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

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC NGUYỄN TIẾN HÁN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ DIESEL ĐANG LƢU HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2014 TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC NGUYỄN TIẾN HÁN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ DIESEL ĐANG LƢU HÀNH Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS Phạm Minh Tuấn 2. PGS. TS Khổng Vũ Quảng Hà Nội –2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Nghiên cứu sinh Nguyễn Tiến Hán -i- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Khổng Vũ Quảng 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 án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty Diesel Sông Công, Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ thực hiện chế tạo và thử nghiệm để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ôtô và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Tiến Hán -ii- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................................ viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................................... 1 i. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ......................................................................... 1 ii. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................................................ 2 iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................................................... 2 iv. Các nội dung chính trong đề tài ............................................................................................................. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................................................................ 4 1.1. Xu hƣớng phát triển động cơ đốt trong .............................................................................................. 4 1.2. Thành quả đạt đƣợc trong công nghệ phát triển động cơ đốt trong ................................................ 4 1.2.1. Cải tiến kết cấu động cơ ................................................................................................................ 4 1.2.2. Ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử trong động cơ đốt trong ................................................. 5 1.2.3. Sử dụng nhiên liệu thay thế ........................................................................................................... 7 1.3. Tăng áp cho động cơ đốt trong ............................................................................................................ 8 1.3.1. Xu hướng phát triển và các biện pháp tăng áp cho động cơ .......................................................... 8 1.3.2. Tình hình nghiên cứu tăng áp cho động cơ diesel đang lưu hành................................................ 15 1.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................................................... 19 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ CẢI TIẾN TĂNG ÁP BẰNG TUABIN MÁY NÉN CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .......................................................................................................................................................... 20 2.1. Quan điểm và điều kiện để thực hiện tăng áp bằng TB-MN cho động cơ...................................... 20 2.1.1. Quan điểm cải tiến tăng áp .......................................................................................................... 20 2.1.2. Điều kiện để thực hiện tăng áp .................................................................................................... 20 2.1.3. Xây dựng quy trình thực hiện tăng áp bằng TB-MN cho động cơ diesel đang lưu hành ............ 21 2.2. Cơ sở lý thuyết xác định khả năng tăng áp ....................................................................................... 23 2.2.1. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost ............................................................... 23 2.2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Excite Designer ............................................... 30 2.2.3. Xác định tỷ số tăng áp ................................................................................................................. 34 2.3. Cơ sở tính toán lựa chọn cụm TB-MN .............................................................................................. 36 2.3.1. Xác định các thông số đầu vào cho cụm TB-MN ........................................................................ 36 2.3.2. Tính toán lựa chọn cụm TB-MN ................................................................................................. 36 2.4. Cơ sở tính toán, cải tiến các hệ thống khi thực hiện tăng áp ........................................................... 38 2.4.1. Lựa chọn tỷ số nén phù hợp cho động cơ khi tăng áp ................................................................. 38 2.4.2. Cải tiến cơ cấu phân phối khí ...................................................................................................... 39 2.4.3. Cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu.......................................................................................... 40 2.4.4. Thiết kế hệ thống nạp và thải ...................................................................................................... 42 2.4.5. Cải tiến hệ thống làm mát............................................................................................................ 46 2.4.6. Cải tiến hệ thống bôi trơn ............................................................................................................ 47 2.5. Tính toán kiểm nghiệm bền các chi tiết............................................................................................. 47 -iii- 2.6. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................................................... 48 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN, CẢI TIẾN TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ D243 ............................................ 50 3.1. Đối tƣợng thực hiện cải tiến tăng áp.................................................................................................. 50 3.2. Xây dựng đ c tính động cơ D243 trong ph ng thí nghiệm .............................................................. 50 3.2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ D243 .......................................................................................... 51 3.2.2. Trang thiết bị thử nghiệm ............................................................................................................ 52 3.2.2. Kết quả thử nghiệm động cơ D243 trên băng thử ....................................................................... 55 3.3. Tính toán khả năng tăng áp động cơ D243 ....................................................................................... 55 3.3.1. Tính toán chu trình nhiệt động của động cơ D243 khi tăng áp bằng phần mềm AVL-Boost ..... 55 3.3.2. Tính toán khả năng bền của động cơ D243 khi tăng áp bằng phần mềm AVL-Excite Designer 59 3.4. Lựa chọn TB-MN cho động cơ D243 khi tăng áp ............................................................................. 64 3.5. Đánh giá tính năng làm việc của động cơ sau tăng áp ..................................................................... 66 3.5.1. Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sau khi tăng áp ........................... 66 3.5.2. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số làm việc đến đặc tính động cơ sau khi tăng áp ............... 69 3.6. Tính toán cải tiến các hệ thống cho động cơ D243 khi thực hiện tăng áp ...................................... 71 3.6.1. Tính toán hiệu chỉnh hệ thống nhiên liệu động cơ D243 khi thực hiện tăng áp .......................... 71 3.6.2. Tính toán cải tiến đường nạp và thải cho động cơ D243 khi thực hiện tăng áp .......................... 73 3.6.3. Tính toán cải tiến HTBT động cơ D243 khi thực hiện tăng áp ................................................... 79 3.6.4. Tính toán cải tiến HTLM động cơ D243 khi thực hiện tăng áp................................................... 85 3.7. Kiểm nghiệm bền chi tiết piston, thanh truyền và nắp máy động cơ D243 sau tăng áp ............... 91 3.7.1. Giới thiệu chung .......................................................................................................................... 91 3.7.2. Xây dựng mô hình ....................................................................................................................... 91 3.7.3. Tính toán ứng suất tác dụng lên các chi tiết sau khi tăng áp ....................................................... 93 3.8. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................................................. 101 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................................... 103 4.1. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm ..................................................................................................... 103 4.2. Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................................................ 103 4.2.1. Động cơ thử nghiệm .................................................................................................................. 103 4.2.2. Băng thử động cơ ...................................................................................................................... 103 4.2.3. Thiết bị đo khí thải .................................................................................................................... 104 4.2.4. Các thiết bị khác ........................................................................................................................ 106 4.3. Điều kiện thử nghiệm ........................................................................................................................ 107 4.4. Bố trí lắp đ t và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử........................................................................ 108 4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận .................................................................................................... 109 4.5.1. Đánh giá tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ trước và sau khi tăng áp .......................... 109 4.5.2. Đánh giá các thông số làm việc của động cơ trước và sau khi tăng áp...................................... 110 4.5.3. So sánh độ khói trước và sau tăng áp ........................................................................................ 112 4.6. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm .................................................................................. 112 4.7. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................................................. 114 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................... 115 Kết luận chung ......................................................................................................................................... 115 Phƣơng hƣớng phát triển ........................................................................................................................ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................................... 117 -iv- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ĐCĐT ĐCT ĐCD ECU i-VTEC AVTEC VANOS VTEC VTEC-E VVT-i VVTL-i HCCI EGR EFI GDI CR HC NG CNG CTL GTL LNG LPG BTL DME HVO FAME AVL-Boost AVL-Excite Designer CFD Gambit Fluent FDM FVM FEM Diễn giải Động cơ đốt trong Điểm chết trên Điểm chết dưới Khối xử lý trung tâm HT điều khiển pha phối khí và độ nâng xupáp thông minh Hệ thống điều khiển phân phối khí Honda Hệ thống điểu khiển cam nạp và cam xả BMW HT điều khiển điện tử thời gian phối khí và độ nâng xupáp Hệ thống bộ truyền động van Cơ cấu phân phối khí thông minh Hệ thống điều khiển điện tử thời điểm phân phối khí Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất Luân hồi khí thải Phun xăng điện tử Phun xăng trực tiếp Common Rail Hydrocacbone Khí thiên nhiên Khí thiên nhiên nén Than đá hóa lỏng Khí hóa lỏng Khí thiên nhiên hóa lỏng Khí dầu mỏ hóa lỏng Sinh khối hóa lỏng Dimethyl Ether Dầu mỡ động vật hydrô hóa Diesel sinh học Phần mềm mô phỏng chu trình nhiệt động của động cơ Phần mềm tính toán trục khuỷu Tính toán động lực học chất lưu có sự trợ giúp của máy tính Công cụ hỗ trợ chia lưới Phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy Phương pháp sai phân hữu hạn Phương pháp thể tích hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn -v- Catia Ansys GTVT HTBT HTLM HTNL BCA PSA PTN ETB APA MP TN TB MN TB-MN WG THA 100 PUMA EMCON Phần mềm đồ họa Catia Phần mềm tính toán phân tích kết cấu Giao thông vận tải Hệ thống bôi trơn Hệ thống làm mát Hệ thống nhiên liệu Bơm cao áp Thiết bị đo áp suất khí Phòng thí nghiệm Băng thử động lực học cao Phanh điện APA Mô phỏng Thử nghiệm Tuabin Máy nén Cụm tuabin máy nén Van xả Bộ điều khiển tay ga Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển động cơ và băng thử -vi- DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải ......................................... 28 Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ D243 ........................................................................ 51 Bảng 3.2. Kết quả thử nghiệm đường đặc tính ngoài động cơ D243............................................... 55 Bảng 3.3. Các phần tử xây dựng mô hình động cơ D243 ................................................................ 56 Bảng 3.4. Dữ liệu điều khiển chung mô hình động cơ D243 nguyên bản ....................................... 56 Bảng 3.5. Bảng so sánh kết quả chạy mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) ................................. 57 Bảng 3.6. Các phần tử xây dựng mô hình động cơ D243 tăng áp ................................................... 58 Bảng 3.7. Các thông số chung mô hình ........................................................................................... 59 Bảng 3.8. Kết quả tính toán bền trục khuỷu tại tỷ số tăng áp πk = 1,5 ............................................. 64 Bảng 3.9. Thông số kỹ thuật cụm TB-MN GT2554R ..................................................................... 66 Bảng 3.10. Thông số đo trên AVL-Boost của động cơ D243 tăng áp tại chế độ định mức............. 77 Bảng 3.11. Kết quả tính hệ thống bôi trơn cho động cơ D243 khi tăng áp...................................... 84 Bảng 3.12. Phần trăm nhiệt lượng chuyển hóa trước và sau tăng áp .............................................. 86 Bảng 3.13. Kết quả tính hệ thống làm mát cho động cơ D243 khi tăng áp ..................................... 90 Bảng 3.14. Thông số vật liệu nắp máy ............................................................................................ 94 Bảng 3.15. Thông số đầu vào mô hình tính toán nắp máy............................................................... 95 Bảng 3.16. Thông số chia lưới nắp máy .......................................................................................... 96 Bảng 3.17. Thông số vật liệu thanh truyền ...................................................................................... 97 Bảng 3.18. Thông số chia lưới thanh truyền .................................................................................... 98 Bảng 3.19. Thông số vật liệu piston ................................................................................................ 99 Bảng 3.20. Thông số đầu vào mô hình piston ............................................................................... 100 Bảng 3.21. Thông số chia lưới piston ............................................................................................ 100 Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật thiết bị đo áp suất tăng áp PSA-1 .................................................... 106 Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ TM-902C............................................................ 107 Bảng 4.3. Kết quả thử nghiệm động cơ D243 nguyên bản ............................................................ 109 Bảng 4.4. Kết quả thử nghiệm động cơ D243 tăng áp ................................................................... 109 Bảng 4.5. Kết quả so sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm của động cơ D243 tăng áp .................................................................................................................... 112 Bảng 4.6. 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 ................................................................................................. 113 -vii- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp ...................................................................................... 7 Hình 1.2. Phân loại các loại nhiên liệu thay thế dùng cho ĐCĐT ..................................................... 7 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí ......................................................................................... 9 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng TB khí liên hệ khí thể ...................................................... 10 Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý phương án tăng áp hỗn hợp cho động cơ.............................................. 11 Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống tăng áp dao động..................................................................................... 12 Hình 1.7. Nguyên lý của đường ống nạp có chiều dài thay đổi vô cấp ........................................... 13 Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống tăng áp cộng hưởng ................................................................................ 13 Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng sóng khí ............................................................................. 14 Hình 1.10. Sơ đồ khai triển thể hiện quá trình truyền sóng áp suất trong bộ tăng áp bằng sóng áp suất ................................................................................................................................................... 15 Hình 2.1. Quy trình cải tiến tăng áp bằng TB-MN cho động cơ diesel đang lưu hành ................... 22 Hình 2.2. Mô hình cân bằng năng lượng trong xylanh .................................................................... 25 Hình 2.3. Cấu trúc bộ phần mềm CFD Fluent ................................................................................. 43 Hình 2.4. Ứng dụng CFD Fluent mô phỏng động cơ đốt trong ....................................................... 44 Hình 3.1. Động cơ D243 ................................................................................................................. 50 Hình 3.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ....................................................................................... 52 Hình 3.3. Sơ đồ phòng thử động lực cao ETB................................................................................. 52 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý làm việc của phanh điện APA 100 ....................................................... 53 Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 .......................................... 53 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553............................................................ 54 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S ........................................... 54 Hình 3.8. Mô hình động cơ D243 nguyên bản ................................................................................ 56 Hình 3.9. Đặc tính công suất và tiêu hao nhiên liệu giữa MP và TN .............................................. 57 Hình 3.10. Mô hình động cơ D243 tăng áp ..................................................................................... 58 Hình 3.11. Diễn biến áp suất xylanh theo oTK ................................................................................ 58 Hình 3.12. Mô hình động cơ D243 trên AVL-Excite Designer ...................................................... 59 H nh 3.13. Thông số kết cấu của thanh truyền ................................................................................ 60 H nh 3.14. Thông số hình học chốt khuỷu ...................................................................................... 60 H nh 3.15. Kết cấu chi tiết trục khuỷu ............................................................................................. 60 Hình 3.16. Thông số của má khuỷu ................................................................................................. 60 H nh 3.17. Thông số đối trọng lắp trên má khuỷu ........................................................................... 60 Hình 3.18. Ứng suất uốn trên má khuỷu.......................................................................................... 61 Hình 3.19. Ứng suất xoắn trên má khuỷu ........................................................................................ 61 Hình 3.20. Phân bố lực tác dụng trên chốt khuỷu tại tốc độ 2200 v/ph........................................... 62 Hình 3.21. Phân bố lực tác dụng trên chốt khuỷu tại tốc độ 1400 v/ph........................................... 62 Hình 3.22. Phân bố lực tác dụng trên cổ khuỷu tại tốc độ 1400 v/ph .............................................. 62 Hình 3.23. Phân bố lực tác dụng trên cổ khuỷu tại tốc độ 2200 v/ph .............................................. 62 Hình 3.24. Phân bố ứng suất tại các góc lượn của chốt khuỷu ........................................................ 63 Hình 3.25. Phân bố ứng suất tại các góc lượn của cổ khuỷu ........................................................... 63 Hình 3.26. Đặc tính MN cung cấp bởi hãng Garrett........................................................................ 64 -viii- H nh 3.27. Đặc tính TB-MN GT2554R ........................................................................................... 65 H nh 3.28. Đặc tính TB-MN GT1548 ............................................................................................. 65 Hình 3.29. Cụm TB-MN GT2554R................................................................................................. 66 Hình 3.30. Đặc tính công suất và tiêu hao nhiên liệu trước và sau tăng áp ..................................... 67 H nh 3.31. So sánh biến thiên nhiệt độ và áp suất tại n 22 v ph............................................... 67 H nh 3.32. Phát thải soot trước và sau khi tăng áp .......................................................................... 68 H nh 3.33. Phát thải CO trước và sau tăng áp ................................................................................. 68 H nh 3.34. Phát thải NOx trước và sau tăng áp ................................................................................ 68 Hình 3.35. Ảnh hưởng của tỷ số nén tới Ne và pzmax........................................................................ 69 Hình 3.36. Ảnh hưởng của φs tới Ne ................................................................................................ 70 Hình 3.37. Ảnh hưởng của φs tới pzmax ............................................................................................ 70 Hình 3.38. Ảnh hưởng của áp suất phun tới pzmax............................................................................ 71 Hình 3.39. Ảnh hưởng của áp suất phun tới Ne ............................................................................... 71 Hình 3.40. Động cơ D243 nguyên bản ............................................................................................ 73 Hình 3.41. Kết cấu đường nạp động cơ D243 nguyên bản.............................................................. 74 Hình 3.42. Kết cấu đường nạp động cơ D243 khi tăng áp .............................................................. 74 Hình 3.43. Phương án ghép nối cổ góp trên đường thải động cơ D243 khi tăng áp ....................... 75 Hình 3.44. Kết cấu đường thải động cơ D243 nguyên bản ............................................................. 76 Hình 3.45. Kết cấu đường thải động cơ D243 khi tăng áp .............................................................. 76 Hình 3.46. Kết cấu đường thải sau cải tiến ...................................................................................... 76 Hình 3.47. Mô hình dòng khí thải trong đường thải sau cải tiến ..................................................... 76 Hình 3.48. Quá trình xây dựng và mô phỏng mô hình dòng khí thải trong đường thải cải tiến ...... 78 Hình 3.49. Vận tốc lưu động dòng khí trong đường thải cải tiến .................................................... 78 Hình 3.50. Động cơ D243 sau cải tiến đường nạp, thải................................................................... 79 Hình 3.51. Lưu đồ tính toán cải tiến hệ thống bôi trơn ................................................................... 79 Hình 3.52. Chương trình tính Vbct bằng Matlab .............................................................................. 80 Hình 3.53. Chương trình tính Vb bằng Matlab ................................................................................ 82 Hình 3.54. Cặp bánh răng dẫn động bơm dầu Z1 và Z2 ................................................................... 83 Hình 3.55. Chương trình tính Qms, Qdm và Qtn bằng Matlab ............................................................ 84 Hình 3.56. Lưu đồ tính toán cải tiến hệ thống làm mát ................................................................... 85 Hình 3.57. Chương trình tính lưu lượng bơm nước bằng Matlab.................................................... 87 Hình 3.58. Chương trình tính két nước bằng Matlab....................................................................... 89 Hình 3.59. Chi tiết puly bơm nước .................................................................................................. 90 Hình 3.60. Nắp máy động cơ D243 ................................................................................................. 92 Hình 3.61. Mô hình nắp máy hoàn chỉnh ........................................................................................ 92 Hình 3.62. Mô hình nhìn t dưới ..................................................................................................... 92 Hình 3.63. Mô hình nhìn t trên ...................................................................................................... 92 Hình 3.64. Mặt cắt qua đường thải .................................................................................................. 92 Hình 3.65. Mặt cắt nắp máy ........................................................................................................ 92 H nh 3.66. Mô hình chi tiết piston ................................................................................................... 93 H nh 3.67. Mô hình chi tiết thanh truyền ........................................................................................ 93 Hình 3.68. Đặt liên kết .................................................................................................................... 95 Hình 3.69. Đặt lực tác dụng ............................................................................................................. 95 -ix- Hình 3.70. Trên nắp xylanh ............................................................................................................. 95 Hình 3.71. Trên toàn nắp máy ......................................................................................................... 95 H nh 3.72. Chia lưới mô hình nắp máy ........................................................................................... 96 Hình 3.73. Ứng suất cơ tác dụng lên nắp máy ................................................................................. 97 Hình 3.74. Ứng suất nhiệt tác dụng lên nắp máy............................................................................. 97 Hình 3.75. Chuyển vị các điểm trên nắp máy.................................................................................. 97 Hình 3.76. Mô hình đặt lực tác dụng lên thanh truyền .................................................................... 98 H nh 3.77. Ứng suất tác dụng lên thân thanh truyền ....................................................................... 99 Hình 3.78. Mô hình chia lưới piston.............................................................................................. 100 H nh 3.79. Ứng suất tác dụng lên piston nhìn bên ngoài ............................................................ 100 H nh 3.80. Ứng suất tác dụng lên piston (mặt cắt dọc) ................................................................. 100 Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ..................................................................................... 104 Hình 4.2. Lắp đặt động cơ trên băng thử Meiden .......................................................................... 104 Hình 4.3. Tủ điều khiển và màn hình hiển thị Meiden .................................................................. 104 Hình 4.4. Thiết bị đo độ khói AVL Dismoke 4000 ....................................................................... 105 Hình 4.5. Cấu tạo buồng đo độ khói .............................................................................................. 105 Hình 4.6. Thiết bị đo áp suất tăng áp PSA-1 ................................................................................. 106 Hình 4.7. Lắp đặt cảm biến đo nhiệt độ đường nạp, thải động cơ ................................................. 106 Hình 4.8. Thiết bị đo lưu lượng khí nạp ........................................................................................ 107 Hình 4.9. Lắp đặt động cơ trên băng thử ....................................................................................... 108 Hình 4.10. Lắp đặt cụm TB-MN lên động cơ................................................................................ 108 Hình 4.11. Bố trí lắp đặt HTLM .................................................................................................... 108 Hình 4.12. Kiểm tra hệ thống điều khiển băng thử ....................................................................... 108 Hình 4.13. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu .............................................................. 110 Hình 4.14. Tỷ số tăng áp theo tốc độ động cơ ............................................................................... 110 Hình 4.15. So sánh lưu lượng khí nạp ........................................................................................... 110 Hình 4.16. So sánh hệ số dư lượng không khí ............................................................................... 111 Hình 4.17. So sánh áp suất dầu bôi trơn ........................................................................................ 111 Hình 4.18. So sánh nhiệt độ nước làm mát .................................................................................... 112 Hình 4.19. So sánh độ khói trong khí thải ..................................................................................... 112 -x- MỞ ĐẦU Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, nhu cầu vận chuyển và nguồn động lực phục vụ công-nông nghiệp tăng nhanh dẫn tới số lượng các phương tiện, máy công tác sử dụng nhiên liệu diesel tăng lên rất nhanh như xe khách, xe tải và máy nông nghiệp, phát điện. Đa phần các phương tiện này được lắp ráp trong nước hoặc nhập khẩu t Liên Xô (cũ), Trung Quốc và Hàn Quốc, chỉ có một số lượng nhỏ được nhập t Nhật Bản, Đức. Phần lớn các xe đã qua sử dụng nên chất lượng động cơ rất thấp, tính năng vận hành như công suất thấp, tiêu hao nhiên liệu lớn, khả năng gia tốc kém… Nhờ sự phát triển của các ngành khoa học liên quan, ngành động cơ đốt trong đã có nhiều bước phát triển vượt bậc. Để đáp ứng nhu cầu về tính năng vận hành của các phương tiện giao thông, nhiều giải pháp hiệu quả đã được áp dụng. Trong đó, cường hóa cho động cơ bằng tăng áp là một giải pháp cho thấy hiệu quả rõ rệt. Đa phần các loại động cơ thế hệ mới nói chung, trong đó có động cơ diesel nói riêng đều được trang bị hệ thống tăng áp. Đối với Việt Nam, do nền công nghiệp chế tạo động cơ chưa thực sự phát triển, các loại phương tiện và động cơ do Liên Xô cũ sản xuất hiện còn đang được sử dụng rất nhiều, đặc biệt là các động cơ diesel không tăng áp. Nhu cầu cấp thiết đặt ra là nâng cao tính năng kỹ thuật của động cơ để đáp ứng yêu cầu về khả năng tải, khả năng cơ động và tính kinh tế nhiên liệu nhằm tận dụng tối đa khả năng khai thác những động cơ này. Giải pháp hiệu quả, có tính khả thi cao, thường được các nhà nghiên cứu động cơ ở Việt Nam lựa chọn là cường hóa những loại động cơ này bằng tăng áp tuabin khí thải. Việc thực hiện tăng áp bằng tuabin khí thải trên động cơ diesel thế hệ cũ đã và đang được các nhà nghiên cứu tiến hành và mang lại kết quả nhất định. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu, bài bản về quy trình cải tiến tăng áp tuabin khí thải cho động cơ diesel đang lưu hành được thực hiện. Do vậy, việc xây dựng quy trình cải tiến động cơ không tăng áp thành động cơ tăng áp TB-MN đang trở nên cấp thiết trong bối cảnh thực trạng nhu cầu sử dụng, khai thác các loại động cơ này đang được quan tâm. 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 tƣợng 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 -1- 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 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 và tại công ty Diesel Sông Công Thái Nguyên. ii. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu xuất phát t nhu cầu thực tiễn nâng cao hiệu quả khai thác các loại động cơ diesel thế hệ cũ và các giải pháp cải thiện tính năng của động cơ đã được thực hiện ở Việt Nam và thế giới. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được sử dụng xuyên suốt trong nghiên cứu này. Nghiên cứu lý thuyết được tiến hành trên các công cụ mô phỏng chuyên sâu như AVL-Boost, AVL-Excite Designer, Matlab-Simulink, CFD Fluent, Ansys… Qua đó phân tích, đánh giá và lựa chọn giải pháp kỹ thuật khả thi cải tiến tăng áp tuabin khí thải cho các động cơ diesel đang lưu hành. Thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ sau tăng áp cũng như các ảnh hưởng của tăng áp đến các thông số làm việc của động cơ. iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Lần đầu tiên ở Việt Nam, nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng với thực nghiệm trên các thiết bị hiện đại, đồng bộ đưa ra được giải pháp khả thi và 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 tăng áp tuabin khí thải. Quy trình cải tiến tăng áp bao gồm: phân tích, lựa chọn đánh giá khả năng và phạm vi khai thác của động cơ; đánh giá mức độ tăng áp thông qua tính toán lý thuyết và mô phỏng bằng các công cụ chuyên sâu; lựa chọn cụm tuabin-máy nén phù hợp với yêu cầu tăng áp, đặc tính làm việc của động cơ; đưa ra được quy trình cải tiến các hệ thống của động cơ khi tăng áp: hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, thải, hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát, tính toán kiểm nghiệm độ bền các chi tiết sau tăng áp. Quy trình cải tiến tăng áp được áp dụng thí điểm cho động cơ D243. Kết quả đã lựa chọn được cụm tuabin máy nén thích hợp cho động cơ, cải tiến hệ thống làm mát, bôi trơn và nạp thải để động cơ có thể vận hành hiệu quả sau khi tăng áp. Thực tế thử nghiệm trên băng thử cho thấy, sau tăng áp tính năng kỹ thuật của động cơ cải thiện rõ rệt, các hệ thống vận hành ổn định. Các kết quả của luận án có giá trị đáng kể về phương pháp luận trong quy trình cải tiến động cơ diesel không tăng áp thành tăng áp tuabin khí thải ở điều kiện Việt Nam. -2- Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng giải quyết nhu cầu 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 và dư th a về độ bền. Quy trình cải tiến có thể áp dụng cho bất kỳ loại động cơ diesel không tăng áp nhưng th a bền, đảm bảo được tính khoa học và khả thi trong thực tiễn. iv. Các nội dung chính trong đề tài Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần như sau:  Mở đầu  Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu  Chương 2. Cơ sở cải tiến tăng áp bằng tuabin máy nén cho động cơ đốt trong  Chương 3. Tính toán, cải tiến tăng áp cho động cơ D243  Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá  Kết luận chung và phương hướng phát triển. -3- CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Xu hƣớng phát triển động cơ đốt trong Trải qua hơn một thế kỷ, ngành động cơ đốt trong đã liên tục phát triển và đạt được nhiều thành tựu rực rỡ. Các trung tâm nghiên cứu phát triển đã ứng dụng nhiều các công nghệ phù hợp với xu hướng phát triển trong t ng giai đoạn lịch sử để đưa ra các mẫu động cơ phù hợp phục vụ đắc lực cho nhu cầu vận tải và phát triển của công nghiệp thế giới. Hiện nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm bầu khí quyển nghiêm trọng. Trước tình hình đó, các nghiên cứu phát triển chủ yếu hướng tới mục tiêu chế tạo mẫu 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 mẫu động cơ được lắp ráp trên ô tô vận tải. Do đó, các công nghệ thân thiện với môi trường đang được các nhà nghiên cứu đầu tư thời gian, công sức nghiên cứu để đưa vào áp dụng thực tế. Cùng với xu hướng phát triển của các ngành công nghiệp, các công nghệ vật liệu, hóa học và điều khiển đã được ứng dụng nhiều vào ngành công nghiệp động cơ đốt trong. Cho đến nay, các công nghệ cải tiến kết cấu động cơ, xử lý khí thải trên đường thải, ứng dụng điều khiển điện tử và nhiên liệu thay thế đã và đang được áp dụng. Trong đó phương pháp tăng áp bằng tuabin máy nén để tận dụng năng lượng khí thải tiếp tục sinh công có thể được coi là một trong những giải pháp có hiệu quả hơn cả. Do vậy, hiện nay hầu như các động cơ diesel sản xuất trên thế giới đều sử dụng tăng áp bằng tuabin máy nén. Ngoài ra, việc cải tiến các loại động cơ cũ truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất và tận dụng hết năng lực làm việc của động cơ trước khi bị thay thế bởi dòng động cơ hiện đại. Vì hiện nay các dòng động cơ thế hệ cũ vẫn còn tồn tại khá nhiều, đặc biệt tại các nước đang phát triển. 1.2. Thành quả đạt đƣợc 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 ng ng cải tiến, tối ưu hóa sản phẩm của mình. Những bước tiến mới đây trong việc cải tiến kết cấu động cơ, ứng dụng công nghệ điều khiển điện tử, sử dụng nhiên liệu thay thế hay tăng áp cho động cơ, công nghệ vật liệu và chế tạo, phương pháp hình thành hòa khí, xử lý khí thải… đã và đang góp phần t ng bước giải quyết bài toán phức tạp trên. Sau đây, xin trình bày một số giải pháp chủ yếu. 1.2.1. Cải tiến kết cấu động cơ Với mục đích nâng cao hiệu suất làm việc của ĐCĐT cũng như giảm hàm lượng các chất phát thải độc hại, các hãng sản xuất đã đưa ra một số kết cấu mới cũng như một số cải tiến trên ĐCĐT như: cơ cấu phối khí thông minh, luân hồi khí thải, công nghệ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hệ thống cung cấp nhiên liệu điều khiển điện tử… -4- 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 và VVTL-i của Toyota hay VTEC, i-VTEC của Honda [29]. VVT-i (Variable Valve Timing Intelligence) là cơ cấu phối khí thông minh của hãng Toyota theo nguyên lý điện-thủy lực. Cơ cấu VVT-i tối ưu hóa góc phối khí của trục cam nạp tùy theo chế độ làm việc của động cơ. Trên các loại động cơ thông thường, thời điểm phối khí được cố định. Tuy nhiên, với cơ cấu VVT-i, trục cam nạp được điều khiển xoay trong một phạm vi nhất định, t đó làm thay đổi thời điểm phối khí. Cơ cấu VVT-i được thiết kế để có thể xoay trục cam trong một phạm vi khoảng 60oTK [29] để đạt được thời điểm phối khí tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ. VVT-i được thiết kế cho trục cam nạp (có thể cả cam thải được điều khiển t ECU của động cơ thông qua việc điều khiển dầu dẫn tới van phối khí lắp trên puly dẫn động trục cam. Dầu được đưa tới van phối khí làm quay trục cam, t đó thay đổi thời điểm đóng mở cam nạp. Bằng phương pháp này, trị số tiết diện thời gian của xupáp nạp không thay đổi mà chỉ thay đổi thời điểm đóng mở xupáp. Cơ cấu VVT-i giúp cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải độc hại. 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 luân hồi bao gồm chủ yếu là CO2, N2 và hơi nước sẽ được đưa trở lại xylanh để làm loãng hỗn hợp cháy và giảm nồng độ O2 trong buồng cháy. Do nhiệt dung riêng của khí luân hồi lớn hơn rất nhiều so với không khí nạp nên khí luân hồi làm tăng nhiệt dung riêng của khí nạp, giảm chất lượng quá trình cháy, do đó sẽ làm giảm độ tăng nhiệt độ với cùng lượng nhiệt giải phóng của quá trình cháy trong buồng cháy [1,3,29]. 1.2.1.3. Động cơ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI Mô hình cháy do nén hỗn hợp đồng nhất HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition đã được tập trung nghiên cứu và được coi là một trong các giải pháp có tính khả thi cao nhằm kiểm soát khí thải và tối ưu quá trình cháy. Mô hình cháy HCCI 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 do bugi đánh lửa mà đại diện là động cơ xăng. HCCI được cho là tương lai của ĐCĐT, dùng để thay thế cho các mô hình cháy truyền thống trên ĐCĐT. Ưu việt của mô hình cháy này là hiệu suất tương tự với động cơ phun xăng trực tiếp, kiểu cháy tương tự như 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 chế hòa khí để hòa trộn và xé tơi nhiên liệu. Cuối những năm 198 , chế hòa khí dần được thay bằng hệ thống phun xăng hòa trộn nhiên liệu đạt hiệu quả hơn, động cơ dễ khởi động ngay cả trong -5- thời tiết lạnh. Khối xử lý trung tâm ECU (Electronic Control Unit) của động cơ sẽ nhận các tín hiệu t hệ thống cảm biến qua đó tính toán và điều khiển cơ cấu chấp hành để cung cấp lượng nhiên liệu phù hợp với t ng chế độ làm việc do đó tiết kiệm nhiên liệu và giảm hàm lượng các chất phát thải độc hại [19,24]. Một trong những công nghệ hiện đại nhất là phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection). Theo các chuyên gia đánh giá, loại động cơ GDI giúp tiết kiệm được 15% nhiên liệu so với động cơ phun xăng điện tử EFI (Electronic Fuel Injection) thông thường. Một số ưu điểm của hệ thống EFI so với hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí thông thường: - Hệ số nạp cao hơn vì không có chỗ thắt như họng khuếch tán để giảm áp suất như ở bộ chế hoà khí và không phải sấy nóng đường ống nạp. - Trong hệ thống phun nhiều điểm, hệ số dư lượng không khí  giữa các xylanh đồng đều hơn. Đồng thời, phần lớn lượng xăng phun ra bay hơi trong xylanh có tác dụng giảm nhiệt độ môi chất do đó khi thiết kế có thể tăng tỷ số nén. - Hai ưu điểm chủ yếu trên dẫn tới tăng tính hiệu quả áp suất có ích trung bình pe lớn và tính kinh tế suất tiêu hao nhiên liệu ge nhỏ của động cơ. Ngoài ra tính kinh tế cao còn do những nguyên nhân khác như xăng không đọng bám trên đường nạp khi động cơ khởi động và khi động cơ bị kéo, nhiên liệu bị cắt hoàn toàn. - Không cần hệ thống tăng tốc riêng rẽ do bộ điều khiển phản ứng tức thời để tăng lượng nhiên liệu phun phù hợp với lượng không khí nạp. - Động cơ có tính tích ứng cao trong các điều kiện sử dụng khác nhau dù là tĩnh tại như ở trạm phát điện hay di động như trên ô tô, xuồng máy, máy bay... - Hệ số dư lượng không khí  được điều chỉnh chính xác nên có thể giảm được thành phần độc hại trong khí thải, giảm ô nhiễm môi trường [1 ,19,24]. Vì những ưu điểm quan trọng này, động cơ phun xăng ngày càng được dùng phổ biến. Hiện nay, hầu hết xe hơi du lịch của các hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới đều lắp động cơ phun xăng. Đối với động cơ diesel, các biện pháp chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề: - Tăng tốc độ phun để làm giảm nồng độ bồ hóng - Tăng áp suất phun - Điều chỉnh quy luật phun theo khuynh hướng kết thúc nhanh quá trình phun để làm giảm HC - Biện pháp EGR nhằm giảm phát thải NOx. Hiện nay, nhược điểm của hệ thống nhiên liệu cơ khí trên động cơ diesel đã được khắc phục bằng hệ thống nhiên liệu tích áp CR (Common Rail). Hình 1.1 thể hiện sơ đồ hệ thống nhiên liệu CR. Nhiên liệu diesel được bơm chuyển t thùng chứa qua lọc đến bơm cao áp. Nhiên liệu sau bơm cao áp đạt tới 18 bar, trong tương lai có thể hơn 2 bar theo đường ống cao áp dẫn tới bình tích áp. T đây nhiên liệu được dẫn đến các vòi phun điều khiển phun điện tử t ECU phun vào xylanh [10]. -6- Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu tích áp Do phun ở áp suất siêu cao và ổn định, lỗ phun rất nhỏ nên phun rất tơi, thuận lợi cho quá trình tạo thành hỗn hợp. Ngoài ra, do điều khiển phun bằng điện tử nên có thể tổ chức phun thành nhiều giai đoạn. Phun mồi trước khi phun chính) làm tốc độ tăng áp suất khi cháy giảm nên động cơ làm việc êm hơn tiếng gõ đặc thù ở động cơ diesel giảm). Phun sau có tác dụng gia nhiệt làm tăng nhiệt độ môi chất có tác dụng tăng cường phản ứng ôxy hoá các chất độc hại trong khí thải như CO, HC và muội than [34]. 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 nhiễm môi trường trầm trọng và gây nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này. Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên các động cơ này để giảm ô nhiễm môi trường và bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn. Hình 1.2. Phân loại các loại nhiên liệu thay thế dùng cho ĐCĐT Nhiều quốc gia trên thế giới đang tìm cách phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế khác. Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm: - Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch gồm: Ethanol, khí thiên nhiên (NGNatural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG – Liquefied Petroleum Gas), methanol, hydro, khí hóa lỏng (GTL – Gas To Liquid), than đá hóa lỏng (CTL – Coal To Liquid), và dimethyl ether (DME). - Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol), hydro, dầu thực vật -7- (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng (BTL – Bio-mass To Liquid). 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, đồng thời có mức độ ô nhiễm khí thải thấp hơn xăng và diesel để giảm ô nhiễm môi trường. Đáp ứng các yêu cầu này, có thể sử dụng các loại nhiên liệu như nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas và biodiesel, nhiên liệu hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và nhiên liệu khí thiên nhiên. Phân loại phạm vi sử dụng một số loại nhiên liệu thay thế được thể hiện trong Hình 1.2 [6]. 1.3. Tăng áp cho động cơ đốt trong Động cơ không tăng áp, trực tiếp hút không khí nạp t ngoài trời, do hạn chế về lượng không khí hút vào xylanh nên khả năng nâng cao công suất của động cơ không lớn. Sử dụng một biện pháp kỹ thuật để nén trước không khí rồi đưa vào xylanh động cơ sẽ làm tăng mật độ không khí, qua đó tăng được khối lượng không khí nạp vào xylanh trong mỗi chu trình công tác, t đó đốt được nhiều nhiên liệu hơn, vì vậy sẽ có thể làm tăng công suất của động cơ. Phương pháp này được gọi là tăng áp [8,20,32,33,35,37,38]. Tăng áp cho động cơ diesel là một trong những biện pháp hiệu quả nhằm tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu. Khi động cơ được tăng áp sẽ cho phép nạp được nhiều nhiên liệu hơn do vậy công suất của 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 được tăng lên đồng thời giảm hàm lượng các chất phát thải độc hại trên một đơn vị công suất. Đặc biệt, trong những năm gần đây, nhờ tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo tuabin (TB) và máy nén (MN) nên phạm vi sử dụng tăng áp cho động cơ ngày càng rộng, áp suất tăng áp ngày một nâng cao. Nếu áp suất có ích trung bình pe của động cơ diesel không tăng áp thường không quá 0,7 ÷ 0,9 MPa thì đối với động cơ tăng áp thấp đã có thể đạt 1, đến 1,2 MPa. 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 chỉ tiêu như: - 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 bằng TB khí - Có thể làm giảm lượng khí thải độc hại. 1.3.1. Xu hƣớng phát triển và các biện pháp tăng áp cho động cơ -8-