V = , TH tốc độ tàu tương ứng với chế độ
2.3.1.Quá trình trao đổi khí trong động cơ diesel tăng áp bằng tuabin khí xả ở các chế độ chuyển tiếp.
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 tua bin ( pk > px1 ), do đó không khí nạp quét 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 từ đường 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 tua bin 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 tua bin máy nén, nên trong thời gian ban đầu không những cụm tua bin 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 tua bin khí xả, góc độ phối khí và quá trình trao đổi khí ảnh hưởng mạnh đến các thông số công tác của động cơ. Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm đối với động cơ ЧH25/34 lai máy phát đặt trên cần cẩu nổi có chế độ tải thay đổi đột ngột, khói tăng
lên đến 98%, khí xả rò lọt ngược vào đường ống hút, kết quả trong đường ống nạp, xả, ống phun của tua bin lượng muội bám tăng lên. Một trong các nguyên nhân tạo muội lên các chi tiết đó là sự rò lọt ngược khí xả từ xilanh và ống xả vào đường ống hút. Áp suất khí trong đường ống xả lúc bắt đầu quá trình chuyển tiếp tăng nhanh hơn áp suất tăng áp. Kiểm tra thực tế trên động cơ ЧH25/34, khi góc trùng điệp của xupáp nạp và xả ứng với 1250 góc quay trục khuỷu, đối với quá trình chuyển tiếp thời gian này đủ để khí xả điền đầy đường ống hút, vì vậy giảm lượng không khí nạp mới trong chu trình tiếp. Đó là nguyên nhân làm giảm bổ sung hệ số dư lượng không khí α và giảm chất lượng quá trình cháy, tăng tổn thất hành trình bơm.
Khi đóng tải động cơ 8ЧH25/34 lai máy phát có góc trùng điệp nói trên các thông số khói và độc tố khí xả, cũng như độ chênh áp suất khí xả và áp suất không khí tăng áp tăng lên. Độ chênh áp suất px1- pk trong giai đoạn đầu quá trình chuyển tiếp tăng lên 2 lần. Rò lọt ngược khí xả ở chế độ không ổn định cũng là hiện tượng đặc trưng đối với chế độ tăng tốc.
b. Động cơ 2 kì.
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 cỡ 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. Theo dõi đồ thị hình vẽ ta thấy, ứng với chế độ định mức khi mở cửa
quét áp suất sản vật cháy trong xi lanh p và trong đường ống xả px lớn hơn áp suất tăng áp px, 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 p 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. Suất tiêu hao không khí hay khí xả qua động cơ được tính:
= k x k k kqdm kq p p p G G ρ . .ψ. 1 1 x k p p ψ ÷
- hàm lưu động tương đối
12 2 1 2 1 1 1 x x x k k k x x x x k x k k p k p p p k p p ψ + = − ÷ − ÷ ÷
Trị số f1t được tính theo tiết diện cửa nạp và thải.
Nếu px1 > pk thì không khí quét không thể quét 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 quét 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 cửa quét ( đồng thời với mở cửa 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 tua bin và kết quả làm giảm vòng quay rô to tua bin 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 xả đối với động cơ sử dụng hệ thống tăng áp tua bin 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 tua bin máy nén độc lập cấp thứ nhất và máy nén ly tâm ở cấp thứ 2 thì quá trình trao đổi khí xấu hơn, kéo 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 tua bin 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.