giáo trình động cơ đốt trong đặng tiến hòa

Đặng Tiến Hòa Chơng Đại cơng động đốt 1.1 Khái quát động đốt Trong loại động nhiệt, nhiệt lợng động đốt cháy tạo ra, đợc trở thành công có ích động đốt đợc dùng rộng rãi với số lợng lớn lĩnh vực: giao thông vận tải (đờng bộ, đờng sắt, đờng thuỷ, hàng không), nông nghiệp, xây dựng, công nghiệp, quốc phòng Tổng công suất động đốt tạo chiếm khoảng 90% công suất thiết bị động lực nguồn lơng tạo (nhiệt năng, động năng, lợng nguyên tử, lợng mặt trời ) Trong động đốt trong, trình đốt cháy nhiên liệu, chuyển biến nhiệt thành đợc thc bên động Động đốt gồm có: động đốt pittông, tua bin khí động phản lực (hình 1.1) Các chi tiết động pittông (hình 1.1a) gồm: xilanh 2, nắp xilanh 3, cácte 1, pittông 4, truyền trục khuỷu Nhiên liệu không khí cần cho trình cháy đợc đa vào thể tích xilanh động cơ, giới hạn nắp xilanh, thành xilanh đỉnh pittông -1- Đặng Tiến Hòa Khí thể đợc tạo sau cháy có nhiệt độ lớn tạo nên áp suất đẩy pittông chuyển dịch xilanh Chuyển động tịnh tiến pittông thông qua truyền chuyển tới trục khuỷu, lắp cácte, tạo thành chuyển động quay trục khuỷu Trong tua bin khí (hình 1.1b), việc đốt cháy nhiên liệu đợc thực buồng cháy Nhiên liệu vào buồng cháy nhờ bơm đợc xé tơi qua vòi phun Không khí cần cho cháy, đợc máy nén 11 (lắp đầu trục tua bin khí 10) cung cấp cho buồng cháy, sản vật cháy qua lỗ phun vào cánh bánh công tác tua bin 10 để giãn nở sinh công Tua bin khí, có chi tiết quay tròn, nên chạy tốc độ cao Ngoài ra, cánh tua bin lợi dụng triệt để lợng khí nóng Nhợc điểm tua bin hiệu suất thấp cánh tua bin phải hoạt động môi trờng nhiệt độ cao (giảm nhiệt độ khí thể để tăng độ tin cậy cánh làm giảm hiệu suất tua bin) Tua bin khí đợc dùng rộng rãi làm thiết bị phụ động pittông động phản lực Trong động phản lực dùng chất ôxy hoá thể lỏng (hình 1.1c), nhiên liệu chất ôxy hoá thể lỏng từ thùng chứa 12 13 đợc bơm 14 cấp cho buồng cháy Sản vật cháy giãn nở ống phun 15, phun môi trờng với tốc độ lớn Lu động dòng khí khỏi ống phun nguyên nhân sản sinh phản lực( lực kéo) động Hình 1.1d giới thiệu động phản lực dùng chất ôxy hoá thể khí (không khí) Đặc điểm động phản lực lực kéo hầu nh không phụ thuộc vào tốc độ thiết bị phản lực, công suất động tỉ lệ thuận với tốc độ không khí vào máy độ chuyển động thiết bị phản lực đặc điểm đợc sử dụng động tua bin phản lực máy bay Nhợc điểm động phản lực hiệu suất tơng đối thấp Động đốt pittông có hiệu cao nhiệt độ cực đại trình cháy tới 1800 2800 K, nhiệt độ khí xả thải trời 900 1500 K Tuy nhiệt độ cao nh nhng trình hoạt động động có tính chu kỳ chi tiết tiếp xúc với khí nóng đợc làm mát nên không gây ảnh hởng đến độ tin cậy hoạt động động Nhợc điểm động pittông cấu trục khuỷu truyền ; cấu làm cho cấu tạo động phức tạp hạn chế khả tăng tốc độ động Ngày ngời ta sử dụng rộng rãi động tăng áp tua bin khí, loại động liên hợp gồm động pittông 1, máy nén khí tua bin khí (hình 1.2) liên kết với Khí xả động pittông có nhiệt độ áp suất cao, truyền lợng cho cánh tua bin khí 2để dẫn động máy nén khí Máy nén khí hút không khí từ môi trờng nén tới áp suất nạp vào xilanh động pittông Việc tăng lợng khí nạp vào xilanh động cách tăng áp suất không khí đờng nạp đợc gọi tăng áp Khi tăng áp, mật độ không khí tăng, làm tăng lợng môi chất nạp vào xilanh động so với trờng hợp không tăng áp Muốn đốt nhiên liệu phun vào xilanh động cơ, cần có lợng không khí thích hợp (ví dụ muốn đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng mặt lí thuyết cần có khoảng 15kg không khí) Do không khí nạp vào xilanh nhiều số nhiên liệu đốt cháy nhiều tức đợc công suất lớn Động tăng áp tua bin khí so với động không tăng áp có công suất lớn mà hiệu suất cao hơn, sử dụng thêm lợng khí xả -2- Đặng Tiến Hòa Ưu điểm động tăng áp tua bin khí khối lợng thể tích động qui 1kW nhỏ hiệu suất cao so với động không tăng áp động đốt trong, việc sử dụng hoá nhiên liệu bên xilanh động phơng pháp tốt nhất, không cần đến môi chất trung gian (ví dụ nớc máy tua bin nhờ thiết bị phụ khác (nh nồi hơi, thùng ngng hơi, nhiệt ) tránh đợc nhiều tổn thất nhiệt Động đốt pittông, đặc biệt động tăng áp tua bin khí loại có hiệu suất cao động nhiệt Ngày động đốt pittông chiếm số lợng lớn đợc sử dụng rộng rãi Vì thuật ngữ động đốt đợc dùng với ý khái quát chung cho loại động đốt trong, đồng thời có ý dùng ngắn gọn để động đốt pittông 1.2 Ưu, khuyết điểm lĩnh vực sử dụng động đốt So với loại động nhiệt khác, u điểm động đốt là: Hiệu suất có ích e cao, động điêden tăng áp tua bin khí đại đạt tới e =0,4 0,52 , hiệu suất có ích máy nớc e = 0,09 0,14, tua bin nớc e = 0,22 0,28 tua bin khí e không 0,3 Kích thớc nhỏ gọn, khối lợng nhẹ toàn chu trình động đốt đợc thực thiết bị (ngợc lại thiết bị tua bin khí cần có nhiều trang bị phụ nh: nồi hơi, buồng cháy, máy nén nặng cồng kềnh) Động pittông đại đạt khối lợng 1kW : 0,25 0,23 (kg/kW) công suất lít là: 1,2 38 (kW/l) Khởi động nhanh Bất kỳ động đốt trong moị điều kiện cần từ vài giây đến vài phút cho máy nổ chyển đến toàn tải Động điêden lớn nhất, từ khởi động chuyển đến toàn tải cần 30 40 phút, đó, trang bị động lực nớc (máy tua bin hơi) muốn khởi động chuyển đến chạy toàn tải phải cần tới từ đến ngày đêm Hao nớc Động đốt không dùng nớc tiêu hao nớc, trang bị động lực nớc phải tiêu thụ lợng lớn kể trờng hợp thu hồi nớc ngng tụ Ưu điểm động đốt có giá trị đặc biệt số trờng hợp (ví dụ : vùng sa mạc) Bảo dỡng đơn giản thuận tiện hẳn so với trang bị động lực nớc Động đốt cần ngời chăm sóc, bảo dỡng Nhợc điểm động đốt là: 1.Trong xilanh đốt nhiên liệu rắn, nhiên liệu phẩm chất Động đốt chủ yếu dùng nhiên liệu lỏng khí không chứa thành phần kim loại nh tạp chất học Công suất thiết bị bị giới hạn Về mặt trang bị nớc có nhiều u việt so với động đốt Động điêden vợt công suất 37.000kW; với công suất 20.000kW, cấu tạo động trở nên phức tạp hoạt động thiếu linh hoạt, trang bị tua bin nớc đạt công suất 200.000kW -3- Đặng Tiến Hòa Trên thiết bị vận tải đờng bộ, nối trực tiếp trục động với trục máy công tác hạn chế đặc tính động đốt Do đó, hệ thống truyền động phải có li hợp hộp số để thay đổi mômen trục thụ động phạm vi rộng Động hoạt động ồn, động cao tốc Ngời ta phải dùng tiêu âm đờng thải đờng nạp để hạn chế bớt nhợc điểm Nhng nh làm ảnh hởng xấu tới u điểm động nh hiệu suất khối lợng động qui kW/h Do u điểm kể trên, nên động đốt phát triển khắp lĩnh vực công nghiêp, nông lâm ng nghiệp, giao thông vận tải Trong lĩnh vực công nghiệp, phát điện, vận tải biển, động đốt đợc sử dụng song hành với động nhiệt khác Một số lĩnh vực, cha sử dụng đợc loại động khác, ví dụ ôtô, máy kéo, hàng không, tàu ngầm, trạm phát điện di động, động đốt động lực đợc sử dụng lĩnh vực Ngoài toàn tàu sông, tàu ven biển, tầu biển dới 10.000 tấn, máy xây dựng, trang bị kĩ thuật quân sử dụng động lực động đốt Chính ngành công nghiệp chế tạo động đốt đơc coi phận tất yếu ngành khí kinh tế quốc dân hầu hết nớc Động đốt ngành khí phức tạp Bên động thực trình khác nhau: biến đổi hoá học, nhiệt động học, trình khí điện khí, cấu đảm bảo trình phức tạp Khi chế tạo vậy, hình dạng chi tiết phức tạp, kích thớc lớn , đòi hỏi nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau, nhiều loại máy công cụ đặc chủng phức tạp để đạt độ xác cao Sau cùng, việc bảo dỡng, sửa chữa động đốt đòi hỏi có hiểu biết nhiều loại kiến thức phong phú Vì tất nớc coi trọng đào tạo đội ngũ chuyên gia động đốt có số lợng chất lợng định đáp ứng yêu cầu thiết kế, chế tạo, sử dụng bảo dỡng, sửa chữa loại động đốt dùng nớc 1.3 Phân loại động đốt Động đốt đợc phân loại theo đặc trng sau đây: Theo phơng pháp thực chu trình công tác có: - Động bốn kỳ - chu trình đợc thực bốn hành trình pittông hai vòng quay trục khuỷu - Động hai kỳ - chu trình đợc thực hai hành trình pittông vòng quay trục khuỷu Theo loại nhiên liệu dùng cho động có: - Động dùng nhiên liệu lỏng, nhẹ (xăng, benzen, dầu hoả, cồn ) - Động dùng nhiên liệu lỏng, nặng (nhiên liệu điêden, dầu mazút, gazôin ) - Động dùng nhiên liệu khí (khí lò ga, khí thiên nhiên, khí hoá lỏng, nhiên liệu khí nén) - Động dùng nhiên liệu khí cộng với nhiên liệu lỏng (phần nhiên liệu khí, phần mồi nhiên liệu lỏng) - Động đa nhiên liệu (dùng nhiên liệu lỏng từ nhẹ đến nặng) Theo phơng pháp nạp chu trình công tác có: -4- Đặng Tiến Hòa - Động không tăng áp Quá trình hút không khí hoà khí vào xilanh pittông hút trực tiếp từ khí trời (động bốn kỳ) không khí quét đợc nén tới áp suất đủ để thực việc thay đổi môi chất nạp đầy xilanh (động hai kỳ) - Động tăng áp, không khí hoà khí vào xilanh động có áp suất không khí lớn áp suất khí trời, nhờ thiết bị tăng áp (động bốn kỳ) việc quét xilanh nạp không khí hoà khí đợc không khí thực nhờ không khí có áp suất cao, đảm bảo tăng lợng môi chất mà tăng lợng khí nạp vào xilanh Thuật ngữ tăng áp có nghĩa tăng lợng môi chất nhờ nâng cao áp suất đờng nạp qua tăng mật độ khí nạp Theo phơng pháp hình thành hoà khí (hỗn hợp không khí nhiên liệu) có: - Động hình thành hoà khí bên hoà khí (còn gọi hỗn hợp khí cháy) gồm nhiên liệu lỏng nhẹ không khí gồm nhiên liệu thể khí không khí đ ợc hoà trộn trớc bên bên xilanh động (bao gồm toàn động dùng chế hoà khí động dùng nhiên liệu thể khí) đợc đốt cháy tia lửa điện - Động hình thành hoà khí bên hoà khí đợc hìng thành bên xilanh nhờ bơm cao áp cấp nhiên liệu cao áp để phun tơi vào khối không khí nóng xilanh động (động điêden) hoăc nhờ phun nhiên liệu nhẹ trực tiếp vào xilanh động (động phun xăng trực tiếp vào xilanh) Quá trình hình thành hoà khí động điêden chủ yếu phụ thuộc vào loại buồng cháy, động điêden đợc chia thành ba loại sau: + Động điêden dùng buồng cháy thống nhất, thể tích buồng cháy khối thống trình hình thành hoà khí trình cháy thực + Động điêden dùng buồng cháy dự bị, thể tích buồng cháy đợc ngăn làm hai phần : buồng cháy buồng cháy dự bị, nhiên liệu dợc phun vào buồng cháy dự bị, qua tạo chênh áp hai buồng cháy Nhờ chênh áp sản vật cháy, nhiên liệu không khí cha cháy đợc phun buồng cháy để tiếp tục hình thành hoà khí kết thúc trình cháy buồng cháy + Động điêden dùng buồng cháy xoáy lốc, thể tích buồng cháy đợc chia làm hai phần : buồng cháy buồng cháy lốc Giữa hai buồng cháy có đờng nối thông nằm đờng tiếp tuyến với buồng cháy xoáy lốc, nhờ tạo dòng xoáy lốc môi chất vào cuối trình nén Trớc tiên việc hình thành hoà khí nhờ nhiên liệu đợc phun tơi vào dòng xoáy lốc này, tiếp nhiên liệu bốc cháy tạo chênh áp hai buồng cháy Nhờ chênh áp, sản vật cháy, nhiên liệu không khí cha cháy đợc phun buồng cháy để tiếp tục hình thành hoà khí kết thúc trình cháy buồng cháy Theo phơng pháp đốt cháy hoà khí có : - Động nhiên liệu tự cháy (động điêden), nhiên liệu lỏng đợc phun tơi vào buồng cháy tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao môi chất cuối trình nén - Động đốt cháy cỡng bức, hoà khí đợc đốt cháy cỡng nhờ nguồn nhiệt bên (tia lửa điện) Loại gồm toàn động dùng chế hoà khí máy ga - Động đốt cháy hỗn hợp, hoà khí đợc đốt cháy nhờ hai nguồn nhiệt : nguồn nhiệt độ môi chất cuối trình nén (không đủ tự cháy) nguồn khác tác dụng -5- Đặng Tiến Hòa thành nóng buồng cháy mồi lửa (cầu nhiệt) Loại gồm toàn động có cầu nhiệt - Động đốt cháy tổ hợp (động ga-điêden), hoà khí nhiên liệu thể khí nhiên liệu lỏng đợc đốt cháy cỡng bức, nhờ lửa tự cháy nhiên liệu mồi nhiên liệu điêden mồi đợc phun vào xilanh cuối trình nén tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao môi chất nén Theo loại chu trình công tác có: - Động cấp nhiệt đẳng tích (V const ) gồm tất động có tỉ số nén thấp ( 11) đốt nhiên liệu cỡng (động dùng chế hoà khí máy ga) - Động cấp nhiệt đẳng áp (p const) gồm động có tỉ số nén cao ( 12 14), phun tơi nhiên liệu nhờ không khí nén nhiên liệu tự bốc cháy (hiện không sản xuất loại này), động đốt tăng áp cao - Đọng cấp nhiệt hỗn hợp, phần nhiệt cấp điều kiện đẳng tích (V const) phần lại cấp điều kiện đẳng áp (p const) gồm động có tỉ số nén cao ( 12 16), phun nhiên liệu trực tiếp nhiên liệu tự bốc cháy Phần lớn động điêden hoạt động theo chu trình Theo đặc điểm cấu tạo động : Theo đặc điểm cấu truyền có : -Động có dạng hòm lực ngang bên sờn máy mà đầu mỏ truyền tạo thân pittông tiếp nhận (hình 1.1 a) - Động có guốc trợt, lực ngang bên sờn máy mà đầu mỏ truyền tạo đợc guốc trợt tiếp nhận (hình 1.3 a, f) Theo số xilanh có : - Động xilanh - Động nhiều xilanh (hình 1.3 e, h) Theo cách đặt xilanh có : - Động đặt đứng xilanh đặt đứng (hình 1.3 a, g) - Động nằm ngang xilanh nằm ngang (hình 1.3 f) - Động hàng xilanh đặt thành hàng, đờng tâm xilanh song song với nằm mặt phẳng (hình 1.3 g) - Động hai hàng song song hai hàng chữ V (hình b, h) - Động nhiều hàng theo dạng chữ X, dạng chữ H, dạng chữ W loại động nhẹ cao tốc khác - Động hình sao, hàng đờng tâm xilanh đặt theo hớng kính nằm mặt phẳng - động điêden cao tốc (hình 1.3 c, e) Theo khả thay đổi chiều quay trục khuỷu có : - Động quay phải trục khuỷu động quay theo chiều kim đồng hồ nhìn từ bánh đà tới mũi tầu (động tầu thuyền) hặc nhìn từ đầu tự (các động khác) - Động quay trái trục khuỷu động quay ngợc với chiều kể - Động quay đợc hai chiều chiều quay trục khuỷu động thay đổi nhờ cấu đảo chiều (chỉ dùng cho động tầu thuỷ) -6- Đặng Tiến Hòa Theo chiều lực khí thể tác dụng pittông có : - Động tác dụng đơn có phía pittông có chu trình công tác (hình 1.3 b, c, d, e, g, h) - Động tác dụng kép hai phía pittông (phía phía dới) có chu trình công tác (hình 1.3 a, f) n ; m/s) có : 10 Theo tốc độ trung bình pittông (C m = S 30 - Động tốc độ thấp (C m 6,5 m/s) - Động cao tốc (C m > 6,5 m/s) ; : s hành trình pittông (m); n số vòng quay trục khuỷu (vg/ph) 11 Theo công dụng động có: - Động tĩnh hoạt động cố định điểm (trạm bơm, trạm phát điện ) -7- Đặng Tiến Hòa - Động tầu thủy gồm máy dùng để quay chân vịt máy phát điện để truyền động điện tới chân vịt tầu thủy máy phụ dùng cho nhu cầu khác tầu (cụm phát điện điêden, cụm điêden máy nén dùng cho nhu cầu tầu - Động đầu xe lửa - Động ôtô máy kéo - Động máy bay - Động dùng máy nông nghiệp, máy xây dựng, máy làm đờng, máy móc trang thiết bị quân Ngoài đặc trng kể trên, dựa vào đặc trng phụ khác để phân loại động nh : theo hệ thống làm mát, theo cấu điều chỉnh Về mặt nguyên lý làm việc loại động đốt phải thực trình (hình 1.4) ; - Thay đổi môi chất (môi chất môi giới đợc sử dụng động nhiệt, để thực việc chuyển đổi lợng nhiệt thành công học, môi chất động đốt gồm không khí, nhiên liệu sản vật cháy ) Cuối chu trình, phải thải hết khí thải (sản vật cháy) nạp đầy môi chất (không khí hoà khí) vào xilanh để thực chu trình mới, thay đổi môi chất gồm hai trình : thải nạp - Hình thành hoà khí (hoà trộn nhiên liệu với không khí tạo thành hoà khí, làm thuận lợi cho trình cháy) - Nén (nhằm làm tăng áp suất nhiệt độ môi chất tạo điều kiện tốt để thực trình cháy đồng thời giúp trình giãn nở sinh công đợc triệt để) - Đốt hoà khí (hoà khí tự cháy nhờ nhiệt độ cao môi chất đợc đốt cháy cỡng nhờ tia lửa điện) - Cháy giãn nở (nhiên liệu bốc cháy nhờ lửa đợc hình thành sau đốt hoà khí sau tự cháy, môi chất giãn nở sinh công) Bảng 1-1 giới thiệu tóm tắt phân loại động đốt sử dụng theo đặc trng nguyên lý làm việc Các loại động ghi thực phơng án sau : a) Bốn kỳ hai kỳ b) Tăng áp không tăng áp Việc hình thành hoà khí đợc thực bên bên xilanh Trờng hợp hoà khí bên nhiên liệu không khí đợc hoà trộn trớc bên xilanh, đờng nạp nạp vào xilanh động Còn trờng hợp hoà khí bên nhiên liệu đợc phun tơi vào xilanh, cuối trình nạp, trình nén (động xăng) cuối trình nén (điêden), nhờ lợng nhiên liệu cao áp qua lỗ phun nhỏ (năng lợng khí) nhờ động dòng khí buồng cháy (năng lợng khí động) Về phơng pháp điều chỉnh động cơ, nhằm thay đổi công suất dùng điều chỉnh chất lợng tức điều chỉnh số lợng nhiên liệu cung cấp cho chu trình điều chỉnh lợng, tức thay đổi số lợng hoà khí đa vào xilanh chu trình 1.4 Đại cơng nguyên lý làm việc động đốt 1.4.1 Thuật ngữ định nghĩa Điểm chết (ĐC) - Vị trí cấu khuỷu trục truyền khiến đờng tâm truyền nằm mặt phẳng khuỷu trục ( = = 1800) (hình 1.6 a) đợc gọi vị trí điểm chết, -8- Đặng Tiến Hòa nằm vị trí lực tác dụng lên pittông theo hớng dọc đờng tâm xilanh tạo chuyển động quay trục khuỷu (vị trí, khoá chết cấu) Hình 1.6 a rõ, điểm chết tơng ứng với vị trí giới hạn (pittông nằm xa tâm quay nhất) vị trí giới hạn (pittông nằm gần tâm quay nhất) pittông Theo thói quen vị trí giới hạn pittông ( = 0) (đợc gọi điểm chết (Đ C T), vị trí giới hạn pittông ( = 1800) đợc gọi điểm chết dới (ĐCD) Khoảng cách pittông chạy từ vị trí giới hạn sang vị trí giới hạn đợc gọi hành trình pittông s: s = 2R (R bán kính quay trục khuỷu) Quá trình hoạt động thời gian hành trình pittông đợc gọi kỳ (một phần chu trình hoạt động) Khi pitông chuyển dịch làm thay đổi thể tích xilanh Cần đặc biệt ý đến thể tích sau : Vc- thể tích buồng cháy thể tích xilanh pittông nằm ĐCT Va- thể tích toàn phần thể tích xilanh pittông nằm ĐCD Vh- thể tích công tác thể tích đợc tạo chèn xilanh pittông chuyển D s : D - đờng kính xilanh ; s hành trình dịch hành trình : Vh = pittông Thể tích công tác Vh thờng đợc đo lít (l) Thể tích toàn phần Va : Va = Vc + Vh Tỉ số nén - tỉ số thể tích toàn phần Va thể tích buồng cháy Vc : -9- Đặng Tiến Hòa = Va = cV + Vh =1+ Vh Vc Vc Vc Tỉ số nén rõ : thể tích xilanh phía pittông bị giảm lần, tức bị ép nhỏ lần pittông từ ĐCD lên ĐCT Trong trình động hoạt động, tỉ số nén gây ảnh hởng tới thông số chu trình, đặc biệt tới chất lợng trình cháy giãn nở hiệu suất động cơ, có vị trí quan trọng nguyên lý làm việc động Khi nghiên cứu trình làm việc động đốt ngời ta thờng dùng đồ thị công đọc vẽ toạ độ p -V p - , : p - áp suất tuyệt đối môi chất xilanh động ; V thể tích xilanh ; - góc quay trục khuỷu Các đồ thị đợc gọi đồ thị công dựa vào ngời ta tính đợc lợng công môi chất tạo chu trình Đồ thị công đợc thiết bị vẽ đồ thị công vẽ ra, thiết bị gồm có hai cấu : cấu tiếp nhận ghi áp suất p xilanh cấu kia, lúc ghi vị trí pittông vị trí quay khuỷu trục Trên đồ thị công, giá trị áp suất p đặt tung độ, thể tích xilanh V góc quay khuỷu trục đặt hoành độ, đờng giới hạn vuông góc với hoành độ thể vị trí giới hạn pittông (ĐCT ĐCD) Khi hoạt động, xilanh động phải lặp lặp lại thực trình : hút (nạp) , nén , cháy giãn nở xả Do tập hợp trình tạo nên chu trình làm việc (chu trình công tác) động đốt Chu trình làm việc động đợc thực nhờ hai vòng quay trục khuỷu, tức bốn hành trình pittông (động bốn kỳ) vòng quay trục khuỷu, tức hai hành trình pittông (động hai kỳ) 1.4.2 Nguyên lý làm việc động bốn kỳ Xilanh động bốn kỳ đợc nắp xilanh bịt kín, nắp có xupáp để hút môi chất xả khí thải Xupáp trạng thái bịt kín xilanh nhờ lực lò xo lực áp suất môi chất xilanh tạo trình nén, cháy giãn nở Việc mở thông đờng qua xupáp thời điểm thích hợp nhờ cấu phân phối khí (hình 1.1 a) Cơ cấu phân phối khí (H 1.4) gồm có : cần bẩy 3, đũa đẩy 4, đội đợc vấu cam trục cam điều khiển Trục cam đợc dẫn động từ trục khuỷu Số vòng quay trục cam số vòng quay trục khuỷu xupáp mở lần trục cam quay vòng (lúc trục khuỷu quay hai vòng) Động đốt bốn kỳ loại (hoà khí hình thành bên nh bên xilanh động cơ), chu trình làm việc gồm trình : hút (nạp), nén, cháy giãn nở thải, công có ích trình cháy giãn nở thực - 10 - Đặng Tiến Hòa Kích thớc trung bình hạt tia tính theo điều kiện phản ánh chủ yếu mặt chất lợng phun, tốc độ sấy nóng, bay nhiên liệu buồng cháy phụ thuộc vò diện tích bề mặt hạt đơn vịi nthể tích nhiên liệu Nếu n số hạt có bán kính từ r đến dr, có: N=it f(r)dr Bán kính trung bình hạt tia rtb, tính theo điều kiện : đó: rtb= Vtb V Ftb F 4 V = r 3 r 3n = it r2 r2 F = r1 2 r f (r ) r r1 r2 r n = it r1 dr f (r ) r dr Trong r1, , r2 bán kính hạt nhỏ lớn tia Cuối tìm đợc: r2 f (r ).r dr r1 rtb r2 f (r ).r2.dr r1 Cách tích phân biểu thức đợc xác địnhk theo tích phân đồ thị, dựa vào đặc tính phun( hình 8.27) Chất lợng phun (nhỏ đều) nhiên liệu phụ thuộc vào yếu tố sau: kích thớc lỗ phun, tốc độ trục cam , độ nhớt lực căng mặt nhiên liệu Tăng áp suất phun làmg tăng độ phun nhỏ Giảm đờng kính lỗ phun làm tăng độ phun nhỏ Tăng tốc độ trục cam bơm cao áp làm tăng tốc độ piston bơm, qua làm tăng áp suất phun tốc độ dòng chảy qua lỗ phun , kết làm tăng độ phun nhỏ phun tia nhiên liệu Sơ đồ cấu tạo tia nhiên liệu thể hình 8.28 Sau khỏi lỗ phun, dòng nhiên liệu đợc xé nhỏ tạo thành tia Vì gặp cản môi trờng phun, nên xa lỗ phun tốc độ hạt nhiên liệu tia thấp dần Chuyển động hạt nhiên liệu thờng tạo lực hút lớp không khí bao quanh hạt đặc biệt phần lõi tia, tốc độ, kích thớc mật độ hạt lớn Không khí theo tia nhiên liệu, mặt làm giảm tốc độ tơng đối hạt so với không khí nhờ giảm lực cản không khí tia, mặt khác làm cho không khí tia bị dồn - 193- Đặng Tiến Hòa Phần nhiên liệu phun vào trớc thờng gặp sức cản lớn môi trờng phun lên tốc độ bị giảm nhanh, số nhiên liệu phun sau vào môi trờng chiều chuyển động tia gặp cản, nên đuổi kịp gạt số nhiên liệu phun trớc rìa để trở thành mũi tia Nh tia nhiên liệu đợc chia thành hai phần với đặc điểm khác nhau: phần lõi 1( hình 8.28) mật độ kích thớc hạt lớn phần vỏ mật độ kích thớc hạt nhỏ Phần lõi gặp cản môi trờng ít, tập trung hạt có kích thớc lớn tốc độ cao nên động lớn Từ lõi ra, kích thớc, mật độ tốc độ hạt giảm dần (hình 8.28) Những hạt nhiên liệu nhỏ thờng nằm khu vực tia Các kích thớc hình học tia nhiên liệu gồm có: hành trình (độ xuyên thấu) góc côn chiều rộng tia nhiên liệu, gây ảnh hởng lớn tới chất lợng hình thành hoà khí buồng cháy động diezen dùng buồng cháy thống Trong thời kỳ cháy trễ hình dạng kích thớc tia nhiên liệu phải phù hợp với hình dạng buồng cháy Quy luật hình thành phát triển tia nhiên liệu đợc nghiên cứu qua thực nghiệm cách phun nhiên liệu vào buồng khí nén, chứa đầy Hình 8.28 Sơ đồ cấu tạo tia nhiên liệu Nitơ, thành buồng làm vật liệu suốt, 1- phần lõi tia; 2- phần vỏ tia; 3- mật độ dùng phơng pháp chop ảnh cao tần với nguồn hạt; 4- phân bố tốc độ sáng mạnh Có thể thay đổi áp suất buồng kín Hình 8.29 giới thiệu trình phát triển tia nhiên liệu Dựa vào kích thớc tia phim ảnh khoảng thời gian hai ảnh kề nhau, xác định quy luật thay đổi chiều dài L, tốc độ mũi tia W, chiều rộng tia B theo thời gian theo góc quay trục khuỷu Kết thực nghiệm rõ: tăng áp suất khí nén môi trờng phun làm W giảm nhanh, làm hành trình L tia phát triển theo thời gian gần giống với quy luật parabol (hình 10.30, 10.31, 10.32) Trên hình 8.30 ảnh hởng áp suất phun mật độ môi trờng phun thể áp Hình 8.29 trình phát triển tia nhiên liệu suất khí nén tới hành trình tia (dựa theo phim ảnh cao tần) hình 8.31 đờng cong tốc độ W, chiều dài L tia nhiên liệu , ứng với dạng cam khác Còn hình 8.32 đờng cong tốc độ W, chiều dài L tia nhiên liệu thay đổi lỗ phun - 194- Đặng Tiến Hòa Nếu phun nhiên liệu qua lỗ phun hình trụ góc côn tia nhiên liệu vào khoảng 20 250 Cho thay đổi điều kiện thực nghiệm nghiên cứu ảnh hởng nhân tố tới phát triển tia phun Tăng áp suất phun p từ 14 đến 56 MPa làm tăng hành trình L tia (hình 8.30), tăng áp Hình 8.30 ảnh hởng áp suất phun mật độ môi suất khí nén môi trờng phun thể áp suất khí nén tới hành trình tia trờng phun làm giảm L đồng thời tăng góc côn tia nhiên liệu Thay đổi dạng cam bơm cao áp gây ảnh hởng lớn tới L W (hình8.31) đờng cam dốc nhiều , đờng cam dốc Tăng tốc độ trục cam làm giảm thời gian cấp nhiên liệu, làm tăng L W Hình8.31 Các đờng cong tốc độ W, chiều dài L tia nhiên liệu ứng với dạng cam khác 1- cam dốc nhiều nhất; 2- cam dốc Hình 8.32 Các đờng cong tốc độ W, chiều dài L chiều rộng B tia thay đổi đờng kính lỗ phun Tăng đờng kính lỗ giữ không đổi áp suất phun áp suất khí nén làm tăng W L, đồng thời làm tăng bán kính trung bình hạt tăng mật độ hạt lõi tia (hình 8.32) Giảm đờng kính lỗ làm tăng độ phun nhỏ đồng thời làm giảm L W tia Cấu tạo vòi phun thông số hình học lỗ phun gây ảnh hởng lớn tới quy luật phát triển tia nhiên liệu Chuyển từ lỗ phun hình trụ nhẵn sang cac lỗ phun có vận động rối mạnh nhiên liệu qua lỗ làm tăng góc côn giảm hành trình tia nhiên liệu (vòi phun có chốt mũi kim) - 195- Đặng Tiến Hòa 8.7 buồng cháy động diezen Buồng cháy động diezen nơi hoà khí đợc hình thành bốc cháy, gây ảnh hởng lớn tới tiêu: công suất, hiệu suất, độ tin cậy động nh ô nhiễm môi trờng khí xả 8.7.1 Phân loại buồng cháy động diezen Ngời ta phân loại buồng cháy động diezen theo đặc diểm cấu tạo theo nguyên tắc hình thành hoà khí 1) Phân loại buồng cháy dựa theo đặc điểm cấu tạo Phun trực tiếp - Buồng cháy thống nhất: dạng đĩa nông, dạng nông - Buồng cháy khoét lõm sau đỉnh piston :dạng cầu, dạng , dạng lõm sâu Phun gián tiếp Buồng cháy ngăn cách: kiểu xoáy lốc, kiểu dự bị 1- Đặc điểm cấu tạo buồng cháy thống là: piston ĐCT đỉnh piston nắp xylanh không gian thống nhất, có diện tích chèn khí Nắp xylanh lõm phẳng Đỉnh piston lõm, phẳng lồi (hình 8.33) Vòi phun nhiều lỗ trực tiếp phun nhiên liệu vào khu vực buồng cháy 2- Buồng cháy khoét lõm sâu đỉnh piston ( buồng cháy nửa thống )tơng tự nh buồng cháy thống nhất, khác chỗ có diện tích chèn khí lớn đỉnh piston nắp xylanh, phần khoét lõm đỉnh piston sâu theo dạng cầu, dạng , hình thang bán cầu(hình 8.34) Nhiên liệu đợc phun trực tiếp vào buồng cháy, với buồng cháy thống chúng đợc gọi chung buồng cháy phun trực tiếp Hình 8.33 Các dạng buồng cháy thống Hình 8.34 Buồng cháy khoét sâu đỉnh piston 3- Buồng cháy ngăn cách loại mà toàn không gian buồng cháy đợc ngăn thành hai phần rõ rệt: buồng buồng phụ, hai buồng có đờng thông nhỏ Dựa vào nguyên tắc lu động dòng chảy buồng phụ công dụng buồng phụ mà buồng cháy ngăn cách đợc chia thành: buồng cháy xoáy lốc buồng cháy dự bị - 196- Đặng Tiến Hòa So sánh mặt cấu tạo: buồng cháy xoáy lốc có đờng thông lớn đặt theo hớng tiếp tuyến với buồng cháy phụ, có thêm đờng thông nhỏ nhằm cải thiện chất lợng hoà trộn, dung tích buồng cháy phụ lớn Còn buồng cháy dự bị dung tích buồng cháy phụ nhỏ có nhiều lỗ thông nhỏ nối buồng cháy phụ với buồng cháy 2- Phân loại buồng cháy dựa theo nguyên tắc hình thành hoà khí Hình thành hoà khí kiểu màng dựa kết phối hợp dòng chảy xoáy lốc môi chất với màng nhiên liệu đợc tráng thành buồng cháy Hơi nhiên liệu từ màng bay lên đợc theo dòng xoáy lốc tạo thành hoà khí; chất lợng hoà khí phụ thuộc nhiệt độ thành buồng cháy diện tích màng nhiên liệu tráng thành Nguyên tắc hình thành hoà khí kiểu màng đợc kỹ s Meurer hãng MAN sáng chế, đợc gọi qúa trình M Hình thành hoà khí kiểu không gian cách phun tơi nhiên liệu vào hầu hết khắp không gian buồng cháy để hạt nhiên liệu đợc sấy nóng bay hoà trộn với không khí tạo hoà khí (hình8.35) Thực phân loại buồng cháy theo nguyên tắc Hình 8.35 Phối hợp tia phun hình thành hoà khí tính tuyệt đối hình dạng buồng cháy trình M có khoảng 20 30% nhiên liệu đợc hình thành hoà khí theo kiểu không gian, buồng cháy hình thành hoà khí theo kiểu không gian có nhiên liệu đợc hình thành hoà khí theo kiểu màng 8.7.2 Buồng cháy thống Hình thành hoà khí buồng cháy thống đợc dựa hai yếu tố bản: đảm bảo chất lợng phun nhỏ nhiên liệu, kết hợp hình dạng tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy tạo hoà khí phân bố không gian (hình8.35) Xét mặt tế vi : ma sát tia nhiên liệu môi chất môi trờng phun gây trao đổi động lợng, xé nhỏ hạt nhiên liệu tăng tốc cho dòng khí, không khí chuyểnđộng theo chiều mũi tên (hình 8.36) bị vào tia nhiên liệu Nếu tồn chuyển động xoáy buồng cháy, dong khí từ phía Hình 8.37 Không sờn tia bị vào, thổi ngang khí thổi ngang qua Hình 8.36 Không khí bị tia nhiên liệu, tạo hoà khí (hình tia nhiên liệu vào tia nhiên liệu 8.37) (trờng hợp (trờng hợp có chuyển động xoáy chuyển động xoáy Với cờng độ tthích hợp dòng xoáy dòng khí) dòng khí) bổ khuyết phần bất cập chất lợng phun làm tăng tốc độ hình thành hoà khí Nhng cờng độ dòng xoáy có giá trị tối u Nói chung dòng cháy buồng cháy thống tơng đối yếu Đờng kính xylanh lớn, dòng xoáy yếu Cờng độ xoáy dòng khí nạp gây ánh hởng tới hiệu suất động 1) Những điểm hình thành hoà khí buồng cháy thống - 197- Đặng Tiến Hòa Do việc hình thành hoà khí chủ yếu dựa vào chất lợng phun phối hợp hình dạng tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy muốn tạo đợc hoà khí đạt chất lợng tốt, cần đặc biệt lu ý điểm sau chất lợng phun 1- Dùng vòi phun nhiều lỗ, đảm bảo cho tia nhiên liệu đợc phân bố khắp không gian buồng cháy Số lỗ phun từ đến 12 lỗ, phần lớn 10 lỗ tuỳ thuộc vào cờng độ chuyển động dòng xoáy buồng cháy Góc côn tia nhiên liệu trớc cháy vào khoảng 20 250, sau cháy tăng lên tới 350 Nếu nhiều lỗ phun gây tợng can thiệp tia phun, ảnh hởng tới trình cháy Nếu tồn dòng xoáy buồng cháy giảm bớt số lỗ phun 2- áp suất phun phải lớn Muốn có chất lợng phun hạt nhỏ để tăng tốc độ hình thành hoà khí , cần có áp suất phun lớn Nói chung áp suất bắt đầu nâng kim phun p 20 40 MPa, áp suất phun cực đại đạt tới 100MPa L 3- Độ xuyên sâu (L- hành trình tia phun thời S gian cháy trễ, S khoảng cách từ lỗ phun đến thành buồng L cháy) Lúc bắt đầu cháy >1 độ xuyên sâu S lớn Cả hai trờng hợp ảnh hởng xấu tới hiệu suất độ khói động Trờng hợp độ xuyên sâu không đủ, Hình 8.38 Mối quan hệ phần lớn không khí nằm sát thành xylanh không đợc hoà đờng kính dc lỗ phun trộn với nhiên liệu , độ xuyên sâu lớn có nhiều hành trình L tia nhiên liệu nhiên liệu phun lên thành buồng cháy lạnh, khó bay hơi, không kịp cháy khu vực gần ĐCT Tổng hợp số liệu thực nghiệm Ricardo đa kiến nghị sau: dòng xoáy L L 0,85; có dòng xoáy không khí = 1,05 Để thảo mãn độ xuyên sâu kể trên, S S đờng kính xylanh lớn hành trình L tia nhiên liệu trớc bốc cháy phải dài, muốn phải tăng đờng kính lỗ phun (hình8.38) Các số liệu thực nghiệm đồ thị: tốc độ trục cam nc=800 vòng/ phút; áp suất nâng kim phun p =20MPa 4- Góc kẹp tia nhiên liệu ( góc kẹp đờng tâm lỗ phun mặt phẳng chứa đờng tâm xylanh ) Hình 10.39 giới thiệu hớng chuyển động mũi tia nhiên liệu sau bốc cháy, trờng hợp dòng xoáy không khí Hớng a mở rộng sang hai bên mép ngoài; hớng b vòng lên vào tâm xylanh; hớng c lên mở rộng Góc kẹp tia nhiên liệu vào khoảng 120 1600, dạng nông vào Hình 8.39 Chuyển khoảng 1500, piston đỉnh vào khoảng 1400 động mũi tia 2) Đặc tính buồng cháy thống sau bốc cháy Buồng cháy thống dòng xoáy mạnh không khí , tỷ số Flm/Vc (Flm - diện tích thành buồng cháy; Vc- thể tích buồng cháy) nhỏ, nên tổn thất nhiệt - 198- Đặng Tiến Hòa ít, hiệu suất cao, ứng suất nhiệt nắp xylanh đỉnh piston nhỏ, dễ khởi động lạnh Buồng cháy thống có yêu cầu cao hệ thống nhiên liệu Nếu thay đổi chế độ hoạt động, chất lợng phun thay đổi, ví dụ độ xuyên sâu hợp lý tốc độ lớn giảm tốc độ quay, độ xuyên sâu không phù hợp, tính thích ứng buồng cháy với chế độ hoạt động động bị hạn chế Hình thành hoà khí buồng cháy thống chủ yếu dựa vào chất lợng phun nhiên liệu, nên thờng sử dụng 60% không khí buồng cháy Động diezen không tăng áp, dùng buồng cháy thống thờng chạy không êm áp suất cực đại pz tốc độ tăng áp suất cháy p / tơng đối lớn 8.7.3 Buồng cháy khoét sâu đỉnh piston Loại buồng cháy thờng tạo đợc dòng xoáy tiếp tuyến dòng khí nạp dòng xoáy hớng kính khí chèn nén, kết hợp với vòi phun nhiều lỗ nên dễ tạo hoà khí tốt Khi có dòng xoáy (hình 8.37) không khí từ sờn tia thổi phần nhiên liệu bay ngoài, khiến hạt nhiên liệu lại tia dễ bay hơi, tăng tốc độ hình thành hoà khí, mặt khác sử dụng không khí không gian tia tham gia hoà trộn nhiên liệu cha cháy Những phần hoà khí cháy giãn nở nên mật độ giảm, phần hoà khí cha cháy mật độ lớn, dới tác dụng dòng xoáy tạo lực ly tâm khác nhau: phần hoà khí cha cháy theo quỹ đạo xoắn ốc mở ngoài, phần cháy theo quỹ đạo xoắn ốc cụp vào trong, mở rộng phần hỗn hợp nóng (hình 8.40a) nhờ làm tăng tốc độ hình thành hoà khí tốc độ cháy Nếu cờng độ dòng xoáy lớn quá, Hình 8.40 tác dụng hỗn hợp nóng làm tia phun can thiệp lẫn khoá nhiệt mà làm giảm độ xuyên sâu tia nên hoà khí 1- không khí; 2- dòng xoáy; 3- khu vực bốc cháy khu vực trung tâm buồng cháy tạo cháy tác dụng khoá nhiệt (hình 8.40b) 1- Những điểm quan trọng buồng cháy khoét sâu đỉnh piston - Hình dạng kích thớc, đờng kính miệng phần khoét lõm (hình 8.41) có tác dụng lớn tới cờng độ dòng xoáy hớng kính, qua cải thiện hình thành hoà khí điều kiện cháy Cờng dộ D dòng xoáy hớng kính tỷ lệ thuận với (D d đờng kính xylanh ; d đờng kính miệng phần khoét lõm); d nhỏ dòng xoáy mạnh, nhng làm chiều sâu h phần khoét lõm Hình 8.41 Kích thớc buồng cháy khoét sâu đỉnh piston lớn Thông thờng d =(0,35~0,65)D; D- đờng kính xy lanh; d- đờng kính phần d =2:1 4:1 lõm; h- chiều sâu phần lõm; e1- lệch tâm h phần lõm; e2- lệch tâm mũi vòi phun;ở tải lớn, ứng suất nhiệt miệng phần khoét góc kẹp tia phun;-góc nghiêng phần khoét lõm lõm (đỉnh ) thờng lớn, muốn giảm ứng suất - 199- Đặng Tiến Hòa nhiệt kể cần phải làm cho vách phần khoét lõm thẳng đứng Theo kinh nghiệm công ty Ricardo cần phối hợp tốt đặc tính tia phun, dòng cháy khí nạp với hình dạng buồng cháy, hình dạng đáy phần khoét lõm không gây ảnh hởng tới tính động - Dung tích phần khoét lõm Vk- chiếm khoảng (0.75 0,85)Vc, Vclà dung tích buồng cháy Vk lớn, nhờ giảm khe hở chin h0 làm tăng tốc độ khí chèn cờng độ dòng xoáy hớng kính không gian khoét lõm (hình 8.42), đồng thời làm giảm số không khí khe hở chèn, qua làm tăng hệ số sử dụng không khí buồng cháy Khó khăn việc tăng Vk việc giảm nhỏ khe hở Hình8.42 ảnh hởng D/d h0 tới tốc độ dòng xoáy buồng cháy khoét sâu đỉnh piston chèn, bị giới hạn khả 1- d/D= 0,3; h0 = mm; 2- d/D= 0,3; h0 = 1,5 mm; 3- d/D= 0,5; h0 = chế tạo xác mm; 4- d/D= 0,5; h0 = 1,5 mm; 5- d/D= 0,7; h0 = mm; 6- d/D= 0,7;kinh h0 = 1,5 mm; Công ty Ricardo đa số liệu nghiệm sau: h0 = (8 10)10-3 S (S hành trình piston )- dùng cho động có đờng kính xylanh D =110 165mm - Vị trí phần khoét lõm Nếu điều kiện cho phép đờng tâm phần khoét lõm thờng trùng với tâm xylanh, tâm vòi phun đặt trùng với tâm làm cho khoảng cách lỗ phun tới thành buồng cháy nhau, có lợi cho việc hình thành hoà khí Nếu điều kiện không cho phép, ví dụ hai xupap đờng kính xupap nạp lớn đặt vòi phun tâm xylanh nên đờng tâm phần khoét lõm miệng vòi phun đặt lệch so với tâm xylanh (hình 8.43) Cho phép dùng số liệu kinh nghiệm sau: độ lệch chuẩn miệng vòi phun