Tăng áp sử dụng máy nén, công nghệ và ứng dụng

Với những ưu điểm nổi bật của mình như tăng công suất, tăng hiệu suất cháy, giảm khí thải động cơ tăng áp ngày càng được sử dụng phổ biến.

Mục lục

Lời nói đầu 2

Các chương: Chương I: Tổng quan 3

Chương II: Tương tác giữa động cơ và máy nén 4

2.1, Động cơ bốn kì và biểu đồ đặc tính máy nén 4

2.2, Tăng áp cơ khí 5

2.3, Tăng áp sử dụng tuabin khí thải 6

Chương III: Tăng áp cơ khí 12

Chương IV: Tăng áp dùng tua bin khí 14

4.1, Cấu tạo bộ tăng áp Turbocharger 15

4.2, Thiết kế tăng áp trên động cơ Mercedes Smart 15

Chương V: Công nghệ turbo tăng áp điều khiển cánh 16

4.1, Hiện tượng “ì turbo tăng áp” 17

4.2, Turbo tăng áp điều khiển cánh 18

Kết luận 20

Tài liệu tham khảo 20

Lời nói đầu

Với những ưu điểm nổi bật của mình như tăng công suất, tăng hiệu suất cháy, giảm khí thải động cơ tăng áp ngày càng được sử dụng phổ biến Kể từ khi Gottlieb nhận bằng phát minh sáng chế số DRP 34.926 về tăng áp cho động cơ đốt trong cưỡng bức năm 1885 cho đến nay tăng áp đã trả qua một qua trình phát triển lâu dài 06/03/1896 Rudolf Diesel nhận bằng phát minh sáng chế sô DRP 95.680 về tăng áp cho động cơ

tự bốc cháy Phát minh chỉ ra khả năng thực hiện nén nhiều cấp trong động cơ 1 xylanh bằng cách bố trí thêm một bơm nén trước đường nạp Tuy nhiên người đã thực

sự gắn liền tên tuổi của mình với tăng áp chính là kỹ sư người Thụy Sĩ Alfred Buchi Ngày 16/11/1905, Alfred Buchi nhận bằng phát minh sáng chế mang số DRP 204630

từ văn phòng phát minh Reich, Đức.Tuy kết cấu đầu tiên này của Alfred Buchi chưa được hoàn chỉnh nhưng cũng là nền móng cho những cải tiến sau này của ông Càng ngày công nghệ tăng áp càng phát triển, nhất là trong vòng 3 thập kỉ trở lại đây Kéo theo đó là hàng loạt những cải tiến trên các phương tiện vận tải

Công nghệ tăng áp động cơ đốt trong sử dụng máy nén là công nghệ tăng áp được

sử dụng rất phổ biến ngày nay Tăng áp dùng máy nén gồm 2 loại : tăng áp cơ khí (Mechanical Supercharging) và tăng áp tuabin khí (Exhaust Gas Turbocharging) Trong tăng áp cơ khí, máy nén được dẫn động từ trục khuỷu động cơ Còn trong tăng

áp tuabin khí máy nén được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí xả của động cơ đốt trong Với những kiến thức được các Thầy Cô ở Bộ môn truyền đạt và đọc thêm ở các tài liệu chuyên ngành em xin được trình bày các hiểu biết của em về công nghệ tăng áp sử dụng máy nén Tuy nhiên do thời gian làm tiểu luận rất ngắn, trình độ và kiến thức còn hạn chế nên bài tiểu luận không thể tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô trong Bộ môn để vốn kiến thức của em về tăng áp có thể hoàn thiện hơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Lê Anh Tuấn đã tạo điều kiện để em

có cơ hội trau dồi kiến thức của mình hơn Cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn Động

cơ đốt trong đã truyền thụ cho em những kiến thức rất lý thú và bổ ích trong thời gian qua

Hà Nội, Ngày 25 tháng 05 năm 2008

Sinh viên thực hiện

Phạm Minh Tuyến

Chương I : Tổng quan

Xe hơi hiện đại đòi hỏi những động cơ gọn nhẹ, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, công suất và mô-men xoắn lớn Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, tăng áp là giải pháp phổ biến hiện nay Đây là kỹ thuật nâng cao áp suất của hỗn hợp nhiên liệu khi đưa

vào buồng đốt Vào những năm 1970, chỉ tiêu công suất/lít trung bình của động cơ chỉ

đạt khoảng 60 mã lực/lít Kỹ thuật tăng áp tuy được biết đến từ lâu nhưng lại gặp những khó khăn không nhỏ khi phải đối mặt với vấn đề gia tăng áp suất, nhiệt độ của động cơ và hỗn hợp nhiên liệu Đó chính là lý do khiến hệ thống này ban đầu chỉ được thiết kế cho các cỗ máy lớn, tốc độ chậm hoặc với các mục đích đặc biệt như quân sự, hàng không Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vật liệu, cơ khí và điện tử, cơ cấu tăng áp đã có mặt trong nhiều lĩnh vực, trên nhiều chủng loại động cơ Đến năm

2000 chỉ số công suất/lít trung bình của động cơ đã đạt tới 121 mã lực/lít nhờ những

kỹ thuật tăng áp tiên tiến Không chỉ nâng cao hiệu suất và công suất động cơ, giải pháp này còn giúp cắt giảm đáng kể lượng khí thải độc hại với môi trường

So sánh hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng tăng áp và không tăng áp có cùng thông số kỹ thuật

tăng áp

Tăng áp

Xe chạy trong thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h

Xe chạy ngoài thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h (lít/

Như vậy tăng áp là bộ phận không thể thiếu trên các động cơ diesel hiện đại Trong giới hạn của bài tiểu luận này em chỉ xin trình bày một phần nhỏ của tăng áp sử dụng máy nén Đề tài em chọn là: “Tăng áp sử dụng máy nén, công nghệ và ứng dụng” Bài tiểu luận đề cập đến cơ sở lý thuyết của tăng áp sử dụng máy nén cũng như các ứng dụng của nó trong thực tế

Chương II : Tương tác giữa động cơ và máy nén

2.1, Động cơ bốn kì và biểu đồ đặc tính máy nén

Hình 1 biểu diễn đường đặc tính của một động cơ đốt trong 4 kì Nếu tốc

độ của động cơ n được giữ không đổi, thể tích dòng khí lưu động (nạp) V 1

chỉ tăng rất ít so với tốc độ tăng tỷ số tăng áp p 2 /p 1 Động cơ làm việc như một máy thủy lực thể tích, và lưu lượng khí qua nó tăng lên liên quan mật thiết đến sự tăng tốc độ động cơ

v(m /s)

P 2 /P 1

<

<

Without valve overtap With vavle avertap

Dislacement lines 4-stroke IC engine (=piston engine)

3

1

Khi tăng góc trùng điệp và giữ tốc độ động cơ không đổi, thể tích dòng khí

lưu động (nạp) V 1 tăng lên rõ rệt hơn cùng với tăng tỷ số tăng áp p 2 /p 1

Tăng áp thể tích

Một vài ví dụ về tăng áp thể tích như máy nén kiểu piston ( piston quay và piston tịnh tiến), bơm root, máy nén dạng quay

1 2

3

< n 2 < n3

1

v

L

p

1

n

Từ hình chúng ta thấy lưu lượng tăng cùng với tốc độ máy nén và giảm nhẹ so với tốc độ tăng áp suất Ở tốc độ

không đổi chúng ta được các điểm làm việc của động cơ 1, 2 hay 3 lấy theo các tỷ số tăng áp khác nhau

Máy nén ly tâm (hướng tâm)

Máy nén hướng tâm hoạt động theo nguyên lý ly tâm Sự tăng áp được tạo

ra bởi sự chênh lệch vận tốc góc giữa đầu vào và đầu ra trên cánh công tác

Động năng được chuyển hóa thành áp suất trong ống khuếch tán “Biểu đồ

đặ tính” máy nén ở hình 3 được giới hạn bới đường “giới hạn bơm” Bên trái của giới hạn bơm là vùng làm việc không ổn định của máy nén bắt đầu bằng

sự phá hủy dòng tại bên trong cánh máy nén và kết quả là áp suất rất

lớn biến thiên liên tục và dưới những điều kiện này chắc chắn sẽ có thể phá hủy máy nén

1

2

3 Pump limits

1

n

2

n

3

n

1

v

L

p

Đường tốc độ giảm nhẹ về bên phải giới hạn bơm, càng gần phía đường

dặc tính giới hạn chúng giảm càng chậm Tương úng với mức độ tăng áp ta

có được các điểm làm việc 1, ,2 hay 3 tại những tốt độ vòng quay xác định

2.2, Tăng áp cơ khí

Tăng áp thể tích dẫn động cơ khí bới động cơ 4 kỳ trên hình 4.

L

1/4n

m

1/ 4n

m

1/ 2n 3/ 4nL nm

m

3 / 4n

L

1/ 2n

L

p

1

v Với mỗi tỷ số truyền đưa ra, chúng ra có được một đường đặc tính làm việc 1-2-3-4 Bằng cách thay đổi tỷ số truyền chúng ta cũng thu được đường đặc tính làm việc 1’-2’-3’-4’ khi có mặt của tăng áp

Máy nén hướng tâm- dẫn động cơ khí từ động cơ 4 kỳ.

Như trên hình 5 lưu lượng và áp suất khí nạp tăng xấp xỉ với bình phương

mức độ tăng tốc độ Kết quả là đường cong áp suất-tốc độ trên hình 6

Full-load curve

Mechanically turbocharged with radial compressor

Naturally asprate engine me

p

M

n

2.3, Tăng áp dùng turbine khí thải

Trong suốt quá trình tăng áp sử dụng turbine khí thải, động cơ và turbine

liên hệ khí nhiệt động học Vận tốc riêng của turbine đuợc thiết lập dựa vào cân bằng năng lượng giữa máy nén và turbine Nếu chúng ta coi sự cân bằng năng lượng xảy ra trên trục cụm turbine máy nén, sự thay đổi vận tốc góc có thể tính toán như sau:

TL

d

dt

w

trong đó:

dωTL /dt = biến thiên tốc độ truyền

nhiệt cụm TB-MN

JTL = Momen quán tính cum TB-MN

P v = Năng lượng hấp thụ của máy nén

P T = Năng lượng cung cấp bởi turbine

Ở trạng thái tĩnh, vế trái của phương trình bằng 0

P V + P T = 0 (3.2)

m’ V + m’ B = m’ T (3.3)

trong đó:

m’ T = Khối lượng khí xả qua turbine

m’ V = Khối lương không khí qua máy nén

m’ B =Lượng nhiên liệu

và điểm làm việc nằm trên đường đặc tính động cơ Năng lượng cân bằng do vậy có thể phát triển xa hơn

sV mV

1

P = m h D

h h (3.4)

trong đó:

∆h sV = Biến thiên entanpy đoạn nhiệt trong máy nén.

η sV = Hiệu suất đoạn nhiệt máy nén

η mV = Hiệu suất cơ giới của máy nén

P T = m’ T  h sT η sT η mT (3.5)

Where:

∆h sT = Biến thiên entanpy đoạn nhiệt trong turbine

η mT = Hiệu suất cơ giới của turbine

1 1

K 1 K

sV 1 1

K 1 p

æ ö

(3.6)

R 1 = Hằng số chất khí vào máy nén

T 1 = Nhiệt độ không khí vào máy nén

K 1 = Hệ sô đoạn nhiệt không khí vào máy nén

p 1 = Áp suất môi chất vào máy nén

p 2 = Áp suất nạp

3 3

1

3 3

1

K K sT



(3.7)

R 3 = Hằng số khí vào turbine

T 3 = nhiệt độ môi chất vào turbine

K 3 = Hệ số đoạn nhiệt của khí xả vào turbine

p 3 = Áp suất khí thải

p 4 = Áp suất khí ra khỏi turbine

Hiệu suất tổng ηTL được xác định bao gồm tất cả các hiệu suất nạp:

.

      (3.8)

η sT = Hiệu suất đoạn nhiệt khí vào turbine

Kết hợp (3.3) vào (3.7) dùng cân bằng năng lương xác định  V tính toán như sau:

 V = p 2 /p 1

 V = Tỷ số tăng áp suất máy nén.

và với

K 1 = 1,4

phương trình chính của cụm TB-MN:

3 3

3,5

K 1 K 3

T



(3.9)

K 1 = hằng số [-]

η TL = hiệu suất tổng

Nếu ta thừa nhận m T /m V 1.03-1.07 , thì tỉ số áp suất máy nén là một hàm

của những nhân tố sau:

p  p ( ;  ; ) (3.10)

Áp suất khí nạp p 2 do vậy tăng theo mức độ tăng của nhiệt độ khí thải T 3 và

mức độ tăng áp suất trước turbine p 3 (khi sự biến thiên của hiệu suất tổng

theo hàm của T 3 và p 3 đã vẫn được bỏ qua)

Áp suất p 3 thu được với một turbine đã cho như một hàm của lưu lượng khối lượng và trạng thái của khí và có thể tính quy về piston như sau

m '  A  2.p  (3.11)

trong đó:

3

K 1 2

T

.



(3.12)

với:

A T red = Phần giá trị đương lượng qua turbine

ψ T = Hàm dòng

K 3 = Hệ số đoạn nhiệt khí xả

Nếu chúng ta coi turbine như một điểm tiết lưu (với p 3 đầu vào và p 4 đầu ra

của điểm tiết lưu), Chúng ta có được quan hệ sau:

2

2

n V m





(3.13)

ρ 2 = Mật độ môi chất ra khỏi turbine

ρ 3 = Mật độ môi chất vào turbine

v 3 = Vận tốc dòng khí qua turbine

A Tred = Phần giá trị đương lượng qua turbine

n M = Tốc độ động cơ

V H = Chuyển vị của piston

Khối lương lưu lượng m T qua turbine trong dấu xấp xỉ đầu tiên phụ thuộc

trạng thái khí ở bộ phận đầu vào (p 2 , T 2 ) phụ thuộc vào n M (đường đặc tính),

và mật độ môi chất 3 Lượng giảm của phần đi qua turbine A Tred đã được

thừa nhận coi là hằng số Mối liên hệ do đó hiện có:

(p , T , n ,T , A )

T 2 = Nhiệt độ môi chất ra khỏi máy nén

Ngược lại khi xét đến một động cơ với một cụm turbine máy nén dẫn động

cơ khí, và tỷ số truyền áp suất nạp không đổi, do vây, momen lớn nhất chỉ phụ thuộc vào vận tốc độ động cơ Có thể – như trên hình Eq (3.13) – làm

tăng áp suất ra của khí xả p 4 đi qua giảm nhanh hơn độ giảm giá trị đương lượng qua turbine A T red kết quả là biến thiên entanpy tai turbine tăng tốc độ khí ra khỏi cụm TB-MN tăng, do vậy , áp suât khí nạp cũng tăng theo

Các điểm làm việc cho giá trị đương lượng A T red về mặt cơ bản kết quả của

sự biến thiên entanpy đoạn nhiệt qua turbine và, do đó, cũng làm thay đổi áp suất nạp Sự tương tác nhiệt động lực học này giữa turbine và động cơ ngày nay đang là chủ đề được đem ra bàn bạc,chúng ta cùng nói về 3 ranh giới bằng 3 ví dụ sau

a, “Chế độ máy phát”

Trong chế độ máy phát tốc độ n M phải được giữ là hằng số nếu có thể được

khi xét đến yêu cầu cao nhất trong việc ổn định tần số góc của máy phát

me

p

m

n

Full-load curve

m

n = const

me

Generator operation

Đối với động cơ lắp máy nén dẫn động cơ khí, chúng ta giữ tại 1 điểm làm

việc, n M = const.

Working point during generator mode

M

n

L

n

L

p

1

v

Đối với động cơ tăng áp dùng turbine khí xả, sự thay đổi tải dẫn đến sự

thay đổi p 3 và T 3 và do đó thay đổi công suất turbine và áp suất khí nạp

Các điểm làm việc 1, 2 và 3 tất cả đều nằm trên đường đặc tính động cơ dựa trên tốc độ máy phát

1

v

L

p

1 2 3

TL

n = const

working curve during generator mode

Với một sự tăng tải (tăng lượng nhiên liệu phun) p 3 , T 3 và do đó năng lượng turbine tăng Tốc độ cụm TB-MN tăng,

tương tự với áp suất khí nạp và lưu

lượng khối lượng

b, Sự sụt giảm tốc độ P me = hằng số, n M = biến số

Full-load curve

m e

p = c o n s t

Propellor curve

m e

p

n Như mô tả trên Fig , áp suất trung bình dọc theo đường nằm ngang cho mọi tốc độ động cơ Kết quả thu được đường làm việc bằng phẳng (a) trên

biểu đồ đặc tính máy nén (Fig ), i.e khi tốc độ giảm xuống điểm làm việc

sẽ tiến dần đến giới hạn bơm ( Nguy hiểm!) Chế độ sụt giảm tốc độ cungx xuất hiện tương tự trong chế độ xe dọc theo đường toàn tải và là yêu cầu cao nhất trong tăng áp sử dụng turbine khí xả

c, Chế độ kéo chân vịt n M = biến số, p me ~ n 2

M

Trong dẫn động tầu thủy với chân vịt có bước xoắn không đổi mômen tỷ lệ với bình phương tốc độ chân vịt Trong biểu đồ máy nén, Fig ,đường làm việc nằm giữa đặc tính máy phát và sự sụt giảm tốc độ

1

v

L

p

TL

n = const

Pump limit

a Constant mean pressure

b Propeller mode

c Generator mode

Fig biểu diễn sự xếp chồng của tất cả các đường đặc tính tốc độ và đặc tính tải của xe, các đường này xếp chồng lên nhau giới hạn bởi độ rộng biểu

đồ máy nén

1 v

L

p

Pump limit

Constant load

L

L

Constant engine speed

Fig biểu diễn đường áp suất trung bình của động cơ ko tăng áp, tăng áp dẫn động cơ khí, và tăng áp sử dụng turbine khí xả

P me

n

Exhaust gas turbocharging (unregulated) Mechanically Turbocharged Naturally aspirated engine

Đường thứ 2 biểu diễn trạng thái bất lợi cao nhất tại đó momen hạ cùng với

sự giảm tốc độ Để cải thiện khả năng tăng tốc của động cơ kéo xe vận tải,

dù vậy, bắt nguồn từ đường cong áp suất trung bình và yêu cầu về sụt giảm tốc độ điều đó có thể đạt được bằng sự điều khiển bên ngoài của một cụm TB-MN

Chương III : Tăng áp cơ khí

Máy nén cơ khí chạy bằng lực kéo trích ra từ trục động cơ, do vậy nó cũng tiêu tốn một phần động năng có ích Tăng áp bằng nguồn động lực lấy từ trục khuỷu động cơ, sử dụng máy nén khí, được gọi bằng tên Superchanger, dùng cho động cơ diezel truyền thống

Supercharger là một thiết bị (giống như máy quạt gió hoặc là máy nén khí)

để điều áp trong buồng lái máy bay hoặc làm tăng áp suất dòng khí nạp vô buồng cháy của động cơ

Bộ siêu nạp (supercharger)

Supercharger được đặt trên động cơ được dẫn động bằng trục khuỷu thông

qua một bộ truyền đai với puly Khí nạp qua Supercharger sẽ được nén lại bởi bánh công tác ( kiểu Supercharger ly tâm) hoặc một cặp cánh quạt quay (kiểu Superchar cánh quạt) hoặc là Roto đối lập (kiểu Supercharger chân ren) sau đó khí nạp sẽ được nạp vào buồng bốt Tốc độ động cơ càng cao thì

sự cung cấp khí nạp của hệ thống Supercharger tăng lên Tốc độ tối thiểu để

hệ thống Supercharger bắt đầu hoạt động là 15.000 vòng/phút ( kiểu

Supercharger cánh quạt và chân vịt) 40.000 vòng/phút (kiểu Supercharger ly tâm)

Một ví dụ của loại tăng áp này (bơm Roots) được miêu tả trên hình vẽ