Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
- Xã hội ngày nay ngày càng phát triển vượt bậc, nhưng theo cùng với sự phát
triển này là những nguy cơ đe dọa đến sự tồn tại của trái đất. Một trong những nguy cơ
đó xuất phát từ sự ô nhiễm do khí xả động cơ gây ra. Với một turbo tăng áp (turbo
charger) nắp trên động cơ ôtô chính là một giải pháp hết sức quan trọng. Turbo tăng áp
hoạt động với nguyên lí: khí thải ra từ buồng đốt làm quay một tuabin, tuabin này dẫn
động đến một turbin thứ hai nằm trong hệ thống nạp để làm tăng lượng không khí nạp
vào buồng đốt (nén áp suất cao). Như vậy, turbo tăng áp hoạt động như một cơ cấu
độc lập, không có bất kỳ liên hệ cơ khí nào với động cơ chính. Nói cách khác, turbo
tăng áp sử dụng năng lượng động năng khí thải thường vẫn bị bỏ phí để năng cao năng
suất cũng như hiệu suất của động cơ. Vì vậy, sử dụng hệ thống tăng áp bằng turbo tăng
áp cho động cơ vừa mang lại tính hiệu quả kinh tế cao nhờ tiết kiệm năng lượng nhưng
đồng thời cũng mang một ý nghĩa quan trọng vào việc hạn chế ô nhiễm môi trường do
khí thải động cơ gây ra.
- Đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu hệ thống tăng áp trên động cơ. Thiết kế mô
phỏng và lập quy trình kiểm tra, sửa chữa hệ thống tăng áp HX50” nhằm nâng cao
được kiến thức, kĩ năng về hệ thống tăng áp cho bản thân.
2. Mục đích nghiên cứu
- Củng cố và nâng về cấu cao kiến thức chuyên môn tạo về nguyên lý hoạt động
và quy trình kiểm tra, sửa chữa của hệ thống tăng áp trên ô tô.
- Mô phỏng hệ thống tăng áp (trên phần mềm Macromedia Flash 8) làm tài liệu
tham khảo cho sinh viên khóa sau.
- Nghiên cứu nhằm giúp cho bản thân dễ dàng hiểu về nguyên lý hoạt động của
hệ thống tăng áp trên ô tô bằng chương trình Macromedia Flash 8.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lí hoạt động của hệ thống tăng áp trên ô tô và
trong xưởng thực hành của trường.
- Mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống tăng áp.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
những năm 70 của thế kỉ 20. Thêm vào đó là vấn đề ô nhiễm do nó gây ra đối với môi
trường và sức khỏe con người.
Tuy nhiên, nhờ những phát triển vượt bật, kì diệu trong nghiên cứu, chế tạo
đông cơ xăng, diesel đã đánh bại mọi sự nghi ngờ về sự tồn tại phát triển của nó. Nhờ
những ưu điểm vượt trội về nhiều mặt: hiệu suất cao trong phạm vi công suất rộng,
nhỏ gọn nên ĐCĐT hiện nay chiếm ưu thế tuyệt đối một số lĩnh vực như vận tải đường
bộ, đường thủy, phát điện dự phòng…
Lịch sử phát triển ĐCĐT luôn gắn liền với lịch sử phát triển tăng áp của nó.
1.1.1.1. Tăng áp cho động cơ xăng
Động cơ 4 kì làm việc theo nguyên lí đốt cháy cưỡng bức có khả năng sử dụng
trong thực tế xuất hiện vào những năm 1876. Năm 1885 Gottlieb Deimler (tiền thẩn
hãng ôtô Mercedes Benz) đã có đăng kí phát minh số DRP 34.926 về tăng áp cho động
cơ cháy cưỡng bức. Theo bản vẽ và sự mô phỏng trong đăng kí phát minh có thể thấy
rõ hộp trục khuỷu được sử dụng như một máy nén – như trong động cơ hai kì quét nhờ
hộp trục khuỷu. Khi piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên không khí hoặc hỗn
hợp được hút vào hộp trục khuỷu, hành trình ngược lại của piston sẽ là hành trình nén
không khí hoặc hỗn hợp trong hộp trục khuỷu, không khí hoặc hỗn hợp chịu nén sẽ
đẩy vào xilanh qua một van đặt trong đỉnh piston khi áp suất trong hộp trục khuỷu
thắng sức căng của lò xo van. Quá trình nạp vào xilanh chia làm 3 giai đoạn:
1- Cuối quá trình giãn nở khí ở hộp trục khuỷu tràn vào xilanh đẩy khí cháy ra
ngoài.
2- Quá trình nạp bình thường.
3- Quá trình nạp thêm vào xilanh ở cuối quá trình nạp.
Phát minh chỉ phù hợp với trình độ kĩ thuật thời kì đầu số vòng quay động cơ
khoảng 150÷160 vg/ph. Với thành công này người ta dự định áp dung thành công này
cho động cơ có số vòng cao hơn từ 500÷600 vg/ph song vì tổn thất dòng chảy qua van
quá lớn nên hàm lượng khí nạp vào động cơ không đáng kể.
Với nguyên lí tăng áp tương tự Wilhelm Maybach đã thiết kế động cơ chữ V
cho hãng Deimler nhưng do công suất tăng lên không đáng kể nên hãng Deimler sau
đó đã từ bỏ phương án này.
ích g
c
396 g/ml.h 258 g/ml.h
Áp suất có ích 6,25kG/cm
2
4,9÷5,3kG/cm
2
Nhờ kết quả này mà năm 1929 lại suất hiện động cơ tăng áp bằng hộp trục
khuỷu khác của hãng Werkspoor lắp trên tàu chở dầu “Megava” của tập đoàn dầu mỏ
Anglo Saxon.
Động cơ diesel ngày nay có nhu cầu tăng áp rất lớn và được áp dunhj với hầu
hết các hình thức tăng áp cũng như tổ hợp của nhiều hình thức tăng áp. Thành tựu tăng
áp cho động cơ diesel là thành tựu tăng áp đáng kể cho ĐCĐT.
1.1.1.3. Tăng áp bằng tuabin khí
Sự phát triển tăng áp được dẫn động bằng tua bin khí cho động cơ diesel gắn
liền với sự nghiệp của kĩ sư người Thụy Sĩ Alfed Buchi. Ngày 16/11/1905 Alfed
Buchi có đăng kí phát minh DRP số 20 4630 về một liên hợp máy bao gồm: một máy
nén chiều trục nhiều tầng, một động cơ diesel và 1 tuabin hướng trục nhiều cấp, tất cả
đều nối chung trên một trục. Không khí được máy nén hút từ môi trường va nén tới áp
suất 3÷4 kG/cm
2
, khí xả sau khi ra khỏi động cơ áp suất khoảng 16 kG/cm
2
được giãn
nở tiếp và sinh công trong tuabin.
Với kết cấu này Alfed Buchi hi vong là công tổn thất do giãn nở không hoàn
toàn trong xilanh của động cơ sẽ được thu hồi trong tuabin. Tuy vậy, điều hi vọng của
Alfed Buchi đều bị tan vỡ bởi hai lí do: thứ nhất là do công cho quá trình xả quá cao
trong khi công sinh bởi tuabin lại bị tiêu phí; thứ hai là do áp suất trên đường thải quá
lớn lên làm cho lượng khí sót trong xilanh quá lớn dẫn đến giảm lượng khí nạp.
tăng khối lượng nhiệt tỏa ra trong một không gian và thời gian cho trước. Trong
nguyên lí động cơ đã cho quan hệ giữa công suất có ích và các thông số khác nhau
như:
e h v l
N V . n . p
30
i
H
m
o
n
Q n
n i
M t a
=
(1- 1)
Trong đó:
V
h
– dung tích của một xilanh;
n
v
– hệ số nạp;
p
l
– khối lượng riêng của khí nạp mới;
Q
H
– nhiệt trị thấp nhất của nhiên liệu;
M
trọng lượng của động cơ tăng.
- Tăng khối lượng không khí nạp vào xilanh bằng cách tăng khối lượng riêng
của không khí p
k
. Muốn vậy phải tiến hành nén môi chất nạp trước khi đưa vào xilanh,
tức là tăng áp suất của môi chất nạp. Do khối lượng không khí được nạp vào xilanh
tăng nên người ta tăng thêm nhiên liệu để đốt cháy trong dung tích đó. Như vây, cho ta
tăng khả năng tăng lượng nhiệt phát ra trong dung tích cho trước. Biện pháp làm tăng
khối lượng riêng của môi chất trước khi nạp vào động cơ bằng cách tăng áp suất của
nó được gọi là tăng áp.
Mục đích cơ bản của tăng áp là làm cho công suất của nó tăng lên nhưng đồng
thởi tăng áp cho phép cải thiện một số chỉ tiêu sau:
- Giảm thể tích toàn bộ của ĐCĐT ứng với một đơn vị công suất.
- Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị công suất.
- Giảm gía thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất.
- Hiệu suất của động cơ tăng đặc biệt là khi tăng áp tuabin khí, do đó suất tiêu
hao nhiên liệu giảm.
- Có thể làm giảm lượng khí thải độc hại.
- Giảm độ ồn của động cơ.
6
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
1.1.3. Những hạn chế của tăng áp và biện pháp khắc phục khi thực hiện tăng áp cho
ĐCĐT
1.1.3.1. Những hạn chế
a. Áp suất của chu trình
Về mặt lí thuyết có thể xem quá trình diễn ra trong máy nén là đoạn nhiệt, lúc
này quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất môi trường với nhiệt độ và áp suất sau máy nén
là:
(1- 2)
trong đó:
a
. E
n- 1
Trong đó:
P
c
, T
c
- áp suất và nhiệt độ của môi chất trong xilanh ở cuối quá trình nén;
n- là chỉ số nén đa biến trung bình;
E – tỉ số nén của động cơ;
p
a
, T
a
– áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nạp.
Quan hệ giữa áp suất cuối quá trình nén phj thuộc vào tỉ số tăng áp và tỉ số nén
của động cơ.
Sự tăng áp suất cuối quá trình nén do tăng áp dẫn đến sự tăng của áp suất và
nhiệt độ của cả chu trình công tác của động cơ. Song tỷ lệ tăng của chúng ở động cơ
đốt cháy cưỡng bức khác với động cơ tự bốc cháy.
Trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, do quá trình cháy dẫn đến sự tăng của áp
suất chu trình. Tỷ lệ áp của áp suất ở mọi thời điểm của chu trình bằng nhau cũng như
tỷ số
i
z
p
p
max
(tỷ số giữa áp suất cực đại của chu trình với áp suất chỉ thị trung bình)
Trong động cơ tăng áp, để tăng công suất người ta phải tận dụng tốt khối lượng
không khí được nạp vào xilanh nên phải tăng lượng nhiên liệu cung cấp. Trong động
cơ diesel có hai cách tăng lượng nhiên liệu cung cấp: tăng áp suất phun hoặc kéo dài
thời gian phun. Nếu tăng áp suất phun sẽ làm cho tải tác dụng lên hệ thống cung cấp
nhiên liệu vốn đã làm việc trong trạng thái tải trọng cao nay lại làm việc nặng nhọc
hơn, nên làm giảm đáng kể tuổi thọ của các chi tiết trong hệ thống này. Chính vì vậy,
xu hướng được ưa thích hơn cả là kéo dài thời gian phun, ngoài ra biện pháp này còn
cho phép điều chỉnh được áp suất cực đại của chu trình p
max
và tỷ số tăng áp.
Bên cạnh đó còn phải quan tâm đến điều kiện bay hơi của nhiên liệu trong
động cơ tăng áp vì khi áp suất tăng sẽ làm giảm không gian vật lí để bay hơi nên nhiên
liệu khó bay hơi hơn. Quá trình hình thành hỗn hợp của động cơ diesel tăng áp trở nên
phức tạp hơn. Để có thể có được quá trình hình thành hỗn hợp, tạo điều kiện tốt nhất
cho quá trình cháy thì cần phải tận dụng triệt để lốc xoáy thông qua pha phân phối khí,
kết cấu đỉnh piston
1.1.3.2. Biện pháp khắc phục
a. Nguyên tắc cơ bản
Muốn thực hiện tăng áp cho ĐCĐT người ta phải lựa chọn các biện pháp để hạn
chế các nhược điểm đã phân tích ở trên. Trong quá trình lựa chọn phải dung hòa được
3 yếu tố sau:
- Nhằm đạt được công suất cao người ta phải tìm mọi biện pháp có giá trị ρ
k
lớn hơn như có thể được trong khi đó nhiệt độ của môi chất nạp vào động cơ càng thấp
càng tốt
- Phải lựa chọn tỉ số nén của ĐCĐT một cách hợp lí.
- Nhiệt độ cuối quá trình nén chỉ cần đủ lớn để đảm bảo thời gian cháy trễ hợp
lí, mặt khác giữ cho nhiệt độ của chu trình không quá cao.
b. Các biện pháp cụ thể
8
1. Động cơ đốt trong; 2. Bánh răng truyền động;
3. Máy nén; 4. Đường nạp; 5. Thiết bị 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:
N
e
= N
i
- N
m
- N
k
(1- 3)
Trong đó:
N
e
: Công suất có ích được lấy từ trục khuỷu động cơ ;
N
i
: Công suất chỉ thị ;
N
m
: Công suất tổn thất cơ giới của bản thân động cơ ;
N
k
: Công suất để dẫn động máy nén.
Công suất có ich được lấy ra từ trục khuỷu động cơ N
e
khuỷu mà không phụ thuộc vào nhiệt độ khí thải. Tuy nhiên, đối với tăng áp cơ giới,
10
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
năng lượng tiêu hao để dẫn động máy nén tăng lên, nên làm giảm hiệu suất, làm giảm
tính kinh tế của động cơ.
1.2.2.2. Tăng áp tua bin khí
Tăng áp bằng tuabin (TB) khí là phương án tăng áp dùng TB làm việc nhờ năng
lượng khí xả của động cơ đốt trong để dẫn động MN. Khí xả của động cơ đốt trong có
áp suất và nhiệt độ rất cao nên nhiệt năng của nó tương đối lớn. Muốn khí thải phát
sinh công nó phải được giãn nở trong một thiết bị để tạo ra công cơ học. Nếu để nó
giãn nở trong xilanh của động cơ đốt trong thì dung tích của xilanh sẽ rất lớn, làm cho
kích thước của động cơ đốt trong quá lớn và 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 cánh của TB. Thực tế đã
chứng minh được rằng khí xả của động cơ đốt trong ở tất cả mọi chế độ sử dụng trong
thực tế bảo đảm được những điều kiện sau:
- Năng lượng đủ cao để có thể sử dụng một phần cho giãn nở trong TB và sinh
công cơ khí.
- Nhiệt độ không quá cao nên có thể tránh được việc hư hỏng các chi tiết của
TB.
- TB khí có thể dẫn động Máy nén ly tâm hoặc chiều trục mà không tạo ra sức
cản quá lớn trên đường xả của động cơ đốt trong. Trong động cơ diesel, khoảng 35 ÷
40% năng lượng của nhiên liệu bị mất do theo dòng khí xả ra bên ngoài. Trong khi đó
người ta có thể tận dụng một phần của nguồn năng lượng này vì rằng:
+ Nếu giả thiết chu trình xảy ra trong động cơ đốt trong là chu trình Cacno thì
một phần của nguồn năng lượng khí xả ( khoảng một nửa ) được thải ra cho môi
trường xung quanh. Nếu coi năng lượng do khí thải mang ra khỏi động cơ chiếm 40%
tổng lượng do nhiên liệu phát ra thì phần năng lượng thải ra cho môi trường là 20%.
+ Khoảng một phần tư ( 10% ) nguồn năng lượng do khí thải mang đi bị mất
Nhằm nhiểu rõ bản chất và đánh giá được ưu nhược điểm của phương pháp
tăng áp cho động cơ đốt trong bằng TB biến áp và đẳng áp, cần xem xét diễn biến của
các chu trinh lý tưởng xảy ra trong động cơ đốt trong và TB-MN nén khí coi chúng
nằm trong một thể thống nhất, tức là xem giữa .
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/cm
2
, khí xả sau khi ra khỏi xi lanh động cơ đốt trong trước khi vào
tuabin đạt áp suất 16 kG/cm
2
. Buchhi ( tác giả của phát minh này) cho rằng công do
giãn nở không hoàn hảo của sản vật cháy trong xilanh của ĐCĐT sẽ được thu hồi
trong TB. 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.
12
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
Do các nguyên nhân trên mà phương án này không được tồn tại trong thực tế.
b. Tăng áp bằng tuabin 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 cũng như tinh hiệu quả cao cho ĐCĐT ở mọi lĩnh
vực sử dụng. Chính vì vậy, phương án tăng áp này sẽ là mục tiêu nghiên cứu chính.
3
2
4
14
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý phương án tăng áp hỗn hợp cho động cơ
1. Động cơ; 2. Tuabin; 3. Máy nén; 4. Máy nén dẫn động cơ khí; 5. Khớp nối 6. Thiết
bị làm mát trong sơ đồ a, b và bình nạp chung trong sơ đồ c.
a. Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp thuận;
b. Tăng áp hỗn hợp lắp nối tiếp nghịch;
c. Tăng áp hỗn hợp 2 tầng lắp song song.
- Đối với phương án lắp thuận: Máy nén dẫn động cơ khí đứng sau máy nén dẫn
động bằng tuabin khí. Khí tăng áp được máy nén dẫn động bằng tuabin khí hút từ môi
trường, sau đó dẫn tới máy nén dẫn động cơ khí và đi vào ĐCĐT. Lưu lượng khí nạp
phụ thuộc vào lưu lượng qua cụm TB- MN.
- Đối với phương án lắp nghịch: Máy nén dẫn động cơ khí đứng trước, lưu
lượng khí nạp vào ĐCĐT phụ thuộc vào lưu lượng máy nén 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.
15
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
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.
1.2.3. Các phương pháp tăng áp khác
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
16
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
(1- 4)
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 :
v=
ƒ(x, t)
p= f(x, t)
Sóng áp suất và sóng tốc độ cùng xuất hiện và cùng được truyền với tốc độ
truyền sóng a. Nếu tốc độ của các phần tử chuyển động cùng chiều với tốc độ truyền
sóng và khi sóng truyền tới sẽ làm tăng áp suất thì sóng đó là sóng đó là sóng nén. Nếu
chiều truyền sóng ngược lại với chiều của các phần tử chuyển động, khi sóng truyền
tới sẽ làm giảm áp suất, sóng đó là sóng giãn nở.
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 sóng. 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.
Khi piston dịch chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới 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 p
0
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 và chỉ được sử dụng trên
động cơ đời mới.
1.2.3.2. Tăng áp nhờ sóng áp suất - tăng áp COMPREX
Trong nghiên cứu và thực tế về tăng áp TB cho thấy khó khăn chủ yếu của loại
tăng áp này là đặc tính momen tồi, khả năng gia tốc của ĐCĐT và các thiết bị khác
kém. Nhược điểm này được khắc phục rất nhiều trong hệ thống tăng áp dựa vào sóng
áp suất được gọi là COMPREX.
18
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
Trong phương án này, người ta sử dụng năng lượng động học của khí xả để nén
khí nạp. Sự tăng hay giảm áp được được truyền với cùng tốc độ của các xung nén hình
thành từ phía có áp suất cao lên phía có áp suất thấp.
Lúc 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.
1.2.3.3. 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.
a. Tăng áp 2 cấp
Sơ đồ ngưyên lý của tăng áp 2 cấp được biểu diễn trên hình 1.10, ở đây có hai
cụm TB- MN một áp suất cao và một áp suất thấp. với cách bố trí này có thế đạt được
trọng nhiệt và tải trọng cơ của động cơ đốt trong .
c. Tăng áp siêu cao
Biện pháp tăng áp này được thực hiện cho động cơ diesel nhằm đáp ứng yêu
cầu đạt p
e
cao trong phạm vi rộng của số vòng quay trong khí vẫn cho khả năng gia tốc
tốt. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện:
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý của biện pháp tăng áp siêu cao
1. Động cơ khởi động 2. Làm mát khí tăng
áp
3. Ống vòng 4. Bơm nhiên liệu
5. Bộ điều chỉnh áp 6. Ống xả 7. Buồng đốt 8. Bộ đánh lửa
Đối với loại tăng áp siêu cao, phía trước turbin có bố trí buồng đốt 7. Phụ thuộc
vào chế độ làm việc của động cơ, một lượng nhiên liệu và không khí được đưa thêm
vào buồng đốt cùng với khí xả. Không khí đưa thêm được trích từ máy nén, được điều
chỉnh để có số lượng thích hợp, đi qua một ống nhánh sau đó trộn với khí xả rồi đi vào
buồng đốt. Phương pháp tăng áp siêu cao có thể được sử dụng trong động cơ diesel có
tỷ số nén E rất thấp (có thể E = 7) và tỷ số tăng áp cao.
Động cơ được trang bị hệ thống này tuy có tỷ số nén nhỏ nhưng ngay ở chế độ
tải nhỏ và số vòng quay nhỏ vẫn có đặc tính mômen và gia tốt, vì ngay ở chế độ làm
20
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
việc này, áp suất tăng áp có thể đạt được rất cao nhờ có năng lưọng cung cấp thêm cho
turbin từ buồng đốt. Nhưng do tỷ số nén của động cơ đốt trong thấp nên tiêu thụ nhiên
liệu tăng, nhất là khi tải nhỏ và cung cấp thêm nhiên liệu cho buồng đốt.
Vì giá thành của hệ thống cao, tiêu hao nhiên liệu lớn nên phạm vi sử dụng của
hệ thống này chỉ hạn chế ở nơi mà cần trọng lượng nhỏ, kích thước nhỏ mà khả năng
gia tốc lớn.
d. Tăng áp chuyển dòng
Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý tăng áp chuyển dòng
T T T∆ = −
. Sự tăng
nhiệt độ
T∆
phụ vào tỉ số tăng áp p
1
/p
o
và hiệu suất của MN, ngoài ra còn phải xét đến
diễn biến của quá trình nén. Quá trình này thường được xem là quá trình đoạn nhiệt
song trong thực tế do có sự trao đổi nhiệt trong thành vách và các hiện tượng khác mà
quá trình này có thể nói là một quá trình phức tạp. Bảng 1.3 cho ta thấy sự tăng nhiệt
độ trong MN động học phụ thuộc vào nhiệt độ T
o
hiệu suất của MN ηMN và tỉ số tăng
áp.
Qua bảng 1.2 cho thấy, để hạn chế sự tăng nhiệt độ của khí tăng áp buộc phải
sử dụng MN có hiệu suất truyền nhiệt lớn. Tuy nhiên, dẫu hiệu suất đoạn nhiệt có lớn
Bảng 1.2. Sự tăng nhiệt độ
T∆
của khí khi đi qua MN
ηMN
P
1
/p
o
T
o
(K)
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Ngoài tác dụng tăng công suất, làm mát khi tăng áp còn có tác dụng sau:
- Giảm tổn thất nhiệt.
- Cải thiện hiệu suất cơ giới.
- P
c
tăng mà không làm tăng áp suất chu trình.
- Giảm công tiêu thụ của MN cho 1kg khí tăng áp.
Từ các yếu tố trên có thể rút ra kết luận là làm mát khi tăng áp không những
cho phép tăng áp suất có ich mà còn cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu g
c
.
Ngoài ra ta còn thấy khi làm mát khí tăng áp thì chẳng những áp suất có ich
trung bình của động cơ tăng mà còn làm giảm tổn thất nhiệt cho nước làm mất, hiệu
suất tổng η
c
. Áp suất có ích trung bình p
c
tăng do tổn thất cơ giới giảm tương đối so
với p
c
tăng theo công thức p
c
= p
i
- p
m
.
23
Đồ án tốt nghiệp Ngành CNKT ô tô
Ngoài ra, nhiệt lương truyền cho hệ thống làm mát động cơ có tăng áp thấp hơn
23,5%
352
21,8%
330
20,7%
370
23,3%
Lượng nhiệt khí xả, tổn
thất cơ giới bức xạ
623
38,0%
626
38,9%
638
39,85
588
37,0%
Hiệu suất tổng 38,5 39,3 39,5 39,7
1.3.2. Các phương pháp làm mát khí tăng áp
Phương pháp làm mát phổ biến nhất là làm mát bằng nước. Nước làm mát
được tuần hoàn trong động cơ và mang nhiệt của khí tăng áp ra ngoài. Phương thức
này có thể nói là đơn giản nhất và hiệu quả nhất để giảm nhiệt độ khí tăng áp đến mức
chỉ lớn hơn nhiệt độ trung bình của nước làm mát một ít. Phương thức này có hệ số
Bảng 1.4. Tác dụng của làm mát khi tăng áp trong động cơ diesel tăng áp
TT Loại động cơ
Thông số
Động cơ
tàu hỏa
Động cơ tàu thủy tốc
độ trung bình
Trước MN 24 27 44,5 29
10 Sau MN 127 172 190 117
11 Sau làm mát 65 48 57 39
12 Lưu lượng khí, kg/kW.h 6,46 8,45 7,78 9,85
13 Nhiệt lượng làm mát
trong bộ làm mát, % 5,2 12,2
11,55
8,06
14 Nhiệt lượng làm mát
piston, xilanh, nắp
xilanh, %
15,5 10,6
11
13,6
15 Tổng 13 và 14, %
20,7 22,8 22,5 21,66
25
Copyright: Tài liệu đại học ©