Tính toán hệ thống tăng áp động cơ 4JA1 TC

Các biện pháp cường hoá đối với động cơ Diezel được thực hiện theo hai cách: Thứnhất là tăng số vòng quay n của động cơ, phát triển động cơ cao tốc, thứ hai là tăng áp suất và giảm nhiệt

1 Mục đích, ý nghĩa của đề tài.

Tuy không còn mới mẽ so với các ngành khoa học khác, nhưng cùng với sự pháttriển nền khoa học công nghệ của nhân loại, ngành Động Lực đã đóng góp mộtphần rất quan trọng trong sự phát triển đó Cùng với những yêu cầu ngày càng caocủa nhu cầu cuộc sống, nó đòi hỏi sự cải biến lớn trong tất cả các lĩnh vực khoa họcnói chung và đối với ngành Động Lực nói riêng cũng không nằm ngoài qui luật pháttriển đó Tuy nhiên sự cải biến đó của ngành Động Lực không có nghĩa là thay đổimột cách toàn diện về mặt nguyên lý và kết cấu mà nó vẫn dựa trên nền tảng củanhững nguyên lý và kết cấu đã có từ hàng trăm năm trước, trên cơ sở cải tiến vàhoàn thiện hơn

Để cải tiến và hoàn thiện hơn cho động cơ, ngành Động Cơ đã nghiên cứu và chếtạo ra nhiều những loại động cơ với tính năng ưu việt nhất, bằng cách cải tiến vàhoàn thiện những hệ thống trên động cơ như: Hệ thống nhiên liệu (Phun xăng điện

tử, phun dầu điện tử), hệ thống đánh lửa điện tử, sử dụng hệ thống tăng áp v v Vàmột trong những biện pháp hữu hiệu nhất để nâng cao công suất cho động cơ Diezelđược sử dụng rộng rãi ngày nay đó chính là sử dụng Hệ thống tăng áp bằng Turbochạy bằng năng lượng khí thải của chính động cơ đó Và đây cũng là Đề tài em đãlựa chọn nghiên cứu và làm Đồ án tốt nghiệp cho mình sau thời gian được học tậptại Khoa Cơ Khí Giao Thông của Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Tên đề tàichính thức mà em thực hiện đó là: Khảo sát hệ thống tăng áp bằng Turbo khí xả trênđộng cơ 4JA1-TC

Các biện pháp cường hoá đối với động cơ Diezel được thực hiện theo hai cách: Thứnhất là tăng số vòng quay n của động cơ, phát triển động cơ cao tốc, thứ hai là tăng

áp suất và giảm nhiệt độ môi chất mới trước khi nạp vào động cơ, phát triển động

cơ tăng áp làm mát trung gian cho không khí nén Việc nâng cao số vòng quay ncủa động cơ bị hạn chế bởi nhiều yếu tố liên quan đến việc tổ chức chu trình, vậtliệu và công nghệ chế tạo Sử dụng hệ thống tăng áp trên cơ sở không thay đổi sốvòng quay n mà chỉ là tăng mật độ môi chất qua đó làm tăng khối lượng môi chấtmới nạp vào xilanh trong mỗi chu trình Ngày nay sử dụng rộng rãi biện pháp tăng

áp bằng Turbo khí xả nhằm tránh dùng công suất có ích để dẫn động máy nén khí,nhờ đó tiết kiệm năng lượng của động cơ

Xã hội ngày càng phát triển vượt bậc Nhưng theo cùng với sự phát triển này lànhững nguy cơ đe dọa đến sự tồn tại của nơi chúng ta đang sống đó chính là TráiĐất Và một trong những nguy cơ đó xuất phát từ sự ô nhiễm môi trường mà dochính chúng ta đã tạo ra Vì vậy để tạo ra một sự phát triển bền vững cho xã hội,mỗi chúng ta đều phải có những hành động cụ thể để góp phần bảo vệ sự phát triển

bền vững đó Sử dụng hệ thống tăng áp bằng Turbo khí xả cho động cơ là một trongnhững biện pháp vừa mang lại hiệu quả kinh tế cao nhờ tiết kiệm năng lượng nhưngđồng thời cũng mang một ý nghĩa xã hội rất to lớn chính nhờ vào việc hạn chế ônhiễm môi trường do khí thải từ động cơ gây ra Ngày nay, việc đánh giá mức độ ônhiễm do khí thải của động cơ trên ôtô là một trong những tiêu chuẩn không thểthiếu cho Ngành Đăng Kiểm ở các quốc gia, và các tiêu chuẩn này ngày càng khắckhe hơn Hiện nay, ở nước ta Cục Đăng Kiểm đang áp dụng các tiêu chuẩn này,trước hết là đối với những phương tiện đăng ký mới, và tiêu chuẩn bước đầu được

áp dụng là EURO II Chính những qui định này đòi hỏi nhà sản xuất phải có nhữngbiện pháp cải tiến thiết thực cho những động cơ đang và sẽ được sản xuất mới, vàmột trong những biện pháp đó chính là sử dụng Hệ thống tăng áp bằng Turbo khí

Hình 2 – 2 Mặt cắt dọc động cơ 4JA1-TC (Tham khảo)

2.1 Các thông số cơ bản của động cơ 4JA1-TC:

Bảng 2 - 1: Các thông số của động cơ 4JA1-TC

Công suất cực đại (Kw) 74/3800 rpm

Mô men cực đại (Nm) 226/2000 rpm

Thời điểm phun (độ) 120 TĐCT

Áp suất nén (kg/cm2) 30 với 200 v/pTốc độ cầm chừng (v/p) 830 +/- 25

Góc mở sớm xupáp nạp (độ) 24.5

Góc đóng muộn xupáp nạp (độ) 55.5

Góc mở sớm xupáp xả (độ) 54.0

Góc đóng muộn xupáp xả (độ) 26.0

2.2 Các cơ cấu và các hệ thống chính của động cơ 4JA1-TC:

2.2.1 Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền:

2.2.1.1 Kết cấu trục khuỷu:

15 14 11 12 13

Hình 2 - 3 Kết cấu trục khuỷu động cơ 4JA1-TC

1 Đai ốc khởi động ; 2 Mặt bích lắp puli ; 3 Then ; 4 Bánh răng dẫn động trục cam ; 5 Cổ khuỷu ; 6,7 Nút ren ; 8 Đường dầu bôi trơn ; 9 Chốt khuỷu ; 10 Đối trọng ; 11 Bulông lắp bánh đà ; 12 Ổ bi đỡ ; 13 Mặt bích lắp bánh đà ; 14 Bánh

đà ; 15 Vành răng khởi động.

a Đầu trục khuỷu:

Trên đầu trục có lắp đai ốc khởi động khi acquy gặp sự cố không cung cấp điện đượccho hệ thống khởi động, mặt khác nó còn bố trí puly dẫn động quạt gió và bơm nướccho hệ thống làm mát, ngoài ra nó còn lắp bánh răng dẫn động trục cam

b Cổ trục khuỷu:

Do điều kiện làm việc của trục khuỷu động cơ 4JA1-TC là luôn tiếp nhận tảitrọng lớn nên nó được thiết kế với 5 cổ trục chính Tất cả các cổ trục chính có cùngmột đường kính  = 60 (mm), trong cổ trục chính có khoan đường dầu bôi trơn đểdầu đi bôi trơn các cổ biên

c Chốt khuỷu:

Chốt khuỷu động cơ 4JA1-TC có đường kính  = 56 (mm) nhỏ hơn đường kính cổtrục Ngoài ra chốt khuỷu được chế tạo rỗng vừa giảm khối lượng trục khuỷu vừadùng để chứa dầu bôi trơn

d Má khuỷu:

Hình dạng và kích thước của má khuỷu phụ thuộc chủ yếu vào đường kính cổ trục

và chốt khuỷu Kết cấu má khuỷu của động cơ 4JA1-TC như hình vẽ trên

e Đối trọng:

Đối trọng của động cơ 4JA1-TC có hai nhiệm vụ chủ yếu là:

+ Cân bằng các lực và mômen của lực quán tính chưa được cân bằng như lựcquán tính ly tâm, mômen của lực quán tính ly tâm

+ Giảm mômen uốn cổ trục

Ở động cơ 4JA1-TC, đối trọng được đúc liền với trục khuỷu.

f Đuôi trục khuỷu:

Đuôi trục khuỷu là nơi truyền công suất của động cơ ra ngoài Ở đuôi trụckhuỷu có lắp bánh đà nhằm duy trì và cân bằng mômen cho động cơ, ngoài ra nócòn lắp ổ bi đỡ trục khuỷu và phớt chắn dầu không cho dầu rò rỉ ra bên ngoài

2.2.1.2 Kết cấu nhóm piston thanh truyền:

a Nhóm piston:

+ Piston động cơ 4JA1-TC được chế tạo bằng hợp kim nhôm có đường kính

 = 93 (mm) Đỉnh piston có khoét lõm dạng ômêga để tạo ra dòng khí xoáy lốc ởcuối quá trình nén Khi nhiên liệu được phun vào gặp dòng xoáy lốc này sẽ được xénhỏ hơn, sấy nóng và hoà trộn đều hơn với không khí tạo hỗn hợp hoà khí tốt hơncho quá trình cháy của động cơ Đầu piston có 3 rãnh để lắp sécmăng, hai rãnhsécmăng khí ở phía trên và 1 rãnh sécmăng dầu ở phía dưới

16

32,7

Ø93 62

Hình 2 - 4 Piston động cơ 4JA1-TC+ Sécmăng khí được lắp trên đầu piston có nhiệm vụ bao kín buồng cháy,ngăn không cho khí cháy từ buồng cháy lọt xuống cacte Trong động cơ, khí cháy

có thể lọt xuống cacte theo ba đường: Qua khe hở giữa mặt xilanh và mặt công tác(mặt lưng sécmăng); qua khe hở giữa sécmăng và rãnh sécmăng; qua khe hở phầnmiệng sécmăng Sécmăng dầu có nhiệm vụ ngăn dầu bôi trơn sục lên buồng cháy,

và gạt dầu bám trên vách xilanh trở về cacte, ngoài ra khi gạt dầu sécmăng dầu cũngphân bố đều trên bề mặt xilanh một lớp dầu mỏng Điều kiện làm việc của sécmăngrất khắc nghiệt, chịu nhiệt độ và áp suất cao, ma sát mài mòn nhiều và chịu ăn mònhoá học của khí cháy và dầu bôi trơn

Séc măng của động cơ 4JA1-TC được chế tạo từ gang xám.

A A-A

B-B a

kỳ và có tính chất va đập mạnh Chốt piston được lắp với piston và đầu nhỏ thanhtruyền theo kiểu lắp tự do Khi làm việc chốt piston có thể xoay tự do trong bệ chốtpiston và bạc lót của đầu nhỏ thanh truyền, trên đầu nhỏ thanh truyền và trên bệchốt piston có lỗ để đưa dầu vào bôi trơn chốt piston

Chốt piston động cơ 4JA1-TC được chế tạo từ thép 15XA có mặt cắt ngang dạnghình trụ tròn rỗng, có chiều dài lch = 75,6 (mm) đường kính chốt Dch = 31 (mm)

9 74.4

46.7

Hình 2 - 7 Kết cấu thanh truyền động cơ 4JA1-TC

+ Thanh truyền là chi tiết dùng để nối piston với trục khuỷu và biến chuyển độngtịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu Khi làm việc thanhtruyền chịu tác dụng của: Lực khí thể trong xilanh, lực quán tính của nhóm piston

và lực quán tính của bản thân thanh truyền

Thanh truyền động cơ 4JA1-TC được chế tạo từ thép C45 và gia công bằng phươngpháp rèn khuôn

+ Thân thanh truyền dạng hình chữ I, có chiều dài ltt = 178,3 (mm) và có gân gia cốnhằm tăng độ cứng vững cho thanh truyền

+ Đầu nhỏ thanh truyền có đường kính Ф = 31 (mm), trên đó có khoan lỗ để hứngdầu bôi trơn

+ Đầu to thanh truyền động cơ 4JA1-TC gồm hai nửa và chúng được nối với nhaubằng bulông có chiều dài lbl = 98,1 (mm) Để chống lại sự mài mòn nhanh của chốtkhuỷu thì giữa đầu to và chốt khuỷu người ta có thêm bạc lót, bạc lót đầu to thanhtruyền được chế tạo từ hợp kim babit nên có tính chịu mòn cao, độ bám với thép tốt,

có độ cứng HB = 25  30 nên dễ rà khít với bề mặt trục

2.2.2 Cơ cấu phân phối khí:

Cơ cấu phối khí dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí, thải sạch khí thải ra ngoàitrong kỳ thải và nạp đầy khí nạp mới vào xilanh động cơ trong kỳ nạp

Động cơ 4JA1-TC có cơ cấu phân phối khí loại dùng xupáp treo, trục cam được bốtrí trong thân máy, với cách bố trí này tạo cho buồng cháy có kích thước nhỏ gọn,giảm được tổn thất nhiệt, dễ dàng bố trí đường nạp và đường thải, tạo điều kiệnthuận lợi cho việc thải sạch và nạp đầy Hiện nay trên động cơ Diezel chỉ dùngphương án bố trí xupáp này Tuy vậy nhược điểm của phương pháp bố trí xupáptreo là dẫn động xupap phức tạp, làm tăng chiều cao động cơ, và khi bố trí xupáptreo thì làm kết cấu của nắp xilanh phức tạp

Hình 2 – 8 Kết cấu các chi tiết trong cơ cấu phối khí động cơ 4JA1-TC

Mỗi xilanh của động cơ được bố trí hai xupáp, một xupáp nạp và một xupáp xả, cácxupáp được đặt xen kẻ nhau Đường nạp và đường thải được bố trí về hai phía củađộng cơ, do đó giảm được sự sấy nóng không khí nạp Trục cam được bố trí tronghộp trục khuỷu, được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng

Xupáp được dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy và đòn bẩy

Xupáp là chi tiết có điều kiện làm việc khắc nghiệt Khi làm việc nấm xupáp chịutải trọng động và tải trọng nhiệt rất lớn nên yêu cầu nấm xupáp phải có độ cứngvững cao, nên xupáp của động cơ 4JA1-TC được chế tạo từ thép hợp kim 40Cr.Động cơ 4JA1-TC dùng xupáp có đáy bằng, mặt làm việc quan trọng của xupáp làmặt côn, xupáp nạp có mặt côn này nghiêng một góc  = 300, còn xupáp thải thì cómặt côn nghiêng một góc  = 450 Mặt làm việc được gia công rất kỹ và được mài

rà với đế xupáp Khi làm việc thân xupáp trượt dọc theo ống dẫn hướng xupáp, ốngdẫn hướng xupáp gắn chặt với nắp máy Đuôi xupáp có một rãnh hãm hình trụ đểlắp ghép với đĩa lò xo, đĩa lò xo được lắp với xupáp bằng hai móng hãm hình côn,mặt trên của đuôi xupáp được tôi cứng để tránh mòn

Để giảm hao mòn cho thân máy và nắp xilanh khi chịu lực va đập của xupáp, người

ta dùng đế xupáp ép vào họng đường thải và đường nạp Đế xupáp là một vòng hìnhtrụ, trên đó có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm xupáp, mặt côn trên đếxupáp thường lớn hơn mặt côn trên nấm xupáp khoảng (0,5  1)0, mặt ngoài của đếxupáp có dạng hình trụ trên có tiện rãnh đàn hồi để lắp cho chắc Để đảm bảo choxupáp ép chặt vào đế xupáp thì giữa xupáp và đòn bẫy phải có một khe hở nhất địnhgọi là khe hở nhiệt

Lò xo xupáp dùng để đóng kín xupáp trên đế xupáp và đảm bảo xupáp chuyển độngtheo đúng quy luật của cam phân phối khí, do đó trong quá trình mở đóng xupápkhông có hiện tượng va đập trên mặt cam Ở động cơ 4JA1-TC dùng một lò xo trênxupáp nạp, và hai lò xo lồng vào nhau trên xupáp thải nhằm tránh cho xupáp không

bị bật ra khi động cơ làm việc ở tốc độ cao

Trục cam là chi tiết quan trong nhất, nó dùng để dẫn động xupáp đóng mở theo quyluật nhất định Trục cam bao gồm các phần cam nạp, cam thải và các cổ trục, cáccam được làm liền với trục Với động cơ 4 kỳ 1 hàng xilanh, góc lệch 1 giữa haiđỉnh cam cùng tên của hai xilanh làm việc kế tiếp nhau bằng một nửa góc công tác

k của hai xilanh đó

Ở động cơ 4JA1-TC thì vật liệu dùng để chế tạo trục cam là thép hợp kimthành phần các bon thấp 15X, cổ trục có độ cứng (52  65)HRC, độ thấm tôi từ(0,07  2)mm, độ cứng bên trong cổ từ (30  40)HRC Vì vậy thường dùng loạithép hợp kim có thành phần các bon thấp rồi thấm than, nhiệt luyện các bề mặt cần

có độ cứng cao

2.2.3 Hệ thống nhiên liệu động cơ 4JA1-TC:

2.2.3.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu:

4

3

2 11

Hình 2 – 9 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ 4JA1-TC

1 Thùng nhiên liệu ; 2 Cảm biến báo mức nhiên liệu; 3 Nắp thùng nhiên liệu

4 Van điều khiển bốc hơi nhiên liệu EVAP ; 5,6 Ống nhiên liệu ; 7.Bầu tách nước 8,9 Lọc nhiên liệu ; 10 Bơm cao áp ; 11 Vòi phun ; 12 Ống hồi ; 13 Động cơ.

2.2.3.2 Nguyên lý làm việc:

Hệ thống nhiên liệu của động cơ sử dụng bơm cao áp Bosch VP44 Bơm hút nhiênliệu từ bình chứa nhiên liệu qua bầu lọc thô, sau đó nhiên liệu được bơm tiếp vậnchuyển qua bầu lọc tinh trước khi đưa đến bơm cao áp Các bầu lọc thô và lọc tinh

sẽ lần lượt lọc sạch nhiên liệu Bơm cao áp làm nhiệm vụ bơm nhiên liệu cao áp vàođường ống cao áp đi đến vòi phun để phun vào động cơ theo đúng thứ tự nổ củamỗi xilanh, nhiên liệu dư thừa trong bơm cao áp đi qua van tràn theo đường ống trở

về cửa hút của bơm chuyển nhiên liệu

Một phần nhiên liệu bị rò rỉ ở các vòi phun theo đường ống hồi nhiên liệu trở vềthùng chứa

Không khí từ ngoài qua bầu lọc không khí, vào ống nạp rồi qua xupáp nạp đi vàođộng cơ Trong quá trình nén các xupáp hút và xả đều được đóng kín, khi piston đilên không khí trong xilanh bị nén Piston càng lên gần điểm chết trên không khí bêntrên đỉnh piston bị chèn ép chui vào phần lõm ở đỉnh piston, tạo ra ở đây dòng xoáylốc hướng kính ngày càng mạnh Cuối quá trình nén nhiên liệu được phun vào dòngxoáy lốc này, được xé nhỏ, sấy nóng, bay hơi và hoà trộn đều với không khí tạo rahoà khí rồi tự bốc cháy

2.2.4 Hệ thống bôi trơn:

2.2.4.1 Sơ đồ hệ thống bôi trơn:

Hình 2 - 10 Sơ đồ hệ thống bôi trơn động cơ 4JA1-TC

1 Cạc te ; 2 Bơm bánh răng ăn khớp trong ; 3 Van an toàn ; 4 Que thăm dầu ; 5 Bánh răng trung gian ; 6 Bầu lọc ; 7 Van nhiệt ; 8 Két làm mát ; 9 Van

ổn áp ; 10 Trục cam ; 11 Đồng hồ áp suất ; 12 Trục dẫn cần đẩy xupáp ; 13 Đường dầu chính ; 14 Chốt khuỷu ; 15 Cổ trục khuỷu ; 16 Lổ cấp dầu.

2.2.4.2 Nguyên lý làm việc:

Bôi trơn bằng phương pháp bôi trơn cưỡng bức sử dụng bơm bánh răng ăn khớptrong Bơm được dẫn động từ trục khuỷu động cơ thông qua bánh răng dẫn độngtrên trục bơm Dầu bôi trơn được hút từ cạcte thông qua lưới lọc, qua các đường dầuchính để đến các ổ trục khuỷu, ổ trục cam, bôi trơn ổ chốt (ổ đầu to thanh truyền)bôi trơn chốt piston (trên thanh truyền có bố trí đường dầu để dẫn dầu đi bôi trơnchốt piston (đầu nhỏ thanh truyền), bôi trơn cơ cấu phân phối khí xupáp, đòn bẩy,

cò mỏ ) Đặc biệt, một lượng dầu được bơm liên tục để bôi trơn cho ổ trược trụcTurbo của hệ thống tăng áp động cơ

Khi nhiệt độ dầu bôi trơn cao hơn 800C, làm giảm độ nhớt, van điều chỉnh sẽ

mở cho dầu đi qua két làm mát Van an toàn của bơm đảm bảo áp suất trên toàn hệthống không đổi Trong trường hợp đường dầu bôi trơn bị kẹt vì một nguyên nhânnào đó, van an toàn sẽ mở cho dầu xả về lại cạcte

Mặt gượng xilanh, piston, các chốt piston và các bánh răng được bôi trơn bằngphương pháp dầu vung toé Sau khi bôi trơn bạc đầu to thanh truyền nhờ trục khuỷuđang quay với một tốc độ lớn, dầu được vung toé và tạo thành một lớp sương mùtrong không gian của cạcte bên dưới piston Những giọt dầu bám trên mặt gươngxilanh, piston trên các vẫn làm nhiệm vụ bôi trơn những chi tiết này rồi rơi về cạcte

2.2.5 Hệ thống làm mát:

2.2.5.1 Sơ đồ hệ thống làm mát:

Hình 1- 15: Sơ đồ hệ thống làm mát của động cơ

Hình 2 - 11 Sơ đồ hệ thống làm mát động cơ 4JA1-TC

1 Két nước làm mát; 2 Nắp két nước; 3 Bình nước phụ; 4 Quạt gió; 5 Van hằng nhiệt; 6 Bơm nước; 7 Turbo; 8 Nắp máy; 9 Van nhiệt bộ làm mát EGR; 10 Van nhiệt bộ làm mát dầu bôi trơn; 11 Bộ làm mát két dầu bôi trơn; 12 Bộ làm mát EGR

2.2.5.2.Nguyên lý làm việc:

Hệ thống làm mát được thiết kế nhằm tránh cho động cơ làm việc ở nhiệt độ quácao cũng như quá thấp và duy trì hoạt động của động cơ ở nhiệt độ thích hợp Khiđộng cơ mới hoạt động, để nhiệt độ nước làm mát tăng nhanh thì nước làm mátđược tuần hoàn nhờ bơm nước và qua ống nhánh rồi trở về thân máy, lúc này nướckhông tuần hoàn qua két nước mà đi vào lại động cơ nhờ van hằng nhiệt khi nhiệt

độ nước đạt tới một giá trị thích hợp thì van hằng nhiệt bắt đầu mở và lượng nướctuần hoàn qua két làm mát sẽ tăng dần lên Van hằng nhiệt sẽ mở hoàn toàn khinhiệt độ nước đạt tới nhiệt độ mở van hoàn toàn Lúc này, toàn bộ nước làm mát sẽtuần hoàn qua két nước để đảm bảo hiệu quả làm mát

2.2.6 Hệ thống khởi động:

2.2.6.1 Sơ đồ hệ thống khởi động:

Hình 2 – 12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khởi động của động cơ 4JA1-TC

1 Bánh răng trục khuỷu ; 2 Nút dừng ; 3 Vành răng khởi động

4 Rảnh xoay một chiều ; 5 Đòn bẩy ; 6 Đĩa tiếp điểm ; 7 Lò xo hồi vị

8 Vị trí nối dây dẫn ; 9 Nút khởi động ; 10 Khoá nguồn ; 11 Nguồn ắc qui.

2.2.6.2 Nguyên lý hoạt động:

Động cơ sử dụng hệ thống khởi động điện, nguồn khởi động 24V, công suất củađộng cơ khởi động 2,3 (KW), cường độ dòng của nguồn ắcqui 160 (A.h)

Khi đóng công tắc nguồn 10 và ấn nút khởi động 9, dòng điện lúc náy đi từ: (+) ắcqui -> khoá 10 -> nút khởi động 9 -> điểm nối 8 -> cuộn dây W1 và W2 trên

rơ le động cơ khởi động -> cuộn dây kích từ của động cơ khởi động -> ( -) ắcqui, đóng tiếp điểm 6, kéo đòn điều khiển 5 dịch chuyển qua trái, đẩy cơ cấu bánhrăng khởi động ăn khớp với bánh răng trục khuỷu, dòng điện từ (+) ắcqui -> đĩatiếp điểm 6 -> cuộn dây của động cơ khởi động, động cơ khởi động quay kéo bánhrăng trục khuỷu quay và động cơ chính được khởi động Khi ngắt nút khởi động,cuộn W1, W2 mất nguồn tiếp điểm mở, động cơ dừng khởi động, cần điều khiển 5dịch chuyển qua phải trả cơ cấu trở về vị trí ban đầu Rãnh xoay một chiều 4 có tácdụng ngăn cản hiện tượng động cơ chính quay kéo quay động cơ khởi động quaylàm hỏng thiết bị, nguyên lý như sau: Khi động cơ chính đã được khởi động, tốc độcủa trục khuỷu sẽ tăng lên và lớn hơn tốc độ quay của bánh răng khởi động 3, lúcnày trên rãnh xoay một chiều 4 xuất hiện phản lực N tự động kéo cơ cấu dịchchuyển qua trái, thông qua đòn điều khiển 5, ngắt tiếp điểm 6 và động cơ khởi động

tự động ngừng, lúc này vành răng khởi động 3 cũng không còn ăn khớp với bánhrăng trục khuỷu động cơ chính nữa

2.2.7 Hệ thống tăng áp: (Khảo sát cụ thể ở phần sau).

3 Khảo sát hệ thống tăng áp trên động cơ 4JA1-TC.

- 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 công suất;

- Giảm giá 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 đó suất tiêu haonhiên liệu giảm;

- Làm giảm lượng khí thải độc hại;

- Giảm độ ồn của động cơ

3.3 Các phương pháp tăng áp trên động cơ Diezel:

Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động cơ, người tachia tăng áp cho động cơ thành hai nhóm: Tăng áp có máy nén và tăng áp không cómáy nén, theo sơ đồ sau:

TỐ C ĐỘ

DAO ĐỘ NG VÀ CỘ NG HƯỞNG

KHÔNG CÓ MÁY NÉN

SÓNG ÁP SUẤ T

TĂNG ÁP

DẪ N ĐỘ NG HỖ N HỢ P

CÓ MÁY NÉN

DẪ N ĐỘ NG TUABIN KHÍ CHỈ

MẮ C SONG SONG

MẮ C NỐ I TIẾ P

Hình 3 – 1 Câc phương phâp tăng âp trín động cơ đốt trong

3.3.1 Biện phâp tăng âp nhờ mây nĩn:

3.3.1.1 Tăng âp cơ giới:

3 1

Hình 3 – 2 Sơ đồ nguyín lý tăng âp cơ khí

1- Động cơ đốt trong; 2- Bânh răng truyền động;

3- Mây nĩn; 4- Đường nạp; 5- Thiết bị lăm mât.

Câc loại mây nĩn được sử dụng trong phương phâp tăng âp cơ khí có thể lă mây nĩnkiểu piston, quạt root, trục xoắn, quạt li tđm, hoặc quạt hướng trục, được dẫn động

từ trục khuỷu của động cơ

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

Ne = Ni - Nm - NkTrong 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 thđn động cơ;

Nk: Công suất để dẫn động mây nĩn

Công suất dẫn động máy nén chỉ phụ thuộc vào số vòng quay của nó, vì vậy nếuđộng cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ thì số phần trăm công suất tổn thất cho việc dẫnđộng máy nén tăng lên, làm giảm mạnh hiệu suất tổng của động cơ đốt trong.

Công suất dẫn động máy nén tăng nhanh hơn mức độ tăng áp suất chỉ thị pi, vì vậykhi sử dụng tăng áp dẫn động cơ khí sẽ làm cho hiệu suất động cơ giảm khi áp suấttăng áp tăng Chính vì vậy, phương pháp tăng áp dẫn động 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 lớn hơn 10%Ne

Với phương pháp tăng áp cơ giới, chất lượng khởi động và tăng tốc động cơ tốt, vìlượng không khí cấp cho động cơ trong một chu trình phụ thuộc vào vòng quay trụckhuỷu mà không phụ thuộc vào nhiệt độ khí thải Tuy nhiên, đối với tăng áp cơgiới, năng lượng tiêu hao để dẫn động máy nén tăng lên, nên làm giảm hiệu suất,làm giảm tính kinh tế của động cơ

3.3.1.2 Động cơ tăng áp bằng tuabin khí:

Tăng áp bằng tuabin khí: là biện pháp tăng áp mà máy nén được dẫn động nhờtuabin tận dụng năng lượng khí thải của động cơ đốt trong

Khí xả của ĐCĐT có nhiệt độ và áp suất rất cao nên nhiệt năng của nó tương đốilớn Muốn khí thải sinh công, nó phải được giãn nở trong một thiết bị để tạo ra công

cơ học Nếu để nó giãn nở trong xi lanh của ĐCĐT thì dung tích của xilanh sẽ rấtlớn, làm cho kích thước của ĐCĐT quá lớn, nặng nề Điều này mặc dù làm tănghiệu suất nhiệt nhưng tính hiệu quả được đánh giá bằng giá trị áp suất trung bình sẽrất nhỏ Để tận dụng tốt năng lượng khí xả, người ta cho nó giãn nở đến áp suất môitrường và sinh công trong các cánh của tua bin (TB)

a Tăng áp bằng tuabin khí có liên hệ cơ khí:

Trong phương án này, trục tua bin, động cơ đốt trong và máy nén được nối liềnnhau Kết cấu này bao gồm máy nén hướng trục nhiều cấp, động cơ diesel 4 kỳ vàtua bin hướng trục nhiều cấp được nối đồng trục Áp suất của khí nạp vào xilanh đạt(3 ÷ 4) kG/cm2, khí xả sau khi ra khỏi xilanh động cơ trước khi vào tuabin đạt ápsuất 16 (kG/cm2) Tuy nhiên phương án này 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 xilanh giảm

b Tăng áp bằng TB khí liên hệ khí thể:

Theo phương án này, tua bin và máy nén được nối đồng trục với nhau Khí xả đượcgiãn nở trong cánh tua bin sẽ làm tua bin quay và dẫn động máy nén, nén không khítới áp suất tăng áp và đưa vào động cơ Phương án này cho phép tận dụng tối đanăng lượng khí thải, tạo ra hiệu suất cao cho động cơ

Hình 3 – 3 Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng TB khí chỉ liên hệ khí thể

1- Máy nén; 2- Thiết bị làm mát; 3- Động cơ; 4- Bình xả; 5- Tua bin

c Tăng áp bằng TB khí có liên hệ thuỷ lực:

4 3

1

5 6

7 8 2

c)

Hình 3 – 4 Tăng áp tuabin khí có liên hệ thuỷ lực

1- Động cơ; 2- Khớp thuỷ lực; 3,4- Cụm TB-MN 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 nối có liên hệ thuỷ lực và tua bin tận dụng năng lượng khí xả;

c) Cơ cấu nối qua hộp số có TB tận dụng năng lượng khí xả dẫn động máy phátđiện

Các phương án kết nối giữa động cơ đốt trong và cụm tua bin-máy nén cũng rất

phong phú Hình 3 - 4 trình bày các phương pháp kết nối này Trong đó, Hình 3 - 4

a là cách ghép nối thông dụng nhất, nó cho phép điều chỉnh chế độ tăng áp theo chế

độ làm việc của động cơ Ngoài ra, còn có các phương pháp kết nối khác nhằm tậndụng năng lượng khí xả, như Hình 3 - 4 b,c

3.3.1.3 Tăng áp hỗn hợp:

Trong tăng áp hỗn hợp, người ta sử dụng hai hệ thống máy nén khác nhau, mộtđược dẫn động bằng tua bin khí và một được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ.Tuỳ thuộc vào vị trí của máy nén người ta có hai dạng ghép nối: Lắp nối tiếp và lắpsong song

3 2

4 5

6

6 5

4

2 3

1

Po,To Po,To

b) a)

Po,To 1

3 2

4

5

6 Po,To

c)Hình 3 – 5 Sơ đồ nguyên lý phương án tăng áp hỗn hợp cho động cơ

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

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

Trong các phương án lắp ghép này MN dẫn động cơ khí có thể sử dụng MN ly tâm,hướng trục, trục vít, quạt Root hoạt động hoàn toàn độc lập với MN dẫn động bởi

Trong động cơ tăng áp hỗn hợp lắp song song người ta dùng một máy nén dẫn động

cơ giới hoặc dùng không gian bên dưới của xilanh làm máy nén (trường hợp động

cơ có guốc trượt) cung cấp không khí cho động cơ, song song với bộ "máy nén tuabin khí" quay tự do Như vậy, mỗi máy nén trong hệ thống chỉ cần cung cấp mộtphần không khí nén vào bình chứa chung

Ưu điểm chủ yếu của hệ thống tăng áp lắp song song là khí tăng áp nạp vào động cơđược cung cấp đồng thời nhờ hai máy nén, lưu lượng không khí qua mỗi máy nénđều nhỏ Do đó kích thước của mỗi máy nén đều nhỏ so với hệ thống tăng áp lắpnối tiếp

3.3.2 Biện pháp tăng áp không có máy nén:

Sau đây là các phương pháp làm cho áp suất nạp vào động cơ lớn hơn giá trị thôngthường mà không cần dùng đến máy nén cũng như một số phương pháp tăng áp caođang phổ biến trong thực tế

3.3.2.1 Tăng áp dao động và cộng hưởng:

Người ta sử dụng sự dao động của dòng khí và tính cộng hưởng của dao động đểtăng áp suất của môi chất trong xilanh lúc đóng xupap nạp

Theo phương pháp tăng áp này, công nạp của piston được chuyển hóa thành nănglượng động học của cột khí và chính năng lượng này sẽ chuyển hóa thành công nénlàm tăng áp suất trong xilanh cuối quá trình nạp

Hình 3 - 6 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, thải nếu xemxét theo lý thuyết truyền sóng thì đó là quá trình dịch chuyển của sóng nén và sónggiãn nở

Do có sự dao động của áp suất trên đường nạp, thải của động cơ mà ở đó xuất hiệnquá trình truyền sóng (sóng áp suất và sóng tốc độ) Ở trạng thái tĩnh, tốc độ truyềnsóng a được xác định như sau:

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: p

Sự dao động của áp suất môi chất trong đường ống nạp thực tế không phải do mộtsóng đơn giản tạo ra mà do hai họ sóng truyền theo chiều ngược nhau, nó là kết quảcủa việc tương giao và hợp thành của sóng phát sinh ở đầu này tạo nên sóng phản

xạ ở đầu kia Sóng khí thể cũng vậy, luôn tồn tại tính chồng chất và thường xuyêngặp nhau

Khi gặp nhau, biên độ sóng bằng tổng biên độ của hai song Sau khi xuyên qua, tínhchất và biên độ của sóng không thay đổi, sóng nén vẫn là sóng nén và sóng giãn nởvẫn là sóng giãn nở

Hình 3 - 7 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.

T R k

Khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD) tạo ratrong xilanh sự giảm áp suất Do áp suất trong xilanh nhỏ hơn áp suất trên đườngnạp, nên xuất hiện sự giãn nở trong ống nạp từ xilanh ra đến đầu hở của ống có ápsuất bằng áp suất môi trường p0 Áp suất môi trường có giá trị không đổi và lớn hơn

áp suất trong xilanh, nên xuất hiện quá trình chuyển động ngược lại của áp suất p0

từ ngoài vào xilanh, đây chính là sóng nén (sóng áp dương).Nếu sóng nén truyền tớixupap mà xupap chưa đóng, sẽ làm tăng 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 quatruyền lại trong ống

Để đạt được lưu lượng nạp cực đại trong phạm vi số vòng quay nhất định thì người ta

có thể sử dụng các van để thay đổi có cấp chiều dài của đường ống nạp

4 5 6 2

3

1

Hình 3 – 8 Nguyên lý của đường ống nạp có chiều dài thay đổi vô cấp

1-Động cơ; 2-ống nạp hình xuyến; 3-Mặt ngoài cố định; 4-Mặt tang trống;

5-Cửa trên mặt tang trống; 6-Tấm dẫn hướng.

b Hệ thống tăng áp cộng hưởng:

Trong hệ thống này ống nạp của động cơ là tổ hợp của các bình và ống có khả nănggây ra dao động dòng khí nạp Việc thiết kế các kích thước và bố trí sao cho quátrình lưu động có tính chu kỳ của dòng khí nạp vào các xilanh phù hợp với tần sốdao động của bình và ống

Hiện nay, việc tăng áp cho động cơ bằng phương pháp cộng hưởng chưa được phổbiến vì kết cấu đường ống nạp phức tạp, giá thành cao, chỉ được sử dụng trên động

cơ đời mới

3.3.2.2 Tăng áp trao đổi sóng áp suất:

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2

Hình 3 - 9 Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng sóng khí

1- Không khí thấp áp; 2- Dây đai; 3- Không khí cao áp; 4- Động cơ;

5- Khí thải cao áp; 6- Khí thải thấp áp; 7- Rôto.

Thiết bị là Roto với các rãnh hướng kính nằm dọc trục, các van C, D, và G, F nằm ởđầu nạp và đầu xả là hai mặt bích có bố trí đường dẫn vào và ra Roto được dẫnđộng từ trục khuỷu của động cơ Để đảm bảo hệ thống làm việc được cân đối người

ta bố trí 2 ống vào và 2 ống ra trên Stato Như vậy có 2 chu trình xảy ra đồng thờitrong một vòng quay của Roto

Trong phương án này, sử dụng năng lượng động học của khí xả để nén khí nạp Sựtăng hay giảm của áp suất được truyền với cùng tốc độ của các xung nén hình thành

từ phía có áp suất cao lên phía có áp suất thấp Dòng khối lượng và xung của sóng

áp suất tác dụng trực tiếp lên phía có áp suất thấp chuyển động với tốc độ âm thanhtrong 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 Sơ

đồ nguyên lý được biểu diễn ở Hình 3 - 10 Ở đây sóng nén hoặc giãn nở của khíthải được sử dụng để truyền trực tiếp năng lượng lên khí nạp Van C, D được bố trí

ở một đầu ống để điều khiển sự lưu thông của khí nạp Trong khí đó các van G, Fđược lắp ở đầu ngược lại để điều khiển sự lưu thông của khí xả.Van C, G dùng đểđiều khiển phía có áp suất cao của chu trình Van D, F được thông với môi trườngxung quanh

Quá trình hoạt động của bộ tăng áp bằng sóng khí được giải thích từ đồ thị khaitriển của quá trình truyền sóng áp suất như sau:

Hình 3 - 10 là sơ đồ khai triển lớp cắt quanh chu vi tại bán kính trung bình của rôto

và stato lên mặt phẳng, trên đó chỉ phương hướng lưu động của khí thải và khôngkhí Tốc độ tiếp tuyến của rôto tại bán kính trung bình được thay bằng tốc độ dịchchuyển của các rãnh thông từ dưới lên trên

G

2 III IV

Ban đầu ống dẫn chứa đầy không khí ở trạng thái áp suất bằng áp suất môi trường

và các van C,D,F,G đều đóng kín Quá trình xả của động cơ bắt đầu khi piston đi từĐCD đến ĐCT, xupap xả mở áp suất đường xả tăng lên, van G mở ra kích thích tạo

ra sóng xung có áp suất cao, van F đóng Màng khí xả nóng chuyển động phía saucủa sóng xung Nhờ đó khí được nén từ phải sang trái Van C được mở ra để khíđược nén bởi sóng xung đi vào ống có áp suất cao và đi vào xilanh của ĐCĐT Van

C đóng lại khi màng tiên phong của khí nóng đến để tránh sự hoà trộn của khí thảivào khí mới Kết thúc giai đoạn này thì phần lớn năng lượng khí xả được truyền chokhí nạp

Khi C đóng thì G đóng, còn F mở ra Lúc này sóng giãn nở hình thành, khí thảichứa trong ống dẫn thải hết ra ngoài theo van F Do sự giãn nở của khí trong ống xả(rảnh dọc trục của roto) làm cho áp suất ở đây nhỏ hơn áp suất khí trời và van D mở

ra, không khí đi vào ống van F đóng lại, van D đóng kết thúc chu kỳ làm việc của

3.3.2.3 Tăng áp tốc độ:

Trong các động cơ đặt trên máy bay hoặc trên ôtô đua còn có thể sử dụng dòngkhông khí ngược với chiều chuyển động của máy bay và ôtô để làm tăng khối lượngmôi chất nạp vào động cơ Phương pháp này được gọi là phương pháp tăng áp tốcđộ

Hiện nay, phương án này ít được sử dụng nên chỉ giới thiệu sơ lược như trên

3.3.2.4 So sánh ưu nhược điểm của hệ thống tăng áp có máy nén và hệ thống tăng

3.4 Tăng áp cho động cơ diesel:

3.4.1 Tăng áp cho động cơ diesel bốn kỳ:

Tăng áp bằng tuabin khí xả đầu tiên được sử dụng cho động cơ 4 kỳ Đối với động

cơ diesel, vì để đáp ứng được nhu cầu về nâng cao công suất cho động cơ nên hầuhết trên các động cơ diesel cỡ lớn của tàu thủy, động cơ diesel trên đầu máy xe lửa

và diesel phát điện đều dùng hệ thống tăng áp Nhằm giải quyết vấn đề nạp khí ởcác chế độ khởi động và tải nhỏ, đảm bảo độ chênh áp suất đủ để nạp khí vào xilanh

ở các chế độ đối với động cơ 4 kỳ đơn giản hơn động cơ 2 kỳ nhờ có hành trình thải

và tiêu thụ không khí quét ít Nói chung sơ đồ nguyên lý tăng áp của các động cơ 4

kỳ giống nhau, chỉ khác nhau một ít về kết cấu đường ống xả và có hoặc không cóbầu làm mát không khí tăng áp

Để chuyển động cơ 4 kỳ sang tăng áp bằng tuabin khí xả không chỉ đơn giản đặt lênđộng cơ cụm tuabin máy nén và nối đường ống dẫn của nó với bình chứa không khítăng áp và ống góp khí xả Động cơ 4 kỳ tăng áp tuabin khí xả khác với động cơkhông tăng áp

- Tăng suất tiêu hao không khí và khí xả qua các xupap nạp, xả Để đảm bảo điều

đó, khi tăng áp cần phải tăng góc mở sớm và đóng muộn các xupap, tăng góc trùngđiệp Đối với động cơ không tăng áp góc trùng điệp khoảng (25  50)0 góc quaytrục khuỷu Khi tăng áp bằng tuabin khí xả, để đảm bảo quét khí, góc trùng điệpđược tăng lên đến (100  140)0 góc quay trục khuỷu Các pha phân phối khí đượclựa chọn ứng với chế độ làm việc lâu dài nhất của động cơ

- Có độ chênh áp giữa áp suất không khí tăng áp Ps và áp trên đường ống xả (áp suấttrước tuabin) Nhờ độ chênh áp suất nên trong thời kỳ trùng điệp đảm bảo quét sạchbuồng cháy, do vậy hệ số khí sót giảm đến giá trị r = 0,01  0,02, làm tăng hệ sốnạp và hệ số dư lượng không khí, cải thiện được chất lượng cháy, giảm suất tiêu haonhiên liệu, ứng suất nhiệt động cơ Hình 3 - 11, giới thiệu sơ đồ mô tả sự thay đổicác thông số hệ thống tăng áp diesel 4 kỳ theo tải như sau:

Hình 3 – 11 Sự thay đổi các thông số tăng áp động cơ diesel 4 kỳ theo tải

P x , t x - Áp suất, nhiệt độ khí xả; P s - Áp suất không khí nạp

Từ Hình 3 - 11, thấy rõ độ chênh áp suất tăng nhanh (Ps-Px) khi tải động cơ tăng.Khi giảm tải độ chênh lệch áp suất (Ps-Px) giảm xuống Khi tải của động cơ 4 kỳkhoảng (30  50)% tải định mức, áp suất tăng áp bằng áp suất khí xả trước tuabin(điểm a) Tại thời điểm này không diễn ra quá trình quét Khi tiếp tục giảm tải, ápsuất tăng áp bé hơn áp suất khí sau xupap xả, nên xảy ra hiện tượng dồn ngược khí

xả vào xilanh và đường ống nạp không khí tăng áp

Dẫn khí xả tới tuabin theo đường ống xả riêng Trong trường hợp nối các ống xảcủa tất cả các xilanh với 1 đường ống xả chính thì khi áp suất tăng áp thấp (dưới200KPa) xung áp suất ngăn cản quét các xilanh khác và là nguyên nhân dồn ngượckhí xả vào các xilanh Nối các ống xả của các xilanh với các đường ống riêng sẽngăn ngừa được hiện tượng này và đảm bảo độ chênh áp suất (Ps-Pt) và tạo quá trìnhquét bình thường của mỗi xilanh

Ps, Px

20

40

60

Ne, %0

200

400

600

tx,

C

0

tx

PsPx

Hình 3 - 12 Sơ đồ kết cấu tăng áp động cơ 4 kỳ

1-Rôto TBMN; 2-Vỏ TBMN; 3-Cửa nạp máy nén; 4-Máy nén 5-Bộ làm mát không khí tăng áp; 6-Ống nạp;7,8-Xupáp nạp, xả; 9-Ống xả.

Hình 3 - 12 giới thiệu sơ đồ tăng áp tuabin khí xả động cơ 4 kỳ Không khí môitrường xung quanh được nạp vào máy nén 4 qua cửa nạp 3, được nén và cấp vàobình chứa 6 thông qua bầu làm mát không khí 5, từ đó nạp vào xilanh động cơ quaxupap nạp 7 Làm mát không khí tăng áp để tăng khối lượng không khí nạp (tăng bổsung công suất động cơ), giảm ứng suất nhiệt

3.4.2.Tăng áp cho động cơ diesel hai kỳ:

Tăng áp tuabin khí xả trong các động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ bắt đầu sử dụng muộnhơn so với động cơ 4 kỳ Động cơ 2 kỳ sử dụng sơ đồ tăng áp tuabin khí xả củađộng cơ 4 kỳ (nén không khí trong máy nén tuabin một cấp) gặp phải khó khăn dotính đặc biệt của nó Để đảm bảo quá trình thay đổi khí và làm việc tốt, các động cơdiesel tàu thủy 2 kỳ đều được tăng áp bằng tuabin khí hoặc tăng áp hỗn hợp

Tính đặc biệt của tăng áp động cơ hai kỳ

Các tính đặc biệt sau đây của động cơ 2 kỳ gây khó khăn cho việc sử dụng tăng áptuabin khí xả hay hạn chế việc tăng công suất tăng áp động cơ

- Cần đảm bảo độ chênh giữa áp suất không khí tăng áp trong bình chứa và áp suấtkhí xả trong đường ống xả (Ps-Px) trong tất cả các chế độ tải của động cơ Đối vớiđộng cơ 4 kỳ, nhờ có hành trình xả và nạp đảm bảo xả được hầu hết sản vật cháy rakhỏi xilanh và nạp vào xilanh đủ khối lượng không khí ở các chế độ làm việc bất

kỳ Đối với động cơ 2 kì, nếu ở 1 chế độ làm việc nào đó áp suất tăng áp thấp hơn

áp suất khí trong đường ống xả thì chu trình công tác không thể thực hiện được khảnăng quét và không nạp vào xilanh đủ lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiênliệu Để đảm bảo quét và nạp không khí vào xilanh, áp suất tăng áp cần phải caohơn áp suất khí trong trường hợp ống xả ở tất cả các chế độ tải, do vậy tiêu tốn côngsuất bổ sung để nén không khí đến áp suất cao

- Để đảm bảo chất lượng trao đổi khí trong động cơ 2 kỳ, yêu cầu hệ số quét lớnhơn so với động cơ 4 kỳ Hệ số quét của động cơ 2 kỳ a= 1,45  1,65; trong khi

đó của động cơ 4 kỳá= 1,07  1,35 Để tăng hệ số dư lượng không khí quét cầntăng lượng không khí do máy nén cấp và như vậy phải tăng công suất tiêu thụ chomáy nén

- So với động cơ 4 kỳ, khi áp suất chỉ thị trung bình bằng nhau, nhiệt độ khí xả củađộng cơ 2 kỳ thấp hơn Đối với động cơ 2 kỳ ở chế độ định mức, nhiệt độ khí xảnằm trong giới hạn (350  450)0C Còn với động cơ 4 kỳ, có thể đạt (450  500)0C.Nguyên nhân giảm nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ là do lượng không khí quétlớn Giảm nhiệt độ khí xả là nguyên nhân giảm công suất tuabin

Như vậy, tăng công suất động cơ 2 kỳ bằng cách sử dụng tuabin khí xả phức tạphơn so với động cơ 4 kỳ, vì công suất tuabin nhỏ nhưng hệ thống tăng áp cần phảicấp lượng không khí lớn hơn và có áp suất cao hơn Hiệu số giữa công suất cần thiếtcủa máy nén để cấp không khí với công suất do tuabin sinh ra có khi đạt tới (4 ÷6)% công suất chỉ thị của động cơ

- Tăng áp động cơ 2 kỳ làm tăng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ

3.5 Tăng áp cho động cơ xăng và động cơ ga:

3.5.1 Tăng áp cho động cơ xăng:

Do đặc điểm của động cơ xăng là khí nạp vào động cơ là hỗn hợp xăng và khôngkhí, mặt khác động cơ xăng dễ gây kích nổ nên việc tăng áp cho động cơ xăng gặpnhiều khó khăn Hiện nay động cơ xăng tăng áp thường chỉ dùng trong máy bay tảitrọng nhỏ, máy bay thể thao, trực thăng còn trên ô tô máy kéo ít sử dụng tăng áp vìcông suất của loại động cơ này thường nhỏ (75 ÷ 220) KW Nếu lắp thêm cụmtuabin-máy nén sẽ làm giảm tính năng tăng tốc của của động cơ.　

Tăng áp cho động cơ xăng dễ gây ra kích nổ vì sẽ làm tăng áp suất và nhiệt độ đầu

và cuối quá trình nén Để tăng áp cho động cơ xăng mà không gây ra kích nổ người

ta dùng các biện pháp như sau:

Thay đổi cấu tạo buồng cháy, dùng nhiên liệu chống kích nổ tốt, thay đổi thànhphần khí hỗn hợp, thay đổi góc đánh lửa sớm, làm mát trung gian cho khí hỗn hợp ởsau máy nén tăng áp, giảm tỉ số nén động cơ

Thường người ta chỉ sử dụng động cơ xăng tăng áp trong những điều kiện đặc biệt :Làm việc trên núi cao, động cơ luôn luôn chạy ở chế độ toàn tải

Đối với phương án 1: Đặt máy nén ở sau bộ chế hòa khí lúc này hỗn hợp không khí

và nhiên liệu sẽ đi vào máy nén

Ưu điểm:

- Hỗn hợp được hòa trộn đều;

- Khi qua máy nén nhiên liệu bốc hơi nhanh;

- Nhiệt độ của không khí đi vào máy nén thấp hơn nhiệt độ khí trời nên lưu lượng

và hiệu suất máy nén tăng

Nhược điểm:

- Nếu xảy ra hiện tượng hồi hỏa thì máy nén chóng hỏng;

- Tính tăng tốc kém, vì không gian máy nén lưu trữ lại một lượng hòa khí nhất định,không đáp ứng kịp yêu cầu thay đổi nhanh chế độ làm việc của động cơ;

- Đóng nhỏ miệng bướm ga hoặc miệng vào máy nén, dầu bôi trơn trong máy nén

dễ bị hút theo dòng khí nạp

Đối với phương án 2:

Máy nén đặt trước bộ chế hòa khí, không khí được nén sau đó qua BCHK rồi mớivào động cơ

Ưu điểm:

- Tính năng gia tốc tốt;

- Không khí nén qua bộ chế hòa khí làm cho nhiên liệu dễ bốc hơi;

- Bản thân nhiên liệu không tiếp xúc với máy nén, ít gây nguy hại cho máy nén khixảy ra hiện tượng hồi hỏa

Nhược điểm:

- Sử dụng nhiều BCHK (6 ÷ 12) bộ làm tăng trọng lượng của hệ thống;

- Bướm ga của các BCHK rất khó điều chỉnh giống nhau;

- Các đường ống trong hệ thống nạp thải phải thật kín nếu không dễ sinh ra hoảhoạn

3.5.2 Tăng áp cho động cơ ga:

Gồm 2 phương án

+ Phương án 1: Máy nén đặt sau lò ga và ở trước bộ hỗn hợp

Ưu điểm: Giống ưu điểm động cơ xăng tăng áp, đặt máy nén trước BCHK

Nhược điểm: Bụi của khí ga đi vào máy nén làm cho máy nén chóng hỏng Vì vậy,

ta thường dùng máy nén ly tâm, không dùng máy nén ro to hay máy nén piston.+ Phương án 2: Máy nén đặt trước lò ga, giữ nhiệm vụ cung cấp cho cả lò ga và bộhỗn hợp Trong trường hợp này, máy nén khí không tiếp xúc với bụi của khí ganhưng phải đảm bảo cho toàn hệ thống lò ga và đường ống dẫn khí ga thật kín đểtránh hoả hoạn

3.6 Khảo sát hệ thống tăng áp trên động cơ 4JA1-TC:

Động cơ 4JA1-TC sử dụng hệ thống tăng áp bằng Turbo khí thải RHF4, Turbo do

Hãng Ishikawajima-Harima sản xuất Cụm Turbo tăng áp bao gồm một Tuabin

dạng hướng kính và một Máy nén dạng li tâm

3.2.1 Sơ đồ bố trí hệ thống tăng áp trên động cơ 4JA1-TC:

a Sơ đồ bố trí:

9

14 13 12 11 10

Hình 3 – 6 Sơ đồ bố trí hệ thống tăng áp trên động cơ (tham khảo)

1- Bầu lọc; 2- Ống nạp trước máy nén; 3- Động cơ; 4- Ống thải;5- Ống dẫn khí nạp vào bầu áp suất; 6- Ống nạp sau máy nén;7- Cụm Tuabin-Máy nén; 8- Bầu áp suất; 9- Van xả; 10- Trục khuỷu; 11- Piston; 12- Xilanh; 13- Xupáp nạp; 14- Xupáp thải

b Nguyên lý làm việc:

Khí thải từ động cơ 3 không thải trực tiếp ra môi trường mà tiếp tục theo đường ống

4 đi vào khoang tuabin và làm quay tuabin của cụm TB-MN tăng áp, do kết cấuđồng trục nên khi tuabin quay làm máy nén quay theo Máy nén hút không khí từmôi trường qua bầu lọc 1, theo đường ống 2 qua cửa nạp vào máy nén, nén khôngkhí có áp suất P0 (áp suất khí trời) lên đến áp suất Pk và nạp vào động cơ trong mỗichu trình công tác

3.2.2 Kết cấu Turbo tăng áp RHF4:

D 3

2 1

Hình 3 – 7 Kết cấu tổng thể cụm Tua bin-Máy nén RHF4

1- Vỏ tuabin; 2- Cánh tuabin; 3,9- Xéc măng làm kín tuabin; 4-Vòng cùm;

5- Áo nước làm mát;6- Ống đỡ trục TB-MN; 7- Vòng làm kín; 8- Vỏ máy nén; 10- Cánh máy nén; 11- Ê cu ; 12 - Mặt bích; 13,14 – Bạc chặn; 15- Vỏ giữa

A- Khí thải động cơ ra khỏi tuabin; B- Khí nạp vào máy nén;

C- Khí nạp vào động cơ; D- Đường dầu bôi trơn vào; E- Đường ra dầu bôi trơn

* Nguyên lý làm việc của cụm tuabin- máy nén:

Khí xả của động cơ đi vào khoang tua bin và áp lực của nó làm cho các cánh tuabin

2 quay Do cánh tuabin và cánh máy nén 3 gắn đồng trục nên ở khoang máy nén cáccánh máy nén sẽ hút không khí từ bên ngoài vào và nén làm tăng áp lực của khôngkhí rồi dẫn vào các xi lanh Khí xả được dẫn ra ở cửa thoát A của cụm tăng áp để rangoài không khí

3.2.2.1 Tuabin RHF4:

a Nguyên lý làm việc:

Tua bin trong bộ Turbo tăng áp RHF4 là loại hướng kính, nó như một động cơ

(nguồn động lực) dùng để chuyển năng lượng của sản vật cháy có áp suất và nhiệt

độ nhất định thành công cơ học dẫn động máy nén khí Sản vật cháy với áp suất PT

= 0,14 [MN/m2], nhiệt độ TT = 1344,5 [oK] và tốc độ CT = 95,08[m/s] đi vào vỏ tuabin tới vành miệng phun Trong miệng phun một phần áp năng của sản vật cháyđược chuyển thành động năng Ra khỏi miệng phun dòng khí đi theo hướng α1 = 150,lúc này áp suất sản vật cháy từ PT giảm xuống P1 = 0,0924 [MN/m2], nhiệt độ từ TTgiảm xuống T1 = 1326[oK] đồng thời tốc độ dòng khí từ CT tăng lên C1 = 202,18[m/s] Với tốc độ C = 202,18 [m/s] dòng khí đi vào bánh công tác đang quay theo

tốc độ U1 = 51,34 [m/s], tạo nên tốc độ tương đối W1 = 153,17 [m/s] của dòng khívào rãnh của bánh công tác Sản vật cháy tiếp tục giản nở trong rãnh thông chuyển từhướng kính sang dần hướng trục, truyền động năng cho các cánh để chuyển thànhcông làm quay bánh công tác Khi ra khỏi bánh công tác, sản vật cháy có áp suất P2 =0,102 [MN/m2], nhiệt độ T2 = 1325,4 [oK], tốc đô tuyệt đối C2 = 131,83 [m/s] củadòng khí từ bánh công tác đi ra bằng vectơ của tốc độ tương đối W2 = 157,17 [m/s]

và tốc độ theo U2 = 51,34 [m/s] Do một phần động năng của dòng khí đã chuyểnthành công của bánh công tác, nên C2 nhỏ hơn C1 nhiều Động năng do C2 của dòngkhí từ bánh công tác đi ra không được sử dụng lại mà bị tổn thất gọi là tổn thất tốc độ dư

b Đặc điểm cấu tạo và nhiệm vụ của các bộ phận chính của tuabin:

+ Vỏ tua bin:

52

40 33

Vỏ của tua bin RHF4 không lắp cánh, vỏ tua bin luôn tiếp xúc với khí xả động cơ

có nhiệt độ cao nên nó được chế tạo bằng gang hợp kim chịu nhiệt

Do vỏ của tua bin RHF4 không lắp cánh nên cấu tạo rất đơn giản, kích thước vàkhối lượng nhỏ nhờ đó giảm được giá thành của Turbo

Do vành tăng áp có tiết diện giảm dần từ cửa vào đến cửa ra nên tổn thất lưu động ít

do đó làm tăng hiệu suất của tua bin

Tuy nhiên với kết cấu vỏ không lắp cánh thì đòi hỏi nhà sản xuất phải có trình độcao về mặt thiết kế và kỹ thuật chế tạo

+ Cánh tua bin (Bánh công tác) và trục tua bin:

Ø 11 Ø Ø Ø

20 9

4 11.5 13 9 37.5 10

4 3 2 1

7.5

2

2 1.25 2

Hình 3 – 9 Kết cấu cánh và trục tua bin RHF4

1- Cánh tua bin; 2- Xéc măng; 3- Rãnh dầu; 4- Trục tua bin

+ Bánh công tác tua bin RHF4 dạng hình sao gồm có 9 cánh dẫn phân bố đều trênđĩa quay tạo nên các rãnh thông nhỏ hướng kính, đường kính ngoài Φ = 44 (mm) vàđường kính trong Φ = 34 (mm) và được đúc liền với trục tua bin Là chi tiết rất quantrọng của tua bin, luôn hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao, tốc độ lớn, liên tụcnhận lực xung của sản vật cháy có tính ăn mòn mạnh nên bánh công tác là chi tiếtchịu tác dụng lớn nhất về lực, nhiệt, dao động và ăn mòn trong tuabin nên nó đượcchế tạo từ thép hợp kim chịu nhiệt

+ Trục tua bin RHF4 được đúc liền với cánh tua bin, nó có tác dụng dẫn động máynén quay theo tua bin Vì tốc độ quay của trục tua bin rất lớn từ (20000 ÷ 60000) v/

ph nên giữa trục và bạc lót, ống lót phải được bôi trơn bằng dầu cấp từ động cơ + Bạc lót, bạc chặn, ống lót trục tua bin RHF4:

4

1.2 0.4

Hình 3 – 10 Kết cấu bạc lót, bạc chặn, ống lót trục và chốt định vị tua bin RHF4

Do cánh tua bin và cánh máy nén của turbo RHF4 quay ở tốc độ rất cao nT = 28646(v/ph) nên các bạc lót, bạc chặn được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp theokiểu lắp lỏng hoàn toàn (bạc bơi) để đảm bảo hấp thụ các rung động từ trục, bôi trơntrục và bạc Các ổ bạc này được bôi trơn bằng dầu động cơ và quay tự do giữa trục

và vỏ để tránh kẹt ở tốc độ cao Ống lót trục thì được cố định bằng chốt định vịnhằm tránh cho đường dầu không bị tắt

Dầu động cơ không bị rò rỉ nhờ các xéc măng làm kín dầu lắp trên trục

c Đặc tính của tua bin (TB) RHF4:

Đường đặc tính của TB RHF4 biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng khối lượng củakhí xả với tỉ số giãn nở của nó ở các số vòng quay khác nhau của rôto TB Dòngchảy qua TB tuân theo các quy luật sau:

- Nếu áp suất đầu vào không đổi, lưu lượng khối lượng tăng khi nhiệt độ giảm

- Năng lượng trong một đơn vị khối lượng khí là hàm số của nhiệt độ và áp suất

- Tốc độ của TB là hàm số của tốc độ chuyển động theo (tốc độ tiếp tuyếncủa dòng khí)

đại lượng

g

T g

P

n m

nhằm loại trừ ảnh hưởng của áp suất và tốc độ vòng quay đến đặc

tính của TB ứng với các số vòng quay của nó được biểu diễn qua đại lượng

Khác với máy nén, đối với Tuabin RHF4 không tồn tại vùng làm việc không ổnđịnh

2 1

Hình 3 – 11 Đặc tính của Tua bin RHF4

Đặc tính của TB RHF4 còn cho thấy mg là hàm số của độ giãn nở nên tốc độ của tuabin nT sẽ tăng khi áp suất đầu ra giảm- tức nếu tăng độ cao làm việc của thiết bị (cột

áp làm việc) mật độ không khí giảm (khối lượng riêng của không khí giảm) nên mgcũng giảm theo

3.2.2.2 Vỏ giữa Turbo RHF4: