TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG. 1.1 Vài nét về lịch sử tăng áp cho động cơ đốt trong. Động cơ đốt trong (ĐCĐT) có những bước phát triển thăng trầm do nhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụ người ta hi vọng vào một nguồn động lực khác có tính tốt hơn hoặc lo sợ về sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu biểu hiện ở cuộc khủng hoảng những năm 70 của thế kỉ 20. Thêm vào đó là vấn đề ô nhiễm do nó gây ra đối với môi trường và sức khỏe con người. Tuy nhiên, nhờ những phát triển vượt bật, kì diệu trong nghiên cứu, chế tạo đông cơ xăng, diesel đã đánh bại mọi sự nghi ngờ về sự tồn tại phát triển của nó. Nhờ những ưu điểm vượt trội về nhiều mặt: hiệu suất cao trong phạm vi công suất rộng, nhỏ gọn nên ĐCĐT hiện nay chiếm ưu thế tuyệt đối một số lĩnh vực như vận tải đường bộ, đường thủy, phát điện dự phòng… Lịch sử phát triển ĐCĐT luôn gắn liền với lịch sử phát triển tăng áp của nó. 1.1.1 Tăng áp cho động cơ xăng. Động cơ 4 kì làm việc theo nguyên lí đốt cháy cưỡng bức có khả năng sử dụng trong thực tế xuất hiện vào những năm 1876. Năm 1885 Gottlieb Deimler (tiền thẩn hãng ôtô Mercedes Benz) đã có đăng kí phát minh số DRP 34.926 về tăng áp cho động cơ cháy cưỡng bức. Theo bản vẽ và sự mô phỏng trong đăng kí phát minh có thể thấy rõ hộp trục khuỷu được sử dụng như một máy nén – như trong động cơ hai kì quét nhờ hộp trục khuỷu. Khi piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên không khí hoặc hỗn hợp được hút vào hộp trục khuỷu, hành trình ngược lại của piston sẽ là hành trình nén không khí hoặc hỗn hợp trong hộp trục khuỷu, không khí hoặc hỗn hợp chịu nén sẽ đẩy vào xilanh qua một van đặt trong đỉnh piston khi áp suất trong hộp trục khuỷu thắng sức căng của lò xo van. Quá trình nạp vào xilanh chia làm 3 giai đoạn: 1 Cuối quá trình giãn nở khí ở hộp trục khuỷu tràn vào xilanh đẩy khí cháy ra ngoài. 2 Quá trình nạp bình thường. 3 Quá trình nạp thêm vào xilanh ở cuối quá trình nạp. Phát minh chỉ phù hợp với trình độ kĩ thuật thời kì đầu số vòng quay động cơ khoảng 150÷160 vgph. Với thành công này người ta dự định áp dụng thành công này cho động cơ có số vòng cao hơn từ 500÷600 vgph song vì tổn thất dòng chảy qua van quá lớn nên hàm lượng khí nạp vào động cơ không đáng kể. Với nguyên lí tăng áp tương tự Wilhelm Maybach đã thiết kế động cơ chữ V cho hãng Deimler nhưng do công suất tăng lên không đáng kể nên hãng Deimler sau đó đã từ bỏ phương án này. Có lẽ vì kết quả không mấy khả quan ở kết quả đầu tiên nên phải sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, hãng Deimler mới khôi phục lại các thí nghiệm về tăng áp cho động cơ ô tô sau khi thu được hàng loạt kinh nghiệm trong tăng áp cơ khí cho động cơ máy bay, xe đua. 1.1.2 Tăng áp cho động cơ diesel. Ngay trong thời kì hoàn thiện phát minh về động cơ diesel Rudolf Diesel đã đề cập vấn đề tăng áp cho nó. Năm 1896 ông đã bổ sung vào đăng kí phát minh số 67207 về khả năng thực hiện nén nhiều cấp trong động cơ 1 xilanh bằng cách bố trí thêm một bơm nén trước đường nạp, phát minh đăng kí dưới tên DRP 95.680. Kết quả thí nghiệm của Rudolf Diesel được trình bày ở bảng 1.1. Nhờ kết quả này mà năm 1929 lại suất hiện động cơ tăng áp bằng hộp trục khuỷu khác của hãng Werkspoor lắp trên tàu chở dầu “Megava” của tập đoàn dầu mỏ Anglo Saxon. Động cơ diesel ngày nay có nhu cầu tăng áp rất lớn và được áp dunhj với hầu hết các hình thức tăng áp cũng như tổ hợp của nhiều hình thức tăng áp. Thành tựu tăng áp cho động cơ diesel là thành tựu tăng áp đáng kể cho ĐCĐT.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội ngày nay ngày càng phát triển vượt bậc, nhưng theo cùng với sựphát triển này là những nguy cơ đe dọa đến sự tồn tại của trái đất Một trongnhững nguy cơ đó xuất phát từ sự ô nhiễm do khí xả động cơ gây ra Với mộtturbo tăng áp (turbo charger) nắp trên động cơ ôtô chính là một giải pháp hếtsức quan trọng Turbo tăng áp hoạt động với nguyên lí: khí thải ra từ buồngđốt làm quay một tuabin, tuabin này dẫn động đến một turbin thứ hai nằmtrong hệ thống nạp để làm tăng lượng không khí nạp vào buồng đốt (nén ápsuất cao) Như vậy, turbo tăng áp hoạt động như một cơ cấu độc lập, không cóbất kỳ liên hệ cơ khí nào với động cơ chính Nói cách khác, turbo tăng áp sửdụng năng lượng động năng khí thải thường vẫn bị bỏ phí để năng cao năngsuất cũng như hiệu suất của động cơ Vì vậy, sử dụng hệ thống tăng áp bằngturbo tăng áp cho động cơ vừa mang lại tính hiệu quả kinh tế cao nhờ tiếtkiệm năng lượng nhưng đồng thời cũng mang một ý nghĩa quan trọng vàoviệc hạn chế ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ gây ra

Đề tài “ Nghiên Cứu Bộ Tăng Áp Động Cơ (Turbocharger)” Nhằm

nâng cao được kiến thức, kĩ năng về hệ thống tăng áp cho bản thân Củng cố

và nâng cao kiến thức chuyên môn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quytrình kiểm tra, sửa chữa của hệ thống tăng áp trên ô tô Lập được quy trìnhkiểm tra, sửa chữa hệ thống tăng áp làm tài liệu tham khảo cho sinh viênngành công nghệ kỹ thuật ô tô

Với sự tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân và sự hướng dẫn, trao đổi tận

tình của thầy giáo T.S Đỗ Tiến Dũng cùng các thầy, cô giáo trong khoa Kỹ

Thuật Ôtô Và Máy Động Lực Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Saumột thời gian em đã hoàn thành các yêu cầu được giao và thu được nhữngkiến thức nhất định Song do thời gian có hạn và hiểu biết còn hạn chế cùngvới kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên không tránh khỏi những thiếu sót,

kính mong sự đóng góp của thầy cô và các bạn để Đồ Án Tốt Nghiệp của em

được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.S Đỗ Tiến Dũng các thầy, cô

giáo trong Khoa Kỹ thuật Ôtô Và Máy Động Lực trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên, đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Vài nét về lịch sử tăng áp cho động cơ đốt trong.

Động cơ đốt trong (ĐCĐT) có những bước phát triển thăng trầm donhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụ người ta hi vọng vào một nguồn độnglực khác có tính tốt hơn hoặc lo sợ về sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu biểu hiện ởcuộc khủng hoảng những năm 70 của thế kỉ 20 Thêm vào đó là vấn đề ônhiễm do nó gây ra đối với môi trường và sức khỏe con người

Tuy nhiên, nhờ những phát triển vượt bật, kì diệu trong nghiên cứu, chếtạo đông cơ xăng, diesel đã đánh bại mọi sự nghi ngờ về sự tồn tại phát triểncủa nó Nhờ những ưu điểm vượt trội về nhiều mặt: hiệu suất cao trong phạm

vi công suất rộng, nhỏ gọn nên ĐCĐT hiện nay chiếm ưu thế tuyệt đối một sốlĩnh vực như vận tải đường bộ, đường thủy, phát điện dự phòng…

Lịch sử phát triển ĐCĐT luôn gắn liền với lịch sử phát triển tăng ápcủa nó

1.1.1 Tăng áp cho động cơ xăng.

Động cơ 4 kì làm việc theo nguyên lí đốt cháy cưỡng bức có khả năng

sử dụng trong thực tế xuất hiện vào những năm 1876 Năm 1885 GottliebDeimler (tiền thẩn hãng ôtô Mercedes Benz) đã có đăng kí phát minh số DRP34.926 về tăng áp cho động cơ cháy cưỡng bức Theo bản vẽ và sự mô phỏngtrong đăng kí phát minh có thể thấy rõ hộp trục khuỷu được sử dụng như mộtmáy nén – như trong động cơ hai kì quét nhờ hộp trục khuỷu Khi piston đi từđiểm chết dưới lên điểm chết trên không khí hoặc hỗn hợp được hút vào hộptrục khuỷu, hành trình ngược lại của piston sẽ là hành trình nén không khíhoặc hỗn hợp trong hộp trục khuỷu, không khí hoặc hỗn hợp chịu nén sẽ đẩyvào xilanh qua một van đặt trong đỉnh piston khi áp suất trong hộp trục khuỷuthắng sức căng của lò xo van Quá trình nạp vào xilanh chia làm 3 giai đoạn:

1- Cuối quá trình giãn nở khí ở hộp trục khuỷu tràn vào xilanh đẩy khícháy ra ngoài

2- Quá trình nạp bình thường.

3- Quá trình nạp thêm vào xilanh ở cuối quá trình nạp

Phát minh chỉ phù hợp với trình độ kĩ thuật thời kì đầu số vòng quayđộng cơ khoảng 150÷160 vg/ph Với thành công này người ta dự định ápdụng thành công này cho động cơ có số vòng cao hơn từ 500÷600 vg/ph song

vì tổn thất dòng chảy qua van quá lớn nên hàm lượng khí nạp vào động cơkhông đáng kể

Với nguyên lí tăng áp tương tự Wilhelm Maybach đã thiết kế động cơchữ V cho hãng Deimler nhưng do công suất tăng lên không đáng kể nênhãng Deimler sau đó đã từ bỏ phương án này Có lẽ vì kết quả không mấy khảquan ở kết quả đầu tiên nên phải sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, hãngDeimler mới khôi phục lại các thí nghiệm về tăng áp cho động cơ ô tô sau khithu được hàng loạt kinh nghiệm trong tăng áp cơ khí cho động cơ máy bay, xeđua

1.1.2 Tăng áp cho động cơ diesel.

Ngay trong thời kì hoàn thiện phát minh về động cơ diesel RudolfDiesel đã đề cập vấn đề tăng áp cho nó Năm 1896 ông đã bổ sung vào đăng

kí phát minh số 67207 về khả năng thực hiện nén nhiều cấp trong động cơ 1xilanh bằng cách bố trí thêm một bơm nén trước đường nạp, phát minh đăng

kí dưới tên DRP 95.680 Kết quả thí nghiệm của Rudolf Diesel được trình bày

ở bảng 1.1

Nhờ kết quả này mà năm 1929 lại suất hiện động cơ tăng áp bằng hộptrục khuỷu khác của hãng Werkspoor lắp trên tàu chở dầu “Megava” của tậpđoàn dầu mỏ Anglo Saxon

Động cơ diesel ngày nay có nhu cầu tăng áp rất lớn và được áp dunhjvới hầu hết các hình thức tăng áp cũng như tổ hợp của nhiều hình thức tăng

áp Thành tựu tăng áp cho động cơ diesel là thành tựu tăng áp đáng kể cho

Thông số kỹ thuật Có bơm tăng áp Không có bơm tăng áp

1 tuabin hướng trục nhiều cấp, tất cả đều nối chung trên một trục Không khíđược máy nén hút từ môi trường va nén tới áp suất 3÷4 kG/cm2, khí xả saukhi ra khỏi động cơ áp suất khoảng 16 kG/cm2 được giãn nở tiếp và sinhcông trong tuabin

Với kết cấu này Alfed Buchi hi vọng là công tổn thất do giãn nở khônghoàn toàn trong xilanh của động cơ sẽ được thu hồi trong tuabin Tuy vậy,điều hi vọng của Alfed Buchi đều bị tan vỡ bởi hai lí do: thứ nhất là do côngcho quá trình xả quá cao trong khi công sinh bởi tuabin lại bị tiêu phí; thứ hai

là do áp suất trên đường thải quá lớn lên làm cho lượng khí sót trong xilanhquá lớn dẫn đến giảm lượng khí nạp

Từ năm 1911 đến 1914 Alfed Buchi đã xây dựng thiết bị và thực hiệnhàng loạt thí nghiệm ở hãng Sulzer tại Winterthur để tìm các nhân tố khácnhau ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ đốt trong được tăng áp Ở thínghiệm này, Alfed Buchi đã bố trí dẫn động máy nén từ thiết bị bên ngoài vàkhí xả của động cơ được đưa đến sinh công trong tuabin Qua kết quả của thử

nghiệm trên Alfed Buchi đã đưa ra nhận định là để tạo điều kiện cho việc quétbuồng sạch cháy, áp suất khí tăng áp phải lớn hơn áp suất khí xả vào tuabin

và phải sử dụng góc trùng điệp xupap của động cơ đốt trong hợp li

Với kết luận trên Alfed Buchi đã đăng kí phát minh tại Đức số 454107,song vì gặp phải chiến tranh thế giới lần thứ nhất nên mọi dự định của ôngđều không thực hiện được

Năm 1923, BỘ Giao thông Đức đã đưa 2 hợp đồng để đóng tàu vận tảikhách, mỗi động cơ được trang bị 2 động cơ 4 kì 10 xilanh theo mẫu củaMAN Nhờ thực hiện tăng áp theo nguyên lí của Buchi cho phép tăng côngsuất từ 1750 mã lực lên 2500 mã lực Một đặc điểm khác ở đây là trên ống xả

có lắp bướm chuyển dòng để có thể không cho khí xả đi qua tuabin Vây làđộng cơ có thể làm việc với tăng áp hoặc không tăng áp Đây chính là thànhcông đầu tiên về tăng áp của tuabin khí

Năm 1926 Buchi đã thực hiện thí nghiệm về tăng áp theo phát minhtrên ở nhà máy đóng tàu hỏa tại Winterthur, Thụy Sĩ

Hệ thống tăng áp này được hãng BBC Baden thiết kế và chế tạo baogồm có 1 tuabin hướng trục và 1 máy nén li tâm 2 cấp

Các thí nghiệm trên đã thành công công suất động cơ tăng lên 50% mộtcách dễ dàng và trong thời gian ngắn có thể tăng lên 100% Kết quả trên đượcứng dụng trên hàng loạt hãng sản xuất động cơ, trong quá trình phát triểnngười ta càn làm cho ống xả không chỉ hẹp hơn mà còn ngắn hơn, do đó bộtăng áp ngày càng lắp gần động cơ hơn

e h v l

N V n p

30

i H

m o

Vh – dung tích của một xilanh;

nv – hệ số nạp;

pl – khối lượng riêng của khí nạp mới;

QH – nhiệt trị thấp nhất của nhiên liệu;

Mo – lượng không khí lí thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn một đơn vịnhiên liệu;

n - số vòng quay của động cơ;

t – số kì của động cơ;

i – số xi lanh của đông cơ

Chúng ta biết rằng QH, Mo phụ thuộc vào loại nhiên liệu nên thay đổikhông nhiều.Trong nghiên cứu và phát triển hiệu suất chỉ thị cũng như cơ giớiluôn đạt cực đại, không thể đạt cao hơn

Vậy muốn tăng công suất người ta phải tăng khối lượng nhiên liệu đốtcháy trong một đơn vị thời gian bằng cách thay đổi các thông số còn lại nhưsau:

- Tăng số chu trình trong một đơn vị bằng cách tăng số vòng quay n củađộng cơ Khi tăng số vòng quay của động cơ sẽ gây khó khăn cho việc thựchiện quá trình cháy Tác hại hơn nữa là làm cho tốc độ trược trung bình củapiston tăng lên dẫn đến làm tăng tổn thất ma sát, mài mòn của các chi tiểt của

nó và tăng lực quán tính

- Thay đổi số kì từ 4 kì thành 2 kì Nhờ tỉ số của kì sinh công so vớivòng quay của động cơ 2 kì gấp đôi động cơ 4 kì nên có thể tăng nhiệt lượnggiải phóng trong một đơn vị thời gian, song cho đến nay quá trình thay đổi khícủa động cơ 2 kì chưa hoàn chỉnh nên sinh ra tổn thất lớn và ô nhiễm năng

Tuy vậy, trong xu thế phát triển nhằm hoàn thiện quá trình quét thải, phunxăng trực tiếp động cơ 2 kì có tiềm năng phát triển lớn.

- Tăng dung tích công tác Vh hoặc số xilanh i sẽ kéo theo kích thước,thể tích, trọng lượng của động cơ tăng

- Tăng khối lượng không khí nạp vào xilanh bằng cách tăng khối lượngriêng của không khí pk Muốn vậy phải tiến hành nén môi chất nạp trước khiđưa vào xilanh, tức là tăng áp suất của môi chất nạp Do khối lượng không khíđược nạp vào xilanh tăng nên người ta tăng thêm nhiên liệu để đốt cháy trongdung tích đó Như vây, cho ta tăng khả năng tăng lượng nhiệt phát ra trongdung tích cho trước Biện pháp làm tăng khối lượng riêng của môi chất trướckhi nạp vào động cơ bằng cách tăng áp suất của nó được gọi là tăng áp

Mục đích cơ bản của tăng áp là làm cho công suất của nó tăng lênnhưng đồng thởi tăng áp cho phép cải thiện một số chỉ tiêu sau:

- Giảm thể tích toàn bộ của ĐCĐT ứng với một đơn vị công suất

- Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị côngsuất

- Giảm gía thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất

- Hiệu suất của động cơ tăng đặc biệt là khi tăng áp tuabin khí, do đósuất tiêu hao nhiên liệu giảm

- Có thể làm giảm lượng khí thải độc hại

- Giảm độ ồn của động cơ

1.3 Những hạn chế của tăng áp và biện pháp khắc phục khi thực hiện tăng áp cho động cơ đốt trong.

1.3.1 Những hạn chế.

a Áp suất của chu trình.

Về mặt lí thuyết có thể xem quá trình diễn ra trong máy nén là đoạnnhiệt, lúc này quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất môi trường với nhiệt độ và ápsuất sau máy nén là: (1- 2)

ρ0,po,v0,T0 là áp suất, khối lượng riêng, thể tích và nhiệt độ của môitrường trước máy nén.

k là chỉ số nén đoạn nhiệt

Nhiệt độ và áp suất trong xilanh động cơ đốt trong sẽ cóquan hệ:

Pc= pa E n ; Tc= Ta E n- 1

Trong đó:

Pc ,Tc áp suất và nhiệt độ của môi chất trong xilanh ở cuối quá trình nén

n chỉ số nén đa biến trung bình;

E tỉ số nén của động cơ;

pa ,Ta áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nạp

Quan hệ giữa áp suất cuối quá trình nén phụ thuộc vào tỉ số tăng áp và

tỉ số nén của động cơ

Sự tăng áp suất cuối quá trình nén do tăng áp dẫn đến sự tăng của ápsuất và nhiệt độ của cả chu trình công tác của động cơ Song tỷ lệ tăng củachúng ở động cơ đốt cháy cưỡng bức khác với động cơ tự bốc cháy

Trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, do quá trình cháy dẫn đến sự tăngcủa áp suất chu trình Tỷ lệ áp của áp suất ở mọi thời điểm của chu trình bằng

Trong động cơ diessel, do tăng áp nhiệt độ và áp suất cuối quá trình néntăng làm rút ngắn thời gian cháy trễ, áp suất cực đại của chu trình cháy pmax

tăng và không cùng tỷ lệ với sự tăng áp suất cuối quá trình nén Tuy vậy,

người ta có thể kết hợp tăng tỉ số tăng áp p0

p i

với việc giảm tỷ số nén của động

cơ đốt trong đến mức chỉ bảo đảm khởi động lạnh Với sự kết hợp như vậyngoài việc cho phép giảm thời gian cháy trễ còn làm cho khoảng cách giữa

pmax và pc là không đổi khi tăng tỉ số tăng áp Như vậy, tăng áp suất chu trình

có thể được bù trừ và giải quyết ổn thỏa

b Nhiệt độ của chu trình

Tình trạng chịu nhiệt của động cơ còn đáng lo ngại hơn Các nghiêncứu cho thấy nếu áp suất chỉ thị trung bình tăng gấp đôi thì dòng truyền nhiệtqua thành vách ( nhiệt lượng truyền cho dầu và nước làm mát) chỉ tăngkhoảng 60% Như vậy nếu nhiệt độ khí xả không đổi, 40% lượng nhiệt còn lại

sẽ làm cho các chi tiết động cơ nóng lên

c Sự hình thành hỗn hợp

Trong động cơ tăng áp, để tăng công suất người ta phải tận dụng tốtkhối lượng không khí được nạp vào xilanh nên phải tăng lượng nhiên liệucung cấp Trong động cơ diesel có hai cách tăng lượng nhiên liệu cung cấp:tăng áp suất phun hoặc kéo dài thời gian phun Nếu tăng áp suất phun sẽ làmcho tải tác dụng lên hệ thống cung cấp nhiên liệu vốn đã làm việc trong trạngthái tải trọng cao nay lại làm việc nặng nhọc hơn, nên làm giảm đáng kể tuổithọ của các chi tiết trong hệ thống này Chính vì vậy, xu hướng được ưa thíchhơn cả là kéo dài thời gian phun, ngoài ra biện pháp này còn cho phép điềuchỉnh được áp suất cực đại của chu trình pmax và tỷ số tăng áp

Bên cạnh đó còn phải quan tâm đến điều kiện bay hơi của nhiên liệutrong động cơ tăng áp vì khi áp suất tăng sẽ làm giảm không gian vật lí để bayhơi nên nhiên liệu khó bay hơi hơn Quá trình hình thành hỗn hợp của động

cơ diesel tăng áp trở nên phức tạp hơn Để có thể có được quá trình hìnhthành hỗn hợp, tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình cháy thì cần phải tận dụng

1.3.2 Biện pháp khắc phục.

a Nguyên tắc cơ bản.

Muốn thực hiện tăng áp cho động cơ đốt trong người ta phải lựa chọncác biện pháp để hạn chế các nhược điểm đã phân tích ở trên Trong quá trìnhlựa chọn phải dung hòa được 3 yếu tố sau:

- Nhằm đạt được công suất cao người ta phải tìm mọi biện pháp có giátrị ρk lớn hơn như có thể được trong khi đó nhiệt độ của môi chất nạp vàođộng cơ càng thấp càng tốt

- Phải lựa chọn tỉ số nén của ĐCĐT một cách hợp lí

- Nhiệt độ cuối quá trình nén chỉ cần đủ lớn để đảm bảo thời gian cháytrễ hợp lí, mặt khác giữ cho nhiệt độ của chu trình không quá cao

Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động

cơ, người ta chia tăng áp cho động cơ thành hai nhóm: Tăng áp có máy nén vàtăng áp không có máy nén, theo sơ đồ sau:

Hình 1.1 Các phương pháp tăng áp.

1.4.1 Tăng áp nhờ máy nén.

1.4.1.1 Tăng áp cơ khí.

3 1

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí.

Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp cơ khí cóthể là máy nén kiểu piston, quạt root, trục xoắn, quạt li tâm, hoặc quạt hướngtrục, được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ

Công suất của động cơ đốt trong được xác định theo công thức sau:

Ne = Ni - Nm - Nk (1- 3)Trong đó:

Ne: Công suất có ích được lấy từ trục khuỷu động cơ ;

Ni: Công suất chỉ thị ;

Nm: Công suất tổn thất cơ giới của bản thân động cơ ;

Nk: Công suất để dẫn động máy nén

Công suất có ich được lấy ra từ trục khuỷu động cơ Ne có được từ côngsuất chỉ thị Ni sau khi bị khấu trừ đi tổn thất cơ giới của bản thân động cơ Nm

và công suất Nk để dẫn động máy nén (MN)

Công suất dẫn động MN chỉ phụ thuộc vào số vòng quay của nó, vì vậynếu động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ thì số phần trăm công suất tổn thất choviệc dẫn động máy nén tăng lên, làm giảm mạnh hiệu suất tổng của động cơđốt trong

Công suất dẫn động máy nén tăng nhanh hơn mức độ tăng áp suất chỉthị pi, vì vậy khi sử dụng tăng áp dẫn động cơ khí sẽ làm cho hiệu suất động

cơ giảm khi áp suất tăng áp tăng Chính vì vậy, phương pháp tăng áp dẫnđộng cơ khí chỉ được áp dụng ở những mục đích cần thiết và áp suất tăng áp

pk nhỏ hơn hoặc bằng 1,6 kG/cm2, nếu pk lớn hơn 1,6 kG/cm2 thì Nk sẽ lớnhơn 10%Ne

Với phương pháp tăng áp cơ giới, chất lượng khởi động và tăng tốcđộng cơ tốt, vì lượng không khí cấp cho động cơ trong một chu trình phụthuộc vào tốc độ trục khuỷu mà không phụ thuộc vào nhiệt độ khí thải Tuy

nhiên, đối với tăng áp cơ giới, năng lượng tiêu hao để dẫn động máy nén tănglên, nên làm giảm hiệu suất, làm giảm tính kinh tế của động cơ.

1.4.1.2 Tăng áp tua bin khí.

Tăng áp bằng tuabin (TB) khí là phương án tăng áp dùng TB làm việcnhờ năng lượng khí xả của động cơ đốt trong để dẫn động MN Khí xả củađộng cơ đốt trong có áp suất và nhiệt độ rất cao nên nhiệt năng của nó tươngđối lớn Muốn khí thải phát sinh công nó phải được giãn nở trong một thiết bị

để tạo ra công cơ học Nếu để nó giãn nở trong xilanh của động cơ đốt trongthì dung tích của xilanh sẽ rất lớn, làm cho kích thước của động cơ đốt trongquá lớn và nặng nề

Điều này mặc dù làm tăng hiệu suất nhiệt nhưng tính hiệu quả đượcđánh giá bằng giá trị áp suất trung bình sẽ rất nhỏ Để tận dụng tốt năng lượngkhí xả, người ta cho nó giãn nở đến áp suất môi trường và sinh công trongcánh của TB Thực tế đã chứng minh được rằng khí xả của động cơ đốt trong

ở tất cả mọi chế độ sử dụng trong thực tế bảo đảm được những điều kiện sau:

- Năng lượng đủ cao để có thể sử dụng một phần cho giãn nở trong TB

và sinh công cơ khí

- Nhiệt độ không quá cao nên có thể tránh được việc hư hỏng các chitiết của TB

- TB khí có thể dẫn động Máy nén ly tâm hoặc chiều trục mà không tạo

ra sức cản quá lớn trên đường xả của động cơ đốt trong Trong động cơ diesel,khoảng 35 ÷ 40% năng lượng của nhiên liệu bị mất do theo dòng khí xả rabên ngoài Trong khi đó người ta có thể tận dụng một phần của nguồn nănglượng này vì rằng:

+ Nếu giả thiết chu trình xảy ra trong động cơ đốt trong là chu trìnhCacno thì một phần của nguồn năng lượng khí xả ( khoảng một nửa ) đượcthải ra cho môi trường xung quanh Nếu coi năng lượng do khí thải mang ra

khỏi động cơ chiếm 40% tổng lượng do nhiên liệu phát ra thì phần nănglượng thải ra cho môi trường là 20%.

+ Khoảng một phần tư ( 10% ) nguồn năng lượng do khí thải mang đi

bị mất mát do ma sát, tiết lưu vì không thể thải ra ngoài với áp suất và nhiệt

độ môi trường

Như vậy, còn có thể tận dụng được khoảng 10% năng lượng của nhiệnliệu phát ra chứa trong khí xả Người ta thấy rằng trong tất cả các lĩnh vực sửdụng khác nhau của động cơ đốt trong, phụ thuộc vào tỷ số tăng áp p1/p0, nănglượng thực tế để nén môi chất nạp chỉ nằm trong khoảng 1 ÷ 3,5 số nănglượng do nhiên liệu phát ra Như vậy, dòng nẳng lượng khí xả sau khi trừ đimọi tổn thất như tiết lưu, ma sát… thì sẽ còn lại vẫn đủ cho việc nén khí nạp –thực hiện việc tăng áp cho động cơ đốt trong

Thông thường người ta sử dụng TB- MN lắp trên cùng một trục với sốvòng quay 15.000 ÷ 60.000 vg/ph nhưng trong một số trường hợp có thể đạt

từ 270.000 ÷ 280.000 vg/ph ( dùng cho động cơ tăng áp lắp trên xe môtô với

TB, MN có đường kính 34mm cho động cơ diesel cỡ nhỏ lắp trên xe du lịch)hoặc cao hơn

Hình 1.3 Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng Tuabin biến áp

Các loại TB làm việc theo các nguyên lý và kết cấu khác nhau, ví dụ:

- Theo hướng của dòng chảy phân ra TB hướng kính hoặc hướng trục

- Theo nguyên lý sử dụng năng lượng của dòng khí xả vào có thể chia

ra TB biến áp, Tuabin tăng áp, Tuabin bảo toàn xung…

TB biến áp hay còn gọi là TB xung là TB có áp suất khí vào thay đổi,còn TB đẳng áp là TB có áp suất khí vào không thay đổi.

Ở TB biến áp, khí thải sau khi ra khỏi động cơ được dẫn trực tiếp với

TB bằng các đường ống có dung tích nhỏ tận dụng động năng của khí xả đểsinh công

Ngược lại trong TB đẳng áp, khí thải của động cơ đốt trong được thảivào một bình có dung tích tương đối lớn, ở đó nó được giãn nở đến một ápsuất nhất định nhưng không sinh công, sau đó được đưa vào TB ở đây nóđược giãn nở tiếp và sinh công

Nhằm nhiểu rõ bản chất và đánh giá được ưu nhược điểm của phươngpháp tăng áp cho động cơ đốt trong bằng TB biến áp và đẳng áp, cần xem xétdiễn biến của các chu trinh lý tưởng xảy ra trong động cơ đốt trong và TB-

MN nén khí coi chúng nằm trong một thể thống nhất, tức là xem giữa

a Tăng áp bằng tuabin khí có liên hệ cơ khí

Trong phương án này trục tuabin, động cơ đốt trong và máy nén đượcnối liền nhau Kết cấu này bao gồm máy nén hướng trục nhiều cấp, động cơdiesel 4 kỳ và tuabin hướng trục nhiều cấp được nối đồng trục Áp suất củakhí nạp vào xi lanh động cơ đạt 3÷4 kG/cm2, khí xả sau khi ra khỏi xi lanhđộng cơ đốt trong trước khi vào tuabin đạt áp suất 16 kG/cm2 Buchhi ( tác giảcủa phát minh này) cho rằng công do giãn nở không hoàn hảo của sản vậtcháy trong xilanh của ĐCĐT sẽ được thu hồi trong TB Tuy nhiên phương ánnày gặp phải các hạn chế :

- Công xả của khí xả ĐCĐT tăng lên quá cao

- Khí sót trong xilanh rất lớn làm cho lượng khí mới nạp vào xilanhgiảm

Do các nguyên nhân trên mà phương án này không được tồn tại trong

Theo phương án này, tuabin và máy nén được nối đồng trục với nhau.Khí xả được giãn nở trong cánh tuabin sẽ làm tuabin quay và dẫn động máynén, nén không khí tới áp suất tăng áp và đưa vào động cơ Phương án nàycho phép tận dụng tối đa năng lượng khí thải, tạo ra hiệu suất cũng như tínhhiệu quả cao cho ĐCĐT ở mọi lĩnh vực sử dụng Chính vì vậy, phương ántăng áp này sẽ là mục tiêu nghiên cứu chính.

3

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng tuabin khí chỉ liên hệ khí thể

1 Máy nén; 2 Thiết bị làm mát; 3 Động cơ; 4 Bình xả; 5 Tuabin.

c Tăng áp bằng tuabin khí có liên hệ thuỷ lực.

Các phương án kết nối giữa động cơ đốt trong và cụm TB- MN cũngrất phong phú Hình 1.5 trình bày các phương pháp kết nối này Trong đó,hình 1.5 a là cách ghép nối thông dụng nhất, nó cho phép điều chỉnh chế độtăng áp theo chế độ làm việc của động cơ đốt trong Ngoài ra, còn có cácphương pháp kết nối khác nhằm tận dụng năng lượng khí xả, như hình 1.5b,c

Hình 1.5 Tăng áp tuabin khí có liên hệ thuỷ lực.

1 Động cơ; 2 Khớp thuỷ lực; 3,4 Cụm tuabin-máy nén dẫn động khí thể;5 TB tận dụng; 6 Hộp số; 7 Máy phát điện; 8 Hộp tốc độ

a Cơ cấu nối có liên hệ thuỷ lực;

b Cơ cấu nốicó liên hệ thuỷ lực và tua bin tận dụng năng lượng khí xả;

c Cơ cấu nối qua hộp số có tuabin tận dụng năng lượng khí xả dẫn động máy phát điện.

1.4.1.3 Tăng áp hỗn hợp.

Trong tăng áp hỗn hợp, người ta sử dụng hai hệ thống MN khác nhau,một được dẫn động bằng tuabin khí và một được dẫn động từ trục khuỷu củađộng cơ

Tuỳ thuộc vào vị trí của máy nén người ta có hai dạng ghép nối: lắp nối

Trong các phương án lắp ghép này máy nén dẫn động cơ khí có thể sửdụng máy nén ly tâm, hướng trục, trục vít, quạt Root hoạt động hoàn toàn độclập với máy nén dẫn động bởi tuabin khí.

Phụ thuộc vào phương của dòng khí tăng áp đi qua MN dẫn động cơkhí và MN dẫn động từ TB người ta chia phương án lắp ghép nối tiếp thànhhai loại: lắp ghép nối tiếp thuận và lắp ghép nối tiếp nghịch

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phương án tăng áp hỗn hợp cho động cơ

1 Động cơ; 2 Tuabin; 3 Máy nén; 4 Máy nén dẫn động cơ khí; 5 Khớp nối

6 Thiết bị làm mát trong sơ đồ a, b và bình nạp chung trong sơ đồ c.

a Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp thuận;

b Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp nghịch;

c Tăng áp hỗn hợp 2 tầng lắp song song.

- Đối với phương án lắp thuận: Máy nén dẫn động cơ khí đứng sau máynén dẫn động bằng tuabin khí Khí tăng áp được máy nén dẫn động bằngtuabin khí hút từ môi trường, sau đó dẫn tới máy nén dẫn động cơ khí và đivào ĐCĐT Lưu lượng khí nạp phụ thuộc vào lưu lượng qua cụm TB- MN

- Đối với phương án lắp nghịch: Máy nén dẫn động cơ khí đứng trước,lưu lượng khí nạp vào ĐCĐT phụ thuộc vào lưu lượng máy nén dẫn động cơ

khí, vì thế phụ thuộc vào chế độ tốc độ động cơ và lưu lượng cung cấp chomột chu trình là không đổi

Trong động cơ tăng áp hỗn hợp lắp song song người ta dùng một máynén dẫn động cơ giới hoặc dùng không gian bên dưới của xi lanh làm máynén (trường hợp động cơ có guốc trượt) cung cấp không khí cho động cơ,song song với bộ máy nén tuốc bin khí quay tự do Như vậy, mỗi máy néntrong hệ thống chỉ cần cung cấp một phần không khí nén vào bình chứachung

Ưu điểm chủ yếu của hệ thống tăng áp lắp song song là khí tăng áp nạpvào động cơ được cung cấp đồng thời nhờ hai máy nén, lưu lượng không khíqua mỗi máy nén đều nhỏ Do đó kích thước của mỗi máy nén đều nhỏ so với

hệ thống tăng áp lắp nối tiếp

1.4.2 Các phương pháp tăng áp khác.

Sau đây là các phương pháp làm cho áp suất nạp vào động cơ đốt tronglớn hơn giá trị thông thường mà không cần dùng đến máy nén cũng như một

số phương pháp tăng áp cao đang phổ biến trong thực tế

1.4.2.1 Tăng áp dao động và cộng hưởng.

Người ta sử dụng sự dao động của dòng khí và tính cộng hưởng củadao động để tăng áp suất của môi chất trong xi lanh lúc đóng xupap nạp.Quátrình đóng và mở một cách có chu kì của các xupap kích thích sự dao độngcủa dòng khí Sự dao động của áp suất tại mỗi vị trí trên đường chuyển độngcủa khí thay đổi theo thời gian , sự thay đổi phụ thuộc vào pha và tần số củaĐCĐT cũng như thời gian đóng mở của xupap Do vậy, sự dao động này cóthể làm tăng hoặc giảm lượng môi chất nạp vào xilanh theo pha và tần số củaĐCĐT Theo phương pháp tăng áp này, công nạp của piston được chuyển hóathành năng lượng động lực học của cột khí và chính năng lượng này sẽchuyển hóa thành công nén làm tăng áp suất trong xi lanh cuối quá trình nạp

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống tăng áp dao động và cộng hưởng

a Tăng áp dao động; 1 Hộp phân phối; 2 Ống dao động; 3 Xilanh

b Tăng áp cộng hưởng; 1 Bình ổn áp; 2 Ống cộng hưởng;

3 Xi lanh; 4 Bình cộng hưởng

a Tăng áp dao động.

Quá trình diễn biến của áp suất trên đường ống trong quá trình nạp, thảinếu xem xét theo lý thuyết truyền sóng thì đó là quá trình dịch chuyển củasóng nén và sóng giãn nở Do có sự dao động của áp suất trên đường nạp, thảicủa động cơ mà ở đó xuất hiện quá trình truyền sóng (sóng áp suất và sóngtốc độ) Ở trạng thái tĩnh, tốc độ truyền sóng a được xác định như sau:

(1- 4)Trong đó: k: Chỉ số nén đoạn nhiệt;

R: Hằng số chất khí;

T: Nhiệt độ tuyệt đối

Sự biến thiên của áp suất và tốc độ phụ thuộc vào thời gian và vị trí, theo quan hệ : v= ƒ(x, t) ; p= f(x, t)

Sóng áp suất và sóng tốc độ cùng xuất hiện và cùng được truyền vớitốc độ truyền sóng a Nếu tốc độ của các phần tử chuyển động cùng chiều vớitốc độ truyền sóng và khi sóng truyền tới sẽ làm tăng áp suất thì sóng đó làsóng đó là sóng nén Nếu chiều truyền sóng ngược lại với chiều của các phần

tử chuyển động, khi sóng truyền tới sẽ làm giảm áp suất, sóng đó là sóng giãnnở.

Sự dao động của áp suất môi chất trong đường ống nạp thực tế khôngphải do một sóng đơn giản tạo ra mà do hai họ sóng truyền theo chiều ngượcnhau, nó là kết quả của việc tương giao và hợp thành của sóng phát sinh ở đầunày tạo nên sóng phản xạ ở đầu kia Sóng khí thể cũng vậy, luôn tồn tại tínhchồng chất và thường xuyên gặp nhau Khi gặp nhau, biên độ sóng bằng tổngbiên độ của hai sóng Sau khi xuyên qua, tính chất và biên độ của sóng khôngthay đổi, sóng nén vẫn là sóng nén và sóng giãn nở vẫn là sóng giãn nở

Khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới tạo ratrong xilanh sự giảm áp suất Do áp suất trong xilanh nhỏ hơn áp suất trênđường nạp, nên xuất hiện sự giãn nở trong ống nạp từ xi lanh ra đến đầu hởcủa ống có áp suất bằng áp suất môi trường p0 Áp suất môi trường có giá trịkhông đổi và lớn hơn áp suất trong xilanh, nên xuất hiện quá trình chuyểnđộng ngược lại của áp suất p0 từ ngoài vào xilanh, đây chính là sóng nén(sóng áp dương) Nếu sóng nén truyền tới xupap mà xupap chưa đóng, sẽ làmtăng áp suất ở khu vực trước xupap và làm tăng hệ số nạp Sau khi xupap nạp

đã đóng, sóng áp suất còn lưu lại vẫn truyền qua truyền lại trong ống

a b c

Hình 1.8 Tương giao của sóng

a Tương giao của sóng dương; b Tương giao của sóng âm;

c Tương giao của sóng dương và sóng âm.

Để đạt được lượng nạp cực đại trong phạm vi số vòng quay nhất định củaĐCĐT, người ta có thể sử dụng các van để thay đổi có cấp chiều dài của đườngống nạp

1

3 2

Trong hệ thống này, ống nạp của động cơ là tổ hợp của các bình và ống

có khả năng gây ra dao động dòng khí nạp Việc thiết kế các kích thước và bốtrí sao cho quá trình lưu động có tính chu kỳ của dòng khí nạp vào các xi lanhphù hợp với tần số dao động của bình và ống

Hiện nay, việc tăng áp cho động cơ bằng phương pháp cộng hưởngchưa được phổ biến vì kết cấu đường ống nạp phức tạp, giá thành cao và chỉđược sử dụng trên động cơ đời mới

1.4.2.2 Tăng áp nhờ sóng áp suất - tăng áp COMPREX.

Trong nghiên cứu và thực tế về tăng áp TB cho thấy khó khăn chủ yếucủa loại tăng áp này là đặc tính momen tồi, khả năng gia tốc của ĐCĐT vàcác thiết bị khác kém Nhược điểm này được khắc phục rất nhiều trong hệ

thống tăng áp dựa vào sóng áp suất được gọi là COMPREX.

Trong phương án này, người ta sử dụng năng lượng động học của khí

xả để nén khí nạp Sự tăng hay giảm áp được được truyền với cùng tốc độ củacác xung nén hình thành từ phía có áp suất cao lên phía có áp suất thấp

Lúc khối lượng và xung của sóng áp suất tác dụng trực tiếp lên phía có

áp suất thấp chuyển động với tốc độ âm thanh trong môi trường xem xét.Trong lúc đó dòng năng lượng lại chuyển động với tốc độ chậm hơn, nhờ vậy

mà tránh được hiện tượng trộn lẫn giữa khí xả và khí mới

1.4.2.3 Tăng áp cao.

Để đạt được tăng áp cao và tránh được một số hạn chế do tăng áp gây

ra, người ta thực hiện các phương pháp tăng áp sau:

Sơ đồ ngưyên lý của tăng áp 2 cấp được biểu diễn trên hình 1.10, ở đây

có hai cụm TB- MN một áp suất cao và một áp suất thấp với cách bố trí này

có thế đạt được các ưu điểm sau:

- Sử dụng được các cụm TB- MN thông thường

- Cho phép tận dụng tốt hơn năng lượng khí xả nên khi cùng áp suấttăng áp hiệu suất sẽ cao hơn so với tăng áp turbin khí thông thường

- Khoảng làm việc của turbin rộng hơn, ít xảy ra trường hợp rơi vàovùng làm việc không ổn định của cụm TB- MN

- Tốc độ vòng của roto nhỏ hơn

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý tăng áp 2 cấp

Nhược điểm cơ bản của sơ đồ tăng áp 2 cấp là không những chiếmkhông gian lớn mà gia tốc còn kém Vì tăng áp cao nên đòi hỏi phải có hệthống phụ để giải quyết chế độ khởi động động cơ và làm việc không tải

b Tăng áp Miller.

Sự tăng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ tác dụng nên các chi tiết củađộng cơ đốt trong ngay ở chế độ tải trọng nhỏ, đặc biệt trong tăng áp 2 cấp đãhạn chế khả năng áp suất trong động cơ đốt trong Cụm TB- MN cung cấp lưulượng khí giảm khi chế độ tải trọng nhỏ làm giảm hệ số dư lượng không khídẫn đến tăng tải trọng nhiệt nên động cơ đốt trong Trong phương án tăng ápMiller, trạng thái của môi chất ở đầu quá trình nén được thay đổi nhờ có sựthay đổi thời gian đóng của xupáp nạp theo chế độ công tác của động cơ đốttrong Khi phụ tải của động cơ đốt trong càng tăng, tỷ số tăng áp càng tăng

do năng lưọng cấp cho TB- MN nén tăng, xupáp lạp luôn có xu hướng đóngsớm hơn thậm chí đóng trước cả điểm chết trên (ĐCT) Cuối hành trình, khixupap nạp đóng xilanh đựoc điền đầy hoàn toàn bởi khí mới với áp suất tăngrất cao Như vậy trong một số trường hợp, khí nạp mới trong xilanh giãn nởtiếp trong hành trình còn lại, nhờ đó mà nhiệt độ và áp suất của môi chất ởđầu trình nén (p1, T1) giảm - giảm tải trọng nhiệt và tải trọng cơ của động cơđốt trong

c Tăng áp siêu cao.

Biện pháp tăng áp này được thực hiện cho động cơ diesel nhằm đápứng yêu cầu đạt pe cao trong phạm vi rộng của số vòng quay trong khí vẫncho khả năng gia tốc tốt Sơ đồ nguyên lý được thể hiện:

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý của biện pháp tăng áp siêu cao.

1.Động cơ khởi động; 2.làm mát khí tăng áp; 3.Ống vòng; 4.Bơm nhiên liệu;

5.Bộ điều chỉnh áp; 6.Ống xả; 7.Buồng đốt; 8.Bộ đánh lửa.

Đối với loại tăng áp siêu cao, phía trước turbin có bố trí buồng đốt 7.Phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ, một lượng nhiên liệu và khôngkhí được đưa thêm vào buồng đốt cùng với khí xả Không khí đưa thêm đượctrích từ máy nén, được điều chỉnh để có số lượng thích hợp, đi qua một ốngnhánh sau đó trộn với khí xả rồi đi vào buồng đốt Phương pháp tăng áp siêucao có thể được sử dụng trong động cơ diesel có tỷ số nén E rất thấp (có thể

cơ đốt trong thấp nên tiêu thụ nhiên liệu tăng, nhất là khi tải nhỏ và cung cấpthêm nhiên liệu cho buồng đốt

Vì giá thành của hệ thống cao, tiêu hao nhiên liệu lớn nên phạm vi sửdụng của hệ thống này chỉ hạn chế ở nơi mà cần trọng lượng nhỏ, kích thướcnhỏ mà khả năng gia tốc lớn

d Tăng áp chuyển dòng.

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý tăng áp chuyển dòng.

a.Tăng áp chuyển dòng 1 cấp; b.Tăng áp chuyển dòng 2 cấp T–tuabin;

c- máy nén.

Khi áp suất tăng áp cao người ta sử dụng turbin đẳng áp vì có hiệu suấtcao ở chế độ làm việc định mức, nhưng ở các chế độ tải trọng khác nó cónhược điểm, nhất là chế độ tải trọng nhỏ của động cơ đốt trong Để khắc phụcnhược điểm này người ta bố trí nhiều bộ tăng áp nhỏ làm việc theo chế độ lắpsong song mà phạm vi hoạt động của chúng phụ thuộc vào chế độ tải trọngcủa động cơ Tăng áp chuyển dòng có thể là tăng áp 1 cấp hoặc 2 cấp Việcđóng hoặc mở turbin phụ thuộc vào tải và số vòng quay của động cơ và đượcđiều khiển từ bên ngoài Về phía đường nạp, trước các máy nén có bố trí van

ngược nhằm phân tách khí lạp mới với môi trường khi hệ thống này khônghoạt động Hệ thống tăng áp chuyển dòng có những ưu điểm sau:

- Ở chế độ khởi động và tải trọng nhỏ toàn bộ khí xả chỉ đi qua 1 turbin( hoặc hệ thống turbin ở tăng áp 2 cấp ) có tiết diện nhỏ, có áp suất cao nêntạo được áp suất tăng áp cao hơn khi sử dụng 1 turbin có tiết diện lớn

- Cụm tuabin có tiết diện nhỏ nên gia tốc tốt hơn

- Sự phối hợp giữa động cơ đốt trong và cụm TB- MN rễ dàng hơn vàtốt hơn vì mỗi cấp cho một vùng tối ưu về tiêu hao nhiên liệu

- Ở tải trọng thấp thì còn một bộ TB- MN làm việc và có phạm vi làmviệc tối ưu của nó nên cải thiện được tiêu hao nhiên liệu ở tải nhỏ của động cơđốt trong

- Động cơ có đặc tính mômen tốt hơn và phạm vi làm việc rộng hơn.Tất nhiên nó cũng mang một số nhược điểm mà đặc biệt là kết cấuphức tạp và giá thành cả

Hệ thống tăng áp không có máy nén có ưu điểm nổi bật là khi tốc độđộng cơ càng thấp thì áp suất tăng áp càng cao nhờ đó động cơ sẽ có mômenlớn tại tốc độ thấp, điều này rất thích hợp với điều kiện làm việc của động cơ

ô tô

1.5 Làm mát khi tăng áp.

1.5.1 Vai trò của làm mát khi tăng áp.

Trong quá trình nén, nhiệt độ của khí tăng áp tăng lên Sự tăng nhiệt độphụ vào tỉ số tăng áp p1/po và hiệu suất của MN, ngoài ra còn phải xét đếndiễn biến của quá trình nén Quá trình này thường được xem là quá trình đoạnnhiệt song trong thực tế do có sự trao đổi nhiệt trong thành vách và các hiệntượng khác mà quá trình này có thể nói là một quá trình phức tạp Bảng 1.3cho ta thấy sự tăng nhiệt độ trong MN động học phụ thuộc vào nhiệt độ To

tăng nhiệt độ của khí tăng áp buộc phải sử dụng MN có hiệu suất truyền nhiệtlớn Tuy nhiên, dẫu hiệu suất đoạn nhiệt có lớn.

Bảng 1.2 Sự tăng nhiệt độ của khí khi đi qua MN.

đến mức nào đi chăng nữa vẫn suất hiện khả năng hạn chế tỷ số tăng áp bởinhiệt độ sinh ra trong động cơ hoặc là khi có cùng thời gian quét như nhau sẽlàm cho nhiệt độ khí xả ảnh hưởng đến nhiệt độ của xupap, tuabin; đặc biệt ởtăng áp cao nhiệt độ của khí nạp sẽ tăng lên rất cao, lúc này sẽ không có lợicho tăng áp

Cần thiết phải có mối quan hệ sau:

- Khối lượng riêng của khí trước khi nạp có ảnh hưởng quyết định đếnlượng khí nạp vào xilanh

Như vậy, tốc độ tăng của khối lượng riêng nhỏ hơn tốc độ tăng của ápsuất tăng áp (chỉ trong trường hợp với chỉ số k=1, tức là tỉ số khối lượng riêngbằng tỉ số tăng áp)

- Nhiệt độ của khí tăng áp làm tăng tải trọng nhiệt tác động lên động cơ

vì giá trị nhiệt độ của toàn bộ chu trình phụ thuộc vào nhiệt độ đầu quá trìnhnén

Làm mát khi tăng áp cho phép tăng khối lượng khí nén, từ đó có thểtăng áp suất có ích pc (hình 1.13).

Hình 1.13 Áp suất có ích trung bình phụ thuộc vào tỷ số tăng áp khi mức độ

làm mát khi tăng áp khác nhau

Ngoài tác dụng tăng công suất, làm mát khi tăng áp còn có tác dụng sau:

- Giảm tổn thất nhiệt

- Cải thiện hiệu suất cơ giới

- Pc tăng mà không làm tăng áp suất chu trình

- Giảm công tiêu thụ của MN cho 1kg khí tăng áp

Từ các yếu tố trên có thể rút ra kết luận là làm mát khi tăng áp khôngnhững cho phép tăng áp suất có ich mà còn cho phép giảm suất tiêu hao nhiênliệu gc

Ngoài ra ta còn thấy khi làm mát khí tăng áp thì chẳng những áp suất

có ich trung bình của động cơ tăng mà còn làm giảm tổn thất nhiệt cho nướclàm mất, hiệu suất tổng ηc Áp suất có ích trung bình pc tăng do tổn thất cơgiới giảm tương đối so với p tăng theo công thức p= p- p

Ngoài ra, nhiệt lương truyền cho hệ thống làm mát động cơ có tăng ápthấp hơn so với đông cơ không tăng áp Như vậy, làm mát khi tăng áp chophép giảm tổn thất nhiệt.

Loại động cơ Không tăng

áp

Tăng áp

Tăng áp

có làmmát khítăng áp

Tăng áp cólàm mát khítăng áp vàpiston

Áp suât có ich pc,

kG/cm2

Lượng nhiên liệu của

nhiên liệu cấp, kcal/ml

62638,9%

63839,85

58837,0%

Bảng 1.3 Số liệu cân bằng nhiệt của động cơ diessel chữ V, 12 xilanh, Dx S= 175x 190mm ở số vòng quay 1500vg/ph.

1.5.2 Các phương pháp làm mát khi tăng áp.

Phương pháp làm mát phổ biến nhất là làm mát bằng nước Nước làmmát được tuần hoàn trong động cơ và mang nhiệt của khí tăng áp ra ngoài.Phương thức này có thể nói là đơn giản nhất và hiệu quả nhất để giảm nhiệt

độ khí tăng áp đến mức chỉ lớn hơn nhiệt độ trung bình của nước làm mát một

ít Phương thức này có hệ số

Bảng 1.4 Tác dụng của làm mát khi tăng áp trong động cơ diesel tăng áp.

TT Loại động

cơ

Thông số

Động cơtàu hỏa

Động cơ tàu thủytốc độ trung bình

Động cơ 2

kì tốc độchậm

trao đổi nhiệt lớn, ổn thất áp suất nhỏ, chênh lệch nhiệt độ giữa nước vào và nước ra chỉ khoảng 10÷150C Với phương thức này, các tổn thất phát sinh gồm:

- Tổn thất áp suất do khí nạp phải đi qua két làm mát

- Qua làm mát khí tăng áp sẽ cho phép giảm công tiêu thụ của MN.Qua bảng 1.4 có thể rút ra nhận xét:

Trong bộ làm mát mà môi chất làm mát là nước có thể hạ thấp được nhiệt độ của khí tăng áp xuống gần với nhiệt độ nước vào (hàng 6, 11 và cột

1, 14) Từ nhiệt độ ở cột 2, 3 cồn có thể kết luận là các bộ làm mát của động

cơ thủy có tốc độ trung bình nhỏ hơn 2 loại còn lại

Nhiệt độ lấy đi của tăng áp là rất lớn nhưng không vì vậy mà tỷ lệ lượng nhiệt mất cho việc làm mát tăng lên (hàng 13, 14 và cột 2,3) Nếu so sánh các số liệu ở hàng 13, 14, 15 theo cùng 1 cột sẽ thấy rõ: tổng lượng nhiệttổn thất cho nước làm mát chênh lệch nhau không nhiều, trong lúc đó lượng nhiệt do làm mát khi tăng áp và cho buồng cháy khác nhau khá lớn

Với sự phát triển của tăng áp, đặc biệt sử dụng tăng áp cao trong động

cơ ôtô, xuất hiện ngày càng nhiều bộ làm mát mà môi chất làm mát khi tăng

áp là không khí của môi trường

1.5.3 Vai trò của làm mát khi tăng áp đối với động cơ xăng.

Bên cạnh những tác động có lợi của nước làm mát khi tăng áp đến khốilượng riêng và tải trọng như đã trình bày, ở động cơ xăng còn phải lưu tâmđến hiện tượng kích nổ do nhiệt gây ra Tương ứng với các áp suất khi tăng ápkhác nhau sẽ có một sự phụ thuộc giữa giới hạn nổ với nhiệt độ khi tăng áp

Giới hạn kích nổ phụ thuộc vào:

- Áp suất và nhiệt độ khí nạp vào động cơ

- Góc đánh lửa sớm

- Hệ số dư lượng không khí

- Trị số ốctan của nhiên liệu

Sau đây là những lưu ý khi thực hiện tăng áp cho động cơ xăng:

- Vì sự hạ thấp nhiệt độ do sự bay hơi nhiên liệu phụ thuộc ít vào nhiệt

độ của môi trường bay hơi mà chủ yếu phụ thuộc vào thời gian bay hơi, nênkhi ở cùng tỉ số tăng áp, sự chênh lệch nhiệt độ cuối quá trình nén khi bay hơicủa nhiên liệu xảy ra càng sớm thì nhiệt độ cháy càng nhỏ Điều này cho thấy

sự bay hơi của nhiên liệu xảy ra ngay cả khi nhiệt độ của môi chất còn nhỏsong- càng lâu dài càng tốt

- Sự hạ thấp nhiệt độ phụ thuộc rất lớn vào nhiệt hóa hơi và lượngkhông khí lí thuyết tối thiểu Lmin của nhiên liệu Do đó, sử dụng rượu metylhoăc hỗn hơp metyl-xăng rất có lợi tăng áp động cơ xăng

- Nhiệt độ của khí tăng áp thấp cùng với tỉ lệ nén cao còn cho phép lựachọn được góc đánh lửa tối ưu cho quá trình cháy, làm tăng hiệu suất củađộng cơ

Qua nghiên cứu vai trò làm mát trên tăng áp cho ta thấy nhận định củaRudolf Diesel rằng làm mát khi tăng áp là phương pháp quan trọng và đơngiản để tăng công suất, đặc biệt là đối với tăng áp cao

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.1 Sơ đồ cấu tạo.

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo turbo tăng áp.

Turbo tăng áp bao gồm khoang tuabin, khoang nén khí, khoang trungtâm, cánh TB, cánh nén khí, các ổ trục tự lực hoàn toàn, van cửa xả, bộchấp hành

Turbo 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 lýgiống một động cơ TB khí TB 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 cánhnén khí, không khí được nén vào trong các xilanh với áp suất cao

Hình 2.2 Dòng khí dịch chuyển trong cánh tuabin và cánh nén.

Dòng khí xả từ các xilanh thổi ra tạo áp lực lên các cánh TB làm cánh

TB quay Càng nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin thì cánh TB quay càngnhanh Cánh TB phải chịu được nhiệt và có độ bền cao vì nó tiếp xúc trực tiếpvới khí xả, quay với tốc độ cao và trở nên rất nóng Bởi vậy, nó được làmbằng hợp kim siêu chịu nhiệt hoặc bằng gốm Các cánh TB được làm bằnggốm thường nhẹ hơn các cánh tuabin được làm bằng kim loại phổ biến tronghầu hết các turbo tăng áp Trái lại, chúng lại cho phép các cánh TB quaynhanh hơn, và giảm được độ trễ tác dụng

Mặt khác trên một đầu còn lại của trục TB, cánh nén khí được gắn vào

để đẩy không khí vào trong các xilanh Các cánh nén khí là một loại bơm lytâm, nó hướng dòng không khí từ tâm quay theo biên dạng cánh hướng rangoài

Để có thể tăng tốc độ quay lến đến 150.000 vòng/phút, trục của tuabinđược đỡ bởi một ô bi đặc biệt Hầu hết các ổ bi đều bị quá hủy ở tốc độ nhưthế, cho hầu hết các turbin tăng áp đều sử dụng loại ổ đỡ chất lỏng Loại ổ binày đỡ lấy trục TB bằng một lớp dầu cực mỏng Điều này đạt được hai mụcđích: trục quay của tuabin được làm mát và nó cho phép trục quay với lực cản

ma sát thấp…

Van điều chỉnh áp suất được lắp trong khoang TB Khi van này mở thì

khi áp suất nạp đạt đến trị số đã định (khoảng 0,7 kg/cm2) Việc đóng mở vanđược kiểm soát bởi bộ điều chỉnh áp suất.

Một trong những vấn đề chính đối với turbo tăng áp đó là chúng khônglàm tăng công suất ngay lập tức khi bạn đạp ga Phải mất khoảng vài giâyđồng hồ để turbo tăng vận tốc trước khi tác dụng khuyếch đại công suất Kếtquả là một độ trễ xuất hiện khi bạn đạp ga và sau đó chiếc xe bất thình lìnhchồm lên khi turbo bắt đầu làm việc

Một cách để làm giảm độ trễ tác dụng của turbo là giảm tác dụng quántính 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 đểgiảm độ quán tính của cánh TB và cánh nén khí là chế tạo chúng có kíchthước nhỏ hơn Một turbo có kích thước nhỏ hơn sẽ tác dụng giúp tăng cườngcông 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 nạpđược nén vào trong động cơ Nó cũng nguy hiểm hơn khi tốc độ quay của TBquá 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 suấtđộng cơ nhiều hơn ở tốc độ cao nhưng lại sinh ra một độ trễ tác dụng rất lớnbởi vì nó mất nhiều thời gian hơn để tăng tốc độ quay của cánh turbin và cánhnén khí do chúng nặng hơn Để khắc phục được hạn chế này, người ta đã chếtạo một số bộ phận đặc

biệt đi kèm với nó Hầu hết các động cơ có gắn turbo tăng áp để có một mứchao 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 tắtqua 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 TB quay quá nhanh và mở racho phép một lượng khí xả đi vòng qua cánh TB và làm giảm tốc độ TB.

Hình 2.3 Ổ bi cầu đỡ trục

Một số turbo tăng áp sử dụng vòng bi cầu thay vì sử dụng loại ổ đệmchất lỏng để đỡ lấy trục của TB Nhưng chúng không phải là loại ổ bi cầuthông thường, chúng là các ổ bi tự lựa có độ chinh xác rất cao được làm từloại vật liệu cao cấp để có thể chịu được tốc độ quay và nhiệt độ sinh ra từ cácturbo 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 thểlàm việc hiệu quả Đây là điều giúp các turbo tăng áp có thể tăng tốc nhanhhơn, giảm được độ trễ đến mức thấp hơn

2.2 Nguyên lý hoạt động.

Khi động cơ làm việc, tại kì xả dòng khí xả từ các xilanh thổi ra tạo áplực lên các cánh tuabin làm cánh tuabin quay Lúc này máy nén do tuabin dẫnđộng được quay cùng tốc độ của tuabin nhờ trục, hút không khí từ ngoài môitrường xung quanh qua bầu lọc vào máy nén qua cửa nạp Dòng khí đi tớimiệng ra của bánh công tác, dưới tác dụng của lực ly tâm của chuyển độngquay, dòng khí đi ra miệng ra của bánh với một tốc độ lớn, đồng thời tạo nênhiện tượng chân không cục bộ tại cửa vào gây tác dụng hút không khí phíatrước cửa đi vào bánh tạo ra dòng chảy liên tục trong rãnh cánh Sau đó dòng

chuyển thành áp năng, làm cho áp suất của khòng khí tăng lên và tốc độ giảmxuống Nhờ đó, sau khi đi qua bộ tuabin tăng áp, không khí đã được nén sơ bộ

trước khi đi vào xilanh động cơ

Do động cơ làm việc liên tục tubin sẽ cung cấp lượng khí và nhiên liệuthích hợp để đưa vào động cơ Áp suất trong buồng cháy sẽ tăng nên khí động

cơ tăng tốc và có tải

Hình 2.4 Nguyên lí làm việc turbo tăng áp.

Ở chế độ toàn tải, vận tốc khí xả qua roto tuabin khí xả sẽ được giảmbớt để bảo vệ turbo Không khí nạp do máy nén tạo ra có áp suất lớn sẽ đượctrích một phần theo dẫn dể mở van điều áp cho khí xả ra ngoài không quatuabin khí xả.

2.3 Kết cấu của hệ thống tăng áp nhờ tua bin- máy nén.

2.3.1 Máy nén li tâm.

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo của máy nén li tâm.

Máy nén lắp trong bộ turbo là loại máy nén ly tâm, dùng để chuyểnnăng lượng cơ khí thành năng lượng của dòng chảy trong máy nén, dựa vàotác dụng lực ly tâm để tăng áp cho không khí từ áp suất p0 lên áp suất pk vàlàm cho không khí có lưu lượng Gk từ phần không gian này qua phần khônggian khác Nếu bánh nén đang có chuyển động quay ở một tốc độ nào đó, khikhông khí qua cửa nạp đi vào bánh nén nó sẽ cùng quay với bánh nén và dòngkhí chảy theo rãnh thông giữa các cánh của bánh

Do đó, chuyển động của dòng khí đi vào bánh nén sẽ là tổng hợp củacác chuyển động theo quay tròn của bánh nén và chuyển động tương đối củadòng chảy trong rãnh cánh Bánh nén quay, truyền công cho không khí, làmtăng áp suất và tốc độ của dòng khí trong rãnh cánh

Lúc dòng khí ra tới miệng ra của bánh nén, dưới tác dụng của lực lytâm và chuyển động quay, dòng khí đi ra với một tốc độ lớn, đồng thời tạo