2.1.1. Điều kiện để khởi động động cơ.
Để khởi động động cơ Diesel từ trạng thái dừng, ta cần có một nguồn năng lợng bên ngoài để làm quay trục khuỷu động cơ đến một vòng quay khởi động nkd tức là tốc độ quay nhỏ nhất mà vận tốc trung bình của piston đạt đến giá trị Cm cần thiết để nhiên liệu có thể tự bốc cháy. Nguồn năng lợng bên ngoài này có thể là của động cơ điện lai hoặc năng lợng khí nén. Trên tàu thủy, việc khởi động động cơ chủ yếu đợc thực hiện bằng năng lợng khí nén đợc chứa trong các chai gió.
Nguyên tắc của khởi động bằng gió nén là dùng năng lợng khí nén thay thế cho quá trình cháy trong xilanh động cơ làm piston chuyển động tạo momen làm quay trục khuỷu động cơ. Với mục đích đó, khí nén phải đợc cấp vào buồng đốt động cơ ứng với hành trình cháy giãn nở cuả động cơ.
Khi khởi động, khí nén đợc cấp vào các xilanh thông qua các van khởi động trên nắp xilanh theo đúng thứ tự nổ. áp lực khí sẽ đẩy lên các piston, tạo thành momen làm quay trục khuỷu. Việc cấp khí khởi động tuần tự vào các xilanh theo đúng thứ tự nổ đợc thực hiện bởi bộ phân phối gió khởi động (đĩa chia gió). Đĩa chia gió sẽ lần l- ợt cho phép khí điều khiển đến đóng mở các van khởi động trên nắp xilanh để cấp khí khởi động vào các xilanh theo đúng thứ tự nổ. Để việc câp khí vào các xilanh không bị gián đoạn thì phải có điều kiện:
α ≤ γ (2.1) trong đó: α là góc kẹp nổ
γ là góc cấp gió
Để khí khởi động không bị thoát ra ngoài theo xuapap xả thì
γ < 1800 – θ (2.2) θ là góc mở sớm của xupap xả
θ = 400 ữ 650 gqtk đối với động cơ 4 kì θ = 850 ữ 900 gqtk đối với động cơ 2 kì
Nh vậy, đối với động cơ 2 kì, muốn cho động cơ khởi động đợc ở bất kì vị trí nào của trục khuỷu thì động cơ phải có ít nhất 6 xilanh. Đối với động cơ Diesel 2 kì, thì số xilanh tối thiểu để động cơ có thể khởi động ở bất kì vị trí nào là 4 xilanh.
2.1.2. Các phơng pháp khởi động cơ.
Động cơ Diesel có thể khởi động bằng nhiều phơng pháp:
- Khởi động bằng tay: Phơng pháp này ít dùng, chỉ sử dụng cho các động cơ có công suất 20 ữ 30 bhp. Trục khuỷu của động cơ đợc quay bằng tay quay ăn khớp với lỗ của đầu trục tự do.
- Khởi động bằng máy khởi động quán tính: Thực hiên bằng cách tăng tốc độ các khối lợng quán tính phụ. Loại này cho phép dùng tay để khởi động những động cơ có công suất lớn hơn. Phơng pháp này cũng ít đợc sử dụng vì cấu tạo phức tạp và thời gian hoạt động của máy khởi động rất ngắn.
- Khởi động bằng điện: Thờng dùng cho các động cơ Diesel có tốc độ cao, công suất dới 1000 bhp. Máy khởi động sử dụng động cơ điện một chiều, nguồn cung cấp là các ắc quy. Bánh răng ăn khớp của động cơ điện lai tự động ngắt ra khi kết thúc khởi động.
Các phơng pháp khởi động trên có thể tiến hành với bất cứ vị trí nào của piston và không phụ thuộc vào số lợng xilanh của động cơ.
- Khởi động bằng khí nén: Đây là phơng pháp khởi động phổ biến nhất cho động cơ Diesel tàu thuỷ. Nó có nhiều u điểm nh momen khởi động lớn, độ tin cậy cao. Sau đây, ta sẽ chỉ tìm hiểu về phơng pháp khởi động này.
áp suất của khí nén để khởi động cho các động cơ Diesel tàu thủy nằm trong các khoảng sau:
p = 20 - 30 bar ( áp suất thấp ).
p = 60 - 80 bar ( áp suất trung bình ). p = 150 - 250 bar ( áp suất cao ).
Nếu sử dụng 2 hệ thống trung bình và cao áp thì phải có van giảm áp xuống 30 bar. u diểm của hệ thống khởi động áp suất trung bình và áp suất cao là khối lợng gió dự trữ lớn, và công việc khởi động đảo chiều tin cậy hơn. Tuy nhiên sẽ phức tạp hơn
và nguy hiểm hơn và việc quan tâm đến các thiết bị giảm áp, các thiết bị an toàn là điều rất quan trọng.
Hệ thống khởi động bằng không khí nén đợc chia thành hai loại: Khởi động trực tiếp và khởi động gián tiếp (xem hình 2.2a).
- Khởi động trực tiếp:
Thờng áp dụng cho các động cơ cao tốc, công suât nhỏ. Trong hệ thông náy, khí nén khởi động đi trực tiếp qua thiết bị phân phôi gió khởi động. Thiết bị phân phối gió khởi động hoạt động nhờ cơ cấu truyền động cơ khí lai bởi động cơ lần lợt cấp khí nén khởi động vào các xilanh.
- Khởi động gián tiếp:
Trong hệ thống này, phân ra 2 đờng khí: một đờng đến chờ ở van khởi động và một đờng vào thiết bị phân phối gió lần lợt điều khiển đóng mở các van khởi động trên các xilanh. Phơng pháp này làm việc tin cậy nên đợc sử dụng cho phần lớn các động cơ lai chân vịt
Khởi động trực tiếp Khởi động gián tiếp Hình 2.2a. Các phơng pháp khởi động bằng không khí nén
1. Van khởi động chính; 2. Thiết bị phân phối gió khởi động; 3. Van khởi động; 4. Đờng gió khởi động chính; 5. Đờng khí điều khiển đóng mở van khởi động.
1 2 1 2 3 3 3 3 3 3 4 5
Dới tác dụng của không khí nén, vòng quay của động cơ tăng dần. Khi vòng quay của động cơ tăng đến vòng quay khởi động, động cơ bắt đầu chuyển sang làm việc với nhiên liệu. Việc cấp nhiên liệu vào xilanh có thể theo các cách sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Lần lợt đa không khí nén và nhiên liệu vào xilanh, tức là khi động cơ quay bằng khí khởi động đến một vòng quay nhất định thì việc cấp nhiên liệu mới xảy ra.
- Đa không khí nén và nhiên liệu vào trong xilanh cùng một lúc. Phơng pháp này sử dụng phổ biến cho các động cơ công suất lớn và vừa. Tuy nhiên, nếu thời gian khởi động kéo dài, lọng nhiên liệu phun vào động cơ cha kịp cháy sẽ có ảnh hởng không tốt đối với động cơ. Nó là tác nhân gây muội, cáu bám vào piston, vách buồng đốt và cuốn vào dầu bôi trơn xilanh.
Các thông số cơ bản để đánh giá chất lợng khởi động của động cơ là vòng quay khởi động nkd và thời gian khởi động τkd
2.1.3. Vòng quay khởi động nkd
Vòng quay khởi động nkd là số vòng quay nhỏ nhất đảm bảo chuyển động cơ từ trạng thái quay bằng khí nén sang hoạt động với nhiên liệu. Vòng quay khởi động phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố nh đặc điểm cấu tạo động cơ, loại nhiên liệu , chất lợng phun nhiên liệu, phơng pháp tạo hỗn hợp cháy, nhiệt độ ban đầu của nớc làm mát, điều kiện khí hậu môi trờng, trạng thái kĩ thuật của nhóm piston-xilanh, bơm cao áp…
Theo kinh nghiệm khai thác, yếu tố cơ bản cho phép xác định số vòng quay khởi động nkd để chuyển động cơ quay bằng khí khởi động sang làm việc với nhiên liệu một cách tin cậy là vận tốc trung bình của piston Cm.
Khi khởi động động cơ nguội lạnh, sự tự bốc cháy nhiên liệu trong xilanh động cơ chỉ có thể thực hiện đợc khi tốc độ trung bình của piston đạt đén Cm = 0,9 ữ 1,5 m/s. Tơng ứng với tốc độ trung bình ấy của piston, số vòng quay nhỏ nhất mà động cơ có thể lấy đà nằm trong khoảng nmin =30.Cm/S = (27/S ữ 45/S) rpm.
Tuy vậy, khi tính toán nkd không nên quên ảnh hởng của các yếu tố nhiệt độ, nớc làm mát, nhiệt độ không khí môi trờng khi khởi động. Cụ thể các yếu tố ảnh hởng đến nkd sẽ đợc trình bày trong phần sau.
Thời gian khởi động càng ngắn tức là trục khuỷu động tăng càng nhanh tới vòng quay khởi động nkd thì động cơ càng khởi động nhanh. Thời gian khởi động phụ thuộc các yếu tố nh áp lực khí khởi động, vòng quay khởi động nkd…Đối với các động cơ trung tốc và cao tốc, nkd thấp, nhiên liệu đợc phun vào xilanh đồng thời với trục khuỷu quay khi khởi động, nhờ vậy giảm đợc thời gian khởi động của động cơ.
Để tăng tính cơ động của con tàu, thời gian khởi động của động cơ phải đảm bảo giá trị nhỏ nhất. Theo quy định của dăng kiểm, thời gian khởi động độngcơ bằng khí nén không đợc vợt quá 12 giây.
2.1.5. Quá trình khởi động động cơ bằng không khí nén.
Nh đã biết, muốn cho động cơ khởi động tin cậy, yêu cầu cơ bản là số vòng quay của động cơ phải đạt đến vòng quay khởi động, tức là giá trị vòng quay tối thiểu nmin . Nói một cách khác, để đa số vòng quay của động cơ từ n = 0 đến nmin trong giai doạn khởi động nhất thiết phải chi phí năng lợng cho quá trình ấy. Công tiêu tốn trong thời kì khởi động do không khí nén khởi động tạo nên thông qua các chu trình công tác trong các xilanh của động cơ. Những chu trình công tác ấy xảy ra với áp suất không khí nén pkn và tốc độ trung bình của piston khác nhau. Thời gian lấy đà của động cơ càng tăng thì áp suất pkn trong xilanh càng giảm, tốc độ trung bình của piston tăng lên.
Mỗi chu trình công tác tiếp theo đợc thực hiện với những thông số nhiệt độ khác so với chu trình trớc. Chính vì vậy, đồ thị công chỉ thị của mỗi chu trình công tác trong giai đoạn khởi động có đặc điểm riêng, các giá trị của áp suất chỉ thị bình quân thu đựoc sẽ khác nhau. Biểu đồ công chỉ thị của động cơ trong quá trình khởi động bằng khí nén đợc thể hiện trong hình 2.2b.
P b c d a V
Hình 2.2b. Biểu đồ công chỉ thị của động cơ ở chế độ khởi động.
ở đồ thị công chỉ thị đầu tiên ứng với thời điểm piston đang ở hành trình giãn nở nên đã tạo thể tích xilanh V lớn hơn thể tích buồng đốt Vc.
Từ lúc bắt đầu cấp khí khởi động (điểm a), do piston dừng nên áp suất trong xilanh tăng nhanh đến áp suất của không khí nén Pkn trong chai gió. Tại điểm b, piston bắt đầu chuyển động, không khí nén liên tục đợc cấp vào xilanh nên áp suất giãn nở gần nh không đổi.
Từ thời điểm đóng van khởi động (điểm c), không khí bắt đầu giãn nở đa biến, rồi lại tiếp tục các qua trình xả, nén Các chu trình tiếp theo lặp đi lặp lại, với mức…
độ tăng lên của việc dịch chuyển piston, áp suất khởi động giảm xuống và áp suất chỉ thị bình quân sau mỗi chu trình công tác cũng giảm theo.
Trên các đồ thị công chỉ thị, dờng nạp b c phụ thuộc vào khả năng thông qua của van khởi động và tốc độ chuyển động của piston trong giai đoạn nạp không khí khởi động vào xilanh.
Đờng cong giãn nở đa biến và đờng cong nén đa biến của không khí trong xilanh có thể biểu diễn bằng phơng trình PVn2 = const và PVn1 = const ( p - áp suất của không khí; V – thể tích; n1, n2 – các chỉ số nén và giãn nở đa biến).
V Vc
Nếu tốc độ trung bình của piston tăng lên trong giai đoạn khởi động thì thời gian trao đổi nhiệt giữa không khí khởi động và thành vách xilanh sẽ đợc rút ngắn. Do đó sự rò lọt không khí từ vùng phía trên đỉnh piston qua các xec măng sẽ giảm đi. Chính vì vậy, tùy theo mức độ chuyển động của piston, chỉ số nén giãn nở đa biến n1và n2
sẽ thay đổi. Vận tốc trung bình Cm của piston tăng dần lên, các chỉ số nén đa biến cũng tăng lên dẫn đến áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén Pc và Tc cũng tăng đến mức nhiên liệu có thể tự bốc cháy.
áp suất chỉ thị trung bình cho toàn bộ giai đoạn khởi động đợc tính nh sau: Pitb = ( Pi1 + Pi2 + Pi3 + + P… ik )/ K (2.3)
Pik là các áp suất chỉ thỉ trung bình trong mỗi chu trình. K là số chu trình đã thực hiện trong giai đoạn khởi động. Giá trị Pitb cho phép xác định công suất Nkd và momen đẩy trung bình Mkd của động cơ trong giai đoạn khởi động. Thực tế đối với các động cơ thấp tốc, áp suất chỉ thị bình quân của chu trình khởi động lần đầu tiên nằm trong khoảng giới hạn từ 3 ữ 7 KG/cm2.
Ta nhận thấy rằng, với áp lực khí khởi động tối đa khoảng 30 bar, nhng do quá trình cấp khí khởi động liên tục. trong hành trình giãn nở của piston, áp suất trong xilanh giảm rất ít, trong giai đoạn đầu gần nh là đẳng áp, do đó công giãn nở của khí khởi động sẽ lớn và có thể làm quay đợc trục khuỷu. Ngay cả khi áp suất của khí nén trong chai gió chỉ còn khoảng 7 bar cũng có thể làm quay trục khuỷu khi khởi động động cơ. Tuy nhiên, với áp suất khí cháy cực đại bằng với áp suất khí khởi động, tức là khoảng 30 bar thì động cơ không thể tiếp tục hoạt động do khí cháy giãn nở đa biến, áp suất giảm rất nhanh và công giãn nở nhỏ không đủ duy tri hoạt động của động cơ.
Mối quan hệ giữa vòng quay trục khuỷu và thời gian khởi động động cơ Diesel đợc biểu diễn trên hình vẽ
n (rpm) 400 200
2 4 6 τ (s) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.2c. Mối quan hệ vòng quay trục khuỷu và thời gian khởi động
ứng với chu trình công tác đầu tiên (điểm A), diễn ra sự bốc cháy của nhiên liệu. Trong chu trình thứ 2 (điểm B), lợng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng nhanh do bộ điều tốc kéo thanh răng nhiên liệu đến mức cao hơn, vòng quay trục khuỷu tăng nhanh. Trong chu trình thứ 3, thứ 4 (điểm C, D), lợng nhiên liệu cấp vào xilanh giảm xuống. Còn trong chu trình thứ 5, lợng nhiên liệu cấp vào xilanh gần nh bị cắt. Trong chu trình thứ 6, bộ điều tốc chuyển thanh răng nhiên liệu đến vị trí làm việc tơng ứng với hành trình không tải của động cơ và động cơ hoạt động không tải.
Quá trình khởi động động cơ là quá trình làm việc không ổn định. Khi khởi động, động cơ chịu nhứng suất cơ và ứng suất nhiệt lớn. Vì vậy trong công tác chuẩn bị khởi đông cần hết sức chú ý tránh gây ảnh hởng xấu cho động cơ. Thời gian để đạt chế độ ổn định sau khi khởi động động cơ phụ thuộc vào kích thớc và kết cấu của các chi tiết nhóm piston-xilanh, vòng quay động cơ. ở những động cơ có kích thớc sơmi xilanh bé thì thời gian cần là 11 ữ 15 phút, còn các động cơ thấp tốc có kích thớc sơmi xilanh lớn thì thời gian có thể kéo dài từ 30 ữ 60 phút.
2.1.6. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình khới động
Để động cơ bắt đầu hoạt động cần phải có một nguồn năng lợng bên ngoài để lai động cơ đạt đến một giá trị vòng quay khởi động nkd, tức là vòng quay tối thiểu nmin
để piston đạt giá trị vận tốc trung bình cm để nhiên liệu có thể tự bốc cháy. Trong quá trình khai thác nói chung và khi khởi động nói riêng thì giá trị vòng quay tối thiểu n
min cần phải đợc quan tâm vì nếu động cơ không có khả năng làm việc ở vòng quay tối thiểu thấp thì tính cơ động của con tàu không đợc đảm bảo. Giá trị nmin phụ thuộc nhiều vào thời gian sử dụng của động cơ, chủng loại động cơ. Đối với động cơ lai
A
B C
D E
trực tiếp chân vịt thì n min thờng không vợt quá 30% ndm. Thực tế thì nmin nằm trong khoảng (0.15 - 0.25) ndm tức là cm nằm trong khoảng (0.7 - 1.2) m/s
Sự tự cháy của nhiên liệu trong động cơ đợc xác định bởi nhiệt độ và áp suất không khí cuối quá trình nén Tc và Pc. Nhiệt độ Tc phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố nh : trạng thái kĩ thuật, trạng thái nhiên liệu của động cơ, nhiệt độ, độ ẩm của môi trờng lúc khởi động, trạng thái kĩ thuật của nhóm piston-xilanh, tốc độ trung bình của piston Cm, số vòng quay của động cơ…
Sau đây ta sẽ tìm hiểu cụ thể ảnh hởng của các yếu tố tới động cơ trong quá trình khởi động.
a.ảnh hởng của hệ thống nhiên liệu:
Tính chất nhiên liệu:
-Độ nhớt và sức căng bề mặt của nhiên liêu có ảnh hởng lớn đến chất lợng phun