Tìm hiểu tuabin tăng áp

Chia sẻ: Long Bùi | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

262
lượt xem 67
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khi nhắc đến những chiếc xe đua hay những chiếc xe thể thao có công suất lớn, chủ đề mà người ta thường đề cập đến là những chiếc turbo tăng áp. Turbo tăng áp thường được lắp trong các động cơ diesel cỡ lớn. Một turbo có thể giúp làm tăng đáng kể công suất của một động cơ mà không cần phải tăng trọng lượng bản thân động cơ đó.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tìm hiểu tuabin tăng áp

Tuabin tăng áp Hệ thống turbo tăng áp trong động cơ xe Mitsubishi Lancer Evolution IX. Khi nhắc đến những chiếc xe đua hay những chiếc xe thể thao có công su ất l ớn, ch ủ đ ề mà ng ười ta thường đề cập đến là những chiếc turbo tăng áp. Turbo tăng áp th ường đ ược l ắp trong các đ ộng c ơ diesel cỡ lớn. Một turbo có thể giúp làm tăng đáng k ể công suất c ủa m ột đ ộng c ơ mà không c ần ph ải tăng trọng lượng bản thân động cơ đó. Đây chính ưu đi ểm to l ớn mà các turbo tăng áp mang l ại. Trong bài viết này, chúng ta hãy tìm hiểu làm thế nào mà m ột turbo tăng áp l ại có th ể làm tăng công su ất của một động cơ trong khi vẫn duy trì được điều kiện làm vi ệc tối ưu của đ ộng c ơ. Chúng ta cũng s ẽ tìm hiểu làm thế nào để ngăn ngừa sự hao tổn, các cánh tuabin g ốm và các ổ bi giúp ích gì cho các turbo tăng áp để cải thiện hiệu suất của nó. Các turbo tăng áp là một kiểu hệ thống sinh áp l ực một cách c ưỡng b ức. Chúng nén khí vào bên trong các động cơ. Lợi ích của việc nén không khí đó là không khí đ ược nén ép vào trong xilanh nhi ều h ơn. Nhiều không khí hơn được nén vào trong xilanh đồng nghĩa v ới vi ệc nhiên li ệu đ ược đ ưa vào đ ộng c ơ nhiều hơn. Bởi vậy, mỗi kỳ nổ ở xilanh lại sinh ra nhi ều công suất h ơn. M ột đ ộng c ơ có trang b ị turbo tăng áp sẽ sản sinh ra nhiều công suất hơn so với động cơ cùng kích c ỡ nh ưng không có turbo tăng áp, nó cũng cải thiện một cách đáng kể tỷ lệ công suất sinh ra trên m ột đ ơn v ị tr ọng l ượng không khí nén vào động cơ. Để tăng khả năng nạp khí, các turbo tăng áp s ử d ụng dòng l ưu l ượng khí x ả t ừ đ ộng c ơ đ ể làm quay cánh turbin, các cánh tuabin của turbo tăng áp quay ở t ốc đ ộ lên t ới 150.000 vòng/phút, nh ư v ậy có th ể cao hơn gấp 30 lần so với hầu hết các động cơ xe có thể làm đ ược. Và v ới ph ương áp b ố trí n ối v ới ống xả như vậy, nhiệt độ trong các turbo cũng rất cao. Turbo tăng áp và động cơ. Nhìn chung, công suất của động cơ được xác định bởi lượng hỗn h ợp không khí-nhiên li ệu đ ốt cháy trong một quãng thời gian nhất định và lượng hỗn hợp không khí-nhiên li ệu càng tăng thì công su ất đ ộng
Tuabin tăng áp cơ càng lớn. Điều đó có nghĩa là, để tăng công suất đ ộng c ơ thì ph ải tăng đ ường kính xilanh, tăng s ố lượng xilanh hoặc tăng tốc độ của động cơ. Vấn đề là ở chỗ, khi tăng đ ường kính xilanh ho ặc s ố l ượng xilanh thì trọng lượng của động cơ cũng tăng lên và các yếu t ố nh ư là t ổn th ất do ma sát, rung đ ộng, và tiếng ồn lại hạn chế khả năng tăng tốc độ của động cơ. Turbo tăng áp đáp ứng được cả hai yêu cầu mâu thuẫn nhau này: tăng công su ất đ ộng c ơ mà v ẫn gi ữ cho động cơ gọn nhẹ, bằng cách cung cấp khối lượng hỗn hợp không khí-nhiên li ệu l ớn h ơn mà không thay đổi kích thước động cơ. Vị tí lắp turbo tăng áp trong xe. Turbo tăng áp cho phép một động cơ đốt được nhi ều nhiên liệu và không khí h ơn b ằng cách nén chúng nhiều hơn vào trong các xilanh. Thông thường việc tăng l ưu lượng khí nạp b ằng turbo tăng áp t ạo ra áp suất khoảng 6 đến 8 Pounds trên diện tích m ột inch vuông (PSI). Áp su ất khí quy ển thông th ường vào khoảng 14,7 PSI ở mực nước biển, có thể thấy rằng chúng làm tăng thêm kho ảng 50% l ượng khí nén thêm vào trong động cơ. Cho nên có thể làm tăng thêm khoảng 50% công su ất đ ộng c ơ. Nh ưng hi ệu quả tăng công suất không như vậy, thực tế chúng chỉ có thể giúp tăng công su ất đ ộng c ơ kho ảng 30 đến 40% do ảnh hưởng của tổn hao năng lượng. Một lý do khiến nó giảm hiệu quả đến từ thực tế công làm quay các cánh tuabin không ph ải không tiêu hao năng lượng. Do các cánh tuabin được đặt trong đ ường x ả c ủa ống x ả làm tăng s ự c ản tr ở chuy ển động của dòng khí xả, làm áp lực đẩy khí xả ra ngoài trong kỳ x ả c ủa đ ộng c ơ b ị c ản tr ở và sinh ra m ột áp lực đẩy ngược chiều. Việc công suất sinh ra bị tổn hao một ph ần x ảy ra ở t ất c ả các xilanh c ủa đ ộng cơ đánh lửa cùng thời điểm. Kết cấu của turbo tăng áp. Tuabin nạp khí (tuabin tăng áp) bao gồm khoang tuabin, khoang nén khí, khoang trung tâm, cánh tuabin, cánh nén khí, các ổ trục tự lực hoàn toàn, van cửa xả, bộ chấp hành...
Tuabin tăng áp Turbin tăng áp được cố định trên đường ống xả khí bằng các bu lông. Khí x ả t ừ các xilanh s ẽ làm quay các cách turbin, nó hoạt động theo nguyên lý gi ống một động c ơ turbin khí. Turbin đ ược g ắn lên cùng một trục với cánh nén khí, cánh nén khí được đặt gi ữa bộ l ọc khí và đ ường ống d ẫn khí n ạp. Nh ờ cách nén khí, không khí được nén vào trong các xilanh với áp suất cao. Nguyên lý động cơ có turbo tăng áp
Tuabin tăng áp Bên trong một turbin tăng áp Dòng khí xả từ các xilanh thổi ra t ạo áp lực lên các cánh tuabin làm tuabin quay. Càng nhi ều khí x ả đi qua các cánh tuabin thì tuabin quay càng nhanh. Cánh tuabin ph ải ch ịu đ ược nhi ệt và có đ ộ b ền cao vì nó tiếp xúc trực tiếp với khí xả, quay với t ốc đ ộ cao và tr ở nên r ất nóng. B ởi v ậy, nó đ ược làm b ằng h ợp kim siêu chịu nhiệt hoặc bằng gốm. Mặt khác trên một đầu còn lại của trục tuabin, cánh nén khí đ ược g ắn vào đ ể đ ẩy không khí vào trong các xilanh. Các cánh nén khí là một loại bơm ly tâm, nó h ướng dòng không khí t ừ tâm quay theo biên dạng cánh hướng ra ngoài. Để có thể tăng tốc độ quay lến đến 150.000 vòng/phút, tr ục c ủa tuabin đ ược đ ỡ b ởi m ột ô bi đ ặc bi ệt. Hầu hết các ổ bi đều bị quá hủy ở tốc độ như thế, cho h ầu hết các turbin tăng áp đ ều s ử d ụng lo ại ổ đ ỡ chất lỏng. Loại ổ bi này đỡ lấy trục tuabin bằng một lớp dầu cực m ỏng. Đi ều này đ ạt đ ược hai m ục đích: trục quay của tuabin được làm mát và nó cho phép trục quay với l ực c ản ma sát th ấp…
Tuabin tăng áp Van cửa xả được lắp trong khoang tuabin. Khi van này mở thì m ột ph ần khí x ả s ẽ đi t ắt qua ống x ả, nh ờ thế mà giữ ổn định cho áp suất nạp, khi áp suất n ạp đ ạt đến tr ị s ố đã đ ịnh (kho ảng 0,7 kg/cm 2). Việc đóng mở van được kiểm soát bởi bộ chấp hành.
Tuabin tăng áp Các bộ phận đặc biệt của turbo tăng áp Một trong những vấn đề chính đối với turbo tăng áp đó là chúng không làm tăng công su ất ngay l ập t ức khi bạn đạp ga. Phải mất khoảng vài giây đồng hồ để turbo tăng vận tốc trước khi tác d ụng khuy ếch đ ại công suất. Kết quả là một độ trễ xuất hiện khi bạn đạp ga và sau đó chi ếc xe b ất thình lình ch ồm lên khi turbo bắt đầu làm việc. Một cách để làm giảm độ trễ tác dụng của turbo là gi ảm tác d ụng quán tính c ủa các b ộ ph ận quay, chính là làm giảm trọng lượng bản thân của chúng. Điều này cho phép cánh turbin và cánh nén khí có thể tăng tốc rất nhanh và hỗ trợ tăng cường công suất cho đ ộng c ơ s ớm h ơn. M ột cách ch ắc ch ắn đ ể giảm độ quán tính của cánh turbin và cánh nén khí là ch ế t ạo chúng có kích th ước nh ỏ h ơn. M ột turbo có kích thước nhỏ hơn sẽ tác dụng giúp tăng cường công suất cho đ ộng c ơ nhanh h ơn ở t ốc đ ộ đ ộng c ơ thấp nhưng có thể không có tác dụng tăng công suất ở t ốc độ động c ơ cao khi m ột l ượng l ớn khí n ạp được nén vào trong động cơ. Nó cũng nguy hiểm hơn khi t ốc đ ộ quay c ủa tuabin quá nhanh ở t ốc đ ộ động cơ cao khi có nhiều khí xả đi qua các cánh tuabin. Các turbo tăng áp có kích thước lớn hơn có th ể giúp tăng công su ất đ ộng c ơ nhi ều h ơn ở t ốc đ ộ cao nhưng lại sinh ra một độ trễ tác dụng rất lớn bởi vì nó m ất nhi ều th ời gian h ơn đ ể tăng t ốc đ ộ quay c ủa cánh turbin và cánh nén khí do chúng nặng h ơn. Để khắc ph ục đ ược h ạn ch ế này, ng ười ta đã ch ế t ạo một số bộ phận đặc biệt đi kèm với nó.
Tuabin tăng áp Hầu hết các động cơ có gắn turbo tăng áp để có m ột m ức hao phí nh ất đ ịnh, đi ều này b ắt bu ộc ph ải s ử dụng một turbo tăng áp nhỏ hơn để giảm độ trễ trong khi ngăn nó kh ỏi quay quá nhanh ở t ốc đ ộ đ ộng cơ cao. Để ngăn hao tổn, trong turbo bố trí m ột van đ ặc bi ệt cho phép khí x ả đi t ắt qua các cánh turbin. Van này có độ nhạy lớn với sự tăng áp đột ngột. Nếu áp suất tăng lên quá cao, nó có th ể xác nh ận r ằng tuabin quay quá nhanh và mở ra cho phép m ột l ượng khí x ả đi vòng qua cánh tuabin và làm gi ảm t ốc đ ộ tuabin. Một số turbo tăng áp sử dụng vòng bi cầu thay vì s ử d ụng loại ổ đ ệm ch ất l ỏng đ ể đ ỡ l ấy tr ục c ủa tuabin. Nhưng chúng không phải là loại ổ bi cầu thông th ường, chúng là các ổ bi t ự l ựa có đ ộ chinh xác rất cao được làm từ loại vật liệu cao cấp để có thể chịu đ ược t ốc đ ộ quay và nhi ệt đ ộ sinh ra t ừ các turbo tăng áp. Chúng cho phép các trục tuabin có thể quay v ới l ực ma sát sinh ra th ấp h ơn các lo ại ổ đ ỡ chất lỏng được sử dụng trong hầu hết các turbo tăng áp. Chúng cho phép các tr ục có tr ọng l ượng nh ẹ hơn và quay chậm hơn có thể làm việc hiệu quả. Đây là đi ều giúp các turbo tăng áp có th ể tăng t ốc nhanh hơn, giảm được độ trễ đến mức thấp hơn. Các cách turbin được làm bằng gốm thường nhẹ hơn các cánh turbin đ ược làm b ằng kim lo ại ph ổ bi ến trong hầu hết các turbo tăng áp. Trái l ại, chúng l ại cho phép các turbin quay nhanh h ơn, và gi ảm đ ược độ trễ tác dụng. Động cơ sử dụng hai turbo và nhiều turbo.
Tuabin tăng áp Một số động cơ sử dụng hai turbo tăng áp với kích th ước khác nhau. Turbo có kích th ước nh ỏ h ơn quay với tốc độ nhanh hơn, giảm được độ trễ tác dụng trong khi turbo có kích th ước l ớn h ơn có th ể đ ạt kh ả năng tăng công suất nhanh hơn ở tốc độ động cơ cao. Khi hai tuabin cùng làm việc ở điều kiện t ải nhẹ hoặc t ốc đ ộ th ấp, tính thích ứng c ủa đ ộng c ơ đ ược c ải thiện, ví dụ thích ứng với tăng tốc. Khi hai tuabin cùng làm vi ệc ở đi ều ki ện t ải n ặng ho ặc t ốc đ ộ cao, động cơ có thể sản ra công suất cao. Khi chỉ có một tuabin thì động c ơ khó đ ạt đ ược hi ệu qu ả cao ở c ả hai chế độ làm việc với tải trọng nặng và t ải trọng nh ẹ. Trong trường h ợp này ch ỉ có th ể đ ạt đ ược hi ệu quả cao ở một trong hai chế độ. Tuy nhiên, tuabin kép s ử d ụng van đi ều khi ển khí x ả và van phân dòng. Nó điều khiển cho một tuabin làm việc ở chế độ t ải nhẹ và hai tuabin làm vi ệc ở ch ế đ ộ t ải n ặng ho ặc tốc độ cao, để tăng tính thích ứng của động cơ ở mọi tốc độ và đạt đ ược công suất cao. Khi không khí được nén lại, nó được hâm nóng lên và khi không khí nóng lên, nó s ẽ giãn n ở. B ởi v ậy áp suất trong turbo tăng lên một cách đáng kể và kết quả là không khí nóng lên tr ước khi đi vào đ ộng c ơ. Để tăng công suất của động cơ, phải đạt được một m ục tiêu là đ ưa thêm nhi ều phân t ử khí vào trong xilanh mà không làm tăng áp suất khí.
Tuabin tăng áp A Mazda RX-8 tăng công suất nhờ hệ thống turbo kép. Để đạt được điều này, một bộ làm mát trung gian hay một bộ làm mát khí n ạp đ ược l ắp thêm vào h ệ thống, nó được xem như là một két làm mát nhưng chỉ khác là không khí đ ược th ổi đi vào và đi ra kh ỏi bộ làm mát trung gian này. Có hai kiểu bộ làm mát trung gian: Ki ểu làm mát b ằng không khí và ki ểu làm mát bằng nước. Hiện nay chỉ có kiểu làm mát bằng không khí là đ ược s ử d ụng. Tuỳ theo ki ểu đ ộng c ơ mà vị trí lắp bộ làm mát trung gian có khác nhau. Khí nạp đ ược th ổi qua m ột đ ường ống d ẫn kín bên trong bộ làm mát trong khi đó không khí t ừ bên ngoài đ ược đ ẩy c ưỡng b ức qua các cánh t ản nhi ệt c ủa nó bằng quạt làm mát động cơ.
Tuabin tăng áp Bộ làm mát khí nạp giúp tăng công suất của động cơ b ằng cách làm mát khí nén đi ra t ừ cánh nén khí của turbin trước khi đi vào trong động cơ. Điều này có nghĩa là nếu turbo tăng áp t ạo ra m ột áp su ất nén khoảng 7 PSI, hệ thống lám mát khí nạp sẽ làm nguội không khí có áp su ất 7 PSI này, có nghĩa là nó tr ở nến đậm đặc hơn và chứa nhiều phân tử khí hơn một khối không khi nóng. Một turbo tăng áp cũng giúp tăng mật độ khí nén khi càng lên cao s ự đ ậm đ ặc c ủa không khí càng b ị giảm đi. Động cơ bình thường thực tế bị giảm công suất khi càng lên cao so v ới m ực n ước bi ển b ởi vì mỗi hành trình nén của piston, động cơ sẽ nén được ít không khí h ơn v ề kh ối l ượng. M ột đ ộng c ơ có turbo tăng áp cũng bị giảm công suất nhưng sự giảm công suất này s ẽ ít ảnh h ưởng h ơn b ởi vì không khí loãng hơn dễ được đẩy qua các cánh nén khí của turbo h ơn. Các loại xe cũ với động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu cacbuarato, t ự đ ộng tăng t ỷ l ệ nhiên li ệu đ ể phù hợp hơn với sự tăng lưu lượng khí nạp đi vào trong các xilanh. Các lo ại xe hi ện đ ại ngày nay s ử dụng loại động cơ phun nhiên liệu điện t ử cũng đạt được đi ều này ở m ức đ ộ t ối ưu h ơn. H ệ th ống phun nhiên liệu điện tử sử dụng các cảm biến ôxi trong đường ống xả để đo t ỷ l ệ không khí – nhiên li ệu m ột cách chính xác. Bởi vậy, hệ thống này sẽ t ự động tăng l ượng nhiên li ệu nạp vào n ếu đ ược trang b ị thêm turbo tăng áp. Nếu turbo tăng áp tăng lượng khí nạp nhanh quá mức đòi h ỏi ph ải tăng l ượng nhiên li ệu phun vào phù hợp, hệ thống phun nhiên liệu có thể không cung cấp đ ủ nhiên li ệu, cũng nh ư là ch ương trình ph ần mềm trong bộ điều khiển không cho phép hoặc bơm nhiên liệu và vòi phun không đ ủ kh ả năng cung c ấp đủ cho nhu cầu. Trong trường hợp này, một số điều chỉnh khác đ ược thi ết l ập đ ể thu đ ược hi ệu qu ả cao nhất từ turbo tăng áp. Đối với động cơ điêzen, bộ bù nạp sẽ tăng lượng bơm nhiên li ệu cực đ ại phù h ợp v ới áp su ất n ạp.
Tuabin tăng áp Trong động cơ điều khiển bằng máy tính, lượng không khí nạp đ ược theo dõi b ằng c ảm bi ến l ưu l ượng khí nạp, còn áp suất nạp được theo dõi bằng b ộ cảm bi ến áp suất c ủa tuabin n ạp và s ự tăng l ượng phun nhiên liệu cực đại được điều khiển bằng ECU của động cơ.