GIÁO TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI NÓI ĐẦU BẢNG VIẾT TẮT Phần A NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chƣơng KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.2 ĐỊNH NGHĨA – PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ 12 1.2.1 Định nghĩa 12 1.2.2 Phân loại 12 1.2.3 Ƣu, nhƣợc điểm phạm vi sử dụng ĐCĐT 13 1.3 ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KIỂU PÍ T TÔNG (ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG) 14 1.3.1 Sơ đồ nguyên lý (Hình 1.2) 14 1.3.2 Các thuật ngữ 14 1.3.3 Trình tự trình (hình 1.3) 16 1.3.4 Phân loại: 17 1.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 18 1.4.1 Nguyên lý làm việc động kỳ 18 1.4.2 Nguyên lý làm việc động kỳ 28 1.4.3 So sánh động kỳ với động kỳ 32 1.4.4 So sánh động diesel với động xăng (dùng bộ chế hòa khí ) 33 1.5 ĐỘNG CƠ NHIỀU XI LANH 33 1.5.1 Khái niệm chung 33 1.5.2 Bảng sinh công 34 1.6 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC ĐỘNG CƠ ĐẶC BIỆT 36 1.6.1 Động Wankel 36 1.6.2 Động tua bin 38 Chƣơng NHIÊN LIỆU VÀ MÔI CHẤT CÔNG TÁC 40 2.1 NHIÊN LIỆU 40 2.1.1 Khái niệm chung 40 2.1.2 Nhiên liệu thể khí 40 2.1.3 Nhiên liệu thể lỏng 42 2.1.4 Các tính chất nhiên liệu 43 2.2 MÔI CHẤT CÔNG TÁC 50 2.2.1 Lƣợng không khí cần để đốt cháy nhiên liệu 50 2.2.2 Hòa khí 53 2.2.3 Sản phẩm cháy 54 2.2.4 Thay đổi môi chất cháy 58 2.2.5 Hệ số thay đổi phân tử thực tế 61 CHƢƠNG CHU TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 63 3.1 CHU TRÌNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 63 3.1.1 Các loại chu trình 63 3.1.2 Các tiêu đánh giá 65 3.1.3 Chu trình lý tƣởng động đốt 66 3.2 QUÁ TRÌNH NẠP 70 3.2.1 Diễn biến trình nạp động kỳ pk < pO 71 3.2.2 Các thông số ảnh hƣởng đến trình nạp 73 3.2.3 Định nghĩa – công thức hệ số nạp v 80 3.3 QUÁ TRÌNH NÉN 82 3.3.1 Diễn biến trình nén 82 3.3.2 Các thông số ảnh hƣởng đến trình nén 84 3.3.3 Công nén 85 3.3.4 Những yếu tố ảnh hƣởng đến số nén đa biến trung bình n1 87 3.3.5 Chọn tỷ số nén 88 3.4 QUÁ TRÌNH CHÁY 90 3.4.1 Quá trình cháy động xăng 90 3.4.2 Quá trình cháy động diesel 101 3.4.3 Các thông số trình cháy 109 3.5 QUÁ TRÌNH GIÃN NỞ SINH CÔNG 112 3.5.1 Diễn biến trình giãn nở 112 3.5.2 Các thông số trình giãn nở 114 3.5.3 Công trình giãn nở 115 3.5.4 Những nhân tố ảnh hƣởng đến số giãn nở đa biến trung bình n2 116 3.6 QUÁ TRÌNH XẢ 118 3.6.1 Diễn biến trình xả 118 3.6.2 Các thông số trình xả 119 Chƣơng CÁC CHỈ TIÊU VỀ TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 120 4.1 CÁC CHỈ TIÊU CHÍNH 120 4.1.1 Công suất động 120 4.1.2 Hiệu suất có ích động 120 4.1.3 Tuổi thọ độ tin cậy hoạt động động 120 4.1.4 Khối lƣợng động 121 4.1.5 Kích thƣớc bao 121 4.2 CÁC THÔNG SỐ CHỈ THỊ 122 4.2.1 Công thị Li áp suất thị trung bình pi 122 4.2.2 Công suất thị động 126 4.2.3 Hiệu suất thị suất tiêu hao nhiên liệu thị 127 4.3 TỔN HAO CƠ GIỚI VÀ CÁC THÔNG SỐ CÓ ÍCH 129 4.3.1 Tổn hao giới 129 4.3.2 Hiệu suất giới 130 4.3.3 Công suất có ích Ne 131 4.3.4 Hiệu suất có ích e suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge 132 4.3.5 Công suất lít công suất pí t tông 133 Chƣơng 5: CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH 136 5.1 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 136 5.1.1 Các chế độ làm việc 136 5.1.2 Điều kiện làm việc 138 5.2 ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 139 5.2.1 Khái niệm 139 5.2.2 Các biểu thức dùng để phân tích đặc tính động 139 5.2.3 Mối quan hệ i i với   142 5.2.4 Đặc tính tốc độ đặc tính 144 5.2.5 Đặc tính tải 147 5.2.6 Các đặc tính khác 151 5.2.7 Chuyển đổi đặc tính điều kiện tiêu chuẩn 153 Chƣơng TĂNG ÁP CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 155 6.1 MỤC ĐÍCH CỦA TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ 155 6.1.1 Tăng áp để nâng cao công suất động 155 6.1.2 Tăng áp để tiết kiệm lƣợng 156 6.2 CÁC BIỆN PHÁP TĂNG ÁP CHỦ YẾU 157 6.2.1 Tăng áp dẫn động khí (Supercharger) 157 6.2.2 Tăng áp nhờ lƣợng khí thải 159 6.2.3 Tăng áp hỗn hợp 163 DANH MỤC HÌNH 165 DANH MỤC BẢNG 1666 Tài liệu tham khảo 1677 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Giáo trình “Động đốt trong” biên soạn tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thông tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NÓI ĐẦU Biên soạn giáo trì nh là một hoạt động thuộc Tiểu hợp phần 3.1: Tăng cường lực quản lý, giảng dạy cải tiến giáo trình - khuôn khổ Dự án Khoa học công nghệ Nông nghiệp - vay vốn ADB Cuốn giáo trình “ Động đốt trong” là một sản phẩm của Dự án biên soạn dùng cho việc giảng dạy và học tập ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô - hệ cao đẳng Giáo trình cung cấp cho sinh viên kiến thức nguyên lý động đốt trong; kết cấu động đốt trong; động học, động lực học cấu trục khuỷu – truyền cân động Cuốn giáo trình biên soạn dựa theo đề cương chi tiết hai học phần ( Nguyên lý động đốt kết cấu động đốt trong); dựa sở đổi phương pháp giảng dạy theo hướng tăng thời gian tự học, tự nghiên cứu sinh viên Trong trình biên soạn giáo trình, tham khảo nhiều giáo trình tài liệu liên quan, tìm hiểu thông tin báo, mạng internet động đốt trong, kết hợp với kinh nghiệm thực tế Cấu trúc giáo trình “Động đốt trong” gồm phần với 13 chương: Phần A Nguyên lý động đốt trong, gồm chƣơng: Chương Khái niệm chung động đốt Chương Nhiên liệu môi chất công tác Chương Các trình chu trình công tác Chương Các tiêu tính kinh tế kỹ thuật động đốt Chương Chế độ làm việc đặc tính động đốt Chương Tăng áp cho động Phần B Kết cấu động đốt trong, gồm chƣơng: Chương Cơ cấu trục khuỷu – truyền Chương Cơ cấu phân phối khí Chương Hệ thống bôi trơn Chương Hệ thống làm mát Chương Hệ thống cung cấp động xăng Chương Hệ thống cung cấp động diesel Chương Động học , động lực học cấu trục khuỷu – truyền cân động Giáo trình sở cho giảng viên soạn giảng để giảng dạy Các thông tin giáo trình có giá trị hướng dẫn giảng viên thiết kế tổ chức giảng dạy cách hợp lý Giảng viên vận dụng cho phù hợp với điều kiện bối cảnh thực tế trình dạy học Cuốn giáo trình tài liệu học tập nghiên cứu sinh viên cao đẳng ngành Công nghệ kỹ thuật ô tô Khi sử dụng giáo trình, sinh viên cần: Phân biệt loại động đốt trong; So sánh ưu, nhược điểm loại động đốt trong; lập bảng sinh công động nhiều xi lanh; Đánh giá tính chất nhiên liệu môi chất công tác; Tính toán tiêu kinh tế, kỹ thuật động đốt để ứng dụng vào thực tiễn; Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc động đốt đặt ô tô; Biết phân tích lực sinh động làm việc, hợp lực mô men tác dụng lên cấu trục khuỷu – truyền Nhằm đáp ứng tốt cho việc đào tạo theo nhu cầu xã hội, giáo trình cần chỉnh sửa hàng năm nhằm lược bỏ kiến thức lỗi thời, không cần thiết; kịp thời bổ sung kiến thức động đốt loại ô tô đại sử dụng phổ biến Việt Nam Mặc dù cố gắng, song việc biên soạn giáo trình khó tránh khỏi thiếu sót Chúng mong nhận nhiều ý kiến đóng góp bạn đọc để giáo trình hoàn thiện Chúng chân thành cảm ơn Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn , Ngân hàng phát triển châu Á (ADB), Ban Quản lý Trung ương Dự án Khoa học công nghệ Nông nghiệp đã tạo điều kiện cho giáo viên Trường Cao đẳng Cơ điện Nông nghiệp Nam Bộ việc nâng cao lực , kinh nghiệm về biên soạn cải tiến giáo trì nh giảng dạy , góp phần nâng cao chất lượng dạy và học nhà trường Tham gia biên soạn Chủ biên: Đoàn Duy Đồng BẢNG VIẾT TẮT ĐCD Điểm chết ĐCĐT Động đốt ĐC – D Động diesel ĐCT Điểm chết ĐC – X Động xăng ĐTN Đặc tính ĐTTĐ Đặc tính tốc độ Phần A NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chƣơng KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Động đốt dùng rộng rãi tất ngành kinh tế quốc dân lĩnh vực quân Năng lượng Động đốt sinh chiếm khoảng 90% tổng lượng mà người sử dụng, 10% lại dạng lượng khác (sức gió, sức nước, lượng mặt trời, lượng nguyên tử…) ĐCĐT xuất từ nào? Chính pháo thăng thiên thủy tổ ĐCĐT Theo sử liệu, pháo thăng thiên tên lửa đời vào kỷ thứ I Pháo thăng thiên đồ chơi lý thú cho vua chúa phong kiến, có tính khoa học Thuốc pháo cháy ống tre (kiểu xy lanh cổ điển) để sinh lượng lớn khí cháy sau, tác dụng phản lực, pháo bay vút lên cao Đến kỷ thứ III, IV đèn kéo quân đời, ĐCĐT, thủy tổ động tua bin khí cháy đại Đến kỷ thứ XI, kỹ thuật pháo súng thần công đời, ĐCĐT kỳ, có cháy giãn nở, nòng súng “xi lanh”, viên đạn pít tông Pít tông bay mà “không quay trở lại” Tiếc kỹ thuật sử dụng nguyên lý ĐCĐT vào mục tiêu phát triển sản xuất bị chế độ phong kiến lạc hậu kìm hãm thời gian dài hàng chục kỷ Trước đề cập đến lịch sử phát triển ĐCĐT cần lược qua đôi nét trình hình thành động nhiệt đại Năm 1746 thị trấn nhỏ Gơninốc phía Bắc nước Anh, cậu bé GiêmOát lên 10 tuổi quan sát nước sôi ấm, thấy sức mạnh nước đẩy nắp bật lên Nhưng đến năm 1784, GiêmOát 48 tuổi, máy nước nhân loại đời, hoàn hảo, công suất 20 mã lực, hiệu suất đạt 2,0 ÷ 2,5% máy nước GiêmOát thực đánh dấu giai đoạn việc sử dụng lượng GiêmOát người thực việc biến đổi lượng từ dạng nhiệt thành máy nước Trong “tư luận” , Các-Mác khẳng định rằng: “Sự đời máy nước phát triển cách mạng công nghiệp kỷ XVIII” Năm 1803, Rơbơc-Phơntơn lắp máy nước tàu thủy trọng tải 25 tấn, tháng năm 1807 “con quái vật” sông Mitxixipi (theo tờ báo Open buổi sáng) chạy thử từ NiuOóc đến Open mở đầu trang sử ngành hàng hải Nhưng từ năm 1804, Rise – Treuydich chế tạo thành công đầu máy xe lửa, mở trang sử ngành đường sắt nước Anh GiêmOát năm 1819, thọ 83 tuổi, để ghi nhớ công lao to lớn ông, người ta dựng tượng đài OátMin Xtơ với dòng chữ “Con người nâng lên gấp bội sức mạnh người” Sau gần kỷ hay nói xác suốt 78 năm (kể từ năm 1784) nhiều người cống hiến cho phát triển máy nước Nhưng hiệu suất nhiệt máy vượt 10% Nguyên lý làm việc máy nước nguyên liệu cháy lò, thoát lượng nhiệt truyền lượng nhiệt cho môi chất công tác (hơi nước) khiến môi chất tăng áp suất nhiệt độ lên cao Môi chất công tác đưa xi lanh máy giãn nở để sinh công dẫn động máy Như bản, máy nước động đốt trình chuyển hóa nhiên liệu thành nhiệt tiến hành bên động Tuy máy nước cồng kềnh, hiệu suất nhiệt thấp Có thể phát sinh loại động khác gọn nhẹ tiết kiệm không? Đó vấn đề trăn trở đối với nhà khoa học năm 80 kỷ XVIII Năm 1860, Lơnoa - kỹ sư người Pháp giữ nguyên trình chuyển hóa lượng động nhiệt, thực xy lanh động Thế nguyên lý làm việc ĐCĐT đời sau máy nước gần kỷ Nhìn bên ngoài không khác máy bơm nước bao nhiêu, hiệu suất đạt đến 4,65% trog lúc hiệu suất nhiệt máy nước lúc đạt 7% Nhưng thành công Lơnoa, ông mơ ước sáng tạo loại động dùng cho vận tải đường Trong nhà nghiên cứu, tên tuổi Nicôlai-Ôttô RuyĐônPhơ Điêzel mãi lưu truyền lịch sử phát triển ĐCĐT Nicôlai-Ôttô nhà buôn trẻ nhiệt tình với khoa học kỹ thuật Năm 1861, ông bỏ nghề buôn mua động Lơnoa chọn đường nghiên cứu thực nghiệm, với kỹ sư LăngGhen người Pháp, hai ông nhận thấy cấu trục khuỷu truyền có guốc trượt Lơnoa có nhiều khuyết điểm nên chế tạo động hai kỳ độc đáo, gây nhiều tiếng vang lớn hiệu suất nhiệt đạt 12 ÷ 14% Gọi động kiểu At-MôtPhe, thời điểm thực ĐCĐT chiến thắng động đốt (máy nước) cách vẻ vang Mãi đến năm 1877 Ôttô LăngGen phát minh động bốn kỳ loại động kiểu At-Môt-Phe bị loại bỏ hoàn toàn Năm 1878 triển lãm công nghiệp lớn Pari, Ôttô Lănggen trưng bày động bốn kỳ giới dùng nhiên liệu khí, điểm lửa điện, nhỏ gọn hiệu suất nhiệt đạt 20%, điều mà máy nước mơ tưởng Đồng thời mở đầu cho việc thiết kế, chế tạo ôtô - phương tiện vận tải đường mà trước chưa thể giải Tuy nhiên người xây dựng tảng lý thuyết cho động bốn kỳ lại Bôtơ-Rôxơ hiểu biết ông hoàn toàn đắn xác gần ngày hiểu động bốn kỳ Song nghèo mà Bôtơ-Rôxơ chưa tiến hành thực nghiệm nên bị lãng quên Cũng lý mà Ôttô đòi độc quyền sản xuất động bốn kỳ tòa án tối cao nước Đức bãi bỏ Đây âm mưu có toan tính giới tư sản tư công nghiệp họ tự sản xuất động bốn kỳ Sau năm số động sản xuất đạt 200.000 động loại Riêng xưởng Dớts Ôttô năm 1880 sản xuất loại động 100 mã lực Đến năm 1895 sản xuất loại động 1000 mã lực chạy nhiên liệu khí Sau 17 năm nghiên cứu thực nghiệm Ôttô cống hiến cho ngành ĐCĐT thành tựu quan trọng sớm tự mãn với thành lao động mình, ông trọng đến loại nhiên liệu thể khí nên động ông nặng cồng kềnh dùng cho giao thông vận tải đường Đến năm 1885 ĐamLe-một kỹ sư người Pháp bạn thân trợ lý Ôttô chế tạo thành công động mã lực đẩy vòng quay trục khuỷu lên tới 800 vòng/phút, nhỏ gọn 1/10 động Lơnoa có công suất, kỳ tích chưa có lúc Ngay năm 1885, hai nhà kĩ nghệ người Pháp Pơ-Giơ Lơ-VatXô mua phát minh ĐămLe để sản xuất loại động chạy nhiên liệu lỏng (xăng) Pơ-Giơ Lơ-VatXô cải tạo lại xưởng trở thành nhà chế tạo Ôtô giới Năm 1887, Gotlip-ĐamLe Cac-BenĐơ đồng thời chế tạo thành công ôtô đặt động đốt chạy đạt tốc độ 15 km/h, xưởng Capxtat Men-Hem Kể từ xe trở thành phương tiện vận tải có tầm quan trọng to lớn Chưa đầy 100 năm sau, năm 60 kỷ XX sản lượng bình quân ôtô hàng năm 20 triệu Đến năm 1970 toàn giới có khoảng 230 triệu chiếc, cuối kỷ XX số lượng ôtô loại giới ước tính khoảng 1.500 triệu Hiện số lượng ĐCĐT sản xuất hàng năm giới ước khoảng 40 triệu với dải công suất từ 0,1 đến khoảng 70.000KW cho lĩnh vực giao thông vận tải, quân sự, xây dựng, nông nghiệp, lâm nghiệp, gia đình Cùng với phát triển nhanh chóng số lượng lẫn chất lượng ô tô, động đốt nghiên cứu, cải thiện không ngừng để đạt thành ngày Công lao ĐămLe Ben chế tạo ĐCĐT nhiên liệu lỏng (xăng) bỏ qua công lao Hoc-Cơ người dùng hỗn hợp khí (xăng – không khí) làm nhiên liệu động đốt thay khí đốt (1873 Hoc-Cơ thực nghiệm dùng nguyên liệu lỏng cho đông Lơnoa) Việc dùng xăng làm nhiên liệu đẩy mạnh công nghiệp khai thác chế biến dầu mỏ, đồng thời cách mạng nhiên liệu ĐCĐT thực bắt đầu Trong thời gian ô tô phát triển nhanh công suất động hạn chế chưa vượt qua 80 mã lực Do phạm vi trang bị động lực có công suất lớn phải dùng máy nước Lý động xăng bốn kỳ ĐămLê Ben hiệu suất chưa vượt 20%, nhiên liệu xăng trở nên khan hiếm, dạng nhiên liệu lỏng nặng (mazut, diesel) dư thừa Những yêu cầu thực tế thúc đẩy nhà phát minh suy nghĩ phương án tạo loại động thay máy nước Một nhà nghiên cứu đạt thành tích kỹ sư RuyĐônPhơ Diesel - người mà tên tuổi từ lâu gắn liền với loại động quan trọng - động diesel Ông người Đức sinh năm 1858 Pari thủ đô nước Pháp Diesel theo học Munich nghiên cứu loại động nhiệt Năm 1893 Diesel trình bày luận văn với nhan đề: “Lý thuyết kết cấu loại động nhiệt lý tưởng thay cho máy nước” Ông tuyên bố đạt cho chu trình lý tưởng Cacnô Diesel chứng minh tỷ số nén tăng lên thật cao, đến 250, hiệu suất động đạt đến số kỉ lục 75% (thực điều không tưởng) Ngày chứng minh tỉ số nén vượt 22 hiệu suất nhiệt không tăng Các động diesel đại ngày hiệu suất đạt 47%) 10 a) b) Hình 5.9 Đặc tính không tải động xăng a) động diesel b) Đường nét liền: Sau 1.000h làm việc; Đường nét đứt: sau 2.000h làm việc Khi xác định đặc tính không tải, muốn thay đổi tốc độ động cần tay đổi gct cách thay đổi vị trí tay điều khiển động Điều chỉnh chế độ không tải cần đảm bảo động chạy ổn định không chết máy đỡ tốn nhiên liệu Đối với động xăng muốn thay đổi tốc độ n động cần mở rộng thêm bướm ga Khi chạy tốc độ ổn định nhỏ chế độ không tải, bướm ga đóng gần kín, lúc hệ số nạp nhỏ Mở rộng dần bướm ga, hệ số nạp tốc độ không tải động tăng dần, mở bướm ga đến tới vị trí tốc độ không tải động đạt tới số vòng quay lớn cho phép, chế độ không tải lớn động Hệ số dư lượng không khí  đường đặc tính không tải thay đổi theo mức độ mở bướm ga khụ thuộc vào cấu tạo chế hòa khí, nhiên phạm vi biến động đường đặc tính tương đối hẹp Hiệu suất thị çi đường đặc tính không tải chủ yếu phụ thuộc tốc độ n, hệ số dư lượng không khí  hệ số khí sót r Mở dần bướm ga làm tăng  giảm r qua làm tăng i Lượng nhiên liệu tiêu hao Gnl tăng theo tỷ số  v Đặc điểm n  biến thiên thông số chủ yếu chu trình động diesel (v, , i, gct) đường đặc tính không tải tương tự đường đặc tính tốc độ khảo sát Lượng tiêu hao nhiên liệu Gnl động diesel đường đặc tính không tải tăng dần tăng n lúc gct n tăng 5.2.7 Chuyển đổi đặc tính điều kiện tiêu chuẩn Người ta xác định đặc tính động thử nghiệm băng thử, với điều kiện môi trường khác Do muốn so sánh tiêu loại động cần 153 phải đưa kết thử nghiệm điều kiện môi trường, có áp suất 760 mmHg nhiệt độ 15oC Điều kiện gọi điều kiện tiêu chuẩn Các tiêu động xăng dùng chế hòa khí đưa điều kiện tiêu chuẩn theo công thức sau : Ne  760 530  t 760 530  t N'e ; M e  M' e B 545 B 545 pe  760 530  t p'e B 545 (5.42) (5.43) Trong : Ne, Me pe – công suất có ích, mômen áp suất có ích trung bình môi trường có áp suất 760 mm cột thủy ngân nhiệt độ 15oC N‟e , Me , p‟e công suất có ích, mômen áp suất có ích trung bình điều kiện môi trường có áp suất Bmm thủy ngân nhiệt độ toC Đối với động diesel tăng áp hỗn hợp chưa có công thức thống để đưa tiêu công tác động điều kiện tiêu chuẩn, thay đổi điều kiện môi trường làm thay đổi nhiều tham số định tiêu công tác động diesel Đặc biệt động diesel tăng áp hỗn hợp Vì có nhiều cách để đưa kết thử nghiệm động diesel tăng áp hỗn hợp điều kiện tiêu chuẩn CÂU HỎI ÔN TẬP Các chế độ làm việc động Điều kiện hoạt động động lắp thiết bị vận tải Khái niệm đặc tính động Các biểu thức phân tích đặc tính động Mối quan hệ  i i Với   Đặc tính tốc độ đặc tính Đặc tính tải Đặc tính điều chỉnh Đặc tính không tải 10 Chuyển đổi đặc tính điều kiện tiêu chuẩn 154 Chƣơng TĂNG ÁP CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6.1 MỤC ĐÍCH CỦA TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ 6.1.1 Tăng áp để nâng cao công suất động Công suất có í ch của động Ne được tí nh theo biểu thức sau: Ne = m.Ni = peVhin (KW) 30 (6.1) Trong đó: m hiệu suất giới Ni công suất chỉ thị của động (KW) Pe áp suất thị trung bình (MPa) Vh =  D2 S thể tí ch công tác của xi lanh D, S đường kí nh xi lanh, hành trình pit tông i số xi lanh n Tốc độ động  số kì Từ công thức để tăng công suất động có nhiều cách : giảm số kì , tăng tốc độ động cơ, tăng số xi lanh, tăng thể tí ch công tác và tăng áp cho động a Giảm số kỳ (t) Khi giữ nguyên giá trị thông số phần tử số biểu thức (6.1), giảm số kỳ mặt lý thuyết công suất động kỳ gấp đôi công suất động kỳ Tuy nhiên thực tế gấp từ (1,6 † 1,8) lần, điều có động hai kỳ có xảy tổn thất trình thay đổi môi chất Quá trình thay đổi môi chất động bốn kỳ hoàn hảo động hai kỳ b Tăng tốc độ động (n) Khi tăng tốc độ động làm tăng số chu trình công tác đơn vị thời gian Do đó, lượng công tạo đơn vị thời gian nhiều từ làm tăng công suất động Tuy nhiên tốc độ động n tăng vượt giá trị giới hạn làm tăng lực quán tính, tăng phụ tải nhiệt tăng độ mài mòn chi tiết nên làm rút ngắn tuổi thọ động Mặc khác, với động xăng đặc điểm hình thành hỗn hợp tính chất hóa lý nhiên liệu nên cho phép tăng tốc độ động để nâng cao công suất Đối với động 155 diesel, tăng tốc độ động ảnh hưởng đến hiệu suất trình cháy nên tốc độ động diesel thường nhỏ động xăng Hiện tốc độ động diesel cao tốc khoảng 4.000 vòng/phút, động xăng cao tốc khoảng 8.000 vòng/phút c Tăng số xi lanh động (i) Tăng số xi lanh động làm tăng công suất tính cân động Hiện động hàng có tới 12 xi lanh, động cao tốc chữ V có tới 16 động hình có từ 32 † 56 xi lanh Tuy nhiên số xi lanh lớn nhiều làm cho số chi tiết động tăng lên nhiều (50.000 † 100.000 chi tiết), làm giảm độ cứng vững hệ trục khuỷu Do đó, mặt làm giảm độ tin cậy độ an toàn trình làm việc, mặt khác làm cho việc bảo dưỡng sử dụng động thêm phức tạp d Tăng thể tích công tác động (Vh) Khi tăng kích thước xi lanh (đường kính D) hành trình pí t tô ng (S) làm tăng thể tích công tác, từ làm tăng công suất động Tuy nhiên, kích thước xi lanh hành trình pít tông lớn làm tăng kích thước bên chiều cao động Nếu tiếp tục tăng đường kính xi lanh D hành trình pít tông S gây nhiều khó khăn mặt công nghệ lẫn vật liệu chế tạo cho chi tiết động e Tăng áp cho động Tăng áp cho động để làm tăng mật độ môi chất nạp Qua làm tăng khối lượng không khí nạp vào xi lanh chu trình, làm tăng Pe làm tăng công suất động Tăng áp không khí đưa vào xi lanh động làm tăng đáng kể công suất động Nếu áp suất có ích trung bình Pe động diesel không tăng áp từ 0,7 † 0,9 MPa động diesel tăng áp dễ đạt 1,0 † 1,2 MPa Trường hợp nâng cao áp suất đường ống nạp Pk làm mát trung gian, nâng cao áp suất có ích trung bình Pe lớn MPa Tuy nhiên nâng cao mức độ tăng áp làm tăng Pe, từ làm tăng phụ tải khí phụ tải nhiệt động Do tăng áp phải đòi hỏi chi tiết pí t tông, xi lanh, phải có độ bền khả chịu tải tốt Do tăng áp biện pháp tốt để làm tăng công suất động cơ, nên hầu hết loại động co diesel cỡ lớn, đặc biệt động diesel phát điện động dùng tàu thủy sử dụng động tăng áp nhiều 6.1.2 Tăng áp để tiết kiệm lƣợng Xe đại đòi hỏi động gọn nhẹ, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, công suất mô-men xoắn lớn Để đáp ứng tiêu chuẩn này, tăng áp giải pháp phổ biến 156 Đây kỹ thuật nâng cao áp suất hỗn hợp nhiên liệu đưa vào buồng đốt Vào năm 1970, tiêu công suất/lít trung bình động đạt khoảng 60 mã lực/lít Ngày nay, với phát triển công nghệ vật liệu, khí điện tử, cấu tăng áp có mặt nhiều lĩnh vực, nhiều chủng loại động Đến năm 2.000 số công suất/lít trung bình động đạt tới 121 mã lực/lít nhờ kỹ thuật tăng áp tiên tiến 6.2 CÁC BIỆN PHÁP TĂNG ÁP CHỦ YẾU Dựa vào nguồn lượng phương pháp nén không khí trước đưa vào động cơ, người ta chia tăng áp thành bốn nhóm sau: - Tăng áp dẫn động khí; - Tăng áp nhờ lượng khí thải; - Tăng áp hỗn hợp; - Tăng áp nhờ hiệu ứng động dao động áp suất; Ngoài phương án trên, có hệ thống tăng áp tổ hợp khác tùy theo nhu cầu sử dụng động 6.2.1 Tăng áp dẫn động khí (Supercharger) a Sơ đồ hệ thống: Máy nén thiết bị tăng áp truyền động khí thường máy nén pí t tông , máy nén rô to, máy nén ly tâm máy nén chiều trục dẫn động từ trục khuỷu động thông qua bánh răng, xích cấu truyền động khác Hình 6.1 Tăng áp dẫn động khí Máy nén Trục khuỷu động Hệ thống truyền động 157 Hình 6.2 Động có trang bị tăng áp Một ví dụ loại tăng áp (Superchanger) mô tả hình 6.3 Hình 6.3 Bộ tăng áp Superchanger Vỏ tăng áp Đường nạp Cặp bánh Xu páp nạp Bộ tăng áp sử dụng cặp bánh nghiêng lớn, bố trí vỏ kín 1, đường nạp khí động Mỗi bánh có vai trò pít tông quét khí nạp Bộ tăng áp phù hợp với loại động diesel thấp tốc, khối lượng lớn nên không sử dụng động cao tốc ngày Hệ số tăng áp tối đa lên tới 1,6 lần (tỷ lệ áp suất với áp suất vào) b Nguyên lý làm việc: 158 Hình 6.4 Sơ đồ nguyên lý tăng áp truyền động khí Khi trục khuỷu động quay, công suất từ trục khuỷu dẫn động cho máy nén làm việc Máy nén hút không khí trời với áp suất Po, sau qua máy nén áp suất không khí tăng lên Pk > Po qua đường ống nạp nạp vào xi lanh động c Phạm vi ứng dụng: Khi nghiên cứu chu trình lý tưởng động tăng áp biết hiệu tăng áp phương pháp truyền động giới so với phương pháp tăng áp tua bin khí, phạm vi sử dụng phương pháp tăng áp giới hạn cho động mà áp suất tăng áp không vựơt 0,15 - 0,16 MN/m2 Nếu áp suất tăng áp lớn công suất tiêu thụ cho máy nén lớn (vượt 10%Ni) hiệu suất động giảm Trong loại động hai kỳ , pít tông động đóng vai trò van trượt điều khiển đóng mở cửa quét thải sử dụng không gian bên pí t tông làm máy nén tăng áp Trường hợp động tăng áp có giá trị áp suất đường ống nạp P k, công tiêu hao cho máy nén Nk lớn công suất có động Ne nhỏ Vì chọn loại máy nén cho động tăng áp truyền động khí cần ý tới áp suất tăng áp công để dẫn động tăng áp để không ảnh hưởng đến công suất hiệu suất động 6.2.2 Tăng áp nhờ lƣợng khí thải Trong tổng số lượng cấp cho động không tăng áp, có khoảng 30 † 40% chuyển thành công có ích Nhiệt lượng khí thải khỏi động chiếm khoảng 40 † 50% Nếu dùng tua bin khí để số khí thải tiếp tục giãn nở sinh công, trước thải môi trường dùng công để dẫn động máy nén tăng áp (không dùng công có ích lấy từ trục khuỷu động cơ) nâng cao công suất có ích đồng thời cải thiện tính kinh tế động Tùy theo áp suất khí trước tua bin, tăng áp tuabin khí có hai loại sau: 159 - Tăng áp tua bin biến áp: xu páp xả mở, sản vật cháy dẫn trực tiếp tới cánh tua bin Áp suất động dòng khí thải tác dụng vào cánh tua bin thay đổi theo quy luật giảm dần Để giảm tổn thất lượng dòng khí thải, người ta thường bố trí tua bin gần xi lanh - Tăng áp tua bin đẳng áp: khí thải từ xi lanh động dẫn vào bình chứa, sau cấp vào trước cánh tua bin theo quy luật định a Sơ đồ hệ thống: Hình 6.5 Sơ đồ động tăng áp nhờ lƣợng khí thải dùng tua bin khí Tuabin khí Máy nén Tuabin Không khí từ môi trường vào tua bin Khí thải động Tăng áp tua bin khí thực thiết bị thu hồi lượng khí thải, số lượng thu hồi chiếm tới † 10% toàn lượng nhiệt cấp cho động Trên hình 6.5 giới thiệu sơ đồ động tăng áp nhờ lượng khí thải dùng tua bin khí Hình 6.6 Động dùng tăng áp Turbochanger 160 Hình 6.7 Mặt cắt Turbocharger màu đỏ: khí thải; màu xanh: khí nạp b Nguyên lý làm việc: Tăng áp tua bin khí biện pháp tốt để làm tăng công suất nâng cao tiêu kinh tế kỹ thuật động cơ, biện pháp sử dụng rộng rãi loại động diesel đại Trên hình 6.8 giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc động tăng áp tua bin khí, lượng để dẫn động tuabin lấy từ lượng khí xả động Hình 6.8 Sơ đồ nguyên lý động tăng áp tuabin khí, dẫn động lƣợng khí thải Máy nén N dẫn động trục tua bin khí T, hoạt động nhờ lượng khí thải động Khí thải động vào tua bin khí sinh công quay máy nén sau thải môi trường, đồng thời máy nén N hút không khí trời có áp suất P0 nén đến áp suất Pk đưa vào động Lượng không khí nén cung cấp cho động biến đổi tự động theo công suất động Công suất động cao lượng chứa khí thải lớn, đảm bảo quay máy nén cung cấp cho động với lượng không khí nén nhiều 161 Một ví dụ loại tăng áp (Tubochanger) mô tả hình 6.9 Hình 6.9 Cấu tạo bộ tăng áp Tubochanger a) nguyên lý làm việc b) Bánh tuốc bin Van điều tiết Trục Đường khí phản hồi Bánh nén khí nạp Xi lanh điều khiển Xu páp nạp mạch giảm tải Xu páp xả Bộ tăng áp đặt sát động có cấu tạo hình Nguyên lý hình thành tăng áp dựa sở tận dụng động dòng khí xả, khỏi động cơ, làm quay máy nén khí Dòng khí xả vào bánh tua bin 1, truyền động làm quay trục 2, dẫn động bánh 3, khí nạp tăng áp vào đường ống nạp động Áp suất tăng áp khí nạp phụ thuộc vào tốc độ động (tốc độ dòng khí xả hay tốc độ quay bánh 1) Với mục đích ổn định tốc độ quay bánh khoảng hoạt động tối ưu theo số vòng quay động cơ, đường nạp có bố trí mạch giảm tải Mạch giảm tải làm việc nhờ van điều tiết 6, thông qua đường khí phản hồi cụm xi lanh điều khiển Khi áp suất tăng áp tăng, van mở, phần khí xả không qua bánh tua bin 1, thực giảm tốc độ cho bánh nén khí nạp, hạn chế gia tăng mức áp suất khí nạp c Phạm vi ứng dụng: Do tăng áp tua bin khí dẫn động lượng khí thải, tiêu thụ công suất từ trục khuỷu động tăng áp dẫn động khí, nên làm tăng tính kinh tế động Phương pháp giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 10% Trong động tăng áp cao, thường lắp két làm mát trung gian trước không khí vào động nhằm giảm nhiệt độ, qua nâng cao mật độ không khí tăng áp vào động 162 Vì vậy, nâng cao công suất hiệu suất động Mặc khác tăng áp tuabin khí tạo điều kiện giảm tiếng ồn nên loại sử dụng nhiều 6.2.3 Tăng áp hỗn hợp a Sơ đồ hệ thống: Tăng áp hỗn hợp biện pháp sử dụng lúc máy nén tua bin khí (dùng lượng khí xả) máy nén truyền động khí (dùng lượng từ trục khuỷu) Có hai phương pháp tăng áp hỗn hợp: - Hai tầng lắp nối tiếp - Hai tầng lắp song song b Nguyên lý làm việc: Trong hệ thống hai tầng lắp nối tiếp thuận (H 6.10a), tầng thứ “máy nén tua bin khí” quay tự tầng thứ hai máy nén truyền động khí Dùng hệ thống tăng áp hai tầng lắp nối tiếp thuận mặt tận dụng lượng khí thải, mặt khác nâng cao áp suất đường ống nạp Pk, từ nâng cao mật độ khí nạp Hệ thống tăng áp có tầng thứ máy nén thể tích máy nén ly tâm trục khuỷu dẫn động tầng thứ hai “máy nén tuabin khí” quay tự gọi hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp ngược (H 6.10b) Trong hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp ngược tiến hành cường hoá động biện pháp làm tăng lượng khí nạp đưa vào xi lanh khối lượng không khí cung cấp cho xi lanh chu trình thay đổi Trong hệ thống tăng áp hai tầng lắp song song (H 6.10c), máy nén N1 dẫn động từ trục khuỷu động cung cấp vào bình làm mát LM với máy nén N2 dẫn động từ lượng khí thải tua bin T Hình 6.10 Sơ đồ nguyên lý động tăng áp hỗn hợp hai tầng lắp nối tiếp a) hai tầng nối tiếp thuận N – máy nén b) hai tầng nối tiếp ngược LM – thiết bị làm mát trung gian không khí nén c) hai tầng lắp song song T – Tua bin 163 c Phạm vi ứng dụng: Trong hệ thống tăng áp hai tầng nối tiếp, có máy nén truyền động giới nên thay đổi tỷ số tăng áp động cơ, cải thiện tính tăng tốc chất lượng công tác chế độ làm việc động Đặc điểm quan trọng động hai kỳ Trong động tăng áp hỗn hợp, lắp song song (H 6.10c) người ta dùng máy nén dẫn động giới dùng không gian bên xi lanh làm máy nén (động hai kỳ) cung cấp không khí tăng áp cho động cơ, song song với “máy tua bin khí” quay tự Như máy nén hệ thống cần cung cấp phần không khí nén vào bình chứa chung Ưu điểm chủ yếu hệ thống tăng áp lắp song song lưu lượng không khí, qua máy nén điều nhỏ kích thước máy nén điều nhỏ so với hệ thống tăng áp lắp nối tiếp Về mặt cấu tạo hệ thống tăng áp hỗn hợp phức tạp nhiều so với hệ thống tăng áp truyền động giới tăng áp tua bin khí, thiết bị tăng áp có hai máy nén Mặt khác bình chứa không khí nén chung phức tạp Vì trường hợp đặc biệt (ví dụ cần đạt Pk tương đối lớn), cần có tính tăng tốc tốt chế độ làm việc động cơ, yêu cầu đặc biệt người ta dùng hệ thống tăng áp hỗn hợp CÂU HỎI ÔN TẬP Mục đích tăng áp cho động Các biện pháp nâng cao công suất động Sơ đồ, nguyên lý làm việc phạm vi ứng dụng biện pháp tăng áp dẫn động khí Sơ đồ, nguyên lý làm việc phạm vi ứng dụng biện pháp tăng áp nhờ khí thải Sơ đồ, nguyên lý làm việc phạm vi ứng dụng biện pháp tăng áp hỗn hợp 164 PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH - Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo ĐCĐT kiểu pít tông (a); Tua bin khí (b); Động phản lực dùng nhiên liệu chất ôxi hóa thể lỏng (c) - Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý động đốt - Hình 1.3 Trình tự trình ĐCĐT - Hình 1.4 Sơ đồ trình làm việc đồ thị công p –V động diesel bốn kỳ - Hình 1.5 Đồ thị công p-V chu trình thực tế - Hình 1.6 Đồ thị khai triển đồ thị phân phối khí khai triển động kỳ pk < pO - Hình 1.7 Sơ đồ pha phân phối khí động kỳ - Hình 1.8 Chu trình làm việc động diesel bốn kỳ - Hình 1.9 Đồ thị công p – V đồ thị phân phối khí khai triển động diesel kỳ pK< pO - Hình 1.10: Đồ thị công p – V động xăng kỳ - Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo động kỳ tăng áp tuabin khí (pk > p0) - Hình 1.12 Sơ đồ hoạt động động kỳ quét thẳng qua xu páp xả - Hình 1.13 Sơ đồ cấu tạo động kỳ đồ thị công p-V động kỳ dạng quét vòng dùng cacte tạo quét khí - Hình 1.14 Pha phân phối khí động hai quét vòng - Hình 1.15 Sơ đồ cấu tạo cấu khuỷu trục truyền động chữ V, xi lanh, góc nhị diện 900, thứ tự làm việc 1-5-4-2-6-3-7-8 - Hình 1.16 Sơ đồ cấu tạo trục khuỷu động xi lanh - Hình 1.17 Sơ đồ cấu tạo trục khuỷu động xi lanh - Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý làm việc ĐCĐT kiểu pít tông quay - Hình 1-19 Sơ đồ cấu tạo ĐCĐT kiểu tua bin phản lực - Hình 3.1 Chu trình lý tưởng tổng quát ĐCĐT - Hình 3.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp - Hình 3.3 Phần đồ thị công thải nạp khí pk < po (a), pk > po (b) - Hình 3.4 Phần đồ thị công trình thay đổi khí động kỳ - Hình 3.5 Đồ thị p –V phân tích đường cong đặc trưng trạng thái trình nén - Hình 3.6 Quá trình cháy bình thường động xăng - Hình 3.7 Sơ đồ phân bố màng lửa tốc độ màng lửa - Hình 3.8 Cháy kích nổ động xăng 165 - Hình 3.9 Hiện tượng cháy sớm động xăng - Hình 3.10 Đồ thị khai triển trình cháy động diesel - Hình 3.11 Đồ thị p = f(V) trình giãn nở ĐCĐT - Hinh 3.12 Đồ thị p = f(V) trình thải ĐCĐT - Hinh 4.1 Đồ thị công hiệu đính p =f(V) ĐC-D - Hình 4.2 Đồ thị công hiệu đính p =f(V) ĐC-X - Hình 5.1 Các chế độ hoạt động loại động - Hinh 5.2 Đặc tính động máy công tác - Hình 5.3 Quan hệ i i  với  - Hình 5.4 Đặc tính động xăng a) động diesel b) - Hình 5.5 Đặc tính tải động xăng - Hình 5.6 Đặc tính tải động diesel - Hình 5.7 Đặc tính điều chỉnh góc phun sớm, n = 1.800 vg/ph toàn tải - Hình 5.8 Đặc tính điều tốc mô men Me động diesel - Hình 5.9 Đặc tính không tải động xăng a) động diesel b) - Hình 6.1 Tăng áp dẫn động khí - Hình 6.2 Động có trang bị bộ tăng áp - Hình 6.3 Bộ tăng áp Superchanger - Hình 6.4 Sơ đồ nguyên lý tăng áp truyền động khí - Hình 6.5 Sơ đồ động tăng áp nhờ lượng khí thải dùng tuabin khí - Hình 6.6 Động dùng tăng áp Turbochanger - Hình 6.7 Mặt cắt Turbocharger - Hình 6.8 Sơ đồ nguyên lý động tăng áp tuabin khí, dẫn động lượng khí thải - Hình 6.9 Cấu tạo bộ tăng áp Tubochanger - Hình 6.10 Sơ đồ nguyên lý động tăng áp hỗn hợp hai tầng lắp nối tiếp DANH MỤC BẢNG - Bảng 1.1 Bảng sinh công động kỳ xi lanh - Bảng 1.2 Bảng sinh công động kỳ xi lanh - Bảng 2.1 Thành phần thể tích nhiệt trị thấp nhiên liệu khí điều kiện tiêu chuẩn - Bảng 2.2 Các tiêu nhiên liệu lỏng dùng cho động đốt 166 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Tấn Quốc (2005) Nguyên lý động đốt ĐHSPKTTPHCM [2] Nguyễn Tất Tiến (1999) Nguyên lý động đốt Nhà xuất Giáo dục Hà Nội [3] Nguyễn Văn Bình (1982) Nguyên lý động đốt Đại học THCN [4] Phạm Văn Trợ (1998) Lý thuyết động đốt Cao đẳng Kỹ thuật Vin Hem Pic [5] Võ Nghĩa (1990) Thí nghiệm động Đại học Bách khoa Hà Nội [6] Đỗ Xuân Kính (1989) Sửa chữa động đốt Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [7] Trần Văn Tế - Nguyễn Đức Phú (1996) Kết cấu tính toán động đốt Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội [8] Nguyễn Đức Phú (1989) Động đốt xưa Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [9] Proceedings of the international conference on technology, Hanoi, December 1996 167