TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

MỤC LỤC

1


LỜI NÓI ĐẦU
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 Bộ Tăng Áp Động Cơ (Turbocharger)”. Nhằm
nâng cao được kiến thức, kĩ năng về hệ thống tăng áp cho bản thân. Củng cố
và nâng cao kiến thức chuyên môn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy
trình kiểm tra, sửa chữa của hệ thống tăng áp trên ô tô. Lập được quy trình
kiểm tra, sửa chữa hệ thống tăng áp làm tài liệu tham khảo cho sinh viên
ngành công nghệ kỹ thuật ô tô.
Với sự tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân và sự hướng dẫn, trao đổi tận
tình của thầy giáo T.S Đỗ Tiến Dũng cùng các thầy, cô giáo trong khoa Kỹ
Thuật Ôtô Và Máy Động Lực Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp. Sau
một thời gian em đã hoàn thành các yêu cầu được giao và thu được những
kiến thức nhất định. Song do thời gian có hạn và hiểu biết còn hạn chế cùng

với kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên không tránh khỏi những thiếu sót,
kính mong sự đóng góp của thầy cô và các bạn để Đồ Án Tốt Nghiệp của em
được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.S Đỗ Tiến Dũng các thầy, cô
giáo trong Khoa Kỹ thuật Ôtô Và Máy Động Lực trường ĐHKT Công nghiệp
Thái Nguyên, đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên,ngày 10 tháng 05 năm 2016
Sinh viên
Trương Văn Sơn

2


CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.
1.1 Vài nét về lịch sử tăng áp cho động cơ đốt trong.
Động cơ đốt trong (ĐCĐT) có những bước phát triển thăng trầm do
nhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụ người ta hi vọng vào một nguồn động
lực khác có tính tốt hơn hoặc lo sợ về sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu biểu hiện ở
cuộc khủng hoảng 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 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.
3


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
dụng 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. Có lẽ vì kết quả không mấy khả
quan ở kết quả đầu tiên nên phải sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, hãng
Deimler mới khôi phục lại các thí nghiệm về tăng áp cho động cơ ô tô sau khi
thu được hàng loạt kinh nghiệm trong tăng áp cơ khí cho động cơ máy bay, xe
đua.
1.1.2 Tăng áp cho động cơ diesel.

Ngay trong thời kì hoàn thiện phát minh về động cơ diesel Rudolf
Diesel đã đề cập vấn đề tăng áp cho nó. Năm 1896 ông đã bổ sung vào đăng
kí phát minh số 67207 về khả năng thực hiện nén nhiều cấp trong động cơ 1
xilanh bằng cách bố trí thêm một bơm nén trước đường nạp, phát minh đăng
kí dưới tên DRP 95.680. Kết quả thí nghiệm của Rudolf Diesel được trình bày
ở bảng 1.1.
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.
4


Thông số kỹ thuật

Có bơm tăng áp

Không có bơm tăng áp

9,6÷10,6 kG/cm2

6,5÷7 kG/cm2

Hiệu suất chỉ thị ηi

21%

31%

Hiệu suất cơ giới ηm

65%

75,6%

Hiệu suất có ích ηe

15,7%

24,2%

396 g/ml.h

258 g/ml.h

6,25kG/cm2

4,9÷5,3kG/cm2

Áp suất chỉ thị pi

Suất tiêu hao nhiên liệu
có ích gc
Áp suất có ích

Bảng 1.1. Kết quả thí nghiệm của Rudolf Diesel.
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/cm2, 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 vọng 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.
Từ năm 1911 đến 1914 Alfed Buchi đã xây dựng thiết bị và thực hiện
hàng loạt thí nghiệm ở hãng Sulzer tại Winterthur để tìm các nhân tố khác
nhau ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ đốt trong được tăng áp. Ở thí
nghiệm này, Alfed Buchi đã bố trí dẫn động máy nén từ thiết bị bên ngoài và
khí xả của động cơ được đưa đến sinh công trong tuabin. Qua kết quả của thử
5


nghiệm trên Alfed Buchi đã đưa ra nhận định là để tạo điều kiện cho việc quét
buồng sạch cháy, áp suất khí tăng áp phải lớn hơn áp suất khí xả vào tuabin
và phải sử dụng góc trùng điệp xupap của động cơ đốt trong hợp li.
Với kết luận trên Alfed Buchi đã đăng kí phát minh tại Đức số 454107,
song vì gặp phải chiến tranh thế giới lần thứ nhất nên mọi dự định của ông
đều không thực hiện được..
Năm 1923, BỘ Giao thông Đức đã đưa 2 hợp đồng để đóng tàu vận tải
khách, mỗi động cơ được trang bị 2 động cơ 4 kì 10 xilanh theo mẫu của

MAN. Nhờ thực hiện tăng áp theo nguyên lí của Buchi cho phép tăng công
suất từ 1750 mã lực lên 2500 mã lực. Một đặc điểm khác ở đây là trên ống xả
có lắp bướm chuyển dòng để có thể không cho khí xả đi qua tuabin. Vây là
động cơ có thể làm việc với tăng áp hoặc không tăng áp. Đây chính là thành
công đầu tiên về tăng áp của tuabin khí
Năm 1926 Buchi đã thực hiện thí nghiệm về tăng áp theo phát minh
trên ở nhà máy đóng tàu hỏa tại Winterthur, Thụy Sĩ.
Hệ thống tăng áp này được hãng BBC Baden thiết kế và chế tạo bao
gồm có 1 tuabin hướng trục và 1 máy nén li tâm 2 cấp.
Các thí nghiệm trên đã thành công công suất động cơ tăng lên 50% một
cách dễ dàng và trong thời gian ngắn có thể tăng lên 100%. Kết quả trên được
ứng dụng trên hàng loạt hãng sản xuất động cơ, trong quá trình phát triển
người ta càn làm cho ống xả không chỉ hẹp hơn mà còn ngắn hơn, do đó bộ
tăng áp ngày càng lắp gần động cơ hơn.
1.2 Mục đích tăng áp.
Nhằm mục đích tăng công suất động cơ người ta phải tìm cách tăng
khối lượng nhiên liệu cháy ở trên một đơn vị dung tích xilanh trong một đơn
vị thời gian, tức là 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:
6


N e = Vh . n v . pl

n
QH n
nm i i
M o 30t
a

(1- 1)

Trong đó:
Vh – dung tích của một xilanh;
nv – hệ số nạp;
pl – khối lượng riêng của khí nạp mới;
QH – nhiệt trị thấp nhất của nhiên liệu;
Mo – lượng không khí lí thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị
nhiên liệu;
n - số vòng quay của động cơ;
t – số kì của động cơ;
i – số xi lanh của đông cơ.
Chúng ta biết rằng QH, Mo phụ thuộc vào loại nhiên liệu nên thay đổi
không nhiều.Trong nghiên cứu và phát triển hiệu suất chỉ thị cũng như cơ giới
luôn đạt cực đại, không thể đạt cao hơn.
Vậy muốn tăng công suất người ta phải tăng khối lượng nhiên liệu đốt
cháy trong một đơn vị thời gian bằng cách thay đổi các thông số còn lại như
sau:
- Tăng số chu trình trong một đơn vị bằng cách tăng số vòng quay n của
động cơ. Khi tăng số vòng quay của động cơ sẽ gây khó khăn cho việc thực
hiện quá trình cháy. Tác hại hơn nữa là làm cho tốc độ trược trung bình của
piston tăng lên dẫn đến làm tăng tổn thất ma sát, mài mòn của các chi tiểt của
nó và tăng lực quán tính.
- Thay đổi số kì từ 4 kì thành 2 kì. Nhờ tỉ số của kì sinh công so với
vòng quay của động cơ 2 kì gấp đôi động cơ 4 kì nên có thể tăng nhiệt lượng
giải phóng trong một đơn vị thời gian, song cho đến nay quá trình thay đổi khí
của động cơ 2 kì chưa hoàn chỉnh nên sinh ra tổn thất lớn và ô nhiễm năng.
7

Tuy vậy, trong xu thế phát triển nhằm hoàn thiện quá trình quét thải, phun
xăng trực tiếp...động cơ 2 kì có tiềm năng phát triển lớn.
- Tăng dung tích công tác Vh hoặc số xilanh i sẽ kéo theo kích thước,
thể tích, trọng lượng của động cơ tăng.
- Tăng khối lượng không khí nạp vào xilanh bằng cách tăng khối lượng
riêng của không khí pk. 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.
1.3 Những hạn chế của tăng áp và biện pháp khắc phục khi thực hiện
tăng áp cho động cơ đốt trong.
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:
ρ1,pl,vl,Tl là áp suất, khối lượng riêng, thể tích và nhiệt độ sau máy nén.
8


ρ0,po,v0,T0 là áp suất, khối lượng riêng, thể tích và nhiệt độ của môi
trường trước máy nén.
k là chỉ số nén đoạn nhiệt.
Nhiệt độ và áp suất trong xilanh động cơ đốt trong sẽ cóquan hệ:
Pc= pa. E n ; Tc= Ta. E n- 1
Trong đó:
Pc ,Tc áp suất và nhiệt độ của môi chất trong xilanh ở cuối quá trình nén
n chỉ số nén đa biến trung bình;
E tỉ số nén của động cơ;
pa ,Ta áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nạp.
Quan hệ giữa áp suất cuối quá trình nén phụ 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

p z max
pi

(tỷ số giữa áp suất cực đại của chu trình với áp

suất chỉ thị trung bình) luôn không đổi. Thực ra, tỷ số tăng áp của áp suất còn
lớn hơn vì động cơ tăng áp quá trình quét được thực hiện hoàn hảo hơn làm
khí sót giảm, dẫn đến tăng số lượng hỗn hợp mới nạp vào xilanh.
Trong động cơ diessel, do tăng áp nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén
tăng làm rút ngắn thời gian cháy trễ, áp suất cực đại của chu trình cháy p max
tăng và không cùng tỷ lệ với sự tăng áp suất cuối quá trình nén. Tuy vậy,

9


người ta có thể kết hợp tăng tỉ số tăng áp

pi
p0

với việc giảm tỷ số nén của động

cơ đốt trong đến mức chỉ bảo đảm khởi động lạnh. Với sự kết hợp như vậy
ngoài việc cho phép giảm thời gian cháy trễ còn làm cho khoảng cách giữa
pmax và pc là không đổi khi tăng tỉ số tăng áp. Như vậy, tăng áp suất chu trình
có thể được bù trừ và giải quyết ổn thỏa.
b. Nhiệt độ của chu trình
Tình trạng chịu nhiệt của động cơ còn đáng lo ngại hơn. Các nghiên
cứu cho thấy nếu áp suất chỉ thị trung bình tăng gấp đôi thì dòng truyền nhiệt
qua thành vách ( nhiệt lượng truyền cho dầu và nước làm mát) chỉ tăng
khoảng 60%. Như vậy nếu nhiệt độ khí xả không đổi, 40% lượng nhiệt còn lại
sẽ làm cho các chi tiết động cơ nóng lên.
c. Sự hình thành hỗn hợp

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 pmax 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...
10


1.3.2 Biện pháp khắc phục.
a. Nguyên tắc cơ bản.
Muốn thực hiện tăng áp cho động cơ đốt trong 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 ρk 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

Trong thực tế người ta sử dụng các biện pháp sau đây để hạn chế các
nhược điểm của động cơ tăng áp:
- Giảm tỉ số nén.
- Làm mát khi tăng áp cho phép chẳng những giảm áp suất, nhiệt đọ
cuối quá trình nén và cả chu trình còn làm tăng khối lượng riêng của khí nạp.
- Tổ chức quét buồng cháy bằng khí tăng áp sẽ có tắc dụng rất hiệu quả
trong việc giảm nhiệt độ của đỉnh piston, xupap xả và cánh tuabin.
- Làm mát đỉnh piston.
- Tăng khả năng truyền nhiệt ra bên ngoài cho các nguồn lạnh bằng
cách tăng lưu lượng của nước làm mát.
- Tổ chức xoáy lốc buồng cháy tốt để đảm bảo sự đồng nhất về nhiệt
độ, hình thành khí hỗn hợp và cháy tốt.
1.4 Các phương pháp tăng áp.
Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động
cơ, người ta chia tăng áp cho động cơ thành hai nhóm: Tăng áp có máy nén và
tăng áp không có máy nén, theo sơ đồ sau:

11


Hình 1.1. Các phương pháp tăng áp.
1.4.1 Tăng áp nhờ máy nén.
1.4.1.1 Tăng áp cơ khí.
4

5

3
1

2

Po,To

Hình 1.2. 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 bị làm mát.
12


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

(1- 3)

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 có ich được lấy ra từ trục khuỷu động cơ N e có được từ công
suất chỉ thị Ni sau khi bị khấu trừ đi tổn thất cơ giới của bản thân động cơ N m
và công suất Nk để dẫn động máy nén (MN).
Công suất dẫn động MN 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/cm 2, 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 tốc độ trục khuỷu mà không phụ thuộc vào nhiệt độ khí thải. Tuy

13


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.
1.4.1.2. 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

14


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 mát do ma sát, tiết lưu vì không thể thải ra ngoài với áp suất và nhiệt
độ môi trường.
Như vậy, còn có thể tận dụng được khoảng 10% năng lượng của nhiện
liệu phát ra chứa trong khí xả. Người ta thấy rằng trong tất cả các lĩnh vực sử
dụng khác nhau của động cơ đốt trong, phụ thuộc vào tỷ số tăng áp p1/p0, năng
lượng thực tế để nén môi chất nạp chỉ nằm trong khoảng 1 ÷ 3,5 số năng
lượng do nhiên liệu phát ra. Như vậy, dòng nẳng lượng khí xả sau khi trừ đi
mọi tổn thất như tiết lưu, ma sát… thì sẽ còn lại vẫn đủ cho việc nén khí nạp –
thực hiện việc tăng áp cho động cơ đốt trong.
Thông thường người ta sử dụng TB- MN lắp trên cùng một trục với số
vòng quay 15.000 ÷ 60.000 vg/ph nhưng trong một số trường hợp có thể đạt
từ 270.000 ÷ 280.000 vg/ph ( dùng cho động cơ tăng áp lắp trên xe môtô với
TB, MN có đường kính 34mm cho động cơ diesel cỡ nhỏ lắp trên xe du lịch)

hoặc cao hơn.

Hình 1.3. Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng Tuabin biến áp
Các loại TB làm việc theo các nguyên lý và kết cấu khác nhau, ví dụ:
- Theo hướng của dòng chảy phân ra TB hướng kính hoặc hướng trục.
- Theo nguyên lý sử dụng năng lượng của dòng khí xả vào có thể chia
ra TB biến áp, Tuabin tăng áp, Tuabin bảo toàn xung…
15


TB biến áp hay còn gọi là TB xung là TB có áp suất khí vào thay đổi,
còn TB đẳng áp là TB có áp suất khí vào không thay đổi.
Ở TB biến áp, khí thải sau khi ra khỏi động cơ được dẫn trực tiếp với
TB bằng các đường ống có dung tích nhỏ tận dụng động năng của khí xả để
sinh công.
Ngược lại trong TB đẳng áp, khí thải của động cơ đốt trong được thải
vào một bình có dung tích tương đối lớn, ở đó nó được giãn nở đến một áp
suất nhất định nhưng không sinh công, sau đó được đưa vào TB ở đây nó
được giãn nở tiếp và sinh công.
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 TBMN 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.
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
16


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 tính
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.

5

1

2

4

3

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng tuabin khí chỉ liên hệ khí thể
1. Máy nén; 2. Thiết bị làm mát; 3. Động cơ; 4. Bình xả; 5. Tuabin.

c. Tăng áp bằng tuabin khí có liên hệ thuỷ lực.
Các phương án kết nối giữa động cơ đốt trong và cụm TB- MN cũng
rất phong phú. Hình 1.5 trình bày các phương pháp kết nối này. Trong đó,
hình 1.5 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 1.5
b,c.

17


Hình 1.5. Tăng áp tuabin khí có liên hệ thuỷ lực.
1. Động cơ; 2. Khớp thuỷ lực; 3,4. Cụm tuabin-máy nén 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 tận dụng năng lượng khí xả;
c. Cơ cấu nối qua hộp số có tuabin tận dụng năng lượng khí xả dẫn
động máy phát điện.
1.4.1.3 Tăng áp hỗn hợp.
Trong tăng áp hỗn hợp, người ta sử dụng hai hệ thống MN 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 .
18


Trong các phương án lắp ghép này máy nén dẫn động cơ khí có thể sử
dụng máy nén ly tâm, hướng trục, trục vít, quạt Root hoạt động hoàn toàn độc
lập với máy nén dẫn động bởi tuabin khí.

Phụ thuộc vào phương của dòng khí tăng áp đi qua MN dẫn động cơ
khí và MN dẫn động từ TB người ta chia phương án lắp ghép nối tiếp thành
hai loại: lắp ghép nối tiếp thuận và lắp ghép nối tiếp nghịch.

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
19


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.
1.4.2 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 tăng áp cao đang phổ biến trong thực tế.
1.4.2.1 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.Quá
trình đóng và mở một cách có chu kì của các xupap kích thích sự dao động
của dòng khí. Sự dao động của áp suất tại mỗi vị trí trên đường chuyển động
của khí thay đổi theo thời gian , sự thay đổi phụ thuộc vào pha và tần số của
ĐCĐT cũng như thời gian đóng mở của xupap. Do vậy, sự dao động này có
thể làm tăng hoặc giảm lượng môi chất nạp vào xilanh theo pha và tần số của
ĐCĐT. Theo phương pháp tăng áp này, công nạp của piston được chuyển hóa
thành năng lượng động lực 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.

20


3
3

2
4

2

1
1

a.

b.

Hình 1.7. 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:
(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
21


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. 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.

a.

b.

c.

Hình 1.8. 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.

22

Để đạt được 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.
3
2
4

5

6

1

Hình 1.9. 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 định; 4. Mặt tang trống;
5. Cửa trên mặt tang trống; 6. Tấm dẫn hướng.
b. Hệ thống tăng áp cộng hưởng (hình 1.6b ).
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 và chỉ
được sử dụng trên động cơ đời mới.
1.4.2.2. 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.
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.
23


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.
1.4.2.3. 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 các ưu điểm sau:
- Sử dụng được các cụm TB- MN thông thường.
- Cho phép tận dụng tốt hơn năng lượng khí xả nên khi cùng áp suất
tăng áp hiệu suất sẽ cao hơn so với tăng áp turbin khí thông thường.
- Khoảng làm việc của turbin rộng hơn, ít xảy ra trường hợp rơi vào
vùng làm việc không ổn định của cụm TB- MN.
- Tốc độ vòng của roto nhỏ hơn.

24

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý tăng áp 2 cấp
Nhược điểm cơ bản của sơ đồ tăng áp 2 cấp là không những chiếm
không gian lớn mà gia tốc còn kém. Vì tăng áp cao nên đòi hỏi phải có hệ
thống phụ để giải quyết chế độ khởi động động cơ và làm việc không tải.
b. Tăng áp Miller.
Sự tăng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ tác dụng nên các chi tiết của
động cơ đốt trong ngay ở chế độ tải trọng nhỏ, đặc biệt trong tăng áp 2 cấp đã
hạn chế khả năng áp suất trong động cơ đốt trong. Cụm TB- MN cung cấp lưu
lượng khí giảm khi chế độ tải trọng nhỏ làm giảm hệ số dư lượng không khí
dẫn đến tăng tải trọng nhiệt nên động cơ đốt trong. Trong phương án tăng áp
Miller, trạng thái của môi chất ở đầu quá trình nén được thay đổi nhờ có sự
thay đổi thời gian đóng của xupáp nạp theo chế độ công tác của động cơ đốt
trong. Khi phụ tải của động cơ đốt trong càng tăng, tỷ số tăng áp càng tăng
do năng lưọng cấp cho TB- MN nén tăng, xupáp lạp luôn có xu hướng đóng
sớm hơn thậm chí đóng trước cả điểm chết trên (ĐCT). Cuối hành trình, khi
xupap nạp đóng xilanh đựoc điền đầy hoàn toàn bởi khí mới với áp suất tăng
rất cao. Như vậy trong một số trường hợp, khí nạp mới trong xilanh giãn nở
tiếp trong hành trình còn lại, nhờ đó mà nhiệt độ và áp suất của môi chất ở
đầu trình nén (p1, T1) giảm - giảm tải trọng nhiệt và tải trọng cơ của động cơ
đốt trong .
25