Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động bổ xung khí cho động cơ Diesel tăng áp bằng tua bin khí xả

Bộ giao thông vận tải
trờng cao đẳng giao thông vận tải






Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ

nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống
tự động bổ sung khí cho động cơ diesel
tăng áp bằng tua bin khí xả


Chủ nhiệm đề tài: ts . vũ ngọc khiêm

6877
14/4/2008

hà nội - 2008

mở đầu
1. Tính thời sự của đề tài
Khi thiết kế chế tạo động cơ điezen, chế độ đợc lựa chọn để thiết kế là chế độ
làm việc định mức ứng với một chế độ khai thác thờng xuyên của động cơ.Trong
quá trình khai thác thực tế thì lại không phải nh vậy, do chất lợng mặt đờng hoặc
các chế độ khai thác đối với các phơng tiện cơ giới và vận tải luôn luôn thay đổi
làm cho tải ngoài 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
ngoài chế độ định mức thì chất lợng hoà 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 hớng 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 trờng. Sau đây chúng
ta xét đến ảnh hởng của động cơ đến môi trờng và tính kinh tế, tính làm việc ổn
định của động cơ trong quá trình khai thác.
ảnh hởng của quá trình khai thác động cơ đến môi trờng
Tất cả các động cơ đốt trong nói chung và đối với động cơ điezen nói riêng đều
gây tiếng ồn và làm bẩn môi trờng, đặc biệt là khí xả làm ô nhiễm môi trờng
không khí. Trong quá trình hoạt động động cơ thực hiện trao đổi nhiệt không ngừng
với môi trờng xung quanh. Không khí sạch nạp vào xi lanh động cơ, tham gia quá
trình hoà trộn với nhiên liệu, cháy và sau đó xả khí thải ra môi trờng. Theo các
công trình nghiên cứu, trong thành phần của khí xả gồm có các chất không tham gia

vào quá trình cháy, sản phẩm cháy hoàn toàn và không hoàn toàn nhiên liệu và ô xít
nitơ. Hàm lợng theo % thể tích của chúng nh sau [4] :
Nitơ
ôxy
Hơi nớc Khí cac bonic Khí sunfurơ Hidrô
76 78 2- 15 0,5 6 1 14 0,003 0,1 0 0,1
ôxít các bon
Anđêhit Cacbuahyđrô Muội (g/m3)
ôxít nitơ

0,01 0,5 0,001 0,05 0,009 0,05 0,01 1,1 0,002 0,5





2
Độc tố trong khí thải đợc xác định bằng hàm lợng có trong khí thải các
chất ôxit nitơ, ôxit cacbon, anđêhit, hyđrô cacbon mạch hở, hyđrô cacbon mạch
vòng, khí sufurơ và khói. Trong đó ôxit nitơ và ôxit cacbon là hai loại độc tố nguy
hiểm nhất. Ôxit nitơ hình thành ở nhiệt độ cao do phản ứng giữa ôxy và nitơ. Ôxit
cacbon hình thành trong động cơ điezen khi cháy ở điều kiện không đủ ôxy. Do tính
độc cao của ôxit nitơ và ôxit cacbon nên hàm lợng của chúng trong khí xả phải hạn
chế. Tại một số nớc phát triển nh Mỹ hoặc các nớc châu Âu đã có giới hạn cho
phép về nồng độ chất thải của động cơ ra môi trờng. Tại Việt Nam cần phải có
biện pháp kiểm soát chặt chẽ mức độ ô nhiễm và tiêu chuẩn hoá chất độc hại xả ra
môi trờng.
Đối với các động cơ thờng xuyên làm việc ở các chế độ không ổn định thì
vùng làm việc hầu nh nằm ngoài chế độ định mức. Khi làm việc ở các chế độ
không ổn định thì trong thời gian chuyển tiếp do không cân bằng về mô men quay

và mô men cản làm cho tỉ số giữa lợng nhiên liệu và lợng không khí cấp vào động
cơ không tơng ứng. Điều đó dẫn đến làm xấu chất lợng quá trình cháy, hiệu suất
chỉ thị giảm rõ rệt so với chế độ ổn định tơng ứng. Điều kiện làm việc khắc nghiệt
nhất là chế độ đóng tải đột ngột, đặc biệt đối với động cơ có tăng áp tua bin khí xả.
Khi làm việc ở chế độ này lợng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên đạt giới hạn
trên, trong khi đó lợng không khí cấp tăng lên không nhiều do quán tính của rô to
tua bin máy nén, nên hệ số d lợng không khí giảm nhanh, chất lợng cháy hỗn
hợp xấu đi rõ rệt. Phần nhiên liệu phun vào xilanh quá lớn so với lợng không khí
nạp làm cho quá trình cháy nhiên liệu không hoàn toàn, phần nhiên liệu không kịp
cháy xả ra làm ô nhiễm môi trờng. Kết quả nghiên cứu trên động cơ điezen
6CH16/22.5 khi làm việc ở chế độ tăng tốc (thay đổi tải kết hợp với thay đổi tay
ga nhiên liệu) đã cho thấy độ khói khi thanh răng nằm ở ng
ỡng cấp nhiên liệu cực
đại đạt 900 mg/m
3
tức là vợt 80% so với giá trị định mức. Oxit nitơ ở chế độ này
cũng đạt tới giá trị 18g/Kwh, tức là vợt 20% so với chế độ định mức. Nh vậy, chế
độ tăng tốc đã chỉ ra rằng bên cạnh sự tăng độ khói khi tăng tốc còn xảy ra sự tăng
ôxit nitơ [17]. 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, còn nguyên nhân tăng sự




3
thải muội là do áp suất không khí tăng áp và số vòng quay của động cơ bé hơn giá
trị tơng ứng với lợng nhiên liệu đợc phun vào, phần nhiên liệu rơi vào thành
buồng cháy cũng tăng lên, quá trình cháy kéo dài trên đờng giãn nở.
Một thí nghiệm khác [17] trên động cơ điezen 8H25/34 lai máy phát điện
PA500/500 phục vụ cần cẩu nổi kiểu ngoạm sức nâng 16 tấn lấy cát từ đáy sông

cho thấy trong chế độ không ổn định độ khói tăng khoảng 10 lần, nồng độ CO tăng
khoảng 3 lần, còn CH tăng khoảng 4 lần so với chế độ định mức.
ảnh hởng của chế độ thay đổi tải đến độ mài mòn các chi tiết làm việc
của động cơ
Nguyên nhân làm thay đổi chất lợng quá trình công tác trong xi lanh động
cơ và các h hỏng khác đối với động cơ khai thác ở chế độ thay đổi tải đột ngột là sự
không cân bằng mô men quay và mô men cản dẫn đến không ổn định vòng quay.
Sự thay đổi các thông số trong quá trình cấp nhiên liệu, nạp không khí và
nhiệt độ các chi tiết vợt 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 tợng không mong muốn
khác. Các hiện tợng trên làm xấu chất lợng khai thác. Khi đóng tải, chất lợng
cháy kém, khói và hiện tợng cốc hoá hệ thống nạp thải, cánh tua bin 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 thờng 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
không ổn định khác vì khi đó chế độ tải và cơ cấu điều khiển luôn 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 Kết quả thí nghiệm trên các động cơ lai cần cẩu nổi khi làm việc ở chế
độ tăng phụ tải và vòng quay cho thấy độ mài mòn ổ đỡ tăng lên 1,4 lần so với chế




4

độ ổn định [16]. Một thí nghiệm khác trên động cơ 412/14 có công suất định mức
45,5 kW khi thử trên bệ cho thấy khi tải thay đổi độ mài mòn mặt gơng xilanh tăng
lên khoảng 2-2,5 lần, đồng thời suất tiêu hao dầu nhờn do cháy tăng lên 1,48 đến 1,8
lần so với chế độ định mức, độ mài mòn tăng tỉ lệ thuận với độ tăng biên độ thay đổi
vòng quay và lợng nhiên liệu cấp cho chu trình.
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 cậy,
giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả thải ra
môi trờng.
Tình hình khai thác sử dụng động cơ điezen ở Việt Nam
Ngày nay, cùng với sự phát triển vợt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật, động cơ
điezen không ngừng đợc cải tiến và hoàn thiện và ngày càng khẳng định vị trí số
một của mình trong số các thiết bị động lực đợc sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh
vực kinh tế: giao thông vận tải (đờng bộ, đờng sắt, đờng thuỷ ), công nghiệp,
nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng và quốc phòng v.v Cho đến nay tại Việt Nam
cha có một thống kê chính xác số lợng các loại động cơ điezen đợc sử dụng
trong tất cả các lĩnh vực. Tuy nhiên do quá trình quét sạch khí thải và nạp khí mới ở
động cơ bốn kỳ tiến hành tơng đối hoàn hảo hơn so với động cơ hai kỳ, đồng thời
bằng phơng pháp tăng áp có thể tăng công 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 điezen bốn kỳ tăng áp bằng tua bin khí xả
rất đợc sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kinh tế quốc dân [3]. Khi khai thác
loại động cơ này do tải ngoài của động cơ thờng xuyên thay đổi nên động cơ phải
thờng 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 h
ớng 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,
mô men cản tăng lên làm tốc độ của động cơ giảm xuống, thông qua bộ điều tốc đẩy
thanh răng tăng nhanh lợng nhiên liệu cấp cho chu trình. Trong khi đó do tính trễ
của tua bin máy nén nên tua bin máy nén cha kịp tăng tốc cấp thêm không khí cho

động cơ. Kết quả là hoà khí quá đậm làm giảm chất lợng chu trình công tác, giảm




5
tính tin cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí
xả thải ra môi trờng. Các nhà chế tạo và khai thác mong muốn cải thiện các thông
số công tác của động cơ khi khai thác ở những chế độ này. Hiện nay nhờ sự phát
triển vợt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật mà động cơ điezen thế hệ mới đã phần
nào khắc phục đợc những nhợc điểm nói trên [23]. Tuy nhiên với loại động cơ
này tại Việt Nam cũng nh một số nớc phát triển khác, do nguồn kinh phí có hạn
nên không có nhiều doanh nghiệp mạnh dạn đầu t. Trong khi đó thế hệ động cơ đời
thấp, cũ tính năng hoạt động kém hơn nhng giá rẻ phù hợp với điều kiện của nhiều
doanh nghiệp nên đợc dùng rất nhiều, chiếm tỉ trọng lớn. Khi khai thác loại động
cơ này nếu không có biện pháp cải thiện 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 trờng.

2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
ở nớc ngoài vấn đề này đợc 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. Nh vậy, vấn đề đề tài đặt ra đã đợc nghiên cứu
và đa vào ứng dụng, tuy nhiên với các tài liệu đã xuất bản chỉ trình bày cơ sở lý
luận và phơng pháp chung.
ở trong nớc, vấn đề này cha đợc quan tâm đầy đủ. Vì vậy nghiên cứu và
khai thác chế độ chuyển tiếp nói chung và chế tạo hệ thống tự động cấp khí bổ sung
cho động cơ để cải thiện chế độ chuyển tiếp của động cơ là cần thiết và có ý nghĩa
khoa học và thực tế.

3. Mục tiêu nghiên cứu
Cải thiện các thông số công tác của động cơ điezel tăng áp tua bin khí xả
bằng phơng pháp tự động cấp khí bổ sung.

4. Phơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm





6
Chơng 1
Các phơng pháp tăng công suất
cho động cơ điezen và các chế độ công tác
của động cơ điezen tăng áp lai phụ tải
1.1. Các phơng pháp tăng công suất cho động cơ điezen
Trong tính toán nhiệt động lực học động cơ đốt trong, ngời ta sử dụng các
biểu thức tính toán các thông số có ích của động cơ để phân tích các phơng pháp
chủ yếu tăng công suất động cơ. Có thể sử dụng các công thức sau:
i
n
M
Q
VN
m
i
H
kvhe

30
0
=
ip
n
SDN
mie


2
18,26=

ipc
DN
em
e
2
4,785=
Trong đó:
N
e
- công suất có ích của động cơ; kW
Q
H
- nhiệt trị thấp nhiên liệu; MJ/kg
V
h

- thể tích công tác của xilanh; lít
M
0
- lợng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy 1 kg nhiên liệu; kmolkhông khí/kg
nhiên liệu

i
,
v
,
m
- hiệu suất chỉ thị, hệ số nạp , hiệu suất cơ giới;
D - đờng kính xilanh, m
S - Hành trình piston, m
P
e
, P
i
- áp suất có ích trung bình, áp suất chỉ thị trung bình; MN/m
2

- số kỳ

k
- khối lợng riêng của không khí đa vào động cơ; kg/m
3

- hệ số d lợng không khí
C
m

= S.n/30- tốc độ trung bình của piston; m/s




7
Qua các biểu thức xác định công ssuất của động cơ ta thấy muốn tăng công suất của
động cơ ta có thể dùng các biện pháp nh thay đổi các thông số kết cấu của động cơ
(, D, S, i), tăng số vòng quay nhoặc tăng tốc độ trung bình của piston, tăng áp suất
có ích trung bình p
e
. Khi phân tích các biện pháp tăng công suất cho động cơ ta thấy
rằng:
- Nếu dùng động cơ 2 kỳ thay cho động cơ 4 kỳ ( giảm đi hai lần), trên lý thuyết có
thể làm cho công suất động cơ tăng lên 2 lần. Chính vì vậy hầu hết các loại động cơ
điezen cỡ lớn đều dùng động cơ 2 kỳ.
- Tăng số xilanh i sẽ làm tăng công suất của động cơ. Tuy nhiên nếu tăng quá nhiều
sẽ làm số chi tiết của động cơ tăng lên quá nhiều và làm giảm độ cứng vững của hệ
trục khuỷu, giảm độ tin cậy và độ an toàn trong quá trình làm việc của động cơ.
- Kích thớc xilanh D và S hiện nay đã đạt tới trị số khá lớn. Kích thớc xilanh càng
lớn thì kích thớc bên ngoài của độngcơ cũng càng lớn. Đờng kính xilanh đạt tới
1,1 mét, hành trình piston đạt tới 2 mét còn chiều cao của động cơ ngày nay đã đạt
tới hơn 12 mét, chiều cao xu pap tới 1,5 mét. Nếu tiếp tục tăng D và s sẽ gây nhiều
khó khăn về công nghệ và vật liệu chế tạo các chi tiết.
- Tăng số vòng quay n và tốc độ trung bình của piston c
m
cũng chỉ hạn chế trong
một phạm vi rất nhỏ. Hiện nay c
m
đạt tới 12-18m/s và n tới 3000 vg/ph với động cơ

điezen, 8000 vg/ph với động cơ xăng. Vợt quá phạm vi trên sẽ tăng độ mài mòn,
tăng phụ tải nhiệt, phụ tải cơ và rút ngắn tuổi thọ của các chi tiết.
- Dùng các biện pháp cải tiết thiết kế và điều chỉnh chính xác các thông số cấu tạo
và thông số điều chỉnh động cơ nhằm giảm hệ số d lợng không khí, tăng hiệu suất
chỉ thị hịu suất cơ giới và hệ số nạp cũng chỉ có thể làm cho công suất của động cơ
tăng lên rất ít vì trong thực tế lắp ráp và điều chỉnh động cơ, bao giờ ngời ta cũng
cố gắng điều chỉnh để những thông số trên đạt tới giá trị tốt nhất.
- Tăng áp cho động cơ tức là làm tăng áp suất p
k
và khối lợng riêng
k
của không
khí nạp nhằm làm tăng khối lợng không khí nạp đi vào động cơ trong mỗi chu trình
là biện pháp tốt nhất làm tăng công suất động cơ. Biện pháp này không những không
gây ảnh hởng xấu mà trong một số trờng hợp còn làm cho các thông số của biểu
thức N
e
đợc cải thiện tốt hơn. Nếu các thông số khác trong biểu thức tính N
e
giữ




8
nguyên không đổi thì công suất N
e
của động cơ tỉ lệ thuận với áp suất p
k
hoặc khối

lợng riêng
k
của không khí nạp.
Muốn tăng áp cho động cơ cần phải có máy nén dùng để nén không khí từ áp
suất khí trời tới áp suất tăng áp p
k
rồi mới đa vào động cơ. Dựa vào phơng pháp
dẫn động máy nén của động cơ tăng áp ngời ta chia các phơng pháp tăng áp chủ
yếu làm 3 nhóm: tăng áp truyền động cơ giới, tăng áp tua bin khí và tăng áp hỗn
hợp.







Hình 1.1. Sơ đồ động cơ tăng áp TBKX

Trên hình vẽ giới thiệu sơ đồ động cơ tăng áp tua bin khí có liên hệ khí thể
giữa động cơ Đ vơí máy nén N và tua bin khí T. Tua bin khí thải T và máy nén khí
N đợc lắp trên cùng một trục không có liên hệ truyền động cơ giới với động cơ.
Khí thải của động cơ đi vào tua bin khí sinh công quay máy nén rồi đợc thải ra
ngoài trời, cũng trong thời gian ấy máy nén Nhút không khí ngoài trời nén từ áp suất
p
0
lên p
k
rồi đa vào động cơ. Sô lợng không khí nén cung cấp cho động cơ đợc
biến đổi tự động theo công suất của động cơ. Công suất của động cơ càng cao thì

năng lợng chứa trong khí thải càng lớn, đảm bảo quay máy nén cung cấp cho động
cơ càng nhiều không klhí nén. Đây chính là u điểm lớn làm cho phơng pháp tăng
áp tua bin 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 đợc sử dụng rất rộng
rãi trong các loại động cơ điezen hiện đại.

1.2. Phân tích các chế độ công tác của động cơ điezen tăng áp lai phụ tải













Đ
p
th
p
k
p
0
T

9
Sự khác nhau giữa động cơ diezen không tăng áp và tăng áp không những ở
các thông số nh tỉ số nén, lợng cấp nhiên liệu, pha phối khí, áp suất nhiệt độ của
chu trình công tác mà còn phải lu tâm đến lợng khí xả phải luôn đủ đảm bảo
cho tua bin làm việc để quay máy nén cung cấp không khí nạp cho động cơ điezen
có tăng áp [4, 9, 32, 34]. Thí dụ, để đảm bảo tăng suất tiêu hao không 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 không tăng
áp khoảng 25-50
0
góc quay trục khuỷu thì ở động cơ có tăng áp bằng tua bin khí xả
góc trùng điệp có thể lên tới 100-160
0
góc quay trục khuỷu để đảm bảo quét khí).
Mặt khác, trong quá trình làm việc của động cơ điezen tăng áp bằng TBKX
khi động cơ làm việc ở chế độ định mức TBMN thờng xuyên đảm bảo cân bằng
giữa công suất do TB sinh ra và công suất tiêu dùng cho MN (N
t
= N
k
). TBMN có rô
to không liên hệ cơ học với trục khuỷu, ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ tua
bin và máy nén đều tự điều chỉnh công suất. Công suất máy nén khi tính toán dựa
vào suất tiêu hao không khí và áp suất tăng áp. Tuy nhiên vấn đề phức tạp khi tăng
áp cho động cơ điezen là phải đảm bảo sự làm việc ổn định đồng thời của TBMN với
động cơ trong khoảng tải và vòng quay rộng. Thật vậy, do đặc tính lu động khí của
TB-MN và động cơ đốt trong là khác nhau nên để có sự làm việc hài hoà giữa 3 cụm
phải có sự phối hợp chặt chẽ các đặc tính của chúng, tức là phải phối hợp đặc tính

của TB với đặc tính của MN, phối hợp đặc tính của cụm TB-MN với động cơ đốt
trong. Bởi vậy, động cơ 4 kỳ tăng áp tua bin khí xả có các đặc tính khác với động cơ
không tăng áp. Để giải quyết đợc vấn đề này, các đặc tính khí động học máy nén li
tâm cần phải phù hợp hoàn toàn với đặc tính tiêu thụ không khí của động cơ điezen.
Đặc tính động học hệ thống máy nén tăng áp tua bin khí xả là đặc tính khí
động học học máy nén li tâm, trên đó xây dựng các đờng chế độ làm việc của máy
nén khi động cơ điezen làm việc theo đặc tính ngoài, đặc tính tải và đặc tính chân
vịt. Chúng đợc gọi là đặc tính chế độ làm việc của TBMN. Đặc tính chế độ làm
việc của TBMN thu đợc từ thực nghiệm [4, 9, 21, 32 ].
Nh vậy để có cơ sở tính toán các thông số công tác của động cơ hay tính
toán hoạt động phối hợp của hệ thống động cơ - tua bin máy nén - tải khi thay đổi




10
tải chúng ta phải hiểu rõ mối quan hệ và sự phối hợp công tác của chúng khi động
cơ làm việc trong các chế độ này.

1.2.1. Các quá trình chuyển tiếp của động cơ điezen
Đặc tính thay đổi chế độ công tác của động cơ Điezen trong những điều kiện
khai thác rất đa dạng.
Chế độ làm việc của động cơ với tải không thay đổi theo thời gian gọi là chế
độ làm việc ổn định của động cơ. Chế độ làm việc ổn định của động cơ đợc đặc
trng bởi hai thông số không thay đổi theo thời gian là mô men và vòng quay. Khi
động cơ làm việc ở chế độ ổn định mô men quay bằng mô men cản :
M
q
M
c

= 0 (1-1)
M
q
: Mô men quay trên trục động cơ
M
c
: Mô men cản của thiết bị tiêu thụ năng lợng.
Trong thực tế khai thác động cơ điezen do hàng loạt nguyên nhân khác nhau (
quá trình đóng ngắt tải, quá trình tăng tốc ) làm cho chế độ tải của động cơ thay
đổi. Trong những trờng hợp nh vậy sự cân bằng tĩnh học giữa động cơ và thiết bị
tiêu thụ năng lợng bị phá vỡ. Động cơ chuyển từ chế độ làm việc ổn định này sang
chế độ làm việc ổn định khác mà các chế độ trung gian giữa hai chế độ ổn định đó
là các chế độ không ổn định. Quá trình chuyển đổi các chế độ làm việc của động cơ
nh vậy gọi là quá trình chuyển tiếp. Quá trình này đợc đặc trng bởi đặc tính động
học của động cơ. Đặc tính động học là toàn bộ các chế độ không ổn định liên tục
theo thời gian. Đặc tính động học đợc đặc trng bởi sự thay đổi các thông số làm
việc của động cơ từ chu trình này sang chu trình khác trong thời gian của quá trình
chuyển tiếp [3, 4, 14].
Ta có: Q

= M
q
- M
c

Q


là đại lợng đặc trng cho mức độ thay đổi tải của động cơ hay ta
có thể viết dới dạng phơng trình vi phân nh sau:

J

. d/d = M
q
- M
c
(1-2)
J: Mô men quán tính qui đổi của động cơ và thiết bị nối liền trục với động cơ,
Kgm
2





11
Phơng trình (2-2) là phơng trình đặc trng của chế độ chuyển tiếp khi tải
của động cơ thay đổi.
Tất cả các dạng của quá trình chuyển tiếp có thể phân ra các đặc tính sau (Hình
2.1)[3, 14]:
Hình 1.2. Các dạng quá trình chuyển tiếp của động cơ Điezen
1. Đặc tính tốc độ 2. Đặc tính điều chỉnh 3. Đặc tính tiêu thụ năng lợng
Quá trình chuyển tiếp của động cơ hình thành khi thay đổi tay ga nhiên
liệu
Khi thay đổi tay ga nhiên liệu của động cơ tức là làm thay đổi lợng nhiên
liệu cấp cho chu trình. Thông số công tác chủ yếu trong trờng hợp này là sự thay
đổi lợng nhiên liệu cấp tơng đối:

nl
= (g

ct 1
- g
ct2
) / g
ctdm
(1-3)
Còn các thông số bổ sung là thời gian thay đổi lợng nhiên liệu và đặc tính
thay đổi mô men cản phụ thuộc vào vòng quay M
C
= f(n) tơng ứng với đặc tính
thiết bị tiêu thụ năng lợng.
ứng với dạng này của quá trình thay đổi tải, động cơ có thể làm việc theo hai
dạng đặc tính là tăng tốc động cơ nhờ tăng tay ga nhiên liệu (Hình 1.2, hớng 1a),
hoặc hãm động cơ do giảm tay ga nhiên liệu (Hình 1.2, hớng 1b).
Quá trình chuyển tiếp của động cơ hình thành do thay đổi mô mem cản
1
2-1b
n
H
n
n
0
2
M

M
min
c

c

2-1a
2-2b
2-2a
1a
3
1b




12
Trong quá trình khai thác động cơ nếu phụ tải ngoài thay đổi thì sẽ làm cho
mô men cản trên trục động cơ thay đổi. Trong trờng hợp này thông số tác động chủ
yếu là sự thay đổi mô men cản tơng đối:

mc
= M
c2
- M
c1
/ M
cdm
(1- 4)
Còn thông số bổ sung là thời gian thay đổi mô men cản và đặc tính thay đổi
lợng cấp nhiên liệu cho chu trình g
ct
= f (n
d
hay )
Trong ba chỉ số

mc
, thời gian thay đổi mô men cản và g
ct
= f (n
d
hay ) thì

mc
và thời gian thay đổi mô men cản đặc trng cho mức độ và tốc độ thay đổi phụ
tải của động cơ còn g
ct
đặc trng cho đặc tính của hệ thống nhiên liệu của động
cơ. Với dạng này của sự thay đổi tải của động cơ thì động cơ có thể làm việc trong
quá trình chuyển tiếp theo hai dạng sau :
- Quá trình chuyển tiếp hình thành khi lợng nhiên liệu cấp cho chu trình không
đổi (

g
ct
=const), phụ tải ngoài thay đổi.
Lợng nhiên liệu cấp cho chu trình không đổi g
ct
tơng ứng với đặc tính tốc
độ (vị trí của cơ cấu điều khiển lợng cấp nhiên liệu h
p
không thay đổi). Động cơ
làm việc theo đặc tính tốc độ, có thể theo các dạng sau:
- Hãm động cơ do tăng mô men cản (Hình 1.2, hớng 2-1a)
- Tăng tốc động cơ do giảm mô men cản (Hình 1.2, hớng 2-1b)
Trong thực tế khai thác động cơ, quá trình chuyển tiếp nh trên thờng gặp

đối với động cơ chính lai chân vịt định bớc có trang bị bộ điều tốc giới hạn và khi
phụ tải thay đổi làm vòng quay động cơ dao động trong khoảng n
min
< n
d
< n
max
(Trong quá trình này bộ điều tốc giới hạn cha làm việc).
- Quá trình chuyển tiếp hình thành khi vòng quay động cơ không đổi, phụ tải
ngoài thay đổi
Trong trờng hợp này sự thay đổi của vòng quay động cơ nằm trong giới hạn
cho phép, phụ thuộc vào độ không đồng đều của bộ điều tốc. Lợng cấp nhiên liệu
thay đổi do tác động điều chỉnh lên cơ cấu điều khiển lợng cấp nhiên liệu khi phụ
tải ngoài thay đổi. Động cơ làm việc theo đặc tính điều tốc và quá trình chuyển tiếp
có thể xảy ra theo một trong hai trờng hợp sau:




13
- Tăng sức cản trên trục động cơ (do tăng phụ tải) và tăng lợng nhiên liệu
cấp cho chu trình. Quá trình này là quá trình đóng tải (Hình 1.2, hớng, 2-2a).
- Giảm sức cản trên trục động cơ (do giảm phụ tải) và giảm lợng nhiên liệu
cấp cho chu trình. Đây là quá trình ngắt tải (Hình 1.2, hớng, 2-2b).
Trong quá trình đóng (ngắt) tải mô men cản của động cơ tăng (giảm) một
cách đột ngột do đó nó sẽ làm vòng quay của động cơ nhất thời bị giảm (hoặc tăng).
Mức độ thay đổi vòng quay do đặc tính của bộ điều tốc quyết định.
- Quá trình chuyển tiếp hình thành do kết hợp sự thay đổi phụ tải với việc thay
đổi tay ga nhiên liệu
Thực tế khai thác cho thấy các quá trình chuyển tiếp của động cơ do tải thay

đổi rất đa dạng. Ví dụ có thể có quá trình ngắt tải liên hợp [3, 14], trong giai đoạn
đầu của quá trình chuyển tiếp mô men cản giảm xuống làm cho vòng quay của động
cơ tăng lên (Hình 1.2, hớng, 2-1b), còn giai đoạn sau của quá trình dạng (Hình 1.2,
hớng, 2-2b). Khi tăng mô men cản lớn, động cơ có thể chuyển từ nhánh điều chỉnh
đến đặc tính tốc độ, trong giai đoạn đầu quá trình chuyển tiếp dạng (Hình 2.1,
hớng, 2-2a) và giai đoạn sau dạng (Hình 1.2, hớng, 2-1a). Các chế độ làm việc
của động cơ có thể thay đổi còn các quá trình chuyển tiếp không kịp kết thúc.
Đặc tính và mức độ diễn biến các quá trình chuyển tiếp khi tải thay đổi phụ
thuộc rất nhiều vào đặc tính động cơ, hệ thống trao đổi khí, hệ thống cấp nhiên liệu,
hệ thống bôi trơn và hệ thống điều chỉnh của động cơ, các thông số của thiết bị tiêu
thụ năng lợng. Ngoài ra chất lợng của quá trình chuyển tiếp cũng phụ thuộc đáng
kể vào mức độ và tốc độ thay đổi tải của động cơ.

1.2.2. Sự phối hợp công tác giữa tổ hợp tua bin máy nén và động cơ điezen
Nh chúng ta đã biết tổ hợp TBKX-MN và động cơ điezen luôn tơng hợp
với nhau trong quá trình công tác. Mỗi khi động cơ thay đổi chế độ công tác thì tổ
hợp TBKX-MN sẽ tự động chuyển sang một chế độ mới tơng ứng và cứ mỗi lần
nh thế lại thiết lập đợc một trạng thái cân bằng mới (cân bằng công suất giữa
TBKX và MN) [2, 7, 22]
. Tuy nhiên, để có sự làm việc hài hoà giữa 3 cụm ĐC - TB
- MN phải có sự phối hợp chặt chẽ các đặc tính của chúng, tức là phải phối hợp đặc




14
tính của TB và MN, phối hợp đặc tính của cụm TB-MN với động cơ đốt trong. Để
giải quyết đợc vấn đề này, các đặc tính khí động học máy nén li tâm cần phải phù
hợp hoàn toàn với đặc tính tiêu thụ không khí của động cơ điezen.
1.2.2.1. Đặc tính và vùng làm việc của máy nén li tâm trong các quá trình chuyển

tiếp
Thay đổi chế độ làm việc của động cơ có tăng áp TBKX sẽ làm thay đổi
tơng ứng vòng quay rô to TBMN n
tk
, lu lợng khí G
k
, tỷ số tăng áp
k
và hiệu suất
nén đoạn nhiệt
dk
. Sự phụ thuộc tỷ số của tăng áp và hiệu suất đoạn nhiệt máy nén
vào lu lợng không khí khi vòng quay khác nhau gọi là đặc tính cột áp. Đặc tính
này có hai dạng: đặc tính định mức và đặc tính tổng hợp (Hình 1.3).












Hình 1.3. Đặc tính máy nén
Các đặc tính này đợc xây dựng bằng thực nghiệm. Đặc tính ổn định là sự thay đổi

k

,
dk
vào vòng quay rô to TBMN n
tk
với điều kiện các thông số trạng thái của khí
tại cửa vào máy nén không đổi [4].
Từ đặc tính máy nén, các nhánh bên phải kể từ điểm K nằm trong vùng làm
việc ổn định của máy nén, còn nhánh bên trái nằm trong vùng làm việc không ổn
qd1
q
d
qd
0
G
n
q
d1
n
qd2
n
qd
n
0
G
qd2
n
q
d
n
,

k
g
/s
k
g
/s
,

K
K
1
K
n




15
định. Khi máy nén làm việc ở các chế độ không ổn định sẽ gây nên hiện tợng mất
ổn định.
1.2.2.2. Sự phối hợp giữa tổ hợp TB-MN và ĐCĐT ở chế độ thay đổi tải
Khi động cơ điezen làm việc ở chế độ chuyển tiếp thì tổ hợp TBKX-MN cũng
làm việc ở chế độ chuyển tiếp (tức là tổ hợp TBKX-MN sẽ chuyển từ chế độ ổn định
này sang làm việc ở chế độ ổn định khác tơng ứng với chế độ ổn định mới của
động cơ điezen). Khi xem xét chế độ chuyển tiếp của động cơ điezen và tổ hợp
TBKX-MN ta thấy rằng do quán tính lớn của rô to TBKX-MN nên khi tải của động
cơ thay đổi thì động cơ sẽ phản ứng và thay đổi chế độ công tác sớm hơn tổ hợp
TBMN [1, 7, 32, 33]. Chính vì lý do này mà trong thời điểm đầu của quá trình
chuyển tiếp, suất tiêu hao không khí tơng đối giảm xuống, động cơ sẽ làm việc với
hệ số d lợng không khí không hợp lý. Chẳng hạn đối với quá trình chuyển tiếp là

đóng tải, lợng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng, nhng do tính quán tính của tổ
hợp TBMN không theo kịp sự thay đổi đột ngột của tải (thay đổi phụ tải dẫn đến
thay đổi vị trí thanh răng nhiên liệu). Vì vậy động cơ trong giai đoạn này làm việc
thiếu không khí nên nhiệt độ khí xả tăng. Việc tăng nhiệt độ khí xả sẽ làm tăng độ
nhớt động học của khí xả và do vậy sẽ làm đặc tính thuỷ lực của động cơ
k
= f(G
k
)
dốc hơn, nên điểm phối hợp công tác của tổ hợp TBKX-MN- động cơ tiến gần đến
vùng mất ổn định. Điều này đợc chỉ ra trên hình 1.4 (với đờng cong số 3).










Hình 1.4. Quá trình chuyển tiếp của tổ hợp TBMN
k
tk2
n
0
n
A
tk1
G

3
2
0
1
n
tk3
T
B
T
kxmax
T
kx3
kx4
3
tkmin
5
0
n
4
tk
n
n
tkmax
n
kx2
T
N khi T = cons
t
T

K
T
N
N
kxmax
2
N = N - N
0
1
T

K
T

N
K
N
T
khi
T
KX
= cons
t
k
tk2
n
0
n
A
tk1

G

3
2
0
1
n
tk3
T
B
T
kxmax
T
kx3
kx4
3
tkmin
5
0
n
4
t
k
n
n
tkmax
n
kx2
T
N khi T = const

T
K
T
N
N
kxmax
2
N = N - N
0
1
T

K
T

N
K
N
T
khi
T
KX
= cons
t




16
Từ đồ thị ta thấy rằng: Khi tổ hợp TBMN tăng tốc từ vòng quay n

tk0
(tơng
ứng với chế độ không tải của động cơ) tới vòng quay định mức n
tkn
(tơng ứng với
chế độ định mức của động cơ) phụ thuộc vào độ tăng của nhiệt độ khí xả tuỳ theo
quá trình tăng tải của động cơ mà diễn biến đặc tính
k
= f(G
k
) của tổ hợp TBMN
có khác nhau. Thật vậy nếu tốc độ tăng tải của động cơ từ chế độ không tải đến chế
độ định mức càng đột ngột (thời gian đóng tải càng nhỏ) thì trong giai đoạn đầu của
quá trình, động cơ làm việc với hệ số d lợng không khí càng giảm mạnh (do tính
quán tính của rô to TBMN) làm nhiệt độ khí xả của động cơ càng tăng mạnh, sức
cản trên đờng ống xả tăng. Kết quả là đờng đặc tính thuỷ lực của động cơ dốc
hơn, điểm phối hợp công tác của động cơ máy nén dịch về phía gần đờng giới hạn
mất ổn định. Trong giai đoạn này tốc độ tăng của lu lợng không khí tăng áp G
k
chậm hơn tốc độ tăng của áp suất tăng áp
k
khi tốc độ tổ hợp TBMN tăng dần.
Trong giai đoạn sau của quá trình do lợng cấp nhiên liệu cho chu trình giảm
dần từ cực đại về giá trị định mức và tốc độ TBMN tiếp tục tăng (trong giai đoạn này
sự tăng tốc của tua bin chủ yếu do tăng lu lợng khí xả) nên hệ số d lợng không
khí tăng dần. Kết quả là sự sai khác giữa các đờng đặc tính
k
= f(G
k
) cũng giảm

dần và khi nhiệt độ khí xả và tốc độ TBMN đạt tới giá trị định mức thì sự sai khác
đó mất đi (tơng ứng điểm B).
Đối với chế độ giảm tải đột ngột thì lợng nhiên liệu cấp cho chu trình giảm
xuống đồng thời lợng không khí cần thiết cấp cho chu trình giảm xuống, nhng do
quán tính của tổ hợp TBMN nên vòng quay của nó giảm xuống chậm hơn so với sự
thay đổi vòng quay của động cơ điezen. Lúc này lu lợng máy nén vợt quá sự cần
thiết của nhu cầu tiêu thụ không khí của động cơ nên áp suất trong đờng ống nạp
(bình chứa) tăng lên đột ngột và có thể dẫn đến phá vỡ dòng chảy và gây ra mất ổn
định ở máy nén. Ta có thể mô tả cơ chế mất ổn định của máy nén nh sau (hình 3.3)
[3, 12, 28]:
Giả sử chế độ công tác của máy nén có các thông số tơng ứng với điểm L.
Nếu nh có sự giảm xuống tức thời của cột áp tĩnh trong ống nạp của không khí (có
thể do tức thời tăng tốc đột ngột động cơ) thì đặc tính tiêu thụ dịch xuống phía dới
và cách đều đờng đặc tính ban đầu. Khi đó điểm N là giao điểm đặc tính máy nén




17
G
k
và đờng đặc tính của hệ thống H-G
b
sẽ là điểm làm việc tạm thời của tổ hợp
TBKX-MN-động cơ với cột áp tĩnh giảm và lu lợng tăng lên. Sau khi khắc phục
đợc nhiễu loạn của áp suất trong ống nạp thì hoạt động cân bằng của hệ thống

Hình 1.5. Các chế độ công tác của hệ thống máy nén tăng áp - động cơ Điezen

cần đợc đảm bảo với điểm L. Nhng hệ thống không đi đến điểm L ngay lập tức,
bởi vì lúc này hệ thống bị mất thích ứng tạm thời. Với cùng một lu lợng nh nhau
của ống nạp và máy nén nhng áp suất trong ống nạp (điểm M) có cột áp cao hơn
cột áp của máy nén (điểm N). Vì sự thiếu hụt năng lợng trong bình làm động năng
dòng khí trong nó giảm đi cùng với việc giảm lu lợng, nên điểm công tác di
chuyển trở lại điểm L. Đồng thời máy nén cũng nâng cao đợc động năng do đó các
thông số công tác cũng di chuyển đến điểm L, mà ở đó ban đầu hệ thống đã ở trạng
thái cân bằng. Sự cân bằng của hệ thống tồn tại cho đến khi nhiễu loạn xuất hiện
trở lại.
Trong trờng hợp nếu áp suất tĩnh trong ống nạp tăng lên tức thời (có thể xảy
ra khi tức thời giảm đột ngột vòng quay động cơ) sẽ dẫn đến sự dịch chuyển chế độ
công tác. Thí dụ nh điểm F, nếu nh sự thích ứng tức thời luôn xảy ra thì đặc tính
của máy nén làm việc với các hệ thống của điểm F, còn ở hệ thống không khí dòng
chảy đợc đặc trng bởi các thông số của điểm K. Cột áp d của máy nén sẽ đợc
tiêu thụ vào việc tăng động năng và lu lợng của dòng khí từ máy nén vào ống nạp.
H
A
0
C

B
D

E
K
N
F
L
M
G
G
K
G
H
B




18
Điểm F và điểm K sẽ di chuyển về phía điểm L. Nh vậy hệ thống MN - động cơ
điezen sẽ tự động trở về trạng thái cân bằng ban đầu. Trong cả hai trờng hợp đợc
khảo sát ở trên thì nhiễu loạn tức thời của dòng chảy trong hệ thống đã dẫn đến sự
thay đổi duy nhất của cột áp và lu lợng.
Sự làm việc của hệ thống trên nhánh bên trái của đặc tính cột áp máy nén
thờng không đợc dự định. Giả sử máy nén đang làm việc với các thông số của
điểm C. Nếu nh có tác động nhiễu loạn tức thời máy nén đợc đa về làm việc ở
chế độ tơng ứng với điểm E thì hệ thống không trở về đợc chế độ cân bằng điểm
C. Nguyên nhân là ở chỗ cột áp máy nén cao hơn cột áp trong ống nạp (điểm D) tức
là H
E
> H
D

. Do năng lợng d của máy nén nên động năng và lu lợng của dòng
khí từ máy nén tới ống nạp tăng lên, chính vì vậy mà quá trình sẽ càng lệch về phía
bên phải của điểm C. Tức là hệ thống không tự động trở về vị trí cân bằng ban đầu
đợc nữa. Khi tức thời đa máy nén về làm việc ở chế độ của điểm A thì khi nhiễu
loạn mất đi hệ thống cũng không tự động trở về trạng thái cân bằng ban đầu (điểm
C), vì sự d thừa năng lợng trong bình chứa (điểm B) mà H
B
- H
A
> 0;G
A
= G
B
<
G
C
; H
A
< H
B
< H
C
nên hoạt động của hệ thống sẽ càng lệch về phía bên trái (điểm C)
lúc này xuất hiện dòng chảy ngợc của không khí từ ống nạp trở lại máy nén.
Nhờ khả năng tích luỹ của hệ thống nạp-xả nên biên độ nhiễu loạn của dòng
không khí có thể đạt đến giá trị lớn hơn và sự làm việc của máy nén có thể mất ổn
định quá sớm. Thí dụ này đợc chỉ ra trên hình 3.4, với sự thay đổi điểm công tác
của máy nén khi mất ổn định.

Hình 1.6. Sự thay đổi điểm công tác đồng thời của hệ
máy nén tăng áp - động cơ khi mất ổn định
0
G
B
A
K
G
D
C
G
E
B
H




19
Yếu tố nhiễu loạn tạm thời phù hợp với đặc tính khi đa máy nén đến chế độ
công tác của điểm D. Khi có tác động nhiễu loạn đủ mạnh thì máy nén có thể đạt
đợc các thông số của điểm C, là điểm có cột áp lớn nhất của máy nén. Nếu nhiễu
loạn tăng lên nữa thì đặc tính lu lợng của đờng ống có thể không còn tiếp xúc
với đờng đặc tính máy nén tại điểm C, còn điểm làm việc của máy nén thì sẽ di
chuyển nhảy vọt đến chế độ có các thông số của điểm A, tức là vùng có năng suất

âm đã tạo ra một sóng của dòng không khí ngợc và khi nhiễu loạn mất đi thì máy
nén bắt đầu giảm bớt áp suất, đồng thời đi đến điểm B và di chuyển nhảy vọt đến
làm việc trên nhánh bên phải của điểm C. Nếu nh nhiễu loạn đã đợc khắc phục và
không còn tái diễn hoặc biên độ dao động của áp suất tĩnh là nhỏ thì hệ thống lại tự
động đi dến chế độ cân bằng (điểm E). Trái lại sự làm việc không ổn định của máy
nén sẽ đợc lặp lại chừng nào sự can thiệp vào nhiễu loạn bên ngoài không khắc
phục đợc nguyên nhân của nhiễu loạn hoặc không thay đổi đợc chế độ công tác
của động cơ điezen.
Hoạt động không ổn định nh vậy của máy nén kèm theo những dao động
mãnh liệt của áp suất bởi dòng chảy ngợc của không khí trong hệ thống và có hiệu
ứng tiếng ồn đợc gọi là mất ổn định máy nén [3, 12, 28].
Tóm lại khi tải của động cơ điezen thay đổi thì tổ hợp TBKX-MN tăng áp cho
động cơ cũng làm việc ở chế độ chuyển tiếp. Nhng do quán tính của rô to TBMN
nên quá trình chuyển tiếp của tổ hợp TBMN bắt đầu muộn hơn so với động cơ
điezen. Vì vậy xuất hiện dao động cột áp tĩnh trong ống nạp. Mức độ của nhiễu loạn
này phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống trao đổi khí, hệ thống nhiên liệu, hệ thống
tự động điều chỉnh tốc độ. Ngoài ra sự thay đổi cột áp tĩnh trong bình chứa còn phụ
thuộc đáng kể vào mức độ và tốc độ thay đổi tải. Hiện tợng dao động cột áp tĩnh
trong ống nạp của động cơ nh đã phân tích là một nguyên nhân có thể gây nên sự
hoạt động mất ổn định của máy nén.
Chế độ chuyển tiếp của tổ hợp TBMN gồm hai quá trình sau:
- Tăng vòng quay của tổ hợp TBMN do tăng nhiệt độ khí xả (khi đóng tải
hoặc tăng tốc cho động cơ).




20
- Giảm vòng quay của tổ hợp TBMN do giảm nhiệt độ khí xả ( khi giảm tốc
độ động cơ hoặc khi cắt tải của động cơ).

Tính tăng tốc của tổ hợp TBMN có ảnh hởng rất lớn tới lợng không khí cấp
cho động cơ trong quá trình thay đổi tải. Trong khi đó tính tăng tốc của tổ hợp
TBMN đợc xác lập phụ thuộc vào mức độ sử dụng năng lợng xung của khí xả ở
tua bin và phụ thuộc sơ đồ tăng áp, phụ thuộc vào mô men quán tính của rô to
TBMN.

1.2.3. Đặc tính trao đổi khí của động cơ ở chế độ thay đổi tải
Đối với động cơ 4 kỳ tăng áp bằng TBKX, đặc biệt ở động cơ trung tốc, quá trình
trao đổi khí ảnh hởng lớn đến chế độ công tác động cơ khi thay đổi tải. ở chế độ
định mức áp suất tăng áp thờng lớn hơn áp suất khí thải trớc tua bin P
k
>P
kx
do vậy
khí nạp quét sạch xi lanh , lợng khí sót nhỏ, nhờ vậy tăng đợc lợng không khí
nạp nên quá trình cháy tốt. ở chế độ nhỏ tải (các chế độ nhỏ hơn 30% tải) hiệu suất
đoạn nhiệt của máy nén giảm, P
k
<P
kx
nên trong thời gian trùng điệp có hiện tợng rò
lọt ngợc khí xả từ đờng ống xả vào xi lanh và từ xi lanh vào đờng ống nạp, do
vậy chất lợng quá trình chuyển tiếp xấu hơn. Nếu tăng lợng nhiên liệu cấp cho
chu trình thì P
kx
tăng nhng P
k
không tăng do quán tính rô to tua bin máy nén .
Trong chế độ thay đổi tải đối với động cơ 4 kỳ tăng áp bằng TBKX góc độ
phối khí và quá trình trao đổi khí ảnh hởng mạnh đến các thông số của động cơ.

Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm đối với động cơ 8H25/34 lai máy phát đặt
trên cần cẩu nổi khi ở chế độ đóng tải đột ngột [3] độ khói tăng lên 98%, khí xả rò
lọt ngợc vào đờng ống nạp, kết quả trong đờng ống nạp, xả, ống phun của tua
bin lợng muội bám tăng lên. Một trong các nguyên nhân tạo muội trên các chi tiết
đó là sự rò lọt ngợc khí xả từ xi lanh và đờng ống xả vào đờng ống nạp. áp suất
khí thể trong đờng ống xả lúc bắt đầu quá trình đóng tải tăng nhanh hơn áp suất
tăng áp. Khi góc trùng điệp của xu pap lớn hơn 125 độ góc quay của trục khuỷu,
đối với quá trình chuyển tiếp thời gian này đủ để khí xả điền đầy đờng ống hút, do
vậy giảm lợng khí nạp trong chu trình tiếp theo. Đó là nguyên nhân giảm bổ sung




21
hệ số d lợng không khí

và giảm chất lợng quá trình cháy, tăng tổn thất hành
trình bơm.
Giảm góc trùng điệp của xu páp nạp, xả để giảm rò lọt ngợc khí xả sẽ cải
thiện đợc chế độ tăng tốc nhng làm xấu việc quét sạch khí sót trong xi lanh ở chế
độ gần chế độ định mức và giảm tính kinh tế. Vì vậy giải quyết vấn đề kỹ thuật này
cần phải dựa vào cơ sở phân tích các chế độ làm việc của động cơ trong quá trình
khai thác. Nếu động cơ thờng xuyên làm việc ở chế độ không ổn định và ít khi
đợc khai thác ở chế độ định mức thì phải lựa chọn pha phối khí hợp lý có tính đến
sự rò lọt ngợc khí xả.

1.2.4. Đặc tính cấp nhiên liệu cho động cơ ở chế độ thay đổi tải
Chất lợng của quá trình cháy và các thông số của quá trình công tác của
động cơ phụ thuộc rất nhiều vào chất lợng phun nhiên liệu vào xi lanh động cơ và
quá trình hoà trộn tạo hỗn hợp không khí - nhiên liệu. Chất lợng phun nhiên liệu

đợc đặc trng bằng nhiều chỉ số. Quan trọng nhất trong các chỉ số đó là độ mịn (độ
tán xạ) và độ đồng nhất, chiều dài, độ bắn xa và góc nón chùm tia nhiên liệu [4,9].
Độ mịn đợc đánh giá bằng đờng kính hạt, còn độ đồng nhất đợc đánh giá bằng
sự giống nhau của các đờng kính hạt trong tia. Theo số liệu thực nghiệm [4], tia
nhiên liệu phun gồm hàng triệu hạt, đờng kính trung bình của chúng với động cơ
thấp tốc khoảng 15-25àm, với động cơ cao tốc 5-10 àm. Với động cơ có đờng kính
xi lanh nhỏ và vòng quay lớn, yêu cầu độ mịn và độ đồng nhất tăng lên.
Khi phun vào xi lanh động cơ, dới áp suất cao, nhiên liệu đợc tách thành
nhiều hạt nhỏ, tán xạ và hoà trộn với không khí để tạo thành hỗn hợp cháy trong xi
lanh của động cơ. Độ mịn phun phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ lu động dòng nhiên
liệu qua lỗ phun, đờng kính lỗ phun, độ nhớt và sức căng bề mặt của nhiên liệu, áp
suất và khối lợng riêng hỗn hợp công tác trong xi lanh. ảnh hởng rõ rệt nhất là
các thông số phun (áp suất nhiên liệu trớc lỗ phun và đặc tính phun), kết cấu của
thiết bị phun, tính chất vật lý của nhiên liệu, thông số khí trong xi lanh và điều kiện
khai thác thiết bị nhiên liệu.




22
Trong đề tài này chúng ta xét đến ảnh hởng của khí nén trong xi lanh của
động cơ và điều kiện khai thác đến chất lợng cấp nhiên liệu và sự tạo thành hỗn
hợp công tác.

Hình 1.5. ảnh hởng của áp suất phun nhiên liệu và áp suất tăng áp
đến hình dáng chùm tia nhiên liệu

Khối lợng riêng không khí ảnh hởng rõ rệt tới hình dáng chùm tia nhiên liệu.
Khi tăng
s

chùm tia bè ra và ngắn lại do tác động lực khí động học của môi trờng
lên chùm tia (hình 1.5). ảnh hởng lớn nhất đến hình dáng hình học của chùm tia là
mức độ rối của không khí nạp. Chỉ số rối càng cao thì môi trờng tác động lên chùm
tia càng mãnh liệt. Mức độ nhiễu loạn không khí nạp chủ yếu phát sinh trong quá
trình tiết lu qua cửa nạp của động cơ. Tiếp tục trong quá trình nén, mức độ nhiễu
loạn giảm xuống. Bởi thế khi vòng quay trục khuỷu càng cao, với các điều kiện khác
giống nhau, thì một mặt nhiễu loạn môi chất trong quá trình nạp tăng lên, mặt khác
thời gian quá trình nén lại giảm xuống. Nhờ vậy, phần lớn năng lợng xung nhiễu
loạn đợc giữ đến thời điểm phun nhiên liệu. Đó là một trong các yếu tố chủ yếu
đảm bảo chất lợng quá trình công tác đối với động cơ.
Kết quả là chiều dài chùm tia giảm xuống còn chiều rộng tăng lên. Các đờng
cong thực nghiệm cho thấy, nếu tăng áp suất phun trong phạm vi 14 - 56 MPa sẽ
0 1
50
100
150
560
420
280
140
L.mm
0

1 0
50

L.mm
100
0.7
150

560
420
280
140
2 0 1 2
50
280
420
560
100
150
L.mm
1.4
140
0 1
50
100
L.mm
150
2

140
2.1
210
280
350
420
490
560
3 2

á
p suất khí nén, MPa
t; 10
-
3
s




23
làm tăng chiều dài chùm tia, nhng nếu tăng áp suất khí nén (áp suất cản) sẽ làm
giảm chiều dài, đồng thời tăng độ côn của chùm tia. Nh vậy trong chế độ chuyển
tiếp quá trình cấp nhiên liệu và tạo thành hỗn hợp khác nhiều so với chế độ làm việc
ổn định:
- Khi cùng lợng nhiên liệu cấp cho chu trình thời gian cháy trễ tăng lên do nhiệt độ
thành buồng cháy và áp suất cuối quá trình nén thấp (áp suất tăng áp thấp do ảnh
hởng mô men quán tính rô to TB-MN).
- Khi đóng tải lên động cơ có tăng áp TBKX, thanh răng nhiên liệu đẩy đến chốt tỳ
lợng cấp nhiên liệu cực đại; áp suất tăng áp nhỏ (do quán tính rô to TBMN) làm
giảm khối lợng riêng không khí trong xi lanh
ct
và tăng hiệu số áp suất phun và áp
suất môi chất trong xi lanh p
ct
. Điều này làm cho chiều dài chùm tia nhiên liệu
phun vào buồng cháy tăng lên và so với chế độ định mức, phần nhiên liệu rơi vào
thành xi lanh cũng tăng lên. Trên cơ sở tính toán và thực nghiệm [15, 17] ngời ta
có thể tính đợc độ tăng chiều dài chùm tia nhiên liệu khi đóng tải. Khi chiều dài
chùm tia nhiên liệu tăng lên, kết quả là phần đầu chùm tia nhiên liệu rơi vào thành

buồng cháy, tại đó, nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhiệt độ buồng cháy (khoảng một nửa
nhiệt độ buồng cháy) làm cho một phần lợng nhiên liệu này không hoà trộn đợc
với không khí mà có tác dụng rửa sạch lớp dầu bôi trơn trên thành xi lanh. Trong
vùng vách sự tạo muội diễn ra mãnh liệt hơn do phần nhiên liệu từ vách buồng cháy
bay hơi muộn khi thể tích buồng cháy có hệ số d lợng không khí
1
bé. Trong quá
trình giãn nở do hàm lợng ô- xi thấp nên phần nhiên liệu cháy rớt sẽ cháy không
hoàn toàn.
- Hệ số d lợng không khí , hiệu suất chỉ thị
i
, tính kinh tế đều giảm xuống, hàm
lợng khói trong khí xả tăng lên do lợng không khí nạp giảm và lợng nhiên liệu
cấp cho chu trình tăng lên so với định mức. Kết quả là động cơ phát ra mô men chỉ
bằng một phần giá trị của nó ở chế độ ổn định khi có cùng lợng nhiên liệu cấp cho
chu trình.
Trên cơ sở tính toán và thực nghiệm thấy rõ do giảm khối lợng riêng không khí
trong xi lanh
ct
và tăng hiệu số áp suất phun và áp suất môi chất trong xi lanh p
ct
thì chiều dài chùm tia nhiên liệu tăng lên. Nếu thời gian cháy trễ không thay đổi thì




24
độ tăng chiều dài chùm tia nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy khi động cơ làm việc
ở chế độ chuyển tiếp đợc tính theo công thức[3, 4, 20]:

1
25.0










CT
od
od
CT
F
x
P
P
L




Tăng thời gian cháy trễ sẽ làm tăng phần nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy.
Thay đổi áp suất tăng áp trong quá trình chuyển tiếp ảnh hởng chủ yếu đến lợng
nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy trong một chu trình g
ctv
(áp suất tăng áp giảm

xuống g
ctv
tăng lên). Khi tăng thời gian cháy trễ
i
một lợng
i
thì độ tăng chiều
dài chùm tia nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy khi động cơ làm việc ở chế độ
chuyển tiếp đợc tính bằng công thức[3, 4, 20]:
11
25.0








+=
iod
i
F
L




od
,

iod
là khối lợng riêng không khí nạp và thời gian cháy trì hoãn ở chế độ ổn
định.
Lợng nhiên liệu cấp cho động cơ ảnh hởng đến các thông số hoà trộn. Khi
giảm lợng nhiên liệu cấp cho chu trình thì thời điểm bắt đầu và kết thúc phun dịch
lại gần nhau, kết quả là áp suất phun nhiên liệu trung bình giảm xuống. Tăng áp suất
bắt đầu phun làm tăng áp suất phun trung bình, do vậy làm tăng độ tán xạ, độ đồng
nhất phun và chiều dài chùm tia nhiên liệu.
Tóm lại, các thông số của thiết bị nhiên liệu, kết cấu buồng cháy, cơ cấu nạp,
cũng nh vòng quay động cơ đều đợc thiết kế đảm bảo chất lợng phun sơng và
hoà trộn hỗn hợp tốt tơng ứng với chế độ làm việc định mức (vòng quay và phụ tải
định mức). Khi thay đổi chế độ làm việc của động cơ làm cho chất lợng phun
sơng, hoà trộn hôn hợp xấu đi, điều đó ảnh hởng tới tính kinh tế, tính tin cậy và
tuổi thọ của động cơ.
Trong quá trình khai thác động cơ, các thiết bị trong hệ thống nhiên liệu bị
mài mòn, trạng thái kỹ thuật xấu đi: khe hở giữa pít tông - xi lanh bơm cao áp, giữa