Tăng áp sử dụng máy nén, công nghệ và ứng dụng

Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Mục lục
Lời nói đầu 2
Các chương:
Chương I: Tổng quan 3
Chương II: Tương tác giữa động cơ và máy nén 4
2.1, Động cơ bốn kì và biểu đồ đặc tính máy nén 4
2.2, Tăng áp cơ khí 5
2.3, Tăng áp sử dụng tuabin khí thải 6
Chương III: Tăng áp cơ khí 12
Chương IV: Tăng áp dùng tua bin khí 14
4.1, Cấu tạo bộ tăng áp Turbocharger 15
4.2, Thiết kế tăng áp trên động cơ Mercedes Smart 15
Chương V: Công nghệ turbo tăng áp điều khiển cánh 16
4.1, Hiện tượng “ì turbo tăng áp” 17
4.2, Turbo tăng áp điều khiển cánh 18
Kết luận 20
Tài liệu tham khảo 20
1
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Lời nói đầu
Với những ưu điểm nổi bật của mình như tăng công suất, tăng hiệu suất cháy, giảm
khí thải động cơ tăng áp ngày càng được sử dụng phổ biến. Kể từ khi Gottlieb nhận
bằng phát minh sáng chế số DRP 34.926 về tăng áp cho động cơ đốt trong cưỡng bức
năm 1885 cho đến nay tăng áp đã trả qua một qua trình phát triển lâu dài. 06/03/1896
Rudolf Diesel nhận bằng phát minh sáng chế sô DRP 95.680 về tăng áp cho động cơ
tự bốc cháy. Phát minh chỉ ra khả năng thực hiện nén nhiều cấp trong động cơ 1
xylanh bằng cách bố trí thêm một bơm nén trước đường nạp. Tuy nhiên người đã thực
sự gắn liền tên tuổi của mình với tăng áp chính là kỹ sư người Thụy Sĩ Alfred Buchi.

Ngày 16/11/1905, Alfred Buchi nhận bằng phát minh sáng chế mang số DRP 204630
từ văn phòng phát minh Reich, Đức.Tuy kết cấu đầu tiên này của Alfred Buchi chưa
được hoàn chỉnh nhưng cũng là nền móng cho những cải tiến sau này của ông. Càng
ngày công nghệ tăng áp càng phát triển, nhất là trong vòng 3 thập kỉ trở lại đây. Kéo
theo đó là hàng loạt những cải tiến trên các phương tiện vận tải.
Công nghệ tăng áp động cơ đốt trong sử dụng máy nén là công nghệ tăng áp được
sử dụng rất phổ biến ngày nay. Tăng áp dùng máy nén gồm 2 loại : tăng áp cơ khí
(Mechanical Supercharging) và tăng áp tuabin khí (Exhaust Gas Turbocharging).
Trong tăng áp cơ khí, máy nén được dẫn động từ trục khuỷu động cơ. Còn trong tăng
áp tuabin khí máy nén được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí xả của
động cơ đốt trong. Với những kiến thức được các Thầy Cô ở Bộ môn truyền đạt và
đọc thêm ở các tài liệu chuyên ngành em xin được trình bày các hiểu biết của em về
công nghệ tăng áp sử dụng máy nén. Tuy nhiên do thời gian làm tiểu luận rất ngắn,
trình độ và kiến thức còn hạn chế nên bài tiểu luận không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Em kính mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô trong Bộ môn để vốn kiến
thức của em về tăng áp có thể hoàn thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Lê Anh Tuấn đã tạo điều kiện để em
có cơ hội trau dồi kiến thức của mình hơn. Cảm ơn các Thầy Cô trong Bộ môn Động
cơ đốt trong đã truyền thụ cho em những kiến thức rất lý thú và bổ ích trong thời gian
qua.
Hà Nội, Ngày 25 tháng 05 năm 2008
Sinh viên thực hiện
Phạm Minh Tuyến
2
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Chương I : Tổng quan
Xe hơi hiện đại đòi hỏi những động cơ gọn nhẹ, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao,
công suất và mô-men xoắn lớn. Để đáp ứng các tiêu chuẩn này, tăng áp là giải pháp
phổ biến hiện nay. Đây là kỹ thuật nâng cao áp suất của hỗn hợp nhiên liệu khi đưa

vào buồng đốt. Vào những năm 1970, chỉ tiêu công suất/lít trung bình của động cơ chỉ
đạt khoảng 60 mã lực/lít. Kỹ thuật tăng áp tuy được biết đến từ lâu nhưng lại gặp
những khó khăn không nhỏ khi phải đối mặt với vấn đề gia tăng áp suất, nhiệt độ của
động cơ và hỗn hợp nhiên liệu. Đó chính là lý do khiến hệ thống này ban đầu chỉ được
thiết kế cho các cỗ máy lớn, tốc độ chậm hoặc với các mục đích đặc biệt như quân sự,
hàng không... Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vật liệu, cơ khí và điện tử, cơ
cấu tăng áp đã có mặt trong nhiều lĩnh vực, trên nhiều chủng loại động cơ. Đến năm
2000 chỉ số công suất/lít trung bình của động cơ đã đạt tới 121 mã lực/lít nhờ những
kỹ thuật tăng áp tiên tiến. Không chỉ nâng cao hiệu suất và công suất động cơ, giải
pháp này còn giúp cắt giảm đáng kể lượng khí thải độc hại với môi trường.
So sánh hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu
của động cơ xăng tăng áp và không tăng áp có cùng thông số kỹ thuật
Điều kiện thử nghiệm
Không
tăng áp
Tăng
áp
Xe chạy trong thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h
(lít/100 km)
19,9 17,7
Xe chạy ngoài thành phố, chở 1 người, vận tốc 50 km/h
(lít/100 km)
17,9 15,9
Phân tích thành phần khí xả (gram/chu trình)
HC 5,32 4,71
CO 116,19 68,90
NO 8,01 5,05
Như vậy tăng áp là bộ phận không thể thiếu trên các động cơ diesel hiện đại. Trong
giới hạn của bài tiểu luận này em chỉ xin trình bày một phần nhỏ của tăng áp sử dụng
máy nén. Đề tài em chọn là: “Tăng áp sử dụng máy nén, công nghệ và ứng dụng”.

Bài tiểu luận đề cập đến cơ sở lý thuyết của tăng áp sử dụng máy nén cũng như các
ứng dụng của nó trong thực tế.
3
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Chương II : Tương tác giữa động cơ và máy nén
2.1, Động cơ bốn kì và biểu đồ đặc tính máy nén
Hình 1 biểu diễn đường đặc tính của một động cơ đốt trong 4 kì. Nếu tốc
độ của động cơ n được giữ không đổi, thể tích dòng khí lưu động (nạp) V
1

chỉ tăng rất ít so với tốc độ tăng tỷ số tăng áp p
2
/p
1
. Động cơ làm việc như
một máy thủy lực thể tích, và lưu lượng khí qua nó tăng lên liên quan mật
thiết đến sự tăng tốc độ động cơ.
v(m /s)
P
2
/P
1
<
<
Without valve
overtap
With vavle avertap
Dislacement lines 4-stroke IC engine (=piston engine)
3

1
n
2
n
3
n
Khi tăng góc trùng điệp và giữ tốc độ động cơ không đổi, thể tích dòng khí
lưu động (nạp) V
1
tăng lên rõ rệt hơn cùng với tăng tỷ số tăng áp p
2
/p
1
.
Tăng áp thể tích
Một vài ví dụ về tăng áp thể tích như máy nén kiểu piston ( piston quay và
piston tịnh tiến), bơm root, máy nén dạng quay...
1
2
3
<
<
2
n
3
n
1
v
L
p

1
n
Từ hình chúng ta thấy lưu lượng tăng cùng với tốc độ máy nén và giảm
nhẹ so với tốc độ tăng áp suất. Ở tốc độ
không đổi chúng ta được các điểm làm việc của động cơ 1, 2 hay 3 lấy theo
các tỷ số tăng áp khác nhau.
Máy nén ly tâm (hướng tâm)
Máy nén hướng tâm hoạt động theo nguyên lý ly tâm. Sự tăng áp được tạo
ra bởi sự chênh lệch vận tốc góc giữa đầu vào và đầu ra trên cánh công tác.
4
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Động năng được chuyển hóa thành áp suất trong ống khuếch tán. “Biểu đồ
đặ tính” máy nén ở hình 3 được giới hạn bới đường “giới hạn bơm”. Bên trái
của giới hạn bơm là vùng làm việc không ổn định của máy nén bắt đầu bằng
sự phá hủy dòng tại bên trong cánh máy nén và kết quả là áp suất rất
lớn biến thiên liên tục và dưới những điều kiện này chắc chắn sẽ có thể phá
hủy máy nén.
1
2
3
Pump limits
1
n
2
n
3
n
1
v

L
p
Đường tốc độ giảm nhẹ về bên phải giới hạn bơm, càng gần phía đường
dặc tính giới hạn chúng giảm càng chậm. Tương úng với mức độ tăng áp ta
có được các điểm làm việc 1, ,2 hay 3 tại những tốt độ vòng quay xác định.
2.2, Tăng áp cơ khí
Tăng áp thể tích dẫn động cơ khí bới động cơ 4 kỳ trên hình 4.
L
1/4n
m
1/4n
m
1/ 2n
L
3/ 4n
m
n
m
3/ 4n
L
1/ 2n
L
p
1
v
Với mỗi tỷ số truyền đưa ra, chúng ra có được một đường đặc tính làm
việc 1-2-3-4. Bằng cách thay đổi tỷ số truyền chúng ta cũng thu được đường
đặc tính làm việc 1’-2’-3’-4’ khi có mặt của tăng áp.
Máy nén hướng tâm- dẫn động cơ khí từ động cơ 4 kỳ.
Như trên hình 5 lưu lượng và áp suất khí nạp tăng xấp xỉ với bình phương

mức độ tăng tốc độ. Kết quả là đường cong áp suất-tốc độ trên hình 6
5
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
Full-load curve
Mechanically turbocharged with
radial compressor
Naturally asprate engine
me
p
M
n
2.3, Tăng áp dùng turbine khí thải
Trong suốt quá trình tăng áp sử dụng turbine khí thải, động cơ và turbine
liên hệ khí nhiệt động học. Vận tốc riêng của turbine đuợc thiết lập dựa vào
cân bằng năng lượng giữa máy nén và turbine. Nếu chúng ta coi sự cân bằng
năng lượng xảy ra trên trục cụm turbine máy nén, sự thay đổi vận tốc góc có
thể tính toán như sau:
TL
TL TL V T
d
.J . P P
dt
w
w = +
(3.1)
trong đó:
dω
TL
/dt = biến thiên tốc độ truyền

nhiệt cụm TB-MN
J
TL
= Momen quán tính cum TB-MN
P
v
= Năng lượng hấp thụ của máy nén
P
T
= Năng lượng cung cấp bởi turbine
Ở trạng thái tĩnh, vế trái của phương trình bằng 0
P
V
+ P
T
= 0 (3.2)
m’
V
+ m’
B
= m’
T
(3.3)
trong đó:
m’
T
= Khối lượng khí xả qua turbine
m’
V
= Khối lương không khí qua máy nén

m’
B
=Lượng nhiên liệu
và điểm làm việc nằm trên đường đặc tính động cơ. Năng lượng cân bằng do
vậy có thể phát triển xa hơn

V V sV
sV mV
1
P m . h .= D
h h
(3.4)
trong đó:
∆h
sV
= Biến thiên entanpy đoạn nhiệt trong máy nén.
6
Tiu lun Tng ỏp CT Sinh viờn thc hiờn : Phm Minh
Tuyn

sV
= Hiu sut on nhit mỏy nộn

mV
= Hiu sut c gii ca mỏy nộn
P
T
= m
T
.

h
sT
.
sT
.
mT
(3.5)
Where:
h
sT
= Bin thiờn entanpy on nhit trong turbine

mT
= Hiu sut c gii ca turbine
1
1
K 1
K
1 2
sV 1 1
1 1
K p
h R .T . . 1
K 1 p
-
ộ ự
ổ ử
ờ ỳ
ữ

ỗ
ờ ỳ
ữ
D = -
ỗ
ữ
ỗ
ờ ỳ
ữ
ỗ
-
ố ứ
ờ ỳ
ở ỷ
(3.6)
R
1
= Hng s cht khớ vo mỏy nộn
T
1
= Nhit khụng khớ vo mỏy nộn
K
1
= H sụ on nhit khụng khớ vo mỏy nộn
p
1
= p sut mụi cht vo mỏy nộn
p
2
= p sut np

3
3
1
3
4
3 3
3 3
. . . 1
1
K
K
sT
K
p
h R T
K p




=
ữ





(3.7)
R
3

= Hng s khớ vo turbine
T
3
= nhit mụi cht vo turbine
K
3
= H s on nhit ca khớ x vo turbine
p
3
= p sut khớ thi
p
4
= p sut khớ ra khi turbine
Hiu sut tng
TL
c xỏc nh bao gm tt c cỏc hiu sut np:
. . .
TL mV sV mT sT

=
(3.8)

sT
= Hiu sut on nhit khớ vo turbine
Kt hp (3.3) vo (3.7) dựng cõn bng nng lng xỏc nh


V
tớnh toỏn
nh sau:

V
= p
2
/p
1



V
= T s tng ỏp sut mỏy nộn.
v vi
K
1
= 1,4
phng trỡnh chớnh ca cm TB-MN:
7
Tiểu luận Tăng áp ĐCĐT Sinh viên thực hiên : Phạm Minh
Tuyến
3
3
3,5
K 1
K
3
T 4
V 1 TL
V 1 3

T
m' p
p 1 .K . . . 1
m' T p
−
 
 
 
= + η −
 ÷
 
 
 
 
(3.9)
K
1
= hằng số [-]
η
TL
= hiệu suất tổng
Nếu ta thừa nhận m
T
/m
V

≈
1.03-1.07 , thì tỉ số áp suất máy nén là một hàm
của những nhân tố sau:
3

4
1 3
T
p
V V TL
T p
p p ( ; ; )
= η
(3.10)
Áp suất khí nạp p
2
do vậy tăng theo mức độ tăng của nhiệt độ khí thải T
3
và
mức độ tăng áp suất trước turbine p
3
(khi sự biến thiên của hiệu suất tổng
theo hàm của T
3
và p
3
đã vẫn được bỏ qua).
Áp suất p
3
thu được với một turbine đã cho như một hàm của lưu lượng
khối lượng và trạng thái của khí và có thể tính quy về piston như sau
T T T 3 3
m' A . 2.p .
= ψ ρ
(3.11)

trong đó:

3
3 3
K 1
2
K K
3
4 4
T
3 3 3
K
p p
.
K 1 p p
+
   
ψ = −
 ÷  ÷
−
   
(3.12)
với:
A
T
red
= Phần giá trị đương lượng qua turbine
ψ
T
= Hàm dòng

K
3
= Hệ số đoạn nhiệt khí xả
Nếu chúng ta coi turbine như một điểm tiết lưu (với p
3
đầu vào và p
4
đầu ra
của điểm tiết lưu), Chúng ta có được quan hệ sau:
( )
2
2
M H 2
2
3 3
r
3 4 3
2 2
3 r 3
n .V .
m
p p .r .
2 p A
ρ
ρ ρ
− =
ρ
: :

(3.13)

ρ
2
= Mật độ môi chất ra khỏi turbine
8