b) Động cơ tăng âp bằng tuabin khí
GHÉP NỐI TIẾP THUẬN
PT1 1 PK GHÉP SONG SONG GHÉP NỐI TIẾP NGHỊCH 6 PT' 2 3 4 5 5 1 PT PK 2 6 PT' 4 3 5 5 P0,T0 PT 1 PK 2 PT' 4 3 P0,T0 6 P0,T0 7 P0,T0
(trường hợp động cơ có guốc trượt) cung cấp không khí cho động cơ, song song với bộ "mây nĩn tuốc bin khí" quay tự do. Như vậy, mỗi mây nĩn trong hệ thống chỉ cần cung cấp một phần không khí nĩn văo bình chứa chung.
Ưu điểm chủ yếu của hệ thống tăng âp lắp song song lă khí tăng âp nạp văo động cơ được cung cấp đồng thời nhờ hai mây nĩn, lưu lượng không khí qua mỗi mây nĩn đều nhỏ. Do đó, kích thước của mỗi mây nĩn đều nhỏ so với hệ thống tăng âp lắp nối tiếp.
Về mặt cấu tạo thì hệ thống tăng âp hỗn hợp phức tạp hơn nhiều so với câc hệ thống truyền động cơ giới vă tăng âp tua bin khí, vì trong thiết bị tăng âp có 2 mây nĩn, mặt khâc bình chứa không khí nĩn chung cũng phức tạp hơn. Vì vậy, chỉ trong câc trường hợp đặc biệt ví dụ cần đạt được Pk tương đối lớn, cần có tính năng tăng tốc tốt hoặc đảm bảo chất lượng lăm việc tốt trong mọi chế độ lăm việc của động cơ người ta mới dùng hệ thống tăng âp hỗn hợp.
4.1.3.Câc phương phâp tăng âp khâc
Phương phâp lăm cho âp suất nạp văo động cơ đốt trong lớn hơn giâ trị thông thường mă không cần dùng đến mây nĩn cũng như một số phương phâp tăng âp cao đang phổ biến trong thực tế.
Tăng âp dao động vă cộng hưởng
Người ta sử dụng sự dao động của dòng khí vă tính cộng hưởng của dao động để tăng âp suất của môi chất trong xy lanh lúc đóng xupap nạp. Quâ trình đóng vă mở một câch có chu kỳ của câc xupâp kích thích sự dao động của dòng khí. Sự dao động của âp suất tại mỗi vị trí trín đường chuyển động của khí thay đổi theo thời gian, sự thay đổi năy phụ thuộc văo pha vă tần số của ĐCĐT cũng như thời gian
đóng mở của xupâp. Do vậy, sự dao động năy có thể lăm tăng hoặc giảm lượng môi chất nạp văo xy lanh theo pha vă tần số dao động của ĐCĐT.
Theo phương phâp tăng âp năy công nạp của piston được chuyển hóa thănh năng lượng động học của cột khí vă chính năng lượng năy sẽ chuyển hóa thănh công nĩn lăm tăng âp suất trong xy lanh cuối quâ trình nạp.
Hình 4-7 Sơ đồ tăng âp dao động vă cộng hưởng
a) Tăng âp dao động: 1-Hộp phđn phối; 2-Ống dao động; 3-Xy lanh
b) Tăng âp cộng hưởng: 1-Bình ổn ốp; 2-Ống cộng hưởng; 3-Xy lanh; 4-Bình cộng hưởng
• Tăng âp dao động (tăng âp quân tính) Hình 4-7a
Quâ trình diễn biến của âp suất trín đường ống trong quâ trình nạp, thải nếu xem xĩt theo lý thuyết truyền sóng thì đó lă quâ trình dịch chuyển của sóng nĩn vă sóng giên nở.
Do có sự dao động của âp suất trín đường nạp, thải của động cơ mă ở đó xuất hiện quâ trình truyền sóng (sóng âp suất vă sóng tốc độ). ở trạng thâi tĩnh, tốc độ truyền sóng a được xâc định như sau :
Trong đó: k- Chỉ số nĩn đoạn nhiệt; R- Hằng số chất khí; T- Nhiệt độ tuyệt đối.
Sự biến thiín của âp suất vă tốc độ phụ thuộc văo thời gian, vị trí theo quan hệ: 3 3 2 1 2 1 4 a) b) kRT a=
Sóng âp suất vă sóng tốc độ cùng xuất hiện vă cùng được truyền với tốc độ truyền sóng a.
Sóng phản xạ được chia lăm hai loại: Phản xạ đầu kín vă phản xạ đầu hở. Sóng phản xạ đầu kín xuất hiện khi xupâp đóng kín. Sóng phản xạ đầu hở xuất hiện khi sóng truyền tới đầu hở.
Sự dao động của âp suất môi chất trong đường ống nạp thực tế không phải do một sóng đơn giản tạo ra mă do hai họ sóng truyền theo chiều ngược nhau, nó lă kết quả của việc tương giao vă hợp thănh của sóng phât sinh ở đầu năy tạo nín sóng phản xạ ở đầu kia. Sóng khí thể cũng vậy, luôn tồn tại tính chồng chất vă thường xuyín gặp nhau
Khi gặp nhau, biín độ sóng bằng tổng biín độ của hai sóng, sau khi xuyín qua, tính chất vă biín độ của sóng không thay đổi, sóng nĩn vẫn lă sóng nĩn vă sóng giên nở vẫn lă sóng giên nở.
• Hệ thống tăng âp cộng hưởng Hình 4-7b
Gồm: Bình ổn âp 1, ống cộng hưởng 2, bình cộng hưởng 4 được nối với câc nhânh ống nạp. Câc nhânh năy được phđn nhóm đảm bảo trình tự lăm việc của câc xilanh cùng một nhóm có góc lệch công tâc tương đối lớn (lớn hơn 240 độ góc quay trục khuỷu). Thường động cơ 6 xilanh được chia lăm 2 nhóm vă nối thông với bình ổn âp 1. Không khí nạp đi qua bầu lọc gió văo bình ổn âp 1 thông qua ống nối, rồi đi qua ống cộng hưởng 2 văo bình cộng hưởng 4, rồi đi văo xilanh động cơ.
) , (x t f p= ) , (x t f v=
Hiện nay, việc tăng âp cho động cơ bằng phương phâp cộng hưởng chưa được phổ biến vì kết cấu đường ống nạp phức tạp, giâ thănh cao, chỉ được sử dụng trín động cơ đời mới.
Tăng âp trao đổi sóng âp suất
Giới thiệu sơ đồ cấu tạo vă nguyín tắc hoạt động của động cơ tăng âp bằng sóng khí của hêng BBC Thụy Sĩ được biểu diễn ở Hình 4-8
Hình 4-8 Sơ đồ hệ thống tăng âp bằng sóng khí 1. Không khí thấp âp; 2- Dđy đai; 3- Không khí cao âp ;4- Động cơ; 5- Khí thải cao âp; 6- Khí thải thấp âp; 7- Rôto.
∗ Ưu điểm nổi bật của loại tăng âp bằng sóng khí lă âp suất tăng âp căng cao, khi tốc độ động cơ căng thấp, nhờ đó động cơ sẽ có mômen lớn tại tốc độ thấp.
∗ Nhược điểm của loại năy lă thiết bị cồng kềnh chiếm không gian lớn, trục khuỷu động cơ dẫn động rôto tiíu thụ 1÷2% công suất động cơ, tiếng ồn lớn, tuổi thọ của rôto thấp nín chưa được sử dụng rộng rêi.
Trong câc động cơ đặt trín mây bay hoặc trín ôtô đua còn có thể sử dụng dòng không khí ngược với chiều chuyển động của mây bay vă ôtô để lăm tăng khối lượng môi chất nạp văo động cơ. Phương phâp năy được gọi lă phương phâp tăng âp tốc độ. Hiện nay, phương ân năy ít được sử dụng nín chỉ giới thiệu sơ lược như trín.
Tăng âp cao
Để đạt được tăng âp cao vă trânh được một số hạn chế do tăng âp gđy ra, người ta thực hiện câc phương phâp tăng âp sau:
. Tăng âp hai cấp. . Tăng âp Miller. . Tăng âp siíu cao. . Tăng âp chuyển dòng.
Tăng âp hai cấp.
Sơ đồ nguyín lý của phương phâp tăng âp hai cấp được biểu diễn trín Hình 4- 9. Ở đđy có hai cụm TB-MN một âp suất cao, một âp suất thấp. Với câch bố trí năy có thể đạt được ưu điểm sau:
- Sử dụng được cụm TB.MN thông thường.
- Cho phĩp tận dụng tốt hơn năng lượng khí xả nín khi cùng âp suất tăng âp, hiệu suất sẽ cao hơn so với tăng âp TB khí thông thường.
- Khoảng lăm việc TB rộng hơn, ít xảy ra trường hợp rơi văo vùng lăm việc không ổn định của cụm TB-MN.
Hình 4-9 Sơ đồ nguyín lý tăng âp 2 cấp K- Mây nĩn T- Tuabin K K T T
- Tốc độ vòng của rôto nhỏ hơn.
Nhược điểm cơ bản của tăng âp hai cấp lă chiếm không gian lớn vă gia tốc kĩm. Vì tăng âp cao nín đòi hỏi phải có hệ thống phụ để giải quyết chế độ khởi động vă lăm việc không tải.
Tăng âp Miller.
Sự tăng ứng suất nhiệt vă ứng suất cơ tâc dụng lín câc chi tiết của động cơ đốt trong ngay cả ở chế độ tải trọng nhỏ, đặc biệt khi tăng âp hai cấp đê hạn chế khả năng tăng âp suất cho động cơ đốt trong. Cụm TB.MN cung cấp lưu lượng khí giảm khi chế độ tải trọng nhỏ lăm giảm hệ số dư lượng không khí dẫn đến tăng tải trọng nhiệt lín động cơ đốt trong. Trong phương phâp tăng âp Miller, trạng thâi của môi chất ở đầu quâ trình nĩn được thay đổi nhờ có thay đổi thời gian đóng của xupâp nạp theo chế độ công tâc của động cơ đốt trong. Khi tải của động cơ đốt trong căng tăng, tỉ số tăng âp căng tăng do năng lượng cấp cho TB.MN tăng, xupap nạp luôn có xu hướng đóng sớm hơn, thậm chí đóng trước cả điểm chết dưới. Cuối hănh trình, khi xupap nạp đóng, xilanh được điền đầy hoăn toăn bởi khí mới với âp suất tăng âp rất cao.
Biện phâp tăng âp năy được thực hiện cho động cơ diesel nhằm đâp ứng yíu cầu đạt pe cao trong phạm vi rộng của số vòng quay trong khi vẫn cho khả năng gia tốc tốt. Sơ đồ nguyín lý được thể hiện trín Hình 4-10.
Đối với loại tăng âp siíu cao, phía trước TB có bố trí buồng đốt 7 phụ thuộc văo chế độ lăm việc của động cơ, một lượng nhiín liệu vă không khí được đưa thím văo buồng đốt cùng với khí xả. Không khí đưa thím được trích từ mây nĩn, được điều chỉnh để có số lượng thích hợp, đi qua một ống nhânh sau đó trộn với khí xả vă đi văo buồng đốt. Phương phâp năy có thể được sử dụng trong động cơ diesel có tỉ số nĩn rất thấp (có thể ~7) vă tỉ số tăng âp rất cao.
Vì giâ thănh của hệ thống cao vă tiíu hao nhiín liệu lớn, nín phạm vi sử dụng của hệ thống năy chỉ hạn chế ở nơi mă cần trọng lượng nhỏ, kích thước nhỏ mă khả năng tăng tốc lớn.
Tăng âp chuyển dòng
Khi âp suất tăng âp cao người ta thường sử dụng TB đẳng âp vì nó có hiệu suất cao ở chế độ lăm việc định mức, nhưng ở câc chế độ tải khâc nó có nhiều nhược điểm, nhất lă chế độ tải nhỏ của ĐCĐT. Để khắc phục nhược điểm năy, người ta bố trí nhiều bộ tăng âp nhỏ lăm việc theo chế độ lắp song song mă phạm vi hoạt động của chúng phụ thuộc văo chế độ tải của động cơ. Tăng âp chuyển dòng có thể lă tăng âp một cấp hoặc hai cấp. Việc đóng hoặc mở TB phụ thuộc văo tải vă số vòng quay của động cơ được điều khiển từ bín ngoăi.
Hình 4-11 Hệ thống nạp thải động cơ AMZ 236 1-Xupâp thải; 2- Xupâp nạp; 3-Cổ góp nạp; 4-Ống nạp; 5-Piston; 6-Cổ góp thải; 7-Bầu lọc; 8-Đường ống thải.
4.2.1.Hệ thống nạp động cơ AMZ 236
Khi trục khuỷu quay thanh truyền lăm cho piston chuyển dịch từ ĐCT xuống ĐCD, cơ cấu phđn phối khí mở thông đường qua xupâp nạp, nối không gian bín trín piston với đường ống nạp. Cùng với mức tăng tốc độ của piston, âp suất môi chất trong xilanh cũng trở lín nhỏ dần so với âp suất môi chất trín đường nạp pk. Chính lệch âp suất kể trín tạo nín quâ trình nạp môi chất mới từ đường ống nạp văo xilanh.
Quâ trình nạp trong câc xilanh động cơ được thực hiện khi piston đi từ ĐCT đến ĐCD. Xupap nạp mở với góc mở sớm 200, góc đóng muộn xupap nạp 460. Sơ đồ pha phối khí kỳ nạp của động cơ AMZ 236 thể hiện trín Hình 4-12
Hình 4-12 Sơ đồ pha phối khí kỳ nạp 1 2 3 6 8 5 4 7 200
Đặc điểm kết cấu câc bộ phận trong hệ thống nạp:
Bầu lọc không khí: Gồm hai phần nối liín kết nhau. Không khí từ môi trường
ngoăi đi văo bầu lọc có chứa dầu để giữ lại những chất bẩn có trọng lượng lớn sau đó không khí lọc tiếp tục đi qua lọc thấm. Tại đđy, hầu hết câc loại bụi bẩn được giữ lại, vì thế đảm bảo khí nạp đủ sạch để cung cấp cho động cơ, nhằm đảm bảo cho động cơ lăm việc tin cậy vă nđng cao được tuổi thọ của câc chi tiết.
Đường ống nạp: Hình dâng, kích thước, kết cấu của đường ống nạp có ảnh
hưởng rất lớn đến hệ số nạp, bởi vì nếu xĩt riíng về lực cản thì tiết diện của đường ống nạp căng lớn thì lực cản khí nạp sẽ căng nhỏ, đảm bảo cho động cơ lăm việc tốt, hiệu quả tăng âp cao. Do vậy, đường ống nạp phải có kết cấu phù hợp sao cho trở lực của đường ống lă nhỏ nhất.
Câc nhânh ống nạp đến xi lanh: Để đảm bảo lượng không khí nạp được đồng
đều văo câc xilanh động cơ thì kích thước, kết cấu, hình dâng vă tiết diện của câc nhânh ống nạp đến câc xilanh phải hợp lý với vị trí từng xilanh so với khoang nạp chung trín động cơ.
Xupap nạp: Trong hệ thống nạp của động cơ, tại nấm xupap nạp lă nơi có tiết
diện lưu thông dòng không khí nạp nhỏ nhất nín trở lực lă lớn nhất. Tăng đường kính xupap nạp sẽ mở rộng được tiết diện lưu thông qua xupap, nhưng lại bị hạn chế bởi vị trí cấu tạo của xupap, vă kích thước của xilanh. Kích thước của xupap nạp của động cơ AMZ 236 lớn hơn kích thước của xupap xả vì trong biểu thức tính hệ số nạp thì ảnh hưởng của âp suất đầu kỳ nạp lớn hơn ảnh hưởng của âp suất cuối kỳ thải.
4.2.2.Hệ thống thải động cơ AMZ 236
Thực hiện quâ trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh. Piston chuyển dịch từ ĐCD lín ĐCT đẩy khí thải từ xilanh qua xupâp thải đang mở văo ống thải. Do âp
suất môi chất trong xilanh cuối kỳ chây giên nở khâ cao nín xupâp xả phải bắt đầu mở ở cuối kỳ giên nở khi piston còn câch ĐCD khoảng 400÷600 góc quay trục khuỷu. Nhờ đó giảm được lực cản đối với chuyển động của piston trong kỳ xả va cải thiện việc quĩt sạch khí thải ra khỏi xilanh động cơ.
Quâ trình thải trong xilanh động cơ được thực hiện khi piston đi từ ĐCD lín ĐCT, xupap thải mở với góc mở sớm lă 660 vă góc đóng muộn lă 200.
Hình 4-13 Sơ đồ pha phối khí kỳ thải của động cơ
AMZ 236
Đặc điểm kết cấu câc
bộ phận trong hệ thống thải động cơ AMZ 236:
Xupap thải: Trong hệ thống thải, xupap thải lă nơi có tiết diện nhỏ nhất nín
trở lực cản khí thải rất lớn. Do đó, để cho hệ thống thải lăm việc tốt, cần phải chọn kích thước xupap thải hợp lý, sao cho tiết diện lưu thông của dòng khí thải lă lớn nhất vă trở lực của dòng khí thải lă nhỏ nhất.
Tiết diện lưu thông của dòng khí thải qua xupap thải không chỉ phụ thuộc văo kích thước của xupap mă còn phụ thuộc văo chế độ đóng mở xupap thải. Nếu điều chỉnh khe hở nhiệt quâ lớn thì sẽ hạn chế hănh trình mở xupap, lăm giảm tiết diện lưu thông của dòng khí xả.
Ống thải: Ống thải luôn tiếp xúc với sản vật chây có nhiệt độ rất cao
(400.600)0C nín phụ tải nhiệt của ống thải rất lớn. Mặt khâc ống thải được bắt
200
66o
bulông với nắp mây vì vậy trong quâ trình tiếp xúc với khí chây ống thải giên nở nhiều hơn nắp mây.
4.3.Lựa chọn phương ân lắp đặt bộ tăng âp trín động cơ AMZ 236
4.3.1.Lựa chọn sơ đồ tăng âp tubin khí
Tăng âp bằng tuabin khí lă phương phâp tăng âp dùng tuabin (TB) lăm việc nhờ năng lượng khí xả của động cơ đốt trong (ĐCĐT) để dẫn động mây nĩn (MN). Khí xả của ĐCĐT có nhiệt độ vă âp suất rất cao nín nhiệt năng của nó tương đối lớn. Muốn khí thải sinh công, nó phải được giên nở trong một thiết bị để tạo ra công cơ học. Nếu để nó giên nở trong xi lanh của ĐCĐT thì dung tích của xilanh sẽ rất lớn, lăm cho kích thước của ĐCĐT quâ lớn, nặng nề. Điều năy mặc dù lăm tăng hiệu suất nhiệt nhưng tính hiệu quả được đânh giâ bằng giâ trị âp suất trung bình sẽ rất