Tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1 TC

Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
LỜI NÓI ĐẦU
Sau thời gian học tập tại giảng đường đại học, đồ án tốt nghiệp là nhiệm vụ
cuối cùng trong chuyên ngành đào tạo kỹ sư của mỗi trường đại học kỹ thuật mà
mọi sinh viên trước khi bước vào công việc thực tế phải hoàn thành. Nó giúp sinh
viên tổng hợp tất cả và khái quát lại kiến thức cơ sở cũng như chuyên ngành.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong thời gian qua động cơ đốt
trong cũng không ngừng được cải tiến để nâng cao công suất. Một trong những
phương pháp nâng cao công suất hiệu quả hiện nay là sử dụng hệ thống tăng áp cho
động cơ. Vì vậy, trong thời gian đi thực tập em đã tìm hiểu nghiên cứu hệ thống
này, chính vì thế mà em chọn đề tài “KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN KIỂM
NGHIỆM HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ ISUZU 4JH1 - TC” để làm đề tài tốt
nghiệp. Qua đề tài này em muốn hiểu rõ hơn bản chất cũng như các quá trình làm
việc của động cơ khi có hệ thống tăng áp, đồng thời đưa ra phương pháp tăng áp tốt
nhất để nâng cao công suất động cơ và có cách khắc phục các nhược điểm của nó.
Tuy nhiên, do những hạn chế về thời gian, kiến thức cũng như tài liệu tham
khảo nên trong phạm vi đồ án này em không thể trình bày được hết các vấn đề liên
quan cũng như tìm hiểu sâu hơn mối quan hệ giữa hệ thống này với hệ thống khác.
Qua đó, không tránh khỏi những sai sót trong vấn đề thực hiện. Rất mong được sự
quan tâm chỉ bảo hơn nữa của các thầy cô và các bạn.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Phùng Xuân Thọ đã
hướng dẫn tận tình, cùng các quý thầy cô trong khoa Cơ Khí Giao Thông và các
bạn, những người đã trực tiếp giúp đỡ chỉ dẫn và góp ý cho em trong suốt thời gian
thực hiện đồ án này.
Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2012.
Sinh viên thực hiện

Ngô Đức Quang
1
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ

1.1. Mục đích của tăng áp động cơ
1.1.1. Định nghĩa tăng áp
Tăng áp là biện pháp tăng khối lượng không khí nạp vào xilanh bằng cách
tăng khối lượng riêng của không khí. Muốn vậy, phải tiến hành nén môi chất nạp
trước khi vào xilanh, tức là tăng áp suất của môi chất nạp. Do khối lượng không khí
được nạp vào xilanh tăng nên người ta có thể tăng thêm lượng nhiên liệu để đốt
cháy trong dung tích đó. Như vậy, cho ta khả năng tăng lượng nhiệt phát ra trong
dung tích cho trước.
1.1.2. Mục đích tăng áp
Nhằm mục đích tăng công suất cho động cơ đốt trong người ta phải tìm cách
tăng khối lượng nhiên liệu cháy ở cùng một đơn vị dung tích xilanh trong một đơn
vị thời gian, là tăng lượng nhiệt phát ra trong một không gian và thời gian cho trước.
Mục đích cơ bản của tăng áp cho động cơ đốt trong là làm tăng công suất
nhưng đồng thời tăng áp cũng cải thiện được 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 giá thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất;
+ Hiệu suất của động cơ tăng, đặc biệt là khi tăng áp tua bin khí, do đó suất
tiêu hao nhiên liệu giảm;
+ Giảm độ ồn của động cơ.
1.2. Phân loại hệ thống tăng áp
Hình 1 - 1. Các phương pháp tăng áp trên động cơ đốt trong
2
Không có máy nén
Tua bin
khí
Dẫn động
cơ khí
Hỗn hợp Sóng áp
suất

Tốc độDao động và
cộng hưởng
Liên hệ
khí thể
Liên hệ
cơ khí
Liên hệ
thủy lực
Mắc nối
tiếp
Mắc song
song
Tăng áp
Có máy nén
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
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 trên.
1.2.1. Biện pháp tăng áp nhờ máy nén
1.2.1.1. Tăng áp cơ khí
3
1
5
4
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.
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 ly tâm, hoặc quạt hướng trục, được
dẫn động từ trục khuỷu của động cơ.
Phương pháp dẫn động máy nén rất phong phú, nhiều trường hợp giữa máy
nén và trục khuỷu động cơ có bố trí li hợp nhằm cho phép điều khiển phạm vi hoạt
động của máy nén dẫn động cơ khí cho phù hợp với các chế độ của ĐCĐT.
Công suất của động cơ đốt trong được xác định theo công thức sau:
N
e
= N
i
- N
m
- N
k
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 dẫn động máy nén 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 p

i
,
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 p
k
nhỏ hơn hoặc bằng 1,6
kG/cm
2
, nếu p
k
lớn hơn 1,6 kG/cm
2
thì N
k
sẽ lớn hơn 10%Ne.
3
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
Với phương pháp tăng áp cơ giới, chất lượng khởi động và tăng tốc tốt, vì
lượng không khí cấp cho động cơ một chu trình phụ thuộc vào vòng quay trục
khuỷu mà không phụ thuộc nhiệt độ khí thải. Đối với tăng áp cơ giới, năng lượng
tiêu hao để dẫn động máy nén tăng lên, giảm hiệu suất giảm tính kinh tế động cơ.
1.2.1.2. Động cơ tăng áp bằng tua bin khí
Tăng áp bằng tua bin khí: là biện pháp tăng áp mà máy nén được dẫn động
nhờ tua bin tận dụng năng lượng khí thải của động cơ đốt trong.
Khí xả của ĐCĐT có nhiệt độ và áp suất rất cao nên nhiệt năng của nó tương
đối lớn. Muốn khí thải 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 ĐCĐT thì dung tích của xilanh sẽ
rất lớn, làm cho kích thước của ĐCĐT quá lớn, 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 các cánh của tua bin.
a. Tăng áp bằng tua bin khí có liên hệ cơ khí
Trong phương án này, trục tua bin 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 xilanh động cơ đốt trong trước khi
vào tuabin đạt áp suất 16 kG/cm
2
. 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.
b. Tăng áp bằng tua bin khí liên hệ khí thể
3
2
4
1
5
Hình 1 - 3. Sơ đồ nguyên lý tăng áp bằng tua bin khí chỉ liên hệ khí thể
1- Máy nén; 2- Thiết bị làm mát; 3- Động cơ; 4- Bình xả; 5- Tua bin.
4
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
Theo phương án này, tua bin và máy nén được nối đồng trục với nhau. Khí
xả được giãn nở trong cánh tua bin sẽ làm tua bin 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 cao cho động cơ.
c. Tăng áp bằng tua bin khí có liên hệ thuỷ lực
5

1
1
2
3 4
a)
b)
c)
3
4
56
78
2
1
2
3
4
Hình 1 - 4. Tăng áp tua bin khí có liên hệ thuỷ lực
a- Cơ cấu nối có liên hệ thuỷ lực;
b- Cơ cấu nối có liên hệ thuỷ lực và 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
máy phát 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- Máy phát điện; 8- Hộp tốc độ.
Các phương án kết nối giữa động cơ đốt trong và cụm tua bin - máy nén
cũng rất phong phú. Hình 1- 4 trình bày các phương pháp kết nối này. Trong đó,
hình 1- 4a là cách ghép nối thông dụng nhất, nó cho phép điều chỉnh chế độ tăng áp
5
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
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- 4 b,c.

1.2.1.3. Tăng áp hỗn hợp
Trong tăng áp hỗn hợp, người ta sử dụng hai hệ thống máy nén khác nhau,
một được dẫn động bằng tua bin khí và một được dẫn động từ trục khuỷu động cơ.
Tuỳ thuộc vào vị trí của máy nén người ta có hai dạng ghép nối: lắp nối tiếp
và lắp song song.
a)
b)
c)
3
P
0,
T
0
6
1
2
5
P
0,
T
0
6
6
4
1
2
5
3
6
4

P
0,
T
0
1
2
5
6
3
4
P
0,
T
0
Hình 1 - 5. Sơ đồ nguyên lý phương án tăng áp hỗn hợp cho động cơ
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.
1- Động cơ; 2- Tua bin; 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.
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 tua bin khí.
Đối với phương án lắp thuận: máy nén dẫn động cơ khí đứng sau máy nén
dẫn động bằng tua bin khí. Khí tăng áp được máy nén dẫn động bằng tua bin khí hút
6
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
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 cụm TB-MN.
Đối với phương án lắp nghịch: MN dẫn động cơ khí đứng trước, lưu lượng
khí nạp vào ĐCĐT phụ thuộc vào lưu lượng MN 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 xilanh làm máy nén (trường
hợp động cơ có guốc trượt) cung cấp không khí cho động cơ, song song với bộ
"máy nén tua 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.
1.2.2. Biện pháp tăng áp không có máy nén
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.
1.2.2.1. 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 xilanh lúc đóng xupáp nạp.
1
2
2
3
3
4
1
a)
b)
Hình 1 - 6. 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- Xilanh;
4- Bình cộng hưởng.

7
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
Theo phương pháp tăng áp này, công nạp của piston được chuyển hóa thành
năng lượng động học của cột khí và chính năng lượng này sẽ chuyển hóa thành
công nén làm tăng áp suất trong xilanh cuối quá trình nạp.
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:

TRka =
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:
p = f (x, t)
v = f (x, t)
Sóng áp suất và sóng tốc độ cùng xuất hiện và cùng được truyền với tốc độ
truyền sóng a.
Sóng phản xạ được chia làm hai loại: Phản xạ đầu kín và phản xạ đầu hở.
Sóng phản xạ đầu kín xuất hiện khi xupáp đóng kín, sóng phản xạ đầu hở xuất hiện
khi sóng truyền tới đầu hở.
Hình 1 - 7. 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.
8

Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
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 (ĐCT) xuống điểm chết dưới
(ĐCD) 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 xilanh 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 p
0
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.
Để đạt được lưu 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.
1
3
2
4
5
6
Hình 1 - 8. 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
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. Nguyên tắc thiết kế các kích thước và bố trí
sao cho quá trình lưu động có tính chu kỳ của dòng khí nạp vào các xilanh phù hợp
với tần số dao động của bình và ống. Do cách bố trí như vậy, các xilanh được nối
nhau sẽ có áp suất cuối quá trình nạp khi tăng số vòng quay của ĐCĐT cùng tần số
9
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
dao động của bình và ống. Tức là lúc này xảy ra hiện tượng cộng hưởng trong dòng
khí nạp.
1.2.2.2. Tăng áp trao đổi sóng áp suất
Thiết bị là rôto với các rãnh hướng kính nằm dọc trục, các van C, D và G, F
nằm ở đầu nạp và đầu xả là hai mặt bích có bố trí đường dẫn vào và ra. Rôto được
dẫn động từ trục khuỷu của động cơ. Để đảm bảo hệ thống làm việc được cân đối
người ta bố trí hai ống vào và hai ống ra trên stato. Như vậy có hai chu trình xảy ra
đồng thời trong một vòng quay của rôto.
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
6
3
5
4
2
1
7
Hình 1 - 9. Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng sóng khí
1- Không khí thấp áp; 2- Dây đai; 3- Không khí cao áp; 4- Động cơ; 5- Khí thải cao
áp; 6- Khí thải thấp áp; 7- Rôto.
Trong phương án này, sử dụng năng lượng động học của khí xả để nén khí

nạp. Sự tăng hay giảm của áp suất được truyền với cùng tốc độ của các xung nén
hình thành từ phía có áp suất cao lên phía có áp suất thấp. Dòng 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
10
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
và khí mới. Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn ở hình 1- 9. Ở đây sóng nén hoặc giãn
nở của khí thải được sử dụng để truyền trực tiếp năng lượng lên khí nạp. Van C, D
được bố trí ở một đầu ống để điều khiển sự lưu thông của khí nạp. Trong khí đó các
van G, F được lắp ở đầu ngược lại để điều khiển sự lưu thông của khí xả.Van C, G
dùng để điều khiển phía có áp suất cao của chu trình. Van D, F được thông với môi
trường xung quanh.
Quá trình hoạt động của bộ tăng áp bằng sóng khí được giải thích từ đồ thị
khai triển của quá trình truyền sóng áp suất như sau:
Hình 1-10 là sơ đồ khai triển lớp cắt quanh chu vi tại bán kính trung bình của
rôto và stato lên mặt phẳng, trên đó chỉ phương hướng lưu động của khí thải và
không khí. Tốc độ tiếp tuyến của rôto tại bán kính trung bình được thay bằng tốc độ
dịch chuyển của các rãnh thông từ dưới lên trên.
G
2
III
IV
II
C
u
F
D
VI
VII

V
I
A
B
1
E
Hình 1 - 10. Sơ đồ khai triển thể hiện quá trình truyền sóng áp suất trong
bộ tăng áp bằng sóng khí đơn giản
A- Bình góp khí xả; B- Bình góp không khí nén.
Ban đầu ống dẫn chứa đầy không khí ở trạng thái áp suất bằng áp suất môi
trường và các van C,D,F,G đều đóng kín. Quá trình xả của động cơ bắt đầu khi
piston đi từ ĐCD đến ĐCT, xupáp xả mở áp suất đường xả tăng lên, van G mở ra
kích thích tạo ra sóng xung có áp suất cao, van F đóng. Màng khí xả nóng chuyển
động phía sau của sóng xung. Nhờ đó khí được nén từ phải sang trái. Van C được
mở ra để khí được nén bởi sóng xung đi vào ống có áp suất cao và đi vào xi lanh
của ĐCĐT. Van C đóng lại khi màng tiên phong của khí nóng đến để tránh sự hoà
11
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
trộn của khí thải vào khí mới. Kết thúc giai đoạn này thì phần lớn năng lượng khí xả
được truyền cho khí nạp.
Khi C đóng thì G đóng, còn F mở ra. Lúc này sóng giãn nở hình thành, khí
thải chứa trong ống dẫn thải hết ra ngoài theo van F. Do sự giãn nở của khí trong
ống xả (rãnh dọc trục của rôto) làm cho áp suất ở đây nhỏ hơn áp suất khí trời và
van D mở ra, không khí đi vào ống van F đóng lại, van D đóng kết thúc chu kỳ làm
việc của hệ thống.
+ Ưu điểm nổi bật của loại tăng áp bằng sóng khí là áp suất tăng áp càng cao,
khi tốc độ động cơ càng thấp, nhờ đó động cơ sẽ có mômen lớn tại tốc độ thấp.
+ Nhược điểm của loại này là thiết bị cồng kềnh, chiếm không gian lớn, trục
khuỷu động cơ dẫn động rôto tiêu thụ 1÷2% công suất động cơ, tiếng ồn lớn, tuổi
thọ của rôto thấp nên chưa được sử dụng rộng rãi.

1.2.2.3. Tăng áp tốc độ
Trong các động cơ đặt trên máy bay hoặc trên ôtô đua còn có thể sử dụng
dòng không khí ngược với chiều chuyển động của máy bay và ôtô để làm tăng khối
lượng môi chất nạp vào động cơ. Phương pháp này được gọi là phương pháp tăng
áp tốc độ.
Hiện nay, phương án này ít được sử dụng nên chỉ giới thiệu sơ lược như trên.
1.2.2.4. 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 2 cấp;
+ Tăng áp Miller;
+ Tăng áp siêu cao;
+ Tăng áp chuyển dòng.
1.2.2.5. So sánh ưu nhược điểm của hệ thống tăng áp có máy nén và hệ thống
tăng áp không có máy nén
Về mức độ tăng áp: Hệ thống tăng áp có máy nén có khả năng tăng công suất
lít và công suất trên một đơn vị diện tích đỉnh piston lớn hơn nhiều so với hệ thống
tăng áp không có máy nén. Vì thế, các động cơ diesel cỡ lớn đều dùng tăng áp có
máy nén. Ngược lại, hệ thống tăng áp không có máy nén có ưu điểm nổi bật là khi
tốc độ động cơ càng thấp thì áp suất tăng áp càng cao nhờ đó động cơ sẽ có mômen
lớn tại tốc độ thấp, điều này rất thích hợp với điều kiện làm việc của động cơ ô tô.
12
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
1.2.3. Tăng áp cho động cơ diesel
1.2.3.1. Tăng áp cho động cơ diesel 4 kỳ
Tăng áp bằng tua bin khí xả đầu tiên được sử dụng cho động cơ 4 kỳ. Đối
với động cơ diesel, vì để đáp ứng được nhu cầu về nâng cao công suất cho động cơ
nên hầu hết trên các động cơ diesel cỡ lớn của tàu thủy, động cơ diesel trên đầu máy
xe lửa và diesel phát điện đều dùng hệ thống tăng áp. Nhằm giải quyết vấn đề nạp
khí ở các chế độ khởi động và tải nhỏ, đảm bảo độ chênh áp suất đủ để nạp khí vào

xilanh ở các chế độ đối với động cơ 4 kỳ đơn giản hơn động cơ 2 kỳ nhờ có hành
trình thải và tiêu thụ không khí quét ít. Nói chung sơ đồ nguyên lý tăng áp của các
động cơ 4 kỳ giống nhau, chỉ khác nhau một ít về kết cấu đường ống xả và có hoặc
không có bầu làm mát không khí tăng áp.
Để chuyển động cơ 4 kỳ sang tăng áp bằng tua bin khí xả không chỉ đơn giản
đặt lên động cơ cụm tua bin máy nén và nối đường ống dẫn của nó với bình chứa
không khí tăng áp và ống góp khí xả. Động cơ 4 kỳ tăng áp tua bin khí xả khác với
động cơ không tăng áp.
Hình 1 - 11. Sơ đồ kết cấu tăng áp động cơ 4 kỳ
1- Máy nén; 2- Đường khí nén; 3- Bộ làm mát không khí tăng áp;
4- Xupáp nạp; 5- Xupáp xả; 6- Ống xả; 7- Tua bin.
+ Tăng suất tiêu hao không khí và khí xả qua các xupáp nạp, xả. Để đảm bảo
điều đó, khi tăng áp cần phải tăng góc mở sớm và đóng muộn các xupáp, tăng góc
trùng điệp. Đối với động cơ không tăng áp góc trùng điệp khoảng 25÷50
0
góc quay
trục khuỷu. Khi tăng áp bằng tua bin khí xả, để đảm bảo quét khí, góc trùng điệp
13
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
được tăng lên đến 100÷140
0
góc quay trục khuỷu. Các pha phân phối khí được lựa
chọn ứng với chế độ làm việc lâu dài nhất của động cơ.
+ Có độ chênh áp giữa áp suất không khí tăng áp P
s
và áp trên đường ống xả
(áp suất trước tua bin). Nhờ độ chênh áp suất nên trong thời kì trùng điệp đảm bảo
quét sạch buồng cháy, do vậy hệ số khí sót giảm đến giá trị
γ
r

= 0,01÷0,02, làm
tăng hệ số nạp và hệ số dư lượng không khí, cải thiện được chất lượng cháy, giảm
suất tiêu hao nhiên liệu, ứng suất nhiệt động cơ. Hình 1-12 giới thiệu sơ đồ mô tả sự
thay đổi các thông số hệ thống tăng áp diesel 4 kỳ theo tải như sau:
0
20
40
60
P
Ps
Ne
%
0
tx
°
25
50
75
20
40
60
tx
Ps
Px
A
Hình 1 - 12. Sự thay đổi các thông số tăng áp động cơ diesel 4 kỳ theo tải
P
x
, t
x

- Áp suất, nhiệt độ khí xả; P
s
- Áp suất không khí nạp.
Từ hình 1-12, ta thấy rõ độ chênh áp suất tăng nhanh (P
s
-P
x
) khi tải động cơ
tăng. Khi giảm tải độ chênh lệch áp suất (P
s
-P
x
) giảm xuống. Khi tải của động cơ 4
kỳ khoảng 30÷50% tải định mức, áp suất tăng áp bằng áp suất khí xả trước tua bin
(điểm A). Tại thời điểm này không diễn ra quá trình quét. Khi tiếp tục giảm tải, áp
suất tăng áp bé hơn áp suất khí sau xupáp xả, nên xảy ra hiện tượng dồn ngược khí
xả vào xilanh và đường ống nạp không khí tăng áp.
14
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
Dẫn khí xả tới tua bin theo đường ống xả riêng. Trong trường hợp nối các
ống xả của tất cả các xilanh với một đường ống xả chính thì khi áp suất tăng áp thấp
(dưới 200KP
a
) xung áp suất ngăn cản quét các xilanh khác và là nguyên nhân dồn
ngược khí xả vào các xilanh. Nối các ống xả của các xilanh với các đường ống riêng
sẽ ngăn ngừa được hiện tượng này và đảm bảo độ chênh áp suất (P
s
-P
t
) và tạo quá

trình quét bình thường của mỗi xilanh.
1.2.3.2. Tăng áp cho động cơ diesel 2 kỳ
Tăng áp tua bin khí xả trong các động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ bắt đầu sử
dụng muộn hơn so với động cơ 4 kỳ. Động cơ 2 kỳ sử dụng sơ đồ tăng áp tua bin
khí xả của động cơ 4 kỳ (nén không khí trong máy nén tua bin một cấp) gặp phải
khó khăn do tính đặc biệt của nó. Để đảm bảo quá trình thay đổi khí và làm việc tốt,
các động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ đều được tăng áp bằng tua bin khí hoặc tăng áp
hỗn hợp.
Các tính đặc biệt sau đây của động cơ 2 kỳ gây khó khăn cho việc sử dụng
tăng áp tua bin khí xả hay hạn chế việc tăng công suất tăng áp động cơ.

Hình 1 - 13. Một số sơ đồ tăng áp động cơ 2 kỳ
a- Sơ đồ tăng áp biến áp; b- Sơ đồ tăng áp tua bin khí xả 1 cấp đẳng áp;
c- Sơ đồ tăng áp liên hợp có nén không khí bổ sung trong các máy nén piston.
1- Máy nén; 2- Tua bin; 3- Xilanh; 4- Ống nạp; 5- Bầu làm mát không khí tăng áp;
6- Ống xả; 7- Máy nén piston.
+ Cần đảm bảo độ chênh giữa áp suất không khí tăng áp trong bình chứa và
áp suất khí xả trong đường ống xả (P
s
-P
x
) trong tất cả các chế độ tải của động cơ.
Đối với động cơ 4 kỳ, nhờ có hành trình xả và nạp đảm bảo xả được hầu hết sản vật
cháy ra khỏi xilanh và nạp vào xilanh đủ khối lượng không khí ở các chế độ làm
15
a) b) c)
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
việc bất kỳ. Đối với động cơ 2 kỳ, nếu ở một chế độ làm việc nào đó áp suất tăng áp
thấp hơn áp suất khí trong đường ống xả thì chu trình công tác không thể thực hiện
được khả năng quét và không nạp vào xilanh đủ lượng không khí cần thiết để đốt

cháy nhiên liệu. Để đảm bảo quét và nạp không khí vào xilanh, áp suất tăng áp cần
phải cao hơn áp suất khí trong trường hợp ống xả ở tất cả các chế độ tải, do vậy tiêu
tốn công suất bổ sung để nén không khí đến áp suất cao.
+ Để đảm bảo chất lượng trao đổi khí trong động cơ 2 kỳ, yêu cầu hệ số quét
lớn hơn so với động cơ 4 kỳ. Hệ số quét của động cơ 2 kỳ
a
ϕ
= 1,45÷1,65, trong khi
đó của động cơ 4 kỳ
a
ϕ
= 1,07÷1,35. Để tăng hệ số dư lượng không khí quét cần
tăng lượng không khí do máy nén cấp và như vậy phải tăng công suất tiêu thụ cho
máy nén.
+ So với động cơ 4 kỳ, khi áp suất chỉ thị trung bình bằng nhau, nhiệt độ khí
xả của động cơ 2 kỳ thấp hơn. Đối với động cơ 2 kỳ ở chế độ định mức, nhiệt độ
khí xả nằm trong giới hạn 350÷450
0
C. Còn với động cơ 4 kỳ, có thể đạt 450÷500
0
C.
Nguyên nhân giảm nhiệt độ khí xả của động cơ 2 kỳ là do lượng không khí quét
lớn. Giảm nhiệt độ khí xả là nguyên nhân giảm công suất tua bin.
+ Như vậy, tăng công suất động cơ 2 kỳ bằng cách sử dụng tua bin khí xả
phức tạp hơn so với động cơ 4 kỳ, vì công suất tua bin nhỏ nhưng hệ thống tăng áp
cần phải cấp lượng không khí lớn hơn và có áp suất cao hơn. Hiệu số giữa công suất
cần thiết của máy nén để cấp không khí với công suất do tua bin sinh ra có khi đạt
tới (4-6)% công suất chỉ thị của động cơ.
+ Tăng áp động cơ 2 kỳ làm tăng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ.
1.2.4. Tăng áp cho động cơ xăng và động cơ ga

1.2.4.1. Tăng áp cho động cơ xăng
Do đặc điểm của động cơ xăng là khí nạp vào động cơ là hỗn hợp xăng và
không khí, mặt khác động cơ xăng dễ gây kích nổ nên việc tăng áp cho động cơ
xăng gặp nhiều khó khăn. Hiện nay động cơ xăng tăng áp thường chỉ dùng trong
máy bay tải trọng nhỏ, máy bay thể thao, trực thăng còn trên ô tô máy kéo ít sử
dụng tăng áp vì công suất của loại động cơ này thường nhỏ 75÷220 KW. Nếu lắp
thêm cụm tua bin máy nén sẽ làm giảm tính năng tăng tốc của của động cơ.　
Tăng áp cho động cơ xăng dễ gây ra kích nổ vì sẽ làm tăng áp suất và nhiệt
độ đầu và cuối quá trình nén. Để tăng áp cho động cơ xăng mà không gây ra kích nổ
người ta dùng các biện pháp như sau:
16
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
Thay đổi cấu tạo buồng cháy, dùng nhiên liệu chống kích nổ tốt, thay đổi
thành phần khí hỗn hợp, thay đổi góc đánh lửa sớm, làm mát trung gian cho khí hỗn
hợp ở sau máy nén tăng áp, giảm tỉ số nén động cơ.
Thường người ta chỉ sử dụng động cơ xăng tăng áp trong những điều kiện
đặc biệt: làm việc trên núi cao, động cơ luôn luôn chạy ở chế độ toàn tải.
Đối với phương án 1: Đặt máy nén ở sau bộ chế hòa khí lúc này hỗn hợp
không khí và nhiên liệu sẽ đi vào máy nén.
Ưu điểm:
+ Hỗn hợp được hòa trộn đều;
+ Khi qua máy nén nhiên liệu bốc hơi nhanh;
+ Nhiệt độ của không khí đi vào máy nén thấp hơn nhiệt độ khí trời nên lưu
lượng và hiệu suất máy nén tăng.
Nhược điểm:
+ Nếu xảy ra hiện tượng hồi hỏa thì máy nén chóng hỏng;
+ Tính tăng tốc kém vì không gian máy nén lưu trữ lại một lượng hòa khí
nhất định, không đáp ứng kịp yêu cầu thay đổi nhanh chế độ làm việc của động cơ;
+ Đóng nhỏ miệng bướm ga hoặc miệng vào máy nén, dầu nhờn trong máy
nén dễ bị hút theo dòng khí nạp.

Đối với phương án 2:
Máy nén đặt trước bộ chế hòa khí, không khí được nén sau đó qua bộ chế
hòa khí rồi mới vào động cơ.
Ưu điểm:
+ Tính năng gia tốc tốt;
+ Không khí nén qua bộ chế hòa khí làm cho nhiên liệu dễ bốc hơi;
+ Bản thân nhiên liệu không tiếp xúc với máy nén, ít gây nguy hại cho máy
nén khi xảy ra hiện tượng hồi hỏa.
Nhược điểm:
+ Sử dụng nhiều bộ chế hòa khí (6 đến 12 bộ) làm tăng trọng lượng của hệ
thống;
+ Bướm ga của các bộ chế hoà khí rất khó điều chỉnh giống nhau;
+ Các đường ống trong hệ thống nạp thải phải thật kín nếu không dễ sinh ra
hoả hoạn.
1.2.4.2. Tăng áp cho động cơ ga
Phương án 1: Máy nén đặt sau lò ga và ở trước bộ hỗn hợp
Ưu điểm: Giống ưu điểm động cơ xăng tăng áp, đặt máy nén trước BCHK.
17
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
Nhược điểm: Bụi của khí ga đi vào máy nén làm cho máy nén chóng hỏng. Vì vậy,
ta thường dùng máy nén ly tâm, không dùng máy nén rôto hay máy nén pittông.
Phương án 2: Máy nén đặt trước lò ga, giữ nhiệm vụ cung cấp cho cả lò ga
và bộ hỗn hợp. Trong trường hợp này, máy nén khí không tiếp xúc với bụi của khí
ga nhưng phải đảm bảo cho toàn hệ thống lò ga và đường ống dẫn khí ga thật kín để
tránh hoả hoạn.
Hiện nay, tăng áp cho động cơ ga có thể đưa áp suất trung bình của động cơ
ga P
e
=0,8÷1,1 MN/m
2

(các loại động cơ ga không tăng áp chỉ đạt P
e
=0,55÷0,7
MN/m
2
).
1.3. Đặc tính của TB-MN tăng áp
1.3.1 Đặc tính của tua bin
Đường đặc tính của tua bin biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng khối lượng
của khí xả với tỉ số giãn nở của nó ở các số vòng quay khác nhau của rôto tua bin.
Dòng chảy qua tua bin tuân theo các quy luật sau:
+ Nếu áp suất đầu vào không đổi, lưu lượng khối lượng tăng khi nhiệt độ
giảm;
+ Năng lượng chứa trong một đơn vị khối lượng khí là hàm số của nhiệt độ
và áp suất;
+ Tốc độ của tua bin là hàm số của tốc độ chuyển động theo (tốc độ tiếp
tuyến của dòng khí).
Nếu lưu lượng khối lượng m
g
của khí xả là không đổi mà nhiệt độ giảm thì
lưu lượng thể tích giảm và do đó áp suất của khí xả giảm làm cho tỉ số giãn nở cũng
giảm theo. Trong trường hợp đó, các điểm làm việc của tua bin sẽ là A,B,C,D.
Khác với máy nén, đối với tua bin không tồn tại vùng làm việc không ổn
định, vì trong tua bin áp suất giảm dần theo phương chuyển động của dòng khí nên
sự tách dòng không thể xuất hiện.
18
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
2
1
1,5

δ
T
2,5
A
B
C
D
n
T
T
g
Const
n
T
=Const
P
g
m
g
.n
T
2
1,5
T
g
giaím
Hình 1 - 14. Đặc tính của tua bin
Đặc tính của tua bin còn cho thấy m
g
là hàm số của độ giãn nở nên tốc độ của

tua bin n
T
sẽ tăng khi áp suất đầu ra giảm, tức là nếu tăng độ cao làm việc của thiết
bị (cột áp làm việc) thì mật độ không khí giảm (khối lượng riêng của không khí
giảm) nên m
g
cũng giảm theo.
1.3.2. Đặc tính của MN
Ngoài các ưu điểm nổi trội về kích thước nhỏ và giá thành thấp, máy nén ly
tâm còn cho phép tạo ra áp suất đủ cao mà rất ít nhạy cảm khi hình dáng của nó
không đạt sự hoàn hảo như yêu cầu, nên nó là loại máy nén luôn được ưu tiên sử
dụng trong tăng áp cho ĐCĐT.
Cơ sở để thành lập đặc tính cung cấp khí cho máy nén ly tâm là phương trình
Euler. Phương trình này cho phép thiết lập mối quan hệ giữa công cung cấp của
máy nén cho 1 kg khí đi qua bánh công tác như sau:
kgNmCUCU
m
L
h
uu
k
lt
/,
1122
±==
Trong đó:
L: Công cung cấp tương ứng với lượng khí m
k
[kg];
U

1
, U
2
: Tốc độ vòng ở cửa vào và cửa ra [m/s];
C
1u
, C
2u
: Tốc độ tuyệt đối theo phương tiếp tuyến [m/s];
h
lt
: Công lý thuyết cần thiết cấp cho 1 kg chất khí hay còn gọi là độ cao cung
cấp lý thuyết (bỏ qua ma sát, không có sự va đập và tách dòng giữa dòng chảy với
cánh) [J/kg].
Công thức trên có dấu trừ khi
α
<90
0
và có dấu cộng khi
α
>90
0
.
19
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
W
1
C
1
U

1
C
2
β
2
α
2
W
2
U
2
Hình 1 - 15. Tam giác tốc độ của bánh công tác máy nén ly tâm
Chất khí có các tính chất:
+ Khi nhiệt độ không đổi, thể tích riêng tỉ lệ nghịch với áp suất;
+ Nhiệt độ của chất khí thay đổi rất nhiều khi đi qua máy nén nên khối lượng
riêng của nó cũng thay đổi theo.
Do những đặc điểm trên của chất khí mà chúng ta cần phải để ý đến việc sử
dụng lưu lượng thể tích hay lưu lượng khối lượng, lưu lượng đầu vào hay lưu lượng
đầu ra của máy nén khi xây dựng đặc tính lưu lượng - áp suất, sao cho sự ảnh hưởng
của các tính chất trên là nhỏ nhất.
Máy nén dùng để tăng áp cho ĐCĐT nên khối lượng khí nạp vào động cơ
(hay lưu lượng đầu ra của máy nén) là đáng quan tâm nhất. Đặc tính này biểu diễn
mối quan hệ giữa lưu lượng khối lượng và tỉ số tăng áp suất ở cửa ra với cửa vào
của máy nén P
1
/P
0
khi tốc độ vòng quay của rôto không đổi.
Thực tế máy nén ly tâm luôn có các tổn thất sau:
+ Rò rỉ qua khe hở giữa rôto với vỏ;

+ Tổn thất do ma sát giữa khí với cánh, vỏ với khí;
+ Tổn thất do va đập giữa góc vào của dòng khí với góc vào của cánh.
Do đó đường biểu diễn đặc tính thực tế của máy nén là một đường cong. Dựa
vào đường cong này có thể dễ dàng nhận thấy rằng khi độ chênh áp suất trước và
sau máy nén bằng không, tức là P
1
/P
0
= 1 thì lưu lượng qua máy nén lớn nhất.
Trong thực tế, vùng làm việc của máy nén nằm trong giới hạn ổn định là
vùng ứng với lưu lượng nhỏ, vùng còn lại (phía lưu lượng lớn) không được sử dụng
trong thực tế.
20
Kho sỏt v tớnh toỏn kim nghim h thng tng ỏp ng c ISUZU 4JH1-TC
m
k, Kg/s
P
0
P
1

1

0

2

3

4

5
G
i
ồ
ùi

h
a
ỷn

ọ
ứn

õ
ở
n
h
0
,
8
3
V
u
ỡn
g

b
ồ
m

1,0
1,5
2,0
1,0 1,5
1,0 2,0 3,0
0,5
m
k
P
0
10
-3

0

0

0

0

0
0
,
8
2
0
,
8
1

0
,
8
0
Hỡnh 1 - 16. c tớnh lm vic ca mỏy nộn
Hiu sut mỏy nộn cng chớnh l t s ca chờnh nhit khi nộn on
nhit (T on nhit) vi chờnh nhit khi nộn thc t (T thc t). gim
s núng lờn ca khớ tng ỏp nhm tng khi lng khớ sau mỏy nộn, cn phi bo
m cho mỏy nộn lm vic khu vc hiu sut nhit cao.
T cỏc ng c tớnh, ng vi tc vũng quay khỏc nhau, cũn cho thy
khi s vũng quay cng ln, tc gim ỏp sut cng nhanh khi lu lng tng, hay
núi cỏch khỏc khi s vũng quay cng nh c tớnh cng phng.
T cỏc nhn xột trờn cho thy rng, khi cn cú t s tng ỏp cao, ngi ta cn
s dng hai mỏy nộn ghộp ni tip vi nhau.
1.3.3. c tớnh ca cm tua bin-mỏy nộn
Trong tng ỏp cho CT bng TB-MN thỡ tua bin v mỏy nộn c lp trờn
cựng mt trc, nờn chỳng cú cựng tc vi nhau, mc dự tớnh cht ca dũng chy
trong tua bin v mỏy nộn khỏc nhau. Vỡ vy, thit lp c tớnh chung cn chỳ
trng n cỏc thụng s thit lp c tớnh l:
+ Lu lng khi lng ca khớ tng ỏp m
K
;
+ T s tng ỏp ca mỏy nộn,
K

;
+ Nhit khớ x i qua tua bin, T
g
;
+ T s gión n ca tua bin,

T
;
+ S vũng quay ca tua bin v mỏy nộn, n
T
.
Trong cỏc i lng trờn, i lng quan trng nht l lu lng khi lng
ca khớ tng ỏp m
k
. õy l i lng phn ỏnh y mc ớch ca vic tng ỏp
cho CT.
21
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
2
P
0
P
1
m
k
10
P
0
Τ
0
-3
1,5
1,0
1,0
δ
T=1,2

δ
T=1,3
δ
T=1,4
δ
T=1,5
δ
T=1,6
nt
=9000 vg/ph
12000
15000
17500
19000
δ
T
=
1
,
4
T
g
=
5
5
0

C
5
0

0

C
4
5
0

C
4
0
0

C
A
4
A
3
A
2
A
1
Hình 1 - 17. Đặc tính của cụm TB-MN
1.4. Phối hợp TB-MN với ĐCĐT
Trước khi đi sâu giải quyết các vấn đề cụ thể cần phải xác định các thông số
có ảnh hưởng quyết định đến chế độ làm việc của các cụm chi tiết.
Đối với ĐCĐT, chế độ làm việc được xác định bởi:
+ Số vòng quay của động cơ, thông số này quyết định lưu lượng khí nạp cần
thiết vào xilanh;
+ Chế độ tải trọng của động cơ, được xác định bởi áp suất có ích bình quân
P

e
hay mômen có ích M
e
hoặc lượng nhiên liệu đưa vào trong một chu trình công
tác hay hệ số dư lượng không khí của động cơ diesel.
Đối với động cơ tăng áp bằng TB-MN thì cụm TB-MN phải đảm bảo cung
cấp không khí cho ĐCĐT, tức là phải đảm bảo được các điều kiện sau:
+ Áp suất khí nạp phải đảm bảo theo yêu cầu;
+ Lưu lượng, khối lượng khí nạp như mong muốn;
+ Hệ số dư lượng không khí đạt giá trị cần thiết nhằm đảm bảo năng lượng
khí xả cung cấp cho TB-MN và ngược lại, chế độ làm việc của cụm TB-MN sẽ có
ảnh hưởng đến chế độ làm việc và tải trọng của ĐCĐT.
Như vậy, số vòng quay và tải trọng của ĐCĐT ảnh hưởng quyết định đến
chế độ làm việc của cụm TB-MN và ngược lại, chế độ làm việc của cụm TB-MN sẽ
có ảnh hưởng đến chế độ làm việc và tải trọng của ĐCĐT.
1.4.1. Phối hợp TB-MN với ĐCĐT ở chế độ ổn định
22
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
Ở chế độ này số vòng quay và tải trọng của động cơ được coi là không đổi.
Dòng khí lưu động từ máy nén đến ĐCĐT rồi đến tua bin chịu tác động của nhiều
nhân tố khác nhau sau:
1.4.1.1. Lưu lượng khí qua máy nén
Muốn tăng công suất của ĐCĐT người ta tăng áp suất khí nạp nhờ máy nén.
Lượng khí được cung cấp bởi máy nén nạp vào xilanh phụ thuộc các yếu tố sau:
+ Tổn thất dòng chảy từ máy nén đến xilanh ĐCĐT;
+ Sự sấy nóng của khí trong quá trình nén ở trong máy nén từ áp suất ban đầu
P
0
đến áp suất tăng áp P
1

.
1.4.1.2. Sự phân chia lượng không khí do máy nén cung cấp
Khí nén được đưa vào ĐCĐT được chia làm hai phần:
+ Phần lớn không khí trên được lưu lại trong xilanh và được sử dụng để đốt
cháy nhiên liệu.
+ Một phần nhỏ dùng để quét buồng cháy trong thời gian cả hai xupáp đều
mở, loại khí quét này phụ thuộc vào kết cấu đường nạp và đường thải, song trước
tiên là tiết diện và góc trùng điệp của cơ cấu phân phối khí.
1.4.1.3. Nhiệt độ khí xả
+ Với một ĐCĐT và một cụm TB-MN đã có thì quan hệ giữa áp suất có ích
và nhiệt độ khí xả có ảnh hưởng lớn đến đặc tính hoạt động của cụm TB-MN và tất
nhiên có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tăng áp.
+ Khi số vòng quay không đổi, tỷ số tăng áp sẽ tăng khi tăng lượng nhiên
liệu cung cấp. Khiến P
e
, M
e
, nhiệt độ cảu chu trình và nhiệt độ cuối quá trình giãn
nở đều tăng làm cho nhiệt độ khí xả tăng.
1.4.2. Phối hợp TB-MN với ĐCĐT ở chế độ thay đổi
Khí xả của ĐCĐT là nguồn năng lượng được tận dụng để dẫn động máy nén
nhằm tăng lượng khí nạp mới và làm tăng công suất của động cơ. Trong thực tế
trong khi ĐCĐT làm việc ở chế độ thay đổi (thay đổi mômen M
e
, hoặc thay đổi số
vòng quay n) sẽ gây ảnh hưởng đến hoạt động của cụm TB-MN và vì vậy nó sẽ tác
dụng ngược lại đối với ĐCĐT.
Muốn phối hợp trong điều kiện chế độ làm việc thay đổi ta cần xem xét các
thông số sau:
+ Lưu lượng khối lượng của khí nạp m

k
;
+ Tỷ số tăng áp P
1
/P
0
;
23
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
+ Số vòng quay n của động cơ;
+ Số vòng quay của TB-MN n
t
;
+ Áp suất có ích bình quân.
Từ các thông số đó nhằm xác định các thông số sau:
+ Đường kính và hình dạng của các cánh;
+ Tiết diện đi vào tua bin của khí xả;
+ Góc trùng điệp của xupáp;
+ Góc mở sớm của xupáp.
Từ đó phải đạt được các chỉ tiêu sau:
+ Bảo đảm tỷ số giãn nở để bảo đảm công suất của tua bin;
+ Loại trừ vùng bơm của máy nén ra khỏi vung làm việc của ĐCĐT;
+ Đạt hiệu suất tối đa của cụm TB-MN;
+ Bảo đảm các tỷ số tăng áp cần thiết mà tố độ quay của cụm TB-MN không
quá cao;
+ Giữ cho nhiệt độ khí xả vào tua bin là thấp nhất.
Đối với động cơ diesel tăng áp bằng TB-MN, nếu giả thiết tua bin không
được cung cấp khí xả thì máy nén sẽ không làm việc. Lúc này, máy nén sẽ là tác
nhân cản trở chuyển động của dòng khí nên khối lượng khí càng giảm khi số vòng
quay của động cơ tăng lên (hình 1-18).

Hình 1 - 18. Lượng khí cung cấp cho động cơ tăng áp và không tăng áp bằng TB-
MN khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi
1.5. Ưu nhược điểm của động cơ tăng áp
24
Khảo sát và tính toán kiểm nghiệm hệ thống tăng áp động cơ ISUZU 4JH1-TC
Ưu điểm: Qua xem xét và so sánh những động cơ tăng áp và không tăng áp,
ta rút ra những ưu việt sau đây của động cơ tăng áp:
+ Thể tích của động cơ nhỏ hơn;
+ Trọng lượng của động cơ nhỏ hơn;
+ Nếu dùng tua bin khí tận dụng năng lượng khí xả để đẫn động máy nén tăng
áp thì hiệu suất của động cơ tăng áp cao hơn hẳn;
+ Giá thành của động cơ nhỏ hơn;
+ Tua bin đặt trên đường thải nên bản thân nó là bộ phận giảm thanh tốt cho
ĐCĐT;
+ Công suất của động cơ tăng áp bằng tua bin khí giảm ít hơn khi mật độ
không khí của môi trường thay đổi;
+ Giảm lượng khí xả độc hại.
Những hạn chế:
+ Áp suất chu trình
Sự tăng áp suất cuối quá trình nén do tăng áp dẫn đến sự tăng áp suất và nhiệt
độ của cả chu trình công tác của ĐCĐT.
Trong động cơ diesel, do tăng áp nên nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén
tăng làm rút ngắn thời gian cháy trễ
i
τ
, áp suất cực đại của quá trình p
zmax
tăng và
tăng không tỷ lệ với sự tăng áp suất cuối quá trình nén.
+ Nhiệt độ của chu trình

Tình trạng chịu nhiệt của động cơ tăng áp còn đáng lo ngại hơn. Các nghiên
cứu chỉ ra rằng, nếu áp suất chỉ thị trung bình tăng gấp đôi thì dòng nhiệt truyền qua
vách (truyền cho dầu và nước làm mát) chỉ tăng khoảng 60%. Như vậy, nếu nhiệt
độ khí xả không đổi thì 40% còn lại sẽ làm cho các chi tiết của động cơ nóng lên.
+ Sự hình thành hỗn hợp
Quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ diesel tăng áp trở nên phức tạp vì
khi tăng áp suất sẽ làm giảm không gian vật lý để bay hơi, nên nhiên liệu khó bay
hơi. Để có thể có được quá trình hình thành hỗn hợp tốt, tạo điều kiện tốt nhất cho
quá trình cháy thì cần phải tận dụng triệt để xoáy lốc qua pha phân phối khí, kết cấu
đỉnh piston…
25