MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................. 1
MỞ ĐẦU............................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................... 7
1.1. Công suất động cơ.. ...................................................................................... 7
1.2. Các biện pháp nâng cao công suất động cơ ................................................ 9
1.2.1. Sử dụng xupap thông minh...................................................................... 9
1.2.2. Tỉ số nén linh hoạt................................................................................. 11
1.3. Nâng cao công suất động cơ bằng phương án dùng turbo tăng áp......... 13
1.3.1. Lý thuyết tăng áp động cơ .................................................................... 12
1.3.2. Phân loại tăng áp .................................................................................. 12
1.3.3. Các biện pháp tăng áp........................................................................... 13
1.3.3.1. Biện pháp tăng áp nhờ máy nén................................................... 13
1.3.3.2. Biện pháp tăng áp không có máy nén........................................... 18
1.3.3.3. Tăng áp cao................................................................................... 25
1.3.4. So sánh ưu nhược điểm của hệ thống tăng áp có máy nén và hệ thống tăng áp không có máy nén.............. 25
1.4. Tăng áp cho động cơ diezsel ...................................................................... 25
1.4.1. Tăng áp cho động cơ diesel bốn kỳ........................................................ 25
1.4.2. Tăng áp cho động cơ diesel hai kỳ......................................................... 27
1.5. Tăng áp cho động cơ xăng và động cơ ga................................................. 28
1.5.1. Tăng áp cho động cơ xăng..................................................................... 28
1.5.2. Tăng áp cho động cơ ga......................................................................... 29
1.6. Đặc tính tubin - máy nén............................................................................ 30
1.6.1. Đặc tính của máy nén............................................................................. 30
1.6.2. Đặc tính của tubin.................................................................................. 32
1.6.3 Đặc tính của cụm tubin - máy nén........................................................... 33
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ MAZDA WL TURBO................ 35
2.1. Đặc điểm hệ thống tăng áp động cơ MAZDA WL TURBO..................... 36
2.1.1. Giới thiệu về động cơ MAZDA WL TURBO......................................... 36
2.1.2. Các đặc điểm và thông số kỹ thuật của động cơ MAZDA WL TURBO.....................37
2.2. Hệ thống nạp động cơ MAZDA WL TURBO........................................... 39
2.2.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống nạp động cơ MAZDA WL TURBO. 40
2.2.2 Đặc điểm kết cấu các bộ phận trong hệ thống nạp.................................. 41
2.3. Hệ thống thải động cơ MAZDA WL TURBO........................................... 41
2.3.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống thải động cơ MAZDA WL TURBO... 42
2.3.2. Đặc điểm kết cấu các bộ phận trong hệ thống thải động cơ MAZDA WL TURBO 43
2.4. Đặc điểm kết cấu hệ thống tăng áp động cơ MAZDA WL TURBO........ 44
2.4.1. Bộ tubin tăng áp.................................................................................... 44
2.4.2. Van giảm áp và bộ chấp hành............................................................... 53
2.5. Hệ thống bôi trơn và làm mát trong bộ tubin........................................... 55
2.5.1. Hệ thống bôi trơn................................................................................... 55
2.5.2. Hệ thống làm mát................................................................................... 55
2.6. Bộ bù tubin tăng áp.................................................................................... 57
2.6.1. Cấu tạo.................................................................................................. 57
2.6.2. Hoạt động.............................................................................................. 57
2.7. Phối hợp giữa tubin máy nén với động cơ đốt trong................................. 59
2.8. Tính toán kiểm nghiệm bộ tubin tăng áp.................................................. 60
2.8.1. Các số liệu cho trước và các thông số chọn............................................ 60
2.8.2. Tính toán các thông số làm việc tuabin-máy nén................................... 62
2.8.3. Tính toán bộ tubin tăng áp
CHƯƠNG 3: KHAI THÁC, SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP........... 83
3.1. Một số hư hòng thường gặp và biện pháp khắc phục............................... 83
3.1.1. Động cơ khó tăng tốc, tụt công suất hoặc tiêu hao nhiên liệu lớn.......... 83
3.1.2. Có tiếng ồn bất thường........................................................................... 84
3.1.3. Tiêu hao dầu lớn và khói xanh............................................................... 85
3.2. Hệ quả các hư hỏng và biện pháp khắc phục............................................ 85
3.2.1. Thiếu dầu.............................................................................................. 85
3.2.2. Vật lạ rơi vào tu bin.............................................................................. 85
3.2.3. Dầu bẩn................................................................................................ 85
3.2. Kiểm tra hệ thống tăng áp động cơ............................................................ 85
3.3.1. Kiểm tra hệ thống nạp khí.................................................................... 85
3.3.2. Kiểm tra hệ thống thải.......................................................................... 86
3.4. Các chú ý khi sử dụng hệ thống tăng áp.................................................... 86
3.5. Tháo và lắp cụm tubin máy nén................................................................. 87
3.5.1. Chú ý khi tháo lắp................................................................................ 88
3.5.2. Các chú ý khi bảo dưỡng, sửa chữa....................................................... 89
3.5.3. Kiểm tra tubin tăng áp.......................................................................... 89
KẾT LUẬN........................................................................................................... 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 91
MỞ ĐẦU
1. Khái quát về lịch sử vấn đề nghiên cứu
Động cơ đốt trong có những bước phát triển thăng trầm do nhiều nguyên nhân khác nhau. Ví dụ người ta hi vọng vào một nguồn động lực có các đặc tính khác tốt hơn hoặc lo sợ về sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu được biểu hiện ở cuộc khủng hoảng vào những năm 70 của thế kỷ XX. Thêm vào đó là vấn đề ô nhiễm môi trường do no gây ra đối với môi trường và sức khoẻ của con người.
Tuy nhiên, những bước phát triển kỳ diệu, vượt bậc trong nghiên cứu chế tạo động cơ xăng cũng như động cơ diezen đã đánh bại mọi nghi ngờ về sự tồn tại và phát triển của nó. Nhờ có những ưu điểm vượt trội về nhiều mặt, đặc biệt là hiệu suất cao trong phạm vi công suất rộng, nhỏ gọn nên động cơ đốt trong ngày nay chiếm ưu thế tuyệt đối trong mọi lĩnh vực như vận tải đường bộ, đường thuỷ, phát điện dự phòng….
Nhằm mục đích tăng công suất động cơ đốt trong người ta phải tìm cách tăng khối lượng nhiên liệu cháy ở một đơn vị dung tích xilanh trong một đơn vị thời gian, tức là tăng khối lượng nhiệt phát ra trong một không gian và thời gian cho trước. Có rất nhiều biện pháp để nâng cao công suất động cơ một trong các biện pháp đó là dùng tăng áp. Với một turbo tăng áp trên động cơ ô tô chính là một giải pháp hết sức quan trọng. Với những ưu điểm: kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ nhưng vẫn đạt được công suất cao, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, giảm lượng khí độc hại trong thành phần khí xả, đạt được hiệu suất cao mà động cơ tăng áp ngày càng được sử dụng phôt biến, đặc biệt là động cơ tăng áp bằng tubin khí. Đề tài “ Nghiên cứu, khai thác một số biện pháp nâng cao công suất động cơ” là một đề tài với nội dung khá lớn, với nhiều biện pháp để nâng cao công suất động cơ vì vậy đề tài này chỉ dừng ở biện pháp nâng cao công suất động cơ bằng phương pháp sử dụng tăng áp.
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
2.1. Trong nước
a. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT VÀ CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠDIESEL 1 XI-LANH RV195.
Tác giả: Nguyễ Hữu Hường – Vương Như Long
Nguồn: Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách Khoa, Tp. Hồ Chí Minh
Năm: 2009 - 2011.
Tóm tắt: Ứng dụng phương pháp mô phỏng nhằm thiết kế cải tiến động cơ đốt trong; đặc biệt là các loại động cơ Diesel cỡ nhỏ sản xuất tại Việt Nam. Phương pháp có trợ giúp của máy tính này được sử dụng nhằm giảm thiểu chi phí và sai sót cũng như rút ngắn thời gian thiết kế và chế tạo động cơ. Ngoài ra, bài viết cũng trình bày quá trình tính toán chi tiết việc tối ưu hóa kết cấu cụm nạp động cơ Diesel 1 xi lanh RV195 (cải tiến từ động cơ RV165 do công ty Vikyno sản xuất) nhằm tăng hiệu suất nạp và công suất của động cơ này.
Các quá trình nghiên cứu tính toán phần lớn dựa trên phần mềm Boost tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp. HCM (động cơ RV195 có công suất là 19,5 mã lực được với công suất 16,5 mã lực, hiệu suất nạp của động cơ RV195 thấp, khoảng 0,7)
b. Kết quả các đề tài nghiên cứu trong nước
Đối với một số đề tài nghiên cứu trong nước đã công bố, đã có nhiều đề tài nghiên cứu các nội dung về hệ thống tăng áp, tuy nhiên chỉ mới dừng lại ở việc phân tích nguyên lý chung và chú trọng đến các nội dung cấu tạo và hoạt động của hệ thống lái trợ lực điện. Tóm lại, chưa được nghiên cứu cụ thể trên dòng xe điển hình.
2.2 Quốc tế
a. Global Automobile Electronic Power Steering System Market Research Report and Industry Analysis 2015 - 2020.
Tác giả: Margaret S. Wooldridge, Hong G. Im, Dennis N. Assanis, University of Michigan.
Nguồn: Submitted to Combustion Science and Technology, December 6, 2015. Resubmitted January 12, 2015.
Tóm tắt: nghiên cứu tổng quan về hệ thống tăng áp điều khiển bằng điện tử. Đưa ra các thông số kỹ thuật trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa
b. Kết quả công trình nghiên cứu trên thế giới
Đối với các công trình nghiên cứu quốc tế thường tập trung đến nội dung đánh giá ưu điểm của hệ thống tăng áp
2.3. Kết luận
Qua phân tích các công trình nghiên cứu, sáng kiến khoa học trong và ngoài nước, đã có nhiều công trình nào nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống tăng áp trên ô tô. Do vậy, nội dung nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu khai thác là chủ yếu
3. Mục tiêu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Mục tiêu
- Nghiên cứu khai thác các biện pháp nâng cao công suất động cơ, tập trung vào nghiên cứu khai thác hệ thống tăng áp trên ô tô.
- Củng cố và nâng cao về kiến thức về nguyên lý hoạt động và quy trình kiểm tra sửa chữa của hệ thống tăng áp trên ô tô. Qua đó, sinh viên còn hiểu được các nguyên nhân hư hỏng cũng như các phương pháp kiểm tra xem các bộ phận có hoạt động tốt hay không.
- Đồng thời, khai thác hệ thống tăng áp giúp sinh viên có thêm kiến thức về sử dụng ôtô nhất là các hệ thống thuộc động cơ. Do liên quan đến động cơ nên sinh viên sẽ có thêm kinh nghiệm để đọc được các sơ đồ đối với các xe khác.
3.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của sáng kiến
- Ngoài mục đích chính là báo cáo tốt nghiệp, nghiên cứu khai thác một số biện biện pháp nâng cao công suất động cơ còn giúp sinh viên nâng cao kiến thức về nội dung này, đặc biệt là hệ thống tăng áp động cơ. Qua đó, sinh viên có thể khám phá các công nghệ mới, các thiết bị mới của các hãng danh tiếng khác nhau và tích lũy kinh nghiệm có ích cho công việc sau này.
- Làm tài liệu lý thuyết để thực hành nghiên cứu chuyên sâu và ứng dụng trong việc học tập sau này
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu, khai thác một số phương án nâng cao công suất động cơ. Nội dung nghiên cứu bao gồm:
- Mở đầu
- Chương 1. Cơ sở lý thuyết
- Chương 2. Nghiên cứu khai thác một số phương án nâng cao công suất động cơ.
- Chương 3. Khai thác, sử dụng động cơ tăng áp
- Kết luận
5. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
5.1. Đối tượng
Động cơ Mazda WL turbo
5.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung vào các nội dung công việc như sau:
- Tìm hiểu chung về các biện pháp nâng cao công suất động cơ.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tăng áp
- Nghiên cứu hệ thống tăng áp của động cơ Mazda WL
- Khai thác và sử dụng hệ thống tăng áp
6. Phương pháp nghiên cứu
6.1. Phương pháp nghiên cứu lý luận
Mục đích: tìm hiểu cơ sở lý thuyết về nâng cao công suất động cơ
Cách tiến hành: tham khảo, phân tích tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu đã được công nhận.
6.2. Phương pháp chuyên gia, phỏng vấn
Mục đích: dùng để tăng tính thực tế khi nghiên cứu hệ thống tăng áp trên động cơ Mazda WL
Cách tiến hành: tìm các tài liệu liên quan đến đồ án.
6.3. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
Mục đích: tìm hiểu và thực hành khai thác sử dụng trên xe.
Cách tiến hành: làm trực tiếp trên động cơ với sự hướng dẫn của các giáo viên hướng dẫn.
CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Công suất động cơ.
Công suất về lý thuyết là công mà một lực thực hiện được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thường dùng của công suất là “mã lực” xuất phát từ cách tính của James Watt về công mà một chú ngựa bỏ ra để kéo một vật nặng 1 pound (0,454kg) lên cao 1 foot (0,3048m) trong thời gian 1 phút.
* Công suất quy đổi (Neq) - Công suất của động cơ đã được hiệu chỉnh theo các điều kiện tiêu chuẩn.
Chúng ta đã biết rằng, công suất và một số chỉ tiêu khác của động cơ, như: momen quay, suất tiêu hao nhiên liệu, lượng tiêu hao nhiên liệu giờ,v.v. chịu ảnh hưởng đáng kể của điều kiện môi trường xung quanh, đặc biệt là áp suất và nhiệt độ. Để có thể so sánh được kết quả thí nghiệm được tiến hành trong những điều kiện môi trường khác nhau, cần phải quy đổi kết quả đo thực tế theo các điều kiện tiêu chuẩn.
* Công suất cực đại (Ne.max) - Công suất có ích lớn nhất mà động cơ có thể phát
ra trong một thời gian nhất định mà không bị quá tải. TCVN 1684-75 quy định công suất cực đại của động cơ phải đạt 110 % Nên trong khoảng thời gian 1 giờ tổng số thời gian làm việc ở chế độ công suất cực đại không quá 10 % tổng thời gian làm việc của động cơ.
1.2. Các biện pháp nâng cao công suất động cơ.
* Giảm hệ số thì τ.
Nếu giảm hệ số thì τ từ 2 xuống 1 có nghĩa là thay động cơ bốn thì bằng động cơ hai thì, theo lý thuyết thì công suất sẽ tăng gấp hai lần nhưng trong thực tế chỉ tăng từ 1,6 đến 1,8 lần. Tuy nhiên, động cơ hai thì có tuổi thọ thấp hơn rất nhiều so với động cơ bốn thì, quá trình đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn nên khí thải rất độc hai gây ô nhiễm môi trường và giá thành động cơ hai thì cao hơn động cơ bốn thì.
* Tăng số vòng quay n của động cơ.
Biện pháp này được áp dụng rộng rãi cho ôtô và môtô, khi tăng n sẽ làm tăng công suất và giảm kích thước động cơ. Hiện nay, giới hạn số vòng quay lớn nhất của động cơ đốt trong ở khoảng 11000 vg/ph đến 12000 vg/ph, những giá trị số vòng quay thích hợp nhất chỉ ở 5000-7000 vg/ph.
1.2.1. Sử dụng xupap thông minh.
Trong các động cơ đốt trong 4 kỳ thông thường, các van nạp và van xả được điều khiển thông qua các con đội trên trục cam. Hình dáng của các con đội sẽ xác định thời điểm, độ nâng và khoảng thời gian mở của từng van. Thuật ngữ: thời điểm dùng để chỉ khi nào van được mở/đóng so với chu trình của piston; độ nâng dùng để chỉ van được mở ở mức độ như thế nào; khoảng thời gian mở thể hiện van ở trạng thái mở trong thời gian bao lâu.
1.2.2. Tỉ số nén linh hoạt.
Nhìn chung, ôtô sẽ phải vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau: dừng đỗ đèn xanh đèn đỏ, đi với tốc độ thấp khi di chuyển trong đô thị hay luôn duy trì tốc độ cao khi đi trên đường cao tốc…Tuy nhiên khi đi trong thành phố thường duy trì với tốc độ thấp, trọng nhẹ nên làm giảm giảm hiệu suất của quá trình cháy dẫn đến tăng mức tiêu thụ nhiên liệu. Lúc này chúng ta chỉ mong muốn động cơ có tỷ số nén cao để phát huy được hiệu suất của quá trình cháy.
1.3. Nâng cao công suất động bằng phương án dùng turbo tăng áp.
1.3.1. Lý thuyết tăng áp động cơ.
a. Định nghĩa tăng áp.
Tăng áp là biện pháp làm tăng áp suất khí nạp, tăng khối lượng riêng của môi chất, qua đó làm tăng mật độ không khí nạp vào xy lanh động cơ trong mỗi chu trình.
b. Mục đích của tăng áp.
Tăng áp làm cho công suất động cơ diesel tăng lên, đồng thời cho phép cải thiện một số chỉ tiêu:
- 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;
1.3.3. Các biện pháp tăng áp.
1.3.3.1 Biện pháp tăng áp nhờ máy nén.
a. Tăng áp cơ giới.
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
b. Động cơ tăng áp bằng tuabin khí.
Tăng áp bằng tuabin khí: là biện pháp tăng áp mà máy nén được dẫn động nhờ tuabin tận dụng năng lượng khí thải của động cơ đốt trong.
c. 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 tuabin khí và một được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ.
1.3.3.2 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.
1.3.3.3. 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.
1.3.4. 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.
1.4. Tăng áp cho động cơ diesel.
1.4.1. Tăng áp cho động cơ diesel bốn kỳ.
Tăng áp bằng tuabin 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.
1.4.2.Tăng áp cho động cơ diesel hai kỳ.
Tăng áp tuabin 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 tuabin khí xả của động cơ 4 kỳ (nén không khí trong máy nén tuabin một cấp) gặp phải khó khăn do tính đặc biệt của nó.
- 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 = 1,45¸1,65; trong khi đó của động cơ 4 kỳ = 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¸4500C. Còn với động cơ 4 kỳ, có thể đạt 450¸5000C.
1.5. Tăng áp cho động cơ xăng và động cơ ga.
1.5.1. 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.
1.5.2. Tăng áp cho động cơ ga.
Gồm 2 phương án:
Phương án 1: Máy nén đặt sau lò ga và ở trước bộ hỗn hợp
Kết luận:
- Tìm hiểu được các phương án nâng cao công suất động cơ.
- Khái quát được các vấn đề về cơ sở lý thuyết của tăng áp động cơ.
- Phân tích và làm rõ nguyên lý hoạt động của các phương án nâng cao công suất động cơ, tập trung vào phương án sử dụng turbo tăng áp.
- So sánh và đánh giá được ưu nhược điểm của các phương án nâng cao công suất động cơ
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU, KHAI THÁC HỆ THỐNG TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ MAZDA WL TURBO
2.1. Đặc điểm hệ thống tăng áp động cơ MAZDA WL TURBO.
2.1.1. Giới thiệu về động cơ MAZDA WL TURBO.
Động cơ MAZDA WL TURBO do hãng MAZDA của Nhật Bản sản xuất được lắp trên xe FORD RANGER. Động cơ gồm 4 xylanh thẳng hàng thứ tự làm việc là 1- 3- 4 -2. Động cơ sử dụng nhiên liệu diesel và được phun gián tiếp vào buồng cháy. Buồng cháy trên động cơ MAZDA là loại buồng cháy ngăn cách kiểu xoáy lốc.
Kích thước động cơ MAZDA WL TURBO nhỏ gọn nhưng công suất động cơ đạt được vẫn lớn nhờ hệ thống nạp sử dụng tuabin tăng áp.
2.1.2. Các đặc điểm và thông số kỹ thuật của động cơ MAZDA WL TURBO.
Những nét đặc biệt chính của động cơ MAZDA WL TURBO
* Quá trình làm việc được cải tiến:
- Buồng cháy ngăn cách, có tác dụng xoáy lốc.
- 3 xupáp trên một xylanh.
* Giảm trọng lượng:
- Nắp máy bằng hợp kim nhôm;
- Nắp bảo vệ dây đai dẫn động cơ cấu phân phối khí bằng chất dẻo.
* Giảm tiếng ồn và rung động khi làm việc:
- Nắp xylanh được che kín hoàn toàn.
- Trục khuỷu được cân bằng hoàn toàn.
2.2. Hệ thống nạp động cơ MAZDA WL TURBO.
Kết cấu của hệ thống nạp ảnh hưởng rất lớn đến hệ số nạp của động cơ. Vì thế hệ số nạp đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ.
2.2.1.Nguyên lý làm việc của hệ thống nạp động cơ MAZDA WL TURBO.
Quá trình nạp trong các xilanh động cơ được thực hiện khi piston đi từ ĐCT đến ĐCD. Góc mở sớm xupap nạp 100, góc đóng muộn xupap nạp 240. Sơ đồ pha phân phối khí kỳ nạp của động cơ Mazda WL Turbo được biểu diễn trên hình 2 -3
2.2.2. Đặc điểm kết cấu các bộ phận trong hệ thống nạp.
Bầu lọc không khí: Động cơ Mazda sử dụng loại bầu lọc bằng giấy (lọc khô). Không khí từ môi trường ngoài đi qua bầu lọc. Những chất bẩn được giữ lại, không khí sạch đi vào máy nén được nén đến một áp suất cần thiết rồi được đưa vào xy lanh động cơ.
2.3. Hệ thống thải động cơ MAZDA WL TURBO.
Trên động cơ Mazda WL Turbo năng lượng khí xả của động cơ được tận dụng để dẫn động bộ tuabin tăng áp. Vì vậy, trong hệ thống thải của động cơ có lắp tuabin khí nối thông với ống thải chung, bộ hồi lưu khí xả rồi đến bộ tiêu âm, sau đó khí xả thải ra môi trường.
2.3.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống thải động cơ MAZDA WL TURBO.
Quá trình thải trong xilanh động cơ được thực hiện khi piston đi từ ĐCD lên ĐCT, xupap thải mở với góc mở sớm là 610 và góc đóng muộn là 90.
2.3.2. Đặc điểm kết cấu các bộ phận trong hệ thống thải động cơ MAZDA WL TURBO.
Xupap thải: Trong hệ thống thải, mặt nấm xupap thải chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn. Mặt nấm xu pap luôn luôn chịu va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ biến dạng. Do xupap trực tiếp tiếp xúc với khí cháy nên xupap chịu nhiệt độ rất cao. Ngoài ra do trong khí cháy có tạo thành axit nên gây ra ăn mòn mặt nấm xupáp.
2.4. Đặc điểm kết cấu hệ thống tăng áp động cơ MAZDA WL TURBO.
2.4.1. Bộ Tuabin tăng áp.
- Giới thiệu TURBO TKP-8.5 lắp trên động cơ
Gồm tuabin khí hướng kính và máy nén ly tâm.
Phần máy nén khí nạp liên hệ với động cơ thông qua đường nạp, còn phần tuabin khí thì liên hệ với động cơ thông qua đường thải, bánh công tác của tuabin - máy nén được lắp đồng trục với nhau.
Vỏ giữa: Vỏ giữa đỡ cánh tuabin và cánh nén thông qua trục và các ổ đở (bạc lót). Bên trong vỏ có chế tạo các khoang trống và các rãnh để nước làm mát và dầu bôi trơn tuần hoàn trong các khoang và rãnh này, nhằm mục đích làm mát và bôi trơn cho tuabin
- Tuabin khí TKP-8.5 của động cơ MAZDA WL TURBO
Trong TURBO TKP-8.5 phần tuabin là tuabin hướng kính. Dòng không khí thải ra khỏi động cơ vào vòng xoắn ốc trên vỏ tuabin rồi vào các cánh ống phun. Trong đó, dòng khí được tăng tốc và đổi hướng về phía cánh động của bánh công tác.
- Ổ đỡ, bao kín trong TURBO TKP-8.5
Ổ đỡ: Đây là chi tiết làm việc trong điều kiện tốc độ lớn, tải trọng nhẹ, nhiệt độ cao. Để đảm bảo độ tin cậy, ổ đở cần được bố trí hợp lý.
2.4.2. Van giảm áp và bộ phận chấp hành.
Tuabin tăng áp tạo ra công suất động cơ cao bằng cách tăng áp suất không khí nạp vào trong xilanh, nhưng nếu áp suất không khí tăng quá cao, lực nổ của hỗn hợp khí - nhiên liệu khi cháy sẽ quá lớn và động cơ sẽ không chịu được áp suất này.
2.5. Hệ thống bôi trơn và làm mát trong bộ tuabin.
2.5.1. Hệ thống bôi trơn
Hệ thống bôi trơn của bộ tuabin được tích hợp với hệ thống bôi trơn của động cơ chính, để bôi trơn các ổ đỡ bên trong vỏ giữa. Dầu động cơ được cấp đến từ ống dầu vào và tuần hoàn giữa các ổ đỡ. Sau khi bôi trơn ổ đỡ, dầu chảy qua ống dầu ra và về cácte của động cơ.
2.5.2. Hệ thống làm mát
Tương tự như hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát tuabin cũng nằm chung trong hệ thống làm mát động cơ chính, tuabin được làm mát bởi nước làm mát động cơ. Nước làm mát từ van hằng nhiệt vào khoang nước bên trong vỏ giữa qua ống nước vào.
2.6. Bộ bù tua bin tăng áp.
Động cơ Mazda là động cơ diezen tăng áp, lắp trên ôtô, nên phải lắp thêm thiết bị hạn chế nhiên liệu là bộ bù tuabin tăng áp, do áp suất tăng áp pk điều khiển, nhằm tránh nhả khói đen khi xe bắt đầu lăn bánh, khi xe tăng tốc và khi chạy toàn tải, vì những lúc ấy áp suất pk rất thấp, hệ số dư lượng không khí a quá nhỏ, có thể thấp hơn giới hạn nhả khói đen.
2.7. Phối hợp giữa TB-MN với ĐCĐT.
Ngoài các ưu điểm nổi trội về kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp, MN ly tâm còn cho phép tạo ra áp suất đủ cao mà rất ít nhạy cảm khi hình dáng của nó không đạt được sự hoàn hảo như yêu cầu, nên nó là loại MN luôn được ưu tiên sử dụng trong tăng áp cho ĐCĐT.
2.8. Tính toán kiểm nghiệm bộ tuabin tăng áp
2.8.1. Các số liệu cho trước và các thông số chọn.
Các thông số cho trước như bảng 2.2; 2.3.
2.8.2. Tính toán các thông số làm việc tuabin-máy nén.
Trong quá trình làm việc của động cơ diesel có tăng áp bằng tuabin khí xả khi động cơ làm việc ở chế độ định mức, TB-MN thường xuyên đảm bảo cân bằng giữa công suất do tuabin sinh ra và công suất tiêu dùng cho máy nén (NT = NK). TB-MN có rôto không liên hệ động lực học với trục khuỷu, ở tất cả các chế độ làm việc của động cơ TB và MN đều tự điều chỉnh công suất.
ge- suất tiêu hao nhiên liệu có ích, ge = 0,225 Kg/(kW.h)
Ne- Công suất có ích của động cơ, Ne = 85 kW
a- Hệ số dư lượng không khí, a = 1,7
jk- Hệ số quét khí, jk = 1,05
Mo- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy một kg nhiên liệu.Theo tài liệu [2]: Mo = 0,496 Kmol không khí/kg nhiên liệu.
mb- Khối lượng 1 kmol không khí, mb = 28,95 kg
Thay các giá trị vào (3.1), ta được: Gk = 0,136216 [kg/s]
3. Nhiệt độ của khí thải ra khỏi động cơ khi chưa tính đến sự hoà lẫn của khí quét: Tp’
m- Là chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót, m = 1,5;
Tb, Pb- Nhiệt độ và áp suất cuối quá trình giãn nở;
Tb = 10100K; Pb = 0,34 [MN/m2]
Pp- Áp suất khí thải ra khỏi động cơ, Pp chọn theo Pk,
Pk = (1,15 - 1,3) Pp, chọn Pp = Pk/1,28= 0,17/1,28 = 0,1328 MN/m2
Thay các giá trị vào (3.3), ta có: T’ = 697,38 [0K]
=> t’p = 697,38 - 273 = 424,38 [0C]
4. Nhiệt độ của khí thải ra khỏi động cơ khi tính đến thành phần khí quét hoà lẫn trong khí xả: Tp
- Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết, = 1,04152
t’p = 424,38 [0C]
tk = Tk - 273 = 298 - 273 = 25 [0C]
mcp, m’cp, m’’cp- Là tỷ nhiệt mol đẳng áp trung bình của không khí, của hỗn hợp khí quét và khí thải, của khí thải, được xác định theo các công thức sau [7]:
mcp = mcv + 8,314 = 19,806 + . Tk + 8,314
= 19,806 +0,0028. 298 + 8,314
= 28,937 [KJ/Kmol.0K]
m’’cp = m’’cv + 8,314 = 20,755043 + 0,0026401283 . T’p + 8,314
= 20,755043 + 0,0026401283 . 697,38+ 8,314 =
=30,91 [KJ/Kmol.0K]
2.8.3. Tính toán bộ tuabin tăng áp.
Việc tính toán turbo tăng áp dựa trên tính chất đồng bộ của tuabin và máy nén. Đối với một chế độ ổn định thì sự làm việc ổn định của tuabin máy nén theo các điều kiện sau:
- Cân bằng công suất: NK = NT
Trong đó : NT, NK- Là công suất của tuabin và máy nén
- Cân bằng số vòng quay: nK = nT
- Cân bằng lưu lượng khí qua tuabin và máy nén:
GT = GK + Gnl - Ghhụt
Ghhụt- Là lưu lượng khí hao hụt trong xilanh động cơ.
a. Tính toán máy nén.
1. Nhiệt độ của dòng hãm ở tiết diện a1a1 ở lối vào của bánh công tác, T*a1: T*a1= T0 = 298 0K
2. Áp suất của dòng hãm ở tiết diện a1a1, P*a1
P*a1= P0 - DPb1
8. Áp suất của không khí sau máy nén:
Pk = 0,17[MN/m2]
11. Hiệu suất đoạn nhiệt cột áp `Hag, theo [2]: chọn `Hag = 0,65
22. Đường kính D2 bánh công tác:
Được chọn theo số liệu thống kê: D1/D2 = 0,45 ÷ 0,67. Chọn D2 = D1/0,65= 63,7/0,65 = 98 [mm]
44. Vận tốc vòng tạo thành vận tốc tương đối ở lối ra từ bánh công tác:
W2u = U2 - C2u = 282,383- 230,18 = 52,203 [m/s]
45. Vận tốc hướng tâm tạo thành vận tốc tương đối ở lối thoát ra từ bánh công tác :
W2r = C2r = 80 [m/s]
52. Bề rộng phần không có cánh của ống khuếch tán ở lối ra: b’2
Xác định theo công thức sau: b’2 = b2 + (2 ¸5)mm. Chọn b’2 = b2+2,4 = 3,79+3,21 =7[mm]
53. Đường kính ngoài ống khuếch tán hở: D’2
D’2 = (1,08¸1,15) D2
Chọn D’2 = 1,15 . D2 = 1,1 . 98 = 107,8 [mm]
69. Đường kính ngoài của ống khuếch tán có cánh:
Theo [9]: D3 = (1,35¸1,7).D2
Chọn D3 = 1,453 . D2 = 1,453 . 0,098 = 0,1424 [m]
70. Bề rộng ống khuếch tán có cánh ở lối ra: b3
Theo [9]: b3 ³ b’2
Chọn b3 = 1,25 . b’2 = 1,25 . 0,007 = 0,00875 [m]
71. Góc nghiêng đối với vectơ vận tốc tuyệt đối C3 ở lối ra của ống khếch tán có cánh [9]:
a3 = a2 + (10¸18°) = 19°9’ + 15°51’ = 35°
78. Vận tốc ở lối ra của buồng xoắn ốc: C4
Chọn C4 = C3=32,76 [m/s]
80. Nhiệt độ ở lối ra của buồng xoắn ốc: T4
T4 = T3 = 389,19 [oK]
15. Chiều cao cánh ống nối: l1
Theo tài liệu [2]: l1/D1m = 0,16 ¸ 0,25, chọn l1= 0,24.D1m=0,22.0,0853=0,0188[m]
16. Bước lưới ống nối: t1
Theo tài liệu [2]: t1/l1 = 0,8 ¸0,9. Chọn t1/l1 = 0,875 => t1 = 0,875 . l1 = 0,875 . 0,0188 = 0,0165 [m]
18. Bề rộng lưới ống nối ở phần hẹp nhất: a
Theo tài liệu [2]: khi M1 > 0,6 thì a được xác định theo công thức:
a = t1 . sina1 = 16,5 . sin 220 = 6,18 [mm]
22. Góc vào của dòng ở cánh của bánh công tác tuabin: b1
b1 = arcsin (C1. Sina1/W1) = arcsin (312,2.Sin220/126,4)= 72055’
Kết luận:
- Tìm hiểu và phân tích được phương án nâng cao công suất động cơ trên dòng xe điển hinh (Mazda WL Turbo)
- Nắm được nguyên lý hoạt động và cấu tạo của các bộ phận và cụm chi tiết trên xe
- Tính toán kiểm nghiệm bộ tubin tăng áp
CHƯƠNG 3
KHAI THÁC, SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP
3.1. Một số hư hỏng thường gặp và biện pháp khắc phục
Cụm tuabin máy nén rất đơn giản về mặt kết cấu nhưng lại có điều kiện làm việc tương đối khắc nghiệt. Mặt khác cụm TB-MN được lắp trong một liên hợp gồm MN-ĐCĐT-TB thành một thể thống nhất nên chúng có mối liên hệ mật thiết với nhau.Vì vậy, khi xem xét hư hỏng và khắc phục chúng cần đặt trong thể thống nhất
3.1.1. Động cơ khó tăng tốc, tụt công suất hoặc tiêu hao nhiên liệu lớn.
a. Nguyên nhân:
- Áp suất tăng áp quá thấp.
- Tắc hệ thống nạp khí.
- Rò rỉ trong hệ thống nạp khí.
b. Khắc phục:
- Dùng đồng hồ đo áp suất khí tăng áp. Nếu áp suất tăng áp không đạt giá trị yêu cầu thì chuyển sang thực hiện các bước tiếp theo. Giá trị áp suất tăng áp tùy thuộc vào từng loại động cơ.
- Kiểm tra hệ thống nạp khí: Kiểm tra lọc khí, hiện tượng lọt khí giữa các bích nối của đường nạp vào máy nén hoặc giữa MN với động cơ, sự đóng cặn trên đường nạp,...
3.1.2. Có tiếng ồn bất thường.
a. Nguyên nhân:
- Có hiện tượng của các chi tiết lắp ghép với cụm TB-MN hoặc với bản thân nó.
- Ống xả bị rò hoặc rung động.
- Sai lệch điều kiện vận hành của TB-MN.
b. Khắc phục:
Kiểm tra các bulông ghép của cụm TB-MN, nhất là các bulông. Xem chúng có bị lỏng, lắp đặt không đúng hay bị biến dạng không, từ đó có biện pháp sửa chữa hoặc thay thế nếu cần.
3.2. Hệ quả các hư hỏng và biện pháp khắc phục.
3.2.1. Thiếu dầu.
Việc thiếu dầu sẽ có ảnh hưởng rất lớn tới sự làm việc bình thường của các ổ trục, sự quay của các rôto, các đệm làm kín, thậm chí có thể làm gẫy trục hoặc gây ra các sự cố lớn.
3.2.3. Dầu bẩn.
Dầu bôi trơn cụm TB-MN thường được lấy từ động cơ sau khi đã được lọc sạch. Nếu dầu bẩn sẽ dẫn tới chất lượng bôi trơn không đảm bảo, có thể làm tắc các đường ống dẫn dầu gây ra hiện tượng thiếu dầu hoặc làm cào xước, bào mòn các bề mặt ma sát.
3.3. Kiểm tra hệ thống tăng áp của động cơ.
3.3.1. Kiểm tra hệ thống nạp khí.
Kiểm tra sự rò rỉ hay tắc kẹt của đường ống nối giữa lọc khí và đường nạp, đường nạp với cụm TB-MN cũng như giữa cụm TB-MN với đường ống nối với động cơ... các hư hỏng trong hệ thống này cần được khắc phục tương xứng như sau:
-Tắc lọc khí: Làm sạch hoặc thay thế.
-Vỏ bị hư hỏng hoặc biến dạng: Sửa chữa hoặc thay thế.
3.3.2. Kiểm tra hệ thống thải.
Kiểm tra sự rò rỉ hay tắc kẹt của đường ống nối giữa động cơ với đầu vào cụm TB-MN và giữa đầu ra của cụm này với đường thải.
- Biến dạng các phụ kiện: Sửa chữa và thay thế.
- Vật lạ rơi vào các rãnh: Vệ sinh các rãnh.
3.4. Các chú ý khi sử dụng hệ thống tăng áp.
* Không dừng động cơ ngay sau khi ôtô vận hành ở tốc độ cao, tải lớn hoặc leo dốc để tránh trường hợp bơm dầu của động cơ bị cắt, dẫn tới thiếu cung cấp cho các bề mặt ma sát của hệ thống tăng áp vốn đang làm việc ở tốc độ rất cao. Hiện tượng này có thể gây ra cháy TB hoặc gây hư hỏng nặng cho cụm TB-MN.
* Nếu cụm TB-MN có sự cố và cần phải thay thế thì trước tiên cần phải kiểm tra các nguyên nhân gây hư hỏng theo các bước sau đây rồi tháo bỏ từng phần nếu cần:
- Mức dầu và chất lượng dầu của động cơ.
- Điều kiện vận hành trước đó của động cơ.
3.5. Tháo và lắp cụm tuabin - máy nén.
Việc tháo và lắp cụm TB-MN phải tuân thủ theo đúng trình tự và chỉ dẫn của nhà thiết kế, tránh trường hợp tháo TB-MN khi chưa biết rõ nguyên nhân cũng như chưa xác định được mục đích rõ ràng.
3.5.1. Các chú ý khi tháo lắp.
Dầu động cơ nóng rất nhanh do nó sử dụng để làm mát và bôi trơn tuabin tăng áp, nên nó bị biến chất nhanh chóng. Vì vậy, dầu động cơ và lọc dầu phải được thay thế thường xuyên.
3.5.2. Các chú ý khi bảo dưỡng, sửa chữa.
Nếu động cơ hoạt động với lọc gió, nắp vỏ lọc gió hay đường ống bị tháo, các vật bên ngoài sẽ lọt vào và làm hỏng cánh tuabin và cánh nén bởi vì chúng quay với tốc độ rất cao.
3.5.3. Kiểm tra tuabin tăng áp.
a. Kiểm tra tua bin tăng áp trên xe.
Kiểm tra hệ thống nạp khí
Kiểm tra rò rỉ hay tắc giữa lọc khí và đường vào tuabin tăng áp, giữa đường ra tuabin tăng áp với nắp qui lát. Nếu tìm thấy hư hỏng gì, làm sạch, sửa chữa hay thay thế chi tiết.
b. Kiểm tra tua bin tăng áp tháo khỏi xe.
* Kiểm tra độ rơ dọc của tuabin
- Đưa đầu đo của đồng hồ vào lỗ của vỏ tuabin sao cho nó tiếp xúc với đầu trục.
- Dịch chuyển trục theo phương dọc rồi đo độ rơ dọc trục.
Độ rơ dọc trục: 0,13 mm hay nhỏ hơn.
KẾT LUẬN
Sau thời gian miệt mài tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp nâng cao công suất động cơ, tập trung vào nâng cao công suất động cơ bằng phương pháp tăng áp. Đồ án tập trung vào tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết, khai thác sử dụng hệ thống tăng áp trên động cơ MAZDA WL TURBO, đến nay đồ án của em đã hoàn thành.
Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu để thực hiện đồ án, kiến thức thực tế cũng như kiến thức căn bản của em được nâng cao hơn. Em đã hiểu được sâu sắc hơn về các hệ thống tăng áp của động cơ đốt trong, đặc biệt là hệ thống tăng áp của động cơ MAZDA WL TURBO biết được các kết cấu mới và nhiều điều mới mẻ từ thực tế. Em cũng học tập được nhiều kinh nghiệm trong công tác bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống tăng áp của động cơ đốt trong nói chung, khái quát được các kiến thức chuyên ngành cốt lõi.
Để hoàn thành được đồ án này trước hết em xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy giáo của khoa Ô tô, đã hướng dẫn chỉ bảo em từ kiến thức cơ sở đến kiến thức chuyên ngành, cảm ơn thầy: ThS…………….. đã tận tình, chỉ bảo giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Tuy nhiên do thời gian có hạn, kiến thức và tài liệu tham khảo còn nhiều hạn chế cũng như thiếu những kinh nghiệm thực tiễn cho nên đồ án không tránh khỏi sai sót rất mong các thầy cô quan tâm góp ý để kiến thức của em ngày một hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Võ Nghĩa, Lê Anh Tuấn. “Tăng áp động cơ đốt trong”. Hà Nội: NXB khoa học và kỹ thuật, 2005.
[2]. Nguyễn Tất Tiến.“Nguyên lý động cơ đốt trong”. NXB giáo dục, 2000.
[3]. “Tuabin và máy nén tăng áp”. Công ty ôtô TOYOTA Việt Nam, 1998.
[4]. “Bơm cao áp”. Công ty ôtô TOYOTA Việt Nam, 1998
[5]. “Hướng dẫn làm đồ án môn học tính toán thiết kế động cơ đốt trong”.
[6]. Nguyễn Văn May “Bơm, quạt, máy nén”. NXB khoa học kỹ thuật, 1997.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"