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

Chia sẻ: Phung Minh Toan | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

147
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cải thiện sự hoạt động của động cơ DieselTrong chế độ chuyển tiếp bằng các giải pháp ngoàiThời gian làm việc của các động cơ Diezel ở chế độ chuyển tiếp là đáng kể tuỳ theo tính chất của phụ tải và lĩnh vực sử dụng. Nghiên cứu về chế độ chuyển tiếp cũng như các giải pháp nâng cao chất lượng của quá trình chuyển tiếp ngày càng được nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất quan tâm. Bài báo đề cập tới khái niệm cơ bản nhất về sự hoạt động của động cơ Diezel có tăng...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Những tiến bộ trong việc chế tạo động cơ Diezel

Chuyên đề GVHD : Nguyễn Đình Long SVTH: Nguyễn Thế Cường MSSV:48132042
Cải thiện sự hoạt động của động cơ Diesel Trong chế độ chuyển tiếp bằng các giải pháp ngoài Thời gian làm việc của các động cơ Diezel ở chế độ chuyển tiếp là đáng kể tuỳ theo tính chất của phụ t ải và lĩnh vực sử dụng. Nghiên cứu về chế độ chuyển tiếp cũng như các giải pháp nâng cao chất lượng của quá trình chuyển tiếp ngày càng được nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất quan tâm. Bài báo đề cập tới khái niệm cơ bản nhất về sự hoạt động của động cơ Diezel có tăng áp bằng tua bin khí xả ở chế độ chuyển tiếp. Một số giải pháp ngoài để cải thiện sự hoạt động của động cơ ở chế độ chuyển tiếp cũng được giới thiệu.
• A.Giới thiệu: • Theo truyền thống, đại đa số các nghiên cứu về hoạt động của động cơ Diezel chỉ tập trung vào các chế độ tĩnh. Tuy nhiên, trong thực tế phần lớn thời gian hoạt động của động cơ lại ở chế độ động hay chế độ chuyển tiếp. • Chế độ tĩnh là gì? Đây là các chế độ hoạt động của động cơ mà các thông số không thay đổi theo thời gian hay còn được gọi là ch ế độ cân bằng. Tải của động cơ và giá trị tốc độ đặt không thay đổi có thể coi là một chế độ tĩnh điễn hình với các biểu trưng là tốc độ và • lượng cấp nhiên liệu cho chu trình không thay đổi theo th ời gian. Chế độ động hay còn được gọi là chế độ chuyển tiếp là chế độ hoạt động của động cơ mà có ít nhất một thông số thay đổi theo thời gian. • Từ các khái niệm trên ta có thể khái quát rằng, để chuyển từ một chế độ tĩnh này sang một chế độ tĩnh khác thì động cơ cần ph ải qua các chế độ động hay gọi là giai đoạn chuyển tiếp
• 1. Quá trình chuyển tiếp của động cơ Diezel và các giải pháp cải thiện • Các động cơ Diezel ngày nay cả trên b ờ và d ưới tàu thu ỷ đ ại đa số được trang bị tuabin tăng áp khí xả do nh ững đ ặc điểm nổi trội như công suất lớn, gi ảm su ất tiêu hao nhiên liệu … Các động cơ này cũng bộc lộ nhi ều hạn ch ế c ố h ữu như quá trình gia tốc chậm, khói đen khi tăng t ốc, đ ộ ồn cao… • Độ trễ của tua bin tăng áp là một đặc trưng c ơ b ản c ủa các động cơ có tăng áp b ằng tua bin khí x ả mà nó ảnh h ưởng r ất lớn tới sự hoạt động của động cơ Diezel ở các chế độ chuyển tiếp. Độ trễ của tổ hợp tua bin tăng áp là nguyên nhân chính bởi vì bơm cao áp đáp ứng rất nhanh đ ể tăng nhiên liệu khi tải hoặc tốc độ đặt tăng lên. L ượng không khí cần thiết không thể tức thời tăng lên m ột cách t ương ứng, mà chỉ có thể tăng lên sau một thời gian nh ất đ ịnh nào đó phụ thuộc vào quán tính của hệ thống; hi ện tượng trên còn biểu hịên rõ ở các chế độ tải thấp và t ốc độ thấp. • Do vậy, hệ số dư lượng không khí trong giai đoạn đầu c ủa quá trình chuyển tiếp có giá trị rất thấp, thậm chí nh ỏ h ơn 1. Quá trình cháy xấu đi d ẫn đến đáp ứng c ủa đ ộng c ơ ch ậm, sụt tốc, khói đen và độ ồn cao.
• Để cải thiện quá trình chuyển tiếp có ba ph ương pháp c ơ b ản, đó là: • Điều khiển quá trình cấp nhiên liệu • Giảm quán tính của hệ thống (động cơ, các b ầu góp nạp x ả và tua bin-máy nén tăng áp) • Sử dụng hộp số nhiều cấp để thay đổi mô men. • • Sử dụng thiết bị giới hạn nhiên liệu theo áp su ất gió n ạp trong ph ương án 1 t ương đ ối ph ổ bi ến và đã thu được những thành công nhất định do làm gi ảm đ ược khói đen nh ưng l ại làm ch ậm l ại đáp ứng chuyển tiếp, đồng thời làm x ấu đi tính đi ều đ ộng. Đi ều này th ật d ễ hi ểu vì chúng ta ch ỉ xử lý hậu quả “khói đen” mà không tác động t ới nguyên nhân c ủa hi ện t ượng là do s ự “tr ễ c ủa tua bin-máy nén tăng áp”. Phương án này do v ậy còn đ ược g ọi là ph ương án “th ụ đ ộng”. • Các phương án “chủ động” tập trung vào vi ệc c ải thi ện đáp ứng chuy ển ti ếp c ủa đ ộng c ơ, các bầu góp nạp xả và bản thân tua bin máy nén tăng áp. Nói chung, s ự đáp ứng ch ậm tr ễ c ủa động cơ Diezel là một hiện tượng tương đối phức t ạp, chịu s ự ảnh h ưởng c ủa nhi ều y ếu t ố nh ư động học, nhiệt động học và các thông s ố thi ết k ế, k ết c ấu. • Từ hình 1 ta có thể thấy rằng, để cải thiện đáp ứng c ủa đ ộng c ơ, th ực hi ện b ằng cách tác đ ộng lên phía ống góp xả để gia tốc cho tua bin. Cách khác là tác đ ộng lên phía n ạp, đ ể tăng tr ực tiếp áp suất khí nạp, khi đó phải chú ý t ới gi ới h ạn “ho”. • Theo một cách phân loại khác, các gi ải pháp c ải thi ện ch ế đ ộ chuy ển ti ếp c ủa đ ộng c ơ Diezel được chia ra: • Giải pháp trong: bao gồm các giải pháp t ập trung vào thay đ ổi, hoán c ải k ết c ấu c ủa động cơ, hệ thống nhiên liệu, các bầu góp nạp thải… • Các giải pháp ngoài: tập trung giải quyết vấn đề trễ c ủa t ổ h ợp tua bin máy nén tăng áp.
• 2. Một số giải pháp ngoài cải thiện chế độ chuyển tiếp của động cơ Diezel • 2.1 Phun khí nén • Ở giai đoạn đầu khi tải hoặc tốc độ đặt tăng lên, do s ự trễ của tua bin máy nén tăng áp mà áp suất khí nạp chưa k ịp tăng, d ẫn đ ến dư lượng không khí giảm, quá trình cháy kém đi. Để có th ể cải thiện được đáp ứng chuyển tiếp của động cơ, chúng ta s ử dụng giải pháp phun không khí nén được tích trữ trong m ột bình ch ứa vào máy nén, bầu góp khí nạp hoặc bánh cánh tua bin. Việc phun không khí vào bánh cánh máy nén thường hiệu quả hơn nhiều so với cấp khí nén vào các vị trí khác. Sơ đồ bố trí đ ược thể hi ện trên hình 2. • 2.2 Kết cấu của tổ hợp tua bin máy nén tăng áp • Tính chất và kết cấu của tổ hợp tua bin máy nén tăng áp đóng m ột vai trò quan trọng trong đáp ứng của động cơ do đặc tính của tua bin ảnh hưởng trực tiếp đến độ trễ. Xuất phát t ừ quan đi ểm để giảm độ trễ của tổ hợp tua bin máy nén chúng ta sẽ s ử d ụng các tua bin có quán tính nhỏ hơn, nghĩa là giảm kích thước và kh ối lượng của rô to. Để đáp ứng đủ nhu cầu về không khí cho đ ộng cơ thì các tổ hợp này phải có tốc độ quay rất cao và tiết di ện ống phun nhỏ. • Ở các chế độ tải và tốc độ cao, có thể dẫn đến áp suất gió nạp tăng lên quá cao, gây nguy hiểm cho động cơ và t ổ hợp tua bin máy nén. Trở ngại này khắc phục bằng cách lắp thêm một van để thoát khí xả tự động. Van này gồm một lò xo luôn cân bằng với áp suất khí nạp. Khi áp suất khí nạp tăng lên, nó s ẽ m ở ra đ ể thoát một phần khí xả ra môi trường và một phần qua tua bin. Khi đó, phản áp trên đường xả sẽ giảm đáng kể, giúp gi ảm công nén của động cơ, góp phần làm tăng hiệu suất của động cơ, Sơ đ ồ b ố trí và kết cấu của tổ hợp tua bin tăng áp kiểu này được th ể hiện trên hình 3.
• 2.3 Sử dụng tăng áp kết hợp • Khi sử dụng tăng áp bằng cơ giới (động cơ dẫn động trực ti ếp máy nén tăng áp), tốc độ của máy nén tỉ lệ với tốc độ của động cơ. Áp suất và l ưu lượng không khí nạp có thể đạt được giá trị cao, th ậm chí khi t ốc đ ộ đ ộng c ơ th ấp. Nhược điểm có thể thấy rõ ràng phải tiêu t ốn một phần công suất của động cơ để dẫn động máy nén tăng áp. Công này sẽ tăng lên đáng k ể khi s ử d ụng tăng áp cao và làm giảm hiệu suất có ích chung của động cơ. S ự k ết h ợp gi ữa hai kiểu tăng áp sẽ khắc phục nhược điểm đáng kể của t ừng loại như thể hi ện trên hình 4. • Một máy nén trục vít C1 được nối với trục khuỷu của động cơ qua m ột ly hợp điện- cơ khí. Máy nén này nối tiếp với máy nén tăng áp được d ẫn đ ộng b ởi tua bin khí xả. Do đó, tỷ số nén sẽ được nhân với nhau. Ở các chế độ tải và t ốc độ thấp máy nén tua bin C2 không đáp ứng đủ lượng không khí c ần thi ết thì máy nén cơ giới C1 sẽ được kích hoạt. Do vậy, ở các chế độ t ải và tốc độ thấp đáp ứng của động cơ sẽ được cải thiện một cách đáng kể do áp suất máy nén tăng áp cơ giới tạo ra không phụ thuộc vào tải của động cơ. Hơn th ế nữa, do áp suất của không khí nạp tạo ra bởi hệ thống được nhân với nhau t ừ hai máy nén nên có thể sử dụng tổ hợp tua bin máy nén t ắng áp có kích thước nhỏ h ơn, giúp cho đáp ứng của động cơ nhanh hơn. • 2.4 Tăng áp hai cấp • Ban đầu tua bin tăng áp hai cấp đ ược s ử dụng với m ục đích chính là tăng công suất của động cơ tàu thuỷ. Áp suất nạp có thể đ ạt t ới giá trị 3.5 Bar. Để đ ạt được áp suất này thì tua bin máy nén một cấp bộc l ộ nhi ều hạn chế nh ư hi ệu suất thấp và giới hạn “ ho”. Trong sơ đồ này hai tua bin máy nén tăng áp đ ược mắc nối tiếp với nhau và có làm mát trung gian khí nạp nh ư th ể hi ện trên hình 5.
• 2.5 Tăng áp kế tiếp • Kỹ thuật tăng áp kế tiếp sử dụng hai hoặc nhiều hơn các tổ hợp tua bin máy nén mắc song song với nhau và được sử dụng cho các động cơ Diezel thuỷ. Trên hình 6 thể hiện bố trí và kết cấu của tăng áp dạng này. • Ở các chế độ tải bộ phận, chỉ các tổ hợp tua bin máy nén thứ nhất làm việc và các van điều chỉnh đều đóng. Tổ hợp thứ nhất luôn hoạt động ở mọi chế độ của động cơ, Nhưng có kích thước và khối lượng nhỏ hơn so với trường hợp sử dụng duy nhất một tổ hợp tua bin máy nén đơn nên nó sẽ gia tốc nhanh hơn do có quán tính nhỏ. Tổ hợp tua bin máy nén thứ hai thường có kích thước và khối lượng nhỏ hơn sẽ chỉ hoạt động ở giá trị tải cao. Khi đó các van 1 và 2 mở và tổ hợp thứ hai sẽ hoạt động và động cơ sẽ hoạt động với hai tua bin. Bằng bố trí kiểu này đã giảm được mô men quán tính khối lượng của tổ hợp tua bin máy nén tăng áp so với sử dụng một tổ hợp tương đương. Liên quan đến hiện tượng “ho” không cho phép hoạt động cả hai tua bin ở các giá trị tốc độ và (hoặc) tải thấp. ngược lại, nếu chỉ sử dụng một tua bin ở tải và (hoặc) tốc độ cao có thể dẫn đến qúa tốc tua bin.
• 2.6 Thay đổi cấu hình động cơ • Như đã thảo luận ở các phần trước, việc gia tốc của các tua bin tăng áp từ một chế độ làm việc có giá trị tốc độ thấp sẽ rất khó khăn, do đó độ trễ của tổ hợp sẽ tăng lên dẫn đến động cơ sẽ làm việc thiếu không khí, khói đen. Một trong các phương pháp hiệu quả để khắc phục là cố duy trì ch ế độ làm việc của tua bin tăng áp ở mức độ cao hơn bằng cách tăng nguồn năng lượng cấp tới tua bin. Điều này có thể thực hiện bằng một số giải pháp như đã thảo luận ở trên. • Trên quan điểm thay đổi cấu hình của động cơ để thay đổi đáp ứng chuyển tiếp, chúng ta có thể sử dụng một số giải pháp cơ bản như: • - Thay đổi quy luật cấp nhiên liệu • - Thay đổi thời điểm đóng mở xupáp nạp thải • - Thay đổi kích thước và kết cấu các bầu góp nạp thải • - Sử dụng các động cơ Diezel – điện (hybrid) • Việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp trên nằm ngoài khuôn khổ của bài báo này và sẽ được các tác giả trình bày trong các loạt bài viết tiếp theo.
• Kết luận • Cải thiện quá trình chuyển tiếp của động cơ Diezel ngày càng được nhiều học giả và nhà sản xuất quan tâm nghiên cứu. Cần phải chú ý rằng, để thoả mãn được tính đáp ứng nhanh và giảm khói đen khi chuyển tiếp đôi khi sẽ mâu thuẩn với những yêu cầu cơ bản của động cơ như suất tiêu hao nhiên liệu thấp, hàm lượng khí xả ở các chế độ làm việc ổn định. Yêu cầu tưởng như đơn này có thể là trở lực lớn đối với các nhà thiết kế động cơ. Các nhà thiết kế thường chọn một giải pháp an toàn là đảm bảo sự làm việc của động cơ cùng với tổ hợp tua bin tăng áp để đạt được các yêu cầu cơ bản ở các chế độ tĩnh. Để cải thiện sự hoạt động ở chế độ chuyển tiếp, các nhà thiết kế thường sử dụng các thiết bị hoặc các hệ thống phụ. Các thiết bị này có thể là các thiết bị cơ khí đơn giản, các thiết bị khí-thuỷ lực hoặc các bộ điều chỉnh điện tử phức tạp và đắt tiền. Các bộ điều chỉnh điện tử hiện đại ngoài chức năng giảm độ trễ của tổ hợp tua bin tăng áp còn tham gia vào việc điều chỉnh tối ưu động cơ ở tất cả các chế độ hoạt động.
• Tài liệu tham khảo: • Lê Viết Lượng, các chế độ chuyển tiếp của động cơ Diezel, nhà xuất bản Hải Phòng, 2005 • Constantine D. Rakopoulos, Evangelos G. Giakoumis, Diezel engine transient operation, Springer Publisher, 2009 • C.D. Rakopoulos – E.G. Giakoumis, Com parative first-and second-law parametric study of transient Diezel engine operation, Elsevire Publisher, 2005.