đồ án tốt nghiệp khảo sát hệ thống tăng áp trên động cơ 490zl

Phđn loại tăng âp Dựa văo nguồn năng lượng để nĩn không khí trước khi đưa văo động cơ, người ta chia tăng âp cho động cơ thănh hai nhóm: Tăng âp có mây nĩn vă tăng âp không có mây nĩn, t

Lời nói đầu

Đề tài đồ án tốt nghiệp được giao là công việc cuối cùng trong chuyên ngành đào tạo kỹ sư của trường đại học Bách khoa Đà Nẵng mà mọi sinh viên trước khi bước vào thực tế công việc phải thực hiện Nó giúp cho sinh viên tổng hợp và khái quát lại kiến thức từ kiến thức cơ sở đến kiến thức chuyên ngành Qua quá trình thực hiện đồ án sinh viên tự rút ra nhận xét và kinh nghiệm cho bản thân trước khi bước vào công việc thực tế của một kỹ sư tương lai

Ngành động cơ đốt trong đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm Để hiểu rõ hơn về lịch sử phát triển của các quá trình tăng áp cho tới các biện pháp tăng áp và cuối cùng là những hư hỏng thông thường cũng như việc tính toán kiểm nghiệm bộ tuabin tăng áp Trong đó, Tăng áp tuabin khí là một loại tăng áp phổ biến hiện nay Do vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu một cách toàn diện về vấn đề tăng áp cho động cơ đốt trong nói chung và cho một hệ thống tăng áp tuabin khí cụ thể của một động cơ nói

riêng là rất cần thiết Chính vì vậy, em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là: “KHẢO SÁT

HỆ THỐNG TĂNG ÁP TRÊN ĐỘNG CƠ 490ZL”

Tuy nhiên do những hạn chế về thời giạn, kinh nghiệm thực tiễn, kiến thức cũng như tài liệu tham khảo, nên trong phạm vi đồ án này em không thể trình bày được hết các vấn đề liên quan cũng như tìm hiểu sâu hơn mối quan hệ giữa hệ thống này với hệ thống khác Vì thế chắc chắn không tránh khỏi những sai sót trong vấn đề thực hiện Rất mong có được sự quan tâm chỉ bảo hơn nữa của các thấy cô cùng các bạn

Sau cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo DƯƠNG VIỆT DŨNG cùng toàn

thể thầy cô khoa cơ khí giao thông và các bạn, những người đã trực tiếp giúp đỡ chỉ dẫn, góp ý kiến cho em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này

Đà Nẵng, ngày 26 tháng 2 năm 2009 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đức Hùng

MỤC LỤC

.2

MỤC LỤC 2

Hình 4 - 5 Sơ đồ nguyên lý làm việc bộ tuabin tăng áp 40

1- Vỏ máy nén ; 2- Vỏ tuabin ; 3- Cánh tuabin ; 4- Cánh máy nén 40

1 MỤC ĐÍCH, Ý GHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Ngành động cơ đốt trong đã có lịch sử phát triển hơn một trăm năm, trong quá trình phát triển đã trải qua nhiều thăng trầm do nhiều nguyên nhân khác nhau Ví dụ người ta hy vọng vào một nguồn tài nguyên khác có đặc tính khác tốt hơn hoặc do lo

sợ về sự cạn kiệt của nguồn nguyên liệu được biểu hiện ở cuộc khủng hoảng những năm 70 của thế kỷ XX, thêm vào đó là vấn đề ô nhiễm do nó gây ra đối với môi trường

và sức khỏe con người

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, động cơ đốt trong đă có những bước phát triển kỳ diệu, vượt bậc trong nguyên cứu chế tạo động cơ xăng cũng như động cơ diesel đời mới có tính năng kinh tế, kỹ thuật vượt trội ra đời đã đánh bại mọi sự nghi ngờ về sự phát triển của nó

Nhờ những ưu điểm vượt trội về nhiều mặt, đặc biệt là hiệu suất cao trong phạm vi công suất rộng, nhỏ gọn, nên động cơ đốt trong ngày nay chíêm ưu thế tuyệt đối trong mọi lĩnh vực như vận tải đường bộ, đường thủy, đường sắt, hàng không, phát điện dự phòng,…

Lịch sử phát triển ngành động cơ đốt trong luôn gắn liền với lịch sử phát triển hệ thống tăng áp của nó

Ngày nay, hầu hết các động cơ xăng hiện đại đều sử dụng các loại tăng áp không có máy nén như: tăng áp dao động và cộng hưởng, tăng áp sóng áp suất, hoặc kết hợp các tăng áp này với tăng áp tua bin khí

Động cơ diesel ngày nay có nhu cầu tăng áp rất lớn và được áp dụng với hầu hết các hình thức tăng áp cũng như tổ hợp của nhiều hình thức tăng áp Thành tựu tăng áp cho động cơ diesel là thành tựu tăng áp đáng kể nhất cho động cơ đốt trong

Nhằm mục đích tăng công suất cho động cơ đốt trong, người ta phải tìm cách tăng khối lượng không khí và nhiên liệu cháy ở một dung tích xilanh trong một đơn vị thời gian, tức là tăng khối lượng nhiệt nhiên liệu phát ra trong một không gian và thời gian cho trước

Mục đích cơ bản của tăng áp động cơ là làm cho công suất của nó tăng lên Nhưng đồng thời tăng áp cho phép cải thiện một số chỉ tiêu sau

+ Giảm thể tích toàn bộ của động cơ đốt trong ứng với một đơn vị công suất

+ Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị công suất

+ giảm giá thành sản suất ứng với một đơn vị công suất

+ Hiệu suất động cơ tăng, đặc biệt là tăng áp bằng tua bin khí và do đó suất tiêu hao nhiên liệu giảm.

+ Có thể làm giảm lượng khí thải độc hạ

+ Giảm độ ồn của động cơ

Để hiểu rõ hơn về vấn đề tăng áp cho động cơ đốt trong nói chung và tăng áp bằng

tuabin khí nói riêng em đã chọn đề tài “Khảo sát hệ thống tăng áp động cơ 490ZL”

2 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ 490ZL

Động cơ 490ZL do hãng JIANGSU SIDA của Trung Quốc sản xuất được lắp trên xe THAICO FOTON tải 2 tấn Động cơ gồm 4 xylanh thẳng, hàng thứ tự làm việc

là 1- 3- 4 -2 Động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và được phun gián tiếp vào buồng cháy Buồng cháy trên động cơ 490ZL là loại buồng cháy ngăn cách kiểu xoáy lốc Không gian buồng cháy được chia làm hai phần: Buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy chính, được nối với nhau bằng đường thông lớn Đỉnh pittông được khoét lõm.Trên mỗi xylanh gồm có 1 xupáp nạp và một xupáp thải Chính những đặc điểm đó đảm bảo cải thiện quá trình cháy của động cơ Nhờ vào đặc tính của buồng cháy xoáy lốc mà quá trính cháy vẫn kết thúc kịp thời và động cơ có thể chạy ở tốc độ cao kể cả trường hợp phun nhiên liệu rất trễ, hạn chế tốc độ cháy, tốc độ tăng áp khi cháy và động cơ làm việc ít ồn hơn Tuy nhiên động cơ 490ZL cũng có những nhược điểm: hiệu suất không cao, gây ra tiếng ồn ở chế độ không tải và ít tải

Kích thước động cơ 490ZL nhỏ gọn nhưng công suất động cơ đạt được vẫn lớn nhờ hệ thống nạp sử dụng tuabin tăng áp

9 7

6 4

16

17

Hình 2-3 Mặt cắt ngang của động cơ 490ZL

1- Thân máy ; 2- Trục khuỷa ; 3- Bộ điều tốc ; 4- Thanh truyền ;

5- Đường nạp không khí ; 6- Vòi phun ; 7- Lò xo xu páp ; 8- Trục cò mổ ; 9- Đường thải ; 10- Xu páp ; 11- Đũa đẩy ; 12- Pittông ; 13- Con đội ; 14- Trục cam;15- Đối trọng ; 16- Chân máy ; 17- Bầu lọc dầu ; 18- Cát te

Bảng 2-4 thông số kỹ thuật chính của động cơ 490ZL

Thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị

Buồng cháy ngăn cách

2.2 Đặc điểm các cụm chi tiết,cơ cấu và hệ thống của động cơ 490ZL

2.2.1 Đặc điểm các cụm chi tiết, cơ cấu trên động cơ 490ZL

2.2.1.1 Nhóm Pittông

Nhóm pittông gồm: pittông, chốt pittông, xéc măng khí, xéc măng dầu và các chi tiết hãm chốt pittông Pittông là một chi tiết quan trọng của động cơ, cùng với xy lanh và nắp máy tạo thành buồng cháy Điều kiện làm việc của pittông rất khắc nghiệt: chịu lực tác dụng rất lớn, chịu nhiệt độ và áp suất cao, chịu mài mòn lớn

Trong quá trình làm việc, nhóm pittông có nhiệm vụ chính sau:

- Đảm bảo bao kín buồng cháy, giữ không cho không khí cháy lọt xuống các te

và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy;

- Tiếp nhận lực khí thể và truyền lực ấy cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu, nén khí trong quá trình nén, đẩy khí thải ra khỏi xy lanh trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp

2 3

1

4 5

Nhóm thanh truyền bao gồm: thanh truyền, bulông thanh truyền và bạc.

-Thanh truyền là chi tiết dùng để nối pittông với trục khuỷu Nó có tác dụng truyền lực tác dụng trên pittông xuống trục khuỷu để làm quay trục khuỷu.Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu tác dụng của lực khí thể trong xy lanh, lực quán tính của thanh truyền, lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm pittông

- Đầu nhỏ thanh truyền (đầu lắp với chốt pittông) bị biến dạng dưới tác dụng của lực quán tính chuyển động tịnh tiến(không kể lực quán tính do khối lượng đầu nhỏ gây ra ) Đầu to thanh truyền (đầu lắp với chốt khuỷa ) chịu tác dụng của lực quán tính của nhóm pitttông và thanh truyền Thân thanh truyền chịu nén dưới tác dụng của lực khí thể và chịu uốn trong mặc phẳng lắc của thanh truyền dưới tác dụng của lực quán tính

- Khi động cơ làm việc , lực khí thể và lực quán tính thay đổi theo chu kỳ về trị sồ và hướng.Do đó tải trọng tác dụng trên thanh truyền là tải trọng thay đổi và

6 7

1 2

Ø29

Ø59

Hình 2 – 6 Kết cấu thanh truyền động cơ 490ZL

1-Lỗ hứng dầu; 2-Đầu nhỏ; 3-Rãnh dầu; 4-Bulông thanh truyền;

5-Bạc lót đầu to; 6-Đầu to;7-Thân thanh truyền.

2.2.1.3 Trục khuỷu

Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất Nó tiếp nhận lực tác dụng trên pittông truyền qua thanh truyền và biến chuyển động tịnh tiến của pittông thành chuyển động quay của trục để đưa công suất ra ngoài Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể và lực quán tính Những lực này có trị số rất lớn và thay đổi theo chu kì nhất định nên có tính chất va đập mạnh, gây ra ứng suất uốn và xoắn trục đồng thời còn gây ra hiện tượng dao động dọc và dao động xoắn làm rung động cơ, gây mất cân bằng Để đảm bảo cân bằng cho động cơ trong quá trình làm việc người ta bố trí hai trục cân bằng

Kết cấu trục khuỷu gồm các phần: đầu trục khuỷu, cổ trục khuỷu, chốt khuỷu,

má khuỷu và đuôi trục khuỷu

Trục khuỷu của động cơ 490ZL được đúc liền thành một khối bằng thép hợp kim, bao gồm 5 cổ khuỷu và 4 chốt khuỷu bên trong trục khuỷu có khoang các đường dầu để bôi trơn các bề mặt ma sát như chốt khuỷu, má khuỷu đầu trục khuỷu có hai rảnh then để lắp bánh răng dẩn động bơm cao áp, puly dẩn động bơm nước và máy phát Bánh đà được lắp ở đui trục khuỷu bằng các bulông

Hình 7-2 Kết cấu trục khuỷu động cơ 490ZL

1-Đầu trục khuỷu; 2-Cổ trục;3-Đường dầu bôi trơn; 4-Chốt khuỷa;

5-Má khuỷa ;6-Đuôi trục khuỷu.

2.2.1.4 Cơ cấu phân phối khí

Cơ cấu phân phối khí dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí: thải sạch khí thải ra khỏi xy lanh và nạp đầy khí hỗn hợp hoặc không khí mới vào xy lanh để động cơ làm việc được liên tục Cơ cấu phân phối khí cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đóng mở đúng thời gian quy định;

- Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông;

- Khi đóng phải đóng kín, xu pap thải không tự mở trong quá trình nạp;

- Ít mòn, tiếng kêu bé;

- Dễ điều chỉnh và sửa chữa

Động cơ 490ZL có cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo Cách bố trí này tạo cho buồng cháy có kích thước nhỏ gọn, giảm được tổn thất nhiệt, giảm sức cản khí động, tạo điều kiện thận lợi cho việc thải sạch và nạp đầy Động cơ sử dụng 8 xupáp, gồm 4 xupáp thải và 4 xupáp nạp, xupáp được bố trí hợp lý làm tăng tiết diện lưu thông của dòng khí Tuy nhiên nó vẫn tồn tại một số nhược điểm là việc dẫn động xupáp phức tạp và làm tăng chiều cao động cơ, kết cấu nắp xy lanh phức tạp hơn và rất khó đúc

Trên mỗi xy lanh được bố trí một xupáp nạp và một xupáp thải Xupáp nạp được bố trí về một phía Đường thải và đường nạp được bố trí về hai phía để giảm sự sấy nóng khí nạp, do đó nâng cao hệ số nạp

Trục cam được dẫn động bởi trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng Xupap được dẫn động gián tiếp qua con đội, đũa đẩy và đòn bẩy

Hình 2-8 Cơ cấu phân phối khí của động cơ 490ZL

2.2.2 Đặc điểm các hệ thống trên động cơ 490ZL

2.2.2.1 Hệ thống làm mát

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy, như: pittông, xécmăng, xupap, nắp xy lanh, thành xy lanh chiếm khoảng 25÷35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy toả ra Vì vậy các chi tiết đó thường bị đốt nóng, nhiệt độ của chúng rất cao, gây ra những hậu quả xấu, như: làm giảm độ bền, tuổi thọ của chi tiết máy, giảm độ nhớt dầu bôi trơn, tăng tổn thất do ma sát Hệ thống

làm mát có nhiệm vụ thực hiện quá trình truyền nhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy rồi truyền đến môi chất làm mát để đảm bảo nhiệt độ làm việc của động cơ.

Động cơ 490ZL có hệ thống làm mát bằng nước, tuần hoàn cưỡng bức, gồm: két nước, áo nước, bơm nước, van hằng nhiệt, quạt gió, nắp máy và các đường ống dẫn

Bơm nước kiểu ly tâm được dẫn động bằng dây đai từ trục khuỷu

Két làm mát lắp trên phía đầu xe Két làm mát có đường nước vào từ van hằng nhiệt và có đường nước ra đến bơm, trên két nước có các dàn ống dẫn nước gắn cánh tản nhiệt

5 6 7

8

Hình 2 – 9 Sơ đồ hệ thống làm mát của động cơ 490ZL

1- Van hằng nhiệt ; 2,4- Ống dẫn hơi nước 3-Bơm nước;

5-Ống phân phối hơi nước; 6- Van xả nước; 7-Quạt gió; 8-Két làm mát

Nguyên lý hoạt động: Nước từ bình chứa nước, qua két làm mát, được dẫn vào bơm nước, đi vào làm mát động cơ Trong thời gian chạy ấm máy, nhiệt độ động cơ nhỏ

mà đi thẳng đến bơm nước rồi đi vào động cơ Khi nhiệt độ động cơ lớn hơn nhiệt độ làm việc của van hằng nhiệt thì van sẽ mở ra và cho nước từ động cơ qua két làm mát rồi đến bơm Như vậy nước sẽ được tuần hoàn cưỡng bức trong quá trình làm việc của động cơ

2.2.2.2 Hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu đến bôi trơn các bề mặt ma sát, làm giảm tổn thất ma sát, làm mát ổ trục, tẩy rửa các bề mặt ma sát

Hệ thống bôi trơn gồm có: bơm dầu loại bánh răng, lọc dầu, cácte, đường ống dẫn dầu, két làm mát dầu và van an toàn.

Hệ thống bôi trơn động cơ 490ZL kiểu cưỡng bức cácte ướt và vung toé, dùng

để đưa dầu đi bôi trơn các bề mặt ma sát và làm mát các chi tiết

12

3

91011

Hình 2 – 10 Sơ đồ khối hệ thống bôi trơ

1-Cát te; 2-Bơm dầu; 3-Bình lọc dầu thô; 4-Đồng hồ đo áp suất dầu;

5-Đũa đẩy; 6-Giàn cò mổ; 7-Xupap ; 8- Trục cam;

9- Bình lọc dầu tinh;10-Đường dầu chính ; 11-Trục khuỷa

Để bôi trơn bề mặt làm việc giữa mặt cam và cò mổ, trong thân trục cam có khoan một đường ống dầu và từ đường dầu này sẽ có các đường dầu nhỏ để bôi trơn từng từng mặt cam như trên hình vẽ.

Hình 2-11 Trục cam và cách bố trí đường dầu bôi trơn

1-Bạc ; 2- Đường dầu; 3- Bulông; 4- Cam; 5- Cổ trục.

Ngoài ra, động cơ 490ZL có sử dụng tubin tăng áp, nên trên đường dầu chính của hệ thống bôi trơn có đường dầu đến bộ tuabin để bôi trơn ổ trục tuabin

2.2.2.3 Hệ thống nhiên liệu

Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel có nhiệm vụ chính sau:

Chứa nhiên liệu dự trữ đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian quy định

Lọc sạch nước và tạp chất bẩn trong nhiên liệu

Lượng nhiên liệu cấp cho mỗi chu trình phù hợp với chế độ làm việc của động cơ

Cung cấp nhiên liệu vào xy lanh đúng thời điểm theo quy luật đã định

Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào xy lanh theo trình tự làm việc của động cơ

12

Hình 2 – 12 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ 490ZL

1-Bu lông xả khí; 2-Bầu lọc nhiên liệu; 3,5,6,11-Ống dẫn nhiên liệu;

4-Vòi phun;7-Van tràn; 8-Bơm cao áp; 9- Bơm chuyển;

12-Thùng chứa nhiên liệu ;13- Bu lông xả nước

Nguyên lý làm việc : Bơm chuyển nhiên liệu 9 hút nhiên liệu từ thùng chứa 12 , sau đó đẩy tới bầu lọc tinh 2 Tại bầu lọc tinh nhiên liệu được lọc sạch tạp chất , sau đó nhiên liệu theo đường ống 3 tới bơm cao áp 8 Bơm cao áp tạo cho nhiên liệu một áp suất đủ lớn theo đường ống cao áp 6 đến vòi 4 cung cấp cho xi lanh động cơ, nhiên liệu rò qua khe hở trong kim phun xả trong các tổ bơm cao áp theo đường ống dẫn 5

và 11 trở về thùng chứa Nhiên liệu đi vào trong xi lanh bơm cao áp không được lẫn không khí vì không khí sẽ làm cho hệ số nạp của các tổ bơm không ổn định thậm chí

có thể làm gián đoạn quá trình cấp nhiên liệu

3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG TĂNG ÁP

3.1 Định nghĩa tăng áp

- Tăng áp là biện pháp làm tăng áp suất không khí nạp, qua đó làm tăng mật độ không khí và lượng nhiên liệu nạp vào xy lanh động cơ trong mỗi chu trình, do đó công suất động cơ sẽ được tăng lên

3.2 Mục đích của tăng áp

Tăng áp làm cho công suất động cơ diesel tăng lên, đồng thời cho phép cải thiện một

số chỉ tiêu:

- Giảm thể tích toăn bộ của ĐCĐT ứng với một đơn vị công suất;

- Giảm trọng lượng riíng của toăn bộ động cơ ứng với một đơn vị công suất;

- Giảm gía thănh sản xuất ứng với một đơn vị công suất;

- Hiệu suất của động cơ tăng đặc biệt lă khi tăng âp tuabin khí, do đó suất tiíu hao nhiín liệu giảm;

- Có thể lăm giảm lượng khí thải độc hại;

- Giảm độ ồn của động cơ

3.3 Phđn loại tăng âp

Dựa văo nguồn năng lượng để nĩn không khí trước khi đưa văo động cơ, người

ta chia tăng âp cho động cơ thănh hai nhóm: Tăng âp có mây nĩn vă tăng âp không có mây nĩn, theo sơ đồ sau:

TỐC ĐỘ

DAO ĐỘNG VÀ CỘNG HƯỞNG

KHÔNG CÓ MÁY NÉN

SÓNG ÁP SUẤT

TĂNG ÁP

DẪN ĐỘNG HỖN HỢP

CÓ MÁY NÉN

DẪN ĐỘNG TUABIN KHÍ

CHỈ LIÊN HỆ KHÍ THỂ

CÓ LIÊN HỆ THỦY LỰC

MẮC SONG SONG

MẮC NỐI TIẾP

Hình 3 -1 Sơ đồ phđn loaị vă câc phương phâp tăng âp trín động cơ đốt trong

3.3.1 Biện phâp tăng âp nhờ mây nĩn

3.3.1.1 Tăng âp cơ giới

3 1

5

4

Hình 3 - 2 Sơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí

1-Động cơ đốt trong; 2-Bánh răng truyền động;

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

Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp cơ khí có thể là máy nén kiểu piston, quạt root, trục xoắn, quạt li tâm, hoặc quạt hướng trục, được dẫn động

từ trục khuỷu của động cơ

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

Ne = Ni - Nm - NkTrong đó:

Ni: Công suất chỉ thị

Công suất dẫn động máy nén chỉ phụ thuộc vào số vòng quay của nó, vì vậy nếu động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ thì số phần trăm công suất tổn thất cho việc dẫn động máy nén tăng lên, làm giảm mạnh hiệu suất tổng của động cơ đốt trong

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

Với phương pháp tăng áp cơ giới, chất lượng khởi động và tăng tốc động cơ tốt,

vì lượng không khí cấp cho động cơ trong một chu trình phụ thuộc vào tốc độ trục khuỷu mà không phụ thuộc vào nhiệt độ khí thải Tuy nhiên, đối với tăng áp cơ giới, năng lượng tiêu hao để dẫn động máy nén tăng lên, nên làm giảm hiệu suất, làm giảm tính kinh tế của động cơ

3.3.1.2 Động cơ tăng áp bằng tuabin khí

Tăng áp bằng tuabin khí: là biện pháp tăng áp mà máy nén được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí thải của động cơ đốt trong

Khí xả của ĐCĐT có nhiệt độ và áp suất cao, nên nhiệt năng của nó tương đối lớn Muốn khí thải sinh công, nó phải được giãn nở trong một thiết bị để tạo ra công

cơ học Nếu để nó giãn nở trong xi lanh của ĐCĐT thì dung tích của xilanh sẽ rất lớn, làm cho kích thước của ĐCĐT quá lớn, nặng nề Điều này mặc dù làm tăng hiệu suất nhiệt nhưng tính hiệu quả được đánh giá bằng giá trị áp suất trung bình sẽ rất nhỏ Để tận dụng tốt năng lượng khí xả, người ta cho nó giãn nở đến áp suất môi trường và sinh công trong các cánh của tua bin (TB)

a) Tăng áp bằng tuabin khí có liên hệ cơ khí

Trong phương án này, trục tuabin, động cơ đốt trong và máy nén được nối liền nhau Kết cấu này bao gồm máy nén hướng trục nhiều cấp, động cơ diesel 4 kỳ và tuabin hướng trục nhiều cấp được nối đồng trục Áp suất của khí nạp vào xi lanh động

- Công xả của khí xả ĐCĐT tăng lên quá cao;

- Khí sót trong xilanh rất lớn làm cho lượng khí mới nạp vào xilanh giảm

b) Tăng áp bằng tuabin khí liên hệ khí thể

Theo phương án này, tuabin và máy nén được nối đồng trục với nhau Khí xả được giãn nở trong cánh tuabin sẽ làm tuabin quay và dẫn động máy nén, nén không khí tới áp suất tăng áp và đưa vào động cơ Phương án này cho phép tận dụng tối đa năng lượng khí thải, tạo ra hiệu suất cao cho động cơ

3

Hình 3 - 3 Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng tuabin khí chỉ liên hệ khí thể

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

c) Tăng áp bằng tuabin khí có liên hệ thuỷ lực

c)

Hình 3 - 4 Tăng áp tuabin khí có liên hệ thuỷ lực

1-Động cơ; 2-Khớp thuỷ lực; 3,4-Cụm tuabin-máy nén dẫn động khí thể;5-TB

tận dụng; 6-Hộp số; 7-Máy phát điện; 8-Hộp tốc độ

a) Cơ cấu nối có liên hệ thuỷ lực;

b) Cơ cấu nốicó liên hệ thuỷ lực và tua bin tận dụng năng lượng khí xả;

c) Cơ cấu nối qua hộp số có tuabin tận dụng năng lượng khí xả dẫn động máy phát điện

Các phương án kết nối giữa động cơ đốt trong và cụm tuabin - máy nén cũng

rất phong phú Hình 3 - 4 trình bày các phương pháp kết nối này Trong đó, hình 3 - 4

a là cách ghép nối thông dụng nhất, nó cho phép điều chỉnh chế độ tăng áp theo chế độ làm việc của động cơ đốt trong Ngoài ra, còn có các phương pháp kết nối khác nhằm tận dụng năng lượng khí xả, như hình 3 - 4 b,c

3.3.1.3 Tăng áp hỗn hợp

Trong tăng áp hỗn hợp, người ta sử dụng hai hệ thống máy nén khác nhau, một được dẫn động bằng tuabin khí và một được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ

Tuỳ thuộc vào vị trí của máy nén người ta có hai dạng ghép nối: Lắp nối tiếp và lắp song song

Po,To 1

3 2

4 5

6 Po,To

c)

Hình 3 - 5 Sơ đồ nguyên lý phương án tăng áp hỗn hợp cho động cơ

a- Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp thuận.

b- Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp nghịch.

c- Tăng áp hỗn hợp 2 tầng lắp song song.

1-Động cơ; 2-Tuabin; 3-Máy nén; 4-Máy nén dẫn động cơ khí; 5-Khớp nối 6-Thiết bị

làm mát trong sơ đồ a, b và bình nạp chung trong sơ đồ (c)

Trong các phương án lắp ghép này máy nén dẫn động cơ khí có thể sử dụng máy nén ly tâm, hướng trục, trục vít, quạt Root hoạt động hoàn toàn độc lập với máy nén dẫn động bởi tuabin khí

1

3 2

4

2 3

1

Po,To Po,To

b) a)

Đối với phương án lắp thuận: Máy nén dẫn động cơ khí đứng sau máy nén dẫn động bằng tuabin khí Khí tăng áp được máy nén dẫn động bằng tuabin khí hút từ môi trường, sau đó dẫn tới máy nén dẫn động cơ khí và đi vào ĐCĐT Lưu lượng khí nạp phụ thuộc vào lưu lượng qua cụm tuabin-máy nén.

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

Trong động cơ tăng áp hỗn hợp lắp song song người ta dùng một máy nén dẫn động cơ giới hoặc dùng không gian bên dưới của xi lanh làm máy nén (trường hợp động cơ có guốc trượt) cung cấp không khí cho động cơ, song song với bộ "máy nén tuốc bin khí"quay tự do Như vậy, mỗi máy nén trong hệ thống chỉ cần cung cấp một phần không khí nén vào bình chứa chung

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

3.3.2 Biện pháp tăng áp không có máy nén

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

3.3.2.1 Tăng áp dao động và cộng hưởng

Người ta sử dụng sự dao động của dòng khí và tính cộng hưởng của dao động

để tăng áp suất của môi chất trong xi lanh lúc đóng xupap nạp.Quá trình đóng và mở một cách có chu kì của các xupap kích thích sự dao động của dòng khí Sự dao động của áp suất tại mỗi vị trí trên đường chuyển động của khí thay đổi theo thời gian , sự thay đổi phụ thuộc vào pha và tần số của ĐCĐT cũng như thời gian đóng mở của xupap Do vậy , sự dao động này có thể làm tăng hoặc giảm lượng môi chất nạp vào xilanh theo pha và tần số của ĐCĐT

Theo phương pháp tăng áp này, công nạp của piston được chuyển hóa thành năng lượng động lực học của cột khí và chính năng lượng này sẽ chuyển hóa thành công nén làm tăng áp suất trong xi lanh cuối quá trình nạp

Hình 3 - 6 Sơ đồ hệ thống tăng áp dao động và cộng hưởng

a-Tăng áp dao động: 1-Hộp phân phối; 2-Ống dao động; 3-Xilanh

b-Tăng áp cộng hưởng: 1-Bình ổn áp; 2-Ống cộng hưởng; 3-Xi lanh;4-Bình cộng hưởng

a) Tăng áp dao động:

Quá trình diễn biến của áp suất trên đường ống trong quá trình nạp, thải nếu xem xét theo lý thuyết truyền sóng thì đó là quá trình dịch chuyển của sóng nén và sóng giãn nở Do có sự dao động của áp suất trên đường nạp, thải của động cơ mà ở đó xuất hiện quá trình truyền sóng (sóng áp suất và sóng tốc độ) Ở trạng thái tĩnh, tốc độ truyền sóng a được xác định như sau:

Trong đó: k-Chỉ số nén đoạn nhiệt; R- Hằng số chất khí; T-Nhiệt độ tuyệt đối

Sự biến thiên của áp suất và tốc độ phụ thuộc vào thời gian và vị trí, theo quan hệ:

) ; V= ƒ(x, t)

Sóng áp suất và sóng tốc độ cùng xuất hiện và cùng được truyền với tốc độ truyền sóng a Nếu tốc độ của các phần tử chuyển động cùng chiều với tốc độ truyền sóng và khi sóng truyền tới sẽ làm tăng áp suất thì sóng đó là sóng đó là sóng nén.Nếu chiều truyền sóng ngược lại với chiều của các phần tử chuyển động , khi sóng truyền tới sẽ làm giảm áp suất , sóng đó là sóng giãn nở

Sự dao động của áp suất môi chất trong đường ống nạp thực tế không phải do một sóng đơn giản tạo ra mà do hai họ sóng truyền theo chiều ngược nhau, nó là kết quả của việc tương giao và hợp thành của sóng phát sinh ở đầu này tạo nên sóng phản

xạ ở đầu kia.Sóng khí thể cũng vậy, luôn tồn tại tính chồng chất và thường xuyên gặp nhau Khi gặp nhau, biên độ sóng bằng tổng biên độ của hai sóng.Sau khi xuyên qua,

T R k

a=

),(x t f

tính chất và biên độ của sóng không thay đổi, sóng nén vẫn là sóng nén và sóng giãn

nở vẫn là sóng giãn nở

Sóng áp dương Sóng áp âm Sóng áp dương Sóng áp âm

a) b) c)

Hình 3 - 7 Tương giao của sóng

a-Tương giao của sóng dương, b-Tương giao của sóng âm

c-Tương giao của sóng dương và sóng âm.

Khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD) tạo ra trong xilanh sự giảm áp suất Do áp suất trong xilanh nhỏ hơn áp suất trên đường nạp, nên xuất hiện sự giãn nở trong ống nạp từ xi lanh ra đến đầu hở của ống có

ngoài vào xilanh, đây chính là sóng nén (sóng áp dương).Nếu sóng nén truyền tới xupap mà xupap chưa đóng, sẽ làm tăng áp suất ở khu vực trước xupap và làm tăng hệ

số nạp Sau khi xupap nạp đã đóng, sóng áp suất còn lưu lại vẫn truyền qua truyền lại trong ống

Để đạt được lượng nạp cực đại trong phạm vi số vòng quay nhất định của ĐCĐT, người ta có thể sử dụng các van để thay đổi có cấp chiều dài của đường ống nạp

1

3 2

Hình 3 - 8 Nguyên lý của đường ống nạp có chiều dài thay đổi vô cấp

1-Động cơ; 2-ống nạp hình xuyến; 3-Mặt ngoài cố định; 4-Mặt tang trống;

5-Cửa trên mặt tang trống; 6-Tấm dẫn hướng.

b) Hệ thống tăng áp cộng hưởng

Trong hệ thống này, ống nạp của động cơ là tổ hợp của các bình và ống có khả năng gây ra dao động dòng khí nạp.Việc thiết kế các kích thước và bố trí sao cho quá trình lưu động có tính chu kỳ của dòng khí nạp vào các xi lanh phù hợp với tần số dao động của bình và ống

Hiện nay, việc tăng áp cho động cơ bằng phương pháp cộng hưởng chưa được phổ biến vì kết cấu đường ống nạp phức tạp, giá thành cao, chỉ được sử dụng trên động cơ đời mới

3.3.2.2.Tăng áp trao đổi sóng áp suất

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2

Hình 3 – 9 Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng sóng khí

1-Không khí thấp áp; 2-Dây đai; 3-Không khí cao áp; 4-Động cơ;

5-Khí thải cao áp; 6-Khí thải thấp áp; 7-Rôto.

Thiết bị là Roto với các rãnh hướng kính nằm dọc trục, các van C, D, và G, F nằm ở đầu nạp và đầu xả là hai mặt bích có bố trí đường dẫn vào và ra Roto được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ Để đảm bảo hệ thống làm việc được cân đối người ta

bố trí 2 ống vào và 2 ống ra trên Stato Như vậy có 2 chu trình xảy ra đồng thời trong một vòng quay của Roto

Trong phương án này, sử dụng năng lượng động học của khí xả để nén khí nạp

Sự tăng hay giảm của áp suất được truyền với cùng tốc độ của các xung nén hình thành từ phía có áp suất cao lên phía có áp suất thấp Dòng khối lượng và xung của sóng áp suất tác dụng trực tiếp lên phía có áp suất thấp chuyển động với tốc độ âm

thanh trong môi trường xem xét Trong lúc đó, dòng năng lượng lại chuyển động với tốc độ chậm hơn, nhờ vậy mà tránh được hiện tượng trộn lẫn giữa khí xả và khí mới

Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn ở hình 3 - 10 Ở đây sóng nén hoặc giãn nở của khí thải được sử dụng để truyền trực tiếp năng lượng lên khí nạp Van C, D được bố trí ở một đầu ống để điều khiển sự lưu thông của khí nạp Trong khí đó các van G, F được lắp ở đầu ngược lại để điều khiển sự lưu thông của khí xả.Van C, G dùng để điều khiển phía có áp suất cao của chu trình Van D , F được thông với môi trường xung quanh

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

Hình 3-10 là sơ đồ khai triển lớp cắt quanh chu vi tại bán kính trung bình của rôto và stato lên mặt phẳng, trên đó chỉ phương hướng lưu động của khí thải và không khí Tốc độ tiếp tuyến của rôto tại bán kính trung bình được thay bằng tốc độ dịch chuyển của các rãnh thông từ dưới lên trên

G

2 III IV

Hình 3 – 10 Sơ đồ khai triển thể hiện quá trình truyền

sóng áp suất trong bộ tăng áp bằng sóng khí đơn giản

A- Bình góp khí xả; B- Bình góp không khí nén.

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

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

khí thải vào khí mới Kết thúc giai đoạn này thì phần lớn năng lượng khí xả được truyền cho khí nạp

Khi C đóng thì G đóng, còn F mở ra Lúc này sóng giãn nở hình thành, khí thải chứa trong ống dẫn thải hết ra ngoài theo van F Do sự giãn nở của khí trong ống xả (rảnh dọc trục của roto) làm cho áp suất ở đây nhỏ hơn áp suất khí trời và van D mở

ra, không khí đi vào ống van F đóng lại, van D đóng kết thúc chu kỳ làm việc của hệ thống

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

 Nhược điểm của loại này là thiết bị cồng kềnh, chiếm không gian lớn, trục

của rôto thấp nên chưa được sử dụng rộng rãi

3.3.2.3 Tăng áp tốc độ

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

Hiện nay, phương án này ít được sử dụng nên chỉ giới thiệu sơ lược như trên.3.3.2.4 Tăng áp cao

Để đạt được tăng áp cao và tránh được một số hạn chế do tăng áp gây ra, người

ta thực hiện các phương pháp tăng áp sau:

Về mức độ tăng áp: Hệ thống tăng áp có máy nén có khả năng tăng công suất lít

và công suất trên một đơn vị diện tích đỉnh piston lớn hơn nhiều so với hệ thống tăng

áp không có máy nén Vì thế các động cơ diesel cỡ lớn đều dùng tăng áp có máy nén Ngược lại, hệ thống tăng áp không có máy nén có ưu điểm nổi bật là khi tốc độ động

cơ càng thấp thì áp suất tăng áp càng cao nhờ đó động cơ sẽ có mômen lớn tại tốc độ thấp, điều này rất thích hợp với điều kiện làm việc của động cơ ô tô

3.4 Tăng áp cho động cơ diesel

3.4.1 Tăng áp cho động cơ diesel bốn kỳ

Tăng áp bằng tuabin khí xả đầu tiên được sử dụng cho động cơ 4 kỳ Đối với động cơ diesel, vì để đáp ứng được nhu cầu về nâng cao công suất cho động cơ nên

hầu hết trên các động cơ diesel cỡ lớn của tàu thủy, động cơ diesel trên đầu máy xe lửa

và diesel phát điện đều dùng hệ thống tăng áp Nhằm giải quyết vấn đề nạp khí ở các chế độ khởi động và tải nhỏ, đảm bảo độ chênh áp suất đủ để nạp khí vào xilanh ở các chế độ đối với động cơ 4 kỳ đơn giản hơn động cơ 2 kỳ nhờ có hành trình thải và tiêu thụ không khí quét ít Nói chung sơ đồ nguyên lý tăng áp của các động cơ 4 kỳ giống nhau, chỉ khác nhau một ít về kết cấu đường ống xả và có hoặc không có bầu làm mát không khí tăng áp

Để chuyển động cơ 4 kỳ sang tăng áp bằng tuabin khí xả không chỉ đơn giản đặt lên động cơ cụm tuabin máy nén và nối đường ống dẫn của nó với bình chứa không khí tăng áp và ống góp khí xả Động cơ 4 kỳ tăng áp tuabin khí xả khác với động cơ không tăng áp

20 40 60

Px

Ps

20 40 60

Hình 3 - 11 Sự thay đổi các thông số tăng áp động cơ diesel 4 kỳ theo tải

P x , t x - Áp suất, nhiệt độ khí xả; P s - Áp suất không khí nạp

a) Tại thời điểm này không diễn ra quá trình quét Khi tiếp tục giảm tải, áp suất tăng

áp bé hơn áp suất khí sau xupap xả, nên xảy ra hiện tượng dồn ngược khí xả vào xilanh và đường ống nạp không khí tăng áp

Dẫn khí xả tới tuabin theo đường ống xả riêng Trong trường hợp nối các ống

xả của tất cả các xilanh với 1 đường ống xả chính thì khi áp suất tăng áp thấp (dưới

xả vào các xilanh Nối các ống xả của các xilanh với các đường ống riêng sẽ ngăn

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

3.4.2.Tăng áp cho động cơ diesel hai kỳ

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

Tính đặc biệt của tăng áp động cơ hai kỳ:

Các tính đặc biệt sau đây của động cơ 2 kỳ gây khó khăn cho việc sử dụng tăng

áp tuabin khí xả hay hạn chế việc tăng công suất tăng áp động cơ

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

động cơ 4 kỳ, nhờ có hành trình xả và nạp đảm bảo xả được hầu hết sản vật cháy ra khỏi xilanh và nạp vào xilanh đủ khối lượng không khí ở các chế độ làm việc bất kỳ Đối với động cơ 2 kì, nếu ở 1 chế độ làm việc nào đó áp suất tăng áp thấp hơn áp suất khí trong đường ống xả thì chu trình công tác không thể thực hiện được khả năng quét

và không nạp vào xilanh đủ lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu Để đảm bảo quét và nạp không khí vào xilanh, áp suất tăng áp cần phải cao hơn áp suất khí trong trường hợp ống xả ở tất cả các chế độ tải, do vậy tiêu tốn công suất bổ sung để nén không khí đến áp suất cao

- Để đảm bảo chất lượng thay đổi khí trong động cơ 2 kỳ, yêu cầu hệ số quét

lượng không khí do máy nén cấp và như vậy phải tăng công suất tiêu thụ cho máy nén

- So với động cơ 4 kỳ, khi áp suất chỉ thị trung bình bằng nhau, nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ thấp hơn Đối với động cơ 2 kỳ ở chế độ định mức, nhiệt độ khí xả

nhân giảm nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ là do lượng không khí quét lớn Giảm nhiệt độ khí xả là nguyên nhân giảm công suất tuabin

3.5 Tăng áp cho động cơ xăng và động cơ ga

3.5.1 Tăng áp cho động cơ xăng

Do đặc điểm của động cơ xăng là khí nạp vào động cơ là hỗn hợp xăng và không khí, mặt khác động cơ xăng dễ gây kích nổ nên việc tăng áp cho động cơ xăng gặp nhiều khó khăn Hiện nay động cơ xăng tăng áp thường chỉ dùng trong máy bay

tải trọng nhỏ, máy bay thể thao, trực thăng còn trên ô tô máy kéo ít sử dụng tăng áp vì công suất của loại động cơ này thường nhỏ 75÷220 KW Nếu lắp thêm cụm tuabin máy nén sẽ làm giảm tính năng tăng tốc của của động cơ.　

Tăng áp cho động cơ xăng dễ gây ra kích nổ vì sẽ làm tăng áp suất và nhiệt độ đầu và cuối quá trình nén Để tăng áp cho động cơ xăng mà không gây ra kích nổ người ta dùng các biện pháp như sau:

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

Thường người ta chỉ sử dụng động cơ xăng tăng áp trong những điều kiện đặc biệt : làm việc trên núi cao, động cơ luôn luôn chạy ở chế độ toàn tải

3.5.2 Tăng áp cho động cơ ga.

Gồm 2 phương án

Phương án 1: Máy nén đặt sau lò ga và ở trước bộ hỗn hợp

Ưu điểm: Giống ưu điểm động cơ xăng tăng áp, đặt máy nén trước BCHK

Nhược điểm: Bụi của khí ga đi vào máy nén làm cho máy nén chống hỏng Vì vậy, ta thường dùng máy nén ly tâm, không dùng máy nén ro to hay máy nén pittông Phương án 2: Máy nén đặt trước lò ga, giữ nhiệm vụ cung cấp cho cả lò ga và bộ hỗn hợp Trong trường hợp này, máy nén khí không tiếp xúc với bụi của khí ga nhưng phải đảm bảo cho toàn hệ thống lò ga và đường ống dẫn khí ga thật kín để tránh hoả hoạn

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

3.6 Đặc tính của tuabin-máy nén

3.6.1 Đặc tính của máy nén

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

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

kg Nm C

U C U m

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

cấp lý thuyết (bỏ qua ma sát, không có sự va đập và tách dòng giữa dòng chảy với cánh).(J/kg)

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

- Khi nhiệt độ không đổi, thể tích riêng tỷ lệ nghịch với áp suất;

- Nhiệt độ của chất khí thay đổi rất nhiều khi đi qua máy nén nên khối lượng riêng của nó cũng thay đổi theo

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

MN dùng để tăng áp cho ĐCĐT nên khối lượng khí nạp vào động cơ (hay lưu lượng đầu ra của MN) là đáng quan tâm nhất Đặc tính này biểu diễn mối quan hệ giữa

độ vòng quay của rôto không đổi

Thực tế MN ly tâm luôn có các tổn thất sau:

- Rò rỉ qua khe hở giữa rôto với vỏ;

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

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

Do đó đường biểu diễn đặc tính thực tế của MN là một đường cong Dựa vào đường cong này có thể dễ dàng nhận thấy rằng khi độ chênh áp suất trước và sau MN bằng

Trong thực tế, vùng làm việc của MN nằm trong giới hạn ổn định là vùng ứng với lưu

0,83

Vuìng båm

1,01,52,0

0,810,80

Hình 3 – 13 Đặc tính làm việc của máy nénHiệu suất MN cũng chính là tỉ số của độ chênh nhiệt độ khi nén đoạn nhiệt (đoạn nhiệt) với độ chênh nhiệt độ khi nén thực tế (thực tế) Để giảm sự nóng lên của khí tăng áp nhằm tăng khối lượng khí sau MN, cần phải bảo đảm cho MN làm việc ở khu vực hiệu suất nhiệt cao

Từ các đường đặc tính, ứng với tốc độ vòng quay khác nhau, còn cho thấy khi

số vòng quay càng lớn, tốc độ giảm áp suất càng nhanh khi lưu lượng tăng, hay nói cách khác khi ở số vòng quay càng nhỏ đặc tính càng phẳng

Từ các nhận xét trên cho thấy rằng, khi cần có tỉ số tăng áp cao, người ta cần sử dụng hai MN ghép nối tiếp với nhau

3.6.2 Đặc tính của tuabin

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

- Nếu áp suất đầu vào không đổi, lưu lượng khối lượng tăng khi nhiệt độ giảm;

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

áp suất;

- Tốc độ của TB là hàm số của tốc độ chuyển động theo (tốc độ tiếp tuyến của dòng khí)

lượng thể tích giảm và do đó áp suất của khí xả giảm làm cho tỉ số giãn nở cũng giảm theo Trong trường hợp đó, các điểm làm việc của TB sẽ là A,B,C,D

Khác với MN, đối với TB không tồn tại vùng làm việc không ổn định, vì trong tuabin áp suất giảm dần theo phương chuyển động của dòng khí nên sự tách dòng không thể xuất hiện.

1,5

δ T

2,5

Hình 3 - 14 Đặc tính của Tuabin

Trong các đại lượng trên, đại lượng quan trọng nhất là lưu lượng khối lượng của khí

Hình 3 - 15 Đặc tính của cụm tuabin – máy nén

4 KHẢO SÁT HỆ THỐNG TĂNG ÁP TRÊN ĐỘNG CƠ 490ZL

4.1 Hệ thống nạp, thải của động cơ 490ZL

Hệ thống nạp thải của động cơ 490ZL bao gồm : Bầu lọc không khí , bộ tuabin tăng áp , két làm mát không khí , đường ống nạp , đường ống thải

Hệ thống nạp , thải của động cơ 490ZL sử dụng năng lượng khí thải của động cơ

để dẫn động tua bin tăng áp

Không khí mới sau khi qua bầu lọc, được lọc sạch, được hút vào máy nén Lúc này nhiệt độ và áp suất khí nạp tăng lên, được dẫn qua bộ làm mát khí nạp, đi vào ống góp, rồi được phân phối vào các xy lanh theo thứ tự làm việc của động cơ

Động cơ 490ZL sử dụng bộ tuabin tăng áp nhằm tận dụng năng lượng khí thải của động cơ để nâng cao hiệu suất của động cơ Năng lượng khí thải được sử dụng để dẫn động cánh tuabin, cánh nén quay theo (nhờ được gắn đồng trục với tuabin) để nén vào

xy lanh

1

75

6

8

Hình 4 – 1 Sơ đồ hệ thống nạp thải

1- Bầu lọc không khí ; 2- Cánh máy nén ; 3- Cánh tuabin ; 4- Bình tiêu âm

5- Đường ống thải ; 6- Động cơ ; 7- Đường ống nạp ; 8- Bộ làm mát trung gian

4.2 Hệ thống nạp động cơ 490ZL

4.2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống nạp động cơ 490ZL

suất kể trên tạo nên quá trình nạp môi chất mới từ đường ống nạp vào xilanh

Quá trình nạp trong các xilanh động cơ được thực hiện khi piston đi từ ĐCT đến

phối khí kỳ nạp của động cơ 490ZL được biểu diễn trên hình 4-3

4.2.2 Đặc điểm kết cấu các bộ phận trong hệ thống nạp

Bầu lọc không khí: Động cơ 490ZL sử dụng loại bầu lọc bằng giấy (lọc khô) Không khí từ môi trường ngoài đi qua bầu lọc Những chất bẩn được giữ lại, không khí sạch đi vào máy nén được nén đến một áp suất cần thiết rồi được đưa vào xy lanh động cơ

Máy nén khí nạp: Bộ tuabin tăng áp động cơ 490ZL sử dụng máy nén ly tâm,

bánh công tác của máy nén được lắp đồng trục với bánh công tác của tuabin khí xả và được tuabin khí dẫn động

Đường ống nạp: Có ảnh hưởng rất lớn đến sức cản chuyển động của dòng khí

và ảnh hưởng đến hiệu quả tăng áp.Vì vậy đường ống nạp có hình dáng, kích thước, kết cấu phù hợp để trở lực của đường ống nhỏ nhất đảm bảo cho động cơ làm việc tốt, hiệu quả tăng áp cao

Xupap nạp: Trong hệ thống nạp của động cơ được bố trí hai xupap nạp trên một

xy lanh Tại nấm xupap nạp có mặt làm việc quan trọng là mặt côn Nó ảnh hưởng đến tiết diện lưu thông dòng không khí nạp và đồng thời việc chọn góc côn còn phải đảm bảo độ cứng vững của mặt nấm Vì vậy mặt nấm xu pap được chế tạo với góc α= 30° Tăng đường kính xupap nạp sẽ mở rộng được tiết diện lưu thông qua xupap, nhưng lại

bị hạn chế bởi vị trí và cấu tạo của xupap và kích thước của xilanh, kích thước của xupap nạp của động cơ 490ZL lớn hơn kích thước của xupap xả, vì trong biểu thức tính hệ số nạp thì ảnh hưởng của áp suất đầu kỳ nạp lớn hơn ảnh hưởng của áp suất

cuối kỳ thải.

4.3 Hệ thống thải động cơ 490ZL

4.3.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống thải động cơ 490ZL

Quá trình thải trong xilanh động cơ được thực hiện khi piston đi từ ĐCD lên ĐCT,

Hình 4 - 3 Sơ đồ pha phối khí kỳ thải

Thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh Piston chuyển dịch từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí thải từ xilanh qua xupáp thải đang mở vào ống thải Do áp suất môi chất trong xilanh cuối kỳ cháy giãn nở khá cao nên xupáp xả phải bắt đầu mở ở cuối kỳ

được lực cản đối với chuyển động của piston trong kỳ xả va cải thiện việc quét sạch khí thải ra khỏi xilanh động cơ.

4.3.2 Đặc điểm kết cấu các bộ phận trong hệ thống thải động cơ 490ZL

Xupap thải: Trong hệ thống thải, mặt nấm xupap thải chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn Mặt nấm xu pap luôn luôn chịu va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ biến dạng Do xupap trực tiếp tiếp xúc với khí cháy nên xupap chịu nhiệt độ rất cao Ngoài ra do trong khí cháy có tạo thành axit nên gây ra ăn mòn mặt nấm xupáp Vì vậy đòi hỏi vật liệu làm xupáp phải có độ bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống được

ăn mòn hóa học và hiện tượng xâm thực của khí thải ở nhiệt độ cao Để đảm bảo độ bền của xupáp và tiết diện lưu thông của dòng khí thải góc côn trên mặt nấm α=50°.Tuabin tăng áp hướng kính: Tận dụng năng lượng của khí xả để làm quay tuabin dẫn động máy nén ly tâm làm tăng lượng khí nạp cung cấp cho động cơ, nhờ vậy làm tăng được công suất có ích của động cơ và cải thiện tính kinh tế của động cơ

Bộ tiêu âm: Để hạn chế tiếng ồn của động cơ, bộ tiêu âm được lắp trên đường ra của tuabin khí, vì vậy gây thêm lực cản trên đường thải Động cơ sử dụng tuabin- máy nén tăng áp nhằm giảm thành phần độc hại trong khí xả, tăng công suất động cơ nhờ hoàn thiện được hệ thống nạp - thải, tức là hoàn thiện được chu trình làm việc của động cơ

Đường thải trong hệ thống phải thõa mãn các yêu cầu sau: Cấu tạo đường ống thải đơn giản, thống nhất không gây ra các đường ngoặt đột ngột không có chỗ thắt hoặc phình đột ngột, bán kính chuyển hướng của dòng chảy phải lớn, tìm mọi cách rút ngắn đường thải

- Mỗi nhóm đường ống thải tốt nhất cần tạ có khoảng cách góc bằng nhau.Tiết diện lưu thông của đường thải phải nhỏ lấy xấp xĩ bằng tiết diện lớn nhất của xupap thải và bằng thiết diện ống dẫn vào tua bin

- Đối với tua bin tăng áp cần đưa ống thải của xilanh vào tuabin theo thứ tự và với khoảng cách góc đều nhau để giảm tổn thất

4.4 Đặc điểm hệ thống tăng áp động cơ 490ZL

Động cơ 490ZL của Trung Quốc sản xuất là loại động cơ tăng áp dùng tuabin khí xả,

có bộ làm mát trung gian khí nạp Sơ đồ nguyên lý hệ thống tăng áp động cơ 490ZL được giới thiệu trên hình 4 - 2

Bộ tuabin khí: Tuabin tăng áp sử năng lượng khí xả để dẫn động tuabin, máy nén được gắn đồng trục với tuabin nên quay theo Không khí từ bầu lọc không khí qua

N/m2 vì thế tăng được lưu lượng khí nạp

Tuabin quay với tốc độ rất cao và bộ tăng áp gắn với họng xả động cơ nên nhiệt độ làm việc của tuabin rất cao Bộ tăng áp giúp động cơ đốt cháy nhiên liệu tốt hơn bằng cách nén thêm nhiên liệu vào xy lanh trong mỗi chu kì nổ .Do đó bộ tăng áp giúp động cơ tăng công suất khoảng 30%- 40%

thì nhiệt độ khí nạp cũng tăng đến nhiệt độ Tk >To với TO=298OK .Vì thế, mật độ khí lúc này sẽ giảm Sử dụng bộ làm mát trung gian để làm giảm nhiệt độ khí nạp đồng nghĩa với tăng mật độ khí nạp, cải thiện được hiệu quả nạp

ÔNG THAI

3 5

4

KHÄNG KHÊ

2

Hình 4 - 4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tăng áp động cơ 490ZL

1-Bầu lọc không khí; 2-Bộ làm mát trung gian; 3-Đường ống nạp;

4-Động cơ ;5-Đường ống thảií; 6-Cánh tuabin ; 7- Cánh máy nén.

Nguyên lí làm việc : Trong quá trình làm việc, giữa động cơ, tuabin và máy nén có sự liên hệ với nhau: khí thải ra khỏi động cơ dẫn vào làm quay tuabin, bánh công tác của tuabin được nối đồng trục với bánh công tác của máy nén nên bánh công tác của máy nén cũng quay theo, máy nén thực hiện quá trình hút không khí từ môi trường xung quanh qua bầu lọc, rồi đến cửa vào bánh công tác của máy nén nhờ độ chênh áp suất tại cửa vào, sau đó không khí đi vào bánh công tác, nhờ lực ly tâm và tiết diện thay đổi