Hệ thống cân bằng điện tử ESP trên ô tô 1

Một động cơ có trang bị turbo tăng áp sẽ sản sinh ra nhiều công suất hơn so với động cơ cùng kích cỡ nhưng không có turbo tăng áp, nó cũng cải thiện một cách đáng kể tỷ lệ công suất sinh

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG CĐKT LÝ TỰ TRỌNG

KHOA ĐỘNG LỰC



Tiểu luận

Môn học: NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ

Đề tài :

Hệ thống tăng áp (TUBRO)

TP.HCM, tháng 1 năm 2014

GVHD: Võ Đắc Thịnh SVTH : Nguyễn thanh nhân

Lê quang trung Lớp : 13CD Ô5

Lời cám ơn

Chúng em xin chân thành cảm

ơn thầy giáo Võ Đắc Thịnh đã

tận tình giảng dạy và giúp đỡ

chúng em trong suốt quá trình

học tập, nghiên cứu tạo mọi điều

kiện thuận lợi giúp đỡ chúng em

trong quá trình thực hiện đề tài

Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng

chắc chắn tiểu luận của chúng

em còn có rất nhiều thiếu sót

Rất mong nhận được sự góp ý

của thầy và các bạn cùng lớp

Xin chân thành cám ơn!

Lời nhận xét:

LỜI NÓI ĐẦU

Bài tiểu luận này nhằm mục đích giới thiệu và khái quát sơ bộ về hệ thống tăng áp (tubro).

I) GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TĂNG ÁP (TUBRO)

II) NGUYÊN LÝ HOẠT DỘNG TUBRO TĂNG ÁP

III) ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI TUBRO HAY NHIỀU TUBRO

I GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TĂNG ÁP (TUBRO).

Để tăng hiệu suất đốt, nâng công suất động cơ, tăng áp luôn là sự lựa chọn hàng đầu Tăng áp cho động cơ đốt trong được chia làm 2 loại: turbocharger và supercharger

HÌNH 1.1

Có thể hiểu turbocharge như một chiếc bơm không khí vận hành nhờ năng lượng của khí thải từ động cơ Khi hỗn hợp khí thải nóng bị đẩy ra khỏi động cơ, chúng sẽ được dẫn tới một tuốc-bin cánh quạt có tốc độ quay rất nhanh (từ 30.000 – 120.000 vòng/phút) Tuốc-bin cánh quạt này sẽ truyền động lực qua trục tới một tuốc-bin cánh quạt khác, được gọi là máy nén khí để nén hỗn hợp khí và nhiên liệu đốt vào động cơ

HÌNH 1.2 ( SƠ ĐỒ TĂNG ÁP TUBRO)

Ưu điểm của turbocharge: tận dụng được năng lượng khí thải, tiếng động phát ra từ ống bô êm hơn và không cần tới bộ giảm thanh lớn

Nhược điểm của turbocharge: giá thành chế tạo cao hơn động cơ không tăng áp do

bổ sung thêm các chi tiết, phải cải tiến vật liệu trong xy-lanh, buồng đốt…vv, để chịu được áp suất lớn hơn Và nhược điểm lớn nhất của turbocharge là “độ trễ”, nghĩa là khoảng thời gian từ khi đạp ga cho tới khi động cơ bắt đầu “tăng tốc” Nguyên nhân chính gây ra điều này là do áp suất tăng áp phụ thuộc vào tốc độ luân chuyển của khí thải nên turbocharge không tạo ra nhiều lực nén khi động cơ có tốc độ tua thấp do đó phải mất thời gian để có đủ áp suất

Trong những chiếc xe cũ trước đây, độ trễ này có thể tạo ra cảm giác như xe đang dừng lại Ngược lại, vận tốc tua của động cơ càng nhanh thì áp suất mà tăng áp tạo ra sẽ càng lớn và trong thường hợp này, turbocharge lại phải cần tới một chiếc van gọi là “cửa xả” (wastegate) để xả lượng khí vượt mức qui định

Nhờ sử dụng turbocharger nhỏ hơn, turbocharger có thể thay đổi thiết diện cánh quạt hoặc kết hợp cả hai giải pháp này với nhau, các động cơ hiện đại ngày nay hầu như đã loại bỏ được tình trạng trễ này Động cơ 6 xylanh tăng áp kép của BMW là dẫn chứng điển hình, nó có thể tạo ra sức mạnh ngay lập tức ở bất kỳ thời điểm hay tốc độ nào

II) NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TUBRO TĂNG ÁP.

Nguyên lý hoạt động của turbo tăng áp

Turbo tăng áp thường được lắp trong các động cơ diesel cỡ lớn Một turbo có thể giúp làm tăng đáng kể công suất của một động

cơ mà không cần phải tăng trọng lượng bản thân động cơ đó Đây chính ưu điểm to lớn mà các turbo tăng áp mang lại.

Trong bài viết này, chúng ta hãy tìm hiểu làm thế nào mà một turbo tăng áp lại có thể làm tăng công suất của một động cơ trong khi vẫn duy trì được điều kiện làm việc tối ưu của động cơ Chúng ta cũng sẽ tìm hiểu làm thế nào để ngăn ngừa sự hao tổn, các cánh tuabin gốm và các ổ bi giúp ích gì cho các turbo tăng áp để cải thiện hiệu suất của nó Các turbo tăng áp là một kiểu hệ thống sinh áp lực một cách cưỡng bức Chúng nén khí vào bên trong các động cơ Lợi ích của việc nén không khí đó là không khí được nén ép vào trong xilanh nhiều hơn Nhiều không khí hơn được nén vào trong xilanh đồng nghĩa với việc nhiên liệu được đưa vào động cơ nhiều hơn Bởi vậy, mỗi kỳ nổ ở xilanh lại sinh

ra nhiều công suất hơn Một động cơ có trang bị turbo tăng áp sẽ sản sinh ra nhiều công suất hơn so với động cơ cùng kích cỡ nhưng không có turbo tăng áp, nó cũng cải thiện một cách đáng kể tỷ lệ công suất sinh ra trên một đơn vị trọng lượng không khí nén vào động cơ

Để tăng khả năng nạp khí, các turbo tăng áp sử dụng dòng lưu lượng khí xả từ động cơ để làm quay cánh turbin, các cánh tuabin của turbo tăng áp quay ở tốc độ lên tới 150.000

vòng/phút, như vậy có thể cao hơn gấp 30 lần so với hầu hết các động cơ xe có thể làm được Và với phương áp bố trí nối với ống xả như vậy, nhiệt độ trong các turbo cũng rất cao

Turbo tăng áp và động cơ.

Nhìn chung, công suất của động cơ được xác định bởi lượng hỗn hợp không nhiên liệu đốt cháy trong một quãng thời gian nhất định và lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu càng tăng thì công suất động cơ càng lớn Điều đó có nghĩa là, để tăng công suất động cơ thì phải tăng đường kính xilanh, tăng số lượng xilanh hoặc tăng tốc độ của động cơ Vấn đề là ở chỗ, khi tăng đường kính xilanh hoặc số lượng xilanh thì trọng lượng của động cơ cũng tăng lên và các yếu tố như là tổn thất do ma sát, rung động, và tiếng ồn lại hạn chế khả năng tăng tốc độ của động cơ

Turbo tăng áp đáp ứng được cả hai yêu cầu mâu thuẫn nhau này: tăng công suất động cơ

mà vẫn giữ cho động cơ gọn nhẹ, bằng cách cung cấp khối lượng hỗn hợp không khí-nhiên liệu lớn hơn mà không thay đổi kích thước động cơ

Hình 1.3 Vị tí lắp turbo tăng áp trong xe.

Turbo tăng áp cho phép một động cơ đốt được nhiều nhiên liệu và không khí hơn bằng cách nén chúng nhiều hơn vào trong các xilanh Thông thường việc tăng lưu lượng khí nạp bằng turbo tăng áp tạo ra áp suất khoảng 6 đến 8 Pounds trên diện tích một inch vuông (PSI) Áp suất khí quyển thông thường vào khoảng 14,7 PSI ở mực nước biển, có thể thấy rằng chúng làm tăng thêm khoảng 50% lượng khí nén thêm vào trong động cơ Cho nên có thể làm tăng thêm khoảng 50% công suất động cơ Nhưng hiệu quả tăng công

suất không như vậy, thực tế chúng chỉ có thể giúp tăng công suất động cơ khoảng 30 đến 40% do ảnh hưởng của tổn hao năng lượng

Một lý do khiến nó giảm hiệu quả đến từ thực tế công làm quay các cánh tuabin không phải không tiêu hao năng lượng Do các cánh tuabin được đặt trong đường xả của ống xả làm tăng sự cản trở chuyển động của dòng khí xả, làm áp lực đẩy khí xả ra ngoài trong kỳ

xả của động cơ bị cản trở và sinh ra một áp lực đẩy ngược chiều Việc công suất sinh ra bị tổn hao một phần xảy ra ở tất cả các xilanh của động cơ đánh lửa cùng thời điểm

Kết cấu của turbo tăng áp.

Tuabin nạp khí (tuabin tăng áp) bao gồm khoang tuabin, khoang nén khí, khoang trung tâm, cánh tuabin, cánh nén khí, các ổ trục tự lực hoàn toàn, van cửa xả, bộ chấp hành

HÌNH 1.4

Turbin tăng áp được cố định trên đường ống xả khí bằng các bu lông Khí xả từ các xilanh sẽ làm quay các cách turbin, nó hoạt động theo nguyên lý giống một động cơ turbin khí Turbin được gắn lên cùng một trục với cánh nén khí, cánh nén khí được đặt giữa bộ lọc khí và đường ống dẫn khí nạp Nhờ cách nén khí, không khí được nén vào trong các xilanh với áp suất cao

HÌNH 1.5

Dòng khí xả từ các xilanh thổi ra tạo áp lực lên các cánh tuabin làm tuabin quay Càng nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin thì tuabin quay càng nhanh Cánh tuabin phải chịu được nhiệt và có độ bền cao vì nó tiếp xúc trực tiếp với khí xả, quay với tốc độ cao

và trở nên rất nóng Bởi vậy, nó được làm bằng hợp kim siêu chịu nhiệt hoặc bằng gốm Mặt khác trên một đầu còn lại của trục tuabin, cánh nén khí được gắn vào để đẩy không khí vào trong các xilanh Các cánh nén khí là một loại bơm ly tâm, nó hướng dòng không khí từ tâm quay theo biên dạng cánh hướng ra ngoài

Để có thể tăng tốc độ quay lến đến 150.000 vòng/phút, trục của tuabin được đỡ bởi một ô

bi đặc biệt Hầu hết các ổ bi đều bị quá hủy ở tốc độ như thế, cho hầu hết các turbin tăng

áp đều sử dụng loại ổ đỡ chất lỏng Loại ổ bi này đỡ lấy trục tuabin bằng một lớp dầu cực mỏng Điều này đạt được hai mục đích: trục quay của tuabin được làm mát và nó cho phép trục quay với lực cản ma sát thấp…

Van cửa xả được lắp trong khoang tuabin Khi van này mở thì một phần khí xả sẽ đi tắt qua ống xả, nhờ thế mà giữ ổn định cho áp suất nạp, khi áp suất nạp đạt đến trị số đã định (khoảng 0,7 kg/cm2) Việc đóng mở van được kiểm soát bởi bộ chấp hành

Một trong những vấn đề chính đối với turbo tăng áp đó là chúng không làm tăng công suất ngay lập tức khi bạn đạp ga Phải mất khoảng vài giây đồng hồ để turbo tăng vận tốc trước khi tác dụng khuyếch đại công suất Kết quả là một độ trễ xuất hiện khi bạn đạp ga

và sau đó chiếc xe bất tthình lình chòm lên khi tubro bắt đầu làm việc

Một cách để làm giảm độ trễ tác dụng của turbo là giảm tác dụng quán tính của các

bộ phận quay, chính là làm giảm trọng lượng bản thân của chúng Điều này cho phép cánh turbin và cánh nén khí có thể tăng tốc rất nhanh và hỗ trợ tăng cường công suất cho động cơ sớm hơn Một cách chắc chắn để giảm độ quán tính của cánh turbin và cánh nén khí là chế tạo chúng có kích thước nhỏ hơn Một turbo có kích thước nhỏ hơn sẽ tác dụng giúp tăng cường công suất cho động cơ nhanh hơn ở tốc độ động cơ thấp nhưng có thể không có tác dụng tăng công suất ở tốc độ động cơ cao khi một lượng lớn khí nạp được nén vào trong động cơ Nó cũng nguy hiểm hơn khi tốc độ quay của tuabin quá nhanh ở tốc độ động cơ cao khi có nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin

Các turbo tăng áp có kích thước lớn hơn có thể giúp tăng công suất động cơ nhiều hơn ở tốc độ cao nhưng lại sinh ra một độ trễ tác dụng rất lớn bởi vì nó mất nhiều thời gian hơn

để tăng tốc độ quay của cánh turbin và cánh nén khí do chúng nặng hơn Để khắc phục được hạn chế này, người ta đã chế tạo một số bộ phận đặc biệt đi kèm với nó.Hầu hết các động cơ có gắn turbo tăng áp để có một mức hao phí nhất định, điều này bắt buộc phải sử dụng một turbo tăng áp nhỏ hơn để giảm độ trễ trong khi ngăn nó khỏi quay quá nhanh ở tốc độ động cơ cao Để ngăn hao tổn, trong turbo bố trí một van đặc biệt cho phép khí xả

đi tắt qua các cánh turbin Van này có độ nhạy lớn với sự tăng áp đột ngột Nếu áp suất tăng lên quá cao, nó có thể xác nhận rằng tuabin quay quá nhanh và mở ra cho phép một lượng khí xả đi vòng qua cánh tuabin và làm giảm tốc độ tuabin

HÌNH 1.6

Một số turbo tăng áp sử dụng vòng bi cầu thay vì sử dụng loại ổ đệm chất lỏng để đỡ lấy trục của tuabin Nhưng chúng không phải là loại ổ bi cầu thông thường, chúng là các

ổ bi tự lựa có độ chinh xác rất cao được làm từ loại vật liệu cao cấp để có thể chịu được tốc độ quay và nhiệt độ sinh ra từ các turbo tăng áp Chúng cho phép các trục tuabin có thể quay với lực ma sát sinh ra thấp hơn các loại ổ đỡ chất lỏng được sử dụng trong hầu hết các turbo tăng áp Chúng cho phép các trục có trọng lượng nhẹ hơn và quay chậm hơn

có thể làm việc hiệu quả Đây là điều giúp các turbo tăng áp có thể tăng tốc nhanh hơn,

giảm được độ trễ đến mức thấp hơn.

Các cách turbin được làm bằng gốm thường nhẹ hơn các cánh turbin được làm bằng kim loại phổ biến trong hầu hết các turbo tăng áp Trái lại, chúng lại cho phép các turbin quay nhanh hơn, và giảm được độ trễ tác dụng

III) ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG HAI TUBRO HAY NHIỀU TUBRO

Một số động cơ sử dụng hai turbo tăng áp với kích thước khác nhau Turbo có kích thước nhỏ hơn quay với tốc độ nhanh hơn, giảm được độ trễ tác dụng trong khi turbo có kích thước lớn hơn có thể đạt khả năng tăng công suất nhanh hơn ở tốc độ động cơ cao

HÌNH 1.7

Khi hai tuabin cùng làm việc ở điều kiện tải nhẹ hoặc tốc độ thấp, tính thích ứng của động cơ được cải thiện, ví dụ thích ứng với tăng tốc Khi hai tuabin cùng làm việc ở điều kiện tải nặng hoặc tốc độ cao, động cơ có thể sản ra công suất cao Khi chỉ có một tuabin thì động cơ khó đạt được hiệu quả cao ở cả hai chế độ làm việc với tải trọng nặng và tải trọng nhẹ Trong trường hợp này chỉ có thể đạt được hiệu quả cao ở một trong hai chế độ Tuy nhiên, tuabin kép sử dụng van điều khiển khí xả và van phân dòng Nó điều khiển cho một tuabin làm việc ở chế độ tải nhẹ và hai tuabin làm việc ở chế độ tải nặng hoặc tốc độ cao, để tăng tính thích ứng của động cơ ở mọi tốc độ và đạt được công suất cao

Khi không khí được nén lại, nó được hâm nóng lên và khi không khí nóng lên, nó sẽ giãn nở Bởi vậy áp suất trong turbo tăng lên một cách đáng kể và kết quả là không khí nóng lên trước khi đi vào động cơ Để tăng công suất của động cơ, phải đạt được một mục tiêu là đưa thêm nhiều phân tử khí vào trong xilanh mà không làm tăng áp suất khí

Để đạt được điều này, một bộ làm mát trung gian hay một bộ làm mát khí nạp được lắp thêm vào hệ thống, nó được xem như là một két làm mát nhưng chỉ khác là không khí được thổi đi vào và đi ra khỏi bộ làm mát trung gian này Có hai kiểu bộ làm mát trung

gian: Kiểu làm mát bằng không khí và kiểu làm mát bằng nước Hiện nay chỉ có kiểu làm mát bằng không khí là được sử dụng Tuỳ theo kiểu động cơ mà vị trí lắp bộ làm mát trung gian có khác nhau Khí nạp được thổi qua một đường ống dẫn kín bên trong bộ làm mát trong khi đó không khí từ bên ngoài được đẩy cưỡng bức qua các cánh tản nhiệt của

nó bằng quạt làm mát động cơ

HÌNH 1.8

Bộ làm mát khí nạp giúp tăng công suất của động cơ bằng cách làm mát khí nén đi ra

từ cánh nén khí của turbin trước khi đi vào trong động cơ Điều này có nghĩa là nếu turbo tăng áp tạo ra một áp suất nén khoảng 7 PSI, hệ thống lám mát khí nạp sẽ làm nguội không khí có áp suất 7 PSI này, có nghĩa là nó trở nến đậm đặc hơn và chứa nhiều phân

tử khí hơn một khối không khi nóng

Một turbo tăng áp cũng giúp tăng mật độ khí nén khi càng lên cao sự đậm đặc của không khí càng bị giảm đi Động cơ bình thường thực tế bị giảm công suất khi càng lên cao so với mực nước biển bởi vì mỗi hành trình nén của piston, động cơ sẽ nén được ít không khí hơn về khối lượng Một động cơ có turbo tăng áp cũng bị giảm công suất nhưng sự giảm công suất này sẽ ít ảnh hưởng hơn bởi vì không khí loãng hơn dễ được đẩy qua các cánh nén khí của turbo hơn

Các loại xe cũ với động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu cacbuarato, tự động tăng

tỷ lệ nhiên liệu để phù hợp hơn với sự tăng lưu lượng khí nạp đi vào trong các xilanh Các loại xe hiện đại ngày nay sử dụng loại động cơ phun nhiên liệu điện tử cũng đạt được điều này ở mức độ tối ưu hơn Hệ thống phun nhiên liệu điện tử sử dụng các cảm biến ôxi trong đường ống xả để đo tỷ lệ không khí – nhiên liệu một cách chính xác Bởi vậy, hệ thống này sẽ tự động tăng lượng nhiên liệu nạp vào nếu được trang bị thêm turbo tăng áp Nếu turbo tăng áp tăng lượng khí nạp nhanh quá mức đòi hỏi phải tăng lượng nhiên liệu phun vào phù hợp, hệ thống phun nhiên liệu có thể không cung cấp đủ nhiên liệu,

cũng như là chương trình phần mềm trong bộ điều khiển không cho phép hoặc bơm nhiên liệu và vòi phun không đủ khả năng cung cấp đủ cho nhu cầu Trong trường hợp này, một

số điều chỉnh khác được thiết lập để thu được hiệu quả cao nhất từ turbo tăng áp

Đối với động cơ điêzen, bộ bù nạp sẽ tăng lượng bơm nhiên liệu cực đại phù hợp với

áp suất nạp

HÌNH 1.9

Trong động cơ điều khiển bằng máy tính, lượng không khí nạp được theo dõi bằng cảm biến lưu lượng khí nạp, còn áp suất nạp được theo dõi bằng bộ cảm biến áp suất của tuabin nạp và sự tăng lượng phun nhiên liệu cực đại được điều khiển bằng ECU của động cơ