Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRẦN VĂN THÔNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG ÁP SUẤT CUỐI KỲ NÉN
ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRẦN VĂN THÔNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG ÁP SUẤT CUỐI KỲ NÉN
ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành:

Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số:

60520116

Quyết định giao đề tài:

670/QĐ-ĐHNT ngày 24/08/2016

Quyết định thành lập HĐ:

622/QĐ-ĐHNT ngày 5/9/2017

Ngày bảo vệ:

28/9/2017

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. PHÙNG MINH LỘC
Chủ tịch Hội đồng:
PGS.TS. Trần Gia Thái
Khoa sau đại học:

KHÁNH HÒA - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng áp
suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel ” là công trình nghiên
cứu của cá nhân tôi và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình khoa học
nào khác cho tới thời điểm này.
Nha Trang, tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn

Trần Văn Thông

iii


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất cuối kỳ nén đến tính
năng kỹ thuật của động cơ diesel”. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Phùng
Minh Lộc đã tận tình hƣớng dẫn, trao dồi kiến thức và động viên để tôi hoàn thành
công trình nghiên cứu của mình.
Xin cảm ơn quý Thầy Bộ môn động lực và phòng thí nghiệm động cơ, Trung tâm
thí nghiệm thực hành đã hỗ trợ trang thiết bị, tài liệu nghiên cứu và có những ý kiến
đóng góp quý báu cho luận văn.
Tôi xin cảm ơn quý thầy trong khoa Kỹ thuật giao thông trƣờng Đại học Nha
Trang, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài để
công trình nghiên cứu đƣợc hoàn thành có chất lƣợng.
Trong điều kiện thiếu thốn về các phƣơng tiện, trang thiết bị, tài liệu và bản thân
còn nhiều hạn chế. Tuy đề tài đã hoàn thành nhƣng không tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong Quý Thầy và các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Nha Trang, tháng 9 năm 2017
Tác giả luận văn

Trần Văn Thông

iv


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ........................................................................................................................i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................................ix
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................x
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... xii
TRÍC YẾU LUẬN VĂN. .............................................................................................. xv
1. Lý do lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu ............................................................................1
2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................................ 2
2.1. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................2
2.2. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................... 2
2.3. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................2
3. Phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu .........................................................................2
3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................... 2
3.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 2
4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài luận văn ...............................................2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ...................................................3
1.1. Khái quát chung về sự phát triển của động cơ diesel ...............................................3
1.1.1. Động cơ diesel .......................................................................................................3
1.1.2. Sự phát triển của động cơ diesel ............................................................................4
1.2. Ảnh hƣởng của nhóm bao kín buồng cháy đến tính năng động cơ diesel ................8
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ............................................................ 11
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT CUỐI KỲ
NÉN ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL .............................. 15
2.1. Chu trình công tác của động cơ diesel ....................................................................15
2.2. Các thông số tính năng của chu trình công tác động cơ diesel .............................. 19
2.2.1. Công suất động cơ diesel ..................................................................................... 20
2.2.2. Hiệu suất động cơ diesel ...................................................................................... 22
2.3. Đặc điểm và các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ diesel ..................... 25
2.3.1. Đặc điểm của quá trình cháy ...............................................................................25
2.3.2. Các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ diesel .......................................26
2.4. Các đƣờng đặc tính của động cơ diesel ..................................................................29
2.4.1. Đặc tính tốc độ.....................................................................................................29

v


2.4.2. Đặc tính phụ tải ...................................................................................................30
2.5. Ảnh hƣởng áp suất nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel ....................... 31
2.5.1. Ảnh hƣởng áp suất nén đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu (ge) ...............31
2.5.2. Ảnh hƣởng áp suất nén đến phát thải khí xả ....................................................... 34
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................................... 36
3.1. Động cơ thực nghiệm ............................................................................................. 36
3.2. Xác định độ giảm tỷ số nén của động cơ diesel ..................................................... 38
3.3. Đo áp suất cuối kỳ nén ........................................................................................... 40
3.4. Thực nghiệm xác định tính năng kỹ thuật động cơ theo áp suất cuối kỳ nén ........40
3.4.1. Bố trí thiết bị thực nghiệm................................................................................... 40
3.4.2. Quy trình thực nghiệm......................................................................................... 41
3.4.3. Các chế độ thực nghiệm ...................................................................................... 41
3.4.4. Quy trình đo và xử lý số liệu đo ..........................................................................42
3.4.5. Thiết bị phục vụ thực nghiệm ..............................................................................44
3.4.5.1. Thiết bị đo áp suất nén...................................................................................... 44
3.4.5.2. Thiết bị phân tích khí thải .................................................................................46
3.4.5.3. Thiết bị đo độ mờ khói MSA-PC-SE.NR 00601 của hãng Beissbarth-Đức ....47
3.4.5.4. Phanh thủy lực Dynomite 13 dual - rotor - Mỹ ................................................48
3.5. Kết quả thực nghiệm............................................................................................... 50
3.5.1. Ảnh hƣởng của tỷ số nén đến áp suất cuối kỳ nén ..............................................50
3.5.2. Ảnh hƣởng của áp suất nén đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ...............51
3.5.2.1. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất ..........................................51
3.5.2.2. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén đến suất tiêu hao nhiên liệu .................... 54
3.5.3. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải ô nhiễm .................................59
3.5.3.1. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải bồ hóng .............................. 59
3.5.3.2. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải NOx....................................63
3.5.3.3. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén đến nhiệt độ khí thải ............................... 66

Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ.............................................................. 70
1.1.Kết luận.................................................................................................................... 70
1.2. Khuyến nghị ...........................................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 73
PHỤ LỤC
vi


DANH MỤC KÝ HIỆU

CHỮ LA TINH
D

Đƣờng kính xylanh

mm

cp

Nhiệt dung riêng đẳng áp

J/kmol

cv

Nhiệt dung riêng đẳng tích

J/kmol

i

Số xylanh của động cơ

-

i

Số lỗ tia phun của vòi phun

-

Ge

Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu giờ

g/h

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

g/(kW.h)

k

Chỉ số đoạn nhiệt

-

Le

Công có ích của chu trình

J, kJ

Li

Công chỉ thị của chu trình

J, kJ

Lt

Công của chu trình lý thuyết

J, kJ

Ne

Công suất có ích

kW

Ni

Công suất chỉ thị

kW

n

Tốc độ động cơ

v/ph

n1

Chỉ số nén đa biến trung bình

-

pa

Áp suất khí nạp

bar

pc

Áp suất cuối kỳ nén

bar

pe

Áp suất có ích trung bình

bar

pi

Áp suất chỉ thị trung bình

bar

pr

Áp suất khí sót

bar

pz

Áp suất cháy cực đại

bar

Q1

Tổng nhiệt năng cấp cho MCCT chu trình

kJ/h

Q2

Nhiệt năng do MCCT truyền cho nguồn lạnh

kJ/h

S

Hành trình của piston

mm

Va

Thể tích xylanh

m3

Vc

Thể tích buồng cháy

m3

Vh

Thể tích công tác của xylanh

m3

wtb

Tốc độ tăng áp trung bình

bar/độ

vii

Hệ số phụ thuộc vào số kỳ của động cơ

-



Tỷ số nén

-

λ

Tỷ số không khí/nhiên liệu

-

ρ

Tỷ số giãn nở ban đầu

-

φs

Góc phun sớm

độ

φi

Góc cháy trễ

độ

d

Hệ số điền đầy đồ thị công

-

e

Hiệu suất có ích

%

i

Hiệu suất chỉ thị

%

m

Hiệu suất cơ học

%

t

Hiệu suất lý thuyết (hiệu suất nhiệt)

%

v

Hệ số nạp

-

r

Hệ số khí sót

-

z
CHỮ HY LẠP

viii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BC

: Botton Center (điểm chết dƣới)

BDP

: Botton Dead Position (Vị trí điểm chết dƣới)

BTDC

: Before Top Dead Center (Trƣớc điểm chết trên)

CTCT

: Chu trình công tác

ĐCD

: Điểm chết dƣới

ĐCĐT

: Động cơ đốt trong

EOC

: End Oil Combustion (Thời điểm kết thúc quá trình cháy)

EOI

: End Oil Injection (Thời điểm kết thúc quá trình phun)

EVC

: Exhauts Valt Close (Thời điểm đóng xupáp xả)

EVO

: Exhauts Valt Open (Thời điểm mở xupáp xả)

IVO

: Intake Valt Open (Thời điểm mở xupáp nạp)

IVC

: Intake Valt Close (Thời điểm đóng xupáp nạp)

gqtk

: Góc quay trục khuỷu

HHC

: Hỗn hợp cháy

KGCT

: Không gian công tác của xylanh

MCCT

: Môi chất công tác

SĐCT

: Sau điểm chết trên

SOC

: Start Oil Combustion (Thời điểm bắt đầu quá trình cháy)

SOI

: Start Oil Injection (Thời điểm bắt đầu phun)

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TĐCT

: Trƣớc điểm chết trên

TDP

: Top Dead Position (Vị trí điểm chết trên)

TC

: Top Center (điểm chết trên)

ix

DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Số lƣợng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng năm 2006.................8
Bảng 2.1. Bảng giá trị hiệu suất cơ học và hiệu suất có ích trên động cơ .................... 24
Bảng 3.1. Thông số động cơ 4CHE Yanmar .................................................................36
Bảng 3.2. Tổng hợp kết quả tính toán về sự thay đổi tỷ số nén ....................................40
Bảng 3.3. Các chế độ thực nghiệm theo đặc tính tải ở 1200 v/ph .................................42
Bảng 3.4. Các chế độ thực nghiệm theo đặc tính tốc độ ở 20% tải ............................... 42
Bảng 3.5. Quan hệ giữa các đại lƣợng theo phƣơng pháp bình phƣơng bé nhất ..........43
Bảng 3.6. Bảng tính các giá trị trong hàm hồi quy ........................................................ 43
Bảng 3.7. So sánh độ giảm áp suất nén tại thời điểm phun nhiên liệu ......................... 51
Bảng 3.8. Công suất theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph .................................51
Bảng 3.9. Hàm hồi quy thực nghiệm công suất theo tải và áp suất cuối kỳ nén ..........52
Bảng 3.10. Công suất theo tốc độ ở 20% tải và áp suất cuối kỳ nén ............................ 53
Bảng 3.11. Hàm hồi quy thực nghiệm công suất theo tốc độ ở 20% tải ...................... 53
Bảng 3.12. Hàm hồi quy thực nghiệm chi phí nhiên liệu giờ theo đặc tính tải ............55
Bảng 3.13. Hàm hồi quy thực nghiệm chi phí nhiên liệu giờ theo đặc tính tốc độ ......55
Bảng 3.14. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải ở 1200 v/ph ................................ 56
Bảng 3.15. Hàm hồi quy thực nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải .........57
Bảng 3.16. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tốc độ ở 20% tải .............................. 57
Bảng 3.17. Hàm hồi quy thực nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tốc độ ....58
Bảng 3.18. Phát thải bồ hóng theo tải ở 1200 v/ph ....................................................... 60
Bảng 3.19. Hàm hồi quy thực nghiệm phát thải bồ hóng theo tải ở 1200 v/ph.............60
Bảng 3.20. Phát thải bồ hóng theo tốc độ ở 20% tải ..................................................... 61
Bảng 3.21. Hàm hồi quy thực nghiệm phát thải bồ hóng theo tốc độ ở 20% tải ..........62
Bảng 3.22. Phát thải NOx theo tải ở 1200 v/ph ............................................................. 63
Bảng 3.23. Hàm hồi quy thực nghiệm phát thải NOx theo tải ở 1200 v/ph ..................64
Bảng 3.24. Phát thải NOx theo tốc độ ở 20% tải ........................................................... 65
Bảng 3.25. Hàm hồi quy thực nghiệm phát thải NOx theo tốc độ ở 20% tải ................65

Bảng 3.26. Nhiệt độ khí xả theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph ...................... 66
Bảng 3.27. Hàm hồi quy thực nghiệm nhiệt độ khí xả theo tải ....................................67
x


Bảng 3.28. Nhiệt độ khí xả theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph ...................... 68
Bảng 3.29. Hàm hồi quy thực nghiệm nhiệt độ khí xả theo tốc độ ............................. 68
Bảng 4.1. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo độ giảm áp suất cuối kỳ nén ......72

xi


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Sự kết hợp các công nghệ mới trong chế tạo động cơ diesel ......................... 4
Hình 1.2. Những tiến bộ của động cơ diesel ..................................................................5
Hình 1.3. Thị phần xe con trang bị động cơ diesel tại Anh ............................................5
Hình 1.4. Thị phần xe con trang bị động cơ diesel trên thế giới và tại châu Âu ...................6
Hình 1.5. Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel .............................................6
Hình 1.6. Phát triển kỹ thuật giảm ô nhiễm cho động cơ theo năm ............................... 8
Hình 1.7. Mức độ ảnh hƣởng của các chi tiết làm việc đến tính năng kỹ thuật ...........13
Hình 2.1. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp .........................................................................16
Hình 2.2. Đồ thị công P - V động cơ diesel bốn kỳ ..................................................... 18
Hình 2.3. Đồ thị khai triển thể tích công tác, tốc độ phun, áp suất trong xylanh .........19
Hình 2.4. Sơ đồ ý nghĩa và phƣơng pháp xác định áp suất chỉ thị trung bình .............21
Hình 2.5. Quá trình cháy động cơ diesel biểu diễn trên đồ thị công mở rộng p - φ .....26
Hình 2.6. Đƣờng đặc tính tốc độ của động cơ diesel ................................................... 30
Hình 2.7. Đƣờng đặc tính phụ tải của động cơ diesel ..................................................31
Hình 2.8. Sự thay đổi áp suất trong xylanh ứng với tỷ số nén khác nhau .................... 33
Hình 2.9. Sự thay đổi tính năng động cơ ứng với tỷ số nén khác nhau ....................... 33

Hình 2.10. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén thông qua tỷ số nén ........................... 34
Hình 2.11. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén thông qua tỷ số nén đến phát thải .....35
Hình 3.1. Động cơ và các thiết bị thực nghiệm ............................................................. 38
Hình 3.2. Sơ đồ bố trí thực nghiệm ...............................................................................41
Hình 3.3. Thiết bị đo áp suất nén Myrio........................................................................45
Hình 3.4. Lắp cảm biến đo nhiệt độ và áp suất nén ...................................................... 45
Hình 3.5. Giao diện đo áp suất nén theo chu trình làm việc của động cơ ..................... 46
Hình 3.6. Thiết bị phân tích khí thải CO, HC, NOx Testo 350 XL ............................... 47
Hình 3.7. Thiết bị đo độ mờ khói MSA – PC - SE.NR 00601 ......................................48
Hình 3.8. Giao diện đo độ mờ khói xả trên màn hình thiết bị .......................................48
Hình 3.9. Phanh thủy lực Dynomite 13 dual-rotor lắp trên bệ thử ................................ 49
Hình 3.10. Máy tính Dynomite kết nối máy in ............................................................. 49
Hình 3.11. Áp suất trong xylanh động cơ ở tốc độ 720 v/ph ........................................50
xii


Hình 3.12. Sự thay đổi công suất theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph ............52
Hình 3.13. Sự thay đổi công suất theo tốc độ ở 20% tải và áp suất cuối kỳ nén ..........53
Hình 3.14. Công suất ứng với áp suất trong xylanh tại thời điểm phun nhiên liệu ......54
Hình 3.15. Chi phí nhiên liệu giờ theo đặc tính tải ở 1200 v/ph ...................................55
Hình 3.16. Chi phí nhiên liệu giờ theo đặc tính tốc độ ở 20% tải .................................55
Hình 3.17. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải ở 1200 v/ph ................................ 56
Hình 3.18. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tốc độ ở 20% tải .............................. 58
Hình 3.19. Suất tiêu hao nhiên liệu theo áp suất trong xylanh tại thời điểm phun ......59
Hình 3.20. Phát thải bồ hóng theo tải ở 1200 v/ph ........................................................ 60
Hình 3.21. Phát thải bồ hóng theo tốc độ ở 20% tải ...................................................... 61
Hình 3.22. Phát thải bồ hóng theo áp suất trong xylanh tại thời điểm phun ................62
Hình 3.23. Phát thải NOx theo tải ở 1200 v/ph .............................................................. 64
Hình 3.24. Phát thải NOx theo tốc độ ở 20% tải............................................................ 65
Hình 3.25. Phát thải NOx theo áp suất trong xylanh tại thời điểm phun ...................... 66

Hình 3.26. Nhiệt độ khí xả theo tải và áp suất cuối kỳ nén ở 1200 v/ph ...................... 67
Hình 3.27. Nhiệt độ khí xả theo tốc độ và áp suất cuối kỳ nén ở 20% tải .................... 68
Hình 3.28. Nhiệt độ khí xả theo áp suất trong xylanh tại thời điểm phun ................... 69
Hình 4.1. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất .......................................70
Hình 4.2. Ảnh hƣởng của áp suất cuối kỳ nén đến phát thải NOx và bồ hóng ..............71

xiii


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Xu hƣớng phát triển động cơ gia tăng dẫn đến ô nhiễm môi trƣờng từ khí thải
cũng tăng theo, cần thiết phải tạo nên một động cơ diesel thế hệ mới có hiệu suất cao,
đồng nghĩa với sản phẩm cháy đƣợc đốt sạch, qua đó giải quyết đƣợc bài toán tiết
kiệm nhiên liệu và ô nhiễm môi trƣờng. Công tác kiểm tra bảo dƣỡng định kỳ phải
thƣờng xuyên và rất tốn kém về thời gian, công sức và kinh phí khi xác định trạng thái
kỹ thuật của động cơ, để có thể quyết định cho động cơ tiếp tục hoạt động hay buộc
động cơ phải dừng hoạt động để sửa chữa đảm bảo an toàn. Xác định đƣợc nguyên
nhân động cơ hƣ hỏng nhanh phải dựa vào thiết bị chẩn đoán trạng thái kỹ thuật. Chẩn
đoán kỹ thuật là tổng hợp tất cả các giải pháp để xác định trạng thái của một hệ thống
kỹ thuật và nhận biết hƣ hỏng mà không cần phải tháo rời các chi tiết bên trong động
cơ, đây là giải pháp quan trọng nhằm tăng tuổi thọ, độ tin cậy. Luận văn đã phân tích
các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về công nghệ và kỹ thuật chẩn đoán
động cơ, về chu trình công tác và đặc tính làm việc của động cơ diesel theo tốc độ và
phụ tải. Các nội dung này đƣợc trình bày làm cơ sở cho việc tính toán tỷ số nén, thực
nghiệm đo áp suất nén và các chỉ tiêu về kinh tế, năng lƣợng, môi trƣờng của động cơ
diesel. Luận văn đã tính toán sự thay đổi tỷ số nén, bố trí thực nghiệm xác định đƣợc
các giá trị áp suất cuối kỳ nén ứng với mỗi tỷ số nén khác nhau và đã tiến hành đo
công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải khí xả của động cơ. Đây là cơ sở để
khuyến cáo tình trạng kỹ thuật của động cơ khi mức giảm áp suất cuối kỳ nén đến một
giới hạn nhất định. Xây dựng đƣợc các đồ thị công suất, suất tiêu hao nhiên liêu, phát

thải bồ hóng và NOx, nhiệt độ khí xả của động cơ diesel khi thay đổi áp suất cuối kỳ
nén, phân tích và đánh giá các mối quan hệ trên làm cơ sở để khuyến cáo mức giảm áp
suất cuối kỳ nén cho phép. Khi áp suất cuối kỳ nén giảm thì công suất giảm theo và
suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên, đồng thời phát thải bồ hóng tăng theo, các chỉ tiêu
làm việc của động cơ đều xấu đi. Để ngăn ngừa hiện tƣợng này, mức độ cho phép
giảm áp suất nén nên giới hạn trong một phạm vi cụ thể, áp suất cuối kỳ nén động cơ
nghiên cứu không nên sụt giảm quá 12%. Từ kết quả nghiên cứu đạt đƣợc, nên phát
triển hƣớng nghiên cứu về ảnh hƣởng của một số yếu tố khác để chẩn đoán trạng thái
kỹ thuật cho động cơ nhƣ: Nhiệt độ nƣớc làm mát; Tính chất nhiên liệu; Điều kiện
xiv


phun nhiên liệu... Ứng dụng phƣơng pháp mô phỏng số trong nghiên cứu đối với một
số loại động cơ khác có kết cấu tƣơng tự để giảm thời gian và chi phí thực nghiệm.
Cần xây dựng tiêu chuẩn về: Độ giảm công suất, tăng suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt
độ khí xả cho phép, làm cơ sở cho việc đặt ngƣỡng cảnh báo về độ giảm áp suất cuối
kỳ nén (theo phần trăm) cho động cơ diesel.
Từ khóa: Động cơ diesel, tỷ số nén, áp suất nén, công suất, suất tiêu hao nhiên
liệu, phát thải NOx, phát thải bồ hóng.

xv


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu
Với những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với động cơ xăng về công suất và hiệu
suất làm việc hiện tại cũng như trong tương lai, động cơ diesel vẫn đang chứng tỏ
được vai trò không thể thay thế khi sử dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế như
giao thông vận tải, nông nghiệp, công nghiệp… Vì lý do đó, việc nghiên cứu nâng cao
chất lượng, hiệu suất động cơ diesel đang được quan tâm đặc biệt.

Hiện nay, xu hướng phát triển động cơ gia tăng dẫn đến ô nhiễm môi trường từ
khí thải cũng tăng theo, cần thiết phải tạo nên một động cơ diesel thế hệ mới có hiệu
suất cao, đồng nghĩa với sản phẩm cháy được đốt sạch, qua đó giải quyết được bài
toán tiết kiệm nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Có nhiều hướng nghiên cứu khác
nhau để khắc phục những nhược điểm trên, trong đó nghiên cứu nâng cao các thông số
tính năng làm việc của động cơ đang được các nhà sản xuất thực hiện, nhằm làm cho
quá trình cháy được hoàn thiện hơn, cũng như việc chẩn đoán sửa chữa và phục hồi lại
động cơ nhanh chóng để tăng khả năng làm việc của động cơ.
Công tác kiểm tra bảo dưỡng định kỳ phải thường xuyên và rất tốn kém về thời
gian, công sức và kinh phí khi xác định trạng thái kỹ thuật của động cơ, để có thể
quyết định cho động cơ tiếp tục hoạt động hay buộc động cơ phải dừng hoạt động để
sửa chữa đảm bảo an toàn. Yêu cầu đặt ra là làm thế nào để động cơ không cần tháo
rời các chi tiết máy mà vẫn có thể chẩn đoán được nguyên nhân động cơ hư hỏng các
chi tiết bên trong.
Muốn xác định được nguyên nhân động cơ hư hỏng nhanh phải dựa vào thiết bị
chẩn đoán trạng thái kỹ thuật. Chẩn đoán kỹ thuật là tổng hợp tất cả các giải pháp để
xác định trạng thái của một hệ thống kỹ thuật và nhận biết hư hỏng mà không cần phải
tháo rời các chi tiết bên trong động cơ, đây là giải pháp quan trọng nhằm tăng tuổi thọ,
độ tin cậy,...giảm chi phí đại tu bảo dưỡng. Trong đó, nghiên cứu ảnh hưởng áp suất
cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel sẽ góp phần chẩn đoán được
tình trạng nhóm bao kín buồng cháy và do đó xác định được trạng thái kỹ thuật của
động cơ, giúp cho công tác khai thác động cơ được an toàn và kịp thời ngăn ngừa,
khắc phục sự cố hư hỏng.
1


2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến tính năng kỹ thuật động cơ
diesel nhằm chẩn đoán giới hạn cần sửa chữa đối với nhóm bao kín buồng cháy động

cơ.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Áp suất cuối kỳ nén và tính năng kỹ thuật động cơ diesel.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất, suất tiêu hao nhiên
liệu có ích và phát thải khí xả động cơ diesel 4CHE Yanmar.
3. Phương pháp và nội dung nghiên cứu
3.1. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
3.2. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về động cơ diesel, mối quan hệ giữa công suất, suất tiêu
hao nhiên liệu của động cơ và phát thải bồ hóng, NOx theo áp suất cuối kỳ nén: Ne, ge,
bồ hóng, NOx = f(p c);
- Thực nghiệm xác định tỷ số nén và đo áp suất cuối kỳ nén;
- Đo công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí xả của động cơ diessel
4CHE Yanmar khi thay đổi áp suất cuối kỳ nén;
- Đề xuất giới hạn sụt giảm cho phép của áp suất cuối kỳ nén (phải sửa chữa,
khôi phục nhóm bao kín buồng cháy).
4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài luận văn
Đề tài tập trung phân tích lý thuyết, để xây dựng mối quan hệ toán học về ảnh
hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến thông số tính năng động cơ. Thông qua đó, thực
nghiệm đánh giá ảnh hưởng của áp suất cuối kỳ nén đến công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu, hàm lượng phát thải (bồ hóng, NOx), làm cơ sở khuyến cáo về giới hạn
giảm áp suất cuối kỳ nén, góp phần nâng cao công tác chẩn đoán động cơ diesel.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Khái quát chung về sự phát triển của động cơ diesel

1.1.1. Động cơ diesel
Động cơ diesel được phát minh bởi Rudolf Diesel năm 1892, là động cơ được sử
dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực với các mục đích khác nhau do có ưu điểm về chi
phí nhiên liệu thấp, hiệu suất cao hơn so với động cơ xăng [24]. Hiện nay, động cơ
diesel đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong đó, nghiên cứu những
yếu tố liên quan đến tính năng kỹ thuật của động cơ để giảm ô nhiễm khí thải là vấn đề
cấp thiết.
Động cơ diesel hoạt động theo nguyên lý nhiên liệu tự bốc cháy. Nhiên liệu được
phun vào buồng cháy ở cuối quá trình nén. Trong đó, không khí đã được nén tới áp lực
khoảng 41,5 ÷ 45,5 kG/cm2 và đạt tới nhiệt độ trên 500K. Nhiệt độ này đủ để làm
nhiên liệu tự bốc cháy và khí giãn nở làm tăng áp lực lên tới trên 70 kG/cm2 [2], [7].
Áp lực này tác động lên piston và làm piston chuyển động. Chuyển động tịnh tiến của
piston thông qua cơ cấu trục khuỷu thanh truyền tạo thành chuyển động quay của trục
khuỷu:
- Về tính kinh tế: Động cơ diesel có hiệu suất nhiệt cao nhất trong tất cả các loại
động cơ nhiệt do tỷ số nén cao, từ 15:1 ÷ 22:1. Động cơ diesel tốc độ chậm (thường sử
dụng cho tàu thủy) có thể đạt hiệu suất nhiệt hơn 50%. So với động cơ xăng có cùng
công suất, động cơ diesel có lượng tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 20% [13], [14].
- Về mômen: Động cơ diesel có mômen cực đại đạt được ở số vòng quay thấp
nên được sử dụng trên các phương tiện xe đầu kéo, tải nặng, giúp việc điều khiển êm
hơn động cơ xăng.
- Về độ tin cậy: Do không sử dụng hệ thống đánh lửa điện cao áp, nên động cơ
diesel có độ tin cậy cao và không gây ra các hiện tượng nhiễu tần số vô tuyến, điều
này rất quan trọng trong thông tin liên lạc.
- Về tuổi thọ: Tuổi thọ động cơ diesel thường gấp đôi động cơ xăng do các chi
tiết có kết cấu cứng vững hơn. Bản thân dầu diesel cũng có tính chất bôi trơn tốt hơn
3


xăng nên ít gây hại màng dầu bôi trơn trên xécmăng và piston, giúp tăng tuổi thọ động

cơ.
- Về độ an toàn: Dầu diesel có tính bay hơi và bắt lửa thấp hơn xăng nên được sử
dụng rộng rãi đặc biệt trong tàu thủy thay cho xăng, vì hơi xăng tích tụ đáy tàu dễ gây
ra cháy nổ.
- Về độ tăng công suất: Động cơ diesel dễ dàng tăng áp suất khí nạp với
turbocharger, giúp tăng lượng không khí nạp vào buồng cháy, từ đó tăng được lượng
nhiên liệu có thể đốt và tăng công suất. Áp suất gia tăng này chỉ bị giới hạn bởi kết cấu
các chi tiết của động cơ. Trong khi đó áp suất gia tăng trong quá trình nạp của động cơ
xăng có thể gây kích nổ.
- Về sử dụng nhiên liệu: Có thể sử dụng nhiên liệu sinh học (Biodiesel):
Biodiesel có thể tổng hợp từ nhiều nguồn khác dầu mỏ và có thể sử dụng ngay trên
động cơ diesel mà không cần cải tạo, trong khi động cơ xăng cần nhiều điều chỉnh hơn
khi dùng nhiên liệu tổng hợp (Ethanol) [15].
1.1.2. Sự phát triển của động cơ diesel
Hiện nay, các tiến bộ công nghệ được áp dụng như phun nhiên liệp áp suất cao
(Commonrail system), tăng áp (Turbocharger), kim phun điện tử, các hệ thống lọc khí
thải, …như trên hình 1.1. Tính đến năm 2005 động cơ diesel đã gia tăng công suất
135%, mômen 160%, bên cạnh đó là giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ đến 20% và giảm
đến 99% hàm lượng phát thải bồ hóng so với năm 1983 như trên hình 1.2 [12], [16].

Hình 1.1. Sự kết hợp các công nghệ mới trong chế tạo động cơ diesel [12]
4


Hình 1.2. Những tiến bộ của động cơ diesel [16]
Với các ưu điểm trên, động cơ diesel hiện nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực khác nhau như: giao thông vận tải bộ, vận tải thủy và các ngành công nghiệp
khác phục vụ cho lợi ích của con người.
Trước đây, các loại động cơ diesel vốn rất hiếm khi được lắp trên xe con bởi
những yếu điểm của loại động cơ này là tiếng ồn lớn, tăng tốc kém, nhiều khói… Đến

nay, việc sử dụng xe có động cơ diesel bắt đầu trở thành một xu hướng. Phân khúc xe
con sử dụng động cơ diesel đã và đang gia tăng đáng kể trên toàn thế giới trong thời
gian gần đây. Tại Anh quốc, lượng xe con trang bị động cơ diesel đã gia tăng hơn 3,5
lần, đạt 50,6% vào năm 2011 so với 14,1% của năm 2000 (hình 1.3). Nếu tính cho
toàn Châu âu, tỷ lệ này là 55% và trên toàn thế giới là 27% (hình 1.4).

Hình 1.3. Thị phần xe con trang bị động cơ diesel tại Anh [16]
5


Hình 1.4. Thị phần xe con trang bị động cơ diesel trên thế giới và tại châu Âu [16]
Động cơ diesel là lựa chọn gần như duy nhất cho dòng xe thương mại, gồm các
xe tải nhẹ, xe tải nặng, xe buýt do tính kinh tế nhiên liệu, độ tin cậy và bền lâu của
động cơ diesel. Trong vận tải thủy, động cơ diesel tốc độ chậm được sử dụng từ năm
1910 thay cho các máy hơi nước. Xe lửa, nhà máy điện, các máy nông nghiệp, máy
xây dựng … là nơi tiêu thụ số lượng lớn động cơ diesel. Hàng năm có khoảng 20.000
đến 30.000 động cơ diesel mới được sử dụng [16].
Một trong những lý do khiến nhu cầu ngày càng tiếp nhận sử dụng động cơ
diesel là việc giảm ô nhiễm được khắc phục, vì phát thải ô nhiễm từ động cơ diesel
vỗn dĩ lớn hơn so với động cơ xăng. Trong đó, hai dạng phát thải nguy hiểm là bồ
hóng (được đánh giá qua độ mờ khói) và oxit nitơ (NOx):
- Bồ hóng:
Thuật ngữ bồ hóng chỉ một loại vật liệu hóa than hình thành từ quá trình cháy
của nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy. Các hạt bồ hóng này cấu thành từ ba nhóm
chính như trên Hình 1.5:
+ Nhóm các hạt rắn (Solid fraction - SOL): Các hạt carbon, tro.
+ Nhóm các chất hữu cơ có thể hòa tan (Soluble Organic Fraction - SOF): Gồm vật
liệu hữu cơ có nguồn gốc từ dầu bôi trơn và dầu diesel.
+ Nhóm các hạt sunphát (Sulfate particulates - SO4): Gồm Acid sulfuric và nước.

Hình 1.5. Thành phần bồ hóng từ khí thải động cơ diesel [16]
6


Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, đặc điểm của quá trình
cháy, dạng động cơ cũng như thời hạn sử dụng của động cơ. Thành phần bồ hóng
trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao khác với nhiên liệu
có hàm lượng lưu huỳnh thấp [13]. Hiện nay cơ chế hình thành bồ hóng từ quá trình
cháy trong động cơ diesel vẫn còn gây nhiều tranh cãi vì liên quan đến các hiện tượng
xảy ra ở nhiệt độ cao, áp suất lớn, với mỗi loại nhiên liệu khác nhau sẽ có thành phần
và phản ứng hóa học phức tạp trong hỗn hợp cháy tạo bồ hóng khác nhau.
- Oxit nitơ (NO x):
NOx là họ các oxit nitơ, trong đó monoxit nitơ (NO) chiếm tỷ lệ lớn, là kết quả
của sự kết hợp giữa ôxy và nitơ trong không khí ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất
lớn trong buồng đốt. Nhiệt độ cần thiết để hình thành NOx là trên 2000K xuất hiện
trong kỳ nổ của động cơ. NOx có thành phần cấu tạo gồm 97% đến 98% NO và
khoảng 2% NO2. NO bản thân là chất khí không màu nhưng khi kết hợp với ôxy để
hình thành NO2 thì nó lại có màu hơi nâu. Khi NO2 kết hợp với hydrocarbon dưới tác
động của ánh sáng mặt trời sẽ gây nên hiện tượng quang hoá.
Do giai đoạn cháy khuếch tán diễn ra sau thời kỳ cháy trễ. Sự phân bố nhiệt độ
và thành phần khí cháy trong không gian buồng cháy là không đồng nhất. Với quá
trình cháy khuếch tán, màng lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ có thành phần hỗn
hợp gần với giá trị cháy lý thuyết. Trong quá trình này luôn tồn tại những khu vực hay
các “túi” không khí có nhiệt độ thấp. Nhờ bộ phận không khí này mà NO hình thành
trong buồng cháy động cơ diesel được làm mát (gọi là sự “tôi” NO) nhanh chóng hơn
và do đó NO ít có khuynh hướng bị phân giải.
Cơ chế hình thành NOx của Zel’dovich thường được sử dụng trong tính toán NOx,
mô hình bao gồm các phương trình phản ứng chính như sau [13]:
O + N2  NO + N

(1-1)

N + O2  NO + O

(1-2)

N + OH  NO + H

(1-3)

Với những tiến bộ công nghệ và kỹ thuật trong việc hạn chế bồ hóng và phát thải
NOx (hình 1.6) đã giúp động cơ diesel được phát triển một cách rộng dãi trên khắp thế
giới. Bảng 1.1. Trình bày số lượng động cơ diesel được sản xuất và phân chia ở các
lãnh vực ứng dụng chính.
7


Hình 1.6. Phát triển kỹ thuật giảm ô nhiễm cho động cơ theo năm [16]
Bảng 1.1 Số lượng động cơ diesel sản xuất và phạm vi ứng dụng năm 2006
(Đơn vị: x 100) [16]

1.2. Ảnh hưởng của nhóm bao kín buồng cháy đến tính năng kỹ thuật động cơ
diesel
Ảnh hưởng của nhóm bao kín buồng cháy đến tính năng kỹ thuật của động cơ
diesel trong đó có áp suất cuối kỳ nén là một yếu tố quan trọng. Nhiều hướng nghiên
cứu về vấn đề này đã giúp động cơ diesel phát triển, nâng cao hiệu quả làm việc. Tuy
nhiên trong lĩnh vực khai thác, sử dụng động cơ luôn xảy ra các hiện tượng hư hỏng.
Một trong những hư hỏng không thể xác định dễ dàng bằng các phương pháp thông
8

thường là hư hỏng nhóm bao kín buồng cháy, điều này làm ảnh hưởng đến hiệu quả
làm việc của động cơ.
Áp suất cuối kỳ nén p c là tham số ra, phụ thuộc vào mức độ kín khít của
nhóm các chi tiêt bao kín buồng cháy: piston xéc măng - lót xylanh, xupáp, đế xupáp
và gioăng máy. Ở trạng thái mòn giới hạn p c giảm không nhiều do sự tích tụ muội than
trong buồng cháy làm tỷ số nén tăng lên bù dắp lại sự rò rỉ khí và phần thể tích do mài
mòn gây ra.
Áp suất cuối kỳ nén pc chịu ảnh hưởng khá nhiều yếu tố:
- Do sự trao đổi nhiệt trong suốt quá trình nén giữa môi chất công tác và
thành vách xylanh nên chỉ số nén đa biến không phải là hằng số (chỉ số nén đa biến
trong chu trình nén thực tế rất phức tạp và không ngừng thay đổi về trị số lẫn chiều,
hướng truyền nhiệt giữa môi chất công tác và vách xylanh, giữa bộ phận nhiên liệu đã
bốc hơi và chưa bốc hơi hoặc với nhiên liệu vừa mới phun vào trong buồng cháy).
- Do sự tồn tại lượng khí sót cũng như nhiên liệu trong môi chất công tác
làm tỷ nhiệt của môi chất cũng luôn biến đổi.
- Chịu ảnh hưởng của các điều kiện sử dụng (tốc độ, công suất, sức cản
đường ống nạp…) và pha phân phối khí.
- Do hư hỏng nhóm piston xéc măng - lót xylanh, gioăng máy, xupáp không
đóng kín v.v…
Như vậy, riêng áp suất cuối kỳ nén p c không phản ánh tình trạng kỹ thuật cụ
thể một bộ phận hoặc chi tiết nào hư hỏng, mà chỉ là tham số phản ánh trạng thái
chung. Nhưng sự giảm đột ngột của áp suất cuối kỳ nén pc có thể cho phép kết luận có
sự cố cần phải khắc phục. Chẳng hạn như sự bó kẹt xéc măng, gãy xéc măng, xupáp
cong vênh, cháy mặt tiếp xúc của xupáp và đế, nắp máy bị cong vênh, đai ốc nắp quy
lát không chặt, gioăng đệm quy lát bị rách hỏng v.v…
Về mặt lý thuyết, áp suất cuối kỳ nén pc phụ thuộc vào áp suất trong xylanh
đầu quá trình nạp (pa), tỷ số nén (ε) và chỉ số nén đa biến trung bình (n1). Trong đó, chỉ
số nén đa biến trung bình luôn thay đổi trên toàn bộ đường nén. Nếu ở trạng thái động
cơ không làm việc hoặc giữ nhiệt độ và tốc độ động cơ không đổi trong suốt quá trình

đo…thì có thể coi n1 như một hằng số:
p c  p a .ε n1

Đối với động cơ xăng: n1 = 1,34  1,36;
9

(1-4)


Động cơ diesel: n 1 = 1,368  1,372 [3], [7].
Chỉ số nén n 1 được giữ không đổi, khi đó ảnh hưởng lớn nhất đến pc là pa.
Tuy nhiên, như đã phân tích ở trên, pa chịu ảnh hưởng của các tham số kết cấu đường
nạp (sức cản bầu lọc gió, đường ống nạp, bướm gió…), kết cấu hệ thống phân phối khí
và mức độ kín khít nhóm bao kín buồng cháy.
Piston và nhóm xéc măng chịu tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt lớn do biến đổi
áp suất và nhiệt độ theo chu kỳ trong xylanh. Nguyên nhân hay gặp nhất làm ảnh
hưởng đến hoạt động và hư hỏng trong khu vực xylanh là các hư hỏng của piston và
xéc măng. Tuy nhiên, các hiện tượng mòn xupáp nạp và xupáp thải cũng như hư hỏng
tại nắp xylanh, tại gioăng nắp máy cũng có thể là những nguyên nhân làm thay đổi tính
chất hoạt động của động cơ. Dưới đây là những phân tích các hư hỏng có thể xảy ra tại
các thành phần kết cấu và tác động của chúng đến quá trình phun và quá trình cháy của
động cơ. Nứt hoặc cháy piston có thể dẫn đến hư hỏng hoàn toàn xylanh và tiếp tục
xuất hiện hư hỏng động cơ với xác suất lớn. Khi hư hỏng xéc măng, dẫn đến hỏng
chức năng làm kín, làm tăng lọt khí và tăng hao tổn áp suất nén trong xylanh, từ đó
làm giảm hiệu suất của quá trình cháy, giảm mômen sinh ra, dẫn đến chuyển động
quay không đều của trục khuỷu, làm tăng tải trọng động lực học lên cơ cấu biên tay
quay, đặc biệt lên các gối đỡ. Hư hỏng ở xéc măng càng tăng, càng làm giảm áp suất
nén và mômen sinh ra trong xylanh.
Xupáp nạp và xupáp xả có chức năng đóng kín buồng đốt có thể bị hư hỏng trong
quá trình hoạt động, đế và nấm xupáp chịu ăn mòn hóa học, chịu nhiệt độ cao, chịu va

đập và mài mòn mạnh. Khi cốc hóa, muội than bám trên một phần vành nấm xupáp sẽ
làm nó đóng không kín, điều này dẫn đến trục trặc về chức năng làm kín buồng đốt,
làm hao tổn áp suất nén trong xylanh, quá trình cháy tại đó yếu đi và làm giảm mômen
của xylanh. Điều khiển xupáp được thực hiện bởi trục cam, do đó mòn biên dạng cam
sẽ tác động đến tính chất hoạt động của động cơ. Thời gian sử dụng của động cơ càng
lớn, biên dạng cam càng bị mòn nhiều, làm thay đổi thời gian nạp, thải và làm giảm
công suất động cơ.
Hư hỏng nắp máy và gioăng nắp máy có thể gây nên hậu quả nghiêm trọng cho
động cơ, đặc biệt khi chất lỏng làm mát lọt từ hệ thống làm mát vào buồng đốt. Nếu
xuất hiện lọt nước vào buồng đốt sẽ tăng mạnh tải trọng lên cơ cấu biên tay quay trong
thời kỳ nén khi khởi động, dẫn đến hư hỏng nặng khu vực biên và ổ đỡ. Những hư
10