Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 76

CHƯƠNG 5
QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI KHÍ Ở ĐỘNG CƠ HAI KỲ

5.1 Các đặc điểm của quá trình
Mục đích của quá trình trao đồi khí trong động cơ diesel nói chung và hai kỳ
nói riêng là thải hết khí cháy trong xy lanh và thay thế bằng không khí sạch.
Động cơ diesel hai kỳ không có các hành trình thải và hút cưỡng bức; do đó,
không khí nạp phải được nén bằng thiết bị phụ để đạt được áp suất lớn hơn áp
suất khí cháy ở giai đoạn quét khí trong xy lanh động cơ.
Để đảm bảo tốt nhất quá trình trao đổ
i khí, động cơ hai kỳ cần phải được
đảm bảo các yêu cầu sau đây:
- Đóng mở hợp lý các cửa nạp và cửa xả.
- Các cửa nạp và cửa xả phải có hình dạng hợp lý đối với dòng chảy khí
động học.
- Các thiết bị cung cấp khí xả và tận dụng nhiệt khí xả phải đảm bảo đủ
khả năng lưu lượng với yêu cầu cần thi
ết.
5.2 Các giai đoạn của quá trình trao đổi khí
Toàn bộ diễn biến quá trình trao đổi khí được chia thành ba giai đoạn (hình 5.1) Hình 5.1 Các giai đoạn của quá trình trao đổi khí

- Giai đoạn 1: bg được gọi là giai đoạn xả tự do, trong đó b là thời điểm
mở cơ cấu xả, còn g là thời điểm áp suất khí cháy trong xy lanh động cơ đạt giá
trị thấp nhất. Trong giai đoạn này, khí xả tự thoát ra khỏi xy lanh nhờ năng lượng
ban đầu và quán tính của dòng chảy với tốc độ khoảng 1000 m/s. Giai đoạn này

trong xy lanh giảm.
- Giai đoạn 3: f-i được gọi là giai đoạn tổn thất nạp trong đó i là thời
điểm đóng cửa xả. Trong giai đoạn này, không khí nạp không còn c
ấp vào xy
lanh nhưng cửa xả vẫn mở, nên không khí nạp thoát ra ngoài qua cửa xả.
Các pha trao đổi khí liên quan chặt chẽ với nhau và phụ thuộc vào nhiều
yếu tố. Chất lượng của toàn bộ các quá trình trao đổi khí sẽ quyết định các chỉ
tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ.
5.3 Thời gian tiết diện trao đổi khí
5.3.1 Khái niệm đồ thị thời gian tiết diện
Đồ thị về sự thay đổi tiết diện cửa quét và cửa xả theo vị trí của piston hoặc
góc quay trục khuỷu hoặc thời gian gọi là đồ thị thời gian tiết diện
. Về trị số, thời
gian tiết diện được tính theo công thức:

()
(
)
tdtfF ∫= [m
2
.s] (5.1)
Đồ thị được biểu diễn trên hệ tọa độ Đê-các với trục tung là trị số tiết diện
cửa quét hoặc cửa xả f(m
2
), trục hoành là thời gian τ (s) hoặc góc quay trục
khuỷu φ.
5.3.2 Xây dựng đồ thị thời gian tiết diện
Đồ thị thời gian tiết diện được xây dựng theo phương pháp Brica, hình 5.2
Giả sử động cơ có bán kính khuỷu là R, chiều dài tay biên là L, chiều cao
cửa xả là h

1
’ (hình 5.2 a). Nối các điểm A
1
và A
1
’ với điểm O’ rồi từ O
kẻ các đường OA
0
và OA
0
’ song song với O’A
1
và O’A
1
’. Góc φ = A
0
OA
0
’ =
A
1
O’A
1
’ chính là góc mở toàn bộ cơ cấu nạp hoặc xả, điểm A
0
tương ứng với
vị trí piston bắt đầu đóng cửa xả (nếu h
i
=h
1


Hình5.2 Đồ thị thời gian thiết diện

5.3.3 Các pha trao đổi khí trên đồ thị thời gian tiết diện
Các pha trao đổi khí trên đồ thị thời gian tiết diện, bao gồm:
- F
1
pha xả tự do, quyết định làm giảm áp suất khí cháy trong xy lanh thấp
hơn áp suất không khí nạp vào thời điểm mở xupap nạp.
- F
2
pha nạp, cùng với F
3
pha xả cưỡng bức, quyết định lượng không khí nạp
vào xy lanh, chất lượng quét sạch xy lanh và chi phí không khí cho việc quét sạch
khí cháy trong xy lanh động cơ.
- F
4
pha tổn thất nạp, làm mất một phần không khí nạp theo đường xả. Cần
hạn chế hoặc loại bỏ pha này.
5.3.4 Đánh giá chất lượng quá trình trao đổi khí
Chất lượng quá trình trao đổi khí được đánh giá bằng các thông số sau đây:
- Lượng khí cháy tức thời còn sót lại trong xy lanh động cơ ở thời điểm góc
quay trục khuỷu φ: G
ks
(φ) và khi kết thúc trao đổi khí G
ks
[kg];
- Lượng không khí nạp (sạch) đi qua cửa quét vào xy lanh động cơ ở thời
điểm góc quay trục khuỷu φ: G

(φ) – G
k
(φ)] cho
phép đánh giá lượng chi phí không khí sạch cho việc quét khí. Như vậy trong
khoảng giá trị góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu mở cửa quét đến thời điểm k, ta
có [G
kq
(φ) = G
k
(φ)]

Hình 5.3 Sự thay đổi các thành phần không khí, khí cháy khi trao đổi khí

Trị số lớn nhất G
k
cho thấy toàn bộ lượng không khí chi phí cho việc quét
khí và nạp. Trong giai đoạn từ thời điểm gần đóng cửa quét đến khi đóng cửa xả,
lượng khí sạch còn lại trong xy lanh động cơ G
k
(φ) giảm xuống do ảnh hưởng
cùa tổn thất nạp. Tổn thất nạp là pha không có lợi cho quá trình trao đổi khí. Các
biện pháp được áp dụng để hạn chế ảnh hưởng của pha này như chọn phương án
tăng áp, quét khí, đặt các thiết bị phụ như bướm chắn …
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng quá trình trao đổi khí:
-
Hệ số quét khí φ
a
là tỷ số giữa lượng không khí nạp đã đi qua cửa quét vào
xy lanh động cơ G
kq

= 1,6 ÷1,65
Với động cơ bốn kỳ φ
a
= 1,0 ÷ 1,2
-
Hệ số khí sót γ
r
là tỷ số giữa lượng khí cháy còn sót lại trong xy lanh động
cơ G
s
với lượng không khí nạp còn lại trong xy lanh động cơ G
kk
tính đến cuối
thời điểm kết thúc quá trình trao đổi khí.

s
r
kk
G
G
γ
= (5-3)
Trị số γ
r
càng nhỏ thì chất lượng của quá trình quét khí càng cao, quá trình
trao đổi khí càng hoàn thiện. Giá trị γ
r
nhỏ cho thấy lượng khí sót còn lại trong xy
lanh ít và lượng khí sạch nạp vào xy lanh càng nhiều. Giá trị γ
r

cơ G
kk
với lượng không khí có thể chứa được trong thể tích công tác V
s
với thông
số của không khí trước cửa nạp P
0
và T
0
(đối với động cơ không tăng áp) hoặc P
s

và T
s
(đối với động cơ có tăng áp)

s
kk
n
G
G
=
η
(5-4)
Giá trị η
n
đánh giá khả năng sử dụng thể tích xy lanh trong quá trình trao đổi
khí. Khi η
n
càng lớn thì hiệu quả sử dụng thể tích xy lanh trong quá trình trao đổi

s
mnk
k
Vi
V
.
=
ϕ
(5-5)
Hệ số lưu lượng không khí nạp hình học φ
k
phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống
quét khí của động cơ và áp suất tăng áp p
k
.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 81

Đối với động cơ thấp tốc không tăng áp: φ
k
= 1,15 ÷ 1,25
Đối với động cơ diesel thấp tốc có tăng áp: φ
k
= 1,40 ÷ 1,60
Đối với động cơ diesel cao tốc: φ
k
= 1,40 ÷ 1,50
5.4 Ảnh hưởng của phương pháp sử dụng tăng áp đến quá trình trao đổi khí
trong động cơ hai kỳ:
Do đặc điểm của động cơ hai kỳ, quá trình trao đổi khí diễn ra mà không có

động chênh lệch áp suất ban đầu, lượng khí xả chảy từ xy lanh sang ống xả sẽ
giảm đi nhanh chóng. Ngay bản thân tua bin, với khả năng thông qua không cao,
nó sẽ hãm dòng chảy và làm áp suất khí xả trong đường ống trước nó giảm xuống
từ từ. Trong khoảng th
ời gian nào đó, ngay trước khi mở cửa quét, sự chảy khí
cháy từ xy lanh động cơ sau giai đoạn xả tự do (đoạn bd) không giảm kịp đến áp
suất không khí nạp trong bình chứa P
s
. Như vậy tại điểm d là điểm bắt đầu mở
cửa quét (cửa nạp, trên đồ thị thời gian tiết diện), thực tế khí quét đã không cấp
được vào trong xy lanh động cơ mà phải đợi đến điểm bắt đầu quét (điểm e)
tương ứng với vị trí của piston mà tại đó áp suất không khí trong bình chứa và
khí cháy trong xy lanh bắt đầu cân bằng (P
s
= P
xl
). Pha xả tự do kết thúc tại điểm
e.
Sự chênh lệch áp suất khí cháy trong xy lanh động cơ với áp suất không khí
quét trong bầu nạp khi cửa quét đã mở cũng có thể gây ra hiện tượng khí xả đi
ngược vào bầu nạp hoặc gây mở muộn ở cửa nạp. Khi thiết kế tính toán, người ta
luôn cố gắng để hạn chế độ chênh lệch áp suất khi độ mở cửa n
ạp còn rất nhỏ để
tránh trào ngược khí xả vào bầu nạp.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 82

Tuy nhiên trong khai thác, sự thay đổi của áp suất khí nạp, tình trạng tổ hợp
TBK-MN tăng áp cũng ảnh hưởng đến hiện tượng đó.
b. Pha xả cưỡng bức và quét khí

Không khí nạp trong xy lanh không có khả năng tràn ra ngoài đuựơc nữa vì đã
hình thành một “rào chắn” khí xả bên ngoài cửa xả. Hình5.4 Quá trình trao đổi khí ở động cơ 2 kỳ tăng áp xung

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 83

Như thế, pha tổn thất nạp không phải là toàn bộ giai đoạn d’b’ mà chỉ chiếm
một phần của nó là d’a
0
< d’b’. Như vậy việc lựa chọn phương án tăng áp cho
động cơ hai kỳ cũng có thể làm thay đổi thời gian tiết diện và có thể cải thiện
được chất lượng quá trình trao đổi khí.
5.4.2 Trao đổi khí tăng áp đẳng áp
Điểm đặc biệt của sơ đồ tăng áp này là ở chỗ khí xả được xả vào đường ống
góp khí xả chung có thể tích khá lớn mà nhờ đó các xung khí xả bị
triệt tiêu và áp
suất khí xả trước tua bin sẽ ổn định.
Trên hình 5.5 trình bày đồ thị sự thay đổi áp suất của khí xả và không khí
nạp phối hợp với đồ thị thời gian tiết diện trong quá trình trao đổi khí.
a. Pha xả tự do
Giai đoạn này bắt đầu khi piston đi từ ĐCT xuống ĐCD và mở cửa xả (tại
điểm b), khí cháy trong xy lanh có áp suất cao hơn khí xả ở đường ố
ng xả sau xy
lanh, tạo điều kiện cho nó tràn ra mãnh liệt. Tuy nhiên, sự thay đổi áp suất khí xả
trong đường ống xả ở giai đoạn này rất nhỏ và xung áp suất của khí xả tạo thành
gần như không có. Toàn bộ giai đoạn bd, khí xả liên tục chảy từ xy lanh sang
đường ống xả và ở điểm d, vào thời điểm mở cửa quét, áp suất không khí bắt đầu
cân bằng v

vào xy lanh, do đó hệ thống trao đổi khí cần phải có máy nén để thực hiện việ
c
quét khí và nạp khí mới vào trong xy lanh.
Các động cơ diesel hai kỳ dưới tàu thuỷ hiện nay thường sử dụng một số
dạng quét khí sau: Hình5.6 Sơ đồ trao đổi khí ở động cơ 2 kỳ

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 85

a. Qt vòng đặt ngang: (Hình 5.6a) ở các động cơ này cửa qt và cửa xả trên
sơmi xy lanh nằm đối diện nhau. Khí qt sẽ đi ngang qua sơmi xy lanh từ cửa
qt vòng lên trên và đi ra cửa xả ở phía đối diện. Hiệu suất của phương pháp
qt khí này thấp vì có nhiều khí qt đi thẳng từ cửa qt ra cửa xả.
b. Qt vòng đặt một bên:
(Hình 5.6b) ở các động cơ này cửa qt và cửa xả
nằm cùng một phía của sơmi xy lanh. Khí qt đi vào trong sơmi xy lanh qua cửa
qt vòng lên trên đuổi khí cháy trong sơmi xy lanh ra ngồi qua cửa xả. Hiệu
suất qt của phương pháp này cao hơn qt ngang.
c. Qt thẳng qua xupáp:
(Hình 5.6c) Ở các động cơ hai kỳ qt thẳng, các cửa
qt nằm trên sơmi xy lanh và xu páp xả trên nắp sơmi xy lanh, các động cơ
diesel hai kỳ thấp tốc cỡ lớn của hãng MAN-B&W và Sulzer thế hệ mới
RTA là
động cơ hai kỳ qt thẳng loại này. Khí qt đi vào sơmi xy lanh theo hướng tiếp
tuyến nên khơng khí sẽ chuyển động xốy dọc theo vách sơmi xy lanh qt khí
cháy ra ngồi. Chuyển động xốy cùa dòng khí qt trong sơmi xy lanh làm cho
q trình trao đổi khí hồn thiện hơn. Hiệu suất qt của phương pháp này cao
nhất trong các phương pháp trên. hiệu suất