ĐIÈU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU VÀ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ DIESEL

KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn Công ty TNHH Hệ Sinh Học http://www.biosys.com.vn 62 KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC CHƯƠNG III: CƠ SỞ KHAI THÁC ĐIÈU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU VÀ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ DIESEL 63 CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU VÀ CHÁY Ở ĐỘNG CƠ 3.1 Cơ sở vận hành khai thác động cơ 3.1.1 Công suất chỉ thị, công suất có ích Các quá trình hút, nén, nổ-giãn nở, xả của động cơ bốn kỳ được tiến hành trong hai vòng quay trục khuỷu tương ứng với bốn hành trình chuyển động lên xuống của piston trong xi lanh. Các quá trình trao đổi khí, nén, nổ-giãn nở của động cơ hai kỳ thực hiện trong một vòng quay trục khuỷu với đặc điểm khác biệt so với động cơ bốn kỳ là không dành trọn vẹn hành trình chuyển động của piston riêng cho từng quá trình. Hình 3.1 thể hiện rõ các quá trình động cơ bốn kỳ với chu trình làm việc trải ra trên 720 0 góc quay trục khuỷu. Hình 3.2 thể hiện các quá trình công tác của động cơ hai kỳ kiểu quét vòng với chu trình làm việc trải trên 360 0 góc quay trục khuỷu. Thực ra hiện nay, các động cơ hai kỳ lớn hầu như chuyển sang dùng kiểu quét thẳng qua súp páp xả bố trí trên nắp máy như bản vẽ cấu trúc trên hình 3.3 mô tả. Đồ thức pV hình 3.4 và 3.5 thể hiện chu trình thực động cơ phần nào nói lên sự khác biệt giữa chu trình lý tưởng và chu trình thực. Lý do có sự khác biệt đó là do chu trình thực thuộc loại chu trình hở trong khi chu trình lý tưởng là chu trình kín sử dụng môi chất lý tưởng với tỷ nhiệt không đổi trong các quá trình. Một điểm khác biệt rõ nét nữa là ở chu trình lý tưởng chỉ có quá trình cấp nhiệt từ nguồn nóng, nhả nhiệt cho nguồn lạnh chung chung nhưng ở chu trình thực các quá trình đó được thay bằng sự cháy nhiên liệu và trao đổi khí với bên ngoài. Với chu trình lý tưởng các quá trình nén, giãn nở là đoạn nhiệt trong khi ở chu trình thực lại là quá trình đa biến với sự thay đổi liên tục về hóa học, vật lý của môi chất trong xi lanh. Vì những lý do đó mà cách thức tính toán và khảo sát chu trình thực sẽ khác biệt so với chu trình lý tưởng Ngay ở các động cơ làm việc theo chu trình thực như động cơ xăng và động cơ diesel cũng có sự khác nhau về điều khiển: động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức hỗn hợp nhiên liệu và không khí đã hòa KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn Công ty TNHH Hệ Sinh Học http://www.biosys.com.vn 64 trộn trước còn ở động cơ diesel thì nhiên liệu được phun buồng đốt chứa không khí áp suất cao, nhiệt độ cao và tự cháy. Hình 4.1 sơ đồ nguyên lý động cơ bốn kỳ 65 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ diesel hai kỳ quét vòng. KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn Công ty TNHH Hệ Sinh Học http://www.biosys.com.vn 66 Ở động cơ diesel không tăng áp hoặc loại động cơ tăng áp cơ giới do động cơ truyền động, khi động cơ làm việc theo đặc tính tốc độ, lượng nhiên liệu và không khí cấp vào cho động cơ tỷ lệ với mô men của động cơ. Khi động cơ diesel này làm việc theo đặc tính tải (vòng quay không đổi), chỉ có lượng nhiên liệu tỷ lệ với mô men động cơ, còn lượng không khí cấp vào động cơ gần như không đổi theo thời gian. Với động cơ diesel tăng áp turbine khí xả thì lượng nhiên liệu và lượng không khí cấp vào cho động cơ đều quan hệ với mô men động cơ. Tuy nhiên việc điều khiển động cơ chỉ quan hệ với lượng Hình 3.3 Hình ảnh động cơ diesel hai kỳ cỡ lớn quét thẳng 67 nhiên liệu cấp nghĩa là nếu muốn tăng hay giảm mô men thì người ta tăng hay giảm nhiên liệu cấp. Ở động cơ xăng, lượng nhiên liệu cũng như không khí được điều khiển đồng thời: khi nhiên liệu được phun vào khoang góp nạp, hỗn hợp không khí – nhiên liệu đồng thể được hút vào các xi lanh. Do đó, điều khiển động cơ nghĩa là điều khiển lượng cấp nhiên liệu hoặc điều khiển đồng thời cấp nhiên liệu và lượng không khí cấp vào động cơ. Công cơ học tạo ra do cháy nhiên liệu có thể tính được thông qua tích phân đồ thị pV. Công cơ học riêng (công ứng với một đơn vị thể tích) có được bằng cách chia công cho thể tích công tác V S ; 3.1 Ở đây V S = M .(V 1 -V 2 ) thể tích giãn nở các xi lanh M số xi lanh W i công riêng chị thị Công cơ học nói trên ứng với mỗi chu trình còn gọi là công chu trình phụ thuộc vào diện tích chu trình như trên hình 3.4 thể hiện dành cho động cơ 4 kỳ và hình 3.4 thể hiện dành cho động cơ 2 kỳ. Hình 3.4 Chu trình động cơ bốn kỳ KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn Công ty TNHH Hệ Sinh Học http://www.biosys.com.vn 68 Giá trị w i có thể được quyết định bằng cách đo áp suất trong xi lanh ở mỗi quá trình. Công chỉ thị riêng tính bằng J/cm 3 sẽ tương đương với áp suất trung bình là _ p =10 bar ( =10 6 Pa). Khi thao tác với động cơ bốn kỳ, việc đo phải tiến hành cho hai vòng quay (720 0 gqtk) còn với động cơ hai kỳ thì chỉ tiến hành cho một vòng quay (360 0 gqtk). Việc chuyển đổi mô men do cháy giãn nở thành mô men quay động cơ theo góc quay trục khuỷu có thể được tiến hành từ các phương trình chuyển động sau: Chuyển vị tính từ điểm chết trên là () ( ) ( ) 1 cos 1 cossl r α β α =− +− Theo hình 3.2 có quan hệ lượng giác sin sinlr β α = 2 2 2 cos 1 sin r l β α =− 3.2 2 2 2 () 1 cos 1 1 sin lr sr rl αα α    =− +−−      3.3 Hình 3.5 Chu trình động cơ hai kỳ 69 Ghi chú hình 3.6: S- hành trình piston, r- bán kinh tay quay α - góc trục khuỷu l- thanh truyền Ở điểm chết trên, chúng ta có 0 α = , () 0s α = và tại điểm chết dưới ta có απ = , () 2 s r α = tương ứng. Vi phân hành trình bậc nhất và bậc hai theo góc quay là vận tốc và gia tốc piston: 2 2 2 sin cos sin 1sin ds r r dl r l αα α α α =+ −       Và Hình 3.6 Chuyển dịch piston- khuỷu trục KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC Tác giả: Nguyễn Văn Sơn Công ty TNHH Hệ Sinh Học http://www.biosys.com.vn 70 () 2 22 4 2 2 3 2 2 2 2 cos sin sin cos 1sin rr ds ll r d r l αα α α α α −+ =+ −            3.4 Vi phân theo góc quay trục khuỷu có thể chuyển thành vi phân theo thời gian để có vận tốc và gia tốc piston như sau: ' .' . p p v ds ds d ds ds s dt d dt d d α αω ααα == = = = 2 2 '' 2 2 ds d ds ddsd ddsd d as dt dt d dt dt d dt dt α ααα αα == = = +    2 2' 2 . p p a ds ds ww dd αα = + 3.5 Ở đây, p ω là vận tốc góc (rad/s). Công chỉ thị đơn vị có thể được viết là 3.6 Mô men do cháy nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu được xác định như sau: () () 0 1 () M j Cjp j ds TppA d αα α = =− ∑ 3.7 71 Hành trình thứ j trong các xi lanh khác nhau được dịch pha đi () 4 () 1 j ssj N π αα  =−−   , j=1,…M 3.8 Mô men cháy trung bình là _ i C p P T ω = 3.9 Ở đây, P i là công suất chỉ thị trung bình. Công chỉ thị tổng cộng w i V S có thể được viết cho động cơ bốn kỳ: _ 24 44 2 ii iS C p P PP wV T NN π ππ ωπ == == Tương tự, công chỉ thị tổng cho động cơ hai kỳ sẽ là _ 2 22 2 ii iS C p P P P wV T NN π ππ ωπ == == Do vậy, công chỉ thị đơn vị sẽ là: 2 . i i S P w NV = cho động cơ bốn kỳ 3.10 . i i S P w NV = cho động cơ hai kỳ 3.10* Ở đây 2 p w N π = là tốc độ động cơ. Đối với động cơ thực, công suất có ích luôn nhỏ hơn công suất chỉ thị một do tổn thất cơ giới. eim P PP=− [...]... men cản, tốc độ động cơ giảm xuống (hình 3.28) Ngoài ra việc đặt lại các giá trị góc đánh lửa sớm cũng như tỷ số lambda (A/F) cũng tác động tới vòng quay động cơ Việc thay đổi các giá trị và đáp ứng của vòng quay động cơ phản ánh tương tự như ở động cơ thật được lắp vào phương tiện vận tải 3.3 Điều khiển nhiên liệu & tạo hỗn hợp ở động cơ diesel Quá trình cấp nhiên liệu và cháy ở động cơ diesel có đặc... lần Các hệ thống phun nhiên liệu gián đoạn có thể được thực hiện với các yêu cầu độ chính xác thấp hơn so với kiểu cấp nhiên liệu liên tục và do vậy chi phí sản xuất sẽ giảm hơn 3.2.4 Mô hình hóa hệ thống điều khiển động cơ xăng Để bạn đọc dễ hình dung quá trình điều khiển động cơ xăng và có điều kiện tự mình kiểm tra một vài đặc tính quan trọng ở của hệ thống điều khiển động cơ xăng, chúng tôi xin giới... bộ phận và động cơ diesel Ở loại này không bao giờ đạt được công suất cực đại của động cơ Mô men tiêu chuẩn yêu cầu theo tác động của người điều khiển hoặc là lượng cung cấp không khí tương đối qua góc quay bướm ga của động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc lượng cấp nhiên liệu tương đối λ f ở động cơ diesel Lượng nhiên liệu hỗn hợp với không khí được điều chỉnh bởi hệ thống điều khiển nhiên liệu để có tỷ số... năng của điều khiển cấp nhiên liệu: -Điều khiển lưu lượng phun nhiên liệu theo thời gian ' m'f theo tốc độ hút không khí nạp theo thời gian ma tùy thuộc vào tỷ số không khí -nhiên liệu λ -Phun nhiên liệu mật độ dầy đặc trong giai đoạn sấy nóng của động cơ sau khi khởi động ở tình trạng nguội lạnh của động cơ đánh lửa cưỡng bức -Lượng cấp không khí tương đối liệu tương đối λa hoặc lượng cấp nhiên λ f được... nhiên liệu vào xi lanh Với một thời gian vừa đủ, hỗn hợp được phân bố đồng thể trong xi lanh có tỷ số không khí -nhiên liệu trong khoảng 0.9< λ < 1.3 Đối với các hỗn hợp “nghèo” λ >1.3, hình thức phun phân tầng phải tập trung vào một khu vực buồng cháy Quá trình cháy khởi đầu bởi đánh lửa điện ở động cơ đánh lửa cưỡng bức và bởi sự tự cháy ở động cơ điesel Hình thành ngọn lửa bị trễ theo như mô tả ở. .. được tác động bởi dầu có áp từ hai bơm và bộ tích tụ kiểu khoang khí Tùy theo chu kỳ phát hỏa việc điều khiển chu trình đảm bảo là xi lanh động cơ phù hợp được lựa chọn đúng theo phân bố góc trục khuỷu và vòi phun điều khiển điện tử được tác động tại thời điểm phun chính xác Để khởi động và đảo chiều động cơ, thời điểm phun được kết nối với van cấp khí khởi động điều khiển điện tử Vì van khởi động điện... Ta và áp suất môi trường p0 -Điều khiển tốc độ không tải động cơ -Ngừng cấp nhiên liệu giới hạn tốc độ động cơ cực đại -Điều khiển lambda của tỷ số không khí -nhiên liệu -Điều khiển tái tuần hoàn khí xả 3.2.3 Phun nhiên liệu gián đoạn Phun nhiên liệu gián đoạn đã trờ nên kinh tế hơn so với phun nhiên liệu liên tục, do yêu các độ chính xác khác nhau được yêu cầu trong các hệ thống đó Công suất của động. .. phun nhiên liệu vào xi lanh đầy không khí nén có nhiệt độ cao để tạo hỗn hợp không khí – nhiên liệu và sự cháy hỗn hợp là do tự cháy khi hỗn hợp đạt trạng thái năng lượng vượt qua ngưỡng nhất định để các phản ứng ô xy hóa mãnh liệt của hỗn hợp xảy ra Ở động cơ diesel không có nến điện đánh lửa cưỡng bức Quá trình hình thành các tia nhiên liệu được bắt đầu từ lúc nhiên liệu phun khỏi vòi phun Nhiên liệu. .. 3.16 Nó có thể được mở rộng thành: λ= ma m f ,th m f ma ,th = 1 ma Lst m f 3.17 Trong điều kiện cháy lý tưởng, tỷ số λ = 1 Tỷ số không khí -nhiên liệu có ảnh hưởng đến công có ích we và hiệu suất có ích ηe Tỷ số không khí -nhiên liệu có thể chịu tác động bởi hai cách khác nhau, theo sự thay đổi của λa hoặc của λf 3.2 Điều khiển nhiên liệu ở động cơ xăng 3.2.1 Phát thải của động cơ đốt trong Việc hình... Khi thiết kế hệ thống phun nhiên liệu nên dùng sai số tuyệt đối Nó yêu cầu phải cực kỳ chính xác và tất nhiên, giá cả, chi phí sản xuất cao là tất nhiên Có thể tiến hành phun nhiên liệu vào xi lanh theo cách khác như phun nhiên liệu không liên tục hay còn gọi là phun nhiên liệu phân đoạn nhiều cấp phun Hình thức phun nhiên liệu đó gắn liền với kết cấu cam điều khiển cấp nhiên liệu có nhiều vấu cam hoặc . NHIÊN LIỆU VÀ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH CHÁY Ở ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ DIESEL 63 CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU VÀ CHÁY Ở ĐỘNG CƠ 3.1 Cơ sở vận hành khai thác động cơ 3.1.1 Công suất chỉ. trình lý tưởng Ngay ở các động cơ làm việc theo chu trình thực như động cơ xăng và động cơ diesel cũng có sự khác nhau về điều khiển: động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức hỗn hợp nhiên liệu và không. 66 Ở động cơ diesel không tăng áp hoặc loại động cơ tăng áp cơ giới do động cơ truyền động, khi động cơ làm việc theo đặc tính tốc độ, lượng nhiên liệu và không khí cấp vào cho động cơ tỷ