Chương 15: Hệ thống khí nạp và hệ thống khí xả Để đảm bảo quá trình cháy tốt phải xả hết sản vật cháy của chu trình tr ước r a khỏi xilanh và nạp đầy khí sạch mới vào. Khối l ượng không khí nạp vào xilanh cà ng nhiều thì lượng nhiên liệu có th ể đốt cháy càng lớn, nên công thu được tăng lên. Nh ư vậy chất l ượng làm sạch và khối lượng không khí nạp là những yếu tố quyết định c ông suất phát ra của động cơ . Đối với động cơ 2 kỳ, để đảm bảo chất lượng trao đổi khí sẽ phức tạp hơn h ơ n động cơ 4 kì. Xilanh động cơ 4 kì làm sạch sản v ật cháy bằng một hành trình p i s t on. Trong thời gian mở trùng điệp các xupáp động cơ 4 kỳ có tăng áp diễn ra quá trình qu ét xilanh. T ổng thời gian nạp, xả khoảng 400- 450 góc quay trục khuỷu. Do đó đảm b ả o chất lượng trao đổi khí tốt. Trong khi đó đối với động cơ 2 kỳ, các quá trình làm sạch v à nạp không khí vào xilanh diễn ra tất c ả khoảng 120-150 góc quay trục khuỷu, c h iếm một phần hành trình nén. Ph ần lớn quá trình xả khí diễn ra với quá trình nạp không kh í vào xilanh do đó không tránh khỏi hiện tượng tiếp xúc và hoà tr ộn một phần sản v ật cháy với không kh í . Chính vì th ế ở động cơ hai kỳ việc sử dụng máy nén là rất quan tr ọng, vì qu á trình trao đổi khí ở động cơ hai kỳ cần không khí n ạp có áp suất lớn để đẩy khí cháy r a ngo ài . H ọ động cơ S70 MC-C có các cửa quét khí được bố trí theo h ướng tiếp t uy ế n, l ẹch với bán kính trung bình của xilanh một góc , và hướng lên một góc tạo c huy ể n động xoáy lên của dòng khí quét giúp không khí quét g ạt hết sản vật cháy ra ngoài làm cho quá trình quét khí được thực hiện triệt để hơn. Kết hợp với vi ệc tăng áp sử dụng phương pháp tăng áp bằng tuabin đẳng áp, đường xả từ xilanh ra có dạng loe (d i ffusor), xupáp xả được dẫn dẫn động bằng thủy lực và được đóng mở có giảm chấn lò xo v à xupáp được xoay tròn để tránh kẹt xupáp và các kết cốc bám trên bề mặt làm vi ệc c ủ a xupáp. Chuyển động xoay của xupáp thực hiện được là nh ờ lực tác dụng của khí xả lê n kết cấu cánh được bố trí ở thân xup á p. Đây là họ động sơ thấp tốc có tỉ số S/D # 4. Do là động cơ hai k ỳ quét thẳng qu a xupáp xả có hành trình S cực lớn kết hợp với việc s ử dụng tuabin nén khí nên quá t r ì nh quét thải rất sạch do đó hiệu su ất của động cơ ca o. 2.4.4.1. Hệ thống khí nạp. Họ động cơ S70 MC-C sử dụng phương pháp tăng áp bằng tuabin khí x ả c ho việc nạp khí, việc nạp khí được thực hiện bằng các c ửa nạp thông qua sự dịch c huy ể n lên xuống của p i s t on. M ục đích của việc sử dụng tuabin tăng á p : Tăng lượng khí nạp vào xilanh công tác của động cơ trong quá trình n ạp, làm cho nhiên liệu phun vào buồng cháy được đốt cháy hoàn toàn h ơn làm tăng công su ất động cơ . Ưu điểm của phương pháp này là: + Tận dụng được động năng của dòng khí x ả . + T ăng công suất động cơ . Nh ưng mặt khác nó cũng làm tăng sức cản trên đường khí xả và cấu tạo các h ệ thống phục vụ cho hệ thống tăng áp ph ức tạ p. 3 2 4 1 5 6 7 Hình 2.40. Hình vẽ sơ đồ tăng áp hệ thống khí n ạ p. 1. Xilanh 5. Ống góp khí qu ét 2. Xupáp xả 6. Hộp làm mát khí qu ét 3. Ống góp khí xả 7. Thiết bị tách nước lẫn trong khí qu ét . 4. Tuabin-máy n é n Nguyên lý làm việc của hệ thống khí nạp: Khí xả từ động cơ qua xupáp xả được dẫn vào ống góp khí xả (3) sau đó nó đ ược dẫn vào máy nén (4) làm quay tuabin máy nén sau đó khí xả thoát ra ngoài qua ống x ả . Tuabin-máy nén quay hút không khí nén vào qua bộ lọc không khí, sau đó không kh í được máy nén đẩy đến hộp làm mát khí quét (6) tại đây không khí quét được làm mát h ạ thấp nhiệt độ xuống sau đó được đẩy đến ống góp khí quét rồi vào khoang khí quét, kh i piston dịch chuyển xuống điểm chết dưới không khí được đưa vào buồng đố t . Khi động cơ đã hoạt động bình thường thì lượng khí xả thoát ra đủ để dẫn động tuabin quay cung cấp đầy đủ lượng không khí cần thi ết cho quá trình cháy của động cơ tuy nhiên lúc động cơ khởi động hoặc làm việc ở các chế độ tải nhỏ hay không tải t h ì lượng khí x ả thoát ra không đủ để lai tuabin cung cấp lượng khí nạp cần thiết cho động cơ, lúc này phải hỗ trợ khởi động bằng 2 quạt phụ (hai qu ạt này được dẫn động b ằ ng động cơ điện) hút không khí từ không gian sau b ộ làm mát khí tăng áp, không gian n à y được nối với ống d ẫn khí tăng áp bằng một van lá, và sau khi áp suất tăng áp tăng lê n đạt giá trị cần thiết thì quạt điện này sẽ được tự động cắt . 2 1 3 Hình 2.41. Hình vẽ bố trí quạt phụ. 1. Môtơ điện 3. Thiết bị làm mát khí nạp 2. Qu ạ t đường khí của quạt phụ .… đường khí của máy n é n Các bộ phận c h í nh: Bộ tuabin tăng áp gồm có hai phần chính là tuabin khí và máy nén cùng các cơ cấu phụ như bạc đỡ trục, thiết bị bao kín, các hệ thống bôi trơn và làm mát …v.v. + Tua bin khí là thi ết bị biến đổi nội năng và thế năng của chất khí thành cơ năng. Quá trình biến đổi này được thực hiện nhờ có sự tác động tương hỗ giữa dòng kh í và cánh t u a b i n. N ội năng và thế năng của chất khí trước tiên được biến đổi thành động năng s a u đó là quá trình biến đổi động năng thành cơ năng (quay bánh công tác) trong tuabin. Các quá trình này được thực hi ện trong cánh hướng và bánh công tác . + Máy nén ly tâm là một thiết bị cơ khí dùng để chuyển năng l ượng cơ khí t h à nh năng lượng dòng chảy, máy nén ly tâm dựa vào tác d ụng của lực ly tâm để tăng áp su ất cho không khí (từ p o lên p k ), và làm cho không khí có l ưu lượng G k (kg/s) từ phần không gian này chuy ển qua phần không gian kh ác . H ọ động cơ S70MC-C sử dụng tuabin hướng trục và máy nén ly tâm. Ta có t h ể lựa chọn và trang bị cho họ động cơ các loại tuabin và máy nén của các hãng s a u : - M a n B&W - ABB (gồm 2 loại là TPL và VTR) cũng do ManB&W chế tạ o. - MHI (M i sub i sh i ). D ưới đây là hình vẽ kết cấu của một cụm TB-MN của loại ABB ki ểu VTR. Nó b a o gồm 1 tuabin hướng trục lắp trên cùng một trục v ới máy nén ly tâm, trục của TB -MN được đỡ bởi 2 ổ lăn đặt ngoài. C ụm TB-MN này được trang bị bộ giảm âm rất t ố t . 3 4 2 1 5 Hình 2.42. Hình vẽ cấu tạo tuabin-máy nén ABB kiểu V TR . 1. Ổ lăn 4. Cánh t uab i n 2. L ưới lọc 5. Trục rô t o. 3. Bánh cánh máy n é n Nguyên lý hoạt động: khí xả sau khi thoát ra khỏi van khí xả được góp vào ống góp khí xả sau đó nó đi vào tuabin tác động vào cánh tuabin làm quay tr ục rôto, do đó cũng làm quay bánh cánh máy nén (c ũng gắn trên trục rôto). Nếu bánh cánh máy n é n đang có chuy ển động quay ở một tốc độ nào đó, thì sau khi không khí qua cửa đi vào s ẽ cùng quay với bánh cánh máy nén rồi lưu động theo rãnh thông gi ữa các cánh của b á nh. Do đó chuyển động tuyệt đối của dòng không khí đi vào bánh công tác sẽ là tổng h ợ p của chuyển động theo, quay tròn của bánh cánh máy nén và chuy ển động tương đối c ủ a dòng chảy trong rãnh cánh. Bánh cánh máy nén đang quay, truyền công cho không kh í làm tăng áp su ất và tốc độ của không khí trong rãnh cánh. Lúc dòng khí đi tới miệng r a của bánh cánh máy nén, dưới tác dụng của lực ly tâm chuy ển động quay, dòng khí đ i qua miệng ra của bánh v ới một tốc độ lớn, đồng thời tạo nên hiện tượng chân không c ụ c bộ tại cửa vào gây tác dụng hút không khí phía trước cửa đi vào b á nh. So v ới các phương pháp tăng áp khác thì phương pháp t ăng áp bằng tuabin kh í thải được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất vì chúng có nh ững ưu điểm vượt t rộ i: + Có kích thước gọn nhẹ hơn so với các hệ thống tăng áp khác mà v ẫn t hõ a mãn được mức độ tăng áp cần t h iết . + T ận dụng năng lượng của khí thải, động cơ không tiêu hao m ột phần n à o công su ất để dẫn động máy n é n. + Có s ự phối hợp tự động trong quá trình làm việc c ủa động cơ và tổ h ợ p tubin máy nén. Khi động cơ làm việc ở chế độ thấp tải thì năng lượng chứa trong kh í thải ít, công sinh ra c ủa tuabin cũng như công suất máy nén nhỏ, phù hợp với lượ ng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình công tác, khi tăng t ải động cơ thì năng lượng c h ứa trong khí thải cũng tăng theo, k ết quả là công suất của tuabin tăng, đảm bảo cho má y nén cung c ấp đủ không khí theo yêu cầu của động cơ . Tuy nhiên h ệ thống này cũng tồn tại một số mặt hạn chế s a u : + Kết cấu tuabin-máy nén phức tạp, tốc độ quay của rôto r ất cao, làm việc v ới khí thải có nhiệt độ cao nên d ễ hư hỏng. + Tính t ăng tốc và khởi động kém hơn so với các loại khác, thông th ường đ ể khởi động phải dùng m ột quạt phụ. . đố t . Khi động cơ đã hoạt động bình thường thì lượng khí xả thoát ra đủ để dẫn động tuabin quay cung cấp đầy đủ lượng không khí cần thi ết cho quá trình cháy của động cơ tuy nhiên lúc động cơ khởi động. sự tác động tương hỗ giữa dòng kh í và cánh t u a b i n. N ội năng và thế năng của chất khí trước tiên được biến đổi thành động năng s a u đó là quá trình biến đổi động năng thành cơ năng (quay. yếu tố quyết định c ông suất phát ra của động cơ . Đối với động cơ 2 kỳ, để đảm bảo chất lượng trao đổi khí sẽ phức tạp hơn h ơ n động cơ 4 kì. Xilanh động cơ 4 kì làm sạch sản v ật cháy bằng một