Nghiên cứu cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp khi động cơ diesel làm việc ở chế độ chuyển tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN VĂN BÌNH

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN SỰ HOẠT ĐỘNG
CỦA TỔ HỢP TUABIN TĂNG ÁP KHI
ĐỘNG CƠ DIESEL LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ
CHUYỂN TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀ NH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP. HỜ CHÍ MINH, 07 – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN VĂN BÌNH

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN SỰ HOẠT ĐỘNG
CỦA TỔ HỢP TUABIN TĂNG ÁP KHI

ĐỘNG CƠ DIESEL LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ
CHUYỂN TIẾP
CHUYÊN NGÀ NH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ

:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. LÊ VĂN VANG


II
 

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ này, cùng với sự nỗ lực cá
nhân thì tác giả cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ rất nhiệt tình và quý
báu. Tác giả rất trân trọng và tri ân các sự giúp đỡ đó.
Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy TS Lê Văn
Vang - giảng viên của trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM. Thầy
đã hướng dẫn và cung cấp cho tôi rất nhiều kiến thức chuyên môn, những tài
liệu chuyên ngành hết sức quý báu trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài.
Thầy là người hướng dẫn tận tình và tâm huyết trong quá trình thực hiên cơng
trình nghiên cứu và đưa ra các ý kiến góp ý giúp tơi hồn tất luận văn này.
Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy, cô,
đồng nghiệp và bạn bè trong khoa Máy Tàu Thủy nói riêng và các thầy cơ
trong trường Đại học Giao thơng vận tải TPHCM nói chung đã truyền đạt cho
tôi những kiến thức chuyên môn bổ ích trong q trình tơi học tại trường.
Cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Máy Tàu Thủy đã giúp đỡ tạo điều kiện về

thời gian và cơng việc để tơi hồn thành luận văn này.
Cám ơn sự quan tâm, hỗ trợ và động viên của gia đình và bạn bè giúp tơi
có động lực hồn thành cơng việc nghiên cứu trong luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Văn Bình


III
 

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. I 
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. II 
MỤC LỤC ....................................................................................................... III 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .......................................................................VII 
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. IX 
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................ XI 
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1 
CHƯƠNG 1....................................................................................................... 3 
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ........................................................ 3 
1.1. Giới thiệu chung về đề tài .......................................................................... 3 
1.1.1.  Ảnh hưởng của quá trình khai thác động cơ đến môi trường ............ 4 
1.1.2. Ảnh hưởng của chế độ thay đổi tải đến độ mài mòn các chi tiết làm
việc của động cơ............................................................................................ 6 
1.1.3. Tình hình khai thác sử dụng động cơ Diesel ở Việt Nam................... 7 
1.2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài ................................................. 8 
1.3. Phương pháp và mục tiêu nghiên cứu ........................................................ 8 
CHƯƠNG 2....................................................................................................... 9 

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CHUYỂN TIẾP
CỦA ĐỘNG CƠ ............................................................................................... 9 
2.1. Cơ sở lý thuyết tăng áp cho động cơ Diesel .............................................. 9 
2.2. Phân tích các chế độ công tác của động cơ Diesel tăng áp lai phụ tải ..... 13 
2.3. Các quá trình chuyển tiếp và sự thay đổi các thông số của động cơ Diesel
trong quá trình chuyển tiếp ............................................................................. 14 
2.3.1. Chế độ chuyển tiếp của động cơ Diesel. ........................................... 14 
2.3.2. Q trình đóng và ngắt tải đột ngột. ................................................. 15 
2.3.3. Quá trình tăng tốc. ............................................................................. 18 


IV
 

2.3.4. Quá trình chuyển tiếp liên hợp. ......................................................... 20 
2.3.5. Quá trình thay đổi tải có tính chu kỳ................................................. 21 
2.3.6. Q trình đảo chiều quay trục khuỷu của động cơ chính. ................ 22 
2.4. Q trình cơng tác của động cơ ở chế độ chuyển tiếp. ............................ 25 
2.4.1. Quá trình trao đổi khí trong động cơ diesel tăng áp bằng tuabin khí
xả ở các chế độ chuyển tiếp. ....................................................................... 26 
2.4.2. Quá trình hoà trộn hỗn hợp và cháy ở các chế độ chuyển tiếp ......... 29 
2.4.3. Sự phối hợp công tác giữa tổ hợp tuabin máy nén và động cơ diesel
trong quá trình hoạt động ............................................................................ 31 
CHƯƠNG 3..................................................................................................... 42 
CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN VÀ TÍNH TỐN SỰ THAY ĐỔI CÁC
THƠNG SỐ CƠNG TÁC CỦA TỔ HỢP TUABIN TĂNG ÁP VÀ ĐỘNG
CƠ TRONG CHẾ ĐỘ CHUYỂN TIẾP ......................................................... 42 
3.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 42 
3.2. Đối với động cơ ........................................................................................ 43 
3.2.1. Hệ thống nhiên liệu ........................................................................... 43 

3.2.2. Bộ điều tốc ........................................................................................ 43 
3.2.3. Sử dụng chốt tì di động dạng thuỷ lực .............................................. 44 
3.2.4. Lựa chọn các thơng số trao đổi khí ................................................... 45 
3.2.5. Cơ cấu phối khí ................................................................................. 46 
3.3. Đối với tuabin tăng áp .............................................................................. 47 
3.3.1. Sử dụng tăng áp biến áp .................................................................... 47 
3.3.2. Giảm mơmen qn tính rơ to tuabin máy nén .................................. 48 
3.3.3. Điều chỉnh tuabin máy nén ............................................................... 48 
3.3.4. Kết cấu của tổ hợp tuabin máy nén tăng áp ...................................... 50 
3.3.5. Sử dụng tăng áp kết hợp.................................................................... 51 
3.3.6. Sử dụng tăng áp hai cấp .................................................................... 52 


V
 

3.3.7. Sử dụng tăng áp kế tiếp ..................................................................... 53 
3.3.8. Cấp khí bổ sung................................................................................. 54 
3.4. Tính tốn sự thay đổi các thông số công tác của tổ hợp tuabin tăng áp và
động cơ trong chế độ chuyển tiếp. .................................................................. 59 
3.4.1. Lựa chọn các thơng số tính tốn ....................................................... 59 
3.4.2. Lựa chọn phương pháp tính tốn động cơ ........................................ 60 
3.4.3. Lập thuật tốn và chương trình tính. ................................................. 61 
3.4.4. Phương trình thay đổi vòng quay hệ trục động cơ - phụ tải. ............ 62 
3.4.5. Suất tiêu hao khơng khí của động cơ. ............................................... 66 
3.4.6. Nhiệt độ khí xả. ................................................................................. 68 
3.4.7. Các thơng số công tác của máy nén. ................................................. 68 
3.4.8. Các thông số cơng tác của tuabin khí xả. .......................................... 70 
3.4.9. Tính tốn lượng khí cấp bổ sung cho tuabin tăng áp ........................ 74 
CHƯƠNG 4..................................................................................................... 77 

LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN CẢI THIỆN SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA
TỔ HỢP TUABIN TĂNG ÁP KHI ĐỘNG CƠ DIESEL LÀM VIỆC Ở CHẾ
ĐỘ CHUYỂN TIẾP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤP KHÍ BỔ SUNG ........... 77 
4.1. Lựa chọn động cơ để tính tốn ................................................................. 77 
4.2. Viết chương trình tính .............................................................................. 82 
4.3. Xây dựng đặc tính máy nén ..................................................................... 83 
4.4. Tính tốn q trình thay đổi tải ................................................................ 83 
4.5. Lập chương trình tính trên ngơn ngữ Matlab ........................................... 84 
4.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm Matlab............................................. 84 
4.5.2. Xây dựng đặc tính hàm lưu động tương đối với tỉ số áp suất px/pk .. 85 
4.5.3. Xây dựng mối quan hệ giữa tỉ số áp suất px/pk và khối lượng khí nạp
Gkq ............................................................................................................... 86 


VI
 

4.5.4. Xây dựng mối quan hệ giữa suất tiêu hao khơng khí qua động cơ Gk
với tỉ số áp suất px/pk ................................................................................... 88 
4.5.5. Xây dựng mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung và cơng suất máy
nén ............................................................................................................... 89 
4.5.6. Xây dựng mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung và hệ số dư lượng
khơng khí α1 ................................................................................................ 90 
4.5.7. Xây dựng mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung và hiệu suất chỉ
thị của động cơ ............................................................................................ 92 
4.5.8. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình thay đổi tải.............. 93 
4.5.9. Kết luận ............................................................................................. 93 
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 94 
1. Kết luận ....................................................................................................... 94 
2. Kiến nghị và hướng phát triển của đề tài .................................................... 94 

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 95 
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 96 

 
 
 
 


VII
 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Ý nghĩa

Ne

Cơng suất có ích của động cơ (kw)

Nm

Công suất cơ giới của động cơ (kw)

Ni

Cơng suất chỉ thị của động cơ (kw)

Pe

Áp suất có ích bình quân (kg/cm2)

Pi

Áp suất chỉ thị (kg/cm2)

Pm

Áp suất cơ giới (kg/cm2)

D

Đường kính xylanh (m)

S

Hành trình pittong (m)

n

Vịng quay động cơ (v/ph)

i

Số xy lanh

m

Hệ số kỳ

ε

Tỉ số nén

λta

Tỉ số tăng áp

δ

Độ khơng đồng đều vịng quay

Cm

Tốc độ (m/s)

Ta

Thời gian chuyển tiếp của hệ động cơ (s)

J

Mơmen qn tính khối lượng quay của động cơ và
phụ tải (kg.ms2)

φ

Độ thay đổi vòng quay tương đối (rad/s)

gct

Lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình (kg/s)

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (kg/kw.h)

gi

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị (kg/kw.h)

τi

Thời gian trì hỗn sự cháy (s)

α

Hệ số dư lượng khơng khí


VIII
 

Lo

Lượng khơng khí lý thuyết cần đốt cháy hồn tồn
1kg nhiên liệu (kmol)

ηi

Hiệu suất chỉ thị

ηm

Hiệu suất cơ giới

ηe

Hiệu suất có ích

Mq

Mơmen quay của động cơ (N.m)

Mc

Mơmen cản của động cơ (N.m)

ψ

Hàm lưu động tương đối

ρk

Khối lượng riêng của không khí nạp (kg/m3)

Lk

Cơng đoạn nhiệt của máy nén (kj)

Nk

Cơng suất máy nén (kw)

Pk

Áp suất tăng áp (kg/cm2)

Px

Áp suất khí xả (kg/cm2)

kx

Chỉ số nén đoạn nhiệt của khí xả

kkk

Chỉ số nén đoạn nhiệt của khơng khí

Rkk

Hằng số trạng thái của khơng khí (kj/kg.độ)

Rkx

Hằng số trạng thái của khí xả (kj/kg.độ)

Gk

Lưu lượng khơng khí qua động cơ (kg/s)

Gkd

Lượng khơng khí cịn lại trong xylanh khi đóng xu
páp nạp, thải (kg/s)

Gkq

Lưu lượng khí nạp (kg/s)

Gbs

Lượng cấp khí bổ sung (kg/s)

Tk

Nhiệt độ sau khi nén có làm mát (0K)

To

Nhiệt độ mơi trường (0K)

Tx

Nhiệt độ khí xả (0K)

Fvan

Diện tích cửa van điện từ (m2)
 


IX
 

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Sơ đồ động cơ tăng áp tua bin khí xả.............................................. 12 
Hình 2.2: Q trình chuyển tiếp của động cơ ................................................. 16 
Hình 2.3: Sự thay đổi cơng suất tiêu thụ phụ thuộc vào vịng quay khi tăng tốc
tàu. ................................................................................................................... 19 
Hình 2.4: Các đường cong biểu diễn vùng làm việc của động cơ. ................. 22 
Hình 2.5: Sự phụ thuộc mơmen trên trục khuỷu động cơ vào vịng quay khi
dừng tàu. .......................................................................................................... 23 
Hình 2.6: Sự phụ thuộc vịng quay của động cơ có hộp giảm tốc vào thời gian
dừng tàu. .......................................................................................................... 24 
Hình 2.7: Đặc tính máy nén ............................................................................ 32 
Hình 2.8: Sự thay đổi các thơng số cơng tác của tổ hợp tuabin máy nén khi
làm việc ở các q trình chuyển tiếp............................................................... 34 
Hình 2.9: Đặc tính cơng tác đồng thời của hệ máy nén tăng áp-động cơ. ...... 36 
Hình 2.10: Sự thay đổi điểm cơng tác đồng thời của hệ máy nén tăng áp-động
cơ khi mất ổn định........................................................................................... 38 
Hình 3.1: Chốt tỳ di động thuỷ lực ................................................................. 45
Hình 3.2: Sơ đồ bố trí tổ hợp tuabin tăng áp có đường thốt khí xả .............. 50 
Hình 3.3: Sơ đồ bố trí và kết cấu động cơ sử dụng tăng áp kết hợp ............... 52 
Hình 3.4: Sơ đồ bố trí và kết cấu sử dụng tăng áp hai cấp. ............................ 53 
Hình 3.5: Hình dạng và thiết kế bộ tăng áp có cấp khí bổ sung ..................... 55 
Hình 3.6: Sơ đồ bố trí họng cấp khí vào hệ thống điều khiển máy nén.......... 55 
Hình 3.7: Ảnh hưởng của cấp khí bổ sung đối với quá trình chuyển tiếp ...... 56 

Hình 3.8. So sánh quá trình chuyển tiếp sau khi tăng phụ tải......................... 57 
Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống tăng áp.................................................................... 79
Hình 4.2: Sơ đồ cấp khí bổ sung ..................................................................... 79 
Hình 4.3: Sơ đồ bộ điều khiển áp suất khí nạp ............................................... 80 


X
 

Hình 4.4: Sơ đồ khối hệ thống cấp khí bổ sung .............................................. 82 
Hình 4.5: Đặc tính máy nén NR15-R.............................................................. 83 
Hình 4.6: Đồ thị biểu thị mối quan hệ hàm lưu lượng tương đối Ψ với tỉ số áp
suất px/pk .......................................................................................................... 86 
Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa tí số áp suất với khối lượng khí nạp ............... 87 
Hình 4.8: Đồ thị quan hệ giữa suất tiêu hao khơng khí với tỉ số áp suất ........ 88 
Hình 4.9: Đồ thị mối quan hệ giữa công suất máy nén và lượng cấp khí bổ
sung ................................................................................................................. 90 
Hình 4.10: Đồ thị mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung Gbs và hệ số dư
lượng khơng khí α1 ......................................................................................... 91 
Hình 4.11: Biểu diễn mối quan hệ giữa lượng cấp khí bổ sung Gbs và hiệu suất
chỉ thị ηi của động cơ. ..................................................................................... 92 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 


XI
 

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Hàm lượng phần trăm theo thể tích thành phần của khí xả.............. 4
Bảng 2.1: Trị số áp suất có ích bình qn ....................................................... 12
Bảng 3.1: Giá trị hệ số a, b của từng loại động cơ .......................................... 65
Bảng 3.2: Nhiệt độ khí xả của từng loại động cơ ........................................... 68
Bảng 4.1: Giá trị tương ứng giữa lượng cấp khí bổ sung Gbs và hệ số α1 ...... 91
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


1
 

LỜI NÓI ĐẦU
Các động cơ Diesel 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 q trình gia tốc chậm, khói đen khi tăng tốc, độ ồn cao…
Sự phối hợp công tác giữa tuabin tăng áp và động cơ là một đặc trưng cơ
bản của các động cơ có tăng áp bằng tuabin khí xả mà nó ảnh hưởng rất lớn
tới sự hoạt động của động cơ Diesel ở các chế độ chuyển tiếp. Sự phối hợp
công tác giữa tuabin tăng áp và động cơ là ngun nhân chính bởi vì bơm cao
áp đáp ứng rất nhanh để tăng nhiên liệu khi tải hoặc tốc độ đặt tăng lên.
Lượng khơng 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 qn

tính của hệ thống: hiện tượng trên còn biểu hiện rõ ở các chế độ tải thấp và
tốc độ thấp.
Do vậy, hệ số dư lượng khơng khí trong giai đoạn đầu của q 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, giảm chất lượng chu
trình cơng tác, giảm tính tin cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của
động cơ, tăng độc tố trong khí xả thải ra môi trường. Các nhà chế tạo và khai
thác mong muốn cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp khi động cơ
khai thác ở những chế độ này. Hiện nay nhờ sự phát triển vượt bậc của tiến bộ
khoa học kỹ thuật mà động cơ Diesel thế hệ mới đã phần nào khắc phục được
những nhược điểm nói trên. Tuy nhiên với loại động cơ này tại Việt Nam
cũng như một số nước phát triển khác, do nguồn kinh phí có hạn nên khơng
có nhiều doanh nghiệp mạnh dạn đầu tư. Trong khi đó thế hệ động cơ đời
thấp, cũ tính năng hoạt động kém hơn nhưng giá rẻ phù hợp với điều kiện của
nhiều doanh nghiệp nên được dùng rất nhiều, chiếm tỉ trọng lớn. Khi khai


2
 

thác loại động cơ này nếu khơng có biện pháp cải thiện sự hoạt động của tổ
hợp tuabin tăng áp sẽ làm giảm các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và tính năng tin
cậy khi làm việc của động cơ, đồng thời làm tăng độc tố trong khí xả, gây ô
nhiễm môi trường.
Nghiên cứu “Cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp khi động cơ
diesel làm việc ở chế độ chuyển tiếp” nhằm mục đích nâng cao chất lượng
của quá trình chuyển tiếp mà cụ thể là: Tính đáp ứng của tuabin nhanh hơn,
tăng cơng suất tuabin, tăng lượng khí nạp vào động cơ, tăng cơng suất động
cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, quá trình cháy tốt hơn, giảm lượng khói đen
khi tăng tốc và giảm độ ồn của động cơ. Từ kết quả thu được có thể áp dụng

thực tế trên các động cơ cả trên bờ và dưới tàu thủy có trang bị cụm tuabin
tăng áp khí xả.


3
 

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu chung về đề tài
Thời gian làm việc của các động cơ Diesel 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.
Theo truyền thống, đại đa số các nghiên cứu về hoạt động của động cơ
Diesel 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 các chế độ hoạt động của động cơ mà các thơng số khơng
thay đổi theo thời gian hay cịn được gọi là chế độ cân bằng. Tải của động cơ
và giá trị tốc độ đặt khơng 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 khơng 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.
Khi thiết kế chế tạo động cơ Diesel, chế độ được lựa chọn để thiết kế là
chế độ làm việc định mức ứng với một chế độ khai thác thường xuyên của
động cơ. Trong q trình khai thác thực tế thì lại khơng phải như vậy, do tính

chất của phụ tải hoặc các chế độ khai thác đối với các phương tiện cơ giới và
vận tải ln ln thay đổi làm cho tải ngồi của động cơ cũng luôn luôn thay
đổi và động cơ phải làm việc ngoài chế độ định mức. Nếu chế độ công tác của
động cơ thay đổi theo tải và nằm ngồi chế độ định mức thì chất lượng hồ


4
 

trộn và cháy hỗn hợp xấu đi làm thay đổi các thông số công tác của động cơ.
Mức độ thay đổi các thông số công tác phụ thuộc vào trạng thái kỹ thuật của
động cơ và chế độ phụ tải. Khi hoạt động ở các chế độ này các thông số công
tác của động cơ thay đổi theo chiều hướng xấu đi làm giảm các chỉ tiêu kinh
tế, giảm tính tin cậy, tuổi thọ của động cơ, đồng thời làm cho các thành phần
độc tố trong khí xả tăng lên gây ô nhiễm môi trường. Sau đây xét đến ảnh
hưởng của động cơ đến mơi trường và tính kinh tế, tính làm việc ổn định của
động cơ trong q trình khai thác động cơ:
1.1.1. Ảnh hưởng của quá trình khai thác động cơ đến môi trường
Tất cả các động cơ đốt trong nói chung và đối với động cơ Diesel nói riêng
đều gây tiếng ồn và làm ơ nhiễm mơi trường, đặc biệt là khí xả làm ơ nhiễm
mơi trường khơng khí. Trong q trình hoạt động động cơ thực hiện trao đổi
nhiệt không ngừng với môi trường xung quanh. Khơng khí sạch nạp vào xi
lanh động cơ, tham gia q trình hồ trộn với nhiên liệu, cháy và sau đó xả
khí thải ra mơi trường. Theo các cơng trình nghiên cứu, trong thành phần của
khí xả gồm có các chất khơng tham gia vào q trình cháy, sản phẩm cháy
hồn tồn và khơng hồn tồn nhiên liệu và ơ xít nitơ. Hàm lượng theo % thể
tích của chúng như sau:
Bảng 1.1: Hàm lượng phần trăm theo thể tích thành phần của khí xả
Nitơ
Ơxy

Hơi nước
Khícacbonic Khí sunfurơ Hidrơ
76-78
Ơxít
cácbon
0,01-0,5

2-15
Anđêhit
0,001-0,05

0,5-6
Cacbua
hyđrơ
0,009-0,05

1-14

0,01-0,1

Muội (g/m3)

Ơxít nitơ

0,01-1,1

0,002-0,5

0-0,1

Độc tố trong khí thải được xác định bằng hàm lượng có trong khí thải các
chất ơxit nitơ, ơxit cacbon, anđêhit, hyđrô cacbon mạch hở, hyđrô cacbon


5
 

mạch vịng, khí sufurơ và khói. Trong đó ơxit nitơ và ôxit cacbon là hai loại
độc tố nguy hiểm nhất. Ôxit nitơ hình thành ở nhiệt độ cao do phản ứng giữa
ơxy và nitơ. Ơxit cacbon hình thành trong động cơ Diesel khi cháy ở điều
kiện không đủ ôxy. Do tính độc cao của ơxit nitơ và ơxit cacbon nên hàm
lượng của chúng trong khí xả phải hạn chế. Tại một số nước phát triển như
Mỹ hoặc các nước châu Âu đã có giới hạn cho phép về nồng độ chất thải của
động cơ ra môi trường. Tại Việt Nam cần phải có biện pháp kiểm sốt chặt
chẽ mức độ ô nhiễm và tiêu chuẩn hoá chất độc hại xả ra môi trường.
Đối với các động cơ thường xuyên làm việc ở các chế độ khơng ổn định
thì vùng làm việc hầu như nằm ngoài chế độ định mức. Khi làm việc ở các
chế độ khơng ổn định thì trong thời gian chuyển tiếp do không cân bằng về
mômen quay và mômen cản làm cho tỉ số giữa lượng nhiên liệu và lượng
khơng khí cấp vào động cơ khơng tương ứng. Điều đó dẫn đến làm xấu chất
lượng q trình cháy, hiệu suất chỉ thị giảm rõ rệt so với chế độ ổn định tương
ứng. Điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất là chế độ đóng tải đột ngột, đặc biệt
đối với động cơ có tăng áp tuabin khí xả. Khi làm việc ở chế độ này lượng
nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên đạt giới hạn trên, trong khi đó lượng
khơng khí cấp tăng lên khơng nhiều do qn tính của rơto tuabin máy nén,
nên hệ số dư lượng khơng khí giảm nhanh, chất lượng cháy hỗn hợp xấu đi rõ
rệt. Phần nhiên liệu phun vào xilanh quá lớn so với lượng khơng khí nạp làm
cho q trình cháy nhiên liệu khơng hồn tồn, phần nhiên liệu khơng kịp
cháy xả ra làm ô nhiễm môi trường. Nguyên nhân của việc tăng sự thải NOx
là ở chỗ trong thời gian đầu của chế độ chuyển tiếp, chu kỳ duy trì tự bốc lửa

rất lớn, cịn ngun nhân tăng sự thải muội là do áp suất khơng khí tăng áp và
số vòng quay của động cơ bé hơn giá trị tương ứng với lượng nhiên liệu được
phun vào, phần nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy cũng tăng lên, quá trình
cháy kéo dài trên đường giãn nở.


6
 

1.1.2. Ảnh hưởng của chế độ thay đổi tải đến độ mài mòn các chi tiết làm
việc của động cơ.
Nguyên nhân làm thay đổi chất lượng q trình cơng tác trong xi lanh
động cơ và các hư hỏng khác đối với động cơ khai thác ở chế độ thay đổi tải
đột ngột là sự không cân bằng mômen quay và mơmen cản dẫn đến khơng ổn
định vịng quay.
Sự thay đổi các thơng số trong q trình cấp nhiên liệu, nạp khơng khí và
nhiệt độ các chi tiết vượt ra khỏi giới hạn so với chế độ ổn định sẽ làm tăng
khói, giảm thời gian khai thác giữa các lần sửa chữa và các hiện tượng không
mong muốn khác. Các hiện tượng trên làm xấu chất lượng khai thác. Khi
đóng tải, chất lượng cháy kém, khói và hiện tượng cốc hố hệ thống nạp thải,
cánh tuabin tăng lên và giảm công suất động cơ.
Khi đánh giá các chế độ không ổn định của động cơ đến mài mòn các chi
tiết và tuổi thọ động cơ thường phải nghiên cứu toàn bộ các vấn đề liên quan
đến chế độ làm việc của động cơ khi khởi động ở trạng thái nguội, sấy nóng
và các chế độ khơng ổn định khác vì khi đó chế độ tải và cơ cấu điều khiển
ln thay đổi. Động cơ làm việc ở các chế độ trên sẽ bị tăng độ mài mòn và
giảm tuổi thọ, tăng tiêu hao nhiên liệu và giảm tính kinh tế khi khai thác động
cơ.
Các nguyên nhân có thể làm gia tăng sự mài mòn chi tiết của động cơ khi
làm việc ở các chế độ thay đổi tải là quán tính nhiệt của các chi tiết, sự phá vỡ

chế độ bôi trơn, tăng lực của khí cháy và lực quán tính các chi tiết cơ cấu biên
khuỷu, tăng độ mài mòn ổ đỡ, nhóm piston xilanh, tăng ứng suất nhiệt lên
vách nắp xilanh, đỉnh piston...
Độ mài mòn và ứng suất nhiệt các chi tiết làm việc của động cơ gia tăng
trong chế độ thay đổi tải đột ngột là nguyên nhân góp phần làm giảm tính tin


7
 

cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả
thải ra mơi trường.
1.1.3. Tình hình khai thác sử dụng động cơ Diesel ở Việt Nam
Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật,
động cơ Diesel khơng ngừng được cải tiến và hồn thiện và ngày càng khẳng
định vị trí số một của mình trong số các thiết bị động lực được sử dụng rộng
rãi trong mọi lĩnh vực kinh tế: giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt,
đường thuỷ...), công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng và quốc
phịng v.v.
Tuy nhiên do q trình nạp sạch khí thải và nạp khí mới ở động cơ bốn kỳ
tiến hành tương đối hoàn hảo hơn so với động cơ hai kỳ, đồng thời bằng
phương pháp tăng áp có thể tăng cơng suất của động cơ bốn kỳ một cách dễ
dàng vì ứng suất nhiệt của xilanh nhỏ hơn và hệ thống tăng áp của nó cũng
đơn giản hơn so với động cơ hai kỳ, vì vậy động cơ Diesel bốn kỳ tăng áp
bằng tuabin khí xả rất được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kinh tế
quốc dân. Khi khai thác loại động cơ này do tải ngoài của động cơ thường
xuyên thay đổi nên động cơ phải thường xuyên làm việc ở các chế độ nằm
ngoài chế độ định mức làm cho các thông số công tác của động cơ thay đổi
theo chiều hướng xấu đi. Hậu quả còn lớn hơn đối với động cơ khi làm việc ở
các chế độ thay đổi tải đột ngột. Chẳng hạn khi đóng tải, mơmen cản tăng lên

làm tốc độ của động cơ giảm xuống, thông qua bộ điều tốc đẩy thanh răng
tăng nhanh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình. Trong khi đó do tính trễ của
tuabin máy nén nên tuabin máy nén chưa kịp tăng tốc cấp thêm khơng khí cho
động cơ. Kết quả là hồ khí q đậm làm giảm chất lượng chu trình cơng tác,
giảm tính tin cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc
tố trong khí xả thải ra mơi trường.


8
 

1.2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
Ở nước ngoài vấn đề này được nghiên cứu tại các viện, các trung tâm
nghiên cứu khoa học, ngay cả các nhà máy chế tạo động cơ cũng thành lập
các trung tâm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm.
Ở trong nước, vấn đề này chưa được quan tâm đầy đủ. Vì vậy nghiên cứu
và khai thác chế độ chuyển tiếp nói chung và nghiên cứu cải thiện sự hoạt
động của tổ hợp tuabin tăng áp trong chế độ chuyển tiếp là cần thiết và có ý
nghĩa khoa học và thực tế.
1.3. Phương pháp và mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Đây là đề tài nghiên cứu
cải thiện sự làm việc của tổ hợp tuabin tăng áp của động cơ khi làm việc ở chế
độ chuyển tiếp, với mục đích nâng cao chất lượng của q trình chuyển tiếp.
Tác giả áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, lập phương trình động
học và mơ hình tốn. Sau đó dùng chương trình máy tính kết hợp với lập trình
Matlab để mơ phỏng minh chứng các kết quả thu được.
Cải thiện sự hoạt động của tổ hợp tuabin tăng áp khi động cơ Diesel làm
việc ở chế độ chuyển tiếp đi sâu nghiên cứu phương pháp cấp khí bổ sung.

9
 

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CHUYỂN TIẾP
CỦA ĐỘNG CƠ
2.1. Cơ sở lý thuyết tăng áp cho động cơ Diesel
Cơ sở lý luận của tăng công suất động cơ Diesel tàu thuỷ có thể bắt đầu từ
các cơng thức cơ bản tính tốn q trình cơng tác của động cơ, như sau:
- Lượng khơng khí nạp vào các xy lanh của động cơ Gkk [kg(kk)/công tác];
. .

.

(2-1)

Trong đó:
+ Vs: thể tích cơng tác xy lanh
+ ηn: hệ số nạp
+ ρkk: khối lượng riêng của khơng khí nạp vào động cơ
+ i: số xy lanh
- Lượng nhiên liệu phun vào các xy lanh trong một chu trình Gnl [kg(nl)/ct]
.

(2-2)

Trong đó:
+ qct: lượng nhiên liệu cung cấp theo chu trình
- Hệ số dư lượng khơng khí α tính cho một chu trình:
(2-3)

- Cơng suất có ích của động cơ Ne [ml-mã lực]:

Pe .D 2 .S .n.i
N e = k.
m
Trong đó:
+ k: hằng số
+ Pe: áp suất có ích bình qn
+ D: đường kính xy lanh

(2-4)


10
 

+ S: hành trình piston
+ n: vịng quay
+ m: hệ số kỳ, bằng 1 với động cơ hai kỳ, bằng 2 với động cơ bốn kỳ
Các phương án thông thường tăng cơng suất động cơ có thể bao gồm:
- Tăng số xy lanh i hoặc kích thước cơ bản, bao gồm đường kính xy lanh D và
hành trình piston S. Khi đó, thể tích cơng tác của xy lanh Vs = K.0,785D2S sẽ
tăng lên.
- Tăng số vòng quay n (v/p), cơng suất động cơ cũng có thể cũng sẽ tăng lên.
Khi tăng vịng quay, vấn đề khó khăn là tính tốn cân bằng động và đảm bảo
bơi trơn.
- Dùng động cơ lai hai kỳ (m = 1), có thể tăng gấp đôi công suất động cơ bốn
kỳ (m = 2). Trên thực tế, động cơ hai kỳ có cơng suất lớn hơn từ 1,6 ÷ 1,8
cơng suất động cơ bốn kỳ có cùng kích thước cơ bản.
Tất cả các phương án đã nêu trên, việc tăng công suất cho động cơ ln

kèm theo việc tăng các kích thước của động cơ đồng thời với việc tăng lượng
nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ.
Phương án tăng công suất dựa trên công thức (2.4) được đề cập sau đây là
phương pháp tăng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ nhưng giữ nguyên kích
thước của động cơ, được gọi là tăng áp động cơ. Thuật ngữ “tăng áp” muốn
nói đến vấn đề tăng áp suất khơng khí nạp, nhưng bản chất của vấn đề tăng
công suất trong mọi trường hợp là phải tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho
động cơ.
Trên cơ sở công thức (2.4), việc tăng Pe sẽ làm tăng công suất có ích của
động cơ Ne. Hiệu suất chỉ thị ηi phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện đảm bảo
quá trình cháy nhiên liệu, trong đó yếu tố quan trọng là tỷ lệ giữa lượng nhiên
liệu và khơng khí cấp vào xy lanh động cơ. Chính vì vậy, để tăng lượng nhiên


11
 

liệu cấp vào xy lanh, người ta phài đồng thời tăng lượng khơng khí cần thiết
để đốt cháy nó.
Khối lượng riêng của khơng khí nạp được tính theo cơng thức:
(2-5)

.

Theo cơng thức (2.5), để tăng lượng khơng khí nạp, phải tăng áp suất
khơng khí nạp Ps, và giảm nhiệt độ Ts
Tăng công suất động cơ Diesel bằng cách tăng áp suất khơng khí nạp để
đảm bảo hiệu suất cháy tồn bộ lượng nhiên liệu lớn hơn trên cơ sở các kích
thước cơ bản của động cơ được gọi một cách đơn giản là tăng áp.
Trong các động cơ tăng áp, người tăng áp thường sử dụng máy nén để tăng

áp suất khí nạp và sinh hàn để giảm nhiệt độ khơng khí nạp cho động cơ.
Mức độ tăng cơng suất của động cơ nhờ tăng áp so với chính động cơ đó
trong điều kiện chưa tăng áp được đánh giá bằng hệ số λta gọi là mức độ tăng
áp.
(2-6)
Trong đó:
+ Ne và N là cơng suất có ích chưa tăng áp và đã tăng áp của động cơ.
+ Pe và P

là áp suất có ích bình qn của động cơ chưa tăng áp và động cơ

đã tăng áp
Đối với các động cơ chế tạo trước những năm 1980, hệ số λta có giá trị
phổ biến từ 1.5 ÷ 2. Theo trị số của áp suất có ích bình qn của các động cơ
tăng áp phụ thuộc vào mức độ tăng áp của chúng như sau:


12
 

Bảng 2.1: Trị số áp suất có ích bình qn
Mức độ tăng áp

Trị số Pe (kG/cm2)

Động cơ bốn kỳ

Động cơ hai kỳ

Thấp

8 ÷ 12

6÷8

Vừa

13 ÷ 20

9 ÷ 12

Cao

21 ÷ 30

14 ÷ 26

Muốn tăng áp cho động cơ cần phải có máy nén dùng để nén khơng khí từ
áp suất khí trời tới áp suất tăng áp Pk rồi mới đưa vào động cơ. Dựa vào
phương pháp dẫn động máy nén của động cơ tăng áp người ta chia các
phương pháp tăng áp chủ yếu làm 3 nhóm: tăng áp truyền động cơ giới, tăng
áp tuabin khí và tăng áp hỗn hợp.

 

Hình 2.1: Sơ đồ động cơ tăng áp tua bin khí xả
Trên hình 2.1 thể hiện sơ đồ khối động cơ Diesel tăng áp bằng TB-MN
(Tuabin-máy nén). Khí xả sau khi ra khỏi động cơ có thể qua bộ biến đổi sơ
bộ rồi cấp vào tuabin. Công sinh ra của tuabin trực tiếp được sử dụng để dẫn
động máy nén gió tăng áp. Khơng khí nén trước khi cấp vào động cơ có thể

được làm mát bằng sinh hàn.


13
 

Số lượng khơng khí nén cung cấp cho động cơ được biến đổi tự động theo
công suất của động cơ. Cơng suất của động cơ càng cao thì năng lượng chứa
trong khí thải càng lớn, đảm bảo quay máy nén cung cấp cho động cơ càng
nhiều khơng khí nén. Đây chính là ưu điểm lớn làm cho phương pháp tăng áp
tuabin khí xả trở thành biện pháp tốt nhất để làm tăng công suất và nâng cao
các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ. Vì vậy biện pháp này đã được sử
dụng rất rộng rãi trong các loại động cơ Diesel hiện đại.
2.2. Phân tích các chế độ công tác của động cơ Diesel tăng áp lai phụ tải
Sự khác nhau giữa động cơ Diesel không tăng áp và tăng áp không những
ở các thông số như tỉ số nén, lượng cấp nhiên liệu, pha phối khí, áp suất, nhiệt
độ của chu trình cơng tác... mà cịn phải lưu tâm đến lượng khí xả phải ln
đủ đảm bảo cho tuabin làm việc để quay máy nén cung cấp khơng khí nạp cho
động cơ Diesel tăng áp. Thí dụ, để đảm bảo tăng suất tiêu hao khơng khí và
khí xả qua xu páp nạp, xả trong động cơ tăng áp cần phải tăng góc mở sớm và
đóng muộn các xu páp, tăng góc trùng điệp (Trong khi góc trùng điệp của
động cơ khơng tăng áp khoảng 25-500 góc quay trục khuỷu thì ở động cơ có
tăng áp bằng tuabin khí xả góc trùng điệp có thể lên tới 100-1600 góc quay
trục khuỷu để đảm bảo nạp khí).
Mặt khác, trong quá trình làm việc của động cơ Diesel tăng áp bằng TBKX (Tuabin-khí xả) khi động cơ làm việc ở chế độ định mức TB-MN thường
xuyên đảm bảo cân bằng giữa công suất do TB sinh ra và công suất tiêu dùng
cho MN (Nt=Nk). TB-MN có rơ to khơng liên hệ cơ học với trục khuỷu, ở tất
cả các chế độ làm việc của động cơ tuabin và máy nén đều tự điều chỉnh công
suất. Công suất máy nén khi tính tốn dựa vào suất tiêu hao khơng khí và áp
suất tăng áp. Tuy nhiên vấn đề phức tạp khi tăng áp cho động cơ Diesel là

phải đảm bảo sự làm việc ổn định đồng thời của TB-MN với động cơ trong
khoảng tải và vòng quay rộng. Thật vậy, do đặc tính lưu động khí của TB-MN