Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động bổ xung khí cho động cơ Diesel tăng áp bằng tua bin khí xả

Khi làm việc ở chế độ này lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên đạt giới hạn trên, trong khi đó lượng không khí cấp tăng lên không nhiều do quán tính của rô to tua bin máy nén, nên

Bộ giao thông vận tải trường cao đẳng giao thông vận tải

Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ

nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống

tự động bổ sung khí cho động cơ diesel

làm việc định mức ứng với một chế độ khai thác thường xuyên của động cơ.Trong quá trình khai thác thực tế thì lại không phải như vậy, do chất lượng mặt đường hoặc các chế độ khai thác đối với các phương tiện cơ giới và vận tải luôn luôn thay đổi làm cho tải ngoài của động cơ cũng luôn luôn thay đổi và động cơ phải làm việc ngoài chế độ định mức Nếu chế độ công tác của động cơ thay đổi theo tải và nằm ngoài chế độ định mức thì chất lượng hoà trộn và cháy hỗn hợp xấu đi làm thay đổi các thông số công tác của động cơ Mức độ thay đổi các thông số công tác phụ thuộc vào trạng thái kỹ thuật của động cơ và chế độ phụ tải Khi hoạt động ở các chế

độ này các thông số công tác của động cơ thay đổi theo chiều hướng xấu đi làm giảm các chỉ tiêu kinh tế, giảm tính tin cậy, tuổi thọ của động cơ, đồng thời làm cho các thành phần độc tố trong khí xả tăng lên gây ô nhiễm môi trường Sau đây chúng

ta xét đến ảnh hưởng của động cơ đến môi trường và tính kinh tế, tính làm việc ổn

định của động cơ trong quá trình khai thác

• ảnh hưởng của quá trình khai thác động cơ đến môi trường

Tất cả các động cơ đốt trong nói chung và đối với động cơ điezen nói riêng đều gây tiếng ồn và làm bẩn môi trường, đặc biệt là khí xả làm ô nhiễm môi trường không khí Trong quá trình hoạt động động cơ thực hiện trao đổi nhiệt không ngừng với môi trường xung quanh Không khí sạch nạp vào xi lanh động cơ, tham gia quá trình hoà trộn với nhiên liệu, cháy và sau đó xả khí thải ra môi trường Theo các công trình nghiên cứu, trong thành phần của khí xả gồm có các chất không tham gia vào quá trình cháy, sản phẩm cháy hoàn toàn và không hoàn toàn nhiên liệu và ô xít nitơ Hàm lượng theo % thể tích của chúng như sau [4] :

Nitơ ôxy Hơi nước Khí cac bonic Khí sunfurơ Hidrô

76 – 78 2- 15 0,5 – 6 1 – 14 0,003 – 0,1 0 – 0,1

ôxít các bon Anđêhit Cacbuahyđrô Muội (g/m3) ôxít nitơ

0,01 – 0,5 0,001 – 0,05 0,009– 0,05 0,01 – 1,1 0,002 0,5

Độc tố trong khí thải được xác định bằng hàm lượng có trong khí thải các chất ôxit nitơ, ôxit cacbon, anđêhit, hyđrô cacbon mạch hở, hyđrô cacbon mạch vòng, khí sufurơ và khói Trong đó ôxit nitơ và ôxit cacbon là hai loại độc tố nguy hiểm nhất Ôxit nitơ hình thành ở nhiệt độ cao do phản ứng giữa ôxy và nitơ Ôxit cacbon hình thành trong động cơ điezen khi cháy ở điều kiện không đủ ôxy Do tính

độc cao của ôxit nitơ và ôxit cacbon nên hàm lượng của chúng trong khí xả phải hạn chế Tại một số nước phát triển như Mỹ hoặc các nước châu Âu đã có giới hạn cho phép về nồng độ chất thải của động cơ ra môi trường Tại Việt Nam cần phải có biện pháp kiểm soát chặt chẽ mức độ ô nhiễm và tiêu chuẩn hoá chất độc hại xả ra môi trường

Đối với các động cơ thường xuyên làm việc ở các chế độ không ổn định thì vùng làm việc hầu như nằm ngoài chế độ định mức Khi làm việc ở các chế độ không ổn định thì trong thời gian chuyển tiếp do không cân bằng về mô men quay

và mô men cản làm cho tỉ số giữa lượng nhiên liệu và lượng không khí cấp vào động cơ không tương ứng Điều đó dẫn đến làm xấu chất lượng quá trình cháy, hiệu suất chỉ thị giảm rõ rệt so với chế độ ổn định tương ứng Điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất là chế độ đóng tải đột ngột, đặc biệt đối với động cơ có tăng áp tua bin khí xả Khi làm việc ở chế độ này lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên đạt giới hạn trên, trong khi đó lượng không khí cấp tăng lên không nhiều do quán tính của rô to tua bin máy nén, nên hệ số dư lượng không khí giảm nhanh, chất lượng cháy hỗn hợp xấu đi rõ rệt Phần nhiên liệu phun vào xilanh quá lớn so với lượng không khí nạp làm cho quá trình cháy nhiên liệu không hoàn toàn, phần nhiên liệu không kịp cháy xả ra làm ô nhiễm môi trường Kết quả nghiên cứu trên động cơ điezen 6ЧCПH16/22.5 khi làm việc ở chế độ tăng tốc (thay đổi tải kết hợp với thay đổi tay

ga nhiên liệu) đã cho thấy độ khói khi thanh răng nằm ở ngưỡng cấp nhiên liệu cực

đại đạt 900 mg/m3 tức là vượt 80% so với giá trị định mức Oxit nitơ ở chế độ này cũng đạt tới giá trị 18g/Kwh, tức là vượt 20% so với chế độ định mức Như vậy, chế

độ tăng tốc đã chỉ ra rằng bên cạnh sự tăng độ khói khi tăng tốc còn xảy ra sự tăng

ôxit nitơ [17] Nguyên nhân của việc tăng sự thải NOx là ở chỗ trong thời gian đầu của chế độ chuyển tiếp, chu kỳ duy trì tự bốc lửa rất lớn, còn nguyên nhân tăng sự

thải muội là do áp suất không khí tăng áp và số vòng quay của động cơ bé hơn giá trị tương ứng với lượng nhiên liệu được phun vào, phần nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy cũng tăng lên, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở

Một thí nghiệm khác [17] trên động cơ điezen 8ЧH25/34 lai máy phát điện дгPA500/500 phục vụ cần cẩu nổi kiểu ngoạm sức nâng 16 tấn lấy cát từ đáy sông cho thấy trong chế độ không ổn định độ khói tăng khoảng 10 lần, nồng độ CO tăng khoảng 3 lần, còn CH tăng khoảng 4 lần so với chế độ định mức

• ảnh hưởng của chế độ thay đổi tải đến độ mài mòn các chi tiết làm việc

của động cơ

Nguyên nhân làm thay đổi chất lượng quá trình công tác trong xi lanh động cơ và các hư hỏng khác đối với động cơ khai thác ở chế độ thay đổi tải đột ngột là sự không cân bằng mô men quay và mô men cản dẫn đến không ổn định vòng quay

Sự thay đổi các thông số trong quá trình cấp nhiên liệu, nạp không khí và nhiệt độ các chi tiết vượt ra khỏi giới hạn so với chế độ ổn định sẽ làm tăng khói, giảm thời gian khai thác giữa các lần sửa chữa và các hiện tượng không mong muốn khác Các hiện tượng trên làm xấu chất lượng khai thác Khi đóng tải, chất lượng cháy kém, khói và hiện tượng cốc hoá hệ thống nạp thải, cánh tua bin tăng lên và giảm công suất động cơ

Khi đánh giá các chế độ không ổn định của động cơ đến mài mòn các chi tiết

và tuổi thọ động cơ thường phải nghiên cứu toàn bộ các vấn đề liên quan đến chế độ làm việc của động cơ khi khởi động ở trạng thái nguội, sấy nóng và các chế độ không ổn định khác vì khi đó chế độ tải và cơ cấu điều khiển luôn thay đổi Động cơ làm việc ở các chế độ trên sẽ bị tăng độ mài mòn và giảm tuổi thọ, tăng tiêu hao nhiên liệu và giảm tính kinh tế khi khai thác động cơ

Các nguyên nhân có thể làm gia tăng sự mài mòn chi tiết của động cơ khi làm việc ở các chế độ thay đổi tải là quán tính nhiệt của các chi tiết, sự phá vỡ chế

độ bôi trơn, tăng lực của khí cháy và lực quán tính các chi tiết cơ cấu biên khuỷu, tăng độ mài mòn ổ đỡ, nhóm piston xilanh, tăng ứng suất nhiệt lên vách nắp xilanh,

đỉnh piston Kết quả thí nghiệm trên các động cơ lai cần cẩu nổi khi làm việc ở chế

độ tăng phụ tải và vòng quay cho thấy độ mài mòn ổ đỡ tăng lên 1,4 lần so với chế

độ ổn định [16] Một thí nghiệm khác trên động cơ 4ч12/14 có công suất định mức 45,5 kW khi thử trên bệ cho thấy khi tải thay đổi độ mài mòn mặt gương xilanh tăng lên khoảng 2-2,5 lần, đồng thời suất tiêu hao dầu nhờn do cháy tăng lên 1,48 đến 1,8 lần so với chế độ định mức, độ mài mòn tăng tỉ lệ thuận với độ tăng biên độ thay đổi vòng quay và lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

Độ mài mòn và ứng suất nhiệt các chi tiết làm việc của động cơ gia tăng trong chế độ thay đổi tải đột ngột là nguyên nhân góp phần làm giảm tính tin cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả thải ra môi trường

• Tình hình khai thác sử dụng động cơ điezen ở Việt Nam

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật, động cơ

điezen không ngừng được cải tiến và hoàn thiện và ngày càng khẳng định vị trí số một của mình trong số các thiết bị động lực được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực kinh tế: giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thuỷ ), công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng và quốc phòng v.v Cho đến nay tại Việt Nam chưa có một thống kê chính xác số lượng các loại động cơ điezen được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực Tuy nhiên do quá trình quét sạch khí thải và nạp khí mới ở

động cơ bốn kỳ tiến hành tương đối hoàn hảo hơn so với động cơ hai kỳ, đồng thời bằng phương pháp tăng áp có thể tăng công suất của động cơ bốn kỳ một cách dễ dàng vì ứng suất nhiệt của xilanh nhỏ hơn và hệ thống tăng áp của nó cũng đơn giản hơn so với động cơ hai kỳ, vì vậy động cơ điezen bốn kỳ tăng áp bằng tua bin khí xả rất được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kinh tế quốc dân [3] Khi khai thác loại động cơ này do tải ngoài của động cơ thường xuyên thay đổi nên động cơ phải thường xuyên làm việc ở các chế độ nằm ngoài chế độ định mức làm cho các thông

số công tác của động cơ thay đổi theo chiều hướng xấu đi Hậu quả còn lớn hơn đối với động cơ khi làm việc ở các chế độ thay đổi tải đột ngột Chẳng hạn khi đóng tải, mô men cản tăng lên làm tốc độ của động cơ giảm xuống, thông qua bộ điều tốc đẩy thanh răng tăng nhanh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Trong khi đó do tính trễ của tua bin máy nén nên tua bin máy nén chưa kịp tăng tốc cấp thêm không khí cho

động cơ Kết quả là hoà khí quá đậm làm giảm chất lượng chu trình công tác, giảm

tính tin cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả thải ra môi trường Các nhà chế tạo và khai thác mong muốn cải thiện các thông

số công tác của động cơ khi khai thác ở những chế độ này Hiện nay nhờ sự phát triển vượt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật mà động cơ điezen thế hệ mới đã phần nào khắc phục được những nhược điểm nói trên [23] Tuy nhiên với loại động cơ này tại Việt Nam cũng như một số nước phát triển khác, do nguồn kinh phí có hạn nên không có nhiều doanh nghiệp mạnh dạn đầu tư Trong khi đó thế hệ động cơ đời thấp, cũ tính năng hoạt động kém hơn nhưng giá rẻ phù hợp với điều kiện của nhiều doanh nghiệp nên được dùng rất nhiều, chiếm tỉ trọng lớn Khi khai thác loại động cơ này nếu không có biện pháp cải thiện sẽ làm giảm các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và tính năng tin cậy khi làm việc của động cơ, đồng thời làm tăng độc tố trong khí xả, gây ô nhiễm môi trường

2 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài

ở nước ngoài vấn đề này được nghiên cứu tại các viện, các trung tâm nghiên cứu khoa học, ngay cả các nhà máy chế tạo động cơ cũng thành lập các trung tâm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm Như vậy, vấn đề đề tài đặt ra đã được nghiên cứu

và đưa vào ứng dụng, tuy nhiên với các tài liệu đã xuất bản chỉ trình bày cơ sở lý luận và phương pháp chung

ở trong nước, vấn đề này chưa được quan tâm đầy đủ Vì vậy nghiên cứu và khai thác chế độ chuyển tiếp nói chung và chế tạo hệ thống tự động cấp khí bổ sung cho động cơ để cải thiện chế độ chuyển tiếp của động cơ là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tế

3 Mục tiêu nghiên cứu

Cải thiện các thông số công tác của động cơ điezel tăng áp tua bin khí xả bằng phương pháp tự động cấp khí bổ sung

4 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Chương 1

Các phương pháp tăng công suất cho động cơ điezen và các chế độ công tác

của động cơ điezen tăng áp lai phụ tải 1.1 Các phương pháp tăng công suất cho động cơ điezen

Trong tính toán nhiệt động lực học động cơ đốt trong, người ta sử dụng các biểu thức tính toán các thông số có ích của động cơ để phân tích các phương pháp chủ yếu tăng công suất động cơ Có thể sử dụng các công thức sau:

i n

M

Q V

k v h

α

ητρ

n S D

τ

2

18 , 26

=

τ

i p c D

e

2

4 , 785

Qua các biểu thức xác định công ssuất của động cơ ta thấy muốn tăng công suất của

động cơ ta có thể dùng các biện pháp như thay đổi các thông số kết cấu của động cơ (τ, D, S, i), tăng số vòng quay nhoặc tăng tốc độ trung bình của piston, tăng áp suất

có ích trung bình pe Khi phân tích các biện pháp tăng công suất cho động cơ ta thấy rằng:

- Nếu dùng động cơ 2 kỳ thay cho động cơ 4 kỳ (τ giảm đi hai lần), trên lý thuyết có thể làm cho công suất động cơ tăng lên 2 lần Chính vì vậy hầu hết các loại động cơ

điezen cỡ lớn đều dùng động cơ 2 kỳ

- Tăng số xilanh i sẽ làm tăng công suất của động cơ Tuy nhiên nếu tăng quá nhiều

sẽ làm số chi tiết của động cơ tăng lên quá nhiều và làm giảm độ cứng vững của hệ trục khuỷu, giảm độ tin cậy và độ an toàn trong quá trình làm việc của động cơ

- Kích thước xilanh D và S hiện nay đã đạt tới trị số khá lớn Kích thước xilanh càng lớn thì kích thước bên ngoài của độngcơ cũng càng lớn Đường kính xilanh đạt tới 1,1 mét, hành trình piston đạt tới 2 mét còn chiều cao của động cơ ngày nay đã đạt tới hơn 12 mét, chiều cao xu pap tới 1,5 mét Nếu tiếp tục tăng D và s sẽ gây nhiều khó khăn về công nghệ và vật liệu chế tạo các chi tiết

- Tăng số vòng quay n và tốc độ trung bình của piston cm cũng chỉ hạn chế trong một phạm vi rất nhỏ Hiện nay cm đạt tới 12-18m/s và n tới 3000 vg/ph với động cơ

điezen, 8000 vg/ph với động cơ xăng Vượt quá phạm vi trên sẽ tăng độ mài mòn, tăng phụ tải nhiệt, phụ tải cơ và rút ngắn tuổi thọ của các chi tiết

- Dùng các biện pháp cải tiết thiết kế và điều chỉnh chính xác các thông số cấu tạo

và thông số điều chỉnh động cơ nhằm giảm hệ số dư lượng không khí, tăng hiệu suất chỉ thị hịu suất cơ giới và hệ số nạp cũng chỉ có thể làm cho công suất của động cơ tăng lên rất ít vì trong thực tế lắp ráp và điều chỉnh động cơ, bao giờ người ta cũng

cố gắng điều chỉnh để những thông số trên đạt tới giá trị tốt nhất

- Tăng áp cho động cơ tức là làm tăng áp suất pk và khối lượng riêng ρk của không khí nạp nhằm làm tăng khối lượng không khí nạp đi vào động cơ trong mỗi chu trình

là biện pháp tốt nhất làm tăng công suất động cơ Biện pháp này không những không gây ảnh hưởng xấu mà trong một số trường hợp còn làm cho các thông số của biểu thức Ne được cải thiện tốt hơn Nếu các thông số khác trong biểu thức tính Ne giữ

nguyên không đổi thì công suất Ne của động cơ tỉ lệ thuận với áp suất pk hoặc khối lượng riêng ρk của không khí nạp

Muốn tăng áp cho động cơ cần phải có máy nén dùng để nén không khí từ áp suất khí trời tới áp suất tăng áp pk rồi mới đưa vào động cơ Dựa vào phương pháp dẫn động máy nén của động cơ tăng áp người ta chia các phương pháp tăng áp chủ yếu làm 3 nhóm: tăng áp truyền động cơ giới, tăng áp tua bin khí và tăng áp hỗn hợp

Hình 1.1 Sơ đồ động cơ tăng áp TBKX

Trên hình vẽ giới thiệu sơ đồ động cơ tăng áp tua bin khí có liên hệ khí thể giữa động cơ Đ vơí máy nén N và tua bin khí T Tua bin khí thải T và máy nén khí

N được lắp trên cùng một trục không có liên hệ truyền động cơ giới với động cơ Khí thải của động cơ đi vào tua bin khí sinh công quay máy nén rồi được thải ra ngoài trời, cũng trong thời gian ấy máy nén Nhút không khí ngoài trời nén từ áp suất

p0 lên pk rồi đưa vào động cơ Sô lượng không khí nén cung cấp cho động cơ được biến đổi tự động theo công suất của động cơ Công suất của động cơ càng cao thì năng lượng chứa trong khí thải càng lớn, đảm bảo quay máy nén cung cấp cho động cơ càng nhiều không klhí nén Đây chính là ưu điểm lớn làm cho phương pháp tăng

áp tua bin khí xả trở thành biện pháp tốt nhất để làm tăng công suất và nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ Vì vậy biện pháp này đã được sử dụng rất rộng rãi trong các loại động cơ điezen hiện đại

1.2 Phân tích các chế độ công tác của động cơ điezen tăng áp lai phụ tải

Đ

pth

pk

p0

T

Sự khác nhau giữa động cơ diezen không tăng áp và tăng áp không những ở các thông số như tỉ số nén, lượng cấp nhiên liệu, pha phối khí, áp suất nhiệt độ của chu trình công tác mà còn phải lưu tâm đến lượng khí xả phải luôn đủ đảm bảo cho tua bin làm việc để quay máy nén cung cấp không khí nạp cho động cơ điezen

có tăng áp [4, 9, 32, 34] Thí dụ, để đảm bảo tăng suất tiêu hao không khí và khí xả qua xu páp nạp, xả trong động cơ tăng áp cần phải tăng góc mở sớm và đóng muộn các xu páp, tăng góc trùng điệp (Trong khi góc trùng điệp của động cơ không tăng

áp khoảng 25-500 góc quay trục khuỷu thì ở động cơ có tăng áp bằng tua bin khí xả góc trùng điệp có thể lên tới 100-1600 góc quay trục khuỷu để đảm bảo quét khí)

Mặt khác, trong quá trình làm việc của động cơ điezen tăng áp bằng TBKX khi động cơ làm việc ở chế độ định mức TBMN thường xuyên đảm bảo cân bằng giữa công suất do TB sinh ra và công suất tiêu dùng cho MN (Nt = Nk) TBMN có rô

to không liên hệ cơ học với trục khuỷu, ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ tua bin và máy nén đều tự điều chỉnh công suất Công suất máy nén khi tính toán dựa vào suất tiêu hao không khí và áp suất tăng áp Tuy nhiên vấn đề phức tạp khi tăng

áp cho động cơ điezen là phải đảm bảo sự làm việc ổn định đồng thời của TBMN với

động cơ trong khoảng tải và vòng quay rộng Thật vậy, do đặc tính lưu động khí của TB-MN và động cơ đốt trong là khác nhau nên để có sự làm việc hài hoà giữa 3 cụm phải có sự phối hợp chặt chẽ các đặc tính của chúng, tức là phải phối hợp đặc tính của TB với đặc tính của MN, phối hợp đặc tính của cụm TB-MN với động cơ đốt trong Bởi vậy, động cơ 4 kỳ tăng áp tua bin khí xả có các đặc tính khác với động cơ không tăng áp Để giải quyết được vấn đề này, các đặc tính khí động học máy nén li tâm cần phải phù hợp hoàn toàn với đặc tính tiêu thụ không khí của động cơ điezen

Đặc tính động học hệ thống máy nén tăng áp tua bin khí xả là đặc tính khí

động học học máy nén li tâm, trên đó xây dựng các đường chế độ làm việc của máy nén khi động cơ điezen làm việc theo đặc tính ngoài, đặc tính tải và đặc tính chân vịt Chúng được gọi là đặc tính chế độ làm việc của TBMN Đặc tính chế độ làm việc của TBMN thu được từ thực nghiệm [4, 9, 21, 32 ]

Như vậy để có cơ sở tính toán các thông số công tác của động cơ hay tính toán hoạt động phối hợp của hệ thống động cơ - tua bin máy nén - tải khi thay đổi

tải chúng ta phải hiểu rõ mối quan hệ và sự phối hợp công tác của chúng khi động cơ làm việc trong các chế độ này

1.2.1 Các quá trình chuyển tiếp của động cơ điezen

Đặc tính thay đổi chế độ công tác của động cơ Điezen trong những điều kiện khai thác rất đa dạng

Chế độ làm việc của động cơ với tải không thay đổi theo thời gian gọi là chế

độ làm việc ổn định của động cơ Chế độ làm việc ổn định của động cơ được đặc trưng bởi hai thông số không thay đổi theo thời gian là mô men và vòng quay Khi

động cơ làm việc ở chế độ ổn định mô men quay bằng mô men cản :

Mq : Mô men quay trên trục động cơ

Mc : Mô men cản của thiết bị tiêu thụ năng lượng

Trong thực tế khai thác động cơ điezen do hàng loạt nguyên nhân khác nhau ( quá trình đóng ngắt tải, quá trình tăng tốc ) làm cho chế độ tải của động cơ thay

đổi Trong những trường hợp như vậy sự cân bằng tĩnh học giữa động cơ và thiết bị tiêu thụ năng lượng bị phá vỡ Động cơ chuyển từ chế độ làm việc ổn định này sang chế độ làm việc ổn định khác mà các chế độ trung gian giữa hai chế độ ổn định đó

là các chế độ không ổn định Quá trình chuyển đổi các chế độ làm việc của động cơ như vậy gọi là quá trình chuyển tiếp Quá trình này được đặc trưng bởi đặc tính động học của động cơ Đặc tính động học là toàn bộ các chế độ không ổn định liên tục theo thời gian Đặc tính động học được đặc trưng bởi sự thay đổi các thông số làm việc của động cơ từ chu trình này sang chu trình khác trong thời gian của quá trình chuyển tiếp [3, 4, 14]

Qϕ là đại lượng đặc trưng cho mức độ thay đổi tải của động cơ hay ta

có thể viết dưới dạng phương trình vi phân như sau:

J: Mô men quán tính qui đổi của động cơ và thiết bị nối liền trục với động cơ,

Phương trình (2-2) là phương trình đặc trưng của chế độ chuyển tiếp khi tải của động cơ thay đổi

Tất cả các dạng của quá trình chuyển tiếp có thể phân ra các đặc tính sau (Hình 2.1)[3, 14]:

Hình 1.2 Các dạng quá trình chuyển tiếp của động cơ Điezen

1 Đặc tính tốc độ 2 Đặc tính điều chỉnh 3 Đặc tính tiêu thụ năng lượng

• Quá trình chuyển tiếp của động cơ hình thành khi thay đổi tay ga nhiên

Còn các thông số bổ sung là thời gian thay đổi lượng nhiên liệu và đặc tính

thiết bị tiêu thụ năng lượng

ứng với dạng này của quá trình thay đổi tải, động cơ có thể làm việc theo hai dạng đặc tính là tăng tốc động cơ nhờ tăng tay ga nhiên liệu (Hình 1.2, hướng 1a),

hoặc hãm động cơ do giảm tay ga nhiên liệu (Hình 1.2, hướng 1b)

• Quá trình chuyển tiếp của động cơ hình thành do thay đổi mô mem cản

n

H

n n

0

2

M M

min

c c

2-1a

2-2b 2-2a

1a 3

1b

Trong quá trình khai thác động cơ nếu phụ tải ngoài thay đổi thì sẽ làm cho mô men cản trên trục động cơ thay đổi Trong trường hợp này thông số tác động chủ yếu là sự thay đổi mô men cản tương đối:

δmc = Mc2 - Mc1/ Mcdm (1- 4)

Còn thông số bổ sung là thời gian thay đổi mô men cản và đặc tính thay đổi lượng cấp nhiên liệu cho chu trình ∆gct = f (nd hay τ)

Trong ba chỉ số δmc, thời gian thay đổi mô men cản và ∆gct = f (nd hay τ) thì

δmc và thời gian thay đổi mô men cản đặc trưng cho mức độ và tốc độ thay đổi phụ tải của động cơ còn ∆gct đặc trưng cho đặc tính của hệ thống nhiên liệu của động cơ Với dạng này của sự thay đổi tải của động cơ thì động cơ có thể làm việc trong quá trình chuyển tiếp theo hai dạng sau :

- Quá trình chuyển tiếp hình thành khi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình không

đổi (∆g ct =const), phụ tải ngoài thay đổi

Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình không đổi ∆gct tương ứng với đặc tính tốc

độ (vị trí của cơ cấu điều khiển lượng cấp nhiên liệu hp không thay đổi) Động cơ làm việc theo đặc tính tốc độ, có thể theo các dạng sau:

- Hãm động cơ do tăng mô men cản (Hình 1.2, hướng 2-1a)

- Tăng tốc động cơ do giảm mô men cản (Hình 1.2, hướng 2-1b)

Trong thực tế khai thác động cơ, quá trình chuyển tiếp như trên thường gặp

đối với động cơ chính lai chân vịt định bước có trang bị bộ điều tốc giới hạn và khi phụ tải thay đổi làm vòng quay động cơ dao động trong khoảng nmin < nd < nmax

(Trong quá trình này bộ điều tốc giới hạn chưa làm việc)

- Quá trình chuyển tiếp hình thành khi vòng quay động cơ không đổi, phụ tải ngoài thay đổi

cho phép, phụ thuộc vào độ không đồng đều của bộ điều tốc Lượng cấp nhiên liệu thay đổi do tác động điều chỉnh lên cơ cấu điều khiển lượng cấp nhiên liệu khi phụ tải ngoài thay đổi Động cơ làm việc theo đặc tính điều tốc và quá trình chuyển tiếp

có thể xảy ra theo một trong hai trường hợp sau:

- Tăng sức cản trên trục động cơ (do tăng phụ tải) và tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Quá trình này là quá trình đóng tải (Hình 1.2, hướng, 2-2a)

- Giảm sức cản trên trục động cơ (do giảm phụ tải) và giảm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Đây là quá trình ngắt tải (Hình 1.2, hướng, 2-2b)

Trong quá trình đóng (ngắt) tải mô men cản của động cơ tăng (giảm) một cách đột ngột do đó nó sẽ làm vòng quay của động cơ nhất thời bị giảm (hoặc tăng) Mức độ thay đổi vòng quay do đặc tính của bộ điều tốc quyết định

- Quá trình chuyển tiếp hình thành do kết hợp sự thay đổi phụ tải với việc thay

đổi tay ga nhiên liệu

Thực tế khai thác cho thấy các quá trình chuyển tiếp của động cơ do tải thay

đổi rất đa dạng Ví dụ có thể có quá trình ngắt tải liên hợp [3, 14], trong giai đoạn

đầu của quá trình chuyển tiếp mô men cản giảm xuống làm cho vòng quay của động cơ tăng lên (Hình 1.2, hướng, 2-1b), còn giai đoạn sau của quá trình dạng (Hình 1.2, hướng, 2-2b) Khi tăng mô men cản lớn, động cơ có thể chuyển từ nhánh điều chỉnh

đến đặc tính tốc độ, trong giai đoạn đầu quá trình chuyển tiếp dạng (Hình 2.1, hướng, 2-2a) và giai đoạn sau dạng (Hình 1.2, hướng, 2-1a) Các chế độ làm việc của động cơ có thể thay đổi còn các quá trình chuyển tiếp không kịp kết thúc

Đặc tính và mức độ diễn biến các quá trình chuyển tiếp khi tải thay đổi phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính động cơ, hệ thống trao đổi khí, hệ thống cấp nhiên liệu,

hệ thống bôi trơn và hệ thống điều chỉnh của động cơ, các thông số của thiết bị tiêu thụ năng lượng Ngoài ra chất lượng của quá trình chuyển tiếp cũng phụ thuộc đáng

kể vào mức độ và tốc độ thay đổi tải của động cơ

1.2.2 Sự phối hợp công tác giữa tổ hợp tua bin máy nén và động cơ điezen

Như chúng ta đã biết tổ hợp TBKX-MN và động cơ điezen luôn tương hợp với nhau trong quá trình công tác Mỗi khi động cơ thay đổi chế độ công tác thì tổ hợp TBKX-MN sẽ tự động chuyển sang một chế độ mới tương ứng và cứ mỗi lần như thế lại thiết lập được một trạng thái cân bằng mới (cân bằng công suất giữa TBKX và MN) [2, 7, 22] Tuy nhiên, để có sự làm việc hài hoà giữa 3 cụm ĐC - TB

- MN phải có sự phối hợp chặt chẽ các đặc tính của chúng, tức là phải phối hợp đặc

tính của TB và MN, phối hợp đặc tính của cụm TB-MN với động cơ đốt trong Để giải quyết được vấn đề này, các đặc tính khí động học máy nén li tâm cần phải phù hợp hoàn toàn với đặc tính tiêu thụ không khí của động cơ điezen

1.2.2.1 Đặc tính và vùng làm việc của máy nén li tâm trong các quá trình chuyển tiếp

Thay đổi chế độ làm việc của động cơ có tăng áp TBKX sẽ làm thay đổi tương ứng vòng quay rô to TBMN ntk, lưu lượng khí Gk, tỷ số tăng áp πk và hiệu suất nén đoạn nhiệt ηdk Sự phụ thuộc tỷ số của tăng áp và hiệu suất đoạn nhiệt máy nén vào lưu lượng không khí khi vòng quay khác nhau gọi là đặc tính cột áp Đặc tính này có hai dạng: đặc tính định mức và đặc tính tổng hợp (Hình 1.3)

Hình 1.3 Đặc tính máy nén

Các đặc tính này được xây dựng bằng thực nghiệm Đặc tính ổn định là sự thay đổi

πk, ηdk vào vòng quay rô to TBMN ntk với điều kiện các thông số trạng thái của khí tại cửa vào máy nén không đổi [4]

Từ đặc tính máy nén, các nhánh bên phải kể từ điểm K nằm trong vùng làm việc ổn định của máy nén, còn nhánh bên trái nằm trong vùng làm việc không ổn

π

K K

1 K

n

định Khi máy nén làm việc ở các chế độ không ổn định sẽ gây nên hiện tượng mất

ổn định

1.2.2.2 Sự phối hợp giữa tổ hợp TB-MN và ĐCĐT ở chế độ thay đổi tải

Khi động cơ điezen làm việc ở chế độ chuyển tiếp thì tổ hợp TBKX-MN cũng làm việc ở chế độ chuyển tiếp (tức là tổ hợp TBKX-MN sẽ chuyển từ chế độ ổn định này sang làm việc ở chế độ ổn định khác tương ứng với chế độ ổn định mới của

động cơ điezen) Khi xem xét chế độ chuyển tiếp của động cơ điezen và tổ hợp TBKX-MN ta thấy rằng do quán tính lớn của rô to TBKX-MN nên khi tải của động cơ thay đổi thì động cơ sẽ phản ứng và thay đổi chế độ công tác sớm hơn tổ hợp TBMN [1, 7, 32, 33] Chính vì lý do này mà trong thời điểm đầu của quá trình chuyển tiếp, suất tiêu hao không khí tương đối giảm xuống, động cơ sẽ làm việc với

hệ số dư lượng không khí không hợp lý Chẳng hạn đối với quá trình chuyển tiếp là

đóng tải, lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng, nhưng do tính quán tính của tổ hợp TBMN không theo kịp sự thay đổi đột ngột của tải (thay đổi phụ tải dẫn đến thay đổi vị trí thanh răng nhiên liệu) Vì vậy động cơ trong giai đoạn này làm việc thiếu không khí nên nhiệt độ khí xả tăng Việc tăng nhiệt độ khí xả sẽ làm tăng độ nhớt động học của khí xả và do vậy sẽ làm đặc tính thuỷ lực của động cơ πk = f(Gk) dốc hơn, nên điểm phối hợp công tác của tổ hợp TBKX-MN- động cơ tiến gần đến vùng mất ổn định Điều này được chỉ ra trên hình 1.4 (với đường cong số 3)

Hình 1.4 Quá trình chuyển tiếp của tổ hợp TBMN

ntk3

T B T

ntk3

T B T

Từ đồ thị ta thấy rằng: Khi tổ hợp TBMN tăng tốc từ vòng quay ntk0 (tương ứng với chế độ không tải của động cơ) tới vòng quay định mức ntkn (tương ứng với chế độ định mức của động cơ) phụ thuộc vào độ tăng của nhiệt độ khí xả tuỳ theo quá trình tăng tải của động cơ mà diễn biến đặc tính πk = f(Gk) của tổ hợp TBMN

có khác nhau Thật vậy nếu tốc độ tăng tải của động cơ từ chế độ không tải đến chế

độ định mức càng đột ngột (thời gian đóng tải càng nhỏ) thì trong giai đoạn đầu của quá trình, động cơ làm việc với hệ số dư lượng không khí càng giảm mạnh (do tính quán tính của rô to TBMN) làm nhiệt độ khí xả của động cơ càng tăng mạnh, sức cản trên đường ống xả tăng Kết quả là đường đặc tính thuỷ lực của động cơ dốc hơn, điểm phối hợp công tác của động cơ máy nén dịch về phía gần đường giới hạn mất ổn định Trong giai đoạn này tốc độ tăng của lưu lượng không khí tăng áp Gk chậm hơn tốc độ tăng của áp suất tăng áp πk khi tốc độ tổ hợp TBMN tăng dần

Trong giai đoạn sau của quá trình do lượng cấp nhiên liệu cho chu trình giảm dần từ cực đại về giá trị định mức và tốc độ TBMN tiếp tục tăng (trong giai đoạn này

sự tăng tốc của tua bin chủ yếu do tăng lưu lượng khí xả) nên hệ số dư lượng không khí tăng dần Kết quả là sự sai khác giữa các đường đặc tính πk = f(Gk) cũng giảm dần và khi nhiệt độ khí xả và tốc độ TBMN đạt tới giá trị định mức thì sự sai khác

đó mất đi (tương ứng điểm B)

Đối với chế độ giảm tải đột ngột thì lượng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm xuống đồng thời lượng không khí cần thiết cấp cho chu trình giảm xuống, nhưng do quán tính của tổ hợp TBMN nên vòng quay của nó giảm xuống chậm hơn so với sự thay đổi vòng quay của động cơ điezen Lúc này lưu lượng máy nén vượt quá sự cần thiết của nhu cầu tiêu thụ không khí của động cơ nên áp suất trong đường ống nạp (bình chứa) tăng lên đột ngột và có thể dẫn đến phá vỡ dòng chảy và gây ra mất ổn

định ở máy nén Ta có thể mô tả cơ chế mất ổn định của máy nén như sau (hình 3.3) [3, 12, 28]:

Giả sử chế độ công tác của máy nén có các thông số tương ứng với điểm L Nếu như có sự giảm xuống tức thời của cột áp tĩnh trong ống nạp của không khí (có thể do tức thời tăng tốc đột ngột động cơ) thì đặc tính tiêu thụ dịch xuống phía dưới

và cách đều đường đặc tính ban đầu Khi đó điểm N là giao điểm đặc tính máy nén

Gk và đường đặc tính của hệ thống H-Gb sẽ là điểm làm việc tạm thời của tổ hợp TBKX-MN-động cơ với cột áp tĩnh giảm và lưu lượng tăng lên Sau khi khắc phục

được nhiễu loạn của áp suất trong ống nạp thì hoạt động cân bằng của hệ thống

Hình 1.5 Các chế độ công tác của hệ thống máy nén tăng áp - động cơ Điezen

cần được đảm bảo với điểm L Nhưng hệ thống không đi đến điểm L ngay lập tức, bởi vì lúc này hệ thống bị mất thích ứng tạm thời Với cùng một lưu lượng như nhau của ống nạp và máy nén nhưng áp suất trong ống nạp (điểm M) có cột áp cao hơn cột áp của máy nén (điểm N) Vì sự thiếu hụt năng lượng trong bình làm động năng dòng khí trong nó giảm đi cùng với việc giảm lưu lượng, nên điểm công tác di chuyển trở lại điểm L Đồng thời máy nén cũng nâng cao được động năng do đó các thông số công tác cũng di chuyển đến điểm L, mà ở đó ban đầu hệ thống đã ở trạng thái cân bằng Sự cân bằng của hệ thống tồn tại cho đến khi nhiễu loạn xuất hiện trở lại

ra khi tức thời giảm đột ngột vòng quay động cơ) sẽ dẫn đến sự dịch chuyển chế độ công tác Thí dụ như điểm F, nếu như sự thích ứng tức thời luôn xảy ra thì đặc tính của máy nén làm việc với các hệ thống của điểm F, còn ở hệ thống không khí dòng chảy được đặc trưng bởi các thông số của điểm K Cột áp dư của máy nén sẽ được tiêu thụ vào việc tăng động năng và lưu lượng của dòng khí từ máy nén vào ống nạp

H

A

0

CB

D

E

KN

Điểm F và điểm K sẽ di chuyển về phía điểm L Như vậy hệ thống MN - động cơ

điezen sẽ tự động trở về trạng thái cân bằng ban đầu Trong cả hai trường hợp được khảo sát ở trên thì nhiễu loạn tức thời của dòng chảy trong hệ thống đã dẫn đến sự thay đổi duy nhất của cột áp và lưu lượng

Sự làm việc của hệ thống trên nhánh bên trái của đặc tính cột áp máy nén thường không được dự định Giả sử máy nén đang làm việc với các thông số của

điểm C Nếu như có tác động nhiễu loạn tức thời máy nén được đưa về làm việc ở chế độ tương ứng với điểm E thì hệ thống không trở về được chế độ cân bằng điểm

C Nguyên nhân là ở chỗ cột áp máy nén cao hơn cột áp trong ống nạp (điểm D) tức

là HE > HD Do năng lượng dư của máy nén nên động năng và lưu lượng của dòng khí từ máy nén tới ống nạp tăng lên, chính vì vậy mà quá trình sẽ càng lệch về phía bên phải của điểm C Tức là hệ thống không tự động trở về vị trí cân bằng ban đầu

được nữa Khi tức thời đưa máy nén về làm việc ở chế độ của điểm A thì khi nhiễu loạn mất đi hệ thống cũng không tự động trở về trạng thái cân bằng ban đầu (điểm C), vì sự dư thừa năng lượng trong bình chứa (điểm B) mà HB - HA > 0;GA = GB <

GC; HA < HB < HC nên hoạt động của hệ thống sẽ càng lệch về phía bên trái (điểm C) lúc này xuất hiện dòng chảy ngược của không khí từ ống nạp trở lại máy nén

Nhờ khả năng tích luỹ của hệ thống nạp-xả nên biên độ nhiễu loạn của dòng không khí có thể đạt đến giá trị lớn hơn và sự làm việc của máy nén có thể mất ổn

định quá sớm Thí dụ này được chỉ ra trên hình 3.4, với sự thay đổi điểm công tác của máy nén khi mất ổn định

Hình 1.6 Sự thay đổi điểm công tác đồng thời của hệ máy nén tăng áp - động cơ khi mất ổn định

G

H

Yếu tố nhiễu loạn tạm thời phù hợp với đặc tính khi đưa máy nén đến chế độ công tác của điểm D Khi có tác động nhiễu loạn đủ mạnh thì máy nén có thể đạt

được các thông số của điểm C, là điểm có cột áp lớn nhất của máy nén Nếu nhiễu loạn tăng lên nữa thì đặc tính lưu lượng của đường ống có thể không còn tiếp xúc với đường đặc tính máy nén tại điểm C, còn điểm làm việc của máy nén thì sẽ di chuyển nhảy vọt đến chế độ có các thông số của điểm A, tức là vùng có năng suất

âm đã tạo ra một sóng của dòng không khí ngược và khi nhiễu loạn mất đi thì máy nén bắt đầu giảm bớt áp suất, đồng thời đi đến điểm B và di chuyển nhảy vọt đến làm việc trên nhánh bên phải của điểm C Nếu như nhiễu loạn đã được khắc phục và không còn tái diễn hoặc biên độ dao động của áp suất tĩnh là nhỏ thì hệ thống lại tự

động đi dến chế độ cân bằng (điểm E) Trái lại sự làm việc không ổn định của máy nén sẽ được lặp lại chừng nào sự can thiệp vào nhiễu loạn bên ngoài không khắc phục được nguyên nhân của nhiễu loạn hoặc không thay đổi được chế độ công tác của động cơ điezen

Hoạt động không ổn định như vậy của máy nén kèm theo những dao động mãnh liệt của áp suất bởi dòng chảy ngược của không khí trong hệ thống và có hiệu ứng tiếng ồn được gọi là mất ổn định máy nén [3, 12, 28]

Tóm lại khi tải của động cơ điezen thay đổi thì tổ hợp TBKX-MN tăng áp cho

động cơ cũng làm việc ở chế độ chuyển tiếp Nhưng do quán tính của rô to TBMN nên quá trình chuyển tiếp của tổ hợp TBMN bắt đầu muộn hơn so với động cơ

điezen Vì vậy xuất hiện dao động cột áp tĩnh trong ống nạp Mức độ của nhiễu loạn này phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống trao đổi khí, hệ thống nhiên liệu, hệ thống

tự động điều chỉnh tốc độ Ngoài ra sự thay đổi cột áp tĩnh trong bình chứa còn phụ thuộc đáng kể vào mức độ và tốc độ thay đổi tải Hiện tượng dao động cột áp tĩnh trong ống nạp của động cơ như đã phân tích là một nguyên nhân có thể gây nên sự hoạt động mất ổn định của máy nén

Chế độ chuyển tiếp của tổ hợp TBMN gồm hai quá trình sau:

- Tăng vòng quay của tổ hợp TBMN do tăng nhiệt độ khí xả (khi đóng tải hoặc tăng tốc cho động cơ)

- Giảm vòng quay của tổ hợp TBMN do giảm nhiệt độ khí xả ( khi giảm tốc

độ động cơ hoặc khi cắt tải của động cơ)

Tính tăng tốc của tổ hợp TBMN có ảnh hưởng rất lớn tới lượng không khí cấp cho động cơ trong quá trình thay đổi tải Trong khi đó tính tăng tốc của tổ hợp TBMN được xác lập phụ thuộc vào mức độ sử dụng năng lượng xung của khí xả ở tua bin và phụ thuộc sơ đồ tăng áp, phụ thuộc vào mô men quán tính của rô to TBMN

1.2.3 Đặc tính trao đổi khí của động cơ ở chế độ thay đổi tải

Đối với động cơ 4 kỳ tăng áp bằng TBKX, đặc biệt ở động cơ trung tốc, quá trình trao đổi khí ảnh hưởng lớn đến chế độ công tác động cơ khi thay đổi tải ở chế độ

định mức áp suất tăng áp thường lớn hơn áp suất khí thải trước tua bin Pk>Pkx do vậy khí nạp quét sạch xi lanh , lượng khí sót nhỏ, nhờ vậy tăng được lượng không khí nạp nên quá trình cháy tốt ở chế độ nhỏ tải (các chế độ nhỏ hơn 30% tải) hiệu suất

đoạn nhiệt của máy nén giảm, Pk<Pkx nên trong thời gian trùng điệp có hiện tượng rò lọt ngược khí xả từ đường ống xả vào xi lanh và từ xi lanh vào đường ống nạp, do vậy chất lượng quá trình chuyển tiếp xấu hơn Nếu tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình thì Pkx tăng nhưng Pk không tăng do quán tính rô to tua bin máy nén

Trong chế độ thay đổi tải đối với động cơ 4 kỳ tăng áp bằng TBKX góc độ phối khí và quá trình trao đổi khí ảnh hưởng mạnh đến các thông số của động cơ Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm đối với động cơ 8ЧH25/34 lai máy phát đặt trên cần cẩu nổi khi ở chế độ đóng tải đột ngột [3] độ khói tăng lên 98%, khí xả rò lọt ngược vào đường ống nạp, kết quả trong đường ống nạp, xả, ống phun của tua bin lượng muội bám tăng lên Một trong các nguyên nhân tạo muội trên các chi tiết

đó là sự rò lọt ngược khí xả từ xi lanh và đường ống xả vào đường ống nạp áp suất khí thể trong đường ống xả lúc bắt đầu quá trình đóng tải tăng nhanh hơn áp suất tăng áp Khi góc trùng điệp của xu pap lớn hơn 125 độ góc quay của trục khuỷu,

đối với quá trình chuyển tiếp thời gian này đủ để khí xả điền đầy đường ống hút, do vậy giảm lượng khí nạp trong chu trình tiếp theo Đó là nguyên nhân giảm bổ sung

hệ số dư lượng không khí αvà giảm chất lượng quá trình cháy, tăng tổn thất hành trình bơm

Giảm góc trùng điệp của xu páp nạp, xả để giảm rò lọt ngược khí xả sẽ cải thiện được chế độ tăng tốc nhưng làm xấu việc quét sạch khí sót trong xi lanh ở chế

độ gần chế độ định mức và giảm tính kinh tế Vì vậy giải quyết vấn đề kỹ thuật này cần phải dựa vào cơ sở phân tích các chế độ làm việc của động cơ trong quá trình khai thác Nếu động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ không ổn định và ít khi

được khai thác ở chế độ định mức thì phải lựa chọn pha phối khí hợp lý có tính đến

sự rò lọt ngược khí xả

1.2.4 Đặc tính cấp nhiên liệu cho động cơ ở chế độ thay đổi tải

Chất lượng của quá trình cháy và các thông số của quá trình công tác của

động cơ phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng phun nhiên liệu vào xi lanh động cơ và quá trình hoà trộn tạo hỗn hợp không khí - nhiên liệu Chất lượng phun nhiên liệu

được đặc trưng bằng nhiều chỉ số Quan trọng nhất trong các chỉ số đó là độ mịn (độ tán xạ) và độ đồng nhất, chiều dài, độ bắn xa và góc nón chùm tia nhiên liệu [4,9]

Độ mịn được đánh giá bằng đường kính hạt, còn độ đồng nhất được đánh giá bằng

sự giống nhau của các đường kính hạt trong tia Theo số liệu thực nghiệm [4], tia nhiên liệu phun gồm hàng triệu hạt, đường kính trung bình của chúng với động cơ thấp tốc khoảng 15-25àm, với động cơ cao tốc 5-10 àm Với động cơ có đường kính

xi lanh nhỏ và vòng quay lớn, yêu cầu độ mịn và độ đồng nhất tăng lên

Khi phun vào xi lanh động cơ, dưới áp suất cao, nhiên liệu được tách thành nhiều hạt nhỏ, tán xạ và hoà trộn với không khí để tạo thành hỗn hợp cháy trong xi lanh của động cơ Độ mịn phun phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ lưu động dòng nhiên liệu qua lỗ phun, đường kính lỗ phun, độ nhớt và sức căng bề mặt của nhiên liệu, áp suất và khối lượng riêng hỗn hợp công tác trong xi lanh ảnh hưởng rõ rệt nhất là các thông số phun (áp suất nhiên liệu trước lỗ phun và đặc tính phun), kết cấu của thiết bị phun, tính chất vật lý của nhiên liệu, thông số khí trong xi lanh và điều kiện khai thác thiết bị nhiên liệu

Trong đề tài này chúng ta xét đến ảnh hưởng của khí nén trong xi lanh của

động cơ và điều kiện khai thác đến chất lượng cấp nhiên liệu và sự tạo thành hỗn hợp công tác

Hình 1.5 ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu và áp suất tăng áp

đến hình dáng chùm tia nhiên liệu

Khối lượng riêng không khí ảnh hưởng rõ rệt tới hình dáng chùm tia nhiên liệu Khi tăng ρs chùm tia bè ra và ngắn lại do tác động lực khí động học của môi trường lên chùm tia (hình 1.5) ảnh hưởng lớn nhất đến hình dáng hình học của chùm tia là mức độ rối của không khí nạp Chỉ số rối càng cao thì môi trường tác động lên chùm tia càng mãnh liệt Mức độ nhiễu loạn không khí nạp chủ yếu phát sinh trong quá trình tiết lưu qua cửa nạp của động cơ Tiếp tục trong quá trình nén, mức độ nhiễu loạn giảm xuống Bởi thế khi vòng quay trục khuỷu càng cao, với các điều kiện khác giống nhau, thì một mặt nhiễu loạn môi chất trong quá trình nạp tăng lên, mặt khác thời gian quá trình nén lại giảm xuống Nhờ vậy, phần lớn năng lượng xung nhiễu loạn được giữ đến thời điểm phun nhiên liệu Đó là một trong các yếu tố chủ yếu

đảm bảo chất lượng quá trình công tác đối với động cơ

Kết quả là chiều dài chùm tia giảm xuống còn chiều rộng tăng lên Các đường cong thực nghiệm cho thấy, nếu tăng áp suất phun trong phạm vi 14 - 56 MPa sẽ

áp suất khí nén, MPa

t; 10 -3 s

làm tăng chiều dài chùm tia, nhưng nếu tăng áp suất khí nén (áp suất cản) sẽ làm giảm chiều dài, đồng thời tăng độ côn của chùm tia Như vậy trong chế độ chuyển tiếp quá trình cấp nhiên liệu và tạo thành hỗn hợp khác nhiều so với chế độ làm việc

ổn định:

- Khi cùng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình thời gian cháy trễ tăng lên do nhiệt độ thành buồng cháy và áp suất cuối quá trình nén thấp (áp suất tăng áp thấp do ảnh hưởng mô men quán tính rô to TB-MN)

- Khi đóng tải lên động cơ có tăng áp TBKX, thanh răng nhiên liệu đẩy đến chốt tỳ lượng cấp nhiên liệu cực đại; áp suất tăng áp nhỏ (do quán tính rô to TBMN) làm giảm khối lượng riêng không khí trong xi lanh ρct và tăng hiệu số áp suất phun và áp suất môi chất trong xi lanh ∆pct Điều này làm cho chiều dài chùm tia nhiên liệu phun vào buồng cháy tăng lên và so với chế độ định mức, phần nhiên liệu rơi vào thành xi lanh cũng tăng lên Trên cơ sở tính toán và thực nghiệm [15, 17] người ta

có thể tính được độ tăng chiều dài chùm tia nhiên liệu khi đóng tải Khi chiều dài chùm tia nhiên liệu tăng lên, kết quả là phần đầu chùm tia nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy, tại đó, nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhiệt độ buồng cháy (khoảng một nửa nhiệt độ buồng cháy) làm cho một phần lượng nhiên liệu này không hoà trộn được với không khí mà có tác dụng rửa sạch lớp dầu bôi trơn trên thành xi lanh Trong vùng vách sự tạo muội diễn ra mãnh liệt hơn do phần nhiên liệu từ vách buồng cháy bay hơi muộn khi thể tích buồng cháy có hệ số dư lượng không khí α1 bé Trong quá trình giãn nở do hàm lượng ô- xi thấp nên phần nhiên liệu cháy rớt sẽ cháy không hoàn toàn

- Hệ số dư lượng không khí α, hiệu suất chỉ thị ηi, tính kinh tế đều giảm xuống, hàm lượng khói trong khí xả tăng lên do lượng không khí nạp giảm và lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên so với định mức Kết quả là động cơ phát ra mô men chỉ bằng một phần giá trị của nó ở chế độ ổn định khi có cùng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

Trên cơ sở tính toán và thực nghiệm thấy rõ do giảm khối lượng riêng không khí trong xi lanh ρct và tăng hiệu số áp suất phun và áp suất môi chất trong xi lanh ∆pct thì chiều dài chùm tia nhiên liệu tăng lên Nếu thời gian cháy trễ không thay đổi thì

độ tăng chiều dài chùm tia nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy khi động cơ làm việc

ở chế độ chuyển tiếp được tính theo công thức[3, 4, 20]:

1

25 0

ρ ρ

Tăng thời gian cháy trễ sẽ làm tăng phần nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy Thay đổi áp suất tăng áp trong quá trình chuyển tiếp ảnh hưởng chủ yếu đến lượng nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy trong một chu trình gctv (áp suất tăng áp giảm xuống gctv tăng lên) Khi tăng thời gian cháy trễ τi một lượng ∆τi thì độ tăng chiều dài chùm tia nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếp được tính bằng công thức[3, 4, 20]:

11

25 0

L

τ τ

ρod, τiod là khối lượng riêng không khí nạp và thời gian cháy trì hoãn ở chế độ ổn

định

Lượng nhiên liệu cấp cho động cơ ảnh hưởng đến các thông số hoà trộn Khi giảm lượng nhiên liệu cấp cho chu trình thì thời điểm bắt đầu và kết thúc phun dịch lại gần nhau, kết quả là áp suất phun nhiên liệu trung bình giảm xuống Tăng áp suất bắt đầu phun làm tăng áp suất phun trung bình, do vậy làm tăng độ tán xạ, độ đồng nhất phun và chiều dài chùm tia nhiên liệu

Tóm lại, các thông số của thiết bị nhiên liệu, kết cấu buồng cháy, cơ cấu nạp, cũng như vòng quay động cơ đều được thiết kế đảm bảo chất lượng phun sương và hoà trộn hỗn hợp tốt tương ứng với chế độ làm việc định mức (vòng quay và phụ tải

định mức) Khi thay đổi chế độ làm việc của động cơ làm cho chất lượng phun sương, hoà trộn hôn hợp xấu đi, điều đó ảnh hưởng tới tính kinh tế, tính tin cậy và tuổi thọ của động cơ

Trong quá trình khai thác động cơ, các thiết bị trong hệ thống nhiên liệu bị mài mòn, trạng thái kỹ thuật xấu đi: khe hở giữa pít tông - xi lanh bơm cao áp, giữa

kim và thân kim phun tăng lên, độ kín khít giữa đế kim và kim phun giảm do chất lượng bề mặt côn giữa kim và đế kim phun giảm xuống, độ cứng lò xo vòi phun yếu

đi, lỗ đầu phun tắc v.v làm giảm chất lượng và số lượng nhiên liệu phun, làm ảnh hưởng rõ rệt tới chất lượng hoà trộn hỗn hợp và chất lượng cháy nhiên liệu, nên ảnh hưởng tới các thông số chỉ thị, có ích, ứng suất cơ, nhiệt của động cơ Do vậy, điều kiện và chất lượng khai thác là một trong các yếu tố đóng vai trò quan trọng tới tính tin cậy, tính kinh tế, tuổi thọ của động cơ cũng như thành phần độc tố khí xả thải ra môi trường

1.2.5 Sự thay đổi các thông số công tác của động cơ khi thay đổi tải đột ngột

1.2.5.1 Các quá trình thay đổi tải đột ngột:

Thay đổi tải nhanh với cường độ thay đổi lớn gọi là thay đổi tải đột ngột Trong các quá trình này mô men cản của động cơ tăng hoặc giảm (ta còn gọi là quá trình đóng hay cắt tải) làm thay đổi vòng quay, mức độ thay đổi vòng quay do việc

điều chỉnh bộ điều tốc hay điều khiển lượng cấp nhiên liệu quyết định Đóng hay cắt tải nên tiến hành khi vòng quay gần với vòng quay định mức hoặc khi vòng quay nhỏ

Điều kiện làm việc nặng nhọc nhất đối với động cơ tăng áp TBKX là khi

đóng tải lớn tức thời từ chế độ không tải hoặc đột ngột tăng tốc động cơ nhờ tăng tay

ga nhiên liệu Để đánh giá so sánh tính hiệu quả của các động cơ khác nhau khi

đóng, ngắt tải cần phải sử dụng hợp lý các đặc tính đóng và ngắt tải giống nhau đối với tất cả các động cơ và thường chọn đóng, ngắt tải tức thời 100% Hai chỉ tiêu chính để đánh giá chất lượng của quá trình chuyển tiếp khi thay đổi tải là độ thay

đổi vòng quay tương đối ϕ và thời gian của quá trình chuyển tiếp Ta Đường cong thay đổi vòng quay trong quá trình đóng, ngắt tải được biểu diễn trên hình 5.1.[1, 3,

9, 12]

Độ thay đổi vòng quay tương đối ϕ được tính theo vòng quay ở chế độ ban

đầu so với vòng quay định mức:

dm

dm

ω

ωω

ϕ = ư

(a)Khi đóng tải đột ngột (b)Khi ngắt tải đột ngột Hình 1.8 Quá trình chuyển tiếp của động cơ khi đóng, ngắt tải đột ngột

Thời gian quá trình chuyển tiếp được tính từ thời điểm bắt đầu thay đổi phụ tải tới thời điểm giá trị vòng quay bắt đầu dao động ổn định trong giải ψ Khi động cơ làm việc theo đường đặc tính điều chỉnh ứng với vòng quay định mức với các chế

độ phụ tải không đổi và chế độ không tải độ không ổn định ψ nằm trong giới hạn 1%, tức là cho phép vòng quay dao động trong giới hạn ±0,5% so với giá trị trung bình Để tránh quá tải vòng quay trong thời gian ngắn cho động cơ khi thay đổi phụ tải đột ngột cần phải đảm bảo độ thay đổi vòng quay tương đối ϕ không vượt quá giới hạn 10-12%, đối với động cơ lai máy phát điện xoay chiều khi thay đổi tải đột ngột phải đảm bảo ϕ ≤ 5-6% Một đặc tính quan trọng nữa là độ tắt nhanh dao động Thời gian của quá trình chuyển tiếp thường được giới hạn Ta = 5-10 giây

1.2.5.2 Sự thay đổi các thông số công tác của động cơ khi diễn ra quá trình tăng tốc do tăng tay ga nhiên liệu

Đây là quá trình làm việc thường xuyên đối với động cơ lắp trên các phương tiện vận tải hoặc thi công cơ giới có thể phân quá trình này thành 3 pha:

- Pha 1 tương ứng với thời gian thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

1.2.5.3 Sự thay đổi các thông số công tác của động cơ khi diễn ra quá trình đóng tải

Quá trình đóng tải trải qua 3 pha [1, 3, 12] Pha 1 được xác định bằng đặc tính đóng tải, pha 2 ngắn hơn được đặc trưng bởi sự thay đổi nhanh và lớn các thông

số quá trình công tác Pha 3 khác với 2 pha trên là các thông số thay đổi ít hơn cho

đến khi sấy nóng hoàn toàn động cơ và kết thúc ở chế độ ổn định mới Khi đóng tải (tăng mô men cản) thanh răng bơm cao áp dịch chuyển nhanh để tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, điều này được quyết định bởi đặc tính tĩnh và động học của

bộ điều tốc cũng như đặc tính bơm cao áp Trong giai đoạn đầu của quá trình đóng tải vòng quay động cơ giảm nhanh do mô men cản lớn hơn mô men quay Vòng quay trục khuỷu động cơ giảm nhanh thông qua bộ điều tốc kéo thanh răng làm tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Trong trường hợp này phương trình chuyển động quay của hệ thống như sau:

J dω/dτ = Mq - Mc < 0 hay dω < 0 hay ω2 < ω1

Khi đó thời gian phun nhiên liệu (tính theo góc quay trục khuỷu) và góc phun sớm nhiên liệu ϕfs so với giá trị của chúng ở chế độ ổn định giảm xuống Hệ số dư lượng không khí α giảm nhanh Do vậy quá trình cháy chuyển sang đường giãn nở

So với chế độ ổn định trị số Pz, (dp/dϕ)max giảm, các thông số chỉ thị của quá trình xấu đi

Đặc tính thay đổi các thông số làm việc của động cơ kích thước lớn tăng áp bằng tua bin khí xả phụ thuộc chủ yếu vào sự phù hợp giữa hệ thống cấp nhiên liệu

và cấp không khí Từ thời điểm đóng tải qua vài chu trình công tác thấy lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng đột ngột, mức độ tăng này do tính chất bộ điều tốc quyết

định Sau đó theo mức độ tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình hệ số dư lượng không khí α giảm nhanh và đạt tới giá trị cực tiểu Giá trị này khác nhiều so với chế

độ ổn định mới tương ứng Mức độ tăng vòng quay rô to tua bin máy nén chậm do quán tính của nó nên hệ số dư lượng không khí α càng giảm nhanh Sự thay đổi của

hệ số α được thể hiện qua công thức:

α = Gkk / Lo gct

Trong đó khi Gkk không thay đổi còn gct tăng lên nên giá trị α giảm

Sau một thời gian vòng quay trục khuỷu tăng gần đến vòng quay ổn định tiếp theo, trong khi đó vòng quay tua bin hồi phục chậm hơn áp suất khí xả trước tua bin trong giai đoạn đầu vượt quá Pk nên xảy ra hiện tượng rò lọt ngược khí xả vào

đường ống nạp, càng làm giảm hệ số dư lượng không khí α và sau đó mới đạt áp suất bình thường Giá trị hệ số dư lượng không khí α đạt trị số nhỏ nhất trong giai

đoạn đầu của quá trình chuyển tiếp Quá trình cấp nhiên liệu bị phá vỡ ảnh hưởng

đến quá trình công tác trong xi lanh và làm xấu các thông số chỉ thị, có ích của động cơ nên hiệu suất có ích giảm Trong giai đoạn đầu có bước nhảy về độ cứng quá trình công tác áp suất cháy cực đại của chu trình công tác thấp hơn giá trị tương ứng với chế độ ổn định Sử dụng cơ cấu điều chỉnh cấp nhiên nhiên liệu theo áp suất tăng áp là biện pháp cải thiện các thông số chỉ thị và có ích của động cơ điezen có tăng áp tua bin khí xả

1.2.5.4 Sự thay đổi các thông số công tác của động cơ khi diễn ra quá trình ngắt tải

Quá trình chuyển tiếp này được đặc trưng bởi sự giảm nhanh mô men cản và thay đổi một ít vòng quay trong phạm vi không đồng đều của bộ điều tốc Cũng như trường hợp đóng tải, quá trình này phân ra thành 3 pha, trong đó pha thứ nhất tương ứng với thời gian thay đổi yếu tố tác động (sự giảm Mc) Pha 2 được đặc trưng bởi sự thay đổi nhanh với nhịp độ lớn các thông số trong thời gian ngắn Pha thứ 3 đặc trưng bởi sự thay đổi đều, nhỏ các thông số và ở cuối quá trình bằng các thông số ở chế độ ổn định Thời gian kéo dài của pha 2 tính bằng giây, còn đối với pha 3 tính bằng phút

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm [3, 12] cho thấy, khi ngắt tải đột ngột từ chế

độ định mức đến không tải, trong giai đoạn đầu của quá trình chuyển tiếp vòng quay lệch đi một chút, sau thời gian 0,4-0,6 giây thanh răng BCA dịch chuyển đến vị trí ứng với hành trình không tải Như vậy trong giai đoạn đầu của quá trình chuyển tiếp

sau khi ngắt tải lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cao hơn ở chế độ mới Thời gian của thời kỳ này quyết định bởi tính chất động học của BĐT Trong thời gian này vòng quay tăng nhanh còn hệ số nạp giảm rõ rệt (3-4%)

Tương ứng với sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và hệ số nạp, hệ

số dư lượng không khí α cũng thay đổi Trong pha 2 của quá trình hệ số dư lượngkhông khí α giảm so với chế độ ổn định ảnh hưởng của quá trình chuyển tiếp trong pha 2 đến góc phun sớm nhiên liệu ϕfs cũng như ảnh hưởng đến hệ số dư lượng không khí α và chất lượng hoà trộn hỗn hợp quyết định đặc tính diễn biến quá trình công tác và các thông số của quá trình

1.3 Các phương pháp cải thiện các thông số công tác của động cơ và hướng nghiên cứu của đề tài

Như trên đã phân tích, khi động cơ điezen tăng áp TBKX làm việc ở chế độ thay

đổi tải, các thông số công tác của động cơ sẽ thay đổi theo chiều hướng xấu đi làm làm giảm chất lượng chu trình công tác, giảm tính tin cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế

và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả Để khắc phục các vấn đề nêu trên nhằm cải thiện các thông số công tác của động cơ, dựa vào vào các phương pháp tính toán quá trình chuyển tiếp của động cơ đã nêu ở trên, trên thế giới đã có nhiều phương pháp được áp dụng và đưa vào thực tế sản xuất, đặc biệt trong chế tạo các động cơ điezen đời mới nhằm cải thiện các thông số công tác của động cơ khi hoạt động ở các chế độ này Các phương pháp cải thiện có thể được tập trung theo hướng hoàn thiện hệ thống nạp thải khí, hoàn thiện bộ điều tốc hoặc hoàn thiện hệ thống cấp nhiên liệu [ ]:

1.3.1 Sử dụng tăng áp biến áp: Tăng áp biến áp có ưu điểm so với tăng áp đẳng áp

khi tỉ số tăng áp πk đạt đến giá trị 2 Khi πk > 2 tính ưu việt của nó giảm đi Khi tăng

áp biến áp, do tiết diện đường ống xả nhỏ nên phần khí xả ra khỏi xilanh vẫn giữ

được tốc độ cao sẽ giãn nở trên cánh hướng và bánh cánh công tác Entanpi khí xả của tăng áp biến áp cao hơn 20-30% so với tăng áp đẳng áp Trong khi đó với tăng

áp đẳng áp khí xả ra khỏi xilanh bị đẩy ra 2 phía của đường ống xả có thể tích lớn nên động năng bị tổn thất Khi động cơ làm việc với tải và vòng quay nhỏ thì rò lọt ngược khí xả tăng lên do tăng độ chênh áp suất pkx - pk Đặc biệt là tại thời điểm

đóng tải, thanh răng dịch chuyển nhanh đến chốt tì tăng lượng cấp nhiên liệu cho chu trình, lúc đó vòng quay giảm nhanh nên thời gian trùng điệp tăng lên Do vậy hệ

số khí sót tăng lên, hệ số nạp giảm, khói và thời gian quá trình chuyển tiếp cũng tăng lên

Với hệ thống tăng áp biến áp năng lượng bổ sung cho tua bin tăng lên do tăng

động năng dòng khí ra khỏi xilanh bằng cách phân ra các ống xả khác nhau Mỗi ống xả đều có tiết diện bé và được nối với hai hay nhiều xilanh có góc làm việc cách quãng (không kế tiếp nhau) Mặc dù nhược điểm của tăng áp biến áp là dẫn cục bộ dòng khí đến tua bin, áp suất dòng khí xả không đều nên hiệu suất giảm Tuy nhiên

sử dụng tăng áp biến áp sẽ làm tăng áp suất tăng áp pk, đồng thời làm giảm pkx tại thời điểm quét sạch xilanh, nhờ vậy tổn thất bơm giảm xuống

1.3.2 Giảm mô men quán tính rô to tua bin máy nén: Tốc độ tăng tốc tua bin máy

nén là yếu tố quyết định khi tăng tốc động cơ cũng như sự hồi phục các thông số công tác của động cơ khi đóng tải Kết quả thử nghiệm và mô hình hoá trên động cơ 6ЧСНП18/22 tăng áp đẳng áp sử dụng 2 loại tua bin máy nén có mô men quán tính

Jqt=0.027 kGm và Jqt=0.04 kGm (các thông số khác của tua bin máy nén là giống nhau), khi đóng tải 80% cho thấy [ ]: các thông số công tác của động cơ khi sử dụng loại tua bin máy nén có mô men quán tính Jqt=0.027 kGm được cải thiện rõ rệt hơn

mô men quán tính nhỏ nên sau khi đóng tải vòng quay của rô to tua bin máy nén ở trường hợp Jqt=0.027 kGm thay đổi ít hơn trường hợp Jqt=0.04 kGm Điều đó làm cho lượng không khí nạp vào xilanh động cơ cao hơn, hệ số dư lượng không khí nhỏ nhất lớn hơn 3,5%, vòng quay nhỏ nhất của động cơ sau khi đóng tải lớn hơn 1%, thời gian chuyển tiếp của động cơ là 6,5 giây, so với trường hợp thứ 2 là 8,5 giây

1.3.3 Lựa chọn các thông số trao đổi khí: Đối với động cơ 4 kỳ tăng áp bằng

TBKX, đặc biệt ở động cơ trung tốc, quá trình trao đổi khí ảnh hưởng lớn đến chế

độ công tác động cơ khi thay đổi tải ở chế độ định mức áp suất tăng áp thường lớn hơn áp suất khí thải trước tua bin Pk>Pkx do vậy khí nạp quét sạch xi lanh , lượng khí sót nhỏ, nhờ vậy tăng được lượng không khí nạp nên quá trình cháy tốt ở chế độ nhỏ tải (các chế độ nhỏ hơn 30% tải) hiệu suất đoạn nhiệt của máy nén giảm, Pk<Pkx nên trong thời gian trùng điệp có hiện tượng rò lọt ngược khí xả từ đường ống xả vào xi lanh và từ xi lanh vào đường ống nạp, do vậy chất lượng quá trình chuyển tiếp xấu hơn Nếu tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình thì Pkx tăng nhưng Pk

không tăng do quán tính rô to tua bin máy nén

Trong chế độ thay đổi tải đối với động cơ 4 kỳ tăng áp bằng TBKX góc độ phối khí và quá trình trao đổi khí ảnh hưởng mạnh đến các thông số của động cơ

trên cần cẩu nổi khi ở chế độ đóng tải đột ngột [19; 20] độ khói tăng lên 98%, khí xả rò lọt ngược vào đường ống nạp, kết quả trong đường ống nạp, xả, ống phun của tua bin lượng muội bám tăng lên Một trong các nguyên nhân tạo muội trên các chi tiết đó là sự rò lọt ngược khí xả từ xi lanh và đường ống xả vào đường ống nạp áp suất khí thể trong đường ống xả lúc bắt đầu quá trình đóng tải tăng nhanh hơn áp suất tăng áp Khi góc trùng điệp của xu pap lớn hơn 125 độ góc quay của trục khuỷu, đối với quá trình chuyển tiếp thời gian này đủ để khí xả điền đầy đường ống hút, do vậy giảm lượng khí nạp trong chu trình tiếp theo Đó là nguyên nhân giảm

bổ sung hệ số dư lượng không khí αvà giảm chất lượng quá trình cháy, tăng tổn thất hành trình bơm

Giảm góc trùng điệp của xu páp nạp, xả để giảm rò lọt ngược khí xả sẽ cải thiện được chế độ tăng tốc nhưng làm xấu việc quét sạch khí sót trong xi lanh ở chế

độ gần chế độ định mức và giảm tính kinh tế Vì vậy giải quyết vấn đề kỹ thuật này cần phải dựa vào cơ sở phân tích các chế độ làm việc của động cơ trong quá trình khai thác Nếu động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ không ổn định và ít khi

được khai thác ở chế độ định mức thì phải lựa chọn pha phối khí hợp lý có tính đến

sự rò lọt ngược khí xả

1.3.4 Điều chỉnh tua bin máy nén: Theo các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết

trên động cơ 6ЧСНП18/22 [ ] thì khả năng tăng tốc của rô to tua bin máy nén không chỉ phụ thuộc vào mô men quán tính khối lượng của chúng mà còn phụ thuộc vào mức độ xung áp của tua bin Thật vậy, xét đặc tính quá trình sử dụng năng lượng khí xả trong tua bin biến áp ta thấy nó sử dụng tốt được thành phần năng lượng xung của khí xả, nên tua bin sẽ có khả năng phản ứng nhanh với sự thay đổi chế độ công tác của động cơ, bảo đảm tính tăng tốc tốt hơn khi động cơ nhận tải so với khi động cơ sử dụng tua bin đẳng áp Ngoài ra nhờ đặc điểm của hệ thống khí xả khi lắp tua bin biến áp mà có sự giảm nhanh của áp suất ở những đoạn ống xả trong thời kỳ quét, việc quét khí của các xi lanh cũng tốt hơn và giảm đáng kể hiện tượng khí xả chảy ngược từ ống xả về ống nạp trong giai đoạn đầu của quá trình tăng tải đột ngột cho động cơ

Hệ số dư lượng không khí α1 và áp suất có ích trung bình cũng có thể tăng lên bằng cách điều chỉnh tua bin máy nén [2; 23] Để điều chỉnh có thể xả khí vòng qua tua bin, xả khí nén trong máy nén ra môi trường xung quanh, xả khí nén từ cửa

ra máy nén vào tua bin, hãm rô to tua bin máy nén bằng cách truyền công suất dư của tua bin lên trục động cơ Một trong những biện pháp hữu hiệu để điều chỉnh tua bin máy nén là dựa vào lý thuyết cánh [1; 11]: lưu lượng không khí qua máy nén tỉ

bằng cách quay cánh để thay đổi góc đặt cánh khuyếch tán, thông thường việc điều chỉnh không phải dịch chuyển tất cả cánh mà chỉ phần trước của cánh Phương pháp

điều chỉnh bằng cách quay cánh có kết cấu phức tạp và phạm vi điều chỉnh không lớn, tuy nhiên tính tin cậy khi làm việc của phương pháp này cao hơn phương pháp

điều chỉnh quay cánh thiết bị phun của tua bin Cũng dựa vào lý thuyết cánh người

ta điều chỉnh tua bin bằng cách điều chỉnh ống phun của tua bin Khi áp dụng phương pháp này có thể sử dụng loại tua bin với vỏ thiết bị hướng không cánh được

chia thành 2 rãnh hoặc loại vỏ có van tiết lưu quay ở cửa vào bánh cánh hoặc loại thiết bị cánh hướng có cánh quay Nhờ quay các cánh mà thiết bị hướng vào được

điều chỉnh, do vậy mở rộng được vùng làm việc của tua bin các phương pháp điều chỉnh tua bin máy nén tăng áp đảm bảo pk, pe cao khi vòng quay động cơ nhỏ không chỉ tăng hệ số dư lượng không khí, mà còn giữ được vòng quay rô to tua bin máy nén cao khi vòng quay động cơ thấp Nhờ vậy quá trình tăng tốc được bắt đầu khi vòng quay rô to tua bin máy nén cao nên rút ngắn được thời gian tăng tốc

1.3.5 Cấp khí bổ sung: Để cải thiện các thông số công tác của động cơ trong quá

trình chuyển tiếp có thể sử dụng biện pháp cấp khí bổ sung Lượng khí bổ sung này

có áp suất cao thường được lấy từ bình khí nén hoặc máy nén độc lập khác Lượng không khí bổ sung được cấp vào đường ống nạp, cấp trực tiếp vào xilanh hoặc cấp trực tiếp lên cánh máy nén Tất cả các biện pháp trên nhằm tăng lượng không khí nạp, hệ số không khí thừa α, tăng cường hoà trộn hỗn hợp tốt, nhờ vậy cải thiện

được quá trình đốt cháy nhiên liệu trong các chế độ tăng tốc và đóng tải Đây cũng

là một phương án dùng để tăng áp suất tăng áp ở chế độ ổn định khi vòng quay trục

khuỷu thấp

Phương án cấp khí bổ sung bằng tay đã xuất hiện từ những năm 80 của thế kỷ

20 thường dùng cho động cơ cỡ lớn tàu thuỷ Trong chế độ thay đổi tải đặc biệt là chế độ đóng tải hoặc tăng tốc đột ngột động cơ làm việc với hệ số dư lượng không khí rất thấp Quá trình cháy thiếu không khí sẽ làm cho chất lượng giảm xuống làm xấu các thông số chỉ thị và có ích của động cơ Việc cấp khí bổ sung cho động cơ vào thời điểm này có thể cải thiện chất lượng làm việc cũng như các thông số công tác của động cơ khi hoạt động ở các chế độ này Với phương án cấp khí bổ sung bằng tay, để đảm bảo đủ không khí cho động cơ trong quá trình động cơ làm việc ở chế độ thay đổi tải, người điều khiển sẽ khởi động một máy nén khí độc lập và cấp thêm không khí bổ sung cho các xilanh của động cơ Phương án này có nhược điểm

là chất lượng làm việc của động cơ trong quá trình chuyển tiếp phụ thuộc rất nhiều vào kỹ năng và kinh nghiệm của người điều khiển

1.3.6 Sử dụng chốt tì di động dạng thuỷ lực: Nguyên nhân cơ bản làm cho hệ số

dư lượng không khí α giảm nhanh trong quá trình đóng tải đột ngột là ngay tại thời

điểm đầu của quá trình đóng tải, thanh răng bơm cao áp đột ngột lao lên vị trí chốt tì cấp nhiên liệu cực đại cấp vào xilanh động cơ một lượng nhiên liệu là lớn nhất trong khi đó do rô to tua bin máy nén chưa kịp tăng tốc nên lượng không khí cấp vào động cơ không tương xứng với lượng nhiên liệu đã được phun vào Sử dụng chốt tì di động dạng thuỷ lực cho phép làm giảm mức độ đột ngột cấp nhiên liệu vào xilanh của

động cơ, qua đó sự thay đổi các thông số công tác cũng như chất lượng của quá trình chuyển tiếp của động cơ được cải thiện [23] Nguyên lý làm việc của chốt tỳ di động dạng thuỷ lực như sau Khi phụ tải tăng chậm dưới tác động của bộ điều tốc thanh răng dịch chuyển từ từ sang trái thông qua lò xo 8 tì lên piston 7 Piston 7 dịch chuyển sang trái chậm, công chất trong khoang 6 thông qua các lỗ hiệu chỉnh 5 chảy sang khoang phụ 4, nên piston 7 dịch chuyển tự do không bị cản Khi tăng phụ tải

đột ngột thanh răng 9 dịch chuyển nhanh, lò xo 8 bị ép mạnh, khe hở giữa thanh răng 9 và chốt tì 7 giảm xuống, nên cả hai chi tiết cùng dịch chuyển nhanh, dầu trong khoang 6 không kịp lưu thông qua các lỗ 5, nên áp lực tăng lên, van điều khiển 10 dịch chuyển sang trái, kim 12 đóng tiết diện lưu thông lỗ van 13, do vậy tốc độ dịch chuyển thanh răng 9 bị hãm lại

Hình 1.9 Chốt tỳ di động thuỷ lực

Ngoài việc sử dụng chốt tì di động thuỷ lực, để nâng cao tính tin cậy người ta còn áp dụng chốt tì di động lò xo dạng đơn giản hơn Thay vì được điều chỉnh bởi công chất trong khoang thuỷ lực của chốt tì di động thuỷ lực, khi tăng tải đột ngột tốc độ dịch chuyển của thanh răng trong chốt tì di động kiểu lò xo được điều chỉnh bởi lò xo và piston đặt trong nắp hiệu chỉnh

1.3.7 Cải tiến hệ thống nhiên liệu: điển hình của phương án này là sự ra đời của

loại động cơ điezen thế hệ mới, động cơ Common Rail, với loại động cơ này người

ta không dùng bơm nhiên liệu kiểu Bosh mà dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu Comon Rail với một bình tích áp, nhiên liệu được nén sẵn với áp suất cao và sẽ được phân phối cho các xilanh của động cơ nhờ được kết nối với mạng điều khiển điện tử của động cơ Ưu điểm nổi trội của hệ thống nhiên liệu Comon Rail ở chỗ áp suất phun có thể lựa chọn tuỳ ý không phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ Tức là không phụ thuộc vào số vòng quay cũng như tải của động cơ Với ưu điểm nổi trội này, ngày nay hệ thống Comon Rail đã được dùng cho động cơ điezen không những của xe du lịch có đường kính xilanh nhỏ mà cả cho cả những động cơ cỡ lớn của tàu hoả, tàu thuỷ[25]

1.3.8 Cải tiến bộ điều tốc: Bộ điều tốc cơ khí hoặc thuỷ lực đã được thay thế bằng

bộ điều tốc điện tử để cải thiện tính tác động nhanh và độ ổn định của bộ điều tốc

Bộ điều tốc tác động nhanh đảm bảo độ giảm vòng quay nhỏ tại thời điểm ban đầu sau khi đóng tải, do vậy vòng quay rô to tua bin máy nén trong thời kỳ chuyển tiếp vẫn tăng nhanh Bộ điều tốc tác dụng nhanh hơn làm cho giá trị nhỏ nhất của vòng quay và hiệu suất chỉ thị lớn hơn, nên các thông số của quá trình chuyển tiếp được cải thiện [ 25 ]

1.3.9 Cải tiến cơ cấu phối khí: Phương pháp đơn giản nhất là thay đổi góc trùng

điệp của các động cơ bốn kỳ trung tốc thường xuyên làm việc ở chế độ thay đổi tải

đột ngột bằng cách tăng góc mở sớm xupap xả trước ĐCD đồng thời giảm góc đóng

muộn sau ĐCT [2; 25] Với phương án này thì trong quá trình chuyển tiếp sẽ tăng hệ

số nạp và năng lượng phân bố của khí xả trong tua bin

Một phương pháp hiện đại ngày nay đang được nghiên cứu và đã tiến hành áp dụng vào sản xuất ở nhiều hãng chế tạo động cơ trên thế giới đó là bố trí hệ thống nạp thải có kích thước và hình dạng hình học hợp lý để tận dụng năng lượng xung của dòng khí thải cũng như năng lượng của sóng áp suất trong đường ống nạp và

đường ống thải [3; 24 ]

1.4 Kết luận và ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động bổ sung khí cho động cơ điezen tăng áp bằng tua bin khí xả

Ngành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong ở Việt Nam tuy còn rất non trẻ, song những doanh nghiệp đầu đàn của Tổng công ty Máy Động Lực như: nhà máy Cơ khí Trần Hưng Đạo, Cơ khí Duyên Hải – Hải Phòng, Công ty Điezen Sông Công, Công ty Máy nông nghiệp Miền nam-VIKYNO, đều tập trung chế tạo động cơ

điezen Trong những năm tới (2001-2005), mục tiêu của Chương trình Khoa học & Công nghệ cấp Nhà nước (ngành Cơ khí – Chế tạo máy) là tập trung thiết kế, chế tạo

động cơ điezen 3, 4 xilanh với phạm vi công suất 40 ữ 60 mã lực, cũng như phụ tùng thay thế cho các động cơ điezen có công suất 400 ữ 600 mã lực Và sắp tới, một dự

án tổng thể cho công nghiệp ô tô Việt Nam đã được soạn thảo (với tổng số vốn lên

đến khoảng 500 triệu USD, trong đó khoảng 300 triệu USD đầu tư xây dựng các nhà máy sản xuất động cơ điezen) Để thực hiện được nhiệm vụ này, chúng ta cần đầu tư nghiên cứu chuyên sâu về động cơ điezen không những từ góc độ quản lý khai thác

cơ Mức độ thay đổi các thông số công tác phụ thuộc vào trạng thái kỹ thuật của

động cơ và chế độ phụ tải Khi hoạt động ở các chế độ này các thông số công tác của động cơ thay đổi theo chiều hướng xấu đi làm giảm các chỉ tiêu kinh tế, giảm tính tin cậy, tuổi thọ của động cơ, đồng thời làm cho các thành phần độc tố trong khí xả tăng lên gây ô nhiễm môi trường Qua phân tích ở trên chúng ta thấy có rất nhiều phương pháp được áp dụng nhằm cải thiện các thông số công tác của động cơ trong quá trình chuyển tiếp Tuy nhiên mỗi phương pháp được áp dụng phải được cân nhắc phù hợp với điều kiện công nghệ cũng như chi phí Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và điều khiển học, phương pháp tự động cấp khí

bổ sung cho động cơ cho thấy có nhiều ưu điểm khi áp dụng tại Việt Nam Đặc biệt khi mà tại Việt Nam thế hệ động cơ đời cũ, giá rẻ vẫn đang được sử dụng phổ biến trên thị trường

gct – Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tính theo công thức

αgiới hạn – là hệ dư lượng không khí mà ở đó động cơ đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu;

được tính theo chế độ làm việc ổn định của động cơ.

kiện thay đổi tải khác nhau trên máy tính PC Đây cơ sở để thiết kế và lập chương trình điều khiển bộ tự động cấp khí bổ sung cho động cơ khi hoạt động trong các

điều kiện này Dưới đây là một số khái niệm phân loại cụ thể các dạng thông số trong tính toán quá trình công tác của động cơ

Số liệu ban đầu đối với động cơ, cụ thể là các thông số gồm: điều kiện biên,

điều kiện ban đầu, các thông số kết cấu và các thông số điều chỉnh động cơ

Các điều kiện ban đầu là các thông số chủ yếu cần thiết để bắt đầu tính toán:

áp suất và nhiệt độ không khí tăng áp; áp suất , nhiệt độ và thành phần khí nạp lúc bắt đầu nén trong xilanh; áp suất, nhiệt độ và thành phần khí trong ống xả

Các điều kiện biên là các chỉ số đặc trung cho động lực học toả nhiệt, điều

kiện trao đổi nhiệt giữa khia với vách xilanh, tổn thất áp suất trong ống xả và hiệu suất tua bin

Các thông số kết cấu là đường kính xilanh, hành trình piston, tỉ số nén, tỉ số

bán kính trục khuỷu với chiều dài biên, kích thước và tiết diện thông qua cơ cấu trao

đổi khí, số xilanh nối với một ống xả, thể tích ống xả và tiết diện thông qua của thiết

bị phun của tua bin

Các thông số điều chỉnh là các thông số đặc trung cho chế độ làm việc, trạng

thái kỹ thuật của động cơ: vòng quay, lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, góc phun sớm nhiên liệu, tiết diện thông qua của thiết bị phun tua bin, mức độ làm mát không khí tăng áp, độ chênh áp suất trong phin lọc máy nén và bầu làm mát không khí tăng áp

Như trong chương một đã phân tích, trong quá trình làmg việc của động cơ, tương ứng với mỗi một sự thay đổi tải bên ngoài sẽ làm mất cân bằng giữa mô mem quay và mô men cản Mỗi một sự thay đổi như vậy sẽ làm cho tất cả các thông số công tác của động cơ thay đổi theo chiều hướng xấu đi Các thông số công tác của

động cơ được lựa chọn để tính toán mô phỏng trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này là:

- Biến thiên tốc độ động cơ nd;

- Sự thay đổi hành trình thanh răng hp;

- Hệ số không khí thừa α;

- Lượng không khí động cơ tiêu hao Gk;

- áp suất khí xả pkx;

- áp suất không khí tăng áp pk;

- Vòng quay rô to tua bin máy nén ntk;

- Hiệu suất chỉ thị của động cơ ηi

Tất cả các thông số trên sẽ biến thiên theo thời gian mỗi khi tải của động cơ thay đổi và được mô phỏng trên máy tính dưới dạng đồ thị hoặc dạng bảng làm cơ

sở để phân tích quá trình công tác của động cơ

2.2 Lựa chọn phương pháp tính toán động cơ

Những qui định hiện nay và trong tương lai về khí xả đòi hỏi các nhà nghiên cứu và chế tạo động cơ phải chế tạo ra những động cơ ngày càng có hiệu suất cao hơn và "sạch hơn" Nhiệm vụ này đòi hỏi phải hết sức nỗ lực và tính toán cẩn thận ở tất cả các bước trong quá trình nghiên cứu Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính điện tử đã thúc đẩy việc sử dụng kỹ thuật mô phỏng phức tạp để xác định

ảnh hưởng của các quá trình cơ bản trong hệ thống động cơ Những tiến bộ đạt được

từ các động cơ ô tô hiện nay sẽ không thể có được nếu không có các mô hình mô phỏng này

Những nghiên cứu ban đầu tập trung vào những bộ phận riêng biệt của của chu trình công tác của động cơ như thì nén, cháy- giãn nở Những mô hình này thu được

từ các tính toán chu trình lý tưởng ở thập kỷ 50, tới các mô hình tương hợp của các

bộ phận của động cơ ở thập kỷ 60, tới các mô hình hoàn toàn động lực học ở cuối thập kỷ 70 và các mô hình cháy nhiều chiều, đa khu vực ở thập kỷ 80 đầu thập kỷ

90 Những mô hình nhiều chiều như KIVA II 3D [28, 34] thường được dùng trong thiết kế khi mà các chi tiết của quá trình chuyển động của chất lỏng hoặc những những vấn đề liên quan đến sự thay đổi nhỏ về hình học có ảnh hưởng lớn Những mô hình này có thể mô phỏng chi tiết dòng khí, quá trình phun và cháy trong mọi ví trí hình học Những mô hình cháy đa khu vực đời thấp hơn như ISIS [34, 34] có thể

dự đoán được công suất phát ra, khí xả, tổn thất trong động cơ, tiêu hao nhiên liệu