Nhược điểm của hệ thống turbo tăng áp trên xe Ranger cũ

4. KHẢO SÁT HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ DURATORQ TDCi

4.1 Nhược điểm của hệ thống turbo tăng áp trên xe Ranger cũ

Hệ thống Turbo tăng áp của động cơ WL-Turbo lắp trên xe Ranger 2008:

1

2 3 4 5 6

ĐẾ N Ố NG THAÍI

KHÄNG KHÊ

7 8

Hình 4-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tăng áp lắp trên động cơ WL-Turbo 1-Động cơ; 2-Bộ phận chấp hành; 3-Van giảm áp; 4-Máy nén ;

5-Bộ bù tua bin tăng áp; 6-Bầu lọc không khí;

7-Bộ làm mát trung gian; 8-Khoang nạp khí.

Với các loại xe sử dụng turbo tăng áp này, khi xe chạy tải nhẹ với số vòng tua thấp, turbo tăng áp chạy cầm chừng, do lưu lượng khí nhỏ nên tuốc bin quay chậm không khí nén nạp không đáng kể.

Cánh bướm ga mở lớn khi đạp bàn đạp ga để tăng công suất và khi đó động cơ sẽ được cung cấp thêm nhiều hỗn hợp và khí thải sẽ thoát ra nhiều hơn dẫn tới bánh turbo quay với tốc độ cao hơn, tăng lượng khí nạp vào động cơ.

Nhưng vấn đề ở đây là khi đạp ga, xe sẽ không đạt công suất kịp thời như ý muốn, tổng thời gian trễ có thể nửa giây hoặc hơn. Tất cả các xe sử dụng turbo tăng áp thông thường đều có hiện tượng này và thường được gọi là “tính ì của turbo”.

Đây là do quá trình cung cấp trễ từ khi người lái ấn bàn đạp ga tới khi turbo bắt đầu hoạt động nén khí tăng áp cho động cơ. Nó cũng bao gồm thời gian cần thiết cho bộ làm mát trao đổi và làm đầy các ống dẫn, khi có sự thay đổi từ chân không sang áp suất cao.

4.2. Bộ tuabin tăng áp lắp trên động cơ Duratorq Tdci 2.5l 4.2.1. Giới thiệu turbo tăng áp lắp trên động cơ Duratorq Tdci 2.5l

Để giải khắc phục những nhược điểm của hệ thống tăng áp cũ, các nhà sáng chế đưa ra một giải pháp là làm xoay các cánh điều chỉnh của bánh turbo mà khí xả sẽ

tác dụng vào các cánh này. Loại turbo tăng áp có cánh điều chỉnh được hãng Ford ứng dụng trên xe động cơ Duratorq Tdci lắp trên xe Ranger 2009.

Turbo tăng áp có thể thay đổi góc quay của cánh được sử dụng nhằm giảm sức ì của 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 hay độ trễ 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 sự tăng áp của turbo. Công nghệ này có tên gọi VGT (Variable geometry turbocharger) hay Turbo tăng áp có cánh điều chỉnh biến thiên.

Hệ thống tăng áp gồm 2 bộ phận chính là tuabin khí hướng kính và máy nén ly tâm.

Phần máy nén khí nạp liên hệ với động cơ thông qua đường nạp, còn phần tuabin khí thì liên hệ với động cơ thông qua đường thải, bánh công tác của tuabin - máy nén được lắp đồng trục với nhau.

Phần máy nén:Vỏ máy nén được đúc bằng hợp kim nhôm. Bên trong có bánh công tác lắp đồng trục với bánh công tác của tuabin khí. Bánh công tác được bắt chặt vào trục rôto của tuabin khí bằng êcu.

Ở phía tuabin khí thì có vỏ tuabin, trong vỏ có bánh công tác. Do phần tuabin luôn tiếp xúc với khí xả có nhiệt độ cao, có các tạp chất ăn mòn, nên vỏ tuabin được đúc bằng gang chịu nhiệt. Tuabin tăng áp bao gồm: vỏ tuabin, vỏ cánh nén, vỏ giữa, cánh nén, cánh tuabin, bạc lót, van giảm áp và bộ chấp hành ....

Cánh tuabin và cánh nén: Cánh tuabin và cánh nén đựơc gắn đồng trục. Khí xả từ ống góp xả đến cánh tuabin, áp suất khí xả làm quay bánh tuabin. Khi cánh tuabin quay, cánh nén quay theo, nén khí nạp vào trong xilanh. Do cánh tuabin tiếp xúc trực tiếp với khí xả, có nhiệt độ rất cao, tốc độ lớn, lại có tính ăn mòn, nên để đảm bảo độ bền nhiệt, chịu được dao động, ăn mòn, chịu lực nó được chế tạo từ hợp kim siêu bền nhiệt.

Bạc lót: Do cánh tuabin và cánh nén quay ở tốc độ rất cao (đến 100.000 [v/ph]), nên các bạc lót được lắp theo kiểu lắp lỏng hoàn toàn để đảm bảo hấp thụ các rung động từ trục, bôi trơn trục và bạc lót. Các bạc lót này được bôi trơn bằng dầu động cơ và quay tự do giữa trục và vỏ để tránh kẹt ở tốc độ cao. Dầu động cơ không bị rò nhờ các phớt làm kín dầu lắp trên trục.

Vỏ giữa: Vỏ giữa đỡ cánh tuabin và cánh nén thông qua trục và các ổ đở (bạc lót). Bên trong vỏ có chế tạo các khoang trống và các rãnh để nước làm mát và dầu bôi trơn tuần hoàn trong các khoang và rãnh này, nhằm mục đích làm mát và bôi trơn cho tuabin.

Nguyên lý làm việc của bộ tuabin:

Khí thải động cơ qua đường ống vào vỏ tuabin, vành miệng phun thổi vào cánh của tuabin cao tốc, sau khi giãn nở tới áp suất khí trời thì thoát qua cửa thải của tuabin và ngoài trời. Máy nén do tuabin dẫn động được quay cùng tốc độ của tuabin nhờ trục, hút không khí từ ngoài môi trường xung quanh qua bầu lọc, vào máy nén qua cửa nạp. Lúc dòng khí đi tới miệng ra của bánh công tác, dưới tác dụng của lực ly tâm của chuyển động quay, dòng khí đi ra miệng ra của bánh với một tốc độ lớn, đồng thời tạo nên hiện tượng chân không cục bộ tại cửa vào gây tác dụng hút không khí phía trước cửa đi vào bánh tạo ra dòng chảy liên tục trong rãnh cánh. Sau đó dòng khí được dẫn qua vành tăng áp. Tại đây động năng của không khí được chuyển thành áp năng, làm cho áp suất của khòng khí tăng lên và tốc độ giảm xuống. Nhờ đó, sau khi đi qua bộ tuabin tăng áp, không khí đã được nén sơ bộ trước khi đi vào xilanh động cơ.

2 D

5 B

C E

4 A

1 3

6 7

Hình 4- 2 Kết cấu của bộ tuabin tăng áp

1-Vỏ máy nén; 2-Vỏ tuabin; 3- Thân tuabin máy nén; 4- Bánh công tác máy nén; 5- Bánh công tác tuabin; 6-Cánh hướng dòng; 7-Vòng điều khiển cánh hướng dòng;

A-Cửa hút không khí vào máy nén;; B-Cửa thoát khí xả ra khỏi tuabin;

C- Cửa thông đường khí xả động cơ; D- Cung cấp dầu bôi trơn;; E-Đường hồi dầu.

b) Ưu, nhược điểm của hệ thốn tăng áp Turbo VGT lắp trên động cơ Duratorq Tdci 2.5l

Ưu điểm:

- Tận dụng năng lượng khí thải (khoảng 5%÷10% toàn bộ năng lượng nhiệt cấp cho động cơ)

- Nâng cao công suất có ích của động cơ;

- Tăng tính kinh tế, giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3%÷10%;

- Tăng Pk , tăng số lần va đập giữa các phần tử nhiên liệu với O2 nên quá trình cháy được hoàn thiện hơn;

- Giảm ồn, giảm thành phần độc hại trong khí thải;

- 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.

- Dễ khởi động , tăng tốc tốt.

Nhược điểm:

- Kết cấu bố trí phức tạp;

- Tua bin làm việc theo mạch động nên kém bền.

c) Đặc điểm kết cấu, nguyên lý làm việc máy nén khí trong hệ thống turbo VGT Máy nén lắp trong bộ turbo VGT là loại máy nén ly tâm, dùng để chuyển năng lượng cơ khí thành năng lượng của dòng chảy trong máy nén, dựa vào tác dụng lực ly tâm để tăng áp cho không khí từ áp suất P0 lên áp suất Pk và làm cho không khí có lưu lượng Gk từ phần không gian này qua phần không gian khác. Nếu bánh công tác đang có chuyển động quay ở một tốc độ nào đó, thì sau khi không khí qua cửa đi vào bánh công tác nó sẽ cùng quay với bánh công tác và dòng khí chảy theo rãnh thông giữa các cánh của bánh. Do đó, chuyển động của dòng khí đi vào bánh công tác sẽ là tổng hợp của các chuyển động theo quay tròn của bánh công tác và chuyển động tương đối của dòng chảy trong rãnh cánh. Bánh công tác đang quay, truyền công cho không khí, làm tăng áp suất và tốc độ của dòng khí trong rãnh cánh. Lúc dòng khí ra tới miệng ra của bánh công tác, dưới tác dụng của lực ly tâm và chuyển động quay, dòng khí đi ra với một tốc độ lớn, đồng thời tạo nên hiện tượng chân không cục bộ tại cửa vào, gây tác dụng hút không khí mới phía trước cửa vào và ra khỏi cửa ra với tốc độ lớn tạo nên dòng chảy liên tục trong rãnh cánh.

D1 D1m D0 B a

D4D3D2

3

3 4

1 2

a 1

2

4

2 3 b3

b2 b1

5(c) 5(c)

4

Hình 4 – 3 Giản đồ máy nén ly tâm

1-Đoạn cửa vào; 2-Bánh công tác; 3-Vành tăng áp; 4-Vỏ xoắn ốc;

D0 -Đường kính trong của miệng vào bánh công tác;

D1 -Đường kính ngoài của miệng vào bánh công tác;

D1m -Đường kính trung bình của miệng vào bánh công tác;

D2 -Đường kính ngoài của miệng vào bánh công tác;

D3 -Đường kính trong của vành tăng áp;

D4 -Đường kính ngoài của vành tăng áp.

Khê

trời T2' Tk

Pk

T3

C3

P3

T2

C2

P2

T1

C1

P0

Ca

T0

0 1 2 3 K

P1

P2'

C2'

Ck

vaỡo bạnh caùnh

vaìo máy nén vaìo ống giaím tôúc vaìo voí xoắn ôúc ra khoíi máy nén

Hình 4 – 4 Sơ đồ biến thiên các thông số của dòng khí qua máy nén.

Nguyên lý làm việc của máy nén:

Ở tiết diện 0-0 trước cửa vào máy nén, không khí có các thông số sau: nhiệt độ T0, áp suất P0, và tốc độ C0. Ở tiết diện 1-1 trước cửa vào cánh nén, do không khí được hút và chia đều vào các rãnh cánh nên tốc độ dòng khí tăng lên C1, đồng thời nhiệt độ, áp suất giảm xuống tới T1, P1. Tại tiết diện 2-2 đầu ra của bánh công tác,

do đặc điểm của rãnh cánh có tiết diện nhỏ dần từ cửa vào đến cửa ra, nên tốc độ

tuyệt đối tăng lên, do bánh công tác truyền công suất cho chất khí nên tốc độ áp suất và nhiệt độ của dòng khí đều tăng lên giá trị C2, P2, T2. Tại tiết diện 3-3 đầu ra của vành tăng, do đặc điểm của vành tăng áp có tiết diện tăng dần, nên tốc độ giảm xuống C3, đồng thời khi qua vành tăng áp động năng được chuyển thành áp năng nên áp suất và nhiệt độ tăng P3, T3. Sau đó, không khí được nạp vào ống tăng áp dạng vỏ xoắn ốc. Tại đây, tốc độ dòng khí tiếp tục giảm và áp suất nhiệt độ tiếp tục tăng. Sau khi dòng khí ra khỏi vỏ xoắn ốc của máy nén ở tiết diện k-k, thì dòng khí có các thông số Ck, Pk, Tk.

Đặc điểm kết cấu các bộ phận trong máy nén

Đoạn ống cửa vào: là đoạn ống hướng trục có tiết diện hình tròn, dòng khí đi vào máy nén theo hướng trục, nên dễ phân đều trên các cánh mà ít bị cản.

Bánh công tác: gồm hai phần bánh dẫn hướng và bánh lắp các cánh.

Bánh dẫn hướng chuyển dòng khí từ hướng trục sang hướng kính. Trong bánh lắp cánh dòng chảy đi từ trong ra ngoài. Đây là chi tiết quan trọng nhất của máy nén, nó cấp năng lượng để nén không khí trong các rãnh cánh làm tăng tốc độ, áp suất, nhiệt độ của không khí. Nó gồm 12 cánh nhỏ, được phân bố đều trên bánh công tác .Khi roto quay, dưới tác dụng của lực ly tâm, không khí theo rãnh cánh bị nén ra vùng mép cánh.

Vành tăng áp có cánh: các cánh có tác dụng dẫn hướng cho dòng khí nén từ bánh công tác đi ra đồng thời chuyển từ động năng sang áp năng

Ống giảm tốc: Đọan giữa bánh công tác và vành tăng áp có khe hở được gọi là tăng áp không cánh, khe hở này rất cần để giảm cường độ âm thanh tạo ra không gian chuyển tiếp của dòng khí từ bánh công tác đến vành tăng áp có cánh, giúp dòng khí đi vào vành tăng áp đều và ổn định hơn.

Vỏ xoắn ốc: Không khí từ ống giảm tốc được nén vào vỏ xoắn ốc máy nén.

Tại đây, động năng của dòng khí tiếp tục biến thành thế năng áp suất, làm cho nhiệt độ và áp suất của dòng khí tiếp tục tăng lên, đồng thời tốc độ dòng khí giảm xuống, vì tiết diện lưu thông qua vỏ xoắn ốc tăng dần. Vỏ xoắn ốc có tiết diện ngang là hình tròn, chế tạo bằng hợp kim nhôm.

d) Tuabin khí của động cơ Turbo VGT

Trong Turbo VGT phần tuabin là tuabin hướng kính. Dòng không khí thải ra khỏi động cơ vào vòng xoắn ốc trên vỏ tuabin rồi vào các cánh ống phun. Trong đó, dòng khí được tăng tốc và đổi hướng về phía cánh động của bánh công tác. Các ống phun có dạng prôfin cánh cong, đáp ứng được điều kiện tối ưu cho dòng khí trong

ống phun. Sự giãn nở của dòng khí sau khi diễn ra trong ống phun tiếp tục qua khe hở ∆r .

Các bộ phận chính trong tuabin bao gồm: vỏ tuabin, vành miệng phun, bánh công tác và trục quay.

2



W1

U1

D0 2

D2 D2m D01D1 D02

C2







W2

U2

r

n II

b1

I

IV 2

III 0

C1

n

1 1

bn

0

Hình 4 –5 Sơ đồ hoạt động của tuabin hướng kính và tam giác tốc độ

tại cửa vào và cửa ra của bánh công tác

A- Vỏ tuabin; B- Vành miệng phun; C- Bánh công tác; D- Đường kính bánh công tác; b- Chiều dài cánh; D0- Đường kính trong miệng ra;

D2m- Đường kính trung bình miệng ra; D2- Đường kính ngoài miệng ra;

D1- Đường kính ngoài miệng vào.

Sản phẩm cháy với áp suất PT, nhiệt độ TT và tốc độ CT đi vào tuabin tới vành miệng phun B. Vành miệng phun có tiết diện giảm dần từ cửa vào đến cửa ra làm cho sản phẩm cháy được giãn nở và tăng tốc. Một phần áp năng của sản phẩm cháy biến thành động năng, lúc này áp suất của sản vật cháy từ PT giảm xuống còn P1, nhiệt độ từ TT giảm xuống T1, đồng thời tốc độ dòng khí từ CT tăng lên thành C1. Với tốc độ này dòng khí đi vào bánh công tác đang quay với tốc độ U1 tạo nên tốc độ tương đối W1 của dòng khí vào rãnh bánh công tác. Sản vật cháy tiếp tục giãn nở trong rãnh thong, từ hướng kính dần chuyển sang hướng trục, truyền động năng cho các cánh để chuyển thành công, làm quay bánh công tác. Khi ra khỏi bánh công tác, sản vật cháy có áp suất P2, nhiệt độ T2, và tốc độ tuyệt đối C2. Do một phần động năng của dòng khí đã chuyển thành công của bánh công tác nên C2<C1 rất nhiều.

Đặc điểm kết cấu của các bộ phận trong tuabin

Vỏ tuabin: Vỏ tuabin có kết cấu hình xoắn ốc, bao gồm khoang cửa vào tiếp nhận sản vật cháy từ các xi lanh động cơ, hướng sản vật cháy đi vào vuông góc với

trục quay. Khoang cửa ra tiếp nhận sản vật cháy sau khi làm nhiệm vụ sinh công làm quay trục tuabin và thải ra ngoài. Vỏ tuabin luôn tiếp xúc với sản vật cháy có nhiệt độ cao và những tạp chất ăn mòn trong khí thải như: nước, CO2, SO2,... nên được đúc bằng gang chịu nhiệt.

Vành miệng phun: là các cánh phẳng tạo ra các đường thông đều và nhỏ đần là nơi chuyển áp năng thành động năng của dòng khí theo hướng nhất điịnh để vào bánh công tác với tổn thất là nhỏ nhất. Do vậy, yêu cầu cao đối với thiết kế, chế tạo, độ bóng

Bánh cánh: Dòng khí ra khỏi vành miệng phun có tốc độ lớn (động năng của dòng lớn) đi vào vành cánh động. Tại đây, dòng khí chuyển động theo lòng máng của cánh nên xuất hiện lực ly tâm, các phần tử va đập vào cánh động tạo nên độ

chênh áp giữa phía bụng và phía lưng của cánh động làm cho bánh cánh và trục rôto quay. Trong bánh cánh, động năng của dòng truyền cho bánh cánh động, làm quay đĩa quay. Tại đây động năng của dòng khí biến thành công cơ học. Bánh cánh hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao của sản vật cháy, tốc độ lớn, liên tục nhận xung lực của sản vật cháy có tính ăn mòn mạnh, nên bánh công tác là chi tiết chịu tác dụng lớn nhất về lực, về nhiệt, về dao động và ăn mòn trong tuabin.

Trục quay: là chi tiết được lắp bánh công tác của tuabin và bánh công tác của máy nén. Trục được tỳ lên các ổ đỡ để thực hiện việc truyền mômen từ bánh cánh tuabin đến bánh cánh của máy nén, để tăng lượng khí nạp cho động cơ.

e) Ổ đỡ, bao kín trong Turbo VGT

Ổ đỡ: Đây là chi tiết làm việc trong điều kiện tốc độ lớn, tải trọng nhẹ, nhiệt độ cao. Để đảm bảo độ tin cậy, ổ đở cần được bố trí hợp lý.

Khi lắp ổ lăn động cơ dễ khởi động, không cần cung cấp dầu bôi trơn từ bên ngoài. Tuy nhiên giá thành cao, khả năng chịu tải trọng va đập kém. Trong khi đó, ổ trượt đặc biệt là loại bạc bơi có những thuận lợi nổi trội, đó là giá thành rẽ và kích thước gọn, song đòi hỏi phải bôi trơn tốt.

Các giải pháp D, E, F có bạc lót phía trong, không có ổ đỡ cứng ở hai đầu, có ưu điểm là lưu động của dòng khí ít tổn thất và không bị ảnh hưởng nhiều bởi các nhân tố kích thích dao động, chính vì thế nó cho phép sử dụng với tốc độ vòng của máy nén đến 400 [m/s] mà không sợ cộng hưởng. Do đó, có thể giảm kích thước của TB-MN một cách đáng kể đồng thời có thể đạt được tỷ số tăng áp cao.