3. LÝ THUYẾT TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ
3.3. Phân loại tăng áp
3.3.1. Biện pháp tăng áp nhờ máy nén
3 1
5 4
2 Po,To
Hình 3- 2 Sơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí
1-Động cơ đốt trong; 2-Bánh răng truyền động; 3-Máy nén; 4-Đường nạp; 5-Thiết bi làm mát.
Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp cơ khí có thể là máy nén kiểu piston, quạt root, trục xoắn, quạt li tâm, hoặc quạt hướng trục, được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ.
Công suất của động cơ đốt trong được xác định theo công thức sau:
Ne = Ni - Nm - Nk
Trong đó:
Ne: Công suất có ích được lấy từ trục khuỷu động cơ;
Ni: Công suất chỉ thị;
Nm: Công suất tổn thất cơ giới của bản thân động cơ;
Nk: Công suất để dẫn động máy nén.
Công suất dẫn động máy nén chỉ phụ thuộc vào số vòng quay của nó, vì vậy nếu động cơ làm việc ở chế độ tải nhỏ thì số phần trăm công suất tổn thất cho việc dẫn động 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 sẽ làm cho hiệu suất động cơ giảm khi áp suất tăng áp tăng. Chính vì vậy, phương pháp tăng áp dẫn động cơ khí chỉ được áp dụng ở những mục đích cần thiết và áp suất tăng áp pk nhỏ hơn hoặc bằng 1,6 kG/cm2, nếu pk lớn hơn 1,6 kG/cm2 thì Nk sẽ lớn hơn 10%Ne
Với phương pháp tăng áp cơ giới, chất lượng khởi động và tăng tốc động cơ tốt, vì lượng không khí cấp cho động cơ trong một chu trình phụ thuộc vào vòng quay trục khuỷu 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, làm giảm tính kinh tế của động cơ.
3.3.1.2. Động cơ tăng áp bằng tuabin khí
Tăng áp bằng tuabin khí: là biện pháp tăng áp mà máy nén được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí thải của động cơ đốt trong.
Khí xả của ĐCĐT có nhiệt độ và áp suất rất cao nên nhiệt năng của nó tương đối lớn. Muốn khí thải sinh công, nó phải được giãn nở trong một thiết bị để tạo ra công cơ học. Nếu để nó giãn nở trong xi lanh của ĐCĐT thì dung tích của xilanh sẽ rất lớn, làm cho kích thước của ĐCĐT quá lớn, nặng nề. Điều này mặc dù làm tăng hiệu suất nhiệt nhưng tính hiệu quả được đánh giá bằng giá trị áp suất trung bình sẽ rất nhỏ. Để tận dụng tốt năng lượng khí xả, người ta cho nó giãn nở đến áp suất môi trường và sinh công trong các cánh của tua bin (TB).
a) Tăng áp bằng tuabin khí có liên hệ cơ khí
Trong phương án này, trục tuabin, động cơ đốt trong và máy nén được nối liền nhau. Kết cấu này bao gồm máy nén hướng trục nhiều cấp, động cơ diesel 4 kỳ và tuabin hướng trục nhiều cấp được nối đồng trục. Áp suất của khí nạp vào xi lanh động cơ đạt 3÷4 [kG/cm2], khí xả sau khi ra khỏi xi lanh động cơ đốt trong trước khi vào tuabin đạt áp suất 16 [kG/cm2]. Tuy nhiên phương án này gặp phải các hạn chế :
- Công xả của khí xả ĐCĐT tăng lên quá cao;
- Khí sót trong xilanh rất lớn làm cho lượng khí mới nạp vào xilanh giảm.
b) Tăng áp bằng TB khí liên hệ khí thể
Theo phương án này, tuabin và máy nén được nối đồng trục với nhau. Khí xả được giãn nở trong cánh tuabin sẽ làm tuabin quay và dẫn động máy nén, nén không khí tới áp suất tăng áp và đưa vào động cơ. Phương án này cho phép tận dụng tối đa năng lượng khí thải, tạo ra hiệu suất cao cho động cơ.
3
2 4
1 5
Hình 3- 3 Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng TB khí chỉ liên hệ khí thể 1-Máy nén; 2-Thiết bi làm mát; 3-Động cơ; 4-Bình xả; 5-Tuabin.
c) Tăng áp bằng TB khí có liên hệ thuỷ lực
4 1 3
2
1
a) b)
3 4
5 2
1
3 4
6 5
8 7 2
c)
Hình 3- 4 Tăng áp tuabin khí có liên hệ thuỷ lực
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
a) Cơ cấu nối có liên hệ thuỷ lực;
b) Cơ cấu nốicó liên hệ thuỷ lực và tua bin tậnn dụng năng lượng khí xả;
c) Cơ cấu nối qua hộp số có TB tận dụng năng lượng khí xả dẫn động máy phát điện.
Các phương án kết nối giữa động cơ đốt trong và cụm tuabin - máy nén cũng rất phong phú. Hình 3 - 4 trình bày các phương pháp kết nối này. Trong đó, hình 3 - 4 a là cách ghép nối thông dụng nhất, nó cho phép điều chỉnh chế độ tăng áp theo chế độ làm việc của động cơ đốt trong. Ngoài ra, còn có các phương pháp kết nối khác nhằm tận dụng năng lượng khí xả, như hình 3 - 4 b,c.
3.3.1.3. Tăng áp hỗn hợp
Trong tăng áp hỗn hợp, người ta sử dụng hai hệ thống máy nén khác nhau, một được dẫn động bằng tuabin khí và một được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ.
Tuỳ thuộc vào vị trí của máy nén người ta có hai dạng ghép nối: Lắp nối tiếp và lắp song song
1
3 2
4
5
6
6 6
6 5
4
2 3
1
Po,To Po,To
a) b)
Po,To 1
2 3
4
5
6 Po,To
c)
Hình 3 – 5 Sơ đồ nguyên lý phương án tăng áp hỗn hợp cho động cơ a- Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp thuận;
b- Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp nghich;
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 bi làm mát trong sơ đồ a, b và bình nạp chung trong sơ đồ.
Trong các phương án lắp ghép này MN dẫn động cơ khí có thể sử dụng MN ly tâm, hướng trục, trục vít, quạt Root hoạt động hoàn toàn độc lập với MN dẫn động bởi TB khí
Đối với phương án lắp thuận: MN dẫn động cơ khí đứng sau MN dẫn động bằng TB khí. Khí tăng áp được MN dẫn động bằng TB khí hút từ môi trường sau đó dẫn tới MN dẫn động cơ khí và đi vào ĐCĐT. Lưu lượng khí nạp phụ thuộc vào lưu lượng cụm TB-MN.
Đối với phương án lắp nghịch: MN dẫn động cơ khí đứng trước, lưu lượng khí nạp vào ĐCĐT phụ thuộc vào lưu lượng MN dẫn động cơ khí, vì thế phụ thuộc vào chế độ tốc độ động cơ và lưu lượng cung cấp cho một chu trình là không đổi
Trong động cơ tăng áp hỗn hợp lắp song song người ta dùng một máy nén dẫn động cơ giới hoặc dùng không gian bên dưới của xi lanh làm máy nén (trường hợp động cơ có guốc trượt) cung cấp không khí cho động cơ, song song với bộ
"máy nén tuốc bin khí"quay tự do. Như vậy, mỗi máy nén trong hệ thống chỉ cần cung cấp một 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 cấp đồng thời nhờ hai máy nén, lưu lượng không khí qua mỗi máy nén đều nhỏ. Do đó kích thước của mỗi máy nén đều nhỏ so với hệ thống tăng áp lắp nối tiếp.