Nghiên cứu khả năng tăng áp động cơ diesel đang lưu hành

-1-

Header Page 1 of 148.
MỞ ĐẦU
Để đáp ứng nhu cầu về tính năng vận hành của các phương tiện
lắp động cơ, nhiều giải pháp hiệu quả đã được áp dụng. Trong đó, tăng
áp cho động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một giải pháp công nghệ cho thấy
hiệu quả rõ rệt. Phần lớn các loại ĐCĐT thế hệ mới nói chung, trong đó
có động cơ diesel nói riêng đều được trang bị hệ thống tăng áp, điển hình
là tăng áp tuabin khí thải.
Đối với Việt Nam, ĐCĐT thế hệ cũ hiện đang được sử dụng rất
nhiều, đặc biệt là các động cơ diesel không tăng áp. Những động cơ này
có đặc điểm là độ bền khá lớn. Mặc dù sau một thời gian làm việc có suy
giảm về tính năng nhưng có thể cải tiến thành động cơ tăng áp để tận
dụng khả năng khai thác và phần nào cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật
của động cơ.
Đề tài “Nghiên cứu khả năng tăng áp động cơ diesel đang lưu
hành” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên đây của thực tiễn.
i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
*) Mục đích nghiên cứu
Đưa ra các quy trình công nghệ cải tiến cường hóa động cơ diesel
không tăng áp đang lưu hành bằng tăng áp tuabin khí thải.
*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Động cơ D243 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu, như một
ví dụ áp dụng quy trình trên. Đây là động cơ diesel thế hệ cũ, hiện đang
được sử dụng phổ biến trên các máy nông nghiệp, vận tải đường sông và
đường bộ.
Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thí
nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội và tại Công ty Diesel Sông Công (Thái Nguyên).
ii. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
Nghiên cứu lý thuyết được thực hiện trên các công cụ mô phỏng chuyên
sâu trong lĩnh vực ĐCĐT. Qua đó phân tích, đánh giá và lựa chọn giải
pháp kỹ thuật khả thi cải tiến tăng áp tuabin khí thải cho động cơ diesel
đang lưu hành.
Thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm để đánh giá
kết quả tăng áp cũng như các ảnh hưởng của tăng áp đến các thông số
làm việc của động cơ.

Footer Page 1 of 148.


-2-

Header Page 2 of 148.
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Lần đầu tiên ở Việt Nam đưa ra được một quy trình công nghệ
hợp lý, toàn diện và khả thi để cải tiến động cơ không tăng áp có hệ dự
trữ bền cao đang lưu hành thành động cơ tăng áp dùng tuabin khí thải
nhằm tăng công suất có ích.
Quy trình vừa có tính tổng quát, tức là có thể áp dụng cho bất kỳ
động cơ diesel không tăng áp có hệ số dự trữ bền đủ lớn, đồng thời vừa
có tính đơn lẻ do tính đến tình trạng kỹ thuật cụ thể của từng động cơ.
Việc áp dụng thành công quy trình cho động cơ D243 chứng tỏ
tính đúng đắn của giải pháp tổng thể cũng như của các giải pháp kỹ thuật
đã thực hiện trong quy trình.
Do đó, luận án không những có giá trị về mặt lý luận mà còn là
một đóng góp thực tiễn trong việc tận dụng khả năng khai thác của động
cơ đang lưu hành có hệ dự trữ bền cao.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Xu hướng phát triển động cơ đốt trong
Trải qua hơn một thế kỷ, ngành ĐCĐT đã liên tục phát triển và đạt
được nhiều thành tựu rực rỡ. Các nhà sản xuất đã ứng dụng nhiều các
công nghệ tiên tiến để đưa ra các mẫu động cơ phù hợp, phục vụ cho nhu
cầu vận tải và các ngành kinh tế khác cũng như trong đời sống.
Các xu hướng nghiên cứu phát triển chủ yếu hướng tới mục tiêu
chế tạo động cơ tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường để làm
nguồn động lực cho các máy công tác mà điển hình là các động cơ lắp
trên các phương tiện vận tải.
Ở Việt Nam, do hiện nay các động cơ diesel thế hệ cũ vẫn còn sử
dụng khá nhiều nên một trong những xu hướng được quan tâm là cải tiến
các các động cơ thế hệ cũ nhằm nâng cao hiệu suất và tận dụng hết năng
lực làm việc của động cơ trước khi bị thay thế bởi các dòng động cơ hiện
đại hơn.
1.2. Thành quả đạt được trong công nghệ phát triển động cơ
đốt trong
Để đáp ứng các chỉ tiêu về công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và
mức độ phát thải, các nhà chế tạo động cơ đã không ngừng cải tiến, tối
ưu hóa sản phẩm của mình. Một số thành tựu điển hình như cải tiến kết
cấu động cơ, ứng dụng điều khiển điện tử, sử dụng nhiên liệu thay thế...
1.2.1. Cải tiến kết cấu động cơ

Footer Page 2 of 148.


-3-

Header Page 3 of 148.
1.2.1.1. Cơ cấu phân phối khí thông minh
Hiện nay, trên động cơ ôtô hiện đại sử dụng các công nghệ như

VVT-i (Variable Valve Timing Intelligence) của Toyota hay VTEC của
Honda… Đây là cơ cấu phối khí thông minh của hãng Toyota theo
nguyên lý điện - thủy lực. Cơ cấu này tối ưu hóa góc phối khí của trục
cam nạp tùy theo chế độ làm việc của động cơ.
1.2.1.2. Hệ thống luân hồi khí thải EGR
EGR (Exhaust Gas Recirculation) là một biện pháp hữu hiệu để
giảm sự hình thành NOx trong buồng cháy. Khí thải gồm chủ yếu là CO2,
N2 và hơi nước, sau khi ra khỏi động cơ sẽ được lấy một phần đưa trở lại
xylanh để làm giảm nồng độ ôxy và do đó giảm nhiệt độ cháy.
1.2.1.3. Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI
Mô hình cháy HCCI (Homogeneous Charge Compression
Ignition) ra đời trên cơ sở kết hợp các ưu điểm của động cơ cháy do nén
mà đại diện là động cơ diesel và động cơ hình thành hỗn hợp ngoài và
cháy cưỡng bức mà đại diện là động cơ xăng.
Ưu việt của mô hình HCCI là hiệu suất tương tự với động cơ phun
xăng trực tiếp, kiểu cháy tương tự động cơ diesel nhưng thành phần phát
thải NOX giảm đáng kể và độ khói gần như bằng không.
1.2.2. Ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử trong động cơ
đốt trong
Những động cơ xăng truyền thống chủ yếu sử dụng hệ thống nhiên
liệu dùng bộ chế hòa khí đã dần được thay bằng hệ thống phun xăng điện
tử, qua đó đã nâng cao đáng kể tính kinh tế, tính hiệu quả và chất lượng
khí thải của động cơ.
Đối với động cơ diesel, những nhược điểm của HTNL cơ khí đã
được khắc phục bằng hệ thống nhiên liệu tích áp CR (Common Rail).
1.2.3. Sử dụng nhiên liệu thay thế
Hiện nay, sự gia tăng nhanh chóng số lượng các phương tiện vận
tải và các thiết bị động lực sử dụng ĐCĐT chạy bằng nhiên liệu xăng và
diesel đang gây ô nhiêm môi trường và tăng nguy cơ cạn kiệt nguồn
nhiên liệu hóa thạch. Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu

thay thế để giảm ô nhiễm môi trường và bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt
là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các
loại nhiên liệu có trữ lượng lớn và có thể sử dụng cho các động cơ đang
lưu hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu. Đáp ứng các yêu cầu

Footer Page 3 of 148.


-4-

Header Page 4 of 148.
này, có thể sử dụng các loại nhiên liệu như nhiên liệu sinh học như
ethanol, biodiesel hay hydro, LPG và khí thiên nhiên…
1.3. Tăng áp cho động cơ đốt trong
Tăng áp là dùng biện pháp nén không khí nạp vào xylanh, qua đó
tăng được khối lượng không khí nạp vào xylanh trong mỗi chu trình
công tác, cùng với tăng lượng nhiên liệu cấp sẽ làm tăng công suất của
động cơ và có thể giảm được suất tiêu hao nhiên liệu.
1.3.1. Xu hướng phát triển và các biện pháp tăng áp cho
động cơ
Nhờ những ưu điểm vượt trội về nhiều mặt nên hiện nay các dòng
động cơ hiện đại hầu hết đều được trang bị hệ thống tăng áp. Trên thực
tế các phương pháp tăng áp cho
động cơ cũng rất đa dạng được
5
1
ứng dụng linh hoạt cho từng mục
đích sử dụng khác nhau. Dựa vào
nguồn năng lượng để nén không

2
4
khí, tăng áp được chia thành các
nhóm như tăng áp cơ khí, tăng
3
áp tuabin (TB) khí thải, tăng áp
dao động cộng hưởng…
1-Máy nén, 2-Thiết bị làm mát trung gian,
3-Động cơ, 4-Bình xả, 5-Tuabin
Tăng áp bằng năng lượng
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng
khí thải là phương pháp dùng TB
tuabin khí thải
làm việc nhờ năng lượng khí thải
của ĐCĐT để dẫn động máy nén (MN). Khí thải của động cơ có áp suất
và nhiệt độ khá cao nên năng lượng của nó tương đối lớn, chiếm tới 3040% tổng năng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Để tận dụng
năng lượng khí thải, người ta cho giãn nở và sinh công trong TB, sơ đồ
nguyên lý tăng áp bằng TB khí thải được thể hiện trên Hình 1.2.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu tăng áp cho động cơ diesel đang
lưu hành tại Việt Nam
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về cường hóa động cơ
diesel bằng tăng áp có một số điểm nổi bật như sau:
a. Trên thế giới:
Các động cơ diesel thế hệ cũ do các nước XHCN như Liên Xô,
CHDC Đức, Tiệp Khắc… chế tạo có khả năng chịu tải trọng cơ, nhiệt
cao, dự trữ sức bền lớn cũng như khả năng đáp ứng của HTNL dư thừa
so với công suất thiết kế. Do đó, những động cơ này có khả năng cường

Footer Page 4 of 148.

-5-

Header Page 5 of 148.
hóa bằng tăng áp để tăng công suất lên khá cao mà vẫn đảm bảo làm việc
ổn định, lâu dài.
Phần lớn các động cơ diesel thế hệ mới như động cơ ЯMZ,
Huyndai… đã được trang bị hệ thống tăng áp để cải thiện tính năng kinh
tế, kỹ thuật. Các hệ thống của động cơ đã được tính toán và cải tiến để
tối ưu ở các chế độ làm việc của động cơ.
b. Trong nước:
Nghiên cứu cải tiến nâng cao công suất của động cơ diesel đang
lưu hành bằng TB khí thải là giải pháp hiệu quả đã được quan tâm ở Việt
Nam.
Luận án tiến sỹ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Đại An, Đại học Hàng
Hải. Tác giả đã 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 D50 đã nâng cao được 10% công suất và giảm
khoảng 8% suất tiêu hao nhiên liệu.
Luận án tiến sỹ kỹ thuật của tác giả Lê Đình Vũ, Học viện Kỹ
thuật Quân sự, đã 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 nhằm tăng công suất
khoảng 30%. Tuy nhiên các hệ thống như bôi trơn, làm mát, cơ cấu phối
khí vẫn chưa được tính toán cải tiến nên động cơ nóng, phát thải khói
đen cao.
Các đề tài nghiên cứu trong nước về tăng áp bằng TB khí thải 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 đường nạp, thải,
kiểm tra bền piston, thanh truyền, trục khuỷu, cải tiến hệ thống nhiên

liệu…
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 một loại động cơ
đang lưu hành. 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 khí thải. Trên cơ sở quy trình cải
tiến này, có thể áp dụng trên bất kỳ động cơ diesel chưa tăng áp nhưng
có hệ số dự trữ bền cao.
1.4. Kết luận Chương 1
Nội dung Chương 1 có thể được tóm lược như sau:
Tăng công suất riêng, giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải
độc hại là mục tiêu chính mà các hãng sản xuất động cơ trên thế giới

Footer Page 5 of 148.


-6-

Header Page 6 of 148.
hướng tới, vì vậy đã có nhiều công nghệ mới được ứng dụng. Trong đó
tăng áp bằng tuabin máy nén được coi là một trong những giải pháp hiệu
quả mà nhiều hãng sản xuất động cơ trên thế giới vẫn đang rất quan tâm.
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 tế, kỹ thuật của động cơ được cải thiện đáng kể.
Thông qua một số phân tích nêu trên cho thấy, việc tận dụng khai
thác triệt để các loại động cơ diesel đang lưu hành bằng cách trang bị
thêm hệ thống tăng áp không những đáp ứng được nhu cầu về tính năng
sử dụng mà còn góp phần đa dạng hóa loại hình động cơ, giảm thiểu tiêu

hao nhiên liệu.
Mục đích hướng tới của đề tài là đánh giá khả năng tăng áp cho
các dòng động cơ diesel không tăng áp đang lưu hành ở Việt Nam, từ đó
đề xuất quy trình công nghệ nhằm giải quyết vấn đề này.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ CẢI TIẾN TĂNG ÁP BẰNG TB-MN CHO
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. Quan điểm và điều kiện để thực hiện cải tiến tăng áp
bằng TB-MN
2.1.1. Quan điểm cải tiến
Cải tiến tăng áp cho các động cơ diesel đang lưu hành cần được
thực hiện với tiêu chí không phải thay đổi nhiều về kết cấu, tiến hành
thuận lợi, phù hợp với điều kiện Việt Nam và chi phí thấp.
2.1.2. Điều kiện để thực hiện tăng áp
Để có thể thực hiện tăng áp thì động cơ được lựa chọn để tăng áp
cần phải có độ bền dư lớn để đáp ứng đủ bền sau tăng áp; HTNL, cụ thể
là bơm cao áp cần có hệ số dự trữ lưu lượng đủ lớn.
2.1.3. Xây dựng quy trình thực hiện tăng áp bằng TB-MN cho
động cơ diesel đang lưu hành
Hình 2.1 thể hiện quy trình thực hiện cải tiến tăng áp bằng TBMN cho động cơ diesel đang lưu hành. Quy trình gồm các phần sau:
Phần 1, đánh giá khả năng tăng áp cho động cơ đã chọn: lựa chọn
động cơ để thực hiện tăng áp; tính toán mô phỏng trên phần mềm AVLBoost và AVL-Excite Designer.
Phần 2, xác định tỷ số tăng áp cho động cơ: tỷ số tăng áp ban đầu
được tính toán lựa chọn trên cơ sở kết quả tính thừa bền ở phần 1.

Footer Page 6 of 148.


-7-

Header Page 7 of 148.

Phần 3, tính toán
cải tiến các hệ thống cho
động cơ sau khi thực hiện
tăng áp theo tỷ số tăng áp
đã được chọn: tính toán
lựa chọn cụm TB-MN;
tính toán và thiết kế cải
tiến hệ thống nhiên liệu;
hệ thống đường nạp và
thải; hệ thống làm mát;
hệ thống bôi trơn.
2.2. Cơ sở lý thuyết
xác định khả năng
tăng áp
2.2.1. Cơ sở lý thuyết
mô phỏng trên phần
mềm AVL-Boost
Trong tính toán cải
tiến tăng áp cho động cơ,
tác giả đã 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 đánh giá được các
thông số làm việc của
động cơ ở các tỷ số tăng
áp khác nhau làm cơ sở
để tính toán kiểm nghiệm Hình 2.1 Quy trình cải tiến tăng áp bằng TB-MN cho động cơ

bền cho động cơ, từ đó
diesel đang lưu hành
lựa chọn được tỷ số tăng
áp phù hợp. Cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL-Boost dựa trên các
phương trình sau:
Quá trình trao đổi nhiệt và chất bên trong động cơ được xác định
theo định luật nhiệt động học thứ nhất:
d mc .u 
dQ
dm
dV dQF
  pc .

  w  hBB . BB
d
d d
d
d

Footer Page 7 of 148.

(2.1)


-8-

Header Page 8 of 148.
Mô hình động cơ-TB-MN được tính toán dựa theo phương trình
cân bằng năng lượng giữa TB và MN:
Pc  PT

(2.2)
Công tiêu thụ cho cụm TB-MN được xác định thông qua tốc độ
lưu động dòng môi chất qua MN và chênh lệch enthalpy ở cửa vào và
cửa ra của MN.
Pc  m c .( h2  h1 )
h2  h1 


p 
1
cP .T1. 2 
 p1 
 s ,c


(2.3)
k 1
k


 1



(2.4)

Công do TB cung cấp được xác định thông qua tốc độ lưu động
dòng môi chất qua TB và chênh lệch enthalpy ở cửa vào và cửa ra của
TB.

PT  m T .m,TC (h3  h4 )

p 
h3  h4   s ,T .cP .T3.1   4 
  p3 


(2.5)
k 1
k






(2.6)

2.2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Excite
Designer
Phần mềm AVL-Excite Designer là phần mềm chuyên dụng, bao
gồm các mô đun tính toán động học, động lực học, tính cân bằng, tính
điều kiện hình thành màng dầu tại các ổ đỡ, tính dao động và tính bền cơ
cấu trục khuỷu thanh truyền và CCPPK của động cơ bằng phương pháp
phần tử hữu hạn.
Cơ sở lý thuyết tính bền trục khuỷu trong AVL-Excite Designer
được thực hiện theo một số giả thiết như sau:
- Độ bền mỏi được đánh giá tại các vùng chịu ứng suất lớn nhất.
Các góc lượn chuyển tiếp giữa má khuỷu với cổ biên và cổ trục chính là
nơi chịu ứng suất lớn nhất.

- Độ bền mỏi tính tại các vị trí khoan lỗ dầu trên cổ trục chính và
cổ biên đều có giá trị thấp hơn giá trị có thể chấp nhận được trên các góc
lượn.
2.3. Cơ sở tính toán lựa chọn cụm TB-MN
Các thông số cơ bản trong tính toán cụm TB-MN bao gồm:

Footer Page 8 of 148.


-9-

Header Page 9 of 148.

k
- Lưu lượng khối lượng của khí tăng áp, m
- Tỷ số tăng áp của MN,  k
- Nhiệt độ khí thải đi qua TB, Tg
- Tốc độ vòng quay của TB và MN, nT.
Khi tính toán phối hợp TB-MN-ĐCĐT cần xác định các thông số
ảnh hưởng quyết định đến chế độ làm việc, bao gồm:
- Tốc độ vòng quay động cơ: thông số này quyết định lưu lượng
không khí nạp cần thiết nạp vào xylanh
- Chế độ tải trọng của động cơ: được xác định bởi áp suất có ích
trung bình, mômen có ích, lượng nhiên liệu đưa vào trong một chu
trình công tác hay hệ số dư lượng không khí.
Khi lựa chọn cụm TB-MN cần đảm bảo các điều kiện sau:
- Áp suất và lưu lượng khí nạp phải đảm bảo theo yêu cầu tăng áp
- Hệ số dư lượng không khí đạt giá trị cần thiết nhằm đảm bảo
năng lượng khí thải cung cấp cho TB, qua đó cung cấp đủ công
cho MN

- Cụm TB-MN cần đảm bảo cho động cơ làm việc ổn định trong
vùng làm việc phổ biến của động cơ.
2.4. Cơ sở tính toán, cải tiến các hệ thống khi thực hiện tăng
áp
2.4.1. Hệ thống cung cấp nhiên liệu
Sau khi tăng áp, lượng môi chất nạp vào xylanh trong mỗi chu
trình sẽ tăng lên. Để đạt mục đích tăng công suất động cơ cần tăng lượng
nhiên liệu cấp cho chu trình. Có nhiều biện pháp để tăng lượng nhiên
liệu cung cấp như thay đổi biên dạng cam, tăng đường kính piston bơm
cao áp, tăng hành trình có ích của bơm…
Trong nghiên cứu này, tác giả không thay đổi kết cấu của BCA mà
chỉ thực hiện xoay bơm để tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình.
Để đảm bảo BCA nguyên bản có thể cung cấp đủ lượng nhiên liệu cho
động cơ sau khi tăng áp, cần tính toán kiểm nghiệm lại khả năng dự trữ
lưu lượng của bơm.
2.4.2. Thiết kế hệ thống nạp và thải
Cần tính toán thiết kế đường nạp, thải của động cơ một cách hợp
lý đảm bảo cả điều kiện dòng khí lưu thông một cách thuận lợi và kích
thước nhỏ gọn, lắp ráp dễ dàng với cụm TB-MN.

Footer Page 9 of 148.


- 10 -

Header Page 10 of 148.
Sử dụng công cụ tính toán động lực học dòng chảy CFD Fluent để
mô phỏng quá trình vận động của dòng khí nạp, khí thải, từ đó đưa ra
được kết cấu đường nạp, đường thải đảm bảo khả năng làm việc của
động cơ sau khi TA.

2.4.3. Hệ thống làm mát
Sau khi tăng áp, tải trọng nhiệt tăng lên, cần cải tiến HTLM để
tăng khả năng tản nhiệt ra môi trường, có thể áp dụng một trong các biện
pháp:
- Tăng lưu lượng nước tuần hoàn trong hệ thống
- Thay đổi kết cấu của két nước, quạt gió để tăng cường độ trao
đổi nhiệt.
2.4.4. Hệ thống bôi trơn
Sau khi tăng áp, tải trọng cơ và nhiệt đều tăng, cần cải tiến HTBT
của động cơ nhằm đảm bảo điều kiện bôi trơn khó khăn hơn, nhằm:
- Tăng lưu lượng và áp suất dầu bôi trơn đến các ổ trục
- Cung cấp dầu bôi trơn cụm TB-MN bằng cách thiết kế thêm
đường dầu.
2.5. Kết luận Chương 2
Nội dung Chương 2 có thể được tóm lược như sau:
Đưa ra được quy trình cải tiến tăng áp bằng TB-MNcho động cơ
diesel đang lưu hành.
Đưa ra được cơ sở lý thuyết trong quá trình tính toán xác định khả
năng tăng áp của động cơ diesel đang lưu hành bằng phần mềm AVLBoost và AVL-Exciter Designer.
Xây dựng được cơ sở lý thuyết cho việc tính toán lựa chọn cụm
TB-MN, cũng như thiết kế cải tiến các hệ thống khác như hệ thống nhiên
liệu, HTLM, HTBT, đường nạp và thải của động cơ diesel đang lưu hành
khi thực hiện tăng áp.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, CẢI TIẾN TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ
D243
3.1. Quan điểm cải tiến tăng áp động cơ D243
Động cơ D243 được sử dụng trong nhiều ứng dụng ở Việt Nam
như trên máy kéo, tàu thủy và máy phát điện. Tác giả lựa chọn mua một
động cơ D243 đã qua sử dụng để làm ví dụ áp dụng quy trình cải tiến
tăng áp theo trình tự đã trình bày trong Chương 2.

Footer Page 10 of 148.


- 11 -

Header Page 11 of 148.
3.2. Xây dựng đặc tính động
cơ D243 trong phòng thí
nghiệm
Đối tượng nghiên cứu là
động cơ đã qua sử dụng, đặc tính
của động cơ không còn đảm bảo
như tài liệu kỹ thuật, vì vậy cần xây
dựng lại đường đặc tính của động
cơ. Đặc tính của động cơ và các
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm
thông số kết cấu là cơ sở để xây
dựng mô hình mô phỏng chu trình
công tác cũng như tính toán kiểm nghiệm độ bền sau khi tăng áp bằng
các phần mềm như đã nêu trong Chương 2.
Quá trình thí nghiệm xác định đặc tính được thực hiện tại PTN
Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
3.2.1. Trang thiết bị thử nghiệm
Động cơ D243 được lắp đặt lên băng thử động lực học cao của
PTN để tiến hành đo các đặc tính của động cơ như thể hiện trên Hình
3.1. Hệ thống thử nghiệm bao gồm các thiết bị chính như phanh điện,
thiết bị làm mát dầu bôi
Bảng 3.1. Kết quả thử nghiệm đường đặc tính
trơn, tuần hoàn nước…

ngoài động cơ D243

3.2.2. Kết quả thử nghiệm
n
TT
Ne (kW)
ge (g/kW.h)
động cơ D243 trên băng
(v/ph)
thử
1
1000
25,88
289,69
Kết quả thử nghiệm
2
1400
41,15
277,32
về công suất và suất tiêu
3
1600
45,89
268,38
hao nhiên liệu được thể
4
1800
49,90
265,31
hiện trong Bảng 3.1.

5
2000
51,05
264,48
Ngoài các kết quả
6
2200
53,68
280,57
thử nghiệm đo đạc đường
đặc tính, các thông số kết
cấu khác của động cơ như đường nạp, đường thải, thanh truyền, trục
khuỷu, lọc gió… cũng được xác định để tiến hành xây dựng mô hình mô
phỏng trên phần mềm AVL-Boost và AVL-Excite Designer.
3.3. Tính toán khả năng tăng áp động cơ D243

Footer Page 11 of 148.


- 12 -

Header Page 12 of 148.
3.3.1. Tính toán chu trình nhiệt
động của động cơ D243 khi tăng
áp bằng phần mềm AVL-Boost
a) Xây dựng mô hình
Mô hình của động cơ D243
nguyên bản xây dựng trên phần
mềm AVL–Boost được thể hiện
trong Hình 3.2.

Hình 3.2. Mô hình động cơ D243 nguyên bản

c) Xây dựng mô hình động cơ
D243 tăng áp
Mô hình động cơ D243 tăng
áp được xây dựng từ mô hình
nguyên bản bằng cách bố trí thêm
một cụm TB-MN nằm trên đường
thải nhằm tận dụng năng lượng khí
thải để tăng áp cho động cơ. Mô
hình động cơ sau khi tăng áp được
thể hiện trên Hình 3.4.
d) Kết quả mô phỏng
Với mô hình động cơ D243
tăng áp đã xây dựng, tiến hành
tăng dần tỷ số tăng áp của cụm
TB-MN. Tại mỗi tỷ số tăng áp, thu
được diễn biến áp suất trong
xylanh theo góc quay trục khuỷu
như thể hiện trên Hình 3.5. Đây là

Footer Page 12 of 148.

60

500
450

50
400

45

Ne_TN
Ne_MP
ge_TN
ge_MP

40
35

350
300

ge (g/kWh)

Công suất (kW)

55

30
250

25
20
1000

1200

1400 1600 1800

Tốc độ (v/ph)

2000

200
2200

Hình 3.3. Đặc tính công suất và tiêu hao nhiên
liệu giữa MP và TN

Hình 3.4. Mô hình động cơ D243 TA

80
πk=1,5
70

Áp suất xylanh (bar)

b) Đánh giá độ tin cậy của mô
hình
Kết quả so sánh các thông
số làm việc ở đường đặc tính ngoài
thể hiện trong Hình 3.3.
Sai lệch lớn nhất về công
suất là 5,2% tại n = 1000v/ph, tiêu
hao nhiên liệu là 7,1% tại n =
1400v/ph. Các kết quả này đã thể
hiện độ tin cậy của mô hình.

πk=1,4

60

πk=1,3

50

πk=1,0

40
30
20
10
0
270

300

330

360

390

420

450

Góc quay trục khuỷu (o TK)

Hình 3.5. Diễn biến áp suất xylanh theo oTK


- 13 -

Header Page 13 of 148.
thông số đầu vào quan trọng cho bài toán kiểm nghiệm bền trên AVL Excite Designer. Giá trị πk = 1,0 tương ứng với trường hợp động cơ
nguyên bản không tăng áp. Tỷ số tăng áp được tăng dần từ mức thấp
nhất 1,3 với bước 0,1 theo trình tự kiểm nghiệm nêu ở mục 3.3.2. Khi
tăng πk thì hệ số an toàn của trục khuỷu giảm dần. Khi πk = 1,5 thì hệ số
an toàn trục khuỷu đạt giới hạn cho phép, vì vậy tác giả chọn πk = 1,5.
3.3.2. Tính toán sức bền của trục khuỷu động cơ D243 khi tăng áp
bằng phần mềm AVL-Excite Designer
a) Xây dựng mô hình
Dựa trên các thông số kết cấu
của các chi tiết trong cơ cấu như thanh
truyền, trục khuỷu… để xây dựng mô
hình mô tả lại kết cấu động cơ D243
như thể hiện trên Hình 3.6.
b) Kết quả mô phỏng
Hình 3.6. Mô hình động cơ D243 trên
AVL-Excite Designer
Hình 3.7 và 3.8 thể hiện kết quả
tính toán lực tác dụng lên chốt và cổ
khuỷu. Kết quả tính bền má khuỷu, lực tác dụng lên chốt và cổ khuỷu,
ứng suất tại góc lượn được trình bày cụ thể trong luận án.

Hình 3.7. Phân bố lực tác dụng trên chốt khuỷu
tại tốc độ 2200 v/ph

Hình 3.8. Phân bố lực tác dụng trên cổ khuỷu
tại tốc độ 2200 v/ph

3.4. Tính toán lựa chọn TB-MN cho động cơ D243 khi TA
Tiến hành lựa chọn cụm TB-MN trên cơ sở tỷ số tăng áp  k  1,5
đã lựa chọn, sau khi tính toán mô phỏng trên AVL-Boost và kiểm
nghiệm bền trục khuỷu bằng AVL-Excite Designer ở chế độ định mức.
Tiêu chí đưa ra để lựa chọn cụm TB-MN là: phù hợp với đặc tính động
cơ, phổ biến trên thị trường và giá thành thấp.

Footer Page 13 of 148.


- 14 -

Header Page 14 of 148.

3,0

Dựa vào các thông số tính
toán về tỷ số tăng áp và lưu lượng
không khí nạp, kết hợp tham khảo
tài liệu, tác giả đã lựa chọn loại
TB-MN của hãng Garret ký hiệu
GT2554R. Đặc tính của TB-MN
được thể hiện trong Hình 3.9.
Thông số đường kính ống
của TB-MN phù hợp với các
thông số đường nạp thải của động
cơ D243. Điều này sẽ giúp cho

việc chế tạo các ống nối đường
nạp, thải đơn giản hơn.

2,5

Tỷ số tăng áp (-)

167461
68%

2,0

Điểm làm
việc

154869

70% 65%
142275
128662

1,5

112366

71%
92137
65741

1,0

0

5

10

15

20

25

30

35 40

Lưu lượng (lb/min)

Công suất (kW)

3.5. Đánh giá tính năng làm việc của động cơ sau tăng áp
Sau khi đã lựa chọn được tỷ
90
500
số tăng áp  k  1,5 và cụm TB80
450
70
MN GT2554R, tiến hành tính toán
60
400

mô phỏng bằng phần mềm AVL –
50
350
Ne_TA
Boost để đánh giá tính năng làm
40
Ne_KTA
30
300
ge_TA
việc của động cơ sau tăng áp khi
ge_KTA
20
250
trang bị cụm TB-MN này.
10
Với mô hình động cơ D243
0
200
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
tăng áp đã xây dựng, tiến hành
Tốc độ (v/ph)
hiệu chỉnh lại phần tử TB-MN với
Hình 3.10. Đặc tính công suất và tiêu hao nhiên

các thông số cụ thể của cụm TBliệu trước và sau tăng áp
MN GT2554R. Kết quả mô phỏng
đánh giá đặc tính công suất và tiêu
hao nhiên liệu của động cơ D243 trước và sau tăng áp được thể hiện
trong Hình 3.10. Công suất có ích tăng trung bình 46,60% và suất tiêu
hao nhiên liệu giảm trung bình khoảng 7,27% trên toàn dải tốc độ của
động cơ.
3.6. Tính toán cải tiến các hệ thống động cơ D243 khi TA
3.6.1. Tính toán hiệu chỉnh HTNL động cơ D243 khi tăng áp
Bơm cao áp của động cơ D243 nguyên bản được sử dụng để cung
cấp nhiên liệu khi động cơ đã được tăng áp, vì vậy cần tiến hành tính
toán kiểm nghiệm sơ bộ khả năng cung cấp của bơm. Đường kính piston
bơm cao áp (BCA) cần thiết xác định theo công thức:

Footer Page 14 of 148.

ge (g/kWh)

Hình 3.9. Đặc tính TB-MN GT2554R


- 15 -

Header Page 15 of 148.
dp 

(3.3)

4 Vct 6nc
k

  p  cC p

Trong đó: k là hệ số biến thiên tốc độ cấp nhiên liệu; Vct là lượng
nhiên liệu cấp cho một chu trình (mm3); φp là thời gian phun nhiên liệu
(độ trục khuỷu); nc là số vòng quay trục cam bơm nhiên liệu (v/ph); Cp là
tốc độ piston BCA (mm/s); ηc là hệ số cung cấp của BCA.
Từ đó xác định được đường kính piston BCA:
dp 

4
89,05 6.1100
1,3
 8,35
3,14
30 0,85.550

mm

Đường kính piston BCA động cơ D243 là dp = 9,0 mm (giá trị đo
đạc thực tế) hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu khi làm việc.
Hành trình có ích của piston BCA:
ha 

Vct
89,5

 1,923 mm < ha max = 8,0 mm
f p nc 54,75.0,85

Kết luận: BCA nguyên bản hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu cung

cấp nhiên liệu khi tiến hành tăng áp cho động cơ.
3.6.2. Tính toán cải tiến đường nạp và thải cho động cơ D243 khi
tăng áp
Dựa vào kết cấu cụ thể của động cơ D243, tiến hành cải tiến hệ
thống nạp thải sao cho có thể lắp ghép cụm chi tiết dễ dàng và không ảnh
hưởng nhiều đến kết cấu nguyên bản.
3.6.2.1. Thiết kế cải tiến
đường nạp sau tăng áp
Đường nạp được cải
tiến lại sao cho đảm bảo các
yêu cầu sau: (i) ít thay đổi
về hình dáng và kích thước
Hình 3.11. Đường nạp động cơ D243 nguyên bản
để đảm bảo giảm thiểu tổn
hao khí động của dòng khí nạp; (ii) kết cấu mới của đường nạp cần phải
phù hợp và thuận lợi cho việc lắp ráp. Do đó, trên cơ sở kết cấu ban đầu
(Hình 3.11), đường nạp mới của động cơ sau tăng áp được thiết kế như
Hình 3.12.
3.6.2.2. Cải tiến đường
thải sau tăng áp
Đường thải động cơ
D243 (Hình 3.13) được cải
Hình 3.12. Đường nạp động cơ D243 khi tăng áp
tiến ở phần ngoài nắp máy

Footer Page 15 of 148.


- 16 -

Header Page 16 of 148.
thành đường thải mới (Hình 3.14) đảm bảo giảm thiểu tổn thất năng
lượng của dòng khí trước khi vào cụm TB-MN.

Hình 3.13. Đường thải động cơ D243

Hình 3.14. Đường thải động cơ D243 TA

3.6.3. Tính toán cải tiến HTBT động cơ D243 khi tăng áp
Trên cơ sở quan điểm đã trình bày, thiết kế cải tiến HTBT của
động cơ D243 sau khi tăng áp được thực hiện như sau:
- Tăng lưu lượng dầu bôi
trơn cho hệ thống bằng cách tăng
tốc độ của bơm dầu thông qua
việc tăng tỷ số truyền của cặp
bánh răng truyền động bơm dầu
từ 1,3125 lên 1,7407.
- Tăng giới hạn làm việc của
van an toàn trên mạch dầu chính.
- Bổ sung thêm đường cấp
dầu bôi trơn cho cụm TB-MN.
Các bước thực hiện trong
Hình 3.15. Lưu đồ tính toán cải tiến HTBT
quá trình tính toán cải tiến HTBT
động cơ khi tăng áp được thể
hiện trên lưu đồ Hình 3.15 và thực hiện bằng Matlab – Simulink.
Điều kiện để đảm bảo cho hệ thống làm việc bình thường khi tăng
áp đó là nhiệt độ dầu bôi trơn tại các ổ trục (ttb), hệ số an toàn ma sát ướt
(K), lưu lượng dầu bơm cung cấp (Vbơmct) và áp suất dầu vào lọc (p1) phải
nằm trong giới hạn cho phép.

Kết quả tính toán HTBT khi tăng áp thể hiện trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Kết quả tính hệ thống bôi trơn cho động cơ D243 khi tăng áp
TT
1

Thông số/kí hiệu
Nhiệt độ dầu bội trơn tại chốt khuỷu
đạt cực đại (ttb-chốt)

Footer Page 16 of 148.

Đơn vị
0

C

Giá trị

Giới hạn

90,88

 110


- 17 -

Header Page 17 of 148.
2

Nhiệt độ dầu bội trơn tại cổ khuỷu
đạt cực đại (ttb-cổ)

3

0

C

87,9

 110

Hệ số an toàn ma sát ướt tại chốt
khuỷu đạt giá trị nhỏ nhất (Kchốt)

-

1,87

 1,5

4

Hệ số an toàn ma sát ướt tại cổ
khuỷu đạt giá trị nhỏ nhất (Kcổ)

-

1,54

 1,5

5

Lưu lượng dầu cần cung cấp cho hệ
thống (Vbơmct)

l/ph

37,4

 Vb

6

Áp suất dầu vào lọc ly tâm (p1)

N/m2

0,55.106

0,6.106

3.6.4. Tính toán cải tiến HTLM động cơ D243 khi tăng áp
Các bước thực hiện
trong quá trình tính toán cải
tiến HTLM động cơ D243 khi
tăng áp được thể hiện trên lưu
đồ Hình 3.16 và thực hiện trên

Matlab – Simulink.
Lưu lượng nước làm mát
trong hệ thống (Gbơm) và lưu
lượng gió qua két (Gquạt) được
xác định theo Qlm. Do đó, khi
Hình 3.16. Lưu đồ tính toán cải tiến HTLM
Qlm tăng thì Gbơm và Gquạt sẽ
phải tăng để đảm bảo điều kiện
nhiệt độ nước ra khỏi két (tnr) và nhiệt độ không khí sau két (tkr) nằm
trong giới hạn cho phép. Như vậy, mức độ tăng Gbơm và Gquạt được xác
định trên cơ sở giải pháp tăng tốc độ của bơm nước và quạt gió bằng
cách thay đổi tỷ số truyền từ puly dẫn động đến puly bơm nước và quạt
gió từ 1,563 đến 1,957. Kết quả tính toán cải tiến HTLM được thể hiện
trên Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả tính hệ thống làm mát cho động cơ D243
Giá trị
TT

1
2

Thông số/kí hiệu
Nhiệt lượng truyền cho hệ thống
làm mát tại chế độ Nemax (Qlm)
Nhiệt lượng truyền cho hệ thống
làm mát tại chế độ Memax (Qlm)

Footer Page 17 of 148.

Đơn

vị

Chưa
t/áp

Dự kiến
t/áp

38,693

49,586

kW

30,975

45,361

kW


- 18 -

Header Page 18 of 148.
3
4

Lưu lượng bơm nước cấp tại chế độ
Nemax (Gb)
Lưu lượng bơm nước cấp tại chế độ

Memax (Gb)

5

Tỷ số truyền bơm nước (k)

6

Đường kính puly dẫn động (Dd)

7

Đường kính puly bơm nước (Db)

204,85

247,2

l/ph

130,44

163,4

l/ph

1,563

1,957

-

186
119

mm
95

mm

3.7. Kiểm nghiệm bền chi tiết piston, thanh truyền và nắp
máy động cơ D243 sau tăng áp
Sau khi tăng áp, tải trọng cơ và nhiệt đều tăng, do đó phải tính
toán kiểm nghiệm độ bền của các chi tiết chính khác (trừ chi tiết trục
khuỷu đã tính ở mục 3.3.2) của động cơ.
a) Xây dựng mô hình

Hình 3.17. Mô hình chi tiết nắp máy

Hình 3.18. Mô hình chi tiết piston

Mô hình các chi tiết nắp
máy, piston và thanh truyền được
xây dựng trên phần mềm Ansys
như thể hiện trên Hình 3.17 đến
Hình 3.19.
b) Các giới hạn khi tính toán
Hình 3.19. Mô hình chi tiết thanh truyền
kiểm nghiệm bền
- Khi tính bền cho nắp

máy, chỉ tính trong trường hợp chịu áp suất khí thể lớn nhất và xem xét
đến ảnh hưởng của tải trọng nhiệt.
- Khi tính bền cho chi tiết thanh truyền, chỉ cần tính cho trường
hợp chịu áp suất nén lớn nhất. Bỏ qua ảnh hưởng của ứng suất lắp ghép
ở 2 nửa đầu to thanh truyền.
- Khi tính bền cho chi tiết piston chỉ cần tính toán trong trường
hợp chịu áp suất khí thể lớn nhất và xem xét đến ảnh hưởng của tải trọng
nhiệt. Bỏ qua ma sát giữa piston và xylanh.

Footer Page 18 of 148.


- 19 -

Header Page 19 of 148.
c) Kết quả kiểm nghiệm
Kết quả tính toán kiểm
nghiệm các chi tiết sau tăng áp
được thể hiện từ Hình 3.20 đến
3.22.
Kết quả cho thấy, ứng
suất tương đương lớn nhất trên
các chi tiết sau tăng áp đều nhỏ
hơn nhiều so với giới hạn bền
của vật liệu chế tạo. Do đó, các
chi tiết vẫn đảm bảo sức bền.

Hình 3.21. Ứng suất tác dụng lên piston

Hình 3.20. Ứng suất cơ tác dụng lên nắp máy

Hình 3.22. Ứng suất tác dụng lên thân thanh truyền

3.8. Kết luận Chương 3
Nội dung thực hiện Chương 3 có thể được tóm tắt như sau:
Đã tính toán, xác định được tỷ số tăng áp hợp lý πk = 1,5 cho động
cơ D243 đang lưu hành bằng quy trình như đã đưa ra ở Chương 2. Trên
cơ sở đó đã tính toán lựa chọn được cụm TB-MN Garrett (GT2554R)
phù hợp.
Động cơ sau khi thực hiện tăng áp đã được tính toán kiểm nghiệm
lại bằng phần mềm AVL-Boost và AVL-Excite Designer, kết quả cho
thấy các tính năng làm việc và tính bền của động cơ đều đạt yêu cầu.
Đã thực hiện tính toán kiểm nghiệm và thiết kế cải tiến các hệ
thống của động cơ sau khi thực hiện tăng áp, kết quả cho thấy: Hệ thống
nhiên liệu nguyên bản của động cơ vẫn hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu
dự trữ lưu lượng sau khi đã điều chỉnh thanh răng theo yêu cầu. Đường
nạp và thải của động cơ đã được thiết kế cải tiến với kích thước và biên
dạng phù hợp khi lắp cụm TB-MN. HTBT được bổ sung thêm đường
dầu cấp cho cụm TB-MN và tăng tăng tỷ số truyền dẫn động bơm dầu từ
1,31 đến 1,74 đủ để đáp ứng lưu lượng dầu bôi trơn trong hệ thống và
đảm bảo điều kiện bôi trơn. HTLM được tăng tỷ số truyền dẫn động puly

Footer Page 19 of 148.


- 20 -

Header Page 20 of 148.
bơm nước từ 1,563 đến 1,957 đủ để đáp ứng lưu lượng nước và lưu
lượng gió làm mát động cơ.

Đã tính toán kiểm nghiệm độ bền các chi tiết nắp máy, thanh
truyền, piston sau khi tăng áp bằng phương pháp phần tử hữu hạn, kết
quả cho thấy các chi tiết trên đều đủ bền.
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
4.1. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm
a. Mục tiêu thử nghiệm
Quá trình thử nghiệm động cơ trên băng thử nhằm mục đích đánh
giá tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sau khi tăng áp. Kết
quả thử nghiệm được so sánh với động cơ nguyên bản và mô hình động
cơ D243 tăng áp trong phần mềm AVL-Boost, để từ đó khẳng định lại
tính chính xác của mô hình mô phỏng.
Trong quá trình thực nghiệm, các thông số kỹ thuật của HTLM,
HTBT, hệ thống nạp thải được theo dõi để từ đó đánh giá hiệu quả làm
việc của các hệ thống này sau khi được cải tiến.
b. Phạm vi thử nghiệm
Thực hiện đo đặc tính của
động cơ sau khi tăng áp tại phòng
thử động lực của Công ty Diesel
Sông Công (Thái Nguyên).
4.2. Trang thiết bị thử nghiệm
Băng thử động cơ được trang
bị tại Công ty Diesel Sông Công là
băng thử điện Meiden. Tổng thể hệ
Hình 4.1. Lắp đặt động cơ trên băng thử
thống thử nghiệm sau khi đã lắp đặt
Meiden
động cơ được thể hiện trong Hình
4.1.
Ngoài ra, một số các thiết bị khác được sử dụng trong thử nghiệm
như: thiết bị xác định khói đen Dismoke 4000, cảm biến áp suất PSA-1

đường nạp, thiết bị đo nhiệt độ TM-902C, cảm biến đo lưu lượng
không khí Flow Meter 735.
4.3. Điều kiện thử nghiệm
Động cơ phải được bảo dưỡng và hiệu chỉnh trước khi thử nghiệm
như: thay dầu bôi trơn, kiểm tra hệ thống nhiên liệu… nhằm đảm bảo độ
ổn định trong suốt quá trình thử nghiệm.

Footer Page 20 of 148.


- 21 -

Header Page 21 of 148.
Băng thử phải tiến hành hiệu chỉnh trước khi thử nghiệm nhằm
đảm bảo kết quả đo được chính xác.
4.4. Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử
Sau khi hoàn thành các công
việc lắp đặt và hiệu chỉnh (Hình
4.2), động cơ được chạy ấm máy
cho tới khi nhiệt độ các chi tiết,
nhiệt độ dầu bôi trơn và nhiệt độ
nước làm mát ổn định.
Để đảm bảo sự an toàn cũng
như tính chính xác của phép đo thì
hệ thống luôn luôn được kiểm tra
tình trạng làm việc thông qua tủ
Hình 4.2. Lắp đặt và chuẩn bị thí nghiệm
điều khiển. Các thiết bị đo lưu
lượng khí nạp, đo độ khói được
hiệu chỉnh trước khi lắp đặt vào hệ thống.

Két nước làm mát

Đường nước vào két

Quạt gió

Đường nước ra két

4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
4.5.1. Đánh giá tính năng của động cơ trước và sau khi tăng áp

Tỷ số tăng áp (-)

a. Tỷ số tăng áp
Kết quả nghiên cứu cho
thấy, cụm TB-MN làm việc đạt
hiệu quả cao tại các tốc độ vòng

Footer Page 21 of 148.

ge (g/kWh)

Công suất (kW)

Hình 4.3 thể hiện so sánh
80
600
công suất và tiêu hao nhiên liệu
70
550

60
500
của động cơ trước và sau khi tăng
50
450
áp. Tại chế độ định mức n = 2200
40
400
Ne_KTA
Ne_TA
30
350
v/ph công suất đạt giá trị lớn nhất
ge_KTA
ge_TA
20
300
76,64 kW, tăng 41,7% so với động
10
250
0
200
cơ chưa tăng áp. Trên toàn dải tốc
1000
1200
1400 1600 1800 2000 2200
Tốc độ (v/ph)
độ, công suất tăng trung bình
Hình 4.3. So sánh CS và STHNL
khoảng 42%. Suất tiêu hao nhiên

liệu của động cơ tăng áp cũng được cải thiện rõ rệt với mức giảm suất
tiêu hao nhiên liệu trung bình 8,9%
1.6
trên toàn dải tốc độ.
1.55
1.5
4.5.2. Đánh giá các thông số làm
1.45
việc trước và sau khi tăng áp
1.4
1.35
1.3
1000

1200

1400 1600 1800
Tốc độ (v/ph)

2000

2200

Hình 4.4. Tỷ số tăng áp theo tốc độ động cơ


- 22 -

Header Page 22 of 148.

b. Lưu lượng không khí nạp
Lượng khí nạp tăng lớn nhất
53,10% tại tốc độ 1400 v/ph và tăng
trung bình 46,46% trên toàn dải tốc
độ làm việc (Hình 4.5). Như vậy cụm
TB-MN đã chọn về cơ bản đáp ứng
được yêu cầu tăng áp.

450

Lưu lượng khí nạp (kg/h)

400
350
300
250
200
150

Gkk_KTA

100

Gkk_TA

50
0
1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

Tốc độ (v/ph)

Hình 4.5. So sánh lưu lượng khí nạp
1.4

Hệ số dư lượng không khí (-)

quay lớn, do lúc này năng lượng khí
thải lớn. Tuy nhiên, tại chế độ vòng
quay thấp hiệu quả làm việc của cụm
TB-MN giảm, cụ thể tại tốc độ nhỏ
hơn 1200 v/ph, tỷ số tăng áp chỉ đạt
khoảng 1,32 do cụm TB-MN không
hoàn toàn phù hợp với đặc tính của
động cơ (Hình 4.4).

1.3
1.2
1.1

Lamda_KTA

1.0

Lamda_TA
0.9
0.8
1000

1200

1400 1600 1800
Tốc độ (v/ph)

2000

2200

Hình 4.6. So sánh hệ số dư lượng không khí
c. Hệ số dư lượng không khí
Nhìn chung động cơ D243 sau khi tăng áp, lượng khí nạp đã tăng
lên, đồng thời lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình đã được hiệu
chỉnh. Do đó hệ số λ thay đổi ít trên toàn dải tốc độ của động cơ (Hình
4.6). Điều này cho thấy, việc điều
chỉnh tăng thêm lượng nhiên liệu cung
cấp sau khi động cơ được tăng áp là
phù hợp.
d. Áp suất dầu bôi trơn
Nhìn chung, áp suất dầu trong
trường hợp tăng áp vẫn được duy trì

đảm bảo áp suất làm việc 3,2 kG/cm2.
Hình 4.7. So sánh áp suất dầu bôi trơn
e. Nhiệt độ nước làm mát
90
Kết quả thử nghiệm nhiệt độ
85
nước làm mát trước và sau khi tăng áp
80
được thể hiện trên Hình 4.8. Đồ thị
75
cho thấy, sau khi tăng áp với HTLM
T nước_KTA
70
được cải tiến, nhiệt độ động cơ gần
T nước_TA
65
như không thay đổi, chỉ tăng lên chưa
60
tới 1%. Như vậy giải pháp cải tiến đã
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Tốc độ (v/ph)
áp dụng đáp ứng yêu cầu.
Hình 4.8. So sánh nhiệt độ nước làm mát
f. Độ khói
Áp suất dầu bôi trơn (kG/cm2 )

4.0

KTA

3.0

2.5

Nhiêt độ nước làm mát (oC)

2.0
1000

Footer Page 22 of 148.

TA

3.5

1200

1400 1600
1800
Tốc độ (v/ph)

2000

2200


- 23 -

Header Page 23 of 148.
110

KTA

100

TA
Độ khói (FSN)

Hình 4.9 thể hiện so sánh độ
khói trong khí thải của động cơ trong
hai trường hợp tăng áp và chưa tăng
áp. Kết quả cho thấy quá trình cháy
của động cơ sau khi tăng áp đã được
cải thiện do đó làm giảm độ khói của
động cơ do λ được cải thiện một chút
ở vùng tốc độ cao.

90
80
70
60
50
40
1000

1200

1400 1600 1800
Tốc độ (v/ph)

2000

2200

Hình 4.9. So sánh độ khói trước-sau TA

4.6. Kết luận Chương 4
Kết quả thực nghiệm cho thấy động cơ D243 sau khi tăng áp bằng
TB-MN đã thể hiện nhiều ưu điểm, cụ thể như sau:
Tại tốc độ định mức n = 2200 v/ph công suất động cơ đạt 76,64
kW, tăng 41,7% và tăng trung bình khoảng 42% so với động cơ D243
không tăng áp. Đồng thời tính năng kinh tế cũng được cải thiện rõ rệt,
thể hiện qua tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình khoảng 8,9%.
Cụm TB-MN làm việc đạt yêu cầu, thể hiện qua lượng khí nạp
tăng lớn nhất là 53,10% tại n = 1600 v/ph và tăng trung bình 46,46% trên
toàn dải tốc độ làm việc.
Hệ số dư lượng không khí được duy trì ổn định sau khi tăng áp.
Kết quả này càng thể hiện sự phù hợp của cụm TB-MN cũng như việc
điều chỉnh BCA khá hợp lý để đảm bảo tỷ lệ không khí-nhiên liệu phù
hợp.
Phát thải khói đen của động cơ có cải thiện ở vùng tốc độ cao, còn
tại tốc độ thấp thì vẫn rơi vào vùng khói đen do đặc tính của cụm TBMN và động cơ chưa phù hợp ở vùng tốc độ thấp.
Kết luận chung
Tăng áp cho động cơ có độ bền cao đang lưu hành là một giải
pháp kỹ thuật hợp lý ở Việt Nam nhằm tận dụng khả năng khai thác hiệu
quả những động cơ này.
Đề tài đã đưa ra quy trình công nghệ khả thi thực hiện tăng áp cho
động cơ đang lưu hành và áp dụng quy trình cho một động cơ diesel
D243 cũ đang lưu hành với kết quả thể hiện như sau:
– Đã mô phỏng chu trình công tác của động cơ và kiểm nghiệm
bền trục khuỷu ở các tỷ số tăng áp khác nhau, từ đó xác định

được tỷ số tăng áp hợp lý là πk = 1,5. Từ kết quả này đã tính

Footer Page 23 of 148.


- 24 -

Header Page 24 of 148.
toán lựa chọn được cụm TB-MN Garett (GT2554R) đáp ứng yêu
cầu tăng áp.
– Thiết kế cải tiến và chế tạo hoàn chỉnh đường nạp và thải cho
động cơ với kích thước và biên dạng phù hợp khi lắp cụm TBMN
– Tính toán kiểm nghiệm BCA nguyên bản của động cơ cho thấy
đảm bảo khả năng cung cấp nhiên liệu sau khi tăng áp mà không
cần thay đổi các thông số kết cấu.
– Tính toán cải tiến HTLM, HTBT bằng công cụ Matlab Simulink.
Kết quả cho thấy cần phải tăng tỷ số truyền tới puly bơm nước
từ 1,563 lên 1,957, và tăngtỷ số truyền của cặp bánh răng bơm
dầu từ 1,3125 lên 1,7407 cũng như thiết kế mới đường dầu bôi
trơn cho cụm TB-MN.
Kết quả thử nghiệm động cơ D243 sau khi thực hiện tăng áp tại
Công ty Diesel Sông Công đã cho thấy:
– Công suất đạt 76,64 kW tại 2200 v/ph, tăng 41,4%, suất tiêu thụ
nhiên liệu nhỏ nhất 245,23 g/kWh, giảm 8,6% và giảm trung
bình 8,9% trên toàn dải tốc độ.
– Cụm TB-MN làm việc hiệu quả ở vùng tốc độ cao, tăng được
lượng khí nạp vào xylanh trung bình là 46,46%.
– Độ khói giảm tối đa 16,7% và giảm trung bình là 7,9%.
– Nhiệt độ làm mát ổn định tại 80oC, chứng tỏ phương án cải tiến
HTLM là hợp lý.

– Áp suất dầu bôi trơn duy trì ổn định 3,2 kG/cm2, chứng tỏ
phương án cải tiến HTBT là hợp lý.
Phương hướng phát triển
Đề tài đã đưa ra giải pháp trang bị tăng áp trên động cơ diesel
đang lưu hành khả thi trong điều kiện thực tế ở Việt Nam. Tuy nhiên, các
thử nghiệm đánh giá hiệu quả tăng áp và ảnh hưởng của tăng áp tới các
hệ thống mới dừng lại ở phạm vi PTN. Để có thể đưa kết quả nghiên cứu
này ứng dụng vào thực tiễn, cần thiết phải bổ sung các nghiên cứu sau:
Đánh giá độ ổn định của các hệ thống nạp, thải, bôi trơn, làm mát.
Thử nghiệm bền động cơ và thử nghiệm hiện trường để đánh giá
khả năng làm việc của hệ thống trong thời gian dài và trong môi trường
thực tế.

Footer Page 24 of 148.