Bài giảng động cơ diesel tàu thủy ii phần 1 ts lê văn vang

TS LÊ VĂN VANG BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ II ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Khái niệm 1.1 Trong động đốt trong, việc nghiên cứu chu trình thực tế phức tạp Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới diễn biến trình chu trình công tác thông số kết cấu (tỷ số nén, phương pháp quét khí thải khí, phương pháp hình thành khí hỗn hợp…), thơng số điều chỉnh (góc phân phối khí, góc phun sớm, thành phần hỗn hợp), thông số khai thác (chế độ làm việc động cơ, điều kiện môi trường) Vì nghiên cứu sở lý thuyết động diesel, người ta phải xem xét sơ đồ đơn giản hố q trình cơng tác đó, hay cịn gọi chu trình lý tưởng Chu trình lý tưởng động đốt chu trình cơng tác mà khơng tính đến tổn thất nhiệt khác tổn thất nhiệt truyền cho nguồn lạnh quy định theo luật nhiệt động học Chu trình lý tưởng động diesel cho phép dễ dàng đánh giá tính hồn thiện khả sử dụng nhiệt lượng nhiên liệu để biến thành cơng 1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt P Pz z1 T Tz Tz1 z Pc c Tc Q2 Q1 z z1 c b b a Vc a Va V Q3 r s p S Hình 1.1 Chu trình lý tưởng đồ thị 𝑃 − 𝑉 𝑇 − 𝑆 Chu trình lý tưởng động đốt biểu diễn đồ thị 𝑃 − 𝑉 (đồ thị công) 𝑇 − 𝑆 Diesel (đồ thị nhiệt), bao gồm trình nhiệt động sau (hình 1.1): - 𝑎𝑐: trình nén đoạn nhiệt - 𝑐𝑧1 : q trình cấp nhiệt đẳng tích Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 - 𝑧1 𝑧: trình cấp nhiệt đẳng áp - 𝑧𝑏: trình giãn nở đoạn nhiệt - 𝑏𝑎: q trình thải nhiệt đẳng tích 1.1.2 Các thơng số đặc trưng chu trình Tỷ số nén: 𝜀 = 𝑉𝑎 ⁄𝑉𝑐 Tỷ số áp suất: 𝜆 = 𝑃𝑧 ⁄𝑃𝑐 Tỷ số giãn nởsớm: 𝜌 = 𝑉𝑧 ⁄𝑉𝑐 Tỷ số giãn nởsau: 𝛿 = 𝑉𝑏 ⁄𝑉𝑧 Hiệu suất nhiệt chu trình: 𝜂𝑡 = 𝑄1 + 𝑄2 − 𝑄3 𝑄3 =1− 𝑄1 + 𝑄2 𝑄1 + 𝑄2 Trong đó: 𝑄1 : Nhiệt lượng cung cấp đẳng tích; 𝑄2 : Nhiệt lượng cung cấp đẳng áp; 𝑄3 : Nhiệt lượng thải đẳng tích; 1.1.3 Các giả thiết nghiên cứu chu trình lý tưởng: Chu trình lý tưởng nêu nghiên cứu có kèm theo giả thuyết sau đây: - Chu trình diễn với đơn vị khí lý tưởng ; q trình xảy làm mơi chất thay đổi trạng thái vật lý thành phần hố học khối lượng khơng thay đổi - Khơng có q trình cháy xilanh động cơ, môi chất nhận nhiệt tiếp xúc lý tưởng với nguồn nóng - Các q trình nén giãn nở đoạn nhiệt, chuyển động khơng có ma sát - Q trình thải nhiệt mơi chất tiếp xúc lý tưởng với nguồn lạnh mà q trình trao đổi khí - Nhiệt dung riêng mơi chất số - Nguồn nóng nguồn lạnh vơ lớn để q trình truyền nhiệt ổn định Chu trình lý tưởng với giả thuyết lấy làm sở lý thuyết nghiên cứu cho động đốt Các yếu tố khai thác, kết cấu, kiểu loại động cơ… khơng ảnh hưởng đến chu trình Sự thay đổi thể tích thực q trình Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 nén giãn nở piston chuyển động xilanh thực thông số đồ thị thể tích (hoặc thể tích riêng) mơi chất 1.2 Chu trình lý tưởng Tùy theo lượng nhiệt cung cấp 𝑄1 , 𝑄2 từ nguồn nóng, chu trình lý tưởng chia thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp hay cấp nhiệt hỗn hợp 1.2.1 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích P Pz T Tz z Tc Q1 z c Pc c b b a a Q3 Vc Va V r p S Hình 1.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích đồ thị 𝑃 − 𝑉 𝑇 − 𝑆 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích (hình1.2), nhiệt lượng 𝑄1 (hoặc 𝑄𝑣 ) cấp theo chu trình trình đẳng tích 𝑐 − 𝑧 Các động đốt thực theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có q trình cháy diễn nhanh (gần tức thời điểm 𝑧) Các động xăng, động ga thường thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích Hình 1.2 thể q trình cơng tác chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích đồ thị 𝑃 − 𝑉 𝑇 − 𝑆 Trong chu trình nhiệt lượng cung cấp quy trình đẳng áp 𝑄2 = Trong ta thấy:  =   = Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp P c Pz T Tz z Tc Q2 z c b b a a Q3 Vc Va V r p S Hình 1.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp đồ thị P-V T-S Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp (hình 1.3), nhiệt lượng 𝑄2 (hoặc 𝑄𝑝 ) cấp cho chu trình trình đẳng áp 𝑐 − 𝑧 Các động đốt thực theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có q trình cháy diễn chậm nhiều (sau điểm z) Các động diesel cấp nhiên liệu khơng khí nén thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp Trong chu trình này, nhiệt lượng cung cấp trình đẳng tích 𝑄1 = 0, nhiệt lượng cung cấp cho chu trình cịn lại 𝑄2 ,  = 1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp P Pz z1 T Tz Tz1 z Pc c Tc Q2 Q1 z z1 c b b a Vc Va V a Q3 r s p S Hình 1.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp đồ thị 𝑃 − 𝑉 𝑇 − 𝑆 Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng cung cấp q trình đẳng áp, đẳng tích khác khơng (𝑄1 , 𝑄2 khác 0) Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1.4), nhiệt lượng 𝑄1 (hoặc 𝑄𝑣 ) cấp cho công chất q trình 𝑐 − 𝑧1 cịn nhiệt lượng 𝑄2 (hoặc 𝑄𝑝 ) cấp cho công chất Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 trình 𝑧1 − 𝑧 chu trình Động diesel thông thường (cấp nhiên liệu bơm cao áp vòi phun) thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp 1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Hiệu suất chu trình lý tưởng: 𝜂𝑡 = 𝑄1 + 𝑄2 − 𝑄3 𝑄3 =1− 𝑄1 + 𝑄2 𝑄1 + 𝑄2 Trong đó: 𝑄1 , 𝑄2 nhiệt cấp đẳng tích đẳng áp, 𝑄3 nhiệt thải Mối liên hệ thơng số điểm đặc biệt chu trình điểm 𝑎, 𝑐, 𝑧1 , 𝑧, 𝑏 theo thông số trạng thái ban đầu áp suất tính tốn sau: Điểm 𝑐: 𝑃𝑐 𝑉𝑐𝑘 = 𝑃𝑎 𝑉𝑎𝑘 ⇒ 𝑃𝑐 = 𝑃𝑎 𝜀 𝑘 𝑇𝑐 𝑉𝑐𝑘−1 = 𝑇𝑎 𝑉𝑎𝑘−1 ⇒ 𝑇𝑐 = 𝑇𝑎 𝜀 𝑘−1 Điểm 𝑧1 : 𝑃𝑧1 = 𝜆 ⇒ 𝑃𝑧1 = 𝜆 𝑃𝑐 = 𝜆 𝑃𝑎 𝜀 𝑘 𝑃𝑐 𝑇𝑧1 𝑃𝑧1 = = 𝜆 ⇒ 𝑇𝑧1 = 𝜆 𝑇𝑐 = 𝜆 𝑇𝑎 𝜀 𝑘−1 𝑇𝑐 𝑃𝑐 Điểm 𝑧: 𝑃𝑧 = 𝑃𝑧1 = 𝜆 𝑃𝑐 = 𝜆 𝑃𝑎 𝜀 𝑘 𝑇𝑧 𝑉𝑧 = = 𝜌 ⇒ 𝑇𝑧 = 𝜌 𝑇𝑧1 = 𝜌 𝜆 𝑇𝑎 𝜀 𝑘−1 𝑇𝑧1 𝑉𝑧1 Điểm 𝑏: 𝑃𝑏 𝑉𝑏𝑘 = 𝑃𝑧 𝑉𝑧𝑘 ⇒ 𝑃𝑏 = 𝑃𝑧 1 𝑘 = 𝑃 𝜆 𝜀 𝑎 𝛿𝑘 𝛿𝑘 = 𝑃𝑎 𝜆 𝜌𝑘 𝑇𝑏 𝑉𝑏𝑘−1 = 𝑇𝑧 𝑉𝑧𝑘−1 ⇒ 𝑇𝑏 = 𝑇𝑧 𝛿𝑘−𝑖 = 𝑇𝑎 𝜆 𝜌𝑘 Mặt khác ta lại có: 𝑄1 = 𝐶𝑣 (𝑇𝑧1 − 𝑇𝑐 ) = 𝐶𝑣 (𝑇𝑎 𝜆 𝜀 𝑘−1 − 𝑇𝑎 𝜀 𝑘−1 ) 𝑄2 = 𝐶𝑝 (𝑇𝑧 − 𝑇𝑧1 ) = 𝐶𝑝 (𝑇𝑎 𝜌 𝜆 𝜀 𝑘−1 − 𝑇𝑎 𝜆 𝜀 𝑘−1 ) Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 𝑄3 = 𝐶𝑣 (𝑇𝑏 − 𝑇𝑎 ) = 𝐶𝑣 (𝑇𝑎 𝜌𝑘 𝜆 − 𝑇𝑎 ) Thay vào công thức định nghĩa 𝑡 , ta có: 𝜌𝑘 𝜆 − 𝜂𝑡 = − 𝑘−1 (𝜆 − 1) + 𝑘 𝜆 (𝜌 − 1) 𝜀 Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích  = 1,  =  ta có: 𝜂𝑡 = − 𝜀 𝑘−1 Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp  = ta có: 𝜂𝑡 = − 1.4 𝜀 𝑘−1 𝜌𝑘 − 𝑘 (𝜌 − 1) So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Khi so sánh hiệu suất nhiệt chu trình, ta sử dụng đồ thị 𝑇 − 𝑆 lượng nhiệt cấp thải thể diện tích đồ thị Trên sở cơng thức định nghĩa, hiệu suất nhiệt 𝜂𝑡 thay đổi tùy thuộc vào nhiệt lượng cung cấp cho chu trình (𝑄1 + 𝑄2 ) nhiệt lượng thải 𝑄3 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng giữ nguyên tỉ số nén 𝜺 nhiệt lượng thải 𝑸𝟑 thực theo phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp hỗn hợp: zv z T z1 zp c b a S Hình 1.5 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Với điều kiện cố định 𝜀 𝑄3 ta thấy: - Khi giữ nguyên 𝜀, điểm 𝑎 𝑐 phải trùng ba chu trình Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 - Khi giữ nguyên 𝑄3 , ta thấy diện tích hình biểu thị nhiệt thải với ba phương án phải nhau, có nghĩa diện tích (1𝑎𝑏21) chung cho ba chu trình Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích 𝑎𝑐𝑧𝑣 𝑏; hỗn hợp 𝑎𝑐𝑧1 𝑧𝑏; đẳng áp 𝑎𝑐𝑧𝑝 𝑏 lên đồ thị 𝑇 − 𝑆 hình vẽ 1.5 So sánh nhiệt lượng cấp, mà nhiệt lượng cấp biểu thị diện tích đường cong cấp nhiêt, ta thấy: 𝑆(1𝑐𝑧𝑣 21) > 𝑆(1𝑐𝑧1 𝑧21) > 𝑆(𝑐𝑧𝑝 21) Từ cơng thức tính hiệu suất nhiệt, ta kết luận: 𝑝 𝜂𝑡𝑣 > 𝜂𝑡 > 𝜂𝑡 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng giữ nguyên tỉ số nén 𝜺 nhiệt lượng cung cấp (𝑸𝟏 + 𝑸𝟐 ) thực theo phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp hỗn hợp Với điều kiện giữ cố định 𝜀 𝑄1 + 𝑄2 ta thấy: - Khi giữ nguyên 𝜀, điểm 𝑎 𝑐 trùng ba chu trình Khi giữ nguyên 𝑄1 + 𝑄2 , ta thấy diện tích hình biểu thị nhiệt cấp với ba phương phải nhau, có nghĩa là: 𝑆(1𝑐𝑧𝑣 2𝑣 1) = 𝑆(𝑐𝑧1 𝑧21) = 𝑆(1𝑐𝑧𝑝 2𝑝 1) Như thế, điểm 2𝑣 phải phân bố phía trái, cịn điểm 2𝑝 phân bố phía phải điểm Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích 𝑎𝑐𝑧𝑣 𝑏𝑣 ; hỗn hợp 𝑎𝑐𝑧1 𝑧𝑏; đẳng áp 𝑎𝑐𝑧𝑝 𝑏𝑝 lên hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆 hình vẽ 1.6 Từ đồ thị ta nhận thấy: 𝑆(1𝑎𝑏𝑣 2𝑣 1) < 𝑆(1𝑎𝑏21) < 𝑆(1𝑎𝑏𝑝 2𝑝 1) 𝑝 Hay là: 𝑄3𝑣 < 𝑄3 < 𝑄3 Do đó: 𝑝 𝜂𝑡𝑣 > 𝜂𝑡 > 𝜂𝑡 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 zv T z zp z1 c bp bv b a 2v 2p S Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp đẳng áp giữ nguyên áp suất cực đại 𝑷𝒎𝒂𝒙 nhiệt lượng thải 𝑸𝟑 Với điều kiện lượng nhiệt thải 𝑄3 biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆, chúng phải chung trình thải nhiệt đẳng tích 𝑏 − 𝑎 Với điều kiện áp suất cực đại 𝑃𝑚𝑎𝑥 biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆, điểm 𝑧𝑣 , 𝑧, 𝑧𝑝 phải nằm đường 𝑝 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Mặt khác, điểm 𝑏 chung cho ba chu trình nên điểm 𝑧𝑣 , 𝑧, 𝑧𝑝 phải trùng Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích 𝑎𝑐𝑣 𝑧𝑏; hỗn hợp 𝑎𝑐𝑧1 𝑧𝑏; đẳng áp 𝑎𝑐𝑝 𝑧𝑏 lên hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆 hình vẽ 1.7 T z1 cp c cv z b a S Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 Hình 3.4 Ảnh hưởng quy luật cung cấp nhiên liệu tới trình cháy 1: Biên dạng cam nhiên liệu dốc (qi lớn) 2: Biên dạng cam nhiên liệu thoải (qi nhỏ) Giai đoạn cháy thứ giai đoạn cháy piston từ ĐCT xuống ĐCD Thời gian giai đoạn phụ thuộc vào thời gian giai đoạn 1, giai đoạn góc cấp nhiên liệu tồn Thay đổi góc cấp nhiên liệu tồn làm cho thời gian giai đoạn thay đổi Khi góc cấp nhiên liệu tồn khơng đổi việc kéo dài hay rút ngắn thời gian giai đoạn làm thay đổi giai đoạn Có thể dùng thơng số sau để phân tích đường cong trình cháy: 𝜑𝑖 (3-3) 𝑦 =1− 𝜑𝑡𝑏 Ở đây: 𝜑𝑖 : góc quay trục khuỷu tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy 𝜑𝑡𝑏 : góc cấp nhiên liệu tồn Thơng số cịn gọi tiêu chuẩn khống chế trình D.Travropski đưa Từ (3-3) nhận thấy: - Khi 𝜑𝑖 = 𝜑𝑡𝑏 ⇒ 𝑦 = 0, trường hợp i = tb , trình cháy diễn không khống chế - Khi 𝑦 tăng dần đến tức 𝜑𝑖 giản dần dến 0, việc khống chế trình cháy tăng lên Khi 𝑦 = (𝜑𝑖 = 0) q trình cháy khống chế hồn tồn Thực tế điều khơng thể xảy với động diesel - Khi 𝑦 > thời gian chuẩn bị cháy dài thời gian cấp nhiên liệu toàn Trong thực tế, trường hợp xảy q trình khởi động động diesel trạng thái nguội lạnh Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 52 - Khi 𝜑𝑖 giảm xuống, 𝑦 tăng lên, trình cháy tiến dần đến trình cháy nhanh, hiệu suất thị động tăng đồng thời thơng số động chu trình tăng theo Các động diesel tàu thủy công suất lớn, giá trị 𝑦 nằm khoảng 0,55 ÷ 0,80 Giai đoạn trình cháy hậu qủa tất giai đoạn trước Càng rút ngắn thời gian giai đoạn tính kinh tế động tăng, trạng thái nhiệt chi tiết nhóm piston xilanh đảm bảo Giảm tốc độ quay động cơ, tăng hệ số dư lượng khơng khí 𝛼 cải thiện chất lượng phun sương tạo hỗn hợp biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt Tuy nhiên giai đoạn tồn tất động diesel 3.3 Quá trình tạo hỗn hợp Q trình hình thành khí hỗn hợp động Diesel diễn buồng đốt động Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu phun vào xilanh động dạng hạt sương mịn, có kích thước nhỏ đồng đều, đồng thời hạt nhiên liệu cần phải phân bố tồn thể tích buồn cháy Mỗi tia nhiên liệu cần đảm bảo độ xa xác định để xuyên qua khơng khí nén tới gần bề mặt buồng cháy đồng thời không đọng lên bề mặt buồng cháy Các chùm tia nhiên liệu phải có hình dạng, hướng số lượng tia phù hợp với hình dạng thể tích buồng cháy 3.3.1 Tia nhiên liệu Sự phân hủy tia nhiên liệu thành hạt sương nhỏ buồng cháy phụ thuộc vào yếu tố sức cản khí động khơng khí buồng đốt, sức kéo bề mặt tia nhiên liệu, lực hấp dẫn nhiên liệu nội lực xuất nhiên liệu cháy Sức cản khí động khơng khí phụ thuộc vào vận tốc tương đối nhiên liệu khơng khí, đồng thời vào mật độ khơng khí Lực cản mơi trường cố tách phần tử nhiên liệu nằm bề mặt tia phía, cịn lực kéo bề mặt lực hấp dẫn bên nhiên liệu đối kháng với lực cản khơng khí nhằm giữ cho tia nhiên liệu nguyên vẹn Sự kích động ban đầu bề mặt tia nhiên liệu xuất kết qủa hàng loạt nguyên nhân: chảy rối nhiên liệu lỗ phun, hình dạng mép đầu cuối lỗ phun, độ nhẵn bề mặt lỗ phun, có mặt bóng nhiên liệu Ngồi yếu tố cịn phải kể đến tác dụng bổ sung nhiên liệu liên tục, tức tia nhiên liệu liên tục bổ sung phần tử nhiên liệu có động lớn, gây chèn ép lên phần tử nhiên liệu Như lực kích động ban đầu lực cản khí động khơng khí nén buồng cháy có khuynh hướng xé tia nhiên liệu thành giọt sương Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 53 Độ mịn hạt nhiên liệu thể qua đường kính trung bình hạt tia nhiên liệu Động có tốc độ quay cao, thời gian tạo hỗn hợp ngắn yêu cầu phải phun mịn, đặc biệt động có buồng cháy thống Theo số liệu thực nghiệm, đưịng kính trung bình hạt nhiên liệu thơng thường khoảng 20 ÷ 25𝑚 Để trình phun sương tốt cần phải đảm bảo tốc độ nhiên liệu qua lỗ phun đạt giá trị tương đối lớn Tốc độ tính sau: 𝑊 = 𝜑𝑣 √2 𝑔 𝑝𝑝 − 𝑝𝑐 104 (𝑚/𝑠) 𝛾𝑛𝑙 (3-4) Trong đó: 𝜑𝑣 : hệ số dịng chảy 𝑝𝑝 : Áp suất phun nhiên liệu (𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ) 𝑝𝑐 : Áp suất xilanh cuối kỳ nén (𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ) 𝛾𝑛𝑙 : Trọng lượng riêng nhiên liệu (𝑘𝑔⁄𝑚3 ) Từ áp suất phun tính: 𝑊 𝛾𝑛𝑙 𝑝𝑝 = + 𝑝𝑐 𝜑𝑣 𝑔 104 Thông thường, tốc độ nhiên liệu qua lỗ phun nằm khoảng 250 ÷ 400 (𝑚⁄𝑠), cịn hệ số dịng chảy 𝜑𝑣 = 0,7 ÷ 0,8 Để xác định chất lượng phun nhiên liệu thông thường phải dùng phương pháp thực nghiệm Trên sở thực nghiệm người ta xây dựng đường đặc tính phun nhiên liệu Dùng đường đặc tính phun nhiên liệu, ta đánh giá chất lượng phun nhiên liệu Hình 3.5 cho phép ta đánh giá chất lượng phun sương trường hợp: - Đường 1: Chất lượng phun sương tốt, hạt sương nhiên liệu nhỏ - Đường 2: Chất lượng phun không tốt, hạt có đường kính lớn khơng - Đường 3: Chất lượng phun đường kính hạt lớn, sương nhiên liệu thô Như nhánh đường đặc tính dốc độ phun đều, hạt có kích thước gần Nếu đỉnh đường cong sát trục tung độ phun sương mịn Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 54 Hình 3.5 Các đường đặc tính phun nhiên liệu Trong tia nhiên liệu, đường kính, mật độ vận tốc hạt nhiên liệu khác Khi nhiên liệu phun vào xilanh động cơ, vận động hạt nhiên liệu thường theo lớp khơng khí bao quanh làm giảm tốc độ tương đối hạt so với khơng khí, làm giảm sức cản khí động khơng khí, mặt khác cịn làm cho phần tử khơng khí thâm nhập vào tia dồn mặt tia Phần nhiên liệu phun trước gặp sức cản khí động lớn nên tốc độ bị giảm xuống, phần nhiên liệu phun sau phun vào môi trường mà tia nhiên liệu vận động nên tốc độ giảm Vì hạt nhiên liệu phun sau thường đuổi kịp hạt nhiên liệu phun trước gạt số nhiên liệu phía trước ngồi vào khu vực mũi tia Chính vậy, tia nhiên liệu gồm có hai phần phần lõi tia phần vỏ tia (Hình 3.6) 1: Lõi tia Hình 3.6 Tia nhiên liệu 2: Vỏ tia 3: Mật độ hạt 4:Tốc độ hạt Ở phần lõi tia, mật độ kích thước hạt nhiên liệu lớn Do gặp sức cản khí động nhỏ nên phần nhiên liệu liên kết với thành hạt lớn Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 55 chứa nhiều lượng (chủ yếu động năng) nên vận tốc hạt nhiên liệu phần lõi tia lớn Ở phần vỏ tia, mật độ hạt nhiên liệu thưa, kích thước nhỏ mịn, chịu sức cản khí động lớn khơng khí nên tốc độ chậm, khơng khí thâm nhập vào theo làm tăng khả hóa hạt nhiên liệu phản ứng cháy xảy 3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới hình dạng tia nhiên liệu Hình dạng tia nhiên liệu tốc độ vận động có vai trị quan trọng q trình tạo hỗn hợp cháy nhiên liệu Tia nhiên liệu phải xun qua khơng khí nén đến phần xa buồng cháy không bám lên thành xilanh đỉnh piston để tránh việc cháy khơng hồn tồn tạo thành muội than q trình cơng tác Bằng thực nghiệm người ta thấy ảnh hưởng hàng loạt yếu tố đến chiều dài 𝐿, chiều rộng 𝐵 vận tốc 𝑊 tia nhiên liệu Các yếu tố phải kể đến đối áp mơi trường, góc quay trục cam nhiên liệu, thời gian phun áp suất phun nhiên liệu, đường kính lỗ phun, trọng lượng riêng nhiên liệu cấu tạo đầu vịi phun Hình 3.7 thể ảnh hưởng đối áp mơi trường tới hình dạng tia nhiên liệu Khi đối áp môi trường tăng lên (áp suất cuối kỳ nén tăng lên) chiều dài vận tốc tia nhiên liệu giảm Hình 3.7 Ảnh hưởng đối áp khơng khí đến chiều dài 𝐿, chiều rộng 𝐵 vận tốc 𝑊 tia nhiên liệu Ảnh hưởng thời gian áp suất phun nhiên liệu tới chiều dài tia nhiên liệu thể hình 3.8 Nếu thời gian phun nhau, tăng áp suất phun chiều dài tia nhiên liệu tăng, đồng thời tốc độ lưu động nhiên liệu Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 56 qua lỗ phun tăng lên làm giảm kích thước hạt tia nhiên liệu Mặt khác, áp suất phun nhau, tăng thời gian phun chiều dài tia nhiên liệu tăng Hình 3.8 Ảnh hưởng thời gian phun áp suất phun tới chiều dài tia nhiên liệu Đường kính lỗ phun ảnh hưởng đáng kể tới chiều dài, chiều rộng vận tốc tia nhiên liệu Trong trường hợp áp suất phun nhiên liệu đối áp môi trường không thay đổi, tăng đường kính lỗ phun chiều dài, chiều rộng vận tốc tia nhiên liệu tăng lên trường hợp làm tăng kích thước hạt sương nhiên liệu (hình 3.9) Hình 3.9 Ảnh hưởng đường kính lỗ phun tới chiều dài 𝐿, chiều rộng 𝐵 vận tốc 𝑊 tia nhiên liệu Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 57 Trọng lượng riêng nhiên liệu ảnh hưởng rõ rệt tới hình dạng tia nhiên liệu Khi trọng lượng riêng nhiên liệu tăng lên, chiều dài tia nhiên liệu tăng kích thước hạt sương nhiên liệu tăng theo Khi thay đổi nhiệt độ nhiên liệu phun vào buồng đốt động cơ, tức trọng lượng riêng nhiên liệu bị thay đối, kết qủa thu hồn tồn tương tự (Hình 3-10) Hình 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ nhiên liệu tới chiều dài tia Ngồi yếu tố kể trên, hình dạng tia nhiên liệu phụ thuộc vào yếu tố khác tốc độ quay động cơ, cấu tạo kim phun, hình dạng lỗ phun, tình trạng bề mặt mép lỗ phun Tăng tốc độ quay động làm tăng tốc độ chuyển động piston bơm cao áp, àm tăng áp suất phun tốc độ tia nhiên liệu qua lỗ phun, độ phun nhỏ Cấu tạo đầu vòi phun nói chung tình trạng kỹ thuật kim phun, bề mặt mép lỗ phun ảnh hưởng đến hình dạng tia nhiên liệu ảnh hưởng xấu đến chất lượng tạo hỗn hợp động diesel 3.4 Các dạng buồng cháy Chất lượng hịa trộn nhiên liệu khơng khí động diesel phụ thuộc lớn vào tổ chức dịng khí buồng cháy, tức phụ thuộc vào kết cấu hình dạng buồng cháy Căn vào đặc điểm kết cấu, người ta chia buồng cháy thành hai loại buồng liền buồng ghép 3.4.1 Buồng cháy thống Buồng cháy thống nhất, gọi buồng cháy liền, mà toàn thể tích buồng cháy nằm khơng gian thống Buồng cháy thống buồng cháy giới hạn đỉnh piston, nắp xilanh vách sơmi xilanh Để đảm bảo cho nhiên liệu phân bố thể tích buồng cháy, vịi phun lắp đặt vòi phun nhiều lỗ Do chuyển động piston tạo thành vận động xốy lốc dịng khí xilanh mà hỗn hợp khơng khí Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 58 nhiên liệu hòa trộn với Trong động kỳ, để tăng cường vận động xoáy lốc, người ta lựa chọn hướng cửa qt thích hợp mà nhờ tạo vận động xốy lốc dịng khơng khí nạp nạp khí vào xilanh động Trong động diesel có buồng cháy thống nhất, dạng buồng cháy phân thành nhóm sau: - Nhóm 1: Trong nhóm buồng cháy giới hạn đỉnh piston, nắp xilanh thành sơmi xilanh Đỉnh piston thường làm lõm xuống hay lồi lên để tạo vận động xốy lốc dịng khí Loại buồng cháy thường sử dụng cho động diesel kỳ kỳ quét thẳng qua supáp - Nhóm 2: Loại buồng cháy đặt hồn toàn nắp xilanh, dùng cho động diesel kỳ qt vịng - Nhóm 3: Buồng cháy đặt nửa nắp xilanh, nửa đỉnh piston, thích hợp cho động diesel kỳ - Nhóm 4: Buồng cháy phân bố hai piston, dùng cho động kỳ piston đối đỉnh (Xem hình 3.11) Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 59 Hình 3.11 Các dạng buồng cháy thống Buồng cháy thống áp dụng phổ biến cho động cỡ trung bình lớn, có tốc độ quay thấp Đơi loại buồng cháy dùng số động cỡ nhỏ cao tốc Đặc điểm loại động có buồng cháy thống là: - Nhiên liệu phun trực tiếp vào buồng cháy với áp suất cao Áp suất phun nhiên liệu thơng thường khoảng 200 ÷ 800 𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 Chất lượng phun sương tốt - Việc hịa trộn nhiên liệu khơng khí buồng cháy thực nhờ phối hợp chặt chẽ hình dạng, kích thước, số lượng hướng tia nhiên liệu với hình dạng kích thước buồng cháy, khả tạo chuyển động xoáy lốc khơng khí buồng cháy Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 60 Chuyển động xốy lốc khơng khí nạp tạo biện pháp sau đây: - Khoét lõm đỉnh piston nắp xilanh - Chọn hướng cửa quét động kỳ - Dùng đường ống nạp tiếp tuyến supáp nạp có chắn để hướng dịng khơng khí nạp vào tiếp tuyến với chu vi xilanh động cơ, tạo chuyển động xốy lốc dịng khơng khí nạp Chuyển động xốy lốc khơng khí nạp trì suốt q trình nén Ưu điểm loại động có buồng cháy thống kết cấu đơn giản, dễ dàng quét buồng cháy, bề mặt làm mát tương đối không lớn lắm, giảm mát nhiệt cho nước làm mát, động dễ khởi động giảm suất tiêu hao nhiên liệu cho động Nhược điểm loại động có buồng cháy thống hệ số dư lượng khơng khí α chế độ thiết kế thường cao (𝛼 = 1,8 ÷ 2,2), tốc độ tăng áp suất 𝑊 lớn, hệ thống nhiên liệu làm việc nặng nề áp suất phun cao chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc nhiều vào tốc độ quay động 3.4.2 Buồng ghép Buồng cháy ghép, hay gọi buồng cháy phân cách, thường áp dụng cho động diesel cao tốc kích thước nhỏ, bao gồm loại: buồng cháy xốy lốc, buồng cháy dự bị, buồng tích nhiệt buồng tích khơng khí Dưới xem xét kết cấu đặc điểm số loại buồng cháy phân cách thường gặp thực tế: 3.4.2.1 Buồng cháy xoáy lốc: Trong động diesel cao tốc kích thước nhỏ, sử dụng phương pháp hình thành khí hỗn hợp buồng cháy thống gặp nhiều khó khăn: trước hết phải tăng áp suất phun lên cao giảm đường kính lỗ phun để tăng độ nhỏ mịn hạt sương nhiên liệu giảm độ xa chùm tia nhiên liệu, tránh không cho hạt sương nhiên liệu bám lên vách buồng đốt Vì vậy, lỗ phun dễ bị kết cốc tắc, cặp đôi piston-xilanh bơm cao áp, kim phun đầu vịi phun chóng mịn Mặt khác, q trình sử dụng, giảm số vịng quay động nhỏ định mức làm cho chất lượng hình thành khí hỗn hợp q trình cháy giảm nhanh Vì vậy, để giải vấn đề này, người ta áp dụng cho động với kiểu buồng cháy xoáy lốc Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 61 Trong động có buồng cháy xốy lốc, buồng cháy động chia làm hai phần: buồng cháy xoáy lốc buồng cháy Buồng cháy xốy lốc thường có dạng hình trụ hình cầu nằm nắp xilanh thân động cơ, nối với buồng cháy đường ống có tiết diện lưu thơng tương đối lớn (khoảng ÷ 3% diện tích đỉnh piston) đặt tiếp tuyến với buồng cháy xoáy lốc Thể tích buồng cháy xốy lốc chiếm khoảng 50 ÷ 80% tồn thể tích buồng cháy Nhiên liệu phun vào buồng cháy xốy lốc (hình 3.12) Trong q trình nén, khơng khí từ xilanh động bị đẩy vào buồng cháy xoáy lốc với tốc độ lưu thơng lớn Dịng khí lưu động theo hướng tiếp tuyến tạo chuyển động xốy lốc mạnh khơng khí buồng xốy lốc Khi nhiên liệu phun vào buồng xốy lốc bị xé nhỏ hịa trộn với khơng khí tạo thành hỗn hợp cháy tốt Hình 3.12 Buồng cháy xốy lốc Khi nhiên liệu cháy, áp suất buồng cháy xoáy lốc tăng lên Hỗn hợp khơng khí, khí cháy nhiên liệu chưa có điều kiện cháy hết qua ống nối thơng tràn vào buồng cháy chính, tiếp tục hịa trộn với khơng khí buồng cháy cháy hết Trong buồng cháy xốy lốc có chi tiết quan trọng chắn nằm phía buồng cháy Giữa chắn nắp xilanh có khe hở cách nhiệt, giảm bớt mát nhiệt Ngoài nhiên liệu cháy, chắn thu Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 62 nhiệt, trình nén nhiệt lượng lại truyền cho khí nén làm cho nhiệt độ cuối q trình nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho trình cháy Động có buồng cháy xốy lốc có ưu điểm sau: - Động hoạt động với hệ số dư lượng khơng khí  chế độ thiết kế nhỏ (thông thường, hệ số dư lượng không khí  loại động chế độ định mức khoảng 1,3 ÷ 1,4) Do đó, áp suất có ích trung bình động khơng tăng áp tương đối lớn - Động làm việc êm tốc độ tăng áp suất 𝑊 nhỏ - Hệ thống nhiên liệu làm việc nhẹ nhàng, hư hỏng áp suất phun nhiên liệu thấp (vòi phun thường kiểu vòi phun lỗ với áp suất phun khoảng 90 ÷ 120 𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ) - Động hoạt động chịu ảnh hưởng điều kiện môi trường chất lượng nhiên liệu Nhược điểm loại động là: - Suất tiêu hao nhiên liệu lớn mát nhiệt nhiều (vì diện tích làm mát tương đối buồng đốt lớn) - Động khó khởi động nên thường phải bố trí thêm bugi sấy - Dễ nảy sinh ứng suất nhiệt - Cấu tạo phức tạp 3.4.2.2 Buồng cháy trước Động có buồng cháy trước (cịn gọi buồng dự cháy) áp dụng cho động có kích thước xilanh nhỏ 𝐷 < 300 𝑚𝑚 tồn thể tích buồng cháy chia làm hai phần: Buồng dự cháy đặt nắp xilanh, buống cháy giới hạn nắp xilanh, đỉnh piston thành vách sơmi xilanh Giữa buồng cháy phụ buồng cháy nối với hay vài lỗ tổng diện tích tiết diện lưu thông lỗ phép 0,5 ÷ 1% diện tích đỉnh piston Thể tích buồng cháy phụ vào khoảng 15 ÷ 30% tồn thể tích buồng cháy Kết cấu buồng cháy phụ có dạng hình cầu, hình ơvan hay hình dạng vật tròn xoay Trong động có buồng dự cháy, q trình nén, khơng khí từ buồng cháy bị đẩy vào buồng cháy dự bị Sự chuyển động dịng khí qua lỗ nhỏ với tốc độ lớn gây chyển động rối khơng khí buồng dự cháy, tạo điều kiện tốt để hòa trộn với nhiên liệu phun vào buồng dự cháy Khi nhiên liệu phun vào buồng dự cháy bốc cháy, thể tích buồng dự cháy nhỏ nên cháy xảy bị thiếu khơng khí Q trình cháy nhiên liệu làm cho áp suất Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 63 buồng dự cháy tăng lên, phần nhiên liệu chưa cháy hết khí cháy phun vào buồng cháy với tốc độ lớn Sự chuyển động mạnh dịng khí qua lỗ nhỏ tạo điều kiện tốt để xé tan nhiên liệu chưa cháy thành hạt nhỏ hòa trộn với khơng khí buồng cháy tiếp tục cháy hết buồng cháy (hình 3.13) Hình 3.13 Buồng dự cháy Ưu điểm loại động có buồng dự cháy là: - Áp suất phun nhiên liệu thấp (80 ÷ 150 𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ) nên hệ thống nhiên liệu làm việc nhẹ nhàng, - Động làm việc với hệ số dư lượng khơng khí  nhỏ ( = 1,5 ÷ 1,7), - Tốc độ tăng áp suất áp suất cháy lớn 𝑃𝑧 thấp nên động làm việc tương đối êm, - Động sử dụng nhiều loại nhiên liệu chịu ảnh hưởng tốc độ quay động - Vòi phun sử dụng cho loại động thường vòi phun kiểu chốt có kết cấu đơn giản Nhược điểm loại động có buồng dự cháy là: - Kết cấu buồng cháy phức tạp, Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 64 - Diện tích bề mặt làm mát tương đối buồng đốt lớn, mát nhiệt cho nước làm mát nhiều, suất tiêu hao nhiên liệu lớn, tính kinh tế động giảm - Ngoài loại động có dạng buồng cháy khó khởi động Để đảm bảo khởi động động cơ, thông thường ta phải lắp thêm thiết bị mồi lửa đặc biệt 3.4.2.3 Buồng cháy đặc biệt Trong hầu hết động diesel, nhiên liệu phun vào buồng đốt không phép bám lên vách buồng đốt đỉnh piston, động có buồng cháy đặc biệt, nhiên liệu phun vào buồng đốt lại láng lớp mỏng lên vách buồng đốt, mà buồng đốt bố trí đỉnh piston (hình 3.14) Hình 3.14 Buồng cháy đặc biệt Phương pháp tạo hỗn hợp kiểu áp dụng cho động có đường kính xilanh khơng lớn Nguyên lý tạo hỗn hợp kiểu sau: Trên đỉnh piston có cấu tạo buồng cháy phụ Vòi phun lắp động vòi phun nhiều lỗ Nhiên liệu phần phun vào buồng cháy phần phun vào buồng cháy phụ Phần nhiên liệu phun vào buồng cháy phụ bám vào vách buồng cháy thành lớp Do nhiệt độ đỉnh piston cao khả truyền nhiệt từ vách kim loại vào nhiên liệu nhanh so với từ không Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 65 khí nén nên lượng nhiên liệu nhanh chóng hóa Mặt khác, piston chuyển động tạo vận động xốy lốc mạnh dịng khí có tác dụng thúc đẩy q trình bay hịa trộn khơng khí nhiên liệu tốt Ưu điểm phương pháp tạo hỗn hợp kiểu động làm việc êm, tốc độ tăng áp suất thấp Tuy nhiên kết cấu buồng cháy đặc biệt đỉnh Piston phức tạp nên thường áp dụng cho động có kích thước xi lanh nhỏ 𝐷 = 70 ÷ 230𝑚𝑚 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 66