Tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1 TC

Mục đích cơ bản của tăng áp cho động cơ đốt trong là làm tăng công suấtnhưng đồng thời tăng áp cũng cải thiện được một số chỉ tiêu sau: + Giảm thể tích toàn bộ của ĐCĐT ứng với một đơn v

LỜI NÓI ĐẦU

Sau thời gian học tập tại giảng đường đại học, đồ án tốt nghiệp là nhiệm vụcuối cùng trong chuyên ngành đào tạo kỹ sư của mỗi trường đại học kỹ thuật màmọi sinh viên trước khi bước vào công việc thực tế phải hoàn thành Nó giúp sinhviên tổng hợp tất cả và khái quát lại kiến thức cơ sở cũng như chuyên ngành

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong thời gian qua động cơ đốt

trong cũng không ngừng được cải tiến để nâng cao công suất Một trong nhữngphương pháp nâng cao công suất hiệu quả hiện nay là sử dụng hệ thống tăng áp chođộng cơ Vì vậy, trong thời gian đi thực tập em đã tìm hiểu nghiên cứu hệ thốngnày, chính vì thế mà em chọn đề tài “KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN KIỂM

NGHIỆM HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ ISUZU 4JH1 - TC” để làm đề tài tốt

nghiệp Qua đề tài này em muốn hiểu rõ hơn bản chất cũng như các quá trình làm

việc của động cơ khi có hệ thống tăng áp, đồng thời đưa ra phương pháp tăng áp tốt

nhất để nâng cao công suất động cơ và có cách khắc phục các nhược điểm của nó

Tuy nhiên, do những hạn chế về thời gian, kiến thức cũng như tài liệu thamkhảo nên trong phạm vi đồ án này em không thể trình bày được hết các vấn đề liênquan cũng như tìm hiểu sâu hơn mối quan hệ giữa hệ thống này với hệ thống khác.Qua đó, không tránh khỏi những sai sót trong vấn đề thực hiện Rất mong được sựquan tâm chỉ bảo hơn nữa của các thầy cô và các bạn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Phùng Xuân Thọ đãhướng dẫn tận tình, cùng các quý thầy cô trong khoa Cơ Khí Giao Thông và cácbạn, những người đã trực tiếp giúp đỡ chỉ dẫn và góp ý cho em trong suốt thời gianthực hiện đồ án này

Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Ngô Đức Quang

1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ

1.1 Mục đích của tăng áp động cơ

1.1.1 Định nghĩa tăng áp

Tăng áp là biện pháp tăng khối lượng không khí nạp vào xilanh bằng cáchtăng khối lượng riêng của không khí Muốn vậy, phải tiến hành nén môi chất nạptrước khi vào xilanh, tức là tăng áp suất của môi chất nạp Do khối lượng không khíđược nạp vào xilanh tăng nên người ta có thể tăng thêm lượng nhiên liệu để đốtcháy trong dung tích đó Như vậy, cho ta khả năng tăng lượng nhiệt phát ra trongdung tích cho trước

1.1.2 Mục đích tăng áp

Nhằm mục đích tăng công suất cho động cơ đốt trong người ta phải tìm cáchtăng khối lượng nhiên liệu cháy ở cùng một đơn vị dung tích xilanh trong một đơn

vị thời gian, là tăng lượng nhiệt phát ra trong một không gian và thời gian cho trước

Mục đích cơ bản của tăng áp cho động cơ đốt trong là làm tăng công suấtnhưng đồng thời tăng áp cũng cải thiện được 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 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 tua bin khí, do đó suấttiêu hao nhiên liệu giảm;

+ Giảm độ ồn của động cơ

1.2 Phân loại hệ thống tăng áp

Không có máy nén

Tua bin khí

cộng hưởng

Liên hệ khí thể

Liên hệ

cơ khí

Liên hệ thủy lực

Mắc nối tiếp

Mắc song songTăng áp

Có máy nén

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 và tăng ápkhông có máy nén, theo sơ đồ trên.

1.2.1 Biện pháp tăng áp nhờ máy nén

1.2.1.1 Tăng áp cơ khí

3 1

Hình 1 - 2 Sơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí1- Động cơ đốt trong; 2- Bánh răng truyền động;

3- Máy nén; 4- Đường nạp; 5- Thiết bị làm mát

Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp cơ khí có thể làmáy nén kiểu piston, quạt root, trục xoắn, quạt ly tâm, hoặc quạt hướng trục, đượcdẫn động từ trục khuỷu của động cơ

Phương pháp dẫn động máy nén rất phong phú, nhiều trường hợp giữa máynén và trục khuỷu động cơ có bố trí li hợp nhằm cho phép điều khiển phạm vi hoạtđộng của máy nén dẫn động cơ khí cho phù hợp với các chế độ của ĐCĐT

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

Ne = Ni - Nm - Nk

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 dẫn động máy nén 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 cho việcdẫn động 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 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 dẫn động cơ khí chỉ được

áp dụng ở những mục đích cần thiết và áp suất tăng áp pk nhỏ hơn hoặc bằng 1,6kG/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 tốt, vìlượng không khí cấp cho động cơ một chu trình phụ thuộc vào vòng quay trụckhuỷu mà không phụ thuộc nhiệt độ khí thải Đối với tăng áp cơ giới, năng lượngtiêu hao để dẫn động máy nén tăng lên, giảm hiệu suất giảm tính kinh tế động cơ.

1.2.1.2 Động cơ tăng áp bằng tua bin khí

Tăng áp bằng tua bin khí: là biện pháp tăng áp mà máy nén được dẫn độngnhờ tua bin 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 tươngđối lớn Muốn khí thải sinh công, nó phải được giãn nở trong một thiết bị để tạo racông cơ học Nếu để nó giãn nở trong xilanh của ĐCĐT thì dung tích của xilanh sẽrất lớn, 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

a Tăng áp bằng tua bin khí có liên hệ cơ khí

Trong phương án này, trục tua bin động cơ đốt trong và máy nén được nốiliền nhau Kết cấu này bao gồm máy nén hướng trục nhiều cấp, động cơ diesel 4 kỳ

và tuabin hướng trục nhiều cấp được nối đồng trục Áp suất của khí nạp vào xi lanhđộng cơ đạt 3÷4 kG/cm2, khí xả sau khi ra khỏi xilanh động cơ đốt trong trước khivào tuabin đạt áp suất 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 tua bin khí liên hệ khí thể

3

Hình 1 - 3 Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng tua bin khí chỉ liên hệ khí thể

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

Theo phương án này, tua bin và máy nén được nối đồng trục với nhau Khí

xả được giãn nở trong cánh tua bin sẽ làm tua bin quay và dẫn động máy nén, nénkhông khí tới áp suất tăng áp và đưa vào động cơ Phương án này cho phép tậndụng tối đa năng lượng khí thải, tạo ra hiệu suất cao cho động cơ

c Tăng áp bằng tua bin khí có liên hệ thuỷ lực

5 1

7 8 2

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

Các phương án kết nối giữa động cơ đốt trong và cụm tua bin - máy néncũng rất phong phú Hình 1- 4 trình bày các phương pháp kết nối này Trong đó,hình 1- 4a là cách ghép nối thông dụng nhất, nó cho phép điều chỉnh chế độ tăng áp

theo chế độ làm việc của động cơ đốt trong Ngoài ra, còn có các phương pháp kếtnối khác nhằm tận dụng năng lượng khí xả, như hình 1- 4 b,c

25

P0,T0

6

64

1

25

364

P0,T0

1

25

63

4

P0,T0

Hình 1 - 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- Tua bin; 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 máy nén dẫn động cơ khí có thể sử dụngmáy nén ly tâm, hướng trục, trục vít, quạt root hoạt động hoàn toàn độc lập với máynén dẫn động bởi tua bin khí

Đối với phương án lắp thuận: máy nén dẫn động cơ khí đứng sau máy nén

từ môi trường sau đó dẫn tới máy nén dẫn động cơ khí và đi vào ĐCĐT Lưu lượngkhí nạp phụ thuộc vào lưu lượng cụm TB-MN.

Đối với phương án lắp nghịch: MN dẫn động cơ khí đứng trước, lưu lượngkhí nạp vào ĐCĐT phụ thuộc vào lưu lượng MN dẫn động cơ khí, vì thế phụ thuộcvào chế độ tốc độ động cơ và lưu lượng cung cấp cho một chu trình là không đổi

Trong động cơ tăng áp hỗn hợp lắp song song người ta dùng một máy néndẫn động cơ giới hoặc dùng không gian bên dưới của xilanh làm máy nén (trườnghợp động cơ có guốc trượt) cung cấp không khí cho động cơ, song song với bộ

"máy nén tua bin khí "quay tự do Như vậy, mỗi máy nén trong hệ thống chỉ cầncung cấp một phần không khí nén vào bình chứa chung

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

áp lắp nối tiếp

1.2.2 Biện pháp tăng áp không có máy nén

Sau đây là các phương pháp làm cho áp suất nạp vào động cơ đốt trong lớnhơn giá trị thông thường mà không cần dùng đến máy nén cũng như một số phươngpháp tăng áp cao đang phổ biến trong thực tế

1.2.2.1 Tăng áp dao động và cộng hưởng

Người ta sử dụng sự dao động của dòng khí và tính cộng hưởng của daođộng để tăng áp suất của môi chất trong xilanh lúc đóng xupáp nạp

Hình 1 - 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- Xilanh;

4- Bình cộng hưởng

Theo phương pháp tăng áp này, công nạp của piston được chuyển hóa thànhnăng lượng động học của cột khí và chính năng lượng này sẽ chuyển hóa thànhcông nén làm tăng áp suất trong xilanh cuối quá trình nạp.

a Tăng áp dao động

Quá trình diễn biến của áp suất trên đường ống trong quá trình nạp, thải nếuxem xét theo lý thuyết truyền sóng thì đó là quá trình dịch chuyển của sóng nén vàsóng giãn nở

Do có sự dao động của áp suất trên đường nạp, thải của động cơ mà ở đóxuất hiện quá trình truyền sóng (sóng áp suất và sóng tốc độ) Ở trạng thái tĩnh, tốc

độ truyền sóng a được xác định như sau:

T R k

a

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 = f (x, t)

v = f (x, t)Sóng áp suất và sóng tốc độ cùng xuất hiện và cùng được truyền với tốc độtruyền sóng a

Sóng phản xạ được chia làm hai loại: Phản xạ đầu kín và phản xạ đầu hở.Sóng phản xạ đầu kín xuất hiện khi xupáp đóng kín, sóng phản xạ đầu hở xuất hiệnkhi sóng truyền tới đầu hở

Hình 1 - 7 Tương giao của sónga- Tương giao của sóng dương; b- Tương giao của sóng âm;

c- Tương giao của sóng dương và sóng âm

a) b) c)

Sự dao động của áp suất môi chất trong đường ống nạp thực tế không phải

do một sóng đơn giản tạo ra mà do hai họ sóng truyền theo chiều ngược nhau, nó làkết quả của việc tương giao và hợp thành của sóng phát sinh ở đầu này tạo nên sóngphản xạ ở đầu kia Sóng khí thể cũng vậy, luôn tồn tại tính chồng chất và thườngxuyên gặp nhau

Khi gặp nhau, biên độ sóng bằng tổng biên độ của hai sóng Sau khi xuyênqua, tính chất và biên độ của sóng không thay đổi, sóng nén vẫn là sóng nén và sónggiãn nở vẫn là sóng giãn nở

Khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới(ĐCD) tạo ra trong xilanh sự giảm áp suất Do áp suất trong xilanh nhỏ hơn áp suấttrên đường nạp, nên xuất hiện sự giãn nở trong ống nạp từ xilanh ra đến đầu hở củaống có áp suất 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 sóngnén truyền tới xupap mà xupap chưa đóng, sẽ làm tăng áp suất ở khu vực trướcxupap và làm tăng hệ số nạp Sau khi xupap nạp đã đóng, sóng áp suất còn lưu lạivẫn truyền qua truyền lại trong ống

Để đạt được lưu 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 đường ốngnạp

1

3 2

4 5 6

Hình 1 - 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 cókhả năng gây ra dao động dòng khí nạp Nguyên tắc thiết kế các kích thước và bố trísao cho quá trình lưu động có tính chu kỳ của dòng khí nạp vào các xilanh phù hợpvới tần số dao động của bình và ống Do cách bố trí như vậy, các xilanh được nối

dao động của bình và ống Tức là lúc này xảy ra hiện tượng cộng hưởng trong dòngkhí nạp.

1.2.2.2 Tăng áp trao đổi sóng áp suất

Thiết bị là rôto với các rãnh hướng kính nằm dọc trục, các van C, D và G, Fnằm ở đầu nạp và đầu xả là hai mặt bích có bố trí đường dẫn vào và ra Rôto đượcdẫn động từ trục khuỷu của động cơ Để đảm bảo hệ thống làm việc được cân đốingười ta bố trí hai ống vào và hai ống ra trên stato Như vậy có hai chu trình xảy rađồng thời trong một vòng quay của rôto

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

áp; 6- Khí thải thấp áp; 7- Rôto

Trong phương án này, sử dụng năng lượng động học của khí xả để nén khínạp Sự tăng hay giảm của áp suất được truyền với cùng tốc độ của các xung nénhình thành từ phía có áp suất cao lên phía có áp suất thấp Dòng khối lượng và xungcủa 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 chuyểnđộng 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 1- 9 Ở đây sóng nén hoặc giãn

nở của khí thải được sử dụng để truyền trực tiếp năng lượng lên khí nạp Van C, Dđược bố trí ở một đầu ống để điều khiển sự lưu thông của khí nạp Trong khí đó cácvan G, F được lắp ở đầu ngược lại để điều khiển sự lưu thông của khí xả.Van C, Gdùng để điều khiển phía có áp suất cao của chu trình Van D, F được thông với môitrường xung quanh

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

Hình 1-10 là sơ đồ khai triển lớp cắt quanh chu vi tại bán kính trung bình củarôto và stato lên mặt phẳng, trên đó chỉ phương hướng lưu động của khí thải vàkhông khí Tốc độ tiếp tuyến của rôto tại bán kính trung bình được thay bằng tốc độdịch chuyển của các rãnh thông từ dưới lên trên

G

2 III IV

Hình 1 - 10 Sơ đồ khai triển thể hiện quá trình truyền sóng áp suất trong

bộ tăng áp bằng sóng khí đơn giảnA- Bình góp khí xả; B- Bình góp không khí nén

Ban đầu ống dẫn chứa đầy không khí ở trạng thái áp suất bằng áp suất môitrường và các van C,D,F,G đều đóng kín Quá trình xả của động cơ bắt đầu khipiston đi từ ĐCD đến ĐCT, xupáp xả mở áp suất đường xả tăng lên, van G mở rakích thích tạo ra sóng xung có áp suất cao, van F đóng Màng khí xả nóng chuyểnđộng phía sau của sóng xung Nhờ đó khí được nén từ phải sang trái Van C được

mở ra để khí được nén bởi sóng xung đi vào ống có áp suất cao và đi vào xi lanhcủa ĐCĐT Van C đóng lại khi màng tiên phong của khí nóng đến để tránh sự hoà

trộn của khí thải vào khí mới Kết thúc giai đoạn này thì phần lớn năng lượng khí xảđược truyền cho khí nạp

Khi C đóng thì G đóng, còn F mở ra Lúc này sóng giãn nở hình thành, khíthải chứa trong ống dẫn thải hết ra ngoài theo van F Do sự giãn nở của khí trongống xả (rãnh dọc trục của rôto) làm cho áp suất ở đây nhỏ hơn áp suất khí trời vàvan D mở ra, không khí đi vào ống van F đóng lại, van D đóng kết thúc chu kỳ làmviệc của hệ thống

+ Ưu điểm nổi bật của loại tăng áp bằng sóng khí là áp suất tăng áp càng cao,khi tốc độ động cơ càng thấp, nhờ đó động cơ sẽ có mômen lớn tại tốc độ thấp

+ Nhược điểm của loại này là thiết bị cồng kềnh, chiếm không gian lớn, trụckhuỷu động cơ dẫn động rôto tiêu thụ 12% công suất động cơ, tiếng ồn lớn, tuổithọ của rôto thấp nên chưa được sử dụng rộng rãi

1.2.2.3 Tăng áp tốc độ

Trong các động cơ đặt trên máy bay hoặc trên ôtô đua còn có thể sử dụngdòng không khí ngược với chiều chuyển động của máy bay và ôtô để làm tăng khốilượng môi chất nạp vào động cơ Phương pháp này được gọi là phương pháp tăng

1.2.3 Tăng áp cho động cơ diesel

1.2.3.1 Tăng áp cho động cơ diesel 4 kỳ

Tăng áp bằng tua bin khí xả đầu tiên được sử dụng cho động cơ 4 kỳ Đối vớiđộng cơ diesel, vì để đáp ứng được nhu cầu về nâng cao công suất cho động cơ nênhầu hết trên các động cơ diesel cỡ lớn của tàu thủy, động cơ diesel trên đầu máy xelửa và diesel phát điện đều dùng hệ thống tăng áp Nhằm giải quyết vấn đề nạp khí

ở các chế độ khởi động và tải nhỏ, đảm bảo độ chênh áp suất đủ để nạp khí vàoxilanh ở các chế độ đối với động cơ 4 kỳ đơn giản hơn động cơ 2 kỳ nhờ có hànhtrình thải và tiêu thụ không khí quét ít Nói chung sơ đồ nguyên lý tăng áp của cácđộng cơ 4 kỳ giống nhau, chỉ khác nhau một ít về kết cấu đường ống xả và có hoặckhông có bầu làm mát không khí tăng áp

Để chuyển động cơ 4 kỳ sang tăng áp bằng tua bin khí xả không chỉ đơn giảnđặt lên động cơ cụm tua bin máy nén và nối đường ống dẫn của nó với bình chứakhông khí tăng áp và ống góp khí xả Động cơ 4 kỳ tăng áp tua bin khí xả khác vớiđộng cơ không tăng áp

Hình 1 - 11 Sơ đồ kết cấu tăng áp động cơ 4 kỳ1- Máy nén; 2- Đường khí nén; 3- Bộ làm mát không khí tăng áp;

4- Xupáp nạp; 5- Xupáp xả; 6- Ống xả; 7- Tua bin

+ Tăng suất tiêu hao không khí và khí xả qua các xupáp nạp, xả Để đảm bảođiều đó, khi tăng áp cần phải tăng góc mở sớm và đóng muộn các xupáp, tăng góctrùng điệp Đối với động cơ không tăng áp góc trùng điệp khoảng 25500 góc quaytrục khuỷu Khi tăng áp bằng tua bin khí xả, để đảm bảo quét khí, góc trùng điệp

được tăng lên đến 1001400 góc quay trục khuỷu Các pha phân phối khí được lựachọn 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 suất trước tua bin) Nhờ độ chênh áp suất nên trong thời kì trùng điệp đảm bảoquét sạch buồng cháy, do vậy hệ số khí sót giảm đến giá trị r = 0,010,02, làmtăng hệ số nạp và hệ số dư lượng không khí, cải thiện được chất lượng cháy, giảmsuất tiêu hao nhiên liệu, ứng suất nhiệt động cơ Hình 1-12 giới thiệu sơ đồ mô tả sựthay đổi các thông số hệ thống tăng áp diesel 4 kỳ theo tải như sau:

0204060PPs

Ne0

tx

2040

60tx

Ps

PxA

Hình 1 - 12 Sự thay đổi các thông số tăng áp động cơ diesel 4 kỳ theo tải

Px, tx- Áp suất, nhiệt độ khí xả; Ps- Áp suất không khí nạp

Từ hình 1-12, ta thấy rõ độ chênh áp suất tăng nhanh (Ps-Px) khi tải động cơtăng Khi giảm tải độ chênh lệch áp suất (Ps-Px) giảm xuống Khi tải của động cơ 4

kỳ khoảng 3050% tải định mức, áp suất tăng áp bằng áp suất khí xả trước tua bin(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 xupáp xả, nên xảy ra hiện tượng dồn ngược khí

xả vào xilanh và đường ống nạp không khí tăng áp

Dẫn khí xả tới tua bin theo đường ống xả riêng Trong trường hợp nối cácống xả của tất cả các xilanh với một đường ống xả chính thì khi áp suất tăng áp thấp(dưới 200KPa) xung áp suất ngăn cản quét các xilanh khác và là nguyên nhân dồnngược khí xả vào các xilanh Nối các ống xả của các xilanh với các đường ống riêng

sẽ ngăn ngừa được hiện tượng này và đảm bảo độ chênh áp suất (Ps-Pt) và tạo quátrình quét bình thường của mỗi xilanh

1.2.3.2 Tăng áp cho động cơ diesel 2 kỳ

Tăng áp tua bin khí xả trong các động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ bắt đầu sửdụng muộn hơn so với động cơ 4 kỳ Động cơ 2 kỳ sử dụng sơ đồ tăng áp tua binkhí xả của động cơ 4 kỳ (nén không khí trong máy nén tua bin một cấp) gặp phảikhó khăn do tính đặc biệt của nó Để đảm bảo quá trình thay đổi khí và làm việc tốt,các động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ đều được tăng áp bằng tua bin khí hoặc tăng áp hỗnhợp

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

Hình 1 - 13 Một số sơ đồ tăng áp động cơ 2 kỳa- Sơ đồ tăng áp biến áp; b- Sơ đồ tăng áp tua bin khí xả 1 cấp đẳng áp;c- Sơ đồ tăng áp liên hợp có nén không khí bổ sung trong các máy nén piston.1- Máy nén; 2- Tua bin; 3- Xilanh; 4- Ống nạp; 5- Bầu làm mát không khí tăng áp;

6- Ống xả; 7- Máy nén piston

+ Cần đảm bảo độ chênh giữa áp suất không khí tăng áp trong bình chứa và

áp suất khí xả trong đường ống xả (Ps-Px) trong tất cả các chế độ tải của động cơ.Đối với động cơ 4 kỳ, nhờ có hành trình xả và nạp đảm bảo xả được hầu hết sản vậtcháy ra khỏi xilanh và nạp vào xilanh đủ khối lượng không khí ở các chế độ làm

việc bất kỳ Đối với động cơ 2 kỳ, nếu ở một chế độ làm việc nào đó áp suất tăng ápthấp hơn áp suất khí trong đường ống xả thì chu trình công tác không thể thực hiệnđược khả năng quét và không nạp vào xilanh đủ lượng không khí cần thiết để đốtcháy nhiên liệu Để đảm bảo quét và nạp không khí vào xilanh, áp suất tăng áp cầnphải cao hơn áp suất khí trong trường hợp ống xả ở tất cả các chế độ tải, do vậy tiêutốn công suất 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 quétlớn hơn so với động cơ 4 kỳ Hệ số quét của động cơ 2 kỳ a= 1,451,65, trongkhi đó của động cơ 4 kỳ a = 1,071,35 Để tăng hệ số dư lượng không khí quétcần tăng lượng không khí do máy nén cấp và như vậy phải tăng công suất tiêu thụcho máy nén

+ So với động cơ 4 kỳ, khi áp suất chỉ thị trung bình bằng nhau, nhiệt độ khí

xả của động cơ 2 kỳ thấp hơn Đối với động cơ 2 kỳ ở chế độ định mức, nhiệt độkhí xả nằm trong giới hạn 3504500C Còn với động cơ 4 kỳ, có thể đạt4505000C Nguyên nhân giảm nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ là do lượng khôngkhí quét lớn Giảm nhiệt độ khí xả là nguyên nhân giảm công suất tua bin

+ Như vậy, tăng công suất động cơ 2 kỳ bằng cách sử dụng tua bin khí xảphức tạp hơn so với động cơ 4 kỳ, vì công suất tua bin nhỏ nhưng hệ thống tăng ápcần phải cấp lượng không khí lớn hơn và có áp suất cao hơn Hiệu số giữa công suấtcần thiết của máy nén để cấp không khí với công suất do tua bin sinh ra có khi đạttới (4-6)% công suất chỉ thị của động cơ

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

1.2.4 Tăng áp cho động cơ xăng và động cơ ga

1.2.4.1 Tăng áp cho động cơ xăng

Do đặc điểm của động cơ xăng là khí nạp vào động cơ là hỗn hợp xăng vàkhông khí, mặt khác động cơ xăng dễ gây kích nổ nên việc tăng áp cho động cơxăng gặp nhiều khó khăn Hiện nay động cơ xăng tăng áp thường chỉ dùng trongmáy bay tải trọng nhỏ, máy bay thể thao, trực thăng còn trên ô tô máy kéo ít sửdụng tăng áp vì công suất của loại động cơ này thường nhỏ 75÷220 KW Nếu lắpthêm cụm tua bin 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 nổngười ta dùng các biện pháp như sau:

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

Thường người ta chỉ sử dụng động cơ xăng tăng áp trong những điều kiệnđặc 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 hợpkhông 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 lưulượng 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 khínhất 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 nhờn trong máynén 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 bộ chếhòa khí rồi mới vào 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 máynén khi xảy ra hiện tượng hồi hỏa

Nhược điểm:

+ Sử dụng nhiều bộ chế hòa khí (6 đến 12 bộ) làm tăng trọng lượng của hệthống;

+ Bướm ga của các bộ chế hoà khí rất khó điều chỉnh giống nhau;

+ Các đường ống trong hệ thống nạp thải phải thật kín nếu không dễ sinh rahoả hoạn

1.2.4.2 Tăng áp cho động cơ ga

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 rôto hay máy nén pittông

Phương án 2: Máy nén đặt trước lò ga, giữ nhiệm vụ cung cấp cho cả lò ga

và bộ hỗn hợp Trong trường hợp này, máy nén khí không tiếp xúc với bụi của khí

ga nhưng phải đảm bảo cho toàn hệ thống lò ga và đường ống dẫn khí ga thật kín đểtránh hoả hoạn

Hiện nay, tăng áp cho động cơ ga có thể đưa áp suất trung bình của động cơ

ga Pe=0,8÷1,1 MN/m2 (các loại động cơ ga không tăng áp chỉ đạt Pe=0,55÷0,7 MN/

m2)

1.3 Đặc tính của TB-MN tăng áp

1.3.1 Đặc tính của tua bin

Đường đặc tính của tua bin biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng khối lượngcủa khí xả với tỉ số giãn nở của nó ở các số vòng quay khác nhau của rôto tua bin.Dòng chảy qua tua bin tuân theo các quy luật sau:

+ Nếu áp suất đầu vào không đổi, lưu lượng khối lượng tăng khi nhiệt độgiảm;

+ Năng lượng chứa trong một đơn vị khối lượng khí là hàm số của nhiệt độ

Khác với máy nén, đối với tua bin không tồn tại vùng làm việc không ổnđịnh, vì trong tua bin áp suất giảm dần theo phương chuyển động của dòng khí nên

sự tách dòng không thể xuất hiện

1,5

T

2,5

ABCD

1,5

Tg giaím

Hình 1 - 14 Đặc tính của tua binĐặc tính của tua bin còn cho thấy mg là hàm số của độ giãn nở nên tốc độ củatua bin nT sẽ tăng khi áp suất đầu ra giảm, tức là nếu tăng độ cao làm việc của thiết

bị (cột áp làm việc) thì mật độ không khí giảm (khối lượng riêng của không khígiảm) nên mg cũng giảm theo

1.3.2 Đặc tính của MN

Ngoài các ưu điểm nổi trội về kích thước nhỏ và giá thành thấp, máy nén lytâm còn cho phép tạo ra áp suất đủ cao mà rất ít nhạy cảm khi hình dáng của nókhông đạt sự hoàn hảo như yêu cầu, nên nó là loại máy nén luôn được ưu tiên sửdụng trong tăng áp cho ĐCĐT

Cơ sở để thành lập đặc tính cung cấp khí cho máy nén ly tâm là phương trìnhEuler Phương trình này cho phép thiết lập mối quan hệ giữa công cung cấp củamáy nén cho 1 kg khí đi qua bánh công tác như sau:

kg Nm C U C U m

L: Công cung cấp tương ứng với lượng khí mk [kg];

U1, U2: Tốc độ vòng ở cửa vào và cửa ra [m/s];

C1u, C2u: Tốc độ tuyệt đối theo phương tiếp tuyến [m/s];

hlt: Công lý thuyết cần thiết cấp cho 1 kg chất khí hay còn gọi là độ cao cungcấp lý thuyết (bỏ qua ma sát, không có sự va đập và tách dòng giữa dòng chảy vớicánh) [J/kg]

Công thức trên có dấu trừ khi  <900 và có dấu cộng khi  >900

+ Khi nhiệt độ không đổi, thể tích riêng tỉ lệ nghịch với áp suất;

+ Nhiệt độ của chất khí thay đổi rất nhiều khi đi qua máy nén nên khối lượngriêng của nó cũng thay đổi theo

Do những đặc điểm trên của chất khí mà chúng ta cần phải để ý đến việc sửdụng lưu lượng thể tích hay lưu lượng khối lượng, lưu lượng đầu vào hay lưu lượngđầu ra của máy nén khi xây dựng đặc tính lưu lượng - áp suất, sao cho sự ảnh hưởngcủa các tính chất trên là nhỏ nhất

Máy nén dùng để tăng áp cho ĐCĐT nên khối lượng khí nạp vào động cơ(hay lưu lượng đầu ra của máy nén) là đáng quan tâm nhất Đặc tính này biểu diễnmối quan hệ giữa lưu lượng khối lượng và tỉ số tăng áp suất ở cửa ra với cửa vàocủa máy nén P1/P0 khi tốc độ vòng quay của rôto không đổi

Thực tế máy nén ly tâm luôn có các tổn thất sau:

+ Rò rỉ qua khe hở giữa rôto với vỏ;

+ Tổn thất do ma sát giữa khí với cánh, vỏ với khí;

+ Tổn thất do va đập giữa góc vào của dòng khí với góc vào của cánh

Do đó đường biểu diễn đặc tính thực tế của máy nén là một đường cong Dựavào đường cong này có thể dễ dàng nhận thấy rằng khi độ chênh áp suất trước vàsau máy nén bằng không, tức là P1/P0 = 1 thì lưu lượng qua máy nén lớn nhất

Trong thực tế, vùng làm việc của máy nén nằm trong giới hạn ổn định làvùng ứng với lưu lượng nhỏ, vùng còn lại (phía lưu lượng lớn) không được sử dụngtrong thực tế

sự nóng lên của khí tăng áp nhằm tăng khối lượng khí sau máy nén, cần phải bảođảm cho máy nén làm việc ở khu vực hiệu suất nhiệt cao.

Từ các đường đặc tính, ứng với tốc độ vòng quay khác nhau, còn cho thấykhi số vòng quay càng lớn, tốc độ giảm áp suất càng nhanh khi lưu lượng tăng, haynói cách khác khi ở số vòng quay càng nhỏ đặc tính càng phẳng

Từ các nhận xét trên cho thấy rằng, khi cần có tỉ số tăng áp cao, người ta cần

sử dụng hai máy nén ghép nối tiếp với nhau

1.3.3 Đặc tính của cụm tua bin-máy nén

Trong tăng áp cho ĐCĐT bằng TB-MN thì tua bin và máy nén đựơc lắp trêncùng một trục, nên chúng có cùng tốc độ với nhau, mặc dù tính chất của dòng chảytrong tua bin và máy nén khác nhau Vì vậy, để thiết lập đặc tính chung cần chútrọng đến các thông số để thiết lập đặc tính là:

+ Lưu lượng khối lượng của khí tăng áp mK;

+ Tỉ số tăng áp của máy nén, K;

+ Nhiệt độ khí xả đi qua tua bin, Tg;

+ Tỉ số giãn nở của tua bin, δT;

+ Số vòng quay của tua bin và máy nén, nT

Trong các đại lượng trên, đại lượng quan trọng nhất là lưu lượng khối lượngcủa khí tăng áp mk Đây là đại lượng phản ánh đầy đủ mục đích của việc tăng áp choĐCĐT

Trước khi đi sâu giải quyết các vấn đề cụ thể cần phải xác định các thông số

có ảnh hưởng quyết định đến chế độ làm việc của các cụm chi tiết

Đối với ĐCĐT, chế độ làm việc được xác định bởi:

+ Số vòng quay của động cơ, thông số này quyết định lưu lượng khí nạp cầnthiết vào xilanh;

+ Chế độ tải trọng của động cơ, được xác định bởi áp suất có ích bình quân

Pe hay mômen có ích Me hoặc lượng nhiên liệu đưa vào trong một chu trình côngtác hay hệ số dư lượng không khí của động cơ diesel

Đối với động cơ tăng áp bằng TB-MN thì cụm TB-MN phải đảm bảo cungcấp không khí cho ĐCĐT, tức là phải đảm bảo được các điều kiện sau:

+ Áp suất khí nạp phải đảm bảo theo yêu cầu;

+ Lưu lượng, khối lượng khí nạp như mong muốn;

+ Hệ số dư lượng không khí đạt giá trị cần thiết nhằm đảm bảo năng lượngkhí xả cung cấp cho TB-MN và ngược lại, chế độ làm việc của cụm TB-MN sẽ cóảnh hưởng đến chế độ làm việc và tải trọng của ĐCĐT

Như vậy, số vòng quay và tải trọng của ĐCĐT ảnh hưởng quyết định đếnchế độ làm việc của cụm TB-MN và ngược lại, chế độ làm việc của cụm TB-MN sẽ

có ảnh hưởng đến chế độ làm việc và tải trọng của ĐCĐT

1.4.1 Phối hợp TB-MN với ĐCĐT ở chế độ ổn định

Ở chế độ này số vòng quay và tải trọng của động cơ được coi là không đổi.Dòng khí lưu động từ máy nén đến ĐCĐT rồi đến tua bin chịu tác động của nhiềunhân tố khác nhau sau:

1.4.1.1 Lưu lượng khí qua máy nén

Muốn tăng công suất của ĐCĐT người ta tăng áp suất khí nạp nhờ máy nén.Lượng khí được cung cấp bởi máy nén nạp vào xilanh phụ thuộc các yếu tố sau: + Tổn thất dòng chảy từ máy nén đến xilanh ĐCĐT;

+ Sự sấy nóng của khí trong quá trình nén ở trong máy nén từ áp suất ban đầu

P0 đến áp suất tăng áp P1

1.4.1.2 Sự phân chia lượng không khí do máy nén cung cấp

Khí nén được đưa vào ĐCĐT được chia làm hai phần:

+ Phần lớn không khí trên được lưu lại trong xilanh và được sử dụng để đốtcháy nhiên liệu

+ Một phần nhỏ dùng để quét buồng cháy trong thời gian cả hai xupáp đều

mở, loại khí quét này phụ thuộc vào kết cấu đường nạp và đường thải, song trướctiên là tiết diện và góc trùng điệp của cơ cấu phân phối khí

1.4.1.3 Nhiệt độ khí xả

+ Với một ĐCĐT và một cụm TB-MN đã có thì quan hệ giữa áp suất có ích

và nhiệt độ khí xả có ảnh hưởng lớn đến đặc tính hoạt động của cụm TB-MN và tấtnhiên có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tăng áp

+ Khi số vòng quay không đổi, tỷ số tăng áp sẽ tăng khi tăng lượng nhiênliệu cung cấp Khiến Pe, Me, nhiệt độ cảu chu trình và nhiệt độ cuối quá trình giãn

nở đều tăng làm cho nhiệt độ khí xả tăng

1.4.2 Phối hợp TB-MN với ĐCĐT ở chế độ thay đổi

Khí xả của ĐCĐT là nguồn năng lượng được tận dụng để dẫn động máy nénnhằm tăng lượng khí nạp mới và làm tăng công suất của động cơ Trong thực tếtrong khi ĐCĐT làm việc ở chế độ thay đổi (thay đổi mômen Me, hoặc thay đổi sốvòng quay n) sẽ gây ảnh hưởng đến hoạt động của cụm TB-MN và vì vậy nó sẽ tácdụng ngược lại đối với ĐCĐT

Muốn phối hợp trong điều kiện chế độ làm việc thay đổi ta cần xem xét cácthông số sau:

+ Lưu lượng khối lượng của khí nạp mk;

+ Tỷ số tăng áp P1/P0;

+ Số vòng quay n của động cơ;

+ Số vòng quay của TB-MN nt;

+ Áp suất có ích bình quân

Từ các thông số đó nhằm xác định các thông số sau:

+ Đường kính và hình dạng của các cánh;

+ Tiết diện đi vào tua bin của khí xả;

+ Góc trùng điệp của xupáp;

+ Góc mở sớm của xupáp

Từ đó phải đạt được các chỉ tiêu sau:

+ Bảo đảm tỷ số giãn nở để bảo đảm công suất của tua bin;

+ Loại trừ vùng bơm của máy nén ra khỏi vung làm việc của ĐCĐT;

+ Đạt hiệu suất tối đa của cụm TB-MN;

+ Bảo đảm các tỷ số tăng áp cần thiết mà tố độ quay của cụm TB-MN khôngquá cao;

+ Giữ cho nhiệt độ khí xả vào tua bin là thấp nhất

Đối với động cơ diesel tăng áp bằng TB-MN, nếu giả thiết tua bin khôngđược cung cấp khí xả thì máy nén sẽ không làm việc Lúc này, máy nén sẽ là tácnhân cản trở chuyển động của dòng khí nên khối lượng khí càng giảm khi số vòngquay của động cơ tăng lên (hình 1-18)

Hình 1 - 18 Lượng khí cung cấp cho động cơ tăng áp và không tăng áp bằng

TB-MN khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi

1.5 Ưu nhược điểm của động cơ tăng áp

Ưu điểm: Qua xem xét và so sánh những động cơ tăng áp và không tăng áp,

ta rút ra những ưu việt sau đây của động cơ tăng áp:

+ Thể tích của động cơ nhỏ hơn;

+ Trọng lượng của động cơ nhỏ hơn;

+ Nếu dùng tua bin khí tận dụng năng lượng khí xả để đẫn động máy nén tăng

áp thì hiệu suất của động cơ tăng áp cao hơn hẳn;

+ Giá thành của động cơ nhỏ hơn;

+ Tua bin đặt trên đường thải nên bản thân nó là bộ phận giảm thanh tốt choĐCĐT;

+ Công suất của động cơ tăng áp bằng tua bin khí giảm ít hơn khi mật độkhông khí của môi trường thay đổi;

+ Giảm lượng khí xả độc hại

Những hạn chế:

+ Áp suất chu trình

Sự tăng áp suất cuối quá trình nén do tăng áp dẫn đến sự tăng áp suất và nhiệt

độ của cả chu trình công tác của ĐCĐT

Trong động cơ diesel, do tăng áp nên nhiệt độ và áp suất cuối quá trình néntăng làm rút ngắn thời gian cháy trễ i, áp suất cực đại của quá trình pzmax tăng vàtăng không tỷ lệ với sự tăng áp suất cuối quá trình nén

+ Nhiệt độ của chu trình

Tình trạng chịu nhiệt của động cơ tăng áp còn đáng lo ngại hơn Các nghiêncứu chỉ ra rằng, nếu áp suất chỉ thị trung bình tăng gấp đôi thì dòng nhiệt truyền quavách (truyền cho dầu và nước làm mát) chỉ tăng khoảng 60% Như vậy, nếu nhiệt

độ khí xả không đổi thì 40% còn lại sẽ làm cho các chi tiết của động cơ nóng lên.+ Sự hình thành hỗn hợp

Quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ diesel tăng áp trở nên phức tạp vìkhi tăng áp suất sẽ làm giảm không gian vật lý để bay hơi, nên nhiên liệu khó bayhơi Để có thể có được quá trình hình thành hỗn hợp tốt, tạo điều kiện tốt nhất choquá trình cháy thì cần phải tận dụng triệt để xoáy lốc qua pha phân phối khí, kết cấuđỉnh piston…

2 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ISUZU 4JH1-TC

2.1 Giới thiệu chung

Động cơ ISUZU 4JH1-TC là loại động cơ diesel 4 kỳ 4 xilanh được đặt thẳnghàng và làm việc theo thứ tự 1-3-4-2 Hệ thống nhiên liệu diesel phun trực tiếp mỗixilanh được bố trí 2 xupáp được dẫn động từ trục cam được bố trí ở thân máy

Trục khuỷu được xử lý bề mặt để tăng tuổi thọ do vậy không thể mài trụckhuỷu cho công việc sửa chữa.

Động cơ 4JH1-TC sử dụng bơm cao áp VP44 được điều khiển hoàn toànbằng điện tử nhờ hệ thống kiểm soát động cơ do hãng Bosch chế tạo

Bảng 2 - 1 Thông số kỹ thuật của động cơ 4JH1-TC

Khoảng cách hai tâm xilanh kế nhau

Hệ thống nhiên liệu

Cơ cấu phân phối khí

Dung tích nước làm mát (gồm két

Hệ thống bôi trơn

Hệ thống nạp không khí

2.2 Các cơ cấu của động cơ ISUZU 4JH1-TC

2.2.1 Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

+ Xécmăng khí được lắp trên đầu piston có nhiệm vụ bao kín buồng cháy,ngăn không cho khí cháy từ buồng cháy lọt xuống cácte Trong động cơ, khí cháy

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

và gạt dầu bám trên vách xilanh trở về cácte, ngoài ra khi gạt dầu xécmăng dầucũng phân bố đều trên bề mặt xilanh một lớp dầu mỏng Điều kiện làm việc củaxécmăng rất khắc nghiệt, chịu nhiệt độ và áp suất cao, ma sát mài mòn nhiều vàchịu ăn mòn hoá học của khí cháy và dầu bôi trơn

Xécmăng của động cơ 4JH1-TC được chế tạo từ gang xám

A - Aa)

B - Bb)Hình 2 - 3 Bộ xécmăng của động cơ 4JH1-TCa- Xécmăng dầu; b- Xécmăng khí

+ Chốt piston là chi tiết dùng để nối piston với đầu nhỏ thanh truyền, nótruyền lực khí thể từ piston qua thanh truyền để làm quay trục khuỷu Trong quátrình làm việc chốt piston chịu lực khí thể và lực quán tính rất lớn, các lực này thayđổi theo chu kỳ và có tính chất va đập mạnh Chốt piston được lắp với piston và đầunhỏ thanh truyền theo kiểu lắp tự do Khi làm việc chốt piston có thể xoay tự dotrong bệ chốt piston và bạc lót của đầu nhỏ thanh truyền, trên đầu nhỏ thanh truyền

và trên bệ chốt piston có lỗ để đưa dầu vào bôi trơn chốt piston

Hình 2 - 4 Kết cấu chốt piston của động cơ 4JH1-TC

Hình 2 - 5 Thanh truyền động cơ 4JH1-TC1- Thân thanh truyền; 2- Bu lông thanh truyền; 3- Bạc lót thanh truyền;

4- Đầu to thanh truyền

Đầu nhỏ thanh truyền dùng để lắp với chốt piston có dạng hình trụ rỗng Khilàm việc chốt piston có thể xoay tự do trong đầu nhỏ thanh truyền

Thân thanh truyền có tiết diện chữ I Chiều rộng của thân thanh truyền tăngdần từ đầu nhỏ lên đầu to, mục đích là để phù hợp với quy luật phân bố của lựcquán tính tác dụng trên thân thanh truyền trong mặt phẳng lắc

Đầu to thanh truyền có dạng hình trụ rỗng Đầu to được chia thành hai nửa,nhằm giảm kích thước đầu to thanh truyền mà vẫn tăng được đường kính chốtkhuỷu, nửa trên đúc liền với thân, nửa dưới rời ra làm thành nắp đầu to thanhtruyền Hai nửa này được liên kết với nhau bằng bulông thanh truyền

Bạc lót đầu to thanh truyền được chế tạo bằng thép tráng một lớp kợp kimchịu mòn, trên bạc lót có lỗ và rãnh để dẫn dầu bôi trơn và các vấu chống xoay, khilắp ghép các vấu này bám vào các rãnh trên đầu to, thuận tiện cho việc lắp ráp

2.2.1.3 Trục khuỷu

Hình 2 - 6 Kết cấu trục khuỷu

1- Cổ khuỷu; 2, 3- Nút ren; 4- Chốt khuỷu; 5- Đường dầu bôi trơn.Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng nhất, có cường độ làmviệc lớn và giá thành cao nhất của động cơ

Trục khuỷu của động cơ 4JH1- TC bao gồm 5 cổ khuỷu có đường kính  =

70 (mm), 4 chốt khuỷu và 8 đối trọng được chế tạo liền một khối, vật liệu chế tạobằng thép hợp kim, các bề mặt làm việc gia công đạt độ bóng cao Đầu trục khuỷu

có phay hai rãnh then để lắp bánh răng dẫn động puly dẫn động bơm nước, máyphát và bơm dầu trợ lực Bánh đà được lắp ở đuôi trục khuỷu bằng các bulông

Chốt khuỷu động cơ có đường kính  = 53 (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

Đối trọng của động cơ 4JH1-TC được đúc liền với trục khuỷu 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

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 rangoài trong kỳ thải và nạp đầy khí nạp mới vào xilanh động cơ trong kỳ nạp

Động cơ 4JH1-TC có cơ cấu phân phối khí loại dùng xupáp treo, trục camđược bố trí trong thân máy, với cách bố trí này tạo cho buồng cháy có kích thướcnhỏ gọn, giảm được tổn thất nhiệt, dễ dàng bố trí đường nạp và đường thải, tạo điềukiện thuận 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 - 7 Kết cấu các chi tiết trong cơ cấu phối khí động cơ 4JH1-TC

Mỗi xilanh của động cơ được bố trí hai xupáp, một xupáp nạp và một xupáp

xả, các xupáp được đặt xen kẻ nhau Đường nạp và đường thải được bố trí về haiphía của động cơ, do đó giảm được sự sấy nóng không khí nạp Trục cam được bốtrí trong hộp 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 xupápchịu tải trọng động và tải trọng nhiệt rất lớn nên yêu cầu nấm xupáp phải có độcứng vững cao, nên xupáp của động cơ 4JH1-TC được chế tạo từ thép hợp kim40Cr Động cơ 4JH1-TC dùng xupáp có đáy bằng, mặt làm việc quan trọng củaxupáp là mặt côn, xupáp nạp có mặt côn này nghiêng một góc α = 300, còn xupápthải thì có mặt côn nghiêng một góc α = 450 Mặt làm việc được gia công rất kỹ vàđược mài rà với đế xupáp Khi làm việc thân xupáp trượt dọc theo ống dẫn hướngxupáp, ống dẫn hướng xupáp gắn chặt với nắp máy Đuôi xupáp có một rãnh hãmhình trụ để lắp ghép với đĩa lò xo, đĩa lò xo được lắp với xupáp bằng hai móng hãmhình 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 mộtvòng hình trụ, trên đó có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm xupáp, mặtcôn trên đế xupáp thường lớn hơn mặt côn trên nấm xupáp khoảng (0,5  1)0, mặtngoài của đế xupáp có dạng hình trụ trên có tiện rãnh đàn hồi để lắp cho chắc Đểđảm bảo cho xupáp ép chặt vào đế xupáp thì giữa xupáp và đòn bẫy phải có mộtkhe hở nhất định gọi là khe hở nhiệt

Lò xo xupáp dùng để đóng kín xupáp trên đế xupáp và đảm bảo xupápchuyển động theo đúng quy luật của cam phân phối khí, do đó trong quá trình mởđóng xupáp không có hiện tượng va đập trên mặt cam Ở động cơ 4JH1-TC dùng

một lò xo trên xupáp nạp và hai lò xo lồng vào nhau trên xupáp thải nhằm tránh choxupáp 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 mởtheo quy luật nhất định Trục cam bao gồm các phần cam nạp, cam thải và các cổtrục, các cam được làm liền với trục Với động cơ 4 kỳ 1 hàng xilanh, góc lệch 1

giữa hai đỉnh cam cùng tên của hai xilanh làm việc kế tiếp nhau bằng một nửa góccông tác k của hai xilanh đó Ở động cơ 4JH1-TC thì vật liệu dùng để chế tạo trụccam là thép hợp kim

2.3 Các hệ thống của động cơ ISUZU 4JH1-TC

Hình 2 - 8 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ 4JH1-TC

1- Thùng nhiên liệu; 2- Van điều khiển bốc hơi nhiên liệu; 3- Cảm biến báo mứcnhiên liệu; 4- Nắp thùng nhiên liệu; 5- Ống cung cấp nhiên liệu; 6- Ống hồi nhiênliệu; 7- Bầu tách nước; 8,9- Lọc nhiên liệu; 10- Bơm cao áp; 11- Vòi phun; 12- Ốnghồi; 13- Động cơ

2.3.1.2 Nguyên lý làm việc

Khi động cơ làm việc nhiên liệu được bơm cấp nhiên liệu đặt trong thùngchứa hút lên và chuyển tới bơm cao áp, thông qua đường nhiên liệu 5 nhiên liệuđược chuyển tới ống phân phối nhiên liệu từ ống phân phối, nhiên liệu được phânphối tới các vòi phun 11 và phun vào xilanh động cơ hỗn hợp với không khí nén,

tạo thành hoà khí hay hỗn hợp và tự cháy và sinh công Nhiên liệu sau khi đi quabơm cao áp là nhiên liệu cao áp Từ đầu ra của bơm phân phối đến cung cấp nhiênliệu cho 4 vòi phun của động cơ theo thứ tự nổ là 1-3-4-2.

Để đảm bảo cho thành phần nhiên liệu phù hợp với từng chế độ hoạt độngcủa động cơ Trong hệ thống người ta có lắp thêm các cảm biến: áp suất khí nạp, tốc

độ động cơ, nhiệt độ nước làm mát, vị trí bàn đạp ga Các cảm biến này nhận tínhiệu và chuyển về bộ điều khiển PCM Bộ điều khiển có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từcác cảm biến gởi về và sẽ phát ra tín hiệu điều khiển vòi phun Các tín hiệu này sẽ

quyết định lượng nhiên liệu mà bơm sẽ cung cấp cho các vòi phun

2.3.2 Hệ thống bôi trơn

2.3.2.1 Sơ đồ hệ thống bôi trơn

Hình 2 - 9 Sơ đồ hệ thống bôi trơn động cơ 4JH1-TC

2.3.2.2 Nguyên lý làm việc

Bôi trơn bằng phương pháp bôi trơn cưỡng bức sử dụng bơm bánh răng ănkhớp trong Bơm được dẫn động từ trục khuỷu động cơ thông qua bánh răng dẫnđộng trên trục bơm Dầu bôi trơn được hút từ cácte thông qua lưới lọc, qua cácđường dầu chính 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 trơn chốt piston (đầu nhỏ thanh truyền), bôi trơn cơ cấu phân phối khí xupáp,đòn bẩy, cò mỏ ) Ngoài ra, trên đường dầu chính có đường ống dẫn dầu đến bộtua bin tăng áp để bôi trơn ổ đỡ trục tua bin

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 cácte

Bề mặt 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 cácte 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 cácte

2.3.3 Hệ thống làm mát

2.3.3.1 Sơ đồ hệ thống làm mát

Hình 2 - 10 Sơ đồ hệ thống làm mát động cơ 4JH1-TC 1- Két nước làm mát; 2- Nắp két nước; 3- Bình nước phụ; 4- Quạt gió; 5- Van hằngnhiệt; 6- Bơm nước; 7- Turbo; 8- Nắp máy; 9- Van nhiệt bộ làm mát EGR; 10- Vannhiệt bộ làm mát dầu bôi trơn; 11- Bộ làm mát két dầu bôi trơn; 12- Bộ làm mát EGR;13- Car Heater

2.3.3.2 Nguyên lý làm việc

Nước từ bình chứa nước, qua két làm mát, được dẫn vào bơm nước, đi vàolàm mát động cơ Trong thời gian chạy ấm máy, nhiệt độ động cơ nhỏ hơn nhiệt độlàm việc của van hằng nhiệt (82o C) thì nước sẽ không qua két làm mát mà đi thẳngđến bơm nước rồi đi vào động cơ Khi nhiệt độ động cơ lớn hơn nhiệt độ làm việccủa van hằng nhiệt thì van sẽ mở ra và cho nước từ động cơ qua két làm mát rồi đếnbơm Như vậy, nước sẽ được tuần hoàn cưỡng bức trong quá trình làm việc củađộng cơ

Nắp két nước có một van áp suất để duy trì áp suất bên trong ở mức độ nhấtđịnh nhằm làm tăng hiệu quả của bơm nước Nắp két nước cũng có một van chânkhông để cân bằng với áp suất bên ngoài khi áp suất trong động cơ giảm khi động

cơ nguội để tránh trường hợp két nước bị móp méo

Bình nước phụ để tránh hao hụt nước làm mát và để điều khiển áp suất bêntrong của kết nước, nhằm đảm bảo hiệu quả làm mát Khi động cơ nóng, thể tíchnước làm mát giãn nở khoảng 30% khi nhiệt độ lớn hơn 900C và lượng nước giãn

nở này sẽ tràn ra vì vậy phần trên của két nước có kích thước thích hợp để đáp ứng

sự giãn nở đó Khi nhiệt độ giảm, áp suất nước trong két giảm nước được hút trở lạikét nước Tránh được hao hụt nước làm mát và luôn giữ đủ nước cho két nước

Hình 2 - 11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống khởi động của động cơ 4JH1-TC

1- Bánh răng trục khuỷu; 2- Nút dừng; 3- Vành răng khởi động;4- Rảnh xoay mộtchiều; 5- Đòn bẩy; 6- Đĩa tiếp điểm; 7- Lò xo hồi vị; 8- Vị trí nối dây dẫn; 9- Nútkhởi động; 10- Khoá nguồn; 11- Nguồn ắc quy

cơ chính nữa.

2.3.5 Hệ thống tăng áp

Hệ thống tăng áp trên động cơ 4JH1-TC là loại tăng áp kiểu tua bin khí, đượclàm mát trung gian Bộ turbo tăng áp gồm hai phần chính là tua bin và máy nén khí,cùng với các cơ cấu phụ khác như bạc đỡ trục, thiết bị bao kín, hệ thống bôi trơn vàlàm mát

Tua bin tăng áp trên động cơ là loại tua bin tăng áp hướng kính, máy néndùng để tăng áp động cơ có nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành năng lượng của dòngkhí tạo ra áp suất nào đó để cung cấp vào xilanh động cơ Loại máy nén trên động

cơ 4JH1-TC là loại máy nén ly tâm

Nguyên lý làm việc: Tua bin và máy nén được lắp trên cùng một trục Máynén được dẫn động bởi tua bin khí, khí thải của động cơ theo đường ống dẫn tới tuabin làm quay các cánh tua bin thực hiện sinh công cơ học có ích, sau đó đi quađường ống thải ra ngoài Không khí từ ngoài trời qua máy nén được nén tới áp suất

pk rồi vào xilanh động cơ trong kỳ nạp của động cơ

C 1

4 5 6

Hình 2 - 12 Kết cấu turbo RHF5A- Khí thải động cơ ra khỏi tua bin; B- Khí nạp vào máy nén; C- Dầu vào dầu bôitrơn; D- Dầu ra dầu bôi trơn; 1- Vỏ tua bin; 2- Bánh công tác tua bin; 3- Khoangnước làm mát; 4- Bánh công tác máy nén; 5- Vỏ máy nén; 6- Vỏ giữa

Vấn đề tăng áp cho động cơ sẽ được trình bày cụ thể ở phần 3

3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ ISUZU 4JH1-TC

3.1 Sơ đồ hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC

Động cơ 4JH1-TC sử dụng hệ thống tăng áp bằng turbo loại RHF5, turbo do

hãng Ishikawajima-Harima chế tạo Cụm turbo tăng áp bao gồm một tua bin dạng

hướng kính và một máy nén dạng ly tâm, bộ làm mát trung gian khí nạp và các ổ

đỡ Về cơ bản hệ thống tăng áp của động cơ bao gồm: bầu lọc không khí, bộ tua binkhí, van giảm áp và bộ phận chấp hành

Sơ đồ nguyên lý hệ thống tăng áp động cơ 4JH1-TC

17 16 15 14 13

ECU

11

129

10

12

3

Hình 3 - 1 Sơ đồ bố trí hệ thống tăng áp trên động cơ 4JH1-TC

1- Động cơ; 2- Bầu áp suất; 3- Van xả; 4- Ống thải; 5- Bánh tua bin ; 6- Bánh máynén; 7- Ống nạp trước máy nén; 8- Bầu lọc không khí; 9- Cảm biến lưu lượng khínạp; 10- Két làm mát khí nạp; 11- Cảm biến áp suất tua bin; 12- Bộ điều khiểntrung tâm ECU; 13- Trục khuỷu; 14- Piston; 15- Xilanh; 16- Xupáp nạp; 17- Xupápthải

+ Nguyên lý làm việc: Khí thải từ động cơ 1 không thải trực tiếp ra môitrường mà tiếp tục theo đường ống thải đi vào khoang tua bin và làm quay bánh tuabin của cụm turbo tăng áp, do kết cấu đồng trục nên khi tua bin quay làm máy nén

quay theo Máy nén hút không khí từ môi trường qua bầu lọc 8, theo đường ống 7qua cửa nạp vào máy nén, nén không khí có áp suất P0 (áp suất khí trời) lên đến ápsuất Pk và nạp vào động cơ trong mỗi chu trình công tác.

Hình 3 - 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nạp động cơ

1- Bầu lọc; 2- Máy nén; 3- Khoang nạp chung; 4- Động cơ

3.2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống nạp động cơ ISUZU 4JH1-TC

Quá trình nạp trong các xilanh động cơ được thực hiện khi piston đi từ ĐCTđến ĐCD Góc mở sớm xupáp nạp 24,50, góc đóng muộn xupáp nạp 55,50 Sơ đồpha phân phối khí kỳ nạp của động cơ 4JH1-TC turbo được biểu diễn hình 3- 3