Bộ tăng áp hầu như được sử dụng phổ biến trong các động cơ diesel đường kính cỡ vừa và lớn ở Bắc Mỹ, và chúng cũng gần như được phổ biến hoàn toàn trong các động cơ có đường kính cỡ nhỏ. Định nghĩa turbo tăng áp là một máy bơm ly tâm được dẫn động bằng khí thải, có thể “thu hồi” một phần nhiệt thải từ xi lanh động cơ. Trong các ứng dụng động cơ đua cụ thể, tốc độ quay của bộ tăng áp có thể vượt quá 200.000 vòng/phút, nhưng ở động cơ diesel, tốc độ quay tối đa của nó thường thấp hơn khoảng 30%. Chức năng chính của bộ tăng áp là cung cấp không khí nạp có áp suất cho các xi lanh động cơ. Tóm lại, nó làm tăng mật độ oxy trong khí nạp. Ngoài ra, tua-bin dẫn động bằng khí thải-cũng có thể dẫn động bánh răng giảm tốc được kết nối với trục khuỷu động cơ thông qua khớp nối chất lỏng. Tại thời điểm này, bộ tăng áp có thể hỗ trợ dẫn động trục khuỷu. Phương pháp này được gọi là công nghệ turbo composite và hiện đang được áp dụng trên thế hệ động cơ diesel Detroit mới nhất. Nó sẽ được giới thiệu thêm ở phần sau của chương này. Hình 12-7 thể hiện góc nhìn bên phải của động cơ Cummins ISX 2010, trên đó đánh dấu vị trí của bộ tăng áp.
Hình 12-7 Nhìn từ bên phải Động cơ Cummins ISX (được đánh dấu bằng vị trí Bộ tăng áp)
Nguyên tắc làm việc
Bộ tăng áp là một máy bơm không khí được điều khiển bằng khí thải, bao gồm một tuabin và một bánh công tác được lắp trên cùng một trục (xem Hình 12-8). Trục được treo trên ổ ma sát bằng dầu bôi trơn chịu áp (hệ thống treo thủy động lực). Cánh quạt tuabin được dẫn động bằng năng lượng (nhiệt) của khí thải động cơ và quay trong vỏ tuabin nơi khí thải chảy qua. Cánh quạt được đặt trong vỏ máy nén độc lập và tác động lên không khí của hệ thống nạp, bơm nó vào phía điều áp của hệ thống nạp. Khí thải dẫn động tuabin không tiếp xúc với khí nạp tác động lên bánh công tác. Hình 12-9 cho thấy đường dẫn dòng khí và dầu bôi trơn trong một bộ tăng áp đơn giản.
Hình 12-8 Bánh công tác của bộ tăng áp (hoặc bánh xe máy nén)
Hình 12-9 Mặt cắt ngang của bộ tăng áp (bao gồm đường dẫn dầu bôi trơn và hướng dòng khí)
Nguyên lý làm việc của máy nén
Khí nạp đã lọc được hút vào vỏ máy nén và được dẫn động bởi bánh công tác ở phía máy nén trục tuabin. Tua bin điều khiển bánh công tác quay ở phía bên kia của trục tuabin, do đó tốc độ quay thực tế của bánh công tác phụ thuộc vào điều kiện làm việc bên trong vỏ tuabin. Khi cánh quạt quay, không khí trong hệ thống nạp được tăng tốc lên tốc độ cao. Luồng khí-tốc độ cao đi vào bộ khuếch tán theo hướng tỏa ra ngoài. Bộ khuếch tán là một thiết bị điều tiết, mục tiêu thiết kế của nó là chuyển đổi động năng (năng lượng chuyển động) của không khí đi vào thành áp suất khi luồng không khí đi qua. Bộ khuếch tán có thể là loại xoắn ốc (hình ốc sên) hoặc loại lưỡi dao (xem Hình 12-9). Hiệu quả của bộ khuếch tán lưỡi cao hơn.
Nguyên lý làm việc của tuabin
Khí thải được dẫn tới vỏ tuabin. Giá trị nhiệt thải của động cơ càng lớn (thường tăng khi công suất ra của động cơ tăng) thì nhiệt năng của khí thải càng cao. Khí thải đi vào vỏ tuabin và sau đó đi vào ống xoắn ốc (cấu trúc hình con ốc-có mặt cắt ngang giảm dần-). Vòng xoắn đại diện cho một hình thức tiết lưu. Nhưng khi khí thải thoát ra khỏi ống xoắn, nó nở ra và tác động lên các cánh tuabin, sau đó đi vào hệ thống xả theo hướng trục.
Mức độ giãn nở của khí trong vỏ tuabin phụ thuộc vào nhiệt của khí thải. Trong điều kiện-công suất cao của động cơ, nhiệt thải từ động cơ tăng lên và tác động của sự giãn nở khí thải lên các cánh tuabin sẽ làm tăng tốc độ tuabin. Cần nhấn mạnh rằng tốc độ quay của bộ tăng áp chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt của khí thải hơn là áp suất của nó. Cũng cần hiểu tầm quan trọng của ống xoắn: kích thước ống xoắn càng nhỏ thì tác động điều tiết lên luồng khí càng mạnh, nhưng ống xoắn có kích thước{4}}nhỏ có nghĩa là khí thải giãn nở hoàn toàn hơn khi chảy ra ngoài. Giải pháp tốt nhất là có thể kiểm soát diện tích dòng chảy của dây xoắn, vấn đề này sẽ được thảo luận thêm dưới đây. Hình 12-10 là sơ đồ của dòng khí trong bộ tăng áp, minh họa các chức năng chính của ống xoắn và bộ khuếch tán: Hãy chú ý đến hướng mà khí chảy vào và ra khỏi vỏ tuabin và vỏ máy nén.
Đường dẫn khí
Như được hiển thị trong Hình 12-10, luồng không khí đi vào vỏ tuabin theo luồng hướng tâm và luồng hướng trục. Không khí chảy qua vỏ bánh công tác theo hướng trục và hướng ra ngoài. Trong thiết kế bộ tăng áp đơn giản nhất, đường nạp hoặc họng nạp của vỏ tuabin không được phân đoạn, nghĩa là các cổng xả của tất cả các xi-lanh dẫn đến một kênh nạp duy nhất. Tuy nhiên, bộ tăng áp có hình dạng thay đổi có thể điều chỉnh luồng không khí vào và ra khỏi vỏ tuabin. Điều này sẽ được thảo luận sau trong phần này.
Hình 12-10 Sơ đồ nguyên lý luồng không khí của bộ tăng áp, thể hiện chức năng của ống xoắn và bộ khuếch tán.
Loại tăng áp
Trước hết, điều quan trọng là phải phân biệt giữa bộ tăng áp hình học-cố định và bộ tăng áp hình học-có thể thay đổi. Bài viết này định nghĩa nó như sau:
• Bộ tăng áp hình học-cố định: Tất cả khí thải đều chảy qua vỏ tuabin bất kể điều kiện vận hành động cơ.
• Bộ tăng áp có hình dạng thay đổi: Bằng điều khiển bên ngoài hoặc bên trong, diện tích dòng chảy bên trong vỏ tuabin được điều chỉnh hoặc một phần khí thải được tạo ra để đi vòng qua vỏ tuabin.
Tính đến năm 2001, bộ tăng áp được sử dụng trong hầu hết các động cơ diesel thương mại trên đường cao tốc vẫn thuộc loại hình học cố định. Nhưng tình trạng này đã thay đổi. Ngày nay, khi chúng ta thấy một bộ tăng áp hình học-cố định trên động cơ diesel xe tải, thì nó thường là thành viên của một cặp tăng áp nối tiếp hoặc một phần của hệ thống tăng áp hỗn hợp. Hiện nay, hầu hết tất cả các bộ tăng áp đều áp dụng một số loại công nghệ để điều chỉnh (kiểm soát) dòng khí thải qua vỏ tuabin, cho dù thông qua van xả khí thải hoặc bằng cách sử dụng hình học biến thiên bên trong.
Đã sửa lỗi-bộ tăng áp hình học
Trước tiên, hãy mô tả nguyên lý hoạt động của bộ tăng áp hình học cố định-. Bộ tăng áp hình học-cố định được thiết kế để đạt được hiệu suất tối ưu ở tốc độ cụ thể và lượng nhiệt thải cụ thể, nghĩa là chúng không linh hoạt lắm. Người kỹ sư phải lựa chọn thời điểm vận hành khi hiệu suất tuabin đạt cao nhất. Hầu hết các động cơ đường bộ sử dụng bộ tăng áp hình học-cố định thường đạt được hiệu suất cao nhất của tua-bin ở tốc độ đầy tải và mô-men xoắn cực đại. Nếu vượt quá phạm vi hoạt động, hiệu suất sẽ giảm. Bộ tăng áp hình học-cố định có cấu trúc đơn giản. Hình 12-9 cho thấy cấu trúc điển hình của nó.
Việc đặt hiệu suất tuabin cao nhất ở tốc độ mô-men xoắn cao nhất thay vì tốc độ định mức cho phép bộ tăng áp hình học cố định-có đặc tính tự điều chỉnh: khi tốc độ động cơ tăng lên, thời gian thực tế dành cho việc điều áp và phun nhiên liệu vào xi-lanh sẽ được rút ngắn lại. Nếu bộ tăng áp hình học cố định-được vận hành ngoài phạm vi tốc độ đã chỉ định thì đường cong mô-men xoắn của động cơ sẽ giảm nhanh chóng, khiến động cơ gặp khó khăn ở tốc độ thấp và tải trọng cao. Khi tải ở tốc độ cao, tốc độ sẽ giảm nhanh và khả năng tiết kiệm nhiên liệu cũng kém đi.
Cảnh báo:
Việc kết hợp không đúng các bộ tăng áp hình học cố định-có thể dẫn đến áp suất xi lanh quá cao, gây hỏng động cơ hoặc ngược lại, dẫn đến không đủ công suất, thải khói đen và tăng lượng khí thải độc hại.
Lời khuyên kỹ thuật:
Mặc dù động cơ diesel dành cho xe tải có bộ tăng áp hình học cố định-được thiết kế để đạt được hiệu suất khí cao nhất ở mô-men xoắn cực đại, nhưng hầu hết các động cơ diesel khác sử dụng bộ tăng áp hình học-cố định (chẳng hạn như-thiết bị nặng trên đường hoặc bộ máy phát điện) thường đạt được điều này ở tốc độ định mức (công suất tối đa). Trong các ứng dụng này, bộ tăng áp hình học-cố định vẫn phổ biến và thường được tối ưu hóa cho các điều kiện vận hành tốc độ cao-công suất cao{6}}toàn bộ.
Bộ tăng áp hình học biến thiên
Mục tiêu của bộ tăng áp có hình dạng thay đổi có thể được tóm tắt như sau:
• Khi tải động cơ thấp, làm cho tuabin phản ứng nhanh như một bộ tăng áp nhỏ.
• Khi tải động cơ cao, làm cho tuabin cung cấp đủ lực đẩy giống như một bộ tăng áp lớn.
Bộ tăng áp hiện đại được điều khiển bởi ECM có thể đạt được tất cả các mục tiêu trên và điều chỉnh chính xác tất cả các giai đoạn trung gian, từ đó mang lại tốc độ phản hồi nhanh hơn (giảm độ trễ turbo) và lượng khí thải thấp hơn. Một số bộ tăng áp hiện tại cũng kết hợp việc sử dụng van xả bên ngoài và hình học biến thiên bên trong để quản lý áp suất tăng trong phạm vi tốc độ và tải rộng nhất.
• Loại điều khiển van xả khí thải
Bộ tăng áp loại van xả khí thải đã được sử dụng trong nhiều năm. Nguyên lý hoạt động của nó là: thông qua một “van”, toàn bộ khí thải được điều khiển để chảy qua vỏ tuabin, hoặc một phần khí thải được đi trực tiếp vào hệ thống xả. Hiện nay có hai phương pháp điều khiển chủ yếu:
• Điều khiển bằng khí nén: Hoạt động của van bypass phụ thuộc vào áp suất của đường ống nạp. Thông thường, một thùng truyền động có lò xo được sử dụng. Theo mặc định, trạng thái đóng cho phép khí thải chảy hoàn toàn qua tuabin. Khi áp suất tăng áp của ống góp đạt đến giá trị cài đặt, áp suất sẽ thắng lực lò xo đẩy thanh tác động, mở van để đi vòng một phần khí thải.
• Điều khiển điện tử: Điều khiển bằng ECM động cơ. Ví dụ, một số động cơ sử dụng tua-bin xả khí có cổng nạp kép. ECM quản lý chính xác áp suất tác động lên bộ truyền động thông qua van điện từ và áp suất đa dạng, đạt được khả năng điều chỉnh tăng áp nhiều{2}}giai đoạn. Nguyên lý điều khiển của nó có thể được tóm tắt như một cơ chế điều khiển kết hợp của "điều khiển điện tử - - khí nén".
• Tua bin hình học biến thiên được điều khiển bằng Volut
Bộ tăng áp hình học biến thiên được điều khiển bằng dây chuyền đã được áp dụng rộng rãi trong các động cơ diesel ngày nay. Động cơ xe đua đã sử dụng vòi phun có khẩu độ thay đổi để kiểm soát diện tích dòng chảy của ống xoắn trong nhiều năm và động cơ diesel đã mượn công nghệ này. Bộ tăng áp điều khiển bằng dây xoắn đầu tiên áp dụng cho động cơ diesel xuất hiện vào đầu những năm 1990, với thành công ban đầu còn hạn chế. Nhưng ngày nay, đại đa số các nhà sản xuất động cơ diesel ưa thích áp dụng công nghệ van biến thiên hơn là bộ tăng áp van xả truyền thống. Ví dụ, tuabin hình học biến thiên (VGT) được lắp đặt trên động cơ Paccar MX13 như trong Hình 12-11 là một đại diện điển hình. Để minh họa nguyên lý làm việc của tuabin có hình dạng thay đổi, chúng ta sẽ lấy bộ tăng áp điều khiển xoắn ốc điển hình trong Hình 12-12 làm ví dụ minh họa.
Hình 12-11 Tua bin hình học biến thiên (VGT) được sử dụng trên động cơ Paccar MX13
Hình 12-12 Mặt cắt của tuabin có hình dạng thay đổi (VGT), với trọng tâm là bộ truyền động của nó
Bộ tăng áp vòi phun biến thiên
Hình 12-12 thể hiện mặt cắt ngang của bộ tăng áp vòi phun biến thiên điển hình. Vui lòng tham khảo Hình 12-13 để xác định các bộ phận chính như tuabin, bánh răng, lưỡi vòi phun và vòng đồng bộ.
Hình 12-13 Nguyên lý làm việc của các bộ phận trong bộ tăng áp VN.
Bộ tăng áp vòi phun biến thiên tạo ra áp suất tăng cần thiết bằng cách điều chỉnh Góc cánh để thay đổi diện tích dòng chảy xoắn ốc. Quá trình này đạt được nhờ áp suất dầu tác động lên piston, ăn khớp với bánh răng CAM và trục khuỷu, từ đó dẫn động vòng đồng bộ quay. Vòng đồng bộ hỗ trợ tất cả các cụm lưỡi cắt. Mỗi lưỡi dao được trang bị một rãnh xoắn ốc. Khi vị trí quay của vòng đồng bộ thay đổi, lưỡi dao sẽ quay với trục chốt của nó làm điểm tựa, nhờ đó đạt được sự điều chỉnh đồng bộ Góc nghiêng của lưỡi dao. Thông qua cơ chế này, diện tích dòng chảy của ống xoắn (phía nạp) có thể tăng hoặc giảm, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất khí bên trong vỏ tuabin. Nói tóm lại, diện tích dòng chảy của ống xoắn quyết định tốc độ tuabin và cuối cùng là áp suất tăng do máy nén tuabin tạo ra.
Kiểm soát vòi phun biến
Bộ tăng áp vòi phun biến thiên được điều chỉnh bởi van điều khiển vòi phun biến thiên. Van điều khiển này là một cơ cấu chấp hành tỷ lệ được quản lý bởi mô-đun điều khiển động cơ, có khả năng chuyển đổi tín hiệu dòng điện đầu vào thành một vị trí vòng piston cụ thể. Khi các cánh gần đến vị trí đóng (các cánh sẽ không bao giờ đóng hoàn toàn), bộ tăng áp sẽ tạo ra áp suất tăng tối đa. Việc quản lý không khí điều áp hoàn toàn phụ thuộc vào vị trí của các cánh quạt, vì Góc của cánh quạt quyết định trực tiếp cách thức khí thải tác động lên tuabin. Hình 12-14 cho thấy áp suất dầu điều khiển vòng piston kích hoạt cơ cấu CAM và tay quay, làm cho vòng đồng bộ quay theo chiều kim đồng hồ, do đó mở rộng các cánh quạt và làm giảm hiệu suất khí của tuabin.
Hình 12-14 VN Turbo tăng áp: Tăng độ mở cánh quạt để giảm hiệu suất tuabin.
Khi áp suất dầu đẩy piston di chuyển sang trái (Hình 12-15), vòng đồng bộ quay ngược chiều kim đồng hồ, điều chỉnh các cánh quạt về một Góc gần với vị trí đóng, nâng cao hiệu suất tuabin để mang lại lực đẩy tối đa. Quá trình hành động này có thể được tham khảo trong Hình 12-16.
Hình 12-15 Bộ tăng áp VN: Giảm độ mở cánh quạt để đạt mức tăng tốc tối đa.
Hình 12-16 Vai trò của vòng đồng bộ trong việc điều khiển độ mở của lưỡi dao.
Tốc độ quay của bộ tăng áp vòi phun biến thiên được đưa trở lại mô-đun điều khiển động cơ thông qua cảm biến tốc độ hướng trục dựa trên nguyên lý của bộ tạo xung cảm ứng. Tín hiệu kích hoạt của nó được lấy từ cấu trúc phẳng tại một vị trí cụ thể trên trục tuabin.
3. Tua bin xoắn ốc vòng trượt
Một cấu trúc xoắn ốc thay đổi khác được áp dụng bởi bộ tăng áp Cummins Honicell: diện tích dòng chảy được điều chỉnh bằng cách di chuyển vòng trượt qua bộ truyền động VG. Mục tiêu của nó giống như mục tiêu của tuabin VN của Caterpillar, nhưng cách đạt được nó hơi khác một chút. Hình 12-17 cho thấy mô-đun truyền động VG điển hình được sử dụng trên động cơ sau năm 2010.
Hình 12-17: Mô-đun bộ truyền động VG được sử dụng trên động cơ điển hình 10 năm sau.