TS NGƠ VĂN THANH - ThS VŨ XUÂN THIỆP
ThS NGUYEN TUNG LAM
TANG AP
DONG CO DOT TRONG
THƯỜNG BạI HỆ BIÁO TƯỜNG VAN TAT
PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHƠ HỖ GHÍ MÌNH THƯ VIỆN - - 00Œ1B684 !
NHA XUAT BAN GIAO THONG VAN TAI _
Trang 3LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, động cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực chính trang bị trên Các phương tiện giao thơng vận tải Mặc dù đứng trước nguy CƠ về sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hĩa thạch dùng trên động cơ ảnh hưởng đến sự tổn tại lâu dài của động cơ, tuy nhiên nguồn động lực từ động cơ vẫn đĩng một vai trị rất quan trọng, đồng thời các
nhà khoa học đã cố gắng tìm ra nhiều nguồn nhiên liệu tái tạo thay thế và các loại
nguồn động lực thay thế khác Do vậy, giới khoa học cần phải vừa tìm nguồn động lực
thay thế trong khi cải thiện nâng cao hiệu suất của động cơ để kéo dài thời gian sử dụng
trong khi tìm nguồn động lực thay thé
Cùng với sự phát triển của KH- CN, nhờ áp dụng những thành tựu cơng nghệ mới nên động cơ đã được cải tiễn sâu rộng, đạt được hiệu suất cao cũng như đáp ứng
được các yêu cầu khắt khe về giảm phát thải độc hại trong khí xá động cơ để bảo vệ
mơi trường Tăng áp động cơ đốt trong là một trong những giải pháp cơng nghệ đĩ Giáo trình Tăng áp động cơ được biên soạn theo chương trình giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật máy động lực, Trường Đại học Giao thơng vận tải Giáo trình này cung cấp những nội dung chính về nguyên lý và cầu tạo các hệ thống tăng áp điển hình đang áp dụng cho các động cơ đốt trong sử dụng trên phương tiện giao thơng
vận tải Bên cạnh đĩ, giáo trình cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, cán bộ
kỹ thuật làm việc trong lĩnh vực động cơ, ơtơ, đầu máy toa xe, máy xây dung, Chúng tơi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ giảng dạy Bộ mơn Động cơ đốt trong-Khoa Cơ Khí-Trường Đại học Giao thơng Vận tải đã đĩng gĩp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình biên soạn giáo trình này
Trong quá trình biên : soạn, chúng tơi đã tham khảo nhiều nguồn tài liệu trong và ngồi nước, tuy nhiên khĩ tránh khỏi những sai sĩt Nhĩm tác giả rất mong nhận được
những ý kiến đĩng gĩp của các nhà khoa học, các độc giả để cuốn giáo trình ngày càng
hồn thiện hơn Mọi ý kiến đĩng gĩp xin gửi về Bộ mơn Động cơ đốt trong, Trường Đại học Giao thơng Vận tải
Trong giáo trình này, nội dung các tác giả đảm nhận như sau:
- TS Ngơ Văn Thanh: chủ biên, đảm nhận các chương, 1, chương 2, mục 4.1 chương 4, chương 7
- _ ThS Vũ Xuân Thiệp: các chương 3, mục 4.2, mục 4.3, mục 4.4, mục
4.5, mục 4.6 chương 4, chương 6
- _ Th§ Nguyễn Tùng Lâm: chương 5
Các tác giả
Trang 4Bảng ký hiệu viết tắt
Ký hiệu | Y nghia Ghi chu
Te Tý suất tăng áp của máy nén
Nc Hiéu suat (doan nhiét) cua may nén
Nr Hiệu suất (đoạn nhiệt) của tua bin
C Compressor — May nén
EFI Electronic Fuel Injection — Phun nhiên liệu điện tử
CFD Computational Fluid Dynamics — M6 phong déng luc hoc
lưu chat
EGR Exhaust Gas Recirculation
FEM Finite Element Method — Phương pháp phân tử hữu hạn GDI Gasoline Direct Injection — Phun xăng trực tiếp
HP-EGR High Pressure — Exhaust Gas Recirculation — Luan héi ap
suat cao ,
HPDI High Pressure Direct Injection — Phun trực tiếp áp suất cao LP-EGR Low Pressure — Exhaust Gas Recirculation — Luan héi ap
suat thap
Pec Ap suat sau máy nén
Supercharger | Tăng áp (sử dụng máy nén) cơ khí
T Turbine — tua bin
Turbocharger | Tang áp tuabin
VTG Valve | Variable Turbine Geometry Valve — Van điều chỉnh lưu lugng khi xa qua tua bin
Trang 5Chương 1
TONG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU
Theo số liệu thống kê về lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ đốt trong, nhiên
liệu xăng và diesel cĩ nguồn gốc từ dầu mỏ vẫn là nguồn nhiên liệu chủ đạo Những
nguồn nhiên liệu khác như nhiên liệu khí tự nhiên, nhiên liệu tổng hợp (methanol hoặc
nhiên liệu tương tự khác), nhiên liệu hydro, là những nguồn nhiên liệu thay thế quan trọng cĩ thể được sử dụng khi dầu mỏ biến mất Tuy nhiên, chúng chưa thể thay thế hồn tồn được vai trị của dầu mỏ trong thị trường năng lượng thế giới
Hiện nay, nguồn động lực chính cho các phương tiện vận tải như máy bay, tàu hỏa, tàu thủy, các phương tiện giao thơng vận tải đường bộ, thậm chí kể cả các máy
phát điện, đa số là động cơ đốt trong sử dụng xăng hoặc diesel, cịn các nhiên liệu
thay thế chỉ được sử dụng thử nghiệm hoặc với số lượng ít Cho nên việc cải tiến động
cơ để nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu nhằm tăng thời gian trong cơng cuộc tìm nguồn nhiên liệu hoặc loại máy mĩc thay thé là một trong các yêu cầu tối quan trọng Ở một mặt khác, các tiêu chuẩn ngày càng cao về khí thải và độ ồn mà động cơ đốt trong cần phải thỏa mãn nhằm bảo vệ mơi trường Đĩ là các yêu cầu cực khĩ mà động cơ đốt trong khĩ thê thỏa mãn nếu khơng cĩ các ưu việt của tăng áp
Trong ngành hàng khơng, động cơ máy bay luơn yêu cầu cao về sự nhỏ gọn và cơng suất lớn, nghĩa là động cơ phải cĩ cơng suất riêng cao nhất (suất trọng lượng nhỏ) Ngồi ra, càng lên cao khơng khí càng lỗng vì vậy nếu khơng tăng áp thì cơng suất động cơ sẽ giảm rất nhanh Khi ra đời, máy bay sử dụng động cơ đốt trong piston chuyển động tịnh tiến sau đĩ sử dụng thêm động cơ tua bin khí như tua bin cánh quạt hoặc tua bin phản lực đều sử dụng tăng áp
Đối với ngành đường sắt, động cơ hơi nước được sử dụng chủ yếu làm nguồn động lực cho tàu hỏa trong một thời gian dài từ khi lame Watt phat minh ra động cơ hơi nước Sau đĩ động cơ điện, động cơ diesel được sử dụng chủ yếu Tàu hỏa sử dụng đầu máy dùng động cơ diesel cĩ nhiều ưu điểm như cả khả năng vận chuyển và quãng đường di chuyển đều lớn Trong quá khứ, người ta cũng đã từng thử nghiệm động cơ tua bin làm nguồn động lực cho tàu hỏa nhưng khơng thành cơng do mức tiêu thụ
nhiên liệu cao và độ bền khơng cao Do đĩ động cơ diesel là nguồn động lực chủ yếu
trên tàu hỏa
Trang 6cầu khối lượng chuyên chở lớn cần cơng suất kéo cao Ở những tàu thủy tốc độ cao,
vấn đề suất tiêu hao nhiên liệu và chất lượng nhiên liệu khơng phải là yếu tố tiên quyết,
thì động cơ tua bin khí được sử dụng chủ yếu Tuy nhiên, động cơ diesel cĩ mức tăng áp cao và cĩ tốc độ cao (động cơ diesel tăng áp cao tốc) đang ngày càng được sử dụng cho tàu thủy dé thay thế động cơ tua bin khí Đối với các tàu thủy vận tải thương mại
hàng hĩa, cĩ yêu cầu về tính kinh tế nên động cơ diesel cĩ tốc độ trung bình và tốc độ
thấp được sử dụng phổ biến, vì các động cơ này sử dụng nhiên liệu diesel nặng khơng yêu cầu cao về chất lượng nhiên liệu nên cĩ giá thành rẻ hơn
a
Hinh 1.1 Déng co tang ap ding hép truc khuyu cia Gottlieb Daimler
Ngày nay, các phương tiện giao thơng đường bộ như xe khách hoặc xe tải, động cơ đốt trong tăng áp cao tốc được sử dụng chủ yếu đo phát huy được cơng suất cao,
khối lượng nhỏ, độ bền tốt và giá thành rẻ, điều khiển vận hành dễ dàng Hơn nữa,
Trang 7cơ diesel cĩ tăng áp tua bin khí xả Đối với các xe ơ tơ con sử dụng động cơ xăng là chủ
yếu thì hiện tại vấn đề tăng áp vẫn đang gặp khĩ khăn nhất định do hiện tượng kích nổ,
nhiệt độ khí xả cao Tuy nhiên, hiện nay động cơ xăng sử dụng các hình thức tăng áp khơng máy nén đang được sử dụng phổ biến
1.2 LỊCH SỬ TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ ‘
Tăng áp động cơ cũng cĩ lịch sử lâu đời cùng với sự ra đời và phát triển của động cơ đốt trong Năm 1885, Gottlieb Daimler da str dung tang ap trén d6ng co 4 ky ding các te hộp truc khuyu lam may nén giống như ở động cơ 2 kỳ (hình 1.1) với mong muốn tăng được lượng nạp và tăng được tốc độ động cơ Bằng biện pháp này, hỗn hợp nạp với khối lượng lớn hơn đã được nạp vào trong xy lanh động cơ Hỗn hợp từ các te hộp trục khuỷu được nén khi piston di xuống, sau đĩ hỗn hợp này được nạp vào trong xy lanh động cơ qua một cái van đặt ở đỉnh piston khi áp suất đủ lớn đề thắng sức căng
lị xo của van Hạn chế lớn nhất là việc bố trí van ở đỉnh piston đã buộc ơng phải từ bỏ
ý tưởng này Tuy nhiên, ý tưởng về tăng áp tiếp tục được kế thừa và phát triển bởi đồng nghiệp của ơng là Maybach bằng cách sử dụng nhiều van nạp ở trên nắp xy lanh
Tăng áp đã được ứng dụng hàng loạt đầu tiên trên động cơ máy bay nhằm nâng
cao hiệu suất và cơng suất của động cơ Trong giai doan 1920 +1940, tua bin may nén tăng áp tiếp tục được cải thiện cả về khí động học cũng như về tốc độ quay của rotor
Trong chiến tranh thế giới lần thứ 2, tăng áp đã được ứng dụng cho động cơ xăng sử
dụng trên máy bay nhằm nâng cao cơng suất và hiệu suất của động cơ Bằng cách tăng áp sử dụng máy nén dẫn động cơ khí, áp suất cĩ ích trung bình của động cơ máy bay cĩ thể đạt được đến 23bar
Hình 1.2 Tăng áp cho động co diesel cua Rudolf Diesel
Trang 8Từ những năm 1920, tăng áp bắt đầu sử dụng trên động cơ ơ tơ, nhưng chủ yếu chỉ dùng cho động cơ xe ơ tơ đua và các loại xe cao cấp Tăng áp sử dụng chủ yếu là
loại tăng áp cơ khí kiêu máy nén thể tích kiểu Root dé nạp mơi chất vào xy lanh động cơ Tăng áp dùng tua bin khí xả được giới thiệu lần đầu tiên ở Mỹ những năm 1960 bởi Chevrolet Corvair Đối với tăng áp động cơ xăng, các đột phá lớn theo hướng sản xuất
hàng loạt quy mơ lớn, ngoại trừ động cơ sử dụng trên máy bay, chỉ được áp dụng rất gần đây, ví dụ: động cơ tăng áp máy nén 2.3L của hãng Daimler Chrysler áp dụng cho các dịng SLK hoac C(SLK class, C class), hoặc tăng áp tua bin khí xả của các hãng
Audi, Opel va Saab ,
Động cơ diesel cũng cĩ lịch sử tăng áp từ rất sớm với việc Rudolf Diesel giới thiệu bằng sáng chế DRP 95680 Trong phát minh của mình, Rudolf Diesel ding thé tích phía dưới piston để nén khí nạp như ở động cơ hai kỳ vào xy lanh động cơ và cơng
suất động cơ tăng lên đến 30% Tuy nhiên, điều ơng quan tâm là hiệu suất động cơ lại
khơng đạt được như mong muốn do kích thước đường ống nạp khơng phù hợp, vì vậy ơng đã dừng lại các thử nghiệm của mình Sau đĩ 30 năm thì việc tăng áp động cơ diesel đã được sử dụng rất thành cơng trên các động cơ tàu thủy
Tăng áp cho động cơ diesel dùng tua bin khí xả được biết đến với phát minh đăng ký bằng sáng chế DRP 204630 vào năm 1905 như hình 1.3 của một kỹ sư người Thụy
Sỹ tên la Alfred Buechi Tuy nhién, mai đến năm 1925 động cơ diesel tang ap tua bin
khí xả mới được giới thiệu lần đầu tiên trên thị trường sử dụng cho hai tàu thủy chở
khách và một động cơ tĩnh tại của hãng MAN và Maschinenfabrik Winterthur Cả hai
trường hợp trên, tua bin khí xả đặt bên cạnh động cơ và đều được thiết kế bởi Buechi
Hình 1.3 Tang áp cho động cơ diesel của Buechi
Trang 91.3 CÁC BIỆN PHÁP NANG CAO CƠNG SUÁT ĐỘNG CƠ
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, quá trình chuyên hĩa năng lượng từ hĩa năng chuyển sang nhiệt năng thơng qua quá trình cháy trong xy lanh động cơ Nhiệt năng thơng qua quá trình giãn nở chuyển thành cơ năng (cơng và cơng suất của động cơ) Lượng oxy cần thiết cho quá trình đốt cháy nhiên liệu được lấy trực tiếp từ khơng khí nạp vào xy lanh ở hành trình nạp Vì vậy, cơng suất của bất kỳ động cơ đốt trong nảo cũng cĩ sự phụ thuộc vào lượng khơng khí nạp vảo trong xy lanh để thực
hiện quá trình đốt cháy nhiên liệu
crys
Hình 14 Nguyên lý tăng áp cho động co diesel 4 ky ca Buechi
1.3.1 Mối quan hệ giữa lượng khơng khí nạp và cơng của động cơ
Lượng khơng khí nạp vào xy lanh điền đầy thể tích cơng tác Vụ trong quá trình nạp cĩ khối lượng là:
My, = Py, , (1.1)
Trong đĩ: mạ: khối lượng khơng khí, kg,
| Pr: khdi wong riéng cla khong khi, kg/m’
Vụ: thể tích cơng tác của xy lanh, m’
Trang 10khác, cơng chỉ thị của chu trình L¡ cĩ thể được tính theo cơng thức sau:
2 SỐ (1.2)
L=”” sp, mw
Trong đĩ: L¡: cơng chỉ thị của chu trình, J D: đường kính xy lanh, m S: hành trình piston, m
pi: ấp suất chỉ thị của chu trình, bar
Mặt khác, cơng chỉ thị của chu trình cĩ thể tính theo lượng nhiệt cấp cho chu
trình trong một đơn vị thời gian như sau:
1, =0, (13)
Trong đĩ: Q¿: lượng nhiệt của nhiên liệu đưa vào trong một chu trinh, J mi: hiệu suất chỉ thị của chu trình
Lượng nhiệt cắp cho chu trình lại phụ thuộc vào lượng nhiên liệu và lượng oxy trong khơng khí nạp vào trong xy lanh của chu trình đĩ Lượng ơ Oxy khơng phụ thuộc vào thể tích cong tác Vụ mà phụ thuộc vào khối lượng khơng khí nạp vào Giả thiết rằng bỏ qua các tổn thất, lượng nhiệt đưa vào cĩ thể tính như sau:
V Pull, (1.4)
L 9
Q, = Su, —
Trong đĩ: ðn: lượng nhiên liệu cấp cho chu trình
: H.: nhiệt trị thấp của nhiên liệu
Lạ: lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết Ikg nhiên liệu
Đối với nhiên liệu xăng hoặc diesel thì Hụ và Lạ là những hằng số Vì vậy từ cơng
thức ta thấy lượng nhiệt đưa vào xy lanh sẽ tỷ lệ trực tiếp với khối lượng riêng của
khơng khí pạ Khơi lượng của khơng khí nạp vào trong xy lanh tỷ lệ trực tiếp với khối
lượng riêng của khơng khí Do đĩ, lượng nhiệt đưa vào xy lanh sẽ tỷ lệ với khối lượng
khơng khí nạp vào Nĩi cách khác, cơng của chu trình sẽ phụ thuộc vào khối lượng
riêng của khơng khí nạp vào xy lanh trong hành trình nạp của quá trình trao đổi khí Từ ` các cơng thức trên ta cĩ:
_ Đụ TT], dl 5)
Trang 11Từ đĩ ta thấy, nếu ta coi hiệu suất chỉ thị của chu trình là khơng đổi thì áp suất
chỉ thị trung bình p¡ tỷ lệ với khối lượng riêng của khơng khí nạp vào trong xy lanh
động cơ
1.3.2 Quan hệ giữa lưu lượng khối lượng khơng khí nạp và cơng suất động cơ Cơng suất chỉ thị của động cơ N¡ là cơng suất do cơng chỉ thị tạo ra trong một đơn vị thời gian
Nếu n: số vịng quay của động cơ +: sỐ kỳ
w số chu trình trong một đơn vị thời gian:
(1.6)
T= 2n (chu trinh/s)
7
Giả sử động cơ cĩ ¡ xy lanh, mỗi xy lanh cĩ thê tích cơng tác như nhau là Vụ thì tổng thê tích cơng tác của động cơ sẽ là:
V,, =iV, (1.7)
Cơng suất chỉ thị của động cơ cĩ thể được tính như sau:
N.=f„pT=t„p,2" - (18)
£
Như vậy ta thấy, cơng suất chỉ thị của động cơ tỷ lệ các thơng số sau:
N,~Vy Pe => N, ~ mụ T (19)
Trong đĩ, mụ: lưu lượng khối lượng của khơng khí, kg/s
Như vậy ta thấy, để nâng cao cơng suất động cơ, ta cĩ thể cĩ một số biện pháp như sau:
- _ Tăng thể tích cơng tác của xy lanh động cơ (Vụ) hoặc tăng số xy lanh (i) Tuy
nhiên điều này sẽ làm tăng kích thước, khối lượng của động cơ gây ảnh hưởng đến việc
bố trí trên phương tiện giao thơng vận tải
- Tăng số chu trình làm việc trong một đơn vị thời gian Như vậy tốc độ của
động cơ sẽ phải tăng lên Điều này dẫn đến lực quán tính của các khối lượng chuyển động tăng lên, tăng ma sát, mài mịn làm giảm tuổi thọ của chỉ tiết
- Thay đổi số kỳ của động cơ từ 4 kỳ thành 2 kỳ Tuy nhiên, trên lý thuyết thì
Trang 12hồn thiện, nên cơng suất thực tế chỉ tăng lên tir 1,6+1,8 lan so với động cơ 4 kỳ cùng tốc độ quay n, cùng kích thước xy lanh và hành trình piston
- Tăng khối lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ bằng cách tăng khối riêng của khơng khí nạp vào pụ, Như vậy, bằng các biện pháp tăng khối lượng riêng của khơng khí trước khi nạp vào xy lanh của động cơ chính là biện pháp tăng áp cho
động cơ đốt trong đang được sử dụng phơ biến hiện nay `
1.4 ỨNG DỤNG TĂNG ÁP ĐẺ GIẢM KÍCH THƯỚC ĐỘNG CƠ
Hai thơng số quan trọng để giảm kích thước động cơ là giảm số xy lanh hoặc giảm thể tích của xy lanh mà vẫn giữ được cơng suất chính là nhờ tăng áp động cơ Động cơ cĩ ít xy lanh hoặc thể tích xy lanh nhỏ hơn sẽ giảm được ma sát giữa piston và xy lanh va tơng khối lượng của động cơ cũng được giảm xuống dẫn đến giảm tốn thất
do ma sát Dựa trên các số liệu thí nghiệm đối với xe khách chỉ ra răng: lượng tiêu thụ nhiên liệu cĩ thể giảm đến 18% mà vẫn đảm bảo cơng suất khơng đổi khi sử dụng biện
pháp tăng áp tua bin khí xả kết hợp với phun trực tiếp nhiên liệu với áp suất cao (HPDI - High Pressure Direct Injection), luan héi khi x4 (EGR - Exhaust Gas Recircualation), thay đổi pha phối khí thong minh (VVT-i, i-VTEC )
Ngồi ra, tăng áp động cơ cịn đáp ứng được yêu cầu giảm lượng phát thải các thành phần độc hại trong khí xả động cơ như CO; và NO, Hơn nữa, động cơ tăng áp
kết hợp với cơng nghệ Hybrid cĩ thể làm giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu đến 30% Như
vậy, tăng áp động cơ chính là một trong những biện pháp để làm giảm phát thải CO¿ và
NO; để đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng khắt khe về lượng phát thải các thành phần
độc hại trên phương tiện giao thơng vận tải nhằm bảo vệ mơi trường Ví dụ: trong giai
đoạn từ 2012 đến 2015, khối lượng cho phép của thành phần CO; trong thành phần khí xả của các xe ơ tơ khách được sản xuất mới ở Châu Âu được áp dụng là 120g/km Giới
hạn CO; trong khí xả cĩ xu hướng tiếp tục được giảm xuống cịn 95g/km đến năm
2020 Ngồi ra, đối với các động cơ mới lắp trên phương tiện vận tải nhỏ, lượng phát
thải trung bình CO; giảm ttr 175g/km ttr nam 2014 (áp dụng đối với 70% số lượng ơ tơ
mới) xuống cịn 147g/km (áp dụng đối với 100% số lượng ơ tơ mới) [4]
Câu hỏi ơn tập chương 1:
1 Mục đích của việc nén mơi chất (tăng áp) trước khi nạp vào động cơ?
2 Tìm hiểu các phương pháp nén khí trong thực tế?
3 Các biện pháp nâng cao cơng suất động cơ và các giải pháp kỹ thuật cần thiết? 4 Giải thích tại sao khi tăng áp cĩ thể tăng cơng suất động cơ?
Trang 13Chương 2
NANG CAO CONG SUAT ĐỘNG CƠ
BANG PHUONG PHAP TANG AP
2.1 KHAI NIEM TANG AP
Tang ap động cơ là biện pháp tăng khối lượng riêng của hỗn hợp nạp mới (hỗn
hợp xăng - khơng khí đối với động cơ xăng hoặc khơng khí đối với động cơ diesel)
trước khi nạp vào trong xy lanh động cơ Do hỗn hợp nạp vào trong xy lanh động cơ tăng nên cĩ thê tăng lượng nhiên liệu để đốt cháy trong cùng một thể tích đĩ Việc tăng khối lượng riêng của hỗn hợp nạp vào động cơ cịn làm cải thiện quá trình cháy, lượng nhiệt thu được tăng thêm sẽ làm cho cơng suất động cơ tăng lên cũng như làm giảm bớt
một số thành phần độc hại trong khí xả
Ngồi mục đích chính ‹ của tăng áp là tăng cơng suất động cơ, nĩ cịn đạt được một số ưu điểm sau:
-_ Làm tăng cơng suất riêng của động cơ (cơng suất ứng với một đơn vị khối lượng, kW/kg), giúp giảm kích thước của động cơ
- Làm tăng hiệu suất của động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu
- Giảm được một số thành phần độc hại trong khí xả
- Tua bin tăng áp đặt trên đường thải nên cĩ tác dụng giảm âm tốt, giảm độ ồn
của động cơ
Một vấn đề quan trọng khi tăng áp động cơ là biện pháp làm mát khí nạp mới Sau khi qua máy nén, nhiệt độ hỗn hợp nạp mới tăng lên Mức độ tăng nhiệt độ khí nạp
mới thường phụ thuộc vào tỷ số tăng áp, hệ số của máy nén, » higu suất của máy nén và
được thê hiện thơng qua cơng thức sau:
\ (k~I3/k | ,
Py
7=741+—ll 2| = mm (2) | | (2.1)
Trong đĩ: Ty), Tz: Nhiệt độ khí nạp mới trước và sau máy nén, K
Nc: Hiệu suât đoạn nhiệt của máy nén
Trang 14k: Chỉ số đoạn nhiệt của khơng khí Pi, Po! ấp suất trước và sau máy nén, bar
Trong trường hợp áp suất dịng khí nạp khơng đổi, việc tăng nhiệt độ khí nạp sẽ ảnh hưởng khơng tốt đến mật độ dịng khí nạp sau máy nén Điều này được thê hiện qua ví dụ sau:
+ Giả thiết rằng: Áp suất nạp pị=1bar, tỷ số tăng áp pz/p¡=2,5, nhiệt độ khí nạp T¡=293K (20°C), hiệu suất đoạn nhiệt của máy nén rịc =0,7 Theo cơng thức (2.1) thì nhiệt độ khí nạp mới sau máy nén là Tạ=418K (145°C)
+ Đề đảm bảo tỷ lệ cháy khơng khí- nhiên liệu khơng đổi, lượng nhiên liệu được xác định dựa trên khối lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ Giả sử động cơ _ khơng tặng áp, khối lượng riêng của khơng khí nạp trước và sau máy nén là Dị =pa =1,19kg/m?* (100%), khi tăng áp khơng cĩ biện pháp làm mát trung gian thi p2=
2,09kg/m” (=175%) và cĩ làm mát trung gian để giảm nhiệt độ khí nạp mới xuống 40°C thi p> =2,78kg/m? (=234%)
Từ ví dụ trên ta thấy, làm mát trung gian khí nạp mới cĩ ảnh hưởng rất lớn đến khối lượng riêng của dịng khí nạp vào xy lanh động cơ Ngồi ra, làm mát trung gian khí nạp mới sau tăng áp cịn cĩ các ưu điểm sau đây
-_ Giả sử với hệ số dư khơng khí khơng đội, tỷ số tăng áp trong quá trình cháy khơng đổi, thì cơng suât của động cơ sẽ tăng tỷ lệ với khối lượng riêng của hỗn hợp nạp mới Hỗn hợp nạp mới cĩ khối lượng riêng lớn sẽ làm tăng cơng suất của động cơ "¬ Nhiệt độ khí nạp mới giảm sẽ làm giảm nhiệt độ quá trình cháy, làm giảm ứng suât nhiệt của các chị tiệt cũng như làm giảm lượng NO; trong thành phân khí xả
- Giảm được hiện tượng cháy kích nỗ ở động cơ xăng
2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TĂNG ÁP
Tăng áp cĩ thê được phân ra làm một số loại như sau:
- Tăng áp nhờ hiệu ứng động lực học của dịng khí nạp
+ Tăng áp nhờ hiệu ứng sĩng áp suât trên đường ơng nạp và ơng thải hoặc điều chỉnh độ dài làm việc của đường ơng nạp và thải
+ Tăng áp nhờ hiệu ứng cộng hưởng Helzmolt trên đường ống nạp
-_ Tăng áp dẫn động cơ khí là tăng áp sử dụng máy nén được dẫn động trực tiếp từ động cơ
Trang 15- Tăng áp sử dụng năng lượng khí xả
+ Sử dụng tua.bin máy nén, máy nén lắp đồng, trục với tua bin khi xa + Sử dụng máy nén thê tích, máy nén thể tích được lắp đồng trục với một bộ phận giãn no (Wankel)
- _ -Tăng áp sử dụng kết hợp các biện pháp nêu ở trên
+ Tua bin máy nén phức hợp
+ Kết hợp hiệu ứng cộng hưởng áp suất với tua bin máy nén sử dụng năng lượng khí xả
+ Kết hợp giữa tăng áp dẫn động cơ khí và sử dụng năng lượng khí xả 2.3 TANG AP TREN ĐỘNG CƠ XĂNG
Đối với động cơ xăng, do hạn chế bởi hiện tượng cháy kích nỗ cùng tỷ số nén
khơng cao nên việc áp dụng tăng áp bị hạn chế khá nhiều Với các động cơ xăng dùng
trên máy bay trực thăng, máy bay thể thao, việc áp dụng tăng áp là rất cần thiết để tăng lượng mội chất nạp do mật độ khơng khí giảm khi lên cao Cịn với các động cơ ơ tơ thì hay sử dụng hình thức tăng áp khơng máy nén như: tăng áp quán tính, tăng áp tốc độ, tăng áp cộng hưởng,,
2.3.1 Các phương tăng áp cho động cơ xăng
Với động cơ xăng sử dụng bộ chế hịa khí để tạo hỗn hợp xăng - khơng khí,
việc bố trí bộ tăng áp cĩ thể được đặt phía trước hoặc phía sau của bộ chế hịa khí như
hình 2.1
Phương án lắp bộ tăng áp trước bộ chế hịa khí (hình 2.1a), khơng khí sạch được máy nén (C) nén sau đĩ đưa qưa bộ chế hịa khí, tại đây, khơng khí và xăng được hịa trộn tạo thành hỗn hợp rồi nạp vào xy lanh động cơ Phương án này cĩ một số ưu điểm sau:
- Bộ chế hịa khí đặt sát động cơ nên cĩ tính năng gia tốc tốt
- Máy nén và nhiêu liệu xăng khơng tiếp xúc với nhau riên ít gây hại cho máy nén
khi xây ra hiện tượng hồi lửa
Tuy nhiên, phương án này cĩ một số nhược điểm sau:
- Trong phương án thường dùng nhiều bộ chế hịa khí nên làm tăng khối lượng tồn hệ thống
- Bướm ga của các bộ chế hịa khí thường rất khĩ điều chỉnh giống nhau - Các đường ống nạp phái được giữ rất kín, nếu khơng cĩ thể xảy ra hỏa hoạn
Phương án lắp đặt thứ hai là lắp đặt máy nén sau bộ chế hịa khí (hình 2.1b) Hỗn
DP TA * 15
Trang 16hợp xăng khơng khí được nén qua máy nén C rồi mới đi vào xy lanh động cơ Phương án-này cĩ một sơ ưu điêm sau:
a ` BCHK C X BCHK | Động cơ Động cơ a) : b)
Hinh 2.1 Tang ap cho động cơ xăng
- Hỗn hợp xăng-khơng khí được hịa trộn đều hơn
- Xăng khi đĩ qua máy nén bay hơi nhanh, tạo điều kiện tốt cho việc hịa trộn
hỗn hợp
- Nhiệt độ hỗn hợp khi đi vào máy nén thấp hơn nhiệt độ khơng khí bên ngồi
mơi trường, do đĩ lưu lượng và hiệu suất máy nén đều tăng Tuy nhiên, phương án này cĩ một số nhược điểm:
- Nếu xây ra hiện tượng hồi lửa (hiện tượng lửa phun ngược lại đường ống nạp) thì dé gây hỏng máy nén
- Tính tăng tốc kém vì khơng gian máy nén lưu trữ lại một lượng hỗn hợp nhất
định khơng đáp ứng kịp yêu cầu nhanh về thay đổi chế độ làm việc của động cơ
- Đĩng nhỏ bướm ga hoặc cửa vào máy nén, dầu bơi trơn trong máy nén dễ bị hút theo dịng hỗn hợp nạp
Ngày nay với việc phát triển hệ thống phun xăng điện tử (EF)), phun xăng trực tiếp (GD]), khả năng áp dụng tăng áp cho động cơ xăng trên ơ tơ ngày càng được phổ biến với các hình thức tăng áp khơng máy nén
2.3.2 Khắc phục kích nỗ khi tăng áp |
Tăng áp cho động cơ xăng gặp khĩ khăn lớn là do hiện tượng kích nỗ Khi tăng áp làm cho nhiệt độ và áp suất ở cuối quá trình nap (pa, Ta) va cuối quá trình nén (pe, T.)
Trang 17người ta cĩ thể sử dụng các biện pháp thay đổi nhiên liệu cĩ khả năng chống kích nỗ
(trị số Octan) cao, thay đổi kết câu buồng cháy, thay đổi gĩc đánh lửa sớm, tăng cường làm mát trung gian sau máy nén hoặc làm giảm tý số nén động cơ,
Khi khơng thay đổi trị số Octan của nhiên liệu thì tỷ số nén của động cơ sau khi
tăng áp e, cĩ thể được tính gần đúng theo cơng thúc sau [1]:
£ 8, =
Po (2.2)
Trong đĩ:
e: tỷ số nén của động cơ khi chưa tăng áp pc: áp suất tăng áp
po: áp suất khí trời
Ngồi ra cũng cần lưu ý khi tăng áp động cơ xăng là tìm cách hạ nhiệt độ khí xả Nhiệt độ khí xả động cơ xăng thường cao hơn động cơ diesel, tuy nhiên ta lại khơng thê
sử dụng phương pháp -tăng độ trùng điệp để quét buồng cháy hạ nhiệt độ khí xả, vì
động cơ xăng hỗn hợp nạp vào xy lanh là hỗn hợp khơng khí và hơi xăng Nhiệt độ khí - xả cao địi hỏi tua bin khí xả phải làm bằng các loại vật liệu chịu nhiệt cao Để giảm nhiệt độ khí xả cĩ thể dùng các biện pháp như làm mát trung gian, phun nước sau máy nén, thay đổi gĩc đánh lửa sớm,
2.4 TANG AP TREN DONG CO DIESEL -
Động cơ diesel khơng gặp khĩ khăn khi tăng áp như ở động cơ xăng (khơng xảy ra kích nỗ, hỗn hợp nạp chỉ là khơng khí) nên tăng áp chính là biện pháp tốt nhất để tăng cơng suất động cơ diesel Ngày nay, do cĩ tiễn bộ nhanh về kỹ thuật tua bin máy nén nên phạm vi sử dụng tăng áp ngày một mở rộng và áp suất tăng áp pc ngày một nâng cao làm cho khơng những tính năng động lực học của động cơ tốt hơn động cơ khơng tăng áp mà cịn hạ thấp suất tiêu hao nhiên liệu Ở động cơ diesel khơng tăng áp, áp suất cĩ ích trung bình p; trong phạm vi từ 0,7+0,9MPa thì ở động cơ diesel tăng áp thấp, áp suất cĩ ích trung bình p; dễ dàng đạt 1,0+1,2MPa Nếu nâng cao áp suất tăng ấp và kết hợp với làm mát trung gian sau máy nén, áp suất cĩ ích trung bình pạ của
động cơ thực nghiệm cĩ thể đạt tới 4MPa Hiện nay, nhiều động cơ diesel tăng áp cĩ áp
suất trung bình p¿ > 3MPa Tuy nhiên, động cơ tăng áp cao sẽ tăng phụ tải nhiệt, phụ tải cơ lên các chỉ tiết như pjston, xy lanh, nắp xy lanh, càng khắc nghiệt Do đĩ, yêu cầu chế tạo các chỉ tiết của động cơ tăng áp khắt khe hơn so với những động cơ khơng tăng áp Dưới đây giới thiệu một số loại tăng áp sử dụng tua bin máy nén đang được sử dụng phố biến trên các động cơ dfegUBWB BẠYHOC GIAðTHƠn; VẬN TẤT |
: PHAN HIỆU TẠI THÀNH PHƠ Hộ CHÍ MÌNH
Trang 182.4.1 Tăng áp một cấp kết hợp với luân hồi khi x4 EGR
Đối với động cơ ơ tơ, tăng áp đơn cấp thường được áp dụng phổ biến Đối với
tăng áp kết hợp luân hồi khí xả thường cĩ hai kiểu: Tăng áp kết hợp với luân hồi khí xả
áp suất cao (HP-EGR High Pressure - Exhaust Gas Recirculation) va tang áp kết hợp với luân hồi áp suất thấp (LP-EGR: Low Pressure - Exhaust Gas Recirculation)
Hình 2.2 minh họa tăng áp kết hợp với tỷ lệ luân hồi khí xả áp suất cao Dịng khí xả luân hồi cĩ thể đạt giá trị lớn nhất đến 50% trước khi đi qua tua bin Khi qua tua bin,
khí xả giãn no lam tua bin T quay dan dong may nén C nén khơng khí vào đường ơ ơng nạp với tỷ số tăng áp đạt được cĩ thể đến 2,5 Máy nén C hút khơng khí từ mơi trường nạp vào đường ống nạp đến xy lanh động cơ, khi đi qua máy nén, nhiệt độ khơng khí tăng cao Do đĩ, để đảm bảo máy nén nén được khối lượng khơng khí lớn vào xy lanh động cơ, sau máy nén người ta bố trí bộ làm mát trung gian
Độ ;
Động cơ ơng cơ
an EGR ~ ays {~~ —————— Bộ làm mát~T= trung gian => Bộ làm mát † trung gian Ỉ Lọc bộ hỏng —' C FC T t+ khí Khơng khí Khi xả
Hình 2.2 Tăng áp đơn cấp kết hợp HP- EGR Hình 2.3 Tăng áp kết hợp LP-EGR
Cần lưu ý là áp suất của dịng khí luân hồi sau khi đi qua bộ làm mát trung gian
phải lớn hơn áp suất trong đường ống nạp của động cơ Do vậy, tỷ số tăng áp của máy nén phải đủ lớn vượt qua được áp suất trên đường ống nạp khi tý lệ luân hồi cao Tua bín tăng áp trong trường hợp này thường được thiết kế nhỏ hơn so với trường hợp
khơng cĩ HP-EGR, do vậy áp suất của khí xả luân hổi cịn lại lớn hơn áp suất của máy
nén và động cơ phải làm việc với áp suất cao trên đường ống thải làm cho suất tiêu hao nhiên liệu cao hơn SO VỚI trường hợp khơng cĩ HP-EGR, đặc biệt khi tua bin tăng áp ; làm việc với tỷ số tăng áp cao Cũng \ vi lý do này, mà irdng hệ thống cĩ bố trí một van
i
Trang 19trên đường luân hồi, van này sẽ được đĩng lại khi mà khí xả động cơ đáp ứng được các tiêu chuẩn về khí xả hiện hành Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng hệ thống
tăng áp kết hợp với luân hồi khí xả áp suất thấp (hình 2.3) Ưu điểm của loại này là động cơ làm việc với áp suất trên đường ống thải nhỏ hơn, do đĩ cải thiện được suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích so với trường hợp luân hồi khí xả áp suất cao Tuy nhiên, loại
này cĩ hai nhược điểm chính: thứ nhất là áp suất khí xả ở cửa ra của tua bin thấp và tụt
áp khi qua bộ phận thu giữ bồ hĩng làm giới hạn lượng luân hồi khí xả, thứ hai là
khơng khí và khí xả luân hồi hịa trộn với nhau trước khi đi vào máy nén và được nén VỚI ap suất cao, khí xả sẽ ngưng tụ và làm ăn mịn bề mặt cánh cơng tác của tuabin „
Hơn nữa, chất thải dạng hạt khơng cháy hết trong khí xả cĩ thể phá hoại các bánh cơng
tác làm bằng hợp kim nhơm của máy nén Để khắc phục hiện tượng này, người ta phủ
lên bề mặt cánh cơng tác một lớp Nikel Photpho (NiP) cĩ độ cứng từ 600+1000HV
Tuy nhiên điều này sẽ làm giảm tý lệ dịng khí nạp cũng như làm giảm cơng suất của máy nén Động cơ Van
Lam mat ty _ Van
LO
XÃ
-1C saa =e Che
Khơng khí Khi thai Khơng khí
Hình 2.4 Tăng áp sử dụng hai tua bin song song 2.4.2, Tang ap st dung tua bin song song
Tăng áp loại này bao gồm hai tua bin cĩ cùng kích thước được lắp song song với nhau và vận hành ở cùng một chế độ tốc độ như nhau (hình 2.4) Dịng khí xả sẽ được phan chia qua hai tua bin, voi déng co 4 xy lanh thì hai đường khí xả của hai xy lanh sẽ bố trí đi vào một tua bin Sau khi khơng khí qua hai máy nén sẽ được gộp vào và đưa qua hệ thống làm mát trước khi đi vào xy lanh động cơ Do hai tua bin cĩ kích thước nhỏ, mơ men quán tính nhỏ nên tua bin dễ dàng tăng tốc để đạt được mơ men xoắn lớn
nhất, rút ngắn quá trình chuyển tiếp khi làm việc Tuy nhiên, kích thước mỗi tua bin
nhỏ làm cho dịng khí qua máy nén của từng tua bin cũng khơng cao, do đĩ nếu một tua
bin khơng làm việc thì sẽ khơng đáp ứng đủ lượng khơng khí cần thiết để động cơ làm việc bình thường
Trang 20Khi động cơ làm việc ở tốc độ thấp, van trước tua bin bên phải đĩng lại, lúc
này chỉ cĩ tua bin bên trái làm việc Khi động cơ làm việc ở tốc độ cao, van trước tua bin bên phải mở ra, lúc này cả hai tua.bin cùng hoạt động cung cấp khí cho động
cơ làm việc ‘
2.4.3 Tang ap hai cap
Van Lam mat rƑ «cm TU áo ch là M4 CỰ 2: MÀ AM Ai GHẾ HP im dã dh dế V- m ÁÀ đề rh cĨ: ĐÀ: H th đài dd đc THỂ An dc di on at
Khơng khí Khi thải
Hình 2.5 Tăng áp hai cấp
Tăng áp hai cấp cĩ tỷ số tăng áp cao, sử dụng hai tua bin tang áp cĩ kích thước khác nhau (hình 2.5) Khí xả sau khi qua xu páp thải vào đường ống thải vẫn cĩ entanpi
lớn, áp suất và nhiệt độ cao Do đĩ, tua bin máy nén cấp 1 (C1, T1) cĩ kích thước nhỏ
hơn tua bin máy nén cấp 2 (C2, T2) Khi tốc độ động cơ thấp thì chỉ cụm (C 1,T1) lam việc vì mơ men quán tính nhỏ hơn, qua trinh chuyén tiếp ngắn hơn so với cum‘(C2,T2) Lúc này, 1-vạn đĩng lại và cửa thơng khí của tua bin T2 được mở hồn tồn; do đĩ cụm tua bin may nén (C2, T2) hầu như khơng tham gia vào quá trình tăng áp Khi tốc độ động cơ từ trung bình (khoảng 1500v/ph), hai tua bin may nén cùng làm việc, việc phân phối khí xả đến các tua bin thơng qua 2 van điều khiển C-van và T-van Tuy nhiên, khi động cơ lầm việc ở tốc độ cao, khi đĩ chỉ cĩ cụm tua bin máy nén (C2, T2) làm việc
Trang 21vì hiệu suất nén khí cao hơn khi làm việc ở tốc độ cao Lúc này, cụm tua bin máy nén (C1, T1) được tách ra khỏi hệ thống tăng áp: nhờ van điều khiển C-van và T-van mở hồn toản
Hình 2.6 là đường đặc tính của tua bin may nén trong hệ thống tăng áp hai cấp Đường đặc tính máy nén khi toản tải là tích của hạ đường đặc tính thành phan Do cụm tua bin máy nén (C1, T1) cĩ kích thước nhỏ hơn nên đường đặc tính của nĩ ở tốc độ thấp cĩ độ tăng áp suất nhanh hơn đáp ứng được quá trình chuyển tiếp tốt hơn khi động
cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ
Mơ men kéo của động, cơ khi tăng áp một cấp và hai cấp được so sánh thơng œIa hình 2.7 Khi tăng áp một cấp, mơ men kéo của động cơ lớn hơn khi chỉ tăng áp cụm tua bin may nén (C1, T1) nhưng nhỏ hơn khi chỉ tăng áp cum tua bin may nén (C2, T2) đối với động cơ tăng áp hai cấp Do đĩ, quá trình chuyên tiếp của động cơ khi tăng áp' hai cấp tốt hơn Tĩm lại, tăng áp hai cấp cĩ ưu điểm là tỷ số tăng áp cao, mơ men kéo cao hơn trong phạm vị làm việc của động cơ
m , Ni
Hình 2.6 Đặc tính tua bin máy nén trong hệ Hình 2.7 Tương quan mơ men động cơ với
thơng tăng áp hai cấp một và hai cấp tăng áp
2.5 UU NHUOC DIEM KHI TANG ÁP TREN DONG CO DOT TRONG
2.5.1 Ưu điểm của tăng áp
Tăng áp khơng những làm tăng cơng suất động cơ đồng thời cũng làm cho một
số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ được cải thiện đáng kể Để hiểu rõ khi tăng áp
làm tăng hiệu suất động cơ chúng ta so sánh động cơ khơng tăng áp và động cơ tăng áp cĩ cùng cơng suất ở cùng một tốc độ trong ví dụ sau [4]
Trang 22khơng tăng áp, áp suất tổn thất cơ khí Pm=2bar, trong khi ở động cơ tăng áp, do kich thước ổ trục lớn hơn để phù hợp với áp suất của chu trinh cao hon thi pm=2,2bar Kết quả tính tốn sẽ là:
- - Động cơ khơng tăng áp: 7?„ = _=¬ 83% p,+Pp„ l10+2
- - Động cơ tăng áp: In = Pe 7) 90% P,+p„ 20+2,2
Hiệu suât cơ khí của động cơ tăng áp cao hon so với động cơ khơng tang ap cĩ củng cơng suât ở cùng một tốc độ Kết quả tính tốn hiệu suât cơ khí ở các chê độ tai
khác nhau được cho trên hình 2.8:
90 Động ong cd cơ | mo — tăng ` , a xe 804 ` _ x a = Động ca ~ "| khơng Ễ tăng ay d © nt 3 v1 J can HO 7 504 1/4 1/2 3/4 4/4 Tại động cơ
Hình 2.8 So sánh hiệu suất cơ khí động cơ tăng áp và khơng tăng áp
Tăng áp làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích ø; (g/KW.h) Hình 2.9 thê hiện suât tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel tăng áp và khơng tăng áp cĩ cùng cơng suât tại chê độ tơc độ trung bình của động cơ
Tăng áp làm giảm kích thước động cơ: Nhờ biện pháp tăng áp làm giảm thể tích cũng như trọng lượng riêng của động cơ ứng với một đơn vị cơng suất, tức là làm tăng cơng suât riêng của động cơ Ngồi ra, tăng áp cịn làm giảm các thành phần độc hại
-
Trang 23CO¿, NO, trong khí thải Đối với những động cơ tăng áp bằng tua bin khí thai, tua bin
lắp đặt trên đường ống thải cịn cĩ tác dụng giảm âm thêm cho động cơ đốt trong 320 ¬ \ 300 Tì 1 \ x, — \\ \ \ = a \ N x= 2 260 + À » XS ot 500 mịn ay ` ` XQ N ` A Man 240 x “eS Le 7 — 250 mán” MÀ —— 7 —_—— 220 ¬ rE 200 ~ a 500 1,000 {kW} 1,500 0 500 1,000 1,500 {PS} 2,000 Cơng suất
Hình 2.9 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích g, của động cơ diesel tăng áp (nét liên) và khơng tăng áp (nét đút) ở tốc độ trung bình
2.5.2 Một số nhược điểm khi tăng áp động cơ
Khi tăng áp do mật độ mơi chất tăng, nhiên liệu được cung cấp nhiều hơn, nhiệt lượng tỏa ra tăng nên các nhà thiết kế, chế tạo cần quan tâm tới sự tăng cao của áp suất
và nhiệt độ khí cháy ảnh hưởng đến tồn bộ động cơ, ngồi ra cịn phải thay đổi hệ thơng làm mát, hệ thống bơi trơn, hệ thống cung cấp nhiên liệu, sao cho phù hợp
2.5.2.1 Tải trọng nhiệt
Với sự tăng lượng nhiên liệu chu trình, điều đĩ đồng nghĩa với việc tăng nhiệt lượng tỏa ra ở trong xy lanh, làm tăng nội năng của mơi chất trong quá trình cháy qua
đĩ làm tăng cơng suất và hiệu suất động cơ Do vậy dịng nhiệt truyền qua động cơ
cũng tăng Hơn nữa, theo nghiên cứu về nhiệt độ của các chỉ tiết trong động cơ tăng áp
như hình 2.10, với tỷ số tăng áp cao và nều khơng làm mát trung gian, nhiệt độ khí nạp
sau máy nén tăng đáng kể, sẽ làm tăng tải trọng nhiệt của động cơ Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu áp suất chỉ thị trung bình tăng gấp đơi thì dịng nhiệt truyền qua thành
vách (nhiệt lượng truyền cho dầu và nước làm mát) chỉ tăng khoảng 60% Như vậy, nếu nhiệt độ khí xả khơng đổi, 40% lượng nhiệt cịn lại sẽ làm cho các chỉ tiết của động
cơ nĩng lên
Trang 24phỏng SỐ động lực học lưu chat (numerical CFD simulation tools), để phân tích khả năng làm mát, dịng nhiệt và trường nhiệt độ của các chỉ tiết tạo thành buồng cháy
250 Huế nuj= 0.785 h ~ #0*© 0.010 tt 487C " 0880 — \ J⁄⁄ a 8 lie C 5 ⁄ IP © 150 A Z2 2 100 Z 8 sọ ip ae _ g 8 ae oo 10 15 20 25 30 357° 40 Tỷ số tăng áp P¿/Ð+ Í~]
Hình 2.10 Sự thay đổi của nhiệt độ khí tăng áp theo tỷ số tăng áp khi khơng cĩ làm
mắt trung gian Ở một số chế độ của hiệu suất tua bin và nhiệt độ khí nạp
- Sau khi phân tích tất cả các thơng số liên quan bằng mơ phỏng, ta cĩ thể đạt
được các thơng số tối ưu về cơng suất thể tích (N.,) và suất khối lượng (là tỷ số giữa khối lượng và cơng suất) cùng với khả năng làm mát tốt với hệ thống làm mát nhỏ nhất cĩ thé
2.5.2.2 Ủng suất cơ học
T , Pmax Pinax ?P — lăng ap
—~ Khơng tăng áp Lí rey Vv
Trang 25cháy tăng địi hỏi cần tăng cường sức bền của các chỉ tiết trong động cơ như: piston, thanh truyén, xy lanh, nap máy, bạc, trục, Việc tối ưu hệ thống truyền lực cho động
cơ tăng áp cần chú trọng quan tâm tới sự tăng ứng suất cơ cũng như việc tăng áp suất
cĩ ích Hiện nay, trong thiết kế động cơ mới luơn đi cùng với sự hỗ trợ của các phương
pháp mơ phỏng số hiện đại như: FEM, CFD, ANSYS 2.5.2.3 Sự hình thành hỗn hợp
Khi tăng áp, để tận dụng tốt khối lượng khơng khí được nạp vào xy lanh nên phải tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình Trong động cơ diesel cĩ
hai biện pháp để tăng lượng nhiên liệu cấp là: tăng áp suất phun hoặc kéo dài thời gian
phun Nếu tăng áp suất phun sẽ làm cho tải trọng tác dụng lên hệ thống cung cấp nhiên liệu tăng làm giảm đáng kế tuổi thọ của các chỉ tiết trong hệ thống Cịn nếu kéo dải thời gian phun, sẽ cho phép điều chỉnh được áp suất cực đại của chu trình và tỷ số tăng áp, nên trong thực tế hay được dùng
Bên cạnh đĩ chúng ta cịn phải quan tâm đến điều kiện bay hơi của nhiên liệu trong động cơ tăng áp vì khi áp suất tăng sẽ làm giảm khơng gian vật lý để nhiên liệu bay hơi nên nhiên liệu khĩ bay hơi hơn Do vậy để quá trình hình thành hỗn hợp tốt và tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình cháy thì cần phải phun tơi nhiên liệu và tận dụng triệt để xốy lốc thơng qua pha phối khí, kết cầu đỉnh piston,
Câu hỏi ơn tập chương 2
1 Tác dụng của tăng áp trên động cơ?
2 Các phương pháp tăng áp cho động cơ xăng? Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp?
3 Hiện tượng cháy kích nỗ khi tăng áp trong động cơ xăng và các biện pháp khắc phục?
4 Phân biệt tăng áp song song, tăng áp kép (tăng áp 2 cấp)?
5 Phân tích các thay đổi cần thiết cho động cơ khi tăng áp?
Trang 26Chương 3
CÁC PHƯƠNG PHÁP TĂNG ÁP
SU DUNG TREN DONG CO
‘Dua vào nguồn năng lượng để nén khơng khí trước khi đưa vào động cơ, người ta chia ra làm 4 kiểu tăng áp
3.1 TANG AP DAN ĐỘNG CƠ KHÍ
3.1.1 Máy nén dẫn động từ trục khuỷu
Tăng áp dẫn động cơ khí (cịn gọi là tăng áp cơ giớ)) là hình thức tăng áp mà máy , nén được dẫn động từ trục khuỷu động cơ bằng các hệ truyền động kiểu cơ khí như:
bánh răng, xích, đai, như hình 3.1
\ 12 Pị AN 3 ak 2 + Po 0 Ve Vay)
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí cà
1- động cơ, 2- máy nén, 3- cặp bánh răng Hình 3.2 Chu trình lý tưởng của động
truyền động, 4- làm mát trung gian cơ tăng áp cơ khí
Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp cơ khí cĩ thê là máy - nén kiểu piston, quat root, truc xoắn, quạt ly tâm, hoặc quạt hướng trục,
Trong tăng áp hỗn hợp, máy nén được dẫn động cơ khí chỉ làm việc ở tốc độ
vịng quay thấp và tải trọng nhỏ của động cơ nhằm cải thiện đặc tính của động cơ tăng áp Do ở chế độ này năng lượng của dịng khí xả thấp nên cơng suất tua bin thu được khơng nhiều để kéo máy nén
Khi dẫn động cơ khí cho máy nén, cơng suất của động cơ đốt trong được xác định theo cơng thức sau:
Trang 27
N,= N,-N,,- N (3.1)
Trọng đĩ: N,: Céng suat c6 ich duoc lay từ trục khuỷu động cơ, W
_ Nị Cơng suất chỉ thị, W
Nạ: Cơng suất tổn thất cơ giới của bản thân động cơ, W,
Nc: Cơng suất để dẫn động máy nén, thường chỉ phụ thuộc tốc độ
may nén, W
Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp cơ khí được trình bày trên hình 3.2
Trong đĩ neZ?Zbn là chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong, cịn 7øw2! là chu trình ly tưởng của máy nén Quá trình nén trong máy nén được biểu diễn băng đường nén đoạn nhiệt ø-m
Gọi La là cơng của chu trình động cơ đốt trong
Lm là cơng của động cơ tiêu hao cho máy nén
Hiệu suât của tồn bộ cụm thiệt bị động cơ và máy nén sẽ là:
Na — td ln—ly„ in = _—“b en ——m Lig l L =7, (1-6, (3.2
Q Ĩ, Ọ “ La “ “ ) )
Trong đĩ :
none tả = : hiệu suât của động cơ đốt trong
1
+ Ly CA k keg aw,
= —: goi la céng suat tương đơi của máy nén
td
6, ta
Trong chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong ta cĩ:
La =MaQ, = Ma (me, (Z, -T ) +?nc, (Z, -T,, ))
=n ymeyT,€°"[(A-1)+ka(p-1)| (3.3)
Trong đĩ: cv, cp: nhiệt dung riêng đăng tích và đăng áp của mdi chat k: chỉ sơ đoạn nhiệt
Trang 28k k ie | L,, = 1, = ——( pV, - PM )= E11 : ca) | (3.4) (gỒn k -|^j Đụ L - 6 =m = 3.5) eT "| (A-1)+kA(p-1)] ‘
Áp suất trung bình của động cơ khi tăng áp:
L.-L L,
Pra Pu = Pull) (3.6)
?
V6i pig 1a Ap suat trung binh cia chu trinh động cơ đốt trong, bar
Ota Nea - Pa Địa 01 0,64 , - ` ` TT TƑ TT ——=r7——¬ 20 ` I I I 1 1 \ LTỊ, 1 IPtd i 0.08 0,62 ta | | | 1 | 18 PONT 1T 7 | | Ì I 1 I I | Pra! 0,60 | I | t | I 006 p -4 L- fis a et 4 16 Ị I | 1 \ Ị | i \ | 0/58 1 I Ota! \ 0,04 F~~~T~~Z“7/;~TTTTTF~—~Tr~~—¬ I \ | | 1 14 I | I | | { I | I { ! I I \ I I I 0 Lek I | | \ 1 12 I i I | I 1 | | I | \ Ị \ | I I | | 0,02 1 L 1 J L 1 = 10 12 14 16 1,8 2,0 TU e€
Hình 3.3 Mơi quan hệ giữa Ưð„ Dự, Dịa Và Hạ với ty sơ nén Của máy Hén 1c Theo thực nghiệm, người ta cĩ mối quan hệ giữa Stas Ptas Ptd VA Nita VOI ty số nén
của máy nén zc như hình 3.3 Dựa vào đồ thị ta cĩ thê đưa ra các nhận xét sau: - Khi ty sé tang ap ac tang, sẽ lam ting 81, déng thoi hiéu suat của cụm động cơ và máy nén rịa giảm, ở đây ta <Tia
Trang 29- Khi áp suất sau máy nén (p› hoặc pc) tăng (tương đương mc tang) thì áp suất trung bình của chu trình tăng áp (pa) tăng chậm hơn so với áp suất trung bình của riêng động eơ đốt trong (pra) Điều đĩ cĩ nghĩa là khi áp suất tăng áp tăng, thì năng lượng để
kéo máy nén tăng nhanh hơn sự tăng cơng suất của tồn bộ chu trình (năng lượng dẫn động máy nén tăng nhanh hơn năng lượng cĩ thể tiết kiệm được)
Nhận xét:
Mặc dù tăng áp cơ khí cĩ nhược điểm hiệu suất nhiệt và hiệu suất chỉ thị của cụm
thiết bị động cơ -máy nén giảm, nhưng nhờ tăng áp mà áp suất trung bình của chu trình tăng ap pu tăng, sẽ làm áp suất chỉ thị pị và cơng suất chỉ thị Nụ tăng, trong khi cơng suất tổn hao cơ giới Nụ ít phụ thuộc vào áp suất tăng áp mà chỉ phụ thuộc vào tốc độ động cơ (n, v/ph) nên cơng tổn thất cơ giới của động cơ đốt trong gần như khơng đổi (chưa tính máy nén)
Với tăng áp cơ giới, chất lượng khởi động và tăng tốc động cơ tốt, vì lượng khơng khí cấp cho động cơ trong một chu trình phụ thuộc vào tốc độ trục khuỷu mà khơng phụ thuộc vào nhiệt độ khí xả Tuy nhiên, đối với tăng áp cơ giới, năng lượng
tiêu hao đê dẫn động máy nén tăng lên, làm giảm hiệu suất và làm giảm tính kinh tế của
động cơ
Cơng suất đẫn động máy nén chỉ phụ thuộc vào số vịng quay của nĩ, vì vậy nếu
động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ thì số phan trăm cơng suất tổn thất cho việc dẫn động
máy nén tăng, làm giảm mạnh hiệu suất chung (ne) của động cơ đốt trong Cụ thể, cơng suất dẫn động máy nén tăng nhanh hơn mức độ tăng áp suất chi thi 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 pc nhỏ hơn hoặc bang 1,6 kG/cm?, nếu pc lớn hơn
1,6 kG/em? thì cơng suất dẫn động máy nén N, sẽ lớn hơn 10%N; và khơng cĩ lợi
3.1.2 Một số biện pháp tăng áp cơ khí khác
Máy nén thể tích đơn giản nhất là loại piston tinh tiền vi dụ như loại dùng bơm quét nạp, loại dùng piston nén khơng khí trong hộp trục khuỷu, Loại này hiện nay chỉ được sử dụng phổ biến cho động cơ hai kỳ tốc độ thấp hoặc kết hợp với tua bin máy nén Tuy nhiên, nĩ lại rất thuận tiện cho việc khảo sát hiệu suất làm việc của máy nén trên đồ thị cơng p-V Loại máy nén kiểu piston quay cĩ nhiều tính năng quan trọng hơn kiểu piston tinh tiễn và vận hành ở tốc độ cao hơn tốc độ động cơ Dưới đây ta đề cập
đến một số loại máy nén này
3.1.2.1 Máy nén quạt kiéu Root (Roots Blower)
Ngay nay, may nén quat kiểu Root là loại máy nén được sử dụng nhiều nhất, với
thiết kế gồm một cặp piston hai cánh (hình 3.4a) hoặc ba cánh (hình 3.4b) Loại máy nén này cĩ ưu điểm là thiết kế và chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, độ bền và hiệu suất cao,
Trang 30kích thước lắp đặt nhỏ gọn Nhược điểm của loại này là khơng gian chết của máy nén tương đối lớn, tỷ số tăng áp khơng cao
Hình 3.4 Máy nén thể tích Root Blower
Vấn đề thường gặp phải của máy nén quạt quay kiểu Root là việc phân phối dịng khí khơng đều, thường cĩ biến động lớn, việc kiểm sốt áp suất của dịng khí tăng áp khĩ khăn và thường cĩ độ én lớn khi làm việc Do đĩ, loại này thường phải được thiết
kế cĩ hình dạng hình học đặc biệt ở cửa vào và cửa ra của máy nén tương thích với tốc
độ quay của cặp piston Ngồi ra, khi làm việc ở tốc độ thấp, áp suất tăng áp thấp và tổn
thât lớn
Lối ra cạn Lơng quay ` -
Hình 3.5 Máy nén Wankel -2/3
Trang 31
3.1.2.2 Tăng áp sử dụng máy nén Wankel `
Máy nén Wankel là loại máy nén piston quay được thiết kế bởi Felix Wankel, nĩ cĩ thê là loại piston 2 cánh với 3 khơng gian làm việc (Wankel - 2/3, hình 3.5) hoặc loại
piston 3 cánh với 4 khơng gian làm việc (Wankel - 3/4, hình 3.6) Đối với loại rotor 2 cánh, rotor trong sẽ gắn với trục chủ động và cĩ tốc độ gấp khoảng 1,5 tốc độ cua rotor bên ngồi Với lại rotor 3 cánh, tốc độ rotor bên trong cao hơn khoảng 1,3 tốc độ rotor bên ngồi Máy nén loại Wankel này chủ yếu được sử dụng cho động cơ xăng cỡ nhỏ Tuy nhiên hiện nay, loại này khơng cịn được sử dụng nữa vì kết cầu phức tạp và hiệu
quả sử dụng khơng cao "
Hình 3.6 Máy nén Wankel - 3/4
3.1.2.3.May nén tao dịng xốy
Máy nén dịng xốy được thiết kế và chế tạo bởi hãng Volkswagen với tên gọi máy nạp kiểu G (G-Charger) trong một vài năm gần đây áp dụng cho một số dịng động cơ của hãng Tuy nhiên, do giá thành chế tạo cao, hiệu suất làm việc thấp nên sớm bị loại bỏ: Nguyên tắc làm việc của máy nén dựa trên việc bố trí hai hình xoắn ốc cuộn xen kẽ nhau (hình 3.7), được bố trí tạo hình sao cho cĩ tác dụng bơm hỗn hợp từ ngồi theo lạch nhỏ giữa hai phần tử xoắn ốc và nén vào trong Trong quá trình làm việc, do chuyên động quay của rotor, thể tích bên trong lạch giảm xuống và nén hỗn hợp làm áp suất tăng lên Ựu điểm loại máy nén này so với loại piston quay la quan
tính nhỏ (chỉ bằng một phần mười đến một phần hai mươi), tiếng ồn thấp, khối lượng
nhỏ Nhược điểm của loại máy nén này là phức tạp, vẫn dé bao kin khĩ khăn Hãng chuyén ché tao tua bin ABB (ABB turbo system) đang cĩ dự định sản xuất lại dịng máy nén tăng áp này áp dụng cho một số động cơ xăng cỡ nhỏ
3.1.2.4.Máy nén thể tích tao dong dang xoắn Ốc
Trang 32Của vào Khơng gian áp lực Lối vào _ Rãnh xoắn ốc
Hình 3.7 Tăng áp sử dụng máy nén tạo dịng xốy
mỗi trục mang một rotor quay gồm một rotor chính (cĩ 4 vấu) và một rotor phu (cĩ 6 vau) Rotor chinh quay với tốc độ gấp 1,5 lần rotor phụ Dịng khí được nén qua khe hở theo đường xoắn ốc nên tỷ số tăng áp cao Tuy nhiên, việc chế tạo các cánh xoăn ốc của các rotor tương đối phức tạp, mơ men quán tính lớn hơn máy nén kiểu Root Tuy nhiên, với kết cầu đường sinh của cánh xoăn ốc đặc biệt nên tạo ra được tỷ số tăng áp cao hơn loại máy nén Root và kích thước cũng nhỏ hơn
Máy nén loại này hiện nay được sản xuất bởi hãng Svenkar Rotor Maskiner của Thụy Sỹ và hãng THI của Nhật Bản Loại nảy được sử dụng trên các dịng ơ tơ Mazda
và hãng DaimlerChrysler sử dụng trên mẫu xe AMG C32
Trang 33
Hình 3.8 Máy nén thể tích tạo dịng dạng xoắn ốc
3.2 TANG AP BANG TUA BIN KHi XA
Tang ap bằng tua bín khí xả là biện pháp tăng áp mà máy nén được dẫn động nhờ tua bin tan dung nang lượng khí xả của động cơ đốt trong và dùng cơng thu được nay để nén khí rồi nạp vào động cơ
Khí xả của động cơ đốt trong cĩ nhiệt độ, áp suất và vận tốc cao, nên năng lượng
của dịng khí xá là khá lớn (theo ước tính gần bằng cơng suất động cơ Nạ) Muốn khí xả
sinh cơng, nĩ phải được giãn nở trong một thiết bị tiếp nhận để tạo ra cơng cơ học Nếu ' để nĩ giãn nở tiếp trong xy lanh của động cơ đốt trong thì dung tích của xy lanh sẽ rất lớn, làm cho kích thước và khối lượng của động cơ đốt trong quá lớn Điều này mặc dù
làm tăng hiệu suất nhiệt nhưng tính hiệu quả được đánh giá bằng giá trị áp suất trung
"bình (p¿) sẽ rất nhỏ Do vậy, để thu được năng lượng khí xả, người ta cho nĩ giãn nở
đến áp suất mơi trường và sinh cơng trong các cánh của tua bin ˆ
3.2.1 Tăng áp bằng tua bin khí cĩ liên hệ cơ khí
Trong phương án này, trục tua bin, trục khuỷu động cơ đốt trong và trục máy nén
được nối liền nhau
Trang 34Z3 ff ers ( ie th đ Đ SNSNNNN ầ 7 Ặ ` ma H Fi ERY AN H ; H Te oe Đ fy A cody — R Ậ
REG ais _ps stream
In re R N tỳ aN 4 > Ye BSS B H H 3 Sy ⁄ ar H H fr 5Š xay As ) ƒ H t B p2” ke ww ¿` << SS BÉ i Sees aR ; SES J)
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý của tăng áp tua bin khí liên hệ co khi ctta Buchi Kết cấu này bao gồm máy nén hướng trục nhiều cấp, động cơ diesel 4 kỳ và tua bin hướng trục nhiều cấp được nối đồng trục Áp suất của khí nạp vào xy lanh động cơ
đạt (3+4)kG/cm’, khí xả sau khi ra khỏi xy lanh động cơ đốt trong trước khi vào tua bin
đạt áp suất 16kG/cm” Tuy nhiên phương án này gặp phải các hạn chế:
- Cơng xả của khí xả động cơ đốt trong tăng lên quá cao làm giảm cơng suất cĩ ích - Khí sĩt trong xy lanh rất lớn làm cho lượng khí mới nạp vào xy lanh giảm Do các nguyên nhân trên mà phương án này khơng được được sử dụng trong thực tế
3.2.2 Tăng áp bằng tưa bin khí xả
Tăng áp bằng tua bin khí xả là phương án tăng áp sử dụng tua bin làm việc nhờ -_ năng lượng khí xả của động cơ đốt trong để dẫn động máy nén Máy nén (thường được ký hiệu C) thường được nỗi đồng trục với tua bin (T) thanh m6t cum Tua bin - May nén
(T-C)
3.2.2.1 Các sơ đồ tăng áp trên động cơ
Nguyên lý làm việc: Máy nén C được dẫn động bởi tua bin khi T, hoạt động nhờ năng lượng khí xả của động cơ Khơng khí từ ngồi trời qua máy nén được nén tới áp suất pc_> pọ rồi đưa vào xy lanh động cơ Do tua bin thu được năng lượng của khí xả để dẫn động máy nén, nên khơng phải tiêu thụ cơng suất cĩ ích của động cơ, làm tăng
tính kinh tế và thường giảm suất tiêu hao nhiên liệu từ (3+10)%
Với động cơ xăng hình thành hịa khí bên ngồi cĩ sơ đồ nguyên lý tăng áp như hình 3.10b và hình 3.10c, hình 3.10b ứng với việc tạo hỗn hợp sau máy nén, cịn hình
Trang 353 TCHK 3 C —— T 2 Si CHK : — a) b) Cc)
_ Hình 3.10 Các phương pháp tăng áp bằng tua bin khi
a- Phuong án tăng áp động cơ điesel b, c- Phương án tăng áp động cơ xăng
1- động cơ, 2- làm mát trung gian, 3- bộ chế hồ khí, T- Tua bin, C- May nén
Với động cơ tăng áp cao, thường lắp két làm mát trung gian nhằm giảm nhiệt
độ cho khí tăng áp, qua đĩ nâng cao mật độ khơng khí tăng áp đi vào động cơ Sự cải thiện rð rệt so với động cơ khơng tăng áp là khi hoạt dong ¢ ở vùng cao, khi đĩ cơng suất của động co ting ap bang tua bin khí xả chỉ giảm rất ít so với động cơ khơng tăng ap Theo tính tốn, khí xả của động cơ trong moi chế độ làm việc đều thỏa mãn yêu cầu
dẫn động máy nén, dựa trên các yếu tỔ sau: ˆ
- Năng lượng đủ cao (tương đương cơng suất cĩ ích của động cơ N.) - Nhiệt độ khơng quá cao (<1400K)
- Tua bin (hướng kính, hướng trục) khơng gây sức cản quá lớn trên đường thải và cịn cĩ tác dụng giảm ồn và gĩp phần giảm thành phần độc hại trong khí xả động cơ
Trong động cơ, năng lượng nhiệt do khí xả mang di khoảng (35+40)%Q, (tương đương N,) Nếu coi chu trình xảy ra trong tua bin la chu trình Cac-no thì thu được khoảng một nửa năng lượng này (khoảng 20%Q¡) và khoảng một nửa số năng
lượng thu được bị mất mát do ma sát, tiết lưu, tốc độ dịng khí, nhiệt độ khí xả, ra
Trang 36nghiên cứu, năng lượng cần thiết để nén mơi chất nạp trong máy nén chỉ can (1+3,5)% Q¡ (nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp) Do vậy, năng lượng này đủ để dẫn động máy nén trong mọi chế độ
Tốc độ quay của tua bin và máy nén ngày nay nằm trong khoảng (15.000+300.000)v/ph tùy thuộc vào kích cỡ của chúng
Hiện nay cĩ 2 loại tua bin được phân loại theo hướng dịng sản phẩm cháy vào | tua bin dé la tua bin huéng truc (dong san pham chay chay song song voi truc tua bin) va tua bin hướng kính (dịng sản phẩm cháy chạy theo phương bán kính của tua bin)
Ngồi ra, theo nguyên lý tận dụng năng lượng khí xa vao tua bin, tua bin cé cac loại la tua bin bién 4p, tua bin dang áp và tua bin bảo tồn xung
3.2.2.2 Chu trình lý trởng của động cơ tăng áp bằng tua bin
3.2.2.2.1 Tua bin biễn áp
Chu trình lý tưởng của
động cơ tang ap bang tua bin SỈ
biên áp được trình bày trên Qh ,
hinh 3.11 Trong dé neZ’Zbn là chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong, lon21 là chu
_ trình lý tưởng của máy nén
(on là quá trình nén trong máy
nén) bfonb là chu trình xảy ra 2 CT MN
trong tua bin, với bf là quá | † T1 „ trình giãn nở đoạn nhiệt của ve Vụ Qu Vv; OV
khi xa trong canh tua bin, con
fo tương ứng với quá trình nhả Hình 3.11 Chu trình lý trỏng của động cơ tăng áp
CT ĐCĐT
nhiệt đẳng áp của tua bin bằng tua bin biến áp
Trong đĩ: £„ = —~: tý sơ nén của máy nén Vo ay koe an ng
a
E= tỷ sơ nén của động co dot trong
c
VV, oe koe GR
&,= €,€= —.—": ty sd nén tong (3.7)
4 V, Ts
Trang 37A=#z : Tỷ số tăng áp suất, Pe
p= v : Tỷ số giãn nở ban đầu (sớm)
€
é ` : Tỷ số giãn nở sau
f V ,
p'= r : Tỷ sơ nén trước
a
Hiệu suât của cụm động cơ — tua bin — máy nén là:
Le Q,-2, _|-22 Ĩ, Ĩ, QD, Vig = O, =Mmc, (Ty —T )+me, (7; —T,,) Q, = me, (T, -T) (7, ~1) Mo = TT +k{T, -Tz)
Xác định nhiệt độ các điểm như sau :
Trang 38T.= / £ k=l + VớI : _Ứÿ V V, V _ 08,8 tạ F.V, Vy Ð Vy Aple* Ấp" rủ TỦ 1 — wrt z [2 (p E,) ø V T ' — /ƒ _ mm P ly = TP og P gt n _ẤP _P „_ x&-I k=l (02,„) & i p'= pat
Thay vào tính Trta được:
Trang 39Xác định áp suất trung bình của chu trình pạ: L, = Q, -Q, = Nha Q, = me,T,e*"' [(A-1)+kA(p-1)] / : Py Pe Với : đạp T1, =Tge” Py = Po P- = PE; Ta nhận được: mRT, 1 R V,-V, =" —2(p -—) = 24k p-—) Po é 0
me,T,é} py[(A-1) + kA(p-1) |
Pu 1 mel 62-1] _ &1 Py (A=1)+kA(p-1) Pia = k- 1 Nia | Eat Nhận xét: (3.25) (3.26) (3.27) (3.28) (3.29) (3.30) (3.31) (3.32) (3.33) (3.34):
Cơng thức trên để xác định áp suất trung bình pạ ứng với thể tích tổng cộng của tua bin, máy nén và của động cơ đốt trong Do vậy, chưa thê đánh giá được tính hiệu quả của động cơ đốt trong, muốn vậy ta phải xác định áp suất trung bình (pạ) ứng với thể tích cơng tác của động cơ đốt trong (Vh)
Trang 40
L, L, V„TỲ, - đnG 3.35
Pu VV VV POV AY, eo)
Yr i
Vi-Ve VS [cuc PRT LEAP ‘e,-1 6 Atp-l (3.36)
n 4 Vy ø-Ï e-]
V s‘p
= ——_4—| (A -1)+kA(p-l ,
Pn œ-0£-U )+#A(ø=1) | (3.37)
Nếu chu trình động cơ đốt trong là chu trình đẳng tích (p=1) ta cĩ:
: kl} A‘ -1 _, ! - 3.38) Tha = gh 1 é‘p =———_=~l^4-I Pn (œ-9(-T\ )? (3.39)
Nếu chu trình động cơ đốt trong là chu trình đẳng ap (A=1) ta co:
=I——L~ , : 4 Ta oe ¬ (3.40) s“p ¬ a= Fn 7 _— (p-] Pn œ-0)(-0ứ 1)? (3.41) Kết luận:
- Hiệu suât tồn bộ của cụm tua bin - máy nén - động cơ đơt trong lớn hơn hiệu suất của riêng động cơ đơt trong do tỷ sơ nén tơng lớn hon tỷ sơ nén của riêng động cơ đơt trong
- Áp suất trung bình của động cơ Pin tăng rất nhanh do áp suất sau máy nén (pn) và áp suất trung bình (pụ) tăng khi tỷ số nén của máy nén (en) tăng
Tuy nhiên, theo thực nghiệm chỉ cho phép tăng áp đến (1,6+l ,7)kG/en vì tốn