạng compact.
Phương pháp liên kết mô hình 1D/3D: để liên kết mô hình 3D với
mô hình 1D của phần xi lanh, tua bin - máy nén các bước cần tiến
hành: chọn bước thời gian, thời gian tính cho từng mô hình, phương
pháp để nhận được điều kiện biên và điều kiện đầu tốt nhất cho mô
(a)
(b)
(c)
(d)

12
hình CFD, xác định thể tích trung bình của các biến rời rạc CFD,
định nghĩa các biên hình học giao diện 1D/3D, các thay đổi trong mô
hình GT và Star- CD.
6oxtocdodongc
1
anbuocthoigi
= ;
Thời gian tính = buocthoigian x số chu kỳ tính x 720 (độ/chu trình)

Sau khi có các mô hình: động cơ DSC-80, tuabin - máy nén, đường
ống thải theo lý thuyết CFD 3D, liên kết theo các bước, xây dựng
được mô hình động cơ tăng áp DSC-80TA như trên hình 3.15.

Hình 3.15. Mô hình động cơ DSC-80TA liên kết 1D/3D, phần tử CFD mô
phỏng đường ống thải có tên "Exhaust-CFD".
3.7. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác động cơ DSC-80TA
theo các phương án đường ống thải khác nhau
3.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của đường kính đường ống thải đến
công suất có ích

13
Hình 3.16 là đồ thị mô tả ảnh hưởng của đường kính đường ống thải
đến công suất có ích của động cơ khi tăng áp bằng tua bin biến áp ở
chế độ định mức n = 2200v/ph.
73.4
73.6
73.8
74
74.2
74.4
74.6
74.8
75
25 30 35 40 45 50 55
§− êng kÝnh èng th¶i (mm)
C«ng suÊt ®Þnh møc (kW)

Trên cơ sở đó có thể kết luận rằng: đối với động cơ DSC-
80TA sử dụng bộ tua bin – máy nén Mitsubishi TD04H-15 thì đường

ống thải có đường kính 45mm cho kết quả tốt nhất về công suất có
ích của động cơ, kết quả này phù hợp với lựa chọn sơ bộ theo quan
điểm năng lượng.
3.7.2. Khảo sát sự làm việc đồng thời của động cơ - tua bin máy
nén ở
các chế độ vòng quay khác nhau
Hình 3.17 mô tả điểm làm việc của động cơ trên đồ thị mô
phỏng đặc tính máy nén.

H
ình 3.16. ảnh hưởn
g

của đường kính đườn
g

ống thải đến công suất có
ích của động cơ DSC-
80TA

H
ình 3.17. Điểm
làm việc đồng thời
của động cơ DSC-
80TA trên đặc tính
máy nén

14
3.7.3. Kt qu tớnh toỏn cho cỏc phng ỏn nhúm 1
Trờn hỡnh 3.18 l s chia li ng ng thi cỏc phng ỏn

1a, 1b nhúm 1

Hỡnh 3.18. Hỡnh dỏng hỡnh hc v s chia li ng ng thi nhúm 1
Bng 3.10 l kt qu tớnh toỏn cỏc ch tiờu cụng tỏc ca ng c
DSC-80TA khi s dng ng ng thi theo cỏc phng ỏn nhúm 1
(hỡnh 3.18) ch tc vũng quay nh mc n = 2200vg/ph.
Bng 3.10. Cỏc ch tiờu cụng tỏc ca ng c ch 2200v/ph (nhúm 1)
Phơng án đờng ống thải Chỉ tiêu công tác
1a 1b 1c 1d
Công suất có ích N
e
(kW) 72,9 75,1 75,3 75,6
Mô men có ích M
e
(Nm) 316,4 326,1 326,9 327,9
áp suất chỉ thị trung bình (bar)
10,56 10,82 10,84 10,87
áp suất có ích trung bình (bar)
8,37 8,63 8,65 8,68
Lu lợng khí nạp (kg/h) 442,6 448,8 450,7 453,2
Lu lợng nhiên liệu (kg/h) 19 19 19 19
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g/kWh) 260,7 253,0 252,4 251,6
Tỷ số không khí / nhiên liệu 23,28 23,61 23,71 23,84
Hiệu suất có ích (%) 32,1 33,1 33,2 33,3
T bng 3.10, thy rng, phng ỏn ng ng thi 1d cho cỏc
ch tiờu cụng tỏc ca ng c l tt nht, cụng sut ng c t 75,6
kW(102 mó lc) so vi phng ỏn 1a 72,9 kW (99 mó lc), tng
3,7%. Cỏc ch tiờu cụng tỏc khỏc ca ng c cng c ci thin rừ
rt: hiu sut cú ớch tng 3,7%, sut tiờu hao nhiờn liu gim 3,58%.
Hỡnh 3.19 biu din s bin thiờn ca lu lng khi lng khớ th

i
qua tua bin theo gúc quay trc khuu.

15
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
-133 -83 -33 17 67 117 167 217 267 317 367 417 467 517 567
Độ (góc quay TK)
Lưu lượng khối lượng (kg/s)
PA1a PA1b
PA1c PA1d

Hình 3.19. Biến thiên lưu lượng qua tua bin theo góc quay trục khuỷu
Từ hình 3.19 nhận xét: các phương án 1b,1c,1d có lưu lượng
khí thải qua tua bin không khác nhau nhiều. Còn phương án thứ nhất
(1a) cho thấy lưu lượng khí thải qua tua bin có tính chất mạch động,
liên tục thay đổi với tần số rất cao ở góc quay trục khuỷu tương ứng
với kỳ thải của xi lanh 1 và xi lanh thứ 4. Ở phương án 1a có sự tổn
thất áp suất khá lớn do hiện tượng tiết lưu ở đường ống gấ
p khúc.
Điều này cũng được lý giải khi biểu diễn dòng khí bằng mô hình
CFD như trên hình 3.22.

Hình 3.22. Véc tơ vận tốc khí thải ứng với pha phối khí cua xi lanh thứ 1.
Từ hình 3.22 thấy rằng, ở phương án 1a - nhóm 1, tại chỗ rẽ nhánh

xảy ra hiệu ứng 3D mãnh liệt của dòng khí thải, làm cho dòng khí
thải vào tua bin bị phân dòng và xoáy, trong khi điều đó không xảy
ra đối với các phương án đường ống thải có dạng khí động 1b, 1c,1d
như hình 3.22b. Đây là lý do làm cho áp suất, lưu lượng khối lượng
và công suất tại cửa vào tua bin có sự dao động với tần số cao như
mô tả trên hình 3.19
(b)
(a)

16
3.7.4. Kt qu tớnh toỏn cho cỏc phng ỏn nhúm 2
Trờn hỡnh 3.23 l s chia li ng ng thi cỏc phng ỏn 2a,
2b nhúm 2

Hỡnh 3.23. S chia li ng ng thi cỏc phng ỏn nhúm 2
Bng 3.12 l kt qu tớnh toỏn cỏc ch tiờu cụng tỏc ca ng c
DSC-80TA khi s dng ng ng thi theo cỏc phng ỏn nhúm 2.
Bng 3.12. Cỏc ch tiờu cụng tỏc ca ng c ch 2200v/ph
Phơng án đờng ống thải
Chỉ tiêu công tác
2a 2b
Công suất có ích Ne (kW) 75,5 74,8
Mô men có ích (N.m) 327,9 324,7
áp suất chỉ thị trung bình (bar)
10,88 10,8
áp suất có ích trung bình (bar)
8,67 8,59
Lu lợng khí nạp (kg/h) 448,2 447,6
Lu lợng nhiên liệu (kg/h) 19 19
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g/kWh) 251,6 254,1

Tỷ số KK / nhiên liệu (A/F) 23,58 23,55
Hiệu suất có ích (%) 33,3 32,9
Hỡnh 3.24 biu din s bin thiờn ca lu lng khớ thi qua tua bin
theo gúc quay trc khuu.
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
-133 -83 -33 17 67 117 167 217 267 317 367 417 467 517 567
Độ (góc quay TK)
Lu lợng qua tua bin (kg/s)
PA 2a
PA 2b

Hình 3.24. Lu lợng khí thải qua tua bin theo góc quay trục khuỷu.
(b)
(a)

17
Từ bảng 3.12 và hình 3.24 thấy rằng, khi bố trí bộ tua bin – máy
nén ở đầu động cơ (nhóm 2), với chiều dài và đường kính ống thải
không đổi thì các chỉ tiêu kinh tế năng lượng của động cơ DSC-
80TA cũng như lưu lượng khối lượng khí thải qua tua bin thay đổi
không nhiều. So sánh với phương án bố trí bộ tua bin – máy nén ở
giữa động cơ thì các chỉ tiêu công tác của động c¬ cũng tương tự nh
ư
ở các phương án 1b, 1c, 1d của nhóm 1. Điều đó chứng tỏ rằng, đối

với động cơ DSC-80 do đặc điểm bố trí các họng thải trong nắp máy
nên khi tổ chức tăng áp, thì việc bố trí bộ tua bin – máy nén theo các
phương án đã khảo sát không có sự khác biệt nhiều. Vấn đề cần quan
tâm là đường kính đường ống thải và hình dáng hình học sẽ có ảnh
hưởng lớn đến các chỉ tiêu công tác của
động cơ.
3.8. Kết luận chương 3
- Mô phỏng động cơ DSC-80 bằng phần mềm GT-Power kết hợp với
số liệu thực nghiệm cho kết quả có độ chính xác và tin cậy cao.
- Bộ tua bin máy nén Mitsubishi TD04H-15G phù hợp để tăng áp
cho động cơ DSC -80.
- Yếu tố hình dáng hình học thể hiện qua các toạ không gian của các
phần tử nút lưới CFD. Việc kết hợp hai mô hình 1D của GT-power
và 3D của Star-CD cho phép khảo sát ảnh hưởng yế
u tố hình học của
đường ống thải đến chỉ tiêu công tác của động cơ tăng áp. Mô hình
này có thế áp dụng để tính toán cho bất kỳ phương án nào của đường
ống thải, có thể mở rộng áp dụng cho mô hình động cơ nhiều xylanh.
- Đối với động cơ DSC-80: chiều dài đường ống thải không ảnh
hưởng đến chất lượng quá trình quét khí, nhưng phải bảo đảm bố trí
chung trên khoang động l
ực. Đường kính tối ưu là 45mm và hình
dáng hình học của hệ thống phải hợp lý, nếu không sẽ xảy ra các
hiện tượng mạch động mãnh liệt trong đường ống, ảnh hưởng đến
công suất và tuổi thọ của tua bin. Phương án 1d và 2a cho kết quả tốt
nhất về chỉ tiêu công tác của động cơ.

18
CHƯƠNG 4
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4.1. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm: động cơ DSC-80 do Công
ty Diesel Sông công chế tạo. Động cơ thực nghiệm là động cơ đã qua
sử dụng, do đó trước khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, cần phải
kiểm tra lại các chỉ tiêu công tác trên băng thử.
4.2. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm: xác định ảnh hưởng c
ủa
hai trong sáu phương án thiết kế, bố trí hệ thống thải xung đến các
chỉ tiêu công tác của động cơ khi thực hiện tăng áp bằng tua bin khí.
4.3. Chế độ nghiên cứu thực nghiệm và các thông số cần đo: các
chế độ thực nghiệm được tiến hành theo đường đặc tính ngoài của
động cơ trong phạm vi số vòng quay từ 1000 đến 2200 vg/ph. Các
thông số cần đo gồm: công suất, mô men quay, lượng tiêu thụ nhiên
liệu, suất tiêu hao nhiên liệu, lưu lượng không khí nạp sau máy nén.
4.4. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm: việc nghiên
cứu thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm nghiên cứu và
phát triển động cơ AVL - Bộ môn Động cơ Đốt trong - Đại học Bách
khoa HN. Đây là phòng thí nghiệm hiện đại, mức độ tự động hoá cao.
4.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá
4.5.1. Kiểm tra l
ại tình trạng kỹ thuật động cơ DSC-80 chưa tăng
áp: đo đặc tính ngoài khi cho số vòng quay thay đổi từ 1000 đến
2200 vg/ph. Các giá trị trung bình sau 3 lần đo liệt kê trong bảng 4.2
Bảng 4.2. Các chỉ tiêu công tác của động cơ DSC-80 chưa tăng áp
Tèc ®é
(vg/ph) N
e
(kW) M
e
(Nm) g
e

(g/kWh) G
nl
(kg/h)
1000
26,31 251,24 264,9 6,97
1200
34,22 272,31 256,0 8,76
1400
41,85 285,45 250,6 10,49
1600
47,10 281,10 251,4 11,84
1800
50,56 268,23 255,1 12,90
2000
52,60 251,14 261,7 13,77
2200
54,80 237,86 273,7 15,00


19
Với những số liệu thực tế về kết quả kiểm tra lượng nhiên liệu
cung cấp cho chu trình, công suất tổn hao cơ giới là những thông số
hiệu chỉnh đưa vào mô hình để tính toán các chỉ tiêu công tác của
động cơ DSC-80. Trên hình 4.3 là kết quả so sánh đặc tính ngoài của
động cơ DSC-80 theo thực nghiệm và theo tính toán bằng mô hình
20
70
120
170
220

270
320
370
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300
n (v/ph)
Me (N.m)
25
30
35
40
45
50
55
60
Ne (kW)
Me_thucnghiem
Me_GTpower
Ne_thucnghiem
Ne_GTpower
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300

n (v/ph)
ge (g/kWh)
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Gnl (kg/h)
ge_thucnghiem
ge_GTpower
Gnl_thuc nghiem

Hình 4.3. Đặc tính ngoài của động cơ DSC-80 tính toán và thực nghiệm.
4.5.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm với các phương án đường
ống thải khác nhau đối với động cơ DSC-80TA
4.5.2.1. Các phương án nghiên cứu thực nghiệm
Phương án 1a: bố trí tua bin – máy nén ở giữa động cơ, đường kính
của đường ống thải d = 45mm, không thay đổi từ họng thải của nắp
máy đến miệng vào của tua bin (hình 4.4).

H
ình 4.4. Kết cấu của h
ệ
thống thải xung của
p

hương án nghiên cứu
thực nghiệm 1a - nhóm 1.

20
Phương án 2a: bố trí tua bin – máy nén về phía đầu động cơ, đường
kính của đường ống d = 45mm, không thay đổi từ họng thải của nắp
máy đến miệng vào của tua bin (hình 4.5).

Bơm cao áp YTH-5 được điều chỉnh lại với lượng nhiên liệu cung
cấp cho chu trình gct = 72 mg/ct. Áp suất phun nhiên liệu được điều
chỉnh từ 170 bar lên 180 bar cho phù hợp với động cơ khi được tăng
áp.
4.5.2.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm phương án 1a
Tiến hành đo đường đặc tính ngoài của động cơ DSC-80TA với
đường ống thải theo phương án 1a. Các giá trị trung bình sau 3 lần đo
được trình bày trong bảng 4.3.
Bảng 4.3. Các chỉ tiêu công tác động cơ DSC-80TA phương án 1a - nhóm 1
Tèc ®é N
e
M
e
g
e
G
nl

L−u l−îng
kh«ng khÝ
(v/ph) (kW) (N.m) (g/kW.h) (kg/h)
(kg/h)

1000 34,54 329,8 256,03 8,84 171.9
1200 43,04 342,5 249,28 10,73 219.4
1400 50,80 346,5 245,44 12,47 262.1
1600 56,63 338 245,44 13,90 286.2
1800 61,54 326,5 248,68 15,31 319.6
2000 65,81 314,2 257,69 16,96 356.5
2200 69,83 303,1 270,55 18,89 397.2
Hình 4.7 giới thiệu kết quả đo trên băng thử và kết quả tính toán
H
ình 4.5. Kết cấu của h
ệ
thống thải xung của
p
hương án nghiên cứu
thực nghiệm 2a - nhóm 2.

21
130
160
190
220
250
280
310
340
370
400
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300
n (v/ph)
Me (Nm)

30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Ne (kW)
Me_o
Me_tớnh
Ne_o
Ne_tớnh
220
240
260
280
300
320
340
360
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300
n (v/ph)
g
e
(g
/kW .h
)

7
9
11
13
15
17
19
21
Gnl
(
k
g
/h
)
ge_o
ge_tớnh
Gnl_o

Hỡnh 4.7. ng c tớnh ngoi ng c DSC-80TA theo phng ỏn 1a
T bng 4.3 v hỡnh 4.7 cho thy sai s gia lý thuyt v thc
nghim nm trong gii hn nh t 1,7 n 7,6%, chng t mụ hỡnh
liờn kt 1D-3D ó thit lp l tin cy.
4.5.2.3. Kt qu nghiờn cu thc nghim phng ỏn 2a.
Cỏc giỏ tr trung bỡnh sau 3 ln o c trỡnh by trong bng 4.5.
Bng 4.5. Cỏc ch tiờu cụng tỏc ng c DSC-80TA phng ỏn 2a
Tốc độ N
e
M
e
g

e
G
nl

Lu lợng
không khí
(v/ph) (kW) (N,m) (g/kW,h) (kg/h)
(kg/h)
1000 34,06 325,2 259,28 8,83 166,6
1200 42,95 341,8 249,58 10,72 208,4
1400 50,87 347 244,92 12,46 258,4
1600 56,55 337,5 245,06 13,86 287,4
1800 61,66 327,1 247,87 15,28 321,3
2000 66,52 317,6 255,12 16,97 359,2
2200 71,83 311,2 263,27 18,91 403,0
Hình 4.9 giới thiệu kết quả đo trên băng thử và kết quả tính toán.

22
130
160
190
220
250
280
310
340
370
400
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300
n (v/ph)

Me (Nm)
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Ne (kW)
Me_đo
Me_tính
Ne_đo
Ne_tính
220
240
260
280
300
320
340
360
900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300
n (v/ph)
ge (g/kW.h)
7
9
11

13
15
17
19
21
Gnl (kg/h)
ge_đo
ge_tính
Gnl_đo

H×nh 4.9. Đường đặc tính ngoài động cơ DSC-80TA theo phương án 2a
Từ bảng 4.5 và hình 4.9 cho thấy sai số giữa lý thuyết và thực
nghiệm là 1,9 đến 7,4%.
4.5.2.4. So sánh hai phương án thiết kế hệ thống thải xung: hình
4.10 biểu diễn sự so sánh các thông số đặc trưng chính của động cơ
DSC-80TA với hai phương án đường ống thải đã thiết kế.
130
160
190
220
250
280
310
340
370
400
900 1200 1500 1800 2100
n (v/ph)
Me (Nm)
30

35
40
45
50
55
60
65
70
75
Ne (kW)
Me_đo Pa1a
Me_đo Pa2a
Ne_đo Pa1a
Ne_đo Pa2a
220
228
235
243
250
258
265
273
280
288
295
303
310
318
325
900 1200 1500 1800 2100

n (v/ph)
ge (g/kWh)
140
180
220
260
300
340
380
420
Gkk (kg/h)
ge_đo Pa1a
ge_đo Pa2a
Gkk đo Pa1a
Gkk đo Pa2a

Hình 4.10. Các chỉ tiêu công tác của động cơ theo 2 PA: 1a và 2a
Từ hình 4.10, có thể rút ra nhận xét sau: tại các chế độ tốc độ động
cơ thấp (nhỏ hơn 1500v/ph), các chỉ tiêu công tác như N
e
, M
e
, g
e
, G
kk

của hai phương án 1a và 2a không khác biệt nhiều, nhưng ở số vòng