CHƯƠNG I LỜI NÓI ĐẦU Trên các phương tiện giao thông vận tải chủ yếu sử dụng nguồn động lực là động cơ đốt trong Để góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và khai thác có hiệu quả hơn khi sử dụng động cơ đốt trong, chúng tôi đã biên soạn cuốn giáo trình theo đề cương chi tiết học phần “Nguyên lý động cơ đốt trong” của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội năm 2014 Giáo trình phục vụ cho công việc học tập, nghiên cứu của sinh viên ngành ô tô, đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho học sinh, cán bộ.
KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1.1 Khái niệm về động cơ đốt trong Động cơ nhiệt là một loại thiết bị cơ khí, có nhiệm vụ chuyển nhiệt năng (khi đốt cháy nhiên liệu) thành cơ năng. Động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước có kiểu piston (máy hơi) và kiểu tua bin hơi. Động cơ hơi nước là loại động cơ nhiệt có nhiệm vụ chuyển nhiệt năng của hơi nước thu được khi đốt cháy nhiên liệu trong thiết bị nồi hơi, sang cơ năng. Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt, trong đó việc đốt cháy nhiên liệu, sự tỏa nhiệt và quá trình chuyển biến từ nhiệt năng sang cơ năng đều được tiến hành ngay bên trong xylanh của động cơ.
Do nhiên liệu cháy, sản phẩm cháy trong xylanh tạo ra nhiệt độ và áp suất cao Nhiệt năng của khí cháy được chuyển đổi thành cơ năng bằng cách truyền năng lượng giãn nở cho piston, thanh truyền và trục khuỷu của động cơ.
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong 1- Đáy cacte; 2- Trục khuỷu; 3- Thanh truyền;
4- Piston; 5- Xylanh; 6- Xupap động cơ.
Cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu giúp chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu trong động cơ Để đảm bảo khí thải được thải ra đúng lúc và nhiên liệu mới được nạp kịp thời vào xylanh, cần có cơ cấu phân phối khí Đồng thời, hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng rất quan trọng để cung cấp nhiên liệu mới vào xylanh.
1.1.2 Ưu, nhược điểm của động cơ đốt trong so với các loại động cơ nhiệt khác a Ưu điểm
Hiệu suất có ích (η e) của động cơ tăng áp tua bin khí hiện đại đạt mức cao, dao động từ 0,4 đến 0,52 So với đó, hiệu suất có ích của máy hơi nước chỉ từ 0,09 đến 0,14, trong khi hiệu suất của tua bin hơi nước nằm trong khoảng 0,22 đến 0,28 và tua bin khí đạt khoảng 0,3.
- Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ vì toàn bộ chu trình công tác được thực hiện trong một thiết bị duy nhất.
- Khởi động nhanh và luôn ở trạng thái chuẩn bị khởi động.
- Ít nguy hiểm khi vận hành vì ít gây hỏa hoạn hoặc nổ vỡ thiết bị.
- Nhiệt độ xung quanh động cơ tương đối thấp, tạo điều kiện làm việc cho người thợ máy.
- Khi sử dụng cho các phương tiện vận tải có thể đảm bảo đi đường dài không phải bổ sung thêm nhiên liệu.
- Ít hao nước khi sử dụng, không có tro xỉ, chỉ cần một người là có thể vận hành được động cơ.
Bảo dưỡng động cơ đốt trong đơn giản và thuận tiện hơn nhiều so với động cơ hơi nước, chỉ cần một người có thể thực hiện việc chăm sóc và bảo trì Tuy nhiên, động cơ đốt trong cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
- Khả năng quá tải kém, thường không quá 10% trong thời gian một giờ.
Đặc tính kéo của thiết bị không đạt yêu cầu, không thể phát ra mô-men xoắn cực đại ở tốc độ góc thấp Do đó, khi lắp đặt trên ô tô, thường cần sử dụng hộp số để cải thiện hiệu suất.
- Rất khó khởi động khi có tải.
Công suất tối đa của động cơ không vượt quá 37.000 kW, với công suất 20.000 kW, động cơ trở nên phức tạp và kém linh hoạt Trong khi đó, tuabin hơi nước có khả năng đạt công suất vượt trội, lên đến trên 200.000 kW.
- Nhiên liệu sử dụng cho động cơ phải cao cấp, đắt tiền và yêu cầu sạch sẽ.
- Cấu tạo động cơ tương đối phức tạp, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao và đắt tiền.
- Thợ máy yêu cầu đòi hỏi phải có trình độ kỹ thuật cao.
- Chi phí chế tạo ban đầu tương đối đắt.
- Động cơ làm việc ồn, nhất là động cơ cao tốc.
1.1.3 Phân loại động cơ đốt trong Động cơ đốt trong được phân theo những đặc trưng sau: a Theo phương pháp thực hiện chu trình công tác
- Động cơ bốn kỳ: Chu trình công tác được thực hiện trong bốn hành trình của piston (hai vòng quay trục khuỷu)
Động cơ hai kỳ hoạt động qua hai hành trình của piston, tương ứng với một vòng quay của trục khuỷu Động cơ này được phân loại dựa trên loại nhiên liệu mà nó sử dụng.
- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nhẹ (xăng, benzen, dầu hỏa )
- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nặng (diesel, dầu madút…)
- Động cơ dùng nhiên liệu khí (khí lò ga, khí thiên nhiên, khí hóa lỏng, nhiên liệu khí nén).
- Động cơ đa nhiên liệu (dùng nhiên liệu lỏng nhẹ và nhiên liệu lỏng nặng). c Theo phương pháp nạp của chu trình công tác
- Động cơ không tăng áp: hút không khí hoặc hòa khí trực tiếp từ khí trời vào xylanh.
- Động cơ tăng áp: tăng được khối lượng và mức độ khí nạp vào trong xylanh. d Theo phương pháp hình thành hòa khí
Động cơ hình thành hòa khí bên ngoài là loại động cơ trong đó hỗn hợp cháy được tạo ra bên ngoài xylanh, như trong trường hợp động cơ xăng sử dụng chế hòa khí.
Động cơ hình thành hòa khí bên trong là loại động cơ mà khí hỗn hợp được tạo ra ngay trong xylanh, như động cơ diesel và động cơ phun nhiên liệu trực tiếp vào xylanh Phương pháp đốt cháy hòa khí được áp dụng trong những động cơ này để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu khí thải.
Động cơ đốt cháy cưỡng bức là loại động cơ mà hỗn hợp nhiên liệu được đốt cháy nhờ nguồn lửa bên ngoài, cụ thể là tia lửa điện Quá trình này diễn ra tại một thời điểm nhất định, thường thấy ở động cơ xăng sử dụng bộ chế hòa khí và động cơ chạy bằng ga.
- Động cơ tự động cháy là loại động cơ có nhiên liệu được đưa vào xylanh ở cuối quá trình nén, tự bốc cháy trong không khí nóng.
Động cơ đốt cháy hỗn hợp sử dụng nhiên liệu lỏng tự cháy làm mồi để kích thích quá trình đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp khí Theo hình thức hoạt động, động cơ này có chu trình công tác đặc trưng, mang lại hiệu suất cao trong việc chuyển đổi năng lượng.
Động cơ hoạt động theo chu trình đẳng tích, với quá trình cháy nhiên liệu diễn ra ở thể tích không đổi (V = const) Các loại động cơ này thường có tỷ số nén thấp (ε = 5÷11) và sử dụng phương pháp đốt cháy cưỡng bức, bao gồm động cơ xăng và động cơ ga.
Động cơ hoạt động theo chu trình đẳng áp, trong đó nhiên liệu được đốt cháy ở áp suất không đổi (p = const) Loại động cơ này thường có tỷ số nén (ε) dao động trong khoảng 12 đến 14, điển hình là động cơ diesel sử dụng phương pháp phun nhiên liệu bằng khí nén.
Động cơ làm việc theo chu trình hỗn hợp kết hợp giữa điều khiển đẳng tích và đẳng áp, trong đó một phần nhiệt được cung cấp trong điều kiện thể tích không đổi (V = const) và phần còn lại trong điều kiện áp suất không đổi (p = const) Loại động cơ này có tỷ số nén dao động từ 12 đến 20, thường được áp dụng cho động cơ diesel với phương pháp phun nhiên liệu lỏng trực tiếp vào xylanh.
* Theo số xylanh của động cơ có:
* Theo cách đặt xylanh có:
- Động cơ xylanh đặt đứng;
- Động cơ xylanh đặt nằm ngang;
- Động cơ một hàng xylanh, xylanh đặt thành một hàng, đường tâm các xylanh song song với nhau và cùng nằm trên một mặt phẳng;
- Động cơ nhiều hàng xylanh bố trí hình sao;
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.2.1 Các thuật ngữ và định nghĩa cơ bản a Điểm chết
Vị trí của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền tại đường tâm xylanh trong mặt phẳng của khuỷu trục, với các góc α = 0 và α = 180 độ, được xác định là điểm chết Trong đó, điểm chết trên (ĐCT) là một khái niệm quan trọng trong cơ học và thiết kế động cơ.
Vị trí giới hạn ngoài của piston so với tâm quay của trục khuỷu gọi là điểm chết trên (α = 0). c Điểm chết dưới (ĐCD)
Vị trí giới hạn trong của piston so với tâm quay của trục khuỷu gọi là điểm chết dưới (α = 180 o ). d Hành trình piston
Khoàng cách giữa hai ĐCT và ĐơCD gọi là hành trình piston.
Ký hiệu: S và S = 2R Ở đây : R- bán kính quay của khuỷu trục. e Kỳ
Quá trình hoạt động trong thời gian một hành trình piston được gọi là kỳ. f Thể tích buồng cháy (V C )
Thể tích của xylanh động cơ khi piston nằm ở ĐCT. g Thể tích toàn phần (V a )
Thể tích toàn phần là thể tích của xylanh động cơ khi piston nằm ở ĐCD. h Thể tích công tác (V h )
Thể tích công tác là thể tích được tạo ra hoặc bị chèn mất của xylanh khi piston dịch chuyển một hành trình.
Trong đó: D - đường kính xylanh. hay V h = V a - V c (1-2) i Tỷ số nén ( ε )
Tỷ số nén là tỷ số giữa thể tích toàn phần và thể tích buồng cháy. ε = c h c h c c a
1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ
1.2.2.1 Động cơ xăng bốn kỳ
Động cơ xăng bốn kỳ hoạt động qua bốn quá trình: nạp, nén, nổ và xả Trong đó, chỉ có quá trình nổ tạo ra công, yêu cầu piston di chuyển lên xuống bốn lần Quá trình này khiến trục khuỷu quay từ 0 đến 720 độ, với mỗi lần piston lên xuống được gọi là một hành trình hay một kỳ Hành trình đầu tiên là hành trình nạp (kỳ nạp).
Trong hành trình nén, khi trục khuỷu quay, piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupap nạp mở và xupap xả đóng, dẫn đến việc áp suất bên trong xylanh giảm thấp hơn áp suất khí trời Kết quả là, hỗn hợp hòa khí được bộ chế hòa khí trộn theo tỷ lệ nhất định sẽ được đưa vào xylanh qua ống nạp của động cơ.
Trong quá trình này, cả hai xupap nạp và xả đều đóng lại, khiến piston di chuyển từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT) Hòa khí trong xi lanh bị nén, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ và áp suất.
Trên đồ thị công được biểu thị bằng đường ac (hình 1.3) cuối kỳ nén áp suất và nhiệt độ của hòa khí trong xi lanh là: p c = 1,1÷1,2 MN/m 2 và T c = 500÷700 o K.
Hình 1.2: Cấu tạo động cơ xăng bốn kỳ 1- Trục khuỷu, 2- Xylanh; 3- Piston; 4- Ống nạp; 5- Bộ chế hòa khí;
6- Xupap nạp; 7- Bugi; 8- Xupap xả; 9- Ống xả; 10- Thanh truyền. c Hành trình sinh công (kỳ cháy, giãn nở sinh công)
Trong kỳ sinh công, cả hai xupap nạp và xả đều đóng kín, cho phép hòa khí được bugi đốt cháy vào cuối kỳ nén Khi piston đạt đến điểm chết trên (ĐCT), tốc độ cháy của hòa khí tăng nhanh, dẫn đến áp suất khí cháy tăng mạnh Sự giãn nở lớn của khí này đẩy piston từ ĐCT xuống điểm chết dưới (ĐCD), tạo ra công.
Hình 1.4: Đồ thị phối khí của động cơ bốn kỳ
Trên đồ thị công (hình 1.3) được biểu thị bằng đường czb.
Cuối quá trình cháy trong xylanh, áp suất khí cháy đạt từ 3 đến 4 MN/m² và nhiệt độ dao động trong khoảng 2200 đến 2500 K Góc đánh lửa sớm trước ĐCT thường nằm trong khoảng từ 10 đến 30 độ Hành trình xả, hay còn gọi là kỳ xả, là giai đoạn quan trọng trong quá trình hoạt động của động cơ.
Trong quá trình hoạt động của động cơ, xupap nạp vẫn đóng trong khi xupap xả mở Piston di chuyển từ điểm chết dưới (ĐCD) lên, ép khí cháy trong xylanh ra ngoài qua ống xả Khi piston đạt đến điểm chết trên (ĐCT), xupap xả đóng lại và xupap nạp mở ra, bắt đầu chu trình mới.
Trên đồ thị công được biểu thị bằng đoạn br.
Cuối quá trình xả áp suất và nhiệt độ của khí sót trong xylanh của động cơ là: p r
Để tối ưu hóa quá trình nạp và xả khí trong động cơ, các xupap nạp thường mở sớm trước ĐCT một góc α1 từ 5 đến 40 độ và đóng muộn sau ĐCD với góc α2 lên đến 50 độ Đồng thời, các xupap xả cũng được điều chỉnh để mở sớm trước ĐCD với góc β1 từ 30 đến 60 độ và đóng muộn sau ĐCT với góc β2 từ 5 đến 35 độ Việc này giúp thải sạch khí cháy còn sót lại trong xylanh và nạp đầy hỗn hợp hòa khí vào xylanh, đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
1.2.2.2 Động cơ diesel bốn kỳ
Động cơ diesel bốn kỳ hoạt động tương tự như động cơ xăng bốn kỳ, với bốn hành trình nạp, nén, nổ và xả Tuy nhiên, trong động cơ diesel, quá trình nạp và nén chỉ sử dụng không khí Nhiên liệu trong động cơ diesel tự cháy nhờ vào nhiệt độ và áp suất cao của không khí nén.
Hình 1.5: Cấu tạo động cơ diesel bốn kỳ 1- Trục khuỷu; 2- Xylanh; 3- Bơm cao áp; 4- Xupap nạp;
5- Vòi phun; 6- Xupap xả; 7- Piston; 8- Thanh truyền.
Khi trục khuỷu quay, piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupap nạp mở và xupap xả đóng, dẫn đến áp suất trong xylanh giảm Kết quả là không khí từ bên ngoài được hút qua bầu lọc khí và đi vào xylanh của động cơ.
Cuối hành trình nạp, áp suất và nhiệt độ của không khí trong xylanh là: p a = 0,08÷0,09 MN/m 2 và T a = 330÷380 o K. b Hành trình nén
Cả hai xupap nạp và xả đều đóng lại, piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, dẫn đến việc không khí trong xylanh bị nén, làm tăng nhiệt độ và áp suất Khi quá trình nén kết thúc, vòi phun nhiên liệu, nhờ vào bơm cao áp, phun nhiên liệu vào xylanh dưới dạng sương mù, hòa trộn với không khí có nhiệt độ và áp suất cao, gây ra hiện tượng tự bốc cháy Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu đến ĐCT được gọi là góc phun sớm.
Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của không khí trong xylanh là: p c = 4÷5 MN/m 2 và T c = 800÷ 900 o K. c Hành trình sinh công
Trong quá trình hoạt động của động cơ, xupap nạp và xả vẫn đóng lại Nhiên liệu được phun vào xylanh ở cuối kỳ nén sẽ được đốt cháy, tạo ra nhiệt độ và áp suất cao khi piston đạt đến điểm chết trên (ĐCT) Sự cháy mạnh mẽ này đẩy piston từ ĐCT xuống điểm chết dưới (ĐCD), thông qua thanh truyền, chuyển động này quay trục khuỷu và phát sinh công.
Cuối quá trình cháy và bắt đầu giãn nở, áp suất và nhiệt độ của khí cháy trong xylanh là: p z = 6,8 MN/m 2 và T z = 1900÷2200 o K. d Hành trình xả
Trong quá trình hoạt động của động cơ, xupap nạp vẫn đóng trong khi xupap xả mở, cho phép piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT và đẩy khí cháy ra ngoài Khi piston đạt ĐCT, xupap xả sẽ đóng lại và xupap nạp mở ra, bắt đầu một chu trình mới Cuối quá trình xả, áp suất và nhiệt độ của khí đạt khoảng p r = 0,11÷0,12 MN/m² và T r = 800÷900 K.
Trên hình 1.6, đồ thị công của động cơ diesel bốn kỳ và đồ thị phối khí của động cơ diesel bốn kỳ cũng giống động cơ xăng bốn kỳ.
Hình 1.6: Đồ thị công của động cơ diesel bốn kỳ Đối với động cơ diesel bốn kỳ thì các góc mở sớm đóng muộn thường là: α 1 = 10÷30 o ; α 2 = 45÷75 o ; β 1 = 30÷60 o ; và β 2 = 5÷30 o
1.2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ
Động cơ hai kỳ thực hiện chu trình làm việc qua các giai đoạn nạp, nén, nổ và xả Khác với động cơ bốn kỳ, để hoàn thành một chu trình, trục khuỷu của động cơ hai kỳ chỉ cần quay một vòng (360 độ), trong khi piston thực hiện hai hành trình Điều này dẫn đến việc nhiều quá trình xảy ra đồng thời trong mỗi hành trình của piston.
1.2.3.1 Động cơ xăng loại hai kỳ quét vòng Động cơ xăng hai kỳ loại có cửa quét và xả (không dùng xupap) có chu trình làm việc như sau: a Hành trình nén
SO SÁNH ĐỘNG CƠ
1.3.1 So sánh động cơ hai kỳ với động cơ bốn kỳ a Ưu điểm
Động cơ hai kỳ có khả năng sinh công hiệu quả gấp đôi so với động cơ bốn kỳ ở cùng số vòng quay Bên cạnh đó, công suất của động cơ hai kỳ cao hơn khoảng 50-70% khi so sánh với động cơ bốn kỳ có cùng thể tích công tác và số vòng quay.
- Động cơ hai kỳ chạy đều và êm hơn động cơ bốn kỳ, vì mỗi vòng quay của trục khuỷu động cơ hai kỳ có một lần sinh công.
Động cơ hai kỳ có cấu tạo đơn giản hơn động cơ bốn kỳ, với cơ cấu phối khí dễ dàng hơn do không có xupap, giúp việc sử dụng trở nên thuận tiện hơn Tuy nhiên, động cơ này cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
- Hiệu suất của động cơ hai kỳ nhỏ hơn động cơ bốn kỳ do có sự hao phí nhiên liệu khí thay khí.
Động cơ hai kỳ hoạt động với nhiệt độ cao hơn so với động cơ bốn kỳ, do có nhiều lần sinh công hơn, dẫn đến việc các chi tiết thường xuyên bị đốt nóng Điều này đặc biệt ảnh hưởng đến động cơ diesel, khiến chúng dễ bị tích tụ muội than trong buồng cháy.
- Động cơ xăng hai kỳ dùng cacte làm máy nén khí mức độ bôi trơn các chi tiết kém (phương pháp pha dầu nhờn vào nhiên liệu).
1.3.2 So sánh động cơ diesel với động cơ xăng a Ưu điểm
Động cơ diesel có hiệu suất cao hơn động cơ xăng nhờ vào việc tiêu thụ nhiên liệu ít hơn và tỷ số nén lớn hơn Cụ thể, trong khi động cơ xăng tiêu hao nhiên liệu từ 150 đến 240 g/kW.h, động cơ diesel chỉ tiêu hao từ 0 đến 150 g/kW.h, cho thấy động cơ diesel tiết kiệm nhiên liệu hơn khoảng 30 đến 35% so với động cơ xăng.
- Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel rẻ tiền, ít gây cháy nổ hơn nhiên liệu dùng cho động cơ xăng.
Hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel, bao gồm bơm cao áp và vòi phun, có độ bền cao và dễ sử dụng hơn so với hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng, thường sử dụng bộ chế hòa khí Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
Động cơ diesel có kích thước và trọng lượng lớn hơn động cơ xăng do khí cháy trong động cơ diesel lớn hơn Vì lý do này, trọng lượng của động cơ diesel (tính theo đơn vị công suất kg/kW) cao hơn so với động cơ xăng.
- Động cơ diesel có hệ thống nhiên liệu khó chế tạo hơn động cơ xăng, do đó giá thành động cơ diesel thường cao hơn động cơ xăng.
Động cơ diesel sử dụng nhiên liệu nặng khó cháy, điều này làm cho việc khởi động trở nên khó khăn hơn so với động cơ xăng Phương pháp tạo hòa khí giữa nhiên liệu phun sương mù và không khí cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình khởi động của động cơ diesel.
NHỮNG CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 14 1 Áp suất chỉ thị trung bình
2.1.1 Áp suất chỉ thị trung bình Áp suất chỉ thị trung bình của chu trình công tác là công chỉ thị của một đơn vị thể tích công tác của xylanh trong một chu trình. h i i V p = L , (J/m 3 hoặc N/m 2 ) (2-1)
Trong đó: p i - Áp suất chỉ thị trung bình của chu trình, (J/m 3 hoặc N/m 2 );
L i - Công chỉ thị của chu trình, (J, hoặc N.m);
V h - Thể tích công tác của xylanh động cơ, (m 3 ).
Thông thường còn dùng MPa (MN/m 2 ) làm đơn vị tính cho p i , khi đó công thức xác định là: h i i V p − 6 L (MPa)
Thể tích công tác V h nói chung được xác định theo công thức (1-2), còn công của chu trình theo công thức đã biết ở nhiệt kỹ thuật.
Trong đó: p- áp suất thay đổi của khí trong xylanh (N/m 2 )
V- thể tích xylanh biến đổi theo góc quay của trục khuỷu.
Thay phương trình (2-2) vào phương trình (2-1) ta sẽ được:
Từ công thức (2-3) ta thấy: Để xác định p i cần phải biết mối quan hệ giữa p và
V, quan hệ này ở dạng đồ thị chính là đồ thị công p-V.
2.1.2 Công suất của động cơ
Công do khí sinh ra trong xylanh đối với một chu trình được xác định bằng đồ thị công gọi là công chỉ thị của chu trình.
Căn cứ vào định nghĩa về khái niệm p i , công chỉ thị của chu trình là:
L i = p i V h , (Nm) (2-4) Ở đây: V h - tính theo m 3 ; p i - tính theo N/m 2
Công suất chỉ thị của động cơ chính là công suất do các công chỉ thị L i tạo ra trong một giây
Số chu trình trong một giây của xylanh, được xác định bằng công thức: τ m=2n , (chu trình/giây) (2-5)
Trong đó: n- số vòng quay trong một giây của trục khuỷu; τ- số kỳ trong một chu trình (số hành trình piston trong một chu trình)
Công suất chỉ thị của động cơ được xác định theo công thức: i i i n iL
Trong đó: N i - Công suất chỉ thị của động cơ; i- số xylanh của động cơ
Còn nếu như các xylanh của động cơ có thể tích công tác không giống nhau, thì:
= Σ τ , (W) (2-8) Trong trường hợp đơn giản (nếu thể tích công tác của các xylanh đều như nhau), thì: h h iV
V Σ = (2-9) Lúc đó, công suất chỉ thị sẽ có dạng: n i V p
Trong công thức (2-8) và (2-9), nếu áp suất p i được tính bằng MN/m², thể tích công tắc xylanh V h tính bằng lít (l) và n được xác định bằng (vg/ph), thì công suất động cơ sẽ được tính theo kilowatt (kW) với công thức τ = (W) (2-10) và kết quả là τ/30.
N i = p i h Σ , (kW) (2-11) Trong trường hợp đơn giản: τ 30
Công suất có ích của động cơ (N e) là công suất đo được tại đầu ra của trục khuỷu, và thường nhỏ hơn công suất chỉ thị do bị ảnh hưởng bởi công suất tổn hao cơ giới của động cơ.
- Công tiêu hao cho ma sát giữa các bề mặt chuyển động;
- Dẫn động các cơ cấu phụ (bơm nước, bơm dầu, bơm nhiên liệu,…);
- Dẫn động cơ cấu phân phối khí;
Tổn thất “bơm” là lực cản xảy ra trong hành trình bơm của piston trong động cơ bốn kỳ, bao gồm cả hành trình nạp và thải, cũng như trong quá trình quay máy nén khi tăng áp động cơ.
Công suất cơ giới N m là tổng số công trong một giây của tất cả các loại lực cản Vì vậy, công suất có ích của động cơ được xác định dựa trên giá trị này.
Tỷ số giữa công suất có ích chia cho công suất chỉ thị gọi là hiệu suất cơ giới của động cơ: i e m N
Hiệu suất cơ giới của động cơ đốt trong thường dao động trong khoảng từ 0,65 đến 0,93 Áp suất có ích trung bình của động cơ được tính bằng tích số giữa áp suất chỉ thị trung bình và hiệu suất cơ giới, được biểu diễn bằng công thức p e = η m p i (N/m² hoặc MN/m²).
Trong đó: p e - tính bằng MN/m 2 ;
V h tính bằng lít (l); n tính bằng (vg/ph).
Trong kỹ thuật người ta thường xác định N e trên băng thử công suất trên cơ sở momen (M e )
N e = e ω = e π (2-17) Trong đó: ω-Tốc độ góc của trục khuỷu
Hiệu suất có ích được định nghĩa là tỷ lệ giữa nhiệt lượng chuyển đổi thành công có ích và nhiệt lượng cung cấp cho động cơ từ quá trình cháy nhiên liệu trong xylanh.
Để xác định lượng nhiệt, cần phải đo trong cùng một khoảng thời gian Nhiệt lượng chuyển đổi thành công có ích được tính bằng công suất có ích N e, đơn vị là Oat (W) Lượng nhiệt phát ra từ nhiên liệu được tính bằng công thức: G n1 Q H.
Trong đó: G n1 - lượng tiêu hao nhiên liệu trong 1 giây (kg/s);
Q H - nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu (J/kg).
Hiệu suất có ích của động cơ, căn cứ theo định nghĩa trở thành:
Nếu gọi g e là suất tiêu hao nhiên liệu, ta có: e nl e N g =G , (kg/W.s) (2-19) Thay (2-19) vào (2-18), ta sẽ được hiệu suất có ích như sau:
Trong thí nghiệm động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu (G nl) được đo bằng kilogam trong một giờ, trong khi công suất được tính bằng kilowatt (kW) Suất tiêu hao nhiên liệu thường được xác định theo gam (g), và công thức tính toán được áp dụng để đánh giá hiệu suất của động cơ.
Do đó, hiệu suất η e cũng được xác định như sau:
Hiệu suất chỉ thị của động cơ được định nghĩa là tỷ lệ giữa nhiệt lượng chuyển đổi thành công chỉ thị và lượng nhiệt cung cấp cho động cơ từ nhiên liệu trong xylanh trong cùng một khoảng thời gian.
Trong đó: g i - Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị và được xác định theo công thức: i nl i N g = G , (kg/W.s) (2-24)
Từ các công thức (2-19) và (2-24), ta có: g e N e = g i N i = G ni
Nếu xét cả công thức (2-14), ta sẽ được: g i = g e e m i e g
N = η (2-25) Thay công thức (2-25) vào công thức (2-23) và theo công thức (2-21), ta có: m e i η η = η hoặc η e =η i η m (2-26)
NHIÊN LIỆU VÀ MÔI CHẤT CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Môi chất công tác là chất môi giới thiết yếu trong quá trình chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng trong động cơ đốt trong.
Trong chu trình thực tế, môi chất công tác bao gồm không khí, nhiên liệu và sản vật cháy, có tính chất lý hóa biến động liên tục Trong hành trình nạp, tùy thuộc vào loại hình hòa khí, không khí hoặc hòa khí sẽ được đưa vào xylanh Ở hành trình nén, môi chất cuối quá trình nạp sẽ trở thành môi chất cho quá trình nén Trong quá trình cháy, môi chất từ giai đoạn nén dần chuyển hóa thành sản vật cháy Cuối cùng, trong các hành trình giãn nở và thải, môi chất công tác chủ yếu là sản vật cháy.
Nhiệt năng trong động cơ được chuyển đổi thành cơ năng thông qua phản ứng cháy của hòa khí Để đảm bảo phản ứng cháy diễn ra hiệu quả và kịp thời, cần tạo ra chất lượng hòa khí tốt, từ đó giúp động cơ hoạt động êm ái và triệt để.
Nhiên liệu thể khí cho động cơ đốt trong bao gồm khí thiên nhiên, khí công nghiệp và khí lò ga, tất cả đều là hỗn hợp của các loại khí cháy và khí trơ Thành phần chính của nhiên liệu thể khí bao gồm oxit cacbon (CO), metan (CH4), các hydrocacbon (C n H m), khí cacbonnic (CO2), oxy (O2), hydro (H2), hydrosunfua (H2S) và các khí trơ, chủ yếu là nitơ (N2), với tỷ lệ khác nhau.
Nhìn chung, công thức hóa học của các chất trong nhiên liệu thể khí có chứa các bon C, hydro H hoặc oxy O, đều có thể viết dưới dạng:
C n H m O r (trong đó: n = 0÷5, m = 0÷12 và r = 0÷2) Hàm lượng các chất thành phần trong 1kmol (hoặc 1m 3 ), tính theo thành phần thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn được thể hiện qua biểu thức sau:
Nhiên liệu khí cho động cơ đốt trong được phân loại thành ba loại dựa trên nhiệt trị thấp, trong đó loại có nhiệt trị lớn (Q m - nhiệt trị của 1m³ nhiên liệu khí) là một trong những loại chính.
Khí đốt tự nhiên và khí thu được từ khai thác hoặc tinh luyện dầu mỏ có nhiệt trị lớn hơn hoặc bằng 23 MJ/m³, với thành phần chính là khí metan chiếm từ 30% đến 99%, cùng với các khí hydrocacbon khác Ngoài ra, còn có loại khí có nhiệt trị vừa, nằm ở vị trí trung gian giữa các loại khí khác.
Q m = 16÷23 MJ/m 3 tiêu chuẩn Loại này chủ yếu là khí thu được từ luyện cốc, thành phần chính có H 2 (khoàng 40÷60%) còn lại là CO, CH4. c Loại có nhiệt trị nhỏ
Q m = 4÷16 MJ/m 3 tiêu chuẩn Loại này bao gồm khí lò hơi và khí lò ga, thành phần chủ yếu là CO và H2 chiếm tới 40%, còn lại khí trơn N2và CO2.
Nhiên liệu thể lỏng cho động cơ đốt trong chủ yếu là sản phẩm từ dầu mỏ, nhờ vào nhiệt trị cao, ít tro và dễ dàng trong vận chuyển và bảo quản Mỗi loại nhiên liệu lỏng là hỗn hợp của nhiều hydrocacbon với cấu trúc hóa học khác nhau, ảnh hưởng lớn đến các tính chất lý - hóa cơ bản, đặc biệt là quá trình bay hơi, hòa khí và bốc cháy trong động cơ.
Dầu mỏ chứa nhiều loại hydrocacbon, bao gồm paraphin (ankan) với công thức C n H2n+2, hydrocacbon vòng xycloankan C n H2n và hydrocacbon thơm C n H2n-6 và C n H2n-12 Ngoài ra, trong dầu mỏ cũng có một lượng nhỏ olephin (anken) C n H2n và diolephin (ankan dien) C n H2n-2 Các hydrocacbon no (bão hòa) có cấu trúc với các nguyên tử cacbon liên kết theo mạch thẳng (ankan chính), mạch nhánh (izoankan), hoặc mạch kín vòng (xycloankan) bằng các liên kết đơn, trong đó số liên kết còn lại của cacbon được bão hòa bằng các nguyên tử hydro.
Tính chất lý hóa của nhiên liệu phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần của các nhóm hydrocacbon kể trên
Tùy thuộc vào phương pháp hình thành và đốt cháy hòa khí trong chu trình công tác, nhiên liệu lỏng được chia thành hai nhóm với các yêu cầu khác nhau.
- Nhiên liệu dùng cho động cơ tạo hòa khí bên ngoài, đốt cháy cưỡng bức;
- Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel.
Các nhiên liệu lỏng chiết xuất từ dầu mỏ chủ yếu bao gồm các nguyên tố như cacbon (C), hydro (H2) và oxy (O2) Ngoài ra, chúng cũng có thể chứa một lượng nhỏ lưu huỳnh (S) và nitơ (N2).
Nếu bỏ qua hàm lượng nhỏ của S và N2 thì thành phần khối lượng c, h, o nl của các nguyên tố C, H, O trong nhiên liệu được viết như sau: c + h+ o nl = 1kg
2.2.4 Tính chất chủ yếu của nhiên liệu
Nhiệt trị là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg (hoặc 1 m 3 tiểu chuẩn) nhiên liệu (điều kiện tiêu chuẩn p = 760 mmHg và T = 0 o C).
Khi đo nhiệt trị, nhiên liệu được đốt ở nhiệt độ môi trường, và nhiệt lượng sinh ra từ quá trình cháy sẽ được nước hấp thụ Nước làm mát sản phẩm cháy đến nhiệt độ môi trường trước khi đốt, sau đó dựa vào lượng nhiên liệu tiêu hao, lưu lượng nước và mức tăng nhiệt độ của nước, ta có thể tính toán nhiệt trị của nhiên liệu.
Cần phân biệt nhiệt trị đẳng áp với nhiệt trị đẳng tích, nhiệt trị thấp với nhiệt trị cao. a Nhiệt trị đẳng áp Q p
Nhiệt trị đẳng áp Qp là lượng nhiệt sinh ra khi 1 kg (hoặc 1 m³ tiêu chuẩn) nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn, với điều kiện áp suất môi chất trước và sau khi đốt giữ nguyên.
Nhiệt trị đẳng tích Q v được xác định khi thể tích sản phẩm cháy giữ nguyên bằng thể tích hòa khí trước khi cháy Ngoài ra, nhiệt trị cao Q c cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình đánh giá năng lượng của nhiên liệu.
Nhiệt trị cao Q c là tổng nhiệt lượng thu được khi 1 kg nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn, bao gồm cả nhiệt lượng từ hơi nước ngưng tụ Khi sản phẩm cháy được làm lạnh về nhiệt độ ban đầu, nhiệt ẩn trong hơi nước chưa kịp ngưng tụ sẽ bị mất đi, do đó động cơ không thể tận dụng nhiệt ẩn này để sinh công.
Tính bay hơi của nhiên liệu ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động của động cơ xăng và diesel Để đánh giá tính bay hơi, người ta thường sử dụng các đường cong chưng cất Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị chưng cất, xác định số lượng chất lỏng chưng cất ở mỗi 10°C và cuối cùng vẽ các đường cong chưng cất cho từng loại nhiên liệu Phương pháp chưng cất đảm bảo rằng nhiên liệu hoàn toàn cách ly với không khí.
Hình 2.1: Thiết bị chưng cất nhiên liệu 1- Bếp điện; 2- Nhiên liệu thử nghiệm (100ml);
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
3.1.1 Khái niệm về chu trình lý tưởng
3.1.1.1 Đặc điểm của chu trình lý tưởng Để cho việc nghiên cứu các quá trình làm việc của động cơ đốt trong được thuận tiện dễ dàng, người ta thay các quá trình phức tạp bằng các quá trình có dạng đơn giản hơn nhưng vẫn sát với các quá trình thực tế, bằng cách bỏ qua những hiện tượng và tổn thất thứ yếu xuất hiện trong các chu trình thực tế Cách làm như vậy ta sẽ được chu trình lý tưởng của động cơ.
Chu trình lý tưởng của động cơ là một chu trình kín, thuận nghịch, không có tổn thất năng lượng ngoại trừ việc nhả nhiệt cho nguồn lạnh Đặc điểm chính của chu trình lý tưởng này là tính hiệu quả tối đa trong việc chuyển đổi năng lượng mà không gặp phải sự hao hụt nào.
- Môi chất công tác trong chu trình là khí lý tưởng, nhiệt dung riêng là hằng số, không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Lượng môi chất trong một chu trình là cố định, và trong quá trình này không có chu trình quét sạch khí thải ra khỏi xylanh để nạp khí mới.
- Không có sự tổn thất về nhiệt đối với môi trường xung quanh, quá trình nén và giãn nở là những quá trình đoạn nhiệt.
Quá trình đốt cháy nhiên liệu và tỏa nhiệt trong xylanh được thay thế bằng việc cung cấp nhiệt Q1 từ nguồn nóng và nhả nhiệt Q2 cho nguồn lạnh, diễn ra trong điều kiện đẳng tích và đẳng áp.
Trong chu trình chuyển hóa năng lượng, việc chuyển từ nhiệt sang công đạt hiệu suất tối đa, cho thấy hiệu suất nhiệt của chu trình vượt trội hơn so với hiệu suất nhiệt chỉ thị của động cơ.
3.1.1.2 Các chỉ tiêu chủ yếu của chu trình a Tính kinh tế của chu trình
Tính kinh tế của chu trình được thể hiện qua hiệu suất nhiệt η t, là tỷ lệ giữa lượng nhiệt được chuyển hóa thành công và lượng nhiệt cung cấp cho môi chất trong chu trình.
L t - Công do môi chất tạo ra trong một chu trình (J/chu trình);
Q 1 - Lượng nhiệt cấp cho môi chất trong một chu trình (J/chu trình);
Trong chu trình, lượng nhiệt nhả ra cho nguồn lạnh được đo bằng đơn vị J/chu trình Hiệu quả của chu trình được đánh giá qua áp suất trung bình p t, phản ánh tỷ số giữa công thực hiện của chu trình và thể tích công tác của nó.
Trong đó: V h = V max - V min (m 3 )- Thể tích công tác của chu trình (m 3 );
V max - Thể tích lớn nhất của chu trình (m 3 );
V min - Thể tích nhỏ nhất của chu trình (m 3 ).
3.1.2 Chu trình lý tưởng của động cơ
3.1.2.1 Chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ đốt trong a Diễn biến Được thể hiện trên đồ thị p-V và T-S (hình 3.1).
Hình 3.1: Chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ đốt trong a) Đồ thị p-V; b) Đồ thị T-S
Gồm các quá trình sau:
- Đoạn oc: nén đoạn nhiệt, đặc trưng cho động cơ đốt trong và máy nén khí.
- Đoạn cy: Cấp nhiệt đẳng tích, đặc trưng cho động cơ xăng và một phần của động cơ diesel hiện đại.
- Đoạn yz: cấp nhiệt đẳng áp, đặc trưng cho động cơ tăng áp và tua bin khí.
- Đoạn zd: giãn nở đoạn nhiệt, đặc trưng cho động cơ đốt trong và tua bin khí.
- Đoạn df: nhả nhiệt đẳng tích, đặc trưng cho động cơ đốt trong piston.
- Đoạn fo: nhả nhiệt đẳng áp, đặc trưng cho tua bin khí. b Các định nghĩa theo chu trình lý tưởng
V o và V c thể tích bắt đầu và cuối quá trình nén.
- Tỷ số tăng áp khi cháy: c z p
= p λ p z - Áp suất cực đại khi cháy; p c - Áp suất cuối quá trình nén.
- Tỷ số giãn nở khi cháy : c z
V z - Thể tích cuối quá trình cấp nhiệt;
V c - Thể tích đầu quá trình cấp nhiệt.
- Tỷ số giãn nở sau khi cháy: z d
V d - Thể tích cuối quá trình giãn nở.
- Tỷ số giãn áp khi nhả nhiệt: f d p
= p σ p d - Áp suất cuối quá trình giãn nở; p f - Áp suất cuối quá trình nhả nhiệt cho nguồn lạnh. c Hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình
Nếu gọi M là số kilomol (kmol) của môi chất trong chu trình.
Trong đó: mC p và mC v - Nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của 1 kmol khí (J/kmol.độ)
Thay vào công thức ta có:
Trong đó: k - chỉ số đoạn nhiệt và được xác định: v p mC k = mC
Dựa vào mối quan hệ giữa các quá trình nhiệt động, nhiệt độ tại các điểm cuối của chu trình có thể được tính toán thông qua biểu thức (3-3) dựa trên T o.
- Quá trình nén đoạn nhiệt: 1
= λ ρσ σ Thay kết quả thu được vào (3-3), sau đó rút gọn sẽ được:
* Áp suất trung bình Áp suất trung bình p t tính theo (3-2), trong trường hợp của chu trình tổng quát sẽ được viết như sau: c f t t V V p L
= M[mC v (T y - T c ) + mC p (T z -T y )] - M[mC v (T d -T f )] + mC p (T f - T o )] (J/chu trình)
Thay các giá trị nhiệt độ có vào, sau khi ước lược và chỉnh lý sẽ được:
Thể tích công tác của chu trình được xác định theo phương trình trạng thái:
Trong đó: R - hằng số khí của 1 kmol môi chất (R = 8314 J/kmol.độ)
Do: p f = p 0 và p c = p o ε k , thay các giá trị đã biết vào biểu thức trên sẽ được:
1 ε ρ λ σ σ ε Thay L t và (V f - V c ) tìm được vào (3-5) và rút gọn ta được:
3.1.2.2 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp a Diễn biến
Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp của động cơ đốt trong được thể hiện thông qua đồ thị p-V và T-S trên hình 3.2.
Trong động cơ đốt trong, chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp chỉ bao gồm quá trình nhả nhiệt đẳng tích mà không có nhả nhiệt đẳng áp Đây là trường hợp đặc biệt của chu trình tổng quát với các điều kiện: T_f = T_o, T_b = T_d, V_b = V_d = V_o = V_f và V_h = V_o - V_c Hình 3.2 minh họa rõ ràng đồ thị p-V và T-S của chu trình này.
Trong điều kiện ấy giá trị σ được xác định như sau:
= λ ρ σ σ (3-8) b Hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình
Thay vào (3-8) và (3-4) sẽ được:
Thay vào (3-8) vào (3-6), (3-7) ta sẽ tìm được:
Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng Q 1 do nguồn nóng cấp cho chu trình là:
3.1.2.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích a Diễn biến
Chu trình cấp nhiệt đẳng tích được thể hiện trên đồ thị p-V (hình 3.3).
Hình 3.3: Chu trình đẳng tích
Chu trình đẳng tích là một dạng đặc biệt của chu trình hỗn hợp, trong đó quá trình cấp nhiệt diễn ra ở thể tích không đổi mà không có sự cấp nhiệt ở áp suất không đổi Đây là chu trình lý tưởng cho động cơ, nơi hòa khí được hình thành bên ngoài và quá trình đốt cháy diễn ra nhờ tia lửa điện Hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình là hai yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả hoạt động của chu trình này.
Thay ρ = 1 vào (3-9) sẽ được hiệu suất nhiệt η t của chu trình đẳng tích: k t 1
Hiệu suất nhiệt η t của chu trình đẳng tích chỉ phụ thuộc vào tỷ số nén ε và chỉ số đoạn nhiệt k của môi chất, điều này cho thấy rằng các yếu tố này do tính chất của môi trường quyết định.
Trong (3-15) không xuất hiện λ, chứng tỏ lượng nhiệt Q 1 cấp cho chu trình (phụ tải của động cơ) không gây ảnh hưởng gì tới η t
Công của chu trình L t , áp suất trung bình của chu trình p t được tính theo (3-10), (3-11) và (3-13), nếu thay ρ = 1 vào những biểu thức này, ta có:
Khi Q giữ không đổi, việc tăng tỷ số nén sẽ dẫn đến sự gia tăng của công L t và áp suất trung bình p t, nhưng mức tăng này chậm hơn so với sự gia tăng của hiệu suất η t Cụ thể, khi tỷ số nén ε tăng từ 4 lên 7 (với k = 1,3), hiệu suất η t tăng 30%, trong khi công L t và áp suất p t chỉ tăng 14%.
Nếu tăng λ (tức là tăng nhiệt lượng Q 1 ) thì L t và p t sẽ tăng nhanh hơn so với mức tăng của λ.
3.1.2.4 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp a Diễn biến
Chu trình cấp nhiệt đẳng áp là một trường hợp đặc biệt của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, trong đó chỉ có quá trình cấp nhiệt đẳng áp mà không có cấp nhiệt đẳng tích Điều này được minh họa rõ ràng trên đồ thị p-V.
Hình 3.4: Chu trình đẳng áp
Trong điều kiện điểm c của chu trình hỗn hợp trùng với điểm y và lúc đó: λ c y p p = 1
Chu trình đẳng áp là mô hình lý tưởng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu phun bằng khí nén với áp suất khoảng 5,0 ÷ 6,0 MPa, cũng như cho động cơ diesel tốc độ chậm với tăng áp cao Hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hoạt động của động cơ này.
Thay λ = 1 vào các biểu thức (3-9), (3-10), (3-11), (3-12) và (3-13) sẽ tìm được các biểu thức tính η t và p t của chu trình đẳng áp: η t = 1 - 1 1
Biểu thức (3-20) cho thấy hiệu suất η t của chu trình đẳng áp không chỉ phụ thuộc vào ε và k mà còn liên quan đến tỷ số giãn nở ρ trong quá trình cháy (hay còn gọi là Q 1) Ảnh hưởng của ε và k đến η t tương tự như trong các chu trình hỗn hợp và chu trình đẳng tích.
Tăng ρ tức là tăng lượng nhiệt cấp cho chu trình Q 1 (tăng tải động cơ) thì L t và p t sẽ tăng, còn η t thì giảm chút ít.
Cũng tương tự như chu trình đẳng tích, trong chu trình đẳng áp nếu tăng ε (Q 1 = const) thì p t cũng tăng nhưng tăng chậm hơn so với η t
3.1.2.5 Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp
CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
3.2.1 Quá trình thay đổi môi chất
Trong chu trình làm việc của động cơ đốt trong, quá trình thải sạch sản phẩm cháy và nạp môi chất mới có mối liên hệ chặt chẽ Để phân tích quá trình nạp, cần xem xét các thông số đặc trưng của quá trình thải, từ đó đánh giá toàn diện các hiện tượng liên quan đến sự thay đổi môi chất.
Trong động cơ bốn kỳ, quá trình thay đổi môi chất bắt đầu khi mở xupap thải tại điểm b' Từ điểm b' đến ĐCD, nhờ chênh áp, sản vật cháy tự thoát ra khỏi đường thải Tiếp theo, từ ĐCD đến ĐCT, sản vật cháy được đẩy ra nhờ sức đẩy của piston Tại ĐCT, sản vật cháy đã chiếm đầy thể tích buồng cháy.
V c với áp suất p r > p thải tạo ra chênh áp ∆p r (∆p r = p r - p th )
Áp suất khí trong ống thải (p th) và chênh lệch áp suất (∆p r) chịu ảnh hưởng bởi hệ số cản, tốc độ dòng khí qua xupap thải, cũng như trở lực của đường thải.
Hình 3.7: Phần đồ thị công của quá trình thay đổi khí trong động cơ bốn kỳ.
Xupap thải thường được đóng sau ĐCT (đóng muộn) nhằm tăng thêm giá trị
“tiết diện - thời gian” mở cửa thải, đồng thời tận dụng chênh áp ∆p r và quán tính của dòng khí thải tiếp tục thải sạch khí sót ra ngoài.
Quá trình nạp môi chất mới vào xylanh diễn ra khi piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD Tại điểm r, áp suất môi chất mới (p k) thấp hơn áp suất trong xylanh (p r) và áp suất trong buồng đốt (p th), dẫn đến việc một phần sản phẩm cháy tiếp tục thoát ra ống thải Khi khí sót giãn nở đến điểm r 0, với p k đạt được, môi chất mới bắt đầu được nạp vào xylanh Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp, công thức áp suất được xác định là p k = p o - ∆p o.
Trong đó: ∆p o - Tổn thất áp suất do cản của bình lọc khí và đường ống nạp.
P o - Áp suất của khí trời.
T k ≈ T o – Nhiệt độ của khí trời
Lượng môi chất mới nạp vào xylanh trong mỗi chu trình động cơ bốn kỳ phụ thuộc nhiều nhất vào chênh áp ∆p k = p k - p a
* Áp suất cuối quá trình nạp (p a )
Khi tính toán nhiệt, được xác định nhờ số liệu thực nghiệm.
Với động cơ bốn kỳ không tăng áp: p a = (0,8 ÷ 0,9)p k
Với động cơ bốn kỳ tăng áp: p a = (0,9 ÷ 0,96)p k
Với động cơ hai kỳ:
- Loại thấp tốc, quét vòng:
- Loại cao tốc quét thẳng: p a ≈ (0,85 ÷ 1,05)p k
* Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới (∆T)
Khi môi chất di chuyển trên đường nạp và vào xylanh, nó sẽ tiếp xúc với các bề mặt nóng của động cơ, dẫn đến việc được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên một giá trị gia số ∆T.
Giá trị của ∆T bị ảnh hưởng bởi tốc độ lưu động, thời gian tiếp xúc với bề mặt nóng và chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất mới và vật nóng Khi nhiệt độ của môi chất mới tăng, mật độ sẽ giảm, dẫn đến việc khối lượng môi chất mới nạp vào động cơ cũng giảm Gia số ∆T của môi chất mới được tính toán dựa trên các yếu tố này.
∆T = ∆T t - ∆T b.h (3-37) Trong đó: ∆T t - mức tăng nhiệt độ của môi chất mới do sự truyền nhiệt từ các bề mặt nóng;
∆T b.h - Mức giảm nhiệt độ của môi chất mới do bay hơi của nhiên liệu, động cơ diesel ∆T b.h = 0.
∆T được xác định theo số liệu thực nghiệm và theo cách tính gián tiếp, được lấy theo các số liệu sau:
∆T = 20 ÷ 40 0 C - Đối với động cơ diesel;
∆T = 0 ÷ 20 0 C - Đối với động cơ xăng.
Cuối quá trình thải, xylanh còn lưu lại một lượng khí sót, là sản phẩm cháy Khi nạp, khí sót này sẽ giãn nở, chiếm chỗ trong xylanh và trộn lẫn với khí nạp, dẫn đến giảm lượng khí nạp mới.
Khi đốt 1 kg nhiên liệu, nếu M r là lượng khí sót và M 1 là lượng môi chất mới, thì hệ số khí sót γ r được xác định bởi m r và m 1 trong mỗi chu trình.
Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình động cơ bốn kỳ không tăng áp được xác định bằng g ct (kg/chu trình) Ở động cơ này, góc trùng điệp thường không vượt quá 40 độ quay trục khuỷu và không có hiện tượng quét buồng cháy Do đó, tại điểm r (cuối kỳ thải), khí sót chiếm toàn bộ thể tích V c với áp suất p r và nhiệt độ T r, được mô tả bằng công thức: r c r r RT.
Trong đó: p r , T r - Áp suất và nhiệt độ khí sót ở trong thể tích V c
V h - Thể tích công tác của xylanh
Hệ số khí sót γ r của động cơ hai kỳ chịu ảnh hưởng lớn từ chất lượng các quá trình thải và quét khí Giá trị của hệ số này thường biến động trong một khoảng rộng, tùy thuộc vào từng hệ thống quét cụ thể.
Do đó, có thể rút ra một số nhận xét sau: γ r - của động cơ xăng lớn hơn so với động cơ diesel (vì động cơ diesel có ε lớn);
- Khi giảm tải: γ r của động cơ xăng tăng, còn γ r của động cơ diesel trên thực tế không thay đổi:
- Khi tăng áp, γ r của động cơ xăng và động cơ diesel đều giảm.
* Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp T a
Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp (T a) lớn hơn nhiệt độ khí sót (T k) và nhỏ hơn nhiệt độ đầu vào (T r) là kết quả của việc truyền nhiệt từ các bề mặt nóng sang môi chất mới trong quá trình nạp, cùng với sự hòa trộn giữa môi chất mới và khí sót nóng hơn T a có thể được xác định tại điểm a trong hình 3.1.
Công thức xác định như sau: r r r t k a
Nếu lấy λ t = 1, sai số tính T a thường không lớn, ta có: r r r k a
Trong đó: λ t – Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt, nó phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí α và nhiệt độ T r
Với động cơ bốn kỳ không tăng áp: T a = 310 ÷ 350 o K
Với động cơ bốn kỳ tăng áp và động cơ hai kỳ: T a = 320 ÷ 400 o K
Hệ số nạp η v là tỷ lệ giữa lượng môi chất mới thực tế được nạp vào xylanh tại đầu quá trình nén, sau khi các cửa nạp và cửa thải đã được đóng, so với lượng môi chất mới lý thuyết M h.
Công xác định thức sau: h k h k k h ct v V
1 η γ (3-39) Trong đó: g ct – Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình (kg/chu trình);
M 1 – Lượng môi chất thực tế đi vào xylanh để đốt 1 kg nhiên liệu (kmol/kg nhiên liệu);
V k – Thể tích khí nạp mới chứa trong xylanh, sau khi quy về điều kiện p k và T k (m 3 );
Khối lượng không khí nạp vào xylanh mỗi chu trình, ký hiệu là G k (kg/chu trình), đóng vai trò quan trọng trong động cơ bốn kỳ Đối với động cơ này, khi không thực hiện quét buồng cháy và không có nạp thêm, ta có thể coi tỷ nhiệt của khí sót bằng tỷ nhiệt của môi chất mới.
3.2.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới hệ số nạp a Tỷ số nén ε
Trên hình 3.8 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số nạp η v và tỷ số nén ε
Trong hình 3.8, mối quan hệ giữa hệ số nạp η v và tỷ số nén ε cho thấy rằng khi không quét buồng cháy, việc tăng tỷ số nén ε sẽ dẫn đến sự gia tăng hệ số nạp η v, như thể hiện qua đường 1 trong hình.
Các đường 1 và 2 cho thấy ảnh hưởng của ε đến η v ở hai trạng thái: không quét và quét sạch buồng cháy Tăng ε sẽ làm sản vật cháy giãn nở triệt để, dẫn đến nhiệt độ thành xylanh giảm, từ đó làm giảm giá trị ∆T, có lợi cho hệ số nạp η v Áp suất cuối quá trình nạp p a có ảnh hưởng trực tiếp đến η v; để tăng p a, cần giảm tổn thất ∆p k và giảm cản cho đường nạp.
