Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT

Chia sẻ: Nguyen Hoang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

0
250
lượt xem
95
download

Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'tiểu luận tăng áp đcđt', kỹ thuật - công nghệ, cơ khí - chế tạo máy phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT

  1. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Mục lục Lời nói đầu 2 Các chương: Chương I: Tổng quan 3 Chương II: Tương tác giữa động cơ và máy nén 4 2.1, Động cơ bốn kì và biểu đồ đặc tính máy nén 4 2.2, Tăng áp cơ khí 5 2.3, Tăng áp sử dụng tuabin khí thải 6 Chương III: Tăng áp cơ khí 12 Chương IV: Tăng áp dùng tua bin khí 14 4.1, Cấu tạo bộ tăng áp Turbocharger 15 4.2, Thiết kế tăng áp trên động cơ Mercedes Smart 15 Chương V: Công nghệ turbo tăng áp điều khiển cánh 16 4.1, Hiện tượng “ì turbo tăng áp” 17 4.2, Turbo tăng áp điều khiển cánh 18 Kết luận 20 Tài liệu tham khảo 20 1
  2. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Lời nói đầu 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 2
  3. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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. 3
  4. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Chương II : Tương tác giữa động cơ và máy nén 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 < n2 < n3 p L 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. 4
  5. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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 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 p L 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 3 / 4n L nm 1/ 2n L 3 / 4n m p L 1/ 4n L 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 5
  6. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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: d wTL .J TL .wTL = PV + PT (3.1) dt 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 1 PV = mV .D hsV . hsVh mV (3.4) trong đó: ∆hsV = Biến thiên entanpy đoạn nhiệt trong máy nén. 6
  7. 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 .Δ hsT. ηsT.ηmT (3.5) Where: ∆hsT = Biến thiên entanpy đoạn nhiệt trong turbine ηmT = Hiệu suất cơ giới của turbine é K1- 1 ù æ ö K1 ê p2 ÷ K1 ú DhsV = R1.T. ç ÷ - .ê ÷ ç 1ú K1 - 1 ê p1 ÷ ú(3.6) 1 ç ø è ê ë ú û 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 ⎛ p4 ⎞ K3 ⎥ ΔhsT = R3.T3. 3 . ⎢1− ⎜ ⎟ K3 −1 ⎢ ⎝ p3 ⎠ ⎥ (3.7) ⎢ ⎣ ⎥ ⎦ 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: ηTL = η mV .η sV .η mT .η 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 π V tính toán như sau: π V = p2/p1 π V = Tỷ số tăng áp suất máy nén. và với K1 = 1,4 phương trình chính của cụm TB-MN: 7
  8. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 3,5 ⎡ K 3 −1 ⎤ m 'T T ⎛ p ⎞ K3 ⎥ p V = ⎢1 + .K 1 . 3 .η 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 p =p ( V V T1 ;η ;TL p 3 )(3.10) 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 .ψ T 2.p3 .ρ3 (3.11) trong đó: 2 K 3 +1 K3 ⎛p ⎞ K3 ⎛p ⎞ K3 ψT = . ⎜ 4 ⎟ −⎜ 4 ⎟ K 3 − 1 ⎝ p3 ⎠ ⎝ p3 ⎠ (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: ( nM.VH.ρ2 ) 2 ρ3 2 mr2 ρ3 p3 − p4 = .r3 . 2 2 2 p3 Ar ρ3 (3.13) ρ2 = Mật độ môi chất ra khỏi turbine 8
  9. 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 ρ3 . 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 9
  10. 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 = co nst 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 Full-load curve p me p m e = const Propellor curve 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 10
  11. 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 pL mean pressure b Propeller mode c Generator mode n TL = co n st 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 = c o n st Pump limit pL n L = c o n st 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, 11
  12. 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) 12
  13. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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. 13
  14. 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 14
  15. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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. 15
  16. 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. 16
  17. 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. 17
  18. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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. 18
  19. Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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 19
  20. 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 20
Đồng bộ tài khoản