Kỹ thuật tăng áp suất nạp nhiên liệu cho động cơ

Kỹ thuật tăng áp suất nạp nhiên liệu cho động cơ
Nguồn : oto‐hui.com 

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.


Động cơ xăng ra đời vào năm 1876. 9 năm sau Gottlieb Daimler đã
phát minh ra kỹ thuậ
t tăng áp suất nạp nhiên liệu cho nó (bằng phát
minh DRP 34926). Ngay trong quá trình thiết kế chiếc động cơ diesel
đầu tiên, Rudolf Diesel đã đăng ký phát minh số DRP 95680 về tăng áp
cho cỗ máy chạy bằng dầu này.


Có 2 giải pháp tăng áp chủ yếu là: thay đổi thể tích ống nạp và dùng
máy nén. Giải pháp thứ nhất có hiệu quả rất cao, nó lợi dụng dao động
cộng hưởng của dòng khí trên đường nạp để tăng áp suất hỗn hợ
p
nhiên liệu đưa vào buồng đốt, ở thời điểm xu-páp nạp đóng lại. Hình 1
giới thiệu kết cấu ống nạp 2 cấp của động cơ Opel Astra: Khi tốc độ
tua lớn, van V mở ra khiến đường nạp ngắn lại (từ B đến buồng đốt),
còn ở chế độ thường hỗn hợp nhiên liệu đi quãng đường dài hơn (từ A
đến buồng đốt). V
ẫn trên nguyên tắc này, các chuyên gia còn chế tạo
loại động cơ có chiều dài ống nạp thay đổi 3 cấp (hình 2: ống nạp 3
trạng thái của động cơ xăng Audi V8) hoặc thay đổi liên tục như máy
diesel N62B44 lắp trên xe BMW 745 (hình 3).

Thiết kế tăng áp bằng máy nén có thể dùng bơm cơ khí hoặc turbin khí
tận dụng năng lượng của đường xả.

Máy nén cơ khí chạy bằng lực kéo trích ra từ trục động cơ, do v
ậy nó
cũng tiêu tốn một phần động năng có ích. Thiết kế này được áp dụng
trên động cơ xăng M271KE của Mercedes C200 model 2002.


Turbin khí tăng áp vận hành bằng năng lượng thừa trên đường xả của
động cơ. Cơ cấu này nén hỗn hợp nhiên liệu qua két làm mát, trộn với
1 phần khí xả và đưa chúng trở lại buồng đốt. Hình 4 là thiết kế tăng
áp của động cơ diesel OM-660 của Mercedes lắp trên xe Smart. Cỗ
máy này chỉ gồm 3 xi-lanh tổng dung tích 799 cc, tăng nạp bằng
turbin khí, hệ thống phun nhiên liệu common rail. Quy trình hoạt động
như sau: Phần lớn khí xả được đưa qua để vận hành turbin trước khi
thải ra ngoài. Bánh công tác của turbin chỉ
có đường kính 31 mm và
quay với vận tốc 290.000 vòng/phút, áp lực nén của nó lên tới 2,2
kg/cm2. Không khí mới (màu xanh) được hút vào qua bầu lọc khí và bị
máy nén làm nóng lên tới gần 100 độ C, luồng khí này được đưa qua
két làm mát và trộn với một phần khí xả (màu đỏ) trước khi vào buồng
đốt. Việc tăng áp suất nạp hỗn hợp nhiên liệu vào buồng đốt giúp động
cơ đạt được công suất và hiệu suất rất cao.

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


Vào những năm 1970, chỉ tiêu công suất/lít trung bình của động cơ chỉ
đạt khoảng 60 mã lực/lít. Kỹ thuật tă
ng 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.