1 – Cấp nhiên liệu lớn nhất; 2, 3, 4, – Cấp một phần nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel hiện đại đã giữ khơng thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu trong một phạm vi tốc độ rộng khi giữkhơng thay đổi cơ cấu điều khiển bơm cao áp. Do đĩ áp suất chỉ thị trung bình khi chạy ở đặc tính bộ phận cứtăng lên đều đều khi tăng tốc độ. Với động cơ Diesel tăng áp tua bin khí khi chạy ở đặc tính bộ phận với gct tương đối nhỏ sẽ làm cho Pi giảm nhanh khi giảm n.
139 2 . 1 . . m m v i k a b C A
Biểu thức trên cho phép đưa ra kế luận: m = f(n) là một đường cong hơi lồi, càng giảm gct giá trị của v càng giảm và m càng giảm nhiều ở khu vực n nhỏ.
Hình 9.8. Đặc tính tốc độ của ĐC diesel.
1 –Đặc tính ngồi; 2, 3, 4, –Các đặc tính tốc độ bộ phận.
Trong động cơ Diesel dùng bơm cao áp do gct tăng khi tăng n nên Pe cũng cĩ
dạng tương tự như trên nhưng giảm ít hơn so với động cơ xăng khi tăng n. Khi chuyển
sang các đặt tính bộ phận, quy luật biến thiên của e vẫn tương tự như đặc tính ngồi.
Do tăng hệ số dư lượng khơng khí nên i cĩ tăng chút ít. Trong khi đĩ hiệu suất cơ
giới m lại giảm so với m của đặc tính ngồi. Do m giảm nhanh hơn so với mức tăng
của i, nên hiệu suất cĩ ích e trên các đặc tính bộ phận nhỏhơn so với đặc tính ngồi. Hiệu suất cĩ ích e giảm nhiều khi chạy ởđặc tính bộ phận cĩ gct nhỏ, vì lúc ấy do chất
lượng phun kém gây ảnh hưởng xấu tới i.
9.3.2.3. So sánh đường đặc tính tốc độ ngồi động cơ xăng và động cơ Diesel
Đường đặc tính tốc độ động cơ Diesel và đường đặc tính tốc độ động cơ xăng
dùng chế hồ khí khác nhau ở những điểm sau:
- Ởđộng cơ xăng dùng chế hồ khí, nếu đĩng nhỏ dần bướm ga sẽ làm cho áp suất
cĩ ích trung bình trên các đặc tính bộ phận giảm càng nhanh khi tăng tốc độđộng
cơ n. Chế độ cơng suất cực đại Nemax chuyển dần về phía n nhỏ và tồn tại các chế độ khơng tải tại các tốc độ nhỏhơn tốc độđịnh mức nn.
- Khi chạy ởđặc tính ngồi, chếđộ làm việc của động cơ xăng dùng chế hồ khí ổn
định hơn so với động cơ Diesel và phạm vi ổn định về tốc độ lớn hơn so với động
cơ Diesel.
- Khi chuyển từđặc tính ngồi sang đặc tính bộ phận, tính ổn định của động cơ xăng
dùng chếhồ khí tăng dần, cịn động cơ Diesel hầu như khơng đổi.
- Ở động cơ Diesel dùng bơm cao áp, khi giảm dần vị trí điều khiển thanh răng bơm cao áp qua đĩ giảm gct và làm cho đường Pe chuyển dịch xuống phía bên dưới hầu
như theo các khoảng cách đều nhau. Đường cơng suất Ne cĩ dạng các cong xuất phát từ gĩc toạđộ, khơng cĩ Nemax và khơng thể xuất hiện chếđộ khơng tải tại n < nn.
- Đường đặc tính tốc độđộng cơ Diesel ít dốc hơn động cơ xăng.
- Đặc tính bộ phận của động cơ Diesel theo Ne, ở hầu hết vị trí của cơ cấu điều khiển
bơm cao áp, đường đặc tính Ne đều khơng cắt trục hồnh trong phạm vi tốc độ sử
dụng.
9.4. Giới thiệu đường đặc tính điều chỉnh
140
chúng ta điều chỉnh động cơ được chính xác. Đặc tính điều chỉnh bao gồm: ảnh hưởng của điều chỉnh góc đánh lửa sớm hoặc phun sớm, điều chỉnh thành phần hồ khí (hoặc hệ số dư lượng khơng khí ), áp suất hoặc độ dài thời gian cấp nhiên liệu hoặc nhiệt độ nước làm mát và tính kinh tế của động cơ.
9.4.1. Đường đặc tính điều chỉnh theo thành phần hỗn hợp cơng tác
Quy luật thay đổi thành phần tối ưu của hồ khí được xác định qua đặc tính điều chỉnh thành phần hồ khí. Đặc tính này thể hiện sự biến thiên của các chỉ tiên kinh tế kỹ
thuật của động cơ theo hệ sốdư lượng khơng khí khi giữkhơng đổi tốc độđộng cơ và
vị trí bướm ga (hình 9.9).
Trên đồ thị: tung độ là cơng suất động cơ Ne và suất tiêu hao nhiên liệu ge, hồnh
độ là hệ sốdư lượng khơng khí . Các đường I –I’ là kết quả khảo nghiệm khi mởbướm
ga 100%. Các đường II –II’ và III –III’ tương ứng với các vịtrí bướm ga nhỏ dần. Qua
đồ thị ta cĩ nhận xét sau:
Với n = const, ở mỗi vị trí bướm ga giá trị của tương ứng với cơng suất cực đại (các
điểm 1, 2, 3) đều nhỏhơn những điểm cĩ suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (các điểm 5, 6, 7, 8, 9).
Ở mỗi vịtrí bướm ga, các điểm đạt cơng suất cực đại đều cĩ < 1. Càng đĩng nhỏbướm ga, của điểm cĩ cơng suất cực đại càng giảm.
Khi mở100% bướm ga, suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất xuất hiện tại 1,1. Càng
đĩng nhỏbướm ga vị trí xuất hiện gemin càng chuyển vềhướng giảm của, khi đĩng bướm ga gần kín giá trị
gemin tương ứng với < 1.
Đặc tính điều chỉnh thành phần hỗn hợp là hàm số thể hiện sự biến thiên của cơng suất động cơ Ne, suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích ge, theo lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ Gnl (hoặc theo hệ số dư lượng khơng khí α).
Từ kết quả trên ta cĩ, khi đĩng bướm ga nhỏ dần, muốn cĩ cơng suất cực đại (Nemax) cũng như muốn cĩ suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (gemin) đều phải làm cho hồ
khí đậm lên. Tuỳ theo cơng dụng và điều kiện hoạt động
trên động cơ mà thực hiện việc điều chỉnh để Ne và ge biến thiên theo thành phần hồ khí được sát với đường cĩ thành phần hồ khí của cơng suất cực đại (đường a) hoặc sát với đường cĩ thành phần hồ khí của suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (đường b).
Hình 9.9. Các đặc tính điều chỉnh thành phần hịa khí.
9.4.2. Đường đặc tính theo gĩc đánh lửa sớm – gĩc
phun sớm:
Đặc tính điều chỉnh gĩc phun sớn hay đánh lửa sớm là đồ thị thể hiện mối giữa Pe,
Ne hoặc ge tương ứng với gĩc đánh lửa sớm (trên động cơ xăng) hay gĩc đánh lửa sớm
(trên động cơ Diesel) khi giữ tốc độkhơng đổi động cơ n.
Trên hình 9.10 giới thiệu đặc tính điều chỉnh gĩc phun sớm của động cơ bốn kỳở
n = 1.800 vịng/phút và chạy tồn tải. Giá trị cực đại của áp suất cĩ ích trung bình (Pemax)
141
Hình 9.10. Đặc tính điều chỉnh gĩc phun sớm ở n = 1.800 v/ph và tồn tải.
CÂU HỎI ƠN TẬP
Câu 1.Trình bày các thơng số chỉ thị, các thơng số cĩ ích của động cơ.
Câu 2. Phân tích các biện pháp tăng cơng suất động cơ thơng qua cơng thức tính cơng
suất cĩ ích của động cơ.
Câu 3. Phân tích đường đặc tính ngồi của động cơ xăng.
Câu 4. Phân tích đường đặc tính ngồi của động cơ diesel.
Câu 5. So sánh đường đặc tính ngồi của động cơ xăng và diesel.
142
Chương 10: TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ
10.1.Phân tích các biện pháp nâng cao cơng suất của động cơ
Cơng suất cĩ ích của động cơ Ne được tính theo biểu thức sau:
. . . 30 e h e m i P V i n N N kW (10-1)
Trong đĩ: m – Hiệu suất cơ giới; Ni – Cơng suất chỉ thị của ĐC (kW); Pe – Áp suất cĩ ích trung bình (MPa); 2 . . 4 h D V S - Thể tích cơng tác của xilanh (lít); D, S – Đường kính, hành trình của piston; i – Sốxilanh ĐC; n – Tốc độĐC (v/ph); - Số kỳ. Qua biểu thức trên ta thấy rằng: Ne là hàm số phụ thuộc vào các thơng số áp suất cĩ ích trung bình Pe thể tích cơng tác của xylanh Vh, sốxylanh động cơ i, tốc độđộng
cơ n và số kỳ của động cơ . Vì vậy, đểtăng cơng suất của động cơ ta phải dùng các giải pháp về mặt kết cấu hay nguyên lý làm việc để giảm giá trị của thơng số nằm ở mẫu số
của biểu thức (10.1) hoặc tăng giá trị của các thơng số nằm trên tử số của biểu thức này. 10.1.1. Giảm số kỳ ()
Khi giữ nguyên giá trị các thơng số ở phần tử số của biểu thức (10.1), nếu giảm số kỳ thì về mặt lý thuyết cơng suất của động cơ 2 kỳ gấp đơi cơng suất của động cơ 4 kỳ. Tuy nhiên trên thực tế chỉ gấp từ (1,6 ÷ 1,8) lần, điều này cĩ được là do trên động
cơ hai kỳ cĩ xảy ra tổn thất trong quá trình thay đổi mơi chất. Quá trình thay đổi mơi chất trên động cơ bốn kỳ hồn hảo hơn trên động cơ hai kỳ.
10.1.2. Tăng tốc độ động cơ (n)
Khi tăng tốc độ động cơ sẽ làm tăng số chu trình cơng tác trong một đơn vị thời
gian. Do đĩ, lượng cơng tạo ra trong một đơn vị thời gian cũng nhiều hơn từđĩ làm tăng được cơng suất động cơ.
Tuy nhiên khi tốc độđộng cơ n tăng vượt quá giá trị giới hạn sẽlàm tăng lực quán
tính, tăng phụ tải nhiệt và tăng độ mài mịn của các chi tiết nên làm rút ngắn tuổi thọ của
động cơ. Mặc khác, với động cơ xăng do đặc điểm hình thành hỗn hợp và tính chất hố lý của nhiên liệu nên cho phép tăng tốc độ động cơ để nâng cao cơng suất. Đối với động
cơ Diesel, khi tăng tốc độđộng cơ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình cháy nên tốc độ của động cơ Diesel thường nhỏhơn động cơ xăng.
Hiện nay tốc độ động cơ Diesel cao tốc khoảng 4.000 vịng/phút, động cơ xăng
cao tốc khoảng 8.000 vịng/phút. 10.1.3. Tăng số xylanh động cơ (i)
Tăng số xylanh của động cơ sẽlàm tăng cơng suất và tính cân bằng của động cơ.
Hiện nay động cơ một hàng cĩ tới 12 xylanh, động cơ cao tốc chữ V cĩ tới 16 và động
cơ hình sao cĩ từ 32 ÷ 56 xilanh.
Tuy nhiên khi số xylanh quá lớn nhiều sẽ làm cho số chi tiết của động cơ tăng lên
quá nhiều (50.000 ÷ 100.000 chi tiết), làm giảm độ cứng vững của hệ trục khuỷu. Do
đĩ, một mặt làm giảm độ tin cậy và độ an tồn trong quá trình làm việc, mặt khác làm cho việc bảo dưỡng và sử dụng động cơ thêm phức tạp.
10.1.4. Tăng thể tích cơng tác của động cơ (Vh)
143
tăng thể tích cơng tác, từđĩ làm tăng cơng suất của động cơ.
Tuy nhiên, khi kích thước xylanh và hành trình piston càng lớn sẽlàm tăng kích thước bên ngồi và chiều cao của động cơ. Nếu tiếp tục tăng đường kính của xylanh D và hành trình của piston S sẽ gây nhiều khĩ khăn cả về mặt cơng nghệ lẫn vật liệu chế
tạo cho các chi tiết của động cơ.
10.1.5.Tăng áp cho động cơ
Ngồi các biện pháp kể trên, khi dùng các biện pháp cải tiến thiết kếvà điều chỉnh chính xác các thơng số làm việc của động cơ cũng làm tăng hiệu suất cĩ ích e, từ đĩ làm tăng cơng suất của động cơ Ne. Tuy nhiên biện pháp này làm tăng Ne khơng đáng
kể.
Tăng áp cho động cơ đểlàm tăng mật độ của mơi chất nạp. Qua đĩ làm tăng khối
lượng khơng khí nạp đi vào xylanh trong mỗi chu trình, làm tăng Pe vì vậy làm tăng
cơng suất động cơ.
Tăng áp đối với khơng khí đưa vào xylanh động cơ cĩ thểlàm tăng đáng kể cơng suất động cơ. Nếu áp suất cĩ ích trung bình Pe của động cơ Diesel khơng tăng áp từ 0,7
÷ 0,9 MPa thì động cơ Diesel tăng áp rất dễđạt 1,0 ÷ 1,2 MPa. Trường hợp nâng cao áp suất trên đường ống nạp Pk và làm mát trung gian, cĩ thể nâng cao áp suất cĩ ích trung bình Pe lớn hơn 3 MPa.
Tuy nhiên càng nâng cao mức độtăng áp sẽlàm tăng Pe, từđĩ làm tăng phụ tải cơ
khí cũng như phụ tải nhiệt của động cơ. Do đĩ khi tăng áp phải địi hỏi những chi tiết piston, xylanh,... phải cĩ độ bền và khảnăng chịu nhiệt tốt.
Do tăng áp là một trong những biện pháp tốt nhất đểlàm tăng cơng suất ĐC, nên
hiện nay hầu hết các loại ĐC diesel cỡ lớn, đặc biệt là ĐC diesel phát điện và ĐC dùng
trên tàu thủy sử dụng ĐC tăng áp rất nhiều.
10.2. Sơ đồ hệ thống, nguyên lý làm việc, phạm vi ứng dụng của phương pháp tăng
áp dẫn động bằng cơ khí, tuabin khí.
Dựa vào nguồn năng lượng và phương pháp nén khơng khí trước khi đưa vào động
cơ, người ta chia tăng áp thành bốn nhĩm sau: Tăng áp dẫn động bằng cơ khí.
Tăng áp nhờ năng lượng khí thải
Tăng áp hỗn hợp.
Tăng áp nhờ hiệu ứng động của dao động áp suất.
Ngồi các phương án trên, cịn cĩ các hệ thống tăng áp tổ hợp khác tuỳ theo từng nhu cầu sử dụng động cơ.
10.2.1. Tăng áp dẫn động bằng cơ khí (supercharger)10.2.1.1. Sơ đồ hệ thống 10.2.1.1. Sơ đồ hệ thống
10.2.1.2. Nguyên lý làm việc
Máy nén trong thiết bịtăng áp truyền động cơ khí thường là máy nén piston, máy nén rơto, máy nén ly tâm hoặc máy nén chiều trục được dẫn động từ trục khuỷu của
động cơ thơng qua các bánh răng, xích hoặc các cơ cấu truyền động khác (hình 10.1). Khi trục khuỷu động cơ quay, cơng suất từ trục khuỷu sẽ dẫn động cho máy nén làm việc. Máy nén hút khơng khí ngồi trời với áp suất po, sau khi qua máy nén áp suất của khơng khí tăng lên Pk > po qua đường ống nạp và nạp vào xilanh động cơ.
144
Hình 10.1. Tăng áp dẫn động bằng cơ khí.
1 – Máy nén; 2 – Trục khủy động cơ; 3 – Hệ thống truyền động
10.2.1.3.Phạm vi ứng dụng
Khi nghiên cứu các chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp chúng ta đã biết hiệu quả tăng áp của phương pháp truyền động cơ giới kém hơn so với phương pháp tăng áp tuabin khí, vì vậy phạm vi sử dụng phương pháp tăng áp này chỉ giới hạn cho những
động cơ mà áp suất tăng áp khơng vựơt quá 0,12 ÷ 0,16 MN/m2. Nếu áp suất tăng áp
lớn hơn nữa thì cơng suất tiêu thụ cho máy nén sẽ rất lớn (vượt quá 10%Ni) và hiệu suất của động cơ sẽ giảm.
Trong các loại động cơ hai kỳ, piston của động cơ đĩng vai trịnhư một van trượt
điều kiển đĩng mở cửa quét và của thải cịn sử dụng khơng gian bên dưới piston làm
máy nén tăng áp.
Trường hợp động cơ tăng áp cĩ cùng một giá trị áp suất trên đường ống nạp Pk, nếu cơng tiêu hao cho máy nén Nk càng lớn thì cơng suất cĩ ít của động cơ Ne sẽ càng nhỏ. Vì vậy khi chọn loại máy nén cho động cơ tăng áp truyền động cơ khí cần chú ý tới áp suất tăng áp và cơng để dẫn động tăng áp để khơng ảnh hưởng đến cơng suất và hiệu suất của động cơ.
10.2.2.Tăng áp bằng tuabin khí (turbocharger)
Trong tổng sốnăng lượng cấp cho động cơ khơng tăng áp, chỉ cĩ khoảng 30 ÷ 40%
được chuyển thành cơng cĩ ích. Nhiệt lượng của khí thải ra ngồi khỏi động cơ chiếm khoảng 40 ÷ 50%. Nếu dùng
tuabin khí để số khí thải trên tiếp tục giãn nở sinh cơng, trước khi thải ra mơi trường và dùng cơng ấy
để dẫn động máy nén tăng áp
(khơng dùng cơng cĩ ích lấy từ
trục khuỷu của động cơ) sẽ nâng cao cơng suất cĩ ích đồng thời cải thiện tính năng kinh tế của động
cơ.
Hình 10.2. Tăng áp dẫn động bằng tuabin khí. 1 – Tuabin khí; 2 – Tuabin; 3 – Khí thải động cơ; 4 – Máy nén; 5 – KK từ mơi