LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TR NG I H C NHA TRANG 1959 PGS TS Nguy n V n Nh n Lý thuy t (Tài li u l u hành n i b ) Nha trang - 2010 Ch ng T NG QUAN V 1.1 NG C NH NGH A VÀ PHÂN LO I NG CƠ T TRONG T TRONG ng c m t lo i máy có ch c n ng bién i m t d ng n ng l ng ó thành c n ng Tu thu c vào d ng n ng l ng u vào i n n ng, nhi t n ng, thu n ng,v.v ng i ta phân lo i ng c thành ng c i n, ng c nhi t, ng c thu l c,v.v ng c t m t lo i ng c nhi t, t c lo i máy có ch c n ng bién i nhi t n ng thành c n ng Các lo i ng c nhi t ph bi n hi n không c cung c p nhi t n ng t bên m t cách tr c ti p mà c cung c p nhiên li u, sau ó nhiên li u c t cháy t o nhi t n ng C n c vào v trí t nhiên li u, ng i ta chia lo i ng c nhi t thành hai nhóm : ng c t ng c t ng c t trong, nhiên li u c t cháy tr c ti p không gian công tác c a ng c c ng t i ó di n q trình chuy n hoá nhi t n ng thành c n ng ng c t ngoài, nhiên li u c t cháy lò t riêng bi t c p nhi t cho mơi ch t cơng tác (MCCT), sau ó MCCT c d n vào không gian công tác c a ng c th c hi n q trình chuy n hố nhi t n ng thành c n ng Theo cách phân lo i nh lo i ng c có tên th ng g!i nh : ng c x ng, ng c diesel, ng c piston quay, ng c piston t do, ng c ph"n l c, ng c t ; ng c h i n $c turbine khí #u có th c x p vào nhóm ki u piston, turbine h i n $c, ng c Stirling thu c nhóm ng c t ngồi Tuy nhiên, tài li u chuyên ngành, thu t ng% " ng c t trong" (Internal Combustion Engine) th ng c dùng ch& riêng lo i ng c t c i n có c c u truy#n l c ki u piston-thanh truy#n-tr'c khu u, ó piston chuy n ng t nh ti n qua l i xylanh c a ng c Các lo i ng c t khác th ng c g!i b(ng tên riêng , ví d' : ng c piston quay (Rotary Engine), ng c piston t (Free Piston Engine), ng c ph n l c (Jet Engine), turbine khí (Gas Turbine) Trong giáo trình này, thu t ng% ng c t (vi t t)t : C T) c ng c hi u theo quy $c nói C T có th c phân lo i theo tiêu chí khác (B"ng 1.1-1) C n c vào nguyên lý ho t ng, có th chia ng c diesel , ng c k PGS TS C T thành lo i : ng c phát ho" b(ng tia l*a , ng c k Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - B ng 1.1-1 Phân lo i t ng quát Tiêu chí phân lo i t Phân lo i - ng c ch y b(ng nhiên li u l+ng d bay h i nh : x ng, alcohol, benzol, v.v ng c ch y b(ng nhiên li u l+ng khó bay h i, nh : gas oil, mazout, v.v ng c ch y b(ng khí t ng c phát ho" b(ng tia l*a ng c diesel ng c semidiesel ng c k ng c k ng c không t ng áp ng c t ng áp ng c m t hàng xylanh ; ng c hình ; hình ch% V, W, H, ng c có xylanh th-ng ng, ngang, nghiêng ng c th p t c, trung t c cao t c ng c cơng su t nh+, trung bình l$n ng c xe c gi$i ng b ng c thu ng c máy bay ng c t.nh t i Lo i nhiên li u Ph ng pháp phát ho" nhiên li u Cách th c th c hi n chu trình cơng tác Ph ng pháp n p khí m$i vào không gian công tác ,c i m k t c u Theo tính n ng Theo cơng d'ng • ng c ng c phát ho b ng tia l a (Spark Ignition Engine) lo i ng theo nguyên lý : nhiên li u c phát ho" b(ng tia l*a C T ho t c sinh t ngu/n nhi t bên ngồi khơng gian cơng tác c a xylanh Chúng ta có th g,p nh%ng ki u ho" b(ng tia l*a v$i nh%ng tên g!i khác nhau, nh : ng c phun x ng, bên , ng c ng c x ng, t cháy c ng c Otto , ng b c, ng c phát ng c carburetor, ng c hình thành h n h p cháy t ng c gas, v.v Nhiên li u dùng cho ng c phát ho" b(ng tia l*a th ng lo i l+ng d bay h i, nh : x ng, alcohol, benzol , khí hố l+ng ,v.v ho,c khí t Trong s nhiên li u k trên, x ng lo i k th u l ch s* phát tri n lo i ng c dùng ng c g!i chung ki u ho" b(ng tia l*a, ng c ga - c s* d'ng ph bi n nh t t th i n Vì v y, thu t ng% " ng c ch y b(ng nhiên li u l+ng ng c ch y b(ng nhiên li u khí Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) c phát c phát ho" b(ng tia l*a PGS TS ng c x ng" - • ng c diesel (Diesel Engine) lo i nhiên li u t phát ho" nhi t c phun vào bu/ng cao Nguyên lý ho t # xu t vào n m 1882 C T ho t ng theo nguyên lý : t ch a khơng khí b nén n áp su t ng nh ông Rudolf Diesel - k0 s ng nhi#u n $c, ng c diesel c g!i i c- ng c phát ho b ng cách nén (Compression - Ignition Engine) • ng c k - lo i C T có chu trình cơng tác c hồn thành sau hành C T có chu trình cơng tác c hồn thành sau hành trình c a piston • ng c k - lo i trình c a piston PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - 1.2 M T S THU T NG VÀ KHÁI NI M THÔNG D NG 1) Tên g i m t s b ph n c b n H.1.2-1 S c u t o ng c diesel k 1- L c khơng khí, 2- ng n p, 3- Xupap n p, 4- Xupap x , 5- ng x , 6- Bình gi m thanh, 7- N p xylanh, 8- Xylanh, 9- Piston, 10- Xecmang, 11- Thanh truy n, 12- Tr c khu u, 13- Cacte, 14- Vòi phun nhiên li u 2) i m ch t, i m ch t trên, i m ch t dư i • i m ch t v trí c a c c u truy#n l c, t i ó dù tác d'ng lên &nh piston m t l c l$n c ng khơng làm cho tr'c khu u quay • i m ch t ( CT) v trí c a c c u truy#n l c, t i ó piston cách xa tr'c khu u nh t • i m ch t d i ( CD) v trí c a c c u truy#n l c, t i ó piston g n tr'c khu u nh t 3) Hành trình c a piston (S) - kho"ng cách gi%a CT CD 4) Không gian công tác c a xylanh - kho"ng không gian bên xylanh c gi$i h n b i : &nh piston, n)p xylanh thành xylanh Th tích c a không gian công tác c a xylanh (V) thay i piston chuy n ng 5) Bu ng t (VC) - ph n không gian công tác c a xylanh piston PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - CT 6) Dung tích cơng tác c a xylanh (VS) - th tích ph n khơng gian cơng tác c a xylanh c gi$i h n b i hai m,t ph-ng vng góc v$i ng tâm c a xylanh i qua CT , CD : VS = ó : D - π ⋅ D2 ⋅S (1.1-1) ng kính c a xylanh; S - hành trình c a piston H 1.2-2 CT, CD th tích khơng gian cơng tác c a xylanh 7) T s nén (εε) - t s gi%a th tích l$n nh t c a không gian công tác c a xylanh (Va) th tích c a bu/ng t (Vc) ε= Va VS + VC = VC VC (1.1-2) 8) Môi ch t công tác (MCCT) - ch t có vai trị trung gian trình bi n i nhi t n ng thành c n ng nh%ng giai o n khác c a chu trình cơng tác, MCCT có thành ph n, tr ng thái khác c g!i b(ng nh%ng tên khác nh khí m$i, s"n ph1m cháy, khí th"i, khí sót , h2n h p cháy, h2n h p khí cơng tác • Khí m i - (cịn g!i Khí n p) - khí c n p vào không gian công tác c a xylanh qua c*a n p ng c diesel, khí m$i khơng khí ; ng c x ng, khí m$i h2n h p khơng khí-x ng • S n ph m cháy - nh%ng ch t c t o thành q trình t cháy nhiên li u khơng gian cơng tác c a xylanh, ví d' : CO2 , H2O , CO , SO2 , NOx , v.v • Khí th i - h2n h p ch t c th"i kh+i không gian công tác c a xylanh sau ã dãn n sinh c n ng Khí th"i c a ng c t g/m có : s"n ph1m cháy, nit (N2) oxy (O2) cịn d • Khí sót - ph n s"n ph1m cháy cịn sót l i khơng gian cơng tác c a xylanh sau c c u x" ã óng hồn tồn PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - • H n h p cháy (HHC) - h2n h p c a nhiên li u khơng khí • H n h p khí cơng tác - h2n h p nhiên li u - khơng khí - khí sót 9) Q trình cơng tác - q trình thay i tr ng thái thành ph n c a MCCT xylanh di n m t giai o n ó c a chu trình cơng tác 10) Chu trình cơng tác (CTCT) - t ng c ng t t c" q trình cơng tác di n kho"ng th i gian t ng ng v$i m t l n sinh công m t xylanh 11) th! công - / th bi u di n s thay i c a áp su t c a MCCT xylanh theo th tích c a khơng gian cơng tác ho,c theo góc quay c a tr'c khu u p z c cf po r b a Vc Vs ÐCT V ÐCD ϕ H 1.2-3 PGS TS th! công c a Nguy n V n Nh n - NG C ng c k T TRONG (1) - 1.3 CÁC B PH N CƠ B"N C#A C T Tuy có hình dáng bên ngồi, kích th $c s l ng chi ti t r t khác nhau, nh ng t t c" C T #u có b ph n h th ng c b"n sau ây : 1) B khung 2) H th ng truy#n l c 3) H th ng n p - x" 4) H th ng nhiên li u 5) H th ng bôi tr n 6) H th ng làm mát 7) H th ng kh i ng Ngoài ra, m t s c"nh báo-b"o v ,v.v ng c cịn có thêm h th ng i n, h th ng t ng áp, h th ng 1.3.1 B KHUNG C#A NG CƠ B khung bao g/m b ph n c nh có ch c n ng che ch)n ho,c n i l)p ,t b ph n khác c a ng c Các b ph n c b"n c a b khung c a C T bao g/m : n)p xylanh , kh i xylanh , cacte n)p y, m kín, bulơng, v.v H 1.3-1 B khung c a C T 1- N p xylanh, 2- Kh i xylanh, 3- Cacte trên, 4- Cacte d PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - i 1.3.1.1 N$P XYLANH N p xylanh chi ti t y kín khơng gian cơng tác c a ng c t phía n i l)p ,t m t s b ph n khác c a ng c nh : xupap, òn gánh xupap, vịi phun ho,c buji, ng góp khí n p, ng góp khí th"i, van kh i ng, v.v N)p xylanh th ng c ch t o t gang ho,c h p kim nhôm b(ng ph ng pháp úc N)p xylanh b(ng gang b bi n d ng h n so v$i n)p xylanh b(ng h p kim nhôm, nh ng n,ng h n d n nhi t h n ng c nhi#u xylanh có th có n)p xylanh chung cho t t c" xylanh ho,c nhi#u n)p xylanh riêng cho ho,c m t s xylanh N)p xylanh riêng có u i m d ch t o, tháo l)p, s*a ch%a b bi n d ng h n Nh c i m c a n)p xylanh riêng khó b trí bulơng liên k t n)p xylanh v$i kh i xylanh, khó b trí ng n p ng x" h n so v$i n)p xylanh chung H 1.3-2 N p xylanh a) N p xylanh chung, b) N p xylanh riêng 1.3.1.2 KH I XYLANH Các xylanh c a ng c nhi#u xylanh th ng c úc li#n thành m t kh i g!i kh i xylanh M,t m,t d $i c a kh i xylanh c mài ph-ng l)p vào n)p xylanh cacte Vách c a xylanh c doa nh3n, th ng g!i m,t g ng c a xylanh V t li u úc kh i xylanh th ng gang ho,c h p kim nhôm M t s lo i ng c cơng su t l$n có kh i xylanh c hàn t t m thép Xylanh c a ng c c làm mát b(ng khơng khí có cánh t"n nhi t t ng kh" n ng thoát nhi t ng c c làm mát b(ng n $c có khoang kh i xylanh ch a n $c làm mát PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - 1.3.1.3 LĨT XYLANH H 1.3-3 Lót xylanh a) Lót xylanh c a ng c k , b) Xylanh c a ng c c làm mát b ng khơng khí Lót xylanh m t b ph n có ch c n ng d n h $ng piston v$i m,t d $i c a n)p xylanh &nh piston t o nên không gian công tác c a xylanh Trong trình ng c ho t ng, m,t g ng c a xylanh b mài mòn b i piston xecmang Ti t di n tròn c a m,t g ng xylanh s4 b mòn thành ti t di n hình b u d'c làm cho kín c a không gian công tác b gi"m sút sau m t th i gian làm vi c, Bi n pháp kh)c ph'c doa l i cho tròn N u lót xylanh c úc li#n v$i kh i xylanh (H 1.3-4a) ph"i thay c" kh i sau vài l n doa ng kính xylanh ã l$n thành xylanh q m+ng Vì v y, lót xylanh th ng c ch t o riêng r/i l)p vào kh i xylanh (H 1.3-4b, c) Có th phân bi t lo i lót xylanh : lót xylanh khơ lót xylanh t • Lót xylanh khơ (H 1.3-4b) khơng ti p xúc tr c ti p v$i n $c làm mát Ph ng án s* d'ng lót xylanh khơ có u i m kh i xylanh c ng v%ng h n, nh ng yêu c u xác cao h n gia công b# m,t l)p ráp c a lót kh i xylanh • Lót xylanh t (H 1.3-4c) ti p xúc tr c ti p v$i n $c làm mát Ph n d $i c a lót xylanh có vịng cao su ng n không cho n $c l!t xu ng cacte (H 1.3-4d) PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - gian bu/ng t sau tr'c khu u quay c 30 (H 5.4-8a) , tr ng h p th hai sau 40 (H 5.4-8b) K t qu" t c cháy kh" n ng xu t hi n kích n tr ng t ng áp su t tr ng h p th nh t cao h n nh ng h p k s4 khác T c kh" n ng kích n th p h n th i gian mà ph n hồ khí sau ch u tác d'ng c a áp su t nhi t cao ng)n h n ϕ ϕ ϕ H 5.4-6 0nh h )ng c a c u hình bu ng t v! trí buji n di-n bi n trình cháy H 5.4-7 S lan truy n ng n l,a bu ng t Ricardo H 5.4-8 S lan truy n ng n l,a bu ng t ph thu c vào v! trí +t buji 3) Lo2i nhiên li+u Nh%ng tính ch t c a nhiên li u có "nh h ng tr c ti p nh t ng c x ng bao g/m tính ch ng kích n tính hố h i n q trình cháy • Tính ch ng kích n c a nhiên li u kh" n ng "m b"o cho ng!n l*a lan truy#n t cháy ph n HHC phía tr $c ng!n l*a m t cách #u ,n mà khơng gây kích n Ph ng pháp nh l ng tính ch ng kích n c s* d'ng ph bi n nh t hi n xác nh s octane (Octane Number - ON) c a nhiên li u Nhiên li u dùng PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - cho ng c x ng hi n i th ịng ph"i lo i có tính ch ng kích n t t nh%ng lo i ng c có t s nén cao "m b"o có su t tiêu th' nhiên li u th p • Tính hoá h i c a nhiên li u thu t ng% bi u t khái ni m bao hàm kh" n ng d hoá h i, ph m vi nhi t sôi hàm l ng thành ph n có nhi t sơi khác m u th* Tính hố h i có "nh h ng tr c ti p n q trình cháy, qua ó "nh h ng n tính n ng kh i ng l nh, kh i ng nóng, ch y khơng t"i, t ng t c th i gian ch y m máy, v.v 4) Thành phFn c a h=n h-p cháy Thành ph n HHC ( λ ) có "nh h ng tr c ti p n t c ph"n ng hoá h!c gi%a nhiên li u oxy qua ó "nh h ng n thông s công tác khác c a ng c • "nh hư6ng c a λ n hi+u su t lý thuy t ( ηt ) Hi u su t c a chu trình lý thuy t c a ng c x ng c xác nh b(ng công th c (xem m'c 2.2) : ηt⋅V = Wt = − k −1 Q1 ε vùng HHC m (λ ≤ 1), ηt gi"m m nh theo chi#u gi"m c a λ ph n nhiên li u cháy khơng hồn tồn t ng vùng HHC lỗng (λ ≥ 1), nhiên li u cháy hồn tồn l ng nhi t chu trình khơng i (Q1 = const) M,t khác, theo chi#u t ng c a λ vùng λ ≥ 1, nhi t dung riêng c a MCCT s4 gi"m c" l ng nhi t chu trình ng v$i n v s l ng khí m$i, nhi t c a MCCT trình cháy dãn n , hàm l ng t ng i c a khí nhi#u nguyên t* (CO2 , H2O) #u gi"m K t qu" h s o n nhi t (k) s4 t ng ôi chút làm cho hi u su t lý thuy t (ηt) t ng nh6 theo chi#u t ng c a λ η& η# η& η# 0 0 0 λ H 5.4-9 0nh h )ng c a λ n ηt ηi 1- v i t i b ph(n, 2- v i 100 % t i, 3- v i hai bougie cho m i xylanh, 4- v i khí m i phân l p , 5- v i bu ng t tr c PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - • "nh hư6ng n hi+u su t ch4 th! ( ηi ) Hi u su t nhi t c a chu trình th c, t c hi u su t ch& th (ηi) c ng s4 t ng c làm loãng d n hi u su t lý thuy t t ng (ηi = ηt ηt-i) Tuy nhiên, khác v$i HHC hi u su t lý thuy t, hi u su t ch& th ch& t ng n m t gi$i h n nh t nh, t i ó q trình cháy nhiên li u v n di n bình th ng Khi HHC q lỗng, q trình cháy nhiên li u s4 di n ch m không n nh, có th có hi n t ng "b+ l*a" (misfiring), t t c" nh%ng y u t ó #u góp ph n làm gi"m hi u su t ch& th c a ng c • Gi i h2n lỗng có ích ( λe ) Tr s c a h s d l ng khơng khí, t i ó hi u su t ch& th t giá tr c c i, c g!i gi$i h n loãng có ích (λe) Tr s λe c quy t nh b i hàng lo t y u t k t c u v n hành, nh : lo i bu/ng t, s l ng buji, n ng l ng c a tia l*a i n, nhi t áp su t t i th i i m t cháy nhiên li u, v.v C g)ng t ng λe ng c x ng khơng ch& nh(m m'c ích t ng hi u su t nhi t mà cịn có tác d'ng gi"m ch ic a khí th"i H 5.4-10 gi$i thi u s / nguyên lý gi"i pháp t cháy b(ng bu/ng t tr $c (precombustion chamber ignition) nh(m m'c ích t ng λe ng c x ng Toàn b th tích bu/ng t c a ng c c chia thành ph n : bu/ng t ph' bu/ng t c cung c p HHC m qua m t xupap ph', cịn bu/ng t c Bu/ng t ph' cung c p HHC loãng qua xupap n p HHC bu/ng t ph' c t cháy b(ng tia l*a i n c a buji HHC bu/ng t c t cháy b(ng ng!n l*a phun t bu/ng t ph' V$i gi"i pháp nh trên, ng c có th ho t ng v$i HHC có h s d l ng khơng khí trung bình l$n h n nhi#u (λ ≥ 1,5) so v$i ph ng pháp t cháy c i n λ1 λ2 H 5.4-10 S PGS TS h th ng t cháy b ng bu ng Nguy n V n Nh n - NG C t tr c) T TRONG (1) ng c x ng - F " F" f; Y#e, FA F " " λΝ λ=1 H 5.4-11 0nh h )ng c a λ A # λ" λ n Ne ge c a ng c x ng • "nh hư6ng λ n cơng su t có ích (Ne) su t tiêu thD nhiên li+u (ge) H 5.4-11 gi$i thi u d ng i n hình c a ng Ne ge theo ,c tính i#u ch&nh thành ph n HHC c a ng c x ng, t c ng cong th hi n ,c i m bi n thiên c a Ne ge theo λ ng c ch y t c quay không i i#u ki n gi% nguyên v trí c a b $m ga Theo ,c tính i#u ch&nh thành ph n HHC c a ng c x ng, Ne gi"m d n theo c p nhi t gi"m Khi HHC c làm m d n, công su t c a chi#u t ng c a λ t c ng c s4 t ng t t$i tr s c c i ng v$i λ = λN , t i ó l ng nhiên li u c t ng thêm gi"m λ cân b(ng v$i l ng nhiên li u cháy khơng hồn toàn thi u oxygen N u ti p t'c làm m HHC, công su t c a ng c s4 gi"m ch t l ng trình cháy b "nh h ng, l ng nhiên li u cháy khơng hồn tồn t ng V# ph ng di n hi u qu" bi n i n ng l ng, ge s4 gi"m m nh theo chi#u t ng c a λ ph m vi λ < l ng nhiên li u cháy khơng hồn tồn gi"m Tr s c a h s d l ng không khí ng v$i su t tiêu hao nhiên li u c c ti u (λg) tu thu c vào nhi#u y u t , nh : t"i, t c quay, gi$i h n lỗng có ích, v.v N u ti p t'c làm loãng HHC (λ > λg), su t tiêu th' nhiên li u s4 t ng t c cháy gi"m, q trình cháy khơng n nh - Khi kh i ng ng c ngu i, c n ph"i cung c p HHC có h s d l ng c HHC có ích m khơng khí danh ngh.a r t nh+ (λ < 0,3 - 0,4) có th t o có th phát ho" i#u ki n áp su t nhi t cylindre th p - Khi ng c ho t ng nh%ng ch t"i nh+ ho,c không t"i, c n cung c p cho ng c HHC m (λ = 0,4 - 0,8) ng c có th ch y n nh, nh%ng ch t"i nói i#u ki n hình thành HHC t cháy nhiên li u không thu n l i nh%ng ch t"i t c quay trung bình, c n t o HHC h i loãng (λ = 1,05 - 1,15) nhiên li u cháy hồn tồn - Mu n ng c t c cơng su t l$n nh t, c n ph"i t o HHC h i m (λ = 0,85 - 0,90) PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - 5) Góc ánh l a s m (θ) H 5.4-12 th hi n / th công c a m t ng c ng v$i góc ánh l*a s$m khác N u góc ánh l*a s$m nh+ ( th i i m ánh l*a g n CT ) th i gian cháy kéo dài nhiên li u cháy i#u ki n chuy n ng r i c a MCT y u d n, l ng nhiên li u cháy r$t t ng H u qu" công su t c a ng c gi"m, su t tiêu th' nhiên li u t ng, ng c nóng h n i m có l i tr ng h p góc ánh l*a s$m nh+ ng c làm vi c " m#m " h n t c t ng áp su t (wp.m) áp su t cháy c c i (pz) có tr s nh+ Ng c l i, n u góc ánh l*a s$m l$n tác h i c ng t ng t nh tr ng h p cháy s$m θ θ θ θ gθ g θ ϕ H 5.4-12 nh h )ng c a góc ánh l,a s m n th! cơng c a ng c x ng Góc ánh l*a s$m ng c x ng hi n i th ng xê d ch kho"ng 20 ÷ 35 gqtk Góc ánh l*a s$m c coi t i u (θopt) t i ó nh%ng ch& tiêu ch t l ng quan tr!ng c a ng c ( công su t, hi u su t, s ch c a khí th"i, v.v.) t tr s cao nh t , /ng th i "m b"o khơng có kích n Góc ánh l*a s$m t i u ph' thu c vào hàng lo t y u t , nh : t c quay, t"i, t s nén, v.v 6) T c quay (n) T c quay v a có "nh h ng t t v a có "nh h ng x u n trình cháy ng c x ng Nh%ng "nh h ng t t bao g/m : t ng t c cháy t ng c ng v n ng r i c a MCCT, gi"m kh" n ng xu t hi n kích n v n t c lan truy#n ng!n l*a h s khí sót t ng Nh%ng "nh h ng x u bao g/m : t ng l ng nhiên li u cháy r$t "nh h ng c a t c quay n th i gian cháy (τc - tính góc ch m cháy t ng M c b(ng giây) th ng y u h n so v$i "nh h ng n góc cháy ( ϕc - tính b(ng gqtk) Tuy nhiên, n u góc ánh l*a s$m (θ) thành ph n HHC (λ) c i#u ch&nh thích h p v$i PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - s thay i c a t c quay ng áp su t cháy ch& thay i r t t c quay thay i ( H 5.4-13b) Chính ,c i m ã cho phép ch t o nh%ng ng c x ng v$i quay r t l$n mà v n "m b"o hi u su t nhi t gi$i h n có th ch p nh n c t c A A ϕ θ ϕ quay n th! công ch" th! c a H 5.4-13 0nh h )ng c a t c 1- 1000 rpm , 2- 2000 rpm , 3- 3000 rpm θ; ng c x ng & M" H 5.4-14 Quan h gi*a t c quay, t i góc phun s m t i u ) ng c x ng 7) T i c a ng c T"i c a ng c x ng c i#u ch&nh b(ng cách thay i m c a b $m ga, qua ó thay i l ng thành ph n HHC i vào xylanh T ng t nh t c quay, t"i v a có "nh h ng t t v a có "nh h ng x u n trình cháy Khi t ng t"i, áp su t c a ng c c a MCCT xylanh cao h n , h s khí sót gi"m i#u nhi t có "nh h ng t t n trình cháy nhiên li u d phát ho" cháy nhanh h n Tuy nhiên, l ng nhiên li u chu trình t ng th i gian c n thi t t cháy l ng nhiên li u ó c ng ph"i nhi#u h n Trong nh%ng i#u ki n th c t , "nh h ng tích c c c a t"i n trình cháy ng c x ng chi m u th h n, có th gi"m góc ánh l*a s$m t ng t"i PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - 4.5.4 YÊU CHU Quá trình cháy I VII QUÁ TRÌNH CHÁY P c coi có ch t l NG CƠ X*NG c yêu c u c b"n ng cao áp ng sau ây : 1) Nhiên li u ph"i cháy hoàn toàn, cháy nhanh cháy g n CT 2) Tôc t ng áp suât trung bình (wp.m) áp su t cháy c c i (pz) có tr s v a ph"i Yêu c u th nh t "m b"o cho ch t ng c có hi u su t nhi t cao s"n ph1m cháy có c h i N u nhiên li u cháy hồn tồn, khơng nh%ng l ng nhi t to" cung c p cho MCCT l$n nh t mà khí th"i s4 khơng có thành ph n nh carbon monoxide (CO), carboxylic acids (CnHm.COOH), ketones ch i (CnHm.CO), hydrocarbon (CnHm),v.v Nhiên li u cháy nhanh cháy g n CT hi u qu" sinh c n ng cao Tuy nhiên, ó wp pz s4 có tr s l$n làm cho vi c "c ng" , ph' t"i c h!c s4 l$n PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - ng c làm 5.5 QUÁ TRÌNH CHÁY P NG CƠ DIESEL 5.5.1 DIQN BI;N VÀ CÁC THÔNG S 5C TR NG _ L # Pϕ ) _ L Pϕ ) # ϕ# " ϕ θ &A # ϕ ξ ξ KB ϕ KB ϕ ϕ H 5.5-1 Các th! mơ t q trình cháy ) ng c diesel a) th! công khai tri n, b) Quy lu(t phun nhiên li u d ng tích phân c) Quy lu(t phun nhiên li u d ng vi phân H s to nhi t c phun vào bu ng t, ci - Th.i i m cf - Th.i i m nhiên li u b t #u nhiên li u phát ho , z - Th.i i m áp su t cháy t giá tr! c c i , ' z - Th.i i m áp su t cháy c c i b t #u gi m, ef - Th.i i m k t thúc trình phun nhiên li u, ec - Th.i i m k t thúc trình cháy , ϕi - Góc ch(m cháy, θ - Góc phun s m nhiên li u PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - C n c vào ,c i m bi n thiên c a áp su t c a MCCT xylanh, có th chia q trình cháy ng c diesel thành giai o n (H 5.5-1) Giai o n I - Giai o2n ch m cháy Giai o n ch m cháy kéo dài t th i i m nhiên li u b)t u th c t c phun vào bu/ng t ( i m cf) n th i i m nhiên li u phát ho" ( i m ci) Trong giai o n di n hàng lo t q trình lý hố i v$i nhiên li u, nh phá v5 tia nhiên li u thành nh%ng h t nh+, s y nóng hố h i h t nhiên li u b(ng khơng khí nén bu/ng t, hoà tr n h i nhiên li u v$i khơng khí nén, s y nóng h i n nhi t t phát ho", ph"n ng ti#n ng!n l*a cu i hình thành trung tâm cháy u tiên ng áp su t cháy giai o n ch m cháy h u nh trùng v$i ng nén t c to" nhi t t ph"n ng ti#n ng!n l*a r t nh+, th m chí nhi t áp su t xylanh gi"m chút c phun vào bu/ng t m t ph n nhi t c a MCCT tiêu hao nhiên li u m$i hoá h i nhiên li u Giai o n ch m cháy ng c diesel kéo dài kho"ng vài ph n ngàn giây, dài h n nhi#u so v$i tr ng h p ng c x ng L ng nhiên li u c phun vào bu/ng t giai o n ch m cháy gI = (30 ÷ 40) % gct ; gI = 100 % gct m t s lo i ng c diesel cao t c Giai o n II - Giai o2n cháy không i3u n Giai o n II kéo dài t th i i m ng cháy tách kh+i ng nén ( i m ci) n th i i m áp su t cháy t n tr s c c i pz ( i m z) Trong giai o n này, l ng c phun vào giai o n ch m cháy (gI) v$i nhiên li u c nhiên li u ã phun vào u giai o n II (g'II) b c cháy mãnh li t i#u ki n nhi t cao n/ng oxy l$n Ng!n l*a t trung tâm cháy u tiên phát tri n kh)p không gian bu/ng t T c to" nhi t r t l$n i#u ki n th tích c a khơng gian cơng tác nh+ làm cho nhi t áp su t xylanh t ng lên mãnh li t ng áp su t r t d c nên có th coi ng c diesel t ng ng v$i trình c p nhi t -ng giai o n II c a trình cháy tích c a chu trình lý thuy t c p nhi t h2n h p Các thông s ,c tr ng cho giai o n cháy không i#u n bao g/m : áp su t cháy c c i (pz), t c t ng áp su t trung bình (wp), t s t ng áp su t ψ = pz / pc Tr s c a pz , wp ψ ph' thu c tr $c h t vào th i i m phun nhiên li u, quy lu t t o HHC th i gian ch m cháy Giai o n III - Giai o2n cháy có i3u n Khác v$i ng c x ng, q trình cháy ng c diesel có giai o n áp su t xylanh c trì g n nh không i ( o n z - z'), c g!i giai o n cháy có i#u n ,c i m k t qu" tác ng /ng th i c a y u t : y u t làm t ng áp su t nhiên li u ti p t'c cháy y u t làm gi"m áp su t th tích c a khơng gian cơng tác t ng d n Giai o n cháy có i#u n dài hay ng)n ph' thu c ch y u vào quy lu t t o HHC t c c a ng c ng c th p t c, ng i ta th ng kéo dài trình phun nhiên li u có th "m b"o l ng nhiên li u phun vào bu/ng t giai PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - o n ch m cháy , ó ng c làm vi c "m#m" h n M t ph n l$n nhiên li u s4 cháy giai o n III nên áp su t c c i c trì th i gian dài h n Ng c "m b"o cho nhiên li u ng c cao t c cháy g n CT, th i gian phun nhiên l i, li u ph"i ng)n, ph n l$n l ng nhiên li u chu trình c phun vào bu/ng t giai o n ch m cháy cháy u giai o n II B i v y hình d ng / th công c a ng c diesel cao t c không khác nhi#u so v$i c a ng c x ng Vào cu i giai o n III, ph n l$n l ng nhiên li u chu trình ã cháy, c" áp su t nhi t xylanh #u r t l$n, n/ng oxy gi"m k , n/ng khí tr (CO2 , H2O , ) t ng N u ch t l ng trình t o HHC cháy khơng t t, s4 có khu v c bu/ng t t p trung nhi#u nhiên li u ho,c h t nhiên li u ch a hoá h i ; l ng oxy cịn l i khó ti p xúc v$i phân t* nhiên li u Trong i#u ki n thi u oxy, áp su t nhi t cao, phân t* nhiên li u s4 b phân hu thành C , H , làm cho khí th"i có màu en Giai o n VI - Giai o2n cháy r t Hi n t ng cháy r$t ng c diesel th ng nghiêm tr!ng h n ng c x ng ng c diesel r t khó t o m t HHC /ng nh t m t th i gian r t ng)n Vì v y, m,c dù ã áp d'ng nhi#u bi n pháp hố h i hồ tr n nhanh nhiên li u v$i khơng khí bu/ng t, i v$i ng c diesel v n ph"i s* d'ng h s d l ng khơng khí "m b"o cho nhiên li u cháy hồn tồn l$n (λ = 1,3 ÷ 2,0) Cháy r$t ng c diesel c ng gây nh%ng tác h i nh ng c x ng Nguyên nhân làm t ng cháy r$t ng c diesel góc phun s$m nh+, c u trúc tia nhiên li u không phù h p , chuy n ng r i c a MCCT bu/ng t không l$n, nhiên li u có s cetane th p 5.5.2 NH NG Y;U T "NH H PNG ;N QUÁ TRÌNH CHÁY P NG CƠ DIESEL 1) T s nén T ng t s nén s4 có "nh h ng t t n trình cháy v# ph ng di n nhi t ng h!c nhi t áp su t t i th i i m phun nhiên li u (Tcf , pcf) s4 t ng, th i gian ch m cháy ( τi ) gi"m Tuy nhiên , t ng t s nén s4 làm t ng áp su t cháy c c i, ó chi ti t ch u l c s4 ph"i có kích th $c l$n h n Tiêu chí u tiên ch!n t s nén cho ng c diesel "m b"o kh i ng c ng c m!i i#u ki n khai thác 2) C u hình c a bu ng t C u hình c a bu/ng t m t nh%ng y u t có "nh h ng tr c ti p nh t n di n bi n ch t l ng c a trình cháy kéo theo hàng lo t ch& tiêu kinh t -k0 thu t c a ng c , nh : su t tiêu th' nhiên li u, áp su t ch& th trung bình, t c t ng áp c h i c a khí th"i, tính n ng kh i ng c a ng c , su t áp su t cháy c c i, v.v Do ,c i m trình t o HHC phát ho" nhiên li u , bu/ng t c a ng c diesel th ng có c u hình ph c t p h n nhi#u so v$i ng c x ng M!i c g)ng hoàn thi n bu/ng t ng c diesel t p trung tr $c h t vào v n # rút ng)n giai o n ch m PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - cháy, hoá h i nhanh hoà tr n h i nhiên li u v$i khơng khí bu/ng t theo m t quy lu t phù h p v$i ,c i m t ch c q trình cháy tính n ng k0 thu t c a ng c 3) Tính ch t lý hố c a nhiên li+u Các tính ch t lý hố c a nhiên li u có "nh h ng tr c ti p n di n bi n trình cháy ng c diesel bao g/m : tính t b c cháy, nh$t tính hố h i c nh l ng b(ng s cetane Hi n nay, tính t b c cháy c a nhiên li u th ng (Cetane Number - CN) Nhiên li u có CN l$n th i gian ch m cháy (τi) ng)n N u i#u ki n khác nh mà τi ng)n l ng nhiên li u cháy u giai o n cháy không i#u n s4 h n, th i gian cháy toàn b l ng nhiên li u phun vào bu/ng t c ng ng)n h n K t qu" không nh%ng ng c làm vi c m#m h n mà ch& tiêu khác (ví d' : cơng su t, hi u su t, c khí th"i v.v.) c ng c c"i thi n i#u ó th i gian dành cho trình t o ,c bi t có ý ngh.a i v$i ng c cao t c , HHC cháy r t ng)n Nh v y, t góc q trình cháy, nhiên li u diesel có CN l$n t t ng c diesel có t c quay cao u c u nhiên li u ph"i có CN l$n nh$t tính hố h i c a nhiên li u có liên quan tr c ti p n t c hình thành HHC, t ó "nh h ng n di n bi n trình cháy Tuy nhiên th c t , ng c c b(ng lo i nhiên li u có nh$t tính hố h i r t khác nhau, diesel có th ch y bao g/m t x ng n d u n,ng S d nh v y có nhi#u bi n pháp khác " m b "o t c t o HHC tr ng h p nhiên li u có nh$t cao tính hố h i kém, nh : s y nóng nhiên li u, phun nhiên li u thành nh%ng h t nh+ h n, t o chuy n ng r i bu/ng t m nh h n , s* d'ng ch t ph' gia gi"m s c c ng b# m,t ,v.v 4) C u trúc c a tia nhiên li+u , quy lu t phun nhiên li+u quy lu t t2o HHC • C u trúc c a tia nhiên li u có "nh h ng tr c ti p n trình t o HHC Trong tr ng h p t o HHC ki u th tích thu n tuý, c u trúc tia nhiên li u có vai trị quy t nh vi c "m b"o nhiên li u hố h i, hồ tr n nhanh h i nhiên li u v$i khơng khí bu/ng t N u tia nhiên li u ng)n, h t nhiên li u l$n t c t o HHC s4 th p, l ng nhiên li u cháy r$t , th m chí cháy khơng hồn tồn s4 nhi#u Các tia nhiên li u dài s4 làm cho m t ph n nhiên li u bám vách bu/ng t kéo theo hàng lo t h u qu" nh cháy r$t, cháy khơng hồn tồn, phá hu màng d u bôi tr n thành xylanh,v.v Trong tr ng h p khác, "nh h ng c a c u trúc tia nhiên li u có m c khác tu thu c vào ph ng pháp t o HHC Ví d' tr ng h p s* d'ng bu/ng t ki u M ho,c bu/ng t ng n cách (xem ch ng 5), ch t l ng HHC ch y u bu/ng t quy t nh , c u trúc c a tia nhiên li u ch& gi% vai trị th y u • Quy lu(t phun nhiên li u khái ni m bao hàm th i gian phun nhiên li u phun Quy lu t t o HHC khái ni m bao hàm th i gian t o quy lu t phân b t c HHC quy lu t phân b t c t o HHC Quy lu t t o HHC m$i y u t "nh h ng tr c ti p n di n bi n trình cháy V$i ph ng pháp t o HHC ki u th tích thơng PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - d'ng (tồn b l ng nhiên li u chu trình c phun tr c ti p vào bu/ng t hồ tr n v$i tồn b kh i khơng khí có bu/ng t ) quy lu t phun nhiên li u quy t nh quy lu t t o HHC V$i m t s ph ng pháp t o HHC khác (ví d' : t o HHC ki u b# m,t b(ng bu/ng t ki u M, b(ng bu/ng t ng n cách ,v.v.), quy lu t phun nhiên li u quy lu t t o HHC r t khác Có th t t c" l ng nhiên li u chu trình c phun vào bu/ng t m t th i gian r t ng)n, nh ng s hoá h i nhiên li u hồ tr n h i ó v$i khơng khí b c cháy l i c i#u ch&nh theo m t quy lu t khác V$i nh%ng i#u ki n khác nh (ví d' : m t lo i nhiên li u, l ng nhiên li u chu trình - gct , góc phun s$m - θ ,v.v.) nh ng có th thu c nh%ng / th cơng khác n u thay i quy lu t t o HHC H 5.5-2 th hi n "nh h ng c a quy lu t phun nhiên li u n di n bi n trình cháy tr ng h p áp d'ng ph ng pháp t o HHC ki u th tích, ó có th coi quy lu t t o HHC trùng v$i quy lu t phun nhiên li u _ _ # ϕ# " &A ϕ θ # ϕ H 5.5-2 0nh h )ng c a quy lu(t phun nhiên li u n th! công ch" th! c a ng c diesel V$i quy lu t phun (H 5.2-2b), l ng nhiên li u c phun vào bu/ng t t ng áp su t (wp) áp su t giai o n ch m cháy l$n h n (gI.1 > gI.2) s4 d n n t c cháy c c i (pz) l$n h n ( / th công 1) K t qu" ng c làm vi c c ng h n, nh ng PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - công MCCT sinh s4 l$n h n V$i quy lu t phun 2, ng c s4 làm vi c m#m h n l ng nhiên li u cháy giai o n h n d n n wp pz nh+ h n, nh ng công su t hi u su t c a ng c s4 gi"m l ng nhiên li u cháy r$t nhi#u h n 5) Góc phun s m nhiên li+u (θ) T ng t nh ng c x ng, nhiên li u ng c diesel c ng ph"i c phát trình cháy di n xung quanh CT Góc quay tr'c ho" tr $c piston t$i CT khu u tính t th i i m nhiên li u b)t u c phun vào bu/ng t n th i i m piston t$i CT c g!i góc phun s m (θ) H 5.2-3 th hi n "nh h ng c a góc phun s$m n ,c i m bi n thiên áp su t cháy, công su t tiêu th' nhiên li u ng c diesel N u θ l$n, nhiên li u c phun vào bu/ng t áp su t nhi t c a khơng khí nén v n cịn th p, q trình chu1n b cho nhiên li u phát ho" di n ch m K t qu" t i th i i m phát ho", bu/ng t ã t p trung m t ph n l$n l ng nhiên li u chu trình (gI l$n) L ng nhiên li u s4 b c cháy mãnh li t i#u ki n n/ng oxy l$n th tích c a không gian công tác nh+, áp su t cháy c c i (pz) t c t ng áp su t (wp) s4 l$n ng c làm vi c " c ng " ( ng 1) N u θ nh+, ng c làm vi c " m#m " h n nh ng công su t hi u su t c a ng c s4 gi"m l ng nhiên li u cháy r$t nhi#u h n ϕ #A ϕ #A ϕ #A ϕ "\&C H 5.2-3 0nh h )ng c a góc phun s m nhiên li u n m t s thông s công tác c a ng c diesel PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - F F Y " F L FA L Y " L "A # ϕ; & ϕ* ϕ; & A ϕ; & A ϕ; & A ϕ* H 5.2-4 Quan h gi*a góc phun s m t i u (θopt) v i công su t (Ne) , l ng tiêu th nhiên li u gi (Ge), su t tiêu th nhiên li u (ge) t c quay c a ng c (n) Tr s góc phun s$m t i u (θopt) ph' thu c vào r t nhi#u y u t , nh : c u hình bu/ng t, t s nén, lo i nhiên li u, ch làm vi c c a ng c , v.v i v$i m t lo i ng c c' th , θopt c l a ch!n b(ng ng th c nghi m c nhà ch t o quy nh tài li u h $ng d n khai thác k0 thu t ng c Nh%ng lo i ng c có ch c trang b thi t b t ng làm vi c th ng xuyên thay i ph m vi r ng th ng i#u ch&nh góc phun s$m "m b"o θopt c s x* lý thông s công tác c a ng c nh t c quay, t"i, nhi t áp su t khí n p, v.v 6) T c quay c a ng c (n) T c quay "nh h ng n trình cháy theo hai chi#u trái ng c T c quay t ng s4 làm t ng ch t l ng phun nhiên li u t ng c ng chuy n ng r i c a MCCT, i#u ó có "nh h ng t t n trình cháy Tuy nhiên, t c quay cao góc cháy l$n N u t c t o HHC khơng tho" l ng nhiên li u cháy r$t s4 t ng nhanh Chính v y, nâng cao t c quay c a ng c diesel, ngu i ta ph"i áp d'ng bi n pháp nh(m t ng t c trình t o HHC, phát ho" cháy, ví d' : s* d'ng nhiên li u có s cetane cao, h th ng phun nhiên li u ki u b m cao áp-vòi phun liên h p v$i áp su t phun r t l$n (t$i 1500 bar) phun nhiên li u thành h t r t nh+, bu/ng t ng n cách t o hi u ng nhi t, hi u ng phun th c p chuy n ng r i r t m nh c a MCCT, v.v 7) T i c a ng c T"i c a ng c c ng "nh h ng n trình cháy theo hai chi#u h $ng ng c nh%ng ch t"i l$n h n, nhi t áp su t xylanh cao h n s4 có tác d'ng t ng t c cháy Tuy nhiên, t cháy hoàn toàn l ng nhiên li u chu trình l$n t ng t c cháy h n c n ph"i có nhi#u th i gian h n Khác v$i ng c x ng, m c th ng không bù )p h t m c t ng th i gian cháy nên ng c diesel th ng ph"i t ng góc phun s$m t ng t"i "m b"o yêu c u cháy g n CT PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - TÀI LIAU THAM KH9O Nguy n T t Ti n Nguyên lý ng c t NXB Giáo d'c – 2000 Quách ình Liên, Nguy n V n Nh n ng c t tàu cá - Ph n I NXB Nông nghi p – 1992 PGS TS Nguy n V n Nh n ng c t Bài gi"ng - Nha trang - 2004 Hoàng Xuân Qu c H+ th ng phun x@ng i+n t dùng xe du l!ch NXB Khoa h!c K0 thu t - Hà n i 1996 V Arkhangelski, M Khovakh, et all Motor vehicle engine Mir Publishers - Moscow 1979 H/ T n Ch1n, Nguy n c Phú K t c u tính tốn C T T p 1, 2, NXB Giáo d'c – 1996 PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - ... ng c x ng 12 - 20 (30) - 12 30 - 50 7- 20 700 - 900 400 - 600 50 - 10 0 (15 0) 40 - 60 16 00 - 2000 210 0 - 2600 2,0 - 4,0 3,5 - 5,5 800 - 12 00 13 00 - 15 00 220 - 245 300 - 380 T TRONG (1) - Ch ng... 1. 3 -11 ) PGS TS Nguy n V n Nh n - NG C T TRONG (1) - H 1. 3 -10 Các chi ti t c a nhóm truy n 1- #u nh% , 2- Thân , 3- #u to , 4- N p , 5- B c c biên 6- Bulông truy n , 7- B c ch t piston H 1. 3 -11 ... Nh n - NG C T TRONG (1) - C*a C*a n p C*a quét H 1. 3 -13 C c u phân ph i khí c a ng c k quét vòng (a) c a ng c k (b) 1- Tr c cam ; 2- Con i ; 3- ''a y ; 4- òn gánh ; 5- Xupap H 1. 3 -14 Các ki u b