Đề tài: Những tiến bộ trong việc chế tạo động cơ Diezel pptx

Chuyên đề
GVHD : Nguyễn Đình Long
SVTH: Nguyễn Thế Cường
MSSV:48132042
Cải thiện sự hoạt động của động cơ Diesel
Trong chế độ chuyển tiếp bằng các giải pháp ngoài
Thời gian làm việc của các động cơ Diezel ở chế độ
chuyển tiếp là đáng kể tuỳ theo tính chất của phụ tải và
lĩnh vực sử dụng. Nghiên cứu về chế độ chuyển tiếp
cũng như các giải pháp nâng cao chất lượng của quá
trình chuyển tiếp ngày càng được nhiều nhà nghiên cứu
và nhà sản xuất quan tâm. Bài báo đề cập tới khái niệm
cơ bản nhất về sự hoạt động của động cơ Diezel có
tăng áp bằng tua bin khí xả ở chế độ chuyển tiếp. Một
số giải pháp ngoài để cải thiện sự hoạt động của động
cơ ở chế độ chuyển tiếp cũng được giới thiệu.
•
A.Giới thiệu:
•
Theo truyền thống, đại đa số các nghiên cứu về hoạt động của
động cơ Diezel chỉ tập trung vào các chế độ tĩnh. Tuy nhiên, trong
thực tế phần lớn thời gian hoạt động của động cơ lại ở chế độ động
hay chế độ chuyển tiếp.
•
Chế độ tĩnh là gì? Đây là các chế độ hoạt động của động cơ mà các
thông số không thay đổi theo thời gian hay còn được gọi là chế độ
cân bằng. Tải của động cơ và giá trị tốc độ đặt không thay đổi có
thể coi là một chế độ tĩnh điễn hình với các biểu trưng là tốc độ và
•
lượng cấp nhiên liệu cho chu trình không thay đổi theo thời gian.
Chế độ động hay còn được gọi là chế độ chuyển tiếp là chế độ hoạt

động của động cơ mà có ít nhất một thông số thay đổi theo thời
gian.
•
Từ các khái niệm trên ta có thể khái quát rằng, để chuyển từ một
chế độ tĩnh này sang một chế độ tĩnh khác thì động cơ cần phải qua
các chế độ động hay gọi là giai đoạn chuyển tiếp
•
1. Quá trình chuyển tiếp của động cơ Diezel và các giải
pháp cải thiện
•
Các động cơ Diezel ngày nay cả trên bờ và dưới tàu thuỷ đại
đa số được trang bị tuabin tăng áp khí xả do những đặc điểm
nổi trội như công suất lớn, giảm suất tiêu hao nhiên liệu …
Các động cơ này cũng bộc lộ nhiều hạn chế cố hữu như quá
trình gia tốc chậm, khói đen khi tăng tốc, độ ồn cao…
•
Độ trễ của tua bin tăng áp là một đặc trưng cơ bản của các
động cơ có tăng áp bằng tua bin khí xả mà nó ảnh hưởng rất
lớn tới sự hoạt động của động cơ Diezel ở các chế độ
chuyển tiếp. Độ trễ của tổ hợp tua bin tăng áp là nguyên
nhân chính bởi vì bơm cao áp đáp ứng rất nhanh để tăng
nhiên liệu khi tải hoặc tốc độ đặt tăng lên. Lượng không khí
cần thiết không thể tức thời tăng lên một cách tương ứng,
mà chỉ có thể tăng lên sau một thời gian nhất định nào đó
phụ thuộc vào quán tính của hệ thống; hiện tượng trên còn
biểu hịên rõ ở các chế độ tải thấp và tốc độ thấp.
•
Do vậy, hệ số dư lượng không khí trong giai đoạn đầu của
quá trình chuyển tiếp có giá trị rất thấp, thậm chí nhỏ hơn 1.
Quá trình cháy xấu đi dẫn đến đáp ứng của động cơ chậm,

sụt tốc, khói đen và độ ồn cao.
•
Để cải thiện quá trình chuyển tiếp có ba phương pháp cơ bản, đó là:
•
Điều khiển quá trình cấp nhiên liệu
•
Giảm quán tính của hệ thống (động cơ, các bầu góp nạp xả và tua bin-máy nén tăng áp)
•
Sử dụng hộp số nhiều cấp để thay đổi mô men.
•

•
Sử dụng thiết bị giới hạn nhiên liệu theo áp suất gió nạp trong phương án 1 tương đối phổ biến
và đã thu được những thành công nhất định do làm giảm được khói đen nhưng lại làm chậm lại
đáp ứng chuyển tiếp, đồng thời làm xấu đi tính điều động. Điều này thật dễ hiểu vì chúng ta chỉ
xử lý hậu quả “khói đen” mà không tác động tới nguyên nhân của hiện tượng là do sự “trễ của
tua bin-máy nén tăng áp”. Phương án này do vậy còn được gọi là phương án “thụ động”.
•
Các phương án “chủ động” tập trung vào việc cải thiện đáp ứng chuyển tiếp của động cơ, các
bầu góp nạp xả và bản thân tua bin máy nén tăng áp. Nói chung, sự đáp ứng chậm trễ của động
cơ Diezel là một hiện tượng tương đối phức tạp, chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố như động
học, nhiệt động học và các thông số thiết kế, kết cấu.
•
Từ hình 1 ta có thể thấy rằng, để cải thiện đáp ứng của động cơ, thực hiện bằng cách tác động
lên phía ống góp xả để gia tốc cho tua bin. Cách khác là tác động lên phía nạp, để tăng trực tiếp
áp suất khí nạp, khi đó phải chú ý tới giới hạn “ho”.
•
Theo một cách phân loại khác, các giải pháp cải thiện chế độ chuyển tiếp của động cơ Diezel
được chia ra:
•

Giải pháp trong: bao gồm các giải pháp tập trung vào thay đổi, hoán cải kết cấu của động
cơ, hệ thống nhiên liệu, các bầu góp nạp thải…
•
Các giải pháp ngoài: tập trung giải quyết vấn đề trễ của tổ hợp tua bin máy nén tăng áp.
•
2. Một số giải pháp ngoài cải thiện chế độ chuyển tiếp của
động cơ Diezel
•
2.1 Phun khí nén
•
Ở giai đoạn đầu khi tải hoặc tốc độ đặt tăng lên, do sự trễ của tua
bin máy nén tăng áp mà áp suất khí nạp chưa kịp tăng, dẫn đến dư
lượng không khí giảm, quá trình cháy kém đi. Để có thể cải thiện
được đáp ứng chuyển tiếp của động cơ, chúng ta sử dụng giải
pháp phun không khí nén được tích trữ trong một bình chứa vào
máy nén, bầu góp khí nạp hoặc bánh cánh tua bin. Việc phun
không khí vào bánh cánh máy nén thường hiệu quả hơn nhiều so
với cấp khí nén vào các vị trí khác. Sơ đồ bố trí được thể hiện trên
hình 2.
•
2.2 Kết cấu của tổ hợp tua bin máy nén tăng áp
•
Tính chất và kết cấu của tổ hợp tua bin máy nén tăng áp đóng một
vai trò quan trọng trong đáp ứng của động cơ do đặc tính của tua
bin ảnh hưởng trực tiếp đến độ trễ. Xuất phát từ quan điểm để
giảm độ trễ của tổ hợp tua bin máy nén chúng ta sẽ sử dụng các
tua bin có quán tính nhỏ hơn, nghĩa là giảm kích thước và khối
lượng của rô to. Để đáp ứng đủ nhu cầu về không khí cho động cơ
thì các tổ hợp này phải có tốc độ quay rất cao và tiết diện ống phun
nhỏ.

•
Ở các chế độ tải và tốc độ cao, có thể dẫn đến áp suất gió nạp
tăng lên quá cao, gây nguy hiểm cho động cơ và tổ hợp tua bin
máy nén. Trở ngại này khắc phục bằng cách lắp thêm một van để
thoát khí xả tự động. Van này gồm một lò xo luôn cân bằng với áp
suất khí nạp. Khi áp suất khí nạp tăng lên, nó sẽ mở ra để thoát
một phần khí xả ra môi trường và một phần qua tua bin. Khi đó,
phản áp trên đường xả sẽ giảm đáng kể, giúp giảm công nén của
động cơ, góp phần làm tăng hiệu suất của động cơ, Sơ đồ bố trí và
kết cấu của tổ hợp tua bin tăng áp kiểu này được thể hiện trên hình
3.
•
2.3 Sử dụng tăng áp kết hợp
•
Khi sử dụng tăng áp bằng cơ giới (động cơ dẫn động trực tiếp máy nén tăng
áp), tốc độ của máy nén tỉ lệ với tốc độ của động cơ. Áp suất và lưu lượng
không khí nạp có thể đạt được giá trị cao, thậm chí khi tốc độ động cơ thấp.
Nhược điểm có thể thấy rõ ràng phải tiêu tốn một phần công suất của động cơ
để dẫn động máy nén tăng áp. Công này sẽ tăng lên đáng kể khi sử dụng tăng
áp cao và làm giảm hiệu suất có ích chung của động cơ. Sự kết hợp giữa hai
kiểu tăng áp sẽ khắc phục nhược điểm đáng kể của từng loại như thể hiện trên
hình 4.
•
Một máy nén trục vít C1 được nối với trục khuỷu của động cơ qua một ly hợp
điện- cơ khí. Máy nén này nối tiếp với máy nén tăng áp được dẫn động bởi tua
bin khí xả. Do đó, tỷ số nén sẽ được nhân với nhau. Ở các chế độ tải và tốc độ
thấp máy nén tua bin C2 không đáp ứng đủ lượng không khí cần thiết thì máy
nén cơ giới C1 sẽ được kích hoạt. Do vậy, ở các chế độ tải và tốc độ thấp đáp
ứng của động cơ sẽ được cải thiện một cách đáng kể do áp suất máy nén tăng
áp cơ giới tạo ra không phụ thuộc vào tải của động cơ. Hơn thế nữa, do áp

suất của không khí nạp tạo ra bởi hệ thống được nhân với nhau từ hai máy nén
nên có thể sử dụng tổ hợp tua bin máy nén tắng áp có kích thước nhỏ hơn,
giúp cho đáp ứng của động cơ nhanh hơn.
•
2.4 Tăng áp hai cấp
•
Ban đầu tua bin tăng áp hai cấp được sử dụng với mục đích chính là tăng công
suất của động cơ tàu thuỷ. Áp suất nạp có thể đạt tới giá trị 3.5 Bar. Để đạt
được áp suất này thì tua bin máy nén một cấp bộc lộ nhiều hạn chế như hiệu
suất thấp và giới hạn “ ho”. Trong sơ đồ này hai tua bin máy nén tăng áp được
mắc nối tiếp với nhau và có làm mát trung gian khí nạp như thể hiện trên hình
5.
•
2.5 Tăng áp kế tiếp
•
Kỹ thuật tăng áp kế tiếp sử dụng hai hoặc nhiều hơn các tổ
hợp tua bin máy nén mắc song song với nhau và được sử
dụng cho các động cơ Diezel thuỷ. Trên hình 6 thể hiện bố trí
và kết cấu của tăng áp dạng này.
•
Ở các chế độ tải bộ phận, chỉ các tổ hợp tua bin máy nén thứ
nhất làm việc và các van điều chỉnh đều đóng. Tổ hợp thứ
nhất luôn hoạt động ở mọi chế độ của động cơ, Nhưng có
kích thước và khối lượng nhỏ hơn so với trường hợp sử dụng
duy nhất một tổ hợp tua bin máy nén đơn nên nó sẽ gia tốc
nhanh hơn do có quán tính nhỏ. Tổ hợp tua bin máy nén thứ
hai thường có kích thước và khối lượng nhỏ hơn sẽ chỉ hoạt
động ở giá trị tải cao. Khi đó các van 1 và 2 mở và tổ hợp thứ
hai sẽ hoạt động và động cơ sẽ hoạt động với hai tua bin.
Bằng bố trí kiểu này đã giảm được mô men quán tính khối

lượng của tổ hợp tua bin máy nén tăng áp so với sử dụng
một tổ hợp tương đương. Liên quan đến hiện tượng “ho”
không cho phép hoạt động cả hai tua bin ở các giá trị tốc độ
và (hoặc) tải thấp. ngược lại, nếu chỉ sử dụng một tua bin ở
tải và (hoặc) tốc độ cao có thể dẫn đến qúa tốc tua bin.
•
2.6 Thay đổi cấu hình động cơ
•
Như đã thảo luận ở các phần trước, việc gia tốc của các tua bin tăng áp từ
một chế độ làm việc có giá trị tốc độ thấp sẽ rất khó khăn, do đó độ trễ của
tổ hợp sẽ tăng lên dẫn đến động cơ sẽ làm việc thiếu không khí, khói đen.
Một trong các phương pháp hiệu quả để khắc phục là cố duy trì chế độ làm
việc của tua bin tăng áp ở mức độ cao hơn bằng cách tăng nguồn năng
lượng cấp tới tua bin. Điều này có thể thực hiện bằng một số giải pháp như
đã thảo luận ở trên.
•
Trên quan điểm thay đổi cấu hình của động cơ để thay đổi đáp ứng chuyển
tiếp, chúng ta có thể sử dụng một số giải pháp cơ bản như:
•
- Thay đổi quy luật cấp nhiên liệu
•
- Thay đổi thời điểm đóng mở xupáp nạp thải
•
- Thay đổi kích thước và kết cấu các bầu góp nạp thải
•
- Sử dụng các động cơ Diezel – điện (hybrid)
•
Việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp trên nằm ngoài khuôn khổ của
bài báo này và sẽ được các tác giả trình bày trong các loạt bài viết tiếp
theo.

•
Kết luận
•
Cải thiện quá trình chuyển tiếp của động cơ Diezel ngày
càng được nhiều học giả và nhà sản xuất quan tâm
nghiên cứu. Cần phải chú ý rằng, để thoả mãn được tính
đáp ứng nhanh và giảm khói đen khi chuyển tiếp đôi khi
sẽ mâu thuẩn với những yêu cầu cơ bản của động cơ như
suất tiêu hao nhiên liệu thấp, hàm lượng khí xả ở các chế
độ làm việc ổn định. Yêu cầu tưởng như đơn này có thể là
trở lực lớn đối với các nhà thiết kế động cơ. Các nhà thiết
kế thường chọn một giải pháp an toàn là đảm bảo sự làm
việc của động cơ cùng với tổ hợp tua bin tăng áp để đạt
được các yêu cầu cơ bản ở các chế độ tĩnh. Để cải thiện
sự hoạt động ở chế độ chuyển tiếp, các nhà thiết kế
thường sử dụng các thiết bị hoặc các hệ thống phụ. Các
thiết bị này có thể là các thiết bị cơ khí đơn giản, các thiết
bị khí-thuỷ lực hoặc các bộ điều chỉnh điện tử phức tạp và
đắt tiền. Các bộ điều chỉnh điện tử hiện đại ngoài chức
năng giảm độ trễ của tổ hợp tua bin tăng áp còn tham gia
vào việc điều chỉnh tối ưu động cơ ở tất cả các chế độ
hoạt động.
•
Tài liệu tham khảo:
•
Lê Viết Lượng, các chế độ chuyển tiếp của động
cơ Diezel, nhà xuất bản Hải Phòng, 2005
•
Constantine D. Rakopoulos, Evangelos G.
Giakoumis, Diezel engine transient operation,

Springer Publisher, 2009
•
C.D. Rakopoulos – E.G. Giakoumis, Com
parative first-and second-law parametric study of
transient Diezel engine operation, Elsevire
Publisher, 2005.