Chơng I Khái quát động đốt 1.1 Động động đốt loại động nhiệt Động nhiệt loại máy biến đổi nhiệt nhiên liệu thành Có thể phân trình công tác động nhiệt thành hai trình nh sau: - Đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hoá thành nhiệt gia nhiệt cho môi chất công tác Trong giai đoạn xảy tợng lý hoá phức tạp - Biến đổi trạng thái môi chất công tác, hay nói cách khác, môi chất công tác thực chu trình nhiệt động để biến đổi phần nhiệt thành Trên sở phân loại động nhiệt thành hai loại động đốt động đốt động đốt ngoài, ví dụ máy nớc cổ điển tàu hoả, hai giai đoạn xảy hai nơi khác Giai đoạn thứ xảy buồng đốt nồi xúp-de, kết đợc nớc có áp suất nhiệt độ cao Còn giai đoạn thứ hai trình giEn nở nớc buồng công tác sinh công làm quay bánh xe Còn động đốt trong, hai giai đoạn diễn vị trí, bên buồng công tác động Hai loại động nói có hai kiểu kết cấu, động kiểu piston kiểu tuốc-bin theo sơ đồ dới đây, hình 1-1 Động nhiệt Động đốt Kiểu piston Kiểu tuốc-bin Động đốt Kiểu piston Kiểu tuốc-bin Hình 1-1 Động đốt thuộc họ động nhiệt Do giới hạn giáo trình, xét động đốt kiểu piston từ gọi vắn tắt động đốt Trong thực tế, động kiểu tuốc bin đối tợng khảo sát chuyên ngành máy tuốc-bin 1.2 So sánh động đốt với động nhiệt khác 1.2.1 Ưu ®iĨm - HiƯu st cã Ých ηe lín nhÊt, cã thể đạt tới 50% Trong đó, máy nớc cổ điển kiểu piston đạt khoảng 16%, tuốc bin nớc từ 22 đến 28%, tc bin khÝ cịng chØ tíi 30% Lý chđ yếu chu trình Các-nô tơng đơng động đốt có chênh lệch nhiệt độ trung bình nguồn nóng nguồn lạnh lớn T (Theo định luật Các-nô hiệu suất nhiệt t = , T1 nhiệt độ nguồn T1 http://www.ebook.edu.vn nóng T2 nhiệt độ nguồn lạnh) Cụ thể động đốt trong, nhiệt độ trình cháy cao đến 1800 đến 2700 K, nhiệt độ cuối trình giEn nở nhỏ, vào khoảng 900 đến 1500 K - Kích thớc trọng lợng nhỏ, công suất riêng lớn Nguyên nhân trình cháy diễn xy lanh động nên không cần thiết bị cồng kềnh nh lò đốt, nồi sử dụng nhiên liệu có nhiệt trị cao (ví dụ nh xăng, nhiên liệu diesel so với than, củi, khí đốt dùng động đốt ngoài) Do đó, động đốt thích hợp cho phơng tiện vận tải với bán kính hoạt động rộng - Khởi động, vận hành chăm sóc động thuận tiện, dễ dàng 1.2.2 Nhợc điểm - Khả tải kém, cụ thể không 10% - Tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men sinh không lớn Do đó, động khởi động đợc có tải phải có hệ thống khởi động riêng - Công suất cực đại không lớn Ví dụ, động lớn giới động hEng MAN B&W cã c«ng st 68.520 kW (sè liƯu 1997), tuốc-bin bình thờng có công suất tới vài chục vạn kW - Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao - Nhiên liệu cần có yêu cầu khắt khe nh hàm lợng tạp chÊt thÊp, tÝnh chèng kÝch nỉ cao, tÝnh tù ch¸y cao nên giá thành cao Mặt khác, nguồn nhiên liệu dầu mỏ ngày cạn dần Theo dự đoán, trữ lợng dầu mỏ đủ dùng kỷ 21 - Ô nhiễm môi trờng khí thải ồn Tuy nhiên, động đốt máy động lực chủ yếu, đóng vai trò vô quan trọng lĩnh vực đời sống ngời nh giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ng nghiệp Theo nhà khoa học, vòng nửa kỷ tới cha có động thay đợc động đốt 1.3 Phân loại động đốt ã Theo cách thực chu trình - Động bốn kỳ: động có chu trình công tác thực sau bốn hành trình cđa piston hay hai vßng quay cđa trơc khủu - Động hai kỳ: động có chu trình công tác thực sau hai hành trình piston hay vòng quay trục khuỷu ã Theo nhiên liệu - Động nhiên liệu lỏng nh xăng, diesel, cồn (methanol, ethanol), cồn pha xăng diesel, dầu thực vật - Động nhiên liệu khí (còn gọi động gas) Nhiên liệu khí bao gồm: khí thiên nhiên (Compressed Natural Gas - CNG), khí hoá lỏng (Liquidfied Petroleum Gas - LPG), khÝ lß ga, khÝ sinh vËt (Biogas) - Động nhiên liệu kép (Dual Fuel) ví dụ nh động gas mồi nhiên liệu lỏng nh xăng hay diesel http://www.ebook.edu.vn - Động đa nhiên liệu (Multi Fuel) nh động dùng đợc nhiên liệu nặng nh diesel nhiên liệu nhẹ nh xăng, động dùng xăng khí đốt ã Theo phơng pháp hình thành khí hỗn hợp - Hỗn hợp bên nh động xăng, động gas Khi đó, động khí dùng chế hoà khí hay phun xăng vào đờng nạp gọi phun gián tiếp - Hỗn hợp bên nh động diesel hay động phun xăng trùc tiÕp (Gasoline Direct Injection - GDI) vµo xy lanh Đối với loại động cụ thể, ví dụ nh động xăng hay diesel, lại có loại hình thành thành khí hỗn hợp khác xét sau chơng VII ã Theo phơng pháp đốt cháy hỗn hợp - Đốt cháy cỡng nh động xăng, động gas dùng tia lửa điện - Đốt tự cháy nén nh động diesel ã Theo dạng chu trình nhiệt động - Chu trình đẳng tích động xăng, gas, cồn - Chu trình hỗn hợp động diesel ã Theo phơng pháp nạp - Động không tăng áp: không khí hay hỗn hợp đợc hút vào xy lanh - Động tăng áp: không khí hay hỗn hợp đợc nén trớc nạp vào xy lanh ã Theo tốc độ trung bình piston S.n (m/s) với S 30 hành trình piston (m) n tốc độ vòng quay cđa trơc khủu (v/ph) Theo cm ng−êi ta ph©n loại động nh sau: Gọi tốc độ trung bình piston cm Dễ dàng tính đợc c m = - 3,5 m/s ≤ cm < 6,5 m/s: ®éng tốc độ thấp - 6,5 m/s cm < m/s: động tốc độ trung bình - cm m/s: động tốc độ cao hay gọi động cao tốc ã Theo dạng chuyển động piston - Động piston tịnh tiến thờng gọi ngắn gọn động piston Đa số động đốt động piston - Động piston quay hay động rô-to Wankel phát minh năm 1954 nên gọi động Wankel ã Theo số xy lanh Động xy lanh (Single Cylinder Engine) động nhiều xy lanh (Multi Cylinder Engine) ã Theo cách bố trí hàng xy lanh http://www.ebook.edu.vn Động hàng (Line Engine), động chữ V, động hình , hình 1-2 b) a) Hình 1-2 a) Động chữ V, b) Động hình ã Theo môi chất làm mát Động làm mát nớc hay chất lỏng đặc biệt động làm mát gió (không khí) ã Theo công dụng Động tĩnh nh máy phát điện, động tàu thuỷ, động ô tô xe máy, động máy kéo, động tàu hoả, động máy bay ĐCT D S 1.4 Đại cơng nguyên lý làm việc động đốt 1.4.1 Những khái niệm định nghĩa Dựa vào lợc đồ động hình 1-3, hEy đa vài khái niệm định nghĩa làm sở để xét nguyên lý làm việc động đốt ã ã Quá trình công tác tổng hợp tất biến đổi môi chất công tác xảy xy lanh động hệ thống gắn liền với xy lanh nh hệ thống nạp - thải Chu trình công tác tập hợp biến đổi môi chất công tác xảy bên xy lanh động diễn chu kỳ http://www.ebook.edu.vn ĐCD Hình 1-3 Lợc ®å ®éng c¬ kú Trơc khủu, Thanh truyền, Piston, Xu páp thải, Vòi phun (động diesel) hay bu-gi (động xăng), Xu páp nạp, ĐCT Điểm chết trên, ĐCD Điểm chết dới, S Hành trình piston, D Đờng kính xy lanh ã Điểm chết điểm mà piston đổi chiều chuyển động Có hai điểm chết điểm chết (ĐCT) điểm chết dới (ĐCD) ã Hành trình piston S khoảng cách hai điểm chết (m) ã Kỳ phần chu trình công tác xảy piston dịch chuyển hành trình ã Thể tích công tác Vh thể tích xy lanh giới hạn hai tiết diện qua điểm chÕt Vh = Vmax - Vmin (1-1) ®ã: Vmax vµ Vmin lµ thĨ tÝch xy lanh piston ë ĐCD ĐCT Vmin đợc gọi thể tích buồng cháy Vc Dễ dàng tính đợc: Vh = D S (1-2) với D đờng kính xy lanh S hành trình piston Tỷ số nén tỷ số thể tích lớn thể tích nhỏ (thể tích buồng cháy): • Vmax Vh + Vc V = =1+ h Vmin Vc Vc = (1-3) 1.4.2 Nguyên lý làm việc động bốn kỳ không tăng áp Nh đE nêu phần phân loại, động bốn kỳ có chu trình công tác đợc thực sau bốn hành trình cđa piston hay hai vßng quay cđa trơc khủu Sau khảo sát cách khái quát diễn biến trình lý-hoá xảy hành trình piston, hình 1-4 z p ĐCT Chiều quay trục khuûu ϕs ϕ1 c' ϕ4 b' r d1 r' p Tk k d2 b'' pth p a k §CD §CT V Nạp Nén Cháy - giEn nở Thải ĐCD p th a) b) Hình 1-4 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc động bốn kỳ không tăng áp a Đồ thị công; b Đồ thị pha http://www.ebook.edu.vn ã Hành trình thứ nhất: hành trình nạp Piston từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không xy lanh Không khí (ở động diesel) hay hỗn hợp (ở động xăng, gas ) từ đờng nạp gọi khí nạp đợc hút vào xy lanh qua xu páp (valve) nạp mở hoà trộn với khí sót chu trình trớc tạo thành hỗn hợp công tác Để tiết diện lu thông xu páp lớn khí nạp thực vào xy lanh nạp đầy hơn, xu páp nạp mở sớm góc điểm d1 ã Hành trình thứ hai: hành trình nén Piston từ ĐCD lên ĐCT Xu páp nạp đóng muộn góc điểm d2 nhằm tận dụng quán tính dòng khí để nạp thêm Hỗn hợp công tác bị nén hai xu-páp đóng dẫn tới tăng áp suất nhiệt độ xy lanh Tại điểm c gần ĐCT tơng ứng với góc s, bu-gi (động xăng, gas) bật tia lửa điện hay vòi phun (động diesel) phun nhiên liệu vào xy lanh Góc s đợc gọi góc đánh lửa sớm (động xăng, động gas) hay góc phun sớm (động diesel) Sau thời gian chuẩn bị ngắn, trình cháy thực diễn làm cho áp suất nhiệt độ xy lanh tăng lên nhanh ã Hành trình thứ ba: hành trình cháy- giYn nở, hành trình công tác Piston từ ĐCT xuống ĐCD Sau ĐCT, trình cháy tiếp tục diễn nên áp suất nhiệt độ tiếp tục tăng, sau giảm thể tích xy lanh tăng nhanh Khí cháy giEn nở sinh công Gần cuối hành trình, xu páp thải mở sớm góc điểm b để thải tự lợng đáng kể sản vật cháy khỏi xy lanh vào đờng thải ã Hành trình thứ t: hành trình thải Piston từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị thải cỡng piston đẩy khỏi xy lanh Để tận dụng quán tính dòng khí nhằm thải thêm, xu páp thải đóng muộn sau ĐCT góc hành trình nạp chu trình Sau khảo sát, ta rút số nhận xét nh sau: - Trong bốn hành trình có hành trình sinh công Các hành trình lại tiêu hao công từ động chi tiết chuyển động quay nh bánh đà, trục khuỷu - Các xu páp có góc mở sớm đóng muộn nhằm thải nạp đầy Tập hợp góc mở sớm đóng muộn xu páp đợc gọi pha phối khí, hình 1-4, b Giá trị tối u pha phối khí góc phun sớm đánh lửa sớm s khó xác định tính toán nên thờng đợc lựa chọn thùc nghiƯm - Trong kho¶ng gãc ϕ1 + ϕ4 (ci trình thải, đầu trình nạp), hình 1-4, b, hai xu páp mở Do + đợc gọi góc trùng điệp xu páp 1.4.3 Nguyên lý làm việc động hai kỳ Động hai kỳ, nh đE nêu phần phân loại (mục 1.3), có chu trình công tác thực sau hai hành trình piston hay vòng quay trục khuỷu Sau đây, ta xét dạng động hai kỳ đơn giản nhất, hình 1-5, qua khảo sát nguyên lý làm việc động hai kỳ ã Hành trình thứ http://www.ebook.edu.vn P z s c' ĐCT c' b pk a Cháy - giEn nở d o A ĐCT p th V Nén Thải tự Lọt khí ĐCD a d Nạp d o Thải b ĐCD B b) a) Hình 1-5 Nguyên lý làm việc động hai kỳ a) Đồ thị công, b) Đồ thị pha Piston chuyển từ ĐCT đến ĐCD, khí đE cháy cháy xy lanh giEn nở sinh công Khi piston mở cửa thải A, khí cháy có áp suất cao đợc thải tự đờng thải Từ piston mở cửa quét B đến điểm chết dới, khí nạp có áp suất cao nạp vào xy lanh đồng thời quét khí đE cháy cửa A Nh hành trình thứ gồm trình: cháy giYn nở, thải tự do, quét khí nạp khí ã Hành trình thứ hai Piston di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, trình quét nạp tiếp tục cho ®Õn piston ®ãng cöa quÐt B Tõ ®ã piston đóng thải A, môi chất xy lanh bị đẩy qua cửa thải ngoài, giai đoạn gọi giai đoạn lọt khí Tiếp theo trình nén piston đóng cửa thải A nhiên liệu phun vào xy lanh (động diesel) bu gi (động xăng) bật tia lửa điện Sau thời gian cháy trễ ngắn trình cháy xảy Nh hành trình thứ hai gồm có trình: quét nạp khí, lọt khí, nén cháy Đặc điểm động hai kỳ khí nạp phải có áp suất pk đủ lớn để quét khí đE cháy đờng thải có áp suất pth Thông thờng ngời ta thiết kế máy nén khí riêng lắp động tận dụng không gian bên dới piston - hộp trục khuỷu để nén khí nạp nh vài động xăng cỡ nhỏ, hình 1-6 http://www.ebook.edu.vn 1.4.4 So sánh động bốn kỳ động hai kỳ - Nếu đờng kính xy lanh D, hành trình piston S tốc độ vòng quay n lý thuyết công suất động hai kỳ gấp hai lần công suất động bốn kỳ Trong thực tế có tổn thất hành trình cho trình nạp thải tốn công nén quét thải khí nên công suất gấp 1,6 đến 1,8 lần - Cơ cấu phối khí động hai kỳ đơn giản - Mô men động hai kỳ hơn - Động bốn kỳ dễ lựa chọn pha phối khí tối u - Quá trình quét thải động bốn kỳ hoàn hảo thực hai hành trình piston, tức lâu nhiều so với động hai kỳ - Tăng áp động bốn kỳ dễ dàng ứng suất nhiệt thấp dễ bố trí hệ thống tăng áp Vấn đề tăng áp động đợc khảo sát sau môn học Tăng áp động đốt Hình 1-6 Nén khí quét hộp cácte- trục khuỷu Ghi chú: có cần hình 1-6 không???, có lẽ không cần đ nói đại cơng chuyển đến chơng Trao đổi khí động kỳ Nhng vớng khảo sát hệ số nạp, hệ số khí sót, nói đến quét vßng qua hép trơc khủu http://www.ebook.edu.vn 10