Nghiên cứu cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp khi động cơ diesel làm việc ở chế độ chuyển tiếp

LỜI NÓI ĐẦU Các động cơ Diesel ngày nay cả trên bờ và dưới tàu thuỷ đại đa số được trang bị tuabin tăng áp khí xả do những đặc điểm nổi trội như công suất lớn, giảm suất tiêu hao nhiên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là: Nguyễn Văn Bình

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình khoa học của tôi thực

hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy TS Lê Văn Vang Ngoài các nội

dung tham khảo của các tác giả mà tôi đã liệt kê trong phần “Các tài liệu tham khảo”, luận văn của tôi không hề sao chép bất kì một nội dung nào khác của các công trình khoa học tương tự Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này chưa được công bố trong bất kì một tài liệu hoặc bài báo khoa học nào khác Tôi xin chịu hoàn toàn mọi trách nhiệm trước pháp luật về lời cam đoan trên đây của mình

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Văn Bình

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ này, cùng với sự nỗ lực cá nhân thì tác giả cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ rất nhiệt tình và quý báu Tác giả rất trân trọng và tri ân các sự giúp đỡ đó

Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy TS Lê Văn

Vang - giảng viên của trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM Thầy

đã hướng dẫn và cung cấp cho tôi rất nhiều kiến thức chuyên môn, những tài liệu chuyên ngành hết sức quý báu trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài Thầy là người hướng dẫn tận tình và tâm huyết trong quá trình thực hiên công trình nghiên cứu và đưa ra các ý kiến góp ý giúp tôi hoàn tất luận văn này Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy, cô, đồng nghiệp và bạn bè trong khoa Máy Tàu Thủy nói riêng và các thầy cô trong trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM nói chung đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn bổ ích trong quá trình tôi học tại trường Cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Máy Tàu Thủy đã giúp đỡ tạo điều kiện về thời gian và công việc để tôi hoàn thành luận văn này

Cám ơn sự quan tâm, hỗ trợ và động viên của gia đình và bạn bè giúp tôi

có động lực hoàn thành công việc nghiên cứu trong luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Văn Bình

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I  LỜI CẢM ƠN II  MỤC LỤC III  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VII  DANH MỤC HÌNH VẼ IX  DANH MỤC BẢNG BIỂU XI 

LỜI NÓI ĐẦU 1 

CHƯƠNG 1 3 

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3 

1.1 Giới thiệu chung về đề tài 3 

1.1.1  Ảnh hưởng của quá trình khai thác động cơ đến môi trường 4 

1.1.2 Ảnh hưởng của chế độ thay đổi tải đến độ mài mòn các chi tiết làm việc của động cơ 6 

1.1.3 Tình hình khai thác sử dụng động cơ Diesel ở Việt Nam 7 

1.2 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài 8 

1.3 Phương pháp và mục tiêu nghiên cứu 8 

CHƯƠNG 2 9 

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CHUYỂN TIẾP CỦA ĐỘNG CƠ 9 

2.1 Cơ sở lý thuyết tăng áp cho động cơ Diesel 9 

2.2 Phân tích các chế độ công tác của động cơ Diesel tăng áp lai phụ tải 13 

2.3 Các quá trình chuyển tiếp và sự thay đổi các thông số của động cơ Diesel trong quá trình chuyển tiếp 14 

2.3.1 Chế độ chuyển tiếp của động cơ Diesel 14 

2.3.2 Quá trình đóng và ngắt tải đột ngột 15 

2.3.3 Quá trình tăng tốc 18 

2.3.4 Quá trình chuyển tiếp liên hợp 20 

2.3.5 Quá trình thay đổi tải có tính chu kỳ 21 

2.3.6 Quá trình đảo chiều quay trục khuỷu của động cơ chính 22 

2.4 Quá trình công tác của động cơ ở chế độ chuyển tiếp 25 

2.4.1 Quá trình trao đổi khí trong động cơ diesel tăng áp bằng tuabin khí xả ở các chế độ chuyển tiếp 26 

2.4.2 Quá trình hoà trộn hỗn hợp và cháy ở các chế độ chuyển tiếp 29 

2.4.3 Sự phối hợp công tác giữa tổ hợp tuabin máy nén và động cơ diesel trong quá trình hoạt động 31 

CHƯƠNG 3 42 

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN VÀ TÍNH TOÁN SỰ THAY ĐỔI CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC CỦA TỔ HỢP TUABIN TĂNG ÁP VÀ ĐỘNG CƠ TRONG CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP 42 

3.1 Giới thiệu chung 42 

3.2 Đối với động cơ 43 

3.2.1 Hệ thống nhiên liệu 43 

3.2.2 Bộ điều tốc 43 

3.2.3 Sử dụng chốt tì di động dạng thuỷ lực 44 

3.2.4 Lựa chọn các thông số trao đổi khí 45 

3.2.5 Cơ cấu phối khí 46 

3.3 Đối với tuabin tăng áp 47 

3.3.1 Sử dụng tăng áp biến áp 47 

3.3.2 Giảm mômen quán tính rô to tuabin máy nén 48 

3.3.3 Điều chỉnh tuabin máy nén 48 

3.3.4 Kết cấu của tổ hợp tuabin máy nén tăng áp 50 

3.3.5 Sử dụng tăng áp kết hợp 51 

3.3.6 Sử dụng tăng áp hai cấp 52 

3.3.7 Sử dụng tăng áp kế tiếp 53 

3.3.8 Cấp khí bổ sung 54 

3.4 Tính toán sự thay đổi các thông số công tác của tổ hợp tuabin tăng áp và động cơ trong chế độ chuyển tiếp 59 

3.4.1 Lựa chọn các thông số tính toán 59 

3.4.2 Lựa chọn phương pháp tính toán động cơ 60 

3.4.3 Lập thuật toán và chương trình tính 61 

3.4.4 Phương trình thay đổi vòng quay hệ trục động cơ - phụ tải 62 

3.4.5 Suất tiêu hao không khí của động cơ 66 

3.4.6 Nhiệt độ khí xả 68 

3.4.7 Các thông số công tác của máy nén 68 

3.4.8 Các thông số công tác của tuabin khí xả 70 

3.4.9 Tính toán lượng khí cấp bổ sung cho tuabin tăng áp 74 

CHƯƠNG 4 77 

LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CẢI THIỆN SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ HỢP TUABIN TĂNG ÁP KHI ĐỘNG CƠ DIESEL LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤP KHÍ BỔ SUNG 77 

4.1 Lựa chọn động cơ để tính toán 77 

4.2 Viết chương trình tính 82 

4.3 Xây dựng đặc tính máy nén 83 

4.4 Tính toán quá trình thay đổi tải 83 

4.5 Lập chương trình tính trên ngôn ngữ Matlab 84 

4.5.1 Giới thiệu chung về phần mềm Matlab 84 

4.5.2 Xây dựng đặc tính hàm lưu động tương đối với tỉ số áp suất px/pk 85 

4.5.3 Xây dựng mối quan hệ giữa tỉ số áp suất px/pk và khối lượng khí nạp Gkq 86 

4.5.4 Xây dựng mối quan hệ giữa suất tiêu hao không khí qua động cơ Gk

với tỉ số áp suất px/pk 88 

4.5.5 Xây dựng mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung và công suất máy nén 89 

4.5.6 Xây dựng mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung và hệ số dư lượng không khí α1 90 

4.5.7 Xây dựng mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung và hiệu suất chỉ thị của động cơ 92 

4.5.8 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình thay đổi tải 93 

4.5.9 Kết luận 93 

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 94 

1 Kết luận 94 

2 Kiến nghị và hướng phát triển của đề tài 94 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 

PHỤ LỤC 96 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ne Công suất có ích của động cơ (kw)

Nm Công suất cơ giới của động cơ (kw)

Ni Công suất chỉ thị của động cơ (kw)

Ta Thời gian chuyển tiếp của hệ động cơ (s)

J Mômen quán tính khối lượng quay của động cơ và

phụ tải (kg.ms2)

φ Độ thay đổi vòng quay tương đối (rad/s)

gct Lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình (kg/s)

ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (kg/kw.h)

gi Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị (kg/kw.h)

τi Thời gian trì hoãn sự cháy (s)

Lo Lượng không khí lý thuyết cần đốt cháy hoàn toàn

1kg nhiên liệu (kmol)

ηi Hiệu suất chỉ thị

Mc Mômen cản của động cơ (N.m)

ρk Khối lượng riêng của không khí nạp (kg/m3)

Lk Công đoạn nhiệt của máy nén (kj)

Pk Áp suất tăng áp (kg/cm2)

Px Áp suất khí xả (kg/cm2)

kx Chỉ số nén đoạn nhiệt của khí xả

kkk Chỉ số nén đoạn nhiệt của không khí

Rkk Hằng số trạng thái của không khí (kj/kg.độ)

Rkx Hằng số trạng thái của khí xả (kj/kg.độ)

Gk Lưu lượng không khí qua động cơ (kg/s)

Gkd Lượng không khí còn lại trong xylanh khi đóng xu

páp nạp, thải (kg/s)

Gkq Lưu lượng khí nạp (kg/s)

Gbs Lượng cấp khí bổ sung (kg/s)

Tk Nhiệt độ sau khi nén có làm mát (0K)

To Nhiệt độ môi trường (0K)

Tx Nhiệt độ khí xả (0K)

Fvan Diện tích cửa van điện từ (m2)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sơ đồ động cơ tăng áp tua bin khí xả 12 

Hình 2.2: Quá trình chuyển tiếp của động cơ 16 

Hình 2.3: Sự thay đổi công suất tiêu thụ phụ thuộc vào vòng quay khi tăng tốc tàu 19 

Hình 2.4: Các đường cong biểu diễn vùng làm việc của động cơ 22 

Hình 2.5: Sự phụ thuộc mômen trên trục khuỷu động cơ vào vòng quay khi dừng tàu 23 

Hình 2.6: Sự phụ thuộc vòng quay của động cơ có hộp giảm tốc vào thời gian dừng tàu 24 

Hình 2.7: Đặc tính máy nén 32 

Hình 2.8: Sự thay đổi các thông số công tác của tổ hợp tuabin máy nén khi làm việc ở các quá trình chuyển tiếp 34 

Hình 2.9: Đặc tính công tác đồng thời của hệ máy nén tăng áp-động cơ 36 

Hình 2.10: Sự thay đổi điểm công tác đồng thời của hệ máy nén tăng áp-động cơ khi mất ổn định 38 

Hình 3.1: Chốt tỳ di động thuỷ lực 45

Hình 3.2: Sơ đồ bố trí tổ hợp tuabin tăng áp có đường thoát khí xả 50 

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí và kết cấu động cơ sử dụng tăng áp kết hợp 52 

Hình 3.4: Sơ đồ bố trí và kết cấu sử dụng tăng áp hai cấp 53 

Hình 3.5: Hình dạng và thiết kế bộ tăng áp có cấp khí bổ sung 55 

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí họng cấp khí vào hệ thống điều khiển máy nén 55 

Hình 3.7: Ảnh hưởng của cấp khí bổ sung đối với quá trình chuyển tiếp 56 

Hình 3.8 So sánh quá trình chuyển tiếp sau khi tăng phụ tải 57 

Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống tăng áp 79

Hình 4.2: Sơ đồ cấp khí bổ sung 79 

Hình 4.3: Sơ đồ bộ điều khiển áp suất khí nạp 80 

Hình 4.4: Sơ đồ khối hệ thống cấp khí bổ sung 82 Hình 4.5: Đặc tính máy nén NR15-R 83 Hình 4.6: Đồ thị biểu thị mối quan hệ hàm lưu lượng tương đối Ψ với tỉ số áp suất px/pk 86 Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa tí số áp suất với khối lượng khí nạp 87 Hình 4.8: Đồ thị quan hệ giữa suất tiêu hao không khí với tỉ số áp suất 88 Hình 4.9: Đồ thị mối quan hệ giữa công suất máy nén và lượng cấp khí bổ sung 90 Hình 4.10: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung Gbs và hệ số dư lượng không khí α1 91 Hình 4.11: Biểu diễn mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung Gbs và hiệu suất chỉ thị ηi của động cơ 92 

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Hàm lượng phần trăm theo thể tích thành phần của khí xả 4

Bảng 2.1: Trị số áp suất có ích bình quân 12

Bảng 3.1: Giá trị hệ số a, b của từng loại động cơ 65

Bảng 3.2: Nhiệt độ khí xả của từng loại động cơ 68

Bảng 4.1: Giá trị tương ứng giữa lượng cấp khí bổ sung Gbs và hệ số α1 91

LỜI NÓI ĐẦU

Các động cơ Diesel ngày nay cả trên bờ và dưới tàu thuỷ đại đa số được trang bị tuabin tăng áp khí xả do những đặc điểm nổi trội như công suất lớn, giảm suất tiêu hao nhiên liệu … Các động cơ này cũng bộc lộ nhiều hạn chế

cố hữu như quá trình gia tốc chậm, khói đen khi tăng tốc, độ ồn cao…

Sự phối hợp công tác giữa tuabin tăng áp và động cơ là một đặc trưng cơ bản của các động cơ có tăng áp bằng tuabin khí xả mà nó ảnh hưởng rất lớn tới sự hoạt động của động cơ Diesel ở các chế độ chuyển tiếp Sự phối hợp công tác giữa tuabin tăng áp và động cơ là nguyên nhân chính bởi vì bơm cao

áp đáp ứng rất nhanh để tăng nhiên liệu khi tải hoặc tốc độ đặt tăng lên Lượng không khí cần thiết không thể tức thời tăng lên một cách tương ứng,

mà chỉ có thể tăng lên sau một thời gian nhất định nào đó phụ thuộc vào quán tính của hệ thống: hiện tượng trên còn biểu hiện rõ ở các chế độ tải thấp và tốc độ thấp

Do vậy, hệ số dư lượng không khí trong giai đoạn đầu của quá trình chuyển tiếp có giá trị rất thấp, thậm chí nhỏ hơn 1 Quá trình cháy xấu đi dẫn đến đáp ứng của động cơ chậm, sụt tốc, khói đen và độ ồn cao, giảm chất lượng chu trình công tác, giảm tính tin cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả thải ra môi trường Các nhà chế tạo và khai thác mong muốn cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp khi động cơ khai thác ở những chế độ này Hiện nay nhờ sự phát triển vượt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật mà động cơ Diesel thế hệ mới đã phần nào khắc phục được những nhược điểm nói trên Tuy nhiên với loại động cơ này tại Việt Nam cũng như một số nước phát triển khác, do nguồn kinh phí có hạn nên không

có nhiều doanh nghiệp mạnh dạn đầu tư Trong khi đó thế hệ động cơ đời thấp, cũ tính năng hoạt động kém hơn nhưng giá rẻ phù hợp với điều kiện của nhiều doanh nghiệp nên được dùng rất nhiều, chiếm tỉ trọng lớn Khi khai

thác loại động cơ này nếu không có biện pháp cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp sẽ làm giảm các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và tính năng tin cậy khi làm việc của động cơ, đồng thời làm tăng độc tố trong khí xả, gây ô nhiễm môi trường

Nghiên cứu “Cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp khi động cơ diesel làm việc ở chế độ chuyển tiếp” nhằm mục đích nâng cao chất lượng của quá trình chuyển tiếp mà cụ thể là: Tính đáp ứng của tuabin nhanh hơn, tăng công suất tuabin, tăng lượng khí nạp vào động cơ, tăng công suất động

cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, quá trình cháy tốt hơn, giảm lượng khói đen khi tăng tốc và giảm độ ồn của động cơ. Từ kết quả thu được có thể áp dụng thực tế trên các động cơ cả trên bờ và dưới tàu thủy có trang bị cụm tuabin tăng áp khí xả

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung về đề tài

Thời gian làm việc của các động cơ Diesel ở chế độ chuyển tiếp là đáng

kể tuỳ theo tính chất của phụ tải và lĩnh vực sử dụng Nghiên cứu về chế độ chuyển tiếp cũng như các giải pháp nâng cao chất lượng của quá trình chuyển tiếp ngày càng được nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất quan tâm

Theo truyền thống, đại đa số các nghiên cứu về hoạt động của động cơ Diesel chỉ tập trung vào các chế độ tĩnh Tuy nhiên, trong thực tế phần lớn thời gian hoạt động của động cơ lại ở chế độ động hay chế độ chuyển tiếp Chế độ tĩnh là các chế độ hoạt động của động cơ mà các thông số không thay đổi theo thời gian hay còn được gọi là chế độ cân bằng Tải của động cơ

và giá trị tốc độ đặt không thay đổi có thể coi là một chế độ tĩnh điễn hình với các biểu trưng là tốc độ và lượng cấp nhiên liệu cho chu trình không thay đổi theo thời gian

Chế độ động hay còn được gọi là chế độ chuyển tiếp là chế độ hoạt động của động cơ mà có ít nhất một thông số thay đổi theo thời gian

Từ các khái niệm trên ta có thể khái quát rằng, để chuyển từ một chế độ tĩnh này sang một chế độ tĩnh khác thì động cơ cần phải qua các chế độ động hay gọi là giai đoạn chuyển tiếp

Khi thiết kế chế tạo động cơ Diesel, chế độ được lựa chọn để thiết kế là chế độ làm việc định mức ứng với một chế độ khai thác thường xuyên của động cơ Trong quá trình khai thác thực tế thì lại không phải như vậy, do tính chất của phụ tải hoặc các chế độ khai thác đối với các phương tiện cơ giới và vận tải luôn luôn thay đổi làm cho tải ngoài của động cơ cũng luôn luôn thay đổi và động cơ phải làm việc ngoài chế độ định mức Nếu chế độ công tác của động cơ thay đổi theo tải và nằm ngoài chế độ định mức thì chất lượng hoà

trộn và cháy hỗn hợp xấu đi làm thay đổi các thông số công tác của động cơ Mức độ thay đổi các thông số công tác phụ thuộc vào trạng thái kỹ thuật của động cơ và chế độ phụ tải Khi hoạt động ở các chế độ này các thông số công tác của động cơ thay đổi theo chiều hướng xấu đi làm giảm các chỉ tiêu kinh

tế, giảm tính tin cậy, tuổi thọ của động cơ, đồng thời làm cho các thành phần độc tố trong khí xả tăng lên gây ô nhiễm môi trường Sau đây xét đến ảnh hưởng của động cơ đến môi trường và tính kinh tế, tính làm việc ổn định của động cơ trong quá trình khai thác động cơ:

1.1.1 Ảnh hưởng của quá trình khai thác động cơ đến môi trường

Tất cả các động cơ đốt trong nói chung và đối với động cơ Diesel nói riêng đều gây tiếng ồn và làm ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí xả làm ô nhiễm môi trường không khí Trong quá trình hoạt động động cơ thực hiện trao đổi nhiệt không ngừng với môi trường xung quanh Không khí sạch nạp vào xi lanh động cơ, tham gia quá trình hoà trộn với nhiên liệu, cháy và sau đó xả khí thải ra môi trường Theo các công trình nghiên cứu, trong thành phần của khí xả gồm có các chất không tham gia vào quá trình cháy, sản phẩm cháy hoàn toàn và không hoàn toàn nhiên liệu và ô xít nitơ Hàm lượng theo % thể tích của chúng như sau:

Bảng 1.1: Hàm lượng phần trăm theo thể tích thành phần của khí xả

Nitơ Ôxy Hơi nước Khícacbonic Khí sunfurơ Hidrô

Ôxít

cácbon Anđêhit

Cacbua hyđrô Muội (g/m3) Ôxít nitơ 0,01-0,5 0,001-0,05 0,009-0,05 0,01-1,1 0,002-0,5

Độc tố trong khí thải được xác định bằng hàm lượng có trong khí thải các chất ôxit nitơ, ôxit cacbon, anđêhit, hyđrô cacbon mạch hở, hyđrô cacbon

mạch vòng, khí sufurơ và khói Trong đó ôxit nitơ và ôxit cacbon là hai loại độc tố nguy hiểm nhất Ôxit nitơ hình thành ở nhiệt độ cao do phản ứng giữa ôxy và nitơ Ôxit cacbon hình thành trong động cơ Diesel khi cháy ở điều kiện không đủ ôxy Do tính độc cao của ôxit nitơ và ôxit cacbon nên hàm lượng của chúng trong khí xả phải hạn chế Tại một số nước phát triển như

Mỹ hoặc các nước châu Âu đã có giới hạn cho phép về nồng độ chất thải của động cơ ra môi trường Tại Việt Nam cần phải có biện pháp kiểm soát chặt chẽ mức độ ô nhiễm và tiêu chuẩn hoá chất độc hại xả ra môi trường

Đối với các động cơ thường xuyên làm việc ở các chế độ không ổn định thì vùng làm việc hầu như nằm ngoài chế độ định mức Khi làm việc ở các chế độ không ổn định thì trong thời gian chuyển tiếp do không cân bằng về mômen quay và mômen cản làm cho tỉ số giữa lượng nhiên liệu và lượng không khí cấp vào động cơ không tương ứng Điều đó dẫn đến làm xấu chất lượng quá trình cháy, hiệu suất chỉ thị giảm rõ rệt so với chế độ ổn định tương ứng Điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất là chế độ đóng tải đột ngột, đặc biệt đối với động cơ có tăng áp tuabin khí xả Khi làm việc ở chế độ này lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên đạt giới hạn trên, trong khi đó lượng không khí cấp tăng lên không nhiều do quán tính của rôto tuabin máy nén, nên hệ số dư lượng không khí giảm nhanh, chất lượng cháy hỗn hợp xấu đi rõ rệt Phần nhiên liệu phun vào xilanh quá lớn so với lượng không khí nạp làm cho quá trình cháy nhiên liệu không hoàn toàn, phần nhiên liệu không kịp cháy xả ra làm ô nhiễm môi trường Nguyên nhân của việc tăng sự thải NOx

là ở chỗ trong thời gian đầu của chế độ chuyển tiếp, chu kỳ duy trì tự bốc lửa rất lớn, còn nguyên nhân tăng sự thải muội là do áp suất không khí tăng áp và

số vòng quay của động cơ bé hơn giá trị tương ứng với lượng nhiên liệu được phun vào, phần nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy cũng tăng lên, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở

1.1.2 Ảnh hưởng của chế độ thay đổi tải đến độ mài mòn các chi tiết làm việc của động cơ

Nguyên nhân làm thay đổi chất lượng quá trình công tác trong xi lanh động cơ và các hư hỏng khác đối với động cơ khai thác ở chế độ thay đổi tải đột ngột là sự không cân bằng mômen quay và mômen cản dẫn đến không ổn định vòng quay

Sự thay đổi các thông số trong quá trình cấp nhiên liệu, nạp không khí và nhiệt độ các chi tiết vượt ra khỏi giới hạn so với chế độ ổn định sẽ làm tăng khói, giảm thời gian khai thác giữa các lần sửa chữa và các hiện tượng không mong muốn khác Các hiện tượng trên làm xấu chất lượng khai thác Khi đóng tải, chất lượng cháy kém, khói và hiện tượng cốc hoá hệ thống nạp thải, cánh tuabin tăng lên và giảm công suất động cơ

Khi đánh giá các chế độ không ổn định của động cơ đến mài mòn các chi tiết và tuổi thọ động cơ thường phải nghiên cứu toàn bộ các vấn đề liên quan đến chế độ làm việc của động cơ khi khởi động ở trạng thái nguội, sấy nóng

và các chế độ không ổn định khác vì khi đó chế độ tải và cơ cấu điều khiển luôn thay đổi Động cơ làm việc ở các chế độ trên sẽ bị tăng độ mài mòn và giảm tuổi thọ, tăng tiêu hao nhiên liệu và giảm tính kinh tế khi khai thác động

cơ

Các nguyên nhân có thể làm gia tăng sự mài mòn chi tiết của động cơ khi làm việc ở các chế độ thay đổi tải là quán tính nhiệt của các chi tiết, sự phá vỡ chế độ bôi trơn, tăng lực của khí cháy và lực quán tính các chi tiết cơ cấu biên khuỷu, tăng độ mài mòn ổ đỡ, nhóm piston xilanh, tăng ứng suất nhiệt lên vách nắp xilanh, đỉnh piston

Độ mài mòn và ứng suất nhiệt các chi tiết làm việc của động cơ gia tăng trong chế độ thay đổi tải đột ngột là nguyên nhân góp phần làm giảm tính tin

cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả thải ra môi trường

1.1.3 Tình hình khai thác sử dụng động cơ Diesel ở Việt Nam

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật, động cơ Diesel không ngừng được cải tiến và hoàn thiện và ngày càng khẳng định vị trí số một của mình trong số các thiết bị động lực được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực kinh tế: giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thuỷ ), công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng và quốc phòng v.v

Tuy nhiên do quá trình nạp sạch khí thải và nạp khí mới ở động cơ bốn kỳ tiến hành tương đối hoàn hảo hơn so với động cơ hai kỳ, đồng thời bằng phương pháp tăng áp có thể tăng công suất của động cơ bốn kỳ một cách dễ dàng vì ứng suất nhiệt của xilanh nhỏ hơn và hệ thống tăng áp của nó cũng đơn giản hơn so với động cơ hai kỳ, vì vậy động cơ Diesel bốn kỳ tăng áp bằng tuabin khí xả rất được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kinh tế quốc dân Khi khai thác loại động cơ này do tải ngoài của động cơ thường xuyên thay đổi nên động cơ phải thường xuyên làm việc ở các chế độ nằm ngoài chế độ định mức làm cho các thông số công tác của động cơ thay đổi theo chiều hướng xấu đi Hậu quả còn lớn hơn đối với động cơ khi làm việc ở các chế độ thay đổi tải đột ngột Chẳng hạn khi đóng tải, mômen cản tăng lên làm tốc độ của động cơ giảm xuống, thông qua bộ điều tốc đẩy thanh răng tăng nhanh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Trong khi đó do tính trễ của tuabin máy nén nên tuabin máy nén chưa kịp tăng tốc cấp thêm không khí cho động cơ Kết quả là hoà khí quá đậm làm giảm chất lượng chu trình công tác, giảm tính tin cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc

tố trong khí xả thải ra môi trường

1.2 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài

Ở nước ngoài vấn đề này được nghiên cứu tại các viện, các trung tâm nghiên cứu khoa học, ngay cả các nhà máy chế tạo động cơ cũng thành lập các trung tâm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm

Ở trong nước, vấn đề này chưa được quan tâm đầy đủ Vì vậy nghiên cứu

và khai thác chế độ chuyển tiếp nói chung và nghiên cứu cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp trong chế độ chuyển tiếp là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tế

1.3 Phương pháp và mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Đây là đề tài nghiên cứu cải thiện sự làm việc của tổ hợp tuabin tăng áp của động cơ khi làm việc ở chế

độ chuyển tiếp, với mục đích nâng cao chất lượng của quá trình chuyển tiếp Tác giả áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, lập phương trình động học và mô hình toán Sau đó dùng chương trình máy tính kết hợp với lập trình Matlab để mô phỏng minh chứng các kết quả thu được

Cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp khi động cơ Diesel làm việc ở chế độ chuyển tiếp đi sâu nghiên cứu phương pháp cấp khí bổ sung

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CHUYỂN TIẾP

CỦA ĐỘNG CƠ 2.1 Cơ sở lý thuyết tăng áp cho động cơ Diesel

Cơ sở lý luận của tăng công suất động cơ Diesel tàu thuỷ có thể bắt đầu từ các công thức cơ bản tính toán quá trình công tác của động cơ, như sau:

- Lượng không khí nạp vào các xy lanh của động cơ Gkk [kg(kk)/công tác];

+ qct: lượng nhiên liệu cung cấp theo chu trình

- Hệ số dư lượng không khí α tính cho một chu trình:

- Công suất có ích của động cơ Ne [ml-mã lực]:

m

i n S D

+ S: hành trình piston

+ n: vòng quay

+ m: hệ số kỳ, bằng 1 với động cơ hai kỳ, bằng 2 với động cơ bốn kỳ

Các phương án thông thường tăng công suất động cơ có thể bao gồm:

- Tăng số xy lanh i hoặc kích thước cơ bản, bao gồm đường kính xy lanh D và hành trình piston S Khi đó, thể tích công tác của xy lanh Vs = K.0,785D2S sẽ tăng lên

- Tăng số vòng quay n (v/p), công suất động cơ cũng có thể cũng sẽ tăng lên Khi tăng vòng quay, vấn đề khó khăn là tính toán cân bằng động và đảm bảo bôi trơn

- Dùng động cơ lai hai kỳ (m = 1), có thể tăng gấp đôi công suất động cơ bốn

kỳ (m = 2) Trên thực tế, động cơ hai kỳ có công suất lớn hơn từ 1,6 ÷ 1,8 công suất động cơ bốn kỳ có cùng kích thước cơ bản

Tất cả các phương án đã nêu trên, việc tăng công suất cho động cơ luôn kèm theo việc tăng các kích thước của động cơ đồng thời với việc tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ

Phương án tăng công suất dựa trên công thức (2.4) được đề cập sau đây là phương pháp tăng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ nhưng giữ nguyên kích thước của động cơ, được gọi là tăng áp động cơ Thuật ngữ “tăng áp” muốn nói đến vấn đề tăng áp suất không khí nạp, nhưng bản chất của vấn đề tăng công suất trong mọi trường hợp là phải tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ

Trên cơ sở công thức (2.4), việc tăng Pe sẽ làm tăng công suất có ích của động cơ Ne Hiệu suất chỉ thị ηi phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện đảm bảo quá trình cháy nhiên liệu, trong đó yếu tố quan trọng là tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu và không khí cấp vào xy lanh động cơ Chính vì vậy, để tăng lượng nhiên

liệu cấp vào xy lanh, người ta phài đồng thời tăng lượng không khí cần thiết

Trong các động cơ tăng áp, người tăng áp thường sử dụng máy nén để tăng

áp suất khí nạp và sinh hàn để giảm nhiệt độ không khí nạp cho động cơ Mức độ tăng công suất của động cơ nhờ tăng áp so với chính động cơ đó trong điều kiện chưa tăng áp được đánh giá bằng hệ số λta gọi là mức độ tăng

áp

Trong đó:

+ Ne và N là công suất có ích chưa tăng áp và đã tăng áp của động cơ

+ Pe và P là áp suất có ích bình quân của động cơ chưa tăng áp và động cơ

đã tăng áp

Đối với các động cơ chế tạo trước những năm 1980, hệ số λta có giá trị phổ biến từ 1.5 ÷ 2 Theo trị số của áp suất có ích bình quân của các động cơ tăng áp phụ thuộc vào mức độ tăng áp của chúng như sau:

Bảng 2.1: Trị số áp suất có ích bình quân

2) Động cơ bốn kỳ Động cơ hai kỳ

Muốn tăng áp cho động cơ cần phải có máy nén dùng để nén không khí từ

áp suất khí trời tới áp suất tăng áp Pk rồi mới đưa vào động cơ Dựa vào phương pháp dẫn động máy nén của động cơ tăng áp người ta chia các phương pháp tăng áp chủ yếu làm 3 nhóm: tăng áp truyền động cơ giới, tăng

áp tuabin khí và tăng áp hỗn hợp

Hình 2.1: Sơ đồ động cơ tăng áp tua bin khí xả

Trên hình 2.1 thể hiện sơ đồ khối động cơ Diesel tăng áp bằng TB-MN (Tuabin-máy nén) Khí xả sau khi ra khỏi động cơ có thể qua bộ biến đổi sơ

bộ rồi cấp vào tuabin Công sinh ra của tuabin trực tiếp được sử dụng để dẫn động máy nén gió tăng áp Không khí nén trước khi cấp vào động cơ có thể được làm mát bằng sinh hàn

Số lượng không khí nén cung cấp cho động cơ được biến đổi tự động theo công suất của động cơ Công suất của động cơ càng cao thì năng lượng chứa trong khí thải càng lớn, đảm bảo quay máy nén cung cấp cho động cơ càng nhiều không khí nén Đây chính là ưu điểm lớn làm cho phương pháp tăng áp tuabin khí xả trở thành biện pháp tốt nhất để làm tăng công suất và nâng cao các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ Vì vậy biện pháp này đã được sử dụng rất rộng rãi trong các loại động cơ Diesel hiện đại

2.2 Phân tích các chế độ công tác của động cơ Diesel tăng áp lai phụ tải

Sự khác nhau giữa động cơ Diesel không tăng áp và tăng áp không những

ở các thông số như tỉ số nén, lượng cấp nhiên liệu, pha phối khí, áp suất, nhiệt

độ của chu trình công tác mà còn phải lưu tâm đến lượng khí xả phải luôn

đủ đảm bảo cho tuabin làm việc để quay máy nén cung cấp không khí nạp cho động cơ Diesel tăng áp Thí dụ, để đảm bảo tăng suất tiêu hao không khí và khí xả qua xu páp nạp, xả trong động cơ tăng áp cần phải tăng góc mở sớm và đóng muộn các xu páp, tăng góc trùng điệp (Trong khi góc trùng điệp của động cơ không tăng áp khoảng 25-500 góc quay trục khuỷu thì ở động cơ có tăng áp bằng tuabin khí xả góc trùng điệp có thể lên tới 100-1600 góc quay trục khuỷu để đảm bảo nạp khí)

Mặt khác, trong quá trình làm việc của động cơ Diesel tăng áp bằng

TB-KX (Tuabin-khí xả) khi động cơ làm việc ở chế độ định mức TB-MN thường xuyên đảm bảo cân bằng giữa công suất do TB sinh ra và công suất tiêu dùng cho MN (Nt=Nk) TB-MN có rô to không liên hệ cơ học với trục khuỷu, ở tất

cả các chế độ làm việc của động cơ tuabin và máy nén đều tự điều chỉnh công suất Công suất máy nén khi tính toán dựa vào suất tiêu hao không khí và áp suất tăng áp Tuy nhiên vấn đề phức tạp khi tăng áp cho động cơ Diesel là phải đảm bảo sự làm việc ổn định đồng thời của TB-MN với động cơ trong khoảng tải và vòng quay rộng Thật vậy, do đặc tính lưu động khí của TB-MN

và động cơ đốt trong là khác nhau nên để có sự làm việc hài hoà giữa 3 cụm phải có sự phối hợp chặt chẽ các đặc tính của chúng, tức là phải phối hợp đặc tính của TB với đặc tính của MN, phối hợp đặc tính của cụm TB-MN với động cơ đốt trong Bởi vậy, động cơ 4 kỳ tăng áp tuabin khí xả có các đặc tính khác với động cơ không tăng áp Để giải quyết được vấn đề này, các đặc tính khí động học máy nén li tâm cần phải phù hợp hoàn toàn với đặc tính tiêu thụ không khí của động cơ Diesel

Đặc tính động học hệ thống máy nén tăng áp tuabin khí xả là đặc tính khí

xả và đặc tính khí động học học máy nén li tâm, trên đó xây dựng các đường chế độ làm việc của máy nén khi động cơ Diesel làm việc theo đặc tính ngoài, đặc tính tải và đặc tính chân vịt Chúng được gọi là đặc tính chế độ làm việc của TB-MN Đặc tính chế độ làm việc của TB-MN thu được từ thực nghiệm Như vậy để có cơ sở tính toán các thông số công tác của động cơ hay tính toán hoạt động phối hợp của hệ thống động cơ-tuabin máy nén-tải khi thay đổi tải chúng ta phải hiểu rõ mối quan hệ và sự phối hợp công tác của chúng khi động cơ làm việc trong các chế độ này

2.3 Các quá trình chuyển tiếp và sự thay đổi các thông số của động cơ Diesel trong quá trình chuyển tiếp

2.3.1 Chế độ chuyển tiếp của động cơ Diesel

Chế độ làm việc của động cơ mà các thông số mômen và vòng quay không thay đổi theo thời gian gọi là ổn định Các chế độ này diễn ra khi phụ tải ổn định (tải không thay đổi theo thời gian)

Các chế độ mà các thông số mômen và vòng quay của động cơ luôn thay đổi theo thời gian gọi là chế độ không ổn định

Khi chuyển chế độ làm việc của động cơ từ chế độ ổn định này sang chế

độ ổn định khác phải trải qua các chế độ không ổn định trung gian, các chế độ không ổn định trung gian này được gọi là chế độ chuyển tiếp Ở các chế độ

chuyển tiếp các thông số công tác của động cơ thay đổi theo thời gian, chất lượng hoạt động của động cơ và của các hệ thống phục vụ cho động cơ xấu

đi Thời gian thực hiện quá trình này gọi là thời gian chuyển tiếp Thời gian quá trình chuyển tiếp dài hay ngắn, mức độ và nhịp độ thay đổi các thông số của động cơ trong quá trình này phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật của động

cơ, hệ thống tăng áp tuabin khí thải được bố trí trên động cơ, mức độ phù hợp đặc tính tiêu thụ không khí giữa động cơ với máy nén, đặc tính bộ điều tốc động cơ và đặc tính tĩnh của nó, tính chất của phụ tải và môi trường hoạt động của hệ động cơ-thiết bị tiêu thụ năng lượng

Trong quá trình khai thác động cơ thường xảy ra các quá trình chuyển tiếp chủ yếu: Đóng và ngắt tải; tăng tốc; chuyển tiếp liên hợp; thay đổi tải tuần hoàn; còn đối với động cơ chính của tàu thủy thường gặp thêm các chế độ chuyển tiếp: Đảo chiều quay trục khuỷu khi quay trở tàu; tải thay đổi đột ngột hay có chu kì khi tàu hoạt động trong điều kiện bão tố

2.3.2 Quá trình đóng và ngắt tải đột ngột

Trong các quá trình đóng và ngắt tải đột ngột mômen cản của động cơ tăng hoặc giảm nhanh làm cho vòng quay của hệ trục cũng thay đổi với nhịp độ lớn Nhịp độ thay đổi vòng quay hệ trục do nhiều yếu tố, nhưng trong đó chủ yếu do việc điều chỉnh bộ điều tốc hay điều khiển lượng cấp nhiên liệu quyết định khi không xét đến tình trạng kỹ thuật của động cơ Đóng hay cắt tải có thể tiến hành khi vòng quay gần với vòng quay định mức hoặc khi vòng quay nhỏ

Điều kiện làm việc nặng nhọc nhất đối với động cơ tăng áp tuabin khí thải

là khi đóng tải lớn tức thời từ chế độ không tải Để đánh giá, so sánh tính hiệu quả của các động cơ khác nhau khi đóng, ngắt tải cần phải sử dụng hợp lý các đóng và ngắt tải giống nhau với tất cả các động cơ và thường chọn đóng, ngắt tải tức thời 100% Đối với động cơ có tăng áp việc tăng tải tức thời còn dựa

vào mức độ tăng áp, mối quan hệ giữa giá trị định mức với mức tăng tỉ số tăng áp Đồng thời thay đổi tải tức thời còn dùng để kiểm nghiệm độ hoàn hảo

hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ, khi đó đặc tính chế độ động lực học không ổn định, tính chất của quá trình điều chỉnh chuyển tiếp, được xác định theo mức độ thay đổi vòng quay hệ trục, thời gian của quá trình chuyển tiếp Đường cong thay đổi vòng quay trong quá trình đóng, ngắt tải được biểu diễn trên hình 2.2

 Hình 2.2: Quá trình chuyển tiếp của động cơ

a) Quá trình chuyển tiếp b) Quá trình chuyển tiếp

khi đóng tải đột ngột khi ngắt tải đột ngột

A - thời điểm bắt đầu thay đổi tải;

B - thời điểm kết thúc quá trình chuyển tiếp;

φ - độ thay đổi vòng quay tương đối;

δ - độ không đồng đều;

ψ - độ không ổn định;

Ta - thời gian quá trình chuyển tiếp

Các chỉ tiêu chính đặc trưng cho quá trình chuyển tiếp là mức độ thay đổi vòng quay tương đối φ, mức độ không ổn định vòng quay và thời gian của quá trình chuyển tiếp Ta khi thay đổi phụ tải

Β

a T

d

Khi động cơ làm việc theo đường đặc tính điều chỉnh ứng với vòng quay định mức với các chế độ phụ tải không đổi và chế độ không tải, độ không ổn định ψ nằm trong giới hạn 1% tức là cho phép vòng quay dao động trong giới hạn ± 0,5% so với giá trị trung bình Để tránh quá tải vòng quay trong thời gian ngắn cho động cơ khi thay đổi phụ tải đột ngột cần phải đảm bảo độ thay đổi vòng quay tương đối φ không vượt quá giới hạn 10÷12%, đối với động cơ lai máy phát điện xoay chiều khi thay đổi tải đột ngột phải đảm bảo φ≤5÷6% Một đặc tính quan trọng nữa của quá trình chuyển tiếp là độ tắt nhanh dao động Thời gian của quá trình chuyển tiếp thường được giới hạn Ta = 5÷10 giây

Đặc tính làm việc của động cơ diesel lai máy phát thường gặp là hiện tượng tăng nhanh phụ tải từ 0 đến 100% Tăng mômen cản sẽ làm thay đổi các thông số quá trình công tác của động cơ diesel

Khi tăng nhanh phụ tải, mômen quay nhỏ hơn mômen cản nên vòng quay động cơ giảm xuống, do tác động của bộ điều tốc thanh răng bơm cao áp dịch chuyển sang hướng làm tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Lượng không khí cấp cho động cơ phụ thuộc vào vòng quay rô to tuabin máy nén (đối với động cơ tăng áp bằng tuabin khí thải), tức là phụ thuộc vào nhiệt độ khí xả Trong thời điểm đầu tiên tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, lượng không khí cấp cho động cơ hầu như không thay đổi do quán tính của rô

to tuabin máy nén, nên vòng quay của nó chưa kịp tăng lên, bởi thế hệ số dư lượng không khí α giảm nhanh còn áp suất và nhiệt độ khí xả tăng nhanh Khi

rô to tuabin máy nén bắt đầu tăng tốc, suất tiêu hao không khí cho động cơ tăng, nên hệ số dư lượng không khí α cũng được tăng lên Quá trình chuyển tiếp khi đóng tải kéo theo tăng khói và độc tố trong khí xả

Khi cắt tải đột ngột đến chế độ nhỏ tải hoặc chế độ không tải vòng quay hệ trục tănh nhanh Nhịp độ tăng vòng quay phụ thuộc vào phụ tải Khi đó các thông số công tác khác của động cơ cũng thay đổi theo

Qua thực nghiệm, cũng như các tài liệu, khi thay đổi tải đột ngột chất lượng làm việc của động cơ xấu đi rõ rệt so với chế độ ổn định Trong quá trình này các thông số công tác của động cơ đều thay đổi theo thời gian

2.3.3 Quá trình tăng tốc

Quá trình tăng tốc phương tiện vận tải kèm theo tăng đồng thời vòng quay của hệ trục và tăng mômen quay động cơ Tăng tốc có thể diễn ra theo quy luật thay đổi vòng quay và mômen quay khác nhau Chế độ tăng tốc có thể diễn ra như sau :

- Tăng tốc từ chế độ không tải đến đầy tải ứng với vòng quay nhỏ nhất

- Tăng tốc từ chế độ không tải đến đầy tải ứng với vòng quay định mức

Sau khi tăng tốc thì vòng quay và tải giảm xuống Trong thời gian tăng tốc mômen quay động cơ dùng để thắng lực cản chuyển động của phương tiện vận tải và gia tốc vòng quay hệ trục Mômen quay động cơ có thể lớn hơn mômen tương ứng với đặc tính giới hạn, điều đó làm xấu chỉ tiêu kinh tế, tính tin cậy động cơ và tăng độc tố khí xả

Đối với động cơ chính tàu thủy khi tăng tốc tàu liên quan tới tăng công suất do động cơ phát ra Trên hình 2.4 các đường cong VT 0 đến VT 1 biểu diễn tốc độ tương đối của tàu không thay đổi VT VT

VTH , VTH - tốc độ tàu tương ứng với chế độ làm việc định mức của động cơ VT 1 Các đường cong VT const biểu diễn mối quan hệ công suất tiêu thụ cho chân vịt phụ thuộc vào vòng quay khi tốc độ tàu không đổi Khi đó đường cong VT 0 là đường cong đường đặc tính chân vịt buộc bến Giả sử tăng tốc độ tàu

VT 0,4 (điểm 1) đến VT 0,85 (điểm 4), khi đó tại điểm 1 động cơ làm việc với vòng quay n1 còn tại điểm 4 động cơ làm việc với vòng quay n4 Nếu

tác động nhanh bộ điều tốc để vòng quay chuyển đến vòng quay n4 thì sẽ diễn

Để tránh quá tải động cơ có thể tăng tốc tàu bằng cách tăng vòng quay theo cấp Nếu giai đoạn ban đầu đặt bộ điều tốc ứng với vòng quay n5, thì khi tốc độ tàu VT 0,4 công suất động cơ tăng lên đến Ne5 (điểm 5 nằm trên

8 5

2 3

đường đặc tính hạn chế) Sau đó khi động cơ làm việc theo đường đặc tính điều chỉnh 5-6 vòng quay gần như không thay đổi, tàu được tăng tốc đến tốc

độ tương đối VT 0,7 chế độ làm việc của động cơ tương ứng điểm 6, cần phải điều chỉnh bộ điều tốc một lần nữa, vòng quay mới đạt n4, tương ứng tốc

độ tương đối của tàu VT 0,85 Tăng tốc tàu lần thứ 2 được biểu diễn theo đường 6-7 và 7-4 Như vậy, tăng số lần vòng quay quá trình tăng tốc gần với đường đặc tính chân vịt 1-8, biểu diễn bằng đường parabol bậc 3 Từ đó thấy

rõ càng giảm tải lên động cơ càng tăng thời gian tăng tốc Đặc tính thay đổi các thông số quá trình công tác của động cơ khi tăng tốc tàu cơ bản giống như khi đóng tải

2.3.4 Quá trình chuyển tiếp liên hợp

Quá trình chuyển tiếp liên hợp là tổ hợp của 2 quá trình: đóng tải và hãm Quá trình này thường gặp trong thực tế khai thác động cơ diesel có công dụng khác nhau, đặc biệt là đối với động cơ lắp trên phương tiện giao thông khi tăng nhanh mômen cản từ Me < MeH

Nói chung dạng đặc tính điều chỉnh và đặc tính tốc độ đối với quá trình chuyển tiếp liên hợp được quyết định bởi loại điều tốc và điều chỉnh nó Nếu động cơ lắp bộ điều tốc nhiều chế độ thì phần 1 của quá trình chuyển tiếp diễn

ra theo một trong đường đặc tính ngoài Đối với động cơ lắp bộ điều tốc 2 chế

độ thì phần đầu quá trình chuyển tiếp diễn biến theo nhánh điều chỉnh với vòng quay ban đầu từ nd đến nmax, sau đó tiếp tục theo một trong các đường đặc tính bộ phận (phụ thuộc vào việc điều chỉnh)

Quá trình chuyển tiếp tổng hợp khác với đóng tải là khoảng thay đổi vòng quay lớn và với gia tốc lớn Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cũng thay đổi trong khoảng lớn

2.3.5 Quá trình thay đổi tải có tính chu kỳ

Trong quá trình này có sự thay đổi mômen cản cũng như vòng quay hệ trục, lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và các thông số khác của động cơ có tính chu kỳ Sự thay đổi các thông số trên không chỉ phụ thuộc vào phụ tải mà còn phụ thuộc vào kết cấu và tình trạng kĩ thuật của động cơ Chế độ tải đa số phương tiện giao thông là chế độ tải có chu kỳ, nó có dạng hàm điều hoà với biên độ và pha lặp lại từ chu kỳ khác, tuy nhiên mức độ khác nhau phụ thuộc vào môi trường hoạt động của thiết bị tiêu thụ năng lượng, ví dụ: sự làm việc của hệ động cơ-chân vịt khi biển có sóng, gió hay khi xe ô tô chạy trên đường gập ghềnh Khi động cơ làm việc ở các quá trình này tỷ số giữa lượng nhiên liệu và không khí cấp cho chu trình, nhiệt độ thành buồng cháy, chất lượng quá trình cháy bị xấu đi so với chế độ ổn định Bởi vậy, khi đó giảm tính kinh

tế, tin cậy và tăng độc tố khí xả Trong trường hợp có bão tố, phụ tải tác dụng lên tàu thuỷ cũng thay đổi có tính tuần hoàn Khi đó, công suất động cơ chính tiêu thụ cho chân vịt tăng lên đáng kể, từ 20÷100%; nguyên nhân bởi sự tăng sức cản của vỏ, giảm hiệu suất chân vịt, xuất hiện tải động học lên vỏ tàu Khi làm việc trong điều kiện bão tố động cơ không thể phát ra công suất định mức ứng với vòng quay định mức Để tránh cho động cơ không bị quá tải trong điều kiện bão tố cần phải giảm vòng quay phụ thuộc vào lực, hướng gió và tải của sóng Tùy vào tình trạng kỹ thuật động cơ và các hệ thống phục vụ cho nó hoạt động mà có thể giảm đến 5% vòng quay so với vòng quay ứng với động

cơ làm việc ở điều kiện bình thường Khi làm việc trong điều kiện bão tố tính kinh tế động cơ giảm 10÷20%, tăng nhiệt độ khí xả và dầu bôi trơn ra khỏi động cơ, tăng tải lên các chi tiết chủ yếu của động cơ Mỗi một động cơ tàu thuỷ có thể làm việc ở các chế độ khai thác khác nhau, chúng được xác định bởi các điều kiện ngoài và sự điều chỉnh bộ điều tốc

Hình 2.4: Các đường cong biểu diễn vùng làm việc của động cơ

1 Đường đặc tính chân vịt lý thuyết

2 Đường đặc tính chân vịt nặng tải

3 Đường đặc tính hạn chế

4,6 Đường đặc tính điều chỉnh

5 Đường đặc tính chân vịt khi lực đẩy bằng không

Trên hình 2.4 biểu diễn vùng làm việc của động cơ chính Vùng này được hạn chế bởi đường vòng quay nhỏ nhất, lớn nhất, đường đặc tính chân vịt nhỏ tải và đặc tính hạn chế Trên đồ thị này cũng biểu diễn các đường áp suất chỉ thị trung bình Như vậy, khi hoạt động ứng với quá trình thay đổi tải có chu kì thì các thông số công tác của động cơ thay đổi theo thời gian và cũng thay đổi

có tính chu kì

2.3.6 Quá trình đảo chiều quay trục khuỷu của động cơ chính

Đảo chiều quay trục khuỷu động cơ chính nhằm mục đích thay đổi hướng chuyển động của tàu hay tăng tốc độ dừng tàu, trong trường hợp này chế độ làm việc của động cơ chính cũng là chế độ chuyển tiếp Để biểu diễn sự thay

n,%

100 90

80 70

60 50

0 20 40 60 80 100 Ne,%

2

đổi mômen quay Mq trên trục động cơ diesel sau khi ngắt nhiên liệu trước khi đảo chiều quay ta sử dụng đồ thị VT = const

Hình 2.5: Sự phụ thuộc mômen trên trục khuỷu động cơ vào vòng quay khi

dừng tàu

Giả sử khi tàu chuyển động với tốc độ VT động cơ diesel làm việc ứng với chế độ đặc trưng bởi điểm A Sau khi ngắt nhiên liệu trục khuỷu tiếp tục quay bởi động năng dư, vòng quay giảm xuống nB, khi đó tốc độ tàu giảm xuống không nhiều Tại điểm B chân vịt quay nhờ dòng nước theo thắng được mômen cản Mcb Mômen cản phụ thuộc vào tổn hao cơ giới trong động cơ, trên hệ trục và thay đổi tỷ lệ thuận với vòng quay trục khuỷu (đường D-C-B)

Do sức cản của vỏ và sức cản bổ sung của chân vịt tốc độ chuyển động của tàu giảm từ từ (đoạn B-C) Sau điểm C mômen quay chân vịt tạo ra do tác động dòng nước theo nhỏ hơn mômen cản Mc và trục dừng lại (điểm D) Sau

đó động cơ được khởi động và đảo chiều Do chuyển động của tàu, dòng nước theo tác động lên chân vịt làm tăng một ít mômen cản lên trục khi khởi động

0 Me

n C

D Me

T

T T

A

Giai đoạn còn lại tương tự như khi khởi động động cơ từ trạng thái nóng mà tàu không chuyển động Dừng tàu khi chân vịt không làm việc và quay tự do

do tác động sức cản tự nhiên của tàu gọi là chạy tự do Thời gian để tàu dừng khoảng một vài chiều dài thân tàu Để rút ngắn thời gian chạy tự do có thể áp dụng các biện pháp hãm động cơ: hãm bánh đà bằng phanh thuỷ lực hay khí nén, phanh khớp nối hệ trục hay hãm trục chủ động của bộ giảm tốc, cấp khí nén vào xi lanh động cơ ở đầu quá trình nén, giảm áp trong xi lanh cuối quá trình nén bằng thiết bị giảm áp

Hình 2.6: Sự phụ thuộc vòng quay của động cơ có hộp giảm tốc vào thời gian

dừng tàu

A: Lúc cắt nhiên liệu A-B-C: Khi chạy tự do

B-D: Hãm bằng khí nén A-F: Sử dụng phanh trên bánh đà Trên hình 2.6 biểu diễn sự thay đổi vòng quay động cơ khi hãm bằng các phương pháp khác nhau Để tạo ra mômen hãm động cơ cần phải tạo ra công nén lớn hơn công giãn nở Nếu ngắt nhiêu liệu cấp ở cuối quá trình nén, đồng thời xả phần không khí nén trong xi lanh qua thiết bị giảm áp, thì trong hành trình giãn nở tiếp theo công giãn nở sẽ nhỏ hơn công nén, như vậy đây là

D C B A

F

50 100 150 200

n [v/ph]

phương pháp hãm bằng thiết bị giảm áp, phương pháp này ít được áp dụng do

cơ cấu giảm áp phức tạp Trên các động cơ công suất trung bình và lớn áp dụng rộng rãi cách hãm động cơ bằng không khí nén Sau khi ngắt nhiên liệu

và giảm vòng quay, trục cam phối khí được chuyển sang vị trí đảo chiều, sau

đó các van khởi động chính được mở, thông qua các van khởi động khí nén được nạp vào xi lanh Tuy nhiên pha phối khí không phải tương ứng hoàn toàn với chiều quay của trục khuỷu, xu páp khởi động được mở sau khi đóng

xu páp xả, khi piston đi lên điểm chết trên (ĐCT) Áp suất khí trong xi lanh tăng lên do khí nén nạp vào xi lanh và thể tích xi lanh nhỏ Khi áp suất không khí trong xi lanh bằng áp suất trong đường ống khởi động chính, thì khí từ xi lanh rò lọt ngược đường ống khởi động chính Trong xi lanh áp suất tăng chậm, còn tại vùng ĐCT áp suất bắt đầu giảm Kết quả công giãn nở khi piston đi xuống điểm chết dưới (ĐCD) nhỏ hơn công nén, có nghĩa động cơ

đã tạo ra mômen hãm Hiệu quả hãm bằng khí nén phụ thuộc vào pha đóng,

mở xu páp khởi động được điều khiển bằng khí nén Ví dụ: khi mở muộn xu páp khởi động áp suất khí trong xi lanh tăng lên đến mức xu páp khởi động bị đóng lại dưới tác dụng của áp suất khí khi piston dịch chuyển đến ĐCT, nên trong hành trình nén tiếp áp suất có thể tăng vượt quá áp suất cháy Trong trường hợp này công giãn nở lớn hơn công nén, bởi vì tại ĐCT áp suất đạt cực đại nên sự thay đổi áp suất khi giãn nở lớn hơn khí nén Như vậy hãm khi đó không hợp lý Theo qui định của đăng kiểm thời gian kể từ lúc tác động vào

cơ cấu điều khiển của động cơ đến lúc bắt đầu làm việc với chiều quay ngược lại không quá 25 giây đối với tốc độ tàu định mức và không quá 15 giây đối với tốc độ tàu nhỏ Như vậy, trong suốt thời gian quay trở tàu các thông số công tác của động cơ chính luôn luôn thay đổi

2.4 Quá trình công tác của động cơ ở chế độ chuyển tiếp

2.4.1 Quá trình trao đổi khí trong động cơ diesel tăng áp bằng tuabin khí

xả ở các chế độ chuyển tiếp

a Động cơ 4 kì

Đối với động cơ trung tốc quá trình trao đổi khí ảnh hưởng lớn đến chế độ chuyển tiếp Ở chế độ định mức áp suất không khí tăng áp thường lớn hơn áp suất khí thải trước tuabin (pk > px1), do đó không khí nạp nạp sạch xilanh, lượng khí sót nhỏ, nhờ vậy tăng được lượng không khí nạp nên quá trình cháy tốt Ở các chế độ nhỏ tải (ở các chế độ nhỏ hơn 30 % tải) hiệu suất đoạn nhiệt của máy nén giảm, áp suất không khí tăng áp sau máy nén nhỏ hơn áp suất khí xả (pk < px1) nên trong thời gian trùng điệp có hiện tượng rò lọt ngược khí

xả từ đường ống xả vào xilanh và từ xilanh vào đường ống nạp

Khi động cơ làm việc ở chế độ tải lớn và ổn định, công suất của tuabin khí

xả đủ để dẫn động máy nén, cấp đủ lượng không khí nạp có áp suất cao hơn

áp suất khí xả Tuy nhiên, khi động làm việc ứng với chế độ tăng tốc hoặc đóng tải đột ngột, do quán tính của rô to tuabin máy nén, nên trong thời gian ban đầu không những cụm tuabin máy nén mất tác dụng tăng áp mà còn cản trở khả năng hút không khí từ môi trường xung quanh của piston, cũng như xả sản vật cháy Đó là nguyên nhân làm cho áp suất không khí nạp nhỏ hơn áp suất khí xả trên đường ống xả trong thời gian trùng điệp Trong khi đó trong giai đoạn ban đầu của quá trình chuyển tiếp lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình lại tăng lên đột ngột Các nguyên nhân đó làm giảm nhanh hệ số dư lượng không khí α, chất lượng hòa trộn hỗn hợp và chất lượng quá trình cháy Trong các quá trình chuyển tiếp đối với động cơ 4 kì tăng áp bằng tuabin khí xả, góc độ phối khí và quá trình trao đổi khí ảnh hưởng mạnh đến các thông số công tác của động cơ Rò lọt ngược khí xả ở chế độ không ổn định cũng là hiện tượng đặc trưng đối với chế độ tăng tốc

b Động cơ 2 kì

Để nghiên cứu tính đặc biệt của quá trình trao đổi khí trong các động cơ 2

kì ở chế độ tăng tốc hay đóng tải, trước hết ta hãy nghiên cứu quá trình trao đổi khí ứng với chế độ ổn định Hệ thống trao đổi khí của động cơ diesel 2 kì

có các phuơng án khác nhau tùy thuộc loại động cơ và công suất Ứng với bất

kì chế độ tốc độ và chế độ tải nào, trong quá trình khai thác đều mong muốn

hệ số dư lượng không khí α nằm trong giới hạn cho phép, khi đó chất lượng quá trình trao đổi khí và quá trình cháy mới đảm bảo Tuy nhiên đối với động

cơ 2 kì khi làm việc ứng với các chế độ nhỏ tải cũng như chế độ thay đổi tải đột ngột đều xảy ra hiện tượng lượng không khí và lượng nhiên liệu cấp vào

xi lanh trong một chu trình không tỉ lệ với nhau, làm cho hệ số dư lượng không khí α hoặc lớn hơn hoặc nhỏ hơn giới hạn cho phép Ứng với chế độ định mức khi mở xupáp nạpáp suất sản vật cháy trong xi lanh và trong đường ống xả px lớn hơn áp suất tăng áp pk, tuy nhiên nhờ có tăng áp hỗn hợp, nên tại thời điểm này áp suất không khí do máy nén piston cung cấp lớn hơn hẳn

px và áp suất sản vật cháy trong xi lanh nên không xảy ra hiện tượng rò lọt ngược Đối với những động cơ không sử dụng phương án tăng áp hỗn hợp thì vấn đề rò lọt ngược sản vật cháy là không tránh khỏi, đặc biệt đối với các chế

độ tăng tải đột ngột

Khi đóng tải hay tăng tốc động cơ 2 kỳ áp suất khí trong đường ống xả (px1) tăng lên cũng như động cơ 4 kỳ Khi px1 tăng sẽ ảnh hưởng tới quá trình công tác của động cơ 2 kỳ lớn hơn so với động cơ 4 kỳ, do quá trình nạp thải trong động cơ 2 kỳ được thực hiện ứng với một phần của quá trình giãn nở và nén, nên lượng không khí nạp vào xi lanh công tác phụ thuộc vào độ chênh giữa pk và px1:

+ Nếu px1 > pk thì không khí nạp không thể nạp cưỡng bức được, bởi thế tại thời điểm đóng tải nếu áp suất không khí nạp nhỏ hơn áp suất khí xả thì không khí sẽ không tức thời nạp vào xi lanh Việc sử dụng các hệ thống tăng

áp khác nhau sẽ ảnh hưởng tới tính tăng tốc Theo thực nghiệm sử dụng máy nén ly tâm có hiệu suất cao hơn máy nén thể tích Tuy nhiên, đặc tính máy nén ly tâm không dốc bởi thế khi tăng px1 và giảm Gk thì pk không tăng thậm chí còn giảm) Nếu sử dụng thêm máy nén ly tâm do trục khuỷu dẫn động thì đặc tính của nó dốc hơn Vì vậy, để đảm bảo nạp khí và quá trình công tác trong động cơ tại thời điểm đó tốt hơn nên sử dụng nén 2 cấp

Ta thấy áp suất sản vật cháy trong xi lanh và trong đường ống xả phụ thuộc vào chế độ tải, trong khi đó áp suất không khí do máy nén piston tạo ra lại phụ thuộc vòng quay trục khuỷu, vì thế khi đóng tải hay tăng tốc áp suất sản vật cháy tăng lên, nhưng vòng quay giảm xuống dẫn tới làm giảm áp suất không khí tăng áp, nên trong giai đoạn này áp suất sản vật cháy trong xi lanh

và trong đường ống xả lớn hơn áp suất không khí tăng áp Như vậy tại thời điểm bắt đầu mở xupáp nạp (đồng thời với mở xupáp xả) trong quá trình đóng tải hay tăng tốc sẽ xuất hiện hiện tượng rò lọt ngược khí xả Khi động cơ làm việc ở chế độ nhỏ tải hiện tượng cũng xảy ra tương tự như vậy với động cơ không sử dụng máy nén thể tích ở cấp tăng áp thứ 2 Ở chế độ nhỏ tải do hệ

số dư lượng không khí α tăng lên, nên làm giảm nhiệt độ khí xả, dẫn đến làm giảm công giãn nở trên cánh tuabin và kết quả làm giảm vòng quay rô to tuabin máy nén, nên làm giảm áp suất không khí tăng áp Bên cạnh đó, tại thời điểm đóng tải, cũng như ở chế độ nhỏ tải (nhỏ hơn 45% tải định mức) áp suất không khí tăng áp nhỏ hơn áp suất khí xả sẽ xảy ra hiện tượng rò lọt ngược khí xả đối với động cơ sử dụng hệ thống tăng áp tuabin khí xả

Dựa vào kết quả phân tích quá trình trao đổi khí động cơ 2 kỳ ở các chế độ không ổn định của các công trình nghiên cứu có thể kết luận:

- Khi đóng tải đối với động cơ tăng áp bằng tuabin máy nén độc lập cấp thứ nhất và máy nén ly tâm ở cấp thứ 2 thì quá trình trao đổi khí xấu hơn, kéo

theo rò lọt ngược khí xả vào đường hút, làm xấu quá trình công tác, tăng suất tiêu hao nhiên liệu và khói;

- Nếu sử dụng máy nén thể tích ở cấp tăng áp thứ 2 khi tăng phụ tải dẫn tới tăng áp suất khí tải, tuy nhiên do các đặc tính máy nén thể tích dốc áp suất tăng áp tăng lên và giảm suất tiêu hao không khí, do vậy quá trình công tác có chất lượng hơn

- Khi dùng máy nén thể tích thì trong quá trình chuyển tiếp khối lượng không khí nạp và năng lượng khí xả ít thay đổi Do vậy khả năng tăng tốc rô to tuabin máy nén tốt hơn và khả năng nhận tải của động cơ 2 kỳ thì khi bố trí máy nén thể tích ở cấp thứ 2 tốt hơn so với máy nén ly tâm

2.4.2 Quá trình hoà trộn hỗn hợp và cháy ở các chế độ chuyển tiếp

Các quá trình hoà trộn hỗn hợp và cháy trong buồng cháy xảy ra trong chế

độ chuyển tiếp khác với các quá trình xảy ra trong chế độ ổn định:

- Khi cùng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình thời gian cháy trì hoãn tăng lên

do nhiệt độ thành buồng cháy và áp suất cuối quá trình nén thấp (áp suất tăng

áp thấp do ảnh hưởng mômen quán tính rôto tuabin máy nén)

- Chiều dài chùm tia nhiên liệu phun vào buồng cháy tăng lên so với chế độ định mức, phần nhiên liệu rơi vào thành xi lanh cũng tăng lên

- Hệ số dư lượng không khí α, hiệu suất chỉ thị ηi, tính kinh tế đều giảm xuống, hàm lượng khói trong khí xả tăng lên do lượng không khí nạp giảm và lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên 110% định mức (đóng tải đột ngột) Kết quả động cơ phát ra mômen chỉ bằng một phần giá trị của nó ở chế

độ ổn định khi có cùng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

Trên cơ sở tính toán và thực nghiệm thấy rõ, do giảm khối lượng riêng không khí trong xi lanh ρct và tăng hiệu số giữa áp suất phun nhiên liệu và áp suất môi chất trong xi lanh ∆p nên chiều dài chùm tia nhiên liệu tăng lên Nếu thời gian cháy trì hoãn không thay đổi thì độ tăng chiều dài chùm tia