Tài liệu động cơ đốt trong với tư cách là đối tượng điều chỉnh (tm+cad)

Chương 1
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VỚI TƯ CÁCH LÀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU CHỈNH
1.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU CHỈNH VÀ CÁC SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA ĐỘNG CƠ VỚI TƯ CÁCH LÀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU CHỈNH
1.1.1. Khái niệm về đối tượng điều chỉnh
Trong bất kỳ hệ thống tự động điều chỉnh nào thì thành phần quan trọng nhất là đối tượng điều chỉnh. Vậy đối tượng điều chỉnh là là một tổ hợp hoặc một thiết bị khi tác động vào thông số tọa độ vào sẽ làm thay đổi thông số tọa độ ra.
Đối với hệ thống tự động điều chỉnh của động cơ đốt trong, nếu coi bản thân động cơ là đối tượng điều chỉnh thì thông số tọa độ vào là sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Dg[SUB]ct[/SUB], còn thông số tọa độ ra là sự thay đổi tốc độ quay của trục khuỷu Dw. Hoặc trên động cơ, nếu coi bơm cao áp là đối tượng điều chỉnh thì thông số tọa độ vào là sự thay đổi vị trí thanh răng bơm Dh còn thông số tọa độ ra là sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Dg[SUB]ct[/SUB]. Như vậy, đối với hai trường hợp trên thì sự thay đổi tốc độ quay của trục khuỷu Dw và sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Dg[SUB]ct[/SUB] (ở trường hợp 2) là thông số điều chỉnh. Đối tượng điều chỉnh có thể được quy ước là một phần tử hoặc nhiều phần tử tùy theo mục đích khảo sát (hình 1.1).

Hình 1-1. Khái niệm đối tượng điều chỉnh

Trong sơ đồ của lý thuyết tự động điều chỉnh, đối tượng điều chỉnh hoặc các phần tử của đối tượng điều chỉnh được thể hiện bằng một ô hình chữ nhật, còn tác động qua lại giữa các phần tử là các đường nối có mũi tên.
Theo sơ đồ hình 1.1, động cơ có thể làm việc ổn định ở tốc độ w = const với tải trọng không đổi của máy công tác (N = const) là nhờ lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình g[SUB]ct[/SUB] đã xác định, tức là nhờ vị trí xác định của thanh răng bơm cao áp (h = const). Muốn giữ tốc độ trong phạm vi quy định Dw khi thay đổi tải (thay đổi DN) cần phải tác động vào cơ cấu điều khiển Dg[SUB]ct[/SUB] (tức vị trí thanh răng bơm cao áp Dh). Do đó, các thông số DN, Dh được thể hiện bằng các mũi tên vào và được gọi là các 0tọa độ vào.
1.1.2. Các sơ đồ cấu trúc của động cơ với tư cách là đối tượng điều chỉnh
Mục đích ở đây là điều chỉnh tốc độ quay của trục khuỷu động cơ w. Tốc độ quay của trục khuỷu động cơ phụ thuộc vào giá trị mô men quay của động cơ và mô men cản của máy công tác. Tốc độ quay của trục khuỷu chỉ được duy trì ổn định khi các mô men trên cân bằng nhau. Thực tế việc duy trì ổn định tốc độ quay của trục khuỷu theo thời gian là rất khó bởi vì trong hệ thống động cơ - máy công tác sẽ có rất nhiều nguyên nhân làm mất cân bằng các mô men và do đó làm thay đổi tốc độ quay của trục khuỷu động cơ.
Để duy trì chế độ tốc độ ổn định cho trước cần phải tác động lên một trong hai giá trị mô men trên.
Do vậy các sơ đồ cấu trục của động cơ với tư cách là đối tượng điều chỉnh được phân thành hai nhóm: nhóm thay đổi mô men quay của động cơ và nhóm thay đổi mô men cản của máy công tác và được giới thiệu trên hình 1.2.
- Nhóm 1: Đối với các động cơ trên trạm phát điện, ôtô - máy kéo, giao thông trên bộ, các động cơ trên tàu lai chân vịt cố định bước thì việc duy trì chế độ tốc độ ổn định được thực hiện bằng cách điều chỉnh thay đổi mô men quay M[SUB]e[/SUB] của động cơ.
- Nhóm 2: Đối với các động cơ tàu lai chân vịt biến bước thì việc duy trì chế độ tốc độ ổn định được thực hiện bằng cách điều chỉnh thay đổi mô men cản M[SUB]C[/SUB].

Hình 1-2. Các sơ đồ cấu trúc của động cơ với tư cách là đối tượng điều chỉnh
a, b, c, d - thay đổi mô men quay của động cơ; e - thay đổi mô men
cản của máy công tác; Dh - thay đổi vị trí điều chỉnh; a[SUB]đ[/SUB] - thay đổi tải.

Việc mô tả các sơ đồ cấu trúc trên được giải thích như sau:
- Sơ đồ a: Coi động cơ là đối tượng điều chỉnh chung và đây là sơ đồ cấu trúc điều khiển bằng tay.
- Sơ đồ b: Coi động cơ gồm hai phần tử của đối tượng điều chỉnh là bơm cao áp và bản thân động cơ. Theo sơ đồ này thì đối với bơm cao áp, tọa độ vào là sự xê dịch của cơ cấu điều khiển (thanh răng) Dh, còn tọa độ ra là sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Dg[SUB]ct[/SUB]. Đối với bản thân động cơ thì tọa độ vào là sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Dg[SUB]ct[/SUB], còn tọa độ ra là sự thay đổi tốc độ quay của trục khuỷu Dw.
- Sơ đồ c: Mô tả mối liên hệ ngược ảnh hưởng của tọa độ ra Dw đến tọa độ vào Dg[SUB]ct[/SUB] vì khi thay đổi tốc độ quay của trục khuỷu sẽ làm thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình do bơm cao áp đảm nhận mặc dù vị trí của cơ cấu điều khiển (vị trí của thanh răng) không thay đổi. Quan hệ giữa tốc độ quay của trục khuỷu Dw và tốc độ quay của trục cam bơm cao áp Dw[SUB]H[/SUB] được xác định như sau:

Trong đó: k[SUB]x[/SUB] - tỷ số truyền (đối với động cơ 4 kỳ k[SUB]x[/SUB] = 0,5; đối với động cơ 2 kỳ k[SUB]x[/SUB] = 1).
- Sơ đồ d: Sơ đồ cấu trúc của động cơ tăng áp bằng tuabin - máy nén quay tự do. DG[SUB]K­[/SUB] là sự thay đổi của lượng không khí do máy nén cấp cho động cơ, còn DG[SUB]g[/SUB] là sự thay đổi của lượng khí thải từ động cơ vào tuabin.
- Sơ đồ e: Sơ đồ cấu trúc mô tả quan hệ tác động thay đổi bước của chân vịt để duy trì ổn định tốc quay của trục khuỷu động cơ.
Việc thiết lập sơ đồ cấu trúc đúng đối với mỗi phần tử của hệ thống điều chỉnh là rất quan trọng và dễ dàng phân tích những tính chất tĩnh và động của chúng.
1.2. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Chế độ làm việc của động cơ đốt trong được đặc trưng bởi một tập hợp các thông số như áp suất có ích trung bình p[SUB]e[/SUB], mô men quay M[SUB]e[/SUB], công suất có ích N[SUB]e[/SUB], số vòng quay n hoặc tốc độ quay của trục khuỷu w
Nếu chỉ xem xét riêng số vòng quay của động cơ thì ta có chế độ tốc độ, nếu xem xét các thông số đặc trưng cho tải (p[SUB]e[/SUB], M[SUB]e[/SUB], N[SUB]e[/SUB]) ta có chế độ tải. Thuật ngữ chế độ làm việc của động cơ là kết hợp hai khái niệm đó.
Động cơ đốt trong với tư cách là đối tượng điều chỉnh có thể có những chế độ làm việc ổn định và không ổn định.
Chế độ ổn định (chế độ cân bằng) là chế độ làm việc của động cơ mà tại đó các thông số (chỉ tiêu) đặc trưng cho sự làm việc của động cơ như số vòng quay n, áp suất có ích trung bình p[SUB]e[/SUB], công suất có ích N[SUB]e[/SUB], mô men quay M[SUB]e[/SUB] là không đổi và không phụ thuộc vào thời gian. Điều kiện để có được chế độ ổn định là mô men quay của động cơ M[SUB]e[/SUB] và mô men cản của máy công tác M[SUB]C[/SUB] phải bằng nhau:

và được coi là phương trình cân bằng tĩnh. Do đó, chế độ ổn định được gọi là chế độ cân bằng hoặc chế độ tĩnh.
Chế độ không ổn định là chế độ làm việc của động cơ mà tại đó động cơ có thể phát ra năng lượng dư thừa hoặc thiếu hụt làm cho số vòng quay và các thông số đặc trưng cho sự làm việc của động cơ bị thay đổi theo thời gian.
Các chế độ không ổn định thường là những chế độ chuyển tiếp từ chế độ ổn định này sang chế độ ổn định khác.
Động cơ đốt trong được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Đối với động cơ ôtô - máy kéo, tàu hỏa, tàu thủy và trên các trạm phát điện chúng phải thỏa mãn để khai thác ở những chế độ tốc độ và chế độ tải khác nhau. Miền các chế độ làm việc của động cơ được giới hạn giữa số vòng quay ổn định nhỏ nhất n[SUB]min[/SUB] và số vòng quay n[SUB]max[/SUB] (hình 1.3)

Hình 1-3. Miền các chế độ làm việc của động cơ đốt trong