I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Turbin Tăng Áp Động Cơ Diesel
Động cơ Diesel hiện đại, đặc biệt là trên tàu thủy, thường được trang bị turbin tăng áp khí xả để tăng công suất và giảm tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, chúng cũng có những hạn chế như gia tốc chậm, khói đen khi tăng tốc và độ ồn cao. Sự phối hợp giữa turbin tăng áp và động cơ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất ở chế độ chuyển tiếp. Bơm cao áp đáp ứng nhanh khi tăng tải, nhưng lượng không khí cần thiết không tăng kịp thời do quán tính hệ thống. Điều này dẫn đến hệ số dư lượng không khí thấp, đặc biệt ở tải và tốc độ thấp, gây ra quá trình cháy kém, sụt tốc, khói đen, và giảm tuổi thọ động cơ. Các nhà sản xuất và khai thác mong muốn cải thiện hoạt động của tổ hợp turbin tăng áp trong các chế độ này. Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao chất lượng quá trình chuyển tiếp, tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khói thải.
1.1. Giới Thiệu Chung Về Đề Tài Nghiên Cứu Turbin Tăng Áp
Thời gian làm việc của động cơ Diesel ở chế độ chuyển tiếp là đáng kể, tùy thuộc vào tính chất của phụ tải và lĩnh vực sử dụng. Nghiên cứu về chế độ chuyển tiếp và các giải pháp nâng cao chất lượng của quá trình này ngày càng được quan tâm. Theo truyền thống, các nghiên cứu thường tập trung vào chế độ tĩnh, nhưng thực tế, động cơ thường hoạt động ở chế độ động hoặc chuyển tiếp. Chế độ tĩnh là khi các thông số không thay đổi theo thời gian, còn chế độ động là khi ít nhất một thông số thay đổi. Để chuyển từ một chế độ tĩnh sang chế độ tĩnh khác, động cơ cần phải trải qua giai đoạn chuyển tiếp.
1.2. Tầm Quan Trọng Của Hiệu Suất Turbin Tăng Áp Chế Độ Chuyển Tiếp
Khi thiết kế động cơ Diesel, chế độ định mức thường được chọn. Tuy nhiên, trong thực tế, tải ngoài của động cơ luôn thay đổi, khiến động cơ phải làm việc ngoài chế độ định mức. Nếu chế độ công tác thay đổi theo tải, chất lượng hòa trộn và cháy hỗn hợp sẽ xấu đi, làm thay đổi các thông số công tác của động cơ. Mức độ thay đổi 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 thay đổi theo chiều hướng xấu, làm giảm các chỉ tiêu kinh tế, giảm tính tin cậy và tuổi thọ của động cơ, đồng thời làm tăng độc tố trong khí xả.
II. Vấn Đề Ô Nhiễm Mài Mòn Động Cơ Diesel Giải Pháp
Động cơ đốt trong, bao gồm cả động cơ Diesel, gây tiếng ồn và ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí xả. Khí xả chứa các chất không tham gia vào quá trình cháy, sản phẩm cháy hoàn toàn và không hoàn toàn, và ôxít nitơ. Độc tố trong khí thải bao gồm ôxít nitơ, ôxít cacbon, anđêhit, hyđrô cacbon, khí sufurơ và khói. Ôxít nitơ và ôxít cacbon là hai loại độc tố nguy hiểm nhất. Ngoài ra, chế độ thay đổi tải đột ngột gây ra sự không cân bằng mômen quay và mômen cản, dẫn đến không ổn định vòng quay và làm tăng độ mài mòn các chi tiết, giảm tuổi thọ động cơ.
2.1. Ảnh Hưởng Của Khí Thải Động Cơ Diesel Đến Môi Trường
Trong quá trình hoạt động, động cơ thực hiện trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Không khí sạch nạp vào xi lanh, tham gia quá trình hòa trộn với nhiên liệu, cháy và sau đó xả khí thải ra môi trường. Thành phần của khí xả bao gồm nitơ, ôxy, hơi nước, khí cacbonic, khí sunfurơ, hidrô, ôxít cacbua, anđêhit, muội và ôxít nitơ. Độc tố trong khí thải được xác định bằng hàm lượng các chất ôxit nitơ, ôxit cacbon, anđêhit, hyđrô cacbon mạch hở, hyđrô cacbon mạch vòng, khí sufurơ và khói. Ôxit nitơ hình thành ở nhiệt độ cao, còn ôxit cacbon hình thành khi cháy ở điều kiện không đủ ôxy.
2.2. Tác Động Của Chế Độ Thay Đổi Tải Đến Độ Bền Động Cơ
Nguyên nhân làm thay đổi chất lượng quá trình công tác trong xi lanh và các hư hỏng khác đối với động cơ khai thác ở chế độ thay đổi tải đột ngột là sự không cân bằng mômen quay và mômen 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 vượt 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 tượng không mong muốn khác. Các hiện tượng trên làm xấu chất lượng khai thác. Khi đóng tải, chất lượng cháy kém, khói và hiện tượng cốc hoá hệ thống nạp thải, cánh tuabin tăng lên và giảm công suất động cơ.
2.3. Giải Pháp Giảm Thiểu Ô Nhiễm Mài Mòn Động Cơ Diesel
Để giảm thiểu ô nhiễm và mài mòn, cần có các biện pháp kiểm soát chặt chẽ mức độ ô nhiễm và tiêu chuẩn hoá chất độc hại xả ra môi trường. Đối với các động cơ thường xuyên làm việc ở các chế độ không ổn định, cần cải thiện sự cân bằng giữa lượng nhiên liệu và lượng không khí cấp vào động cơ trong thời gian chuyển tiếp. Điều này có thể đạt được bằng cách cải thiện thiết kế turbin tăng áp, điều khiển quá trình cháy, và sử dụng các hệ thống xử lý khí thải.
III. Phương Pháp Cải Thiện Tổ Hợp Turbin Tăng Áp Cấp Khí Bổ Sung
Nghiên cứu "Cải thiện sự hoạt động của tổ hợp turbin tăng áp khi động cơ diesel làm việc ở chế độ chuyển tiếp" nhằm mục đích nâng cao chất lượng của quá trình chuyển tiếp. Cụ thể, mục tiêu là tăng tính đáp ứng của turbin, tăng công suất, tăng lượng khí nạp vào động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, cải thiện quá trình cháy, giảm lượng khói đen khi tăng tốc và giảm độ ồn của động cơ. Một trong những phương pháp được đề xuất là sử dụng cấp khí bổ sung.
3.1. Giới Thiệu Về Phương Pháp Cấp Khí Bổ Sung Cho Turbin
Phương pháp cấp khí bổ sung là một giải pháp tiềm năng để cải thiện hiệu suất của turbin tăng áp trong chế độ chuyển tiếp. Bằng cách cung cấp thêm khí vào turbin, có thể tăng tốc độ phản hồi và cải thiện khả năng cung cấp không khí cho động cơ khi tải thay đổi đột ngột. Điều này giúp duy trì hệ số dư lượng không khí ở mức tối ưu, cải thiện quá trình cháy và giảm khói thải.
3.2. Ưu Điểm Của Việc Cấp Khí Bổ Sung Cho Turbin Tăng Áp
Việc cấp khí bổ sung có thể mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng công suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm khói thải và cải thiện độ ồn. Nó cũng có thể giúp kéo dài tuổi thọ của động cơ bằng cách giảm ứng suất nhiệt và cơ học trong quá trình chuyển tiếp. Tuy nhiên, cần phải thiết kế hệ thống cấp khí bổ sung một cách cẩn thận để đảm bảo hiệu quả và tránh các tác dụng phụ không mong muốn.
3.3. Ứng Dụng Thực Tế Của Phương Pháp Cấp Khí Bổ Sung
Phương pháp cấp khí bổ sung có thể được áp dụng trên nhiều loại động cơ Diesel khác nhau, bao gồm cả động cơ trên bờ và dưới tàu thủy. Nó đặc biệt hữu ích cho các động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ chuyển tiếp, chẳng hạn như động cơ trong xe tải, tàu thuyền và máy phát điện. Việc triển khai phương pháp này đòi hỏi sự điều chỉnh và tối ưu hóa để phù hợp với từng loại động cơ và điều kiện vận hành cụ thể.
IV. Tính Toán Lập Trình Cải Thiện Turbin Tăng Áp Diesel MATLAB
Nghiên cứu này sử dụng phương pháp cấp khí bổ sung để cải thiện hoạt động của tổ hợp turbin tăng áp khi động cơ Diesel làm việc ở chế độ chuyển tiếp. Quá trình bao gồm lựa chọn động cơ để tính toán, viết chương trình tính, xây dựng đặc tính máy nén, tính toán quá trình thay đổi tải và lập chương trình tính trên ngôn ngữ Matlab. Matlab được sử dụng để xây dựng đặc tính hàm lưu động tương đối, mối quan hệ giữa tỉ số áp suất và khối lượng khí nạp, suất tiêu hao không khí, lượng cấp khí bổ sung và công suất máy nén, hệ số dư lượng không khí và hiệu suất chỉ thị của động cơ.
4.1. Lựa Chọn Động Cơ Xây Dựng Đặc Tính Máy Nén
Việc lựa chọn động cơ phù hợp là bước quan trọng trong quá trình tính toán và mô phỏng. Sau khi lựa chọn động cơ, cần xây dựng đặc tính máy nén để mô tả hiệu suất của nó trong các điều kiện vận hành khác nhau. Đặc tính máy nén thường được biểu diễn bằng các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa áp suất, lưu lượng và hiệu suất.
4.2. Lập Trình Tính Toán Quá Trình Thay Đổi Tải Bằng MATLAB
Chương trình tính toán được lập trên ngôn ngữ Matlab để mô phỏng quá trình thay đổi tải của động cơ. Chương trình này sử dụng các phương trình và mô hình toán học để mô tả các quá trình vật lý và hóa học diễn ra trong động cơ, bao gồm quá trình nạp, nén, cháy và xả. Chương trình cũng tính toán các thông số quan trọng như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và hiệu suất.
4.3. Đánh Giá Chất Lượng Quá Trình Thay Đổi Tải Động Cơ Diesel
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của quá trình thay đổi tải bao gồm thời gian đáp ứng, độ ổn định và hiệu suất. Thời gian đáp ứng là thời gian cần thiết để động cơ đạt được tốc độ và tải mong muốn sau khi có sự thay đổi tải. Độ ổn định là khả năng của động cơ duy trì tốc độ và tải ổn định trong điều kiện tải thay đổi. Hiệu suất là tỷ lệ giữa công suất đầu ra và năng lượng đầu vào.
V. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Turbin Tăng Áp
Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp cải thiện hoạt động của tổ hợp turbin tăng áp khi động cơ Diesel làm việc ở chế độ chuyển tiếp bằng cách sử dụng cấp khí bổ sung. Kết quả cho thấy phương pháp này có tiềm năng cải thiện tính đáp ứng, tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khói thải. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa hệ thống cấp khí bổ sung và đánh giá hiệu quả của nó trong các điều kiện vận hành khác nhau.
5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Cải Thiện Turbin Tăng Áp
Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc cấp khí bổ sung có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của turbin tăng áp trong chế độ chuyển tiếp. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thiết kế hệ thống cấp khí bổ sung, đặc tính của động cơ và điều kiện vận hành.
5.2. Kiến Nghị Hướng Phát Triển Của Đề Tài Nghiên Cứu
Các hướng phát triển tiềm năng của đề tài bao gồm nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống cấp khí bổ sung tiên tiến hơn, sử dụng các vật liệu mới cho turbin tăng áp để tăng hiệu suất và độ bền, và tích hợp hệ thống cấp khí bổ sung với các hệ thống điều khiển động cơ khác để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể. Ngoài ra, cần có thêm nghiên cứu về tác động của hệ thống cấp khí bổ sung đến tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ.
