Sơ đồ nguyên lý động cơ tăng áp hỗn hợp hai tầng lắp nối tiếp

a) Hai tầng nối tiếp thuận; b) Hai tầng nối tiếp ngược; c) Hai tầng lắp song song T – Tuabin; N – Máy nén; LM – Thiết bị làm mát trung gian KK nén

10.2.3.3. Phạm vi ứng dụng

Trong hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp, do cĩ máy nén truyền động cơ giới nên cĩ thểthay đổi tỷ sốtăng áp của động cơ, cải thiện tính năng tăng tốc và chất lượng cơng tác trong mọi chếđộ làm việc của động cơ. Đặc điểm ấy rất quan trọng đối với động cơ

hai kỳ.

Trong động cơ tăng áp hỗn hợp, lắp song song (hình 10.4c) người ta dùng một máy nén dẫn động cơ giới hoặc dùng khơng gian bên dưới của xylanh làm máy nén (động cơ

hai kỳ) cung cấp khơng khí tăngáp cho động cơ, song song với bộ“máy tuơc bin khí”

quay tự do. Như vậy mỗi máy nén trong hệ thống chỉ cần cung cấp một phần khơng khí nén vào bình chứa chung.

Ưu điểm chủ yếu của hệ thống tăng áp lắp song song là lưu lượng khơng khí, qua mỗi máy nén điều nhỏdo đĩ kích thước của mỗi máy nén điều nhỏhơn so với hệ thống

tăng áp lắp nối tiếp.

Về mặt cấu tạo thì hệ thống tăng áp hỗn hợp phức tạp hơn nhiều so với các hệ

thống tăng áp truyền động cơ giới và tăng áp tuabin khí, vì trong thiết bị tăng áp cĩ hai

máy nén.

Mặt khác bình chứa khơng khí nén chung cũng phức tạp hơn. Vì vậy chỉ trong các

trường hợp đặc biệt ví dụ cần đạt được Pk tương đối lớn, cần cĩ tính năng tăng tốc tốt trong mọi chế độ làm việc của động cơ, hoặc những yêu cầu đặc biệt nào đĩ người ta mới dùng hệ thống tăng áp hỗn hợp.

147 10.3. Những vấn đề cần lưu ý khi tăng áp động cơ

Trong động cơ tăng áp, phụ tải cơ nhiệt và phụ tải cơ học đều lớn hơn động cơ chưa tăng áp. Vì vậy phải lựa chọn các thơng số cấu tạo và các thơng số nhiệt động cũng như các đặc điểm về kết cấu, về vật liệu chế tạo nhằm bảo đảm tính năng làm việc và tuổi thọ của động cơ. Để làm được điều này, trên động cơ tăng áp phải chú ý các đặc

điển sau:

10.3.1.Tỷ số nén 

Trong động cơ tăng áp, khi mức tăng áp càng cao thì áp suất cực đại trong quá trình cháy Pz càng lớn. Chính vì vậy, hầu hết các động cơ tăng áp đều phải giảm tỷ số

nén  để hạn chế áp suất cực đại. Tuy nhiên khi giảm Pz sẽ làm giảm khảnăng khởi động và cơng suất động cơ. Thơng thường khi chọn tỷ sốnén cho động cơ tăng áp, phải đảm bảo được yêu cầu khởi động tốt khi động cơ lạnh và làm việc ổn định ở chếđộ tải nhỏ. Với các động cơ Diesel tăng áp thường cĩ tỷ số nén  = 12 ÷ 11.

Sau khi tăng áp, mặc dù đã giảm bớt tỷ sốnén để giảm áp suất cực đại nhưng áp

suất cuối quá trình nén Pc và áp suất cực đại Pz vẫn cịn lớn hơn nhiều so với động cơ khi chưa tăng áp. Bởi vì khi tăng áp đã làm tăng áp suất của mơi chất ở đầu quá trình

nén.

Tuy nhiên khi hạ thấp tỷ số nén phải chú ý đến sự phối hợp với hình dạng buồng

cháy và đặc điểm của tia nhiên liệu để khơng ảnh hưởng đến việc khởi động lạnh, suất tiêu hao nhiên liệu và tính năng làm việc của động cơ.

Đối với động cơ xăng, khi tăng áp sẽ khiến động cơ dễ sinh ra hiện tượng kích nổ.

Đểtránh được hiện tượng kích nổ xảy ra trên động cơ xăng khi tăng áp người ta đã dùng

nhiều biện pháp như: thay đổi cấu tạo buồng cháy, dùng nhiên liệu cĩ tính chống kích nổ tốt, thay đổi gĩc đánh lửa sớm,...Trường hợp khi khơng thay đổi chỉ số octan của nhiên liệu thì tỷ sốnén cho phép sau khi tăng áp k, phụ thuộc vào áp suất Pk theo cơng thức gần đúng sau. 0 k k P p    (10-2)

Trong đĩ:  - Tỷ sốnén động cơ tăng áp; k – Tỷ sốnén động cơ sau khi tăng áp;

Pk – Áp suất trên đường ống nạp; p0 – Áp suất khí trời. 10.3.2.Pha phân phối khí

Khi piston ở lân cận vị trí ĐCT, vào cuối quá trình thải đầu quá trình nạp của hai supap nạp và supap xảđều mở. Trong động cơ tăng áp, áp suất trên đường ống nạp Pk lớn hơn áp suất trong lịng lịng xylanh PT. Nhờ cĩ chênh lệch áp suất này mà sản vật

cháy được quét sạch ra khỏi xylanh. Điều này giải quyết cùng lúc hai vấn đề: một mặt quét sạch sản vật cháy làm tăng lượng khí nạp mới mặt khác cịn làm mát các chi tiết quanh buồng cháy, nhờđĩ điều kiện làm việc của động cơ tăng áp được cải thiện rõ rệt. Muốn làm được điều này, biên dạng cam của động cơ tăng áp phải khác hơn so

với động cơ khơng tăng áp ở chỗ cĩ thểđiều khiển đĩng supap thải muộn hơn hoặc mở

supap nạp sớm hơn. Ngồi ra, supap thải của động cơ Diesel tăng áp thường mở sớm

hơn động cơ khơng tăng áp đểtăng thêm năng lượng cho tuabin. Tuy nhiên, khi tốc độ

của động cơ càng cao, gĩc mở sớm tốt nhất của supap thải càng lớn, lúc ấy nhiệt độ và áp suất trong xylanh đều cao làm cho supap dễ bị quá nhiệt. Gĩc trùng điệp của supap

thường nằm trong phạm vi từ 30 ÷40o, tương ứng với gĩc quay trục khuỷu.

Động cơ Diesel tăng áp trên ơ tơ, do phải hoạt động trong điều kiện thay đổi tải và tốc độ rất rộng. Để ngăn ngừa dịng chảy ngược ở các chế độ tốc độ thấp và tải nhỏ,

148

thường chọn gĩc trùng điệp tương đối nhỏ. Xu thế phát triển của động cơ Diesel tăng áp

hiện nay lắp trên ơ tơ là dùng gĩc trùng điệp nhỏ, vì vậy với mức độtăng áp thấp cĩ thể

dùng trục cam của động cơ khơng tăng áp (khoảng 12 ÷ 40o, tương ứng với gĩc quay trục khuỷu động cơ).

10.3.3.Hệ thống cung cấp nhiên liệu

Sau khi tăng áp, đểđạt cơng suất theo yêu cầu thì lượng mơi chất nạp vào xylanh trong mỗi chu trình phải tăng. Nếu vẫn giữ nguyên hệ thống nhiên liệu của động cơ chưa tăng áp sẽ phải thêm thời gian cấp nhiên liệu cho chu trình. Tuy nhiên, cách làm này sẽ tăng phần nhiên liệu cháy rớt và giảm hiệu suất chỉ thị i.

Các giải pháp chính để rút ngắn thời gian cháy rớt là tăng đường kính piston bơm cao áp, thay đổi biên dạng cam,...qua đĩ làm tăng tốc độ cấp nhiên liệu.

Sau khi tăng áp do mật độ khơng khí trong buồng cháy tăng cao, để cho tia phun

cĩ đặc điểm tốt nhất nhằm tạo xốy lốc của khơng khí trong buồng cháy cần phải tăng

áp suất phun và tiết diện của các lỗphun. Đối với động cơ Diesel cĩ buồng cháy thống nhất, nếu cường độ xốy lốc khơng khí đủ lớn, chỉ cần tăng đường kính lỗ phun mà khơng cần tăng thêm số lỗ phun.

10.3.4.Ống nạp và ống thải

Kích thước của ống nạp cần phải lựa chọn hợp lý. Nếu dung tích ống nạp quá nhỏ,

dao động áp suất sẽ lớn làm giảm hệ số nạp. Khi tăng dung tích ống nạp cĩ thể cải thiện tính năng của động cơ, nhưng lại ảnh hưởng đến việc bố trí, gá lắp động cơ trên xe.

Ống nạp của động cơ Diesel tăng áp trên ơ tơ nếu quá lớn sẽảnh hưởng đến tính

năng tăng tốc, vì vậy ống nạp trên động cơ Diesel thường nhỏ. Động cơ Diesel tăng áp

hoạt động ở chếđộổn định thường dùng ống nạp lớn. Dung tích nhánh ống nạp nối với

xylanh thường bằng thể tích cơng tác của xylanh.

Đường ống thải của động cơ Diesel tăng áp thường tiếp xúc với sản vật cháy cĩ nhiệt độ rất cao tới 400 ÷ 600oC, phụ tải nhiệt của ống rất lớn thường gây nứt ống và rị khí. Vì vậy cần cĩ giải pháp về cấu tạo và vật liệu để làm ống thải. Ngồi các biện pháp trên, một sốđộng cơ Diesel tăng áp cịn dùng các khâu bù giãn nở nhiệt hoặc làm mát

cho đường ống thải.

10.3.5.Làm mát trung gian cho khơng khí tăng áp

Sau khi qua máy nén tăng áp, áp suất trên đường ống nạp Pk và nhiệt độtrên đường

ống nạp Tk đều tăng cao. Các giá trị này phụ thuộc vào hiệu suất máy nén và tổn thất do tản nhiệt của máy nén.

Nhiệt độ trung bình của chu trình làm việc trên động cơ Diesel phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ mơi chất đầu quá trình nén, vì vậy phụ tải nhiệt của động cơ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của mơi chất trên đường ống nạp Tk. Nếu trên đường ống nạp cĩ lắp thêm bộ làm mát trung gian thì nhiệt độ mơi chất đi vào động cơ sẽ giảm nhờ đĩ nâng cao được cơng suất của động cơ. Đây là một biện pháp nâng cao cơng suất động cơ cĩ

hiệu quả nhất và đơn giản nhất.

Động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thủy thường dùng bộ làm mát dạng ống cĩ nhiều lá để tản nhiệt cho nước làm mát. Do nhiệt độ nước thấp nên sau khi đi qua bộ làm mát, nhiệt độ mơi chất trên đường ống nạp Tk vào khoảng 40 ÷ 50oC. Động cơ Diesel tăng

áp trên ơ tơ cịn dùng khơng khí ngồi trời đểlàm mát khơng khí tăng áp, cĩ thể dùng quạt giĩ của hệ thống làm mát động cơ hoặc quạt giĩ riêng thổi khơng khí qua bộ làm mát, lúc này nhiệt độtrên đường ống nạp Tk vào khoảng 50 ÷ 60oC.

Thực nghiệm cho thấy, nếu giữ áp suất khơng đổi, khi giảm bớt nhiệt độ khơng khí xuống 10oC thì mật độ KK sẽ tăng lên 3% và hiệu suất cĩ ích tăng 0,5%. Như vậy nếu

149 cứ giảm nhiệ độ khơng khí xuống 10oC và giữ nguyên hệ số dư lượng khơng khí thì cơng suất động cơ tăng 3,5%. Nếu giữkhơng đổi phụ tải nhiệt so với trường hợp khơng làm mát trung gian thì cơng suất của động cơ cịn tăng nhiều hơn do nhiệt độ khơng khí

vào động cơ giảm.

Vịtrí đặt bộ làm mát trung gian phụ thuộc vào cấu tạo của động cơ, tuy nhiên cần

lưu ý các điểm sau:

 Đường dẫn từ máy nén đến bộ làm mát càng ngắn càng tốt, thường là ống loe dần. Tránh thay đổi đột ngột tiết diện và hướng của dịng chảy.

 Khơng để dịng chảy đi nghiêng vào bộ làm mát, vì sẽ làm giảm tiết diện lưu

thơng và

 hiệu quả làm mát. 10.3.6.Làm mát piston

Ngồi các biện pháp trên cịn phải chú ý đến việc làm mát piston, vì phụ tải nhiệt của động cơ tăng áp lớn hơn động cơ khơng tăng áp nhất là piston, nắp xylanh. Vì vậy ngồi hệ thống làm mát thơng thường cịn phải chú ý đến việc tận dụng dầu trong hệ

thống bơi trơn để làm mát piston.

CÂU HỎI ƠN TẬP

Câu 1. Phân tích các biện pháp nâng cao cơng suất của động cơ.

Câu 2.Trình bày nguyên lý và ứng dụngtăng áp dẫn động bằng cơ khí.

Câu 3. Trình bày ngun lý và ứng dụng tăng áp dẫn động bằng tubin.

Câu 4. Trình bày nguyên lý và ứng dụng tăng áp hỗn hợp.

150

Chương 11: ĐỘNG HỌC - ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PISTON - TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỀN

Các loại động cơ đốt trong ngày nay thường cĩ số vịng quay rất lớn, do đĩ trong

quá trình làm việc các cơ cấu chịu lực quán tính rất lớn, cĩ khi vượt xa trị số của lực khí thể. Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền gây nên ứng suất lớn,

đơi khi làm hư hỏng các chi tiết máy. Ngồi ra, lực quán tính cịn tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền phát sinh dao động.

Tính tốn động học và động lực học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền –bánh đà nhằm xác định các lực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết ở mỗi vị trí của trục khuỷu nhằm phục vụ cho việc tính tốn sức bền, nghiên cứu trạng thái mài mịn, tính cân bằng động cơ, v.v…

11.1. Động học cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền giao tâm

11.1.1. Quy luật động học của piston (chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston) Nghiên cứu quy luật chuyển động của piston là nhiệm vụ chủ yếu của động học. Nghiên cứu quy luật chuyển động của piston là nhiệm vụ chủ yếu của động học.

Để thuận tiện trong việc khảo sát, ta đặt giả thiết trong quá trình làm việc, vận tốc gĩc của trục khuỷu là một hằng số const.

11.1.1.1. Chuyển vị của piston

Trên (hình 11.1) giới thiệu cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền giao tâm.

Trong cơ cấu này, đường tâm xylanh và đường tâm trục khuỷu trực giao. Chuyển vị x tính từĐCT của piston tùy thuộc vào vị trí của trục khuỷu (trị số của x thay đổi tùy vào trị số của gĩc quay trục khuỷu  ).

Từ hình vẽ ta cĩ:

x AB ' AODO DB '

 l R  Rcoslcos

Trong đĩ:

x – chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo gĩc

quay trục khuỷu  ; l – chiều dài của thanh truyền, được tính bằng khoảng cách từ tâm đầu nhỏ (điểm B’) đến

tâm đầu to (điểm C); R – bán kính quay trục khuỷu;  - gĩc quay của trục khuỷu tương ứng với x tính từĐCT;  - gĩc lệch giữa đường tâm thanh truyền

và đường tâm xylanh ứng với  . Gọi R l  là thơng số kết cấu 0, 25 0, 29 , từ trên ta cĩ: cos cos . . l l x l   R A R                    (11-1)

Trong đĩ: l cos l cos

A l  

 

   

     

   

Hình 11.1. Sơ đồ cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền giao tâm.

151 Bảng phạm vi thơng số kết cấu của các loại động cơ được cho trong bảng bên dưới:

Kiểu động cơ Vtb (m/s) S/D  mj (kg/cm2) Pjmax (MN/m2)

Tĩnh tại 3,80 ÷ 9,30 0,93 ÷ 2,25 1/4 ÷ 1/5 0,011 ÷ 0,017 0,80 ÷ 1,70 Tàu thuỷ 4,0 ÷ 11 0,93 ÷ 2,25 1/3,7 ÷ 1/5 0,011÷ 0,017 0,80 ÷1,70 Máy kéo 5,0 ÷ 7,5 1, 2÷ 1,43 1/3,5 ÷ 1/4,5 0,003÷ 0,007 0,80 ÷1,70 Ơ tơ 7,5 ÷ 20 0,83 ÷ 1,70 1/2,9 ÷ 1/4,2 0,001 ÷ 0,006 0,90 ÷ 2,20 Máy bay 6,7 ÷ 12 0,80 ÷ 1,50 1/3,1 ÷ 1/4,3 0,001÷ 0,003 0,90 ÷ 2,20

Trong đĩ: mj - khối lượng của các chi tiết chuyển động tịnh tiến. Pjmax - lực quán tính chuyển động tịnh tiến cực đại. Vtb - vận tốc trung bình của piston.

S/D – tỷ số của hành trình piston và đường kính xylanh. 11.1.1.2. Vận tốc của piston

Đạo hàm cơng thức (11-1) theo thời gian, ta cĩ cơng thức để tính vận tốc piston:

sin sin dx d l d v R dt dt dt               (11-1a)

Từ quan hệ: sin  .sin, ta rút ra: cos d .cos d

dt dt      Do đĩ: .cos . cos d d dt dt      

Gọi tốc độ gĩc của trục khuỷu là  và bỏ qua sự thay đổi về tốc độ gĩc ta cĩ:

d const dt   Vì vậy: . .cos cos d dt       (11-1b)

Thay (11-1b) vào (11-1a) rồi rút gọn ta cĩ:

  sin . cos v R       (11-2)

11.1.1.3. Gia tốc của piston

Đạo hàm cơng thức (11-2) theo thời gian, ta cĩ cơng thức để tính gia tốc của piston: 2 2 2 cos .cos . .sin . . cos dv d j R R tg R dt dt              2 2 3 cos . cos .sin cos R  tg                2 2 3 cos cos . cos cos R                (11-3) Các cơng thức (11-1), (11-2) và (11-3) là các cơng thức chính xác dùng để tính chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.