TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu động diesel RV 195 NGUYỄN ĐÌNH HÙNG LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL RV 195 RESAECH AND IMPROVING FUEL SYSTEM OF DIESEL ENGINE RV 195 Nguyễn Đình Hùng Khoa Kỹ Thuật Giao Thông-Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Việt Nam TÓM TẮT Hiện nay, nhu cầu sản xuất động cỡ nhỏ có công suất tương đối dùng nông nghiệp lớn Việt Nam Công ty Vikyno (khu công nghiệp Biên Hoà, Đồng Nai) cho đời nhiều hệ động RV dựa thiết kế mẫu KUBOTA (Nhật Bản) Trong đó, động RV195 có cơng suất 19,5 mã lực (HP) cải tiến từ thiết kế động RV 165 với công suất 16,5 mã lực (HP) Tuy nhiên, hoạt động động RV 195 chưa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khả gia tốc kém, độ mờ khói cao, suất tiêu hao nhiên liệu lớn Để khắc phục nhược điểm này, nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu động RV 195 thực q trình phân tích thực nghiệm Các thơng số nghiên cứu bao gồm: thông số tia phun vận động chùm tia khỏi vịi phun nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật nói Từ khóa: Đặc tính tia phun, vận động chùm tia, hệ thống nhiên liệu ABSTRACT Nowadays, the manufacturing aims of small engines and power readily (from 20 to 25 HP) using in agricultural field are a big reasonable requirement in Vietnam The Vikyno company ltd (Bien Hoa indusry) has been making much generation of RV diesel engines, which are basically re-designed on models of Kubota engines (Japan) RV 195 Diesel engine have been power 19,5HP improved from RV 165 with power 16,5HP However, regard to its operation did not meet the technical demand such as less acceleration ability, more exhaust pollution and high fuel consumption In order to develop these matters, the specified studies on the fuel system of RV195 diesel engine were carried out by the experimental analysis The major parameters include the basically characteristics of jet and the behaviors of jet going out from the injector due to satisfy the above technical meet Keyword: characteristic of jet, behavior of jet, fuel system GIỚI THIỆU Hiện nay, để đáp ứng nhu cầu nước giới hố nơng nghiệp ngày cao nhà sản xuất động tập trung chủ động sản xuất loại động diesel công suất nhỏ đáp ứng nhu cầu có đủ khả cạnh tranh với loại động diesel công suất nhỏ tràn ngập thị trường nước ta Bằng nghiên cứu thị trường năm gần yêu cầu khách hàng động đốt sản xuất việt nam chất lượng, giá thành, suất tiêu nhiên liệu, công suất Từ yêu cầu công ty máy nông nghiệp miền nam tập trung nghiên cứu cải tiến sản phẩm có đưa nhiều loại động Rv để đáp ứng nhu cầu cần thiết nêu Động RV195 động diesel xilanh nghiên cứu sản xuất dựa thiết kế động Diesel RV165 EV2400, công ty VIKYNO chế tạo Đây dạng động tĩnh tại, động đặt nằm ngang, kích thước khuôn khổ động sau: L´B´H = 871´460´625 (mm), thông số kỹ thuật sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đường kính xilanh (D) 110 mm Thể tích cơng tác (Vh) 997 cm3 Công suất cực đại/ Tốc độ trục khuỷu 19.5HP/220 Hệ thống nhiên liệu Trực tiếp Hành trình piston (S) Tỉ số nén (e) 18.5 Suất tiêu hao nhiên liệu Nhiên liệu sử dụng diesel Hình 2: Bố trí chung hệ thống nhiên liệu động RV 195 1.nắp đậy thùng nhiên liệu, 2.ống báo nhiên liệu thùng chứa, 3.thùng chứa nhiên liệu, 4.đai ốc xả nhiên liệu, 5.lọc thơ, 6.van đóng ngắt, 7.ống nối, lọc tinh, bơm cao p, 10 kim phun, 11.van an toàn CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU 2.1 Cơ sở trình cung cấp nhiên liệu Hình 1: Bố trí chung động RV 195 Khi đưa hồn thiện thiết kế đưa vào sản xuất mẫu thử để thử nghiệm loại động mắc số nhược điểm hoạt động động RV 195 chưa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khả gia tốc kém, độ mờ khói cao, suất tiêu hao nhiên liệu lớn Với nghiên cứu phân tích thực nghiệm hệ thống động nhóm nghiên cứu kết luận cần phải nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu động cách cải tiến thông số chùm tia phun Thơng số kỹ thuật: Vịi phun Lỗ phun Số lỗ phun Lưu lượng phun Độ nâng van kim Hãng sản xuất Kín tiêu chuẩn 0.32 lỗ 41.85 (ml/s) 0,3029 (mm) Kumba Hệ thống nhiên liệu động Diesel, thực chu trình cung cấp nhiên liệu vào buồng cháy vào cuối thời kỳ nén (piston đến gần điểm chết trên), đặc tính nhiên liệu liệu Diesel loại nhiên liệu khó bay diễn biến tạo hỗn hợp diễn thời gian ngắn Vì thế, nhiên liệu đưa vào buồng cháy phải phun thật tơi chùm tia phải có động lớn để hồ trộn hết khơng gian buồng cháy Việc phun nhiên liệu vào buồng cháy sảy từ lỗ tia phun kim phun tác dụng áp suất phun dòng tia nhiên liệu độ chênh lệch áp suất phun áp suất buồng cháy cuối hành trình nén tác dụng vào đót kim kim phun làm cho nhiên liệu khỏi kim phun Diễn biến q trình làm thay đổi áp suất, tốc độ lưu lượng dòng nhiên liệu chuyển động hệ thống nhiên liệu theo thời gian, chế độ làm việc động Điều làm cho đặc tính dịng nhiên liệu thay đổi liên tục theo góc quay trục khuỷu, chế độ làm việc động Trị số cung cấp nhiên liệu động đơn vị thể tích LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vnlc Vkkc ρ kη v 10 = = Vnlc l ρ nl α (1) Trong đó: Vkk: thể tích khơng khí buồng cháy Vnl: thể tích nhiên liệu mà bơm cấp rk: khối lượng riêng khơng khí rk: khối lượng riêng nhiên liệu l0: hành trình piston.α: hệ số dư lượng khơng khí 2.2 Cơ sở trình phun nhiên liệu Quá trình hình thành hỗn hợp động Diesel diễn buồng cháy Vì thế, để bảo đảm chất lượng hỗn hợp tạo thành cần phải có chất lượng phun tốt Tức chất lượng hạt tia phun phải nhỏ đều, phân bố rộng khắp khơng gian buồng cháy Do diễn biến q trình phun phức tạp, thời gian diễn biến ngắn dẫn đến việc xác định việc xác định chất lượng phân bố hạt chùm tia, đường kính hạt, chiều dài chùm tia, góc chùm tia khó khăn dẫn đến việc kiểm soát triệt để trình phun kim phun Bằng phương pháp dựa vào tỷ lệ tổng thể tích tổng diện tích chùm tia phân bố vùng tập trung nhiên liệu để tính mức độ tập trung hạt vùng, phân bố hạt vùng Cũng từ sở tính đường kính trung bình hạt chùm tia Tuy nhiên, phương pháp phản ánh chất lượng phun cịn chưa nói rõ phân bố hạt nhiên liệu buồng cháy biến đổi hạt tốc độ sấy nóng nhiên liệu, tốc độ hoá nhiên liệu buồng cháy thay đổi Cơng thức tính tốn số hạt dựa tỷ lệ tổng thể tích tổng diện tích chùm tia Với n số hạt chùm tia có đường kính từ r đến r + dr đơn vị diện tích ta có 3V rtb = Σ = FΣ r2 3∑ πr n r1 r2 r2 πit ∫ f ' (r )r dr f ' (r )r dr r1 ∫ r1 = = r2 r2 2 ∑ 4πr n 4πtt ∫r1 f ' (r)r dr ∫r1 f ' (r)r dr (2) Hình 3: Đặc tính phân bố đường kính hạt chùm tia 1.đường kính hạt nhỏ đều, 2.đường kính hạt nhỏ, không đều, đường hạt nhỏ đều; r: đường kinh hạt, i/it:tỷ số tương đối Phương pháp làm giảm đường kính hạt tăng khả đồng điều hạt để tia phun phân bố rộng khắp buồng cháy người ta dùng phương pháp tăng áp suất tia để phun tơi làm nhỏ đường kính lỗ tia bố trí nhiều lỗ tia để hạt Tia nhiên liệu tạo thành từ hạt nhỏ, tác động bỡi yếu tố bên bên tia phun cộng thêm chế rối loạn lỗ tia làm cho dòng nhiên liệu bị xé tan thành hạt Sự tách tia tia rời khỏi lỗ phun ảnh nhiễu ngang, dọc tia chảy rối nhiên liệu bị nén Mặt khác, yếu tố tác động bên tác động lên tia ngăn cản không cho tia chuyển động vào buồng cháy Nhưng dòng nhiên liệu tiếp tục chuyển động với tốc độ cao làm cho hạt bị biến dạng yếu tố tác động Khi đó, hạt có kích thước lớn bị chia nhỏ, biến dạng phân rã hạt tạo nên sức căng mặt hạt nhiên liệu Sức căng tăng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đường kính hạt nhỏ Hạt giữ trạng thái ổn định cân với yếu tố tương tác Như vậy, hình thành hỗn hợp diễn bị yếu tố tương tác lực khí động, nhiễu loạn nhiệt độ có xu hướng làm xé tan chùm tia, sức căng mặt lực liên kết phân tử có xu hướng ngun chùm tia thế, tạo nên hình thành chùm tia Chiều dài tia phun (l) Thời Thờigian gianphun phun(t)(t) hình thành phân bố tồn khơng gian buồng cháy Khi có ma sát xảy tia nhiên liệu môi chất công tác môi trường phun gây tượng trao đổi động lượng Do dịng khí bên buồng cháy tăng tốc vào chùm tia chuyển động xoáy cộng thêm phá phân tử hydrocacbua hạt bên chùm tia tạo nên hồ khí Như vậy, cường độ dịng xốy thích hợp chất lượng phun tốt làm tăng tốc độ hình thành hỗn hợp Hình 4: Quá trình hình thành tia phun Chiều dài tia phun, bề rộng tia phun, góc tia phun, vận tốc tia phun Nếu xét mặt phẳng ta thấy chiều dài góc tia phun có mối liên hệ lẫn Nếu phun càn g tơi tia mảnh, ngắn rộng Nếu phun thơ tia chặt khó tác động Theo G.Xitki để tính chiều dài tia phun sử dụng cơng thức sau: 0.48 0.35 ⎛ ω ⎞ ⎛ ωρ nl d tb ⎞ ⎛ ρ nl ⎞ (3) ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ Ltp = Al d tb ⎜⎜ ⎝ d tb ⎠ ⎝ µ nl ⎠ ⎝ ρ kk ⎠ Trong đó: AL: thơng số kết cầu vịi phun w : vận tốc tia phun m : độ nhớt nhiên liệu 2.3 Cơ sở q trình hồ trộn nhiên liệu Khi nhiên liệu phun vào buồng cháy, việc hình thành hỗn hợp bên buồng cháy dựa hai yếu tố bản: Một chất lượng tia phun phải nhỏ Hai hình dáng tia phun phải phù hợp với kết cấu buồng cháy để hỗn hợp Hình 5: Diễn biến q trình hồ trộn nhiên liệu buồng cháy PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Trong xun suốt q trình nghiên cứu để tìm kết hoạt động hệ thống nhiên liệu động RV 195 cách xác tảng cho so sánh với giá trị thực tế để cải tiến hệ thống dùng phương pháp mô hệ thống phần mềm Hydsim Ngoài chúng tơi cịn dùng tính tốn lý thuyết kiểm chứng cho mơ hình hệ thống để tính tốn biện pháp hoàn thiện LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cho hệ thống nhiên liệu động Từ chúng tơi dùng phương pháp xây dựng mơ hình mơ dựa sơ đồ sau: * Mơ hình kim phun KẾT QUẢ HIỆN HỮU CỦA HỆ THỐNG Hệ thống nhiên liệu PTN Công ty máy nông nghiệp miền nam (VIKYNO) Động RV 195 Phần Mềm mô hệ thống nhiên liệu HYDSIM M ộ t s ố phầ n mền hỗ trợ * Mơ hình mơ hệ thống nhiên liệu Chuyên gia AVL Hình 6: Sơ đồ phân tích xây dựng mơ hình hệ thống nhiên liệu Bằng phương pháp xây dựng theo sơ đồ kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tế, trình nghiên cứu làm cho người nghiên cứu phải bao quát liên kết tất vấn đề xảy Xây dựng mô hình nghiên cứu Bằng phân tích thực nghiệm dực vào sở lý thuyết phần mềm Hydsim chúng tơi xây dựng mơ sau: * Mơ hình bơm cao áp KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Bằng mô hình xây dựng chúng tơi thực mơ hệ thống nhiên liệu để tìm kết hoạt động hệ thống nhiên liệu mà động diesel RV 195 sử dụng Tốc động tính tốn cho hệ thống nhiên liệu tính từ 1600 đến 2200 (vòng /phút) Lưu lượng nhiên liệu hệ thống nhiên liệu cung cấp vào xy lanh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Diễn biến áp hệ thống nh liệu sau Kết chùm tia phun nhiên liệu sau thoát khỏi lỗ tia sau Lấy kết sau mơ hệ thống nhiên liệu động Diesel RV195 so sánh với giá trị thực nghiệm cho thấy: - Ap suất tối đa buồng nâng kim 214 bar áp suất nhấc kim đo thự nghiệm 220 bar sai lệch 2.27% - Góc chùm tia giá trị tối đa xác định phương pháp mô 13.4 độ giá trị đo thực nghiệm 13.5 độ Sai lệch 0.7% - Suất tiêu hao nhiên liệu xác định mô 218.16 (g/Hp.h) ứng với tốc độ 2200 (v/p) suất tiêu hao nhiên công ty VIKYNO cấp 220 (g/Hp.h) sai lệch 0.6% Phân tích đồ thị cho thấy hệ thống nhiên liệu động VIKYNO RV 195 có tiêu mà động chưa đáp ứng nguyên nhân sau: - Khoảng gia tốc tự hệ thống hoạt động chế 100% tải dài ảnh chịu ảnh hưởng biến động áp suất buồng bơm - Tại vị trí tốc thấp 1600,1700,1800,1900 (v/p) mức độ ổn định chùm tia không đồng đều, đường kính hạt khơng đồng đều, chiều dài tia phun thay đổi, góc chùm tia thay đổi, yếu tố tạo nên va đập hạt chùm tia tạo nên q trình phân tái hợp lại vói khơng tạo nên đồng diện tích phân rã dẫn đến trình động tăng tốc để đạt giá trị tốc độ tối đa kéo dài, phát nhiều khói đen, hiệu suất động trình tăng tốc chưa cao, tiêu kinh tế động chưa cao Để không phá vỡ cấu cấu tại, đáp ứng với định hướng nghiên cứu hoàn thiện hệ thống nhiên liệu động Diesel VIKYNO RV 195 theo hướng tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường nâng cao hiệu suất cho động Khi phân tích kết hoạt động hệ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thống nhiên liệu thấy, để nâng cao áp suất phun động cách tốt cần phải thay đổi biên dạng cam biên dạng cam khác nhằm giải nhược điểm mà hệ thống nhiên liệu mắc phải Đồng thời, cải tiến lại số chi tiết bơm kim phun nhằm nâng cao áp suất phun cho hệ thống, để tia nhiên liệu sau khỏi lỗ phun tơi có chiều dài lớn hơn, bề rộng cao hơn, vận tốc góc lớn hơn, nhằm nâng cao hiệu suất cho động cơ, giảm ô nhiễm môi trường tiết kiệm nhiên liệu cho động Dựa vào phương pháp tối ưu phần tử mà phần mềm Hydsim có hàm mục tiêu nêu chúng tơi chạy phân tích mơ hình tìm hệ thống hệ thống nhiên liệu cải tiến với kết sau Thông số chùm tia phun Diễn biến áp suất hệ thống KẾT LUẬN Hệ thống nhiên liệu động VIKYNO RV 195 Sau cải tiến cho thấy: - Áp suất phun nhiên liệu tăng đáng kể điều cải thiện tính chất chùm tia phun Khi áp suất tăng động tia phun tăng cao khả hoà trộn cho chùm tia - Đường kính hạt, chiều dài góc chùm tia thiện tốt, lượng lượng cập qua lổ tia giảm Chính điều này, làm tăng khả hồ trộn chùm tia khơng gian buồng cháy, hỗn hợp bốc cháy mạnh hơn, nâng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cao công suất động cơ, giảm độ mờ khói hỗn hợp khí xả Biên dạng cam h p (m m ) 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 ϕc ° Hình 6: Biên dạng cam sửa đổi · Tăng hành trình, đường kính Piston bơm, độ cứng lò xo van triệt áp Tăng độ cứng chốt kim, lò xo tác động chốt kim, mở rộng thể tích buồng nâng chốt kim Lò xo Van triệt áp Chốt kim Hành trình Piston bơm Đường kính Piston Đặc tính hoạt động áp suất lỗ tia buồng bơm ổn định, điều nâng cao khả gia tốc cho động cơ, làm cho động hoạt động êm hơn, rút ngắn thời gian gia tốc, cải thiện khả phát thải, nâng cao hiệu suất động Để đại kết hệ thống nhiên liệu cần phải sửa đổi số chi tiết sau: - Thay đổi biên dạng cam Thể tích nâng kim Hình 7: mặt cắt kim phun bơm cao áp * Bảng thông số so sánh tham số hệ thống nhiên liệu trước sau cải tiến TT Thông số Trước Sau cải diễn biến Cải tạo tạo Biên dạng Hình vẽ Hình vẽ cam Đường kính 9.5 10.5 Đánh giá chung Tăng mm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tăng hành trình 1.63 mm Độ cứng lị Tăng 12000 14570 xo VTA 2579 N/mm Độ cứng lò Tăng 8000000 9500000 xo kim phun 1500000N/mm Đường kính Tăng 5.6 mặt tựa 0.6 mm Thể tích 280 320 Tăng 40 mm3 Hành trình 4.6 6.23 Từ đăc tính động hệ thống nhiên liệu động RV 195 sau cải tiến thông số tia phun cho thấy tăng khả hồ trộn chùm tia cách giảm đường kính hạt nhỏ, tăng chiều dài tăng, tăng động năng, làm cho động hoạt động êm tăng khả gia tốc giảm lượng nhiên liệu cho động TÀI LIỆU THAM KHẢO A Ficarella et al., Evaluation of Instability Phenomena in a Common Rail Injection System for High Speed Diesel Engines“, SAE Paper 990192 M Ganser, Operating Characteristics of a Common- Rail Type Fuel Injector for Passenger Car and Light Duty Truck DIDiesel Engines“, EAEC Paper SIA9506A12, 1995 N Guerrassi and P Dupraz, A Common Rail Injection System For High Speed Direct Injection Diesel Engines“, SAE Paper 980803 Stumpp, G., Ricco, M., “Common-Rail Attractive Fuel Injection System for Passenger Car DI Engines”, SAE Paper 960870, 1996 Boehner, W., and Hummel, K., ”Common Rail Injection System for Commercial Diesel Vehicles”, SAE Paper 970345, 1997 Renner, G., Koyannagi, K., and Maly, R.R.,”Effect of Common Rail Injector Design on the Emission Characteristics of Passenger Car DI Engines”, Proceedings of “The fourth International Symposium COMODIA 98”, pp.477-482, 1998 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... áp KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Bằng mơ hình xây dựng thực mô hệ thống nhiên liệu để tìm kết hoạt động hệ thống nhiên liệu mà động diesel RV 195 sử dụng Tốc động tính tốn cho hệ thống nhiên liệu tính từ... hao nhiên liệu lớn Để khắc phục nhược điểm này, nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu động RV 195 thực q trình phân tích thực nghiệm Các thơng số nghiên cứu bao gồm: thơng số tia phun vận động. .. biến q trình hồ trộn nhiên liệu buồng cháy PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Trong xuyên suốt trình nghiên cứu để tìm kết hoạt động hệ thống nhiên liệu động RV 195 cách xác tảng