Nguyên lý động cơ đốt trong

PGS TS Nguyễn Văn Nhận NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Tài liệu lưu hành nội dùng cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật ôtô Trường Đại học Đông Á Đà Nẵng - 2019 Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ Động loại máy có chức biến đổi dạng lượng thành Tuỳ thuộc vào dạng lượng đầu vào điện năng, nhiệt năng, thuỷ năng, v.v., động có tên gọi động điện, động nhiệt, động thuỷ lực, v.v Ơtơ trang bị nhiều loại động khác để dùng vào mục đích khác Động điện thường sử dụng để khởi động động nhiệt, dẫn động máy nén thiết bị lạnh (thiết bị điều hịa khơng khí thiết bị lạnh bảo quản hàng đông lạnh), dẫn động bơm thủy lực hệ thống thủy lực loại xe giới chuyên dụng (xe ủi, xe cẩu, máy xúc, v.v.), dẫn động bánh xe chủ động ôtô điện ôtô hybrid Động nhiệt sử dụng để dẫn động bánh xe chủ động, máy nén, bơm thủy lực, máy phát điện, v.v ôtô Thuật ngữ "động ơtơ" giáo trình hiểu theo nghĩa hẹp động có chức dẫn động bánh xe chủ động ôtô Cho đến nay, gần tất động ôtô thương mại động nhiệt động điện Động nhiệt loại máy có chức biến đổi nhiệt thành Các loại động nhiệt phổ biến không cung cấp nhiệt từ bên cách trực tiếp mà cung cấp nhiên liệu, sau nhiên liệu đốt cháy để tạo nhiệt Căn vào vị trí đốt nhiên liệu, động nhiệt chia thành hai nhóm : động đốt ngồi động đốt Động đốt (External Combustion Engine) loại động nhiệt, nhiên liệu đốt cháy bên ngồi khơng gian cơng tác động Động đốt loại động nhiệt, nhiên liệu đốt cháy trực tiếp khơng gian công tác động cơ, sản phẩm cháy nhiên liệu phần môi chất công tác (MCCT) động Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 Theo cách phân loại loại động có tên thường gọi : động xăng, động diesel, động kỳ, động kỳ, động piston quay, động piston tự do, động phản lực, turbine khí, v.v xếp vào nhóm động đốt trong; cịn động nước kiểu piston, turbine nước, động Stirling, v.v thuộc nhóm động đốt ngồi Tuy nhiên, ấn phẩm chuyên ngành, thuật ngữ "động đốt trong" (Internal Combustion Engine) thường quy ước dùng để riêng loại động đốt cổ điển có cấu truyền lực kiểu piston-thanh truyềntrục khuỷu, piston chuyển động tịnh tiến qua lại xylanh động Các loại động đốt khác thường gọi tên riêng, ví dụ : động piston quay (Rotary - Piston Engine), động piston tự (Free - Piston Engine), động phản lực (Jet Engine), turbine khí (Gas Turbine) Trong giáo trình này, thuật ngữ "động đốt trong" (viết tắt : ĐCĐT) hiểu theo quy ước nói Chiếc ơtơ chạy động điện giới xem Gustave Trouve' (người Pháp) chế tạo vào năm 1881 Đó xe bánh trang bị động điện chiều có cơng suất 0,1 hp với nguồn điện ắcqui axit-chì Trong suốt thời gian từ đến nay, động điện đối thủ cạnh tranh với ĐCĐT với chức nguồn động lực ôtô Nếu xét từ góc độ bảo vệ mơi trường sử dụng ôtô chạy điện sinh từ lượng mặt trời (sau gọi tắt ôtô điện mặt trời) ơtơ chạy bình điện (gọi tắt ôtô điện) giải pháp triệt để cho tình trạng nhiễm khí thải phương tiện giao thông giới Trong thực tế có hàng loạt mẫu ơtơ chạy điện sinh từ pin mặt trời thiết kế chế tạo Tuy nhiên, tất chúng xem biểu tượng khả tâm bảo vệ mơi trường người Cịn nhiều vấn đề kỹ thuật, kinh tế xã hội cần giải để ơtơ điện mặt trời trở thành phương tiện giao thông thông dụng tương lai Trong năm gần đây, ôtô điện chạy bình điện pin nhiên liệu cạnh tranh với nhiều ưu so với ôtô chạy ĐCĐT Về phương diện bảo vệ môi trường, ôtô điện thua xa ôtô điện mặt trời xếp vào loại ơtơ Bản thân bình điện động điện không phát thải gây ô nhiễm môi trường, nhà máy điện chạy than, dầu, khí đốt, v.v lại nguồn gây nhiễm môi trường Tuy nhiên, nhà máy điện thường xây dựng khu vực cách xa thành phố việc sản xuất điện tập trung hạn chế đáng kể mức độ gây ô nhiễm môi trường Chính vậy, ơtơ điện dành cho vị trí quan Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 trọng dự báo phát triển phương tiện giao thông giới tương lai So với ôtô truyền thống (ôtô chạy động xăng, động diesel) ơtơ điện có nhược điểm trữ lượng lượng thấp (khả chứa điện có hạn bình điện số lượng bình điện lắp đặt ơtơ) giá thành cao Trữ lượng lượng thấp (khoảng 100 lần thấp ơtơ truyền thống) làm cho tốc độ, tính tăng tốc cự ly hoạt động hai lần nạp điện ơtơ điện bị hạn chế Ngồi ra, vấn đề nhiễm mơi trường lượng bình điện hết hạn sử dụng xem yếu điểm ôtô điện Với chức nguồn động lực cho xe giới, turbine khí có ưu điểm : cơng suất đơn vị lớn, chạy nhiều loại nhiên liệu khác nhau, lượng chất độc hại khí thải turbine khí thấp so với động xăng diesel tương đương Nhược điểm turbine khí hiệu suất biến đổi lượng thấp chế độ tải nhỏ Động Stirling loại động đốt ngồi ơng Robert Stirling - người Scotland - sáng chế vào năm 1816 Ở thời kỳ đầu phát triển, động Stirling đánh giá cao tính an tồn khơng bị nổ nồi động nước phổ biến vào thời gian Động Stirling trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm với ứng dụng nguồn động lực phát điện máy lạnh Tuy nhiên, sau đời động xăng (1878) diesel (1893), động Stirling sản xuất dần gần bị lãng quên suốt nửa đầu kỷ XX Ưu điểm động Stirling chạy nhiên liệu thể rắn, lỏng, khí lượng mặt trời; lượng phát thải chất độc hại thấp nhiều so với ĐCĐT, độ ồn làm việc thấp, v.v Với ưu điểm kể trên, động Stirling quan tâm nghiên cứu ứng dụng tàu du hành vũ trụ, tàu ngầm, xe giới, v.v Tất loại động kể sử dụng thử nghiệm sử dụng cho xe giới Tuy nhiên nay, có ĐCĐT đánh giá thích hợp làm nguồn động lực cho xe giới nói chung ôtô nói riêng xét phương diện kỹ thuật Ưu điểm ĐCĐT : công suất đơn vị lớn, hiệu suất biến đổi lượng cao, giá thành không cao, thời gian khởi động ngắn, v.v Nhược điểm lớn ĐCĐT chúng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch với trữ lượng có hạn trái đất xả lượng đáng kể chất gây ô nhiễm môi trường Mặc dù vậy, ĐCĐT nguồn động lực độc tôn trang bị cho ôtô khoảng thời gian dài phía trước Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 1.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Mặc dù có hình dáng bên ngồi, tính kỹ thuật, mục đích sử dụng, v.v khác nhau, tất ĐCĐT cấu thành từ phận, cấu hệ thống sau : khung, cấu truyền lực, cấu phân phối khí, hệ thống bơi trơn, hệ thống làm mát, hệ thống nhiên liệu, hệ thống đánh lửa (đối với động xăng), hệ thống tăng áp (đối với động tăng áp), hệ thống tín hiệu-an toàn 14 H.1-1 Sơ đồ cấu tạo động diesel kỳ 1- lọc khơng khí; 2- ống nạp; 3xupap nạp; 4- xupap xả; 5- ống xả; 6- bình giảm thanh; 7- nắp xylanh; 8- xylanh; 9- piston; 10- xecmang; 11- truyền; 12- trục khuỷu; 13- carter; 14- vòi phun nhiên liệu 10 11 12 13 14 15 H 1-2 Sơ đồ cấu tạo động xăng kỳ 10 1- lọc khơng khí; 2- ống nạp; 3- xupap nạp; 4- xupap xả; 5- ống xả; 6- bình giảm thanh; 7- nắp xylanh; 8- xylanh; 9- piston; 10- 11 xecmang; 11- truyền; 12- trục khuỷu; 13- carter; 14- buji; 15- chế hịa khí 12 13 Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 fuel injector buji carburetor blower H 1-3 Sơ đồ cấu tạo H 1-4 Sơ đồ cấu tạo động xăng kỳ động diesel kỳ 1.2.1 BỘ KHUNG CỦA ĐỘNG CƠ Bộ khung bao gồm phận cố định có chức làm nơi lắp đặt che chắn phận khác động Các phận khung ĐCĐT bao gồm : nắp xylanh, khối xylanh, carter, nắp đậy, đệm kín, v.v NẮP XYLANH Nắp xylanh chi tiết đậy kín khơng gian cơng tác động từ phía nơi lắp đặt số phận khác động : xupap, địn gánh xupap, vịi phun, buji, ống dẫn khí nạp, ống dẫn khí thải, v.v Nắp xylanh thường chế tạo từ gang hợp kim nhôm phương pháp đúc Nắp xylanh gang bị biến dạng so với nắp xylanh hợp kim nhôm, nặng dẫn nhiệt Động nhiều xylanh có nắp xylanh chung cho tất xylanh nhiều nắp xylanh riêng cho số xylanh (H 1.6) Nắp xylanh riêng có ưu điểm dễ chế tạo, tháo lắp, sửa chữa biến dạng Nhược điểm nắp xylanh riêng khó bố trí bulơng để liên kết nắp xylanh với khối xylanh, khó bố trí ống nạp ống xả so với nắp xylanh chung Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 H 1-5 Bộ khung ĐCĐT a) b) H 1-6 Nắp xylanh a) nắp xylanh chung; b) nắp xylanh riêng Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 KHỐI XYLANH Các xylanh động nhiều xylanh thường đúc liền thành khối gọi khối xylanh Mặt mặt khối xylanh mài phẳng để lắp vào nắp xylanh carter (H 1.5, H 1.8) Vật liệu để đúc khối xylanh thường gang hợp kim nhôm Một số loại động cơng suất lớn có khối xylanh hàn từ thép Xylanh động làm mát khơng khí có cánh tản nhiệt để tăng khả thoát nhiệt Động làm mát nước có khoang khối xylanh để chứa nước làm mát LĨT XYLANH Lót xylanh phận có chức dẫn hướng piston với mặt nắp xylanh đỉnh piston tạo nên khơng gian cơng tác xylanh Mặt lót xylanh gọi mặt gương xylanh Trong trình động hoạt động, mặt gương xylanh bị mài mòn piston xecmang Tiết diện tròn mặt gương xylanh bị mịn thành tiết diện hình bầu dục làm cho độ kín khơng gian công tác bị giảm sút sau thời gian làm việc Biện pháp khắc phục doa lại cho tròn Nếu lót xylanh đúc liền với khối xylanh (H 1.8a) phải thay khối sau vài lần doa đường kính xylanh lớn thành xylanh q mỏng Vì vậy, lót xylanh thường chế tạo riêng lắp vào khối xylanh (H 1.8b, c) Có thể phân biệt loại lót xylanh : lót xylanh khơ lót xylanh ướt a) b) H 1-7 Lót xylanh a) lót xylanh động kỳ; b) xylanh động làm mát khơng khí Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 10  Lót xylanh khô (H 1.8b) không tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát Phương án sử dụng lót xylanh khơ có ưu điểm khối xylanh cứng vững hơn, yêu cầu độ xác cao gia cơng bề mặt lắp ráp lót khối xylanh  Lót xylanh ướt (H 1.8c) tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát Phần lót xylanh có vịng cao su ngăn không cho nước lọt xuống carter a) b) c) d) H 1-8 Thân động lót xylanh a) lót xylanh đúc liền với khối xylanh; b) lót xylanh khơ; c) lót xylanh ướt; d) thân động Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 11 CARTER Carter phận bao bọc số phận chuyển động chủ yếu động cơ, : trục khuỷu, truyền, trục cam, v.v Phần carter (carter trên) nơi lắp đặt khối xylanh, trục khuỷu, trục cam, v.v Phần carter (carter hay carter nhớt) có chức đậy kín khơng gian động từ phía nơi chứa dầu bơi trơn Đa số động cỡ nhỏ trung bình làm mát nước, có khối xylanh carter đúc liền thành khối gọi thân động (H 1.8d) Ở số động cỡ lớn, carter vừa nơi chứa dầu bôi trơn vừa nơi đặt trục khuỷu phận liên quan 1.2.2 CƠ CẤU TRUYỀN LỰC Cơ cấu truyền lực có chức tiếp nhận áp lực khí không gian công tác xylanh truyền cho hộ tiêu thụ công suất (bánh xe chủ động, máy phát điện, v.v.) biến chuyển động tịnh tiến piston thành chuyển động quay trục khuỷu Các phận cấu truyền lực phận chuyển động động cơ, bao gồm : piston, truyền, trục khuỷu, bánh đà Các phận có liên quan trực tiếp với phận chuyển động kể xem thành phần cấu truyền lực, ví dụ : xecmang, chốt piston, bạc lót cổ chính, bạc lót cổ biên, v.v H 1-9 Cơ cấu truyền lực 1- piston; 2- truyền; 3- trục khuỷu; 4- đối trọng Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 90 Căn vào đặc điểm biến thiên áp suất MCCT xylanh, chia trình cháy động diesel thành giai đoạn (H 4-23) Giai đoạn I - Giai đoạn chậm cháy Giai đoạn chậm cháy kéo dài từ thời điểm nhiên liệu bắt đầu thực tế phun vào buồng đốt (điểm cf) đến thời điểm nhiên liệu phát hoả (điểm ci) Trong giai đoạn diễn hàng loạt trình lý hố nhiên liệu, phá vỡ tia nhiên liệu thành hạt nhỏ, sấy nóng hố hạt nhiên liệu khơng khí nén buồng đốt, hồ trộn nhiên liệu với khơng khí nén, sấy nóng đến nhiệt độ tự phát hoả, phản ứng tiền lửa cuối hình thành trung tâm cháy Đường áp suất cháy giai đoạn chậm cháy trùng với đường nén tốc độ toả nhiệt từ phản ứng tiền lửa nhỏ, chí nhiệt độ áp suất xylanh giảm chút nhiên liệu phun vào buồng đốt phần nhiệt MCCT tiêu hao để hoá nhiên liệu Giai đoạn chậm cháy động diesel kéo dài khoảng vài phần ngàn giây, dài nhiều so với trường hợp động xăng Lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt giai đoạn chậm cháy gI = (30  40) % gct ; gI = 100 % gct số loại động diesel cao tốc Giai đoạn II - Giai đoạn cháy không điều khiển Giai đoạn II kéo dài từ thời điểm đường cháy tách khỏi đường nén (điểm ci) đến thời điểm áp suất cháy đạt đến trị số cực đại pz (điểm z) Trong giai đoạn này, lượng nhiên liệu phun vào giai đoạn chậm cháy (gI) với nhiên liệu phun vào đầu giai đoạn II (g'II) bốc cháy mãnh liệt điều kiện nhiệt độ cao nồng độ oxygen lớn Ngọn lửa từ trung tâm cháy phát triển khắp không gian buồng đốt Tốc độ toả nhiệt lớn điều kiện thể tích khơng gian công tác nhỏ làm cho nhiệt độ áp suất xylanh tăng lên mãnh liệt Đường áp suất dốc nên coi giai đoạn II trình cháy động diesel tương ứng với q trình cấp nhiệt đẳng tích chu trình lý thuyết cấp nhiệt hỗn hợp Các thông số đặc trưng cho giai đoạn cháy không điều khiển bao gồm : áp suất cháy cực đại (pz), tốc độ tăng áp suất trung bình (wpm), tỷ số tăng áp suất  = pz / pc Trị số pz , wpm  phụ thuộc trước hết vào thời điểm phun nhiên liệu, quy luật tạo HHC thời gian chậm cháy Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 91 Giai đoạn III - Giai đoạn cháy có điều khiển Khác với động xăng, trình cháy động diesel có giai đoạn áp suất xylanh trì gần khơng đổi (đoạn z - z'), gọi giai đoạn cháy có điều khiển Đặc điểm kết tác động đồng thời yếu tố : yếu tố làm tăng áp suất nhiên liệu tiếp tục cháy yếu tố làm giảm áp suất thể tích khơng gian cơng tác tăng dần Giai đoạn cháy có điều khiển dài hay ngắn phụ thuộc chủ yếu vào quy luật tạo HHC tốc độ động Ở động thấp tốc, người ta thường kéo dài trình phun nhiên liệu để đảm bảo lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt giai đoạn chậm cháy ít, động làm việc "mềm" Một phần lớn nhiên liệu cháy giai đoạn III nên áp suất cực đại trì thời gian dài Ngược lại, để đảm bảo cho nhiên liệu động cao tốc cháy gần ĐCT, thời gian phun nhiên liệu phải ngắn, phần lớn lượng nhiên liệu chu trình phun vào buồng đốt giai đoạn chậm cháy cháy đầu giai đoạn II Bởi hình dạng đồ thị cơng động diesel cao tốc không khác nhiều so với động xăng Vào cuối giai đoạn III, phần lớn lượng nhiên liệu chu trình cháy, áp suất nhiệt độ xylanh lớn, nồng độ oxygen giảm đáng kể, nồng độ khí trơ (CO2, H2O, ) tăng Nếu chất lượng q trình tạo HHC cháy khơng tốt, có khu vực buồng đốt tập trung nhiều nhiên liệu hạt nhiên liệu chưa hoá hơi; lượng oxygen cịn lại khó tiếp xúc với phân tử nhiên liệu Trong điều kiện thiếu oxygen, áp suất nhiệt độ cao, phân tử nhiên liệu bị phân huỷ thành C, H, làm cho khí thải có màu đen Giai đoạn IV - Giai đoạn cháy rớt Hiện tượng cháy rớt động diesel thường nghiêm trọng động xăng động diesel khó tạo HHC đồng thời gian ngắn Vì vậy, áp dụng nhiều biện pháp để hoá hồ trộn nhanh nhiên liệu với khơng khí buồng đốt, động diesel phải sử dụng hệ số dư lượng khơng khí lớn ( = 1,3  2,0) để đảm bảo cho nhiên liệu cháy hoàn toàn Cháy rớt động diesel gây tác hại động xăng Nguyên nhân làm tăng cháy rớt động diesel góc phun sớm nhỏ, cấu trúc tia nhiên liệu không phù hợp, chuyển động rối MCCT buồng đốt khơng đủ lớn, nhiên liệu có số cetane thấp Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 92 4.5.2 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ DIESEL 1) Tỷ số nén Tăng tỷ số nén có ảnh hưởng tốt đến q trình cháy phương diện nhiệt động học nhiệt độ áp suất thời điểm phun nhiên liệu (Tcf , pcf) tăng, thời gian chậm cháy (i) giảm Tuy nhiên, tăng tỷ số nén làm tăng áp suất cháy cực đại, chi tiết chịu lực phải có kích thước lớn Tiêu chí để chọn tỷ số nén cho động diesel đảm bảo khởi động động điều kiện khai thác 2) Cấu hình buồng đốt Cấu hình buồng đốt yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến chất lượng trình cháy kéo theo hàng loạt tiêu kinh tế-kỹ thuật động , : suất tiêu thụ nhiên liệu, áp suất thị trung bình, tốc độ tăng áp suất áp suất cháy cực đại, độ độc hại khí thải, tính khởi động động cơ, v.v Do đặc điểm trình tạo HHC phát hoả nhiên liệu, buồng đốt động diesel thường có cấu hình phức tạp nhiều so với động xăng Mọi cố gắng hoàn thiện buồng đốt động diesel tập trung trước hết vào vấn đề rút ngắn giai đoạn chậm cháy, hoá nhanh hồ trộn nhiên liệu với khơng khí buồng đốt theo quy luật phù hợp với đặc điểm tổ chức q trình cháy tính kỹ thuật động 3) Tính chất lý hố nhiên liệu Các tính chất lý hố nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến q trình cháy động diesel bao gồm : tính tự bốc cháy, độ nhớt tính hố Hiện nay, tính tự bốc cháy nhiên liệu thường định lượng số cetane (Cetane Number - CN) Nhiên liệu có CN lớn thời gian chậm cháy (i) ngắn Nếu điều kiện khác mà i ngắn lượng nhiên liệu cháy đầu giai đoạn cháy khơng điều khiển hơn, thời gian cháy toàn lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt ngắn Kết động làm việc mềm mà tiêu khác (ví dụ : cơng suất, hiệu suất, độ độc khí thải v.v.) cải thiện Điều đặc biệt có ý nghĩa động cao tốc, thời gian dành cho trình tạo HHC cháy ngắn Như vậy, từ góc độ q trình cháy, nhiên liệu diesel có CN lớn tốt Động diesel có tốc độ quay cao u cầu nhiên liệu phải có CN lớn Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 93 Độ nhớt tính hố nhiên liệu có liên quan trực tiếp đến tốc độ hình thành HHC, từ ảnh hưởng đến diễn biến trình cháy Tuy nhiên thực tế, động diesel chạy loại nhiên liệu có độ nhớt tính hố khác nhau, bao gồm từ xăng đến dầu nặng Sở dĩ có nhiều biện pháp khác để đảm bảo tốc độ tạo HHC trường hợp nhiên liệu có độ nhớt cao tính hố kém, : sấy nóng nhiên liệu, phun nhiên liệu thành hạt nhỏ hơn, tạo chuyển động rối buồng đốt mạnh hơn, sử dụng chất phụ gia giảm sức căng bề mặt ,v.v 4) Cấu trúc tia nhiên liệu, quy luật phun nhiên liệu quy luật tạo HHC  Cấu trúc tia nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến q trình tạo HHC Trong trường hợp tạo HHC kiểu thể tích tuý, cấu trúc tia nhiên liệu có vai trị định việc đảm bảo nhiên liệu hố hơi, hồ trộn nhanh nhiên liệu với khơng khí buồng đốt Nếu tia nhiên liệu ngắn, hạt nhiên liệu lớn tốc độ tạo HHC thấp, lượng nhiên liệu cháy rớt, chí cháy khơng hoàn toàn nhiều Các tia nhiên liệu dài làm cho phần nhiên liệu bám vách buồng đốt kéo theo hàng loạt hậu cháy rớt, cháy khơng hồn tồn, phá huỷ màng dầu bôi trơn thành xylanh, v.v Trong trường hợp khác, ảnh hưởng cấu trúc tia nhiên liệu có mức độ khác tuỳ thuộc vào phương pháp tạo HHC Ví dụ trường hợp sử dụng buồng đốt kiểu M buồng đốt ngăn cách, chất lượng HHC chủ yếu buồng đốt định, cấu trúc tia nhiên liệu giữ vai trò thứ yếu  Quy luật phun nhiên liệu Quy luật tạo HHC khái niệm bao hàm thời gian phun nhiên liệu quy luật phân bố tốc độ phun Quy luật tạo HHC khái niệm bao hàm thời gian tạo HHC quy luật phân bố tốc độ tạo HHC Quy luật tạo HHC yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến trình cháy Với phương pháp tạo HHC kiểu thể tích thơng dụng (tồn lượng nhiên liệu chu trình phun trực tiếp vào buồng đốt hoà trộn với toàn khối khơng khí có buồng đốt) quy luật phun nhiên liệu định quy luật tạo HHC Với số phương pháp tạo HHC khác (ví dụ : tạo HHC kiểu bề mặt buồng đốt kiểu M, buồng đốt ngăn cách ,v.v.), quy luật phun nhiên liệu quy luật tạo HHC khác Có thể tất lượng nhiên liệu chu trình phun vào buồng đốt thời gian ngắn, hố nhiên liệu hồ trộn với khơng khí để bốc cháy lại điều chỉnh theo quy luật khác Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 94 Với điều kiện khác (ví dụ : loại nhiên liệu, lượng nhiên liệu chu trình (gcyc), góc phun sớm (), v.v.) thu đồ thị cơng khác thay đổi quy luật tạo HHC H 4-24 thể ảnh hưởng quy luật phun nhiên liệu đến diễn biến trình cháy trường hợp áp dụng phương pháp tạo HHC kiểu thể tích, coi quy luật tạo HHC trùng với quy luật phun nhiên liệu a) T p z1 z'1 ef z2 ec1 cf ec2 ci i b) z'2  gct.x  cf ci ef  H 4-24 Ảnh hưởng quy luật phun nhiên liệu đến đồ thị công thị động diesel Với quy luật phun (H 4-24b), lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt giai đoạn chậm cháy lớn (gI.1 > gI.2) dẫn đến tốc độ tăng áp suất (wpm) áp suất cháy cực đại (pz) lớn (đồ thị công 1) Kết động làm việc cứng hơn, công MCCT sinh lớn Với quy luật phun 2, động làm việc mềm lượng nhiên liệu cháy giai đoạn dẫn đến wpm pz nhỏ hơn, công suất hiệu suất động giảm lượng nhiên liệu cháy rớt nhiều Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 95 5) Góc phun sớm nhiên liệu () Tương tự động xăng, nhiên liệu động diesel phải phát hoả trước piston tới ĐCT để q trình cháy diễn xung quanh ĐCT Góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm nhiên liệu bắt đầu phun vào buồng đốt đến thời điểm piston tới ĐCT gọi góc phun sớm () H 4-25 thể ảnh hưởng góc phun sớm đến đặc điểm biến thiên áp suất cháy, công suất tiêu thụ nhiên liệu động diesel p [bar] 80 60 40 cf3 cf2 20 cf1 i.3 i.2 i.1 40 §CT 40  [0gqtk] H 4-25 Ảnh hưởng góc phun sớm nhiên liệu đến số thông số công tác động diesel Nếu  lớn, nhiên liệu phun vào buồng đốt áp suất nhiệt độ khơng khí nén cịn thấp, q trình chuẩn bị cho nhiên liệu phát hoả diễn chậm Kết thời điểm phát hoả, buồng đốt tập trung phần lớn lượng nhiên liệu chu trình (gI lớn) Lượng nhiên liệu bốc cháy mãnh liệt điều kiện nồng độ oxy lớn thể tích khơng gian công tác nhỏ, áp suất cháy cực đại (pz) tốc độ tăng áp suất (wpm) lớn động làm việc " cứng " (đường 1) Nếu  nhỏ, động làm việc "mềm" công suất hiệu suất động giảm lượng nhiên liệu cháy rớt nhiều Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 96 Ne Ge ge Ne Ne n1 = 2000 Ne.max n1 = 1500 rpm rpm Ge ge n1 = 100 rpm ge.min opt fs opt opt opt fs H 4-26 Quan hệ opt với Ne , Ge , ge n Trị số góc phun sớm tối ưu (opt) phụ thuộc vào nhiều yếu tố, : cấu hình buồng đốt, tỷ số nén, loại nhiên liệu, chế độ làm việc động , v.v Đối với loại động cụ thể, opt lựa chọn đường thực nghiệm nhà chế tạo quy định tài liệu hướng dẫn khai thác kỹ thuật động Những loại động có chế độ làm việc thường xuyên thay đổi phạm vi rộng thường trang bị thiết bị tự động điều chỉnh góc phun sớm để đảm bảo opt sở xử lý thông số công tác động tốc độ quay, tải, nhiệt độ áp suất khí nạp, v.v 6) Tốc độ quay động (n) Tốc độ quay ảnh hưởng đến trình cháy theo hai chiều trái ngược Tốc độ quay tăng làm tăng chất lượng phun nhiên liệu tăng cường độ chuyển động rối MCCT, điều có ảnh hưởng tốt đến trình cháy Tuy nhiên, tốc độ quay cao góc cháy lớn Nếu tốc độ tạo HHC khơng thoả đáng lượng nhiên liệu cháy rớt tăng nhanh Chính vậy, để nâng cao tốc độ quay động diesel, nguời ta phải áp dụng biện pháp nhằm tăng tốc trình tạo HHC, phát hoả cháy, ví dụ : sử dụng nhiên liệu có số cetane cao, hệ thống phun nhiên liệu kiểu bơm cao áp-vòi phun liên hợp với áp suất phun lớn (tới 1500 bar) để phun nhiên liệu thành hạt nhỏ, buồng đốt ngăn cách để tạo hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng phun thứ cấp chuyển động rối mạnh MCCT, v.v 7) Tải động Tải động ảnh hưởng đến trình cháy theo hai chiều hướng ngược Ở chế độ tải lớn hơn, nhiệt độ áp suất xylanh cao có tác dụng tăng tốc độ cháy Tuy nhiên, để đốt cháy hồn tồn lượng nhiên liệu chu trình lớn cần phải có nhiều thời gian Khác với động xăng, mức độ tăng tốc độ cháy thường không bù đắp hết mức độ tăng thời gian cháy nên động diesel thường phải tăng góc phun sớm tăng tải để đảm bảo yêu cầu cháy gần ĐCT Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 97 4.6 BUỒNG ĐỐT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Buồng đốt nơi diễn trình tạo HHC, phát hoả đốt cháy nhiên liệu Đối với động diesel, buồng đốt phải đáp ứng hai yêu cầu : giảm thời gian chậm cháy tạo HHC đồng thời gian ngắn Trong số trường hợp đặc biệt, buồng đốt cịn có chức thiết lập quy luật tạo HHC phù hợp với đặc điểm cấu tạo hoạt động động Căn vào đặc điểm cấu tạo, chia loại buồng đốt động diesel thành nhóm : buồng đốt thống buồng đốt phân cách 4.6.1 BUỒNG ĐỐT THỐNG NHẤT Buồng đốt thống nhất, gọi buồng đốt mở buồng đốt phun nhiên liệu trực tiếp, có tồn thể tích bố trí khơng gian thống nhất, tồn lượng nhiên liệu chu trình phun trực tiếp vào khơng gian Các yêu cầu đặt buồng đốt thực buồng đốt thống biện pháp sau : - Phối hợp cấu trúc vĩ mơ tia nhiên liệu với hình dạng kích thước buồng đốt (H 4.26a); - Bố trí đường ống nạp cửa nạp theo phương tiếp tuyến (H 4-26b); - Dùng xupap nạp có chắn (H 4-26b); - Khoét lõm đỉnh piston nắp xylanh (H 4-26c) Biện pháp tạo HHC cách phối hợp cấu trúc vĩ mơ tia nhiên liệu với kích thước hình dạng buồng đốt sử dụng từ thời kỳ đầu lịch sử phát triển động diesel Tuy nhiên, biện pháp thoả mãn động thấp tốc Bố trí cửa nạp theo phương tiếp tuyến thường áp dụng cho động kỳ quét thẳng Biện pháp tạo vận động xốy lốc mạnh khơng khí xylanh có tác dụng nâng cao chất lượng trình cháy Đối với động kỳ, bố trí đường ống nạp theo phương tiếp tuyến dùng xupáp nạp có chắn để tạo vận động xốy khơng khí Trong thực tế, biện pháp có tác dụng hỗ trợ Hiện người ta dùng xupáp nạp có chắn làm tăng sức cản khí động đường ống nạp xupap nạp dễ bị biến dạng Khoét lõm đỉnh piston nắp xylanh làm cho phần khơng khí khe hở đỉnh piston nắp xylanh bị nén bị dồn vào vùng khoét lõm, qua tạo vận động rối khơng khí vào cuối trình nén Biện pháp sử dụng rộng rãi cho động kỳ kỳ Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 98 a) c) b) H 4-26 Buồng đốt thống So với kiểu buồng đốt phân cách, buồng đốt thống có ưu điểm sau : (1) Suất tiêu thụ nhiên liệu động thấp tổn thất nhiệt qua vách buồng đốt khơng có tổn thất lượng cho việc đẩy MCCT qua lỗ thơng buồng đốt phụ; (2) Động dễ khởi động hơn; (3) Cấu tạo nắp xylanh đơn giản Nhược điểm kiểu buồng đốt thống : (1) Phải sử dụng hệ số dư lượng khơng khí cao ( = 1,7  2,0) đảm bảo cho nhiên liệu cháy hồn tồn, áp suất trung bình chu trình thấp hơn; (2) Động với buồng đốt thống thường phải trang bị hệ thống phun nhiên liệu với vòi phun nhiều lỗ áp suất phun cao (pfo > 170 bar) để đảm bảo chất lượng phun cần thiết; (3) Động nhậy cảm với thay đổi chất lượng nhiên liệu chế độ làm việc yếu tố có ảnh hưởng mạnh trực tiếp đến chất lượng phun nhiên liệu; 4) Động làm việc "cứng" tốc độ tăng áp suất áp suất cực đại có trị số lớn tác dụng trực tiếp lên đỉnh piston Với ưu điểm nhược điểm trên, buồng đốt thống thường sử dụng cho động thấp tốc trung tốc, công suất lớn Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 99 4.6.2 BUỒNG ĐỐT PHÂN CÁCH Buồng đốt phân cách loại buồng đốt tích chia làm hai nhiều khơng gian, khơng gian thơng với vài lỗ có tiết diện lưu thơng nhỏ Cho đến nay, có kiểu buồng đốt phân cách thơng dụng buồng đốt xoáy lốc buồng đốt trước H 4-27 Buồng đốt xoáy lốc (a) Buồng đốt trước (b) 4.6.2.1 BUỒNG ĐỐT XOÁY LỐC Đặc điểm cấu tạo Buồng đốt xoáy lốc phân thành phần gọi buồng đốt buồng đốt phụ Buồng đốt phần khơng gian giới hạn đỉnh piston, mặt nắp xylanh thành xylanh Buồng đốt phụ thường có dạng vật trịn xoay, bố trí nắp xylanh thân động Khái niệm "chính", "phụ" mang tính quy ước thể tích buồng đốt phụ chiếm tới 50  80 % tổng thể tích buồng đốt Buồng đốt phụ thơng với lỗ thơng bố trí theo phương tiếp tuyến với buồng đốt phụ Hầu hết kiểu buồng đốt xốy lốc có chi tiết gọi nắp buồng đốt bố trí đường lưu thơng khí từ buồng đốt vào buồng đốt phụ Nắp buồng đốt chế tạo vật liệu chịu lửa, làm mát để nhiệt độ đạt tới 700  900 0C thời gian động hoạt động Tồn lượng nhiên liệu chu trình phun vào buồng đốt phụ Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 100 Nguyên lý hoạt động buồng đốt xốy lốc Q trình hình thành HHC buồng đốt xốy lốc diễn sau : Trong q trình nén, khơng khí từ buồng đốt đẩy vào buồng đốt phụ Dịng khí lưu động với vận tốc lớn qua họng thông theo phương tiếp tuyến tạo vận động xoáy lốc mạnh buồng đốt phụ Dưới tác dụng vận động xoáy lốc tác dụng sấy nóng nắp buồng đốt, q trình chuẩn bị cho nhiên liệu phát hoả diễn nhanh sau nhiên liệu phun vào buồng đốt phụ Tồn giai đoạn cháy khơng điều khiển diễn buồng đốt phụ làm cho nhiệt độ áp suất tăng lên nhanh Sự chênh lệch áp suất buồng đốt phụ hình thành, sản phẩm cháy nhiên liệu chưa cháy phun từ buồng đốt phụ buồng đốt Q trình cháy tiếp tục kết thúc nhanh chóng buồng đốt Hoạt động buồng đốt xốy lốc tạo hiệu sau : - Tạo vận động xoáy lốc mạnh khí buồng đốt phụ vào cuối q trình nén; - Sấy nóng khơng khí lưu thơng từ buồng đốt vào buồng đốt phụ; - Phun nhiên liệu từ buồng đốt phụ buồng đốt (phun thứ cấp) Dưới tác dụng tổng hợp hiệu trên, thời gian chậm cháy rút ngắn nhiều, nhiên liệu khơng khí hồ trộn nhanh so với trường hợp buồng đốt thống Ngoài ra, tác dụng tiết lưu họng thông nên tốc độ tăng áp suất áp suất cực đại buồng đốt có trị số thấp (wpm = 3,0  5,0 bar/ gqtk, pz = 55  65 bar) so với trường hợp buồng đốt thống 4.6.2.2 BUỒNG ĐỐT TRƯỚC Đặc điểm cấu tạo Buồng đốt trước, cịn gọi buồng đốt dự bị, có đặc điểm cấu tạo tương tự buồng đốt xoáy lốc Buồng đốt phụ buồng đốt trước tích 25  40 % tổng thể tích buồng đốt thường bố trí nắp xylanh Buồng đốt phụ thơng với vài lỗ thơng có tiết diện lưu thơng nhỏ Tồn lượng nhiên liệu chu trình phun vào buồng đốt phụ Nguyên lý hoạt động buồng đốt trước Quá trình hình thành HHC buồng đốt trước diễn sau : piston thực hành trình nén, khơng khí từ buồng đốt đẩy vào buồng đốt phụ Do lỗ thơng có tiết diện lưu thơng nhỏ nên hiệu số áp suất buồng đốt phụ đạt tới trị số lớn (p =  bar) Sự chênh lệch áp suất tạo vận động rối mạnh khí buồng đốt phụ làm cho nhiên liệu hoá hồ trộn nhanh với khơng khí sau phun vào buồng đốt phụ Sau nhiên liệu phát hoả, nhiệt độ áp suất buồng đốt phụ tăng lên nhanh, sản phẩm cháy nhiên Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 101 liệu chưa cháy phun từ buồng đốt phụ buồng đốt Q trình cháy tiếp diễn kết thúc nhanh buồng đốt Dưới tác dụng vận động rối, hiệu sấy nóng nắp buồng đốt phun thứ cấp, thời gian chậm cháy cháy động với buồng đốt trước ngắn nhiều so với buồng đốt thống Động với buồng đốt trước làm việc với độ ồn thấp, phụ tải học tác dụng lên cấu truyền lực nhỏ Nguyên nhân giai đoạn cháy không điều khiển diễn buồng đốt phụ tác dụng tiết lưu lỗ thông nên tốc độ tăng áp suất áp suất cực đại buồng đốt thấp ( wpm = 2,0  3,5 bar / gqtk, pz = 45  60 bar) so với buồng đốt xoáy lốc buồng đốt thống 4.6.2.3 ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA BUỒNG ĐỐT PHÂN CÁCH So với trường hợp buồng đốt thống nhất, động trang bị buồng đốt phân cách có ưu, nhược điểm sau : Ưu điểm (1) Động làm việc với hệ số dư lượng khơng khí nhỏ ( = 1,2  1,4), áp suất có ích trung bình chu trình cơng tác tương đối lớn (pe = 6,5  7,5 bar) (2) Chỉ cần trang bị cho động hệ thống phun nhiên liệu với vòi phun lỗ áp suất phun thấp (pfo = 80  130 bar) (3) Động nhậy cảm với thay đổi chất lượng nhiên liệu chế độ làm việc Nhược điểm (1) Suất tiêu thụ nhiên liệu động cao thêm phần tổn thất lượng cho việc lưu thơng khí buồng đốt phụ, tăng tổn thất nhiệt cho mơi chất làm mát bề mặt làm mát tương đối buồng đốt phân cách lớn (g e = 250  290 g/kW.h buồng đốt xoáy lốc, ge = 260  300 g/kW.h buồng đốt trước, ge = 210  230 g/kW.h buồng đốt thống nhất) (2) Động khó khởi động tổn thất nhiệt truyền qua vách buồng đốt lớn hơn, chất lượng phun nhiên liệu (với hệ thống phun nhiên liệu có vịi phun lỗ áp suất phun thấp) Để đảm bảo khởi động động trạng thái lạnh, động với buồng đốt phân cách thường có tỷ số nén cao trang bị buji khởi động (3) Cấu tạo nắp xylanh phức tạp Với ưu điểm nhược điểm kể trên, buồng đốt phân cách thường sử dụng cho động có tốc độ quay cao cơng suất nhỏ Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo dục [2] Hoàng Xuân Quốc (1996), Hệ thống phun xăng điện tử dùng xe du lịch, NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi (2010), Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles (Fundamentals, Theory, and Design), International Standard Book Number : 978-1-4200-5398-2 (Hardback), CRC Press Taylor & Francis Group (Second Edition) [4] V Arkhangelski, M Khovakh, et all (1979), Motor vehicle engine, Mir Publishers - Moscow Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 103 MỤC LỤC Trang Chương : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ÔTÔ 1.1 Định nghĩa phân loại động ôtô 1.2 Đặc điểm cấu tạo động đốt 1.3.1 Bộ khung động 1.3.2 Cơ cấu truyền lực 11 1.3.3 Cơ cấu nạp - xả 17 1.3.4 Hệ thống bôi trơn 18 1.3.5 Hệ thống làm mát 20 1.3 Một số thuật ngữ khái niệm 21 1.4 Nguyên lý hoạt động ĐCĐT 24 1.4.1 Động diesel kỳ 24 1.4.2 Động xăng kỳ 27 1.4.3 Động xăng kỳ 27 1.4.4 Động diesel kỳ 28 1.5 So sánh loại ĐCĐT 28 1.5.1 So sánh động kỳ động kỳ 28 1.5.2 So sánh động xăng động diesel 29 Chương : TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐCĐT 30 2.1 Tốc độ 30 2.2 Tải 32 2.3 Hiệu suất 35 2.4 Cường độ làm việc 38 Chương : QUÁ TRÌNH NẠP - XẢ 39 3.1 Các thông số đặc trưng trình nạp - xả 39 3.2 Quá trình nạp - xả động kỳ 45 3.2.1 Diễn biến thông số đặc trưng 45 3.3.2 Ảnh hưởng góc phối khí 47 3.3 Quá trình nạp - xả động kỳ 50 3.3.1 Khái niệm chung 50 3.3.2 Các hệ thống quét - xả điển hình 51 3.3.3 Diễn biến trình nạp - xả động kỳ 52 Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 104 Chương : QUÁ TRÌNH CHÁY 56 4.1 Khái niệm 56 4.2 Các thông số đặc trưng trình cháy 62 4.2.1 Thời gian chậm cháy 62 4.2.2 Tốc độ cháy 64 4.2.3 Tốc độ tăng áp suất 68 4.3 Quá trình tạo hỗn hợp cháy 69 4.3.1 Đặc điểm trình tạo hỗn hợp cháy 69 4.3.2 Chất lượng tạo HHC động xăng 70 4.3.3 Chất lượng tạo HHC động diesel 72 4.4 Quá trình cháy động xăng 75 4.4.1 Diễn biến thông số đặc trưng 75 4.4.2 Những tượng cháy khơng bình thường động xăng 76 4.4.3 Những yếu tố ảnh hưởng 81 4.4.4 Yêu cầu trình cháy động xăng 88 4.5 Quá trình cháy động diesel 89 4.5.1 Diễn biến thông số đặc trưng 89 4.5.2 Những yếu tố ảnh hưởng 92 4.6 Buồng đốt động diesel 97 4.6.1 Buồng đốt thống 97 4.6.2 Buồng đốt phân cách 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 MỤC LỤC 103 Assoc Prof Ph.D Nguyễn Văn Nhận - Dong A University - Internal Combustion Engine - 2019 ... Internal Combustion Engine - 2019 25 a) p z b) §CT cf r1 d1 c cf b a r Vs a1 V §CT §CD b1 §CD c) p z c cf r 00 §CT a 1800 §CD 3600 §CT b r 5400 7200 §CD  §CT H 1-26 Đồ thị biểu diễn chu trình c? ?ng... truyền, tr? ?c khuỷu, bánh đà C? ?c phận c? ? liên quan tr? ?c tiếp với phận chuyển động kể xem thành phần c? ??u truyền l? ?c, ví dụ : xecmang, chốt piston, b? ?c lót c? ?? chính, b? ?c lót c? ?? biên, v.v H 1-9 C? ? c? ??u truyền... động c? ?? lớn, carter vừa nơi chứa dầu bôi trơn vừa nơi đặt tr? ?c khuỷu phận liên quan 1.2.2 C? ? C? ??U TRUYỀN L? ?C Cơ c? ??u truyền l? ?c có ch? ?c tiếp nhận áp l? ?c khí khơng gian c? ?ng t? ?c xylanh truyền cho