BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÕNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHẠM HỒNG SƠN
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN
QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ
DIESEL KHI CƢỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS, TS Hà Quang Minh
2. TS Lê Đình Vũ
HÀ NỘI - 2014
LỜI CAM ĐOAN


DIESEL KHI CƢỜNG HÓA BẰNG TĂNG ÁP DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ
CỦA TÁC GIẢ

HÀ NỘI - 2014
MỤC LỤC

Trang
Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng


1.2.3. Một số nghiên cứu khác có liên quan
12
1.3. Quy luật cung cấp nhiên liệu và yêu cầu đối với quy luật cung
cấp nhiên liệu của động cơ diesel sau khi cƣờng hóa bằng tăng áp
13
1.3.1. Quy luật cung cấp nhiên liệu
13
1.3.2. Các dạng quy luật phun nhiên liệu của động cơ diesel
16
1.3.3. Yêu cầu mong muốn đối với quy luật cung cấp nhiên
liệu của động cơ diesel khi được cường hóa bằng tăng áp
17

Trang
1.4. Ảnh hƣởng của biên dạng cam, chế độ tải đến quy luật cung
cấp nhiên liệu (quy luật phun)
18
1.4.1. Ảnh hưởng của biên dạng cam
18
1.4.2. Ảnh hưởng của chế độ tải
20
1.5. Ảnh hƣởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến các chỉ tiêu
công tác của động cơ
21
1.6. Trình tự nội dung nghiên cứu của luận án
23
1.7. Kết luận chƣơng 1
25
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN
QUY LUẬT CUNG CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

37
2.3.5.1. Chất lỏng (nhiên liệu)
37
2.3.5.2. Đường ống cao áp
38

Trang
2.3.5.3. Khoang chưa biết áp suất
39
2.3.5.4. Phần tử tiết lưu (Flow Passage)
40
2.3.5.5. Phần tử van (Valve)
40
2.3.5.6. Phần tử dòng chảy tầng (Laminar Flow)
41
2.3.6. Xác định các điều kiện biên tại bơm cao áp và vòi phun
41
2.3.6.1. Các phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp
41
2.3.6.2. Các phương trình điều kiện biên tại vòi phun
42
2.3.6.3. Hệ phương trình vi phân điều kiện biên
43
2.3.6.4. Xác định các thông số bổ trợ để giải hệ phương trình điều
kiện biên.
47
2.4. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình và các chỉ tiêu công tác
của động cơ diesel tăng áp
51
2.4.1. Mô hình vật lý tính chu trình công tác động cơ diesel

3.1.2. Động học với biên dạng cam nguyên thủy (cam tiếp tuyến)
66
3.1.3. Động học với biên dạng cam cải tiến
67
3.2. Tính toán thủy động, xác định quy luật cung cấp nhiên liệu khi
dùng cam nguyên thủy và dùng các phƣơng án cam cải tiến
68
3.2.1. Mô hình khảo sát hệ thống nhiên liệu bằng phần mềm
GT - Fuel tính cho động cơ B6 và B6TA
69
3.2.1.1. Mô hình và thông số đầu vào
69
3.2.1.2. Hiệu chỉnh mô hình
71
3.2.2. Kết quả tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu với các
phương án biên dạng cam
72
3.2.3. Kết luận lựa chọn quy luật cung cấp nhiên liệu (quy
luật phun) và biên dạng cam cải tiến
74
3.2.4. Khảo sát các đặc tính thủy động và quy luật cung cấp
nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu sử dụng phương án cam cải tiến
đã lựa chọn (PA3) và cam nguyên thủy
76
3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng quy luật cung cấp nhiên liệu đến chu
trình và chỉ tiêu công tác của động cơ B6 tăng áp
81
3.3.1. Khái quát về phần mềm GT - Power
81
3.3.2. Mô hình mô phỏng chu trình và các chỉ công tác của

4.2. Chế tạo trục cam mới cho bơm cao áp động cơ B6 tăng áp
103
4.2.1. Thiết kế bản vẽ chế tạo trục cam mới cho bơm cao áp
103
4.2.2. Tiến trình công nghệ chế tạo trục cam bơm cao áp mới
104
4.3. Kiểm tra kết quả gia công trục cam mới
108
4.4. Thực nghiệm đo lƣợng nhiên liệu cấp cho chu trình và áp
suất trên đƣờng ống cao áp
110
4.4.1. Trang, thiết bị và chế độ thử nghiệm
111
4.4.1.1. Bệ thử bơm cao áp
111
4.4.1.2. Thiết bị đo áp suất
112
4.4.1.3. Chế độ thử nghiệm
115
4.4.2. Trình tự tiến hành thử nghiệm
116
4.4.3. Kết quả thử nghiệm
118
4.4.3.1. Kết quả đo lượng cung cấp nhiên liệu
118
4.4.3.2. Kết quả đo áp suất đường ống cao áp
118
4.4.4. Đánh giá kết quả thử nghiệm, so sánh kiểm chứng với
kết quả tính mô phỏng
122

CNC
Computer numerical control (máy điều khiển số)
-
CFD
Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực
học chất lỏng)
-
C
n

Tốc độ chuyển động của pít tông bơm cao áp
m/s
ĐCT
Điểm chết trên
-
ĐCD
Điểm chết dưới
-
F
P

Diện tích tiết diện ngang của pít tông bơm cao áp
mm
2

F
i

Diện tích tiết diện ngang của lỗ phun
mm

h
c

Hệ số truyền nhiệt
W/m
2
-K
j
n

Gia tốc chuyển động của pít tông bơm cao áp

m/s
2

i
Số lỗ phun
-
K
Mô đun đàn hồi khối của nhiên liệu
-
M
e
Mô men có ích của động cơ
Nm
Kí hiệu
Diễn giải
Đơn vị
tính
N

Pa, bar
p
XL

Áp suất bên trong xi lanh động cơ
Pa, bar
R
e

Hệ số Reynolds
-
S
max

Hành trình lớn nhất của con đội
m
S
n

Chuyển vị của pít tông bơm cao áp
m
V
cc.ct

Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình
ml/ct
V
cc

Quy luật cung cấp nhiên liệu dạng tích phân

k
Tỉ số tăng áp của máy nén
-
Δφ
cc
Thời gian cung cấp nhiên liệu tính theo góc quay của trục
cam bơm cao áp
độ
φ
0

Góc công tác của cam
độ
Kí hiệu
Diễn giải
Đơn vị
tính
φ
c

Góc quay của trục cam
độ
φ
f

Thời điểm bắt đầu phun
độ
φ
e


phương án cam cải tiến đã chọn
67
3.3
Lượng cung cấp nhiên liệu cho 1 chu trình ở chế độ tải định
mức của BCA HK-10 nguyên thủy
72
3.4
Kết quả tính toán các thông số đặc tính phun với các phương
án biên dạng cam khác nhau
73
3.5
Thông số đặc trưng của biên dạng cam cải tiến
75
3.6
Các phần tử chính sử dụng trong các mô hình
82
3.7
Các thông số đầu vào chung của động cơ B6 (B6TA)
86
3.8
Kết quả tính toán các chỉ tiêu công các động cơ B6
89
3.9
Các thông số đánh giá chu trình công tác động cơ B6
89
3.10
Phân phối năng lượng (cân bằng nhiệt)của động cơ B6
nguyên thủy
90
3.11

Dạng đồ thị quy luật cung cấp nhiên liệu
14
1.2
Quy luật phun nhiên liệu
15
1.3
Sơ đồ các dạng đặc tính phun
16
1.4
độ nâng của pít tông bơm cao áp với các cam có profile khác
nhau khi tốc độ trục bơm n
c
= 1000vg/ph
19
1.5
Ảnh hưởng của chế độ tải (vị trí thanh răng BCA) đến lượng
cung cấp NL, khoảng thời gian phun và thời điểm kết thúc
quá trình phun
20
1.6
Ảnh hưởng của thời gian cung cấp nhiên liệu đến sự thay đổi
áp suất trong xi lanh động cơ
22
1.7
Đường cong tốc độ W và chiều dài L
23
1.8
Sơ đồ trình tự nghiên cứu của luận án
25
2.1

66
3.2
Đồ thị chuyển vị, vận tốc của piston bơm cao áp HK-10 với
biên dạng cam cơ sở trên động cơ B6
66
3.3
Đồ thị chuyển vị của piston bơm cao áp HK-10 với các
phương án lựa chọn biên dạng cam cải tiến trên động cơ B6

68
3.4
Mô hình các phần tử hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu bơm
70
Hình
Tên hình vẽ và đồ thị
Trang
cao áp - đường ống cao áp - vòi phun trong phần mềm GT-Fuel
3.5
So sánh kiểm tra lượng cung cấp nhiên liệu cho 1 chu trình ở
chế độ toàn tải của BCA HK-10 giữa kết quả tính toán mô
phỏng và số liệu của nhà sản suất
71
3.6
So sánh đặc tính phun của hệ thống nhiên liệu động cơ B6
với cam cũ và các phương án cam mới
72
3.7
Hình dạng và động học con đội của biên dạng cam bơm cao
áp thay thế
75


87
3.14
Đặc tính bộ tua bin, máy nén do nhà sản xuất cung cấp
88
3.15
Đặc tính bộ TB-MN Garett TD08 và đặc tính phối hợp động
cơ B6 tăng áp với bộ TB-MN
88
Hình
Tên hình vẽ và đồ thị
Trang
3.16
Diễn biến áp suất bên trong xi lanh động cơ B6 (chế độ tải
định mức n
đc
= 1800vg/ph)
90
3.17
Diễn biến nhiệt độ bên trong xi lanh động cơ B6 (chế độ tải
định mức n
đc
= 1800vg/ph)
90
3.18
Đồ thị công chỉ thị của động cơ B6 trên hệ trục p-V
91
3.19
Kết quả so sánh đặc tính ngoài của động cơ B6
91

3.25
Diễn biến nhiệt độ trong xi lanh động cơ B6 tăng áp,
n
đc
=1200v/ph
95
3.26
So sánh tốc độ tỏa nhiệt và quy luật tỏa nhiệt khi cháy trong
động cơ B6 tăng áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam
mới, n
đc
=1800vg/ph
96
3.27
So sánh tốc độ tỏa nhiệt và quy luật tỏa nhiệt khi cháy trong
động cơ B6 tăng áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam
mới, n
đc
=1200vg/ph
96
3.28
So sánh tốc độ trao đổi nhiệt với thành vách động cơ B6 tăng
áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam mới, n
đc
=1200vg/ph
97
3.29
So sánh tốc độ trao đổi nhiệt với thành vách động cơ B6 tăng
áp khi sử dụng cam nguyên thủy và cam mới, n
đc

4.9
Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo áp suất và hình ảnh kết nối thực tế
113
4.10
Cấu tạo của cảm biến và cách lắp ráp trên đường ống cao áp
114
4.11
Hình ảnh cảm biến quang và đồ gá trên bệ thử
115
4.12
Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng thực
nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA nguyên bản
119
4.13
Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng thực
nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA nguyên
bản khi đã điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
120
4.14
Đồ thị kết quả đo diễn biến áp suất đường ống cao áp bằng
thực nghiệm ứng với trường hợp sử dụng biên dạng BCA cải
tiến có điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
121
4.15
Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất trong đường ống cao áp
bằng thực nghiệm với kết quả tính mô phỏng ứng với tốc độ
động cơ: 600 vg/ph
123
4.16
Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất trong đường ống cao áp

dụng nhiều giải pháp có hiệu quả để đáp ứng các yêu cầu trên. Trong đó, tăng
áp cho động cơ là một biện pháp hữu hiệu. Việc tăng áp bằng tua bin khí thải
đáp ứng tốt các yêu cầu trên và đang được áp dụng rộng rãi cho động cơ.
Chính vì vậy, các hãng chế tạo động cơ nói chung, trong đó có động cơ diesel
cao tốc nói riêng đều chế tạo loại động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí thải.
Riêng đối với nước ta, do nền công nghiệp chế tạo động cơ chưa phát
triển, chủng loại phương tiện và động cơ sản xuất từ Liên xô cũ và Nga hiện
nay còn đang được sử dụng còn nhiều với động cơ diesel không tăng áp. Nhu
cầu đặt ra là cần phải nâng cao công suất tổng và công suất lít cho những
động cơ này để đáp ứng yêu cầu về khả năng cơ động, chuyên chở hàng hóa

2
và cải thiện các chỉ tiêu công tác nhằm phát huy tối đa hiệu quả khai thác
động cơ và trang bị là rất cần thiết. Giải pháp hiệu quả và có tính khả thi cao
là cường hóa những động cơ diesel không tăng áp này bằng tăng áp tua bin
khí thải.
Sau khi cường hóa bằng tăng áp tua bin khí thải cho động cơ mà trước
đây đã thiết kế là không tăng áp thì lượng không khí nạp vào xi lanh động cơ
cho một chu trình tăng lên, do đó để thành phần hỗn hợp nằm trong vùng hỗn
hợp cháy nhằm mục đích tăng công suất, cần tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu
trình. Để bổ sung thêm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình người ta thường sử
dụng các biện pháp như điều chỉnh lại vị trí pít tông trong xy lanh bơm, tăng
đường kính các lỗ phun.v v. Khi tăng thêm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
sẽ kéo dài thời gian phun, hiệu quả quá trình cháy sẽ bị ảnh hưởng, cháy rớt
tăng làm tăng trạng thái nhiệt các chi tiết, tăng nhiệt độ nước làm mát và giảm
hiệu suất. Vì vậy, việc nghiên cứu cải thiện quy luật cung cấp nhiên liệu bằng
cách lựa chọn biên dạng cam bơm cao áp phù hợp theo hướng tăng tốc độ cung
cấp để không kéo dài thời gian phun, đồng thời cải thiện quy luật cung cấp
nhiên liệu nhằm tối ưu quá trình cháy của động cơ là rất cần thiết.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của luận án là tính toán thiết kế biên dạng cam bơm
cao áp theo hướng nâng cao cường độ phun cho hệ thống cung cấp nhiên liệu
kiểu bơm cao áp - van cao áp - đường ống cao áp - vòi phun (kiểu Bosch)
thay thế biên dạng cam của bơm cao áp nguyên thủy nhằm đáp ứng yêu cầu là
không kéo dài thời gian phun và cải thiện quy luật phun để tiếp tục sử dụng
cho chính động cơ đó sau khi được cường hóa bằng tăng áp tua bin khí thải
nhằm cải thiện các chỉ tiêu công tác của động cơ.
Phƣơng pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng:
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Về lý thuyết:
- Trình bày phương pháp tính toán thiết kế biên dạng cam bơm cao áp theo
hướng nâng cao cường độ phun. Động học của cam là thông số đầu vào để tính
toán lượng nhiên liệu phun (cấp) cho một chu trình và quy luật cung cấp nhiên

4
liệu (quy luật phun) và các đặc tính thủy động. Trình bày cơ sở tính toán và ứng
dụng phần mềm GT-Fuel tính toán thủy động hệ thống nhiên liệu và quy luật
phun nhằm chọn ra biên dạng cam hợp lý có tốc độ chuyển động của pít tông
bơm cao áp cao hơn, đồng thời ứng suất tiếp xúc giữa cam và con đội nằm trong
giới hạn cho phép. Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và quy luật phun (dưới
dạng diễn biến áp suất phun) là điều kiện đầu vào để tính toán chu trình và các
thông số đánh giá động học diễn biến của chu trình công tác của động cơ.
- Trình bày cơ sở tính toán và ứng dụng phần mềm GT-Power tính toán
quy luật tỏa nhiệt khi cháy, sự phát triển áp suất, nhiệt độ cháy trong xy lanh và
các chỉ tiêu công tác của động cơ sau khi được cường hóa sử dụng bơm cao áp
với trục cam bơm cao áp nguyên thủy và trục cam bơm cao áp cải tiến.
Về thực nghiệm:
- Tiến hành chế tạo trục cam mới với biên dạng cam đã được lựa chọn
bằng công nghệ CNC.

và chỉ tiêu công tác của động cơ B6 tăng áp khi thay đổi quy luật cung cấp
nhiên liệu
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị 6
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về tình hình sử dụng động cơ diesel không tăng áp hiện
nay ở nƣớc ta và nhu cầu cải tiến nâng cao công suất động cơ
1.1.1. Tình hình sử dụng trong lĩnh vực dân sự
Hiện nay, ở nước ta do nền công nghiệp chưa phát triển, ngành công
nghiệp sản suất ôtô và các phương tiện vận tải khác mới chỉ đang thực hiện
việc lắp ráp và sản suất các chi tiết và cụm chi tiết phụ mà chưa sản suất được
động cơ đốt trong mang thương hiệu Việt nam.
Các phương tiện vận tải đường bộ, lĩnh vực nông - lâm nghiệp hay vận
tải thủy nội địa đều sử dụng các phương tiện của các hãng sản xuất từ nước
ngoài. Hiện nay ở Việt Nam còn sử dụng nhiều các phương tiện có thời gian
sản suất từ những năm 70, 80 của thế kỷ XX và chủ yếu được sản xuất từ Liên
xô (cũ) với động cơ diesel không tăng áp như động cơ ЯМЗ - 236, ЯМЗ -
238, D12, D6 trên các xe vận tải, máy nông nghiệp và vận tải thủy nội địa.
1.1.2. Tình hình sử dụng trong lĩnh vực quân sự
Đối với lĩnh vực quân sự, động cơ diesel không tăng áp còn đang được
dùng phổ biến trong các phương tiện cơ động của lực lượng Tăng thiết giáp,
trên các xe máy công binh, công trình và cho các động cơ, máy phát trên các
tàu thuyền của Hải quân. Các trang thiết bị hiện nay vẫn sử dụng là của Liên
xô. Đặc biệt nguồn động lực của xe tăng, xe thiết giáp hiện nay với 100% các
phương tiện đều sử dụng động cơ diesel không tăng áp như động cơ B2 trên xe
T54, T55, động cơ B6 trên xe PT-76, động cơ UTĐ-20 trên xe BMP-1,
1.1.3. Nhu cầu cải tiến để nâng cao công suất bằng biện pháp tăng áp

cộng sự đã tiến hành tính toán lý thuyết và thực nghiệm cướng hóa tăng công
suất của động cơ B6 lên 29 - 30%.
Để đáp ứng yêu cầu cường hóa, trong đề tài nhóm tác giả đã thực hiện
điều chỉnh một số thông số: Điều chỉnh xoay pít tông bơm cao áp (tăng hành
trình có ích của pít tông bơm cao áp) để tăng lượng cung cấp nhiên liệu; điều
chỉnh góc phun sớm nhiên liệu lên 34
o
góc quay trục khuỷu trước ĐCT, điều

8
chỉnh áp suất nâng kim phun Δp
ph
= 23 - 24 MPa (so với 20 - 22MPa của
động cơ B6 không tăng áp),
Sau khi cường hóa: Công suất động cơ theo tính toán tăng khoảng 30%;
song hiệu suất có ích của động cơ tăng không nhiều và suất tiêu hao nhiên
liệu có ích của động cơ giảm không đáng kể [9].
Tuy nhiên sau khi thực hiện cường hóa động cơ B6 còn một số vấn đề
tồn tại cần giải quyết: Công suất động cơ tăng song hiệu suất của động cơ
tăng không đáng kể, suất liêu hao nhiên liệu cũng không giảm nhiều; nhiệt độ
nước làm mát của hệ thống làm mát tăng (thường xuyên từ 90 đến 105
0
C) [9].
1.2. Một số biện pháp thay đổi đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu của
động cơ diesel khi cƣờng hóa bằng tăng áp tua bin khí thải và các nghiên
cứu có liên quan
Hiện nay, do công nghệ chế tạo các bộ tua bin – máy nén ngày càng được
hoàn thiện hơn và những ưu điểm vượt trội của việc tăng áp nên hướng tăng áp
cho động cơ được hầu hết các nhà chế tạo lựa chọn, ứng dụng. Khi chế tạo
động cơ tăng áp thì hệ thống cung cấp nhiên liệu đã được lựa chọn phù hợp