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.
Ở giai đoạn đầu khi tải hoặc tốc độ đặt tăng lên, do sự trễ của tuabin máy nén tăng áp mà áp suất khí nạp chưa kịp tăng, dẫn đến dư lượng không khí giảm, quá trình cháy xấu đi. Để có thể cải thiện được tính đáp ứng của động cơ, chúng ta sử dụng giải pháp cấp bổ sung không khí nén được tích trữ trong một bình chứa vào máy nén, bầu góp khí nạp hoặc bánh cánh tuabin. Việc cấp không khí vào bánh cánh máy nén thường hiệu quả hơn nhiều so với cấp khí nén vào các vị trí khác. Hơn nữa không khí được cấp từ phía máy nén khí sẽ
có sẵn, cung cấp lập tức cho quá trình cháy. Cuối cùng thì việc tăng trực tiếp lượng không khí nạp đạt được và thời gian trì hoãn sự cháy giảm xuống nhờ
lượng khí nạp cao vào xylanh động cơ đáp ứng được lượng nhiên liệu cấp vào chỉ trong một vài chu kỳ, với kết quả là năng lượng khí xả tăng làm cho công suất tuabin máy nén tăng dẫn tới đáp ứng của động cơ nhanh hơn.
ly tổ kh su hơ ho tr đư Hìn Hình 3 Ledger v y tâm có b ổ hợp tuab hông khí-n uất ống gó ơn mức qu oạt. Kết q rong 2 giâ ược cấp k nh 3.5: Hì .6: Sơ đồ và Winter bộ điều kh bin tăng á nhiên liệu óp khí nạp uy định (là quả được ây ngay s khí nén, tỷ ình dạng v bố trí họn rbone đưa hiển chung áp. Nó gồm u. Tỷ lệ kh p chia vị à một hàm thể hiện t au khi qu ỷ lệ tương và thiết kế ng cấp khí a ra một p g tới động m 1 vòng hông khí-n trí thanh m của tốc đ trong hình uá trình ch g ứng khí bộ tăng á vào hệ th phương ph cơ 4 thì đ điều khiể nhiên liệu răng bơm độđộng c h 3.7 khi p huyển tiếp í-nhiên liệ áp có cấp k hống điều k háp cấp kh để cải thiệ ển kín cấp u được tính m nhiên liệ ơ), việc cấ phụ tải 0- p bắt đầu ệu được g khí bổ sun khiển máy hí vào má ện sự hoạt p khí dựa h bằng tỷ ệu. Khi gi ấp khí sẽ đ -60% đượ . Sau khi giữ ở giá t ng y nén. áy nén khí động của trên tỷ lệ số của áp iá trị thấp được kích ợc cấp khí máy nén trị đủ cao í a ệ p p h í n o
trong thời gian đầu của quá trình chuyển tiếp, tránh hiện tượng khó nổ và cải thiện sự hoạt động của tuabin tăng áp. Kết quả là cải thiện sự đáp ứng của
động cơ. Nhiều thí nghiệm khác đã được thực hiện với phụ tải 100%; động cơ
tiêu chuẩn không thể nhận được tải này, trong khi áp dụng cho động cơ có cấp khí (trong 2 giây) lại hoạt động tốt.
Hình 3.7: Ảnh hưởng của cấp khí bổ sung đối với quá trình chuyển tiếp Hình 3.7 thể hiện ảnh hưởng của việc cấp khí bổ sung đối với quá trình chuyển tiếp sau khi phụ tải 60% (động cơ diesel trung tốc có tăng áp bằng tuabin khí xả ở 1410ps, 750 v/p).
Một nghiên cứu khác về việc cấp khí bổ sung vào máy nén trên động cơ
diesel tăng áp bằng tuabin khí xả 6 xylanh, dung tích 11,32L, cho thấy một sự
giảm thời gian xả khí thải cao nhất từ 3 giây xuống còn 0,5 giây, cũng như cải thiện thời gian của quá trình chuyển tiếp từ 4 giây xuống còn 1,5 giây khi phụ
tải chuyển tiếp ở 1000v/p. Kết quả có được là nhờ cấp khí trong 1 giây với lượng khí khoảng 0,1kg. Kết quả cũng được ghi nhận cho quá trình tăng tốc. Harndorf và Kunt ghi nhận lượng khí thải giảm 50% so với động cơ cùng loại không có bộ cấp khí; khi kết hợp máy nén khí và cấp khí vào turbine, kết quả
còn tốt hơn nữa.
Vấn đề quan trọng trong hình dạng khi cấp khí là quy trình cấp chính xác, ví dụ, thời điểm cấp, cấp bao lâu, và áp suất cấp khí là bao nhiêu. Hình 3.8 minh họa đáp ứng động cơ sau khi tăng phụ tải loại có cấp khí và loại không có cấp khí với nhiều hình thức cấp khí khác nhau
Hình 3.8. So sánh quá trình chuyển tiếp sau khi tăng phụ tải
Hình 3.8 áp dụng các phương án cấp khí khác nhau (động cơ diesel 4 thì, 6 xilanh, có bộ tăng áp, dung tích 68L, phạm vi 746kw của Ledger)
Một thông số quan trọng khác trong việc cấp khí bổ sung là lượng khí cấp vào vì điều này quyết định kích cỡ bình khí nén. Đối với động cơ trung tốc trong hình 3.8, bình khí 0.45m3 chứa khí áp suất 6,89 bar là đủ cung cấp khí cho thời gian cấp 3 giây ở 3,45 bar qua van giảm áp thích hợp.
Việc cấp khí thông qua xupáp nạp trực tiếp vào xylanh động cơ được đề
xuất cũng mang lại hiệu quả cao, trong trường hợp này mômen của động cơ
luôn ổn định. Điều này được minh chứng bởi Boy, khi dùng bình khí đặt song song với bộ tăng áp ở áp suất 30 bar để tăng tốc cho động cơ trung tốc tàu thủy.
Qua phân tích ở trên chúng ta thấy có rất nhiều phương pháp được áp dụng nhằm cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp 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 cấp khí bổ
sung cho tổ hợp tuabin tăng áp 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.
Lượng không khí bổ sung có thể xác định bằng công thức: Gbổsung = Gcần thiết − Gtức thời
Trong đó:
+ Gtức thời = Gk - lượng tiêu hao không khí qua động cơ trong một chu trình + Gcần thiết = Ggiới hạn. gct. Lo
Lo- Lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu,
được xác định theo loại nhiên liệu của động cơ Diesel. gct - Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tính theo công thức
ggiới hạn - là hệ số 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.
3.4. Tính toán sự thay đổi các thông số công tác của tổ hợp tuabin tăng áp và động cơ trong chế độ chuyển tiếp.
3.4.1. Lựa chọn các thông số tính toán
Trong phần này chúng ta quan tâm đến việc lựa chọn các thông số công tác chủ yếu của động cơđể tính toán mô phỏng sự làm việc của động cơ trong các điều kiện thay đổi tải khác nhau trên máy tính. Đây là cơ sởđể 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 khí với vách xilanh, tổn thất áp suất trong ống xả và hiệu suất tuabin.
- 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 tuabin.
- Các thông sốđiều chỉnh là các thông sốđặc trưng cho chếđộ 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 tuabin, 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 làm việc của động cơ, tương ứng với mỗi một sự thay đổi tải bên ngoài sẽ làm mất cân bằng giữa mômen quay và mômen 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 cơđược lựa chọn để tính toán mô phỏng trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này là:
+ Hàm lưu động tương đối ; + Khối lượng không khí nạp Gkq;
+ Lượng không khí động cơ tiêu hao Gk;
+ Lượng không khí cấp bổ sung cho tuabin tăng áp Gbs; + Công suất máy nén Nk;
+ Hiệu suất chỉ thị của động cơηi;
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.
3.4.2. Lựa chọn phương pháp tính toán động cơ
Như đã đề cập ở trên, trong khi các chương trình tính toán động cơ ở chếđộ
làm việc ổn định rất hữu ích cho mục đích thiết kế thì các ứng dụng của nó lại phần nào hạn chế trong khai thác vận hành. Tuy nhiên việc nghiên cứu động cơở
chếđộ khai thác được phát triển từ các nghiên cứu tính toán động cơở chế độ ổn
định, do đó tính toán động cơở chế độổn định là một bộ phận không thể tách rời của nghiên cứu chếđộ chuyển tiếp của động cơ.
Như đã biết, chế độ thay đổi tải là một trường hợp riêng của quá trình chuyển tiếp và là chế độ vận hành chủ yếu của động cơ. Vì vậy để nghiên cứu tính toán
quá trình chuyển tiếp. Những nỗ lực ban đầu về lĩnh vực này chủ yếu tập trung vào động cơ Diesel tăng áp bằng tuabin khí xả do khả năng thích ứng của loại
động cơ này với sự thay đổi tải là kém hơn nhiều so với động cơ không tăng áp. Việc nghiên cứu chế độ chuyển tiếp của động cơ Diesel nói chung và nghiên cứu
động cơ làm việc khi thay đổi tải nói riêng đã được tiến hành cả bằng thực nghiệm lẫn mô hình hoá dựa trên cơ sở của các mô hình mô phỏng động cơ ở
chếđộ ổn định.
3.4.3. Lập thuật toán và chương trình tính.
Như đã trình bày ở chương 2, để tính toán các thông số công tác của động cơ
khi thay đổi tải đột ngột phải tiến hành thiết lập mối quan hệ và hoạt động phối hợp giữa phụ tải và động cơ, giữa động cơ với tuabin khí xả, giữa tuabin khí xả
và máy nén, giữa lưu lượng không khí do máy nén tạo ra và lưu lượng không khí
động cơ cần thiết khi động cơ làm việc ở các chế độ tải thay đổi. Đó là hệ các phương trình vi phân và phương trình đại số mô tả các quá trình chuyển tiếp và mối liên hệ giữa các thông số của động cơ. Dựa vào mô hình và các giả thiết đã
được nêu ở chương 2 chúng ta lần lượt xét các mối quan hệ đó theo các bước tính dưới đây.
Tính toán động cơ làm việc ở chếđộ thay đổi tải:
Rõ ràng việc tính toán động cơ Diesel tăng áp tuabin khí xả khi làm việc ở
chế độ ổn định định mức đã là một nhiệm vụ hết sức khó khăn thì việc tính toán
ở chếđộ chuyển tiếp còn khó khăn hơn gấp bội. Trong thực tế khai thác động cơ, phần lớn thời gian làm việc của động cơ là làm việc ở các chế độ chuyển tiếp. Ở
các chế độ này, các thông số công tác của động cơ xấu hơn so với các chế độ định mức, đặc biệt đối với động cơ Diesel tăng áp bằng tuabin khí xả do khả
không tăng áp... Tính phức tạp của việc giải bài toán này là ở chỗ cần phải khảo sát hoạt động phối hợp của động cơ đốt trong, tuabin khí và máy nén khí. Nhiều tham số của quá trình làm việc liên quan lẫn nhau và quyết định nhau, còn tất cả
các tham số cấu trúc đã được xác định khi tính toán chếđộđịnh mức.
Khi khảo sát phương pháp tính toán bên cạnh sự lưu ý nhiều chiều mối tương quan phức tạp giữa các tham số của quá trình làm việc của các thiết bị cũng cần lưu ý đến việc áp dụng thuận tiện đến mức nào của phương pháp tính toán đến
điều kiện sản xuất.
Phương pháp tính toán dựa trên việc giải hệ phương trình vi phân và phương trình đại số mô tả quá trình chuyển tiếp và các mối liên hệ phụ thuộc lẫn nhau của các thông số công tác của động cơ Diesel - tuabin máy nén và bộ điều tốc.
3.4.4. Phương trình thay đổi vòng quay hệ trục động cơ - phụ tải.
Trong quá trình khai thác động cơ lai chân vịt hoặc động cơ lai máy phát cũng như các thiết bị năng lượng khác, vòng quay hệ trục luôn luôn thay đổi phụ
thuộc vào hiệu suất mômen quay của động cơ và mômen cản của thiết bị tiêu thụ
năng lượng. Mức độ dao động vòng quay còn phụ thuộc vào độ đồng đều của
động cơ - phụ tải được viết bằng phương trình vi phân bậc nhất :
. . (3.1)
a. Thời gian chuyển tiếp của hệđộng cơ - phụ tải: Ta
Thời gian chuyển tiếp của hệ động cơ - phụ tải phụ thuộc vào mômen quán tính khối lượng quay của hệ quy về tâm trục khuỷu, vận tốc góc của hệ và mômen quay định mức.
Công thức tính : . (3.2) J - Mômen quán tính khối lượng quay của động cơ và phụ tải (KG.ms2).
Mômen quán tính khối lượng qui về tâm trục khuỷu bao gồm mômen quán tính khối lượng quay bánh đà, biên khuỷu, hệ trục, chân vịt (đối với động cơ lai chân vịt).
Đối với động cơ lai chân vịt:
J = Jbđ + Jbk + Jt + Jc (3.3)
Đối với động cơ lai máy phát:
J = Jbđ + Jbk + Jrt (3.4) Jbđ - mômen quán tính khối lượng quay bánh đà.
Jbk - mômen quán tính khối lượng quay biên khuỷu. Jt - mômen quán tính khối lượng quay hệ trục.
Jc - mômen quán tính khối lượng quay chân vịt và phần nước chân vịt đẩy.
Jrt - mômen quán tính khối lượng quay rôto.
ωdm - vận tốc góc định mức của hệ trục, rad/s. Mqdm - mômen quay định mức của động cơ, KG.m.
b. Độ thay đổi vòng quay tương đối của hệđộng cơ - phụ tải.
(3.5)
ω, ωdm - vận tốc góc tức thời, định mức của hệ trục.