Đảo chiều quay trục khuỷu động cơ chính nhằm mục đích thay đổi hướng chuyển động của tàu hay tăng tốc độ dừng tàu, trong trường hợp này chế độ
làm việc của động cơ chính cũng là chế độ chuyển tiếp. Để biểu diễn sự thay n,% 100 90 80 70 60 50 0 20 40 60 80 100 Ne,% nmax nmin Nmin Pe = 100 80 60 6 40 5 4 3 1 2
đổi mômen quay Mq trên trục động cơ diesel sau khi ngắt nhiên liệu trước khi
đảo chiều quay ta sử dụng đồ thị VT = const.
Hình 2.5: Sự phụ thuộc mômen trên trục khuỷu động cơ vào vòng quay khi dừng tàu.
Giả sử khi tàu chuyển động với tốc độ VT động cơ diesel làm việc ứng với chế độđặc trưng bởi điểm A. Sau khi ngắt nhiên liệu trục khuỷu tiếp tục quay bởi động năng dư, vòng quay giảm xuống nB, khi đó tốc độ tàu giảm xuống không nhiều. Tại điểm B chân vịt quay nhờ dòng nước theo thắng được mômen cản Mcb. Mômen cản phụ thuộc vào tổn hao cơ giới trong động cơ, trên hệ trục và thay đổi tỷ lệ thuận với vòng quay trục khuỷu (đường D-C-B). Do sức cản của vỏ và sức cản bổ sung của chân vịt tốc độ chuyển động của tàu giảm từ từ (đoạn B-C). Sau điểm C mômen quay chân vịt tạo ra do tác
động dòng nước theo nhỏ hơn mômen cản Mc và trục dừng lại (điểm D). Sau
đó động cơđược khởi động và đảo chiều. Do chuyển động của tàu, dòng nước theo tác động lên chân vịt làm tăng một ít mômen cản lên trục khi khởi động.
0 Me Me n nA M B n V V V n C D Me c B T T T ,, , A cb
Giai đoạn còn lại tương tự như khi khởi động động cơ từ trạng thái nóng mà tàu không chuyển động. Dừng tàu khi chân vịt không làm việc và quay tự do do tác động sức cản tự nhiên của tàu gọi là chạy tự do. Thời gian để tàu dừng khoảng một vài chiều dài thân tàu. Để rút ngắn thời gian chạy tự do có thể áp dụng các biện pháp hãm động cơ: hãm bánh đà bằng phanh thuỷ lực hay khí nén, phanh khớp nối hệ trục hay hãm trục chủ động của bộ giảm tốc, cấp khí nén vào xi lanh động cơ ở đầu quá trình nén, giảm áp trong xi lanh cuối quá trình nén bằng thiết bị giảm áp.
Hình 2.6: Sự phụ thuộc vòng quay của động cơ có hộp giảm tốc vào thời gian dừng tàu.
A: Lúc cắt nhiên liệu A-B-C: Khi chạy tự do
B-D: Hãm bằng khí nén A-F: Sử dụng phanh trên bánh đà. Trên hình 2.6 biểu diễn sự thay đổi vòng quay động cơ khi hãm bằng các phương pháp khác nhau. Để tạo ra mômen hãm động cơ cần phải tạo ra công nén lớn hơn công giãn nở. Nếu ngắt nhiêu liệu cấp ở cuối quá trình nén, đồng thời xả phần không khí nén trong xi lanh qua thiết bị giảm áp, thì trong hành trình giãn nở tiếp theo công giãn nở sẽ nhỏ hơn công nén, như vậy đây là
D C B A F 0 120 240 τ, [s] 50 100 150 200 n [v/ph]
phương pháp hãm bằng thiết bị giảm áp, phương pháp này ít được áp dụng do cơ cấu giảm áp phức tạp. Trên các động cơ công suất trung bình và lớn áp dụng rộng rãi cách hãm động cơ bằng không khí nén. Sau khi ngắt nhiên liệu và giảm vòng quay, trục cam phối khí được chuyển sang vị trí đảo chiều, sau
đó các van khởi động chính được mở, thông qua các van khởi động khí nén
được nạp vào xi lanh. Tuy nhiên pha phối khí không phải tương ứng hoàn toàn với chiều quay của trục khuỷu, xu páp khởi động được mở sau khi đóng xu páp xả, khi piston đi lên điểm chết trên (ĐCT). Áp suất khí trong xi lanh tăng lên do khí nén nạp vào xi lanh và thể tích xi lanh nhỏ. Khi áp suất không khí trong xi lanh bằng áp suất trong đường ống khởi động chính, thì khí từ xi lanh rò lọt ngược đường ống khởi động chính. Trong xi lanh áp suất tăng chậm, còn tại vùng ĐCT áp suất bắt đầu giảm. Kết quả công giãn nở khi piston đi xuống điểm chết dưới (ĐCD) nhỏ hơn công nén, có nghĩa động cơ đã tạo ra mômen hãm. Hiệu quả hãm bằng khí nén phụ thuộc vào pha đóng, mở xu páp khởi động được điều khiển bằng khí nén. Ví dụ: khi mở muộn xu páp khởi động áp suất khí trong xi lanh tăng lên đến mức xu páp khởi động bị đóng lại dưới tác dụng của áp suất khí khi piston dịch chuyển đến ĐCT, nên trong hành trình nén tiếp áp suất có thể tăng vượt quá áp suất cháy. Trong trường hợp này công giãn nở lớn hơn công nén, bởi vì tại ĐCT áp suất đạt cực
đại nên sự thay đổi áp suất khi giãn nở lớn hơn khí nén. Như vậy hãm khi đó không hợp lý. Theo qui định của đăng kiểm thời gian kể từ lúc tác động vào cơ cấu điều khiển của động cơđến lúc bắt đầu làm việc với chiều quay ngược lại không quá 25 giây đối với tốc độ tàu định mức và không quá 15 giây đối với tốc độ tàu nhỏ. Như vậy, trong suốt thời gian quay trở tàu các thông số
công tác của động cơ chính luôn luôn thay đổi.
2.4.1. Quá trình trao đổi khí trong động cơ diesel tăng áp bằng tuabin khí xả ở các chế độ chuyển tiếp. xả ở các chế độ chuyển tiếp.
a. Động cơ 4 kì.
Đối với động cơ trung tốc quá trình trao đổi khí ảnh hưởng lớn đến chế độ
chuyển tiếp. Ở chế độ định mức áp suất không khí tăng áp thường lớn hơn áp suất khí thải trước tuabin (pk > px1), do đó không khí nạp nạp sạch xilanh, lượng khí sót nhỏ, nhờ vậy tăng được lượng không khí nạp nên quá trình cháy tốt. Ở các chế độ nhỏ tải (ở các chế độ nhỏ hơn 30 % tải) hiệu suất đoạn nhiệt của máy nén giảm, áp suất không khí tăng áp sau máy nén nhỏ hơn áp suất khí xả (pk < px1) nên trong thời gian trùng điệp có hiện tượng rò lọt ngược khí xả từđường ống xả vào xilanh và từ xilanh vào đường ống nạp.
Khi động cơ làm việc ở chế độ tải lớn và ổn định, công suất của tuabin khí xả đủ để dẫn động máy nén, cấp đủ lượng không khí nạp có áp suất cao hơn áp suất khí xả. Tuy nhiên, khi động làm việc ứng với chế độ tăng tốc hoặc
đóng tải đột ngột, do quán tính của rô to tuabin máy nén, nên trong thời gian ban đầu không những cụm tuabin máy nén mất tác dụng tăng áp mà còn cản trở khả năng hút không khí từ môi trường xung quanh của piston, cũng như xả
sản vật cháy. Đó là nguyên nhân làm cho áp suất không khí nạp nhỏ hơn áp suất khí xả trên đường ống xả trong thời gian trùng điệp. Trong khi đó trong giai đoạn ban đầu của quá trình chuyển tiếp lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình lại tăng lên đột ngột. Các nguyên nhân đó làm giảm nhanh hệ số dư
lượng không khí α, chất lượng hòa trộn hỗn hợp và chất lượng quá trình cháy. Trong các quá trình chuyển tiếp đối với động cơ 4 kì tăng áp bằng tuabin khí xả, góc độ phối khí và quá trình trao đổi khí ảnh hưởng mạnh đến các thông số công tác của động cơ. Rò lọt ngược khí xả ở chế độ không ổn định cũng là hiện tượng đặc trưng đối với chếđộ tăng tốc.
Để nghiên cứu tính đặc biệt của quá trình trao đổi khí trong các động cơ 2 kì ở chế độ tăng tốc hay đóng tải, trước hết ta hãy nghiên cứu quá trình trao
đổi khí ứng với chế độ ổn định. Hệ thống trao đổi khí của động cơ diesel 2 kì có các phuơng án khác nhau tùy thuộc loại động cơ và công suất. Ứng với bất kì chế độ tốc độ và chế độ tải nào, trong quá trình khai thác đều mong muốn hệ số dư lượng không khí α nằm trong giới hạn cho phép, khi đó chất lượng quá trình trao đổi khí và quá trình cháy mới đảm bảo. Tuy nhiên đối với động cơ 2 kì khi làm việc ứng với các chế độ nhỏ tải cũng như chế độ thay đổi tải
đột ngột đều xảy ra hiện tượng lượng không khí và lượng nhiên liệu cấp vào xi lanh trong một chu trình không tỉ lệ với nhau, làm cho hệ số dư lượng không khí α hoặc lớn hơn hoặc nhỏ hơn giới hạn cho phép. Ứng với chế độ định mức khi mở xupáp nạpáp suất sản vật cháy trong xi lanh và trong đường
ống xả px lớn hơn áp suất tăng áp pk, tuy nhiên nhờ có tăng áp hỗn hợp, nên tại thời điểm này áp suất không khí do máy nén piston cung cấp lớn hơn hẳn px và áp suất sản vật cháy trong xi lanh nên không xảy ra hiện tượng rò lọt ngược. Đối với những động cơ không sử dụng phương án tăng áp hỗn hợp thì vấn đề rò lọt ngược sản vật cháy là không tránh khỏi, đặc biệt đối với các chế độ tăng tải đột ngột.
Khi đóng tải hay tăng tốc động cơ 2 kỳ áp suất khí trong đường ống xả
(px1) tăng lên cũng như động cơ 4 kỳ. Khi px1 tăng sẽ ảnh hưởng tới quá trình công tác của động cơ 2 kỳ lớn hơn so với động cơ 4 kỳ, do quá trình nạp thải trong động cơ 2 kỳ được thực hiện ứng với một phần của quá trình giãn nở và nén, nên lượng không khí nạp vào xi lanh công tác phụ thuộc vào độ chênh giữa pk và px1:
+ Nếu px1 > pk thì không khí nạp không thể nạp cưỡng bức được, bởi thế tại thời điểm đóng tải nếu áp suất không khí nạp nhỏ hơn áp suất khí xả thì không khí sẽ không tức thời nạp vào xi lanh. Việc sử dụng các hệ thống tăng
áp khác nhau sẽ ảnh hưởng tới tính tăng tốc. Theo thực nghiệm sử dụng máy nén ly tâm có hiệu suất cao hơn máy nén thể tích. Tuy nhiên, đặc tính máy nén ly tâm không dốc bởi thế khi tăng px1 và giảm Gk thì pk không tăng thậm chí còn giảm). Nếu sử dụng thêm máy nén ly tâm do trục khuỷu dẫn động thì
đặc tính của nó dốc hơn. Vì vậy, để đảm bảo nạp khí và quá trình công tác trong động cơ tại thời điểm đó tốt hơn nên sử dụng nén 2 cấp.
Ta thấy áp suất sản vật cháy trong xi lanh và trong đường ống xả phụ
thuộc vào chế độ tải, trong khi đó áp suất không khí do máy nén piston tạo ra lại phụ thuộc vòng quay trục khuỷu, vì thế khi đóng tải hay tăng tốc áp suất sản vật cháy tăng lên, nhưng vòng quay giảm xuống dẫn tới làm giảm áp suất không khí tăng áp, nên trong giai đoạn này áp suất sản vật cháy trong xi lanh và trong đường ống xả lớn hơn áp suất không khí tăng áp. Như vậy tại thời
điểm bắt đầu mở xupáp nạp (đồng thời với mở xupáp xả) trong quá trình đóng tải hay tăng tốc sẽ xuất hiện hiện tượng rò lọt ngược khí xả. Khi động cơ làm việc ở chế độ nhỏ tải hiện tượng cũng xảy ra tương tự như vậy với động cơ
không sử dụng máy nén thể tích ở cấp tăng áp thứ 2. Ở chế độ nhỏ tải do hệ
số dư lượng không khí α tăng lên, nên làm giảm nhiệt độ khí xả, dẫn đến làm giảm công giãn nở trên cánh tuabin và kết quả làm giảm vòng quay rô to tuabin máy nén, nên làm giảm áp suất không khí tăng áp. Bên cạnh đó, tại thời điểm đóng tải, cũng như ở chế độ nhỏ tải (nhỏ hơn 45% tải định mức) áp suất không khí tăng áp nhỏ hơn áp suất khí xả sẽ xảy ra hiện tượng rò lọt ngược khí xảđối với động cơ sử dụng hệ thống tăng áp tuabin khí xả.
Dựa vào kết quả phân tích quá trình trao đổi khí động cơ 2 kỳ ở các chế độ
không ổn định của các công trình nghiên cứu có thể kết luận:
- Khi đóng tải đối với động cơ tăng áp bằng tuabin máy nén độc lập cấp thứ
theo rò lọt ngược khí xả vào đường hút, làm xấu quá trình công tác, tăng suất tiêu hao nhiên liệu và khói;
- Nếu sử dụng máy nén thể tích ở cấp tăng áp thứ 2 khi tăng phụ tải dẫn tới tăng áp suất khí tải, tuy nhiên do các đặc tính máy nén thể tích dốc áp suất tăng áp tăng lên và giảm suất tiêu hao không khí, do vậy quá trình công tác có chất lượng hơn.
- Khi dùng máy nén thể tích thì trong quá trình chuyển tiếp khối lượng không khí nạp và năng lượng khí xả ít thay đổi. Do vậy khả năng tăng tốc rô to tuabin máy nén tốt hơn và khả năng nhận tải của động cơ 2 kỳ thì khi bố trí máy nén thể tích ở cấp thứ 2 tốt hơn so với máy nén ly tâm.
2.4.2. Quá trình hoà trộn hỗn hợp và cháy ở các chếđộ chuyển tiếp
Các quá trình hoà trộn hỗn hợp và cháy trong buồng cháy xảy ra trong chế độ chuyển tiếp khác với các quá trình xảy ra trong chếđộổn định:
- Khi cùng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình thời gian cháy trì hoãn tăng lên do nhiệt độ thành buồng cháy và áp suất cuối quá trình nén thấp (áp suất tăng áp thấp do ảnh hưởng mômen quán tính rôto tuabin máy nén).
- Chiều dài chùm tia nhiên liệu phun vào buồng cháy tăng lên so với chế độ định mức, phần nhiên liệu rơi vào thành xi lanh cũng tăng lên.
- 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 110% định mức (đóng tải đột ngột). Kết quả động cơ phát ra mômen chỉ bằng một phần giá trị của nó ở chế độổn 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 giữa áp suất phun nhiên liệu và áp suất môi chất trong xi lanh ∆p nên chiều dài chùm tia nhiên liệu tăng lên. Nếu thời gian cháy trì hoãn không thay đổi thì độ tăng chiều dài chùm tia
nhiên liệu phun vào thành buồng cháy khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếp được tính theo công thức:
∆ ∆∆ , 1
Tăng thời gian trì hoãn sự cháy 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 gct xuống gctv (áp suất tăng áp giảm xuống gctv tăng lên).
Khi tăng thời gian cháy trì hoãn τi một lượng Δτi thì độ tăng chiều dài chùm tia nhiên liệu phun vào thành buồng cháy khi động cơ làm việc ở chế độ
chuyển tiếp được tính :
∆ 1 ∆ , 1
pod, τiod - khối lượng riêng không khí nạp vào 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 cơđều được thiết kế đảm bảo chất lượng phun sương và hoà trộn hỗn hợp tốt tương ứng với chếđộ 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.