Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Với những ưu điểm nổi bật của mình như tăng công suất, tăng hiệu suất cháy, giảm
khí thải động cơ tăng áp ngày càng được sử dụng phổ biến. Kể từ khi Gottlieb nhận
bằng phát minh sáng chế số DRP 34.926 về tăng áp cho động cơ đốt trong cưỡng bức
năm 1885 cho đến nay tăng áp đã trả qua một qua trình phát triển lâu dài. 06/03/1896
Rudolf Diesel nhận bằng phát minh sáng chế sô DRP 95.680 về tăng áp cho động cơ
tự bốc cháy. Phát minh chỉ ra khả năng thực hiện nén nhiều cấp trong động cơ 1
xylanh bằng cách bố trí thêm một bơm nén trước đường nạp. Tuy nhiên người đã thực
sự gắn liền tên tuổi của mình với tăng áp chính là kỹ sư người Thụy Sĩ Alfred Buchi.
Ngày 16/11/1905, Alfred Buchi nhận bằng phát minh sáng chế mang số DRP 204630
từ văn phòng phát minh Reich, Đức.Tuy kết cấu đầu tiên này của Alfred Buchi chưa
được hoàn chỉnh nhưng cũng là nền móng cho những cải tiến sau này của ông. Càng
ngày công nghệ tăng áp càng phát triển, nhất là trong vòng 3 thập kỉ trở lại đây. Kéo
theo đó là hàng loạt những cải tiến trên các phương tiện vận tải.
Công nghệ tăng áp động cơ đốt trong sử dụng máy nén là công nghệ tăng áp được
sử dụng rất phổ biến ngày nay. Tăng áp dùng máy nén gồm 2 loại : tăng áp cơ khí
(Mechanical Supercharging) và tăng áp tuabin khí (Exhaust Gas Turbocharging).
Trong tăng áp cơ khí, máy nén được dẫn động từ trục khuỷu động cơ. Còn trong tăng
áp tuabin khí máy nén được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí xả của
động cơ đốt trong. Với những kiến thức được các Thầy Cô ở Bộ môn truyền đạt và
đọc thêm ở các tài liệu chuyên ngành em xin được trình bày các hiểu biết của em về
công nghệ tăng áp sử dụng máy nén. Tuy nhiên do thời gian làm tiểu luận rất ngắn,
trình độ và kiến thức còn hạn chế nên bài tiểu luận không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Em kính mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô trong Bộ môn để vốn kiến
thức của em về tăng áp có thể hoàn thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Lê Anh Tuấn đã tạo điều kiện để em
có cơ hội trau dồi kiến thức của mình hơn. Cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn Động
cơ đốt trong đã truyền thụ cho em những kiến thức rất lý thú và bổ ích trong thời gian
qua.
Hà Nội, Ngày 25 tháng 05 năm 2008
Sinh viên thực hiện
Phạm Minh Tuyến
1
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Tuyến
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Chương I : Tổng quan
Xe hơi hiện đại đòi hỏi những động cơ gọn nhẹ, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao,
công suất và mô-men xoắn lớn. Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, tăng áp là giải pháp
phổ biến hiện nay. Đây là kỹ thuật nâng cao áp suất của hỗn hợp nhiên liệu khi đưa
vào buồng đốt. Vào những năm 1970, chỉ tiêu công suất/lít trung bình của động cơ chỉ
đạt khoảng 60 mã lực/lít. Kỹ thuật tăng áp tuy được biết đến từ lâu nhưng lại gặp
những khó khăn không nhỏ khi phải đối mặt với vấn đề gia tăng áp suất, nhiệt độ của
động cơ và hỗn hợp nhiên liệu. Đó chính là lý do khiến hệ thống này ban đầu chỉ được
thiết kế cho các cỗ máy lớn, tốc độ chậm hoặc với các mục đích đặc biệt như quân sự,
hàng không... Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vật liệu, cơ khí và điện tử, cơ
cấu tăng áp đã có mặt trong nhiều lĩnh vực, trên nhiều chủng loại động cơ. Đến năm
2000 chỉ số công suất/lít trung bình của động cơ đã đạt tới 121 mã lực/lít nhờ những
kỹ thuật tăng áp tiên tiến. Không chỉ nâng cao hiệu suất và công suất động cơ, giải
pháp này còn giúp cắt giảm đáng kể lượng khí thải độc hại với môi trường.
So sánh hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu
của động cơ xăng tăng áp và không tăng áp có cùng thông số kỹ thuật
Không Tăng
Điều kiện thử nghiệm
tăng áp áp
Xe chạy trong thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h
19,9 17,7
(lít/100 km)
Xe chạy ngoài thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h
17,9 15,9
(lít/100 km)
Phân tích thành phần khí xả (gram/chu trình)
HC
5,32 4,71
CO
116,19 68,90
NO
8,01 5,05
Như vậy tăng áp là bộ phận không thể thiếu trên các động cơ diesel hiện đại. Trong
giới hạn của bài tiểu luận này em chỉ xin trình bày một phần nhỏ của tăng áp sử dụng
máy nén. Đề tài em chọn là: “Tăng áp sử dụng máy nén, công nghệ và ứng dụng”.
Bài tiểu luận đề cập đến cơ sở lý thuyết của tăng áp sử dụng máy nén cũng như các
ứng dụng của nó trong thực tế.
Chương II : Tương tác giữa động cơ và máy nén
2
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Tuyến
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
2.1, Động cơ bốn kì và biểu đồ đặc tính máy nén
Hình 1 biểu diễn đường đặc tính của một động cơ đốt trong 4 kì. Nếu tốc
độ của động cơ n được giữ không đổi, thể tích dòng khí lưu động (nạp) V1
chỉ tăng rất ít so với tốc độ tăng tỷ số tăng áp p2/p1. Động cơ làm việc như
một máy thủy lực thể tích, và lưu lượng khí qua nó tăng lên liên quan mật
thiết đến sự tăng tốc độ động cơ.
n1 < n2 < n3
P2/P1
Without valve
overtap
With vavle avertap
v(m3/s)
Dislacement lines 4-stroke IC engine (=piston engine)
Khi tăng góc trùng điệp và giữ tốc độ động cơ không đổi, thể tích dòng khí
lưu động (nạp) V1 tăng lên rõ rệt hơn cùng với tăng tỷ số tăng áp p2/p1.
Tăng áp thể tích
Một vài ví dụ về tăng áp thể tích như máy nén kiểu piston ( piston quay và
piston tịnh tiến), bơm root, máy nén dạng quay...
n1
pL
<
n2
<
n3
1
2
3
v1
Từ hình chúng ta thấy lưu lượng tăng cùng với tốc độ máy nén và giảm
nhẹ so với tốc độ tăng áp suất. Ở tốc độ
không đổi chúng ta được các điểm làm việc của động cơ 1, 2 hay 3 lấy theo
các tỷ số tăng áp khác nhau.
Máy nén ly tâm (hướng tâm)
Máy nén hướng tâm hoạt động theo nguyên lý ly tâm. Sự tăng áp được tạo
ra bởi sự chênh lệch vận tốc góc giữa đầu vào và đầu ra trên cánh công tác.
Động năng được chuyển hóa thành áp suất trong ống khuếch tán. “Biểu đồ
đặ tính” máy nén ở hình 3 được giới hạn bới đường “giới hạn bơm”. Bên trái
3
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
của giới hạn bơm là vùng làm việc không ổn định của máy nén bắt đầu bằng
sự phá hủy dòng tại bên trong cánh máy nén và kết quả là áp suất rất
lớn biến thiên liên tục và dưới những điều kiện này chắc chắn sẽ có thể phá
hủy máy nén.
Pump limits
pL
n3
1
2
n2
3
n1
v1
Đường tốc độ giảm nhẹ về bên phải giới hạn bơm, càng gần phía đường
dặc tính giới hạn chúng giảm càng chậm. Tương úng với mức độ tăng áp ta
có được các điểm làm việc 1, ,2 hay 3 tại những tốt độ vòng quay xác định.
2.2, Tăng áp cơ khí
Tăng áp thể tích dẫn động cơ khí bới động cơ 4 kỳ trên hình 4.
1/ 4n m
1/ 2n m
1/ 2n L
3/ 4n L
nm
3 / 4n m
pL 1/ 4nL
v1
Với mỗi tỷ số truyền đưa ra, chúng ra có được một đường đặc tính làm
việc 1-2-3-4. Bằng cách thay đổi tỷ số truyền chúng ta cũng thu được đường
đặc tính làm việc 1’-2’-3’-4’ khi có mặt của tăng áp.
Máy nén hướng tâm- dẫn động cơ khí từ động cơ 4 kỳ.
Như trên hình 5 lưu lượng và áp suất khí nạp tăng xấp xỉ với bình phương
mức độ tăng tốc độ. Kết quả là đường cong áp suất-tốc độ trên hình 6
4
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Tuyến
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Full-load curve
Mechanically turbocharged with
radial compressor
p me
Naturally asprate engine
nM
2.3, Tăng áp dùng turbine khí thải
Trong suốt quá trình tăng áp sử dụng turbine khí thải, động cơ và turbine
liên hệ khí nhiệt động học. Vận tốc riêng của turbine đuợc thiết lập dựa vào
cân bằng năng lượng giữa máy nén và turbine. Nếu chúng ta coi sự cân bằng
năng lượng xảy ra trên trục cụm turbine máy nén, sự thay đổi vận tốc góc có
thể tính toán như sau:
dwTL
.J TL .wTL = PV + PT
dt
(3.1)
trong đó:
dωTL /dt = biến thiên tốc độ truyền
nhiệt cụm TB-MN
JTL = Momen quán tính cum TB-MN
Pv = Năng lượng hấp thụ của máy nén
PT = Năng lượng cung cấp bởi turbine
Ở trạng thái tĩnh, vế trái của phương trình bằng 0
PV + PT = 0
(3.2)
m’V + m’B = m’T
(3.3)
trong đó:
m’T = Khối lượng khí xả qua turbine
m’V = Khối lương không khí qua máy nén
m’B =Lượng nhiên liệu
và điểm làm việc nằm trên đường đặc tính động cơ. Năng lượng cân bằng do
vậy có thể phát triển xa hơn
PV = m V .D h sV .
1
hsV hmV
(3.4)
trong đó:
∆hsV = Biến thiên entanpy đoạn nhiệt trong máy nén.
5
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
ηsV = Hiệu suất đoạn nhiệt máy nén
ηmV = Hiệu suất cơ giới của máy nén
PT= m’T . hsT. ηsT.ηmT
(3.5)
Where:
∆hsT = Biến thiên entanpy đoạn nhiệt trong turbine
ηmT = Hiệu suất cơ giới của turbine
� K1- 1 �
K1
�p �
�
K1 �
�
2
�
�
�
D h sV = R1.T1.
.�
- 1�(3.6)
�
�
�
�
�
K1 - 1 �p1 �
�
�
�
�
R1 = Hằng số chất khí vào máy nén
T1 = Nhiệt độ không khí vào máy nén
K1 = Hệ sô đoạn nhiệt không khí vào máy nén
p1 = Áp suất môi chất vào máy nén
p2 = Áp suất nạp
K3 1
K 3 p4 K3
hsT R3 .T3 .
. 1
(3.7)
K 3 1 p3
R3 = Hằng số khí vào turbine
T3 = nhiệt độ môi chất vào turbine
K3 = Hệ số đoạn nhiệt của khí xả vào turbine
p3 = Áp suất khí thải
p4 = Áp suất khí ra khỏi turbine
Hiệu suất tổng ηTL được xác định bao gồm tất cả các hiệu suất nạp:
TL mV . sV .mT . sT (3.8)
ηsT = Hiệu suất đoạn nhiệt khí vào turbine
Kết hợp (3.3) vào (3.7) dùng cân bằng năng lương xác định V tính toán
như sau:
V = p2/p1
V = Tỷ số tăng áp suất máy nén.
và với
K1 = 1,4
phương trình chính của cụm TB-MN:
6
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Tuyến
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
3,5
K 3 1
K
3
T
m'
p
p V 1 T .K1 . 3 .TL . 1 4
m 'V
T1
p3
(3.9)
K1 = hằng số [-]
ηTL = hiệu suất tổng
Nếu ta thừa nhận mT/mV 1.03-1.07 , thì tỉ số áp suất máy nén là một hàm
của những nhân tố sau:
T3
p4
(3.10)
V
V T1
TL p3
p p ( ; ;
)
Áp suất khí nạp p2 do vậy tăng theo mức độ tăng của nhiệt độ khí thải T3 và
mức độ tăng áp suất trước turbine p3 (khi sự biến thiên của hiệu suất tổng
theo hàm của T3 và p3 đã vẫn được bỏ qua).
Áp suất p3 thu được với một turbine đã cho như một hàm của lưu lượng
khối lượng và trạng thái của khí và có thể tính quy về piston như sau
m 'T A T . T 2.p3 .3
(3.11)
trong đó:
T
p4
K3
.
K 3 1 p3
2
K3
p4
p
3
K 3 1
K3
(3.12)
với:
ATred = Phần giá trị đương lượng qua turbine
ψT = Hàm dòng
K3 = Hệ số đoạn nhiệt khí xả
Nếu chúng ta coi turbine như một điểm tiết lưu (với p3 đầu vào và p4 đầu ra
của điểm tiết lưu), Chúng ta có được quan hệ sau:
3 2 m r 2 3 n M .VH .2
p3 p4 .r3 : 2 . 2 :
2
p3 A r
3
2
(3.13)
ρ2 = Mật độ môi chất ra khỏi turbine
7
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
ρ3 = Mật độ môi chất vào turbine
v3 = Vận tốc dòng khí qua turbine
ATred = Phần giá trị đương lượng qua turbine
nM = Tốc độ động cơ
VH = Chuyển vị của piston
Khối lương lưu lượng mT qua turbine trong dấu xấp xỉ đầu tiên phụ thuộc
trạng thái khí ở bộ phận đầu vào (p2, T2) phụ thuộc vào nM (đường đặc tính),
và mật độ môi chất 3 . Lượng giảm của phần đi qua turbine ATred đã được
thừa nhận coi là hằng số. Mối liên hệ do đó hiện có:
p3 p3
(p 2 , T2 , n M , T3 , A T )
p4 p4
(3.14)
T2 = Nhiệt độ môi chất ra khỏi máy nén
Ngược lại khi xét đến một động cơ với một cụm turbine máy nén dẫn động
cơ khí, và tỷ số truyền áp suất nạp không đổi, do vây, momen lớn nhất chỉ
phụ thuộc vào vận tốc độ động cơ. Có thể – như trên hình Eq (3.13) – làm
tăng áp suất ra của khí xả p4 đi qua giảm nhanh hơn độ giảm giá trị đương
lượng qua turbine ATred . kết quả là biến thiên entanpy tai turbine tăng. tốc độ
khí ra khỏi cụm TB-MN tăng, do vậy , áp suât khí nạp cũng tăng theo.
Các điểm làm việc cho giá trị đương lượng ATred về mặt cơ bản kết quả của
sự biến thiên entanpy đoạn nhiệt qua turbine và, do đó, cũng làm thay đổi áp
suất nạp. Sự tương tác nhiệt động lực học này giữa turbine và động cơ ngày
nay đang là chủ đề được đem ra bàn bạc,chúng ta cùng nói về 3 ranh giới
bằng 3 ví dụ sau.
a, “Chế độ máy phát”
Trong chế độ máy phát tốc độ nM phải được giữ là hằng số nếu có thể được
khi xét đến yêu cầu cao nhất trong việc ổn định tần số góc của máy phát.
n m = const
p me = var iable
p me
Full-load curve
Generator
operation
nm
8
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Đối với động cơ lắp máy nén dẫn động cơ khí, chúng ta giữ tại 1 điểm làm
việc, nM = const.
pL
nL
nM
Working point during
generator mode
v1
Đối với động cơ tăng áp dùng turbine khí xả, sự thay đổi tải dẫn đến sự
thay đổi p3 và T3 và do đó thay đổi công suất turbine và áp suất khí nạp
Các điểm làm việc 1, 2 và 3 tất cả đều nằm trên đường đặc tính động cơ
dựa trên tốc độ máy phát.
working curve
during generator mode
3
pL
2
1
n TL = const
v1
Với một sự tăng tải (tăng lượng nhiên liệu phun). p3, T3 và do đó năng
lượng turbine tăng. Tốc độ cụm TB-MN tăng,
tương tự với áp suất khí nạp và lưu
lượng khối lượng.
b, Sự sụt giảm tốc độ Pme = hằng số, nM = biến số
F u ll-lo ad cu rv e
p me
p me = con st
P ro pellor cu rv e
n
Như mô tả trên Fig , áp suất trung bình dọc theo đường nằm ngang cho
mọi tốc độ động cơ. Kết quả thu được đường làm việc bằng phẳng (a) trên
9
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
biểu đồ đặc tính máy nén (Fig ), i.e... khi tốc độ giảm xuống điểm làm việc
sẽ tiến dần đến giới hạn bơm ( Nguy hiểm!). Chế độ sụt giảm tốc độ cungx
xuất hiện tương tự trong chế độ xe dọc theo đường toàn tải và là yêu cầu cao
nhất trong tăng áp sử dụng turbine khí xả.
c, Chế độ kéo chân vịt nM = biến số, pme ~ n2M
Trong dẫn động tầu thủy với chân vịt có bước xoắn không đổi mômen tỷ lệ
với bình phương tốc độ chân vịt. Trong biểu đồ máy nén, Fig ,đường làm
việc nằm giữa đặc tính máy phát và sự sụt giảm tốc độ.
Pump limit
a Constant
mean pressure
pL
b Propeller mode
c Generator mode
n TL = const
v1
Fig biểu diễn sự xếp chồng của tất cả các đường đặc tính tốc độ và đặc
tính tải của xe, các đường này xếp chồng lên nhau giới hạn bởi độ rộng biểu
đồ máy nén.
n L = const
Pump limit
pL
n L = const
Constant load
Constant
engine speed
v1
Fig biểu diễn đường áp suất trung bình của động cơ ko tăng áp, tăng áp dẫn
động cơ khí, và tăng áp sử dụng turbine khí xả.
Exhaust gas
turbocharging
(unregulated)
Pme
Mechanically
Turbocharged
Naturally
aspirated
engine
n
Đường thứ 2 biểu diễn trạng thái bất lợi cao nhất tại đó momen hạ cùng với
sự giảm tốc độ. Để cải thiện khả năng tăng tốc của động cơ kéo xe vận tải,
10
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
dù vậy, bắt nguồn từ đường cong áp suất trung bình và yêu cầu về sụt giảm
tốc độ. điều đó có thể đạt được bằng sự điều khiển bên ngoài của một cụm
TB-MN.
Chương III : Tăng áp cơ khí
Máy nén cơ khí chạy bằng lực kéo trích ra từ trục động cơ, do vậy nó cũng
tiêu tốn một phần động năng có ích. Tăng áp bằng nguồn động lực lấy từ
trục khuỷu động cơ, sử dụng máy nén khí, được gọi bằng tên Superchanger,
dùng cho động cơ diezel truyền thống.
Supercharger là một thiết bị (giống như máy quạt gió hoặc là máy nén khí)
để điều áp trong buồng lái máy bay hoặc làm tăng áp suất dòng khí nạp vô
buồng cháy của động cơ.
Bộ siêu nạp (supercharger)
11
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Tuyến
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Supercharger được đặt trên động cơ được dẫn động bằng trục khuỷu thông
qua một bộ truyền đai với puly. Khí nạp qua Supercharger sẽ được nén lại
bởi bánh công tác ( kiểu Supercharger ly tâm) hoặc một cặp cánh quạt quay
(kiểu Superchar cánh quạt) hoặc là Roto đối lập (kiểu Supercharger chân
ren) sau đó khí nạp sẽ được nạp vào buồng bốt. Tốc độ động cơ càng cao thì
sự cung cấp khí nạp của hệ thống Supercharger tăng lên. Tốc độ tối thiểu để
hệ thống Supercharger bắt đầu hoạt động là 15.000 vòng/phút ( kiểu
Supercharger cánh quạt và chân vịt) 40.000 vòng/phút (kiểu Supercharger ly
tâm).
Một ví dụ của loại tăng áp này (bơm Roots) được miêu tả trên hình vẽ.
12
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Bộ tăng áp sử dụng cặp bánh răng 2 nghiêng lớn, bố trí trong vỏ kín 1, trên
đường nạp khí của động cơ. Mỗi răng trên bánh răng có vai trò như một
píttông quét khí nạp.
Bộ tăng áp này phù hợp với các loại động cơ diezel thấp tốc, và do khối
lượng lớn nên không sử dụng trên động cơ cao tốc ngày nay. Hệ số tăng áp
của bơm Roots tối đa có thể lên tới 1,6 lần (tỷ lệ áp suất ra với áp suất vào
bơm).
Chương IV : Tăng áp tuabin khí
Turbin khí tăng áp vận hành bằng năng lượng thừa trên đường xả của động
cơ. Cơ cấu này nén hỗn hợp nhiên liệu qua két làm mát, trộn với 1 phần khí
xả và đưa chúng trở lại buồng đốt.
Buchi đưa ra ý tưởng tận dụng năng lượng động học sinh ra từ khí thải áp suất lớn
để nén hỗn hợp khí nạp trước khi vào động cơ. Buchi sử dụng dòng khí thải để vận hành
tua-bin, qua đó, nén dòng khí nạp trước khi vào động cơ, kỹ thuật của ông mang tên
turbocharger - tăng áp tua-bin.
Mặt cắt của Turbocharger, màu đỏ: khí thải,
màu xanh: khí nạp. Ảnh: NASA
Buchi phải đợi 18 năm trước khi phát minh của ông được đưa vào áp dụng.
Động cơ tàu biển công suất lớn là thiết bị đầu tiên tích hợp công nghệ này.
Dưới sự quản lý của Bộ giao thông, ngành hàng hải Đức đã đóng hai chiếc
tàu du lịch “Danzig” và “Preussen” trang bị động cơ turbo diesel 10 xi-lanh,
công suất 2.500 mã lực, khoẻ hơn 750 mã lực so với động cơ thường
13
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Tuyến
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
4.1, Cấu tạo bộ tăng áp Turbochanger
Bộ tăng áp đặt ngay sát động cơ và có cấu tạo như hình trên. Nguyên lý hình
thành tăng áp dựa trên cơ sở tận dụng động năng của dòng khí xả, khi đi ra
khỏi động cơ, làm quay máy nén khí.
Dòng khí xả đi vào bánh tuốc bin 1, truyền động năng làm quay trục 2, dẫn
động bánh 3, khí nạp được tăng áp đi vào đường ống nạp động cơ. Áp suất
tăng áp khí nạp phụ thuộc vào tốc độ động cơ (tốc độ dòng khí xả hay tốc độ
quay của bánh 1). Với mục đích ổn định tốc độ quay của bánh 1 trong
khoảng hoạt động tối ưu theo số vòng quay động cơ, trên đường nạp có bố
trí mạch giảm tải 9 (hình vẽ). Mạch giảm tải làm việc nhờ van điều tiết 6,
thông qua đường khí phản hồi 7 và cụm xy lanh điều khiển 8. Khi áp suất
tăng áp tăng, van 6 mở, một phần khí xả không qua bánh tuốc bin 1, thực
hiện giảm tốc độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế sự gia tăng quá mức áp suất
khí nạp.
4.2, Thiết kế tăng áp trên xe Mercedes Smart
Hình 4 là thiết kế tăng áp của động cơ diesel OM-660 của Mercedes lắp trên
xe Smart. Cỗ máy này chỉ gồm 3 xi-lanh tổng dung tích 799 cc, tăng nạp
bằng turbin khí, hệ thống phun nhiên liệu common rail. Quy trình hoạt động
như sau: Phần lớn khí xả được đưa qua để vận hành turbin trước khi thải ra
ngoài. Bánh công tác của turbin chỉ có đường kính 31 mm và quay với vận
tốc 290.000 vòng/phút, áp lực nén của nó lên tới 2,2 kg/cm2. Không khí mới
(màu xanh) được hút vào qua bầu lọc khí và bị máy nén làm nóng lên tới gần
100 độ C, luồng khí này được đưa qua két làm mát và trộn với một phần khí
xả (màu đỏ) trước khi vào buồng đốt. Việc tăng áp suất nạp hỗn hợp nhiên
liệu vào buồng đốt giúp động cơ đạt được công suất và hiệu suất rất cao.
14
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Bộ tăng áp Turbochanger được dùng trên cả động cơ phun xăng điện tử và
động cơ diezel. Một số động cơ diezel yêu cầu tăng áp cao đã sử dụng tăng
áp hai cấp thuộc loại bi-turbo hay twin-turbo và có các phần điều khiển bằng
điện tử.
Chương V : Công nghệ turbo tăng áp điều khiển cánh
Công nghệ turbo tăng áp làm xoay các “cánh điều chỉnh” của bánh turbo
(VGT-Variable Geometry Turbocharger ) được sử dụng rộng rãi trong động
cơ turbo sử dụng nhiên liệu diesel kể từ những năm 1990. Tuy nhiên, công
nghệ này chưa bao giờ được ứng dụng trên động cơ xăng cho tới khi loại
Type 997 Porsche 911 Turbo ra đời. Nguyên nhân bởi nhiệt độ khí xả do xe
sử dụng VGT trên máy xăng tạo ra lớn hơn rất nhiều so với xe dùng máy
dầu, do vậy vật liệu sử dụng để chế tạo VTG không chịu nổi sức nóng đó.
Loại Type 997 Porsche 911 Turbo sử dụng kiểu turbo VGT của BorgWarner
dùng một loại vật liệu đặc biệt bắt nguồn từ công nghệ chế tạo tàu vũ trụ, do
đó giải quyêt được vấn đề nhiệt độ. Từ đó công thức chế tạo loại turbo có
hình dạng biến đổi này được nhiều hãng tiếp thu và ứng dụng trong các sản
phẩm của mình.
5.1, Hiện tượng “ì turbo tăng áp”
Với các loại xe sử dụng turbo tăng áp trước đây, khi xe chạy tải nhẹ với số
vòng tua thấp, turbo tăng áp chạy cầm chừng, do lưu lượng khí nhỏ nên tuốc
bin quay chậm không khí nén nạp không đáng kể.
Cánh bướm ga mở lớn khi bạn ấn bàn đạp ga để tăng công suất và khi đó
động cơ sẽ được cung cấp thêm nhiều hỗn hợp và khí thải sẽ thoát ra nhiều
hơn dẫn tới bánh turbo quay với tốc độ cao hơn, tăng lượng khí nạp vào
động cơ.
Nhưng vấn đề ở đây là khi đạp ga, xe sẽ không đạt công suất kịp thời như ý
muốn, tổng thời gian trễ có thể nửa giây hoặc hơn. Tất cả các xe sử
dụng turbo tăng áp đều có hiện tượng này và thường được gọi là “tính ì của
turbo”. Đây là do quá trình cung cấp trễ từ khi người lái ấn bàn đạp ga tới
khi turbo bắt đầu hoạt động nén khí tăng áp cho động cơ. Nó cũng bao gồm
thời gian cần thiết cho bộ làm mát trao đổi và làm đầy các ống dẫn, khi có
sự thay đổi từ chân không sang áp suất cao.
15
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Để giải quyết vấn đề, ngày nay các nhà sáng chế đưa ra một giải pháp là
làm xoay các “cánh điều chỉnh” của bánh turbo mà khí xả sẽ tác dụng vào
các cánh này. Cách khác là dùng 2 turbo nhỏ hơn thay thế cho một turbo lớn
(các động cơ dùng hai turbo nhỏ hơn gọi là biturbo hay twinturbo). Ở đây
em xin trình bày qua nguyên lý hoạt động của loại turbo tăng áp điều chỉnh
làm xoay các “cánh điều chỉnh” của turbo được ứng dụng trên xe Hyundai
Santa Fe.
5.2, Turbo tăng áp điều khiển cánh
Turbo tăng áp có thể thay đổi góc quay của cánh ngày càng được sử dụng
rộng rãi nhằm giảm “sức ì turbo” ở mức nhỏ nhất. Nguyên lý là làm thay đổi
góc quay ở các cánh điều chỉnh của tuốc bin mà khí xả sẽ đập vào các cánh
này. Điều này giúp tăng áp ở tốc độ thấp và giảm sức ì turbo. Van xả (tránh
áp) thì không cần thiết với turbo tăng áp có hình dạng biến đổi, việc dịch
chuyển các cánh sẽ điều khiển tốc độ và sự tăng áp của turbo. Turbo có hình
dạng biến đổi có tên gọi VGT (Variable geometry turbocharger) hay còn có
gọi cách khác là VNT (Variable Nozzle Turbine).
Kiểu turbo tăng áp có hình dạng biến đổi này thường có một loạt từ 10 tới 15
cánh di động vòng quanh đĩa turbo. ECU sẽ điều khiển mô tơ bước tác động
làm xoay các cánh điều chỉnh của turbo cùng lúc, điều này điều khiển tốc độ
turbo tăng dần. Do sự gia tốc làm tăng tốc lực cánh điều chỉnh của turbo, nên
tạo ra sự tăng áp lúc đầu nhanh hơn.
Khi xe chạy tải nhẹ với số vòng tua thấp, ECU điều khiển mô tơ bước xoay
cánh điều chỉnh của turbo, làm mở một phần cánh làm giảm sự cản trở của
khí thải, tránh tạo lên sự nạp không cần thiết. Phần trắng mờ được đóng
khung là hình ảnh cánh điều chỉnh của turbo chỉ hé mở khi động cơ hoạt
động ở tốc độ thấp.
16
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Tuyến
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Hình dưới là trường hợp khi xe chạy tải nhỏ, số vòng tua máy thấp, cánh
điều chỉnh của turbo hé mở một phần cho gió qua. Gió lùa qua các cánh điều
chỉnh bên ngoài tới các cánh của bánh turbo phía trong, làm quay cánh
turbo.
Khi người lái cần tăng tốc, đạp ga các cánh bướm ga mở, các cánh di động ở
turbo sẽ mở hoàn toàn, khí thải sẽ di chuyển tự do vào trong cánh điều chỉnh
của turbo, khi đó tốc độ động cơ và công suất tăng. Trong hình là các cánh
điều chỉnh của turbo hé mở hoàn toàn khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao.
17
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Tuyến
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Hình dưới đây là trường hợp khi xe chạy ở tốc độ cao, cánh điều chỉnh của
turbo mở hoàn toàn cho luồng khí qua. Khí thải lùa qua các cánh điều chỉnh
bên ngoài tới các cánh của bánh turbo phía trong, làm quay cánh turbo với
tốc độ cao.
Phương pháp tăng áp turbo này cho phép động cơ có thể thay đổi lưu lượng
khí nạp vào động cơ, gia tăng công suất nhanh chóng, loại bỏ sức ì turbo như
trên các xe sử dụng turbo thông thường.
Do hoạt động của turbo tăng áp loại VGT ở một khoảng nhiệt độ rất cao nên
khi lái xe có sử dụng turbo VGT chúng ta phải thật thận trọng khi vận hành.
Với các loại xe sử dụng turbo tăng áp kiểu VGT như Hyundai Santa Fe...khi
xe chạy ở tốc độ cao hoặc chạy đường dài, cần để cho động cơ chạy không
18
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT
Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
tải vài phút trước khi tắt máy. Khi xe khởi động ở chế độ động cơ “nguội”,
các ổ trục chưa bôi trơn đây đủ, không nên tắt máy đột ngột.
Kết luận :
Qua đề tài “Tăng áp sử dụng máy nén, công nghệ và ứng dụng” chúng ta có
thể thấy được kết cấu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của công nghệ tăng áp sử
dụng máy nén. Từ đó khẳng định vai trò quan trọng của tăng áp trong sự phát triển
của động cơ đốt trong. Việc thực hiện tiểu luận đã giúp em có cơ hội trau dồi kiến
thức đã học và tìm hiểu thêm được những kiến thức mới mẻ hơn tạo thuận lợi cho
em hiểu biết hơn về chuyên ngành của mình. Trong khuôn khổ một bài tiểu luận
không thể trình bày cặn kẽ được hết được các vấn đề của đề tài. Hơn nữa bản thân
kiến thức có hạn, rất mong nhân được sự chỉ bảo của các Thầy Cô.
Tài liệu tham khảo
1, Tăng áp động cơ đốt trong – tác giả : Võ Nghĩa & Lê Anh Tuấn, NXB Khoa
học kỹ thuật 01/2005.
2, Internal Combustion Engine Handbook - Basics, Components,
Systems, and Perspectives – author: Richard Van Basshuysen &
Fred Schaefer. 12/2004
3, Tổng hợp các nguồn trên mạng Internet:
- http://www.vnexpress.net/GL/Oto-Xe-may/
- http://dantri.com.vn/otoxemay.vip
- http://www.autonet.com.vn/vn/index.aspx
19
- Xem thêm -