L z1z = Pz Vz − Pz1 Vz1 = Pz (V z 1− Vz)
a. Tăng áp truyền độngcơ giớ
Hình 6.1 Động cơ diesel tăng áp cơ giới
Máy nén khí thường cĩ thể là máy nén thể tích hoặc máy nén cánh dẫn được truyền động trực tiếp từđộng cơ. Sơđồ khối kết cấu động cơ tăng áp truyền động cơ giới trên hình 6.1, bao gồm: động cơ diesel, cơ cấu truyền động, máy nén khí, sinh hàn giĩ tăng áp và bầu chứa khí nạp.
Tăng áp cơ giới cĩ ưu điểm là đảm bảo được khơng khí cung cấp cho động cơ khi thay đổi chế độ khai thác động cơ. Nhược điểm của phương pháp là phải chi phí cơng để dẫn động máy nén, khi cơng dẫn động máy nén vượt quá 10% cơng suất chỉ thị thì hiệu quả tăng áp khơng cao và suất tiêu hao nhiên liệu tăng ge > 180g/(mlci.h). Tính đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, người ta chỉ áp dụng tăng áp cơ giới cho cac động cơ cĩ áp suất tăng áp pk < 1.5 ÷ 1.6 kG/cm2.
b. Tăng áp tua bin khí xả lai máy nén:
Tăng áp tua bin khí xả lai máy nén là phương pháp dùng tua bin sử dụng năng lượng khí xả lai máy nén giĩ kiểu ly tâm được gắn đồng trục với roto tua bin. Trên hình 7.2 thể hiện sơ đồ khối động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí máy nén. Khí xả sau khi ra khỏi động cơ cĩ thể qua bộ biến đổi sơ bộ rồi cấp vào tua bin. Cơng suất động cơ tua bin trực tiếp được sử dụng để dẫn động máy nén giĩ tăng áp. Khơng khí nén trước khi cấp vào động cơ cĩ thể được làm mát bằng thiết bị sinh hàn.
Hình 6.2 Động cơ diesel tăng áp tua bin khí máy nén
Tăng áp bằng tua bin khí máy nén đơn thuần nhất cho phép tăng cơng suất động cơ diesel từ 50 ÷ 70%, tăng hiệu suất động cơ từ 4 ÷ 6%, suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích giảm từ 8 – 13%, nhiệt độ khí xả giảm 50oC. Bằng một số biện pháp cải tiến, tăng áp tua bin khí máy nén cĩ thể tăng cơng su ấ động cơ từ 2 đến 4 lần. Để chủ động định lượng mức độ tăng áp, người tăng áp cĩ thể trích một phần năng lượng khí cháy trong xy lanh động cơ dành cho tua bin bằng cách tăng gĩc mở sớm cơ cấu xả. Trong trường hợp này, tua bin khí máy nén là thiết bị tận dụng năng lượng của khí xả. Mặc dù tăng áp bằng tua bin khí máy nén cĩ thể cải thiện được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ nhưng khả năng gia tải của động cơ rất kém.
Trên thực tế, các động cơ diesel thường được trang bị các tổ hợp tua bin khí máy nén với nhiều thiết bị phụ trợ, nhiều phương án cải tiến. Các phương án đĩ cĩ thể kể ra như: bộ biến đổi xung khí xả, ống phun và ống khuyếch tán điều chỉnh được, phối hợp tăng áp cơ giới và tua bin khí máy nén, sử dụng máy nén hốc dưới piston; sử dụng quạt giĩ phụ hoặc máy nén phụ vào mục đích giảm tải cho tổ hợp tua bin khí máy nén …
6.2 Sử dụng năng lượng khí xả cho tăng áp diesel tàu thuỷ:
6.2.1 Phân bố năng lượng khí xảđộng cơ diesel
Quá trình xả trong động cơ diesel bắt đầu tại thời điểm mở cơ cấu xả (điểm b, hình 6.3). Cĩ hai giai đoạn trong quá trình xả. Giai đoạn thứ nhất là xả tự do diễn ra với tốc độ rất lớn do độ chênh lệch áp suất trong xy lanh và ống gĩp khí xả. Giai đoạn thứ hai diễn ra dưới tác động của piston hoặc khí quét, với tốc độ lưu động nhỏ hơn.
Năng lượng tồn bộ trong khí xả của động cơ E cĩ thể chia làm hai phần: - Năng lượng do giãn nở khí xả từ áp suất pb đến áp suất trong ống gĩp trước tua bin phụ tải, thành phần này được ký hiệu là E1, tương đương với phần diện tích S (becb). Đây là thành phần năng lượng mang tính chất xung.
- Năng lượng do giãn nở khí xả trong tua bin khí máy nén từ áp suất phụ tải đến áp suất pOT (sau tua bin). Thành phần này ký hiệu là E2 tương đương với phần diện tích là S(efqpe). Thành phần năng lượng này mang tính chất ổn định.
P V V Pb PT POT b c e m n f p q ΔV Hình 6.3 Phân bố năng lượng khí xả
Tua bin khí xả cĩ thể sử dụng cả hai thành phần năng lượng này tuy nhiên mức độ sử dụng thành phần xung E1 phụ thuộc vào phương pháp tổ chức cấp khí xả đến tua bin. Tuỳ thuộc vào cách tổ chức cấp khí xả đến tua bin, tua bin khí máy nén tăng áp cĩ hai loại:
- Tăng áp xung, khí áp suất khí xả trước tua bin thay đổi. - Tăng áp đẳng áp, khí áp suất khí xả trước tua bin ổn định.
6.2.2 Tăng áp xung
Hình 6.4 Sơđồ bố trí hệ thống tăng áp xung
Đây là hình thức tăng áp mà tua bin khí xả sử dụng nhiều nhất thành phần năng lượng xung E1. Sử dụng năng lượng xung là sử dụng trực tiếp động năng
cho việc sinh cơng của tua bin. Để thực hiện mục đích đĩ, một số các biệm pháp sau đây được thực hiện:
- Tránh giãn nở khí xả sau khi ra khỏi tua bin bằng cách dùng ống xả cĩ kích thước nhỏ, được tính tốn trước, tua bin đặt gần xy lanh.
- Tăng gĩc mở sớm xupáp xả tạo xung khí xả lớn.
- Tránh sự trùng hợp gây ảnh hưởng lẫn nhau giữa xung của các xy lanh khác nhau, ống xả của các xy lanh thường được chế tạo riêng biệt; sự nối chung đường ống xả với khơng quá ba xy lanh cĩ thứ tự nổ cách xa nhau.
Trên hình 6.4 là sơ đồ tăng áp sử dụng tua bin khí xả lai máy nén kiểu xung. Khí xả được cấp đến tua bin theo hai nhĩm xy lanh (số 1, 2, 3 và 4, 5, 6) qua hai đường ống xả cĩ kích thước nhỏ. Các động cơ diesel hai kỳ thấp tốc cĩ thể tận dụng từ 35 ÷ 45% năng lượng xung E1. Các động cơ diesel bốn kỳ đặt nhiều tua bin cĩ thể tận dụng từ 20 ÷ 30% năng lượng E1.
6.2.3 Tăng áp đẳng áp:
Trong hệ thống tăng áp đẳng áp, tồn bộ khí xả từ động cơ ra khỏi xy lanh được đưa đến một bình chứa cĩ thể tích lớn. Tại đây, khí xả thực hiện một sự giãn nở nhỏ tăng thể tích ΔV (xem hình 6.5), động năng khí xả chuyển hố thành nhiệt năng với nhiệt độ cao, áp suất bình ổn trước khi cấp đến tua bin.
Trên hình 6.5 biểu diễn sơ đồ tăng áp cấp khí kiểu đẳng áp. Tồn bộ khí xả ra khỏi động cơ được đưa đến bầu gĩp chung cĩ thể tích tương đối lớn. Từ bầu gĩp chung này, khí xảđược cấp đến tua bin tăng áp.
Năng lượng khí xả phân bố trước tua bin là E2 + ΔE2, trong đĩ ΔE2 là phần năng lượng tương đương với diện tích S(emnfe). Mặc dù khơng trực tiếp sử dụng xung khí xả, nhưng tăng áp đẳng áp lại cĩ sự cấp khí ổn định cho tua bin. Đây là điều kiện đảm bảo hiệu suất cơng tác của tua bin rất cao.
6.2.4 Ưu nhược điểm của tăng áp xung và tăng áp đẳng áp
Ưu điểm lớn nhất của tăng áp xung là việc sử dụng trực tiếp xung năng lượng khí xả, đĩ chính là động năng rất lớn của khí xả trong giai đoạn xả tự do. Chính vì thế, tốc độ của tua bin tăng rất nhanh và cĩ khả năng cung cấp đủ khí cho diesel ngay cả khi động cơ hoạt động ở chế độ nhỏ tải. Tính tăng tốc của động cơ sử dụng tăng áp đẳng áp rất tốt. Tuy nhiên, nhược điểm của tăng áp xung là hiệu suất cơng tác của tua bin rất kém. Do cần tạo xung, gĩc mở sớm xupáp xả tăng lên ảnh hưởng đến cơng suất chỉ thị của động cơ. Tính hiệu quả của tăng áp xung càng giảm khi áp suất tăng áp càng lớn. Ngồi ra, kết cấu của hệ thống cũng phức tạp hơn.
Ngược lại với tăng áp xung, tăng áp đẳng áp cĩ hiệu quả sử dụng năng lượng của tua bin rất cao. Tăng áp đẳng áp khơng địi hỏi tăng gĩc mở sớm do đĩ tăng được cơng suất chỉ thị động cơ. Tăng áp đẳng áp đảm bảo tính kinh tế rất cao của động cơ, đặc biệt là các động cơ cĩ mức độ tăng áp lớn khi hoạt động ở chếđộ tồn tải. Nhược điểm lớn nhất của nĩ là tính tăng tốc của động cơ rất kém. Đối với động cơ hai kỳ khi hoạt động ở chế độ phụ tải thì khơng cĩ khả năng quét khí cho xy lanh. Trong trường hợp này, hệ thống tăng áp thường phải trang bị thêm quạt giĩ phụ.
6.3 Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ khi tăng áp
6.3.1 Sự thay đổi hiệu suất cơ giới của động cơ tăng áp
So với động cơ khơng tăng áp, các động cơ tăng áp cĩ các thơng số chỉ thịηi và gi thay đổi nhiều nhưng các thơng số cĩ ích ηe và ge lại thay đổi nhiều hơn. Tính chất thay đổi của các thơng số cĩ ích ηe và ge làdo sự thay đổi của hiệu suất cơ giới gây ra. Tính chất thay đổi hiệu suất cơ giới phụ thuộc vào hệ thống tăng áp, trong đĩ, cơng tổn hao cho ma sát là một hàm phụ thuộc vào vịng quay động cơ. Giả sử động cơ trước và sau tăng áp cĩ số vịng quay khai thác như nhau, khi đĩ, hiệu suất cơ giới của động cơ tăng áp được tính như sau: TB MN m eTA eTA iTA eTA mTA N N N N N N N + + + = = η (6-7) trong đĩ:
NMN: là cơng suất chi phí cho lai máy nén NTB : là cơng suất của tua bin
Gọi mức độ tăng áp của động cơ diesel là: e eTA TA N N = λ ; cơng suất tương đối của máy nén: i MN MN N N = δ và của tua bin: i TB TB N N = δ so với cơng suất chỉ thị khi chưa tăng áp. Biến đổi cơng thức (6.7) và nếu coi như cơng suất tua bin truyền hết cho máy nén: NMN =NTB , ta cĩ: .( 1) 1 . + − = TA m m TA mTA η λ η λ η (6-8)
Với động cơ tăng áp cơ giới, khi đĩ: = =0 i TB TB N N
δ , trong trường hợp này:
mTA ηm (λTA TA) m δMN η λ η + + − = 1 1 . . (6-9)
Khi đĩ, hiệu suất cơ giới sau khi tăng áp phụ thuộc vào sự thay đổi của λTA vàδMN. Ví dụ : khi λTA =1,5;ηm =0,8;δMN =0,1 tức là ηmTA khơng thay đổi. Nhưng nếu tăng tiếp tục λTA sẽ làm cho δTA tăng lên và ηmTA giảm xuống.
6.3.2 Sự thay đổi tỷ số tăng áp suất λ khi tăng áp
Khi tăng áp, vấn đề cần quan tâm là ứng suất cơ của động cơ, trong đĩ, tỷ số
Cz z p p
=
λ là thơng số đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy với ứng suất cơ thấp.
Từ cơng thức tính nhiệt lượng cháy đẳng tích: