3. LÝ THUYẾT TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ
3.3. Phân loại tăng áp
3.3.2. Biện pháp tăng áp không có máy nén
Sau đây là các phương pháp làm cho áp suất nạp vào động cơ đốt trong lớn hơn giá trị thông thường mà không cần dùng đến máy nén cũng như một số phương pháp tăng áp cao đang phổ biến trong thực tế.
3.3.2.1. Tăng áp dao động và cộng hưởng
Người ta sử dụng sự dao động của dòng khí và tính cộng hưởng của dao động để tăng 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 năng lượng động học của cột khí và chính năng lượng này sẽ chuyển hóa thành công nén làm tăng áp suất trong xi lanh cuối quá trình nạp.
1
3
2
3
2
1 4
Hình 3- 6 Sơ đồ hệ thống tăng áp dao động và cộng hưởng a-Tăng áp dao động: 1-Hộp phân phối; 2-Ống dao động; 3-Xilanh b-Tăng áp cộng hưởng: 1-Bình ổn áp; 2-Ống cộng hưởng; 3-Xi lanh;
4-Bình cộng hưởng.
a) Tăng áp dao động:
Quá trình diễn biến của áp suất trên đường ống trong quá trình nạp, thải nếu xem xét theo lý thuyết truyền sóng thì đó là quá trình dịch chuyển của sóng nén và sóng giãn nở.
Do có sự dao động của áp suất trên đường nạp, thải của động cơ mà ở đó xuất hiện quá trình truyền sóng (sóng áp suất và sóng tốc độ). Ở trạng thái tĩnh, tốc độ truyền sóng a được xác định như sau:
Trong đó: k-Chỉ số nén đoạn nhiệt; R- Hằng số chất khí; 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
truyền sóng a.
Sóng phản xạ được chia làm hai loại: Phản xạ đầu kín và phản xạ đầu hở.Sóng phản xạ đầu kín xuất hiện khi xupáp đóng kín.Sóng phản xạ đầu hở xuất hiện khi sóng truyền tới đầu hở.
Sự dao động của áp suất môi chất trong đường ống nạp thực tế không phải do một sóng đơn giản tạo ra mà do hai họ sóng truyền theo chiều ngược nhau, nó là kết quả của việc tương giao và hợp thành của sóng phát sinh ở đầu này tạo nên sóng phản xạ ở đầu kia.Sóng khí thể cũng vậy, luôn tồn tại tính chồng chất và thường xuyên gặp nhau
Khi gặp nhau, biên độ sóng bằng tổng biên độ của hai song.Sau khi xuyên qua, tính chất và biên độ của sóng không thay đổi, sóng nén vẫn là sóng nén và sóng giãn nở vẫn là sóng giãn nở.
T R k a . .
) , (
) , (
t x f v
t x f p
a b c
Hình 3- 7 Tương giao của sóng
a-Tương giao của sóng dương, b-Tương giao của sóng âm c-Tương giao của sóng dương 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 nạp, nên xuất hiện sự giãn nở trong ống nạp từ xi lanh ra đến đầu hở của ống có áp suất bằng áp suất môi trường p0. Áp suất môi trường có giá trị không đổi và lớn hơn áp suất trong xilanh, nên xuất hiện quá trình chuyển động ngược lại của áp suất p0 từ ngoài vào xilanh, đây chính là sóng nén (sóng áp dương).Nếu sóng nén truyền tới xupap mà xupap 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 trong ống.
Để đạt được lưu lượng nạp cực đại trong phạm vi số vòng quay nhất định của ĐCĐT, người ta có thể sử dụng các van để thay đổi có cấp chiều dài của đường ống nạp.
4 5 6 2
3
1
Hình 3- 8 Nguyên lý của đường ống nạp có chiều dài thay đổi vô cấp
1-Động cơ; 2-ống nạp hình xuyến; 3-Mặt ngoài cố đinh; 4-Mặt tang trống; 5-Cửa trên mặt tang trống; 6-Tấm dẫn hướng.
b) Hệ thống tăng áp cộng hưởng
Trong hệ thống này ống nạp của động cơ là tổ hợp của các bình và ống có khả năng gây ra dao động dòng khí nạp.Việc thiết kế các kích thước và bố trí sao cho quá trình lưu động có tính chu kỳ của dòng khí nạp vào các xi lanh phù hợp với tần số dao động của bình và ống.
Hiện nay, việc tăng áp cho động cơ bằng phương pháp cộng hưởng chưa được phổ biến vì kết cấu đường ống nạp phức tạp, giá thành cao, chỉ được sử dụng trên động cơ đời mới.
3.3.2.2.Tăng áp trao đổi sóng áp suất Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động
3
1
6
7 5 4
2
Hình 3- 9 Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng sóng khí
1-Không khí thấp áp; 2-Dây đai; 3-Không khí cao áp; 4-Động cơ; 5-Khí thải cao áp; 6-Khí thải thấp áp; 7-Rôto.
Thiết bị là Roto với các rãnh hướng kính nằm dọc trục, các van C, D, và G, F nằm ở đầu nạp và đầu xả là hai mặt bích có bố trí đường dẫn vào và ra. Roto được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ. Để đảm bảo hệ thống làm việc được cân đối người ta bố trí 2 ống vào và 2 ống ra trên Stato. Như vậy có 2 chu trình xảy ra đồng thời trong một vòng quay của Roto.
Trong phương án này, sử dụng năng lượng động học của khí xả để nén khí nạp. Sự tăng hay giảm của áp suất được truyền với cùng tốc độ của các xung nén hình thành từ phía có áp suất cao lên phía có áp suất thấp. Dòng khối lượng và xung của sóng áp suất tác dụng trực tiếp lên phía có áp suất thấp chuyển động với tốc độ âm thanh trong môi trường xem xét. Trong lúc đó, dòng năng lượng lại chuyển động với tốc độ chậm hơn, nhờ vậy mà tránh được hiện tượng trộn lẫn giữa khí xả và khí mới. Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn ở hình 3 - 10. Ở đây sóng nén hoặc giãn nở của khí thải được sử dụng để truyền trực tiếp năng lượng lên khí nạp.
Van C, D được bố trí ở một đầu ống để điều khiển sự lưu thông của khí nạp. Trong
khí đó các van G, F được lắp ở đầu ngược lại để điều khiển sự lưu thông của khí xả.Van C, G dùng để điều khiển phía có áp suất cao của chu trình. Van D , F được thông với môi trường xung quanh
Quá trình hoạt động của bộ tăng áp bằng sóng khí được giải thích từ đồ thị khai triển của quá trình truyền sóng áp suất như sau:
Hình 3-10 là sơ đồ khai triển lớp cắt quanh chu vi tại bán kính trung bình của rôto và 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 chuyển của các rãnh thông từ dưới lên trên.
G
2 III IV
II
C u
F VI D
VII
V
I
A 1 B
E
Hình 3- 10 Sơ đồ khai triển thể hiện quá trình truyền sóng áp suất trong bộ tăng áp bằng sóng khí đơn giản
A- Bình góp khí xả; B- Bình góp không khí nén.
Ban đầu ống dẫn chứa đầy không khí ở trạng thái áp suất bằng áp suất môi trường và các van C,D,F,G, đều đóng kín. Quá trình xả của động cơ bắt đầu khi pittông đi từ ĐCD đến ĐCT, xupap xả mở áp suất đường xả tăng lên, van G mở ra kích thích tạo ra sóng xung có áp suất cao, van F đóng. Màng khí xả nóng chuyển động phía sau của sóng xung. Nhờ đó khí được nén từ phải sang trái. Van C được mở ra để khí được nén bởi sóng xung đi vào ống có áp suất cao và đi vào xi lanh của ĐCĐT. Van C đóng lại khi màng tiên phong của khí nóng đến để tránh sự hoà trộn của khí thải vào khí mới. Kết thúc giai đoạn này thì phần lớn năng lượng khí xả được truyền cho khí nạp.
Khi C đóng thì G đóng, còn F mở ra. Lúc này sóng giãn nở hình thành, khí thải chứa trong ống dẫn thải hết ra ngoài theo van F. Do sự giãn nở của khí trong ống xả (rảnh dọc trục của roto) làm cho áp suất ở đây nhỏ hơn áp suất khí trời và van D mở ra, không khí đi vào ống van F đóng lại, van D đóng kết thúc chu kỳ làm việc của hệ thống.
- Ưu điểm nổi bật của loại tăng áp bằng sóng khí là áp suất tăng áp càng cao, khi tốc độ 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 khuỷu động cơ dẫn động rôto tiêu thụ 12% công suất động cơ, tiếng ồn lớn, tuổi thọ của rôto thấp nên chưa được sử dụng rộng rãi.
3.3.2.3. Tăng áp tốc độ
Trong các động cơ đặt trên máy bay hoặc trên ôtô đua còn có thể sử dụng dòng không khí ngược với chiều chuyển động của máy bay và ôtô để làm tăng khối lượng môi 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.
3.3.2.4. Tăng áp cao
Để đạt được tăng áp cao và tránh được một số hạn chế do tăng áp gây ra, người ta thực hiện các phương pháp tăng áp sau:
- Tăng áp hai cấp;
- Tăng áp Miller;
- Tăng áp siêu cao;
- Tăng áp chuyển dòng.
3.3.2.5. So sánh ưu nhược điểm của hệ thống tăng áp có máy nén và hệ 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 tăng áp không có máy nén. Vì thế các động cơ diesel 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 độ thấp, điều này rất thích hợp với điều kiện làm việc của động cơ ô tô.
3.4. Tăng áp cho động cơ diesel
3.4.1. Tăng áp cho động cơ diesel bốn kỳ
Tăng áp bằng tuabin khí xả đầu tiên được sử dụng cho động cơ 4 kỳ. Đối với động cơ diesel, vì để đáp ứng được nhu cầu về nâng cao công suất cho động cơ nên hầu hết trên các động cơ diesel cỡ lớn của tàu thủy, động cơ diesel trên đầu máy xe lửa và diesel phát điện đều dùng hệ thống tăng áp. Nhằm giải quyết vấn đề nạp khí
ở các chế độ khởi động và tải nhỏ, đảm bảo độ chênh áp suất đủ để nạp khí vào xilanh ở các chế độ đối với động cơ 4 kỳ đơn giản hơn động cơ 2 kỳ nhờ có hành trình thải và tiêu thụ không khí quét ít. Nói chung sơ đồ nguyên lý tăng áp của các động cơ 4 kỳ giống nhau, chỉ khác nhau một ít về kết cấu đường ống xả và có hoặc không có bầu làm mát không khí tăng áp.
Để chuyển động cơ 4 kỳ sang tăng áp bằng tuabin khí xả không chỉ đơn giản đặt lên động cơ cụm tuabin máy nén và nối đường ống dẫn của nó với bình chứa không khí tăng áp và ống góp khí xả. Động cơ 4 kỳ tăng áp tuabin khí xả khác với động cơ không tăng áp.
- Tăng suất tiêu hao không khí và khí xả qua các xupap nạp, xả. Để đảm bảo điều đó, khi tăng áp cần phải tăng góc mở sớm và đóng muộn các xupap, tăng góc trùng điệp. Đối với động cơ không tăng áp góc trùng điệp khoảng 25500 góc quay trục khuỷu. Khi tăng áp bằng tuabin khí xả, để đảm bảo quét khí, góc trùng điệp được tăng lên đến 1001400 góc quay trục khuỷu. Các pha phân phối khí được lựa chọn ứng với chế độ 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 (áp suất trước tuabin). Nhờ độ chênh áp suất nên trong thời kỳ trùng điệp đảm bảo quét sạch buồng cháy, do vậy hệ số khí sót giảm đến giá trị r = 0,010,02, làm tăng hệ số nạp và hệ số dư lượng không khí, cải thiện được chất lượng cháy, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, ứng suất nhiệt động cơ. Hình 3 - 11, giới thiệu sơ đồ mô tả sự thay đổi các thông số hệ thống tăng áp diesel 4 kỳ theo tải như sau:
Hình 3- 11 Sự thay đổi các thông số tăng áp động cơ diesel 4 kỳ theo tải Px, tx- Áp suất, nhiệt độ khí xả; Ps- Áp suất không khí nạp.
Từ hình 3 - 11, thấy rõ độ chênh áp suất tăng nhanh (Ps-Px) khi tải động cơ tăng. Khi giảm tải độ chênh lệch áp suất (Ps-Px) giảm xuống. Khi tải của động cơ 4 kỳ khoảng 3050% tải định mức, áp suất tăng áp bằng áp suất khí xả trước tuabin
Ps, P x
0 2
5 5
0 2
0 4 0 6 0
Ne , 0%
20 0 40 0 600 tx, C
0
t x
P s
P x
(điểm a). Tại thời điểm này không diễn ra quá trình quét. Khi tiếp tục giảm tải, áp suất tăng áp bé hơn áp suất khí sau xupap xả, nên xảy ra hiện tượng dồn ngược khí xả vào xilanh và đường ống nạp không khí tăng áp.
Dẫn khí xả tới tuabin theo đường ống xả riêng. Trong trường hợp nối các ống xả của tất cả các xilanh với 1 đường ống xả chính thì khi áp suất tăng áp thấp (dưới 200KPa) xung áp suất ngăn cản quét các xilanh khác và là nguyên nhân dồn ngược khí xả vào các xilanh. Nối các ống xả của các xilanh với các đường ống riêng sẽ ngăn ngừa được hiện tượng này và đảm bảo độ chênh áp suất (Ps-Pt) và tạo quá trình quét bình thường của mỗi xilanh.
Tăng áp tuabin khí xả động cơ 4 kỳ gồm: 1-Rôto TBMN; 2-Vỏ TBMN; 3- Cửa nạp máy nén; 4-Máy nén 5-Bộ làm mát không khí tăng áp; 6-Ống nạp;7,8- Xupáp nạp, xả; 9-Ống xả. Không khí môi trường xung quanh được nạp vào máy nén 4 qua cửa nạp 3, được nén và cấp vào bình chứa 6 thông qua bầu làm mát không khí 5, từ đó nạp vào xilanh động cơ qua xupap nạp 7. Làm mát không khí tăng áp để tăng khối lượng không khí nạp (tăng bổ sung công suất động cơ), giảm ứng suất nhiệt.
3.4.2. Tăng áp cho động cơ diesel hai kỳ
Tăng áp tuabin khí xả trong các động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ bắt đầu sử dụng muộn hơn 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 đặc biệt của nó. Để đảm bảo quá trình thay đổi khí và làm việc tốt, các động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ đều được tăng áp bằng tuabin khí hoặc tăng áp hỗn hợp.
Tính đặc biệt của tăng áp động cơ hai kỳ.
Các tính đặc biệt sau đây của động cơ 2 kỳ gây khó khăn cho việc sử dụng tăng áp tuabin 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 suất khí 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 khỏi xilanh và nạp vào xilanh đủ khối lượng không khí ở các chế độ làm việc bất kỳ. Đối với động cơ 2 kì, nếu ở 1 chế độ làm việc nào đó áp suất tăng áp thấp hơn áp suất khí trong đường ống xả thì chu trình công tác không thể thực hiện được khả năng quét và không nạp vào xilanh đủ lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu. Để đảm bảo quét và nạp không khí vào xilanh, áp suất tăng áp cần phải cao hơn áp suất khí trong trường hợp ống xả ở tất cả các chế độ tải, do vậy tiêu tốn công suất bổ sung để nén không khí đến áp suất cao.
- Để đảm bảo chất lượng trao đổi khí trong động cơ 2 kỳ, yêu cầu hệ số quét lớn hơn so với động cơ 4 kỳ. Hệ số quét của động cơ 2 kỳ a= 1,451,65; trong khi đó của động cơ 4 kỳá= 1,071,35. Để tăng hệ số dư lượng không khí quét cần tăng lượng không 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 của động cơ 2 kỳ thấp hơn. Đối với động cơ 2 kỳ ở chế độ định mức, nhiệt độ
khí xả nằm trong giới hạn 3504500C. Còn với động cơ 4 kỳ, có thể đạt 4505000C.
Nguyên nhân giảm nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ là do lượng không khí quét lớn. Giảm nhiệt độ khí xả là nguyên nhân giảm công suất tuabin.
Như vậy, tăng công suất động cơ 2 kỳ bằng cách sử dụng tuabin khí xả phức tạp hơn so với động cơ 4 kỳ, vì công suất tuabin nhỏ nhưng hệ thống tăng áp cần phải cấp lượng không khí lớn hơn và có áp suất cao hơn. Hiệu số giữa công suất cần thiết của máy nén để cấp không khí với công suất do tuabin sinh ra có khi đạt tới (4- 6)% công suất chỉ thị của động cơ.
- Tăng áp động cơ 2 kỳ làm tăng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ.
3.5. Tăng áp cho động cơ xăng và động cơ ga 3.5.1. Tăng áp cho động cơ xăng
Do đặc điểm của động cơ xăng là khí nạp vào động cơ là hỗn hợp xăng và không khí, mặt khác động cơ xăng dễ gây kích nổ nên việc tăng áp cho động cơ xăng gặp nhiều khó khăn. Hiện nay động cơ xăng tăng áp thường chỉ dùng trong máy bay tải trọng nhỏ, máy bay thể thao, trực thăng còn trên ô tô máy kéo ít sử dụng tăng áp vì công suất của loại động cơ này thường nhỏ 75÷220 KW. Nếu lắp thêm cụm tuabin máy nén sẽ làm giảm tính năng tăng tốc của của động cơ.
Tăng áp cho động cơ xăng dễ gây ra kích nổ vì sẽ làm tăng áp suất và nhiệt độ đầu và cuối quá trình nén. Để tăng áp cho động cơ xăng mà không gây ra kích nổ người ta dùng các biện pháp như sau:
Thay đổi cấu tạo buồng cháy, dùng nhiên liệu chống kích nổ tốt, thay đổi thành phần khí hỗn hợp, thay đổi góc đánh lửa sớm, làm mát trung gian cho khí hỗn hợp ở sau máy nén tăng áp, giảm tỉ số nén động cơ.
Thường người ta chỉ sử dụng động cơ xăng tăng áp trong những điều kiện đặc biệt : làm việc trên núi cao, động cơ luôn luôn chạy ở chế độ toàn tải
Đối với phương án 1: Đặt máy nén ở sau bộ chế hòa khí lúc này hỗn hợp không khí và nhiên liệu sẽ đi vào máy nén.
Ưu điểm: