Đồ án khảo sát tăng áp động cơ DEAWOO D1146TI

Các sơ đồ tăng áp cơ giới trên hình 2.2 Phương pháp dẫn động máy nén rất phong phú, trong nhiều trường hợp giữa máynén và trục khuỷu của động cơ có bố trí ly hợp nhằm cho phép điều khiển

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 DEAWOO D1146TI

Tuy nhiên do những hạn chế về thời gian, 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 PHÙNG XUÂN THỌ; Cùng toàn thể thầy cô khoa cơ khí giao thông và các bạn, những người đã trực tiếp giúp đơ,î chỉ dẫn, góp ý kiến cho em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này

Đà Nẵng, ngày 31tháng 05 năm 2007

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Kim MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ 4

1.1 Các đặc điểm và thông số kỹ thuật của động cơ 4

1.2 Đặc điểm các cụm chi tiết và cơ cấu của động cơ D1146TI 7 1.2.1 Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 7

1.2.1.1 Nhóm piston 7

1.2.1.2 Thanh truyền 10

1.2.1.3 Trục khuỷu 11

1.2.1.4 Bánh đà 12

1.2.1.5 Thân máy và nắp máy 13

1.2.2 Cơ cấu phân phối khí 14

1.3.2 Hệ thống bôi trơn 18

1.3.3 Hệ thống nhiên liệu 20

1.3.4 Hệ thống tăng áp 22

2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG TĂNG ÁP TRÊN ĐỘNG CƠ D1146TI 24 2.1 Giới thiệu chung về hệ thống tăng áp trên động cơ đốt trong 24 2.1.1 Phân loại tăng áp 24

2.1.1.1 Biên pháp tăng áp nhờ máy nén 24

2.1.1.1.1 Tăng áp cơ khí 25

2.1.1.1.2 Động cơ tăng áp bằng tuabin khí 26

2.1.1.1.3 Tăng áp hỗn hợp 29

2.1.1.2 Các biện pháp tăng áp khác 30

2.1.1.2.1 Tăng áp dao động và cộng hưởng 30

2.1.1.2.2 Tăng áp trao đổi sóng áp suất 34

2.1.1.2.3 Tăng áp tốc độ 37

2.1.1.2.4 Tăng áp cao 38

2.1.1.2.5 So sánh hệ thống tăng áp có máy nén và không có máy nén 42 2.1.2 Khảo sát hệ thống nạp thải trên động cơ tăng áp 43

2.1.2.1 Hệ thống nạp thải trên động cơ 4 kì 43

2.1.2.2 Hệ thống nạp thải trên động cơ 2 kì 46

2.1.3 Đặc tính tuabin máy nén 51

2.1.3.1 Đặc tính máy nén 51

2.1.3.2 Đặc tính tuabin 54

2.1.3.3 Đặc tính tuabin máy nén 55

2.2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ D1146TI .57

2.2.1 Sơ đồ hệ thống tăng áp trên động cơ D1146TI 57

2.2.1.1 Hệ thống nạp động cơ D1146TI 59

2.2.1.2 Hệ thống thải động cơ D1146TI 61

2.2.2 Đặc điểm kết cấu hệ thống tăng áp trên động cơ D1146TI 63 2.2.2.1 Bộ tuabin tăng áp 63

2.2.2.2 Van giảm áp và bộ chấp hành 72

2.2.2.3 Hệ thống bôi trơn và làm mát bộ tuabin 74

2.2.2.4 Bộ bù tuabin tăng áp 75

2.2.3 Đặc điểm bố trí sắp xếp cụm tuabin máy nén 77

2.2.4 Phối hợp giữa tuabin, máy nén và động cơ đốt trong 79

3 TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỘ TUABIN TĂNG ÁP TRÊN ĐỘNG CƠ 80

3.1 Các thông số biết trước và thông số chọn 80

3.2 Tính toán các thông số làm việc trong tuabin và trong máy nén 81 3.3 Tính toán tuabin tăng áp động cơ D1146TI 84

3.3.1 Tính toán máy nén 84

3.3.2 Tính toán tuabin 98

4 MỘT SỐ HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 107

4.1 Xác định các hư hỏng và biện pháp khắc phục 107

4.2 Phân tích các hư hỏng và biện pháp khắc phục 110

4.3 Kiểm tra hệ thống tăng áp của động cơ 110

4.4 Các chú ý khi sử dụng hệ thống tăng áp 112

4.5 Tháo lắp cụm tuabin máy nén 113

5 KẾT LUẬN CHUNG 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ D1146TI.

Động cơ D1146TI là động cơ diesel 4 kỳ, 6 xilanh thẳng hàng, phun trực tiếp, đượctăng áp và làm mát trung gian do hãng DAEWOO sản xuất có hiệu quả kinh tế và hiệusuất cao Động cơ được sử dụng chủ yếu trên trên ôtô khách Nó thỏa mãn các yêu cầunhư: tiếng ồn thấp, tiết kiệm nhiên liệu, tốc độ động cơ cao, và đảm bảo độ bền

Động cơ D1146TI là loại động cơ có buồng cháy khoét lõm trên đầu piston dạngômêga Đặc điểm của buồng cháy dạng ω là tạo được dòng xoáy tiếp tuyến của khí nạpvà dòng xoáy hướng kính của không khí chèn khi nén, kết hợp với vòi phun nhiều lỗđể tạo ra hòa khí tốt Vòi phun của động cơ được đặt trên nắp xilanh hướng vào phíagiữa đỉnh piston để phun trực tiếp nhiên liệu vào buồng cháy Loại đỉnh piston này cókhuyết điểm là diện tích chịu nhiệt rất lớn, trọng lượng phần đầu piston nặng và khógiải quyết vấn đề chịu nhiệt của xécmăng, nhất là xécmăng thứ nhất Tuy nhiên loạiđỉnh có buồng cháy trên đỉnh piston có chỉ tiêu kinh tế cao

1.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM, THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠD1146TI

Kiểu động cơ: 4 kỳ, kiểu làm mát bằng nước, tăng áp và làm

mát trung gian

Kiểu buồng cháy Thống nhất

Kiểu xylanh Ôúng lót khô có thể thay thế

Piston Piston đỉnh lõm dạng ω

Số lượng xécmăng 2 xécmăng khí, 1 xécmăng dầu

Số xylanh - đường kính - hành trình

Tổng thể tích xylanh [l] 8,071

Công suất cực đại / Số vòng quay 158 [KW] / 2300 [Vg/ph]

Mômen cực đại / Số vòng quay 82 [kg.m] / 1200 [Vg/ph]

Số vòng quay không tải Nhỏ nhất 600 - 650 [Vg/ph].

Kiểu vòi phun Vòi phun nhiều lỗ (5 lỗ).

Aïp suất phun nhiên liệu [kg/cm2] 214

Aïp suất nén / Số vòng quay 28[kg/cm2] / 200 [Vg/ph]

Phương pháp bôi trơn Bôi trơn cưỡng bức

Loại bơm dầu Bơm bánh răng, dẫn đông từ trục khuỷuđộng cơ.Loại bơm nước Bơm ly tâm, dẫn động bằng đai

Phương pháp làm mát Làm mát bằng nước, chu trình kín

Kiểu máy nén khí - dung tích [cc] Dẫn động bằng đai - 220

Điện áp máy khởi động - Công suất 24 [V] - 4,5 [KW]

5- Bơm cao áp; 6- Piston; 7- Bình lọc nhiên liệu; 8- Vòi phun;

9- Đường ống nạp; 10- Bộ làm mát khí nạp; 11- Đường ống thải;

12- Tuabin tăng áp; 13- Trục cam; 14- Bộ làm mát dầu; 5- Các te

∗ MẶT CẮT DỌC CỦA ĐỘNG CƠ D1146TI

13 14

15

Hình 1.2 Mặt cắt dọc động cơ

1- Bơm nước; 2- Xupap nạp; 3- Xupap xả; 4- Máy nén khí; 5- Bình lọc khí; 6- Nắpđộng cơ; 7- Đầu xilanh; 8- Thân xilanh; 9- Hộp bánh đà; 10- Trục cam; 11- Bánh đà;12- Trục khuỷu; 13- Ôúng hút dầu;14- Bơm dầu; 15- Puly dẫn động

1.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC CỤM CHI TIẾT VÀ CƠ CẤU CỦA ĐỘNG CƠD1146TI

1.2.1 Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền:

1.2.1.1 Nhóm Piston:

Trong nhóm piston gồm piston, xécmăng, chốt piston và vòng hãm chốt piston

buồng cháy Điều kiện làm việc của piston là rất khắc nghiệt, trong quá trình làm việccủa động cơ, piston chịu lực rất lớn, chịu áp suất và nhiệt độ rất cao và ma sát mài mònlớn.

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston có các nhiệm vụ chính sau:

− Đảm bảo bao kín buồng cháy, giữ cho không khí cháy trong buồng cháykhông lọt xuống cacte và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồngcháy

− Tiếp nhận lực khí thể sinh ra do quá trình cháy nổ và truyền tới thanh truyềnđể làm quay trục khuỷu, nén khí trong quá trình nén, đẩy khí thải trong quá trình thảivà hút khí nạp mới trong quá trình nạp

3

1

4 5

Đỉnh piston có dạng lõm kiểu ômêga Khi động cơ làm việc đầu piston nhận phầnlớn nhiệt lượng do khí cháy truyền cho nó (khoảng 70 ÷ 80%) và nhiệt lượng nàytruyền vào xécmăng thông qua rãnh xécmăng, rồi đến nước làm mát động cơ Ngoài ratrong quá trình làm việc piston còn được làm mát băng cách phun dầu vào phía dướiđỉnh piston

Thân piston làm nhiệm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động trong xilanh, là nơichịu lực ngang N và là nơi để bố trí bệ chốt piston Trên bệ chốt có các gân để tăng độcứng vững

Chân piston có dạng vành đai để tăng độ cứng vững cho piston Trên chân pistonngười ta cắt bỏ một phần khối lượng nhằm giảm lực quán tính cho piston nhưng khôngảnh hưởng đến độ cứng vững của nó

Chốt piston là chi tiết dùng để nối piston với đầu nhỏ thanh truyền, nó truyền lựckhí thể từ piston qua thanh truyền để làm quay trục khuỷu Trong quá trình làm việc

chốt piston chịu lực khí thể và lực quán tính rất lớn, các lực này thay đổi theo chu kỳvà có tính chất va đập mạnh Đường kính chốt piston bằng 42 [mm], có dạngû hình trụrỗng Chốt piston được lắp với piston và đầu nhỏ thanh truyền theo kiểu lắp tự do Khilàm việc chốt piston có thể xoay tự do trong bệ chốt piston và bạc lót của đầu nhỏthanh truyền, trên đầu nhỏ thanh truyền và trên bệ chốt piston có lỗ để đưa dầu vào bôitrơn chốt piston.

Xécmăng khí được lắp trên đầu piston có nhiệm vụ bao kín buồng cháy, ngănkhông cho khí cháy từ buồng cháy lọt xuống cacte Trong động cơ, khí cháy có thể lọtxuống cacte theo ba đường: Qua khe hở giữa mặt xilanh và mặt công tác (mặt lưngxécmăng); qua khe hở giữa xécmăng và rãnh xécmăng; qua khe hở phần miệngxécmăng Xécmăng dầu có nhiệm vụ ngăn dầu bôi trơn sục lên buồng cháy, và gạt dầubám trên vách xilanh trở về cacte, ngoài ra khi gạt dầu xécmăng dầu cũng phân bố đềutrên bề mặt xilanh một lớp dầu mỏng Điều kiện làm việc của xécmăng rất khắc nghiệt,chịu nhiệt độ và áp suất cao, ma sát mài mòn nhiều và chịu ăn mòn hoá học của khícháy và dầu nhờn

1.2.1.2 Thanh truyền

Thanh truyền là chi tiết dùng để nối piston với trục khuỷu và biến chuyển động tịnhtiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu Khi làm việc thanh truyềnchịu tác dụng của: Lực khí thể trong xilanh, lực quán tính của nhóm piston và lực quántính của bản thân thanh truyền Thanh truyền có cấu tạo gồm 3 phần: Đầu nhỏ, thân vàđầu to

Đầu nhỏ thanh truyền dùng để lắp với chốt piston có dạng hình trụ rỗng, trên đầunhỏ có rãnh hứng dầu để bôi trơn bạc lót và chốt piston Phía trên đầu nhỏ có một vấulồi lên khoảng 5 [mm] để điều chỉnh trọng lượng và trọng tâm của thanh truyền Khilàm việc chốt piston có thể xoay tự do trong đầu nhỏ thanh truyền

Thân thanh truyền có tiết diện chữ I Chiều rộng của thân thanh truyền tăng dần từđầu nhỏ lên đầu to mục đích là để phù hợp với quy luật phân bố của lực quán tính tácdụng trên thân thanh truyền trong mặt phẳng lắc

Đầu to thanh truyền có dạng hình trụ rỗng Đầu to được chia thành hai nửa, theomặt nghiêng 45o nhằm giảm kích thước đầu to thanh truyền mà vẫn tăng đươc đườngkính chốt khuỷu, nửa trên đúc liền với thân, nửa dưới rời ra làm thành nắp đầu to thanhtruyền Hai nửa này được liên kết với nhau bằng bulông thanh truyền

Trên đầu to thanh truyền có lắp bạc lót để giảm độ mài mòn cho chốt khuỷu Bạclót đầu to thanh truyền cũng làm thành hai nửa Khi bạc lót bị mòn thì được thay thếbằng bạc lót mới Trên bạc lót có lỗ và rãnh để dẫn dầu bôi trơn và các vấu chốngxoay, khi lắp ghép các vấu này bám vào các rãnh trên đầu to

Hình 1.4 Thanh truyền.

1.2.1.3 Trục khuỷu

Trục khuỷu có nhiệm vụ tiếp nhận lực tác dụng trên piston truyền qua thanh truyềnvà biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục để đưa côngsuất ra ngoài trong chu trình sinh công của động cơ và nhận năng lượng từ bánh đà sauđó truyền qua thanh truyền và piston thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí.Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể và lực quán tính,các lực này có trị số rất lớn và thay đổi theo chu kỳ Các lực tác dụng gây ra ứng suấtuốn và xoắn trục, đồng thời còn gây ra hiện tượng dao động dọc và dao động xoắn, làmđộng cơ rung động, mất cân bằng

Kết cấu của một trục khuỷu gồm có: Cổ trục khuỷu, chốt khuỷu, má khuỷu, đốitrọng Ngoài ra trên trục khuỷu còn có đường ống dẫn dầu bôi trơn, chốt định vị, cácbánh răng dẫn động trục cam, bơm dầu bôi trơn và puly dẫn động quạt gió, máy nénkhí

Hình 1.5 Trục khuỷu động cơ D1146TI

1- Cổ trục khuỷu; 2- Chốt khuỷu; 3- Má khuỷu

Đầu trục khuỷu được lắp bộ giảm dao động xoắn và các bánh răng dẫn động bơmdầu bôi trơn, bơm cao áp và puly dẫn động các cơ cấu phụ như quạt gió, máy nén Bộ

giảm dao động xoắn có tác dụng thu năng lượng sinh ra do các mômen kích thích tronghệ trục khuỷu do đó dập tắt dao động gây ra bởi các mômen đó.

Chốt khuỷu là bộ phận dùng để nối với đầu to thanh truyền Đường kính chốtkhuỷu: dch = 71 [mm] Để giảm độ mài mòn, tăng tuổi thọ cho chốt khuỷu người tadùng bạc khi lắp chốt khuỷu với đầu to thanh truyền

Ổ trục khuỷu dùng để lắp trục khuỷu trên thân máy và cho phép trục khuỷu chuyểnđộng quay Trục khuỷu động cơ D1146TI có 7 cổ trục, Đường kính cổ khuỷu: dck = 84[mm] Khi lắp cổ trục vào hộp trục khuỷu người ta dùng bạc lót để giảm mài mòn.Má khuỷu là bộ phận nối liền cổ trục chính và chốt khuỷu Trên má khuỷu người tacó gắn các đối trọng có tác dụng cân bằng mômen quán tính cho trục khuỷu

Đuôi trục khuỷu được lắp với bánh đà Để tránh dầu bôi trơn trong cacte động cơ rò

ra ngoài ở đầu và đuôi trục khuỷu người ta có lắp các phớt chặn dầu

1.2.1.4 Bánh đà

Bánh đà có công dụng là đảm bảo tốc độ quay của trục khuỷu đồng đều Trong quátrình làm việc của động cơ, bánh đà tích trữ năng lượng sinh ra trong hành trình sinhcông để bù đắp phần năng lượng thiếu hụt trong các hành trình tiêu hao công làm chotrục khuỷu quay đều hơn, qua đó giúp động cơ làm việc ổn định hơn

Ngoài ra bánh đà còn có tác dụng là nơi đặt vành răng khởi động Vành răng nàyđược gắn chặt lên vành nối bánh đà Khi khởi động vành răng này ăn khớp với bánhrăng của máy khởi động Bánh đà còn là bề mặt làm việc không thể thiếu được của bộ

ly hợp

1.2.1.5 Thân máy và nắp xylanh

Thân máy và nắp xylanh là những chi tiết cố định, có khối lượng lớn và kết cấuphức tạp Hầu hết các cơ cấu và hệ thống của động cơ đều được lắp trên thân máy vànắp xilanh

Thân máy động cơ D1146TI có 6 xilanh thẳng hàng, được lắp lót xilanh khô, khilót xilanh bị mòn có thể tháo ra để thay thế Đường kính lót xilanh là: D = 111 [mm]được gia công đạt độ chính xác và độ bóng cao Trong thân máy được bố trí các áonước làm mát bao bọc xung quanh các xilanh

Có 7 ổ đỡ trục khuỷu trong thân máy, các ổ đỡ trục khuỷu được đúc liền với cácvách ngăn trên thân máy, và các nắp ổ trục chế tạo rời, khi lắp ráp dùng bulông để siếtchặt

Nắp xilanh có vai trò cùng với xilanh và piston tạo thành buồng cháy Nhiều bộphận của động cơ được lắp trên nắp xilanh như: vòi phun, cụm xupap, các đường ốngnạp, thải, đường nước làm mát, đường dầu bôi trơn

Mỗi nắp xilanh của động cơ D1146TI được dùng để lắp cho hai xilanh Trên nắpxilanh được bố trí các đế xupap và đường ống nạp và thải cho hai xilanh của động cơ.Bề mặt lắp ráp với thân máy được gia công chính xác và được bắt chặt với thân máybằng bulông và êcu chịu lực Giữa thân động cơ và nắp máy có một roăng làm kín bềmặt lắp ghép

Vòi phun được lắp từ phía trên của nắp xilanh và có roăng làm kín để đảm bảo làmkín buồng cháy, chiều dày của roăng làm kín bằng 3 [mm].

Hình 1.6 Nắp xylanh của động cơ D1146TI

1.2.2 Cơ cấu phân phối khí

Cơ cấu phối khí dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí, thải sạch khí thải ra ngoàitrong kỳ thải và nạp đầy khí nạp mới vào xilanh động cơ trong kỳ nạp Cơ cấu phânphối 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, xupap thải không tự mở trong quá trình nạp

+ Ít mòn, tiếng kêu bé

+ Dễ điều chỉnh và sửa chữa

Động cơ D1146TI có cơ cấu phân phối khí loại dùng xupap treo Cách bố trí nàytạo cho buồng cháy có kích thước nhỏ gọn, giảm được tổn thất nhiệt, dễ dàng bố tríđường nạp và đường thải, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thải sạch và nạp đầy Hiệnnay trên động cơ diesel chỉ dùng phương án bố trí xupap này Tuy vậy nhược điểm củaphương pháp bố trí xupap treo là dẫn động xupap phức tạp, làm tăng chiều cao động

cơ, và khí bố trí xupap treo thì làm kết cấu của nắp xilanh phức tạp

Hình 1.7 Kết cấu các chi tiết trong cơ cấu phối khí

Mỗi xilanh của động cơ được bố trí hai xupap, một xupap nạp và một xupap xả, cácxupap được đặt xen kẻ nhau Đường nạp và đường thải được bố trí về hai phía củađộng cơ, do đó giảm được sự sấy nóng không khí nạp Trục cam được bố trí trong hộptrục khuỷu, được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng Xupap được dẫnđộng gián tiếp qua con đội, đũa đẩy, và đòn bẩy

Đũa đẩy là một thanh thép nhỏ hình trụ dùng để truyền lực từ con đội đến đòn bẩy.Hai đầu tiếp xúc với con đội và cò mổ.

Cò mổ nhận lực từ đũa đẩy và truyền đến xupap Đầu tiếp xúc với đũa đẩy có vít đểđiều chỉnh khe hở nhiệt cho xupap

Xupap là chi tiết có điều kiện làm việc khắc nghiệt Khi làm việc nấm xupap chịutải trọng động và tải trọng nhiệt rất lớn nên yêu cầu nấm xupap phải có độ cứng vữngcao

Động cơ D1146TI dùng xupap có đáy bằng, mặt làm việc quan trọng của xupap làmặt côn, xupáp nạp có mặt côn này nghiêng một góc α = 300, còn xupap thải thì cómặt côn nghiêng một góc α = 450 Mặt làm việc được gia công rất kỹ và đuợc mài ràvới đế xupap Thân xupap dùng để dẫn hướng cho xupap, đường kính thân xupap nạpvà thải đều bằng 9 [mm] Khi làm việc thân xupap trượt dọc theo ống dẫn hướngxupap, ống dẫn hướng xupap gắn chặt với nắp máy Đuôi xupap có một rãnh hãm hìnhtrụ để lắp ghép với đĩa lò xo, đĩa lò xo được lắp với xupap bằng hai móng hãm hìnhcôn, mặt trên của đuôi xupap được tôi cứng để tránh mòn

Để giảm hao mòn cho thân máy và nắp xilanh khi chịu lực va đập của xupap, người

ta dùng đế xupap ép vào họng đường thải và đường nạp Đế xupap là một vòng hìnhtrụ, trên đó có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm xupap, mặt côn trên đếxupap thường lớn hơn mặt côn trên nấm xupap khoảng (0,5 ÷ 10), mặt ngoài của đếxupap có dạng hình trụ trên có tiện rãnh đàn hồi để lắp cho chắc Để đảm bảo choxupap ép chặt vào đế xupap thì giữa xupap và đòn bẫy phải có một khe hở nhất địnhgọi là khe hở nhiệt

Lò xo xupap dùng để đóng kín xupap trên đế xupap và đảm bảo xupap chuyểnđộng theo đúng quy luật của cam phân phối khí, do đó trong quá trình mở đóng xupapkhông có hiện tượng va đập trên mặt cam Ở động cơ D1146TI dùng một lò xo trênxupap nạp, và hai lò xo lồng vào nhau trên xupap thải

Trục cam dùng để dẫn động xupap đóng mở theo quy luật nhất định Trục cam baogồm các phần cam nạp, cam thải và các cổ trục, các cam được làm liền với trục Vớiđộng cơ 4 kỳ 1 hàng xilanh, góc lệch ϕ1 giữa hai đỉnh cam cùng tên của hai xilanh làmviệc kế tiếp nhau bằng một nửa góc công tác δk của hai xilanh đó

1.3 CÁC HỆ THỐNG TRÊN ĐỘNG CƠ D1146TI

1.3.1 Hệ thống làm mát

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khícháy như: piston, xecmăng, xupap, nắp xilanh, thành xilanh chiếm khoảng 25 ÷ 35%nhiệt lượng do nhiên liệu cháy toả ra Vì vậy các chi tiết đó thường bị đốt nóng mãnhliệt, nhiệt độ của các chi tiết máy cao gây ra những hậu quả xấu như: làm giảm sứcbền, tuổi thọ của các chi tiết máy, giảm độ nhớt của dầu bôi trơn nên làm tăng tổn thất

ma sát Vì vậy cần thiết phải làm mát động cơ Hệ thống làm mát động cơ có nhiệm vụ

mát để đảm bảo cho nhiệt độ của các chi tiết không quá nóng nhưng cũng không quánguội Động cơ quá nóng sẽ gây ra các hiện tượng xấu như đã nói, còn quá nguội tức làđộng cơ được làm mát quá nhiều vì vậy tổn thất nhiệt cho nước làm mát nhiều Động

cơ D1146TI có hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức, kiểu kín, nước tuầnhoàn trong hệ thống nhờ bơm ly tâm được dẫn động từ trục khuỷu

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống làm mát của động cơ D1146TI

Dung dịch nước làm mát từ thân động cơ lên nắp xilanh qua các ống dẫn đến vanđiều nhiệt Nước từ van điều nhiệt được chia ra thành hai dòng: một qua két làm mát và

một quay trở về bơm Nước sau khi qua két làm mát thì theo đường ống dẫn đi qua kétlàm mát dầu sau đó qua bơm rồi tuần hoàn trở lại động cơ Ở đây nếu nhiệt độ nướclàm mát thấp hơn so với nhiệt độ mở của van điều nhiệt thì van điều nhiệt đóng, khôngcho nước qua két làm mát, nước được luân chuyển về bơm, và nếu nhiệt độ nước làmmát cao hơn so với nhiệt độ mở của van điều nhiệt thì van điều nhiệt mở, nước sẽ điqua két nước làm mát

Van điều nhiệt duy trì một nhiệt độ không đổi của dung dịch nước làm mát và cảithiện hiệu suất nhiệt của động cơ bằng cách giảm sự tổn hao do mất nhiệt Nguyên lýhoạt động của van hằng nhiệt: Khi nhiệt độ nước làm mát còn thấp, nhỏ hơn nhiệt độmở của van (khi động cơ mới khởi động) thì van đóng và không cho nước qua két làmmát mà trở về bơm Khi nhiệt độ nước làm mát tăng cao đến nhiệt độ bắt đầu làm việccủa van thì van bắt đầu mở cho nước đi qua két làm mát và khi nhiệt độ nước làm mát

càng tăng cao thì van mở càng rộng Van hằng nhiệt bắt đầu làm việc khi nhiệt độ ở

83oC và bắt đầu mở rộng hơn ở nhiệt độ 950C

Két làm mát dùng để hạ nhiệt độ của nước từ động cơ ra rồi lại đưa trở vào làm mátđộng cơ Két làm mát gồm có ba phần: ngăn trên chứa nước nóng, ngăn dưới chứanước đã được làm nguội và dàn ống truyền nhiệt nối ngăn trên với ngăn dưới Phía saukét nước được bố trí quạt gió

Quạt gió dùng để tăng tốc độ lưu động của không khí đi qua két tản nhiệt làm hiệuquả làm mát cao hơn Quạt có đường kính: 700 [mm], số cánh: 8, được dẫn động bằngdây cu-roa từ trục khuỷu

1.3.2 Hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa đầu đến bôi trơn các bề mặt ma sát, làm giảmtổn thất ma sát, làm mát ổ trục, tẩy rửa các bề mặt ma sát và bao kín khe hở giữa pistonvới xilanh, giữa xecmăng với piston Loại dầu bôi trơn sử dụng trên động cơ D1146TIlà loại dầu mác SAE 15W40

Hệ thống bôi trơn của động cơ D1146TI dùng phương pháp bôi trơn cưỡng bứccacte ướt Các bộ phận chủ yếu của hệ thống bôi trơn gồm: Cacte, bơm dầu nhờn, bầulọc dầu, két làm mát dầu, các đường ống dẫn, các van bảo vệ và đồng hồ báo Cácthông số của hệ thống bôi trơn động cơ

Aïp suất dầu trong hệ thống: 4,6 [Kg/cm2]

Nhiệt độ max: 105 [oC]

Bạc lót thanh truyền

Trụ đòn bẩy

Trục cò mổ

Cò mổ

Trục cam

Van bảo vệ 1,3 bar

Van bảo vệ 4,6 bar

chính dầu được dẫn vào bôi trơn các cổ trục khuỷu, rồi từ cổ trục khuỷu dầu theo lỗdầu trong trục khuỷu đến bôi trơn các chốt khuỷu Trên đường dầu chính còn có cácđường dầu đi bôi trơn trục cam và cơ cấu phân phối khí Ngoài ra, để bôi trơn bề mặtlàm việc của xilanh - piston và làm mát piston, người ta bố trí một vòi phun dầu từđường dầu chính cho mỗi xilanh - piston động cơ, áp suất phun được điều khiển bằngmột van làm việc với áp suất 1,3 [bar] Trên đường dầu chính người ta còn bố trí đồnghồ đo áp suất dầu và cảm biến nhiệt độ.

Khi nhiệt độ dầu lên cao quá 80 [oC], độ nhớt của dầu giảm sút, van két làm mátdầu sẽ mở cho dầu đi qua két làm mát Khi bầu lọc dầu bị tắc thì van an toàn sẽ mở đểcho dầu đi thẳng vào đường dầu chính Trên đường dầu chính người ta mắc 1 van làmviệc ở áp suất 4,6 [bar], van này có tác dụng đảm bảo cho áp suất của dầu bôi trơntrong hệ thống có trị số không đổi

Bầu lọc dầu dùng trên động cơ là loại bầu lọc thấm dùng lõi lọc bằng giấy

Bơm dầu nhờn có tác dụng tạo nên dòng chảy tuần hoàn có áp suất cao trong hệthống Động cơ D1146TI dùng bơm dầu kiểu bơm bánh răng, được dẫn động từ trụckhuỷu thông qua hệ thống bánh răng dẫn động

Đường kính bánh răng chủ động: dcđ = 28 [mm]

Đường kính bánh răng bị động: dbđ = 17 [mm]

1.3.2 Hệ thống nhiên liệu:

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

+ Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong mộtkhoảng thời gian được qui định

+ Lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu

+ Lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình phải phù hợp với chế độ làmviêc của động cơ

+ Cung cấp nhiên liệu vào xylanh động cơ đúng thời điểm, đúng theo một quyluật đã định

+ Cung cấp nhiên liệu đồng đều vào các xilanh theo trình tự làm việc qui địnhcủa động cơ

Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel:

+ Hoạt động lâu bền và có độ tin cậy cao

+ Dễ dàng và thuân tiện trong sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa

+ Dễ chế tạo, giá thành hạ

2 3

6 7

8 9

10

11 12

1

13

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ D1146TI

1- Bulông xả khí; 2- Bầu lọc nhiên liệu; 3, 5, 6,10,11- Ống dẫn nhiên liệu; 4- Vòiphun; 7- Van tràn; 8- Bơm cao áp; 9- Bơm chuyển; 12-Thùng chưa nhiên liệu; 13-Bulông xả nước

Bơm chuyển nhiên liệu 9 hút nhiên liệu từ thùng chứa 12, sau đó đẩy tới bầu lọctinh 2 Tại bầu lọc tinh, nhiên liệu được lọc sạch tạp chất, sau đó nhiên liệu theo đườngống 3 tới bơm cao áp 8 Bơm cao áp tạo cho nhiên liệu một áp suất đủ lớn theo đườngống cao áp 6 đến vòi phun 4 cung cấp cho xylanh động cơ

Nhiên liệu rò qua khe hở trong thân kim phun của vòi phun và trong các tổ bơmcao áp được theo đường ống dẫn 5 và 11 trở về thùng chứa

Nhiên liệu đi vào trong xilanh bơm cao áp không được lẫn không khí vì không khísẽ làm cho hệ số nạp của các tổ bơm không ổn định, thậm chí có thể làm gián đoạn quátrình cấp nhiên liệu

1.3.4 Hệ thống tăng áp

Hệ thống tăng áp trên động cơ D1146TI là loại tăng áp kiểu tuabin khí, được làmmát trung gian Bộ tuabin tăng áp gồm hai phần chính là tuabin và máy nén khí, cùngvới các cơ cấu phụ khác như bạc đỡ trục, thiết bị bao kín, hệ thống bôi trơn và làm mát

Hình 1.11 Sơ đồ tăng áp tuabin khí.

Nguyên lý làm việc: Tuabin và máy nén được lắp trên cùng một trục Máy nénđược dẫn động bởi tuabin khí, khí thải của động cơ theo đường ống dẫn đi tới tuabinlàm quay các cánh tuabin thực hiện sinh công cơ học có ích, sau đó đi qua đường ốngthải ra ngoài Không khí từ ngoài trời qua máy nén được nén tới áp suất pk rồi vàoxilanh động cơ trong kỳ nạp của động cơ

Tuabin tăng áp trên động cơ là loại tuabin tăng áp hướng kính, có các thông sốnhư sau:

Loại tuabin: ALLIED SIGNAL 466721-12Aïp suất không khí nén ở lối ra max: 1,26 [kg/cm2]

Lưu lượng không khí hút của máy nén max: 16,8 [m3/h]

Tốc độ quay của tuabin max: 102800 [rpm]

Tốc độ cực đại cho phép: 126150 [rpm]

Nhiệt độ cho phép của khí xả ở cửa vào tuabin: 750 oC

Khối lượng: 9,5 [kg]

Hình 1.12 Kết cấu tuabin - máy nén.

1- Vỏ máy nén; 2- Vỏ tuabin; 3- Thân tuabin máy nén; 4- Bánh công tác máy nén;

5-Bánh công tác tuabin

Máy nén dùng để tăng áp cho động cơ có nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành nănglượng của dòng khí tạo ra áp suất nào đó để cung cấp vào xylanh động cơ Loại máynén trên đông cơ D1146TI là loại máy nén ly tâm

Hình 1.13 Mô hình bộ tuabin - máy nénVấn đề tăng áp cho động cơ sẽ được trình bày sâu trong phần tiếp theo

2.KHẢO SÁT HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ D1146TI

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG TĂNG ÁP TRÊN ĐỘNG CƠĐỐT TRONG

2.1.1 Phân loại tăng áp:

Tất cả các biện pháp nhằm tăng áp suất của không khí nạp vào trong xi lanh động

cơ ở cuối quá trình nạp lúc đóng xupáp nạp, qua đó làm tăng lượng khí nạp mới vào

Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động cơ, người tachia tăng áp cho động cơ thành tăng áp có máy nén và tăng áp không có máy nén theo

sơ đồ sau (Hình 2.1)

Hình 2.1 Các phương pháp tăng áp trên động cơ đốt trong

2.1.1.1.Biện pháp tăng áp nhờ máy nén

Ơí động cơ đốt trong nếu môi chất trước khi nạp vào xi lanh được nén đến một ápsuất nào đó thì được gọi là động cơ tăng áp Nếu môi chất được nén nhờ máy nén đượcdẫn động từ trục khuỷu động cơ thì tổ hợp động cơ đốt trong - máy nén được gọi làđộng cơ tăng áp cơ khí (hoặc cơ giới) Nếu máy nén được dẫn động nhờ tuabin tậndụng năng lượng khí thải của động cơ đốt trong thì tổ hợp động cơ đốt trong - tua bin -máy nén được gọi là động cơ tăng áp tua bin khí

Tăng áp

Tua bin khí

Dao động và cộng hưởng

Liên hệ khí thể

Liên

hệ cơ

khí

Liên hệ thuỷ lực

Lắp nối tiếp

Lắp song song

2.1.1.1.1 Tăng áp cơ giới (cơ khí)

a- Sơ đồ tăng áp cơ giới không tận dụng năng lượng khí xả; b- Sơ đồ tăng áp cơ giới có

tận dụng khí xả; c- Sơ đồ tăng áp cơ khí sử dụng ly hợp lắp giữa động cơ và máy nén;MN- máy nén; TB- Tuabin; ĐC- động cơ; LM- làm mát; KN- Khớp nối; P0- áp suấtmôi trường; Pk- áp suất khí tăng áp; PT- áp suất khí thải ra môi trường

Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp cơ khí có thể là máy nénkiểu piston, quạt root, trục xoắn, quạt li tâm, hoặc quạt hướng trục được dẫn động từtrục khuỷu của động cơ Các sơ đồ tăng áp cơ giới trên hình 2.2

Phương pháp dẫn động máy nén rất phong phú, trong nhiều trường hợp giữa máynén và trục khuỷu của động cơ có bố trí ly hợp nhằm cho phép điều khiển phạm vihoạt động của máy nén dẫn động cơ khí cho phù hợp với chế độ làm việc của động cơđốt trong

Máy nén thể tích đáp ứng tốt nhất đối với động cơ làm việc theo đường đặc tínhtải, còn máy nén ly tâm đối với động cơ làm việc theo đường đặc tính chong chóng.Đối với động cơ hai kỳ có đầu chữ thập thường dùng hốc dưới xi lanh để nén khí bổsung

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

NeT = NiT - NmT - Nk

Công suất có ích được lấy từ trục khuỷu động cơ NeT có được từ công suất chỉ thị

NiT sau khi bị khấu trừ đi tổn thất cơ giới của bản thân động cơ NmT và công suất Nk đểdẫn động máy nén

ĐC

a)

P K

P T

P T '

P K

c)

ĐC

P T '

TB KN

Hình 2.2 Sơ đồ tăng áp cơ giới trên động cơ đốt trong

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

Công suất dẫn động máy nén tăng nhanh hơn mức độ tăng áp suất chỉ thị pi, vì vậy,khi sử dụng tăng áp dẫn động cơ khí làm cho hiệu suất động cơ giảm khi áp suất tăngáp tăng Chính vì vậy, phương pháp tăng áp dẫn động cơ khí chỉ được áp dụng ở nhữngmục đích cần thiết và áp suất tăng áp p1 nhỏ hơn hoặc bằng 1,6 kG/cm2, nếu pk lớn hơn1,6 kG/cm2 thì Nk sẽ lớn hơn 10%Ne [1]

Với phương pháp tăng áp cơ giới, chất lượng khởi động và tăng tốc động cơ tốt vìlượng không khí cấp cho động cơ trong một chu trình phụ thuộc vào vòng quay trụckhuỷu 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 cơ giới, làmgiảm tính kinh tế của động cơ

2.1.1.1.2 Động cơ tăng áp bằng tuabin khí

Tăng áp bằng tuabin khí là phương pháp tăng áp dùng tuabin(TB) làm việc nhờnăng lượng khí xả của động cơ đốt trong (ĐCĐT) để dẫn động máy nén (MN) Khí xảcủa ĐCĐT có nhiệt độ và áp suất rất cao nên nhiệt năng của nó tương đối lớn Muốnkhí thải sinh công, nó phải được giãn nở trong một thiết bị để tạo ra công cơ học Nếuđể nó giãn nở trong xi lanh của ĐCĐT thì dung tích của xilanh sẽ rất lớn, làm cho kíchthước của ĐCĐT quá lớn, nặng nề Điều này mặc dù làm tăng hiệu suất nhiệt nhưngtính hiệu quả được đánh giá bằng giá trị áp suất trung bình sẽ rất nhỏ Để tận dụng tốtnăng lượng khí xả, người ta cho nó giãn nở đến áp suất môi trường và sinh công trongcác cánh của tua bin (TB)

Ta lần lượt xem xét các phương án kết nối đó:

a) Tăng áp bằng tuabin khí liên hệ cơ khí

Trong phương án này trục tuabin, động cơ đốt trong và máy nén được nối liền nhau.Hình 2.3 Giới thiệu kết cấu và sơ đồ nguyên lý của phương án này

Kết cấu này bao gồm máy nén hướng trục nhiều cấp, động cơ diesel 4 kỳ và tuabinhướng trục nhiều cấp được nối đồng trục Aïp suất của khí nạp vào xi lanh động cơ đạt

Hình 2.4 Tăng áp bằng TB khí liên hệ khí thể 1- Máy nén; 2- Thiết bị làm mát; 3- Độngcơ; 4- Bình xả; 5- Tuabin.

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

Hình 2.5 Tăng áp TB khí có liên hệ thuỷ lựca) Cơ cấu nối có liên hệ thuỷ lực; b) Cơ cấu nối có liên hệ thuỷ lực

và tuabin 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; 1-

Động cơ; 2- Khớp thuỷ lực; 3,4- Cụm TB-MN dẫn động khí thể; 5-

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

Các phương án kết nối giữa động cơ đốt trong và cụm tuabin - máy nén cũng rấtphong phú Hình 2.5 trình bày các phương pháp kết nối này Trong đó, hình 2.5a làcách ghép nối thông dụng nhất, nó cho phép điều chỉnh chế độ tăng áp theo chế độ làmviệc của động cơ đốt trong Ngoài ra, còn có các phương pháp kết nối nhằm tận dụngnăng lượng khí xả như hình 2.5b,c

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 hệ thống hai tầng lắp nối tiếp thuận (hình 2.6.a), tầng thứ nhất là bộ "máynén tuốc bin" quay tự do và tầng thứ hai là máy nén truyền động cơ giới

Hệ thống tăng áp mà tầng thứ nhất là một máy nén thể tích hoặc máy nén ly tâm

do trục khuỷu dẫn động và tầng thứ hai là "máy nén tuốc bin khí" quay tự do được gọilà hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp ngược (hình 2.6b)

Trong động cơ tăng áp hỗn hợp lắp song song (hình 2.6c) người ta dùng một máynén dẫn động cơ giới hoặc dùng không gian bên dưới của xi lanh làm máy nén (trường

a

)

b)

c)

hợp động cơ có guốc trượt) cung cấp không khí cho động cơ, song song với bộ "máynén tuốc bin khí" quay tự do Như vậy, mỗi máy nén trong hệ thống chỉ cần cung cấpmột 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 câïp đồng thời nhờ hai máy nén, lưu lượng không khí qua mỗi máy nénđều nho.í Do đo,ï kích thước của mỗi máy nén đều nhỏ so với hệ thống tăng áp lắp nốitiếp

2.1.1.2 Các phương pháp tăng áp khác:

Trình bày phương pháp làm cho áp suất nạp vào động cơ đốt trong lớn hơn giá trịthông thường mà không cần dùng đến máy nén cũng như một số phương pháp tăng ápcao đang phổ biến trong thực tế

2.1.1.2.1 Tăng áp dao động và cộng hưởng

Người ta sử dụng sự dao động của dòng khí và tính cộng hưởng của dao động đểtăng áp suất của môi chất trong xi lanh lúc đóng xupap nạp

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

1

2

2 4

a) Tăng áp dao động: (Tăng áp quán tính) hình 2.7a

Quá trình diễn biến của áp suất trên đường ống trong quá trình nạp, thải nếu xemxét theo lý thuyết truyền sóng thì đó là quá trình dịch chuyển của sóng nén và sónggiãn nở

Do có sự dao động của áp suất trên đường nạp, thải của động cơ mà ở đó xuất hiệnquá trình truyền sóng (sóng áp suất và sóng tốc độ) Ở trạng thái tĩnh, tốc độ truyềnsóng a được xác định như sau :

trong đó: k- Chỉ số nén đoạn nhiệt; R- Hằng số chấtkhí; 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:

Sóng áp suất và sóng tốc độ cùng xuất hiện và cùng được truyền với tốc độ truyềnsóng a

Sóng phản xạ được chia làm hai loại: Phản xạ đầu kín và phản xạ đầu hở Sóngphản xạ đầu kín xuất hiện khi xupáp đóng kín Sóng phản xạ đầu hở xuất hiện khi sóngtruyền tới đầu hở

Sự dao động của áp suất môi chất trong đường ống nạp thực tế không phải do mộtsóng đơn giản tạo ra mà do hai họ sóng truyền theo chiều ngược nhau, nó là kết quảcủa việctương giao và hợp thành của sóng phát sinh ở đầu này tạo nên sóng phản xạ ởđầu kia Sóng khí thể cũng vậy, luôn tồn tại tính chồng chất và thường xuyên gặp nhauKhi gặp nhau, biên độ sóng bằng tổng biên độ của hai sóng, sau khi xuyên qua, tínhchất và biên độ của sóng không thay đổi, sóng nén vẫn là sóng nén và sóng giãn nởvẫn là sóng giãn nở

Hình 2.8 Tương giao của sónga- Tương giao của sóng dương, b- Tương giao của sóng âm c- Tương giao của sóngdương 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 nạpnên xuất hiện sự giãn nở trong ống nạp từ xi lanh ra đến đầu hở của ống có áp suấtbằng áp suất môi trường p0 Aïp suất môi trường có giá trị không đổi và lớn hơn áp suất

T R k

) , (

) , (

t x f v

t x f

p

=

=

trong xilanh nên xuất hiện quá trình chuyển động ngược lại của áp suất p0 từ ngoài vàoxilanh, đây chính là sóng nén (sóng áp dương) Nếu sóng nén truyền tới xupap màxupap 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 trongống Nhằm đạt được lưu lượng nạp cực đại, tạo điều kiện để đạt mômen lớn nhất ở mọichế độ vòng quay (Hình 2.9).

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

4 5 6 2

3

1

Tóm lại: Trong quá trình thay đổi môi chất thực tế, dòng chảy trong các ống

b) Hệ thống tăng áp cộng hưởng hình 2.7b, gồm: Bình ổn áp 1, ống cộng hưởng 2,bình cộng hưởng 4 được nối với các nhánh ống nạp Các nhánh này được phân nhómđảm bảo trình tự làm việc của các xilanh cùng một nhóm có góc lệch công tác tươngđối lớn (lớn hơn 240 độ góc quay trục khuỷu) Thường động cơ 6 xilanh được chia làm

2 nhóm và nối thông với bình ổn áp 1 Không khí nạp đi qua bầu lọc gió vào bình ổnáp 1 thông qua ống nối, rồi đi qua ống cộng hưởng 2 vào bình cộng hưởng 4, rồi đi vàoxilanh động cơ

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

cơ đời mới

2.1.1.2.2 Tăng áp trao đổi sóng áp suất

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.10 Giới thiệu sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ tăngáp bằng sóng khí của hãng BBC Thụy Sĩ

Hình 2.9 Nguyên lý của đường ống nạp có chiều dài thay đổi vô cấp

1- Động cơ; 2- Ôúng nạp hình xuyến; 3- Mặt ngoài cố định; 4- Mặt tang trống; 5- Cửa

trên mặt tang trống; 6- Tấm dẫn hướng

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng sóng khí1- Không khí thấp áp; 2- Dây đai; 3- Không khí cao áp ;4- Độngü cơ; 5- Khí thải cao

áp; 6- Khí thải thấp áp; 7- Rôto

Cấu tạo: Rôto 7 được trục khuỷu động cơ dẫn động qua đai truyền 2 Trên rôtocó nhiều tấm ngăn cách đường kính chạy dọc theo chiều dài rôto, tạo nên các rãnhthông dọc trục Đầu trái rôto nối với đường ống cao áp 3 và đường ống vào thấp áp 1của không khí vào động cơ, còn đầu phải nối với đường vào cao áp 5 và đường ra thấpáp 6 của khí thải Sau khi không khí thấp áp đi từ đường 1 vào rãnh thông, tiếp đó rôtoquay một góc nhất định thì đầu bên kia của rôto khí thải cao áp cũng đi vào rãnh thôngép không khí trong rãnh đến khi không khí ép ăn thông với đường nạp cao áp 3 củađộng cơ, thì không khí cao áp chạy ra đường 3 nạp vào động cơ, còn đầu bên kia củarãnh thông sản vật cháy sau khi giãn nở cũng được nối thông vào đường ống thải thấpáp để thải ra ngoài trời

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

Hình 2.11, là sơ đồ khai triển lớp cắt quanh chu vi tại bán kính trung bình của rôtovà 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 chuyểncủa các rãnh thông từ dưới lên trên

2 III IV

bằng sóng khí đơn giảnA- Bình góp khí xả; B- Bình góp không khí nén; C- Không khí cao áp; D- Không khíthấp áp; G- Khí xả cao áp; F- Khí xả thấp áp; 1- Đường thấp nhất; I, II, VII- Cácsóng khí

Chu trình của sóng áp suất bắt đầu từ 1 trên sơ đồ (từ đường thấp nhất trên hình2.11) Lúc đầu trong rãnh thông chứa đầy không khí mới, áp suất xấp xỉ bằng áp suấtkhí trời, hai đầu rãnh bịt kín, tức không khí ở dạng tĩnh lặng, lưu tốc bằng không Khíthải của động cơ chứa trong bình góp A Khi rôto quay, một rãnh thông nào đó ănthông với đường xả cao áp, thì sản vật cháy đi vào rãnh, tiếp xúc với không khí có sẵntrong trong rãnh và gây ra sóng nén I truyền sang phải với tốc độ âm thanh, làm tăngáp suất và nhiệt độ không khí và đẩy không khí chuyển dịch sang phải Các rãnh đượcchuyển dịch lên phía trên theo tốc độ U, vì vậy đường truyền sóng đi sang phải códạng nghiêng lên Khi sóng áp suất đi đến đầu bên phải thì rãnh ăn thông với đườngkhông khí cao áp Do áp suất tại cửa ra của đường không khí cao áp lớn hơn so vớisóng nén truyền tới từ đường thải nên sóng phản xạ của cửa mở vẫn là sóng nén, tức làsóng nén II truyền sang trái Tác dụng của sóng nén II là làm tăng áp suất không khítrong rãnh đạt tới giá trị bằng áp suất tại cửa ra đường không khí cao áp Lúc ấy khôngkhí nén từ rãnh đi ra đường cao áp tới bình góp khí nén B rồi từ đó đi vào động cơ E.Khi sóng nén II truyền tới đầu trái của rôto thì đường thải cao áp G vừa đóng (lúc sóngnén truyền sang trái, sản vật cháy và không khí truyền trong rãnh vẫn đi sang phải).Sản vật cháy, sau khi giãn nở, tạo sóng giãn nở III truyền tới đầu phải thì đường không

khí cao áp vừa đóng Sau đó, hai đầu rãnh được bịt kín, khí thải trong rãnh ở trạng tháitĩnh, không lưu động.

Các rãnh trên tiếp tục quay (dịch chuyển lên trên), tới khi mở thông với đường thảithấp áp thì khí thải trong rãnh thoát ra đường thải thấp áp tạo ra sóng giãn nở IV truyềnvào rãnh Khi sóng IV tới đầu phải thì rãnh cũng ăn thông với đường không khí thấpáp Do sóng giãn nở truyền tới có áp suất lớn hơn áp suất tại cửa vào của đường khôngkhí thấp áp, nên sóng phản xạ trên đầu hở của sóng giãn nở kể trên vẫn là sóng giãn nở

V Khi ấy dòng không khí trong rãnh đang lưu động sang trái Khi sóng V truyền tớiđầu trái, do áp suất của sóng giãn nở thấp hơn áp suất tại cửa ra của đường thải thấp ápnên sóng phản xạ VI sẽ là sóng nén Lúc ấy áp suất khí trong rãnh hơi tăng nhưng dòngkhí vẫn đi sang trái, nhưng lưu tốc hơi giảm Khi sóng VI tới đầu bên phải thì cửakhông khí thấp áp vừa đóng

Khi sóng phản xạ VII của sóng VI tới đầu trái, thì cửa thải thấp áp vừa đóng Lúcđó khí thể trong rãnh lại trở lại trạng thái tĩnh, không lưu động và xuất hiện chânkhông cục bộ Tiếp theo, rãnh chuyển dịch tới vị trí ăn thông với đường xả cao áp thìlại tiếp tục một chu trình mới Các sóng phản xạ, giãn nở và nén V-VII, tạo ra áp suấtdương ở đầu khí thải và áp suất âm ở đầu không khí nạp, khiến khí thải được thải rangoài và hút không khí mới từ không gian thấp áp vào rãnh

Như vậy, khi rôto quay, các rãnh trên hình 2.11 chuyển dịch lên trên sẽ lần lượt ănthông hoặc ngăn cách với các cửa của khí thải và của không khí, thấp và cao áp, trongcác rãnh sẽ xuất hiện một loạt sóng nén và sóng giãn nở có quy luật, nhờ đó trạng tháicủa không khí và của khí thải trong rãnh cũng được thay đổi theo một quy luật nhấtđịnh

∗ Ưu điểm nổi bật của loại tăng áp bằng sóng khí là áp suất tăng áp càng cao, khitốc độü 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 khuỷuđộng cơ dẫn động rôto tiêu thụ 1÷2% công suất động cơ, tiếng ồn lớn, tuổi thọ của rôtothấp nên chưa được sử dụng rộng rãi

2.1.1.2.3 Tăng áp tốc độ

Trong các động cơ đặt trên máy bay hoặc trên ôtô đua còn có thể sử dụng dòngkhông khí ngược với chiều chuyển động của máy bay và ôtô để làm tăng khối lượngmôi 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

- Tăng áp siêu cao

- Tăng áp chuyển dòng

a) Tăng áp hai cấp

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tăng áp hai cấp được biểu diễn trên hình 2.12 Ởđây có hai cụm TB-MN một áp suất cao, một áp suất thấp Với cách bố trí này có thểđạt được ưu điểm sau:

- Sử dụng được cụm TB-MN thông thường

- Cho phép tận dụng tốt hơn năng lượng khí xả nên khi cùng áp suất tăng áp, hiệusuất sẽ cao hơn so với tăng áp TB khí thông thường

- Khoảng làm việc TB rộng hơn, ít xảy ra trường hợp rơi vào vùng làm việc khôngổn định của cụm TB-MN

K

K

T

T

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý tăng áp 2 cấp

K- Máy nén T- Tuabin

- Tốc độ vòng của rôto nhỏ hơn

Nhược điểm cơ bản của tăng áp hai cấp là chiếm không gian lớn và gia tốc kém Vìtăng áp cao nên đòi hỏi phải có hệ thống phụ để giải quyết chế độ khởi động và làmviệc không tải

b) Tăng áp Miller

Sự tăng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ tác dụng lên các chi tiết của động cơ đốttrong ngay cả ở chế độ tải trọng nhỏ, đặc biệt khi tăng áp hai cấp đã hạn chế khả năngtăng áp suất cho động cơ đốt trong Cụm TB-MN cung cấp lưu lượng khí giảm khi chếđộ tải trọng nhỏ làm giảm hệ số dư lượng không khí dẫn đến tăng tải trọng nhiệt lênđộng cơ đốt trong Trong phương pháp tăng áp Miller, trạng thái của môi chất ở đầuquá trình nén được thay đổi nhờ có thay đổi thời gian đóng của xupáp nạp theo chế độcông tác của động cơ đốt trong Khi tải của động cơ đốt trong càng tăng, tỉ số tăng ápcàng tăng do năng lượng cấp cho TB-MN tăng, xupap nạp luôn có xu hướng đóng sớmhơn, thậm chí đóng trước cả điểm chết dưới Cuối hành trình, khi xupap nạp đóng,xilanh được điền đầy hoàn toàn bởi khí mới với áp suất tăng áp rất cao

Hình 2.13 Biểu diễn chu trình của động cơ 4 kỳ tăng áp bằng TB-MN thôngthường và phương pháp tăng áp Miller có điều kiện ban đầu là nhiệt độ của khí tăng ápbằng nhau Hình 2.14 biểu diễn sự thay đổi pha phối khí của xupap nạp theo tải trọng.Trong tăng áp bằng TB-MN thông thường quá trình nén bắt đầu ở điểm 1 có ápsuất p1, ở phương pháp tăng áp Miller, xupap nạp đóng sớm khi trong xilanh có áp suấttăng áp là p1’, sau đó khí nạp được giãn nở đến áp suất đầu nén p1

Xupáp xả Xupáp nạp mm

0TB-MN

43

P1'

P22

1

05

P

1'P

VHình 2.13 Đồ thị p-V của chu trình tăng áp bằng TB-MN thông thường và tăng áp

Miller

c) Tăng áp siêu cao:

Biện pháp tăng áp này được thực hiện cho động cơ diesel nhằm đáp ứng yêu cầu

đạt pe cao trong phạm vi rộng của số vòng quay trong khi vẫn cho khả năng gia tốc tốt

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 2.15

Đối với loại tăng áp siêu cao, phía trước TB có bố trí buồng đốt 7 Phụ thuộc vàochế độ làm việc của động cơ, một lượng nhiên liệu và không khí được đưa thêm vàobuồng đốt cùng với khí xả Không khí đưa thêm được trích từ máy nén, được điềuchỉnh để có số lượng thích hợp, đi qua một ống nhánh sau đó trộn với khí xả và đi vàobuồng đốt Phương pháp này có thể được sử dụng trong động cơ diesel có tỉ số nén rấtthấp (có thể ~7) và tỉ sôï tăng áp rất cao

Vì giá thành của hệ thống cao và tiêu hao nhiên liệu lớn, nên phạm vi sử dụng củahệ thống này chỉ hạn chế ở nơi mà cần trọng lượng nhỏ, kích thước nhỏ mà khả năngtăng tốc lớn

d) Tăng áp chuyển dòng

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của biện pháp tăng áp siêu cao1- Động cơ khởi động; 2- Làm mát khí tăng áp; 3- Ống vòng; 4- Bơm nhiên

liệu; 5- Bộ điều chỉnh; 6- Ống xả; 7- Buồng đốt; 8-Bộ đánh lử

Khi áp suất tăng áp cao người ta thường sử dụng TB đẳng áp vì nó có hiệu suất cao

ở chế độ làm việc định mức, nhưng ở các chế độ tải khác nó có nhiều nhược điểm, nhấtlà chế độ tải nhỏ của ĐCĐT Để khắc phục nhược điểm này, người ta bố trí nhiều bộtăng áp nhỏ làm việc theo chế độ lắp song song mà phạm vi hoạt động của chúng phụthuộc vào chế độ tải của động cơ Tăng áp chuyển dòng có thể là tăng áp một cấp hoặchai cấp như hình 2.16 Việc đóng hoặc mở TB phụ thuộc vào tải và số vòng quay củađộng cơ được điều khiển từ bên ngoài

2.1.1.2.5 So sánh ưu nhược điểm của hệ thống tăng áp có máy nén vàhệ thống tăng áp không có máy nén

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 tăngáp không có máy nén Vì thế các động cơ diezel 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 độthấp, điều này rất thích hợp với điều kiện làm việc của động cơ ô tô

2.1.2 Khảo sát các hệ thống nạp thải của động cơ tăng áp

2.1.2.1.Hệ thống nạp thải động cơ 4 kỳ

Tăng áp bằng tuabin khí xả đầu tiên được sử dụng cho động cơ 4 kỳ Đối với động

cơ diezel, vì để đáp ứng được nhu cầu về nâng cao công suất cho động cơ nên hầu hếttrên các động cơ diezel cỡ lớn của tàu thủy, động cơ diezel trên đầu máy xe lửa vàdiezel phát điện đều dùng hệ thống tăng áp Nhằm giải quyết vấn đề nạp khí ở các chếđộ khởi động và tải nhỏ, đảm bảo độ chênh áp suất đủ để nạp khí vào xilanh ở các chếđộ đối với động cơ 4 kỳ đơn giản hơn động cơ 2 kỳ nhờ có hành trình thải và tiêu thụkhông khí quét ít Nói chung sơ đồ nguyên lý tăng áp của các động cơ 4 kỳ giống

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý tăng áp chuyển dònga- Tăng áp chuyển dòng một cấp; b- Tăng áp chuyển dòng hai cấp;

T- Tua bin; C- Máy nén

b)

nhau, chỉ khác nhau một ít về kết cấu đường ống xả và có hoặc không có bầu làm mátkhông khí tăng áp.

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

- Tăng suất tiêu hao không khí và khí xả qua các xupap nạp, xả Để đảm bảo điềuđó, khi tăng áp cần phải tăng góc mở sớm và đóng muộn các xupap, tăng góc trùngđiệp Đối với động cơ không tăng áp góc trùng điệp khoảng 25÷500 góc quay trụckhuỷu Khi tăng áp bằng tuabin khí xả, để đảm bảo quét khí, góc trùng điệp được tănglên đến 100÷1400 góc quay trục khuỷu Các pha phân phối được lựa chọn ứng với chếđộ làm việc lâu dài nhất của động cơ

- Có độ chênh áp giữa áp suất không khí tăng áp Ps và áp trên đường ống xả (ápsuất trước tuabin) Nhờ độ chênh áp suất nên trong thời kỳ trùng điệp đảm bảo quétsạch buồng cháy, do vậy hệ số khí sót giảm đến giá trị γ r = 0,01÷0,02, làm tăng hệ sốnạp và hệ số dư lượng không khí, cải thiện được chất lượng cháy, giảm suất tiêu haonhiên liệu, ứng suất nhiệt động cơ Hình 2.17, giới thiệu sơ đồ mô tả sự thay đổi cácthông số hệ thống tăng áp diezel 4 kỳ theo tải như sau:

a

Hình 2.17 Sự thay đổi các thông số tăng áp động cơ diezel 4 kỳ theo tải

Px, tx- Aïp suất, nhiệt độ khí xả; Ps- Aïp suất không khí nạpTừ hình 2.17, thấy rõ độ chênh áp suất tăng nhanh (Ps-Px) khi tải động cơ tăng Khigiảm tải độ chênh lệch áp suất (Ps-Px) giảm xuống Khi tải của động cơ 4 kỳ khoảng

30÷50% tải định mức, áp suất tăng áp bằng áp suất khí xả trước tuabin (điểm a) Tạithời điểm này không diễn ra quá trình quét Khi tiếp tục giảm tải, áp suất tăng áp béhơn áp suất khí sau xupap xả, nên xảy ra hiện tượng dồn ngược khí xả vào xilanh vàđường ống nạp không khí tăng áp

Dẫn khí xả tới tuabin theo đường ống xả riêng Trong trường hợp nối các ống xảcủa tất cả các xilanh với 1 đường ống xả chính thì khi áp suất tăng áp thấp (dưới200KPa) xung áp suất ngăn cản quét các xilanh khác và là nguyên nhân dồn ngược khíxả vào các xilanh Nối các ống xả của các xilanh với các đường ống riêng sẽ ngăn ngừađược hiện tượng này và đảm bảo độ chênh áp suất (P-P) và tạo quá trình quét bình

Ps, Px

20

40

60

Ne, %0

200

400

600

tx,

C

0

txPsPx

Trong động cơ 4 kỳ 6 xilanh tăng áp bằng tuabin khí xả được dẫn tới TB thông qua

hai đường ống xả chính, mỗi ống xả chính được nối với ống xả của ba xilanh Trên đồthị hình 2.18, đường liền biểu diễn đặc tính thay đổi áp suất px trong đường ống xảchính thứ nhất, đường ống này được nối với các ống xả xilanh 1, 4, 5 còn đường nét đứtlà đặc tính thay đổi áp suất trong đường ống xả chính thứ hai, ống này nối với các ốngxả xilanh 2, 3, 6 Phía dưới là thứ tự và khoảng thời gian mở các xupap xả A và xupapnạp B của các xilanh Ôúng xả các xilanh được nối với một trong hai đường ống xảchính Trên đồ thị hình 2.18 còn thấy rõ, sau khi giảm xung áp suất khí xả của xilanh 1đến thời điểm mở trùng điệp xupap nạp, xả (bắt đầu quét trong xi lanh 1) thì quá trìnhxả và tăng xung áp suất của xilanh 3 bắt đầu Nếu ống xả xilanh 3 nối với đường ốngxả chung thì trong thời kì trùng điệp xảy ra hiện tượng dồn ngược khí xả vào xilanh 1.Nhờ ống xả xilanh 3 nối với ống xả chính thứ hai nên xung áp suất do xilanh 3 tạo rakhông cản trở quá trình quét trong xilanh 1 Trong thời kì trùng điệp, độ giảm áp trongxilanh 1 và trong đường ống xả chính đảm bảo độ chênh áp suất (Ps-Px) đủ để quét(diện tích gạch chéo)

Nguyên tắc nối ống xả của các xilanh với đường ống xả chính là nối các ống xả củacác xilanh làm việc cách nhau theo thứ tự làm việc của xilanh Đối với động cơ dieseltàu thủy 4 kỳ một hàng xilanh thường bố trí 2-4 ống xả chính Các ống xả của 2-3xilanh nổ cách 1-2 xilanh theo thứ tự nổ được nối với một đường ống xả chính

Hình 2.18 Sự thay đổi áp suất môi chất trong đường ống nạp và xả theo góc

quay trục khuỷu

- Góc trùng điệp; A- Góc mở xupap xả; B- Góc mở xupap nạp; pxtb-Aïp suất khí

xả trung bình; ps- Aïp suất không khí trong đường nạp

Hình 2.19 Sơ đồ kết cấu tăng áp động cơ 4 kỳ1- Rôto TBMN; 2- Vỏ TBMN; 3- Cửa nạp máy nén; 4- Máy nén5- Bộ làm mát không khí tăng áp; 6- Ôúng nạp; 7,8- Xupáp nạp, xả; 9- Ôúng xả.Trong hình 2.19 Giới thiệu sơ đồ tăng áp tuabin khí xả động cơ 4 kỳ, không khímôi trường xung quanh được nạp vào máy nén 4 qua cửa nạp 3, được nén và cấp vàobình chứa 6 thông qua bầu làm mát không khí 5, từ đó nạp vào xilanh động cơ quaxupap nạp 7 Làm mát không khí tăng áp để tăng khối lượng không khí nạp (tăng bổsung công suất động cơ), giảm ứng suất nhiệt.

2.1.2.2.Hệ thống nạp thải động cơ 2 kỳ

Tăng áp tuabin khí xả trong các động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ bắt đầu sử dụng muộnhơn 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 đặcbiệt của nó Đêí đảm bảo quá trình trao đổi khí và làm việc tốt, các động cơ diesel tàuthủy 2 kỳ đều được tăng áp bằng tuabin khí hoặc tăng áp hỗn hợp

2.1.2.2.1 Tính đặc biệt của tăng áp động cơ 2 kỳ

Các tính đặc biệt sau đây của động cơ 2 kỳ gây khó khăn cho việc sử dụng tăng áptuabin 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 suấtkhí xả trong đường ống xả (Ps-Px) trong tất cả các chế độ tải của động cơ Đối với động

cơ 4 kỳ, nhờ có hành trình xả và nạp đảm bảo xả được hầu hết sản vật cháy ra khỏixilanh và nạp vào xilanh đủ khối lượng không khí ở các chế độ làm việc bất kỳ Đốivới động cơ 2 kì, nếu ở 1 chế độ làm việc nào đó áp suất tăng áp thấp hơn áp suất khítrong đường ống xả thì chu trình công tác không thể thực hiện được khả năng quét vàkhông nạp vào xilanh đủ lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu Để đảm bảoquét và nạp không khí vào xilanh, áp suất tăng áp cần phải cao hơn áp suất khí trongtrường hợp ống xả ở tất cả các chế độ tải, do vậy tiêu tốn công suất bổ sung để nénkhông khí đến áp suất cao

- Để đảm bảo chất lượng trao đổi khí trong động cơ 2 kỳ, yêu cầu hệ số quét lớnhơn so với động cơ 4 kỳ Hệ số quét của động cơ 2 kỳ ϕa= 1,45÷1,65; trong khi đó củađộng cơ 4 kỳϕâ= 1,07÷1,35 Để tăng hệ số dư lượng không khí quét cần tăng lượngkhông 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 củađộng cơ 2 kỳ thấp hơn Đối với động cơ 2 kỳ ở chế độ định mức, nhiệt độ khí xả nằmtrong giới hạn 350÷4500C Còn với động cơ 4 kỳ, có thể đạt 450÷5000C Nguyên nhângiảm nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ là do lượng không khí quét lớn Giảm nhiệt độ

Như vậy, tăng công suất động cơ 2 kỳ bằng cách sử dụng tuabin khí xả phức tạphơn so với động cơ 4 kỳ vì công suất tuabin nhỏ nhưng hệ thống tăng áp cần phải cấplượng không khí lớn hơn và có áp suất cao hơn Hiệu số giữa công suất cần thiết tạimáy nén để cấp không khí với công suất do tuabin sinh ra có khi đạt tới (4-6)% côngsuất chỉ thị của động cơ.

- Tăng áp động cơ 2 kỳ làm tăng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ

2.1.2.2.2 Một số sơ đồ tăng áp động cơ 2 kỳ

Do động cơ hai kỳ có nhiều dạng sơ đồ trao đổi khí nên khi chuyển chúng sangtăng áp cũng có nhiều dạng sơ đồ tăng áp (Hình 2.20)

Sơ đồ trao đổi khí thích hợp nhất để tăng áp tuabin khí xả là sơ đồ quét thẳng quaxupap Đối với loại động cơ này, chất lượng trao đổi khí vẫn đảm bảo khi giá trị hệ số

dư lượng không khí quét nhỏ Công suất tuabin đủ để dẫn động máy nén cấp lượngkhông khí có độ chênh áp suất đảm bảo ở các chế độ làm việc của động cơ

Hình 2.20 Một số sơ đồ tăng áp động cơ 2 kỳa- Sơ đồ tăng áp biến áp; b- Sơ đồ tăng áp tuốc bin khí xả 1 cấp đẳng áp; c- Sơ đồ tăngáp liên hợp có nén không khí bổ sung trong các máy nén piston; d- Sơ đồ tăng áp liênhợp có nén không khí bổ sung trong các máy nén piston có bố trí làm mát không khítăng áp hai cấp; e- Sơ đồ tăng áp biến áp có trang bị các van lá trên các ống xả; f- Sơđồ tăng áp đẳng áp, quét khí qua thành xi lanh; k- Sơ đồ tăng áp liên hợp có khoangdưới piston làm việc song song với máy nén ly tâm; l- Sơ đồ tăng áp liên hợp cókhoang dưới piston làm viẹc nối tiếp với máy nén ly tâm.1- Máy nén; 2- Tuabin; 3-Xilanh; 4- Ống nạp; 5- Bầu làm mát không khí tăng áp; 6- Ống xả; 7- Máy nén piston;

8- van lá

Sơ đồ tăng áp tuabin biến áp của động cơ có sơ đồ trao đổi khí quét thẳng quaxupap (hình 2.20a) được dùng cho các động cơ của hãng B&W, STORK,MITSUBISHI Khí xả từ xilanh 3 theo đường ống xả ngắn có tiết diện ngang bé đượcdẫn tới ống phun tuabin khí 2 (khí từ 2-3 xilanh dẫn đến tuabin) Máy nén ly tâm 1được tuabin 2 dẫn động, cấp không khí vào bình chứa 4 qua bầu làm mát không khí 5

Tại đây không khí được làm mát bằng nước ngoài tàu Nhờ mở sớm các xupap xả

(85-900) và sử dụng năng lượng xung và lượng không khí nạp đủ ở chế độ làm việc củađộng cơ Khi khởi động, rôto máy nén tuabin bắt đầu quay nhờ xung của khí khởi độngxả ra qua các xupap xả Tuy nhiên, khi tăng áp suất tăng áp (ps>200kPa), tăng áp biếnáp không ưu việt bằng tăng áp đẳng áp

Khi chế tạo động cơ mới có áp suất tăng áp cao, các hãng MAN, B&W dùng sơ đồtăng áp tuabin khí xả 1 cấp đẳng áp (hình 2.20b) Khi tăng áp suất tăng áp, sơ đồ tăngáp đẳng áp ưu việt hơn so với tăng áp biến áp nhờ hệ thống dẫn khí tới tuabin đơn giảnhơn, hiệu suất tuabin máy nén và hiệu suất chỉ thị động cơ tăng lên Tăng hiệu suấttuabin máy nén nhờ suất tiêu hao khí không thay đổi, dòng khí đi vào các cánh củathiết bị phun không gây va đập Do đóï giảm tổn thất so với khi dẫn dòng khí xung tớituabin

Nạp khí vào xilanh ở các chế độ nhỏ tải và chế độ khởi động của động cơ được đảmbảo nhờ các máy nén dẫn động điện (quạt gió), khi tăng tải và khi đạt được độ chênháp suất dương (ps-px) chúng tự động ngắt Sơ đồ tăng áp tương tự hình 2.20c cũng dùngcho các động cơ Sunzer RTA Sơ đồ tăng áp liên hợp có nén không khí bổ sung trongcác máy nén piston (hình 2.20c) dùng cho động cơ GOTAVERKEN có sơ đồ trao đổikhí quét thẳng qua xupap và có hệ thống dẫn khí đẳng áp tới tuabin Các ống xả của tấtcả các xilanh được nối với một ống xả chính (ống góp) 6, từ đó khí xả có áp suất khôngđổi được dẫn đến tuabin 2, không khí tăng áp sau khi được nén trong máy nén ly tâm 1và được làm mát trong bầu làm mát không khí 5 được nén bổ sung trong máy nénpiston 7 và cấp vào bình chứa 4 Các máy nén piston do trục khuỷu động cơ dẫn động Trong sơ đồ tăng áp của động cơ Sunzer RD (hình 2.20e), khí xả có áp suất thayđổi được dẫn tới tuabin Các ống xả của các xilanh có trang bị các van lá 8 nên tránhđược các tổn thất khí nạp lúc bắt đầu nén và tổn thâït khí quét tăng áp do phần dẫnhướng ngắn khi piston ở ĐCT Không khí tăng áp từ máy nén ly tâm 1 qua bầu làmmát 5 nạp vào bình chứa 4 Khi piston đi lên, không khí được nạp vào khoang dướipiston Khi piston mở các cửa quét, áp suất sản vật cháy trong xi lanh lớn hơn áp suấtkhông khí tăng áp trong bình chứa nhưng áp suất không khí sau khi piston nén bổ sunglớn hơn áp suất khí xả nên tránh được dồn khí xả ngược lại và đảm bảo quá trình cháytốt

Các động cơ Sunzer RND so với loại RD, áp suất tăng áp cao hơn và sử dụng hệthống tăng áp đẳng áp (hình 2.20f) Các ống xả được nối với ống xả chính 6, từ đó khíxả có áp suất không đổi được dẫn tới tuabin khí 2 Trên các ống xả không bố trí cácvan lá Phần dẫn hướng của piston được chế tạo dài để khi piston ở ĐCT đậy kín cáccủa xả và tránh được rò lọt không khí tăng áp vào ống xả

Trong các kết cấu trước đây, loại động cơ MAN sử dụng tăng áp liên hợp vớidòng khí xả cấp cho tuabin có áp suất không đổi và có sơ đồ nối với khoang dướipiston nối tiếp - song song Khoang dưới piston một số xilanh làm việc song song vớimáy nén ly tâm, nén không khí môi trường và nạp vào bình chứa (hình 2.20k) Đối với

nén bổ sung không khí sau máy nén ly tâm (hình 2.20l) Lượng không khí từ bình chứachung qua các van cạnh trên vách chắn giữa các bình chứa được dẫn tới các bình chứacủa từng xilanh.

2.1.3 Đặc tính của TUABIN - MÁY NÉN:

2.1.3.1 Đặc tính của máy nén:

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

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 kgkhí đi qua bánh công tác như sau:

kg Nm C

U C U m

L

k

lt = = 2 2 ± 1 1 , / (2.3)Trong đó: L- Công cung cấp tương ứng với lượng khí mk (kg)

U1, U2- Tốc độ vòng ở cửa vào và cửa ra (hình 2.21)

C1u, C2u- Tốc độ tuyệt đối theo phương tiếp tuyến;

ht- Công lý thuyết cần thiết cấp cho 1 kg chất khí hay còn gọi là độ caocung cấp lý thuyết (bỏ qua ma sát, không có sự va đập và tách dòng giữa dòng chảyvới cánh)

Công thức (2.3) trên có dấu trừ khi α <900 và có dấu cộng khi α >900

Hình 2.21 Tam giác tốc độ của bánh công tác máy nén ly tâm

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

MN dùng để tăng áp cho ĐCĐTnên khối lượng khí nạp vào động cơ (hay lưu lượngđầu ra của MN) là đáng quan tâm nhất Hình 2.22 giới thiệu đặc tính cung cấp của MN

ly tâm Đặc tính này biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng khối lượng và tỉ số tăng ápsuất ở cửa ra với cửa vào của MN p1/p0 khi tốc độ vòng quay của rôto không đổi

Hình 2.22 Đặc tính của máy nén ly tâm

P0, p1 - Áp suất trước và sau của MN

ω - Tốc độ góc của rôto

mk- Lưu lượng khối lượng của MN

u- Tốc độ vòng

g- Gia tốc trọng trường

Trong hình 2.22, đường thẳng biểu diễn đặc tính lý thuyết của MN ly tâm khi coisố cánh là vô cùng và bỏ qua tổn thất của khí khi đi qua MN

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, vỏí 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 (hình 2.22).Dựa vào đường cong này có thể dễ dàng nhận thấy rằng khi độ chênh áp suất trước vàsau MN bằng không, tức là p1/p0 = 1 thì lưu lượng qua MN lớn nhất

Trong thực tế, vùng làm việc của MN nằm trong giới hạn ổn định là vùng ứng vớilưu lượng nhỏ (hình 2.23), vùng còn lại (phía lưu lượng lớn) không được sử dung trongthực tế

Hình 2.23 Đặc tính làm việc của MNNgoài ra, còn cần phải chú ý đến sự nóng lên của khí khi đi qua MN Sự tăng nhiệtđộ khí sau MN phụ thuộc vào hiệu suất đoạn nhiệt của MN, tức là phụ thuộc vào tỷ sốgiữa công của chu trình đoạn nhiệt (dt AB’V’V0) và công để thực hiện quá trình nénthực tế (dt ABV1V0 hoặc dt AB’’V’’V0) (hình 2.24)

Hình 2.24 Đồ thị biểu diễn quá trình nén lý thuyết của khí lý tưởng

Hiệu suất MN cũng chính là tỉ số của độ chênh nhiệt độ khi nén đoạn nhiệt (∆T đoạn nhiệt) với độ chênh nhiệt độ khi nén thực tế (∆T thực tế) Để giảm sự nóng lêncủa 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 (hình 2.23), ứng với tốc độ vòng quay khác nhau, còn chothấy 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