Thiết bị động lực máy xếp dỡ

Tất cả thiết bị động lực máy xếp dỡ. Dùng cho sinh viên nghiên cứu, kỹ sư áp dụng trong công việc, giảng viên về máy trục.....................................................................................

Chương 2: THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC DÙNG TRONG MÁY XẾP DỠ

§2.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC:

2.1.1 Khái niệm:

Thiết bị động lực là thiết bị phát ra nguồn năng lượng (công suất) dẫn động cho các cơ cấu máy hoạt động Thiết bị động lực còn gọi là động cơ của máy

2.1.2 Phân loại các thiết bị động lực:

Trên các máy xếp dỡ sử dụng các dạng thiết bị động lực sau:

a) Động cơ điện:

Là loại thiết bị động lực được sử dụng phổ biến trên các máy xếp dỡ làm việc ở những nơi có mạng lưới điện công nghiệp Động cơ điện dùng làm thiết bị động lực chính có nhiều ưu điểm nổi bật như:

– Kết cấu khá nhỏ gọn, hiệu suất cao, giá thành rẻ,

– Khả năng quá tải lớn,

– Điều khiển thuận tiện, nhẹ nhàng, mở máy và đổi chiều quay dễ dàng

– Tiện lợi trong việc điều khiển tự động và điều khiển theo chương trình (programable logic controller – PLC)

b) Động cơ đốt trong:

Động cơ đốt trong là loại thiết bị động lực được sử dụng thích hợp trên các máy xếp dỡ khi làm việc thường xuyên lưu động, không sử dụng nguồn điện tĩnh tại được Ví dụ: các cần trục tự hành, cần trục ôtô, bánh lốp, bánh xích, cần trục nổi…, Các máy nâng tự hành: máy nâng chạc, máy nâng một gầu, máy nâng container chuyên dùng xếp dỡ container trên các bãi cảng

c) Thiết bị động lực phối hợp:

Hiện nay trên các cần trục tự hành, người ta thường dùng cách chuyển đổi năng lượng dưới dạng cơ năng do động cơ đốt trong phát ra thành năng lượng điện (động cơ đốt trong dẫn động máy phát điện) hoặc thành năng lượng thủy lực (động cơ đốt trong dẫn động bơm thủy lực)

hoặc năng lượng khí nén (động cơ đốt trong dẫn động máy nén khí) Năng lượng điện, thủy lực,

khí nén sẽ cung cấp cho các động cơ điện, thủy lực, khí nén riêng biệt dẫn động cho các cơ cấu

Đó là các cụm thiết bị động lực phối hợp

1 – Cụm thiết bị động lực diezel – máy phát điện:

Thiết bị động lực chính trên máy thường là động cơ diesel Động cơ diezel dẫn động máy phát điện phát ra năng lượng điện Nguồn năng lượng điện cung cấp cho các động cơ điện dẫn động cho các cơ cấu công tác riêng biệt Như vậy động cơ trực tiếp dẫn động cho các cơ cấu máy là động cơ điện

2 – Cụm thiết bị động lực diezel – bơm thủy lực:

Thiết bị động lực chính trên máy thường là động cơ diesel Động cơ diezel dẫn động bơm thủy lực Bơm thủy lực biến đổi năng lượng này dưới dạng cơ năng (từ động cơ diezel) thành năng lượng của dòng chất lỏng thủy lực

Nguồn năng lượng tích lũy trong dòng chất lỏng thủy lực cung cấp cho các động cơ thủy lực dẫn động cho các cơ cấu công tác Như vậy động cơ trực tiếp dẫn động cho các cơ cấu công tác của máy là các động cơ thủy lực

3 – Cụm thiết bị động lực động cơ đốt trong – máy nén khí:

Thiết bị động lực chính trên máy là động cơ đốt trong Động cơ đốt trong dẫn động một máy nén khí Máy nén khí biến đổi năng lượng dưới dạng cơ năng (từ động cơ đốt trong) thành năng lượng của không khí nén dưới áp suất cao Nguồn năng lượng không khí nén cung cấp cho các động cơ khí nén dẫn động cho các cơ cấu công tác

Hiện nay dẫn động nhờ không khí nén ít được sử dụng trong hệ thống truyền động cho các cơ cấu máy xếp dỡ Trên các máy xếp dỡ, máy xây dựng và trên các phương tiện vận tải bộ (ôtô, máy kéo…) khí nén thường được dùng để điều khiển các thiết bị như: điều khiển ly hợp, điều khiển phanh…

§2.2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN:

2.2.1 Khái niệm về động cơ điện:

Động cơ điện được sử dụng phổ biến

trên các máy xếp dỡ cố định hoặc di chuyển

ở cự ly ngắn Động cơ điện là thiết bị biến

đổi điện năng thành cơ năng, dựa trên

nguyên lý tác dụng lực điện từ giữa từ trường

và dòng điện

2.2.2 Phân loại động cơ điện:

Căn cứ vào loại dòng điện (nguồn điện) cung cấp cho động cơ hoạt động mà có thể phân thành hai loại: động cơ điện 1 chiều, động cơ điện xoay chiều

a) Động cơ điện một chiều:

Là loại động cơ điện khi hoạt động phải dùng nguồn điện 1 chiều Ưu nhược điểm của động cơ điện 1 chiều so với động cơ điện xoay chiều là:

– Ưu điểm: Có khả năng điều chỉnh vận tốc trong phạm vi rộng, mômen khởi động cao,

khả năng quá tải lớn, dễ tạo đường đặc tính cơ phù hợp với yêu cầu làm việc

– Nhược điểm: Phải có nguồn điện một chiều, thường phải sử dụng nguồn điện xoay chiều

thông qua các bộ chỉnh lưu để thành nguồn điện một chiều hoặc lấy từ máy phát điện một chiều Các bộ chỉnh lưu đắt tiền nên giá thành thiết bị cao

b) Động cơ điện xoay chiều:

Là loại động cơ điện khi hoạt động phải dùng nguồn điện xoay chiều Ưu nhược điểm của động cơ điện xoay chiều so với động cơ điện 1 chiều là:

– Ưu điểm: Sử dụng trực tiếp nguồn điện xoay chiều, không cần thông qua các bộ chỉnh

lưu nên giá thành đầu tư chung cho hệ thống giảm so với khi dùng động cơ điện 1 chiều

– Nhược điểm: Phạm vi điều chỉnh vận tốc hẹp hơn so với khi dùng động cơ điện 1 chiều

Hiện nay với kỹ thuật biến tần, động cơ điện xoay chiều kiểu rôtor lồng sóc được dùng rất phổ biến, dải điều chỉnh tốc độ rất rộng và trơn láng, tuy nhiên giá thành thiết bị còn cao hơn nhiều so với hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền thống

Vì lưới điện công nghiệp là mạch điện xoay chiều nên người ta hay dùng động cơ điện xoay chiều Động cơ điện xoay chiều thường được sản xuất với nhiều loại:

1 – Theo số pha dòng điện người ta phân động cơ điện xoay chiều ra các loại:

– Động cơ điện xoay chiều một pha,

– Động cơ điện xoay chiều ba pha

2 – Theo nguyên lý tạo thành chuyển động quay và tốc độ từ trường quay trong máy điện người ta phân ra các loại:

– Động cơ đồng bộ,

– Động cơ không đồng bộ (động cơ dị bộ) Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ chia thành:

+ Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc: cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành hạ, khó điều chỉnh tốc độ quay của trục động cơ (theo phương pháp truyền thống)

Hình 2.1 – Hình dáng chung động cơ điện

+ Động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn (rôto pha): cấu tạo phức tạp, rôto được chế tạo từ các cuộn dây quấn tạo thành các pha (rôto pha) nên chế tạo phức tạp, giá thành cao Động

cơ không đồng bộ rôto dây quấn có những ưu điểm nổi bật: khả năng điều chỉnh tốc độ tốt (bằng cách thay đổi điện trở phụ mắc nối tiếp trong các pha của rôto), tính khởi động tốt: khởi động êm, dòng điện khởi động nhỏ hơn so với dòng điện khởi động của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

3 – Theo công dụng của động cơ điện người ta phân động cơ điện xoay chiều ra các loại:

– Động cơ điện có công dụng chung,

– Động cơ điện có công dụng riêng (động cơ điện chuyên dùng)

c) Chọn động cơ điện:

1 – Yêu cầu đối với động cơ điện:

Động cơ điện dùng làm thiết bị động lực dẫn động cho một cơ cấu máy phải thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau:

– Động cơ có công suất lựa chọn được tương ứng với đồ thị phụ tải Khi làm việc với chế độ thực đầy tải, động cơ không bị nóng quá mức giới hạn cho phép

– Động cơ phải đảm bảo làm việc bình thường khi bị quá tải ngắn hạn

– Động cơ phải có mômen mở máy đủ lớn để khởi động cơ cấu máy làm việc

Công suất của động cơ cũng không được chọn quá lớn (so với công suất yêu cầu) gây ra

gia tốc lớn ảnh hưởng không tốt đến hoạt động của cơ cấu máy và tính kinh tế kém Trong đa số các trường hợp việc chọn công suất động cơ được tiến hành theo điều kiện phát nóng sau đó được kiểm nghiệm lại theo khả năng quá tải và điều kiện mở máy

2 – Các chế độ làm việc của hệ thống truyền động điện [10]:

Động cơ điện khi làm việc với tải trọng trong hệ thống truyền động điện, căn cứ vào đặc điểm phát nóng và nguội lạnh của động cơ điện, người ta phân chế độ làm việc của hệ thống truyền động điện thành ba chế độ:

– Chế độ phụ tải dài hạn: Ở chế độ làm việc dài hạn, phụ tải được duy trì ở một thời gian làm việc dài, có thể không đổi hoặc thay đổi Nhiệt độ của động cơ đạt tới trị số ổn định (Xem hình2.2.a)

Ví dụ: động cơ điện truyền động cho các băng tải, các máy cắt kim loại, v.v…

– Chế độ phụ tải ngắn hạn: Động cơ làm việc với tải trọng trong thời gian ngắn sau đó

động cơ ngừng làm việc với thời gian nghỉ kéo dài Vì vậy khi động cơ làm việc nhiệt độ động cơ

a) b) c)

Hình 2.2 – Đường phụ tải của động cơ điện (với phụ tải thay đổi)

a) Chế độ làm việc dài hạn; b) Chế độ làm việc ngắn hạn; c) Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại

chưa phát nóng đạt đến trị số ổn định, khi nghỉ nhiệt độ động cơ giảm (nguội lạnh) về trị số ban

đầu Ví dụ: động cơ điện truyền động nâng để đóng mở các cửa cống, cửa đập nước… (Xem hình 2.2b)

– Chế độ phụ tải ngắn hạn lặp lại: Phụ tải của động cơ biến đổi một cách chu kỳ, động

cơ làm việc trong khoảng thời gian ngắn sau đó lại nghỉ (dừng động cơ), thời gian nghỉ ngắn

ngay sau đó động cơ lại được đưa vào trạng thái làm việc Quá trình làm việc hoạt động của động cơ: làm việc – nghỉ – làm việc – nghỉ… là liên tiếp và lặp đi lặp lại (Xem hình 2.2c)

Như vậy khi động cơ điện truyền động cho một cơ cấu máy, động cơ sẽ phải đóng – mở liên tục (khởi động – dừng liên tục) do sự xen kẽ của các khoảng thời gian làm việc tlv và thời gian nghỉ tn của động cơ Trong thời gian hoạt động của động cơ điện làm việc theo chế độ ngắn hạn lặp đi lặp lại; khoảng thời gian làm việc tlv ngắn, động cơ chưa kịp phát nóng đến nhiệt độ ổn định thì đã dừng (nghỉ); với khoảng thời gian nghỉ tn ngắn, động cơ chưa kịp nguội lạnh đến nhiệt độ ban đầu thì động cơ lại đưa vào trạng thái làm việc và nhiệt độ động cơ lại tăng lên

Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại được đặc trưng bởi một thông số là: cường độ làm việc của động cơ (CĐ%)

%100

%100

T

t t

lv n

=+

=lv

lvt

t

Trong đó:

tlv – thời gian động cơ làm việc có phụ tải,

tn – thời gian động cơ nghỉ không có phụ tải,

T – thời gian của 1 chu kỳ

T = tlv + tnCác giá trị tiêu chuẩn CĐ% qui định là 15%, 25%, 40% và 60% – với thời gian 1 chu kỳ làm việc không quá 10 phút (T ≤ 10 phút)

Lưu ý: các cơ cấu công tác của máy trục (nâng, quay, thay đổi tầm với, di chuyển) thường làm việc theo chế độ ngắn hạn, lặp lại Vì vậy để phù hợp với điều kiện làm việc của cơ cấu người ta chế tạo các động cơ chuyên dùng truyền động cho các cơ cấu máy trục (đó chính là các động cơ làm việc có chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại) với các CĐ% tiêu chuẩn 15%, 25%, 40% và 60%

3 – Chọn loại động cơ điện:

Các động cơ xoay chiều, theo yêu cầu sử dụng để phù hợp với phụ tải trong hệ thống truyền động điện, tùy thuộc vào chế độ làm việc trong hệ thống truyền động, người ta chế tạo ra các loại động cơ điện xoay chiều có công dụng khác nhau

– Động cơ điện xoay chiều 3 pha có công dụng chung: Các động cơ điện có công dụng

chung được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau truyền động cho các cơ cấu máy Các động

cơ điện có công dụng chung thường là các động cơ làm việc với chế độ phụ tải dài hạn với các

tính năng riêng biệt

+ Các loại động điện công dụng chung – theo ký hiệu của Nga:

A2, AO2 (AOЛ2) AOП2 – động cơ điện không đồng bộ có mômen mở máy cao, AOC2 – động cơ điện không đồng bộ có hệ số trượt cao, + Ký hiệu động cơ điện xoay chiều 3 pha công dụng chung chế tạo tại Việt Nam: DK…

– Các loại động cơ điện xoay chiều 3 pha chuyên dùng cho máy trục: Các cơ cấu máy trục

thường làm việc với chế độ phụ tải ngắn hạn lặp lại, vì vậy để phù hợp với chế độ làm việc trong hệ thống truyền động điện cho các cơ cấu máy trục, người ta chế tạo các động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại chuyên dùng truyền động cho các cơ cấu của máy trục

+ Động cơ điện xoay chiều 3 pha rôto lồng sóc: MTK, MTKB, MTKF…

+ Động cơ điện xoay chiều 3 pha rôto dây quấn (rôto pha): MT, MTB, MTF…

– Động cơ điện xoay chiều 3 pha dùng cho các cầu trục luyện kim (cầu trục trong phân

xưởng đúc): MTKM, MTM,…

– Các loại động cơ điện 1 chiều

chuyên dùng cho các cơ cấu máy trục: МП,

ДП, ΚПДΗ

4 – Chọn công suất động cơ điện:

– Những khái niệm chung: Chọn

công suất động cơ điện nhằm thực hiện

nhiệm vụ đặt ra đối với hệ thống truyền

động điện Để tiến hành chọn công suất

động cơ cần phải tính toán phụ tải không

những ở chế độ xác lập mà còn ở cả chế độ

quá độ Vì vậy việc chọn công suất động

cơ cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Công suất của động cơ điện được

lựa chọn phải đảm bảo để động cơ làm

việc ở thời gian phục vụ lâu dài mà không

bị phát nóng quá mức cho phép – điều kiện

phát nóng

+ Động cơ phải có khả năng làm

việc bình thường khi bị quá tải trong thời

gian ngắn – điều kiện quá tải

+ Động cơ phải có mômen mở máy

đủ lớn để khởi động cơ cấu máy đưa vào

trạng thái làm việc, tại thời kỳ khởi động

với mômen cản ban đầu của phụ tải đặt lên

trục động cơ khá lớn khi mà các bộ phận

máy còn đang ở trạng thái đứng yên, với

quán tính và mômen quán tính của các bộ

phận máy khá lớn – điều kiện mở máy

Trong đa số các trường hợp, việc

chọn công suất động cơ được tiến hành

theo điều kiện phát nóng, sau đó thực hiện

kiểm nghiệm lại theo khả năng quá tải

(điều kiện quá tải) và khả năng khởi động

ban đầu – điều kiện khởi động

– Những yêu cầu khi lựa chọn công

suất động cơ: Việc lựa chọn công suất

động cơ điện truyền động cho các cơ cấu

máy cần phải căn cứ vào các điều kiện:

+ Chế độ làm việc phụ tải: dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại Chế độ làm việc của động cơ phải phù hợp chế độ phụ tải, cần căn cứ chế độ phụ tải mà chọn loại động cơ cho phù hợp

+ Công suất tĩnh yêu cầu của động cơ lựa chọn phải đảm bảo điều kiện phát nóng + Công suất của động cơ lựa chọn phải thỏa mãn điều kiện mở máy và điều kiện quá tải khi truyền động cho cơ cấu máy

Hình 2.3 – Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ 3 pha a) – Kiểu rô to lồng sóc; b) – Kiểu rô to dây quấn

Hình 2.4 – Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều

1 – Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

2 – Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp

3 – Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

Việc tính toán lựa chọn công suất của động cơ điện phải sao cho: thỏa mãn điều kiện làm việc (đảm bảo yêu cầu kỹ thuật) đồng thời đảm bảo tính kinh tế (chi phí điện năng hợp lý tránh lãng phí công suất)

– Đường đặc tính cơ của động cơ điện:

+ Khi chọn động cơ điện làm thiết bị động lực dẫn động cho các cơ cấu của máy xếp dỡ cần chú ý đến đường đặc tính cơ của nó Đặc tính cơ của động cơ điện là mối quan hệ giữa mômen điện từ sinh ra trong động cơ và tốc độ quay trục động cơ:

n = f (M) hay ω = f (M) + Phân loại: đặc tính cơ của động cơ điện được phân làm 2 loại để xét như sau:

• Đặc tính cơ tự nhiên: là quan hệ n = f(M) của động cơ ứng với các tham số của động cơ

ở chế độ định mức: Uđm, fđm, Rđm…

• Đặc tính cơ nhân tạo: là quan hệ n = f (M) khi sơ đồ đấu dây dạng đặc biệt để có các thông số thay đổi khác chế độ định mức

Trên hình 2.3 và 2.4 là 1 số dạng đường đặc tính cơ của các loại động cơ điện [10]

– Phương pháp tính chọn công suất động cơ điện:

+ Các cơ cấu máy xếp dỡ khi hoạt động với chế độ phụ tải khác nhau tùy thuộc chức năng của nó Khi chọn động cơ điện truyền động cho cơ cấu máy xếp dỡ trước hết cần căn cứ chế độ phụ tải (dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại) để chọn loại động cơ điện thích hợp Ví dụ: các cơ cấu của máy trục thường làm việc với chế độ ngắn hạn lặp lại, cơ cấu truyền động cho các băng tải làm việc với chế độ phụ tải dài hạn…

+ Khi tính chọn công suất cơ điện cần tiến hành theo các hướng dẫn trong các tài liệu kỹ thuật chuyên môn với các chỉ dẫn tính chọn như [10]:

• Chọn công suất động cơ (cho hệ thống truyền động có tốc độ làm việc không đổi) trong đó:

Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn (với phụ tải dài hạn không đổi hoặc phụ tải

dài hạn biến đổi),

Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn : chọn công suất động cơ dài hạn làm việc ở

chế độ ngắn hạn hoặc chọn công suất động cơ ngắn hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn

Chọn công suất động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại : chọn công suất động cơ dài hạn

làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại hoặc chọn công suất động cơ ngắn hạn lặp lại làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại

• Kiểm nghiệm công suất động cơ: để khẳng định việc tính chọn công suất động cơ là chấp nhận được, cần tiến hành kiểm nghiệm lại động cơ đã chọn theo ba yêu cầu: kiểm nghiệm phát nóng động cơ (điều kiện phát nóng); kiểm nghiệm quá tải về mômen (điều kiện quá tải); kiểm nghiệm khả năng khởi động của động cơ (điều kiện mở máy)

• Trình tự các hướng dẫn tính chọn công suất động cơ điện cần tham khảo trong các tài liệu chuyên ngành [3], [9], [10], v.v…

§2.3 ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG:

2.3.1 Khái niệm về động cơ đốt trong

a) Lý thuyết động cơ đốt trong:

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, trong đó có các quá trình chuyển hóa năng lượng từ hóa năng của nhiên liệu trong quá trình cháy được biến đổi thành nhiệt năng; nhiệt năng được biến đổi thành công cơ học (cơ năng) – quá trình đó được diễn ra trong buồng công tác của động cơ

– Khi đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt (combustion chamber) của động cơ, khí cháy nhiên liệu có áp suất và nhiệt độ cao giãn nở và truyền áp lực lên đỉnh

piston; piston dịch chuyển trong xilanh Chuyển động tịnh tiến

của piston trong xilanh biến thành chuyển động quay của trục

khuỷu nhờ cơ cấu tay quay thanh truyền

– Khi trục khuỷu quay, piston chuyển động tịnh tiến trong

xilanh và lần lượt nằm tại các vị trí trên cùng (top) và vị trí dưới

cùng (bottom) trong xianh; các vị trí đó được gọi là điểm chết trên

(ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD)

– Tùy thuộc vào loại nhiên liệu và kiểu tạo thành hỗn hợp

cháy (mixture) và sự đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt của

động cơ mà động cơ đốt trong có thể chia thành: động cơ

cácbuaratơ, động cơ diesel, động cơ chạy bằng khí gas

+ Động cơ cácbuaratơ sử dụng nhiên liệu là xăng (động cơ

xăng): hỗn hợp nhiên liệu với không khí được hòa trộn ở bên

ngoài xilanh nhờ bộ chế hòa khí (cácbuaratơ), sau đó được cung

cấp vào trong các xilanh Ở cuối kỳ nén, hỗn hợp được đốt cháy

nhờ tia lửa điện từ một nguồn điện Động cơ cácbuaratơ còn được

gọi là động cơ đốt cháy cưỡng bức

+ Động cơ diesel: môi chất được đưa vào buồng công tác

trong kỳ nạp là không khí sạch Ở cuối kỳ nén, khi áp suất và

nhiệt độ của không khí trong buồng công tác tăng cao, nhiên liệu

dầu diesel mới được phun vào buồng cháy dưới dạng sương mù,

gặp không khí nén trong buồng đốt có nhiệt độ và áp suất cao,

nhiên liệu tự bốc cháy – động cơ diesel còn được gọi là động cơ

nhiên liệu tự cháy

b) Những khái niệm và các thông số cơ bản:

1 – Các hệ thống phục vụ trong động cơ đốt trong:

Để đảm bảo quá trình làm việc, động cơ đốt trong có bố trí các hệ thống sau:

– Hệ thống nhiên liệu: dùng để chuẩn bị nhiên liệu và cấp vào xilanh đúng thời điểm với lượng xác định

– Hệ thống bôi trơn: cấp dầu bôi trơn cho bề mặt làm việc các chi tiết chuyển động tương đối với nhau và làm mát các chi tiết này

– Hệ thống làm mát: dùng để làm mát các chi tiết máy và các cơ cấu có nhiệt độ cao – Hệ thống khởi động: dùng để khởi động động cơ đốt trong

– Hệ thống nạp, thải: dùng để đảm bảo lượng không khí sạch cấp vào động cơ và xả sạch sản vật cháy

2 – Các khái niệm cơ bản lý thuyết động cơ đốt trong:

Trên hình 2.5 là sơ đồ nguyên lý kết cấu động cơ đốt trong 4 kỳ Các khái niệm dùng

trong lý thuyết động cơ đốt trong:

– Điểm chết: Vị trí tại đó piston đổi chiều chuyển động; khi piston chuyển động tịnh tiến

trong xilanh có 2 điểm chết là: điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD)

– Điểm chết trên ĐCT (top dead centre): là vị trí của piston tại đó khoảng cách từ piston

đến đường tâm trục khuỷu là lớn nhất

– Điểm chết dưới ĐCD (bottom dead centre): là vị trí của piston tại đó khoảng cách từ

piston đến đường tâm trục khuỷu là nhỏ nhất

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý kết cấu động cơ đốt trong 4 kỳ

1 – Xi lanh; 2 – Piston; 3 – Thanh truyền; 4 – Trục khủyu;

5 – Van nạp; 6 – Van xả; 7 – Bugi (với động cơ xăng) hoặc vòi phun (với động cơ Diesel)

– Các kích thước chủ yếu của xianh động cơ là: đường kính xilanh D và hành trình piston

S; trong đó:

+ Hành trình piston S: là khoảng cách piston dịch chuyển từ điểm chết này đến điểm chết

kia Mỗi hành trình của piston tương ứng với góc quay trục khuỷu ϕ = 1800

+ Bán kính quay trục khuỷu r: là khoảng cách từ tâm cổ biên tới tâm cổ trục khuỷu S = 2r

(trong kết cấu của 1 động cơ: S và r là các đại lượng không đổi)

– Các thông số khác:

+ Thể tích buồng cháy (thể tích buồng nén) Vc, cm3: là thể tích xilanh khi piston nằm ở ĐCT

+ Thể tích công tác của xilanh Vs, cm3: là thể tích được tạo thành khi piston thực hiện một

+ Tỷ số nén hình học: tỷ số giữa thể tích toàn bộ của xilanh với thể tích buồng cháy, được

gọi là tỷ số nén lý thuyết hay tỷ số nén hình học, tỷ số nén: ε =

V + Thể tích công tác của động cơ – với động cơ có nhiều xilanh ΣV (cm3) là tổng thể tích công tác của các xilanh: ΣV = Vs.z (z là số xilanh của động cơ)

+ Quá trình công tác: là tổng hợp tất cả những biến đổi của môi chất xảy ra trong xilanh

động cơ cũng như trong các hệ thống gắn liền với xilanh như hệ thống nạp, thải

+ Chu trình công tác: toàn bộ các quá trình liên tục tạo nên sự hoạt động của động cơ

trong thời gian 1 chu kỳ

+ Thì (kỳ): một phần chu trình công tác diễn ra trong khoảng một hành trình S của piston gọi là thì hay kỳ (stroke)

Các động cơ phần lớn được trình bày hoạt động theo nguyên lý 4 kỳ, căn cứ vào quá trình diễn ra trong xilanh của động cơ mà gọi tên các kỳ như sau:

• Kỳ thứ nhất – nạp (kỳ hút), • Kỳ thứ hai – nén,

• Kỳ thứ ba – giãn nở (kỳ sinh công), • Kỳ thứ tư – xả

– Chu trình công tác của động cơ đốt trong kiểu piston được thực hiện sau một hoặc 2

vòng quay của trục khuỷu; tương ứng có các loại:

+ Động cơ đốt trong 2 kỳ: chu trình công tác thực hiện sau 1 vòng quay trục khuỷu, + Động cơ đốt trong 4 kỳ: chu trình công tác thực hiện sau 2 vòng quay trục khuỷu

Với động cơ 2 kỳ: tương ứng 2 hành trình của piston có 1 hành trình sinh công,

Với động cơ 4 kỳ: tương ứng 4 hành trình của piston có 1 hành trình sinh công

Các hành trình không sinh công gọi là các hành trình phụ, các hành trình này được thực hiện nhờ động năng của phần chuyển động quay của động cơ hay nhờ công sinh bởi các hành trình sinh công của các xianh khác (với động cơ nhiều xianh)

2.3.2 Phân loại động cơ đốt trong

Các động cơ đốt trong dùng trên các máy xếp dỡ và xây dựng có nhiều cách phân loại, nhưng phổ biến được phân loại theo các dấu hiệu đặc trưng chủ yếu như:

– Theo cách thực hiện chu trình công tác (theo số hành trình piston trong một chu trình

làm việc) có: động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ

– Theo nhiên liệu sử dụng trong động cơ và sự tạo thành hỗn hợp cháy có các loại:

+ Động cơ cácbuaratơ (động cơ xăng): nhiên liệu sử dụng là xăng,

+ Động cơ diesel: nhiên liệu sử dụng là dầu diesel + Động cơ đốt trong chạy bằng khí ga

– Theo số xilanh có các loại: Động cơ 1 xilanh và động cơ nhiều xilanh

– Theo cách bố trí xilanh có các loại: các xilanh bố trí 1 hàng thẳng đứng, bố trí kiểu chữ

V và bố trí hình sao

– Theo cách nạp khí vàoxianh: Có loại động cơ tăng áp và loại động cơ không tăng áp – Theo phương pháp làm mát: Có loại động cơ làm mát bằng gió hoặc động cơ làm mát

bằng nước

– Theo tốc độ của piston: Có loại động cơ thấp tốc, loại trung tốc và loại cao tốc

2.3.3 Nguyên lý làm việc của động cơ diesel:

Trên các máy xếp dỡ và xây dựng sử dụng nguồn động lực là động cơ đốt trong phổ biến thường dùng động cơ diesel Sau đây giới thiệu nguyên lý làm việc của động cơ diesel

a) Nguyên lý làm việc của động cơ diesel 4 kỳ:

Trên hình 2.6 trình bày nguyên lý làm việc của động cơ diesel 4 kỳ, trong đó một chu trình làm việc bao gồm 4 quá trình, tương ứng với 4 hành trình piston hay 2 vòng quay của trục khuỷu:

+ Quá trình nạp: Piston đi từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD), xu-páp

nạp mở, xu-páp xả đóng Môi chất công tác (không khí sạch) được nạp (hút) vào buồng công tác qua đường ống nạp và cửa nạp (xu-páp nạp)

+ Quá trình nén: Piston đi từ ĐCD lên ĐCT trong khi cả xu-páp nạp và xu-páp xả đều

đóng kín, thể tích công tác trong xi lanh được đóng kín so với môi trường bên ngoài Piston tiến hành nén không khí trong xi lanh Ở cuối quá trình nén (cuối kỳ nén) áp suất và nhiệt độ của không khí trong buồng công tác tăng cao, đối với động cơ diesel, nhiệt độ của khí nén cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu (dầu diesel )

+ Quá trình cháy – giãn nở sinh công: Ở cuối quá trình nén; nhiên liệu được phun vào

buồng công tác với áp suất cao, nhiên liệu tự bốc cháy, bắt đầu quá trình cháy trong buồng cháy của động cơ; nhiên liệu bốc cháy dữ dội, tạo ra áp suất rất cao trong buồng công tác, tác dụng lên đỉnh piston, đẩy piston đi xuống, piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD Khi piston chuyển động thông qua cơ cấu tay quay thanh truyền tạo thành mômen quay trên trục khuỷu làm quay trục khuỷu động cơ (đây là kỳ sinh công duy nhất trong chu trình)

Hình 2.6 – Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ diesel 4 kỳ

a) Kỳ nạp; b) Kỳ nén; c) Kỳ giãn nở (kỳ sinh công); d) Kỳ xả

+Quá trình xả: piston đi từ ĐCD lên ĐCT xu-páp nạp đóng, xu-páp xả mở Sản vật cháy

(khí thải) qua cửa xả (xu-páp xả) theo đường ống xả ra ngoài

b) Nguyên lý làm việc của động cơ diesel 2 kỳ:

– Nguyên lý kết cấu động cơ diesel 2 kỳ:

Trên hình 2.7 trình bày sơ đồ nguyên lý kết cấu của động cơ diesel 2 kỳ có tăng áp, trong đó một chu trình làm việc bao gồm 4 quá trình, tương ứng với 2 hành trình piston hay 1 vòng quay trục khuỷu:

– Nguyên lý làm việc

của động cơ diesel 2 kỳ:

Nguyên lý làm việc của

động cơ diesel 2 kỳ, một chu

kỳ làm việc cũng bao gồm các

quá trình (nạp, nén, cháy – giãn

nở sinh công, xả) nhưng chỉ ứng

với 2 hành trình piston hay 1

vòng quay trục khuỷu

+Hành trình 1 (quá trình

quét và nén khí ): piston đi từ

ĐCD đi lên ĐCT, thực hiện các

quá trình: quét và nạp khí mới

(hình 2.7a) nén khí trong buồng

công tác (hình2.7b) Ở cuối

quá trình nén, áp suất và nhiệt

độ không khí trong buồng công

tác rất cao Nhiệt độ của không

khí nén trong buồng đốt ở cuối

quá trình nén cao hơn nhiệt độ

tự bốc cháy của nhiên liệu (dầu

diesel)

+Hành trình 2 (quá trình

cháy – giãn nở, xả và quét khí):

Trước khi piston tới ĐCT nhiên

liệu (dầu diesel) được phun vào

xi lanh, gặp không khí nén có

nhiệt độ và áp suất cao – nhiên

liệu tự bốc cháy và cháy mãnh

liệt thực hiện quá trình cháy –

giãn nở sinh công Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD thực hiện các quá trình cháy – giãn nở sinh công (hình 2.7c), xả, quét khí và nạp khí mới (hình 2.7d)

c) So sánh động cơ đốt trong 2 kỳ & động cơ đốt trong 4 kỳ:

– Trong môït vòng quay trục khuỷu, động cơ 2 kỳ có một lần sinh công còn động cơ 4 kỳ phải qua 2 vòng quay trục khuỷu mới có một lần sinh công Vì vậy nếu có cùng kích thước cơ bản như nhau thì động cơ 2 kỳ sẽ có công suất lý thuyết lớn gấp 2 lần so với công suất động cơ 4 kỳ

– Đôïng cơ 2 kỳ hoạt động với mômen quay đều hơn vì rằng chỉ sau 1 vòng quay của trục khuỷu (2 hành trình của piston ) động cơ thực hiện được 1 lần sinh công

Hình 2.7.Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ diesel 2 kỳ

a – Quét khí, b – Nén, c–Phun nhiên liệu vào xi lanh, d–Hành trình sinh công và bắt đầu thải khí cháy; 1 – Van xả, 2– Buồng không khí, 3 – Xi lanh, 4 – piston, 5 – Máy nén khí (tăng áp),

6 – Cửa quét, 7 – Vòi phun

– Hieôu suaât nhieôt ñoông cô 2 kyø nhoû hôn so vôùi ñoông cô 4 kyø, do chaât löôïng náp vaø thại cụa ñoông cô 2 kyø keùm hôn ñoông cô 4 kyø

d) So saùnh ñoông cô diesel vaø ñoông cô xaíng:

– Ñieơm khaùc bieôt cô bạn veă nguyeđn lyù laøm vieôc giöõa ñoông cô diesel & ñoông cô xaíng:

+ Ñoông cô diesel: mođi chaât ñöôïc ñöa vaøo buoăng cođng taùc cụa ñoông cô trong kyø náp laø

khođng khí sách ÔÛ cuoâi kyø neùn, khođng khí trong buoăng ñoât ñöôïc neùn ñát aùp suaât vaø nhieôt ñoô cao, nhieđn lieôu (daău diesel) môùi ñöôïc phun vaøo buoăăøng chaùy döôùi dáng söông muø, gaịp khođng khí neùn coù nhieôt ñoô vaø aùp suaât cao – nhieđn lieôu töï boâc chaùy thöïc hieôn quaù trình chaùy – giaõn nôû – sinh cođng (ñoông cô diesel coøn gói laø ñoông cô nhieđn lieôu töï chaùy)

+ Ñoông cô xaíng vaø khí ga: mođi chaât ñöôïc ñöa vaøo buoăăøng cođng taùc trong kyø náp laø hoên hôïp

thoøa troôn giöõa nhieđn lieôu vaø khođng khí tái boô cheâ hoøa khí

ÔÛ cuoâi kyø neùn, hoên hôïp chaùy ñöôïc ñoẫt chaùy cöôõng böùc

baỉng tia löûa ñieôn töø moôt nguoăøn ñieôn (ñoông cô xaíng coøn gói

laø ñoông cô ñoât chaùy nhieđn lieôu cöôõng böùc)

e) Caùc thođng soâ cô bạn cụa ñoông cô ñoât trong goăm:

1 – Cođng suaât coù ích : Ne (hp, kW)

2 – Soâ voøng quay tređn trúc : ne (vg/ph)

3 – Mođmen quay tređn trúc : Me (kG.m, N.m)

4 – Hieôu suaât cụa ñoông cô : η (%)

5 – Suaât tieđu hao nhieđn lieôu : ge (g/kWh)

2.3.4 Ñaịc ñieơm cụa ñoông cô diesel (so vôùi

ñoông cô xaíng):

a) Öu ñieơm:

Tređn caùc maùy xeâp dôõ ñoông cô diezel thöôøng ñöôïc

söû dúng nhieău hôn so vôùi ñoông cô xaíng vì nhöõng öu ñieơm

so vôùi ñoông cô xaíng:

1 – Nhieđn lieôu duøng cho ñoông cô diezel (daău diezel)

rẹ hôn so vôùi xaíng

2 – Hieôu suaât nhieôt cụa ñoông cô diezel cao (η = 30

÷ 40%) trong khi ôû ñoông cô xaíng η = 18 ÷ 20% Vì vaôy

löôïng tieđu hao nhieđn lieôu cho 1 ñôn vò cođng suaât (suaât tieđu

hao nhieđn lieôu) cụa ñoông cô diezel thaâp hôn: ñoông cô diezel: gc = 200 ÷ 240 g/kwh; ñoông cô xaíng: gc = 300 ÷ 400 g/kWh [8]

3 – Heô thoâng cung caâp nhieđn lieôu cụa ñoông cô diezel vôùi caùc cúm chi tieât chụ yeâu: bôm cao

aùp, voøi phun ít bò hö hoûng vaø deê söû dúng hôn ÔÛ ñoông cô xaíng cúm chi tieât chính cụa heô thoâng caâp nhieđn lieôu vaø hoên hôïp chaùy laø boô cheâ hoøa khí (coøn gói laø cacbuaratô)

4 – Khí thại ñoông cô ñoông cô diesel ít ñoôc hái hôn so vôùi khí thại ñoông cô xaíng

b) Nhöôïc ñieơm:

1 – Ñoông cô diezel coù kích thöôùc vaø tróng löôïng lôùn hôn ñoông cô xaíng

2 – Vieôc cheâ táo heô thoâng nhieđn lieôu ñoøi hoûi ñoô chính xaùc gia cođng cao (bôm cao aùp, voøi

phun) neđn giaù thaønh ñoông cô diezel cao

3 – Ñoông cô diezel duøng nhieđn lieôu naịng, phöông phaùp táo thaønh hoên hôïp chaùy (phun

nhieđn lieôu döôùi dáng söông muø hoøa troôn vôùi khođng khí ôû trong buoăng ñoât cụa ñoông cô), phöông phaùp hoøa troôn khođng toât neđn khoù khaín khi khôûi ñoông maùy

4 – Tređn caùc maùy xeâp dôõ duøng ñoông cô ñoât trong laøm thieât bò ñoông löïc: heô truyeăn ñoông cô

khí thöôøng laø khaù phöùc táp phại coù boô ly hôïp, boô phaôn ñạo chieău quay, heô thoâng caùc cô caâu, boô truyeăn ñoông cô khí truyeăn ñoông ñeân töøng cô caâu cođng taùc cụa maùy khaù phöùc táp coăng keănh

Hình 2.8 – Ñaịc tuyeân ngoaøi cụa ñoông cô

ñoât trong

1 – Ñoông cô xaíng, 2 – Ñoông cô diezel; 3 – Ñoông cô diezel coù bieân toâc thụy löïc