Bài giảng Động cơ diesel tàu thuỷ

ình thực tế rất phức tạp. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới diễn biến của các quá trình trong chu trình công tác như các thông số về kết cấu ( tỷ số nén, phương pháp quét khí và thải khí, phương pháp hình thành khí hỗn hợp), các thông số về điều chỉnh (góc phân phối khí, góc phun sớm, thành phần hỗn hợp), các thông số về khai thác (chế độ làm việc của động cơ, điều kiện về môi trường).Vì vậy khi nghiên cứu cơ sở lý thuyết của động cơ diesel, người ta phải xem xét sơ đồ đơn giản hoá các quá trình công tác đó, hay còn được gọi là chu trình lý tưởng. Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong là chu trình công tác mà trong đó không tính đến tổn thất nhiệt nào khác ngoài tổn thất nhiệt truyền cho nguồn lạnh được quy định theo luật nhiệt động học 2. Chu trình lý tưởng của động cơ diesel cho phép dễ dàng đánh giá tính hoàn thiện và khả năng sử dụng nhiệt lượng của nhiên liệu để biến thành công. 1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt trong Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong biểu diễn trên đồ thị P-V( đồ thị công ) và T-S Diesel (đồ thị nhiệt), bao gồm các quá trình nhiệt động cơ bản sau đây (hình 1.1): Hình 1.1 Chu trình lý tưởng trên đồ thị P-V và T-S Trong đó: ac: quá trình nén đoạn nhiệt. cz1: quá trình cấp nhiệt đẳng tích. z1z: quá trình cấp nhiệt đẳng áp. zb: quá trình giãn nở đoạn nhiệt ba: quá trình thải nhiệt đẳng tích. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 4 21 3 21 321 1; QQ Q QQ QQQ tt +−=+ −+= ηη 1.1.2 Các thông số đặc trưng của chu trình Tỷ số nén: ε = Va/Vc Tỷ số áp suất : λ = Pz/Pc Tỷ số giãn nở sớm: ρ = Vz/Vc Tỷ số giãn nở sau: δ = Vb/Vz Hiệu suất nhiệt chu trình : Trong đó : Q1 : Nhiệt lượng cung cấp đẳng tích ; Q2 ; Nhiệt lượng cung cấp đẳng áp ; Q3 : Nhiệt lượng thải đẳng tính ; 1.1.3 Các giả thiết khi nghiên cứu chu trình lý tưởng: Chu trình lý tưởng nêu trên khi nghiên cứu có kèm theo các giả thuyết sau đây : - Chu trình diễn ra với một đơn vị khí lý tưởng; các quá trình xảy ra chỉ làm môi chất thay đổi về trạng thái vật lý và thành phần hoá học và khối lượng không thay đổi. - Không có các quá trình cháy trong xy lanh động cơ, môi chất nhận nhiệt là do tiếp xúc lý tưởng với nguồn nóng. - Các quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt, sự chuyển động là không có ma sát. - Quá trình thải nhiệt là do môi chất tiếp xúc lý tưởng với nguồn lạnh mà không phải là quá trình trao đổi khí. - Nhiệt dung riêng của môi chất là hằng số. - Nguồn nóng và nguồn lạnh là vô cùng lớn để quá trình truyền nhiệt là ổn định. Chu trình lý tưởng với các giả thuyết treên dđaây được lấy làm cơ sở lý thuyết nghiên cứu cho động cơ đốt trong. Các yếu tố về khai thác, kết cấu, kiểu loại động cơ không ảnh hưởng đến chu trình. Sự thay đổi thể tích khi thực hiện các quá trình nén và giãn nở là do piston chuyển động trong xy lanh thực hiện nhưng thông số trên đồ thị là do thể tích (hoặc thể tích riêng) của môi chất. 1.2 Chu trình lý tưởng Tuỳ theo lượng nhiệt cung cấp Q1, Q2 từ nguồn nóng, chu trình lý tưởng có thể được chia thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp hay cấp nhiệt hỗn hợp. 1.2.1 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích (hình1.2), trong đó nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) chỉ cấp theo chu trình trong quá trình đẳng tích c-z. Các động cơ đốt trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có quá trình cháy diễn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 5 ra rất nhanh (gần như tức thời tại điểm z). Các động cơ xăng, động cơ ga thường được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích. Hình 1.2 thể hiện các quá trình công tác của chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S. Trong chu trình này nhiệt lượng cung cấp trong quy trình đẳng áp Q2 = 0. Trong đó ta có thể thấy: ε = δ và ρ = 1. Hình 1.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S 1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp (hình 1.3), trong đó nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) chỉ cấp cho chu trình trong qúa trình đẳng áp c-z. Các động cơ đốt trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có quá trình cháy diễn ra chậm hơn nhiều (sau điểm z). các động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng không khí nén được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp . Hình 1.3: Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị P-V và T-S Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 6 ;1 21 3 21 321 QQ Q QQ QQQ t +−=+ −+=η ;.. kaa k cc VPVP = ..;..;. 111 −−− === kackaakcckac TTVTVTPP εε ....;;...; 1 1 11 1 1 −======= kacz c z c zk acz c z TTT P P T T PPP P P ελλλελλλ Xem hình 1.3 trong chu trình này, nhiệt lượng cung cấp trong qúa trình đẳng tích Q1 = 0, nhiệt lượng cung cấp cho chu trình chỉ còn lại là Q2, khi đó λ = 1. 1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng cung cấp trong các qúa trình đẳng áp, đẳng tích đều tồn tại khác không: Q1K 0, Q2K 0. Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1.4), trong đó nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp cho công chất trong qúa trình c-z1 còn nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho công chất trong qúa trình z1-z của chu trình. Động cơ diesel thông thường (cấp nhiên liệu bằng bơm cao áp và vòi phun) được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp. Hình 1.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp trên đồ thị P-V và T-S 1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Hiệu suất chu trình lý tưởng: Trong đó, Q1, Q2 là nhiệt cấp đẳng tích và đẳng áp, còn Q3 là nhiệt thải. Mối liên hệ giữa các thông số tại các điểm đặc biệt của chu trình như điểm a, c, z1, z, b theo thông số trạng thái ban đầu áp suất được tính toán như sau: Điểm c: Điểm z1: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 7 ;..;..1...1.;.. 11 −− ===== kzzkbbkakkakzbkzzkbb VTVTPPPPVPVP ρλδελδ k aikzb TTT ρλδ .. 1. == − Điểm z: .....;;..;. 1 1 11 1 −======= kazz z z z zk azczz TTTV V T TPPPPP ελρρρελλ Điểm b: Do đó: Mặt khác ta lại có: )....().( 111 1 −− −=−= kakavczv TTCTTCQ εελ )...().( )......().( 3 11 2 1 a k avabv k a k apzzp TTCTTCQ TTCTTCQ −=−= −=−= −− λρ ελελρ Thay vào công thức định nghĩa ηt , ta có: )1.(.)1( 1..11 1 −+− −−= − ρλλ λρ εη k k kt Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ρ =1, ε = δ ta có: 1 11 −−= kt εη Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp λ =1 ta có: )1.( 1.11 1 − −−= − ρ ρ εη k k k 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng Khi so sánh hiệu suất nhiệt của chu trình, người ta sử dụng đồ thị T-S và trên đó lượng nhiệt cấp và thải đều được thể hiện bằng các phần tử diện tích của đồ thị. Trên cơ sở công thức định nghĩa, hiệu suất nhiệt ηt sẽ thay đổi tùy thuộc vào nhiệt lượng cung cấp cho chu trình (Q1+Q2) hoặc nhiệt lượng thải Q3. 1.4.1 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ số nén ε và nhiệt lượng thải Q3 nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 8 T c a b zV z zp 1 2 S Hình 1.5 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng Với điều kiện cố định ε và Q3 ta thấy: Khi giữ nguyên ε, các điểm a và c phải trùng nhau đối với cả ba chu trình. Khi giữ nguyên Q3, ta thấy diện tích các hình biểu thị nhiệt thải với ba phương án trên phải như nhau, có nghĩa là diện tích (1ab21) là chung cho cả ba chu trình. Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvb ; hỗn hợp acz1zb ; đẳng áp aczpb lên cùng một đồ thị T-S như hình vẽ 1.5. So sánh nhiệt lượng cấp, mà nhiệt lượng cấp này biểu thị bằng các diện tích dưới các đường cong cấp nhiêt, ta thấy : S(1czv21) > S(1cz1z21) > S(czp21) Từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận: p tt v t ηηη >> 1.4.2 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ số nén ε và nhiệt lượng cung cấp (Q1+Q2) nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp. Với điều kiện giữ cố định ε và Q1+Q2 ta thấy: Khi giữ nguyên ε, các điểm a và c trùng nhau đối với cả ba chu trình. Khi giữ nguyên Q1+Q2, ta thấydiện tích các hình biểu thị nhiệt cấp với ba phương trên phải như nhau, có nghĩa là: S(1czv2v1) = S(cz1z21) = S(1czp2p1) Như thế, các điểm 2v phải phân bố về phía trái, còn điểm 2p thì phân bố về phía phải của điểm 2. Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp aczpbp lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.6. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 9 p tt v t ηηη >> pv QQQ 333 << Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng Từ đồ thị ta nhận thấy: S(1abv2v1) < S(1ab21) < S(1abp2p1) Hay là: Do đó: 1.4.3 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực đại Pmax và nhiệt lượng thải Q3 Với điều kiện lượng nhiệt thải Q3 như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, chúng phải cùng chung nhau qúa trình thải nhiệt đẳng tích b-a. Với điều kiện áp suất cực đại Pmax như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, các điểm zv, z, zp phải cùng nằm trên một đường p = const. Mặt khác, vì điểm b cùng chung cho cả ba chu trình nên các điểm zv, z, zp phải trùng nhau. Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzb; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzb lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.7. Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 10 v tt p t ηηη >> Các điểm c trong chu trình cấp nhiệt đẳng tích là cv, hỗn hợp c, đẳng áp là cp, đồng thời các điểm đó phân bố từ trên xuống dưới là cp, c, cv. Nhiệt lượng thải cho nguồn lạnh của cả ba chu trình là bằng nhau, do đó: Sv(1ab21) = S(1ab21) = Sp(1ab21) =Q3 Nhiệt lượng cấp phân bố như sau: S(1cpz21) >S(1cz1z21) > S(1cvz21) Do đó: 1.4.4 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực đại Pmax và nhiệt lượng cấp Q1+Q2 T a 1 S z1 cp c cV bv zp z zv 2p 2 2v bp b Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzpbp lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.8 Với điều kiện lượng nhiệt cấp Q2+Q3 như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T -S, các diện tích dưới đường cong cấp nhiệt biểu thị cho lượng nhiệt cấp của cả ba chu trình phải bằng nhau, tức là: Sv(1cvzv2v) = S(1cz1z21) = Sp(1cpzp2p) =Q1+Q2 Với điều kiện áp suất cực đại Pmax như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, các điểm zv, z, zp phải cùng nằm trên một đường p=const. So sánh nhiệt lượng thải biểu thị bằng các diện tích tương ứng ta thấy: Sp(1abp2p) < S(1ab2) <Sv(1abv2v) Do đó, từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 11 v tt p t ηηη >> Qua sự so sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng trên đây, chúng ta nhận thấy rằng: Trong thực tế, nếu chế tạo các động cơ đốt trong có tỷ số nén ε như nhau thì dù nhiệt lượng cấp không đổi hay nhiệt thải không đổi, hiệu suất nhiệt của động cơ làm việc theo chu trình đẳng tích sẽ có hiệu suất cao hơn, nhưng nếu các động cơ đốt trong có áp suất cháy cực đại Pmax như nhau thì những động cơ làm việc theo chu trình đẳng áp lại có hiệu suất cao hơn cả. Trên quan điểm chế tạo động cơ, người ta cần quan tâm đến áp suất cháy cực đại Pmax (thể hiện ứng suất cơ), vì vậy nên chế tạo động cơ làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng áp, nhưng việc chế tạo và vận hành những động cơ này gặp khó khăn (động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng khí nén), cho nên những động cơ này thực tế đã không được chế tạo mà thay vào đó, người ta chế tạo các động cơ diesel ngày nay làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Câu hỏi ôn tập chương: 1. Phaân tích söï thay ñoåi hieäu suaát nhieät trong caùc ñieàu kieän: - Thay ñoåi tyû soá neùn - Thay ñoåi goùc phun sôùm 3.Trình baøy caùc chu trình lyù töôûûng, ñaúng aùp, ñaúng tích, hoãn hôïp. So saùnh hieäu suaát nhieät cuûa chuùng khi : - Cuøng tyû soá neùn vaø nhieät löôïng caáp - Cuøng aùp suaát cöïc ñaïi vaø nhieät löôïïng caáp 4.So saùnh hieäu suaát nhieät cuûa caùc chu trình lyù töôûng baèng ñoà thò trong caùc tröôøng hôïp sau: - Cuøng Q1+Q2 vaø ε - Cuøng Q3 vaø Tz 5.Caùc chu trình lyù töôûng vaø hieäu suaát nhieät cuûa chuùng, veõ ñoà thò, giaûi thích? Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 12 L M r r =γ CHƯƠNG 2 CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Quá trình nạp 2.1.1 Hệ số nạp Trong động cơ đốt trong, sau mỗi chu kỳ công tác, động cơ cần phải thải một lượng khí cháy và nạp một lượng không khí mới vào xy lanh động cơ. Chất lượng của quá trình nạp và lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu sau này. Thông thường, khi đánh giá lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp, người ta sử dụng các thông số trước cửa hút của xy lanh Po, To (hoặc Ps, Ts đối với động cơ hai kỳ và động cơ tăng áp). Thực tế lượng không khí nạp có trong xy lanh ở đầu quá trình nén nhỏ hơn lượng không khí tính toán theo lý thuyết, bởi vì trong quá trình nạp, lượng không khí nạp vào xy lanh còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau: Sức cản thủy lực của đường ống không khí nạp, các xupáp nạp và các cửa nạp (trong động cơ hai kỳ). Do tồn tại sức cản thủy lực này nên áp suất của không khí trong xy lanh động cơ khi bắt đầu quá trình nén (cuối quá trình nạp) sẽ nhỏ hơn áp suất không khí nạp trước cửa nạp. Sự giảm áp suất do sức cản thủy lực này sẽ làm cho mật độ không khí trong xy lanh động cơ của quá trình nạp sẽ bị giảm theo, và do vậy, trong cùng một thể tích, trọng lượng của không khí sẽ giảm. Sự sấy nóng không khí nạp do thành vách xy lanh, đỉnh piston, các xupáp hay các cửa làm cho nhiệt độ không khí nạp tăng, trọng lượng riêng của nó giảm xuống, làm giảm lượng không khí nạp thực tế vào xy lanh động cơ. Ngoài ra trong thực tế, cuối quá trình xả chúng ta không thể làm sạch hoàn toàn xy lanh công tác. Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xy lanh bao giờ cũng còn sót lại một lượng khí cháy. Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm một phần thể tích xy lanh công tác, làm giảm lượng không khí sạch nạp vào xy lanh. Lượng khí cháy cón sót lại trong xy lanh động cơ được đánh giá bằng một đại lượng tương đối gọi là hệ số khí sót, kí hiệu là γr; (2-1) Trong đó Mr: số lượng khí cháy còn sót lại trong xy lanh động cơ ở cuối kỳ xả (kmol); L: số lượng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp (kmol). Do lượng khí sót trong xy lanh động cơ có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt cho không khí sạch mới nạp vào làm nhiệt độ của nó tăng lên. Kết quả là trọng lượng Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 13 s o s o s o n L L G G V V ===η sno s o n VVV V .ηη =→= riêng của không khí nạp giảm xuống, làm giảm lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ. Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ ở các giá trị Pa, Ta thực tế nhỏ hơn lượng không khí lý thuyết tính toán theo các thông số Po, To hay Ps, Ts. Để đánh giá hiệu quả của quá trình nạp, người ta đưa ra khái niệm hệ số nạp được định nghĩa như sau: Hệ số nạp là tỷ số giữa lượng không khí có trong xy lanh động cơ ở đầu hành trình nén và lượng không khí có thể chứa trong thể tích công tác của xy lanh động cơ, có thông số là thông số trạng thái của không khí trước cửa hút của xy lanh. Nếu kí hiệu ηn là hệ số nạp; Go (kg); Vo (m3); Lo (kmol) là lượng không khí thực tế nạp vào thể tích Va của xy lanh công tác; Gs (kg); Vs (m3); Ls (kmol) là lượng không khí có thể chứa trong thể tích Vs của xy lanh công tác có các thông số của không khí trước cửa nạp Po, To (hay Ps,Ts) thì: (2.2) Cần chú ý là theo định nghĩa Va > Vs, do đó trong trường hợp lý tưởng nếu quá trình xả là sạch hoàn toàn thì khi đó ηn có thể lớn hơn 1. Để lập công thức tính toán hệ số nạp, trước hết là môt số giả thiết sau: Quá trình nạp kết thúc tại điểm a của đồ thị công chỉ thị. Công do khí cháy sinh ra trong quá trình nạp và năng lượng động học của nó là như nhau. Nhiệt dung riêng của khí sạch và khí sót ở nhiệt độ đầu quá trình nén là như nhau. Số lượng không khí sạch và khí sót ở đầu quá trình nén được tính như sau: Ma=L+Mr = L.(1+γr) (2.3) Trong đó, L: lượng không khí sạch (kmol); Mr: lượng khí sót còn sót lại trong xy lanh của cuối quá trình nạp (kmol). Giá trị của Ma và L trong phương trình trên có thể xác định từ phương trình trạng thái của chất khí: 410. .848 . a aa T VPM = Trong đó, Pa, Ta là áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nén (kG/cm2; oK); Và là thể tích xy lanh đầu quá trình nén (m3); Po, To là áp suất và nhiệt độ không khí nạp trước cửa nạp (kG/cm2, oK). Từ công thức Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 14 410. .848 .. o sno T VP L η= )1.( ... r o ono a aa T VP T VP γη += )1.(. . . r s a ao oa n V V TP TP γη += ;ε= c a V V ;. ca VV ε= ;ε=+ c cs V VV cs VV ).1( −= ε 1).1( . −=−= ε ε ε ε c c s a V V V V Khi đó: Thay L, Ma vào công thức (2.3) và rút gọn ta có: Từ đó: Ta đã có: Do đó: Hay Do đó: Khi đó: Thay vào công thức ηn ta có: rao oa n TP TP γε εη +−= 1 1. . . . 1 Trường hợp động cơ bốn kỳ tăng áp hay động cơ hai kỳ, thông số trước cửa nạp là Ps, Ts. Khi đó công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ có tăng áp có dạng như sau: ras sa n TP TP γε εη +−= 1 1. . . . 1 Đối với động cơ hai kỳ quá trình nén thực tế là khi piston đóng kín các cửa. Vì thế, trong tính toán quá trình nạp cho động cơ hai kỳ ta phải lấy tỷ số nén thực tế εt c sc c a t V VV V V '' +==ε Vs’: thể tích công tác của xy lanh khi đóng kín các cửa. Gọi S h S ψ = là hệ số tổn thất hành trình, trong đó h là khoảng cách từ mép trên của cửa cao nhất đến điểm chết dưới của piston. Khi đó có thể tích: )1.(' sss VV ψ−= Thay vào công thức tính tε , khi đó ta sẽ có: 1 t s s ε ψε ψ −= − (2-4) (2-5) Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 15 c a V V=ε c ssc t V VV )1( ψε −+= s ct s VV ψ ε − −= 1 )1( c sc c a V VV V V +==ε o o o P TRV .= oo o TR P V . 1 ==γ ao oao a a o a TP TP P TR TR P . .. . . ==γ γ Vì vậy: (1 )t s sε ε ψ ψ= − + Trong động cơ bốn kỳ, bỏ qua sự đóng muộn của xupáp, khi đó ta có thể xem quá trình nén bắt đầu khi piston từ điểm chết dưới đi lên điểm chết trên và Khi đó ta có: Từ phương trình: ta có: Thay vào công thức tính hệ số nạp và chú ý là: Khi đó ta có công thức tổng quát tính hệ số nạp: )1.( 1 1. . . . 1 sras sa t t n TP TP ψγε εη −+−= Động cơ bốn kỳ không tăng áp thay Ps, Ts bằng Po, To, còn hệ số ψs đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và không tăng áp đều bằng không. Khi đó, công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp lại quay về dạng: rao oa t t n TP TP γε εη +−= 1 1. . . . 1 Có thể biểu diễn công thức tính hệ số nạp dưới một dạng khác như sau: Từ phương trình trạng thái của 1kg chất khí P.V = R.T Viết cho chất khí có thông số Po, Vo, To ta có: Po.Vo = R.To Từ đó: và Tương tự, viết cho chất khí có thông số trạng thái ở đầu quá trình nén ta có: a a a TR P . =γ Từ đó: Khi đó công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp có thể viết dưới dạng: ro a t t n γγ γ ε εη +−= 1 1.. 1 Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ được thay bằng γs và khi đó biểu thức a s s a p T p T được thay bằng a s γ γ Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 16 d VG osn .61,11 1...2 += γη Bây giờ ta sẽ phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào những yếu tố nào? Từ công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp: rao oa t t n TP TP γε εη +−= 1 1. . . . 1 Ta thấy biểu thức 1 ε ε − là một thông số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ. Như vậy với mỗi động cơ cụ thể thì biểu thức này là một hằng số. Còn biểu thức 1 1 rγ+ thì ở đây γr là một thông số phụ thuộc vào hệ thống quét thải của động cơ và chế độ công tác đã cho. Chất lượng làm sạch xy lanh và do đó giá trị của γr thay đổi phụ thuộc rất nhiều vào việc hoàn thiện hệ thống quét thải và hệ thống tăng áp. Ngoài ra việc làm vệ sinh sạch các cửa quét thải trong động cơ hai kỳ, các đường ống xả và tuabin khí tăng áp cũng làm cho hệ số γr thay đổi. Khi γr tăng, hệ số nạp giảm xuống và ngược lại. Môi trường nơi động cơ làm việc có ảnh hưởng đến hệ số nạp thông qua giá trị Po, To và ϕ. Thực tế giữa áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường ảnh hường đến hệ số nạp như thế nào? Khi Po, To thay đổi sẽ làm cho mật độ không khí trước cơ cấu nạp (γo) thay đổi nhưng đồng thời nó cũng làm cho γa thay đổi theo. Nói cách khác, khi mật độ không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm) theo. Do vậy, tỷ số 0 aγ γ thực tế thay đổi rất ít và hầu như không đáng kể. Như vậy đối với một động cơ cụ thể ở một chế độ khai thác đã chọn thì có thể xem hệ số nạp không chịu ảnh hưởng của môi trường nơi động cơ làm việc nếu hê số khí sót cũng không thay đổi. Tuy nhiên dù ηn không thay đổi nhưng do trọng lượng riêng của không khí nạp thay đổi nên lượng không khí sạch nạp vào xy lanh động cơ cũng thay đổi theo. Nếu chuyển động cơ từ vùng có nhiệt độ thấp (hàn đới) sang khai thác ở vùng có nhiệt độ cao (nhiệt đới) thì do nhiệt độ môi trường To tăng làm γo giảm và vì vậy số lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ cũng giảm theo. Nếu các điều kiện khác là như nhau thì trong trường hợp này để giữ nguyên hệ số dư lượng không khí α thì bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, tức là giảm công suất của động cơ. Ngoài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ ẩm môi trường cũng có ảnh hưởng đáng kể đến lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ. Lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ khi không khí là không khí khô có thể tính theo công thức: 1 0. .s nG v γ η= Khi không khí nạp là không khí ẩm thì lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ được tính như sau: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 17 Trong đó động cơ là độ ẩm riêng của hơi nước trong không khí ẩm (kg hơi nước/kg không khí khô) Như vậy khi động cơ tăng, lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ sẽ giảm. Như đã nói ở trên, đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, thông số trước cửa nạp không phải là Po, To mà là Ps, Ts. Hai thông số này ngoài ảnh hưởng của môi trường còn chịu ảnh hưởng của quá trình nén trong máy nén tăng áp và chế độ làmm mát không khí tăng áp. Điều này có nghĩa là Po, To và ϕ là các thông số gián tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng không khí nạp. Do vậy có thể nói đối với các động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, ảnh hưởng của môi trường sẽ nhỏ hơn so với động cơ không tăng áp. Sức cản thủy lực trên đường ống hút được biểu thị thông qua biểu thức 0 ap p hoặc a s p p . Khi sức cản trên đường ống hút càng tăng thì 0 ap p sẽ càng nhỏ và do đó ηn sẽ càng giảm. Các giá trị của hệ số nạp phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong khoảng sau: Động cơ thấp tốc tăng áp: ηn =0,8 ÷ 0,9 Động cơ trung tốc và cao tốc không tăng áp: ηn =0,75 ÷ 0,85 Động cơ tăng áp: ηn =0,8 ÷ 0,95 2.1.2 Xác định các thông số của quá trình nạp Giá trị ε là một thông số kết cấu: a c v v ε = Đối với các động cơ đốt trong, việc lựa chọn ε khi thiết kế động cơ dựa yêu cầu là nhiệt độ cuối quá trình nén phải đảm bảo nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy, nhưng đồng thời phải giữ cho các giá trị ứng suất nhiệt và ứng suất cơ nằm trong giới hạn cho phép. Các động cơ diesel tàu thủy giá trị ε =10 ÷ 19; động cơ kích thước nhỏ chọn ε cao; động cơ không tăng áp có ε cao hơn động cơ tăng áp. Hệ số khí sót cũng là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong các khoảng sau: Động cơ bốn kỳ không tăng áp: γr = 0,04 ÷ 0,055 Động cơ bốn kỳ có tăng áp: γr = 0,02 ÷ 0,044 Động cơ hai kỳ quét thẳng: γr = 0,02 ÷ 0,07 Động cơ hai kỳ quét vòng: γr = 0,08 ÷ 0,11 Các giá trị trên cho ta một nhận xét rằng, động cơ bốn kỳ có giá trị γr nhỏ hơn động cơ hai kỳ. Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 18 a rro a M TMTLT .. ' += hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xy lanh tốt hơn. Còn động cơ hai kỳ quét thẳng do quỹ đạo chuyển động của dòng khí không phải đổi chiều, do đó nó có khả năng quét sạch các góc của xy lanh hơn động cơ hai kỳ quét vòng nên giá trị γr của nó nhỏ. Ngoài hai thông số phụ thuộc kết cấu trên, các thông số khác của quá trình nạp đều là những thông số phụ thuộc trạng thái của khí nạp. Sau đây chúng ta sẽ đi tìm phương pháp xác định các thông số này. Áp suất và nhiệt độ điều khiển cuối quá trình nạp là hai thông số quan trọng của quá trình trao đổi khí. Các thông số này có thể được xác định bằng tính toán hay thực nghiệm. Đặc tính thay đổi của áp suất và nhiệt độ khí nạp và các giá trị khác của nó phụ thuộc rất nhiều vào cường độ trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xy lanh, các xu páp và các cửa, cũng như sự trao đổi nhiệt giữa khí nạp và khí sót trong xy lanh. Để xác định nhiệt độ chất khí trong xy lanh ở cuối kỳ nạp, ta xuất phát từ phương trình năng lượng. Gọi Ma là số lượng mol của hỗn hợp khí sạch và khí sót trong xy lanh ở cuối kỳ nạp. L: Số lượng mol khí sạch nạp vào xy lanh trong quá trình nạp. Mr: Là số lượng mol khí sót. t vC : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của không khí sạch n vC : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót m vC : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp. Ta giả thiết công của chất khí sinh ra trong quá trình nạp bằng không, khi đó ta có thể viết: r n vrova m va TCMTCLTCM ...... '' += Trong công thức trên, ta giả thiết rằng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ có nhiệt độ tại cửa hút của xy lanh là To (động cơ bốn kỳ không tăng áp). Sau khi đi qua cơ cấu nạp nó nhận nhiệt và nhiệt độ tăng từ To lên: '0T : '0 0 snT T T= + Δ Trong đó snTΔ là độ gia tăng nhiệt độ do sự sấy nóng của các cửa, cơ cấu nạp, đỉnh piston và thành vách xy lanh. Sự khác nhau của các giá trị ,tvC ,nvC mvC rất nhỏ và ta có thể xem chúng là như nhau. Khi đó, trở lại phương trình trên ta có thể viết: rroaa TMTLTM ... ' += Từ đó: Thay: Ma = L + Mr và chú ý r M L γ= , khi đó ta có: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 19 r rro o TTT γ γ + += 1 .' (2.8) Thông thường giá trị snTΔ nằm trong khoảng 10 ÷ 20oC, còn giá trị nhiệt độ của khí sót phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và nằm trong khoảng 700 ÷ 800oK. Công thức tính nhiệt độ cuối quá trình nạp trên đây là của động cơ bốn kỳ không tăng áp. Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ thì phải chú ý là nhiệt độ trước cơ cấu nạp là : lmks TTT Δ−= Nhiệt độ Tk của không khí sau máy nén tăng áp có thể tính như sau: m m o k ok P PTT 1− ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= Trong đó, m: chỉ số nén đa biến của máy nén: Với máy nén ly tâm: m = 1,5 – 2. Với máy nén piston : m = 1,5 – 1,6. Với máy nén rotor : m = 1,7 – 1,8. lmTΔ : độ giảm nhiệt độ của không khí khi đi qua sinh hàn khí tăng áp. Và khi đó, tương tự như trong động cơ bốn kỳ: 'S s snT T T= + Δ và ' . 1 s r r a r T TT γγ += + (2.9) Thông thường với các động cơ diesel: Ta = 315 ÷ 340oK Áp suất của khí nạp sau khi đi qua các cơ cấu nạp sẽ giảm đi một lượng bằng sức cản trên đường ống nạp. Vì vậy chúng ta có thể tính: Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: 0a hp p p= −Δ Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp và động cơ hai kỳ: a s hp p p= −Δ Trong đó; hpΔ là độ giảm áp suất khi đi qua các cơ cấu hút. Thông thường đối với các động cơ diesel tàu thủy, giá trị Pa nằm trong khoảng sau: Động cơ bốn kỳ không tăng áp: Pa = (0,85 ÷ 0,90)Po. Động cơ hai kỳ có tăng áp: Pa = (0,90 ÷ 0,96)Po. Động cơ hai kỳ quét thẳng qua xupáp : Pa = (0,96 ÷ 1,04)Po. Động cơ hai kỳ quét vòng: Pa = (0,96 ÷ 1,1)Po. Cuối cùng nếu thay: ' a .T 1 s r r r T Tγ γ += + vào công thức tính hệ số nạp ta sẽ có công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp là: 0 ' 0 0 . . 1 . a n r r p T p T T εη ε γ= − + (2.10) Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 20 Trở lại công thức tính: 0a hp p p= −Δ hay a s hp p p= −Δ Trong đó hpΔ có thể được xác định từ phương trình Becnuli với giả thiết là: khi chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xy lanh công tác, trạng thái của chất khí không thay đổi. Khi đó ta có thể cho γo = γa hay γa = γs. Ta lại giả thiết vận tốc của dòng khí tại cửa vào là bằng không, khi đó có thể viết: 2).1.( .2 W g PPP oaoh ξγ +=−=Δ Trong đó ξ là hệ số cản trên đường ống hút, thường bằng 0,03 ; W : vận tốc của dòng khí nạp. Với động cơ bốn kỳ ta có thể tính như sau : 2 2 . . 30 . kdi DnSW = Trong đó, S : hành trình của piston (m); D: đường kính xy lanh; dk: đường kính tiết diện lưu thông của xu páp hút (m); i: số xu páp hút trên một xy lanh. Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp, trong công thức trên ta phải thay γo bằng γs Sau đây chúng ta ký hiệu hpΔ của động cơ bốn kỳ không tăng áp là 0pΔ , còn đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ là SpΔ . Trị số 0pΔ , SpΔ biểu thị sức cản trên đường ống hút. Làm sạch đường ống hút sẽ làm giảm 0pΔ hay SpΔ trong khai th...ển, trạng thái nhiệt của nhóm piston xy lanh cũng xấu đi. Trong các động cơ cao tốc biện pháp này được áp dụng để giảm giá trị Tz. Còn trong động cơ thấp tốc công suất lớn việc giảm ξz nhằm làm giảm Pz. Giảm Tc để giảm Tz không có lợi vì như vậy làm xấu đi qúa trình cháy nhiên liệu. Đặc biệt ở chế độ khởi động, giá trị Tc thấp sẽ không đảm bảo cho qúa trình cháy diễn ra bình thường. Từ (2.37) chúng ta thấy tăng lượng không khí có trong xy lanh ở đầu hành trình nén có thể làm cho Tz giảm xuống. Nói một cách chính xác là để giảm Tz cần phải tăng hệ số dư lượng không khí α. Khi lượng không khí dư thừa càng nhiều, nó sẽ thu một phần nhiệt lượng lớn hơn để mang ra ngoài theo khí xả làm cho nhiệt độ bình quân của chu trình giảm xuống. Điều này đặc biệt có ý nghĩa với những động cơ có tăng áp, khi mà với cùng một thể tích công tác, nhưng lượng nhiên liệu đốt cháy nhiều hơn. Trong phương trình cân bằng nhiệt tại điểm Z (2.37), ta cần lưu ý: ' vC là nhiệt dung riêng đẳng tích của không khí khô, có thể được tính: ' 4,6 0,0006.v cC T= + (2.38) " vC là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 36 ca z cc zz TM TM VP VP . . . . = " 5 4,89 ( 1).4,6 86 ( 1).60 . .10v c C Tα αα α + − + −= + (2.39) " pC : là nhiệt dung riêng đẳng áp của khí cháy (có thành phần giống khí sót): " 5 4,89 ( 1).4,6 86 ( 1).601,99 . .10p z C Tα αα α + − + −= + + (2.40) Sau khi thay các giá trị nhiệt dung riêng ở trên vào phương trình (2.37) ta sẽ được một phương trình bậc hai với Tz có dạng: 0.. 2 =++ CTBTA zz Giải phương trình bậc hai sẽ tìm được nhiệt độ cháy cực đại của khí cháy Tz. 2.3.4.3. Các thông số của qúa trình cháy. Tỷ số tăng áp suất z c p p λ = Giá trị λ là một trong những thông số đặc trưng cho ứng suất cơ của chu trình công tác. Ở chế độ định mức giá trị λ của các động cơ diesel tàu thủy thường nằm trong khoảng từ 1,30 ÷ 2,2. Áp suất cực đại .z cp pλ= Nhiệt độ cháy cực đại Tz: Giải phương trình cân bằng nhiệt tại điểm Z. Tỷ số giãn nở sớm z c v v ρ = Từ phương trình trạng thái: . .848.z z zp V M T= và . .848.c c a cp V M T= Chia hai vế của phương trình trên cho nhau ta được Thay z c p p λ= và: z a M M β= ; Khi đó ta có: z zz c c v T v T λ β= Mà z c v v ρ= ; Vậy: .z z c T T βρ λ= Thể tích .z cv vρ= Tỷ số giãn nở sớm trong các động cơ nằm trong khoảng 1,2 ÷ 1,7. Giá trị zξ trong phương trình cháy là một thông số cơ bản để xem xét một qúa trình cháy trong động cơ diesel. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến zξ và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này với các kiểu, loại động cơ khác nhau cũng khác nhau. Trước hết khi tăng số vòng quay thì zξ giảm vì qúa trình cháy rớt sẽ phát triển. Việc phân hủy sản phẩm cháy tăng thì zξ giảm. Thông thường trong động cơ diesel do nhiệt độ cháy không cao lắm nên giá trị này tương đối nhỏ. Thành phần khí hỗn hợp hay hệ số dư lượng không khí α cũng có ảnh hưởng đến zξ . Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 37 Tốc độ cháy nhiên liệu, góc phun sớm, sẽ làm cho qúa trình cháy thay đổi. Qúa trình cháy càng muộn, tốc độ cháy chậm sẽ làm cho cháy rớt phát triển dẫn đến giảm zξ . 2.4 Qúa trình giãn nở. 2.4.1 Diễn biến của qúa trình giãn nở Việc giãn nở sản phẩm cháy trong xy lanh động cơ diễn ra khi piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Trong các qúa trình của một chu trình công tác chỉ có qúa trình này sinh công. Trong tính toán chu trình công tác, đoạn Z1Z được xem là áp suất không đổi, bởi vì mặc dù piston chuyển động xuống, thể tích xy lanh của động cơ tăng lên nhưng do nhiên liệu vẫn còn cháy mãnh liệt nên cho phép duy trì áp suất không đổi trong xy lanh động cơ. Tuy nhiên khi miêu tả các qúa trình nhiệt động của động cơ đốt trong, chúng ta giả định rằng qúa trình giãn nở bắt đầu từ điểm z và kết thúc ở điểm b trên đồ thị công chỉ thị. Trong thực tế, qúa trình giãn nở kết thúc khi mở các cửa (trong động cơ 2 kỳ) hay là các xu páp xả (trong động cơ 4 kỳ). Hình 2.4 Diễn biến qúa trình giãn nở Nghiên cứu chu trình thực tế của động cơ đốt trong có thể nhận thấy rằng qúa trình giãn nở là một qúa trình đa biến phức tạp với chỉ số giãn nở đa biến n2’ luôn luôn thay đổi. Ở đầu qúa trình giãn nở, do nhiên liệu còn tiếp tục cháy Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 38 nên chất khí trong xy lanh nhận nhiệt (dQ > 0) nên chỉ số giãn nở đa biến n2’ nhỏ hơn k và nằm trong khoảng 1,1 ÷ 1,2 (hình 2.4). Do sự chuyển động của piston xuống dưới nên bề mặt làm mát xy lanh tăng dần, trong khi đó, qúa trình cháy rớt giảm dần nên lượng nhiệt mà công chất hấp thụ được giảm theo, còn lượng nhiệt mà nó truyền cho nước làm mát tăng lên, do đó n2 tăng dần. Khi lượng nhiệt mà công chất hấp thụ được bằng lượng nhiệt mà nó truyền cho nước làm mát thì qúa trình giãn nở đoạn nhiệt xảy ra tức thời (dQ = 0), khi đó n2’ = k. Piston tiếp tục chuyển động xuống phía dưới, qúa trình cháy rớt giảm dần và kết thúc, bề mặt làm mát tăng dần đến giá trị lớn nhất. Do lượng nhiệt mà công chất truyền chu nước làm mát lớn hơn lượng nhiệt do nó hấp thụ, tức là môi chất mất nhiệt (dQ k. Điều này có thể được chứng minh qua phương trình: dT n knCdQ v .1 . ' 2 ' 2'' − −= Lưu ý rằng trong qúa trình giãn nở, dT < 0. Cuối qúa trình giãn nở, n2’ nằm trong khoảng 1,5 ÷ 1,6. Qua phân tích trên có thể thấy rằng giữa n2 và ξ có mối liên quan mật thiết với nhau. Khi ξ tăng n2 < k, khi có sự cân bằng về nhiệt tại đó ξ đạt giá trị lớn nhất thì n2’ = k. Tiếp theo ξ giảm thì n2’ tăng dần. Như vậy, n2’ chủ yếu phụ thuộc hệ số sử dụng nhiệt ξ. Trong chu trình công tác, khi nhiên liệu bắt đầu cháy ξ bắt đầu tăng nhưng có thể nó chưa đạt giá trị cực đại tại z mà sau điểm z (xem hình 3.4). Trường hợp đặc biệt ξ có thể đạt giá trị cực đại ngoài điểm b tức là trong ống xả. Khi ξmax càng gần điểm z hiệu suất nhiệt của chu trình càng tăng, do đó lượng nhiệt mất mát cho khí xả giảm. Giá trị ξb nằm trong khoảng 0,8 ÷ 0,9. Ngoài ξ, chỉ số giãn nở đa biến còn phụ thuộc vào các yếu tố khác đó là: các yếu tố khai thác và kết cấu. Tăng số vòng quay của động cơ qúa trình cháy rớt sẽ phát triển trên một đoạn dài của qúa trình giãn nở. Lượng nhiệt mà công chất hấp thụ trên đường giãn nở tăng còn lượng nhiệt mà nó truyền cho nước làm mát giảm xuống do thời gian trao đổi nhiệt ngắn lại, vì vậy n2’ giảm xuống. Nếu số vòng quay của động cơ không đổi, tăng phụ tải của động cơ đòi hỏi phải đưa thêm nhiên liệu vào xy lanh động cơ. Ngoài ra tăng qct sẽ làm cho hệ số dư lượng không khí α giảm, cháy rớt phát triển dẫn đến n2 giảm. Các yếu tố làm thay đổi tốc độ cháy và qúa trình cháy đều là những nguyên nhân làm cho n2’ thay đổi, chất lượng phun sương kém, loại nhiên liệu, hệ số dư lượng không khí α, v.vlà những nhân tố tác động trực tiếp đến qúa trình cháy và cũng là đến chỉ số giãn nở đa biến n2’. Các yếu tố về kết cấu cũng có ảnh hưởng đến chỉ số giãn nở đa biến n2. Tăng hành trình của piston S làm cho bề mặt làm mát tăng lên. Do vậy khả năng trao nhiệt của công chất cho thành vách xy lanh tăng lên dẫn đến n2’ tăng lên. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 39 22 n z n z b z b P V V PP δ= ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = Như vậy, giá trị n2’ là một giá trị biến đổi liên tục trên đường giãn nở và phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố. Trong tính toán, để xác định các thông số khí và công của qúa trình giãn nở người ta không dùng qúa trình giãn nở đa biến với chỉ số giãn nở đa biến biến đổi vì gặp rất nhiều khó khăn, mà thay bằng một qúa trình giả định, trong dó dùng chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2’. Giá trị n2 trung bình được xác định với giả thiết là công của qúa trình giãn nở khi n2’ biến đổi bằng công trong qúa trình giãn nở giả định với n2 không đổi. Giá trị bình quân của chỉ số giãn nở đa biến được ký hiệu là n2 và có các giá trị nằm trong khoảng sau: Động cơ cao tốc không làm mát đỉnh piston n2 = 1,15 ÷ 1,25. Động cơ thấp tốc công suất trung bình không làm mát đỉnh piston n2 = 1,25 ÷ 1,28; Động cơ thấp tốc công suất lớn có làm mát đỉnh piston n2 = 1,27 ÷ 1,32. 2.4.2 Các thông số của qúa trình giãn nở: Áp suất cuối kỳ giãn nở Pb Áp suất cuối kỳ giãn nở được xác định từ phương trình đặc trưng: ConstVP n =2. Tức là: 22 .. nbb n zz VPVP = Do đó: Trong đó: b a z z v v v v δ = = là tỷ số giãn nở sau. Giá trị Pb của các động cơ diesel nằm trong khoảng 3,5 ÷ 8 kG/cm2 Nhiệt độ cuối qúa trình giãn nở Tb Viết phương trình trạng thái cho chất khí tại điểm z và điểm b, coi số lượng mol khí ở điểm z và điểm b là bằng nhau, ta có: . .848.z z zp V M T= và bbb TMVP .848.. = Chia hai phương trình trên cho nhau ta được: . . z z z b b b p v T p v T = Suy ra: 2 . 1. . . . b b b z z n z z p vT T T p v δδ= = Vậy: 2 1 1.b z nT T δ −= (2.42) Giá trị nhiệt độ Tb nằm trong khoảng 900 ÷ 1200oK. Nếu nhiệt độ Tb qúa cao có thể gây ra cháy supáp xả cũng như xécmăng của động cơ. Để giảm Tb xuống thấp trong trường hợp Tz không đổi phải tăng thể tích Vs của xy lanh công tác. Điều này đã được giải quyết trong những động cơ hiện đại có hành Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 40 babbb TMTMVP .848...848.. β== zazzz TMTMVP .848...848.. β== trình siêu dài. Mặt khác hiện nay các động cơ diesel tàu thủy có trang bị các thiết bị tận dụng nhiệt khí xả, nên giảm thấp Tb hơn nữa là không cần thiết. Tỷ số giãn nở sau δ Từ công thức c a V V=ε ; do Va = Vb nên: c c z b V V V V . . ρ εδ == Vậy: εδ ρ= (2.43) Từ các công thức (2.41); (2.42); (2.43) chúng ta thấy rằng khi tăng chỉ số giãn nở sau δ làm cho Pb, Tb giảm. Trong thực tế tăng δ tức giảm qúa trình cháy rớt nhiên liệu trên đường giãn nở, tính kinh tế của động cơ tăng. 2.4.3 Tính chỉ số giãn nở đa biến n2 Việc xác định chỉ số giãn nở đa biến n2 trung bình dựa trên phương trình nhiệt động I. Phương trình định luật nhiệt động I viết cho qúa trình giãn nở có dạng sau: zbzbzb LAUQ .+Δ=Δ (2.44) trong đó: ZbQΔ : lượng nhiệt truyền cho công chất trong qúa trình giãn nở; ZbUΔ : biến thiên nội năng của chất khí trong qúa trình giãn nở; . ZbA L : lượng nhiệt tương đương với công chất khí thực hiện trên đường giãn nở. Trong qúa trình giãn nở đồng thời với việc cấp nhiệt cho công chất do sự cháy rớt nhiên liệu là sự thải nhiệt ngoài thành vách xy lanh cho nước làm mát. Giả sử có 1kg nhiên liệu cháy tham gia vào trong chu trình có nhiệt trụ thấp là QH. Khi đó ZbQΔ có thể tính như sau: ( )zbHzb QQ ξξ −=Δ . (2.45) Giá trị thay đổi nội năng được tính như sau: zvzbvbzbzb TCMTCMUUU .... '''' −=−=Δ Trong đó Mb, Mz là số mol khí cháy tại b và z. Coi Mb = Mz = M Khi đó: ". ( )Zb v b zU M C T T= − (2.46) Thay . (1 )a rM M Lβ β γ= = + và " ( )v Z bC a b T T= + + vào (2.46) ta được [ ]. (1 ).( ). ( )Zb r Z b z bU L T T a b T Tβ γΔ = − + − + + (2.47) Lượng nhiệt biến thành công trên đường giãn nở được tính như sau: ( )bbzzzb VPVPn ALA ... 1 . 2 −−= Với chú ý là: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 41 ( ) ( ) 510. 60.186;6,4.189,4 α α α α −+=−+= ba Khi đó ta có: 2 1,99. . . .(1 ).( ) 1Zb r z b A L L T T n β γ= + −− (2.48) Thay (2.47); (2.48) vào (2.44) và so sánh với (2.45) ta có: ( ) ( )( ) ( )[ ] ( )( )bzrbzbzrzbH TTLnTTbaTTLQ −+−+++−+−=− .1...1 99,1...1... 2 γβγβξξ Từ đó: ( ) ( )( ) ( )[ ] ( )( )bzrbzbzrzbH TTLnTTbaTTLQ −+−=++−++− .1...1 99,1...1... 2 γβγβξξ Cuối cùng: ( ) ( )( ) ( )bzbzr zbH TTba TTL Qn +++−+ −=− . .1.. . 99,112 γβ ξξ Thay: 2 1 z b n TT δ −= và L = α.L0 rồi đặt: ( ) . .(1 ) H b Z r Q A L ξ ξ β γ − =+ ta được: 2 2 2 1 1 1,991 1. (1 )1(1 ) z n z n n A a bT T δδ − − − = + + + − (2.49) Trong công thức trên a, b là các hệ số tính toán nhiệt dung riêng đẳng tích của sản phẩm cháy: Việc giải phương trình (2.49) được thực hiện bằng phương pháp chọn gần đúng dần: chọn n2 một giá trị thay vào hai vế phải của phương trình (2.49). Nếu sau khi chọn n2 và thay vào phương trình mà hai vế của phương trình cân bằng thì giá trị ta chọn là chỉ số giãn nở đa biến bình quân n2 cần tìm. Phân tích phương trình (2.49) chúng ta thấy rằng: khi qúa trình cháy rớt càng phát triển thì Zξ càng giảm đi và do vậy b Zξ ξ− tăng, do đó n2 giảm xuống. Kết qủa dẫn đến làm tăng Pb, Tb, nhiệt mất mát cho khí xả và nước làm mát tăng lên làm giảm hiệu suất có ích của động cơ. Khi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình không đổi, giảm lượng nhiên liệu cháy rớt trên đường giãn nở tức là tăng lượng nhiên liệu cháy trên đoạn CZ1Z điều này làm cho hiệu suất có ích của động cơ tăng lên. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 42 Câu hỏi ôn tập chương: 1. Cho bieát aûnh höôûng cuûa vieäc taêng söùc caûn treân ñöôøng naïp vaø phaûn aùp treân ñöôøng oáng xaû? 2. Taïi sao khi cheá taïo ñöôøng naïp vaø xaû coù khuynh höôùng caøng lôùn caøng toát? 3. Vieát phöông trình chaùy taïi ñieåm Z vaø phaân tích caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán Tz? 4. Trình baøy dieãn bieán quaù trình neùn, caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán chæ soá neùn ña bieán trung bình n1? 5. Trình baøy caùc giai ñoaïn cuûa quaù trình chaùy, theá naøo laø chaùy rôùt, taïi sao noùi khi chaùy rôùt taêng thì hieäu suaát nhieät cuûa ñoäng cô giaûm? 6. Trình baøy dieãn bieán quaù trình giaõn nôû, caùc yeáu toá aûnh höôûûng ñeán chæ soá giaõn nôû ña bieán trung bình n2.? 7. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình chaùy, taïi sao phaûi haâm saáy ñoäng cô truôùc khi khôûi ñoäng? 8. Vieát phöông trình chaùy (phöông trình caân baèng nhieät taïi ñieåm z), giaûi thích caùc thoâng soá. 9. Giai ñoaïn chaùy rôùt laø gì? aûnh höôûng cuûa giai ñoaïn naøy ñeán tính kinh teá cuûa ñoäng cô, caùc bieän phaùp haïn cheá? 10. Trình baøy veà quaù trình neùn, caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa quaù trình neùn? 11. Trình baøy veà quaù trình naïp cuûa ñoäng cô, caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán heä soá naïp η n, caùc thoâng soá ñaëc tröng cho quaù trình naïp? 12. Heä soá khí soùt laø gì? AÛnh höôûûng cuûa noù ñoái vôùi quaù trình laøm vieäc cuûa ñoäng cô? 13. Trình baøy dieãn bieán quaù trình neùn, caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán chæ soá neùn ña bieán trung bình n1, YÙ nghóa cuûa vieäc taêng, giaûm n1? 14. Khái niệm về hệ số dư lượng không khí α ? Làm thế nào để có thể cải thiện nó trong khai thác động cơ Diesel? Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 43 CHƯƠNG 3 QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ TẠO HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 3.1 Giai đoạn của quá trình cháy Quá trình cháy trong động cơ Diesel thực chất là quá trình ôxy hoá các thành phần hóa học có trong nhiên liệu kèm theo sự tỏa nhiệt mãnh liệt. Quá trình cháy bao gồm hàng loạt các biến đổi về lý hóa, cái nọ kế tiếp cái kia và kéo dài cho đến cả sau khi hỗn hợp đã bốc cháy. Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xy lanh động cơ dưới dạng sương, nhờ nhiệt độ cao trong xy lanh, các hạt nhiên liệu sẽ nhanh chóng bay hơi kèm theo những biến đổi về vật lý, hình thành khí hỗn hợp và chuẩn bị cho nó bốc cháy. Quá trình này chiếm một khoảng thời gian nhất định và được gọi là thời gian chuẩn bị cháy, ký hiệu là iτ (giây), tương ứng với một khoảng góc quay iϕ (độ) của trục khuỷu. Hình 3.1 Diễn biến quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh Quá trình cháy trong động cơ Diesel bao gồm nhiều quá trình trung gian kế tiếp nhau nhưng để cho việc nghiên cứu được dễ dàng, người ta chia quá trình cháy thành 4 giai đoạn trên cơ sở căn cứ vào bản chất các quá trình xảy ra trong xy lanh động cơ. 3.1.1 Giai đoạn chuẩn bị cháy Giai đoạn chuẩn bị cháy được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc nhiên liệu bắt đầu phun vào xy lanh động cơ (điểm b hình 3.1) đến khi áp suất trong xy lanh động cơ bắt đầu tăng đột ngột, tức là đường cong áp suất biểu thị quá trình cháy tách khỏi đường cong nén (điểm a). Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 44 Giai đoạn này trong xy lanh động cơ diễn ra hàng loạt các quá trình phức tạp: sấy nóng nhiên liệu, bay hơi, phân hủy các phần tử có liên kết dài thành các phần tử có liên kết ngắn, ôxy hóa. Nhiên liệu đưa vào trong xy lanh động cơ ở giai đoạn thứ nhất chiếm 30% ÷ 40% lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình. Giai đoạn này được đặc trưng bằng thời gian chuẩn bị cháy iτ (giây) hay góc chuẩn bị cháy iϕ (độ góc quay trục khuỷu). Giữa thời gian chuẩn bị cháy và góc chuẩn bị cháy có quan hệ với nhau theo công thức: 6. i i n ϕτ = (s) Trong đó: n là vòng quay động cơ (vòng/ phút) Trong các độngcơ diesel: iτ = 0,005 ÷ 0,001 (giây), còn iϕ biến thiên từ 3 ÷ 50 (ogqtk) Thời gian iτ càng dài, lượng nhiên liệu tích lũy trong giai đoạn này càng lớn, nó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính quá trình cháy. Đặc biệt trong các động cơ cao tốc, lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này khá cao. Cá biệt có những động cơ lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này bằng 100% lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình (qct). 3.1.2 Giai đoạn tăng áp suất Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nổ, được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc bắt đầu sự bốc cháy nhiên liệu (điểm a) đến thời điểm áp suất trong xy lanh động cơ đạt giá trị lớn nhất (điểm z1). Ở giai đoạn này, tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu rất lớn, đồng thời áp suất chất khí trong xy lanh động cơ cũng tăng lên một cách đáng kể. Để đánh giá chất lượng và mức độ cháy mãnh liệt của giai đoạn này, người ta dùng hai thông số là: Tốc độ tăng áp suất trung bình: ϕd dpW = => max max dp d ω ϕ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠ (3.1) Hoặc tốc độ tăng áp suất trung bình: cz cz tb pppW ϕϕϕ − −=Δ Δ= (3.2) Hai thông số trên đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy của động cơ. Trị số W, Wtb lớn, động cơ làm việc cứng có tiếng gõ. Khi tốc độ tăng áp suất qúa cao có thể dẫn đến hư hỏng bệ đỡ, trục khuỷu của động cơ và các chi tiết khác. Khi động cơ làm việc bình thường, giá trị của W nằm trong khoảng 1 ÷ 6 (kG/ cm2. độ góc quay trục khuỷu). (tốt nhất là 4 ÷ 6 kG/ cm2) Sở dĩ trong giai đoạn này có sự tỏa nhiệt mạnh là vì phần nhiên liệu phun vào trong giai đoạn chuẩn bị cháy đã bắt đầu bốc cháy. Nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn này chiếm khoảng 1/3 số nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 45 3.1.3 Giai đoạn tăng nhiệt độ Giai đoạn này được tính từ lúc áp suất trong xy lanh động cơ đạt giá trị cực đại (điểm z1) đến khi nhiệt độ chất khí trong xy lanh động cơ đạt giá trị cực đại (điểm z). Trong giai đoạn này, việc cung cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ cơ bản là chấm dứt. Cường độ tỏa nhiệt ở giai đoạn này bắt đầu giảm xuống do nồng độ oxy giảm. Ở đầu giai đoạn này, mặc dù piston đã đi xuống, thể tích xy lanh tăng dần nhưng do nhiên liệu còn tiếp tục cháy mãnh liệt nên áp suất trong xy lanh động cơ thay đổi không lớn lắm. Đây là giai đoạn phát nhiệt chủ yếu, nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn này chiếm khoảng 40% ÷ 50% toàn bộ nhiệt lượng do nhiên liệu cháy. Sự thay đổi áp suất trong xy lanh động cơ ở giai đoạn này phụ thuộc vào mối tương quan giữa tốc độ cấp nhiên liệu và việc tăng thể tích của xy lanh công tác. Mặc dù qúa trình cấp nhiên liệu thường kết thúc ở đầu giai đoạn này nhưng qúa trình cháy có thể còn tiếp diễn sau điểm z vì qúa trình cháy đã bị chậm lại do số lượng ôxy tự do trong xy lanh động cơ giảm xuống. 3.1.4 Giai đoạn cháy rớt Giai đoạn này tương ứng với thời kỳ cháy rớt của nhiên liệu, được tính từ lúc nhiệt độ chất khí trong xy lanh động cơ đạt giá trị cực đại đến khi kết thúc qúa trình cháy nhiên liệu (điểm z’). Trong giai đoạn này, tốc độ tỏa nhiệt giảm và tốc độ cháy nhiên liệu diễn ra chậm. Trong tất cả các độngcơ diesel hầu như đều tồn tại giai đoạn cháy rớt này. Do tốc độ quay cao, các động cơ cao tốc có qúa trình cháy rớt dài sẽ làm cho tổn thất nhiệt khí xả tăng, tính kinh tế của động cơ giảm xuống, làm xấu đi chế độ nhiệt của các chi tiết, đặc biệt là nhóm piston và cơ cấu phân phối khí. Giảm hệ số dư lượng không khí α (đặc biệt ở chế độ qúa tải), giảm góc phun sớm, chất lượng phun nhiên liệu kém, thay đổi loại nhiên liệu sử dụng, tăng số vòng quay và hàng loạt các yếu tố khác thay dổi là nguyên nhân làm cho qúa trình cháy rớt phát triển. Để rút ngắn thời gian cháy rớt cần đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp, tăng hệ số dư lượng không khí α và rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu ở giai đoạn 3. 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn của qúa trình cháy 3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy Thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy rất ngắn iτ = 0,005 ÷ 0,001 (giây). Thời gian chuẩn bị cháy và quy luật cấp nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp trong thời gian chuẩn bị cháy có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tăng áp suất và độ cứng của động cơ làm việc êm, tránh được các hư hỏng do ứng suất cơ gây ra. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy bao gồm các yếu tố hóa học, các yếu tố vật lý, các yếu tố cấu tạo và các yếu tố về khai thác. Các yếu tố về hóa học bao gồm thành phần, tính chất và cấu trúc của nhiên liệu, nồng độ ôxy trong buồng đốt, lượng khí sót còn sót lại từ chu trình trước và các chất phụ gia kích thích qúa trình cháy khi pha thêm vào nhiên liệu. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 46 Trong các yếu tố về hóa học thì thành phần và tính chất của nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Trị số xêtan của nhiên liệu sử dụng càng lớn càng rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy và do vậy tốc độ tăng áp suất sẽ giản đi. Tăng nồng dộ ôxy, giảm lượng khí sót trong buồng đốt hay pha thêm các chất phụ gia kích thích qúa trình cháy vào trong nhiên liệu đều có thể làm rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy. Ảnh hưởng của loại nhiên liệu sử dụng đến qúa trình cháy trong xy lanh động cơ được chỉ ra trên hình 3.2. Hình 3.2 Ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến qúa trình cháy trong xy lanh động cơ (từ 4 đến 5 ứng với sự giảm dần của TSXT có trong nhiên liệu). Các yếu tố vật lý bao gồm áp suất, nhiệt độ cuối qúa trình nén và mật độ không khí trong buồng đốt. Trong các yếu tố vật lý thì áp suất và nhiệt độ cuối kỳ nén có ảnh hưởng nhiều nhất đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Tăng áp suất và nhiệt độ cuối qúa trình nén sẽ rút ngắn được iτ . Tuy nhiên, người ta cũng chứng tỏ được rằng khi nhiệt độ cuối kỳ nén nhỏ hơn 400oC thì ảnh hưởng của Tc đến iτ mới thấy rõ. Còn khi Tc lớn hơn 400oC thì ảnh hưởng của nó đến thời gian chuẩn bị cháy là không đáng kể. Các yếu tố kết cấu bao gồm tỷ số nén, kết cấu buồng cháy, số vòng quay động cơ, góc phun sớm nhiên liệu, tính dẫn nhiệt của piston, xy lanh, cường độ làm mát piston là các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến thông số cuối kỳ nén và chất lượng hòa trộn của hỗn hợp. Tăng ε sẽ làm cho thông số cuối kỳ nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuẩn bị cháy nhiên liệu. Đối với động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau thì ảnh hưởng của tỷ số nén đến thời gian chuẩn bị cháy cũng khác nhau. Tăng số vòng quay của động cơ làm cho thời gian chuẩn bị cháy iτ giảm xuống còn góc tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy iϕ ngược lại lại tăng lên. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 47 Ảnh hưởng của tỷ số nén ε và số vòng quay động cơ đến thời gian chuẩn bị cháy được thể hiện trên hình 3-3. Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỷ số nén ε và tốc độ quay đến góc chuẩn bị cháy iϕ (ogqtk) 1. TSXT = 40 2. TSXT = 60 Còn ảnh hưởng của góc phun sớm được giải thích như sau: mỗi động cơ, khi làm việc ở tốc độ quay định mức đều có một góc phun sớm có lợi nhất gọi là góc phun sớm tối ưu. Tăng góc phun sớm lớn hơn góc phun sớm tối ưu tức là nhiên liệu được phun vào trong xy lanh động cơ khi nhiệt độ và áp suất trong xy lanh còn thấp dẫn đến thời gian chuẩn bị cháy qúa lớn sẽ làm cho qúa trình cháy cứng, ứng suất cơ tăng. Còn giảm góc phun sớm so với góc phun sớm tối ưu sẽ làm cho qúa trình cháy rớt phát triển, tính kinh tế của động cơ giảm xuống. Chất lượng tạo hỗn hợp sẽ làm thay đổi qúa trình ôxy hóa các hạt nhiên liệu trong thời gian chuẩn bị cháy và do đó thời gian chuẩn bị cháy sẽ dài ra hay ngắn đi. Chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng phun sương nhiên liệu và chuyển động xoáy lốc của dòng không khí cuối kỳ nén. Động cơ có buồng cháy xoáy lốc có khả năng tạo hỗn hợp tốt hơn động cơ có buồng cháy thống nhất. Vật liệu chế tạo piston cũng có ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chuẩn bị cháy, đặc biệt là ở chế độ khởi động. Những động cơ có piston chế tạo bằng nhôm khi ở chế độ khởi động sẽ khó khởi động hơn hoặc dễ bị nhảy van an toàn do thời gian chuẩn bị cháy kéo dài. Ở những động cơ này, thời gian chuẩn bị cháy bị kéo dài chủ yếu do khả năng truyền nhiệt tốt của piston và khe hở giữa piston và xy lanh lớn do hệ số giãn nở nhiệt lớn, điều này làm giảm chỉ số nén đa biến và dẫn đến làm giảm áp suất và nhiệt độ cuối kỳ nén. Các yếu tố về khai thác bao gồm các điều kiện về môi trường như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm không khí môi trường, nhiệt độ nước làm mát, phụ tải và trạng Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 48 thái nhiệt của động cơ. Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các thông số vật lý, hóa học và do đó ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy trong xy lanh động cơ. 3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của qúa trình cháy Giai đoạn 2 tức là giai đoạn cháy nổ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chuẩn bị cháy. Trong cùng một điều kiện khai thác, khi rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy iτ sẽ làm cho tốc độ tăng áp suất dpdϕ và áp suất cháy lớn nhất Pz giảm xuống, động cơ làm việc êm, nhẹ nhàng hơn. Ngoài yếu tố iτ thì lượng nhiên liệu cấp vào trong thời gian chuẩn bị cháy qi cũng là yếu tố đáng kể ảnh hưởng đến sự thay đổi Pz và dp dϕ . Vì vậy: ( )ii qfd dP ,τϕ = Thay đổi quy luật cấp nhiên liệu sẽ làm qi thay đổi, vì vậy trong những động cơ diesel tàu thủy hiện đại, người ta chế tạo cam nhiên liệu có biên dạng thay đổi nhằm thay đổi vận tốc của piston bơm cao áp. Áp suất phun nhiên liệu ở giai đoạn đầu của những bơm cao áp loại này có thể nhỏ hơn 2-3 lần so với giai đoạn cuối cấp (Hình 3-4). Giai đoạn cháy thứ 3 là giai đoạn cháy khi piston đã đi từ ĐCT xuống ĐCD. Thời gian của giai đoạn 3 phụ thuộc vào thời gian của giai đoạn 1, giai đoạn 2 và góc cấp nhiên liệu toàn bộ. Thay đổi góc cấp nhiên liệu toàn bộ sẽ làm cho thời gian của giai đoạn 3 thay đổi. Khi góc cấp nhiên liệu toàn bộ không đổi việc kéo dài hay rút ngắn thời gian của giai đoạn 1 sẽ làm thay đổi giai đoạn 3. Hình 3-4 Ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu tới qúa trình cháy Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 49 1: Biên dạng cam nhiên liệu dốc (qi lớn). 2: Biên dạng cam nhiên liệu thoải (qi nhỏ). Có thể dùng thông số sau để phân tích đường cong của qúa trình cháy đó là: 1 i tb y ϕϕ= − (3-5) Ở đây: iϕ : là góc quay trục khuỷu tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy. tbϕ : là góc cấp nhiên liệu toàn bộ. Thông số trên còn được gọi là tiêu chuẩn khống chế qúa trình do D.Travropski đưa ra. Từ (3-5) có thể nhận thấy: Khi iϕ = tbϕ → y = 0 trường hợp này iϕ = tbϕ , qúa trình cháy diễn ra không khống chế được. Khi y tăng dần đến 1 tức là iϕ giản dần dến 0, việc khống chế qúa trình cháy tăng lên.Khi y = 1 ( iϕ = 0) qúa trình cháy khống chế được hoàn toàn. Thực tế điều này không thể xảy ra được với các động cơ diesel. Khi y < 0 thời gian chuẩn bị cháy dài hơn thời gian cấp nhiên liệu toàn bộ. Trong thực tế, trường hợp này có thể xảy ra trong qúa trình khởi động động cơ diesel ở trạng thái nguội lạnh. Khi iϕ giảm xuống, y tăng lên, qúa trình cháy tiến dần đến qúa trình cháy nhanh, hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng và đồng thời các thông số động của chu trình cũng tăng theo. Các động cơ diesel tàu thủy công suất lớn, giá trị của y nằm trong khoảng 0,55 ÷ 0,80. Giai đoạn 4 của qúa trình cháy là hậu qủa của tất cả các giai đoạn trước. Càng rút ngắn được thời gian của giai đoạn 4 thì tính kinh tế của động cơ càng tăng, trạng thái nhiệt của các chi tiết nhóm piston xy lanh càng đảm bảo. Giảm tốc độ quay của động cơ, tăng hệ số dư lượng không khí α hoặc cải thiện chất lượng phun sương và tạo hỗn hợp là những biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt này. Tuy nhiên giai đoạn 4 này vẫn tồn tại trong tất cả các động cơ diesel. 3.3 Qúa trình tạo hỗn hợp Qúa trình hình thành khí hỗn hợp trong động cơ Diesel được diễn ra ngay trong buồng đốt của động cơ. Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xy lanh động cơ dưới dạng các hạt sương mịn, có kích thước nhỏ và đồng đều, đồng thời các hạt nhiên liệu cần phải được phân bố đều trong toàn bộ thể tích buồn cháy. Mỗi tia nhiên liệu cần đảm bảo độ xa xác định để xuyên qua không khí nén tới gần bề mặt của buồng cháy và đồng thời không đọng lên các bề mặt của buồng cháy. Các chùm tia nhiên liệu phải có hình dạng, hướng và số lượng các tia phù hợp với hình dạng và thể tích buồng cháy. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 50 3.3.1 Tia nhiên liệu Sự phân hủy tia nhiên liệu thành những hạt sương nhỏ trong buồng cháy phụ thuộc vào các yếu tố như sức cản khí động của không khí trong buồng đốt, sức kéo bề mặt của tia nhiên liệu, lực hấp dẫn của nhiên liệu và nội lực xuất hiện khi nhiên liệu cháy. Sức cản khí động của không khí phụ thuộc vào vận tốc tương đối của nhiên liệu và không khí, đồng thời vào mật độ của không khí. Lực cản của môi trường cố tách các phần tử nhiên liệu nằm trên bề mặt tia ở mọi phía, còn các lực kéo bề mặt và lực hấp dẫn bên trong của nhiên liệu đối kháng với lực cản của không khí nhằm giữ cho tia nhiên liệu được nguyên vẹn. Sự kích động ban... Thiết bị và dụng cụ đo, chỉ báo thường dùng là nhiệt kế đo nhiệt độ vào và ra của không khí và nước. Thiết bị đo sức cản bằng độ chênh lệch cột áp lối vào Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 96 và lối ra của bầu làm mát. Độ chênh quy định đối với bầu làm mát không khí tăng áp thường trong khoảng 20 ÷ 25 cm cột nước. 6.7 Kết cấu tổ hợp tuabin khí máy nén tăng áp diesel tàu thuỷ 6.7.1 Nguyên lý hoạt động Tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp được chế tạo nhằm mục đích sử dụng năng lượng của khí xả để lai máy nén cung cấp không khí nạp với áp suất cao cho động cơ. Trên hình (6.8) mô tả nguyên lý hoạt động của tổ hợp tua bin khí máy nén. Khí xả động cơ disel được cấp vào tua bin theo đường khí xả vào (exhaust gas in), sau khi qua cụm ống phun được biến đổi năng lượng thành động năng, thổi vào cánh tua bin để quay rotor tua bin (turbine rotor) rồi thoát ra ngoài qua đường dẫn khí thoát (exhaust gas out). Cánh máy nén được gắn đồng trục với rotor tua bin, khi quay sẽ hút không khí qua phin lọc trên đường vào (air in), qua bộ cánh máy nén (compressor), không khí được đẩy vào buồng nén kiểu ống xoắn tăng áp (compressed air out). Đường khí xả thoát ra khỏi tổ hợp tua bin máy nén được nối với đường ống xả ra ngoài, đường không khí nén được nối với ống nạp động cơ diesel. Rotor tua bin được quay trên hai ổ đỡ kiểu vòng bi hoặc bạc. Hình 6.8 Nguyên lý hoạt động tổ hợp tua bin khí máy nén 6.7.2 Kết cấu tua bin khí máy nén Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 97 Kết cấu tổ hợp tua bin khí máy nén dùng cho tăng áp động cơ diesel tàu thuỷ (hình 6.9) có thể chia thành các phần: thân tua bin (bao gồm thân phía tua bin, thân phía máy nén và thân giữa), roto có gắn trên đó cánh tua bin và cánh máy nén, thiết bị tăng hiệu suất công tác (phía khí xả: bộ biến đổi xung, ống phun; phía máy nén: cánh hướng không khí vào, ống khuyếch tán, khoang khuyếch tán), bạc đỡ hoặc vòng bi, thiết bị làm kín, thiết bị giảm chấn, thiết bị bôi trơn, Trong một số tua bin khí máy nén, thiết bị bị tăng hiệu suất công tác còn có thể tự động điều chỉnh được. 1. Thân tua bin. Thân tua bin có 3 phần: Thân tua bin 7 bao gồm: đường nhận khí xả, đưa khí xả đến cụm ống phun để biến đổi năng lượng thành động năng trên cụm ống phun 6 trước khi vào bánh cánh công tác 5 gắn trên trục roto tua bin. Thân tua bin còn chứa cụm ổ đỡ kiểu vòng bi 2 (hoặc bạc) đầu trục rotor phía tua bin. Khoang trong của cụm ổ đỡ còn là nơi chứa ( hoặc góp) dầu bôi trơn. - Thân phía máy nén cũng bao gồm đường vào và ra của không khí nén trong đó cụm cánh khuyếch tán biến đổi động năng thành áp năng trước khi đưa vào ống xoắn tăng áp 4. Thân máy nén cũng có khoang chứa cụm ổ đỡ kiểu vòng bi 2 (hoặc bạc) đầu trục rotor phía máy nén và là nơi chứa hoặc gom dầu bôi trơn. - Thân giữa, là đường thoát khí xả, còn là chân bệ và là thân trung gian liên kết các phần tua bin và thân máy nén thành một khối. Thân giữa còn là nơi đặt vách ngăn trung gian nhằm phân biệt và cách nhiệt giữa không khí và khí xả. Các phần thân giữa và thân tua bin chịu nhiệt độ cao của khí xả do đó, thường có các khoang làm mát với công chất là nước làm mát của động cơ. Hình 6.9 Kết cấu tua bin khí máy nén Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 98 2. Rotor Rotor tua bin là phần quay, có gắn các bánh cánh tua bin 5 và cánh máy nén 3. Trên cả hai đầu rotor và bánh cánh máy nén có gắn các vành thép mỏng để tạo bộ làm kín kiểu khuất khúc, trong đó thiết bị : - Bộ làm kín tua bin có mục đích làm kín khoang dầu bôi trơn với khí xả. - Bộ làm kín phía máy nén có mục đích làm kín khoang dầu bôi trơn với khu vực không khí nén. - Trên cánh máy nén (phía tua bin) tạo với vách ngăn trung gian bộ làm kín, nhằm mục đích tăng cường làm kín, đặt trong thân giữa của tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp. 3. Thiết bị tăng hiệu suất công tác Các thiết bị làm tăng hiệu suất các quá trình công tác của tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp, bao gồm : - Thiết bị tăng hiệu suất công tác phía khí xả, bao gồm : bộ biến đổi xung và ống phun 6 (hình 6.9). Bộ biến đổi xung bố trí ngay trên hệ thống ống góp khí xả sau động cơ diesel. Tuỳ thuộc vào đặc điểm hệ thống tăng áp, bộ biến đổi xung có thể là bộ tạo xung động năng (tăng áp xung) hoặc bộ tích trữ thế năng (tăng áp đẳng áp). Cụm ống phun đặt sau hệ thống ống góp khí xả, ngay trước cánh công tác của rotor tua bin, nhằm mục đích biến đổi thế và nhiệt năng khí xả thành động năng thổi vào cánh công tác của tua bin. - Thiết bị tăng hiệu suất công tác phía không khí, bao gồm: cánh hướng dòng không khí vào, ống khuyếch tán 4 (hình 6.9). Cánh hướng dòng không khí vào cánh máy nén, nhằm mục đích ổn định dòng chảy của không khí vào cánh máy nén. Cụm ống khuyếch tán cũng đặt trên thân máy nén, cùng với ống xoắn tăng áp, biến đổi động năng dòng không khí ra khỏi cánh máy nén thành áp năng. 4. Bạc đỡ, vòng bi và bộ giảm chấn Thiết bị làm giảm ma sát cơ khí khi rotor quay, chống dịch chuyển dọc trục, giảm rung động, bao gồm vòng bi (hoặc bạc) và bộ giảm chấn. - Bạc đỡ : bao gồm hai loại bạc đỡ và bạc chặn (hình 6.9) - Vòng bi : bao gồm hai loại bạc đỡ và bạc chặn (hình 6.9) - Bộ giảm chấn : các lá thép mỏng có thấm dầu đặt bao quanh vòng bi trong ổ đỡ. Bộ giảm chấn cho phép giảm các chấn động, bảo vệ vòng bi khỏi các hư hỏng do rung động gây nên. 5. Dầu bôi trơn Tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp có thể áp dụng các hình thức bôi trơn cho vòng bi (hoặc bạc), bao gồm: hệ thống độc lập với bơm độc lập, dùng khoang dầu với bơm dầu do rotor tua bin lai. - Hệ thống dầu bôi trơn độc lập bao gồm các két, các bơm dầu độc lập, các van và đường ống Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 99 - Dùng khoang dầu độc lập như hình 6.9, trong đó bố trí các bơm dầu đầu trục do chính rotor lai. - Một số loại tua bin tăng áp cỡ nhỏ có thể dùng chung dầu với hệ thống bôi trơn động cơ. 6.8 Khai thác tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp 6.8.1 Các thiết bị đo và chỉ báo. a. Nhiệt kế - Nhiệt kế đo nhiệt độ khí xả vào và ra tua bin. - Nhiệt kế đo nhiệt độ không khí sau máy nén, vào và ra sinh hàn khí tăng áp. - Nhiệt kế đo nhiệt độ nước làm mát vào và ra sinh hàn không khí tăng áp. b. Đồng hồ áp suất - Các áp kế đo áp suất không khí tăng áp. - Các áp kế đo áp suất dầu bôi trơn. - Các áp kế đo áp suất nước làm mát. c. Đo sức cản thuỷ lực - Thiết bị ống chữ U do độ chênh cột áp lối vào và ra của phin lọc không khí vào máy nén. - Thiết bị ống chữ U do độ chênh cột áp lối vào và lối ra của bầu làm mát không khí tăng áp. d. Đo vòng quay - Thiết bị đo vòng quay rotor tua bin. 6.8.2 Vận hành, khai thác tổ hợp diesel tua bin khí máy nén tăng áp. a. Chuẩn bị - Kiểm tra trạng thái sẵn sàng hoạt động. - Kiểm tra mức dầu trong hốc (loại VTR) hoặc trong két chứa và két trọng lực (loại MET). - Mở van xả đáy trong tua bin, trong hốc xả sinh hàn, trong ống nạp. - Kiểm tra các thiết bị đo, chỉ báo. b. Theo dõi hoạt động - Kiểm tra theo dõi các thông số, đặc biệt là vòng quay tua bin và áp suất tăng áp. Sự thay đổi các thông số phải phù hợp với sự thay đổi chế độ hoạt động của động cơ. - Kiểm tra, theo dõi sự bôi trơn trong tua bin khí máy nén. - Kiếm tra, theo dõi sự rung động, tiếng ồn của tua bin khí máy nén. - Nếu các thiết bị phụ trợ không hoạt động tự động thì cần phải đưa chúng vào hoạt động kịp thời. c. Ho máy nén và xử lý Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 100 Ho máy nén (như quen gọi là ho tua bin) có rất nhiều nguyên nhân: - Nguyên nhân tiềm ẩn là do chất lượng quá trình cháy trong các xy lanh của động cơ và tình trạng kỹ thuật của tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp. - Nguyên nhân trực tiếp do sóng gió làm thay đổi tải và vòng quay máy chính ở mức độ tương đối lớn khi thời tiết xấu. Khi vòng quay động cơ tăng, lưu lượng không khí nạp vào xy lanh tăng làm giảm áp suất đối áp trên máy nén. Trong khi đó, do quán tính của rotor, vòng quay máy nén giữ nguyên làm cho tốc độ dòng không khí qua máy nén tăng đột ngột. Lưu lượng gió tức thời tăng làm đặc tính sức cản tuyến nạp tăng lên. Ngay sau đó, vòng quay động cơ giảm xuống làm giảm lưu lượng của máy nén, đưa điểm làm việc của máy nén từ điểm D (vốn đã rất gần điểm giới hạn ho C) về điểm giới hạn ho C (hình 6.10). Tại điểm C, máy nén chưa ho. Tuy nhiên, nếu cường độ quá trình nói trên quá lớn, hệ thống không dừng ở điểm C mà chuyển tiếp vầ điểm B có lưu lượng âm, dòng không khí nạp đi ngược từ hệ thống nạp ra ngoài qua cánh máy nén. Điều này có thể xem như một sóng áp suất ngược từ ống góp không khí nạp ra môi trường. Theo đặc tính công tác của hệ thống, đặc tính sức cản giảm đột ngột làm tăng lưu lượng của máy nén (từ A về B). Do cường độ của quá trình, sự thay đổi lưu lượng và cột áp không dừng ở điểm B mà chuyển từ B về D. Sự thay đổi đột ngột của các yếu tố: cột áp từ dương sang âm, lưu lượng từ dương, bằng không rồi sang âm, dòng chảy vào, đứng yên rồi trào ngược ra ngoài máy nén làm máy nén và tổ hợp phát âm thanh dữ dội, rung động mạnh gọi là ho máy nén. Để chống ho, hãy xả bớt gió tăng áp, giảm tay ga, chạy quạt gió phụ, nếu có điều kiện hãy kiểm tra lại tổ hợp tua bin máy nén, vòi phun bơm cao áp, các xu páp Hình 6.10 Đặc tính làm việc của máy nén khi ho. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 101 Câu hỏi ôn tập chương: 1. Trình baøy treân ñoà thöùc troøn caùc goùc ñoä môû sôùm, ñoùng muoän cuûa xupaùp xaû, naïp, xupaùp khôûi ñoäng vaø goùc caáp nhieân lieäu ôû ñoäng cô boán kyø taêng aùp cao. 2. Trình baøy, veõ sô ñoà nguyeân lyù caùc kieåu queùt khí ñoäng cô Diesel hai kyø? 3. Caùc phöông phaùp taêng aùp cho ñoäng cô Diesel? 4. Caùc kieåu queùt khí söû duïng trong ñoäng cô diesel hai kyø. Trò soá thôøi gian tieát dieän laø gì? 5. Trình baøy caùc phöông phaùp veä sinh tua bin, maùy neùn khi ñoäng cô ñang hoaït ñoäng, caàn löu yù gì khi röûa tua bin baèng nöôùc? 6. Moâ taû coù hình veõ : - Moät heä thoáng tua bin taêng aùp xung. - Moät heä thoáng tua bin taêng aùp ñaúng aùp 7. Neâu aûnh höôûng cuûa taêng aùp tôùi caùc thoâng soá cuûa ñoäng cô. 8. Trình baøy hieän töôïng maát oån ñònh toå hôïp tua bin- maùy neùn, neâu nguyeân nhaân vaø bieän phaùp khaéc phuïc? 9. Trình baøy sơ đồ tua bin taêng aùp vaø neâu ñaëc ñieåm cuûa hai loaïi tua bin xung löïc vaø ñaúng aùp. 10. Neâu caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán khaû naêng taêng aùp cuûa heä thoáng taêng aùp? 11. So saùnh heä thoáng taêng aùp ñaúng aùp vaø xung aùp, caùch nhaän bieát thöïc teá treân ñoäng cô, öùng duïng trong thöïc teá? 12. Trình baøy sô ñoà taêng aùp hoãn hôïp song song thöôøng aùp duïng treân taøu thuyû? 13. Trình baøy sô ñoà taêng aùp hoãn hôïp nối tiếp thöôøng aùp duïng treân taøu thuyû? 14. Trình baøy caùc phöông phaùp taêng aùp cho ñoäng cô, ñaëc ñieåm taêng aùp trong ñoäng cô Diesel hai kyø? 15. Baûo döôõng toå hôïp tua bin - maùy neùn caàn laøm gì, caùc löu yù khi veä sinh TB- MN maø ñoäng cô ñang hoaït ñoäng? Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 102 CHUƠNG 7 CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 7.1 Tầm quan trọng của các đặc tính động cơ Đặc tính động cơ là mối quan hệ giữa các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ với các thông số công tác của nó. Có rất nhiều thông số đặc trưng cho chế độ công tác của động cơ nhưng người tăng áp thường chọn thông số độc lập làm biến số khi xây dựng đặc tính cho động cơ. Các thông số độc lập thường được chọn là vòng quay (n) và phụ tải. Đặc trưng cho phụ tải của động cơ là áp suất có ích bình quân pe. Ngoài ra còn có thể dùng chỉ số thanh răng bơm cao áp ha hoặc lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình để đặc trưng cho phụ tải của động cơ. Tùy theo cách lựa chọn biến số và điều kiện xây dựng, người tăng áp có được nhiều loại đặc tính khác nhau: đặc tính phụ tải, đặc tính tốc độ, đặc tính chân vịt, đặc tính điều chỉnh, đặc tính tổng hợp Dựa vào các đường đặc tính của động cơ đã được xây dựng, người tăng áp biết rằng quy luật thay đổi của các thông số, từ đó có thể tìm ra phương án khai thác động cơ một cách tối ưu để đạt được các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, tin cậy và an toàn khi điều kiện khai thác bên ngoài thay đổi, mặt khác còn làm cơ sở so sánh với các đặc tính khai thác hiện tại, phán đoán các hư hỏng có thể xảy ra trong quá trình khai thác động cơ, đưa ra được các biện pháp sữa chữa kịp thời khi sự cố. 7.2 Đặc tính phụ tải 7.2.1. Khái niệm Đặc tính phụ tải là đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa các thông số cơ bản của động cơ với phụ tải của động cơ khi tốc độ quay của trục khuỷu được duy trì không đổi. Đặc tính phụ tải được áp dụng cho những động cơ khi khai thác với tốc độ quay của động cơ được duy trì không đổi, như các động cơ lai máy phát điện hay động cơ lai chân vịt biến bước. 7.2.2. Quy luật biến thiên của các thông số cơ bản a. Công suất có ích Với áp suất có ích bình quân pe [kG/cm2], đường kính xy lanh và hành trình piston D và S [m], vòng quay n [v/p], số xy lanh i, số kỳ là m thì công suất có ích của động cơ Ne được tính theo công thức: m inSDpN ee .45,0 .....785,0 2= [mã lực] (7-1) Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 103 Với mỗi động cơ cụ thể, các thông số như đường kính xy lanh D, hành trình piston S, số xy lanh i, hệ số kỳ m đều không đổi, do đó, công suất có ích của động cơ có thể được viết: npkN ee ..= [mã lực] Vậy trong đặc tính phụ tải, mối quan hệ giữa công suất Ne và pe khi n = const sẽ là đường bậc nhất đi qua gốc toạ độ. (Hình 7-1) Công suất chi phí cho cơ giới của động cơ Nm khi vòng quay không đổi sẽ là một giá trị không đổi: Nm = A.nβ, với A, β, n không đổi nên Nm = const. Công suất chỉ thị Ni được xác định: mei NNN += (7-2) Vậy công suất chỉ thị trong đặc tính phụ tải là một đường bậc nhất không qua gốc toạ độ (khi pe = 0 nên Ni = Nm) Hình 7.1 Đặc tính phụ tải Hiệu suất cơ giới của động cơ được tính: i m m N N−=1η (7-3) Khi tăng tải, Ni tăng lên, còn Nm thì không đổi, do đó hiệu suất cơ giới cũng tăng lên. Hiệu suất chỉ thị của động cơ được tính: Hi i Qg . 3,632=η (7-4) Mà gi lại có quan hệ với pi như sau: iso sn i pTL p g ... . .4,318 α η= Do đó: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 104 i s s nH o i pP T Q L ... . .1986 αηη = (7-5) Ở mổi chế độ khai thác cụ thể, khi vòng quay không đổi, các tỷ số Lo/ηn, Ts/ps thay đổi không lớn lắm, do đó hiệu suất chỉ thị ηi chủ yếu phụ thuộc vào α và pi. Từ chế độ không tải, khi tăng dần phụ tải của động cơ (lượng nhiên liệu cung cấp chu chu trình tăng lên) sẽ làm cho hiệu suất chỉ thị ηi tăng lên. Điều này được lý giải do lượng nhiên liệu cung cấp còn quá ít nên hệ số dư lượng không khí α có giá trị tương đối lớn, do đó việc tăng nhiên liệu sẽ làm cho pi tăng lên nhanh hơn sự giảm đi của α, tức là α ảnh hưởng không nhiều tới ηi. Càng tăng phụ tải, đến một lúc nào đó sẽ làm cho α giảm đến giá tối ưu, khi đó ηi đạt giá trị cực đại. Sau đó, nếu tiếp tục tăng phụ tải sẽ làm cho hệ số dư lượng không khí α giảm nhiều hơn làm quá trình cháy càng kém đi dẫn tới việc tăng của pi ít hơn việc giảm của α. Kết qủa là hiệu suất chỉ thị ηi lại giảm đi. Như vậy, trong đặc tính phụ tải, hiệu suất chỉ thị là một đường cong có cực đại. Hiệu suất có ích của động cơ ηe được tính theo công thức: mie ηηη .= (7-6) Như trên đã phân tích, trong đặc tính phụ tải, hiệu suất chỉ thị ηi là một đường cong có cực đại, còn hiệu suất cơ giới ηm là một đường đồng biến. Do đó hiệu suất có ích cũng là một đường cong có cực đại. Trong đặc tính phụ tải giá trị của ηe thường đạt giá trị cực đại tại khoảng 60 ÷ 80% pe định mức. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị và có ích của động cơ được tính: Hi i Q g . 3,632 η= ; Hee Qg . 3,632 η= (7-7) Như vậy, sự biến thiên của suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge có quy luật ngược lại với hiệu suất chỉ thị ηi và hiệu suất có ích ηe, tức là suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị và có ích đều là những đường cong có cực tiểu. Trong đặc tính phụ tải giá trị của ge cũng đạt giá trị cực tiểu tại khoảng 60 ÷ 80% định mức. Quy luật biến thiên của các thông số chính trong đặc tính phụ tải được thể hiện trên hình 7-1. Đặc tính phụ tải của động cơ được đặc trưng bằng các chế độ: Chế độ không tải: pe = 0; ge = ∞ Chế độ kinh tế: ge đạt giá trị nhỏ nhất ge min Chế độ định mức: min⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ e e N g 7.3 Đặc tính ngoài 7.3.1 Khái niệm Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 105 Đặc tính ngoài của động cơ là mối quan hệ giữa các thông số cơ bản của động cơ: công suất, mômen, suất tiêu hao nhiên liệuvới tốc độ quay của động cơ, khi lượng nhiên liệu cung cấp chu chu trình không đổi. Từ khái niệm về đường đặc tính ngoài, thì ứng với mỗi vị trí tay ga sẽ có một đường đặc tính ngoài. Như vậy một động cơ sẽ có rất nhiều đường đặc tính ngoài, nhưng người ta chia đường đặc tính ngoài của động cơ thành năm loại đặc tính ngoài cơ bản sau: 1. Đặc tính ngoài giới hạn (đường 1) là đường đặc tính tương ứng với tay ga đặt ở vị trí lớn nhất, bị giới hạn bởi chốt giới hạn trên thanh răng bơm cao áp (ha = hmax). 2. Đặc tính ngoài nhả khói đen (đường 2) là đường đặc tính tương ứng với tay ga đặt ở vị trí mà tại đó khí xả bắt đầu có màu đen (ha > 100%). 3. Đặc tính định mức (đường 3) là đường đặc tính tương ứng với tay ga mà tại đó động cơ phát ra 100% công suất ( ha = 100%) 4. Đặc tính khai thác (đường 4) là đường đặc tính tương ứng với tay ga mà tại đó động cơ phát ra từ 80% ÷ 85% công suất. 5. Đặc tính bộ phận (đường 5) là các đường đặc tính nằm dưới các đường đặc tính trên. Các biểu thức dùng để phân tích các đặc tính ngoài là các công thức về công suất, mômen, áp suất có ích bình quân: in L QV m N mink o H se ....... .. .30 1 ηηηρα= (7-8) in L QV m M mink o H se ....... .. . 1 ηηηραπ= (7-9) inL Qp mink o H e ....... ηηηρα= (7-10) Hình 7.2 Các đường đặc tính của động cơ lai chân vịt 1. Đặc tính ngoài giới hạn (ha = hmax) Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 106 2. Đặc tính ngoài nhả khói đen (ha>100%) 3. Đặc tính ngoài định mức (ha =100%) 4. Đặc tính ngoài khai thác (ha = 85%) 5. Đặc tính ngoài bộ phận (ha<85%) Đối với mỗi loại động cơ và dùng một loại nhiên liệu thì: Vs, ρk, QH, Lo, i, m là hằng số, vì vậy các công thức trên có thể viết dưới dạng sau: kmine nAN ρηα ηη .....1= (7-11) km i ne nAM ρηα ηη .....2= (7-12) kmine nAp ρηα ηη .....3= (7-13) Từ các công thức trên tăng áp thấy: Ne là hàm bậc nhất đối với n, còn Me, pe không phụ thuộc vào n. Nhưng trên thực tế các thông số: ηn, α, ηi, ηm, ρk phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ, do đó đặc tính công suất, momen, áp suất có ích trung bình là các đường cong (Hình 7-2). Sau đây chúng ta phân tích sự thay đổi của các thông số trên (ηn, α, ηi, ηm, ρk) theo tốc độ quay của động cơ. 7.3.2 Quy luật biến thiên của các thông số cơ bản Sự biến thiên của các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ tăng áp và không tăng áp có sự khác nhau. 7.3.2.1 Động cơ bốn kỳ không tăng áp. a. Hệ số nạp: Hệ số nạp của động cơ được tính bằng biểu thức: s o k V V=η (7-14) Khi tốc độ động cơ tăng, tốc độ dòng khí nạp tại tiết diện xu páp nạp tăng theo, làm cho tổn thất cục bộ tại đây ΔP = f(v2) cũng tăng, do đó, lượng không khí nạp vào xy lanh giảm. Kết quả là hệ số nạp của động cơ ηn giảm khi tăng tốc độ quay của động cơ. b. Hệ số dư lượng không khí: oc kns Lg V .. .. η ρηα Δ= (7-15) Trong trường hợp này Δg, Lo, Vs không thay đổi vì đây là đặc tính ngoài, do đó công thức trên có thể viết thành: c knK η ρηα ..= (7-16) Khi tốc độ quay của động cơ tăng thì ρk, ηn, ηe đều giảm nhưng ηe giảm nhanh hơn, do đó, khi tốc độ của động cơ tăng thì α gần như không thay đổi. c. Hiệu suất chỉ thị: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 107 Hiệu suất chỉ thị là thông số đánh giá chất lượng quá trình cháy của động cơ, nếu quá trình cháy của động cơ diễn ra gần ĐCT, không cháy rớt thì hiệu suất chỉ thị cùa động cơ sẽ tăng. Ngược lại, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở thì hiệu suất chỉ thị của động cơ sẽ giảm. Khi tốc độ quay của động cơ tăng thì chất lượng phun sương của nhiên liệu tăng (do áp suất phun tăng), góc phun sớm không thay đổi do lượng nhiên liệu cấp vào xy lanh trong một chu trình không thay đổi, hệ số dư lượng không khí α gần như không thay đổi, thời gian thực hiện quá trình cháy giảm. Vì vậy, khi tốc độ quay của động cơ tăng thì ηi thay đổi rất ít. d. Hiệu suất cơ giới: Hiệu suất cơ giới được tính bằng công thức: i m i mi i e m p p p pp p p −=−== 1η (7-17) Khi tốc độ quay của động cơ tăng thì áp suất cơ giới trung bình pm của động cơ tăng, nhưng áp suất chỉ thị trung bình pi của động cơ không tăng, do đó khi tốc độ quay của động cơ tăng thì hiệu suất cơ giới của động cơ giảm. e. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị: Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị của động cơ được tính bằng công thức: ( )hmlg N Gg i nl i ./= (7-18) Hay: iinl NgG .= (Kg/h) (7-19) Thay iinl NgG .= vào công thức tính hiệu suất chỉ thị của động cơ Hnl i i QG N . .3,632=η (7-20) Ta có: iHii i i g A QNg N 1 .. .3,632 ==η (7-21) Như vậy gi biến đổi tỷ lệ nghịch với ηi. Tương tự như vậy ta cũng có kết luận sự biến đổi của ge cũng tỷ lệ nghịch với ηe. Sự biến thiên của các thông số trên được biểu diễn trên đồ thị hình 7-3 a. Hệ số nạp: Sự thay đổi các thông số trong biểu thức tính hệ số nạp của động cơ tăng áp cũng tương tự của động cơ bốn kỳ không tăng áp, trong trường hợp khi khi tăng tốc độ quay của động cơ, tốc độ quay của tua bin cũng tăng do động năng của khí xả tăng, lượng không khí nạp vào xy lanh giảm ít hơn so với động cơ không tăng áp, kết qủa là hệ số nạp của động cơ tăng áp sẽ giảm ít hơn so với động cơ không tăng áp. b. Hệ số dư lượng không khí: Tương tự như hệ số nạp ηn các thông số trong biểu thức tính hệ số dư lượng không khí của động cơ tăng áp cũng thay đổi giống như của động cơ không tăng Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 108 áp, nhưng ρk tăng khi tăng tốc độ quay của động cơ, do tốc độ tua bin tăng. Điều đó cho phép α tăng chút ít khi tăng tốc độ quay của động cơ. c. Hiệu suất chỉ thị: Khi tốc độ quay của động cơ tăng sẽ dẫn đến hệ số dư lượng không khí tăng, kết qủa là hiệu suất chỉ thị của động cơ giảm ít hơn so với động cơ không tăng áp. Các thông số khác có sự thay đổi giống như đối với động cơ không tăng áp. 7.4 Đặc tính chân vịt Đặc tính chân vịt là mối quan hệ giữa các thông số cơ bản của động cơ với vòng quay khi động cơ làm việc trực tiếp với chân vịt. Chân vịt tiếp nhận công suất, mômen do động cơ sản ra trừ đi phần tổn thất năng lượng khi truyền từ động cơ đến chân vịt. Sự thay đổi công suất, mômen tiêu thụ của chân vịt phụ thuộc vào số vòng quay và nếu coi tổn thất năng lượng truyền động không đáng kể thì công suất, mômen tiêu thụ của chân vịt được xác định theo các công thức sau : xe nCN .= (7-22) 1. −= xe nCM (7-23) Trong đó : x = 2,5 ÷ 3,2 tuỳ thuộc vào hình dạng vỏ tàu. Ví dụ: tàu lướt x = 2,5; tàu hàng x = 3. C, C’: hằng số phụ thuộc vào lượng nước chiếm của tàu, tình trạng biển, tình trạng chân vịt, vỏ tàu, chiều sâu của vùng biển, tình trạng luồng lạch C: hệ số sức cản. Do công suất động cơ phát ra tỷ lệ thuận với hàm bậc ba của số vòng quay nên khi tốc độ quay của động cơ n = 103% nđm thì công suất của động cơ đã quá tải 10%. Khi khai thác động cơ ở vòng quay nhỏ (20 ÷ 30% nđm) thì công suất của động cơ rất nhỏ. Từ đó có thể kết luận rằng không nên khai thác động cơ ở chế độ vòng quay lớn hơn 100%.nđm, mặt khác nếu làm việc ở chế độ rất nhỏ tải, tốc độ quay của động cơ có thể sẽ dao động do lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình quá bé, chất lượng phun sương sẽ kém, nhiên liệu phân bố không đồng đều trong thể tích công tác của xy lanh. Khi hệ số C tăng các đường đặc tính chân vịt tương ứng sẽ dịch chuyển về phía trục tung, lúc này động cơ khai thác ở chế độ nặng nề hơn. Khi hệ số C giảm các đường đặc tính chân vịt tương ứng sẽ dịch chuyển về phía ngược lại, lúc này động cơ khai thác ở chế độ nhẹ nhàng hơn (Hình 7-3) Sự thay đổi của hiệu suất cơ giới trong đặc tính chân vịt phụ thuộc vào công suất tổn hao cho cơ giới và công suất chỉ thị của động cơ. Giống như trong đặc tính ngoài, khi công suất chỉ thị của động cơ tăng lên thì hiệu suất cơ giới tăng. i m m N N−=1η (7-24) Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 109 Trong đặc tính chân vịt, khi tăng vòng quay của động cơ bắt đầu tăng từ vòng quay tối thiểu, hiệu suất cơ giới tăng lên khá nhanh. Càng gần đặt đến vòng quay định mức (khoảng 70 ÷ 100% nđm), hiệu suất cơ giới tăng lên không đáng kể. Hình 7.3 Các đường đặc tính của động cơ lai chân vịt. Quy luật biến thiên của các thông số gi, ge, ηi, ηe, của động cơ trong đặc tính chân vịt cũng gần tương tự như trong đặc tính ngoài nhưng trong đặc tính chân vịt, giá trị ge đạt cực tiểu tại khoảng 85 ÷ 95% vòng quay định mức. Hình 7.4: Đặc tính phối hợp công tác của động cơ lai chân vịt. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 110 H ình 7.5 : Đặc tính chân vịt động cơ hãng Man B –W Câu hỏi ôn tập chương: 1. Ñònh nghóa, veõ vaø phaân tích ñöôøng ñaëc tính chaân vòt cuûa ñoäng cô. 2. Trình baøy khaùi nieäm vaø cho bieát moái quan heä giöõa caùc ñöôøng ñaëc tính: ngoaøi, taûi, chaân vòt treân heä ñoäng löïc taøu thuyû. 3.Trình baøy ñaëc tính phuï taûi cuûa ñoäng cô diesel, nhöõng ñoäng cô naøo laøm vieäc theo ñaëc tính naøy? 4.Trình baøy veà ñaëc tính ngoaøi vaø öùng duïng treân taøu thuyû? 5.Trình baøy veà ñaëc tính chaân vòt, phaïm vi öùng duïng trong khai thaùc heä ñoäng löïc taøu thuûy. 6. Ñònh nghóa, veõ vaø phaân tích ñöôøng ñaëc tính taûi cuûa ñoäng cô. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trịnh Đình Bích, Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Trung Cương, Vũ Hải Phong (1995), Động cơ diesel tàu thuỷ, Trường đại học Hàng hải. [2]. Nguyễn Trí Minh, Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Trung Cương (2006), Động cơ diesel tàu thuỷ, Trường đại học Hàng hải. [3]. Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động cơ đốt trong, Nxb Giáo dục, Hà Nội. [4]. Lê Viết Lượng (2000), Lý thuyết động cơ diesel, Nxb Giáo dục Hà Nội. [5]. Trần Hữu Nghị (1993), Động cơ diesel tàu thuỷ, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội. [6]. GS. Iu. Ia Pho-min, GS. Trần Hữu Nghị (1990), Xác định công suất diesel tàu thuỷ và đặc tính của nó, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội. [7]. GS. Iu. Ia Pho-min, GS. Trần Hữu Nghị (1990), Các đặc tính của động cơ diesel tàu thủ, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội. [8]. GS. Iu. Ia Pho-min, GS. Trần Hữu Nghị (1990), Các chế độ làm việc của diesel tàu thuỷ, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội. [9]. John B.Heywood (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Co. [10]. DA Taylor (2001), Introduction to Marine Engineering, Butterworth Heinemann. [11]. Dr Denis Griffiths (2001), Marine Medium Speed Diesel Engines, MEP Series, Volume 1. Part 3, Institute of Marine Engineers, MPG, UK. [12]. Khristen Knak (1990) Diesel Motor Ship’s Engines and Machinary , Marine Managentmen(Holdings)Ltd. [13].Doug Woodyard (2004) Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines – Eighth Editions , Butterworth Heinemann [14].A.J Wharton (2005) Diesel Engines - Third Edition , Butterworth Heinemann [15]. John B.Woodward (1988) Low speed Marine Diesel , Robert E.Krieger Publishing Company. [16]. Các tài liệu của các hãng chế tạo động cơ. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 112 MỤC LỤC Y ”Z PHẦN II. LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Chương 1. Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong 1.1 Khái niệm cơ bản 1.2 Các chu trình lý tưởng 1.3 Hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng Chương 2. Các quá trình công tác của động cơ đốt trong 2.1 Quá trình nạp 2.2 Quá trình nén 2.3 Quá trình cháy 2.4 Quá trình giãn nở. Chương 3. Quá trình cháy và tạo hỗn hợp trong động cơ Diesel 3.1 Các giai đoạn của quá trình cháy 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn của quá trình cháy. 3.3 Quá trình tạo hỗn hợp 3.4 Các dạng buồng cháy Chương 4. Các thông số chỉ thị và có ích của động cơ đốt trong 4.1 Đồ thị công chỉ thị 4.2 Áp suất chỉ thị và có ích bình quân 4.3 Công suất chỉ thị và có ích của động cơ 4.4 Các hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 4.5 Quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị và áp suất chỉ thị bình quân 4.6 Cân bằng nhiệt động cơ Diesel Chương 5. Quá trình trao đổi khí ở động cơ hai kỳ 5.1 Các đặc điểm của quá trình 5.2 Các giai đoạn của quá trình trao đổi khí 5.3 Thời gian tiết diện trao đổi khí 5.4 Ảnh hưởng của phương pháp sử dụng tăng áp đến quá trình trao đổi khí trong động cơ hai kỳ 5.5 Mộ số hệ thống trao đổi khí ở động cơ hai kỳ Chương 6. Tăng áp động cơ Diesel tàu thuỷ 6.1 Mục đích của tăng áp cho động cơ Diesel tàu thuỷ 6.2 Sử dụng năng lượng khí xả cho tăng áp Diesel tàu thuỷ 6.3 Sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ khi tăng áp 6.4 Tăng áp động cơ Diesel bốn kỳ 6.5 Tăng áp động cơ Diesel hai kỳ 6.6 Làm mát không khí tăng áp Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 113 6.7 Kết cấu tổ hợp tua bin máy nén tăng áp Diesel tàu thuỷ 6.8 Khai thác tổ hợp tua bin máy nén tăng áp. Chương 7. Các đặc tính động cơ Diesel tàu thuỷ 7.1 Tầm quan trọng của các đặc tính động cơ 7.2 Đặc tính phụ tải 7.3 Đặc tính ngoài 7.4 Đặc tính chân vịt