Giáo án lý thuyết động cơ đốt trong

Chương 2 : Phân tích các chu trình lý tưởng lý thuyết động cơ đốt trong và động cơ dùng tăng áp Chương 3 : Tính toán các trạng thái của môi chất công tác dùng trong động cơ đốt trong th

Trang 1

Môn học Động cơ đốt trong Khoa Kỹ thuật Giao thông

ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (Mã số môn học: 206025)

Nội dung

Tìm hiểu nguyên lý vận hành và cấu tạo tổng quát ĐCĐT Các lý thuyết cơ sở về ĐCĐT: nhiệt động học và các chu trình nhiệt, nhiệt động hóa học của hỗn hợp cháy Các loại nhiên liệu dùng trong ĐCĐT kiểu piston Chu trình công tác thực tế Phương pháp tính toán nhiệt động cơ xăng và động cơ Diesel Đánh giá tính năng, chế độ làm việc và đặc tính của động cơ đốt trong

Phần I: Lý thuyết

Chương 1 – Giới thiệu khái quát về ĐCĐT (9 tiết)

1.1 Vai trò của ĐCĐT

1.2 Cấu tạo tổng quát ĐCĐT

1.3 Nguyên lý hoạt động của ĐCĐT

1.4 Phân loại và phạm vi sử dụng ĐCĐT

Chương 2 – Lý thuyết cơ sở ĐCĐT (6 tiết)

2.1 Cơ sở nhiệt động lực học ĐCĐT

2.2 Các chu trình nhiệt (chu trình lý thuyết) của ĐCĐT

2.2.1 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích

2.2.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp

2.2.3 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

2.3 Đánh giá các chu trình nhiệt ĐCĐT

Chương 3 – Môi chất công tác (3 tiết)

3.1 Môi chất công tác

3.2 Thành phần hóa học của nhiên liệu và không khí

3.3 Tính toán thành phần hỗn hợp trước và sau khi cháy

3.4 Tính toán lượng môi chất công tác ứng với 1 kg nhiên liệu lỏng

3.5 Tỉ nhiệt của môi chất công tác mới và của sản vật cháy

Trang 2

Môn học Động cơ đốt trong Khoa Kỹ thuật Giao thông

Chương 4 – Nhiên liệu ĐCĐT (3 tiết)

4.1 Giới thiệu (nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại)

4.2 Dầu mỏ và các sản phẩm của dầu mỏ

4.3 Nhiên liệu động cơ xăng

4.4 Nhiên liệu động cơ Diesel

Chương 5 – Chu trình công tác thực tế của ĐCĐT(6 tiết)

5.1 Mục đích nghiên cứu

5.2 Quá trình nạp

5.3 Quá trình nén

5.4 Quá trình cháy

5.4.1 Quá trình cháy trong động cơ xăng

5.4.2 Quá trình cháy trong động cơ Diesel

5.5 Quá trình dãn nở

5.6 Quá trình th ải

Chương 6 – Tính năng kỹ thuật ĐCĐT(4 tiết)

6.1 Cân bằng nhiệt của động cơ

6.2 Các tổn thất trong động cơ

6.3 Các thông số đánh giá tính năng kỹ thuật của động cơ

6.4 Các chế độ làm việc tối ưu và đặc tính của động cơ

Phần II: Bài tập và thực hành (14 tiết)

1 Bài tập (07 tiết): Tính toán nhiệt ĐCĐT Thực hiện theo nhóm, mỗi nhóm 5-7 Sv

2 Thực hành (07 tiết): Tìm hiểu và phân tích kết cấu ĐCĐT tại xưởng, làm tiểu luận

Phần III: Hình thức đánh giá

1 Bài tập và thực hành 10%

2 Kiểm tra giữa HK 20%

3 Thi cuối HK 70%

Trang 3

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ đốt trong là một máy nhiệt và cũng là nguồn động lực không thể thiếu trên các loại phương tiện giao thông ngày nay Nhằm thiết kế, chế tạo, khai thác, bảo dưỡng và sử dụng một cách hiệu quả máy nhiệt này, người làm công tác kỹ thuật phải có những hiểu biết nền tảng về nguyên lý hoạt động và các vấn đề lý thuyết liên quan đến nguồn động lực trên Đặt biệt khi vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và sự ùn tắc giao thông gây ô nhiểm môi trường đang được quan tâm thì những kiến thức về động cơ đốt trong được đề cập trong tập tài liệu này luôn rất cần thiết

Bên cạnh các tài liệu về động cơ, Lý thuyết động cơ đốt trong là tập tài liệu

chuyên ngành phục vụ sinh viên ngành cơ khí động lực, sinh viên chuyên ngành kỹ thuật và các kỹ thuật viên liên quan Nội dung bao gồm các chương sau:

Chương 1 : Trình bày khái quát các kiến thức nền tảng về động cơ nhiệt và động cơ đốt trong sử dụng các loại nhiên liệu truyền thống

Chương 2 : Phân tích các chu trình lý tưởng (lý thuyết) động cơ đốt trong và động cơ dùng tăng áp

Chương 3 : Tính toán các trạng thái của môi chất công tác dùng trong động cơ đốt trong thực tế

Chương 4 : Trình bày các loại nhiên liệu và nguồn gốc của các loại nhiên liệu dùng trên động cơ đốt trong

Chương 5 : Phân tích các chu trình hoạt động thực tế của động cơ đốt trong (nạp, nén, cháy dãn nở và thải)

Chương 6 : Đánh giá tính năng, chế độ làm việc ổn định và đặc tính của động

cơ đốt trong

Phần cuối của tài liệu nêu hướng dẫn tóm tắt về tính toán nhiệt và các câu hỏi ôn tập giúp sinh viên hệ thống hóa kiến thức của môn học Lý thuyết động cơ đốt trong

Tài liệu do Thạc sĩ Văn Thị Bông chủ biên và biên soạn các chương 3, 4, 5 & 6; chương 1 và 2 do Thạc sĩ Huỳnh Thanh Công biên soạn Các tác giả xin chân thành cám ơn đến thầy cô Bộ môn Ô tô – Máy động lực, Khoa Kỹ thuật Giao thông đã đóng góp những ý kiến hữu ích, xin chân thành cám ơn Tổ giáo trình Trường Đại học Bách khoa và Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp HCM tạo điều kiện xuất bản tập tài liệu này

Tuy quyển sách được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giãng dạy nhiều năm tại Trường Đại học Bách khoa nhưng đây là lần đầu xuất bản nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp nhằm giúp quyển sách được hoàn thiện hơn

Ý kiến đóng góp xin gửi về: Bộ môn Ô tô - Máy động lực, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp HCM Điện thoại: 8.655.979

Email: avlhcm@dme.hcmut.edu.vn

Trang 4

Xin chân thành cám ơn

Tp HCM, tháng 03 năm 2004

ThS Văn Thị Bông ThS Huỳnh Thanh Công

Trang 5

Môn học: Động cơ đốt trong Khoa Kỹ thuật Giao thông CBGD: GVC Th.S Văn Thị Bông Chương 1 Bộ môn Ô tô – Máy động lực

-1 -

CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Động cơ đốt trong (ĐCĐT):

1.1.1 Vai trò của ĐCĐT:

- Nguồn động lực chính dẫn động các phương tiện giao thông vận tải như : ô tô, xe máy, tàu thủy, máy bay và các máy công tác khác (máy phát điện, bơm nước,…)

- Chiếm vị trí quan trọng trong quá trình cơ giới hóa sản xuất trong mọi lỉnh vực: giao thông vận tải (đường bộ, đường sắt, đường thủy, hành không…), nông nghiệp (máy nông nghiệp, máy tuốt lúa,…), lâm nghiệp, xây dựng, công nghiệp,…

- Biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chủ yếu biến đổi từ nhiệt năng sang

1.1.2 Lịch sử phát triển của ĐCĐT:

- 1860, J.J E Lenoir (1822-1900)(Pháp) đã chế tạo động cơ đốt trong đầu tiên bằng sự đốt cháy khí đốt ở áp suất môi trường, không có sự nén hỗn hợp trước quá trình cháy Công suất lớn nhất đạt được khoảng 5 mã lực vàhiệu suất cựa đại khoảng 5%

- 1876, Nicolaus A Otto (1832-1891) và Eugen Langen (1833-1895) tận dụng sự gia tăng áp suất trong quá trình cháy, để cải tiến dòng khí nạp Hiệu suất nhiệt đạt được trong trường hợp này lên đến 11% Sau đó, nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm kích thước động cơ đốt trong, Otto đã gợi ý các chu trình (nạp, nén, cháy dãn nở và thải) cho 4 hành trình piston của động cơ đốt trong

- 1884, Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) đã mô tả nguyên lý các chu trình của ĐCĐT Ông cũng đưa ra các điều kiện nhằm đạt hiệu suất cực đại của động cơ đốt trong gồm:

 Thể tích xy lanh tối đa ứng với bề mặt biên tối thiểu

 Tốc độ làm việc lớn nhất có thể đạt

 Tăng tỉ số nén tối đa

 Aùp suất tối đa kể từ lúc bắt đầu dãn nở

Trang 6

- 1957, Động cơ đốt trong kiểu piston quay (Động cơ Wankel) được chế tạo rất gọn nhẹ

- Từ đó đến nay, người ta liên tục cải tiến và phát triển từng bộ phận trong động cơ đốt trong để loại thiết bị này ngày càng hoàn thiện và đạt năng suất cao

1.2 Động cơ và Động cơ đốt trong:

Động cơ nhiệt làm việc theo 2 quá trình:

(1) Đốt cháy nhiên liệu dạng đặc, lỏng hoặc khí để sinh nhiệt

(2) Môi chất công tác thay đổi trạng thái để sinh công

Tùy thuộc vào hai quá trình trên xảy ra ở đâu mà động cơ nhiệt được chia thành động

cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài

a Động cơ đốt ngoài: Hai quá trình nêu trên xảy ra ở hai nơi Quá trình (1) ở bên ngoài động cơ Nhiên liệu được đốt cháy bên ngoài động cơ, bên trong một lò đốt riêng Nhiệt sinh ra đun sôi nước tạo hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao Hơi

Các dạng năng lượng

(Sứùc gió, sức nước, điện

năng, năng lượng mặt trời,

hóa năng-nhiệt năng,…)

(dẫn động máy công tác)

Đốt cháy nhiên liệu

(hoá năng  nhiệt năng)

Môi chất tích năng lượng Môi chất dãn nở sinh công (nhiệt năng  cơ năng)

Trang 7

c So sánh ưu vàkhuyết điểm của hai loại động cơ trên:

Nội dung so sánh Động cơ đốt trong Động cơ đốt ngoài

1 Hiệu suất nhiệt Cao (30% - 45%) Thấp ( 15%)

2 T(0C) môi chất Cao (25300C) Cao ( 7000C)

3 Cùng công suất Ne Gọn, nhẹ vàkhông có các thiết

bị nồi hơi, bộ ngưng tụ và bộ quá nhiệt…

Nặng nề, cồng kềnh vì phải có các thiết bị phụ…

7 Quá trình khởi động Phải trang bị hệ thống khởi

động do động cơ không tự khởi động được

Động cơ tự khởi động khi áp lực hơi nước đủ lớn

8 Công suất động cơ Công suất bị giới hạn

( 37.000kW) Công suất động cơ tuabin hơi nước có thể trên 20.000kW

Ngoài ra, ĐCĐT còn có một số nhược điểm khác như: khá ồn, đặc biệt là động cơ cao tốc, khí thải chứa nhiều chất độc hại gây ô nhiểm môi trường Để hạn chế bớt nhược điểm này, động cơ được trang bị các bộ tiêu âm, bộ trung hòa hoặc bộ lọc sạch khí xả tại đường thải, thậm chí ở cả đường nạp cũng lắp bộ tiêu âm

Hiện nay, động cơ đốt trong kiểu piston dùng nhiên liệu truyền thống như xăng và Diesel vẫn là nguồn động lực chính trên ô tô vì các ưu điểm sau:

 Hiệu suất sử dụng nhiên liệu (hiệu suất nhiệt) tương đối cao

 Có độ tin cậy và độ ổn định cao

 Đáp ứng linh hoạt các chế độ hoạt động thường xuyên thay đổi của xe như: gia tốc nhanh, quá tải tốt,…

 Kích thước và trọng lượng tương đối nhỏ nên dễ bố trí, lắp đặt trên xe

 Nạp nhiên liệu nhanh

 Lưu trữ và bảo quản nhiên liệu trên xe đơn giản

 Chi phí chế tạo ban đầu thấp

 Dễ bảo trì và chi phí bảo trì thấp

Trang 8

-4 -

Tuy nhiên, ĐCĐT là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiểm như:

 Gây hại cho môi trường sống vì sự đốt cháy nhiên liệu gốc hóa thạch tạo ra khí độc

 Làm tăng nhiệt độ khí quyển

 Phá hủy tầng ozone

 Lệ thuộc hoàn toàn vào xăng và Diesel nên đã dẫn đến nguy cơ cạn kiệt nguồn dầu mỏ một cách nhanh chóng

Vì vậy, tìm kiếm nguồn nhiên liệu khác thay thế các loại nhiêu liệu truyền thống, cải tiến các hệ thống, và giảm thiểu sự ô nhiểm từ động cơ đốt trong là những việc mà các nhà nghiên cứu và các hảng sản xuất đang thực hiện

1.2.2 Cấu tạo của động cơ đốt trong 4 kỳ (Hình 1.1):

Hình 1.1 - Kết cấu của động cơ xăng 4 kỳ

Chú thích:

1 Cacte trên 6 Supape thoát (xả) 11 Cacte dưới

2 Bánh răng trục cam 7 Quy lát (Culasse, Cylinder head)

3 Thân xy lanh 8 Piston

4 Supape hút (nạp) 9 Thanh truyền (Bielle, Connecting rod)

Cấu tạo của động cơ gốm có: 1 xy lanh (3) được đậy bởi nắp quy lát (7) Trên nắp (7) có khoan lổ ren để lắp bugi đánh lửa đốt cháy hòa khí nén trong xy lanh Piston (8) chuyển động tịnh tiến lên xuống trong lòng xy lanh Phần đầu của piston này có các rảnh chứa các vòng séc măng rà khít lên bề mặt lòng xy lanh tạo một buồng kín trên đỉnh piston Hai bên hông xy lanh hoặc ở quy lát có khoét hai lổ cho hai supape Trong đó, một supape đóng vai trò là supape nạp/hút (4) dùng để hút không khí hoặc hỗn hợp nhiên liệu vào trong buồng

1 2 3 4

7 8 9

11 10

Trang 9

Supape hoạt động được nhờ vào mấu cam trên trục cam thông qua đệm đẩy, đũa đẩy, cò mổ và đóng lại nhờ lò xo supape Trục cam quay được nhờ bánh răng cam được dẫn động bằng bánh răng trục khuỷu hay bằng đai xích (Hình 1.1) Bánh răng trục cam có đường kính gấp đôi bánh răng trục khuỷu để trục khuỷu quay hai vòng, trục cam quay một vòng Vì vậy, trong một chu kỳ làm việc mỗi supape chỉ mở ra một lần mà thôi

Nói chung, động cơ đốt trong có thể được phân ra thành một số nhóm chính sau:

1 Nhóm các chi tiết cố định: có nhiệm vụ bao kín động cơ và làm giá đỡ cho các chi tiết bên trong và bên ngoài động cơ gồm: khối xy lanh, nắp xy lanh (nắp quy lát), cacte trên, cacte dưới (cacte dầu), và các mặt bích đậy kín hai bên hông động cơ

2 Nhóm cơ cấu phát lực: có nhiệm vụ nhận lực từ áp lực khí cháy sinh ra trong xy lanh động cơ và truyền ra ngoài cho thiết bị công tác thông qua trục khuỷu Cơ cấu phát lực bao gồm: nhóm piston(piston, chốt piston, séc măng và vòng chặn chốt piston), nhóm thanh truyền (thanh truyền, nón thanh truyền, bu lông thanh truyền và bạc lót) và nhóm trục khuỷu (trục khuỷu và bánh đà)

3 Nhóm cơ cấu nạp thải (hệ thống phân phối khí): có nhiệm vụ điều khiển quá trình nạp hoà khí (hỗn hợp nhiên liệu và không khí) vào trong xy lanh đúng kỳ hút/nạp và thải/xả khí cháy vào đúng kỳ thải và theo thứ tự nổ của các xy lanh

4 Nhóm hệ thống nhiên liệu: có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho từng xy lanh theo một tỷ lệ phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ:

 Ở động cơ xăng: hỗn hợp không khí và nhiên liệu (hoà khí) được tạo thành bên ngoài buồng cháy tại bộ chế hoà khí gắn trên đường ống nạp

 Còn ở động cơ Diesel: nhiên liệu (dầu diesel) được phun sương trực tiếp vào khối không khí xoáy, nén trong buồng đốt lúc piston sắp kết thúc hành trình nén (trước điểm chết trên)

Ngoài ra, trên động cơ đốt trong còn có các hệ thống khác như:

 Hệ thống điện động cơ (ở động xăng còn gọi là hệ thống đánh lửa)

 Hệ thống bôi trơn

 Hệ thống làm mát

 Hệ thống khởi động

 Hệ thống tăng áp khí nạp (turbocharger, supercharger…)

Trang 10

-6 -

Trang 11

-7 -

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ hai kỳ:

a Định nghĩa động cơ hai kỳ:

Động cơ hai kỳ là động cơ mà trong đó 1 chu trình công tác (gồm 4 quá trình: hút, nén, nổ và xả) được hoàn thành trong 2 hành trình piston hoặc trong 1 vòng quay của cốt máy (3600) Ở động cơ hai kỳ, cứ mỗi 1 vòng quay cốt máy (trục khuỷu) sẻ có 1 lần hòa khí cháy và giãn nở sinh công Nói cách khác, trong 2 hành trình lên xuống của piston thì có 1 hành trình sinh công Khác với động cơ 4 kỳ, đối với động cơ 2 kỳ muốn có 1 kỳ phát động (kỳ nổ), cốt máy phải quay 2 vòng và piston phải lên xuống 4 lần

b Cấu tạo của động cơ hai kỳ (Hình 1.2):

Chú thích:

4 Cách gió tỏa nhiệt 10 Cốt máy 16 Thùng xăng

Động cơ hai kỳgồm 1 xy lanh, phía trên xy lanh được đậy lại bởi 1 nắp xy lanh lát) Trên nắp quy-lát có khoan lỗ để ráp bugi Trong lòng xy lanh có 1 piston chạy lên xuống Piston được nối với cốt máy nhờ 1 chi tiết trung gian là thanh truyền Xy lanh được lắp trên cạt-te kín Cạt-te dưới còn được gọi là hộp trục khuỷu vì nó được làm chỗ đỡ cho trục khuỷu

(quy-Hình 1.2 – Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong 2 kỳ

Trang 12

-8 -

c Đặc điểm của động cơ hai kỳ:

- Xy lanh: Bên hông, phía dưới xy lanh, khoảng 75-80% hành trình đi xuống của piston

có 1 lỗ để khí thoát ra ngoài gọi là lỗ thoát Đôi diện với lỗ thoát nhưng thấp hơn một chút là lỗ nạp được nối thông với hộp trục khuỷu để rút hòa khí tử cạt-te vào trong xy lanh động cơ Dưới lỗ thoát là lỗ hút thông hơi với bộ chế hòa khí, để nạp hòa khí vào cạt-te Tóm lại, trong xy lanh động cơ xăng 2 kỳ có 3 lỗ nên người ta còn gọi động cơ này là động cơ 3 lỗ

- Piston: Đỉnh piston có bướu (đỉnh piston được làm lồi về phía lỗ nạp) để hướng luồng

hòa khí từ dưới cạt-te đi thẳng lên nắp quy-lát, ngăn không cho hòa khí đi ra lỗ thoát nhằm trách tổng thất khí nạp mới (hòa khí có hơi xăng) Hiện nay, đầu piston động cơ hai kỳ có loại không có bướu mà hòa khí không ra lỗ thoát được nhờ miệng hòa khí làm xiên

- Cạt-te (hộp trục khuỷu): phải thật kín vì piston trong lúc chạy xuống có nhiệm vụ ép

sơ cấp hòa khí chứa trong cạt-te trước khi đi vào trong xy lanh động cơ Ngoài ra, cạt-te không chứa nhớt vì nếu có nhớt bôi trơn thì khi hòa khí theo lỗ nạp từ hộp trục khuỷu vào xy lanh mang theo nhớt làm ướt bugi, không đánh lửa được Đối với động cơ loại này, để bôi trơn các bề mặt ma sát trong động cơ, ngươì ta dùng xăng pha nhớt

Động cơ xăng hai kỳ tiêu hao nhiều xăng hơn động cơ bốn kỳ vì khi piston đi lên đóng lỗ nạp mà lỗ thoát vẫn chưa đóng nên một phần hòa khí có chứa hơi xăng theo khí cháy ra ngoài Chính vì vậy, động cơ 4 kỳ có tính kinh tế hơn hẳn động cơ hai kỳ

d Nguyên lý hoạt động của động cơ hai kỳ

- Kỳ thứ nhất (hành trình piston đi xuống): hành trình cháy giản nỡ sinh công và một

phần của quá trình thải khí cháy đồng thời nạp hòa khí mới vào xy lanh Do đó, động cơ đã thực hiện xong một chu kỳ

Lúc này, piston đang ở ĐCT, thể tích xy lanh bằng

thể tích buồng cháy (Vc) Hòa khí bị nén có áp suất và

nhiệt độ cao (T  280-3000C), áp suất (p  8-15

atm(kG/cm2)) gặp tia lửa điện phóng ra từ bugi lập tức

bốc cháy rất nhanh Áp lực của khí cháy (môi chất công

tác) trong xy lanh tăng vót lên 30-40 atm, đẩy piston đi

xuống ĐCD, qua trung gian thanh truyền làm quay trục

khuỷu (thực hiện quá trình giãn nở sinh công) Đồng

thời trong hành trình đi xuốngpiston còn có nhiệm vụ

ép hòa khí đã được hút sẳn vào cạt-te (hộp trục khuỷu)

ở kỳ trước

Quá trình giãn nở chiếm khoảng 3/4-8/10 hành

trình đi xuống Vì tại vị trí này, piston vừa mở lỗ thoát,

lập tức khí cháy tuôn ra ngoài, áp lực của môi chất

công tác trong xy lanh giảm rất nhanh và một phần lớn

khí cháy đã bị tống ra khỏi xy lanh

Trang 13

-9 -

Piston tiếp tục đi xuống, kế đó mở tiếp lỗ nạp, hòa khí bị nén trong cạt-te có áp suất khoảng 1,3-1,5 (atm) sẽ nạp đầy vào trong xy lanh qua lỗ nạp Như vậy, kể từ lúc cả 2 lỗ thoát và nạp cùng mở, có 2 quá trình xãy ra đồng thời (thải khí ra khỏi xy lanh và nạp khí mới vào xy lanh) và chúng được gọi là quá trình quét thải (vì thực chất ở động cơ hai kỳ, người ta còn lợi dụng dòng khí mới đẩy khí cháy ra sạch)

- Kỳ thứ hai (hành trình piston đi từ ĐCD đến ĐCT): tiếp tục quá trình thải nén

Khi piston xuống đến ĐCD, chấm dứt kỳ 1, nhờ quán tính cuỷa bánh trớn (bánh đà), piston đổi chiều chạy lên tạo ra áp thấp (chân không) ở cạt-te và hút hòa khí vào Trong lúc

2 lỗ nạp và thoát chưa đóng, hòa khí tiếp tục nạp vào trong xy lanh, đồng thời khí cháy tiếp tục thoát ra ngoài

Piston đóng lỗ nạp trước rồi mới đóng lỗ thoát, do đó một phần khí nạp mới (hòa khí có hơi xăng) sẽ bị khí cháy cuốn ra ngoài Chính vì lý do này, động cơ hay kỳ tiêu hao nhiều xăng hơn động cơ 4 kỳ

Quá trình nén, chỉ thực sự bắt đầu khi piston đóng kín cả hai lỗ nạp thải Thể tích xy lanh nhỏ dần, làm tăng nhiệt độ vá áp suất của MCCT trong xy lanh Đối với chu kỳ lý thuyết, quá trình nén chấm dứt khi piston lên đến gần ĐCT, bugi nẹt lửa, hòa khí bốc cháy Vì vậy, quá trình nén thực tế được xem như chấm dứt khi piston lên gần ĐCT Tương ứng với góc đánh lửa sớm (khoảng 4-120 góc quay trục khuỷu trước ĐCT)

Tóm tắt:

Kỳ thứ nhất, piston chạy xuống Kỳ thứ hai, piston chạy lên

- Cháy + giãn nở sinh công - Tiếp tục nạp và thải

- Ép hòa khí ở cạt-te - Xú-páp nạp đóng, chấm dứt nạp

- Thoát khí cháy - Xú-páp thoát đóng, chấm dứt thoát

- Nạp khí nạp mới vào trong xy lanh - Hút hòa khí (khí nạp mới) vào cạt-te

Trang 14

-10 -

1.2.3 Các thuật ngữ và khái niệm cơ bản (Hình 1.3):

e Điểm chết/tử điểm: vị trí cuối cùng của piston trong xy lanh mà ở đó nó không thể di

chuyển tiếp được nữa Tại vị trí đó, vận tốc của piston bằng không và piston sẽ đổi chiều chuyển động Có hai điểm chết: điểm chết trên/tử điểm thượng và điểm chết dưới/tử điểm hạ:

 Điểm chết trên (ĐCT): vị trí của piston nằm phía trên xy lanh, xa đường tâm của trục khuỷu nhất

 Điểm chết dưới (ĐCD): vị trí của piston nằm phía dưới xy lanh, gần đường tâm của trục khuỷu nhất

f Hành trình piston (khoảng chạy S của piston): khoảng dịch chuyển của piston giữa

hai điểm chết Có hai khoảng chạy, khoảng chạy lên và khoảng chạy xuống

g Đường kính xy lanh D (lòng xy lanh) : đường kính trong của xy lanh

h Thể tích xy lanh (dung tích xy lanh, Vh): thể tích xy lanh mà piston giải phóng khi di

chuyển từ ĐCT đến ĐCD hoặc ngược lại Thể tích công tác được tính như sau:

i Thể tích buồng cháy (Vc): thể tích còn lại trong xy lanh khi piston ở ĐCT Đó là thể

tích bé nhất của xy lanh

j Thể tích toàn bộ xy lanh (Va): thể tích ở phía trên piston khi nó nằm ở ĐCD Đóù là

thể tích lớn nhất của xy lanh:

Trang 15

h c

V

V1V

VV







h Hòa khí : hỗn hợp giữa hơi xăng và không khí trộn thật đều và đúng tỷ lệ Ở động cơ

xăng hòa khí được tạo thành ở bên ngoài xy lanh động cơ tại bộ chế hòa khí (

carburater) Vì vậy, khí nạp mới hút vào xy lanh động cơ xăng chính là hòa khí trong khi

ở động cơ diesel khí nạp mới chỉ là không khí (thanh khí)

i Môi chất công tác (MCCT): 1 khối khí trong xy lanh động cơ mà nhờ sự thay đổi các

thông số trạng thái (thể tích , áp suất và nhiệt độ) của nó, nhiệt năng tạo thành do đốt cháy nhiên liệu chuyển sang cơ năng (sinh công) Trong kỹ thuật nhiệt động lực học MCCT còn gọi là chất môi giới

j Kỳ/thì (temps): thời gian MCCT thay đổi trạng thái trong một hành trình piston hay

trong nửa vòng quay của trục khuỷu

k Chu ky ø(cycle): toàn thể sự thay đổi trạng thái (sự thay đổi thể tích, áp suất và nhiệt

độ) của MCCT từ khi mới đem vào xy lanh cho đến lúc được xả ra ngoài khí trời

1.3 Nguyên lý hoạt động của ĐCĐT:

1.3.1 Định nghĩa động cơ đốt trong 4 kỳ (động cơ 4 thì): động cơ mà 1 chu kỳ hoàn

thành trong 4 hành trình Nói cách khác, piston phải chạy lên/xuống 4 lần, trục khuỷu quay 2 vòng, trục cam quay 1 vòng Như vậy, trong động cơ 4 kỳ sau 2 vòng quay trục khuỷu (7200) hoặc 4 hành trình của piston chỉ có 1 hành trình sinh công

Trong mỗi chu kỳ/chu trình công tác của động cơ đốt trong, ta thấy xảy ra 4 quá trình

liên tiếp nhau là: nạp, nén, cháy - dãn nở sinh công và thải Các quá trình này được lặp đi lặp

lại một cách tuần hoàn (các chu kỳ) trong xy lanh động cơ và thời gian diễn tiến của chúng là như nhau Vì vậy, ta có thể nói chúng có tính chu kỳ

1.3.2 Nguyên lý hoạt động theo chu trình lý thuyết:

Theo chu kỳ lý thuyết mỗi kỳ khởi sự ngay tại 1 điểm chết mà cũng chấm dứt ngay tại 1 điểm chết Trong động cơ 4 kỳ thì mỗi kỳ sẽ thực hiện 1 quá trình và có:

 Kỳ nạp/hút: thực hiện quá trình nạp, piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD

 Kỳ nén: thực hiện quá trình nén , piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT

 Kỳ sinh công: thực hiện quá trình cháy - dãn nở, piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD

 Kỳ thải/xả/thoát: thực hiện quá trình thải sản vật cháy, piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT

Trang 16

-12 -

Động cơ hoạt động theo chu trình lý thuyết nêu trên sẽ mất khoảng 15 - 30% công suất

vì các lý do sau:

 Không thải sạch được sản vật cháy

 Không nạp được đầy MCCT mới

 Không cháy đúng thời điểm

Trên thực tế động cơ hoạt động theo chu trình công tác thực tế nhằm tăng tối đa công suất và hiệu suất của động cơ

1.3.3 Nguyên lý hoạt động theo chu trình thực tế:

a Kỳ hút (hành trình nạp) : Hành trình nạp thực tế lớn hơn hành trình nạp lý thuyết vì

- Supape nạp mở sớm trước khi piston

tới ĐCT, tương ứng với góc quay

trục khuỷu từ 30 đến 120 trước

ĐCT

- Supape nạp tiếp tục mở trong suốt

thời gian piston đi từ ĐCT xuống tới

ĐCD, tương ứng với góc quay trục

khuỷu 1800

- Supape nạp đóng trễ sau khi piston

đã qua khỏi ĐCD đi ngược trở lên,

tương ứng với góc quay trục khuỷu

khoảng từ 300 đến 600 sau ĐCD.

Động cơ có tốc độ (số vòng quay trục

khuỷu) càng cao thì góc mở sớm, đóng trễ và

supape nạp càng lớn Supape nạp mở sớm trong

lúc supape thoát chưa đóng lại.Vì thế có tồn tại

một khoảng khắc rất ngắn (thời gian tính theo

giây) 2 supape hút và thoát cùng mở (cỡi nhau), góc quay trục khuỷu mà cả 2 supape cùng mở goị là góc trùng điệp Mà cũng vì khoảng thời gian ấy quá ngắn nên khí cháy không đủ

thì giờ để dội ngược lại bộ chế hòa khí Mục đích mở sớm và đóng trễ supape hút nhằm tăng lượng khí nạp mới vào xy lanh động cơ, từ đó tăng được công suất phát ra của động cơ

Mặc dù supape hút đóng trễ, trong lúc piston đã đi lên mà khí nạp mới không bị đẩy

ra ngoài (ra ống góp nạp) vì những lý do sau đây:

- Quán tính (trớn) hút khí nạp vẫn còn mạnh vì máy chạy nhanh

- Trong xy lanh còn chân không, có nghĩa là áp suất trong xy lanh nhỏ hơn áp suất khí trời

- Ở gần điểm chết trục khuỷu quay một vòng cung dài, trong khi piston đi được một đoạn đường ngắn

Trục khuỷu

Piston

Xy lanh

Hỗn hợp Xúpáp nạp (mở) Xúpáp thải (đóng) Vùng áp suất chân không cục bộ

Bộ chế hòa khí

Họng nạp

Trang 17

-13 -

Tuy nhiên ở một số động cơ chạy chậm supape hút có thể mở trễ khi piston đã đi qua khỏi ĐCT, tương ứng với góc quay trục khuỷu khoảng từ 00 - 80 sau ĐCT Mục đích của việc mở supape hút sau khi supape thoát đã đóng là để cho khí cháy được thải sạch ra khỏi

xy lanh trước khi hút khí nạp mới vào xy lanh

b Kỳ nén (Hành trình nén - thì ép) :

Quá trình nén thực tế khí nạp mới

trong xy lanh bắt đầu khi supape nạp vừa

đóng và chấm dứt khi piston gần lên tới ĐCT,

tương ứng với góc quay trục khuỷu khoảng từ

00 đến 220 trước ĐCT gọi là góc đánh lửa

sớm (lúc bugi nẹt lửa - đối với động cơ xăng)

hoặc góc phun sớm (đối với động cơ diesel)

Vì thế hàønh trình nén thực tế nhỏ hơn hành

trình nén lý thuyết, tương ứng với góc quay

trục khuỷu nhỏ hơn 18 00

Trên thực tế hành trình nén là hành

trình tiêu hao công (công âm), được nhận từ

công dư của bánh trớn (bánh đà) hoặc từ công

giãn nở (công dương) của các xy lanh khác

trong động cơ Tuy nhiên, nhờ có quá trình

nén nhiệt độ và áp suất của MCCT tăng cao Ví dụ : một động cơ xăng có tỷ số nén là 7, thì khi piston lên tới gần ĐCT áp suất hòa khí tăng lên khoảng 8 atm và nhiệt độ lên khoảng

3000 C Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao này hòa khí sẵn sàng bốc cháy khi có tia lửa điện phóng ra tại bugi

c Kỳ cháy - giãn nở (hành trình sinh công) :

Quá trình cháy thực tế xem như được bắt đầu lúc bugi nẹt lửa (đối với động cơ xăng) hoặc lúc nhiên liệu diesel phun vào xy lanh (đối với động cơ diesel), tương ứng với góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm

Ở động cơ xăng, hòa khí bị ép nóng sẳn, gặp phải tia lửa điện bốc cháy rất nhanh (chỉ trong vòng khoảng 1/200 của giây đồng hồ) Nhiệt độ và áp suất khí trong xy lanh tăng lên rất nhanh và rất cao (T = 2200 - 2500 C , P

= 35 atm) Chính nhờ áp lực cao này đẩy piston đi xuống mạnh làm cho trục khuỷu và bánh trớn quay Khi piston đi xuống thể tích xy lanh (Vh) tăng, khí cháy giãn nở sinh công Khi

Xúpáp nạp (đóng) Xúpáp thải (đóng)

Hòa khí Piston

Xy lanh

Trục khuỷu)

(1 vòng quay trục khuỷu)

Bugie

Thanh truyền Trục khuỷu

Piston

Xy lanh

Xúpáp nạp (đóng)

Xúpáp thải (đóng)

Trang 18

-14 -

tay quay trục khuỷu còn khoảng 450 trước ĐCD thì supape mở chấm dứt quá trình giãn nở sinh công và bắt đầu quá trình thải khí cháy ra khỏi xy lanh Như vậy Quá trình cháy - giãn nở thực tế nhỏ hơn quá trình cháy - giãn nở lý thuyết

d Kỳ thải (thì thoát hay còn gọi là hành trình thải) :

Supape thoát mở sớm 450 , khí cháy

tuôn ra ngoài một phần lớn , áp suất khí trong

xy lanh giản xuống rất nhanh, trong lúc piston

đang chạy xuống ĐCD Như vậy ta đã làm

mất đi một phần công suất và hiệu suất của

động cơ Nhưng ta được bù lại trong lúc piston

chạy lên vì nó không còn bị hãm bởi sức đối

áp của khí cháy trong xy lanh

Supape thoát đóng trễ khoảng 100 sau

ĐCT nhằm gia tăng thời gian đẩy sạch khí

cháy ra khỏi xy lanh Như vậy, quá trình thải

thực tế lớn hơn quá trình thải lý thuyết

1.3.4 Một số loại động cơ nhiệt khác (Sv đọc tài liệu và nộp báo cáo về cấu tạo, nguyên

lý hoạt động và ưu khuyết điểm của các loại động cơ nhiệt hiện đại khác): Động cơ

Wankel (động cơ piston quay), động cơ Stirling, động cơ Gas, động cơ GDI …

1.4 Phân loại và ưu khuyết điểm của động cơ đốt trong:

1.4.1 Phân loại :

a Theo mục đích sử dụng:

 Động cơ tỉnh tại: máy phát điện, dùng dẫn động các loại bơm: khí, dầu và dùng trong nông nghiệp…

 Động cơ dùng cho ô tô, tàu thuỷ, máy bay,…

b Theo nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong:

 Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nhẹ: xăng, benzen, cồn, kerosene

 Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nặng: Diesel, dầu mazut,

 Động cơ dùng nhiên liệu khí: khí thiên nhiên (CNG), khí hoá lỏng (LPG)

 Động cơ dùng đa nhiên liệu: dùng các loại nhiên liệu lỏng từ nhẹ đến nặng

c Theo đặc điểm cấu tạo của động cơ:

 Số lượng xy lanh: động cơ một xy lanh (Hình 1.4a) và động cơ nhiều xy lanh (Hình 1.4b)

Xúpáp nạp (đóng) Xúpáp thải (mở) Đường

thải

Piston

Xy lanh

Trục khuỷu Hai vòng quay

Trang 19

-15 -

 Cách bố trí xy lanh đối với động cơ nhiều xy lanh: động cơ một hàng xy

lanh, động cơ chữ V, động cơ hình sao, động cơ piston đối đỉnh (Hình 1.5) …

Hình 1.5 – Các loại động cơ khác nhau

1 Động cơ một dãy xy lanh 4 Động cơ đối xy lanh

2 Động cơ chữ V 5 Động cơ chữ U

3 Động cơ hình sao 6 Động cơ đối đỉnh

a Động cơ 2 kỳ 1 xy lanh b Động cơ 4 kỳ nhiều xy lanh

Hình 1.4 – Hình ảnh động cơ 1 và nhiều xy lanh

Trang 20

-16 -

d Theo phương pháp hình thành hòa khí (hỗn hợp nhiên liệu và không khí):

 Động cơ hình thành hòa khí bên ngoài Hơi nhiên liệu (hoặc nhiên liệu thể khí) và không khí được hình thành bên ngoài nhờ bộ chế hòa khí và được đốt cháy bằng tia lửa điện

 Động cơ hình thành hòa khí bên trong Hoà khí được hình thành bên trong xy lanh là nhờ bơm cao áp cấp nhiên liệu cao áp để phun nhiên liệu cao áp để phun tơi vào khối không khí nóng trong xy lanh động cơ (động cơ Diesel) hoặc nhờ vào xy lanh động cơ (phun xăng trực tiếp vào xy lanh - Gasoline Direct Injection) Đối với động cơ Diesel, quá trình hình thành hoà khí dùng buồng cháy thống nhất, buồng cháy dự bị và buồng cháy xoáy lốc

e Theo phương pháp đốt cháy hòa khí:

 Động cơ đánh lửa cưỡng bức Hòa khí được đốt cháy cưỡng bức nhờ vào nguồn nhiệt bên ngoài (tia lửa điện, bugie): Động cơ xăng, động cơ khí

 Động cơ nhiên liệu tự cháy Nhiên liệu lỏng được phun tơi vào buồng cháy (động cơ Diesel) và tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao của môi chất cuối quá nén

f Theo chu trình công tác:

 Động cơ cấp nhiệt đẳng tích (v = const): các loại động cơ có tỉ số nén thấp 11) và đốt cháy nhiên liệu cưỡng bức

(5- Động cơ cấp nhiệt đẳng áp (p = const): các loại động cơ có tỉ số nén cao 14), phun tơi nhiên liệu nhờ không khí nén

(12-g Theo phương pháp nạp của chu trình công tác:

 Động cơ không tăng áp: Quá trình hút không khí hoặïc hòa khí vào trong xy lanh là do piston hút trực tiếp từ khí trời (động cơ 4 kỳ) hoặc không khí quét được nén đến áp suất đủ để thực hiện việc thay đổi môi chất và nạp đầy vào

xy lanh (động cơ 2 kỳ)

 Động cơ tăng áp: không khí hoặc hòa khí vào xy lanh có áp suất lớn hơn áp suất khí trời nhờ vào thiết bị tăng áp (turbocharger hoặc supercharger) hoặc việc quét xy lanh và nạp không khí hoặc hòa khí được thực hiện nhờ không khí có áp suất cao đảm bảo tăng lượng khí nạp mới vào trong xy lanh Do đó, việc tăng khối lượng môi chất (tăng mật độ khí nạp) nhờ việc tăng áp suất

h Theo phương pháp làm mát:

 Động cơ làm mát bằng nước

Trang 21

-17 -

 Động cơ làm mát bằng gió

Ngoài ra, động cơ đốt trong còn được phân loại dựa trên loại chuyển động của piston (tịnh tiến hoặc quay), theo tốc độ của piston (động cơ tốc độ thấp, động cơ tốc độ trung bình hoặc động cơ cao tốc)…

1.4.2 So sánh ưu khuyết điểm của động cơ đốt trong:

a So sách giữa động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ:

1 - Chu trình công tác được thực hiện trong

4 hành trình của piston (hay 2 vòng quay

trục khuỷu) trong đó có 1 hành trình sinh

công

- Chu trình công tác được thực hiện trong 2 hành trình của piston (hay 1 vòng quay trục khuỷu) trong đó có 1 hành trình sinh công

2 - Mo men quay trục khuỷu ít đồng đều,

yêu cầu bánh đà nặng hơn và có kích

thước lớn hơn

- Mo men quay trục khuỷu đồng đều, yêu cầu bánh đà nhẹ hơn và có kích thước nhỏ hơn

3 - Vì 2 vòng quay trục khuỷu mới có 1

hành trình sinh công nên công suất phát

sinh của động cơ cùng kích thước nhỏ

hơn hoặc nếu cùng công suất thì động cơ

4 kỳ có kích thước lớn và nặng hơn:

 ML P . n . V i. kW ,

n M x

M

e e

716

  4 kỳ Trong đó:

 Pe :Áp suất có ích trung bình (MN/m2)

 n: số vòng quay trục khuỷu

(vòng/phút)

 i: số xy lanh động cơ

 Vh: thể tích công tác của xy lanh (lít)

- Vì mỗi vòng quay trục khuỷu mới có 1 hành trình sinh công nên công suất phát sinh của động cơ cùng kích thước với động cơ 4 kỳ lớn hơn Theo lý thuyết, công suất này lớn hơn gấp 2 lần nhưng thực tế chỉ lớn hơn 1,75 – 1,85 lần vì ở động cơ 2 kỳ phải dành 1 phần hành trình sinh công cho quá trình quét thải (chiếm từ 3/4 đến 8/10 hành trình đi xuống của piston)

- Chất lượng nạp thải xấu hơn

4 - Yêu cầu làm mát và bôi trơn ít hơn,

mức độ mài mòn ít hơn và có độ bền tuổi

thọ cao hơn

- Mỗi vòng quay trục khuỷu có một hành trình nổ và sinh công nên trạng thái nhiệt và mức độ ma sát mài mòn lớn hơn Vì vậy, yêu cầu làm mát bôi trơn cao hơn và có độ bền tuổi thọ thấp hơn

Trang 22

-18 -

5 - Cấu tạo động cơ phứt tạp hơn vì có hệ

thống nạp thải kiểu xú-páp nên có nhiều

chi tiết để điều khiển xú-páp đóng mở

như: bánh răng trục cam, trục cam, đệm

đẩy, đũa đẩy, cò mổ…

- Động cơ thường dùng hệ thống quét thải bằng cửa và đóng mở bằng chính piston Do đó, có kết cấu đơn giản hơn, gía thành chế tạo rẻ hơn Tuy nhiên, động cơ hai kỳ cũng có loại sử dụng cơ cấu kiểu xú-páp để nạp thải)

- Hiệu suất nạp (thể tích): 15-38%

- Quá trình nạp thải đồng thời

- Thời gian quá ngắn

6 - Chất lượng nạp thải tốt vì thời gian nạp

và thải dài hơn

- Chất lượng nạp thải kém vì thời gian nạp thải ít hơn (chỉ trong gần một hành trình của piston piston tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn)

7 - Hiệu suất nhiệt cao hơn, có tính kinh tế

cao hơn Động cơ có chất lượng công tác

ở số vòng quay thấp tốt hơn so với động

cơ hai kỳ

- Hiệu suất nhiệt thấp hơn, chất lượng công tác ở số vòng quay thấp xấu hơn (động cơ dễ bị chết máy hoặc nổ không đều)

8 - Động cơ 4 kỳ được sử dụng rộng rãi cho

những loại thiết bị đòi hỏi tính hiệu quả

cao như động cơ xe ô tô, xe tải máy kéo,

xe bus, máy công nông lâm nghiệp, máy

phát điện…

- Động cơ 2 kỳ được sử dụng rộng rãi cho những loại thiết bị yêu cầu giá thành chế tạo thấp Động cơ phải gọn nhẹ như động cơ xe gắn máy, các thiết

bị cầm tay hay đối với động cơ Diesel có công suất và kích thước lớn, tàu thủy và xe lửa

b So sánh giữa động cơ xăng và động cơ Diesel:

Thông số so sánh Động cơ xăng Động cơ Diesel Ghi chú

1 - Chu trình nhiệt

động và điều

khiện đốt cháy

nhiên liệu trong

động cơ

- Chu trình Otto (đẳng tích) Hỗn hợp NL+KK cháy nhờ tia lửa điện phóng ra từ bugi Sự cháy xảy rất nhanh

- Chu trình Diesel

Nhiên liệu tự cháy

do nhiệt độ và áp suất MCCT cao

- Cùng  và Q1, chu trình Otto có

t cao hơn Tuy nhiên, đ/c Diesel có  cao hơn nên có t cao hơn đ/c xăng

Trang 23

-19 -

2 - Nhiên liệu sử

dụng - Dùng xăng, có khối lượng riêng thấp, tính

bốc hơi cao và nhiệt độ tự cháy cao

- Dùng Diesel, có khôí lượng riêng cao hơn, tính bốc hơi kém và nhiệt độ tự cháy thấp

3 - Nạp nhiên liệu - Hỗn hợp xăng và

KK hình thành trong suốt quá trình nạp

Dùng bộ chế hòa khí để tạo hỗn hợp công tác

- Nhiên liệu áp suất cao được phun thẳng vào trong buồng cháy

ở gần cuối quá trình nén Dùng bơm cap áp và vòi phun để phun nhiên liệu

- Bơm cap áp và kim phun trong động cơ Diesel đòi hỏi công nghệ chế tạo cao Do đó, giá thành đắc hơn so với bộ CHK của đ/c xăng

4 - Điều khiển tải - Dùng bướm ga để

điều chỉnh lượng hỗn hợp khí nạp

- Dùng thanh răng bơm cao áp điều chỉnh lượng nhiêu liệu phun vào xy lanh mà không điều chỉnh không khí hút vào

5 - Tỷ lệ A/F 10-18 (phạm vi giới

hạn hòa khí bốc hơi nhỏ)

18-100 (phạm vi giới hạn hòa khí bốc hơi lớn)

- Đ/c Diesel có thể cháy với hỗn hợp rất loãng

6 - Phân bố nhiên

liệu

- Tỷ lệ không khí nhiên liệu không đồng đều giữa các xy lanh

- Tỷ lệ không khí nhiên liệu đồng đều hơn

- Đ/c Diesel hoạt động với sự cân bằn tốt hơn

7 - Tỷ số nén  7,5-12, giới hạn cao

bị hạn chế bởi sự kích nổ của nhiên liệu

13-23, giới hạn cao bị hạn chế bởi sự tăng trọng lượng động cơ (vượt quá giới hạn bền của chi tiết động cơ)

- Tính kinh tế của động cơ Diesel cao hơn động cơ xăng

8 - Hiệu suất nhiệt 20-32%, do động cơ

có tỷ số nén thấp

Trang 24

Vp  6-11

- Cùng công suất động cơ xăng có kích thước nhỏ hơn động cơ Diesel

10 - Tăng áp - Bị giới hạn do kích

nổ chỉ dùng cho động

cơ máy bay

- Sử dụng nhiều và rất thích hợp - Đ/c tăng áp có công suất lớn hơn

so với động cơ không tăng áp cùng kích thước

11 - Nhiệt độ và áp

suất của khí thải - Cao, do hiệu suất nhiệt thấp và tỷ số

nén thấp

- Thấp hơn vì tỷ số giãn nở lớn hơn - Xú-páp thải của động cơ xăng chịu

nhiệt độ cao hơn

12 - Khởi động - Dễ hơn - Khó hơn (tỷ số

nén cao hơn)

13 - Khả năng gia

tốc - Không tốt nhưng được cải thiện bởi

bơm gia tốc ở bộ CHK

- Tốt vì được bơm cao áp điều khiển

14 - Khả năng chế

tạo

- Tốt, có khó khăn nhưng không nhiều ở bộ CHK và hệ thồng đánh lửa

- Tốt, có khó khăn

ở bơm cap áp và vòi phun

- Trong điều khiện công nghệ ở Việt Nam hiện nay

15 - Suất tiêu hao

nhiên liệu ge

(g/kW.giờ)

- Đầy tải: 285-380 - Đầy tải : 220-285

- Ít tải : tốt hơn nhiều so với động

cơ xăng

- Nếu có cùng công suất, đ/c xăng tiêu hao nhiên liệu hơn đ/c Diesel

16 - Tính kinh tế

của nhiên liệu

- Giá xăng đắt, mật độ thấp, lượng cacbon tính theo khối lượng lớn hơn một chút

- Giá dầu Diesel thấp, lượng cacbon trong thể tích lớn hơn

17 - Giá thành ban đầu - Thấp, rẻ hơn - Cao hơn, đắc hơn

18 - Giá thành sử dụng - Cao - Thấp

Trang 25

-21 -

19 - Tuổi thọ - Thấp hơn (vì n cao) - Cao hơn (vì

thường làm việc ở chế độ tải thấp hơn định mức)

20 - Các vấn đề về

cháy của nhiên

liệu

- Có kích nổ tại vùng hỗn hợp chưa cháy, trịc số octan cao thì nhiệt độ tự cháy cao

- Kích nổ do thời gian cháy trễ dài

Trị số Cetan, nhiệt độ tự cháy thấp

Trang 26

Khoa Kỹ thuật Giao thông Lý thuyết động cơ đốt trong Chương 2 Bộ môn Ô tô – Máy động lực

13

-CHƯƠNG 2 – LÝ THUYẾT CƠ SỞ ĐCĐT 2.1 Cơ sở nhiệt động ĐCĐT:

Nhiệm vụ của động cơ đốt trong (ĐCĐT) là biến nhiệt năng thu được do đốt nhiên

liệu cung cấp thành cơ năng (công) Ở bên trong xy lanh động cơ xảy ra hàng loạt các quá trình biến đổi liên tục về lý hoá và nhiệt động học của môi chất công tác (MCCT) rất phức tạp mà nhờ đó nhiệt năng được biến đổi sang cơ năng Các quá trình này hợp thành

một chu trình vòng hở và không thuận nghịch gọi là chu trình công tác hay là chu trình thực tế của ĐCĐT

2.2 Các chu trình nhiệt – Chu trình lý thuyết của ĐCĐT:

Chu trình lý thuyết của động cơ đốt trong là một chu trình kín và thuận nghịch, trong đó không có một sự tổn thất năng lượng nào, ngoài tổn thất do nhả nhiệt cho nguồn lạnh đã được qui định theo định luật II của nhiệt động học

Đặc điểm của chu trình lý thuyết (chu trình lý tưởng):

 Là chu trình kín, thuận nghịch - lượng môi chất công tác trong tất cả các chu trình cố định và không thay đổi Có nghĩa là không có các quá trình thải sản vật cháy và

nạp khí mới vào xy lanh như ở động cơ thực có kèm theo sự mất mát nhiệt trong đó

 Môi chất công tác trong chu trình là khí lý tưởng với tỷ nhiệt không đổi (nhiệt dung

riêng là hằng số) và không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

 Trong xy lanh động cơ không xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu mà lượng nhiệt cấp vào chu trình được lấy từ nguồn nóng Q1 và thải ra một nhiệt lượng Q2 cho nguồn lạnh

 Quá trình nén và giãn nở là các quá trình đoạn nhiệt Có nghĩa là không có sự trao

đổi nhiệt của MCCT với môi trường bên ngoài (vách buồng cháy)

 Việc chuyển hóa từ nhiệt năng sang công trong chu trình về mặt lý thuyết là có lợi nhất Hiệu suất của chu trình lý tưởng gọi là hiệu suất nhiệt so với hiệu suất chỉ thị của các động cơ có trị số lớn hơn

2.2.1 Chu trình cấp đẳng tích (Otto): (Q1 cấp ở V = const)

Trang 27

14

Chu trình mà quá trình cấp nhiệt tiến hành ở trạng thái thể tích không đổi (chu

trình lý thuyết của động cơ xăng) động cơ ga đốt cháy bằng tia lửa điện

2.2.2 Chu trình cấp đẳng áp: (Q1 cấp ở p = const)

- Chu trình mà quá trình cấp nhiệt tiến hành ở trạng thái áp suất không đổi (là chu trình lý thuyết của động cơ Diesel với quá trình cung cấp nhiên liệu Diesel vào buồng cháy động cơ nhờ không khí nén và động cơ Diesel cỡ lớn tăng áp cao)

2.2.3 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp: (Q1 = Q’1 + Q”1)

- Chu trình mà quá trình cấp nhiệt có 1 bộ phận tiến hành ở thể tích không đổi (Q’1 cấp ở V = const) và1 bộ phận tiến hành ở áp suất không đổi (Q”1 cấp ở p = const) Chu trình hỗn hợp còn gọi là chu trình kép và là chu trình lý thuyết của động cơ Diesel hiện đại với quá trình cung cấp nhiên liệu diesel vào buồng cháy động cơ nhờ bơm cao áp)

Ở tất cả 3 loại chu trình lý thuyết trên quá trình nhả nhiệt cho nguồn lạnh (Q2) được qui định theo định luật 2 của nhiệt động học tiến hành ở trạng thái thể tích không đổi (V = const) Chỉ tiêu chủ yếu của bất kỳ một chu trình nhiệt động nào cũng đều được đánh giá trên hai mặt: tính kinh tế và tính hiệu quả

a) Tính kinh tế: Tính kinh tế của chu trình được đặc trưng bởi hiệu suất nhiệt t

t: đánh giá mức độ hoàn thiện của chu trình về mặt sử dụng nhiệt

t: là tỉ số giữa lượng nhiệt đã chuyển biến thành công có ích chia cho toàn bộ số nhiệt cấp vào cho mỗi chu trình (Q1)

Chú ý: Dựa vào t ta có thể đánh giá được lượng công mà MCCT thực hiện được sau mỗi chu trình nếu biết lượng nhiệt cấp cho chu trình

Hiệu suất nhiệt t xác định theo công thức sau:

1 2 1

2 1

1

Q

Q Q

Trang 28

15

-b) Tính hiệu quả: được đặc trưng bởi công đơn vị của chu trình, tức là công tương

đương ứng với một đơn vị thể tích công tác của xy lanh, còn gọi là áp suất trung bình của chu trình(pt)

h

t t V

L

p  (N/m2 ; MN/m2)

h

t t

Chu trình hỗn hợp gồm các quá trình:

 Quá trình nén đoạn nhiệt a-c

 Quá trình cấp nhiệt đẳng tích c - z’ và đẳng áp z’ - z

 Quá trình giãn nở đoạn nhiệt z- b

 Quá trình tỏa nhiệt đẳng tích b –a

Một số ký hiệu của các thông số không thứ nguyên:

c 

a V

V

- tỉ số nén

z p

p

- tỉ số tăng áp ban đầu (giai đoạn cháy đẳng tích)

c  

z V

V

- tỉ số giãn nở đầu (giai đoạn cháy đẳng áp)

z 

b V

Trang 29

16

mCP và mCv (J/kmol.độ) – nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của 1 kmol môi chất

Hiệu suất nhiệt của chu trình hỗn hợp tính theo công thức (2-1) có dạng sau:

"

1

' 1

2

"

1

' 1

2

"

1

' 1

1

Q Q

Q

Q Q Q

M – số mol MCCT có trong 1 chu trình

Thay các giá trị Q1', Q1’’ và Q2 vào (2-5), qua ước lượng sẽ được:

 z' c  z z '

a b t

T T k.

T T

T T 1

2.2.4 Tính các thông số trạng thái của chu trình:

Sử dụng các định luật nhiệt động học cơ bản: ĐLNĐ 1- bảo toàn và biến hoá năng

lượng, phương trình trạng tháikhí, phương trình đoạn nhiệt, ta tính được các thông số trạng thái của MCCT tại các điểm đặc trưng của chu trình thông qua nhiệt độ, áp suất ban đầu và các thông số không thứ nguyên khác (Ta, pa, , , ,  )

a

c c

c

RT V

p

RT V

V

Vp

p

a c k

k c

k a a

Trang 30

17

-1 k a c

1 k

ε p

p ε

1 V

V T

p T

c

z' z'

z'

V

Vp

pT

TRTV

p

RTV

k a c z'

1 k a c

z' c

z' c'

z'

εTλT

ελpλpp

.εTλλ.TT

λT

Tλp

p1;

VV

.ελ.pp

p

1 k a c

z z z

k a z

1 ρ ε λ T T

ρ λ p ε p λ p p

a 1 k 1 k a

b

k a

k

k a k

z b

2.2.5 Tính các thông số đánh giá hiệu năng của chu trình:

a Hiệu suất nhiệt:

Thay các trị số nhiệt độ trên vào công thức tính hiệu suất nhiệt ta có:

 z' c p z z'

v

a b v t

T T mC T

T mC

T T mC 1

k a 1

k a 1 k a

a

k a

ε λT ρ ε λT k ε

T λε

T

T λρ T

11

Trang 31

11VV

V1VVVV

.V

'Q'Q'

V

QV

Lp

a h a

a

c a

c a h

t h

1 1 t

h 1 h

t t

ε T λ ρ ε T λ mC ε

T λε

T mC p

a

1 k a 1

k a p 1

k a 1 k a v t

R k

mol)44,01(kg/kμ

2 2

ε p

i) Xét trường hợp tkhi , k, và :

t max khi  = max và  = 1

t min khi  = 1 và  = max

trong trường hợp: Q1, mCv, k và a = const khi  thì t, tuy nhiên mức độ tăng t ở

phạm vi tỷ số nén thấp ( = 7  10) nhanh hơn so với phạm vi tỉ số nén cao ( = 14  23) và t

hầu như tăng không đáng kể khi  > 25

ii) Xét trướng hợp ptkhi , t và pa:

Trang 32

19

-Phương pháp hiệu quả nhất để tăng pt là pa (tức là tăng khối lượng khí nạp mới vào xy lanh và cho phép tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình kết quả là lượng nhiên liệu đốt cháy trong một chu trình tăng, có nghĩa là tăng lượng nhiệt cấp vào (Q1)

Trong chu trình hỗn hợp khi Q1 tăng xảy ra 2 trường hợp:

 và  = const;  = const (pc = const) Vì vậy 

c

z p

p

 pz làm tăng tải trọng động cơ học lên cơ cấu thanh truyền trục khuỷu đối với động cơ thực tế độ bền, tuổi thọï

  và  = const (pz = const)  pt Tuy nhiên, tính kinh tế của chu trình xấu đi

Trong thực tế, chu trình lý tưởng của động cơ diesel cao tốc hiện đại gần với chu trình hỗn hợp trên với các tỉ lệ khác nhau giữa  và  (phụ thuộc Q1) Tỉ lệ của chúng phụ thuộc vào kết cấu động cơ, chế độ làm việc của động cơ và các yếu tố ảnh hưởng khác (Hình 2.2)

2.3 Chu trình đẳng tích Otto (V = const); ,

V ρ

V

Hình 2.2 - Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa t

phụ thuộc vào ,  và  khi (Q 1 = const).

z

Sz=Sb Sa=Sc

Trang 33

20

k a t

1 k t

η 1 λ 1 ε 1 k

ε p p

ε

1 1 η

Qua công thức và đồ thị Hình 2.4 cho thấy:

 t chỉ phụ thuộc vào  và k tkhi  và k Tuy nhiên t tăng rất nhanh khi  tăng đến 7 10 Sau đó mặc dù  vẫn tăng nhưng t hầu như không thay đổi

 t không phụ thuộc vào  nếu như  = const (có nghĩa là t không phụ thuộc vào Q1)

 Yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến tính hiệu quả của chu trình (Pt) là Pa – áp suất MCCT

ở đầu quá trình nén (trong động cơ thực Pa là áp suất MCCT ở cuối quá trình nạp)

2.4 Chu trình đẳng áp (P = const):Q1 Q1" vàQ1' 0 (Hình 2.5)

Là một trường hợp riêng của chu trình hỗn hợp nếu như không tồn tại phần nhiệt lượng cấp vào chu trình trong điều kiện đẳng tích, có nghĩa là toàn bộ Q1 cấp vào ở điều kiện

p = const

Khi đó:  = 1 vì pz =pc

Thay  = 1 vào côn

g thức tính t và pt của chu trình hỗn hợp ta được:

Hình 2.4 -Quan hệ giữa hiệu suất nhiệt và tỷ số nén của chu trình đẳng tích với các giá trị của k

P

Vc 0

0 a

Trang 34

21

-) / (

; )

1 ( )

1 (

)

1 (

k t

 t phụ thuộc vào , k, ,tkhi  và k; t  khi 

 Tính hiệu quả của chu trình đẳng áp phụ thuộc vào , k,  và pa

Trong đó yếu tố ảnh hưởng chủ yếu lên pt là áp suất nén ban đầu pa

2.5 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình nhiệt động (Hình 2.7):

Đồ thị T –S của 3 chu trình cấp nhiệt : Đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp được thể hiện trên hình vẽ sau:

Hình 2.6 -Quan hệ giữa hiệu suất nhiệt t và 

của chu trình đẳng áp

Hình 2.7 – Đồ thị so sánh giữa các chu trình

Trang 35

22

-Trong đó, chu trình cấp nhiệt hỗn hợp nằm ở vị trí trung gian của hai chu trình còn lại

Do đó, việc so sánh hiệu suất nhiệt sẽ đề cập đến hiệu suất nhiệt của hai chu trình đẳng áp và đẳng tích

 Trường hợp 1: (Hình a) Các chu trình có cùng nhiệt độ khí nạp, tỷ số nén  và nhiệt lượng Q 1

- Đoạn CZ của chu trình cấp nhiệt đẳng tích sẽ dốc hơn đoạn CZ’ của chu trình cấp nhiệt đẳng áp

- Các chu trình có cùng nhiệt lượng cung cấp Q1 nên diện tích mCZn của chu trình cấp nhiệt đẳng tích bằng diện tích mCZ’n’ của chu trình cấp nhiệt cấp nhiệt đẳng áp Về hình học, để hai phần diện tích như nhau thì đường Z’n’ phải nằm bên phải Zn Do đó, nhiệt lượng nhả ra nguồn lạnh cùa chu trình cấp nhiệt đẳng tích sẽ là Q2pchínhlà diện tích mobn còn chu trình cấp nhiệt đẳng áp Q2psẽ là mob’n’

 Diện tích mobn < diện tích mob’n’

hay Q2v < Q2p

 tp < tv hay tp < thh < tv

 Trường hợp 2: Các chu trình có cùng nhiệt độ khí nạp, p z và nhiệt lượng Q 1

- Vì đoạn CZ của chu trình cấp nhiệt đẳng tích dốc hơn đoạn CZ’ của chu trình cấp nhiệt đẳng áp nên để đạt được pz như nhau trong hai chu trình, thì điểm C cuối quá trình nén của chu trình cấp nhiệt đẳng tích phải nằm dưới điểm C’ của chu trình cấp nhiệt đẳng áp (theo công thức pz  .pc)

- Theo giả thuyết, Q1 của các chu trình như nhau nên điểm Z phải nằm trên đường

pz  const (các chu trình có cùng áp suất cực đại) và bên phải điểm Z’

Như vậy, ta có:

Q2v > Q2p

 tp > tv hay tp > thh > tv

Trang 36

23

-2.6 Tăng áp trong động cơ đốt trong:

2.6.1 Khái niệm tăng áp:

Công suất có ích của động cơ được xác định như sau:

n X

N A S Q F

Ne  k c tr th d m p

Trong đó:

k : Mật độ không khí nạp (kg/m3)

c : Hiệu suất của sự cháy nhiên liệu

tr : Hiệu suất của sự truyền nhiệt

th : Hiệu suất lý thuyết

d : Hiệu suất hao hụt về đồ thị thực tế so với lý thuyết

m : Hiệu suất cơ giới

F : Tỉ số F/A

Q: Nhiệt trị thấp của nhiêu liệu (Kj/KgNL)

S : Hành trình của piston (mm)

AP : Diện tích đỉnh piston(mm2)

N : Số xy lanh

X  2 đối với động cơ 4 kỳ

n: tốc độ động cơ (vòng/phút)

Tăng áp cho động cơ là tăng áp suất môi chất (k ) trên đường ống nạp nhằm tăng công suất đầu quá trình nén Do đó, tăng áp suất trung bình của chu trình, hay tăng công suất có ích của động cơ

2.6.2 Các dạng tăng áp:

2.6.2.1 Động cơ đốt trong tăng áp bằng truyền động cơ khí (Hình 2.8):

Hình 2.8 - Sơ đồ động cơ tăng áp bằng truyền động cơ khí

Trang 37

đc

Q

L L

 1 

1

1 1

.

k tđc

11

1 0 0 1

0

k k

k

k p

p T R k

k L

T

T m

R k

k

k k

k

.

k

m

R k

1

1 0

0

Hình 2.9 - Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng truyền động cơ khí

Trang 38

và k   . 0

k k

k

.

k

p

kk

Hình 2.10 - Sơ đồ tăng áp bằng khí xả động cơ

Trang 39

k

k k

 Tăng áp tuabin khí sẽ nâng cao tính hiệu quả và tính kinh tế của chu trình công tác

Hình 2.11 – Đồ thị công chỉ thị của động cơ dùng tăng áp

Trang 40

27

-Khí thải từ động cơ

Khí nạp mới vào trong động cơ

Hình 2.12 – Mặt cắt của một turbochager

Hình 2.13 – Sơ đồ động cơ và đồ thị công chỉ thị động tăng áp

Định dạng
Số trang	163
Dung lượng	3,88 MB