4.PHĐN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÂN LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÂP TRÍN ĐỘNG CƠ AMZ 236
4.1.Giới thiệu chung câc hệ thống tăng âp trín động cơ
Tất cả câc biện phâp nhằm tăng âp suất của không khí nạp văo trong xi lanh động cơ ở cuối quâ trình nạp lúc đóng xupâp nạp, qua đó lăm tăng lượng khí nạp mới văo trong động cơ, được gọi lă tăng âp cho động cơ.
Dựa văo nguồn năng lượng để nĩn không khí trước khi đưa văo động cơ, người ta chia tăng âp cho động cơ thănh tăng âp có mây nĩn vă tăng âp không có mây nĩn theo sơ đồ sau (Hình 4-1)
DAO DỘNG VAÌ CỘNG HƯỞNG CÓ MÁY NÉN LIÊN HỆ THỦY LỰC DẪN ĐỘNG CƠ GIỚI LIÊN HỆ CƠ KHÍ LIÊN HỆ KHÍ THỂ TUA BIN KHÍ MẮC SONG SONG MẮC NỐI TIẾP HỖN HỢP TĂNG ÁP KHÔNG CÓ MÁY NÉN SÓNG ÁP SUẤT TỐC ĐỘ
Hình 4-1 Câc phương phâp tăng âp trín động cơ đốt trong
Nếu môi chất được nĩn nhờ mây nĩn được dẫn động từ trục khuỷu động cơ thì tổ hợp động cơ đốt trong- mây nĩn được gọi lă động cơ tăng âp cơ khí (hoặc cơ giới). Nếu mây nĩn được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí thải của động cơ đốt trong thì tổ hợp động cơ đốt trong- tua bin - mây nĩn được gọi lă động cơ tăng âp tua bin khí.
a) Tăng âp cơ khí
Câc loại mây nĩn được sử dụng trong phương phâp tăng âp cơ khí có thể lă: mây nĩn kiểu piston, quạt root, trục xoắn, quạt li tđm, hoặc quạt hướng trục được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ. Câc sơ đồ tăng âp cơ giới (Hình 4-2)
ĐC a) PK P0 MN ĐC b) P K P 0 MN TB PT PT' PK c) ĐC PT' TB KN MN P0 LM PT
Hình 4-2 Sơ đồ tăng âp cơ giới
a- Sơ đồ tăng âp cơ giới không tận dụng năng lượng khí xả; b- Sơ đồ tăng âp cơ giới có tận dụng khí xả; c- Sơ đồ tăng âp cơ khí sử dụng ly hợp lắp giữa động cơ vă mây nĩn; MN- mây nĩn; TB- Tuabin; ĐC- Động cơ; LM- lăm mât; KN- Khớp nối; P0- âp
suất môi trường; Pk- âp suất khí tăng âp; PT- Âp suất khí thải ra môi trường. Phương phâp dẫn động mây nĩn rất phong phú, trong nhiều trường hợp giữa mây nĩn vă trục khuỷu của động cơ có bố trí ly hợp nhằm cho phĩp điều khiển phạm vi hoạt động của mây nĩn dẫn động cơ khí cho phù hợp với chế độ lăm việc của động cơ đốt trong.
Mây nĩn thể tích đâp ứng tốt nhất đối với động cơ lăm việc theo đường đặc tính tải, còn mây nĩn ly tđm đối với động cơ lăm việc theo đường đặc tính chong chóng. Đối với động cơ hai kỳ có đầu chữ thập thường dùng hốc dưới xi lanh để nĩn khí bổ sung.
Công suất của động cơ đốt trong được xâc định theo công thức sau: NeT = NiT . NmT . Nk
Công suất có ích được lấy từ trục khuỷu động cơ NeT có được từ công suất chỉ thị NiT sau khi bị khấu trừ đi tổn thất cơ giới của bản thđn động cơ NmT vă công suất Nk để dẫn động mây nĩn.
Công suất dẫn động mây nĩn chỉ phụ thuộc văo số vòng quay của nó, vì vậy nếu động cơ lăm việc ở chế độ tải nhỏ thì số phần trăm công suất tổn thất cho việc dẫn động mây nĩn tăng lín lăm giảm mạnh hiệu suất tổng của động cơ đốt trong.
Công suất dẫn động mây nĩn tăng nhanh hơn mức độ tăng âp suất chỉ thị pi. Vì vậy, khi sử dụng tăng âp dẫn động cơ khí lăm cho hiệu suất động cơ giảm khi âp suất tăng âp tăng. Chính vì vậy, phương phâp tăng âp dẫn động cơ khí chỉ được âp dụng ở những mục đích cần thiết vă âp suất tăng âp p1 nhỏ hơn hoặc bằng 1,6 kG/cm2, nếu pk lớn hơn 1,6 kG/cm2 thì Nk sẽ lớn hơn 10%Ne [1].
Với phương phâp tăng âp cơ giới, chất lượng khởi động vă tăng tốc động cơ tốt vì lượng không khí cấp cho động cơ trong một chu trình phụ thuộc văo vòng quay trục khuỷu mă không phụ thuộc văo nhiệt độ khí thải. Tuy nhiín, đối với tăng âp cơ giới, năng lượng tiíu hao để dẫn động mây nĩn tăng lín nín lăm giảm hiệu suất cơ giới, lăm giảm tính kinh tế của động cơ.
b) Động cơ tăng âp bằng tuabin 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 nhỏ. Để tận dụng tốt năng lượng khí xả, người ta cho nó giên nở đến âp suất môi trường vă sinh công trong câc cânh của tua bin (TB).
Ta lần lượt xem xĩt câc phương ân kết nối đó:
Tăng âp bằng TB khí liín hệ cơ khí
Trong phương ân năy trục tuabin, động cơ đốt trong vă mây nĩn được nối liền nhau. (Hình 4-3) giới thiệu kết cấu vă sơ đồ nguyín lý của phương ân năy.
2 PT' P0 PK 1 PT 4 3 5
Hình 4-3 Kết cấu vă sơ đồ nguyín lý của tăng âp tuabin 1-Động cơ; 2-Khớp nối; 3-Mây nĩn; 4-Tuabin; 5-Lăm mât
Âp suất của khí nạp văo xy lanh động cơ đạt 3.4 kG/cm2, khí xả sau khi ra khỏi xy lanh động cơ đốt trong trước khi văo tuabin đạt âp suất 16 kG/cm2. Nhưng theo Buchi cho rằng công do giên nở không hoăn hảo của sản vật chây trong xy lanh của ĐCĐT sẽ được thu hồi trong TB. Song phương ân năy gặp phải câc hạn chế sau:
-Công xả của khí xả ĐCĐT tăng lín quâ cao.
-Khí xót trong xy lanh rất lớn lăm cho lượng khí mới nạp văo xy lanh giảm. Do câc nguyín nhđn trín mă phương ân năy không được tồn tại trong thực tế.
Tăng âp bằng TB khí liín hệ khí thể
Sơ đồ nguyín lý của tăng âp năy thể hiện trín Hình 4-4. Theo phương ân năy, tuabin vă mây nĩn được nối đồng trục với nhau. Khí xả được giên nở trong cânh tuabin sẽ lăm tuabin quay vă dẫn động mây nĩn nĩn không khí tới âp suất tăng âp vă đưa văo động cơ
PK 1 PT PT' P0 5 4 3 2
Hình 4-4 Tăng âp bằng TB khí liín hệ khí thể
1-Động cơ; 2-Thiết bị lăm mât; 3-Mây nĩn; 4-Tuabin; 5-Bình xả.
Phương phâp tăng âp TB khí có liín hệ khí thể cho phĩp lợi dụng tối đa năng lượng khí xả, tạo ra hiệu suất cũng như tính hiệu quả cao cho ĐCĐT ở mọi lĩnh vực sử dụng.
Tăng âp bằng TB khí liín hệ thuỷ lực
Câc phương ân kết nối giữa động cơ đốt trong vă cụm tuabin, mây nĩn cũng rất phong phú. Hình 4-5 trình băy câc phương phâp kết nối năy. Trong đó, Hình 4-5a lă câch ghĩp nối thông dụng nhất, nó cho phĩp điều chỉnh chế độ tăng âp theo chế độ lăm việc của động cơ đốt trong. Ngoăi ra, còn có câc phương phâp kết nối nhằm tận dụng năng lượng khí xả như Hình 4-5b,c. Ở đđy, ngoăi cụm TB.MN dùng tăng âp cho động cơ còn có TB tận dụng năng lượng còn thừa của khí xả cung cấp cho thiết bị
công tâc. Loại kết cấu năy được sử dụng nhiều trong động cơ 2 kỳ tốc độ thấp cũng như động cơ 4 kỳ tốc độ trung bình vă ngay cả động cơ sử dụng trín xe tải.
1 4 3 2 1 1 5 2 8 7 5 6 4 3 3 4 2
Hình 4-5 Tăng âp TB khí có liín hệ thuỷ lực
a) Cơ cấu nối có liín hệ thuỷ lực; b) Cơ cấu nối có liín hệ thuỷ lực vă tua bin tận dụng năng lượng khí xả; c) Cơ cấu nối qua hộp số có tua bin tận dụng năng lượng khí xả dẫn động mây phât điện; 1. Động cơ; 2. Khớp thuỷ lực; 3,4. Cụm TB.MN dẫn động
khí thể; 5. TB tận dụng; 6. Hộp số; 7. Mây phât điện; 8. Hộp tốc độ.
c) Tăng âp hỗn hợp
Trong tăng âp hỗn hợp người ta sử dụng hai hệ thống mây nĩn khâc nhau, một được dẫn động bằng tuabin khí vă một được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ.
Tuỳ thuộc văo vị trí của mây nĩn người ta có hai dạng ghĩp nối: Lắp nối tiếp (Hình 4-6a,b) vă lắp song song (Hình 4-6c).
GHÉP NỐI TIẾP THUẬN
PT 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
Hình 4-6 Sơ đồ hệ thống tăng âp hỗn hợp cho động cơ
a. Tăng âp hỗn hợp 2 tầng lắp nối tiếp thuận; b- Tăng âp hỗn hợp 2 tầng lắp nối tiếp nghịch; c- Tăng âp hỗn hợp 2 tầng lắp song song
1- Động cơ; 2- Khớp nối; 3- Tuabin; 4- Mây nĩn ; 5- Bộ lăm mât; 6-Mây nĩn dẫn động cơ khí; 7-Bình nạp chung
Trong hệ thống hai tầng lắp nối tiếp thuận (Hình 4-6a), tầng thứ nhất lă bộ "mây nĩn tuabin" quay tự do vă tầng thứ hai lă mây nĩn truyền động cơ giới.
Hệ thống tăng âp mă tầng thứ nhất lă một mây nĩn thể tích hoặc mây nĩn ly tđm do trục khuỷu dẫn động vă tầng thứ hai lă "mây nĩn tuabin khí" quay tự do được gọi lă hệ thống tăng âp hai tầng nối tiếp ngược (Hình 4-6b).
Trong động cơ tăng âp hỗn hợp lắp song song (Hình 4-6c) người ta dùng một mây nĩn dẫn động cơ giới hoặc dùng không gian bín dưới của xi lanh lăm mây nĩn (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.
3 3 2 1 2 1 4 a) b)
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 :
kRT a=
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:
) , (x t f p= ) , (x t f v=
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.
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
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.
Tăng âp tốc độ
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