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.

Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Mục lục Lời nói đầu 2 Các chương: Chương I: Tổng quan 3 Chương II: Tương tác giữa động cơ và máy nén 4 2.1, Động cơ bốn kì và biểu đồ đặc tính máy nén 4 2.2, Tăng áp cơ khí 5 2.3, Tăng áp sử dụng tuabin khí thải 6 Chương III: Tăng áp cơ khí 12 Chương IV: Tăng áp dùng tua bin khí 14 4.1, Cấu tạo bộ tăng áp Turbocharger 15 4.2, Thiết kế tăng áp trên động cơ Mercedes Smart 15 Chương V: Công nghệ turbo tăng áp điều khiển cánh 16 4.1, Hiện tượng “ì turbo tăng áp” 17 4.2, Turbo tăng áp điều khiển cánh 18 Kết luận 20 Tài liệu tham khảo 20 1 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Lời nói đầu Với những ưu điểm nổi bật của mình như tăng công suất, tăng hiệu suất cháy, giảm khí thải động cơ tăng áp ngày càng được sử dụng phổ biến. Kể từ khi Gottlieb nhận bằng phát minh sáng chế số DRP 34.926 về tăng áp cho động cơ đốt trong cưỡng bức năm 1885 cho đến nay tăng áp đã trả qua một qua trình phát triển lâu dài. 06/03/1896 Rudolf Diesel nhận bằng phát minh sáng chế sô DRP 95.680 về tăng áp cho động cơ tự bốc cháy. Phát minh chỉ ra khả năng thực hiện nén nhiều cấp trong động cơ 1 xylanh bằng cách bố trí thêm một bơm nén trước đường nạp. Tuy nhiên người đã thực sự gắn liền tên tuổi của mình với tăng áp chính là kỹ sư người Thụy Sĩ Alfred Buchi. Ngày 16/11/1905, Alfred Buchi nhận bằng phát minh sáng chế mang số DRP 204630 từ văn phòng phát minh Reich, Đức.Tuy kết cấu đầu tiên này của Alfred Buchi chưa được hoàn chỉnh nhưng cũng là nền móng cho những cải tiến sau này của ông. Càng ngày công nghệ tăng áp càng phát triển, nhất là trong vòng 3 thập kỉ trở lại đây. Kéo theo đó là hàng loạt những cải tiến trên các phương tiện vận tải. Công nghệ tăng áp động cơ đốt trong sử dụng máy nén là công nghệ tăng áp được sử dụng rất phổ biến ngày nay. Tăng áp dùng máy nén gồm 2 loại : tăng áp cơ khí (Mechanical Supercharging) và tăng áp tuabin khí (Exhaust Gas Turbocharging). Trong tăng áp cơ khí, máy nén được dẫn động từ trục khuỷu động cơ. Còn trong tăng áp tuabin khí máy nén được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí xả của động cơ đốt trong. Với những kiến thức được các Thầy Cô ở Bộ môn truyền đạt và đọc thêm ở các tài liệu chuyên ngành em xin được trình bày các hiểu biết của em về công nghệ tăng áp sử dụng máy nén. Tuy nhiên do thời gian làm tiểu luận rất ngắn, trình độ và kiến thức còn hạn chế nên bài tiểu luận không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô trong Bộ môn để vốn kiến thức của em về tăng áp có thể hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Lê Anh Tuấn đã tạo điều kiện để em có cơ hội trau dồi kiến thức của mình hơn. Cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn Động cơ đốt trong đã truyền thụ cho em những kiến thức rất lý thú và bổ ích trong thời gian qua. Hà Nội, Ngày 25 tháng 05 năm 2008 Sinh viên thực hiện Phạm Minh Tuyến 2 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Chương I : Tổng quan Xe hơi hiện đại đòi hỏi những động cơ gọn nhẹ, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, công suất và mô-men xoắn lớn. Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, tăng áp là giải pháp phổ biến hiện nay. Đây là kỹ thuật nâng cao áp suất của hỗn hợp nhiên liệu khi đưa vào buồng đốt. Vào những năm 1970, chỉ tiêu công suất/lít trung bình của động cơ chỉ đạt khoảng 60 mã lực/lít. Kỹ thuật tăng áp tuy được biết đến từ lâu nhưng lại gặp những khó khăn không nhỏ khi phải đối mặt với vấn đề gia tăng áp suất, nhiệt độ của động cơ và hỗn hợp nhiên liệu. Đó chính là lý do khiến hệ thống này ban đầu chỉ được thiết kế cho các cỗ máy lớn, tốc độ chậm hoặc với các mục đích đặc biệt như quân sự, hàng không . Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vật liệu, cơ khí và điện tử, cơ cấu tăng áp đã có mặt trong nhiều lĩnh vực, trên nhiều chủng loại động cơ. Đến năm 2000 chỉ số công suất/lít trung bình của động cơ đã đạt tới 121 mã lực/lít nhờ những kỹ thuật tăng áp tiên tiến. Không chỉ nâng cao hiệu suất và công suất động cơ, giải pháp này còn giúp cắt giảm đáng kể lượng khí thải độc hại với môi trường. So sánh hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng tăng áp và không tăng áp có cùng thông số kỹ thuật Điều kiện thử nghiệm Không tăng áp Tăng áp Xe chạy trong thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h (lít/100 km) 19,9 17,7 Xe chạy ngoài thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h (lít/100 km) 17,9 15,9 Phân tích thành phần khí xả (gram/chu trình) HC 5,32 4,71 CO 116,19 68,90 NO 8,01 5,05 Như vậy tăng áp là bộ phận không thể thiếu trên các động cơ diesel hiện đại. Trong giới hạn của bài tiểu luận này em chỉ xin trình bày một phần nhỏ của tăng áp sử dụng máy nén. Đề tài em chọn là: “Tăng áp sử dụng máy nén, công nghệ và ứng dụng”. Bài tiểu luận đề cập đến cơ sở lý thuyết của tăng áp sử dụng máy nén cũng như các ứng dụng của nó trong thực tế. 3 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Chương II : Tương tác giữa động cơ và máy nén 2.1, Động cơ bốn kì và biểu đồ đặc tính máy nén Hình 1 biểu diễn đường đặc tính của một động cơ đốt trong 4 kì. Nếu tốc độ của động cơ n được giữ không đổi, thể tích dòng khí lưu động (nạp) 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 n 2 n 3 n 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 < < 2 n 3 n 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. 4 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Động năng được chuyển hóa thành áp suất trong ống khuếch tán. “Biểu đồ đặ tính” máy nén ở hình 3 được giới hạn bới đường “giới hạn bơm”. Bên trái của giới hạn bơm là vùng làm việc không ổn định của máy nén bắt đầu bằng sự phá hủy dòng tại bên trong cánh máy nén và kết quả là áp suất rất lớn biến thiên liên tục và dưới những điều kiện này chắc chắn sẽ có thể phá hủy máy nén. 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 L 3/ 4n m n 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 5 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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 TL TL V T d .J . P P dt w w = + (3.1) trong đó: dω TL /dt = biến thiên tốc độ truyền nhiệt cụm TB-MN J TL = 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 V V sV sV mV 1 P m . h .= D h h (3.4) trong đó: ∆h sV = Biến thiên entanpy đoạn nhiệt trong máy nén. 6 Tiu lun Tng ỏp CT Sinh viờn thc hiờn : Phm Minh Tuyn sV = Hiu sut on nhit mỏy nộn mV = Hiu sut c gii ca mỏy nộn P T = m T . h sT . sT . mT (3.5) Where: h sT = Bin thiờn entanpy on nhit trong turbine mT = Hiu sut c gii ca turbine 1 1 K 1 K 1 2 sV 1 1 1 1 K p h R .T . . 1 K 1 p - ộ ự ổ ử ờ ỳ ữ ỗ ờ ỳ ữ D = - ỗ ữ ỗ ờ ỳ ữ ỗ - ố ứ ờ ỳ ở ỷ (3.6) R 1 = Hng s cht khớ vo mỏy nộn T 1 = Nhit khụng khớ vo mỏy nộn K 1 = H sụ on nhit khụng khớ vo mỏy nộn p 1 = p sut mụi cht vo mỏy nộn p 2 = p sut np 3 3 1 3 4 3 3 3 3 . . . 1 1 K K sT K p h R T K p = ữ (3.7) R 3 = Hng s khớ vo turbine T 3 = nhit mụi cht vo turbine K 3 = H s on nhit ca khớ x vo turbine p 3 = p sut khớ thi p 4 = p sut khớ ra khi turbine Hiu sut tng TL c xỏc nh bao gm tt c cỏc hiu sut np: . . . TL mV sV mT sT = (3.8) sT = Hiu sut on nhit khớ vo turbine Kt hp (3.3) vo (3.7) dựng cõn bng nng lng xỏc nh V tớnh toỏn nh sau: V = p 2 /p 1 V = T s tng ỏp sut mỏy nộn. v vi K 1 = 1,4 phng trỡnh chớnh ca cm TB-MN: 7 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 3 3 3,5 K 1 K 3 T 4 V 1 TL V 1 3 T m' p p 1 .K . . . 1 m' T p −       = + η −  ÷         (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: 3 4 1 3 T p V V TL T p p p ( ; ; ) = η (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 T T T 3 3 m' A . 2.p . = ψ ρ (3.11) trong đó: 3 3 3 K 1 2 K K 3 4 4 T 3 3 3 K p p . K 1 p p +     ψ = −  ÷  ÷ −     (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 M H 2 2 3 3 r 3 4 3 2 2 3 r 3 n .V . m p p .r . 2 p A ρ ρ ρ − = ρ : : (3.13) ρ 2 = Mật độ môi chất ra khỏi turbine 8 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến 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 ρ . Lượng giảm của phần đi qua turbine A Tred đã được thừa nhận coi là hằng số. Mối liên hệ do đó hiện có: 3 3 2 2 M 3 T 4 4 p p (p ,T ,n ,T ,A ) p p = (3.14) 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 p variable= Generator operation 9 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Đối với động cơ lắp máy nén dẫn động cơ khí, chúng ta giữ tại 1 điểm làm việc, 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 me p const= Propellor curve me 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 10 [...]... Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến tải vài phút trước khi tắt máy Khi xe khởi động ở chế độ động cơ “nguội”, các ổ trục chưa bôi trơn đây đủ, không nên tắt máy đột ngột Kết luận : Qua đề tài Tăng áp sử dụng máy nén, công nghệ và ứng dụng chúng ta có thể thấy được kết cấu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của công nghệ tăng áp sử dụng máy nén Từ đó khẳng định vai trò quan trọng của tăng. .. công suất và hiệu suất rất cao 15 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh Tuyến Bộ tăng áp Turbochanger được dùng trên cả động cơ phun xăng điện tử và động cơ diezel Một số động cơ diezel yêu cầu tăng áp cao đã sử dụng tăng áp hai cấp thuộc loại bi-turbo hay twin-turbo và có các phần điều khiển bằng điện tử Chương V : Công nghệ turbo tăng áp điều khiển cánh Công nghệ turbo tăng áp làm xoay... tốc độ cao Phương pháp tăng áp turbo này cho phép động cơ có thể thay đổi lưu lượng khí nạp vào động cơ, gia tăng công suất nhanh chóng, loại bỏ sức ì turbo như trên các xe sử dụng turbo thông thường Do hoạt động của turbo tăng áp loại VGT ở một khoảng nhiệt độ rất cao nên khi lái xe có sử dụng turbo VGT chúng ta phải thật thận trọng khi vận hành Với các loại xe sử dụng turbo tăng áp kiểu VGT như Hyundai... Type 997 Porsche 911 Turbo sử dụng kiểu turbo VGT của BorgWarner dùng một loại vật liệu đặc biệt bắt nguồn từ công nghệ chế tạo tàu vũ trụ, do đó giải quyêt được vấn đề nhiệt độ Từ đó công thức chế tạo loại turbo có hình dạng biến đổi này được nhiều hãng tiếp thu và ứng dụng trong các sản phẩm của mình 5.1, Hiện tượng “ì turbo tăng áp Với các loại xe sử dụng turbo tăng áp trước đây, khi xe chạy tải... tăng áp sử dụng cặp bánh răng 2 nghiêng lớn, bố trí trong vỏ kín 1, trên đường nạp khí của động cơ Mỗi răng trên bánh răng có vai trò như một píttông quét khí nạp Bộ tăng áp này phù hợp với các loại động cơ diezel thấp tốc, và do khối lượng lớn nên không sử dụng trên động cơ cao tốc ngày nay Hệ số tăng áp của bơm Roots tối đa có thể lên tới 1,6 lần (tỷ lệ áp suất ra với áp suất vào bơm) Chương IV : Tăng. .. (VGT-Variable Geometry Turbocharger ) được sử dụng rộng rãi trong động cơ turbo sử dụng nhiên liệu diesel kể từ những năm 1990 Tuy nhiên, công nghệ này chưa bao giờ được ứng dụng trên động cơ xăng cho tới khi loại Type 997 Porsche 911 Turbo ra đời Nguyên nhân bởi nhiệt độ khí xả do xe sử dụng VGT trên máy xăng tạo ra lớn hơn rất nhiều so với xe dùng máy dầu, do vậy vật liệu sử dụng để chế tạo VTG không chịu nổi... diesel 10 xi-lanh, công suất 2.500 mã lực, khoẻ hơn 750 mã lực so với động cơ thường 14 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Tuyến Sinh viên thực hiên : Phạm Minh 4.1, Cấu tạo bộ tăng áp Turbochanger Bộ tăng áp đặt ngay sát động cơ và có cấu tạo như hình trên Nguyên lý hình thành tăng áp dựa trên cơ sở tận dụng động năng của dòng khí xả, khi đi ra khỏi động cơ, làm quay máy nén khí Dòng khí xả đi vào bánh tuốc bin... biểu diễn đường áp suất trung bình của động cơ ko tăng áp, tăng áp dẫn động cơ khí, và tăng áp sử dụng turbine khí xả Exhaust gas turbocharging (unregulated) Pme Mechanically Turbocharged Naturally aspirated engine n Đường thứ 2 biểu diễn trạng thái bất lợi cao nhất tại đó momen hạ cùng với sự giảm tốc độ Để cải thiện khả năng tăng tốc của động cơ kéo xe vận tải, 11 Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên... Bánh công tác của turbin chỉ có đường kính 31 mm và quay với vận tốc 290.000 vòng/phút, áp lực nén của nó lên tới 2,2 kg/cm2 Không khí mới (màu xanh) được hút vào qua bầu lọc khí và bị máy nén làm nóng lên tới gần 100 độ C, luồng khí này được đưa qua két làm mát và trộn với một phần khí xả (màu đỏ) trước khi vào buồng đốt Việc tăng áp suất nạp hỗn hợp nhiên liệu vào buồng đốt giúp động cơ đạt được công. .. Turbo tăng áp có thể thay đổi góc quay của cánh ngày càng được sử dụng rộng rãi nhằm giảm “sức ì turbo” ở mức nhỏ nhất Nguyên lý là làm thay đổi góc quay ở các cánh điều chỉnh của tuốc bin mà khí xả sẽ đập vào các cánh này Điều này giúp tăng áp ở tốc độ thấp và giảm sức ì turbo Van xả (tránh áp) thì không cần thiết với turbo tăng áp có hình dạng biến đổi, việc dịch chuyển các cánh sẽ điều khiển tốc độ và