Bài giảng Nguyên lý động cơ đốt trong Chương 3 Chu trình thực tế dùng trong động cơ đốt trong

Bài giảng Nguyên lý động cơ đốt trong Chương 3 Chu trình thực tế dùng trong động cơ đốt trong cung cấp cho người học các kiến thức về quá trình trao đổi khí, quá trình nén, quá trình cháy, quá trình giãn nở trong động cơ đốt trong. Mời các bạn cùng tham khảo.

D-HỆ THỐNG QUÉT THẢI CỦA ĐỘNG

CƠ HAI KỲ

E-HỆ THỐNG NẠP THẢI CỦA ĐỘNG

CƠ TĂNG ÁP

A-QUÁ TRÌNH NẠP

I-DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH NẠP

1-Diễn biến quá trình nạp

động cơ 4 kỳ không tăng áp

2-Diễn biến quá trình nạp

động cơ 4 kỳ tăng áp

3-Diễn biến quá trình nạp động cơ 2 kỳ

Quay về quá trình trao đổi khí

1-Diễn biến quá trình nạp động cơ 4 kỳ không tăng áp Quay về quá trình nạp

*3 r : Góc mở sớm của

S N  giảm tổn thất áp suất trên đường ống nạp.

*r 2 : (r  r’) : quá trình khí sót giản nở (góc đóng muộn S T )

*2  a (r’  a) : khí nạp mới đi vào nhờ chênh lệch áp suất

*a  4 : góc đóng muộn S N

Cuối quá trình thải khí sót chiếm toàn bộ thể tích xi lanh (lúc này = VC) có áp suất

Pr, Tr QT Nạp lý thuyết được xẩy ra ở ĐCT (QTNạp về lý

ĐCD), nhưng tại r thì

Pr > Po khí sót giản nở đến r’ thì quá trình nạp thực sự được tiến hành.

2-Diễn biến quá trình nạp động cơ 4 kỳ

tăng áp Quay về quá trình nạp

*2  r : góc mở sớm của S N

*r  a : áp suất luôn luôn tăng và quét khí sót ra khỏi xi lanh, đồng thời khí nạp đi vào xi lanh (P K > P o , P K > P r )

*a  4 : góc đóng trể của S N

1.Nếu không làm mát khí nén thì : PK = P tăng áp

P tăng áp là áp suất tại cửa ra của máy nén khí, phụ thuộc vào mức độ tăng áp suất của máy nén.

*m = chỉ số nén (m = 1,6  1,8)

m m

m

O

tăngáp O

P

P T

*

*  Tm = độ giảm nhiệt của khí nén trong két làm mát

3-Diễn biến quá trình nạp động cơ 2 kỳ

Quay về quá trình nạp *m’am = hành trình nạp

*ma’ = góc lọt khí nạp mới

*Động cơ 2 kỳ quá trình nạp được tiến hành với quá trình quét khí thải ra khỏi xi lanh.

*Khi piston đi xuống tại l cửa thải mở  SVC thải ra ngoài tự do Đến điểm m’ cửa nạp mở, áp suất trong xi lanh < P K

 khí nạp mới đi vào xi lanh quét khí thải ra ngoài và chiếm đầy thể tích xi lanh

*Aùp suất khí quét đi vào cửa quét cũng bị giảm một lượng

P.

Aùp suất trong xi lanh khí đóng cửa quét (d) vẫn > áp suất khí thải trong đường thải Giai đoạn đóng cửa quét d tới khi đóng cửa thải e ( đoạn ma’) là giai đoạn lọt khí nạp mới.

*Động cơ 2 kỳ bao giờ cũng được tăng áp để thực hiện quét khí

*Aùp suất khí quét đi vào cửa quét cũng bị giảm một lượng  P.

4-Nhận xét

Trong cả 3 loại động cơ đều:

1-Khí nạp mới đi vào xi lanh phải

khắc phục sức cản lưu động  Pa 2-Khí nạp mới không thể gạt hết

sản vật cháy ra ngoài có  r

3-Khí nạp mới đi vào xi lanh tiếp

xúc với các chi tiết nóng và hòa trộn với khí sót Ta > TK

TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA

QUÁ TRÌNH NẠP

*Aùp suất cuối quá trình nạp Pa

*Pr, Tr, Mr

*Hệ số khí sót

*Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới

*Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta

*Hệ số nạp

II -TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH NẠP

1-Aùp suất cuối quá trình nạp (Pa)

Pa = Po -  P K Đ/cơ 4 kỳ không tăng áp

Pa = Po -  P K Đ/cơ 4 kỳ tăng áp

Tính toán:

Giả thiết: * Khối lượng của khí là

không đổi tại tất cả các tiết diện  =

K = const

Quay về Các thông số

*Quá trình đưa dòngkhí nạp mới đi vào xi lanh là quá trình lưu động liên tục và ổn định

Hệ quả: Tại tất cả các tiết diện, lưu lượng dòng khí không đổi.

*Tất cả các đường ống nạp đều có góc lượn rất lớn

*Phương trình Bernoillie cho 2 tiết diện: Pot air (K-K) và ĐCD (a-a)

(P K / K)+(W2K/2 )+(g.Z K ) = (P a / a) + (W2a/2 )+ [  o(W2x/2 )]+(g.Z a ) (1)

Do tiết diện K-K lớn xem Wk=0, chọn

mặt chuẩn (0-0) sao cho: Z K= Z a

 K =  a (1) được viết lại như sau:

(P K / K) = (P a / K) +(W2a/2 )+ [  o(W2x/2 )]

 = (W a /W x )<1: hệ số bóp dòng chảy

 P K = P K- P a = (W2x/2 )( 2+  o)  K

THÔNG SỐ Pr, Tr, Mr

1-ÁP SUẤT KHÍ SÓT(Pr):

a- Pr = Pth +  Pr

Trong đó:  Pr = K2.(n2/f2 th)

b-Chọn Pr theo kinh nghiệm:

Không tăng áp:

Tốc độ thấp:Pr= (1,03-1,06)Po Cao tốc: Pr= (1,05-1,25)Po

Tăng áp: Pr= (0,75-0,98)Pk

Quay về Các thông số

c-Tính Pr thay đổi theo n, áp dụng công thức:

Pr = Po( 1,035 + Ap 10-8.n2 )

Trong đó:

Ap=[PrN - 1,035 Po).108.(1/Po.nN 2)]

+PrN = Aùp suất khí sót ở chế độ

định mức.

PrN = 1,18 Po = 0,118 MN/m2

nN = số vòng quay trục khuỷu ở chế độ định mức (v/p).

2-LƯỢNG KHÍ SÓT(Mr):

Mr= r.M1 hoặc Mr = PrVc/RTr

3-NHIỆT ĐỘ KHÍ SÓT(Tr):

Tr phụ thuộc vào:  ,sự trao đổi trong QTGN và thải, mức độ giãn nở của SVC.

Động cơ xăng:  thay đổi trong phạm vi nhỏ nên khi giảm tải Tr thay đổi rất ít.

Động cơ diesel:Muốnthay đổi phụ tải phải thay đổi trực tiếp  , nên khi giảm tải, Trthay đổi nhiều.

*Động cơ diesel: có  cao hơn xăng

mức độ giãn nở khí thải lớn,

nhiệt độ trong QTGN tương đối

thấp

Hai yếu tố trên:

trị số Tr diesel< Tr xăng

*Xăng: Tr = ( 900 - 1100 )0K

*Diesel: Tr = ( 600 - 900 )0K

HỆ SỐ KHÍ SÓT (  r )

*Đánh giá mức độ mức độ thải sạch bằng r ,

r là tỉ số giữa số kmole khí sót Mr và số

kmole khí nạp mới M1 r = Mr / M1.

* Phương trình trạng thái khí sót:

Chú ý: muốn nạp

 Tr, biện pháp này không có lợi vì   t

Chú ý:  r xăng >  r diesel

vì  xăng <  diesel

Động cơ 2 kỳ chất lượng quét sạch khí thải ra khỏi xi lanh còn được đánh giá bằng hệ số thải sạch

 t = M1/(M1+Mr)

 t = 1/(1+  r)

NHIỆT ĐỘ SẤY NÓNG KHÍ NẠP MỚI

1-  T =  Ttruyền nhiệt -  Tbay hơi

Ở động cơ diesel:  Tbay hơi = 0 2- Dùng công thức kinh nghiệm:

 T = AT (110 - 0,0125 nN) Trong đó:*AT=  TN/(110-0,0125 nN)

quyết định Phụ tải càng lớn t0 các chi tiết càng cao,M1 được sấynóngnhiều

NHIỆT ĐỘ CUỐI QUÁ TRÌNH NẠP Ta

Được xác định trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng của khí nạp mới và khí sót trước và sau khi chúng trộn lẫn nhau.Giả thiết quá trình trộn lẫn

được tiến hành ở áp suất không đổi

Phương trình cân bằng nhiệt:

Qa = Qn + Qr +Qt

Quay về Các thông số

Qa =Nhiệt lượng chứa trong hỗn

hợp công tác tại điểm a

Qa = Cp.(M1 + Mr).Ta

Ta có:

Cp.(M1 + Mr).Ta =

Cp.M1 (TK +  T) + C’p.Mr.Tr (1) C’p =  t.Cp

 t = hệ số hiệu đính tỉ nhiệt

Từ (1) Ta(M1 + Mr) =

M1 (TK +  T) +  t.Mr.Tr

Chia hai vế cho M1 và thay thế:r = Mr / M1.

Ta = ( TK +  T+  t  r.Tr )/(1 +  r)

Động cơ xăng:  = 0,8 1,00 1,20 1,40

t = 1,13 1,17 1,14 1,11

Động cơ diesel:  = 1,5 -1,8 , t = 1,1

*Động cơ 4 kỳ:

Xăng: Ta = ( 320-370 )OK

Diesel không tăng áp: Ta=(310-350)OK

Diesel tăng áp: Ta=(320 - 400)OK

Ta  mật độ khí nạpmới  M1 

HỆ SỐ NẠP  n

Hệ số nạp dùng để đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình nạp

n = M1/Mh = VK/ Vh

Giả thiết: có 03 giả thiết:

1-Quá trình nạp coi như kết thúc tại điểm a 2-Tỉ nhiệt của khí nạp mới, khí sót và hỗn hợp công tác bằng nhau

3-Sau QT nạp động năng của dòng khí bằng 0

Quay về Các thông số

Phương trình trạng thái chất khí tại điểm a: PaVa = (M1a+Mr)RTa

Lượng khí nạp mới có ở trong xi lanh khi piston ở điểm a (ĐCD, lúc

xi lanh có thể tích Va) là: M1a.

M1a cùng với Mr chiếm đầy Va ở Pa,Ta: Ma = M1a + Mr.

Pa.Va = Ma.R.Ta

Nếu tính luôn cả lượng khí nạp

thêm vào xi lanh cuối quá trình nạp

( từ điểm a cho đến lúc đóng hoàn

toàn soupappe nạp)

 1= 1,02 -1,07 :Hệ số nạp thêm

Phương trình trạng thái của khí nạp mới:PKVK =R.M1.TK=PK.Vh n

 M1 = PK.Vh n / R.TK (2)

Lấy (1) chia (2) ta có:

1+  r=(Pa/PK)(Va/Vh)(TK/Ta)(1/ n)  1

Đ/cơ 2 kỳ: n2 kỳ=  1(Pa/PK)[  ’/(  ’-1)]

[TK/ (Ta(1+  r)]

Trong đó:  ’=(V’h+Vc)/Vc =Tỉ số nén

thực tế của động cơ 2 kỳ Động cơ xăng: n= 0,7 - 0,9

Động cơ diesel không tăng áp:

n= 0,8 - 0,94 Động cơ diesel tăng áp:

n= 0,8 - 0,97

PHÂN TÍCH NHỮNG YẾU TỐ

ẢNH HƯỞNG ĐẾN n

1.Tỉ số nén  :ảnh hưởng của  thông qua tỉ số [  / (  -1)]ít,   SVC giãn nở triệt để hơn  Pr  ,Tr n lên.

Ảnh hưởng của  thông qua  r đến

n :  r từ (0 - 0,3) thì n  43%

2.Aùp suất cuối quá trình nạp Pa

2.Aùp suất cuối quá trình nạp Pa

3.Aùp suất và nhiệt độ trong đường ống nạp (PK,TK)

4.Aùp suất và nhiệt độ khí sót (Pr,Tr)

GÓC ĐỘ PHỐI KHÍ ĐỘNG CƠ BỐN KỲ

d = điểm mở sớm supap nạp.

d’ = điểm đóng muộn supap nạp.

Nếu không có mở sớm đóng muộn (đường -) thì tiết diện lưu thông của supap nạp giảm đi nhiều.

Trên đồ thị tiết diện lưu thông của supap nạp: j  góc mở sớm supap nạp trước ĐCT, j 1 góc đóng muộn supap nạp sau ĐCD.

1 Thời điểm mở supap nạp tốt nhất:d =

điểm mở sớm supap nạp tốt nhất, d1= điểm mở sớm supap nạp quá nhỏ, d2= điểm mở sớm supap nạp quá lớn. Giả sử điểm d’ là điểm

ứng với thời điểm mở sớm supap nạp tốt nhất.

* Nếu giảm góc mở sớm (điểm d1) thì gần ĐCT, tiết diện lưu thông supap giảm và trở lực của khí lưu động trong xi lanh tăng lên, đường cong nạp đi thấp xuống ( -), hiệu suất cơ giới và Ne giảm.

* Nếu tăng góc mở sớm (d2), trở lực supap giảm nhưng khí nạp mới không sạch do lẫn quá nhiều sản vật cháy (độ bẩn tăng lên).

1 Thời điểm đóng supap nạp tốt nhất: d’=

điểm đóng muộn supap nạp tốt nhất, d’1= điểm đóng muộn supap nạp quá nhỏ, d’2= điểm đóng muộn supap nạp quá lớn.

Giả sử điểm d’ là điểm ứng với thời điểm đóng supap nạp tốt nhất.Nếu

ta đóng sớm hơn (d’) thì lượng khí nạp đi vào xi lanh giảm (vì tiết diện lưu thông của supap nạp gần ĐCD nhỏ) và trở lực của khí tăng Kết quả: Đường cong của quá trình nạp đi xuống.

Nếu ta tăng góc đóng muộn supap (d’2) thì lượng khí nạp đi vào xi lanh cũng nhỏ vì lúc đó một phần khí nạp bị đẩy ngược lại ra

xác lập thời

supap nạp tốt nhất là căn cứ vào lượng nạp khí tốt nhất có thể đạt được

trình nạp.

*Nếu mở ST quá sớm ứng với điểm e’ thì tổn thất công giản nở sẽ = diện tích e’bb’e’ là quá lớn mặc dù lúc đó công đẩy khí ra ngoài tương ứng với diện

b’r’co’  xuống nhưng vẫn không bù lại được phần tổn thất công giản nở

Thời điểm mở supap thải tốt nhất:

*Nếu mở quá muộn ứng với e” thì tổn thất công giản nở = diện tích e”bb”  nhưng lúc đó công đẩy khí ra ngoài tương ứng với diện tích dưới b”r” 

lên rất nhiều và quá trình quét sạch khí thải trong xi lanh không được tốt.

Tóm lại: thời điểm mở supap thải tốt nhất là điểm e nằm giữa e’ & e” và được xác định bằng thực nghiệm

e’= điểm đóng muộn supap thải tốt nhất e’1= điểm đóng muộn supap thải quá

nhỏ.

e’2= điểm đóng muộn supap thải quá lớn.

Thời điểm đóng muộn supap thải tốt nhất:

Giả sử điểm d’ là điểm ứng với thời điểm đóng supap thải tốt nhất.

Nếu đóng supap thải sớm hơn (e’1) thì tiết diện lưu thông của supap thải tại vùng ĐCT nhỏ, khí thải sẽ không kịp thải

ra khỏi xi lanh Khi piston đi lên ĐCT, khí sót một phần nào bị nén, khí sót giãn nở, giảm lượng khí nạp mới Do đó giảm nhỏ góc đóng muộn supap thải không có lợi.

Nếu tăng góc đóng muộn supap thải (e’2) thì đường thải đi chúc xuống (đường -) Khí nạp mới sẽ bị bẩn (không sạch) vì supap thải mở quá lâu, sản vật cháy từ ống thải có thể

đi ngược vào xi lanh.

VVT-i  VVT-i (Hệ thống điều khiển phối khí)

Engine ECU (ECM)

Accelerator Pedal Position Sensor

Throttle Valve Position Sensor

DC Motor

• Hệ thống VVT-i

thay đổi góc phối

khí của trục cam

VTEC

B-QUÁ TRÌNH THẢI

Quay về quá trình trao đổi khí

I:DIỂN BIẾN QUÁ TRÌNH THẢI ĐỘNG CƠ 4 KỲ:

1 ĐỘNG CƠ KHÔNG TĂNG ÁP

1.Giai đọan 1:

Trong động cơ 4 kỳ kể từ lúc bắt mở S T (ứng với điểm e) đến lúc áp suất trong xi lanh đạt tới P th (th = tới hạn) thì dòng khí thải lưu động với V th = (600  700)

m / sec Sự lưu động của dòng khí thải với V như thế sẽ gây ra một tiếng ồn rất lớn.

Trong thời gian đó khoảng (60  70)% khí thải đẩy

ra ngoài  P trong xi lanh  rất nhanh và đạt tới

P th lúc piston gần ĐCD

2.Giai đoạn 2:

Kể từ lúc piston đi từ ĐCD  ĐCT : dòng khí thải được chuyển động với v = (200  250) m/s

Trên đồ thị ta thấy: Công tiêu hao cho việc thải khí ra ngoài phụ thuộc rất nhiều vào góc độ phối khí trong QTThải.

Trong OTMK để giảm

tiếng ồn, người ta sử dụng

ống tiêu âm.

Ngoài ra người ta còn lợi

dụng trên đường ống thải

để sử dụng vào sinh hoạt

(Ex: sưởi nóng xe)

Động cơ tăng áp

thời kỳ thải với

vth = (600  700)

m/s kéo dài từ khi

mở sớm ST đến

ĐCT Toàn bộ

đường nạp nằm

trên đường thải

2.ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP

Coi quá trình thải là một QT đa biến

*n= chỉ số đa biến của quá tình thải n = 1,3

III.CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

3 0

1

r

b r

n n

r b

b r

p P

T T

P P

T T

C-DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH QUÉT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ HAI KỲ

Quay về quá trình trao đổi khí

GIAI ĐOẠN 1: THỜI KỲ THẢI TỰ DO

Được tính từ lúc bắt đầu mở cửa thải (ứng với jb ) cho đến lúc khí quét đi vào xi lanh (ứng với jN )

*Trong thời kỳ này áp suất trong xi lanh > áp suất trung bình trên đường ống thải do đó khí thải lưu động qua cửa thải với vận tốc rất lớn.

*Thông thường giảm tổn thất hành trình có ích của piston, người ta mở cửa quét sớm hơn so với điểm N, tức là mở cửa quét tại H (ứng với góc jH ) Lúc đó

P xilanh > P cửa quét  1 phần khí quét đi ngược trở lại cửa quét làm cho t o khí quét tăng và làm bẩn môi chất nạp vào động cơ và giảm thời gian tiết diện của cửa quét Giai đoạn BH (ứng với góc jb , jH ) được gọi là thời kỳ thải sớm.

GIAI ĐOẠN 2: THỜI KỲ THẢI CƯỠNG BỨC (OR THỜI QUÉT KHÍ)

*Trong giai đoạn này cửa quét và thải đều mở, lúc đó khí quét đi vào xi lanh và đẩy SVC ra ngoài, quá trình bắt đầu từ lúc khí quét bắt đầu đi vào xi lanh (ứng với góc jN ) và kết thúc tại điểm đóng kín cửa quét nếu như cửa quét đóng trước hoặc kết thúc tại điểm đóng kín cửa thải nếu như cửa thải đóng trước

*Ở giai đoạn đầu của thời kỳ này do ảnh hưởng của sức hút của dòng khí mà Pxi

lanh vẫn tiếp tục  đến

K nằm dưới Pth sau đó tiếp tục tăng lên và cuối cùng dao động ở chung quanh áp suất PN Giai đoạn này thải từ (30  50)

% SVC

GIAI ĐOẠN 3: THỜI KỲ LỌT KHÍ (Nếu cửa quét đóng trước)

OR THỜI KỲ NẠP THÊM (Nếu cửa thải đóng trước)

Đoạn DA2 ứng với thời kỳ lọt khí (or jD 

jA2),( ja1  jD = ứng với thời kỳ nạp thêm) Theo (H.a), (H.b), (H.c) trong đó:

*diện tích HN2MD = trị số thời gian tiết diện của cửa quét

*diện tích BN’N = trị số thời gian tiết diện ứng với thời kỳ thải tự do.

*diện tích D1DA2 = trị số thời gian tiết diện ứng với thòi kỳ lọt khí

*diện tích A1A’D = trị số thời gian tiết diện ứng với thòi kỳ nạp thêm

D-HỆ THỐNG QUÉT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ HAI KỲ

A-KHÁI NIỆM CHUNG:

Trong động cơ 2 kỳ thì quá trình nạp khí nạp mới vào xi

lanh và thải SVC vào khoảng (120 150) o góc quay trục

khuỷu.

*Quá trình thải SVC trong động cơ 2 kỳ người ta không

dùng piston mà chủ yếu sử dụng nguyên tắc nạp khí mới có áp suất > áp suất trong xi lanh để đẩy SVC ra ngoài,

do đó có sự hòa trộn khí quét với SVC  có 2 hậu quả:

+Có sự hòa trộn khí nạp mới với SVC

+Trong xi lanh có khu vực mà khí quét không đi tới được gọi là khu vực chết.

*Chất lượng của QT thải sạch và nạp đầy môi chất vào xi lanh chủ yếu phụ thuộc đặc điểm hệ thống quét và thải

Quay về quá trình trao đổi khí

Hiện nay có rất nhiều hệ thống quét và thải khác nhau, dựa theo phương hướng vận động dòng khí quét mà người ta chia hệ thống quét và thải của động cơ ra làm 2 loại: quét thẳng, quét vòng.

Trong hệ thống quét vòng thì dòng khí đi theo đường vòng lúc đầu từ phía dưới men theo thành xi lanh đi lên và tới nắp xi lanh thì dòng khí quay đổi chiều 180o và đi xuống ngược với chiều cũ Trong hệ thống này cửa quét và cửa thải đều đặt phía dưới của xi lanh và việc đóng mở chúng là hoàn toàn do piston đảm nhiệm.

*Trong hệ thống quét thẳng vận động của dòng khí quét chỉ hướng theo 1 chiều vì vậy hành trình dòng khí quét trong hệ thống quét thẳng chỉ bằng ½ hành trình trong hệ thống quét vòng Các cơ cấu quét và thải đều đặt ở 2 đầu xi lanh.

HỆ THỐNG QUÉT VÒNG

Dựa theo cách bố trí cửa quét quanh xi lanh người ta chia hệ thống quét vòng như sau:

*Hệ thống quét vòng đặt ngang : trong các cửa thải đặt ngang tiết diện cửa quét

*Hệ thống quét vòng đặt 1 bên: các cửa quét và thải đều đặt 1 bên thành xi lanh

*Hệ thống quét vòng đặt xung quanh:

Trong đó cửa thải và cửa quét đặt khắp chu vi

xi lanh động cơ

*Hệ thống quét vòng đặt hổn hợp: do hổn hợp các hệ thống trên