CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu chung về đề tài Thời gian làm việc của các động cơ Diesel 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. Theo truyền thống, đại đa số các nghiên cứu về hoạt động của động cơ Diesel 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 các chế độ hoạt động của động cơ mà các thông số không thay đổi theo thời gian hay còn được gọi là chế 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 thời 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 phải qua các chế độ động hay gọi là giai đoạn chuyển tiếp. Khi thiết kế chế tạo động cơ Diesel, chế độ được lựa chọn để thiết kế là chế độ làm việc định mức ứng với một chế độ khai thác thường xuyên của động cơ. Trong quá trình khai thác thực tế thì lại không phải như vậy, do tính chất của phụ tải hoặc các chế độ khai thác đối với các phương 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 lượng hoà 4 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 hướng 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 trường. Sau đây xét đến ảnh hưởng của động cơ đến môi trường và tính kinh tế, tính làm việc ổn định của động cơ trong quá trình khai thác động cơ: 1. Ảnh hưởng của quá trình khai thác động cơ đến môi trường Tất cả các động cơ đốt trong nói chung và đối với động cơ Diesel nói riêng đều gây tiếng ồn và làm ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí xả làm ô nhiễm môi trường không khí.
Trong quá trình hoạt động động cơ thực hiện trao đổi nhiệt không ngừng với môi trường 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 trường. 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 lượng theo % thể tích của chúng như sau: Bảng 1.1: Hàm lượng phần trăm theo thể tích thành phần của khí xả Nitơ Ôxy Hơi nước Khícacbonic Khí sunfurơ Hidrô 76-78 2-15 0,5-6 1-14 0,01-0,1 0-0,1 Ôxít Cacbua Anđêhit Muội (g/m3) Ôxít nitơ cácbon hyđrô 0,01-0,5 0,001-0,05 0,009-0,05 0,01-1,1 0,002-0,5 Độc tố trong khí thải được xác định bằng hàm lượng có trong khí thải các chất ôxit nitơ, ôxit cacbon, anđêhit, hyđrô cacbon mạch hở, hyđrô cacbon 5 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 Diesel khi cháy ở điều kiện không đủ ôxy. Do tính độc cao của ôxit nitơ và ôxit cacbon nên hàm lượng của chúng trong khí xả phải hạn chế.
Tại một số nước phát triển như Mỹ hoặc các nước châu Âu đã có giới hạn cho phép về nồng độ chất thải của động cơ ra môi trường. 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 trường. Đối với các động cơ thường xuyên làm việc ở các chế độ không ổn định thì vùng làm việc hầu như 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 mômen quay và mômen cản làm cho tỉ số giữa lượng nhiên liệu và lượng không khí cấp vào động cơ không tương ứng.
Điều đó dẫn đến làm xấu chất lượng quá trình cháy, hiệu suất chỉ thị giảm rõ rệt so với chế độ ổn định tương ứng. Điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất là chế độ đóng tải đột ngột, đặc biệt đối với động cơ có tăng áp tuabin khí xả. Khi làm việc ở chế độ này lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tăng lên đạt giới hạn trên, trong khi đó lượng không khí cấp tăng lên không nhiều do quán tính của rôto tuabin máy nén, nên hệ số dư lượng không khí giảm nhanh, chất lượng cháy hỗn hợp xấu đi rõ rệt. Phần nhiên liệu phun vào xilanh quá lớn so với lượng 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 trường.
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 thải muội là do áp suất không khí tăng áp và số vòng quay của động cơ bé hơn giá trị tương ứng với lượng nhiên liệu được phun vào, phần nhiên liệu rơi vào thành buồng cháy cũng tăng lên, quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở. Ảnh hưởng của chế độ thay đổi tải đến độ mài mòn các chi tiết làm việc của động cơ. Nguyên nhân làm thay đổi chất lượng quá trình công tác trong xi lanh động cơ 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. Khi đánh giá các chế độ không ổn định của động cơ đến mài mòn các chi tiết và tuổi thọ động cơ thường 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. 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 7 cậy, giảm các chỉ tiêu kinh tế và tuổi thọ của động cơ, tăng độc tố trong khí xả thải ra môi trường. Tình hình khai thác sử dụng động cơ Diesel ở Việt Nam Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của tiến bộ khoa học kỹ thuật, động cơ Diesel không ngừng được cải tiến và hoàn thiện và ngày càng khẳng định vị trí số một của mình trong số các thiết bị động lực được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực kinh tế: giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thuỷ.), công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng và quốc phòng v. Tuy nhiên do quá trình nạp sạch khí thải và nạp khí mới ở động cơ bốn kỳ tiến hành tương đối hoàn hảo hơn so với động cơ hai kỳ, đồng thời bằng phương 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 Diesel bốn kỳ tăng áp bằng tuabin khí xả rất được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kinh tế quốc dân.
Khi khai thác loại động cơ này do tải ngoài của động cơ thường xuyên thay đổi nên động cơ phải thường 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 hướng 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, mômen cản tăng lên làm tốc độ của động cơ giảm xuống, thông qua bộ điều tốc đẩy thanh răng tăng nhanh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình. Trong khi đó do tính trễ của tuabin máy nén nên tuabin máy nén chưa kịp tăng tốc cấp thêm không khí cho động cơ.
Kết quả là hoà khí quá đậm làm giảm chất lượng chu trình công tác, 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 trường. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài Ở nước ngoài vấn đề này được 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.