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)
-
C
n

Tốc độ chuyển động của pít tông bơm cao áp
m/s
ĐCT
Điểm chết trên
-
ĐCD
Điểm chết dưới
-
F
P

Diện tích tiết diện ngang của pít tông bơm cao áp
mm
2

F
i

Diện tích tiết diện ngang của lỗ phun
mm

2

f
c

Tổng diện tích mặt cắt ngang của các lỗ phun
m
2

GQTC
Góc quay trục cam
-
GQTK
Góc quay trục khuỷu
-
g
e
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
g/kW.h
g
ct
Lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình
mg/ct
G
nl
Lượng tiêu thụ nhiên liệu
kg/h
HTPNL
Hệ thống phun nhiên liệu
-

h
c

Hệ số truyền nhiệt
W/m
2
-K
j
n

Gia tốc chuyển động của pít tông bơm cao áp

m/s
2

i
Số lỗ phun
-
K
Mô đun đàn hồi khối của nhiên liệu
-
M
e
Mô men có ích của động cơ
Nm
Kí hiệu
Diễn giải
Đơn vị
tính
N

e
Công suất động cơ
kW
N
u
Hệ số Nusselt
-
n
c
Số vòng quay của trục cam bơm cao áp
vg/ph
n
đc
Số vòng quay của động cơ
vg/ph
QLCCNL
Quy luật cung cấp nhiên liệu
-
q
Tốc độ phun
mg/độ
p
ϕ

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

Áp suất tức thời tại vòi phun

Pa, bar
p
XL

Áp suất bên trong xi lanh động cơ
Pa, bar
R
e

Hệ số Reynolds
-
S
max

Hành trình lớn nhất của con đội
m
S
n

Chuyển vị của pít tông bơm cao áp
m
V
cc.ct

Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình
ml/ct
V
cc

Quy luật cung cấp nhiên liệu dạng tích phân

-
V
ph.ct

Quy luật phun tích phân được kí hiệu là
-
V
T

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
-
ρ
nl

Khối lượng riêng của nhiên liệu
kg/m
3



k
Tỉ số tăng áp của máy nén
-
Δφ
cc
Thời gian cung cấp nhiên liệu tính theo góc quay của trục
cam bơm cao áp
độ
φ
0

Góc công tác của cam
độ
Kí hiệu
Diễn giải
Đơn vị
tính
φ
c

Góc quay của trục cam
độ
φ
f

Thời điểm bắt đầu phun
độ
φ
e

Thời điểm kết thúc phun
độ
μ
c

Hệ số lưu lượng qua lỗ phun
-
ω
c

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 n
c
= 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
Hình
Tên hình vẽ và đồ thị
Trang
3.16
Diễn biến áp suất bên trong xi lanh động cơ B6 (chế độ tải
định mức n
đc
= 1800vg/ph)
90
3.17
Diễn biến nhiệt độ bên trong xi lanh động cơ B6 (chế độ tải
định mức n
đc
= 1800vg/ph)
90
3.18
Đồ thị công chỉ thị của động cơ B6 trên hệ trục p-V
91
3.19
Kết quả so sánh đặc tính ngoài của động cơ B6
91

3.20
Diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ B6 tăng áp,
n
đc
=1800v/ph
94
3.21
Diễn biến tốc độ tăng áp suất tức thời trong xi lanh động cơ
B6 tăng áp, n
đc
=1800v/ph
94
3.22
Diễn biến nhiệt độ trong xi lanh động cơ B6 tăng áp,
n
đc
=1800v/ph
94
3.23
Diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ B6 tăng áp,
n
đc
=1200v/ph
95
3.24
Diễn biến tốc độ tăng áp suất tức thời trong xi lanh động cơ
B6 tăng áp, n
đc
=1200v/ph
95

3.25
Diễn biến nhiệt độ trong xi lanh động cơ B6 tăng áp,
n
đc
=1200v/ph
95
3.26
So sánh tốc độ tỏa nhiệt và quy luật tỏa nhiệt khi cháy trong
động cơ B6 tăng áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam
mới, n
đc
=1800vg/ph
96
3.27
So sánh tốc độ tỏa nhiệt và quy luật tỏa nhiệt khi cháy trong
động cơ B6 tăng áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam
mới, n
đc
=1200vg/ph
96
3.28
So sánh tốc độ trao đổi nhiệt với thành vách động cơ B6 tăng
áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam mới, n
đc
=1200vg/ph
97
3.29
So sánh tốc độ trao đổi nhiệt với thành vách động cơ B6 tăng
áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam mới, n
đc

=1800vg/ph
97
4.1
Bản vẽ 3D chi tiết trục cam bơm cao áp cải tiến của động cơ B6
104
4.2
Bản vẽ chế tạo chi tiết trục cam BCA cải tiến của động cơ B6
105
Hình
Tên hình vẽ và đồ thị
Trang
4.3
Sơ đồ bước tạo kích thước sơ bộ (1- chi tiết; 2- Phôi)
106
4.4
Sơ đồ phay biên dạng cam
106
4.5
Hình ảnh gia công trên máy phay DMU 50
108
4.6
Quét ảnh trục cam đã gia công trên máy quét scaner 3D
109
4.7
Kết quả kiểm tra kích thước hình dạng trục cam
109
4.8
Hình ảnh cấu tạo chung của bệ thử BCA và lắp đặt bơm cao
áp HK-10 trên bệ thử
112

4.9
Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo áp suất và hình ảnh kết nối thực tế
113
4.10
Cấu tạo của cảm biến và cách lắp ráp trên đường ống cao áp
114
4.11
Hình ảnh cảm biến quang và đồ gá trên bệ thử
115
4.12
Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng thực
nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA nguyên bản
119
4.13
Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng thực
nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA nguyên
bản khi đã điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
120
4.14
Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng
thực nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA cải
tiến có điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
121
4.15
Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất trong đường ống cao áp
bằng thực nghiệm với kết quả tính mô phỏng ứng với tốc độ
động cơ: 600 vg/ph
123
4.16
Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất trong đường ống cao áp

bằng thực nghiệm với kết quả tính mô phỏng ứng với tốc độ
động cơ: 1200 vg/ph
123
4.17
Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất trong đường ống cao áp
bằng thực nghiệm với kết quả tính mô phỏng ứng với tốc độ
động cơ: 1800 vg/ph
124


1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Cho đến nay, nguồn động lực chính dùng trong các phương tiện giao
thông, máy nông nghiệp, lâm nghiệp, các phương tiện cơ giới quân sự vẫn là
động cơ đốt trong. Trong đó, động cơ diesel chiếm một tỷ trọng lớn và được
sử dụng phổ biến do có những ưu điểm nổi bật, đặc biệt là động cơ diesel
phun trực tiếp.
Ngành công nghiệp động cơ đốt trong đã trải qua nhiều giai đoạn phát
triển và thu được những thành tựu đáng kể nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn
các yêu cầu của thực tiễn. Trong những năm qua, do trữ lượng nhiên liệu hóa
thạch giảm mạnh, do nhu cầu nâng cao hiệu suất và chất lượng làm việc của
động cơ đã luôn đặt ra cho các nhà chuyên môn nhiệm vụ nghiên cứu, phát
triển và ứng dụng các công nghệ mới vào động cơ.
Ngoài những yêu cầu đối với động cơ như tăng tuổi thọ, làm việc tin
cậy, tiêu thụ ít nhiên liệu thì những yêu cầu khác như tăng công suất tổng,
công suất lít, giảm hàm lượng các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường là
những hướng nghiên cứu chính đang được quan tâm giải quyết.
Nhờ sự phát triển của các ngành khoa học có liên quan, ngành động cơ
đốt trong cũng có những bước phát triển vượt bậc. Ngày nay, người ta đã sử

dụng nhiều giải pháp có hiệu quả để đáp ứng các yêu cầu trên. Trong đó, tăng
áp cho động cơ là một biện pháp hữu hiệu. Việc tăng áp bằng tua bin khí thải
đáp ứng tốt các yêu cầu trên và đang được áp dụng rộng rãi cho động cơ.
Chính vì vậy, các hãng chế tạo động cơ nói chung, trong đó có động cơ diesel
cao tốc nói riêng đều chế tạo loại động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí thải.
Riêng đối với nước ta, do nền công nghiệp chế tạo động cơ chưa phát
triển, chủng loại phương tiện và động cơ sản xuất từ Liên xô cũ và Nga hiện
nay còn đang được sử dụng còn nhiều với động cơ diesel không tăng áp. Nhu
cầu đặt ra là cần phải nâng cao công suất tổng và công suất lít cho những
động cơ này để đáp ứng yêu cầu về khả năng cơ động, chuyên chở hàng hóa

2
và cải thiện các chỉ tiêu công tác nhằm phát huy tối đa hiệu quả khai thác
động cơ và trang bị là rất cần thiết. Giải pháp hiệu quả và có tính khả thi cao
là cường hóa những động cơ diesel không tăng áp này bằng tăng áp tua bin
khí thải.
Sau khi cường hóa bằng tăng áp tua bin khí thải cho động cơ mà trước
đây đã thiết kế là không tăng áp thì lượng không khí nạp vào xi lanh động cơ
cho một chu trình tăng lên, do đó để thành phần hỗn hợp nằm trong vùng hỗn
hợp cháy nhằm mục đích tăng công suất, cần tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu
trình. Để bổ sung thêm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình người ta thường sử
dụng các biện pháp như điều chỉnh lại vị trí pít tông trong xy lanh bơm, tăng
đường kính các lỗ phun.v v. Khi tăng thêm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
sẽ kéo dài thời gian phun, hiệu quả quá trình cháy sẽ bị ảnh hưởng, cháy rớt
tăng làm tăng trạng thái nhiệt các chi tiết, tăng nhiệt độ nước làm mát và giảm
hiệu suất. Vì vậy, việc nghiên cứu cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu bằng
cách lựa chọn biên dạng cam bơm cao áp phù hợp theo hướng tăng tốc độ cung
cấp để không kéo dài thời gian phun, đồng thời cải thiện quy luật cung cấp
nhiên liệu nhằm tối ưu quá trình cháy của động cơ là rất cần thiết.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu
theo hướng thay đổi biên dạng cam của bơm cao áp đang sử dụng trên động
cơ diesel không tăng áp với hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu bơm cao áp -
van cao áp - đường ống cao áp - vòi phun (kiểu Bosch) để rút ngắn thời gian
cấp nhiên liệu cho chu trình và cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu nhằm
nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, đáp ứng yêu cầu cường hóa chính động
cơ đó bằng tăng áp tua bin khí thải.
Đối tƣợng nghiên cứu:
Đối tượng được sử dụng để nghiên cứu trong đề tài là động cơ B6 lắp
trên xe PT-76 trong đó đối tượng trực tiếp là bơm cao áp HK-10. Động cơ B6
do Liên Xô (cũ) chế tạo và chưa được tăng áp là động cơ diesel 4 kỳ, buồng

3
cháy thống nhất. Động cơ dự kiến được cường hóa bằng tăng áp tua bin khí
thải với mức độ tăng áp trung bình (
k
= 1,5  1,7), không làm mát khí nạp,
công suất động cơ tăng lên từ 28 đến 30%. Do nhu cầu về nâng cao tính cơ
động cho các phương tiện chiến đấu nên Binh chủng Tăng - Thiết giáp đã lựa
chọn loại động cơ này để nghiên cứu khả năng cường hóa bằng tăng áp. Kết
quả đề tài cấp Bộ Quốc phòng “Nghiên cứu cường hoá động cơ B6 bằng
phương pháp tăng áp tua bin khí thải” đã tăng công suất của động cơ lên
khoảng 29% (có tên gọi là động cơ B6TA)[9]. Biện pháp thực hiện trong đề
tài này là điều chỉnh xoay pít tông bơm để tăng hành trình có ích cấp nhiên
liệu của bơm kết hợp các biện pháp điều chỉnh góc phun sớm nhiên liệu.
Trong quá trình chạy thử nghiệm còn bộc lộ một số hạn chế như động cơ quá
nóng, khói nhiều ở chế độ toàn tải nên Cục Kỹ thuật - Bộ tư lệnh Tăng thiết
giáp đang thực hiện tiếp đề tài cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu hoàn thiện
công nghệ cường hóa động cơ B6 trên xe tăng PT-76”, kết quả của luận án
cũng là một hướng trong việc hoàn thiện công nghệ này.

Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của luận án là tính toán thiết kế biên dạng cam bơm
cao áp theo hướng nâng cao cường độ phun cho hệ thống cung cấp nhiên liệu
kiểu bơm cao áp - van cao áp - đường ống cao áp - vòi phun (kiểu Bosch)
thay thế biên dạng cam của bơm cao áp nguyên thủy nhằm đáp ứng yêu cầu là
không kéo dài thời gian phun và cải thiện quy luật phun để tiếp tục sử dụng
cho chính động cơ đó sau khi được cường hóa bằng tăng áp tua bin khí thải
nhằm cải thiện các chỉ tiêu công tác của động cơ.
Phƣơng pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng:
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Về lý thuyết:
- Trình bày phương pháp tính toán thiết kế biên dạng cam bơm cao áp theo
hướng nâng cao cường độ phun. Động học của cam là thông số đầu vào để tính
toán lượng nhiên liệu phun (cấp) cho một chu trình và quy luật cung cấp nhiên

4
liệu (quy luật phun) và các đặc tính thủy động. Trình bày cơ sở tính toán và ứng
dụng phần mềm GT-Fuel tính toán thủy động hệ thống nhiên liệu và quy luật
phun nhằm chọn ra biên dạng cam hợp lý có tốc độ chuyển động của pít tông
bơm cao áp cao hơn, đồng thời ứng suất tiếp xúc giữa cam và con đội nằm trong
giới hạn cho phép. Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và quy luật phun (dưới
dạng diễn biến áp suất phun) là điều kiện đầu vào để tính toán chu trình và các
thông số đánh giá động học diễn biến của chu trình công tác của động cơ.
- Trình bày cơ sở tính toán và ứng dụng phần mềm GT-Power tính toán
quy luật tỏa nhiệt khi cháy, sự phát triển áp suất, nhiệt độ cháy trong xy lanh và
các chỉ tiêu công tác của động cơ sau khi được cường hóa sử dụng bơm cao áp
với trục cam bơm cao áp nguyên thủy và trục cam bơm cao áp cải tiến.
Về thực nghiệm:
- Tiến hành chế tạo trục cam mới với biên dạng cam đã được lựa chọn
bằng công nghệ CNC.

- Nghiên cứu thực nghiệm trên bệ thử bơm cao áp nhằm đánh giá mức độ
chính xác biên dạng các vấu cam, đo lượng cung cấp nhiên liệu cho chu trình và
đo diễn biến áp suất phun - các thông số phản ánh quy luật phun.
Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Trình bày cơ sở khoa học của việc cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu
trên cơ sở ứng dụng biên dạng cam ba cung (một cung lõm, hai cung lồi) để
tăng tốc độ phun và mở rộng dải góc phun có áp suất phun cao, tốc độ phun
lớn để cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu và không kéo dài thời gian phun
khi cải hoán động cơ không tăng áp sang động cơ tăng áp.
- Xây dựng được các mô hình phù hợp trong các phần mềm để khảo sát
các đặc tính thủy động của hệ thống nhiên liệu kiểu Bosch và các thông số
động học của chu trình công tác của động cơ diesel trước và sau khi thay đổi
quy luật cung cấp nhiên liệu.

5
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
- Đưa ra được bộ số liệu kết cấu của biên dạng cam cải tiến dùng để chế
tạo trục cam mới cho bơm cao áp HK-10 dùng cho động cơ B6, V2 khi cường
hóa bằng tăng áp, đồng thời đưa ra quy trình thiết kế, công nghệ chế tạo trục
cam đó bằng công nghệ CNC.
- Khẳng định khả năng sử dụng mô hình tính toán kết hợp với chương
trình mô phỏng để nghiên cứu và phát triển động cơ ở các cơ sở nghiên cứu
và tại các nhà máy chế tạo.
Bố cục của luận án:
Luận án gồm mở đầu, kết luận và 4 chương:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cở sở lý thuyết nghiên cứu cải tiến quy luật cung cấp nhiên liệu
cho động cơ diesel khi cường hóa bằng tăng áp
Chương 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
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị


6
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
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
1.1.1. Tình hình sử dụng trong lĩnh vực dân sự
Hiện nay, ở nước ta do nền công nghiệp chưa phát triển, ngành công
nghiệp sản suất ôtô và các phương tiện vận tải khác mới chỉ đang thực hiện
việc lắp ráp và sản suất các chi tiết và cụm chi tiết phụ mà chưa sản suất được
động cơ đốt trong mang thương hiệu Việt nam.
Các phương tiện vận tải đường bộ, lĩnh vực nông - lâm nghiệp hay vận
tải thủy nội địa đều sử dụng các phương tiện của các hãng sản xuất từ nước
ngoài. Hiện nay ở Việt Nam còn sử dụng nhiều các phương tiện có thời gian
sản suất từ những năm 70, 80 của thế kỷ XX và chủ yếu được sản xuất từ Liên
xô (cũ) với động cơ diesel không tăng áp như động cơ ЯМЗ - 236, ЯМЗ -
238, D12, D6 trên các xe vận tải, máy nông nghiệp và vận tải thủy nội địa.
1.1.2. Tình hình sử dụng trong lĩnh vực quân sự
Đối với lĩnh vực quân sự, động cơ diesel không tăng áp còn đang được
dùng phổ biến trong các phương tiện cơ động của lực lượng Tăng thiết giáp,
trên các xe máy công binh, công trình và cho các động cơ, máy phát trên các
tàu thuyền của Hải quân. Các trang thiết bị hiện nay vẫn sử dụng là của Liên
xô. Đặc biệt nguồn động lực của xe tăng, xe thiết giáp hiện nay với 100% các
phương tiện đều sử dụng động cơ diesel không tăng áp như động cơ B2 trên xe
T54, T55, động cơ B6 trên xe PT-76, động cơ UTĐ-20 trên xe BMP-1,
1.1.3. Nhu cầu cải tiến để nâng cao công suất bằng biện pháp tăng áp

Ở nước ta, trong các lĩnh vực giao thông vận tải, nông nghiệp và quốc
phòng hiện nay còn sử dụng nhiều động cơ diesel không tăng áp cũ được sản
xuất từ Liên Xô (trước đây) và Nga. Nhu cầu nâng cao công suất động cơ để
nâng cao tính cơ động, khả năng chuyên chở hàng hóa đồng thời nhu cầu sử
dụng năng lượng có hiệu quả hơn là rất cần thiết. Việc nghiên cứu sử dụng

7
biện pháp tăng áp bằng tua bin khí thải cho các loại động cơ diesel chưa tăng
áp (chưa cường hóa công suất) đã và đang được tiếp tục thực hiện.
1.1.4. Một số vấn đề cần nghiên cứu khi cường hóa động cơ bằng
tăng áp tua bin khí thải
Khi cường hóa động cơ nguyên thủy không tăng áp thành động cơ tăng
áp cần phải nghiên cứu điều chỉnh lại hàng loạt các cụm và hệ thống của động
cơ như: tính toán bố trí chung của hệ thống nạp, thải; hệ thống làm mát; hệ
thống cung cấp nhiên liệu; hệ thống bôi trơn; tính toán kiểm tra bền, động lực
học của các cụm chi tiết chuyển động
Trong số những vấn đề cần nghiên cứu nêu trên thì việc nghiên cứu hệ
thống nhiên liệu để chuyển đổi từ động cơ chưa tăng áp sang động cơ tăng áp
là hết sức quan trọng.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu là hệ thống quan trọng và ảnh hưởng trực
tiếp đến các chỉ tiêu công tác và tính kinh tế, năng lượng của động cơ. Đối với
hệ thống cung cấp nhiên liệu có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh lại các
thông số hoặc thay đổi kết cấu của hệ thống. Mục đích của việc thay đổi này
là nhằm tăng lượng nhiên liệu phun đơn thuần hoặc vừa tăng lượng nhiên liệu
phun và thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu (quy luật phun) nhằm cải thiện
chất lượng làm việc của động cơ diesel khi được cường hóa bằng tăng áp.
1.1.5. Kết quả nghiên cứu tăng áp động cơ B6 và những vấn đề cần
hoàn thiện tiếp theo
Thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu cường
hóa động cơ B6 bằng tăng áp tua bin khí thải” [9], Tác giả Lê Đình Vũ và các

cộng sự đã tiến hành tính toán lý thuyết và thực nghiệm cướng hóa tăng công
suất của động cơ B6 lên 29 - 30%.
Để đáp ứng yêu cầu cường hóa, trong đề tài nhóm tác giả đã thực hiện
điều chỉnh một số thông số: Điều chỉnh xoay pít tông bơm cao áp (tăng hành
trình có ích của pít tông bơm cao áp) để tăng lượng cung cấp nhiên liệu; điều
chỉnh góc phun sớm nhiên liệu lên 34
o
góc quay trục khuỷu trước ĐCT, điều

8
chỉnh áp suất nâng kim phun Δp
ph
= 23 - 24 MPa (so với 20 - 22MPa của
động cơ B6 không tăng áp),
Sau khi cường hóa: Công suất động cơ theo tính toán tăng khoảng 30%;
song hiệu suất có ích của động cơ tăng không nhiều và suất tiêu hao nhiên
liệu có ích của động cơ giảm không đáng kể [9].
Tuy nhiên sau khi thực hiện cường hóa động cơ B6 còn một số vấn đề
tồn tại cần giải quyết: Công suất động cơ tăng song hiệu suất của động cơ
tăng không đáng kể, suất liêu hao nhiên liệu cũng không giảm nhiều; nhiệt độ
nước làm mát của hệ thống làm mát tăng (thường xuyên từ 90 đến 105
0
C) [9].
1.2. Một số biện pháp thay đổi đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu của
động cơ diesel khi cƣờng hóa bằng tăng áp tua bin khí thải và các nghiên
cứu có liên quan
Hiện nay, do công nghệ chế tạo các bộ tua bin – máy nén ngày càng được
hoàn thiện hơn và những ưu điểm vượt trội của việc tăng áp nên hướng tăng áp
cho động cơ được hầu hết các nhà chế tạo lựa chọn, ứng dụng. Khi chế tạo
động cơ tăng áp thì hệ thống cung cấp nhiên liệu đã được lựa chọn phù hợp

ngay từ ban đầu. Hình thức cải hoán động cơ không tăng áp sang động cơ tăng
áp không phải là hướng nghiên cứu chính của các nước có nền công nghiệp
phát triển. Vấn đề này chỉ phù hợp với các nước đang phát triển như ở Việt
Nam, vì vậy các biện pháp mà chúng ta quan tâm nghiên cứu trong trường hợp
này là nhằm thực hiện việc cải hoán hệ thống nhiên liệu để động cơ được
cường hóa đạt hiệu quả cao nhất khi làm việc. Các biện pháp đó bao gồm:
1.2.1. Các biện pháp điều chỉnh
Việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (g
ct
) có thể được thực
hiện bằng nhiều biện pháp như: Tăng tiết diện của các lỗ vòi phun, điều chỉnh
bơm cao áp làm tăng hành trình có ích của pít tông bơm bằng cách xoay pít
tông bơm cao áp, điều chỉnh giảm áp suất tối thiểu nâng kim phun (giảm lực
căng lò xo kim phun) và điều chỉnh tăng góc phun sớm nhiên liệu