Thạc Sĩ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động bổ sung khí cho động cơ diesel tăng áp bằng tua bin kh

mở đầu
1. Tính thời sự của đề tài
Khi thiết kế chế tạo động cơ điezen, chế độ đ-ợc lựa chọn để thiết kế là chế độ
làm việc định mức ứng với một chế độ khai thác th-ờng xuyên của động cơ.Trong
quá trình khai thác thực tế thì lại không phải nh- vậy, do chất l-ợng mặt đ-ờng hoặc
các chế độ khai thác đối với các ph-ơng tiện cơ giới và vận tải luôn luôn thay đổi
làm cho tải ngoài của động cơ cũng luôn luôn thay đổi và động cơ phải làm việc
ngoài chế độ định mức. Nếu chế độ công tác của động cơ thay đổi theo tải và nằm
ngoài chế độ định mức thì chất l-ợng hoà trộn và cháy hỗn hợp xấu đi làm thay đổi
các thông số công tác của động cơ. Mức độ thay đổi các thông số công tác phụ
thuộc vào trạng thái kỹ thuật của động cơ và chế độ phụ tải. Khi hoạt động ở các chế
độ này các thông số công tác của động cơ thay đổi theo chiều h-ớng xấu đi làm
giảm các chỉ tiêu kinh tế, giảm tính tin cậy, tuổi thọ của động cơ, đồng thời làm cho
các thành phần độc tố trong khí xả tăng lên gây ô nhiễm môi tr-ờng. Sau đây chúng
ta xét đến ảnh h-ởng của động cơ đến môi tr-ờng và tính kinh tế, tính làm việc ổn
định của động cơ trong quá trình khai thác.
ã ảnh h-ởng của quá trình khai thác động cơ đến môi tr-ờng
Tất cả các động cơ đốt trong nói chung và đối với động cơ điezen nói riêng đều
gây tiếng ồn và làm bẩn môi tr-ờng, đặc biệt là khí xả làm ô nhiễm môi tr-ờng
không khí. Trong quá trình hoạt động động cơ thực hiện trao đổi nhiệt không ngừng
với môi tr-ờng xung quanh. Không khí sạch nạp vào xi lanh động cơ, tham gia quá
trình hoà trộn với nhiên liệu, cháy và sau đó xả khí thải ra môi tr-ờng. Theo các
công trình nghiên cứu, trong thành phần của khí xả gồm có các chất không tham gia
vào quá trình cháy, sản phẩm cháy hoàn toàn và không hoàn toàn nhiên liệu và ô xít
nitơ. Hàm l-ợng theo % thể tích của chúng nh- sau [4] :
Nitơ ôxy Hơi n-ớc Khí cac bonic Khí sunfurơ Hidrô
76 – 78 2- 15 0,5 – 6 1 – 14 0,003 – 0,1 0 – 0,1
ôxít các bon Anđêhit Cacbuahyđrô Muội (g/m3) ôxít nitơ
0,01 – 0,5 0,001 – 0,05 0,009– 0,05 0,01 – 1,1 0,002 0,5



2
Độc tố trong khí thải đ-ợc xác định bằng hàm l-ợng có trong khí thải các
chất ôxit nitơ, ôxit cacbon, anđêhit, hyđrô cacbon mạch hở, hyđrô cacbon mạch
vòng, khí sufurơ và khói. Trong đó ôxit nitơ và ôxit cacbon là hai loại độc tố nguy
hiểm nhất. Ôxit nitơ hình thành ở nhiệt độ cao do phản ứng giữa ôxy và nitơ. Ôxit
cacbon hình thành trong động cơ điezen khi cháy ở điều kiện không đủ ôxy. Do tính
độc cao của ôxit nitơ và ôxit cacbon nên hàm l-ợng của chúng trong khí xả phải hạn
chế. Tại một số n-ớc phát triển nh- Mỹ hoặc các n-ớc châu Âu đã có giới hạn cho
phép về nồng độ chất thải của động cơ ra môi tr-ờng. Tại Việt Nam cần phải có
biện pháp kiểm soát chặt chẽ mức độ ô nhiễm và tiêu chuẩn hoá chất độc hại xả ra
môi tr-ờng.
Đối với các động cơ th-ờng xuyên làm việc ở các chế độ không ổn định thì
vùng làm việc hầu nh- nằm ngoài chế độ định mức. Khi làm việc ở các chế độ
không ổn định thì trong thời gian chuyển tiếp do không cân bằng về mô men quay
và mô men cản làm cho tỉ số giữa l-ợng nhiên liệu và l-ợng không khí cấp vào động
cơ không t-ơng ứng. Điều đó dẫn đến làm xấu chất l-ợng quá trình cháy, hiệu suất
chỉ thị giảm rõ rệt so với chế độ ổn định t-ơng ứng. Điều kiện làm việc khắc nghiệt
nhất là chế độ đóng tải đột ngột, đặc biệt đối với động cơ có tăng áp tua bin khí xả.
Khi làm việc ở chế độ này l-ợng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên đạt giới hạn
trên, trong khi đó l-ợng không khí cấp tăng lên không nhiều do quán tính của rô to
tua bin máy nén, nên hệ số d- l-ợng không khí giảm nhanh, chất l-ợng cháy hỗn
hợp xấu đi rõ rệt. Phần nhiên liệu phun vào xilanh quá lớn so với l-ợng không khí
nạp làm cho quá trình cháy nhiên liệu không hoàn toàn, phần nhiên liệu không kịp
cháy xả ra làm ô nhiễm môi tr-ờng. Kết quả nghiên cứu trên động cơ điezen
6?C?H16/22.5 khi làm việc ở chế độ tăng tốc (thay đổi tải kết hợp với thay đổi tay
ga nhiên liệu) đã cho thấy độ khói khi thanh răng nằm ở ng-ỡng cấp nhiên liệu cực
đại đạt 900 mg/m 3 tức là v-ợt 80% so với giá trị định mức. Oxit nitơ ở chế độ này
cũng đạt tới giá trị 18g/Kwh, tức là v-ợt 20% so với chế độ định mức. Nh- vậy, chế
độ tăng tốc đã chỉ ra rằng bên cạnh sự tăng độ khói khi tăng tốc còn xảy ra sự tăng
ôxit nitơ [17]. Nguyên nhân của việc tăng sự thải NOx là ở chỗ trong thời gian đầu
của chế độ chuyển tiếp, chu kỳ duy trì tự bốc lửa rất lớn, còn nguyên nhân tăng sự



3
thải muội là do áp suất không khí tăng áp và số vòng quay của động cơ bé hơn giá
trị t-ơng ứng với l-ợng nhiên liệu đ-ợc phun vào, phần nhiên liệu rơi vào thành
buồng cháy cũng tăng lên, quá trình cháy kéo dài trên đ-ờng giãn nở.
Một thí nghiệm khác [17] trên động cơ điezen 8?H25/34 lai máy phát điện
??PA500/500 phục vụ cần cẩu nổi kiểu ngoạm sức nâng 16 tấn lấy cát từ đáy sông
cho thấy trong chế độ không ổn định độ khói tăng khoảng 10 lần, nồng độ CO tăng
khoảng 3 lần, còn CH tăng khoảng 4 lần so với chế độ định mức.
ã ảnh h-ởng của chế độ thay đổi tải đến độ mài mòn các chi tiết làm việc
của động cơ
Nguyên nhân làm thay đổi chất l-ợng quá trình công tác trong xi lanh động
cơ và các h- hỏng khác đối với động cơ khai thác ở chế độ thay đổi tải đột ngột là sự
không cân bằng mô men quay và mô men cản dẫn đến không ổn định vòng quay.
Sự thay đổi các thông số trong quá trình cấp nhiên liệu, nạp không khí và
nhiệt độ các chi tiết v-ợt ra khỏi giới hạn so với chế độ ổn định sẽ làm tăng khói,
giảm thời gian khai thác giữa các lần sửa chữa và các hiện t-ợng không mong muốn
khác. Các hiện t-ợng trên làm xấu chất l-ợng khai thác. Khi đóng tải, chất l-ợng
cháy kém, khói và hiện t-ợng cốc hoá hệ thống nạp thải, cánh tua bin tăng lên và
giảm công suất động cơ.
Khi đánh giá các chế độ không ổn định của động cơ đến mài mòn các chi tiết
và tuổi thọ động cơ th-ờng phải nghiên cứu toàn bộ các vấn đề liên quan đến chế độ
làm việc của động cơ khi khởi động ở trạng thái nguội, sấy nóng và các chế độ
không ổn định khác vì khi đó chế độ tải và cơ cấu điều khiển luôn thay đổi. Động cơ
làm việc ở các chế độ trên sẽ bị tăng độ mài mòn và giảm tuổi thọ, tăng tiêu hao
nhiên liệu và giảm tính kinh tế khi khai thác động cơ.
Các nguyên nhân có thể làm gia tăng sự mài mòn chi tiết của động cơ khi
làm việc ở các chế độ thay đổi tải là quán tính nhiệt của các chi tiết, sự phá vỡ chế
độ bôi trơn, tăng lực của khí cháy và lực quán tính các chi tiết cơ cấu biên khuỷu,
tăng độ mài mòn ổ đỡ, nhóm piston xilanh, tăng ứng suất nhiệt lên vách nắp xilanh,
đỉnh piston . Kết quả thí nghiệm trên các động cơ lai cần cẩu nổi khi làm việc ở chế
độ tăng phụ tải và vòng quay cho thấy độ mài mòn ổ đỡ tăng lên 1,4 lần so với chế



4
độ ổn định [16]. Một thí nghiệm khác trên động cơ 4?12/14 có công suất định mức
45,5 kW khi thử trên bệ cho thấy khi tải thay đổi độ mài mòn mặt g-ơng xilanh tăng
lên khoảng 2-2,5 lần, đồng thời suất tiêu hao dầu nhờn do cháy tăng lên 1,48 đến 1,8
lần so với chế độ định mức, độ mài mòn tăng tỉ lệ thuận với độ tăng biên độ thay đổi
vòng quay và l-ợng nhiên liệu cấp cho chu trình.
Độ mài mòn và ứng suất nhiệt các chi tiết làm việc của động cơ gia tăng
trong chế độ thay đổi tải đột ngột là nguyên nhân góp phần làm giảm tính tin cậy,
giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả thải ra
môi tr-ờng.
ã Tình hình khai thác sử dụng động cơ điezen ở Việt Nam
Ngày nay, cùng với sự phát triển v-ợt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật, động cơ
điezen không ngừng đ-ợc cải tiến và hoàn thiện và ngày càng khẳng định vị trí số
một của mình trong số các thiết bị động lực đ-ợc sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh
vực kinh tế: giao thông vận tải (đ-ờng bộ, đ-ờng sắt, đ-ờng thuỷ . ), công nghiệp,
nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng và quốc phòng v.v . Cho đến nay tại Việt Nam
ch-a có một thống kê chính xác số l-ợng các loại động cơ điezen đ-ợc sử dụng
trong tất cả các lĩnh vực. Tuy nhiên do quá trình quét sạch khí thải và nạp khí mới ở
động cơ bốn kỳ tiến hành t-ơng đối hoàn hảo hơn so với động cơ hai kỳ, đồng thời
bằng ph-ơng pháp tăng áp có thể tăng công suất của động cơ bốn kỳ một cách dễ
dàng vì ứng suất nhiệt của xilanh nhỏ hơn và hệ thống tăng áp của nó cũng đơn giản
hơn so với động cơ hai kỳ, vì vậy động cơ điezen bốn kỳ tăng áp bằng tua bin khí xả
rất đ-ợc sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kinh tế quốc dân [3]. Khi khai thác
loại động cơ này do tải ngoài của động cơ th-ờng xuyên thay đổi nên động cơ phải
th-ờng xuyên làm việc ở các chế độ nằm ngoài chế độ định mức làm cho các thông
số công tác của động cơ thay đổi theo chiều h-ớng xấu đi. Hậu quả còn lớn hơn đối
với động cơ khi làm việc ở các chế độ thay đổi tải đột ngột. Chẳng hạn khi đóng tải,
mô men cản tăng lên làm tốc độ của động cơ giảm xuống, thông qua bộ điều tốc đẩy
thanh răng tăng nhanh l-ợng nhiên liệu cấp cho chu trình. Trong khi đó do tính trễ
của tua bin máy nén nên tua bin máy nén ch-a kịp tăng tốc cấp thêm không khí cho
động cơ. Kết quả là hoà khí quá đậm làm giảm chất l-ợng chu trình công tác, giảm



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

2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
ở n-ớc ngoài vấn đề này đ-ợc nghiên cứu tại các viện, các trung tâm nghiên
cứu khoa học, ngay cả các nhà máy chế tạo động cơ cũng thành lập các trung tâm
nghiên cứu tiến hành thử nghiệm. Nh- vậy, vấn đề đề tài đặt ra đã đ-ợc nghiên cứu
và đ-a vào ứng dụng, tuy nhiên với các tài liệu đã xuất bản chỉ trình bày cơ sở lý
luận và ph-ơng pháp chung.
ở trong n-ớc, vấn đề này ch-a đ-ợc quan tâm đầy đủ. Vì vậy nghiên cứu và
khai thác chế độ chuyển tiếp nói chung và chế tạo hệ thống tự động cấp khí bổ sung
cho động cơ để cải thiện chế độ chuyển tiếp của động cơ là cần thiết và có ý nghĩa
khoa học và thực tế.

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

4. Ph-ơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm