Luận văn Nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng và ðề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng và ðề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN XUÂN DUNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ÐỘNG CƠ XĂNG VÀ ÐỀ XUẤT BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 605246 S K C0 0 5 0 3 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN XUÂN DUNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN XUÂN DUNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học TS. LÝ VĨNH ĐẠT TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2015 Trần Xuân Dung -ii-
5. CẢM TẠ Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Thầy TS. Lý Vĩnh Đạt - Giảng viên hướng dẫn. Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Xin kính chúc Thầy và gia đình luôn luôn mạnh khoẻ, vui tươi và hạnh phúc. Bô ̣ phâṇ Sau đaị hoc̣ - Phòng Đà o taọ , khoa Cơ khí động lực trườ ng Đaị hoc̣ Sư Phaṃ Kỹ Thuâṭ Tp. Hồ Chí Minh, quý Thầy cô trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh và đăc̣ biêṭ là quý Thầy cô giảng daỵ lớ p Cao hoc̣ Kỹ thuật cơ khí động lực khoá 2013A. Ban Giá m hiêụ , khoa Bảo dưỡng công nghiệp, trường Cao đẳng nghề Việt Nam- Singapore và đồng nghiêp̣ đã taọ moị điều kiêṇ thuâṇ lơị và giú p đỡ nhiêṭ tình trong thờ i gian là m luận văn. Cá c học viên lớ p Cao hoc̣ Kỹ thuật Cơ khí động lực khoá 2013 – 2015A, anh chị khóa trước đã có nhiều đóng góp ý kiến quý bá u giú p tôi hoà n thà nh luận văn nà y. Đăc̣ biệt, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân đã cổ vũ, đôṇ g viên và tạo moị điều kiện để tôi hoàn thành luận văn thật tốt. Do nhiều điều kiện khách quan và chủ quan, viêc̣ thưc̣ hiêṇ luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, khuyết điểm. Do vậy tôi rất mong nhận được sư ̣ quan tâm, góp ý của quý thầy, các bạn đồng nghiệp cũng như những người cùng quan tâm tới đề tài này để Luâṇ văn có thể hoà n thiêṇ hơn. Xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2015 Trần Xuân Dung -iii-
6. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Trần Xuân Dung. Giới tính: Nam. Ngày, tháng, năm sinh: 04/01/1988. Nơi sinh: Bình Định. Quê quán: Bình Định. Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Bình Hòa, Tây Sơn, Bình Định. Điện thoại cơ quan: 0650. 3831413 Điện thoại nhà riêng: 098. 2916019 Fax: E-mail: dungckd@yahoo.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ 09/2007 đến 07/2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. Ngành học: Cơ khí động lực. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Viết tài liệu chuyên đề về băng thử phanh Iw2 Euro System và băng đo độ trượt ngang Min C1 Euro. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2011 tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM Người hướng dẫn: TS. Lâm Mai Long III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ năm 2012 Trường Cao đẳng nghề Việt Nam - Giáo viên đến nay Singapore -i-
7. ABSTRACT Thesis refers to simulation studies using Matlab Simulink software for gasoline engine. This research examines the effects of intake valve timings on performance engine in order to propose methods for improving performance and fuel consumption in engine. The using of engine simulation model brings some advantages such as time save, cost and effort in engine testing. Besides, the engine experiments have many parameters that they affect togethers. Therefore it is difficult to carry out the engine testing in practice. The model has the reliable simulation results that close to reliaty results and we control parameters easily via engine model through the establishment of simulation model close to reality, may intervene in the parameters that easy. That is why the author choose the theme: "The study for simulation engine and propose method to improve performance engine." The study result build a simulation model SI engines successfully, examing of the effects of valve timings on engine performance and fuel consumption at different engine speeds. The simulation results show that the using electromagnetic valve train, which optimize valve timings, can improve engine performance and fuel consumption in SI engines: engine performnce can increase to 33% and 34.7% for increasing torque, the fuel consumption improve to 18.65%. Engine can optimize the thermal efficiency, improve fuel consumption and engine performance. This result to the using of optimal valve timing in improving fuel economy and engine performance in SI engines. -v-
8. MỤC LỤC Nội dung Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Abstract v Mục lục vi Danh sách các bảng ix Danh sách các hình x Danh mục các chữ viết tắt xiii Chương 1. Tổng quan 01 1.1. Dẫn nhập 01 1.2. Lý do chọn đề tài 02 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 03 1.3.1. Nghiên cứu trong nước 03 1.3.2. Nghiên cứu nước ngoài 05 1.4. Mục tiêu đề tài 09 1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 09 1.5.1. Nhiệm vụ 09 1.5.2. Giới hạn của đề tài 10 1.6. Đối tượng nghiên cứu 10 1.7. Giá trị đề tài 10 1.8. Phương pháp nghiên cứu 11 1.9. Nội dung luận văn 11 1.10. Kế hoạch thực hiện 12 -vi-
9. Chương 2. Cơ sở lý thuyết 13 2.1. Tổng quan về công nghệ VVT 13 2.1.1. Công nghệ VVTL-i của Toyota 13 2.1.2. Công nghệ VTEC của Honda 16 2.1.3. Công nghệ MIVEC của hãng Mitsubishi 19 2.1.4. Công nghệ Valvetronic của hãng BMW 22 2.2. Đặc tính động cơ 24 2.2.1. Công chỉ thị 24 2.2.2. Ma sát 24 2.2.3. Tổn thất ma sát 25 2.2.4. Mô men xoắn và công suất 25 2.2.5. Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiên liệu 27 2.2.6. Hiệu suất nạp 27 2.3. Động học ống góp nạp và góp thải 28 2.3.1. Ống góp nạp 28 2.3.1.1. Phần đầu ống góp nạp 29 2.3.1.2. Ống góp nạp riêng từng xy lanh 31 2.3.1.3. Xy lanh 32 2.3.1.4. Biên dạng xú páp 33 2.3.2. Ống góp thải 34 2.3.3. Động học trong xy lanh 35 2.3.4. Truyền nhiệt 35 2.4. Giới thiệu phần mềm Matlab Simulink 36 2.4.1. Thư viện khối chuẩn của Simulink 37 2.4.2. Thư viện các khối Continuous 38 Chương 3. Xây dựng mô hình động cơ 40 3.1. Xây dựng mô hình động cơ 40 3.1.1. Mô hình động học ống góp nạp và thải 43 3.1.2. Mô hình động học trong xy lanh 45 -vii-
10. 3.1.3. Mô hình hệ thống động học 50 3.1.4. Mô hình tính năng động cơ 52 3.3. Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ 54 3.4. Kiểm nghiệm kết quả mô phỏng với đường đặc tính ngoài dựa vào công thức thực nghiệm S.R Laydecman 50 Chương 4. Kết quả mô phỏng và thảo luận 58 4.1. Ảnh hưởng của thời điểm đóng xú páp nạp 58 4.2. Ảnh hưởng của thời điểm mở xú páp nạp 62 4.3. Kết quả mô phỏng và thảo luận 64 Chương 5. Kết luận và hướng phát triển 64 5.1. Kết luận 67 5.2. Hướng phát triển 67 Tài liệu tham khảo 69 Phụ lục 71 -viii-
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 1.1. Hệ thống phân phối khí thường và hệ thống phân phối khí VVT-i 02 Hình 1.2. Số lượng các loại xe hoạt động ở Việt Nam qua các năm 02 Hình 1.3. Mức tiêu thụ nhiên liệu dạng lỏng trên thế giới qua các năm 03 Hình 1.4. Mô hình mô phỏng chu trình công tác động cơ diesel 04 Hình 1.5. Cơ cấu VVT thủy lực 05 Hình 1.6. Con đội thủy lực trong công nghệ CDA 06 Hình 1.7. Công nghệ ngắt xy lanh ở động cơ 6 xy lanh 07 Hình 1.8. Cấu trúc van điện từ 08 Hình 1.9. Mô hình mô phỏng động cơ 1 xy lanh 4 kỳ 09 Hình 2.1. Hệ thống VVTL-i của Toyota 13 Hình 2.2. Trục cam hệ thống VVTL-i 14 Hình 2.3. Cơ cấu chuyển vấu cam hệ thống VVTL-i 14 Hình 2.4. Hoạt động VVTL-i ở tốc độ trung bình 15 Hình 2.5. Sự tác động cam khi VVTL-i hoạt động 15 Hình 2.6. Hoạt động VVTL-i ở tốc độ cao 16 Hình 2.7. Hệ thống VTEC của Honda 16 Hình 2.8. Cam và cò mổ hệ thống VTEC 17 Hình 2.9 . Sơ đồ khối điều khiển hệ thống VTEC 17 Hình 2.10. Các bộ phận chính hệ thống VTEC 18 Hình 2.11. Sơ đồ mạch dầu khi VTEC hoạt động 18 Hình 2.12. Hoạt động hệ thống VTEC 19 Hình 2.13. Các bộ phận hệ thống MIVEC 19 Hình 2.14. Trục cam và cò mổ hệ thống MIVEC 20 Hình 2.15. Hoạt động hệ thống MIVEC 21 Hình 2.16. Hệ thống Valvetronic 22 Hình 2.17. Hoạt động hệ thống Valvetronic 23 -x-
12. Hình 2.18. Sơ đồ ống góp nạp 28 Hình 2.19. Thư viện khối chuẩn của Simulink 37 Hình 2.20. Thư viện các khối Continuous 38 Hình 3.1. Động cơ 1NZ-FE 39 Hình 3.2. Mô hình động cơ 42 Hình 3.3. Mô hình động học ống góp nạp và thải 44 Hình 3.4. Mô hình động học trong xy lanh 46 Hình 3.5. Biên dạng khối lượng bị đốt cháy 47 Hình 3.6. Biên dạng áp suất xy lanh ở tốc độ 2000 vòng 48 Hình 3.7. Biên dạng nâng xú páp ứng với tốc độ động cơ 2000 vòng/phút 48 Hình 3.8. Biên dạng nâng ứng với từng thời điểm đóng xú páp nạp khác nhau 49 Hình 3.9. Biên dạng nâng xú páp nạp ứng với từng tốc độ động cơ 49 Hình 3.10. Mô hình hệ thống động học 51 Hình 3.11. Mô hình tính năng động cơ 53 Hình 3.12. Đường đặc tính ngoài động cơ 1 NZ-FE từ công thức Laydecman 55 Hình 3.13. So sánh công suất từ mô phỏng và đường công suất dựa vào công thức thực nghiệm S.R Laydecman 56 Hình 3.10. So sánh mô men từ mô phỏng và từ đường mô men dựa vào công thức thực nghiệm S.R Laydecman 57 Hình 4.1. Ảnh hưởng thời điểm đóng xú páp nạp đến mô men xoắn động cơ 59 Hình 4.2. Ảnh hưởng thời điểm đóng xú páp nạp đến suất tiêu hao nhiên liệu 60 Hình 4.3. Tối ưu thời điểm đóng xú páp nạp 60 Hình 4.4. Ảnh hưởng thời điểm đóng xú páp nạp đến hiệu suất nạp 61 Hình 4.5. Ảnh hưởng thời điểm đóng xú páp nạp đến hiệu suất nhiên liệu 61 Hình 4.6. Ảnh hưởng thời điểm mở xú páp nạp đến mô men xoắn động cơ 62 Hình 4.7. Ảnh hưởng thời điểm mở xú páp nạp đến suất tiêu hao nhiên liệu 62 Hình 4.8. Ảnh hưởng thời điểm mở xú páp nạp đến hiệu suất nạp 63 Hình 4.9. Ảnh hưởng thời điểm mở xú páp nạp đến hiệu suất nhiên liệu 63 Hình 4.10. Tối ưu thời điểm đóng mở xú páp nạp 64 -xi-
13. Hình 4.11. Công suất với sự tối ưu VVT và không VVT 65 Hình 4.12. Mô men với sự tối ưu VVT và không VVT 65 Hình 4.13. BSFC với sự tối ưu VVT và không VVT 66 -xii-
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 1.1. Kế hoạch thực hiện 12 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật động cơ 1 NZ-FE 39 Bảng 3.2. Các hệ số thực nghiệm 54 Bảng 4.1. Tối ưu thời điểm đóng mở xú páp nạp 64 -ix-
15. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu A Area Ab Cross sectional area Ach Cylinder head area Ap Piston crown area b Damping coefficient B Cylinder bore Cd Discharge coefficient Cm Mean gas velocity Cr Engine compression ratio d Throttle shaft diameter D Throttle bore diameter Ff Friction force Fflow Flow gas force acts on valve surface h Heat transfer coefficient K Constant L Piston stroke Lv Valve lift m Mass m Mass flow rate nR Number of crank revolutions N Engine speed p Cylinder pressure pf Friction mean effective pressure P Power Q Heat transfer -xiii-
16. Qch Heat release QHV Fuel heating value r Crank radius S p Piston mean speed t Lifting time T Temperature Torque Tw The mean wall temperature v Velocity V Cylinder volume Vc Clearance volume Vd Displacement volume x Mass fraction xb Burned mass fraction  Specific heat ratio d Flame development angle  f Fuel conversion efficiency v Volumetric efficiency  Flow friction coefficient Density 0 Air density at standard Throttle angle  Crank angle open Intake valve opening r Rise angle -xiv-
17. Thuật ngữ c Cylinder b Brake e Exhaust f Friction i Indicated Intake m Manifold r Runner th Throttle v Valve w Wall Chữ viết tắt ABDC After bottom dead center ATDC After top dead center BMEP Brake mean effective pressure BBDC Before bottom dead center BSFC Brake specific fuel consumption BTDC Before top dead center CDA Cylinder deactivation DOHC Double overhead camshaft ECM Electronic control module ECU Electronic control unit EVC Exhaust valve closing EVO Exhaust valve opening ICE Internal combustion engines IMEP Indicated mean effective pressure IVC Intake valve closing IVO Intake valve opening -xv-
18. IVL Intake valve lift MIVEC Mitsubishi innovative valve timing electronic control system PCM SI Spark ignition TDC Top dead center VCR Variable compression ratio VTEC Variable valve timing intelligent VVT Variable valve timing VVTL-i Variable valve timing and lift intelligent system -xvi-
19. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Dẫn nhập. Trong những thập niên trở lại đây, công nghiệp ô tô đã có những sự thay đổi lớn lao. Những năm gần đây, động cơ ô tô đã có nhiều cải tiến quyết định tạo nên những bước phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng các yêu cầu: tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm độ độc hại của khí thải, tăng tính năng an toàn và tiện nghi cho ô tô, giảm giá thành sản phẩm. Có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giải quyết vấn đề trên bao gồm điều khiển pha phối khí, thay đổi hành trình xú páp thông minh, thay đổi thời điểm đóng mở xú páp VVT, sử dụng công nghệ ngắt xy lanh CDA, tăng áp động cơ Trong đó công nghệ VVT (hình 1.1) được chú trọng hơn hết. VVT là một phương pháp hiệu quả trong việc cải tiến hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải trên động cơ xăng. Thời điểm và khoảng mở xú páp trong VVT có thể được điều khiển không phụ thuộc vào vấu cam, vì vậy cho phép tối ưu hoá thời điểm xú páp trong dãi hoạt động rộng của động cơ. Bên cạnh đó, VVT có thể kết hợp với nhiều công nghệ khác như công nghệ tăng áp động cơ, công nghệ ngắt xy lanh, công nghệ thay đổi tỉ số nén VCR nhằm cải tiến đáng kể hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu trên động cơ xăng. Trong khi đó hầu hết động cơ xăng truyền thống thường sử dụng hệ thống trục cam cơ khí để điều khiển xú páp nạp và thải (hình 1.1). Thời điểm đóng mở xú páp và khoảng mở xú páp được cố định trong mọi điều kiện hoạt động của động cơ. Nói chung, các hệ thống điều khiển bằng cơ khí chỉ đáp ứng được một vài điều kiện vận hành của động cơ, thời điểm đóng mở xú páp nạp và thải được tối ưu dựa trên hiệu suất nhiên liệu, hiệu suất động cơ và phát xạ ô nhiễm khí thải trong phạm vi hẹp của tốc độ và tải động cơ. Vì thế, việc thay đổi thời điểm đóng mở xú páp VVT ứng với các chế độ hoạt động khác nhau trên động cơ nhận được rất nhiều sự quan tâm của -1-
20. các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô trong thập kỷ qua. Hình 1.1. Hệ thống phân phối khí thường và hệ thống phân phối khí VVT-i. 1.2. Lý do chọn đề tài. Động cơ đốt trong là nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và tạo ra các nguồn năng lượng khác. Ở nước ta, số lượng ô tô hiện đại đang được ưa chuộng và lưu hành ngày một tăng, đặc biệt ở các đô thị, thành phố lớn. Đô thị càng phát triển thì số lượng phương tiện giao thông lưu hành càng tăng nhanh, thể hiện ở hình 1.2. Hình 1.2. Số lượng các loại xe hoạt động ở Việt Nam qua các năm. (Nguồn: Cục đăng kiểm Việt Nam và Vụ KHCN&MT, Bộ GTVT, 2009) Tuy nhiên vấn đề cải tiến hiệu suất động cơ, phát xạ ô nhiễm từ khí thải và suất tiêu hao nhiên liệu trở thành vấn đề quan trọng trong thiết kế động cơ đốt trong. Một động cơ xăng có hiệu suất tối đa vào khoảng 30-35% ở chế độ đầy tải, ở chế độ mà đó là giới hạn hiệu suất của chu trình nhiệt động lực học. Thêm nữa, hiệu suất -2-
21. nhiệt còn thấp hơn ở điều kiện không tải do sự gia tăng tổn thất công hao phí trong quá trình nạp và thải của động cơ. Vì vậy, hầu hết động cơ đốt trong hoạt động có hiệu suất thấp. Mặc khác, các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần bị cạn kiệt nhanh chóng như đã chỉ ra trên hình 1.3. Hình 1.3. Mức tiêu thụ nhiên liệu dạng lỏng trên thế giới qua các năm. Vì vậy, cải tiến hiệu suất trong động cơ đốt trong là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu và sản xuất động cơ. Các phương hướng và công nghệ khác nhau được nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu suất nhiệt đồng thời làm cho lượng tiêu hao nhiên liệu và phát xạ ô nhiễm khí thải giảm đến mức thấp nhất trong động cơ đốt trong. Xuất phát từ những lý do trên, học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng và đề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất”. 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. 1.3.1. Nghiên cứu trong nước. Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng động cơ liên quan đến hiệu suất động cơ còn đang trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và phát triển. Trong khi đó các nghiên cứu mô phỏng về hiệu suất và ứng dụng phần mềm liên quan đến cải tiến hiệu suất động cơ vẫn còn giới hạn, và hiện tại theo tìm hiểu của học viên có rất ít công trình nghiên cứu, bài báo khoa học liên quan đến hướng -3-
22. S K L 0 0 2 1 5 4