Nghiên cứu xây dựng qui trình kỹ thuật cải tiến động cơ diesel đang lưu hành thành động cơ tăng áp

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và và nội dung luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được
ai công bố trong các công trình nào khác.
Hưng Yên, tháng
Học viên

i

năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học SPKT Hưng Yên, Viên khoa học,
Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn GS.TS. Phạm Minh Tuấn đã hướng dẫn tôi hết sức
tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận
văn đúng tiến độ.
Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu trường Trung cấp nghề số 12-BQP, các phòng,
ban, khoa và cán bộ giáo viên khoa công nghệ ô tô đã hậu thuẫn và động viên tôi
trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc, duyệt và góp ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn
chỉnh luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã động
viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện đề
tài này.
Hưng Yên, tháng
Học viên

ii

năm 2015


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................ii
MỤC LỤC...........................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼVÀ ĐỒTHỊ..........................................................viii
MỞĐẦU.................................................................................................................1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.........................................................................................1
2. LỊCH SỬNGHIÊN CỨU...................................................................................1
3. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU...................................2
3.1. Mục đích của đề tài.....................................................................................2
3.2. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................2
3.3. Phạm vi nghiên cứu......................................................................................2
4. TÓM TẮT CÁC LUẬN ĐỂ
I M CƠBẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚ..............................3
I
Luận văn trình bày tập trung vào tìm hiểu, đánh giá các nội dung chính sau:
...............................................................................................................................3
Đánh giá khả năng tăng áp của đông cơ được lựa chọn để tăng áp, thông qua
các phần mềm như AVL-Boost để tính nhiệt động học động cơ và phần m ềm
AVL-Excite để kiểm bền động cơ nguyên thủy.................................................3
Xác định tỷ số tăng áp bằng cách: chọn tỷ số tăng áp sau đó s ử d ụng ph ần m ề
AVL-Boost để tính nhiệt động học động cơ và phần mềm AVL-Excite để
kiểm bền động cơ sao cho ứng với tỷ số tăng áp được chọn..............................3
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................................................3

CHƯƠNG 1..........................................................................................................4
TỔNG QUAN.......................................................................................................4
1.1. KHÁI QUÁT VỀĐỘNG CƠTĂNG ÁP............................................................4
1.2. NHỮNG ĐỀ
I U KIỆN CẦN ĐỂ CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ THÀNH ĐỘNG CƠ
TĂNG ÁP...............................................................................................................5
1.3. NHỮNG VẤN ĐỀ PHẢI GIẢI QUYẾT KHI CẢI TIẾN TĂNG ÁP CHO ĐỘNG
CƠ.........................................................................................................................6
1.4. GIỚI THIỆU VÀ PHÂN TÍCH NHỮNG NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ
QUỐC TẾ VỀ LĨNH VỰC NÀY.............................................................................6
1.4.1. Trên thế giới...............................................................................................7
1.4.2. Tại Việt Nam...........................................................................................10
1.5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU..................................................12
1.6. CÁCH TIẾP CẬN KHI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN ĐỘNG CƠTĂNG ÁP........12
iii


1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1...............................................................................13
CHƯƠNG 2........................................................................................................15
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH KỸTHUẬT CẢI TIẾN VÀ ÁP DỤNG
CHO ĐỘNG CƠD243........................................................................................15
2.1. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN ÁP SUẤT TĂNG ÁP ỨNG DỤNG PH ẦN M ỀM
AVL-BOOST VÀ AVL-EXICTE........................................................................15
2.1.1. Cơ sơ lý thuyết mô phỏng trong phần mềm AVL-Boost........................15
2.1.1.1. Giới thiệu chung.......................................................................15
2.1.1.2. Phương trình nhiệt động học thứ nhất....................................17
2.1.1.3. Trao đổi nhiệt và trao đổi chất.................................................19
2.1.1.4. Tính toán cụm TB-MN............................................................23
2.1.2. Cơ sơ lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Excite Designer.........25
2.1.2.1. Giới thiệu chung.......................................................................25

2.1.2.2. Cơ sơ lý thuyết UR-M53..........................................................25
2.1.2.3. Xác định ứng suất tại góc lượn theo phương pháp FVV........30
2.1.3. Xác định tỷ số tăng áp.............................................................................31
2.2. THIẾT KẾ LỰA CHỌN BỘTUỐC BIN - MÁY NÉN...................................32
2.2.1. Thiết kế lựa chọn bộ TB-MN..................................................................32
2.2.2. Tính toán lựa chọn cụm TB-MN...........................................................33
2.3. NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN: CƠCẤU PHỐI KHÍ, HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU,
ĐƯỜNG NẠP THẢI, LÀM MÁT VÀ BÔI TRƠN...................................................36
2.3.1. Cơ sơ tính toán, cải tiến các hệ thống khi thực hiện tăng áp...............36
2.3.2. Lựa chọn tỷ sổ nén phù hợp cho động cơ khi tăng áp............................36
2.3.3. Nghiên cứu cải tiến cơ cấu phối khí, hệ thống nhiên liệu, đường nạp
thải, làm mát và bôi trơn...................................................................................37
2.3.3.1. Cải tiến cơ cấu phối khí..........................................................37
2.3.3.2. Cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu....................................38
2.3.4. Thiết kế hệ thống nạp và thải.................................................................41
2.3.4.1. Giới thiệu chung.......................................................................41
2.3.4.2. Cơ sơ lý thuyết phần mềm mô phỏng CFD Fluent.................42
2.3.5. Cải tiến hệ thống làm mát.......................................................................47
2.3.6. Cải tiến hệ thống bôi trơn........................................................................48
2.4. XÂY DỰNG QUI TRÌNH CẢI TIẾN ĐỘNG CƠKHÔNG TĂNG ÁP THÀNH
ĐỘNG CƠTĂNG ÁP...........................................................................................49
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2...............................................................................53
CHƯƠNG 3........................................................................................................54
THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢCẢI TIẾN ĐỘNG CƠ............................54
3.1. MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM...........................................................................54
3.1.1. Mục tiêu thí nghiệm...............................................................................54
3.1.2. Phạm vi thí nghiệm................................................................................54
iv

3.2. TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM...............................................................54
3.2.1. Động cơ thử nghiệm................................................................................54
3.2.2. Băng thử động cơ.....................................................................................55
3.2.3. Thiết bị đo khí thải..................................................................................57
3.2.4. Các thiết bị khác......................................................................................59
3.2.4.1. Thiết bị đo áp suất khí tăng áp...............................................59
3.2.4.2. Thiết bị đo nhiệt độ..................................................................60
3.2.4.3. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp..................................................61
3.3. ĐỀ
I U KIỆN THỬNGHIỆM..........................................................................61
3.4. QUI TRÌNH THÍ NGHIỆM........................................................................62
3.4.1. Quy trình.................................................................................................62
3.4.2. Bố trí lắp đặt và hiệu chinh động cơ trên băng thử...............................62
3.5. KẾT QUẢVÀ THẢO LUẬN.........................................................................64
3.5.1. Đánh giá tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ trước và sau khi
tăng áp................................................................................................................64
3.5.2. Đánh giá các thông số làm việc của động cơ trước và sau khi tảng áp 66
3.5.2.1. Tỷ sổ tăng áp.............................................................................66
3.5.2.2. Hệ số dư lượng không khí.......................................................67
3.5.2.3. Đánh giá áp suất dầu bôi trơn..................................................69
3.5.2.4. Đánh giá nhiệt độ động cơ......................................................69
3.5.3. So sánh độ khói trước và sau tảng áp.....................................................70
3.6. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢMÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.............................72
3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...............................................................................73
CHƯƠNG 4........................................................................................................74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỀN..........................74
4.1. KẾT LUẬN CHUNG....................................................................................74
4.2. KIẾN NGHỊ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................76

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

AVL-Boost
AVL-Excite

Phần mềm mô phỏng chu trình nhiệt động của động cơ

Designer

Phần mềm tính toán trục khuỷu

CFD

Tính toán động lực học chất lưu có sự trợ giúp của máy tính

Gambit

Công cụ hỗ trợ chia lưới

Fluent

Phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy

FDM

Phương pháp sai phân hữu hạn

FVM

Phương pháp thể tích hữu hạn

FEM

Phương pháp phân tử hữu hạn

Catia

Phần mềm đồ họa Catia

Ansys

Phần mềm tính toán thể tích kết cấu

GTVT

Giao thông vận tải

HTBT

Hệ thống bôi trơn

HTLM

Hệ thống làm mát

HTNL

Hệ thống nhiên liệu

BCA

Bơm cao áp

PSA

Thiết bị đo áp suất khí

PTN

Phòng thí nghiệm

ETB

Băng thử động lực học cao

APA

Phanh điện APA

MP

Mô phỏng

TN

Thí nghiệm

TB

Tuabin

MN

Máy nén

TB-MN

Cụm tuabin máy nén

EMCON

Hệ thống điều khiển động cơ và băng thử

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thái.......22
Bảng 3.1. Thông sổ kỹ thuật thiết bị đo áp suất tăng áp PSA-1.......................59
Bảng 3.2. Thông sổ kỹ thuật cảm biển nhiệt độ TM-902C..............................60
vi

Bảng 3.3. Kết quả thử nghiệm động cơ D243 nguyên bản..............................64
Bảng 3.4. Kết quả thử nghiệm động cơ D243 tăng áp.....................................64
Bảng 3.5. Kết quả so sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô
phòng và thực nghiệm của động cơ D243 tăng áp..........................................72
Bảng 3.6. Kết quả so sánh tỷ số tăng áp và hệ số dư lượng không khí giữa mô
phỏng và thực nghiệm của động cơ D243 tăng áp..........................................72

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Mô hình cân bằng năng lượng trong xylanh..................................18
Hình 2.2. Cấu trúc bộ phân mềm CFD Fluent................................................43
Hình 2.3. Ứng dụng CFD Fluent mô phỏng động cơđốt trong.......................45
Hình 2.4. Quy trình cải tiến tăng áp bằng TB-MN cho động cơ diesel đang
lưu hành..............................................................................................................52
Hình 3.2. Lắp đặt động cơ trên băng thử Meiden...........................................56
Hình 3.3. Tủ điều khiến và màn hình hiển thị Meiden..................................57
Hình 3.4. Thiết bị đo độ khói A VL Dismoke 4000........................................58
Hình 3.5. Cấu tạo buồng đo độ khói...............................................................58
Hình 3.6. Thiết bị đo áp suất tăng áp PSA-1...................................................59
Hình 3.7. Lắp đặt cảm biến đo nhiệt độ đường nạp, thải động cơ..................60
Hình 3.8. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp..........................................................61
Hình 3.9. Lắp đặt động cơ trên băng thử.........................................................63
Hình 3.10. Lắp đặt cụm TB-MN......................................................................63
lên động cơ........................................................................................................63
Hình 3.11. Bổ trí lắp đặt HTLM......................................................................64
Hình 3.12. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu..............................65
Hình 3.13. Tỷ số tăng áp theo tốc độ động cơ.................................................66
Hình 3.14. So sánh lượng không khí nạp.......................................................67

Hình 3.15. So sánh hệ số dư lượng không khi................................................68
Hình 3.16. So sánh áp suất dầu bôi trơn.........................................................69
Hình 3.17. So sánh nhiệt độ nước làm mát....................................................70
Hình 3.18. So sánh độ khói trong khí thải.....................................................71

viii


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay ở Việt Nam có khá nhiều động cơ diesel không tăng áp đang lưu
hành có độ bền rất cao. Phần lớn những động cơ này có nguồn gốc từ các nước xã
hội chủ nghĩa cũ hoặc nhập khẩu gần đây từ Hàn Quốc ở dạng đã qua sử dụng. Do
đã qua sử dụng một thời gian khá dài nên động cơ suy giảm công suất, tăng tiêu thụ
nhiên liệu và phát thải nhiều độc hại.
Một trong những biện pháp hiệu quả là trang bị thêm tuốc bin-máy nén thành
động cơ tăng áp nhằm tăng công suất, bên cạnh đó phần nào có thể giảm tiêu thụ
nhiên liệu và phát thải độc hại, qua đó tận dụng được khả năng khai thác của động
cơ.
Trong những năm gần đây ở Việt Nam có một số công trình cải tiến động cơ
không tăng áp thành động cơ tăng áp. Tuy nhiên, những công trình này chủ yếu dựa
trên kinh nghiệm của các tác giả từ Liên Xô cũ thiết kế mặc định tăng công suất
30%, ngoài ra không cải tiến triệt để các hệ thống phụ như làm mát, bôi trơn nhằm
đáp ứng điều kiện làm việc bình thường của động cơ sau tăng áp.
Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu xây dựng qui trình kỹ thuật cải tiến động cơ
diesel đang lưu hành thành động cơ tăng áp” là cần thiết và do đó học viên đã
chọn đề tài này làm luận văn thạc sĩ của mình.
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Ngành giao thông vận tải luôn đóng vai trò to lớn tới sự phát triển của nền
kinh tế nước ta cũng như các nước khác trên thế giới, từ những yêu cầu đó, ngành

công nghiệp động cơ đốt trong đã ra đời từ rất sớm và đã có nhiều cải tiến đột phá,
nhưng tùy vào điều kiện kinh tế và khoa học kỹ thuật từng nước mà đội ngũ các kỹ
sư, nhà khoa học… luôn nghiên cứu các giải pháp cải tiến các loại động cơ để thỏa
mãn các yêu cầu về kinh tế và môi trường của con người.
Ở Việt Nam hiện nay có khá nhiều động cơ diesel không tăng áp đang lưu
hành có độ bền rất cao. Do đã sử dụng, nên động cơ suy giảm công suất, tăng tiêu
thụ nhiên liệu và phát thải nhiều độc hại.
1


Từ thực tế trên, ở Việt Nam đã có nhiều đề tài nghiên cứa, cải tiến những
động cơ này, nhưng chưa mang tính tổng thể, mà chỉ điều chỉnh hoặc cải tiến một
phần, một số hệ thống nhất đinh lên hiệu quả không cao, chính vì vầy việc nghiên
cứu xây dựng qui trình kỹ thuật cải tiến động cơ diesel đang lưu hành thành động cơ
tăng áp là nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng với thực nghiệm trên các thiết bị hiện
đại, cải tiến đồng bộ và đưa ra giải pháp khả thi, phù hợp với điều kiện thực tế ở
Việt Nam để nâng cao tính năng kỹ thuật của động cơ diesel thế hệ cũ bằng tuabin
khí thải.
Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng giải quyết nhu càu nâng cao tính
năng vận hành của các loại động cơ diesel thế hệ cũ, đặc biệt là động cơ diesel tính
năng vận hành thấp nhưng dư thừa về độ bền. Quy trình cải tiến có thể áp dụng cho
bất kỳ loại động cơ diesel không tăng áp nào thừa bền, đảm bảo được tính khoa học
và khả thi trong thực tiễn.
3. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Mục đích của đề tài
Hiểu được việc xây dựng và lý giải được qui trình kỹ thuật cải tiến động cơ
diesel không tăng áp có độ bền cao đang lưu hành thành động cơ tăng áp nhằm tăng
công suất và qua đó tận dụng khả năng khai thác động cơ.
3.2. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về động cơ tăng áp.

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết trang bị tuốc bin - máy nén cho động cơ diesel
không tăng áp.
- Tìm hiểu áp dụng cho một trường hợp cụ thể là động cơ diesel D243 do
Công ty diesel Sông Công sản xuất.
- Tìm hiểu đánh giá thử nghiệm động cơ sau tăng áp trên băng thử động cơ.
3.3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu đánh giá về các bước xây dựng
quy trình kỹ thuật cải tiến và thí nghiện, đánh giá kết quả sau cải tiến trên băng thử
đối với động cơ diesel D243 không tăng áp thành động cơ diesel tăng áp bằng tuốc
bin - máy nén.
2


4. TÓM TẮT CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI
Luận văn trình bày tập trung vào tìm hiểu, đánh giá các nội dung chính sau:
Đánh giá khả năng tăng áp của đông cơ được lựa chọn để tăng áp, thông qua các
phần mềm như AVL-Boost để tính nhiệt động học động cơ và phần mềm
AVL-Excite để kiểm bền động cơ nguyên thủy.
Xác định tỷ số tăng áp bằng cách: chọn tỷ số tăng áp sau đó sử dụng phần mề
AVL-Boost để tính nhiệt động học động cơ và phần mềm AVL-Excite để
kiểm bền động cơ sao cho ứng với tỷ số tăng áp được chọn
Thiết kế cải tiến động bộ các hệ thống trên động cơ cho phù hợp với TB-MN
được lựa chọn trên quan điểm không thay đổi quá nhiều kết cấu động cơ nhưng phải
tăng được công suất và giảm thiểu khói đen và phát thải động cơ.
Để tăng thêm tính khả thi trước khí được ứng dụng thì mục đích chính của đề
tài là nghiên cứu đánh giá về các bước xây dựng quy trình kỹ thuật cải tiến và thí
nghiện, đánh giá kết quả sau cải tiến trên băng thử đối với động cơ diesel D243
không tăng áp thành động cơ diesel tăng áp bằng tuốc bin - máy nén.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu lí thuyết, trong đó chủ

yếu là sử dụng những kiến thức đã học và tham khảo tài liệu về cải tiến động cơ
diesel không tăng áp thành động cơ diesel tăng áp bằng tuốc bin - máy nén để thực
hiện luận văn.

3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP
Động cơ không tăng áp, trực tiếp hút không khí từ ngoài trời, do bị hạn chế
về lượng không khí hút vào xylanh nên khả năng nâng cao công suất động cơ không
lớn. Nếu dùng một máy nén riêng để nén trước không khí rồi đưa vào xylanh động
cơ sẽ làm tăng mật độ không khí, qua đó làm tăng khối lượng không khí nạp vào
xylanh mỗi chu trình, vì vậy làm tăng công suất động cơ. Phương pháp này được
gọi là tăng áp.
Tăng áp đối với không khí đưa vào xylanh có thể làm tăng công suất động cơ
rất nhiều và làm giảm tiêu hao nhiên liệu. Khi động cơ được tăng áp sẽ cho phép đốt
được nhiều nhiên liệu hơn do vậy công suất động cơ sẽ được cải thiện đáng kể.
Ngoài ra, áp suất khí nạp cao sẽ làm cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp trong
động cơ và sẽ góp phần cải thiện quá trình cháy. Điều này dẫn đến hiệu suất động
cơ sẽ tăng lên, đồng thời sẽ làm giảm lượng các chất phát thải độc hại trên một đơn
vị công suất.
Đặc biệt trong những năm gần đây, nhờ sự vượt bậc trong lĩnh vực nghiên
cứu chế tạo tuabin (TB) và máy nén (MN) nên phạm vi sử dụng cho máy nén ngày
càng rộng, áp suất tăng áp ngày một nâng cao. Nếu áp suất có ích trung bình p e của
động cơ diesel không tăng áp thường không quá 0,7 ÷ 0,9 MPa thì đối với động cơ
tăng áp thấp đạt được 1,0 ÷ 1,2 MPa, còn tăng áp cao có thể đạt tới 1,5 ÷ 1,9MPa.
Nhìn chung, tăng áp là biện pháp hiệu quả để nâng cao công suất của động
cơ diesel, tăng áp cho phép cải thiện một số chi tiết như sau.

- Giảm thể tích toàn bộ động cơ trên một đơn vị công suất.
- Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ trên một đơn vị công suất.
- Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất.
- Cải thiện hiệu suất của động cơ, đặc biệt là khi tăng áp băng TB khí.
- Có thể làm giảm lượng khí thải độc hại.

4


1.2. NHỮNG ĐIỀU KIỆN CẦN ĐỂ CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ THÀNH ĐỘNG
CƠ TĂNG ÁP
Tăng áp suất khí nạp (p k) cùng với lượng nhiên liệu cung cấp (G nl) khi thực
hiện tăng áp cho động cơ sẽ làm tăng áp suất có ích trung bình p e. Mặt khác khi
nâng cao mức độ tăng áp, pe càng tăng nhanh sẽ dấn đến tải trọng cơ và phụ tải
nhiệt tăng cao, do đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định làm việc và độ bên tuổi
thọ của động cơ [1]. Ngoài ra, để tăng G nl tương ứng và phù hợp với mức độ tăng
áp, hệ thống nhiên liệu (HTNL) cần có quy luật cấp nhiên liệu khắt khe hơn, hành
trình có ích của piston bơm cao áp (BCA) và áp suất phun tăng. Do đó để có thể
thực hiện được tăng áp, tăng tính khả thi và tính thực tiễn của phương án thì động
cơ nguyên bản được lựa chọn để tăng áp cần phải thỏa mãn độ bền dư lớn, đáp ứng
đủ bền khi tải trọng tăng, cũng như hệ thống nhiên liệu, cụ thể là BCA của động cơ
cần có hệ số dự trữ lượng nhiên liệu đủ lớn để đáp ứng khi thực hiên tăng G nl. Hệ
thống nạp và thải cần phải cải tiến để nâng cao hiệu quả tận dụng nguồn năng lượng
khí thải và giảm tổn thất lưu động của dòng khí nạp sau MN, cũng như thuận lợi
cho việc nắp đặt cụm TB-MN. Hơn nữa, để đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định
trong điều kiện tải trọng cơ và phụ tải nhiệt tăng sau khi tăng áp, các hệ thống như
hệ thống làm mát (HTLM), hệ thống bôi trơn (HTBT) cần phải được cải tiến.
Như vậy, khi thực hiện cải tiến tăng áp bằng TB-MN cho động cơ diesel
đang lưu hành, nhất thiết cần phải xác định khả năng thừa bền của động cơ để từ đó
là cơ sở để xác định tỷ số tăng áp. Trên cơ sở đó tiếp tục thực hiện các cải tiến và

hiệu chỉnh cho HTNL và hệ thống nạp thải, HTLM, HTBT. Yêu cầu đưa ra khi tiến
hành cải tiến là không được thay đổi quá nhiều về mặt kết cấu của động cơ cũng
như giá thành chi phí phải thấp. Trong thực tế, việc cải tiến tăng áp, lựa chọn tỷ số
tăng áp, cải tiến các hệ thống cho động cơ khá phức tạp và tốn kém. Để rút ngắn
thời gian và chi phí thực nghiệm, nghiên cứu này sử dụng các phần mềm mô phỏng
nhiệt động học AVL – Boost để tính toán nhiệt, phần mềm AVL – Excite Designer
tính toán các ứng suất tác dụng lên động cơ trước và sau khi tăng áp, tính toán cải
tiến các hệ thống bằng Matlab, kiểm nghiệm bền một số chi tiết bằng Ansys.
5


1.3. NHỮNG VẤN ĐỀ PHẢI GIẢI QUYẾT KHI CẢI TIẾN TĂNG ÁP CHO
ĐỘNG CƠ
Từ những yêu cầu cần thiết để cải tiến động cơ diesel thường thành động cơ tăng
áp, ta cần đảm bảo các yêu cầu ban đầu và cải tiến các cơ cấu, hệ thống cơ
bản của động cơ như sau:
- Yêu cầu đối với cải tiến.
Động cơ cải tiến là những động cơ diesel thường đã và đang sử dụng tại Việt
Nam, phải có tính thừa bền cao, không phải thay đổi quá nhiều về kết cấu hệ thống
của động cơ, việc cải tiến thay thế phải thuận lợi, phù hợp với điều kiện công nghệ
kỹ thuật của Việt Nam như hiện nay cũng như chi phí thấp và động cơ sau khi cải
tiến thỏa mãn ở mọi chế độ làm việc.
-

Tính toán lựa chọn và cải tiến các hệ thống.

Từ những tính toán trong mô phỏng trên các phần mềm ta đi chọn cụm TBMN phù hợp mà trên thị trường sẵn có rồi tiếp đến ta đi tính toán cải tiến các cơ
cấu, hệ thống cần thiết cho phù hợp và thỏa mãn với yêu cầu tăng áp của động cơ
như:
- Cơ cấu phân phối khí.

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu.
- Hệ thống nạp, thải.
- Hệ thống làm mát.
- Hệ thống bôi trơn.
Các hệ thống đã được cải tiến trên cơ sở là không thay đổi quá nhiều về kết
cấu động cơ và chủ yếu là điều chỉnh để đỡ phức tạp và không tốn kém. Các phần
mềm tính toán và mô phỏng sẽ được sử dụng để xây dựng các cơ sở dữ liệu và kiểm
tra đánh giá tính khả thi và độ bền các chi tiết.
1.4. GIỚI THIỆU VÀ PHÂN TÍCH NHỮNG NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
VÀ QUỐC TẾ VỀ LĨNH VỰC NÀY
Động cơ diesel được sử dụng rộng rãi được các ngành công nghiệp, đặc biệt
trong ngành giao thông vận tải đường thủy và vận tải đường bộ bởi tính năng kinh
6


tế và kỹ thuật cao. Tại Việt Nam, động cơ diesel cũng chiếm một số lượng lớn.
Theo thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, tính đến năm 2006 động cơ diesel
chiếm 21,75% thị trường ô tô mới tại Việt Nam (khoảng gần 40.000 chiếc), tăng
đáng kể so với năm 2001, khi tỷ lệ này là dưới 10%. Tuy nhiên phần lớn những
dòng động cơ diesel này thuộc thế hệ cũ, tồn tại nhiều nhược điểm như tính năng
vận hành kém, suất tiêu hao nhiên liệu lớn, các thành phần phát thải độc hại cao. Để
khắc phục các nhược điểm này cần cải tiến, ứng dụng công nghệ hiện đại để cải
thiện quá trình làm việc của ĐCĐT.
Các vấn đề như tăng công suất và hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và
thành phần phát thải độc hại của ĐCĐT luôn là những thách thức lớn đối với ngành
công nghiệp động cơ ô tô thế giới. Cùng với sự phát triển và thành công của các
ngành khoa học khác, ngành công nghiệp ô tô trong thời gian qua đã đạt được
những thành công đáng kể trong việc phát triển, ứng dụng các công nghệ mới và
thân thiện với môi trường. Các công nghệ này đã thực sự góp phần cho việc tăng
hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm đáng kể các thành phần độc hại của ĐCĐT.

Các thành công và đóng góp của các công nghệ trên phải kể đến phương pháp tăng
áp bằng TB-MN cho ĐCĐT. Tình hình nghiên cứu cải tiến tăng áp cho động cơ
diesel ở Việt Nam và trên thế giới có một số điểm nổi bật như sau:
1.4.1. Trên thế giới
Cho đến nay phương pháp tăng áp bằng TB-MN cho ĐCĐT vẫn được coi
như là giải pháp hiệu quả nhất trong việc tăng công suất riêng, giá thành cho một
đơn vị công suất giảm, hiệu suất cao, giảm tiếng ồn và mức phát thải độc hại của
ĐCĐT mà các nhà sản xuất động cơ hàng đầu thế giới vẫn đang rất quan tâm và áp
dụng. Chính vì vậy mà hiện nay hầu hết các động cơ diesel mới sử dụng cho
phương tiện vận tải đường bộ đều được thực hiện tăng áp bằng TB-MN. Ví dụ như:
các hãng sản xuất động cơ diesel của Belarus đã thực hiện cải tiến tăng áp bằng TBMN cho hầu hết các họ động cơ ЯMЗ và D do hãng sản xuất, cụ thể là động cơ
D243 cải tiến thành động cơ D245 với công suất tăng từ 59,6 kW lên 77 kW, động
cơ ЯMЗ 240 cải tiến tăng áp thành động cơ ЯMЗ 240H với công suất tăng từ 268
7


kW lên 372,5 kW trong khi thề tích công tác của động cơ không đổi, các đặc tính
kinh tế, kỹ thuật và phát thải được cải thiện đáng kể; các hãng sản xuất động cơ của
Hàn Quốc như Hyundai và Daewoo cũng thực hiện cải tiến tăng áp bằng TB-MN
cho các họ động cơ mà hãng sản xuất, cụ thể như động cơ D1146TI và động cơ
DE08TIS với dung tích 8,071 lít mà công suất đạt tới 163 kW hiện đang được sử
dụng phổ biến trên các phương tiện vận tải đường bộ; hãng sản suất Yuchai của
Trung Quốc cũng thực hiện tăng áp cho hầu hết các họ động cơ từ cỡ nhỏ đến cỡ
lớn; theo kết quả nghiên cứu khảo sát của John B. Heywood và Orianz. Welling,
hầu hết các động cơ diesel sản xuất tại Bắc Mỹ đều sử dụng tăng áp bằng TB-MN
[23].
Ngoài ra, trong những năm gần đây, nhờ tiến bộ trong lĩnh vực nghiên cứu
chế tạo TB và MN nên phạm vi sử dụng tăng áp bằng TB-MN cho động cơ ngày
càng phát triển. Các biện pháp cải thiện tính năng gia tốc của động cơ tăng áp bằng
TB-MN và máy công tác nối với nó được cải thiện bằng giải pháp sử dụng dạng kết

cấu van xả hoặc thay đôi hình dạng hình học của TB. Trong đó, phương pháp điều
chỉnh bằng van xả được sử dụng khá phổ biến. Ở đây, khi áp suất tăng áp đạt được
giá trị nhất định, van xà mở ra, lúc này một phần khí thải không đi qua TB mà trực
tiếp đi vào đường thải. Tuy nhiên phương pháp điều chỉnh bằng van xả khí còn tồn
tại nhiều nhược điểm nên phương pháp thay đổi hình dạng hình học của TB hoặc
điều chỉnh tiết diện vào của họng TB được nghiên cứu và áp dụng. Phương pháp
này có thể là thay đổi cánh dẫn hoặc điều chỉnh tiết diện vào TB. Với các kết quả
đạt được trong công nghệ chế tạo cụm TB-MN như hiện nay, do đó đặc tính và
phạm vi làm việc của cụm TB-MN đã được cải thiện đáng kể, vì vậy phương pháp
tăng áp cao bằng TB-MN cho ĐCĐT có những bước phát triển nhanh trong thời
gian qua.
Xu hướng giảm kích thước, tăng công suất riêng và hiệu suất cho cả động cơ
diesel và xăng bằng tăng áp cao đã được nhiều trung tâm nghiên cứu và các hãng
sản xuất động cơ trên thế giới quan tâm phát triển. Phương pháp này cho phép giảm
đáng kể thể tích công tác nhưng vẫn đảm bảo các đặc tính kinh tế kỹ thuật và cải
8


thiện đặc tính phát thải của động cơ. Ví dụ như: từ những năm 1998 hãng Audi đã
nghiên cứu tăng áp cao và cho ra đời động cơ Audi S4 loại V6, sử dụng 2 cụm TBMN, dung tích công tác 2,7 lít đạt công suất cực đại đạt 195 kW tại 5800 v/ph và
mô men cực đại đạt 400 Nm được giữ không đồi từ 1850 v/ph đến 3600 v/ph. Trên
cơ sở động cơ này, hãng Audi tiếp tục cho ra đời động cơ RS4 sử dụng 2 cụm TBMN có làm mát khí tăng áp, bướm tiết lưu được điều khiển bằng điện từ, có thể thay
đổi góc mở sớm đóng muộn của xupáp nạp, các thay đổi này cho phép tăng nhanh
áp suất tăng áp nhờ 2 TB có kích thước nhỏ hơn và tăng hệ số nạp cũng như tăng
năng lượng khí xả ở tốc độ vòng quay thấp nên đặc tính lưu lượng sử dụng của
động cơ nằm kề với đường giới hạn bơm của máy nén [6]. Năm 1999 hãng BMW
nghiên cứu phát triền động cơ diesel tăng áp với thể tích công tác 3,9 lít sử dụng
buồng cháy thống nhất tận dụng xoáy lốc, hệ thống nhiên liệu common rail và trang
bị cụm TB-MN có sử dụng công nghệ thay đổi hình dạng hình học của TB nhờ điều
khiển bằng điện đã đạt công suất tới 180 kW tại tốc độ 4000 v/ph [6]. Hơn nữa,

trong thời gian qua, với sự phát triển của công nghệ vật liệu và điều khiển điện tử
nên các công nghệ này đã được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp ô tô. Do
đó phương pháp tăng áp cao càng được các hãng sản xuất động cơ trên thế giới tiếp
tục đầu tư nghiên cứu và đưa vào ứng dụng cho các sản phẩm của mình qua công
nghệ down sizing (giảm kích thước động cơ). Ví dụ như: hãng ô tô Ford đã nghiên
cứu cải tiến tăng áp cao cho dòng động cơ xăng và đưa ra thị trường động cơ
Ecoboost 3 xylanh với dung tích 0,999 lít đạt công suất tới 92 kW tại 6000 v/ph;
Donghee Hang và công sự thuộc hãng Hyundai Motor đã nghiên cứu cải tiến để đưa
ra động cơ xăng phun trực tiếp có thực hiện tăng áp bằng TB-MN kết hợp với hệ
thống thay đổi góc pha phối khí VVT đã giảm thể tích công tác từ 3,3 lít xuống còn
2,0 lít và công suất riêng đạt tới 85 kW/L tại tốc độ 2000 v/ph [19]; Williamp.
Attard và cộng sự thuộc trường đại học Melbourne đã nghiên cứu phát triển tăng áp
cao cho động cơ 2 xylanh, thể tích công tác 0,43 lít và đạt công suất tối đa tới 60
kW để thay thế động cơ 4 xylanh không tăng áp thể tích công tác 1,2 lít, kết quả cho
thấy suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải CO2 được cải thiện khá nhiều [30]; Grant
9


Lumsden và công sự đã nghiên cứu phát triển động cơ xăng 3 xylanh phun trực tiếp
có thể tích công tác 1,2 lít trên cơ sở động cơ 2,4 lít bằng phương pháp tăng áp cao,
kết quả đã cho phép giảm đáng kể phát thải CO2 tới 50%, cải thiện hiệu suất nhiên
liệu tới 25 đến 30% và đạt công suất cực đại tới 144 kW ở tốc độ 6000 v/ph [22].
Với các thành công đạt được nhờ phương pháp táng áp bằng TB-MN như thể
hiện ở trên càng thể hiện rõ tính ưu việt và vượt trội của biện pháp tăng áp trong
việc tăng công suất riêng và hiệu suất cũng như giảm phát thải độc hại của động cơ
diesel và động cơ xăng. Chính vì vậy mà ngày nay các động cơ diesel thế hệ mới,
phần lớn đều được trang bị hệ thống tăng áp để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật
của động cơ. Trong đó, các thông số kết cấu cơ bản của động cơ như đường kính
xylanh, hành trình piston về cơ bản gần như không thay đổi so với các dòng động
cơ cũ chưa có tăng áp. Tuy nhiên, tất cả các hệ thống của động cơ, kể cả vật liệu chế

tạo được tính toán và cải tiến để tối ưu ở các chế độ làm việc của động cơ. Do đó,
có thể coi các dòng động cơ này được thiết kế mới hoàn toàn.
Như vậy có thể thấy rằng, các nghiên cứu nhằm giảm kích thước động cơ,
tăng công suất riêng, tăng hiệu suất, cải thiện đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải
của động cơ mà các hãng sản xuất động cơ trên thế giới đang hướng tới vẫn chủ yếu
tập trung cải tiến động cơ bằng phương pháp tăng áp cao. Toàn bộ các hệ thống và
cơ cấu của động cơ được tính toán, thiết kế cải tiến để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu
kỹ thuật khi thực hiện táng áp bằng TB-MN cho động cơ [23].
1.4.2. Tại Việt Nam
Cùng với xu hướng phát triển chung của ngành công nghiệp ô tô thế giới, các
nhà nghiên cửu chế tạo ĐCĐT Việt Nam cũng đã bắt đầu đề cập đến vấn đề tăng áp
bằng TB- MN cho động cơ diesel. Tuy nhiên từ trước đến nay, vẫn chưa có đề tài
nghiên cứu nào thực sự được thực hiện một cách bài bản, do vậy khả năng ứng dụng
còn nhiều hạn chế. Mặt khác, hiện nay một số lượng lớn động cơ diesel không tăng
áp vẫn đang được khai thác và sử dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp, vận tải
đường sông, vận tải đường bộ (xe buýt, xe khách và xe vận tải hàng hóa). Các động
cơ này đa phần có xuất xứ từ các nước thuộc Liên Xô (cũ) và Hàn Quốc, nên khả
10


năng thừa bền khá cao. Tuy nhiên, các động cơ này không trang bị hệ thống tăng áp
nên công suất và hiệu suất của động cơ còn thấp, suất tiêu hao nhiên liệu và mức
phát thải khá cao. Vì vậy, nghiên cứu trang bị hệ thống tăng áp TB-MN cho động
cơ diesel có ý nghĩa lớn về mặt khoa học và có tính thực tiễn cao. Có thể kể tên một
số luận án tiến sĩ của các nhà nghiên cứu trong nước như sau:
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Đại An, Đại học Hàng Hải,
“Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống nạp-thải khi thủy hóa động cơ diesel Sông Công
họ D50”, năm 2002. Nội dung chính của luận án tập trung vào xây dựng mô hình
mô tả quá trình dao động áp suất trên đường ống để xác định được chiều dài tối ưu
của đường ống trong phạm vi làm việc thường xuyên của động cơ khi thủy hóa. Kết

quả nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ D242 đã nâng cao được 10% công suất và
giảm khoảng 8% suất tiêu hao nhiên liệu [3].
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Lê Đình Vũ, Học viện Kỹ thuật Quân sự,
“Nghiên cứu 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”, năm 2006. Nội
dung chính của luận án là tính toán thiết kế cải tiến tăng áp dựa vào kinh nghiệm
của các tác giả nước ngoài để lựa chọn tỷ số tăng áp. Kết quả tăng 30% công suất
của động cơ, tuy nhiên các hệ thống như bôi trơn, làm mát, cơ cấu phối khí không
được tính toán cải tiến lại nên động cơ nóng, phát thải khói đen cao [2].
Nhìn chung, các đề tài nghiên cứu trong nước về tăng áp bằng TB chủ yếu
tập trung giải quyết các vấn đề riêng rẽ của bài toán tăng áp cho động cơ như: tính
toán cụm TB- MN; thiết kế cải tiến hệ thống nạp, thải; kiểm tra các chi tiết của cơ
cấu piston, thanh truyền, trục khuỷu; cải tiến hệ thống nhiên liệu... Một số đề tài
mới chỉ tập trung nghiên cứu tính toán lý thuyết và thử nghiệm trong phòng thử mà
chưa áp dụng cho một đối tượng cụ thể nào, do đó khả năng triển khai và áp dụng
vào thực tiễn còn khó khăn. Một số đề tài nghiên cứu thay đổi, cải tiến các hệ thống
của động cơ đảm bảo khả năng làm việc hiệu quả, ổn định nhưng chỉ áp dụng cho
một đối tượng cụ thể.
11


Cho đến nay, chưa có đề tài nghiên cứu nào giải quyết tổng thể các vấn đề
liên quan khi thực hiện cải tiến tăng áp cho động cơ diesel đang lưu hành nói chung.
Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra của đề tài này là nghiên cứu một cách đầy đủ, bài bản các
vấn đề khi tiến hành cường hóa động cơ đang lưu hành bằng phương pháp tăng áp
TB khỉ thải. Trên cơ sờ quy trình cải tiến này, có thể áp dụng trên bất kỳ động cơ
diesel chưa tăng áp nếu thừa bền.
Đề tài tập trung giải quyết tổng thể bài toán cải tiến tăng áp cho động cơ
diesel đang lưu hành theo hướng: lựa chọn tỷ số tăng áp phù hợp thông qua tính
toán mô phỏng đưa ra giải pháp thiết kể cải tiến các hệ thống của động cơ đảm bảo

khả năng hoạt động bình thường với những thay đổi, cải tiến ít nhất.
1.5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Động cơ D243 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu. D243 là động cơ
diesel thế hệ cũ, sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống, hiện đang được
sử dụng phổ biến trên các máy nông nghiệp, vận tải đường sông, đường bộ.
Các nội dung nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu lí thuyết, trong đó chủ yếu
là sử dụng những kiến thức đã học và tham khảo tài liệu về cải tiến động cơ diesel
không tăng áp thành động cơ diesel tăng áp bằng tuốc bin - máy nén được thực hiện
tại phòng thử động cơ nhiều xylanh, phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện cơ
khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
1.6. CÁCH TIẾP CẬN KHI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP.
Từ những yêu cầu thực tế đã đặt ra cho quá trình nghiên cứu cải tiến thì ta đã
biết. Cải tiến động cơ diesel D243 thường là một trong những loại động cơ đã và
đang sử dụng rất nhiều ở nước ta hiện nay, và những động cơ này đã được chọn làm
đề tài để nghiên cứu cải tiến, để tiếp tục khai thác sử dụng vì tuổi thọ của động cơ
còn khá cao, nhưng lại tốn nhiên liệu, công suất thấp, và yêu cầu đặt ra là không can
thiệp sửa chữa quá nhiều vào kết cấu động cơ nhưng vẩn bảo đảm khi lắp đặt TBMN vẫn phải thích hợp và các hệ thống chi tiết làm việc ổn định, tiết kiệm nhiên
liệu và công suất động cơ tăng cao. Để thỏa mãn yêu cầu đặt ra thì phương án lựa
chon tối ưu nhất là sử dụng các phần mềm để tính toán, mô phỏng và kiểm bền đánh
12


giá tính ổn định và phù hợp của các hệ thống trước và sau khi cải tiến là hoàn toàn
phù hớp và hiệu quả như là phần mềm mô phỏng nhiệt động học AVL-Boost để
tính toán nhiệt, phần mềm AVL-Excite Designer tính toán các ứng suất tác dụng lên
động cơ trước và sau khi tăng áp, tính toán cải tiến các hệ thống bằng ma láp, kiểm
bền một số chi tiết bằng Ansys.
Các cơ cấu hệ thống sau khi được tính toán và mô phỏng sẽ đưa ra kết quả
theo mức độ cải tiến kết cấu của các hệ thống, chi tiết phù hợp với khả năng và yêu
cầu ban đầu.

Khi đã có phương án và thông số cụ thể ta tiến hành cải tiến, sau đó chạy
thử, đo kiểm và đánh giá thực nghiệm của động cơ.
Từ những đánh giá và phương án thực hiện đã được tính toán và xây dựng
khoa học, chi tiết và phù hợp như vậy chính là cơ sở khoa học cho ta tiếp cận và
tiến hành thực hiện đề tại như mong muốn ban đầu.
1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Qua một số phân tích nêu trên cho thấy việc tận đụng khai thác triệt để các
loại động cơ diesel đang lưu hành bằng cách trang bị thêm hệ thống tăng áp, vừa
đáp ứng được nhu cầu về tính năng sử dụng mà còn góp phần đa dạng loại hình
động cơ.
Các công nghệ mới được áp dụng trên ĐCĐT nói chung và động cơ diesel
nói riêng như cơ cấu phối khỉ thông minh, nhiên liệu thay thế, hệ thống cung cấp
nhiên liệu điều khiển điện tử, tăng áp... cho thấy rõ ưu việt về cải thiện tính năng
vận hành và tính kinh tế nhiên liệu cũng như giảm thiểu các thành phần phát thải
độc hại. Hiện nay trên thế giới, đại đa sổ các động cơ diesel đời mới được trang bị
hệ thống tăng áp, điều này cho thấy tăng áp là công nghệ mà các nhà thiết kế động
cơ thế hệ mới hướng tới.
Không chỉ áp dụng trên các động cơ thế hệ mới, biện pháp tăng áp đã cho
thấy hiệu quả rõ rệt khi trang bị trên các loại động cơ thế hệ cũ. Các nghiên cứu
trong nước liên quan tới tăng áp đều cho thấy tính năng kinh tê, kỹ thuật của động
cơ được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, các nghiên cửu mới chi thực hiện trên một số
13


loại động cơ cụ thể, dựa vào kinh nghiệm lựa chọn tỷ số tăng áp, nghiên cứu tập
trung giải quyết từng hệ thống riêng rẽ mà chưa đánh giá một cách tổng thể các hệ
thống và đưa ra giải pháp toàn diện.
Mục đích hướng tới của đề tài là đánh giá khả năng tăng áp cho các dòng
động cơ diesel đang lưu hành ờ Việt Nam trên cơ sở kết quà tính toán, lựa chọn
được tỷ số tăng áp phù hợp, từ đó đề xuất quy trình công nghệ nhằm giải quyết các

vẩn đề sau khi tăng áp.

14


CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH KỸ THUẬT CẢI TIẾN VÀ
ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ D243
2.1. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN ÁP SUẤT TĂNG ÁP ỨNG DỤNG PHẦN
MỀM AVL-BOOST VÀ AVL-EXICTE
2.1.1. Cơ sơ lý thuyết mô phỏng trong phần mềm AVL-Boost
2.1.1.1. Giới thiệu chung
Hiện nay, vấn đề mô phỏng trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật được sử dụng
rất rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau như: giảm thời gian và giá thành thiết kế
mới, có thể nghiên cứu các hệ thống mà thực nghiệm rất khó hoặc không thể thực
hiện được, có khả năng nghiên cứu các hệ thống nằm trong những điều kiện nguy
hiểm vượt quá giới hạn hoạt động bình thường, có thể đưa ra một số kết quả không
giới hạn một cách hết sức chi tiết...
Trong lĩnh vực ĐCĐT, phương pháp mô hình hoá và mô phỏng đã và đang
được ứng dụng rộng rãi hơn. Đồng thời các phần mềm ngày càng được cải tiến để
phù hợp với xu hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực ĐCĐT. Việc ứng dụng phần
mềm mô phỏng trong quá trình nghiên cứu có tác dụng rút ngắn thời gian nghiên
cứu, thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm... Ngoài ra, ứng dụng phần mềm mô hình
hoá - mô phỏng còn cho phép tối ưu hoá các quá trình công tác cũng như kết cấu
của các hệ thống trong ĐCĐT để tối ưu hoá tính kinh tế, hiệu quả và giảm ô nhiễm
môi trường.
Theo xu hướng đó, hãng AVL của Áo đã xây dựng gói phần mềm mô phỏng
cho ĐCĐT bao gồm: AVL - Boost, AVL - Excite, AVL - Fire... để tính toán và mô
phỏng các quá trình xảy ra trong ĐCĐT. Trong đó phần mềm Boost là phần mềm
một chiều cho phép mô phỏng các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong

động cơ, từ đó có thể tối ưu quá trình làm việc của động cơ.
Gói phần mềm AVL - Boost gồm một bộ tiền xử lý tương tác số hỗ trợ với
phần chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho các chương trình tính toán chính. Việc phân tích
kết quả được hỗ trợ bởi một bộ hậu vi xử lý tương tác. Công cụ tiền xử lý mới trên
15


phiên bản 5.0 (AVL Workspace Graphical User Interface) gồm một mô hình sắp
xếp và chỉ dẫn các dữ liệu đầu vào cần thiết. Mô hình tính toán của động cơ được
thiết kế bằng cách chọn cổng phần tử (element) từ cây thư mục phần tử bằng cách
kích chuột và liên kết lại bằng phần tử đường ống (pipe). Theo cách này thì ngay cà
các dộng cơ rất phức tạp cũng có thể được mô hình hoá một cách đơn giản.
Chương trình chính gồm các thuật toán mô phỏng được tối ưu hoá cho tất cả
các phần từ. Dòng khí trong ống được coi như chuyển động theo một phương. Điều
đó có nghĩa là áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng khí thu được từ những phương trình
khí động học là giá trị trung bình tại mỗi tiết diện đường ống. Tổn thất dòng khí do
hiệu ứng ba chiều, tại những vị trí cụ thể của động cơ được thể hiện bằng hệ số cản.
Trong trường hợp hiệu ứng ba chiều cần lượng xem xét chi tiết hơn thì AVL - Boost
sẽ được liên kết với phần mềm AVL - Fire. AVL - Fire giúp ta có thể mô phỏng đa
chiều dòng khí tại những chi tiết quan trọng, có thể kết hợp với mô phỏng một chiều
các chi tiết khác. Phần mềm còn có thể mô phỏng động học của môi chất trong
xylanh, quá trình quét khí của động cơ 2 kỳ cũng như mô phỏng chuyển động phức
tạp của dòng khí trong các phần tử giảm thanh.
Công cụ hậu xử lý (Impress Chart) cho phép phân tích và đưa ra kết quả mô
phỏng theo nhiều dạng khác nhau. Tất cả các kết quả đều có thể được so sánh với
các kết quả đo cũng như kết quả tính toán trước đó. Hơn nữa, phần mềm có thể
trình diễn kết quả dạng động, điều đó cho phép phát triển những giải pháp tối ưu
những vấn đề của người sử dụng.
Trong tính toán cải tiến tăng áp cho động cơ, sử dụng phần mềm AVL-Boost
để đánh giá khả năng làm việc của động cơ khi được trang bị cụm TB-MN. Kết quả

mô phỏng cho phép xác định được các thông số làm việc của động cơ ứng với các
tỷ số tăng áp khác nhau làm cơ sở để tính toán kiểm nghiệm bền cho động cơ, từ đó
lựa chọn được tỷ số tăng áp phù hợp. Thực hiện mô phỏng trên AVL-Boost cho
phép rút ngắn thời gian và chi phí của quá trinh thực nghiệm. Cơ sở lý thuyết của
phần mềm AVL - Boost được trình bày tóm tắt dưới đây.

16


2.1.1.2. Phương trình nhiệt động học thứ nhất
Trong ĐCĐT quá trình cháy là quá trình không thuận nghịch biến năng
lượng hoá học thành nhiệt năng. Việc xác định trạng thái của môi chất tại từng thời
điểm của quá trình cần phải biết cụ thể các phản ứng trung gian biến đổi từ hỗn hợp
ban đầu thành sản phẩm cháy cuối cùng. Cho tới nay, các phản ứng đó chỉ mới
được xác định đối với những nhiên liệu đơn giản như hydrogen và methane... Tuy
nhiên trong tất cả các trường hợp, chúng ta đều có thể dùng định luật nhiệt động học
thứ nhất đề xác định mối tương quan giữa trạng thái đầu và cuối của quá trình cháy.
Việc áp dụng định luật này không đòi hỏi phải biết diễn biến các giai đoạn
trung gian của quá trình. Định luật nhiệt động học thứ nhất thể hiện mối quan hệ
giữa sự biến thiên của nội năng (hay enthalpy) với sự biến thiên của nhiệt và công.
Khi áp dụng định luật này đối với hệ thống mà thành phần hoá học của nó thay đổi
chúng ta cần phải xác định trạng thái chuẩn zero của nội năng hay enthalpy của tất
cả các chất trong hệ thống.
Mô hình cân bằng năng lượng bên trong xylanh được thể hiện trên Hình 2.1.
Trong trường hợp cụ thể thì việc tính toán quá trình cháy trong ĐCĐT được dựa
trên phương trình nhiệt động học thứ nhất [13].
d (mc u )
dQ
dV dQ f
dm

+
− ∑ w − hBB . BB
= - pc .
dα
dα dα
dα
dα

Trong đó:
d ( mc u
: biến đổi nội năng bên trong xylanh
dα
dV
pc dα : công chu trình thực hiện
dQF
dα : nhiệt lượng cấp vào
∑

dQw
: tổn thất nhiệt qua vách
dα

hBB

dmBB
dα : tổn thất enthalpy do lọt khí

17

(2.1)