BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 7 ppt

Tùy theo cách lựa chọn biến số và điều kiện xây dựng, người tăng áp có được nhiều loại đặc tính khác nhau: đặc tính phụ tải, đặc tính tốc độ, đặc tính chân vịt, đặc tính điều chỉnh, đặc

CHUƠNG 7

CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY

7.1 Tầm quan trọng của các đặc tính động cơ

Đặc tính động cơ là mối quan hệ giữa các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động

cơ với các thông số công tác của nó Có rất nhiều thông số đặc trưng cho chế độ

công tác của động cơ nhưng người tăng áp thường chọn thông số độc lập làm

biến số khi xây dựng đặc tính cho động cơ Các thông số độc lập thường được

chọn là vòng quay (n) và phụ tải Đặc trưng cho phụ tải của động cơ là áp suất có

ích bình quân pe Ngoài ra còn có thể dùng chỉ số thanh răng bơm cao áp ha hoặc

lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình để đặc trưng cho phụ tải của động cơ

Tùy theo cách lựa chọn biến số và điều kiện xây dựng, người tăng áp có

được nhiều loại đặc tính khác nhau: đặc tính phụ tải, đặc tính tốc độ, đặc tính

chân vịt, đặc tính điều chỉnh, đặc tính tổng hợp…

Dựa vào các đường đặc tính của động cơ đã được xây dựng, người tăng áp

biết rằng quy luật thay đổi của các thông số, từ đó có thể tìm ra phương án khai

thác động cơ một cách tối ưu để đạt được các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, tin cậy và

an toàn khi điều kiện khai thác bên ngoài thay đổi, mặt khác còn làm cơ sở so

sánh với các đặc tính khai thác hiện tại, phán đoán các hư hỏng có thể xảy ra

trong quá trình khai thác động cơ, đưa ra được các biện pháp sữa chữa kịp thời

khi sự cố

7.2 Đặc tính phụ tải

7.2.1 Khái niệm

Đặc tính phụ tải là đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa các thông số cơ bản

của động cơ với phụ tải của động cơ khi tốc độ quay của trục khuỷu được duy trì

không đổi

Đặc tính phụ tải được áp dụng cho những động cơ khi khai thác với tốc độ

quay của động cơ được duy trì không đổi, như các động cơ lai máy phát điện hay

động cơ lai chân vịt biến bước

7.2.2 Quy luật biến thiên của các thông số cơ bản

a Công suất có ích

Với áp suất có ích bình quân pe [kG/cm2], đường kính xy lanh và hành trình

piston D và S [m], vòng quay n [v/p], số xy lanh i, số kỳ là m thì công suất có ích

của động cơ Ne được tính theo công thức:

m

i n S D p

e

45 , 0

785 ,

Với mỗi động cơ cụ thể, các thông số như đường kính xy lanh D, hành trình

piston S, số xy lanh i, hệ số kỳ m đều không đổi, do đó, công suất có ích của

động cơ có thể được viết:

N e =k.p e.n [mã lực]

Vậy trong đặc tính phụ tải, mối quan hệ giữa công suất Ne và pe khi n =

const sẽ là đường bậc nhất đi qua gốc toạ độ (Hình 7-1)

Công suất chi phí cho cơ giới của động cơ Nm khi vòng quay không đổi sẽ là

một giá trị không đổi:

Nm = A.nβ, với A, β, n không đổi nên

Nm = const

Công suất chỉ thị Ni được xác định:

Vậy công suất chỉ thị trong đặc tính phụ tải là một đường bậc nhất không

qua gốc toạ độ (khi pe = 0 nên Ni = Nm)

Hình 7.1 Đặc tính phụ tải

Hiệu suất cơ giới của động cơ được tính:

i

m m

N

N

−

= 1

Khi tăng tải, Ni tăng lên, còn Nm thì không đổi, do đó hiệu suất cơ giới cũng

tăng lên

Hiệu suất chỉ thị của động cơ được tính:

H i

i g Q

3 , 632

=

Mà gi lại có quan hệ với pi như sau:

i s o

s n i

p T L

p g

.

4 , 318 α

η

=

Do đó:

i

s

s n H

o

P

T Q

L

.

η

Ở mổi chế độ khai thác cụ thể, khi vòng quay không đổi, các tỷ số Lo/ηn,

Ts/ps thay đổi không lớn lắm, do đó hiệu suất chỉ thị ηi chủ yếu phụ thuộc vào α

và pi Từ chế độ không tải, khi tăng dần phụ tải của động cơ (lượng nhiên liệu

cung cấp chu chu trình tăng lên) sẽ làm cho hiệu suất chỉ thị ηi tăng lên Điều này

được lý giải do lượng nhiên liệu cung cấp còn quá ít nên hệ số dư lượng không

khí α có giá trị tương đối lớn, do đó việc tăng nhiên liệu sẽ làm cho pi tăng lên

nhanh hơn sự giảm đi của α, tức là α ảnh hưởng không nhiều tới ηi

Càng tăng phụ tải, đến một lúc nào đó sẽ làm cho α giảm đến giá tối ưu, khi

đó ηi đạt giá trị cực đại Sau đó, nếu tiếp tục tăng phụ tải sẽ làm cho hệ số dư

lượng không khí α giảm nhiều hơn làm quá trình cháy càng kém đi dẫn tới việc

tăng của pi ít hơn việc giảm của α Kết qủa là hiệu suất chỉ thị ηi lại giảm đi

Như vậy, trong đặc tính phụ tải, hiệu suất chỉ thị là một đường cong có cực

đại

Hiệu suất có ích của động cơ ηe được tính theo công thức:

Như trên đã phân tích, trong đặc tính phụ tải, hiệu suất chỉ thị ηi là một

đường cong có cực đại, còn hiệu suất cơ giới ηm là một đường đồng biến Do đó

hiệu suất có ích cũng là một đường cong có cực đại

Trong đặc tính phụ tải giá trị của ηe thường đạt giá trị cực đại tại khoảng 60

÷ 80% pe định mức

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị và có ích của động cơ được tính:

H i i Q

g

.

3 , 632

η

= ;

H e e Q

g

.

3 , 632

η

Như vậy, sự biến thiên của suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi và suất tiêu hao

nhiên liệu có ích ge có quy luật ngược lại với hiệu suất chỉ thị ηi và hiệu suất có

ích ηe, tức là suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị và có ích đều là những đường cong

có cực tiểu

Trong đặc tính phụ tải giá trị của ge cũng đạt giá trị cực tiểu tại khoảng 60 ÷

80% định mức

Quy luật biến thiên của các thông số chính trong đặc tính phụ tải được thể

hiện trên hình 7-1

Đặc tính phụ tải của động cơ được đặc trưng bằng các chế độ:

Chế độ không tải: pe = 0; ge = ∞

Chế độ kinh tế: ge đạt giá trị nhỏ nhất ge min

Chế độ định mức: ⎟⎟ min

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

e

e

N g

7.3 Đặc tính ngoài

7.3.1 Khái niệm

Đặc tính ngoài của động cơ là mối quan hệ giữa các thông số cơ bản của

động cơ: công suất, mômen, suất tiêu hao nhiên liệu…với tốc độ quay của động

cơ, khi lượng nhiên liệu cung cấp chu chu trình không đổi

Từ khái niệm về đường đặc tính ngoài, thì ứng với mỗi vị trí tay ga sẽ có

một đường đặc tính ngoài Như vậy một động cơ sẽ có rất nhiều đường đặc tính

ngoài, nhưng người ta chia đường đặc tính ngoài của động cơ thành năm loại đặc

tính ngoài cơ bản sau:

1 Đặc tính ngoài giới hạn (đường 1) là đường đặc tính tương ứng với tay ga

đặt ở vị trí lớn nhất, bị giới hạn bởi chốt giới hạn trên thanh răng bơm cao áp (ha

= hmax)

2 Đặc tính ngoài nhả khói đen (đường 2) là đường đặc tính tương ứng với

tay ga đặt ở vị trí mà tại đó khí xả bắt đầu có màu đen (ha > 100%)

3 Đặc tính định mức (đường 3) là đường đặc tính tương ứng với tay ga mà

tại đó động cơ phát ra 100% công suất ( ha = 100%)

4 Đặc tính khai thác (đường 4) là đường đặc tính tương ứng với tay ga mà

tại đó động cơ phát ra từ 80% ÷ 85% công suất

5 Đặc tính bộ phận (đường 5) là các đường đặc tính nằm dưới các đường

đặc tính trên

Các biểu thức dùng để phân tích các đặc tính ngoài là các công thức về công

suất, mômen, áp suất có ích bình quân:

L

Q V m

o

H s

30

α

L

Q V m

o

H s

α π

L

Q

o

H

e

α

Hình 7.2 Các đường đặc tính của động cơ lai chân vịt

1 Đặc tính ngoài giới hạn (ha = hmax)

2 Đặc tính ngoài nhả khói đen (ha>100%)

3 Đặc tính ngoài định mức (ha =100%)

4 Đặc tính ngoài khai thác (ha = 85%)

5 Đặc tính ngoài bộ phận (ha<85%)

Đối với mỗi loại động cơ và dùng một loại nhiên liệu thì: Vs, ρk, QH, Lo, i, m

là hằng số, vì vậy các công thức trên có thể viết dưới dạng sau:

N e A n i ηm nρk

α

η

1

Me A n i ηm n ρk

α

η

.

2

p e A n i ηm nρk

α

η

η

3

Từ các công thức trên tăng áp thấy: Ne là hàm bậc nhất đối với n, còn Me, pe

không phụ thuộc vào n Nhưng trên thực tế các thông số: ηn, α, ηi, ηm, ρk phụ

thuộc vào tốc độ quay của động cơ, do đó đặc tính công suất, momen, áp suất có

ích trung bình là các đường cong (Hình 7-2) Sau đây chúng ta phân tích sự thay

đổi của các thông số trên (ηn, α, ηi, ηm, ρk) theo tốc độ quay của động cơ

7.3.2 Quy luật biến thiên của các thông số cơ bản

Sự biến thiên của các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ tăng áp và

không tăng áp có sự khác nhau

7.3.2.1 Động cơ bốn kỳ không tăng áp

a Hệ số nạp:

Hệ số nạp của động cơ được tính bằng biểu thức:

s

o

V

=

Khi tốc độ động cơ tăng, tốc độ dòng khí nạp tại tiết diện xu páp nạp tăng

theo, làm cho tổn thất cục bộ tại đây ΔP = f(v2) cũng tăng, do đó, lượng không

khí nạp vào xy lanh giảm Kết quả là hệ số nạp của động cơ ηn giảm khi tăng tốc

độ quay của động cơ

b Hệ số dư lượng không khí:

o c

k n s L g

V

.

.

η

ρ η α

Δ

Trong trường hợp này Δg, Lo, Vs không thay đổi vì đây là đặc tính ngoài, do

đó công thức trên có thể viết thành:

c

k n K

η

ρ η

Khi tốc độ quay của động cơ tăng thì ρk, ηn, ηe đều giảm nhưng ηe giảm

nhanh hơn, do đó, khi tốc độ của động cơ tăng thì α gần như không thay đổi

c Hiệu suất chỉ thị:

Hiệu suất chỉ thị là thông số đánh giá chất lượng quá trình cháy của động cơ,

nếu quá trình cháy của động cơ diễn ra gần ĐCT, không cháy rớt thì hiệu suất chỉ

thị cùa động cơ sẽ tăng Ngược lại, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở thì

hiệu suất chỉ thị của động cơ sẽ giảm Khi tốc độ quay của động cơ tăng thì chất

lượng phun sương của nhiên liệu tăng (do áp suất phun tăng), góc phun sớm

không thay đổi do lượng nhiên liệu cấp vào xy lanh trong một chu trình không

thay đổi, hệ số dư lượng không khí α gần như không thay đổi, thời gian thực hiện

quá trình cháy giảm Vì vậy, khi tốc độ quay của động cơ tăng thì ηi thay đổi rất

ít

d Hiệu suất cơ giới:

Hiệu suất cơ giới được tính bằng công thức:

i

m i

m i i

e

p p

p p p

p

−

=

−

=

Khi tốc độ quay của động cơ tăng thì áp suất cơ giới trung bình pm của động

cơ tăng, nhưng áp suất chỉ thị trung bình pi của động cơ không tăng, do đó khi tốc

độ quay của động cơ tăng thì hiệu suất cơ giới của động cơ giảm

e Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị:

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị của động cơ được tính bằng công thức:

(g ml h)

N

G g

i

nl

Thay G nl = g i.N i vào công thức tính hiệu suất chỉ thị của động cơ

H nl

i i

Q G

N

.

3 , 632

=

Ta có:

i H

i i

i i

g

A Q N g

.

3 ,

632 =

=

Như vậy gi biến đổi tỷ lệ nghịch với ηi Tương tự như vậy ta cũng có kết

luận sự biến đổi của ge cũng tỷ lệ nghịch với ηe

Sự biến thiên của các thông số trên được biểu diễn trên đồ thị hình 7-3

a Hệ số nạp:

Sự thay đổi các thông số trong biểu thức tính hệ số nạp của động cơ tăng áp

cũng tương tự của động cơ bốn kỳ không tăng áp, trong trường hợp khi khi tăng

tốc độ quay của động cơ, tốc độ quay của tua bin cũng tăng do động năng của khí

xả tăng, lượng không khí nạp vào xy lanh giảm ít hơn so với động cơ không tăng

áp, kết qủa là hệ số nạp của động cơ tăng áp sẽ giảm ít hơn so với động cơ không

tăng áp

b Hệ số dư lượng không khí:

Tương tự như hệ số nạp ηn các thông số trong biểu thức tính hệ số dư lượng

không khí của động cơ tăng áp cũng thay đổi giống như của động cơ không tăng

áp, nhưng ρk tăng khi tăng tốc độ quay của động cơ, do tốc độ tua bin tăng Điều

đó cho phép α tăng chút ít khi tăng tốc độ quay của động cơ

c Hiệu suất chỉ thị:

Khi tốc độ quay của động cơ tăng sẽ dẫn đến hệ số dư lượng không khí tăng,

kết qủa là hiệu suất chỉ thị của động cơ giảm ít hơn so với động cơ không tăng

áp

Các thông số khác có sự thay đổi giống như đối với động cơ không tăng áp

7.4 Đặc tính chân vịt

Đặc tính chân vịt là mối quan hệ giữa các thông số cơ bản của động cơ với

vòng quay khi động cơ làm việc trực tiếp với chân vịt

Chân vịt tiếp nhận công suất, mômen do động cơ sản ra trừ đi phần tổn thất

năng lượng khi truyền từ động cơ đến chân vịt

Sự thay đổi công suất, mômen tiêu thụ của chân vịt phụ thuộc vào số vòng

quay và nếu coi tổn thất năng lượng truyền động không đáng kể thì công suất,

mômen tiêu thụ của chân vịt được xác định theo các công thức sau :

x

e C n

= x−1

e C n

Trong đó : x = 2,5 ÷ 3,2 tuỳ thuộc vào hình dạng vỏ tàu

Ví dụ: tàu lướt x = 2,5; tàu hàng x = 3

C, C’: hằng số phụ thuộc vào lượng nước chiếm của tàu, tình trạng biển, tình

trạng chân vịt, vỏ tàu, chiều sâu của vùng biển, tình trạng luồng lạch…

C: hệ số sức cản

Do công suất động cơ phát ra tỷ lệ thuận với hàm bậc ba của số vòng

quay nên khi tốc độ quay của động cơ n = 103% nđm thì công suất của động

cơ đã quá tải 10%

Khi khai thác động cơ ở vòng quay nhỏ (20 ÷ 30% nđm) thì công suất của

động cơ rất nhỏ Từ đó có thể kết luận rằng không nên khai thác động cơ ở chế

độ vòng quay lớn hơn 100%.nđm, mặt khác nếu làm việc ở chế độ rất nhỏ tải, tốc

độ quay của động cơ có thể sẽ dao động do lượng nhiên liệu cung cấp cho chu

trình quá bé, chất lượng phun sương sẽ kém, nhiên liệu phân bố không đồng đều

trong thể tích công tác của xy lanh

Khi hệ số C tăng các đường đặc tính chân vịt tương ứng sẽ dịch chuyển về

phía trục tung, lúc này động cơ khai thác ở chế độ nặng nề hơn Khi hệ số C giảm

các đường đặc tính chân vịt tương ứng sẽ dịch chuyển về phía ngược lại, lúc này

động cơ khai thác ở chế độ nhẹ nhàng hơn (Hình 7-3)

Sự thay đổi của hiệu suất cơ giới trong đặc tính chân vịt phụ thuộc vào công

suất tổn hao cho cơ giới và công suất chỉ thị của động cơ Giống như trong đặc

tính ngoài, khi công suất chỉ thị của động cơ tăng lên thì hiệu suất cơ giới tăng

i

m m

N

N

−

= 1

Trong đặc tính chân vịt, khi tăng vòng quay của động cơ bắt đầu tăng từ

vòng quay tối thiểu, hiệu suất cơ giới tăng lên khá nhanh Càng gần đặt đến vòng

quay định mức (khoảng 70 ÷ 100% nđm), hiệu suất cơ giới tăng lên không đáng

kể

Hình 7.3 Các đường đặc tính của động cơ lai chân vịt

Quy luật biến thiên của các thông số gi, ge, ηi, ηe, của động cơ trong đặc tính

chân vịt cũng gần tương tự như trong đặc tính ngoài nhưng trong đặc tính chân

vịt, giá trị ge đạt cực tiểu tại khoảng 85 ÷ 95% vòng quay định mức

Hình 7.4: Đặc tính phối hợp công tác của động cơ lai chân vịt

H ình 7.5 : Đặc tính chân vịt động cơ hãng Man B –W

Câu hỏi ơn tập chương:

1 Định nghĩa, vẽ và phân tích đường đặc tính chân vịt của động cơ

2 Trình bày khái niệm và cho biết mối quan hệ giữa các đường đặc tính:

ngoài, tải, chân vịt trên hệ động lực tàu thuỷ

3.Trình bày đặc tính phụ tải của động cơ diesel, những động cơ nào làm

việc theo đặc tính này?

4.Trình bày về đặc tính ngoài và ứng dụng trên tàu thuỷ?

5.Trình bày về đặc tính chân vịt, phạm vi ứng dụng trong khai thác hệ

động lực tàu thủy

6 Định nghĩa, vẽ và phân tích đường đặc tính tải của động cơ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trịnh Đình Bích, Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Trung Cương, Vũ Hải Phong

(1995), Động cơ diesel tàu thuỷ , Trường đại học Hàng hải

[2] Nguyễn Trí Minh, Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Trung Cương (2006), Động

cơ diesel tàu thuỷ , Trường đại học Hàng hải

[3] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động cơ đốt trong , Nxb Giáo dục, Hà

Nội

[4] Lê Viết Lượng (2000), Lý thuyết động cơ diesel , Nxb Giáo dục Hà Nội

[5] Trần Hữu Nghị (1993), Động cơ diesel tàu thuỷ, Nxb Giao thông vận tải, Hà

Nội

[6] GS Iu Ia Pho-min, GS Trần Hữu Nghị (1990), Xác định công suất diesel

tàu thuỷ và đặc tính của nó , Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội

[7] GS Iu Ia Pho-min, GS Trần Hữu Nghị (1990), Các đặc tính của động cơ

diesel tàu thủ , Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội

[8] GS Iu Ia Pho-min, GS Trần Hữu Nghị (1990), Các chế độ làm việc của

diesel tàu thuỷ , Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội

[9] John B.Heywood (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals ,

McGraw-Hill Book Co

[10] DA Taylor (2001), Introduction to Marine Engineering , Butterworth

Heinemann

[11] Dr Denis Griffiths (2001), Marine Medium Speed Diesel Engines , MEP

Series, Volume 1 Part 3, Institute of Marine Engineers, MPG, UK

[12] Khristen Knak (1990) Diesel Motor Ship’s Engines and Machinary ,

Marine Managentmen(Holdings)Ltd

[13].Doug Woodyard (2004) Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas

Turbines – Eighth Editions , Butterworth Heinemann

[14].A.J Wharton (2005) Diesel Engines - Third Edition , Butterworth

Heinemann

[15] John B.Woodward (1988) Low speed Marine Diese l , Robert E.Krieger

Publishing Company

[16] Các tài liệu của các hãng chế tạo động cơ