NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ DIESEL

Với đòi hỏi của các công ước mới kèm theo những yêu cầu khắt khe cần phải giảm độc tố khí thải trong động cơ Diesel. Khả năng tự điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ không khí nhiên liệu làm tối ưu hóa quá trình cháy bằng cách cung cấp khí hoặc hỗn hợp khí vào động cơ một cách chính xác với mọi tải tương ứng. Đó chính là ứng dụng lớn nhất khi nghiên cứu tổ hợp TBMN loại VTG. Khả năng ứng dụng của đề tài có thể áp dụng rộng rãi nhằm tối ưu hóa quá trình cháy, tăng công suất trong động cơ Diesel, giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Khả năng tích hợp giữa VTG với thiết bị khác một cách ( Thiết bị tuần hoàn khí xả EGR ( Exhaust gas recirculation), bơm cao áp trang bị thiết bị tự động chỉnh góc phun sớm –VIT ( Variable injection timing ) trên các động cơ Diesel hiện đại là một trong các biện pháp nhằm tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Tích hợp với điện điều khiển động cơ, VTG cho phép tối ưu hóa và đơn giản hóa trong hệ thống, giảm lương hydrocacbon không cháy được (UHC), khí CO đặc biệt là NOx. Sử dụng van điều khiển VTG làm đơn giản và tối ưu hóa tất cả các hệ thống. Trong động cơ hai kỳ VTG cho phép tắt quạt gió phụ khi ở tải thấp. Ngày nay các tiến bộ khoa học, tự động hóa đã được trang bị trên động cơ Diesel hiện đại. Do vậy khi khai thác hệ động lực tính kinh tế, hiệu quả, an toàn ở các chế độ đặc biệt, chế độ nhỏ tải là vấn đề được đặt ra. Khi nghiên cứu tổ hợp TBMN VTG đã giải quyết vấn đề nêu trên.

Trang 1 -

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Mục tiêu đề tài.

- Việt Nam là một trong các nước có ngành công nghiệp tàu thủy phát triển với tiềm năng sẵn có là bờ biển dài thì lợi thế này càng thúc đẩy sự phát triển của đội tàu trong tương lai Trong ngành khai thác tàu biển luôn đòi hỏi phải hội nhập, áp dụng các tiến bộ khoa học để đáp ứng theo các công ước và tiêu chuẩn quốc tế đề

ra

- Trước tình hình kinh tế ngày càng khó khăn đứng trước nguồn năng lượng dầu

mỏ ngày càng cạn kiệt việc tiết kiệm và quản lý năng lượng đã được thế giới quan tâm Việc quản lý giảm chi phí các nguồn năng lượng, chi phí cho nhiên liệu đã và đang là điều kiện tối cần thiết và là trụ cột đứng vững cho các công ty tàu biển Việt nam hiện nay

- Xuất phát từ sự cấp thiết trên việc nghiên cứu tìm hiểu động cơ Diesel tàu thủy trang bị tổ hợp TB-MN loại VTG nhằm nâng cao hiệu suất của tổ hợp TB-MN, tối

ưu hóa quá trình cháy trong động cơ diesel đặc biệt trong các chế độ tải nhỏ, tải bộ phận mà trước đó các loại tua bin khác chưa đạt được

- Được sự hướng dẫn tận tình của TS Bùi Hồng Dương các thầy giáo trong khoa máy trường đại học giao thông vận tải Hồ Chí Minh kết hợp với sự tìm hiểu nghiên cứu của bản thân tôi đã đệ trình hội đồng khoa học trường đề tài với nội dung như sau:

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ DIESEL ĐƯỢC LẮP ĐẶT TB-MN LOẠI VTG, TÍNH HIỆU SUẤT CỤM TB-MN VTR KHI GÓC CÁNH HƯỚNG DÒNG THAY ĐỔI

Trang 2 -

- Và được hội đồng xét duyệt đề tài chấp nhận và cho phép bảo vệ

- Với nội dung của đề tài như trên, thì mục tiêu của đề tài đặt ra bao gồm:

+ Dựa trên cơ sở lý thuyết của động cơ Diesel tàu thủy, lý thuyết về Tuabin tăng

áp của động cơ Diesel tàu thủy từ đó nghiên cứu các biện pháp nhằm tăng công suất của động cơ nâng cao hiệu quả kinh tế, an toàn, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiễm khí thải (SOx, Nox) ra môi trường

+ Dựa trên cơ sở lý thuyết về tăng áp động cơ Diesel tàu thủy, đặc tính khai thác của động cơ từ đó tìm các phương pháp phối hợp nhằm tăng hiệu suất của tổ hợp TB-MN điều đó đồng nghĩa với việc tăng công suất động cơ Diesel

+ Dựa vào lý thuyết và nguyên lý phối hợp làm việc giữa động cơ Diesel và tăng

áp của động cơ Diesel tàu thủy, phối hợp làm việc giữa tổ hợp TB-MN và động cơ Diesel tìm ra vùng khai thác kinh tế, an toàn và tối ưu nhất

+ Nghiên cứu lập trình tính toán hiệu suất của cụm TB-MN VTR khi góc cánh hướng dòng thay đổi Từ đó giúp người vận hành, điều chỉnh chọn chế độ khai thác tối ưu sao cho vừa phát huy tối ưu công suất của cụm Tuabin máy nén vừa nâng cao công suất của động cơ Diesel, hệ động lực ở các điều kiện khai thác khác nhau nhằm phát huy tận dụng tối đa công suất của tổ hợp TB-MN đặc biệt ở chế

độ nhỏ tải, tải bộ phận từ đó duy trì công suất và cải thiện quá trình cháy cho động

cơ Diesel

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài

- Trên thế giới có nhiều công trình khoa học kỹ thuật về khoa học nghiên cứu về

hệ động lực các thiết bị phụ trong động cơ Diesel nhằm tối ưu quá trình cháy trong động cơ Diesel, nâng cao hiệu quả kinh tế, an toàn, giảm suất tiêu hao nhiên liệu

và độc tố khí thải chủ yếu là Nga và Balan Ngoài ra còn hầu hết là các hướng dẫn của nhà chế tạo và các báo cáo kỹ thuật

Trang 3 -

- Liên quan đến các công trình nghiên cứu về khai thác về hệ động lực tàu thủy gồm có luận án của TS Lê Viết Lượng nghiên cứu về sự thay đổi các thông số công tác của động cơ ở các chế độ chuyển tiếp, luận án của thạc sĩ kỹ thuật của TS Bùi Hồng Dương nghiên cứu phối hợp Tuabin tăng áp với động cơ chính ở các chế

độ khai thác đặc biệt, luận án thạc sĩ kỹ thuật TS Trương Thanh Dũng nghiên cứu

ở chế độ khai thác đặc biệt khi ngắt Xilanh, thạc sĩ kỹ thuật TS Lê Văn Vang nghiên cứu ở các chế độ tăng tốc tàu

- Các đội tàu biển quốc tế hiện nay, động cơ diesel đã được hiện đại hóa không ngừng điều này nhằm mục đích tăng công suất, giảm được suất tiêu hao nhiên liệu

và khí thải ra môi trường Đây là vấn đề cấp thiết, là một trong các yếu cầu quan trọng để phát triển và hội nhập của ngành hàng hải Mức độ tự động hóa ngày càng cao cũng được áp dụng cho các động cơ Diesel tàu thủy hiện đại ngày nay.Việc tối

ưu hóa quá trình cháy làm giảm chi phí về suất tiêu hao nhiên liệu, giảm các độc tố gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính đáp ứng đòi hỏi theo các tiêu chuẩn quốc tế Tier II, Tier III

1.3 Tính mới, tính khoa học, tính cấp thiết

- Trong nội dung đề tài này đã nghiên cứu và chỉ ra được sự khác biệt, chứng

minh những ưu điểm và lợi ích của tổ hợp TB-MN loại VTG khi trang bị trên các động cơ Diesel hiện đại Khi sử dụng loại Tuabin này làm tăng công suất của động cơ.Việc đánh giá hiệu quả tăng áp của tổ hợp TB-MN được thuận lợi hơn khi tính được hiệu suất của tổ hợp TB-MN VTR tương ứng với góc cánh hướng dòng thay đổi tại các chế độ khai thác của động cơ Diesel Đây là vấn đề thường gặp trong quản lý khai thác kỹ thuật tàu biển của Việt Nam mà bấy lâu nay cũng đang gặp khó khăn khi đánh giá hiệu quả tăng áp của tổ hợp TB-MN tương ứng với sự thay đổi của tải Mặt khác nghiên cứu, tìm các biện pháp tối ưu nhất để giảm suất tiêu hao nhiên liệu cho động cơ khi sử dụng tương thích với tổ hợp TB-MN luôn là mối lưu tâm của các nhà khoa học những người vận hành khai thác Từ những kết quả đạt được giúp người khai thác, vận hành lựa chọn các chế độ khai thác tối ưu

Trang 4 - tương ứng với sự thay đổi góc cánh sao cho hiệu suất của tổ hợp TB-MN đạt được

là lớn nhất tương ứng với từng chế độ

- Trước đó tại mỗi chế độ hoạt động của động cơ Diesel thì cho ra một chế độ hoạt động của tổ hợp TB-MN Tuy nhiên sự hoạt động này thường không tương thích với nhau và hiệu suất của tổ hợp TB-MN thường phản ứng chậm hơn Các thông

số trong Tuabin không đáp ứng kịp khi động cơ khai thác ở chế độ tải thấp, tải bộ phận, lúc đó vai trò của tăng áp không phát huy được hiệu quả dẫn đến quá trình cháy trong động cơ Diesel chưa hoàn hảo và chưa đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế và

an toàn và tiết kiệm nhiên liệu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa trên lý thuyết tăng áp, phối hợp lý thuyết động cơ Diesel, các công thức toán học từ đó lập trình tính toán hiệu suất cho tổ hợp TB-MNVTR khi góc cánh hướng dòng thay đổi

1.5 Khả năng ứng dụng của đề tài

- Với đòi hỏi của các công ước mới kèm theo những yêu cầu khắt khe cần phải giảm độc tố khí thải trong động cơ Diesel Khả năng tự điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ không khí nhiên liệu làm tối ưu hóa quá trình cháy bằng cách cung cấp khí hoặc hỗn hợp khí vào động cơ một cách chính xác với mọi tải tương ứng Đó chính là ứng dụng lớn nhất khi nghiên cứu tổ hợp TB-MN loại VTG

- Khả năng ứng dụng của đề tài có thể áp dụng rộng rãi nhằm tối ưu hóa quá trình cháy, tăng công suất trong động cơ Diesel, giảm suất tiêu hao nhiên liệu

- Khả năng tích hợp giữa VTG với thiết bị khác một cách ( Thiết bị tuần hoàn khí

xả - EGR ( Exhaust gas recirculation), bơm cao áp trang bị thiết bị tự động chỉnh góc phun sớm –VIT ( Variable injection timing ) trên các động cơ Diesel hiện đại

là một trong các biện pháp nhằm tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu

Trang 5 -

- Tích hợp với điện điều khiển động cơ, VTG cho phép tối ưu hóa và đơn giản hóa trong hệ thống, giảm lương hydrocacbon không cháy được (UHC), khí CO đặc biệt

Trang 6 -

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT CHUNG TĂNG ÁP

2.1 Giới thiệu chung về tăng áp cho động cơ Diesel tàu thủy

2.1.1 Tăng áp là gì

- Tăng áp là phương pháp tăng công suất của động cơ Diesel dựa trên tăng lượng

không khí nạp vào xylanh động cơ trong quá trình nạp tương ứng với việc tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình khi giữ nguyên kích thước cơ bản của động

cơ

- Việc tăng công suất của động cơ Diesel nhờ tăng áp so với động cơ ở điều kiện chưa tăng áp được đánh giá thông qua hệ số : λTA được gọi là mức độ tăng áp: + Hệ số mức độ tăng áp thể hiện qua biểu thức sau :

λTA = PeTA/ Pe

Trong đó:

Pe: Áp suất có ích bình quân của động cơ chưa tăng áp

PeTA : Áp suất có ích bình quân

λTA: Có giá trị phổ biến và tối ưu (1.5-2.5)

2.1.2 Mục đích tăng áp trong động cơ Diesel tàu thủy

- Mục đích cơ bản của tăng áp cho động cơ Diesel là làm tăng công suất của nó tăng lên nhưng đồng thời tăng áp còn cho phép cải thiện một số chỉ tiêu sau:

Trang 7 -

- Tăng công suất động cơ so cùng kích cỡ và tốc độ piston, hay ngược lại giảm đáng kể kích cỡ và trọng lượng động cơ so với động cơ có cùng công suất không tăng áp:

+ Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất

+ Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị công suất

+ Giảm thể tích toàn bộ của động cơ đốt trong ứng với một đơn vị công suất

+ Giảm đáng kể tỉ lệ tiêu thụ nhiên liệu cụ thể ở trên phạm vi tải của động cơ

+ Tăng độ làm việc tin cậy và giảm chi phí bảo dưỡng động cơ

+ Khí thải sạch hơn

+ Nâng cao khai thác động cơ một cách linh hoạt

+ Hiệu suất của động cơ tăng, đặc biệt ở tăng áp bằng Tuabin khí xả và do đó suất tiêu hao nhiên liệu giảm

+ Giảm độ ồn của động cơ

- Qua xem xét và so sánh những động cơ tăng áp và không tăng áp ở cùng một hãng sản xuất ta rút ra những ưu việt sau đây của động cơ tăng áp khi có cùng công suất:

+ Trọng lượng động cơ nhỏ hơn và thể tích động cơ nhỏ hơn

+ Nếu dùng Tuabin khí tận dụng năng lượng khí xả để dẫn động Máy nén tăng áp thì hiệu suất động cơ cao hơn hẳn

+ Lượng nhiệt mất cho môi trường lám mát ít hơn, cơ cấu làm mát nhỏ hơn

+ Giá thành của động cơ thấp hơn

Trang 8 - + Tuabin đặt trên đường thải nên bản thân nó là bộ phận giảm âm tốt cho động cơ

+ Công suất của động cơ tăng áp bằng Tuabin khí bị giảm ít hơn khi mật độ không khí của môi trường giảm

+ Giảm lượng khí xả độc hại (NOx…)

- Tuy nhiên càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ Diesel được cường hóa nhanh

về Pe sẽ làm tăng phụ tải cơ học cũng như phụ tải nhiệt của động cơ, do đó phải đặt

ra những yêu cầu khắt khe khi chế tạo các chi tiết của nhóm pittông, các loại bạc trục, xupáp, nắp xilanh… ngoài ra cũng đòi hỏi tạo ra hệ thống phun nhiên liệu mới hoàn hảo hơn, vòi phun có áp suất phun cao hơn và hệ thống tăng áp Tuabin khí hoàn hảo hơn

2.2 Tăng áp trong động cơ Diesel 2 kỳ và động cơ 4 kỳ

2.2.1 Tăng áp trong động cơ Diesel 2 kỳ

- Nhìn vào nhiều giai đoạn phát triển của tăng áp trên động cơ 2 kì đã qua thật đáng quan tâm Để cho đơn giản ta xét đến động cơ hai kì quét thẳng (với cửa nạp và xupáp xả)

- Sự cung cấp khí của động cơ 2 kỳ không Tuabin tăng áp được cung cấp bởi bơm quét Sau đó Tuabin - máy nén tăng áp VTR 0 được sử dụng theo 2 đường phát triển động cơ, một vẫn giữ bơm quét và một bỏ chúng nhưng dùng hệ thống xung

áp để thu được đủ năng lượng cho TB-MN qua toàn bộ tải và phạm vi tốc độ của động cơ Bố trí điển hình của tổ hợp TB-MN tăng áp được trình bày trên hình 2.1 và hình 2.2

- So sánh sự định thời cửa nạp và xả cho hệ thống tăng áp đẳng áp có bơm quét khí với hệ thống tăng áp xung áp không có bơm quét khí

Trang 9 -

Hình 2.1& 2.2: S ơ đồ của động cơ 2 kì đặc trưng tăng áp xung áp và đẳng áp

- Ưu điểm của hệ thống tăng áp xung áp là không có hệ thống cơ khí, đảm bảo sự cấp không khí trong phạm vi tải động cơ Đây cũng là hiệu suất cơ khí cao của tổ hợp TB-MN tăng áp Năng lượng khí xả cần được giữ lại bằng cách mở xupáp xả sớm Tuy nhiên điều này giảm bớt quá trình giãn nở có ích của động cơ

- Động cơ với bơm quét và tăng áp đẳng áp đặc trưng có thể làm điểm mở xupáp xả muộn hơn nhiều, nhưng lại lấy một phần năng lượng cho sự cấp khí từ trục khuỷ, động cơ phải lai bơm quét của chính nó Do đó suất tiêu hao nhiên liệu của những loại động cơ này không có khác biệt về cơ bản, lượng này tới (150-155) g/bhph (204-211 g/kWh)

Trang 10 -

- Từ trên, rõ ràng kết hợp tăng áp đẳng áp và không có bơm quét sẽ cải thiện suất

tiêu hao nhiên liệu Điều này có thể được với các tổ hợp TB-MN tăng áp có hiệu

suất cao VTR 1 hay MET được giới thiệu thập niên 70 Chuyển từ tăng áp xung

sang tăng áp đẳng áp trên động cơ B&W đến là hướng đúng, và suất tiêu hao nhiên

liệu giảm mong đợi (Hình 2.3) và lắp đặt thêm một quạt gió phụ lai bởi động cơ

điện có để sử dụng khi khởi động động cơ và khi tải thấp

Hình 2.3: Chuy ển TA xung sang TA đẳng áp-Cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu khi

m ở xu páp xả sớm hơn ĐCD

- Hiệu suất cao và tỉ số tăng áp cao hơn với TB-MN tăng áp ngày nay cho phép

tăng hơn công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu Đạt được tốt hơn về nhiệt động

học của chu trình trong động cơ Diesel Tổ hợp tăng áp VTR 4D (kết hợp tỉ số áp

suất cao và hiệu suất cao) đáp ứng nhu cầu hiện nay của các nhà chế tạo động cơ

(đặc trưng thực tế: tỉ số nén 3.7:1, áp suất có ích bình quân 18-19 bar)

Xả sớm hơn ĐCD 0

3 6 9 12 g/bhph

∆be

Trang 11 -

- Các hệ số tổ hợp TB-MN tăng áp, seri TPL của hãng ABB, seri MET-MA của hãng Mitsubishi, seri TCA của hãng Man lắp đặt trên động cơ 2 kì cỡ lớn đang được giới thiệu với tỉ số tăng áp và hiệu suất cao sẽ cho phép cải thiện hơn công suất động cơ và lượng tiêu thụ nhiên liệu

2.2.2 Tăng áp cho động cơ Diesel 4 kì

- Tăng áp của động cơ 4 kì, đã có ảnh hưởng bởi tính có lợi của tổ hợp TB-MN tăng áp Trong khi động cơ 4 kì tự hút, nó không phụ thuộc vào hiệu suất tổ hợp TB-MN Vậy điều gì làm cho tăng áp động cơ là cần thiết vì tổ hợp TB-MN tăng áp cho phép:

+ Tăng công suất của động cơ cho ở một tốc độ xác định, áp suất nạp toàn bộ cung cấp bằng TB-MN

+ Giảm không gian yêu cầu khi thiết lập một công suất động cơ cụ thể

+ Giảm suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 2.4: Sự tăng tỷ số tăng áp theo thời gian

Trang 12 -

- Tỉ số nén Máy nén tăng qua từng năm biểu thị ở hình 2.4 Trong 20 năm, tỉ số tăng từ 1.3 tới 2 lần so với năm 1970 Ban đầu, động cơ 4 kì đã cho áp suất nén là

35 bar và áp suất cháy cực đại là 50 bar Để đạt được một áp suất nạp là 0.3 bar, tỉ

số nén của động cơ sẽ giảm khoảng từ 13.4 xuống 11.1 Áp suất nén và cháy cực đại được giữ nguyên nhưng công suất ra tăng hơn 30%

- Thành tựu đạt được, các nhà chế tạo động cơ đã thiết kế các tổ hợp TB-MN áp suất tăng áp cao hơn Đưa sinh hàn gió vào nhằm giảm nhiệt độ của gió nén đưa vào xilanh động cơ giúp tăng công suất tại mức áp suất tăng áp trung bình hơn (Ví dụ:

áp suất bình quân có ích là 10 bar, áp suất tăng áp là 0,6 bar có khí sinh hàn gió và 0,85 bar không có sinh hàn gió, xét ở cùng lượng khí nạp (kg) vào xilanh, khi không

có sinh hàn gió thì nhiệt độ khí xả sẽ có 50oC cao hơn so với có sinh hàn gió)

- Hình 2.5 Sự khác biệt trên đồ thị công chỉ thị của động cơ 4 kì có và không tăng

áp Từ sơ đồ này ta dễ dàng thấy rằng động cơ tăng áp có nhiều ưu điểm lớn Trên

đồ thị P-V, vùng làm việc có ích tăng lên đáng kể Xét động cơ không tăng áp, chỉ

có vùng làm việc không có ích được thể hiện

Hình 2.5: So sánh đồ thị công chỉ thị của động cơ 4 kỳ-có và không tăng áp

Trang 13 -

- Đây cũng là lý do cho hiệu suất cơ của động cơ tăng ổn định cùng với mức độ của tăng áp Cùng với các yếu tố ý nghĩa đó, động cơ tăng áp sẽ cho suất tiêu hao nhiên liệu thấp với mức độ tăng áp tăng Thêm vào đó, kết hợp nhiên liệu động học của chu trình Diesel và hệ thống phun nhiên liệu tốt hơn sẽ giúp về cơ bản giảm suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Diesel

- Với sự tăng ổn định của áp suất có ích bình quân, nhiệt độ khí xả thu được xấp xỉ không đổi do áp suất tăng áp cao hơn Điều này và sự làm mát của không khí sẽ tăng mật độ (khối lượng riêng) của không khí đi vào xilanh Bằng cách này, tỉ số của không khí trên nhiên liệu sẽ được duy trì không đổi ít hoặc nhiều Sự phân phối nhiệt lượng cấp sinh ra từ nhiên liệu, tuy nhiên, thay đổi đáng kể với khi tăng mức

độ tăng áp Điều này được minh họa ở hình 2.6

Hình 2.6: S ự phân phối của nhiệt lượng khí đốt khi tăng mức độ tăng áp

- Nhiệt trong dầu bôi trơn tượng trưng cho công suất cần khắc phục sự ma sát động

cơ

Trang 14 -

- Hiệu suất cơ giới của động cơ Nhiệt theo nước làm mát là tương đương với tải nhiệt của các thành phần cấu trúc buồng đốt Với tăng áp, chúng ta thành công trong

sự duy trì dòng nhiệt theo nước làm mát, trong điều kiện hoàn toàn, xấp xỉ không đổi, điều này độc lập lớn với mức độ tăng áp Điều này cũng là một điều thành công quan trọng của tăng áp A Buchi đã đề cập tới trong bài giảng của ông năm 1928,

và nó vẫn đúng đến ngày nay Được giải thích đơn giản trên hình 2.7

Hình 2.7: Trao đổi nhiệt qua thành vách sơ myxilanh

- Hệ số truyền nhiệt từ khí xả tời thành vách phụ thuộc vào áp suất Hệ số truyền nhiệt qua thành vách và từ thành vách tới nước làm mát khó thay đổi Nhiệt độ quá trình vẫn còn bằng mức như không tăng áp (tỉ số nhiên liệu- không khí) và các diện tích bề mặt còn tương tự, dòng nhiệt tới nước làm mát sẽ không có thay đổi nhiều

2.3 Các phương pháp tăng áp cho động cơ Diesel tàu thủy

- Động cơ Diesel nếu khí nạp trước khi nạp vào xilanh được nén đến một áp suất nào đó thì được gọi là động cơ Diesel tăng áp Trong động cơ tăng áp, người ta có thể sử dụng Máy nén thể tích hoặc cánh dẫn để nén không khí nạp Các Máy nén có thể được dẫn động động trực tiếp từ động cơ, dùng động cơ điện hoặc dùng Tuabin khí xả Tùy theo việc dẫn động Máy nén, người ta phân biệt các hình thức: tăng áp

cơ khí (hoặc cơ giới), tăng áp Tuabin khí Máy nén và tăng áp hỗn hợp

Trang 15 -

2.3.1 Tăng áp bằng dẫn động cơ khí

- Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp này có thể là máy nén kiểu pittông, trục xoắn, quạt ly tâm hoặc quạt hướng trục được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ

Hình 2.8: S ơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí; 1-Động cơ; 2 Bánh răng truyền động;

3 Máy nén; 4 Đường nạp; 5 Sinh hàn

- Trong tăng áp dẫn động cơ khí thì công suất của động cơ được xác định theo quan

hệ như sau:

Ne= Ni – Nm – Nk (2-1)

+ Trong đó: Ne: Công suất có ích; Ni:Công suất chỉ thị; Nm: Tổn thất cơ giới; Nk: Công suất để dẫn động Máy nén

+ Từ công thức (2-1), công suất có ích được lấy ra từ trục khuỷu của động cơ Ne

có được từ công suất chỉ thị Ni khi bị khấu trừ đi tổn thất cơ giới của bản thân động

cơ Nm và công suất Nk để dẫn động Máy nén

1

2

3

Trang 16 - + Nhận xét: Công suất dẫn động máy nén chỉ phụ thuộc vào số vòng quay của nó, nếu động cơ làm việc ở chế độ nhỏ tải thì số phần trăm công suất tổn thất cho việc dẫn động Máy nén tăng lên làm giảm mạnh hiệu suất tổng của động cơ Công suất dẫn động Máy nén tăng nhanh hơn tốc độ tăng áp chỉ thị pi, vì vậy, khi sử dụng tăng

áp dẫn động cơ khí làm cho hiệu suất động cơ giảm khí áp suất tăng áp tăng

• Ưu điểm tăng áp cơ khí là đảm bảo được không khí cung cấp cho động cơ khi thay đổi chế độ khai thác động cơ

• Nhược điểm của phương pháp này là phải chi phí công để dẫn động Máy nén, khi công dẫn động Máy nén vượt quá 10% công suất chỉ thị thì hiệu quả tăng

áp không cao và suất tiêu hao nhiêu liệu tăng ge > 180g/(mlci.h) Tính đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, người ta chỉ áp dụng tăng áp cơ khí cho các động cơ có áp suất tăng áp pk < 1.5÷1.6 kG/cm2

2.3.2 Tăng áp bằng tổ hợp Tua bin - Máy nén (TB-MN)

- Tăng áp tua bin khí xả lai Máy nén (TB-MN) là phương pháp dùng tua bin làm việc nhờ sử dụng năng lượng khí xả lai Máy nén gió kiểu ly tâm được gắn đồng trục với roto tua bin Khí xả của động cơ có áp suất và nhiệt độ rất cao nên nhiệt năng của nó tương đối lớn

- Trên hình 2.16 thể hiện sơ đồ khối động cơ Diesel tăng áp bằng TB-MN Khí xả sau khi ra khỏi động cơ có thể qua bộ biến đổi sơ bộ rồi cấp vào tua bin Công sinh

ra của tua bin 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

Trang 17 -

Hình 2.9: S ơ đồ nguyên lý cơ bản cảu tăng áp với tổ hợp TB-MN

- Tăng áp bằng tua bin khí Máy nén đơn thuần nhất cho phép tăng công suất động

cơ Diesel từ 50 ÷ 70%, tăng hiệu suất động cơ từ 4÷6%, suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm từ 8-13%, nhiệt độ khí xả giảm 50oC Bằng một số biện pháp cải tiến, tăng

áp TB-MN hiện đại có thể tăng công suất động cơ 400% Để chủ động định lượng mức độ tăng áp, tăng khả năng tăng áp có thể trích một phần năng lượng cháy trong

xy lanh động cơ dành cho tua bin bằng cách tăng góc mở sớm cơ cấu xả Trong trường hợp này, tua bin khí Máy nén là thiết bị tận dụng năng lượng của khí xả Thực tế đã chứng minh được rằng, khí xả của động cơ ở tất cả mọi chế độ sử dụng trong thực tế đảm bảo được các điều kiện sau:

+ Năng lượng đủ cao để có thể sử dụng một phần cho giãn nở trong tua bin và sinh công cơ khí

+ Nhiệt độ không quá cao nên có thể tranh được việc hư hỏng các chi tiết của tua bin

Trang 18 - + Tua bin khí có thể dẫn động Máy nén ly tâm mà không tạo ra sức cản quá lớn trên đường xả của động cơ Trong động cơ Diesel, khoảng ( 35-40) % năng lượng của nhiên liệu phát ra bị mất do theo khí xả ra bên ngoài Xét trong 40% năng lượng

đó, có 10% mang đi bị mất mát do ma sát, tiết lưu vì không thể thải khí ra ngoài với

áp suất và nhiệt độ môi trường, 20% năng lượng thải ra môi trường

+ Như vậy, còn có thể tận dụng được khoảng 10% năng lượng của nhiên liệu phát

- Ưu điểm của phương pháp tăng áp TB-MN:

+ Hệ thống tăng áp Tuabin khí xả- Máy nén có cơ cấu được chế tạo đơn giản và bố trí gọn

+ Tận dụng được nguồn năng lượng khí xả, làm giảm lượng khí thải

+ Cải thiện được các chi tiêu kinh tế của động cơ

+ Hiệu suất hệ số tăng áp TB-MN lớn hơn hiệu suất của hệ thống tăng áp cơ giới

- Nhược điểm của phương pháp này là:

+ Khả năng gia tải của động cơ rất kém so với hệ thống tăng áp khác Vì thế động

cơ cơ lớn phải trang bị thêm quạt gió phụ

Trang 19 -

2.3.3 Tăng áp hỗn hợp

- Trong tăng áp hỗn hợp, kết hợp 2 hệ thống Máy nén khác nhau, một được dẫn động bằng khí xả và một được dẫn động bằng cơ khí, chủ yếu từ trục khuỷu của động cơ (hình 2.8 và 2.9) Trong phương pháp lắp ghép hỗn hợp, Máy nén dẫn động

cơ khí có thể sử dụng là Máy nén ly tâm, hướng trục, trục vít…hoạt động độc lập với Máy nén ly tâm dẫn động bởi Tuabin khí xả

- Tùy thuộc vào vị trí của các máy nén gồm 2 phương pháp:

+ Phương pháp hỗn hợp ghép nối tiếp

+ Phương pháp hỗn hợp ghép song song

2.3.3.1 Phương pháp hỗn hợp ghép nối tiếp

P 0 T 0

6

4 5

Trang 20 -

-

a Ghép n ối tiếp thuận ; b ghép nối tiếp nghịch

1 Động cơ ; 2 Tuabbin ; 3 Máy nén ; 4 Máy nén dẫn động cơ khí ; 5 Khớp

n ối ; 6 Sinh hàn

Hình 2.10: S ơ đồ nguyên lý của phương pháp tăng áp hỗn hợp ghép nối tiếp

- Phương pháp hỗn hợp ghép nối tiếp: Phụ thuộc vào phương của dòng khí tăng áp

đi qua Máy nén dẫn động cơ khí và Máy nén dẫn động từ Tuabin mà ta chia thành 2 loại: Ghép nối tiếp thuận và ghép nối tiếp nghịch

- Ghép nối tiếp thuận: Máy nén dẫn động cơ khí đứng sau Máy nén dẫn động bằng tua bin khí Khí tăng áp được Máy nén dẫn động bằng Tuabin khí Khí tăng áp được Máy nén dẫn động bằng Tuabin khí hút từ môi trường sau đó được dẫn tới Máy nén dẫn động cơ khí và đi vào động cơ Trong trường hợp này lưu lượng khí nạp phụ thuộc vào lưu lượng của cụm Tuabin - Máy nén

- Ghép nối tiếp nghịch: Lúc này Máy nén dẫn động cơ khí đứng trước, lưu lượng khí cung cấp cho động cơ phụ thuộc vào lưu lượng Máy nén dẫn động cơ khí, vì thế phụ thuộc vào chế độ tốc độ của động cơ và lưu lượng khí cung cấp cho một chu trình là không đổi

2.3.3.2 Phương pháp hỗn hợp ghép song song

Trang 21 -

1 Động cơ ; 2 Tuabbin ; 3 Máy nén ; 4 Máy nén dẫn động cơ khí ; 5 Khớp

n ối ; 6 Sinh hàn

Hình 2.11: S ơ đồ nguyên lý của phương pháp tăng áp hỗn hợp song song

- Phương pháp hỗn hợp song song: Khí tăng áp nạp vào động cơ được cung cấp đồng thời nhờ 2 Máy nén Hình thức này rất phù hợp cho động cơ tăng áp có áp suất

tăng áp trung bình

+ Ưu điểm của phương pháp hỗn hợp:

+ Nhờ cách ghép nối này mà sự phân bổ phạm vi làm việc của hai hệ thống này hợp lý hơn Ở phạm vi tải trọng thấp của động cơ khi mà năng lượng khí xả còn thấp, chưa đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho Máy nén (được dẫn động từ Tuabin) để nén khí vào động cơ với áp suất và lưu lượng mong muốn thì khí tăng áp chủ yếu được cung cấp bởi Máy nén dẫn động cơ khí Khi năng lượng khí xả đã đủ lớn, người ta cắt nguồn năng lượng cung cấp cho Máy nén cơ khí và chỉ có cụm năng lượng cung cấp cho Máy nén cơ khí và chỉ cho cụm tăng áp bằng Tuabin - Máy nén tăng áp hoạt động

+ Phương pháp này cho phép động cơ khởi động tốt, gia tốc tốt nên rất thích hợp cho động cơ 2 kỳ

+ Phương pháp lắp nối tiếp được sử dụng nhiều trong trường hợp tăng áp có áp suất tăng áp cao, đặc biệt khi tải nhỏ

- Nhược điểm: Phương pháp này có hình thức bố trí lắp đặt và cấu tạo phức tạp hơn phương pháp tăng áp cơ khí và phương pháp tăng áp TB-MN

Trang 22 -

PHỐI HỢP CÔNG TÁC CỦA TỔ HỢP TB-MN

VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL

3.1 Đặc tính của Máy nén (MN)

- Muốn đánh giá về chất lượng thiết kế, chế tạo, phạm vi hoạt động cho phép cũng

như tính hợp lý của việc phối hợp với các động cơ tăng áp cần phải có đặc tính lưu lượng của Máy nén, đó là các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số tăng áp

πk, hiệu suất ηk tốc độ nk… với lưu lượng mk hay Vk.

- Nói chung đặc tính của Máy nén, được xác định qua thử nghiệm tính năng của

Máy nén Dựa vào số liệu đo được về lưu lượng mk, áp suất pk, nhiệt độ Tk, tốc độ

nk.v.v…trong thử nghiệm tiến hành tính toán, chỉnh lý rồi vẽ ra đặc tính

Hình 3.1: Đặc tính điển hình của Máy nén

- Hình 3.1 giới thiệu một thí dụ điển hình về đặc tính Máy nén ly tâm với những đặc điểm sau:

Trang 23 -

+ Với một tốc độ không đổi, ban đầu πk sẽ tăng giảm mk tới πk max nào đó, nếu tiếp tục giảm mk sẽ làm πk giảm

Biến thiên ηk*= f (mk) cũng có dạng tương tự

+ Với nk= const, khi giảm mk thấp hơn một giá trị nào đó, Máy nén sẽ bắt đầu mất

ổn định Dòng khí đi qua Máy nén có dao động lớn, làm tăng dao động của các cánh

và làm khí nén phun ra cửa hút, gây tiếng ồn lớn, đồng thời áp suất ở cửa ra của Máy nén cũng bị giảm và dao động mạnh Đó là giới hạn ổn định của Máy nén Mỗi tốc độ nk có một điểm giới hạn, nối tất cả các điểm ấy với nhau sẽ được một đường + Giới hạn ổn định III của Máy nén Động cơ Diesel dùng tổ hợp TB-MN tăng áp

không cho phép Máy nén hoạt động gần sát với giới hạn ổn định (Hình 3.1)

+ Với nk= const, πk sẽ giảm khi tăng mk Tăng mk tới một giá trị nào đó thì tại một tiết diện nào đó trong Máy nén đạt tới điều kiện tới hạn, tức lá số A của dòng bằng

1, lúc ấy nếu tiếp tục giảm πk thì mk lúc ấy gọi là “lưu lượng nút” chính là lưu lượng giới hạn của Máy nén tại tốc độ nk đó Mỗi nk= const đều có lưu lượng giới hạn tương ứng Khu vực lớn hơn lưu lượng giới hạn được gọi là khu vực nút Hoạt động

ở khu vực sát với giới hạn nút nk giảm rất nhanh, vì vậy thường cho Máy nén hoạt động tại khu vực nk > 0,7

+ Các đặc tính của Máy nén được vẽ trên đồ thị mà tọa độ là các thông số đồng dạng hoặc các thông số quy về điều kiện tiêu chuẩn (po=1 bar, to=25oC hoặc

To=298oK) Trong trường hợp đó lưu lượng đồng dạng dùng

s kg p

T

/ , m

=

1

* 1 k kqd

và tốc độ đồng dạng dùng nk , các thông số Tk và p 1 đều được quy dẫn về điều kiện tiêu chuẩn, nhờ đó đồ thì đặc tính không phụ thuộc vào điều kiện môi trường

Trang 24 - + Lưu lượng quy dẫn về điều kiện tiêu chuẩn có dạng:

phút vòng

298 n

=

1 k kqd

+ Trong đó: Các thông số mk, nk, p1*, T1*- là lưu lượng; tốc độ quay của Máy nén,

áp suất và nhiệt độ không khí ở cửa vào đo được khi thực nghiệm

+ Từ các đường đặc tính (Hình 3.1), ứng với tốc độ vòng quay khác nhau, còn cho

thấy khi số vòng quay càng lớn, tốc độ giảm áp suất càng nhanh khi lưu lượng tăng, hay nói cách khác khi ở số vòng quay càng nhỏ, đặc tính càng phẳng Điều này hoàn toàn dễ hiểu vì đặc tính áp suất thay đổi tỉ lệ nghịch với bình phương tốc độ còn lưu lượng thay đổi tỉ lệ nghịch với tốc độ Như vậy, khi tăng áp càng cao, phạm

vi làm việc của MN càng hẹp

- Thông số công tác của phía Máy nén:

+ Tỷ số tăng áp: Là tỷ số giữa áp suất đi ra Máy nén chia cho áp suất đi vào

Trang 25 -

Hình 3.2: Đặc tính của máy nén

- Hiện nay, bánh công tác của Máy nén ly tâm trong tổ hợp TB-MN tăng áp đều dùng công nghệ đúc bằng hợp kim nhôm, titanium…nên tỷ số tăng áp cao lên tới 5,2

- Lưu lượng: Gồm có lưu lượng khối lượng mk (kg/s) hoặc thể tích Vk (m3/s) không khí đi qua Máy nén trong một giây Mỗi Máy nén đều có một phạm vi lưu lượng nhất định Phạm vi lưu lượng được thể hiện qua lưu lượng lớn nhất và lưu lượng nhỏ nhất của Máy nén khí với tỉ lệ tăng áp và hiệu suất đã cho của Máy nén Phạm

vi lưu lượng của máy nén quyết định phạm vi công suất của động cơ Diesel tương ứng, phạm vi lưu lượng càng rộng thì phạm vi công suất sủa động cơ Diesel tương ứng với Máy nén trên càng lớn

- Hiệu suất của Máy nén khí ly tâm dùng trong tổ hợp TB-MN tăng áp là chỉ hiệu suất đoạn nhiệt ηkđó là tỷ số giữa công lý tưởng nén đoạn nhiệt Hkad dùng để nén 1kg không khí tới một tỉ số tăng áp nào đó với công thực tế Hk Nó thể hiện tính

Trang 26 - kinh tế của Máy nén, bao nhiêu phần trong số công cung cấp cho Máy nén được dùng làm công nén không khí, nó thể hiện mặt hoàn thiện chế tạo và thiết kế Máy nén

1

1 1

Τ

− Τ

k

kad k

H H

πη

+ Trong đó: Hkad Công lý tưởng nén đoạn nhiệt dùng để nén 1 kg không khí

Hk : Công thực tế nén đoạn nhiệt dùng để nén 1 kg không khí

Tk, T1 : Nhiệt độ tại cửa ra và cửa vào của Máy nén

+ Đường kính ngoài của bánh công tác càng lớn, hiệu suất đoạn nhiệt của Máy nén càng cao Hiện nay Máy nén ly tâm dùng trong tổ hợp TB-MN tăng áp đạt ηk= 0,68-0,86

+ Tốc độ quay Máy nén n k là số vòng quay của bánh công tác trong một phút Trong tổ hợp TB-MN tăng áp, Máy nén và tua bin lắp trên cùng một trục nên tốc độ Máy nén luôn luôn bằng tốc độ tua bin nT, đó là tốc độ của tổ hợp TB-MN tăng áp

nTk

3.2 Đặc tính của tua bin (TB)

- Đường đặc tính của TB biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng khối lượng khí xả với tỉ

số giãn nở của nó ở các vòng quay khác nhau của rôto TB Dòng chảy qua TB tuân

theo các quy luật sau:

+ Nếu áp suất vào không đổi, lưu lượng khối lượng tăng khi nhiệt độ giảm

+ Năng lượng chứa trong một đơn vị khối lượng khí là hàm số của nhiệt độ và áp suất

Trang 27 - + Tốc độ của TB là hàm số của tốc độ chuyển động theo (tốc độ tiếp tuyến của dòng khí) Với một lượng khí cho trước, khi tiết diện vào của bộ phận phân phối càng nhỏ thì tốc độ di chuyển càng lớn

- Hình 3.3: Giới thiệu đặc tính của Tuabin, trên đó thấy rõ các nhân tố đặc trưng của dòng chảy trong quá trình làm việc của Tuabin, trục hoành được biểu diễn bằng đại lượng mgnt nhằm loại trừ ảnh hưởng của áp suất và tốc độ vòng quay đến đặc tính của TB ứng với các số vòng quay của nó được biểu diễn qua đại lượng

theo Trong trường hợp đó các điểm làm việc của TB sẽ là A, B, C, D (Hình 3.3)

T g - nhi ệt độ khi xả; n T - t ốc độ quay của TB;

c ủa khí xả trong cánh TB; m g - l ưu lượng khối lượng của khí xả; η T - hi ệu suất

đoạn nhiệt của TB

Trang 28 - + Khác với MN, đối với TB không tồn tại vùng làm việc không ổn định vì trong

TB áp suất giảm dần theo phương chuyển động của dòng khí nên sự tách dòng không thể xuất hiện

+ Hình dạng đường đặc tính của TB là hoàn toàn khác so với hình dạng phẳng và nằm ngang của MN, vì thế việc phối hợp giữa TB và MN là một vấn đề không đơn giản Để đảm bảo sự làm việc ổn định, tức là đảm bảo sự làm việc hài hòa về mặt lý thuyết người ta phải thay đổi tiết diện cửa vào của TB Tất nhiên đây là giải pháp phức tạp về mặt kết cấu và điều khiển

+ Đặc tính của TB còn cho thấy mg là hàm số của độ giãn nở nên tốc độ của TB nT

sẽ tăng khi áp suất dầu ra giảm- tức nếu tăng độ cao làm việc của thiết bị (cột áp làm việc) mật độ (khối lượng riêng) không khí giảm nên mg cũng giảm theo

+ Vì vậy các nhân tố ảnh hưởng đến mg trong tăng áp bằng TB-MN khi tăng độ cao phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ

- Thông số công tác của phía tua bin:

+ Lưu lượng khí xả mg (kg/s)

+ Thông thường: mg= (1-1,01)mk.

+ Áp suất hãm p*T, nhiệt độ hãm T*T và tỷ số giãn nở πT của khí xả vào Tuabin:

* 2

+ Trong đó: PT, P2 là áp suất của khí xả vào và ra của Tuabin

+ Như vậy, tỉ số giãn nở πT thể hiện khả năng giãn nở sinh công của khí xả đi vào Tuabin

Trang 29 - + Tốc độ tua bin nT (vòng/phút): nT = nk = nTC.

+Hiệu suất của Tuabin ηT của tổ hợp TB-MN tăng áp thực chất là chỉ hiệu suất đoạn nhiệt của Tuabin là tỷ số giữa công thực tế trên công lý tưởng nén đoạn nhiệt

3.3 Đặc tính của cụm TB-MN

- Trong tăng áp cho động cơ bằng TB-MN thì TB và MN được lắp trên cùng một trục nên chúng có cùng một tốc độ với nhau Song do tính chất của dòng chảy trong

TB và MN khác nhau nên để thiết lập được một đặc tính chung phải xem xét sự liên

hệ giữa các thông số dòng chảy với nhau, trong đó chú trọng đến các thông số quan

trọng sau:

+ Tỷ số tăng áp πk.

+ Lưu lượng khối lượng mk hoặc thể tích Vk của khí tăng áp

+ Nhiệt độ khí xả đi qua TB, Tg.

+ Tỉ số giãn nở cuả TB, πT.

+ Số vòng quay của TB và MN, nTC.

- Trong các đại lượng trên, đại lượng quan trọng nhất là lưu lượng dòng khí tăng

áp, đây là đại lượng phản ánh đầy đủ mục đích của việc tăng áp cho động cơ Đặc tính của tổ hợp TB-MN được biểu diễn trên hình 3.4

Trang 30 -

Hình 3.4: Đặc tính của tổ hợp TB-MN

3.4 Mối quan hệ nhiệt khí động học trước và sau cụm TB-MN

- Đặc tính này biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng khối lượng của MN mk với tỉ số tăng áp P1/Po tại tốc độ quay khác nhau khi nhiệt độ khí xả Tg và tỉ số giãn nở πT

Trang 31 -

• T0 và T1 - Nhiệt độ trước và sau MN

• Tg2 và Tg3 - Nhiệt độ khí xả trước và sau TB

+ Sự chênh lệch nhiệt độ là hàm số của hiệu suất đoạn nhiệt của thiết bị được xem xét

+ Hiệu suất đoạn nhiệt của MN là ηk, hiệu suất đoạn nhiệt của TB là ηT

+ Hiệu suất tổng của cụm TB- MN được tính từ hiệu suất thành phần, bao gồm hiệu suất TB, hiệu suất MN và hiệu suất cơ giới của tổ hợp:

ηTC = ηk ηT ηm.

Trang 32 -

- Hình 2.34 biểu diễn hiệu suất đoạn nhiệt của MN, TB và tổ hợp TB-MN phụ thuộc và chế độ làm việc của động cơ

Hình 3.5: Di ễn biến của hiệu suất phụ thuộc vào công suất của động cơ Diesel

- Như vậy quan hệ giữa TB, MN và động cơ là rất chặt chẽ, ở một chế độ cân bằng tại một chế độ tốc độ vòng quay đã cho thì các thông số sau là thông số quan trọng nhất:

+ Khối lượng khí là hàm số của số vòng quay của động cơ Diesel

+ Nhiệt độ Tg của khí xả là hàm số của nhiên liệu cung cấp vào buồng đốt hay mô men có ích (áp suất có ích) của động cơ

Trang 33 -

3.5 Ảnh hưởng của môi trường đến sự làm việc của tổ hợp TB-MN

- Ở trên, chúng ta giải thích tác động qua lại động cơ Diesel và tổ hợp TB-MN như thế nào, đó là Máy nén cung cấp khí cho động cơ đi qua sinh hàn gió và động cơ cấp khí xả cho Tuabin sinh công lai Máy nén Duy trì TB-MN sạch trong lúc hoạt động, hiệu suất của nó sẽ được giữ ở mức độ cao trong một khoảng thời gian dài Tuy nhiên, một yếu tố khác, những điều kiện môi trường xung quanh cũng đóng một vai trò sẽ gây ra thay đổi không mong đợi cho hiệu suất của tổ hợp TB -MN

3.5.1 Những điều kiện môi trường xung quanh ảnh hưởng như thế nào đến sự làm việc của tổ hợp TB-MN

- Đặc trưng của khí nạp vào trong Máy nén là:

- Nhiệt độ của nước làm mát dùng trong sinh hàn gió

3.5.2 Tác động của những ảnh hưởng trực tiếp

Áp suất khí quyển

- Áp suất khí quyển phụ thựôc độ cao trên mực nước biển, giảm khi độ cao này tăng, ngay cả sự biến thiên đáng kể mức nước biển có thể xảy ra (Áp suất thấp nhất biến thiên đến 0,915 bar- đo được vào tháng 1-1993 ở Biển Bắc, giá trị cao nhất nằm khoảng 1,04 bar) Tại bất kì tải động cơ xác định, tỉ số áp suất qua Tuabin tăng

Trang 34 - bằng áp suất khí quyển đi xuống Kết quả là tốc độ tổ hợp TB-MN cao hơn (Hình 3.6)

Hình 3.6&3.7: Ảnh hưởng của áp suất khí quyển tới tốc độ của tổ hợp TB-MN

- Nhiều tổ hợp TB-MN đang hoạt động trên động cơ tàu thuỷ Tại một hiệu suất động cơ nhất định, tốc độ tổ hợp TB-MN có thể không giống nhau vì nó phụ thuộc vào áp suất khí quyển

- Thường lệ một tổ hợp TB-MN sẽ theo lý thuyết điều kiện môi trường của tổ chức ISO (International Standards Organization)

- Ví dụ áp suất môi trường là 01bar nếu chênh lệch đáng kể động cơ có thể phải được giảm tải phù hợp

- Hình 3.7 chỉ thấy rằng sự ảnh hưởng là đáng kể Nếu chúng ta chạy tàu từ một vùng ôn đới tới một vùng nhiệt đới (nhiệt độ nạp từ 25oC tới 45oC) áp suất nạp tuyệt đối giảm 6% (từ 1.0 tới 0.94 bar Hậu quả của điều này tại tải động cơ xác định là:

95

100

100 0,9 1,0 1,1 bar3

Thường

Tải động cơ nhiệt độ nạp không đổi

Thời tiết tốt Thời tiết xấu

Trang 35 - + Lượng khí đưa vào ít hơn

+ Tỉ số khí- nhiên liệu giảm

+ Nhiệt độ khí xả cao hơn

- Nếu chúng ta bây giờ chạy trên Bắc cực, nơi mà nhiệt độ không khí nạp có thể là -10oC, thì áp suất nạp tuyệt đối tăng là 10% Chúng ta bây giờ phải chú ý rằng áp suất cháy lớn nhất của động cơ không vượt quá Sự ổn định của Máy nén có thể bị giảm bởi những điều kiện này di chuyển điểm làm việc trên sơ đồ đặc tính Máy nén tới gần giới hạn ổn định

Hình 3.8: Ảnh hưởng nhiệt độ không khí nạp tới sự làm việc của tổ hợpTB-MN

- Những tàu cá hoạt động tại Bắc cực đối diện với vấn đề này Một giải pháp hay là không khí bên ngoài từ trong buồng máy gần phía nạp khí

Trang 36 -

Độ ẩm không khí

- Hiệu suất của tổ hợp TB-MN không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm Tuy nhiên, không khí ẩm để nếu mang lượng nước đáng kể như nó vượt qua sinh hàn khí và có thể ngưng trong bầu góp khí Điều này có thể được khắc phục bằng cách thông gió thường xuyên hoặc liên tục mặc dù với một tổn thất của áp suất khí xảy ra sau đó

3.5.3 Tác động của những ảnh hưởng gián tiếp

- Nhiệt độ của nước làm mát dùng trong sinh gió hàn:

+ Trong trường hợp động cơ 4 kỳ tăng áp, nhiệt độ của khí nạp có một ảnh hưởng đáng kể tới lượng khí đưa vào Nếu, ví dụ điều kiện môi trường ISO, nhiệt độ khí tăng áp là 50oC và do nhiệt độ nước làm mát vào cao, nhiệt độ này tăng 10oC tới

60oC, lượng khí đưa vào sẽ giảm 3% Điều này làm di chuyển điểm làm việc trên sơ

đồ đặc tính Máy nén gần tới hơn đường làm việc mất ổn định

Hình 3.9: Ảnh hưởng nhiệt độ nước làm mát tới sự làm việc của tổ hợpTB-MN

Trang 37 - + Thỉnh thoảng hiện tượng này được tìm ra là nguyên nhân của sự làm việc mất ổn định

3.6 Phối hơp công tác của tổ hợp TB-MN và động cơ Diesel

3.6.1 Hiện tượng “Ho” Máy nén Tuabin tăng áp trong động cơ Diesel tàu thuỷ

- Hiện tượng “Ho” Máy nén Tuabin tăng áp động cơ Diesel tàu thuỷ là sự mất cân bằng làm việc giữa động cơ Diesel và Máy nén hay nói cách khác điểm phối hợp công tác của đặc tính động cơ và Máy nén rơi vào vùng làm việc không ổn định hay còn gọi là vùng “Ho” Hiện tượng này thường gặp trong thực tế vận hành và khai thác động cơ Diesel tàu thuỷ Sau đây để hiều rõ được bản chất và nguyên nhân của hiện tượng “Ho” Máy nén Tuabin tăng áp làm cơ sở đề ra các biện pháp ngăn ngừa

và khắc phục trong quá trình vận hành khai thác động cơ Diesel tàu thuỷ

- Khi Máy nén làm việc ở vòng quay không đổi và cấp khí tăng áp vào bầu góp gió của động cơ, tại đó áp suất gió được duy trì

Hình 3.10: Đồ thị phối hợp công tác của Máy nén và động cơ Diesel

Giới hạn ho

Đặc tính động cơ

Đường tốc độ không đổi

Trang 38 -

- Đồ thị hình 3.10 phối hợp công tác của Máy nén và động cơ Diesel, biểu thị đường vòng quay không đổi và đường đặc tính của động cơ Giao nhau của 2 đường

là điểm làm việc phối hợp A, ở phía bên phải của giới hạn ho Nếu sự tăng nhẹ lưu lượng gió xảy ra, áp suất gió tăng áp bắt buộc phải tăng trên đường đặc tính động cơ

và giảm trên đường đặc tính Máy nén Khi đó có sự mất cân bằng về áp suất Máy nén và động cơ, điểm phối hợp làm việc sẽ trở lại điểm A

- Nếu tốc độ không đổi tương tự, khi xét sản lượng của Máy nén giảm, điều này sẽ làm áp lực gió tăng áp tăng lên mặc dù áp suất tăng áp yêu cầu của động cơ thấp hơn trên đường đặc tính công tác của động cơ Điểm phối hợp công tác xác lập một lần nữa về tại điểm A và đạt ổn định về phía nhánh phải của đường tốc độ không đổi theo chiều tăng lưu lượng khí tăng áp

- Nếu xét trường hợp điểm phối hợp công tác của Máy nén và động cơ là điểm B, nằm về phía bên trái của điểm ho, sau đó lưu lượng tăng giảm, áp suất trên đường đặc tính Máy nén giảm Trong trường hợp này, Máy nén không thể duy trì được áp suất tăng áp theo yêu cầu và Máy nén sẽ bị “Ho” Điểm phối hợp làm việc B sẽ không ổn định trên nhánh trái của đường đặc tính Máy nén Trong trường hợp tăng gió nạp vào động cơ, khi đó áp suất gió tăng áp cũng tăng lên trong khi sản lượng Máy nén và tỷ số tăng áp nên điểm làm việc của động cơ dịch về phía bên trái hệ thống sẽ mất cân bằng

- Vậy hiện tượng “Ho” Máy nén của tổ hợp TB-MN tăng áp là hiện tượng làm việc mất cân bằng của động cơ và Máy nén tăng áp, để tránh hiện tượng “Ho” Máy nén cần phải tránh để Máy nén làm việc bên trái của điểm “Ho” Máy nén

3.5.2 Các dấu hiệu nhận biết trước và khi ho

- Nếu đặt một tấm giấy, dẻ lau vào sát phía tấm lọc phin lọc gió Máy nén, ta thấy

có dòng khí lúc đi vào Máy nén lúc thổi ngược ra từ Máy nén, lặp đi lặp lại Hiện

tượng “Ho” nặng là có thể thổi bay tấm lọc phin gió ra

Trang 39 -

- Gần động cơ, có thể nghe có tiếng ồn rất lớn, lúc trầm lúc bổng, nghe tựa tiếng

“Ho” của người bị bệnh ho, kéo dài vài giây rồi kết thúc Khi đó vòng quay Diesel

và Máy nén Tuabin giảm mạnh, áp suất tăng áp giảm

- Nếu không được khắc phục, hiện tượng trên lặp lại liên tục sau mỗi 5-10 phút và kéo dài

3.5.3 Nguyên nhân dẫn đến “Ho” Máy nén tăng áp

- Với bản chất của hiện tượng ho Tuabin như đã được trình bày, chúng ta thấy rằng,

để xảy ra hiện tượng “Ho” Máy nén thì điểm phối hợp làm việc của Tuabin và Máy nén phải nằm bên trái của giới hạn “Ho” Sau đây, ta sẽ xem xét các nguyên nhân có thể dẫn đến điểm phối hợp làm việc động cơ và Máy nén có thể dịch chuyển về vùng làm việc mất ổn định bên trái của điểm giới hạn “Ho”

Ảnh hưởng của điều kiện môi trường

- Theo quy chuẩn của nhà chế tạo, điều kiện môi trường làm việc chuẩn ban đầu của động cơ và Máy nén thường có áp suất là 1 bar và nhiệt độ 25oC Trong trường hợp động cơ được khai thác ở điều kiện môi trường khác xa với điều kiện chuẩn ban đầu thì đây cũng sẽ là một lý do có thể dẫn đến hiện tượng “Ho” Tuabin Chúng ta cần phải xem xét điều kiện chuẩn ban đầu của động cơ và TB-MN để đối chiếu trong quá trình khai thác động cơ

 Ứng dụng của động cơ

- Động cơ Diesel được thiết kế ban đầu cho các ứng dụng khác nhau, vì vậy đặc tính động cơ và đặc tính Máy nén Tuabin phù hợp Trong trường hợp sử dụng không đúng mục đích thiết kế ban đầu là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng ho Tuabin trong quá trình vận hành khai thác Ví dụ động cơ Diesel lai máy phát, lai bơm và lai chân vịt sẽ có đặc tính động cơ khác nhau nên đặc tính Máy nén của

Trang 40 - từng loại động cơ này khác nhau Khi sử dụng sai mục đích thiết kế của động cơ và

tổ hợp TB-MN là nguyên nhân có thể dẫn đến hiện tượng “Ho” Tuabin

 Ảnh hưởng của điều kiện làm việc và trạng thái kỹ thuật của tổ hợp TB-MN

- Đây là nhóm nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng “ho” Máy nén Tuabin trong thực tế vận hành và khai thác động cơ Sau một thời gian sử dụng trình trạng kỹ thuật của TB-MN xấu đi hiện tượng “Ho” có thể xảy ra Điều này thường xuất phát

từ lý do vệ sinh bảo trì và bảo dưỡng Tuabin

- Đối với động cơ Diesel được lắp đặt hệ thống TB-MN tăng áp kiểu đẳng áp có hai hoặc nhiều Tuabin tăng áp được bố trí làm việc song song với nhau Trong trường hợp chỉ cần một tổ hợp TB-MN quá bẩn và cánh Tuabin bị mài mòn quá lớn, điều này sẽ làm hiệu suất làm việc của tổ hợp TB-MN giảm, đặc tính Máy nén sẽ di chuyển về bên trái điểm phối hợp công tác của Máy nén và động cơ sẽ di chuyển về vùng mất ổn định và dẫn đến hiện tượng “Ho” Máy nén

- Cánh Tuabin bin mài mòn, khe hở giữa cánh và áo bao bên ngoài lớn sẽ làm rò lọt khí và giảm vòng quay Tuabin Điều này sẽ làm giảm vòng quay Máy nén làm đặc tính Máy nén dịch chuyển xuống dưới và lệch về bên trái sẽ đưa điểm phối hợp công tác của động cơ và Máy nén vào vùng ho

- Máy nén của tổ hợp TB-MN do bẩn và mài mòn do va đập trên ống tăng áp sẽ làm giảm sản lượng gió nạp cũng dẫn đến hiện tượng “Ho” Máy nén Tuabin

- Ngoài ra một số nguyên nhân từ các thiết bị liên quan bên ngoài cũng dẫn đến hiện tượng ho Máy nén như sau:

+ Bộ phận lọc và giảm âm bị bẩn

+ Sự gia tăng mức độ phản áp sau Tuabin (do bề mặt hấp nhiệt của nồi hơi khí xả,

bộ tiêu âm trên đường ống xả bám nhiều muội)