Chương 10 : TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ
10.2. Sơ đồ hệ thống, nguyên lý làm việc, phạm vi ứng dụng của phương pháp tăng áp dẫn
áp dẫn động bằng cơ khí, tuabin khí.
Dựa vào nguồn năng lượng và phương pháp nén khơng khí trước khi đưa vào động
cơ, người ta chia tăng áp thành bốn nhĩm sau: Tăng áp dẫn động bằng cơ khí.
Tăng áp nhờ năng lượng khí thải
Tăng áp hỗn hợp.
Tăng áp nhờ hiệu ứng động của dao động áp suất.
Ngồi các phương án trên, cịn cĩ các hệ thống tăng áp tổ hợp khác tuỳ theo từng nhu cầu sử dụng động cơ.
10.2.1. Tăng áp dẫn động bằng cơ khí (supercharger)10.2.1.1. Sơ đồ hệ thống 10.2.1.1. Sơ đồ hệ thống
10.2.1.2. Nguyên lý làm việc
Máy nén trong thiết bịtăng áp truyền động cơ khí thường là máy nén piston, máy nén rơto, máy nén ly tâm hoặc máy nén chiều trục được dẫn động từ trục khuỷu của
động cơ thơng qua các bánh răng, xích hoặc các cơ cấu truyền động khác (hình 10.1). Khi trục khuỷu động cơ quay, cơng suất từ trục khuỷu sẽ dẫn động cho máy nén làm việc. Máy nén hút khơng khí ngồi trời với áp suất po, sau khi qua máy nén áp suất của khơng khí tăng lên Pk > po qua đường ống nạp và nạp vào xilanh động cơ.
144
Hình 10.1. Tăng áp dẫn động bằng cơ khí.
1 – Máy nén; 2 – Trục khủy động cơ; 3 – Hệ thống truyền động
10.2.1.3.Phạm vi ứng dụng
Khi nghiên cứu các chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp chúng ta đã biết hiệu quả tăng áp của phương pháp truyền động cơ giới kém hơn so với phương pháp tăng áp tuabin khí, vì vậy phạm vi sử dụng phương pháp tăng áp này chỉ giới hạn cho những
động cơ mà áp suất tăng áp khơng vựơt quá 0,12 ÷ 0,16 MN/m2. Nếu áp suất tăng áp
lớn hơn nữa thì cơng suất tiêu thụ cho máy nén sẽ rất lớn (vượt quá 10%Ni) và hiệu suất của động cơ sẽ giảm.
Trong các loại động cơ hai kỳ, piston của động cơ đĩng vai trịnhư một van trượt
điều kiển đĩng mở cửa quét và của thải cịn sử dụng khơng gian bên dưới piston làm
máy nén tăng áp.
Trường hợp động cơ tăng áp cĩ cùng một giá trị áp suất trên đường ống nạp Pk, nếu cơng tiêu hao cho máy nén Nk càng lớn thì cơng suất cĩ ít của động cơ Ne sẽ càng nhỏ. Vì vậy khi chọn loại máy nén cho động cơ tăng áp truyền động cơ khí cần chú ý tới áp suất tăng áp và cơng để dẫn động tăng áp để khơng ảnh hưởng đến cơng suất và hiệu suất của động cơ.
10.2.2.Tăng áp bằng tuabin khí (turbocharger)
Trong tổng sốnăng lượng cấp cho động cơ khơng tăng áp, chỉ cĩ khoảng 30 ÷ 40%
được chuyển thành cơng cĩ ích. Nhiệt lượng của khí thải ra ngồi khỏi động cơ chiếm khoảng 40 ÷ 50%. Nếu dùng
tuabin khí để số khí thải trên tiếp tục giãn nở sinh cơng, trước khi thải ra mơi trường và dùng cơng ấy
để dẫn động máy nén tăng áp
(khơng dùng cơng cĩ ích lấy từ
trục khuỷu của động cơ) sẽ nâng cao cơng suất cĩ ích đồng thời cải thiện tính năng kinh tế của động
cơ.
Hình 10.2. Tăng áp dẫn động bằng tuabin khí. 1 – Tuabin khí; 2 – Tuabin; 3 – Khí thải động cơ; 4 – Máy nén; 5 – KK từ mơi 1 – Tuabin khí; 2 – Tuabin; 3 – Khí thải động cơ; 4 – Máy nén; 5 – KK từ mơi
trường vào tuabin
Tăng áp tua bin khí thực hiện được bởi một thiết bị thu hồi năng lượng của khí thải, số năng lượng thu hồi này chiếm tới 5 ÷ 10% tồn bộnăng lượng nhiệt cấp cho
145
động cơ. Trên hình 10.2 giới thiệu sơ đồ của động cơ tăng áp dùng tuabin khí.
10.2.2.1. Sơ đồ hệ thống
Hình 10.3. Sơ đồ nguyên lý động cơ tăng áp tuabin khí dẫn động bằng năng lượng khí thải.
10.2.2.2. Nguyên lý làm việc
Tăng áp tuabin khí là biện pháp tốt nhất đểlàm tăng cơng suất và nâng cao các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ, vì vậy biện pháp này đã được sử dụng rất rộng rãi trong các loại động cơ Diesel hiện đại. Trên (hình 10.3) giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ tăng áp tuabin khí, năng lượng để dẫn động tuabin được lấy từnăng lượng của khí xảđộng cơ.
Máy nén N được dẫn động bởi trục của tuabin khí T, hoạt động nhờ năng lượng khí thải động cơ. Khí thải của động cơ đi vào tuabin khí sinh cơng quay máy nén rồi sau
đĩ được thải ra mơi trường, đồng thời máy nén N hút khơng khí ngồi trời cĩ áp suất po
nén đến áp suất Pk rồi đưa vào động cơ.
Lượng khơng khí nén cung cấp cho động cơ được biến đổi tựđộng theo cơng suất của động cơ. Cơng suất của động cơ càng cao thì năng lượng chứa trong khí thải càng lớn, đảm bảo quay máy nén cung cấp cho động cơ với lượng khơng khí nén càng nhiều. 10.2.2.3. Phạm vi ứng dụng
Do tăng áp bằng tuabin khí được dẫn động bằng năng lượng khí thải, khơng phải tiêu thụ cơng suất từ trục khuỷu của động cơ như tăng áp dẫn động bằng cơ khí, nên cĩ
thểlàm tăng tính kinh tế của động cơ. Phương pháp này cĩ thể giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3 ÷ 10%.
Trong các động cơ tăng áp cao, thường lắp két làm mát trung gian trước khi khơng
khí đi vào động cơ nhằm giảm nhiệt độ, qua đĩ nâng cao mật độ khơng khí tăng áp vào động cơ. Vì vậy, nâng cao được cơng suất và hiệu suất của động cơ. Mặc khác khi tăng
áp bằng tuabin khí cịn tạo điều kiện giảm tiếng ồn nên loại này được sử dụng nhiều nhất hiện nay.
Tùy theo áp suất khí trước tuabin, tăng áp bằng tuabin khí cĩ hai loại sau:
Tăng áp bằng tuabin biến áp: khi supap thải mở, sản vật cháy được dẫn trực tiếp tới cánh tuabin. Áp suất và động năng của dịng khí thải tác dụng vào các cánh tuabin
thay đổi theo quy luật giảm dần. Để giảm tổn thất năng lượng của dịng khí thải,
người ta thường bố trí tuabin rất gần xylanh.
Tăng áp bằng tuabin đẳng áp: khí thải từxylanh động cơ được dẫn vào bình chứa,
sau đĩ được cấp vào trước cánh tuabin theo một quy luật nhất định. 10.2.3. Tăng áp hỗn hợp
10.2.3.1. Sơ đồ hệ thống
Tăng áp hỗn hợp là biện pháp sử dụng cùng một lúc cả máy nén tuabin khí (dùng
năng lượng khí xả) và máy nén truyền động cơ khí (dùng năng lượng từ trục khuỷu). Cĩ
hai phương pháp tăng áp hỗn hợp: Hai tầng lắp nối tiếp.
146 Hai tầng lắp song song.
10.2.3.2. Nguyên lý làm việc
Trong hệ thống hai tầng lắp nối tiếp thuận (10.4a), tầng thứ nhất là bộ“máy nén tuabin khí” quay tự do và tầng thứ hai là máy nén truyền động cơ khí. Dùng hệ thống
tăng áp hai tầng lắp nối tiếp thuận một mặt cĩ thể tận dụng năng lượng của khí thải, mặt khác cĩ thể nâng cao áp suất trên đường ống nạp Pk, từđĩ nâng cao mật độ khí nạp.
Hệ thống tăng áp cĩ 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 tuabin khí” quay tự do được gọi là hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp ngược (hình 10.4b). Trong hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp ngược khơng thể nào tiến hành cường hố động cơ bằng biện pháp làm tăng lượng khí nạp đưa vào xylanh vì khối lượng khơng khí cung cấp cho xylanh trong mỗi chu
trình thay đổi rất ít.
Trong hệ thống tăng áp hai tầng lắp song song, máy nén N1 được dẫn động từ trục khuỷu động cơ cung cấp vào bình làm mát LM cùng với máy nén N2 được dẫn động từ năng lượng khí thải bởi tuabin T.
Hình 10.4. Sơ đồnguyên lý động cơ tăng áp hỗn hợp hai tầng lắp nối tiếp.
a) Hai tầng nối tiếp thuận; b) Hai tầng nối tiếp ngược; c) Hai tầng lắp song song T – Tuabin; N – Máy nén; LM – Thiết bị làm mát trung gian KK nén
10.2.3.3. Phạm vi ứng dụng
Trong hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp, do cĩ máy nén truyền động cơ giới nên cĩ thểthay đổi tỷ sốtăng áp của động cơ, cải thiện tính năng tăng tốc và chất lượng cơng tác trong mọi chếđộ làm việc của động cơ. Đặc điểm ấy rất quan trọng đối với động cơ
hai kỳ.
Trong động cơ tăng áp hỗn hợp, lắp song song (hình 10.4c) người ta dùng một máy nén dẫn động cơ giới hoặc dùng khơng gian bên dưới của xylanh làm máy nén (động cơ
hai kỳ) cung cấp khơng khí tăngáp cho động cơ, song song với bộ“máy tuơc bin khí”
quay tự do. Như vậy mỗi máy nén trong hệ thống chỉ cần cung cấp một phần khơng khí nén vào bình chứa chung.
Ưu điểm chủ yếu của hệ thống tăng áp lắp song song là lưu lượng khơng khí, qua mỗi máy nén điều nhỏdo đĩ kích thước của mỗi máy nén điều nhỏhơn so với hệ thống
tăng áp lắp nối tiếp.
Về mặt cấu tạo thì hệ thống tăng áp hỗn hợp phức tạp hơn nhiều so với các hệ
thống tăng áp truyền động cơ giới và tăng áp tuabin khí, vì trong thiết bị tăng áp cĩ hai
máy nén.
Mặt khác bình chứa khơng khí nén chung cũng phức tạp hơn. Vì vậy chỉ trong các
trường hợp đặc biệt ví dụ cần đạt được Pk tương đối lớn, cần cĩ tính năng tăng tốc tốt trong mọi chế độ làm việc của động cơ, hoặc những yêu cầu đặc biệt nào đĩ người ta mới dùng hệ thống tăng áp hỗn hợp.
147 10.3. Những vấn đề cần lưu ý khi tăng áp động cơ
Trong động cơ tăng áp, phụ tải cơ nhiệt và phụ tải cơ học đều lớn hơn động cơ chưa tăng áp. Vì vậy phải lựa chọn các thơng số cấu tạo và các thơng số nhiệt động cũng như các đặc điểm về kết cấu, về vật liệu chế tạo nhằm bảo đảm tính năng làm việc và tuổi thọ của động cơ. Để làm được điều này, trên động cơ tăng áp phải chú ý các đặc
điển sau:
10.3.1.Tỷ số nén
Trong động cơ tăng áp, khi mức tăng áp càng cao thì áp suất cực đại trong q trình cháy Pz càng lớn. Chính vì vậy, hầu hết các động cơ tăng áp đều phải giảm tỷ số
nén để hạn chế áp suất cực đại. Tuy nhiên khi giảm Pz sẽ làm giảm khảnăng khởi động và cơng suất động cơ. Thơng thường khi chọn tỷ sốnén cho động cơ tăng áp, phải đảm bảo được yêu cầu khởi động tốt khi động cơ lạnh và làm việc ổn định ở chếđộ tải nhỏ. Với các động cơ Diesel tăng áp thường cĩ tỷ số nén = 12 ÷ 11.
Sau khi tăng áp, mặc dù đã giảm bớt tỷ sốnén để giảm áp suất cực đại nhưng áp
suất cuối quá trình nén Pc và áp suất cực đại Pz vẫn cịn lớn hơn nhiều so với động cơ khi chưa tăng áp. Bởi vì khi tăng áp đã làm tăng áp suất của mơi chất ở đầu quá trình
nén.
Tuy nhiên khi hạ thấp tỷ số nén phải chú ý đến sự phối hợp với hình dạng buồng
cháy và đặc điểm của tia nhiên liệu để khơng ảnh hưởng đến việc khởi động lạnh, suất tiêu hao nhiên liệu và tính năng làm việc của động cơ.
Đối với động cơ xăng, khi tăng áp sẽ khiến động cơ dễ sinh ra hiện tượng kích nổ.
Đểtránh được hiện tượng kích nổ xảy ra trên động cơ xăng khi tăng áp người ta đã dùng
nhiều biện pháp như: thay đổi cấu tạo buồng cháy, dùng nhiên liệu cĩ tính chống kích nổ tốt, thay đổi gĩc đánh lửa sớm,...Trường hợp khi khơng thay đổi chỉ số octan của nhiên liệu thì tỷ sốnén cho phép sau khi tăng áp k, phụ thuộc vào áp suất Pk theo cơng thức gần đúng sau. 0 k k P p (10-2)
Trong đĩ: - Tỷ sốnén động cơ tăng áp; k – Tỷ sốnén động cơ sau khi tăng áp;
Pk – Áp suất trên đường ống nạp; p0 – Áp suất khí trời. 10.3.2.Pha phân phối khí
Khi piston ở lân cận vị trí ĐCT, vào cuối quá trình thải đầu quá trình nạp của hai supap nạp và supap xảđều mở. Trong động cơ tăng áp, áp suất trên đường ống nạp Pk lớn hơn áp suất trong lịng lịng xylanh PT. Nhờ cĩ chênh lệch áp suất này mà sản vật
cháy được quét sạch ra khỏi xylanh. Điều này giải quyết cùng lúc hai vấn đề: một mặt quét sạch sản vật cháy làm tăng lượng khí nạp mới mặt khác cịn làm mát các chi tiết quanh buồng cháy, nhờđĩ điều kiện làm việc của động cơ tăng áp được cải thiện rõ rệt. Muốn làm được điều này, biên dạng cam của động cơ tăng áp phải khác hơn so
với động cơ khơng tăng áp ở chỗ cĩ thểđiều khiển đĩng supap thải muộn hơn hoặc mở
supap nạp sớm hơn. Ngồi ra, supap thải của động cơ Diesel tăng áp thường mở sớm
hơn động cơ khơng tăng áp đểtăng thêm năng lượng cho tuabin. Tuy nhiên, khi tốc độ
của động cơ càng cao, gĩc mở sớm tốt nhất của supap thải càng lớn, lúc ấy nhiệt độ và áp suất trong xylanh đều cao làm cho supap dễ bị quá nhiệt. Gĩc trùng điệp của supap
thường nằm trong phạm vi từ 30 ÷40o, tương ứng với gĩc quay trục khuỷu.
Động cơ Diesel tăng áp trên ơ tơ, do phải hoạt động trong điều kiện thay đổi tải và tốc độ rất rộng. Để ngăn ngừa dịng chảy ngược ở các chế độ tốc độ thấp và tải nhỏ,
148
thường chọn gĩc trùng điệp tương đối nhỏ. Xu thế phát triển của động cơ Diesel tăng áp
hiện nay lắp trên ơ tơ là dùng gĩc trùng điệp nhỏ, vì vậy với mức độtăng áp thấp cĩ thể
dùng trục cam của động cơ khơng tăng áp (khoảng 12 ÷ 40o, tương ứng với gĩc quay trục khuỷu động cơ).
10.3.3.Hệ thống cung cấp nhiên liệu
Sau khi tăng áp, đểđạt cơng suất theo yêu cầu thì lượng mơi chất nạp vào xylanh trong mỗi chu trình phải tăng. Nếu vẫn giữ nguyên hệ thống nhiên liệu của động cơ chưa tăng áp sẽ phải thêm thời gian cấp nhiên liệu cho chu trình. Tuy nhiên, cách làm này sẽ tăng phần nhiên liệu cháy rớt và giảm hiệu suất chỉ thị i.
Các giải pháp chính để rút ngắn thời gian cháy rớt là tăng đường kính piston bơm cao áp, thay đổi biên dạng cam,...qua đĩ làm tăng tốc độ cấp nhiên liệu.
Sau khi tăng áp do mật độ khơng khí trong buồng cháy tăng cao, để cho tia phun
cĩ đặc điểm tốt nhất nhằm tạo xốy lốc của khơng khí trong buồng cháy cần phải tăng
áp suất phun và tiết diện của các lỗphun. Đối với động cơ Diesel cĩ buồng cháy thống nhất, nếu cường độ xốy lốc khơng khí đủ lớn, chỉ cần tăng đường kính lỗ phun mà khơng cần tăng thêm số lỗ phun.
10.3.4.Ống nạp và ống thải
Kích thước của ống nạp cần phải lựa chọn hợp lý. Nếu dung tích ống nạp quá nhỏ,
dao động áp suất sẽ lớn làm giảm hệ số nạp. Khi tăng dung tích ống nạp cĩ thể cải thiện tính năng của động cơ, nhưng lại ảnh hưởng đến việc bố trí, gá lắp động cơ trên xe.
Ống nạp của động cơ Diesel tăng áp trên ơ tơ nếu quá lớn sẽảnh hưởng đến tính
năng tăng tốc, vì vậy ống nạp trên động cơ Diesel thường nhỏ. Động cơ Diesel tăng áp
hoạt động ở chếđộổn định thường dùng ống nạp lớn. Dung tích nhánh ống nạp nối với
xylanh thường bằng thể tích cơng tác của xylanh.
Đường ống thải của động cơ Diesel tăng áp thường tiếp xúc với sản vật cháy cĩ nhiệt độ rất cao tới 400 ÷ 600oC, phụ tải nhiệt của ống rất lớn thường gây nứt ống và rị khí. Vì vậy cần cĩ giải pháp về cấu tạo và vật liệu để làm ống thải. Ngồi các biện pháp trên, một sốđộng cơ Diesel tăng áp cịn dùng các khâu bù giãn nở nhiệt hoặc làm mát
cho đường ống thải.
10.3.5.Làm mát trung gian cho khơng khí tăng áp
Sau khi qua máy nén tăng áp, áp suất trên đường ống nạp Pk và nhiệt độtrên đường