Giáo trình nguyên lý động cơ đốt trong nguyễn chi hùng

Ở cuối hành trình giãn nở, khi đỉnh trên piston đi qua mép của cửa thải các cửa thải bố trí về một phía vách và chiếm gần 1/2 chu vi xy lanh xy lanh được thông với bên ngoài, sản vật chá

(HỆ CAO ĐẲNG – ĐẠI HỌC)

Lưu hành nội bộ 8-2009

CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Những khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong

 Quá trình công tác: Là tổng hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra trong xy

lanh của động cơ: sự thay đổi về thành phần hóa học, thể tích, áp suất, nhiệt độ và trọng lượng

Quá trình công tác bao gồm nhiều bộ phận riêng rẽ kế tiếp nhau theo một trật tự nhất định và lặp đi lặp lại có tính chu kỳ

 Chu trình công tác: Là tập hợp tất cả những phần của quá trình công tác trong một xy

lanh của động cơ Sau một chu trình công tác, môi chất công tác trong xy lanh thay đổi Chu trình công tác có tính chất chu kỳ và được đặc trưng bằng số hành trình của piston cần thiết

để thực hiện chu trình đó Vì vậy đông cơ đốt trong chia làm 2 loại:

- Bốn kỳ: Phải cần 4 hành trình của piston mới hoàn thành một chu trình công tác của động cơ

- Hai kỳ: Phải cần 2 hành trình của piston mới hoàn thành một chu trình công tác của động cơ

 Kỳ: Là một phần của chu trình công tác xảy ra trong thời gian piston dịch chuyển một

hành trình ký hiệu là 

Điểm chết: Là vị trí của piston mà ở đó dù ta có tác dụng một lực nào lên piston cũng

không làm cho trục khuỷu của động cơ quay Tức là không sinh ra mômen quay Trong động

cơ có 2 điểm chết gọi là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD)

Hành trình của piston: Là khoảng cách giữa 2 điểm chết, ký hiệu là S

Thể tích buồng nén: Thể tích nhỏ nhất của xy lanh đối với một chu trình công tác, ký

3 2

D: Đường kính của xy lanh (m)

Tỉ số nén: Là tỉ số giữa thể tích lớn nhất của xy lanh và thể tích buồng nén, ký hiệu 

c

h c

h c

V V

V V V

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ xăng và diesel 4 kỳ không tăng áp

Hình 1.1 biểu thị sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp Một chu trình công tác được tiến hành như sau:

1:trục khuỷu; 2: thanh truyền; 3: pittông; 4: xilanh; 5: đường ống nạp; 6: xupáp nạp;

8: dường thoát; 9: xupap thải

Hình 1.1: Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp kiểu xupap treo

của quá trình nạp lớn hơn thời gian của hành trình nạp

* Hành trình thứ ba

Hành trình cháy và giãn nở xảy ra khi piston đi từ ĐCT đến ĐCD Đầu giai đoạn này số nhiên liệu trong xy lanh được cháy nhanh, áp suất tăng lên mãnh liệt ( đoạn C”z’ ) sau đó sự cháy diễn ra đều hơn do số nhiên liệu đưa vào sau bốc cháy nhanh hơn vì áp suất và nhiệt độ môi chất trong xy lanh đã cao hơn ( đoạn z,z) Quá trình cháy được kết thúc hoàn toàn khi áp suất giảm (điểm x) và tiếp đó là quá trình giãn nở của sản vật cháy Áp suất khí sinh ra truyền trực tiếp lên đỉnh piston để sinh công có ích, vì vậy hành trình thứ 3 này còn gọi là hành trình công tác ( đường C”Z’Zb”)

 Hành trình thứ tư:

Hành trình thải piston đi từ ĐCD lên ĐCT để đẩy sản vật cháy ra ngoài qua supap thải Trước khi piston xuống ĐCD, supap thải mở sớm (điểm b’) Góc ứng với đoạn b’b” hoặc góc

5 trên đồ thị gọi là góc mở sớm supap thải Mở sớm supap thải nhằm mục đích giảm áp suất

Pr của khí thải, do đó giảm được công tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngoài của piston Ngoài ra khi giảm áp suất Pr thì lượng khí sót trong xy lanh cũng giảm nên tăng được lượng khí nạp mới vào xy lanh

Supap thải được đóng trễ sau ĐCT (điểm r’ hoặc góc 6) gọi là góc đóng trễ supap thải

Do có sự mở sớm đóng trễ supap thải nên thời gian của quá trình thải lớn hơn thời gian của hành trình thải Trên đồ thị công, từ điểm d1 đến r’ cả hai supap nạp và thải đều mở - gọi là góc trùng điệp của hai supap nạp và thải

Sau 4 hành trình của piston, động cơ đã hoàn thành một chu trình công tác và một chu trình công tác mới lại tiếp tục

I: nạ p; II: nén ép; III: cháy và giãn nở ; IV: Thả i

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp

I: điểm mở sớm van nạp; II: điểm đóng muộn van nạp; c’: đánh lửa sớm; 5: xupap nạp;

6: Xupap xả; 7: bugi; 8 Nắp xilanh; 9: Cam nạp; 10: Cam thải; 11: Bộ chế hoà khí; 12: Đường không khí; 13: Đường nhiên liệu; 14: đường khí thải; 15: nửa trên của cacte; 16: nửa dưới của cacte

* Kết luận:

- Toàn bộ chu trình công tác được thực hiện trong 2 vòng quay của trục khuỷu Trong 4 hành trình chỉ có hành trình thứ 3 là sinh công Còn các hành trình khác là quá trình chuẩn bị được thực hiện nhờ động năng của các khối lượng quay (trục khuỷu bánh đà) và công của các

xy lanh khác

- Thời điểm đóng, mở supap, phun sớm nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm không trùng với ĐCT hay ĐCD - được gọi là thời điểm phối khí

- Việc lựa chọn thời gian phối khí có ảnh hưởng rất lớn đến công suất động cơ

Thông thường góc phối khí được xác định bằng phương pháp thực nghiệm

- Đối với động cơ tăng áp, các quá trình công tác giống như động cơ không tăng áp Điểm khác nhau cơ bản là khí nạp mới trong động cơ tăng áp được nén tới áp suất nhất định (qua máy nén) sau đó mới nạp cho động cơ Vì vậy áp suất khí nạp mới lớn hơn áp suất trong lòng xy lanh cuối quá trình thải, nên khi khí nạp đi vào qua supap nạp thì áp suất trong xy lanh giảm đi nhưng vẫn lớn hơn áp suất khí trời

1.3 So sánh động cơ xăng và động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp

Giống nhau: Quá trình giãn nở và thải tương tự nhau

Khác nhau: Khí hỗn hợp trên động cơ xăng được hình thành từ bên ngòai gồm không khí và hơi nhiên liệu nhẹ

Do yêu cầu nhiên liệu phải bốc hơi nhanh trước khi vào supap nạp để tránh tiêu hao nhiên liệu và làm xấu chất lượng dầu nhờn nên động cơ xăng phải sử dụng nhiên liệu dễ bốc hơi như xăng, dầu hỏa,…

Hình 1.3: Đồ thị chỉ thị của chu trình thực tế động cơ xăng 4 kì trên trục toạ

độ p- φ

1,2: điểm mở và đóng xupap nạp;C’: điểm bugi bật tia lửa điện; 3,4: điểm mở

và đóng xupap thải; 5: bắt đầu nạp; 6: kết thúc nạp; 7: bắt đầu thải; 8: kết thúc thải

I: nạp; II: nén ép; III: cháy và giãn nở; IV: Thải

Tỷ số nén của động cơ xăng nhỏ hơn động cơ diesel nên hiệu suất của động cơ xăng nhỏ hơn động cơ diesel

Do không dùng tính tự cháy để làm bốc

cháy nhiên liệu nên động cơ xăng phải dùng

phương pháp đốt cháy cưỡng bức (bằng tia lửa

điện)

1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ

Động cơ 2 kỳ là động cơ trong đó chu trình

công tác được thực hiện trong 2 hành trình của

piston (hay một vòng quay trục khuỷu) Có nhiều

phương pháp nạp và thải khí khác

nhau nhưng sau đây là phương án đơn giản

nhất (phương án quét khí ngang) nhằm nêu bật

nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ Chu trình

công tác của động cơ được tiến hành như sau:

Hành trình thứ nhất

Hành trình giãn nở, piston đi từ ĐCT đến

ĐCD để thực hiện quá trình cháy, giãn nở và thải

sản vật cháy ra ngoài (hành trình sinh công hay

hành trình công tác)

Ở cuối hành trình giãn nở, khi đỉnh trên piston đi qua mép của cửa thải (các cửa thải

bố trí về một phía vách và chiếm gần 1/2 chu vi xy lanh) xy lanh được thông với bên ngoài, sản vật cháy được thải ra khỏi xy lanh vì áp suất của khí lớn hơn bên ngoài - đó là thời kỳ thải tự do - làm áp suất trong xy lanh giảm xuống bằng hoặc lớn hơn một chút so với áp suất không khí

Piston tiếp tục chuyển động đến khi đỉnh trên của nó đi qua mép của cửa quét (các cửa quét bố trí phía bên kia vách xy lanh), khí quét có áp suất cao hơn áp suất không khí sẽ đi vào xy lanh để đẩy nốt khí thải ra ngoài và nạp đầy vào xy lanh Giai đoạn tiến hành đồng thời việc nạp và thải khí gọi là giai đoạn quét khí

Khi piston tiếp tục đi lên thì một chu trình công tác mới lại được bắt đầu

Hành trình thứ 2

Hành trình nén, piston đi từ ĐCD đến ĐCT thực hiện các quá trình thải và quét khí thải ra khỏi xy lanh đồng thời nạp và nén khí nạp mới vào xy lanh Lúc đầu quá trình quét khí và nạp khí mới còn tiếp tục cho đến khi cửa quét bị piston đóng lại Từ lúc đóng cửa quét đến lúc đóng cửa thải, trong xy lanh xảy ra hiện tượng lọt khí nạp mới

Sau khi cửa thải được đóng (điểm a), quá trình nén bắt đầu, piston tiếp tục đi tới ĐCT làm áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp cháy và khí sót tăng lên rõ rệt Đến cuối quá trình nén, tại điểm c’ tiến hành phun nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm

Do đó, ở hành trình thứ 2, trong xy lanh của động cơ đã xảy ra các quá trình sau: kết thúc quét và thải khí, nạp khí nạp mới, nén và bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu Khi piston tiếp tục chuyển động đi xuống thì một quá trình công tác mới lại được bắt đầu theo thứ tự như đã nói ở trên

* Kết luận: Qua một chu trình công tác của động cơ 2 kỳ ta thấy:

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý động cơ 2 kỳ quét ngang

- Một chu trình công tác được thực hiện trong một vòng quay của trục khuỷu

- Trong 2 hành trình có 1 hành trình sinh công

- Áp suất khí quét phải lớn hơn áp suất khí trời, muốn vậy phải có bơm quét (hoặc máy nén) do trục khuỷu dẫn động Công suất tiêu hao cho việc dẫn động này chiếm khoảng 6%-12% công suất động cơ

- Có một phần hành trình của piston dùng vào việc thải và quét khí (đoạn oa)

- Khi quét khí có một bộ phận khí nạp mới bị hao hụt do lẫn trong sản vật cháy ra ngoài

Vì trong khí nạp mới của động cơ xăng có chứa hơi xăng nên chu trình 2 kỳ chỉ dùng cho động cơ xăng có công suất nhỏ

- Momen quay ở động cơ 2 kỳ đều hơn vì thời gian giữa các chu trình ngắn

- Quá trình nạp và thải ở động cơ 4 kỳ hoàn hảo hơn, thời gian dài hơn, việc lựa chọn góc phối khí tốt nhất thuận lợi hơn tuy kết cấu phức tạp hơn động cơ 2 thì

- Ở động cơ 4 kỳ có thể dùng phương pháp tăng áp để tăng công suất động cơ dễ dàng hơn vì ứng suất nhiệt của động cơ nhỏ, bố trí hệ thống tăng áp cũng đơn giản hơn

CHƯƠNG 2 CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ

2.1 Các loại chỉ tiêu kinh tế – Kỹ thuật

Để đánh giá chất lượng động cơ, người ta dùng các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật sau:

- Công suất

- Giá thành một đơn vị công

- Hiệu suất động cơ

2.2 Công suất của động cơ

Công suất của động cơ nói lên yêu cầu của thiết bị động lực mà ta sử dụng Công suất

có ích của động cơ là công suất thu được trên trục khủyu của động cơ Đó là chỉ tiêu rất quan trọng, nó không phụ thuộc vào công dụng và loại động cơ, việc nâng cao công suất có ích là mục tiêu của công tác chế tạo và thiết kế bất kỳ một loại động cơ nào

2.3 Giá thành một đơn vị công của động cơ

Được thể hiện bằng đồng (đ) trên một kw có ích giờ (hoặc mã lực có ích trong một giờ) Nó bao gồm các chi phí dưới đây hợp thành:

- Chi phí về nhiên liệu

- Chi phí về chế tạo động cơ

- Chi phí cho việc sửa chữa và bảo dưỡng động cơ

Mỗi loại chi phí trên đều phụ thuộc vào các thông số của động cơ

Ví dụ: Chi phí về nhiên liệu chủ yếu phụ thuộc vào hiệu suất của động cơ, loại nhiên

liệu và thời gian làm việc của động cơ ở các chế độ công tác khác nhau Chi phí về chế tạo động cơ phụ thuộc vào kích thước, cấu tạo động cơ, phương thức sản xuất (hàng loạt hay đơn chiếc), cường độ sử dụng Chi phí cho sửa chữa động cơ phụ thuộc vào tuổi thọ và tính chất

phức tạp về mặt cấu tạo của động cơ

2.4 Hiệu suất có ích của động cơ

Hiệu suất có ích của động cơ có liên quan tới chi phí về nhiên liệu, do đó có ảnh hưởng tới giá thành một đơn vị công Ngoài ra thời gian làm việc của động cơ mà không cần

bổ sung nhiên liệu dự trữ cũng phụ thuộc vào hiệu suất - Điều này rất quan trọng đối với loại động cơ dùng cho vận tải

2.5 Tuổi thọ của động cơ

Tuổi thọ của động cơ là thời gian sử dụng động cơ giữa hai kỳ đại tu Trị số này ảnh hưởng tới giá thành một đơn vị công thông qua chi phí cho sửa chữa (quy về một đơn vị công)

2.6 Trọng lượng của động cơ

Có liên quan tới chi phí kim loại dùng để chế tạo động cơ nên người ta thường tìm cách giảm trọng lượng trong những điều kiện gần giống nhau, do đó giảm được gíá thành một đơn vị công thông qua giảm chi phí chế tạo động cơ Trong một vài trường hợp, đặc biệt

ở một vài loại thiết bị vận tải, việc giảm trọng lượng động cơ là một yêu cầu quan trọng vì dù động cơ có tính kinh tế cao nhưng trọng lượng vẫn còn nặng thì nhìn chung cũng không có lợi

2.7 Kích thước bề ngoài động cơ

Kích thước bề ngoài của động cơ được xác định bằng ba kích thước dài, cao và rộng giữa các điểm ngoài cùng Kích thước bề ngoài của động cơ có ảnh hưởng quyết định tới việc chọn cấu thành động cơ, số lượng và cách bố trí xy lanh, tỷ số giữa hành trình và đường kính

xy lanh Ngoài ra người ta còn dùng các chỉ tiêu khác như tính thích ứng của động cơ, hiệu suất đối với mỗi một chế độ làm việc khác nhau của động cơ (ngoài chế độ quy định) , chiều cao trọng tâm,… để đánh giá chất lượng làm việc của động cơ, và trong một vài trường hợp đặc biệt những chỉ tiêu này có thể quan trọng hơn những chi tiêu đã nói ở trên

Qua sáu chỉ tiêu đã nói ở trên, công suất là chỉ tiêu quan trọng bậc nhất, sau đó là giá thành một đơn vị công Đối với loại động cơ tĩnh tại chỉ tiêu này (công suất) có tính chất quyết định nếu tính cả giá thành xây dựng cơ bản Trong một vài trường hợp khác thì chỉ tiêu

về giá thành có khi mâu thuẫn với một vài chỉ tiêu khác trong việc đánh giá động cơ

Ví dụ: trong việc lựa chọn động cơ cho xe ôtô vận tải, động cơ A cho ta giá thành một

đơn vị công thấp do có hiệu suất và tuổi thọ cao hơn so với động cơ B Nhưng động cơ A lại

có kích thước và trọng lượng bề ngoài lớn hơn B Do vậy, khi dùng động cơ A thì lượng chứa hàng của xe sẽ giảm đi và kết quả là số tấn cây số (t.km) trên công có ích của xe đối với một đơn vị thời gian cũng bị giảm Do đó chi phí cho một tấn cây số ở động cơ A có thể cao hơn so với động cơ B Như vậy việc lựa chọn động cơ phải tiến hành theo chi phí đối với một đơn vị công của thiết bị vận tải chứ không chỉ đối với động cơ

Tương tự như vậy ta cũng có thể đưa ra những ví dụ về việc lựa chọn động cơ dùng cho các lĩnh vực khác Các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của động cơ luôn luôn phụ thuộc vào đặc tính của quá trình công tác Đặc trưng một cách đầy đủ nhất cho chất lượng của quá trình công tác của động cơ là hai thông số: Áp suất chỉ thị trung bình và hiệu suất chỉ thị của động

cơ cùng với các thông số phụ thuộc vào chúng như công suất và hiệu suất có ích của động cơ

2.8 Áp suất chỉ thị trung bình

Áp suất chỉ thị trung bình là công của khí ứng với một đơn vị thể tích công tác trong

xy lanh cho một chu trình Thứ nguyên (đơn vị) của áp suất chỉ thị trung bình là thứ nguyên của áp suất, thí dụ nếu công của chu trình Li biểu thị bằng Nm hoặc Jun, thể tích công tác Vh

biểu thị bằng m3, thì áp suất chỉ thị trung bình Pi bằng:

Từ công thức: L i = P i V h (Jun hoặn Nm)

bình không những bao hàm ý nghĩa vật lý mà còn bao hàm thứ nguyên của nó nữa Thông thường Pi còn dùng đơn vị MN/m2 để biểu thị, lúc đó:

V – Thể tích xy lanh biến đổi theo góc quay của trục khuỷu, tích phân là tính trong thời gian một chu trình (bốn kỳ hoặc hai kỳ)

Thay công thức (2-2) vào (2-1) ta được:

P i =

h

V pdV

Từ công thức (2-3) ta thấy để xác định Pi cần phải biết mối quan hệ giữa P và V, quan

hệ này ở dạng đồ thị chính là đồ thị công trong tọa độ P-V Người ta đo đồ thị công bằng máy đo công trong khi thí nghiệm Máy đo công có loại trực tiếp cho ta đồ thị công trên tọa

độ P-V, có loại cho ta đồ thị công triển khai trên tọa độ P- , trong đó  là góc quay của trục

khuỷu Tích phân trong công thức (2-3) được xác định bằng cách giải đồ thị ta được:

Định nghĩa về khái niệm Pi tương đối đầy đủ nhất và có ứng dụng thực tế là định nghĩa trong đó có tính đến cả công của hành trình “bơm“ Để tránh nhầm lẫn, các chương sau chỉ dùng định nghĩa về Pi theo công thức ( 2-4) và (2-6)

Trị số của Pi đối với các loại động cơ không tăng áp thường trong khoảng Pi = 0,3 – 1,0 MN/m2 Còn đối với động cơ tăng áp có thể đạt tới 2,0 MN/m2

2.9 Công suất của động cơ

2.9.1 Công chỉ thị của chu trình: là công do khí sinh ra trong xy lanh đối với một chu

trình và được xác định bằng đồ thị công

L i = P i V h (Nm) (2-7) Trong đó: Li là công chỉ thị của chu trình, Nm

Vh là thể tích công tác của xy lanh, m3

Pi là áp suất chỉ thị trung bình, N/m2 Trong công thức (2-7) nếu Pi tính theo công thức (2-6) thì Li là công chỉ thị của chu trình trong đó không tính đến công của hành trình “bơm” Nếu Pi tính theo công thức (2-3) thì Li là công chỉ thị của chu trình trong đó có tính đến công của hành trình “bơm”

2.9.2 Công suất chỉ thị của động cơ: là công suất ứng với công chỉ thị của chu trình

N i = L i m ( Nm/s)

Trong đó: m = 2n /  (chu trình / s) là số chu trình trong một giây của xy lanh

Với: n là số vòng quay trong một giây của trục khuỷu

ni V

P i h

( kW) (2-9)

2.9.3 Công suất có ích: là công đo được tại đầu ra của trục khuỷu, ở đó công củađộng

cơ được truyền đến nững nơi cần năng lượng (hộp số hoặc máy công tác) Công suất có ích của động cơ nhỏ hơn công suất chỉ thị một trị số bằng công của tất cả các lực cản tác dụng trong cơ cấu của động cơ, gồm:

- Công tiêu hao cho ma sát

- Công dùng để dẫn động các cơ cấu phụ ( bơm nước, bơm nhớt, bơm nhiên liệu,…)

- Công dùng để dẫn động các cơ cấu phân phối khí

- Tổn thất “ bơm” , tức là những lực cản ở hành trình “bơm” của piston (hành trình nạp

và thải trong động cơ 4 kỳ) và quay máy nén khí tăng áp cho động cơ.Tổn thất công trong một giây của tất cả các loại trở lực đó hợp thành công suất cơ giới (Nm), do đó công suất có ích của động cơ bằng:

N e = N i – N m (KW) (2-10)

Tỷ số giữa công suất có ích chia cho công suất chỉ thị gọi là hiệu suất cơ giới của động cơ:

P e = P i m (N/m2 hoặc MN/m2) (2-12) Như vậy, nếu Pe tính theo MN/m2 thì ta có:

N e = N i m =

30

ni V

P i h

30

ni V

P e h

(KW) (2-13) Qua công thức (2-13) ta thấy mối quan hệ giữa Ne và Pe giống như mối quan hệ giữa Ni

và Pi Từ đó ta có thể rút ra một định nghĩa có tính khái quát với Pe là: áp suất có ích trung bình là công có ích cho một chu trình ứng với một đơn vị thể tích công tác của động cơ và được biểu thị bằng N/m2 ( hoặc kG/cm2 )

Về mặt sức bền, độ tin cậy khi làm việc và tuổi thọ của mỗi động cơ thường được tính ở

số vòng quay quy định n (v/p) - được chọn căn cứ vào điều kiện làm việc của động cơ Ở số vòng quay quy định, động cơ có thể phát ra công suất từ Ne = 0 (không tải) đến công suất quy định Neqđ – Công suất mà nhà chế tạo cam đoan, trong đó có tính đến các điều kiện sử dụng (ổn định và liên tục, không ổn định và công suất luôn luôn thay đổi– Ví dụ)

Có thể tăng công suất động cơ lớn hơn công suất quy định trong một thời gian ngắn Công suất cực đại trong quá trình sử dụng động cơ có khi trùng với công suất quy định, có khi cao hơn công suất quy định Tỉ số giữa công suất động cơ và công suất quy định, chọn là 100% - gọi là phụ tải tương đối của động cơ biểu thị theo phần trăm Phụ tải tương đối lớn hơn 100% gọi là động cơ quá tải Thông thường quá tải không cho phép đến 10%, thậm chí ở một số động cơ không cho phép quá tải (tùy thuộc vào điều kiện sử dụng)

2.10 Hiệu suất của động cơ

Trong nguyên lý động cơ thường sử dụng các khái niệm về hiệu suất như:

- Hiệu suất có ích e: Là tỉ số giữa nhiệt lượng tương đương với công có ích chia cho số nhiệt lượng do nhiên liệu phát ra

e =

H nl

e

Q G

N

(2-14) Trong đó : Gnl – Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giây tính theo Kg/s hoặc m3/s

QH - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu tính theo J/ kg hoặc J/m3

Ne - Công suất có ích tính theo W hoặc J/s

Hoặc tính theo suất tiêu hao nhiên liệu:

1

(2-16)

Trong thực tế thí nghiệm động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu Gnl thường được tính theo

số kg trong một giờ và công suất có ích đo bằng KW Do đó:

g e = 3

10

310.6,3

(2-16a)

- Hiệu suất chỉ thị i của động cơ: Là tỉ số giữa lượng nhiệt tương đương với công chỉ

thị của động cơ so với nhiệt lượng do nhiên liệu phát ra:

i =

H nl

i

Q G

g N

Hiệu suất chỉ thị của các loại động cơ thường trong khoảng i = 0,22 – 0,5

2.11 Giá thành một đơn vị công:

Giá thành một đơn vị công là một chỉ tiêu kinh tế quan trọng đặc trưng cho chất lượng

sử dụng động cơ Nó gồm một số bộ phận như: giá thành nhiên liệu, giá thành bản thân động

cơ, giá thành sử dụng, giá thành sửa chữa tính cho một đơn vị công (một Kw có ích giờ)

Gọi giá tiền một đơn vị nhiên liệu là Xnl, ta có thể tính giá thành nhiên liệu dùng cho một động cơ:

Xnl ge =

H e

đ

N T

e g

sd

N T

X

(đồng / Kw có ích giờ)

Gọi giá thành sửa chữa động cơ (đại tu, trung tu, bảo dưỡng và kiểm tu) là Xsc trong toàn bộ thời gian phục vụ Tđ của động cơ, ta có thể tính được giá thành một đơn vị công tương ứng là:

e đ

sc

N T

X

(đồng / Kw có ích giờ) Tổng cộng, ta có giá thành toàn bộ cho một đơn vị công của động cơ là:

sc đ e H

e

nl

T

X T

X X N Q

10 6 ,

Qua công thức tính X ta thấy:

- Tăng e sẽ giảm được X Vì vậy một trong những phương hướng chủ yếu của công nghiệp chế tạo ôtô là tăng hiệu suất có ích của động cơ

- Tăng Ne và Tđ cũng có ý nghĩa lớn trong việc giảm giá thành X

Chương 3 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

3.1 Khái niệm chung:

Trong động cơ đốt trong sự biến đổi từ nhiệt năng sang cơ năng là một quá trình phức

tạp Các quá trình này hợp thành một chu trính kín, hở và không thuận nghịch Nó xảy ra phụ

thuộc vào nhiều yếu tố như phương pháp hình thành hỗn hợp, kết cấu của động cơ (tỉ số nén,

góc phối khí,…) và chế độ làm việc của động cơ Nghên cứu một chu trình như vậy gặp rất

nhiều khó khăn, rất khó đánh giá mức độ tốt xấu chung

Để nghiên cứu được dễ dàng, người ta thay thế các quá trình phức tạp trên bằng các

quá trình đơn giản và lược bỏ các tổn thất về năng lượng do ảnh hưởng của các quá trình

thực tế Ta có chu trình lý tưởng

Để đánh gíá mức độ hoàn thiện của các quá trình riêng biệt và toàn bộ chu trình trong

các loại động cơ Chúng ta cần phải tìm hiểu khả năng sử dụng nhiệt đặc biệt của chu trình lý

tưởng, là ngoài tổn thất cho nguồn lạnh không có mất mát nào khác So sánh hiệu suất nhiệt

của chu trình lý tưởng và thực tế để xác định mức độ hoàn thiện của chu trình và đề ra

phương pháp nâng cao tính kinh tế và công suất của động cơ

Khi nghiên cứu chu trình lý tưởng người ta giả thiết rằng:

Số lượng môi chất công tác trong xy lanh động cơ hoàn toàn không thay đổi.Như vậy

không có quá trình thải và nạp khí vào xy lanh

Nhiệt lượng được cấp từ bên ngoài vào chu trình - như vậy không có phản ứng hóa học

xảy ra giữa nhiên liệu và ôxy của không khí (thành phần hóa học của môi chất công tác

không thay đổi trong suốt chu trình Không tính đến những tổn thất nhiệt phát sinh khi nhiện

liệu cháy) Như vậy việc chuyển nhiệt sang công trong chu trình lý tưởng là lớn nhất

3-Tỉ nhiệt của môi chất công tác không thay đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ (thực

tế nó phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần môi chất công tác)

4-Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt – không có sự trao đổi nhiệt với môi trường

xung quanh Do đó không tính đến tổn thất nhiệt trong quá trình nén và giãn nở Chỉ tiêu chủ

yếu của bất kỳ một chu trình nào cũng được đánh giá trên 2 mặt:

3.1.1 Tính kinh tế: Được đặc trưng bởi hiệu suất nhiệt của chu trình t – Là tỉ số giữa

lượng nhiệt đã chuyển biến thành công với lượng nhiệt cung cấp cho môi chất công tác

t =

1 1 2 1

2 1

1

Q

L Q

Q Q

L t : Công sinh ra của 1Kmol môi chất công tác trong một chu trình (J/kmol )

Q 1: Số nhiệt lượng cung cấp cho môi chất công tác (J/kmol )

Q 2: Số nhiệt lượng thải ra (j/kmol )

Q 1 – Q 2: Số nhiệt lượng được lợi dụng có ích (chuyển sang công)

3.1.2 Tính hiệu quả: Được đặc trưng bởi công đơn vị của chu trình tức là công tương

ứng Với một đơn vị thể tích công tác của xy lanh

P t = L t / V h ( Nm/m3 hoặc N/m2 ) (3-2)

Trong đó Lt: Công của một chu trình (J hoặc Nm)

Vh = Vmax – Vmin: Thể tích công tác của xy lanh tức là hiệu số giữa thể tích lớn nhất

và nhỏ nhất của môi chất công tác trong chu trình (m3)

Pt : Công đơn vị hay áp suất bình quân của chu trình

Qua công thức (3-2) cho thấy về mặt số trị thì công đơn vị bằng áp suất giả thiết

không đổi pt, tác dụng lên piston trong khoảng thời gian ứng với sự thay đổi thể tích từ

Vmax đến Vmin Vì vậy trị số pt còn được gọi là áp suất bình quân của chu trình

Công đơn vị của chu trình càng lớn thì kích thước xy lanh công tác của động cơ cần có

để thu được công suất đã cho sẽ càng nhỏ

Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong có thể chia làm 4 loại chủ yếu dưới đây:

1- Chu trình lý tưởng tổng quát: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra cả ở trạng thái thể tích không đổi (V = const) và trạng thái áp suất không đổi (p = const)

2-Chu trình đẳng tích: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra ở trạng thái thể tích không đổi (V = const)

3-Chu trình đẳng áp: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra ở trạng thái áp suất không đổi (p = const)

4- Chu trình hỗn hợp: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt có một bộ phận tiến hành ở thể tích không đổi (V = const) và một bộ phận tiến hành ở áp suất không đổi (p = const)

3.2 Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong

3.2.1 Chu trình lý tưởng tổng quát ( H.3.1a)

Trên hình vẽ ta có:

- Các quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt (ac và zb) nên không có sự trao đổi nhiệt

- Q’1 nhiệt lượng cấp vào ở trạng thái đẳng tích, Q’’1 nhiệt lượng cấp vào ở trạng thái đẳng áp

- Q’2 nhiệt lượng nhả ra ở trạng thái đẳng tích, Q’’2 nhiệt lượng nhả ra ở trạng thái đẳng áp

Số lượng nhiệt cấp vào ở một chu trình (KJ/kg): Q1= Q’1 + Q’’1

Q 1 = mC v (T y -T c ) + mC p (T z -T y ) (3-3)

Ở đây: mCp và mCv là tỉ nhiệt mol đẳng áp và đẳng tích, (KJ/KgS)

Tz, Tz’, Tc là nhiệt độ của chu trình tại các điểm Z,Z’ và C

Nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh: q2 = q’2 + q’’2

Q 2 = mC v (T b -T f ) + mC p (T f -T a ) (3-4)

Ở đây: Tb, Tf, Ta là nhiệt độ của chu trình ứng với các điểm b,f,a

Khi đó hiệu suất của chu trình:

Trong đó: k = mCp/mCv gọi là chỉ số đa biến

Theo hình (3-1) ta quy định:

a chu trình lý tưởng tổng quát b chu trình lý tưởng đẳng tích

Hình 3.1: Đồ thị của chu trình lý tưởng trên đồ thị p-v

)(

)(

)(

)(

11

1 2

y z c

y

a f f

b

T T mCp T

T mCv

T T mCp T

T mCv Q

)(

)(

)(

1

y z c

y

a f f

b

T T k T T

T T k T T

 = Pz/Pc: Tỉ số tăng áp suất khi cấp nhiệt trong quá trình đẳng tích (v =const)

 = Vz/Vc :Tỉ số giãn nở ban đầu khi nhiệt lượng cấp vào trong quá trình đẳng áp (p=const)

Tc = Ta(Va/Vc)k-1 = Ta.(k-1) Trong đó k là chỉ số đoạn nhiệt

Vp

Q1 = mCv(Ta k-1+ K(Ta..k-1) – (Ta.k-1)

Q2 = mCv Ta.(/’)k-1 -Ta.’  + K(Ta.’–Ta)

= mCvTa’(/’)k - 1 + K(’– 1) (3-7) Thế kết quả (3-6),(3-7) vào (3-5) ta có:

 1  1

1'1

'

'1

Vf – Vc = Vc(Vf/Vc – 1) = Vc ( VfVa/VaVc – 1)

= Va/ (’ – 1) (3-10)

Từ công thức (3-1) ta có: Lt = Q1.t (3-11) Thế (3-10) và (3-11) vào (3-9):

)1'(

)1(11

V

k mCvT

Theo giáo trình nhiệt kỹ thuật: mCv = R/k-1 và Pa = RTa/Va

Trong đó R là hằng số chất khí, thế vào phương trình trên và cuối cùng mà ta nhận được:

)1'(1

2

m N k

k

P

k a

Hình (3.1b) trên tọa độ P-V và T-S cho thấy nhiệt lượng cấp vào q1 và nhiệt lượng nhả ra q2 xảy ra khi thể tích công tác của xy lanh không đổi

Vh = Va-Vc = Vmax-Vmin = (.D2).S/4 (mm3)

Trong đó: D, S là đường kính và hành trình piston (m)

S = 2R (R: bán kính quay của trục khuỷu)

Quan sát chu trình ta thấy nó khác với chu trình tổng quát là không có quá trình nhả nhiệt đẳng áp Fa và cấp nhiệt đẳng áp Z’Z (H.3-1)

Bởi vậy trong trường hợp này =1 và ’=1 Thế các giá trị của  và ’ vào công thức (3-8) và (3.13) ta được:

t  1  1k1





a chu trình lý tưởng đẳng áp b chu trình lý tưởng hỗn hợp

Hình 3.2: Đồ thị của chu trình lý tưởng trên đồ thị p-v

)1(

)1(

11

)1(

P

k a

Quan sát chu trình ta thấy nó khác với chu trình tổng quát là không có quá trình nhả nhiệt đẳng áp Fa Bởi vậy trong trường hợp này ’=1 Thế các giá trị của ’ vào công thức (3-8) và (3.13) ta được:

)1()1(

11

)1(

P

k a

3.3 Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp

Động cơ tăng áp là một tổ hợp thiết bị bao gồm: bản thân động cơ, tuốc bin khí làm việc bằng khí thải và máy nén dùng để cung cấp không khí (hoặc hỗn hợp công tác) có áp suất cao hơn áp suất khí trời và xy lanh (Pk >Po)

Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp xảy ra trong cả phần động cơ piston và cả phần tuộc bin máy nén

Những động cơ hiện đại người ta sử dụng rộng rãi phương pháp dùng tuộc bin khí thải

để dẫn động máy nén Khí thải của động cơ có áp suất và nhiệt độ tương đối cao, chứa một phần nhiệt năng chưa sinh công khá lớn Người ta tận dụng năng lượng đó để sinh công bằng

cách cho khí thải tiếp tục giãn nở đến áp suất khí trời trong các cánh tuốc bin Công thu được

từ tuốc bin cung cấp cho máy nén khí nạp vào động cơ và thực hiện tăng áp

Tùy theo áp suất trước tuốc bin người ta chia thành tuốc bin biến áp và tuốc bin đẳng

áp

3.3.1 Tuốc bin biến áp:

Khi súp páp thải mở, sản vật cháy của động cơ được dẫn thẳng đến tuốc bin Như vậy,

việc giãn nở tiếp tục của khí thải được tiến hành đồng thời trong xy lanh và trong cánh tuốc

bin Vì vậy tuốc bin làm việc ở áp suất biến đổi giảm dần với sự lợi dụng động năng của

dòng khí đi từ xy lanh đến các cánh công tác của tuốc bin Để thực hiện được quá trình giãn

nở thêm của khí thải trong tuốc bin, người ta bố trí tuốc bin rất gần xy lanh động cơ để sao

cho dung tích đường ống nối từ xy lanh đến tuốc bin là nhỏ nhất

Như vậy tỷ số nén của toàn bộ thiết bị:

o = k. =Vo/Vc

Quan sát hình ta thấy chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp là trường hợp đặc biệt của

chu trình lý tưởng tổng quát không có quá trình nhả nhiệt đẳng tích ( =1 ) Vì vậy muốn tính

t(y) và Pt(y) của chu trình chỉ cần biến đổi để tìm giá trị của (/’)k để thay vào công thức

1'

ty(p)  

) 1 (

1 '

P t  1  1 

)1(

P

t

k o

o (3-21) Đối với trường hợp  = 1 thì :

P t(v)  1

)1(

k o o

k

P

(3-22) Đối với trường hợp  = 1 thì:

P t(p)   1 

)1(

P

p t

k o o

(3-23)

3.3.2 Tuốc bin đẳng áp

Khi khí thải từ xy lanh đi ra được tích vào một thùng chứa, sẽ tạo được áp suất không

đổi trước khi dẫn vào tuốc bin và trong trường hợp này không lợi dụng được động năng của

dòng khí lưu động từ xy lanh vào cánh tuốc bin Nhưng khí thải trong thùng chứa có dung

tích lớn hơn của xy lanh, nên áp suất khí thải giảm đi, tốc độ của dòng khí cũng giảm xuống

Động năng lúc đó biến thành nhiệt năng Do vậy nhiệt độ của khí trước khi vào tuốc bin tăng

lên

Nếu toàn bộ nhiệt lượng cấp vào trong chu trình hỗn hợp bằng Q1 (J/Kmol) thì lượng

nhiệt thải ra của chu trình đó cũng chính là nhiệt lượng cấp vào của chu trình và bằng:

Q = Q1( 1- t(v) )  

11

t(v) = 1  1k1

k

Lúc đó lượng nhiệt thải ra trong chu trình, tức là của toàn bộ thiết bị sẽ bằng:

Q2 = Q( 1- t(v) ) =    

   1  1 

11

k k

k k

Từ biểu thức (3-23) và (3-8) ta thấy hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ tăng áp bằng

tuốc bin đẳng áp chính bằng hiệu suất nhiệt của chu trình hỗn hợp của động cơ không tăng áp

t có tỷ số nén , mà tỷ số nén của nó là tỷ số nén của toàn bộ thiết bị o = .k

và t đều tăng

3.4 Chu trình lý tưởng động cơ tăng áp dẫn động bằng cơ khí

Hiệu suất nhiệt ty của chu trình toàn bộ thiết bị – Có tính đến công tiêu hao để dẫn động máy nén được biểu thị như sau:

ty

1

L Q

L

tđ tk

: là công tương đối của máy nén

Q1: Lượng nhiệt cấp vào cho chu trình

tđ: Hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng hỗn hợp của động cơ tăng áp

Công của bản thân động cơ được tính (dựa vào hình vẽ và các công thức tính Q1, Q2):

Ltđ = mcvTkok-1-1+ k( - 1)tđ

Trong đó: o là tỷ số nén của cả thiết bị, o= Vo/Vc = k

 là tỷ số nén của bản thân động cơ, = Vk/Vc

k là tỷ số nén ban đầu của máy nén, k=Vo/Vk

Theo giáo trình nhiệt kỹ thuật, công chu trình lý tưởng của máy nén bằng:

1

1 1

1 0 1

k k

k

k P

P RT k

k k k T

mc

RT k

1 1

1 1 0

1 0

11

tđ (3-27)

Qua công thức trên ta thấy hiệu suất nhiệt của động cơ dẫn động bằng cơ khí nhỏ hơn

hiệu suất nhiệt của bản thân động cơ khi chưa tăng áp do tiêu hao một phần để dẫn động máy

nén Phần tổn thất công để dẫn động máy nén càng lớn nếu như tỉ số nén của động cơ và

lượng nhiệt cấp vào càng nhỏ (lượng nhiệt cấp vào Q1 = mcvTkk-1-1+ k( - 1)

Áp suất bình quân của chu trình lý tưởng hỗn hợp được tính theo công thức:

h tđ tđ tđ h

tk tđ

P V

L L

Ltk P V

k k tđ

k

k P

)1()1

1 1

k k

Trên hình 3.4 biểu thị mối quan hệ của hiệu

áp suất bình quân (công đơn vị) ptd, pty của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp truyền đối

với máy nén Kvới áp suất (tỷ số) tăng áp

0

K p

p

Hình 3.5 Đồ thị của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin có giãn

nở thêm và thay đổi áp suất trước tuố cbin

Qua các đường cong ta thấy, hiệu sấut nhiệt tygiảm, khi tăng áp suất tăng áp pK, đó là

do tiêu hao một phần công có ích vào việc dẫn động máy nén Đối với điều kiện đã cho (hình 3.4) khi tăng áp suất tăng pK lên 100% (từ 0,1 MN/m2 đến 0,2 MN/m2) tygiảm đi 6,6% (từ 0,637 đến 0,595)

Mức độ tăng của áp suất pty chậm hơn so với ptd khi tăng pK Thí dụ cùng tăng pK lên 100% (từ 0,1 MN/m2 đến 0,2 MN/m2) áp suất bình quân pty chỉ tăng 89% (từ 1,1 đến 2,08 MN/m2), công thương đối của máy x tương ứng tăng từ 0 đến 0,062

Mặc dầu có tiêu hao một phần công hữu ích để dẫn động (quay) máy nén dùng vào việc tăng áp, nhưng sử dụng tăng áp sẽ cho phép tăng áp suất bình quân pty lên rất nhiều, làm tăng công suất của động cơ, không làm giảm nhiều hiệu suất có ích ecủa động cơ

Sở dĩ như vậy là vì trong động cơ thực tế hiệu sấut của chu trình e giảm đi nhưng hiệu suất cơ giới mrkhi tăng áp lại được tăng lên, vì công tuyệt đối của các tổn thất cơ giới trong động cơ khí chuyển sang tăng áp giữ gần như không đổi của các tổn thất cơ giới torng động

cơ truyền khi chuyển sang tăng áp giữ gần như không đổi, đồng thời trong lúc đó chỉ công chỉ thị tại tăng lên rất nhiều

Nên chú ý là khi nghiên cứu chu trình công tác của động cơ tăng áp truyền động bằng

cơ giới, công tiêu hao để dẫn động máy nén thông thường quy về tổn thất cơ giới

Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp truyền động bằng cơ giới mà ta nghiên cứu trên

là chu trình hỗn hợp Tất cả những điều trình bày ở trên cũng hoàn toàn đúng cho hai trường hợp khác: chu trình cấp nhiệt bằng áp p = coust ( 1) và chu trình cấp nhiệt đẳng tích V = cost (=1)

Các biểu thức về  ty, td,p td, Ltd, và Kcủa những chu trình này có thể rút ra từ các phương trình tương ứng đã trình bày ở trên của chu trình hỗn hợp bằng cách thay vào chúng

1

 hoặc  = 1

3.5 Chu trình lý tưởng động cơ tăng áp dẫn động bằng tuốcbin

Trong tất cả những chu trình lý tưởng đã

nghiên cứu của động cơ hoặc không tăng áp,

hoặc tăng áp truyền động bằng cơ giới đều có

một đặc điểm là khi thải từ các xylanh thải

thẳng ra khí trời được biểu thị bằng sự nhà

nhiệt ở thể tích không đổi V =const Biểu

thức của thông số xác định quá trình nhả

nhiệt có dạng ơ =k

Đối với động cơ hiện đại, người ta sử

dụng rộng rãi phương pháp tăng áp dùng tuốc

bin khí để dẫn dòng máy nén, tuốc binhkhí chạy

bằng năng lượng của khí thải động cơ Khi sản

vật cháy sau khi giãn nở trong xylanh của động

cơ, hoặc là trực tiếp đi vào tuốcbin khí, hoặc là

lúc đầu đi vào ống góp chung (thùng chứa) sau

đó đi vào tuốc binh khí, ở đó khí được giãn nở thêm trong các cánh công tác và cuối cùng thải ra ngoài trời Trong trường hợp đầu, sau khi supap thải mở, việc giãn nở tiếp tục của sản vật cháy được tiến hành đồng thời trong xylanh của động cơ và trong tuốc binh khí, vì vậy

tuốcbin làm việc ở áp suất biến đổi giảm dần với sự lợi dụng động năng của dòng khí đi từ xy lanh vào tuốcbin trong các cánh công tác Để thực hiện quá trình giãn nở thêm của khí thải trong tuốc binh người ta bố trí tuốcbin rất gần với xylanh hoặc một nhóm xylanh của động cơ

để sao cho dung tích đường ống khí nối giữa xylanh động cơ và tuốcbin là nhỏ nhất

Trong trường hợp khí thải từ xylanh của động cơ trước tiên thải vào thùng chứa thì sẽ tạo nên áp suất không đổi trước tuốcbin và động cơ cũng không lợi dụng được động năng của dòng khi từ xylanh lưu động trược tiếp vào cánh của tuốcbin

Nhưng do khí đi vào thùng chứa có dung tích lớn hơn dung tích của xylanh nên áp suất của khí có giảm đi, tốc độ của khí cũng giảm và động năng lúc đó biến thành nhiệt năng, do vậy nhiệt độ của khí trước tuốc binh tăng lên đôi chút

Đồ thị của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin được biểu thị trên hai tọa độ p-V và T-s của hình 3.5, trong đó Ok- đường nén đoạn nhiệt của không khí trong máy nén, kc –nén đoạn nhiệt trong xylanh của động cơ, cyz –cấp nhiệt hỗn hợp, zb giãn nở đoạn nhiệt của khí xy lanh của động cơ, br-giãn nở đồng thời của khí trong xy lanh động cơ và trong tuốcbinh xung lực có lợi dụng động năng của dòng khí, rf-giãn nở sau của khí tuốc binh đẳng áp, fO-thải nhiệt ở p =const được thay cho quá trình thải khí từ tuốc binh ra ngoài khí trường quá trình rk và kr tương ứng với quá trình thải nhiệt ở p = const được thay cho quá trình thải khí từ tuốcbin xung lực vào thùng chứa chung và quá trình cấp cùng một lượng nhiệt như vậy ở p = const trong tuốcbin đẳng áp

Công của chu trình lý tưởng hỗn hợp toàn thiết bị động cơ tăng áp bằng tuốc bin khí có

sự giãn nở thêm của khí trong cánh tuốcbin, có thể biểu thị dưới dạng tổng số đại số các công: công của chu trình lý tưởng bản thân động cơ, công của tuốc bin xung lực, tuốcbin đẳng áp và của máy nén

lty = ltd + ltTx + lrtp- ltK (J/kmol)

Trong đó: lt đ công chu trình của động cơ

lrTx công chu trình của tuốc binh xung lực

ltK công chu trình của máy nén

lrtp công chu trình của tuốc bin đẳng áp

Trên hình 3.5 biểu thị tổng số các công nói trên dưới dạng các diện tích của chu trình thiết bị tổ hợp Chú ý là trên đồ thị T-s diện tích okrfo bằng hiệu số công của chu trình tuốc bin đẳng áp ltTp (bằng diện tích rfnm) trừ đi công của chu trình máy nén ltk bằng diện tích sekls So sánh các đồ thị công biểu thị trên hình (3.1a) và hình (3.5), thấy rằng ở động cơ tăng áp bằng tuốcbin khí, do có sự giãn nở thêm của khí trong cánh tuốcbin, áp suất cuối quá trình giãn nở pf và áp suất bắt đầu quá trình nén p0 như nhau và sự thải nhiệt chỉ được tiến hành ở p =const

Phương trình về hiệu suất nhiệt tycủa chu trình lý tưởng toàn bộ thiết bị (động cơ diêsel tăng áp bằng tuốc bin khi cấp nhiệt hỗn hợp có giãn nở thêm) có thể rút ra từ phương trình (3.8) sau khi thay ' = 1

ty

 =

)1(1

11

k V

V V

Hình 3.6 Đồ thị của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin có giãn nở thêm và với áp suất không đổi trước tuốcbin

Nếu toàn bộ nhiệt cấp vào chỉ tiến hành ở V=const (=1) thì ta sẽ có chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin khí cấp nhiệt đẳng tích có giãn nở thêm đó là chu trình lý tưởng của thiết bị (động cơ xăng hoặc động cơ ga tăng áp bằng tuốc bin xung lực ở thời kỳ thải và làm việc bằng động năng của dòng khí thải)

Sau khi thay  = 1 vào các phương trình (3.30) (3.31) sẽ được các phương trình về hiệu suất nhiệt của chu trình đó tyvà áp suất bình quân Pty như sau:

các phương trình (3-30) (3.31) ta sẽ có

các phương trình về hiệu suất nhiệt ty và

áp suất bình quân pty của chu trình đó

Lty = mcvT0([0k1 1 ) k( 1 )]

(J/kmol)

)1)(

p

ty K k

p

ty K k

(N/m2) Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có giãn nở thêm (thải nhiệt cũng ở áp suất không đổi p = const) là chu trình lý tưởng của thiết bị - động cơ diêsel phun nhiên liệu lẫn với

không khí nén, tăng áp bằng tuốcbin xung lực ở thời kỳ thải và làm việc bằng động năng của dòng khí thải của xylanh động cơ Chu trình này cũng là chu trình lý tưởng của thiết bị tuốcbin khí đẳng áp đốt cháy nhiên liệu ở áp suất không đổi (p =const)

Trong những động cơ tăng áp bằng tuốcbin khí có sự giãn nở thêm của khí đến áp suất khí trời thuộc vào những chu trình lý tưởng đã nghiên cứu trên với ba cách cấp nhiệt thì áp suất tăng áp pK thường không vượt quá 1,6 -1,7 kG/cm2 hoặc 0,16-0,17 MN/m2 Sở dĩ như vậy là vì hiệu suất của tuốcbin khí loại áp suất thay đổi chỉ ưu việt đối với một trị số tính toán của áp suất khí mà thôi Vì vậy dùng tuôcbin xung lực chỉ có lợi đối với mức độ giảm áp của khí không lớn lắm

Phương pháp tăng áp bằng tuốcbin kiểu thứ hai, thì áp suất khí trước tuốcbin trong thùng chứa giữ gần như không đổi, dược sử dụng rất có kết quả đối với độ giảm áp lớn và cả đối với độ giảm áp nhỏ

Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin khí không lợi dụng động năng của dòng khí đi ra từ xilanh, tức là sử dụng loại tuốcbin đẳng áp được biểu thị trên hình 33, trong

đó ok- nén lúc đầu trong máy nén, kc- nén trong xilanh của động cơ, cyz- cấp nhiệt hỗn hợp, zb- giãn nở của khí trong xilanh, bk- nhiệt thải ở V=const, thay cho quá trình thải khí từ trong xilanh, kr- cấp cùng một số nhiệt lượng(nhiệt thải ở V= const) cho tuốcbin đẳng áp (p= const), rf- giãn nở của khí trong cánh tuốcbin và fo- thải nhiệt ở p= const

Biểu thức về hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng của tổ hợp động cơ tuốcbin có thể rút ra từ những công thức đã nói ở trên Nếu toàn bộ nhiêt lượng cấp vào trong chu trình hỗn hợp bằng Q1 (J/kmol) thì lượng nhiệt thải ra của chu trình đó kcyzbk và nhiệt lượng cấp vào của chu trình okrfo sẽ bằng:

11



k k

Hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng của hệ tuốc bin máy nén okfo, theo hương trình (3-34), được biểu thị bằng công thức sau:

Lúc đó nhiệt lượng thải ra trong chu trình okrfo, tức là của toàn thiết bị được xác định bằng phương trình:

)(

1.)1(1

11

1 1

2

)(

1)1(1

11

k Q

Trong đó: 0= K là tỷ số nén tổng cộng toàn thiết bị

So sánh công thức (3-36) và công thức(3-16) cho thấy rằng hiệu suất nhiệt ty của chu trình động cơ tăng áp bằng tuốc bin không có lợi dụng động năng của dòng khí đi từ xilanh

ra, tức là sử dụng tuốcbin đẳng áp, bằng hiệu suất của chu trình hỗn hợp động cơ không tăng

áp có trị số nén, mà tỷ số của nó bằng tỷ số nén tổng cộng toàn thiết bị 0

Nếu áp suất bình quân của chu trình phức tạp cũng như của các chu trình nói trên ứng với một đơn vị thể tích công tác của xy lanh Vh thì ta sẽ có các biểu thức sau:

P’ty =

)(

).(.)(

)(

0

c c

ty c

K ty h

ty

V V

V V V V

l V

V

l V

K k

k k

)1)(

p

ty K k

Trong trường hợp tăng áp bằng tuốcbin như vậy, áp suất tăng áp Pk (hoặc K) mà càng lớn thì áp suất bình quân của chu trình sẽ càng lớn

Việc sử dụng tăng áp bằng tuốcbin sẽ nâng cao được tính kinh tế và tính hiệu quả của chu trình động cơ có tăng áp

Tất cả những điều trình bày ở trên và ứng với động cơ tăng áp bằng tuốcbin có sự liên

hệ cơ giới (giữa trục khuỷn và trục của hệ tuốc bin máy nén)

Trong trường hợp không có sự liên hệ cơ giới mà chỉ có sự liên hệ về mặt khí thể giữa động cơ với hệ tuốc bin máy nén thì hiệu suất nhiệt ty và áp suất bình quân Pty sẽ chỉ được xác định bằng công của chu trình bản thân động cơ có tỉ số nén  và áp suất tăng áp Pk tương ứng

Tất cả những công thức và kết luận đã trình bày ở trên của những chu trình không có sự giãn nở thêm đều đúng đối với trường hợp tăng áp tuốcbin này

Trên hình 33 biểu thị sự so sánh giữa hai chu trình lý tưởng tăng áp bằng tuốc bin đã nghiên cứu ở trên, trong đó điều kiện cấp nhiệt, tỷ số nén và lượng nhiệt cấp vào hai chu trình đều như nhau Qua đồ thị ta thấy nhiệt lượng thải ra trong chu trình có lợi dụng động năng của dòng khí từ xilanh đi ra (với tuốc bin xung lực) nhỏ hơn số nhiệt lượng thải ra trong chu trình tuốc bin đẳng áp (diện tích dưới đường đẳng áp of) một trị số bằng diện tích gạch chéo

Do đó, hiệu suất nhiệt ty trong trường hợp thứ nhất lớn hơn trường hợp thứ hai

Với tỷ số nén =14-18 (trong động cơ diesel) việc sử dụng tuốc binh xung lực có thể làm tăng hiệu suất khỏang 5-6% đối với động cơ có tỷ số nén thấp = 5-7 (trong động cơ xăng và động cơ ga) hiệu suất nhiệt có thể tăng đến 10-12%

CHƯƠNG 4 CHU TRÌNH THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chúng ta đã nghiên cứu chu trình lý tưởng, nó là một chu trình kín, không thay đổi môi chất để tiến hành chu trình Nhưng trong thực tế động cơ muốn công tác liên tục cần phải thay đổi môi chất công tác - nghĩa là sản vật cháy sau khi đã sinh công, cần được thải ra ngoài, phải nạp khí nạp mới vào để thực hiện chu trình tiếp theo Như vậy chu trình thực tế là chu trình hở - Nghĩa là ngoài tổn thất tất yếu cho nguồn lạnh còn có nhiều tổn thất do điều kiện thực tế gây ra

- Có sự thay đổi môi chất nên tổn thất một phần năng lượng

- Có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh nên quá trình nén và giãn nở không phải là đoạn nhiệt tức là có tổn thất nhiệt

- Nhiên liệu cháy trong xy lanh làm thay đổi tính chất hóa lý của môi chất công tác nên

có tổn thất nhiệt do nhiên liệu cháy không hết và do sự phân giã sản vật cháy

Công suất động cơ, tính kinh tế, độ tin cậy khi làm việc và tuổi thọ phụ thuộc vào mức

độ hoàn thiện của chu trình công tác của động cơ Vì vậy, qua nghiên cứu các quá trình tạo nên chu trình công tác của động cơ để tìm ra quy luật diễn biến của chúng, phát hiện những yếu tố ảnh hưởng tới các quá trình, trên cơ sở đó tìm ra được:

- Phương hướng nâng cao tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ

- Những phương pháp tính toán các thông số để thiết kế động cơ khi đã biết các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và điều kiện làm việc của động cơ

Các thông số của chu trình công tác được thực hiện từ đồ thị công do máy đo công vẽ

ra Đồ thị công phản ánh một cách cơ bản nhất chất lượng của chu trình công tác

Thông thường hay dùng phương pháp tính chu trình lý thuyết để từ đó xác định chu trình thực tế Chu trình lý thuyết cho ta số liệu ban đầu để tính toán, cải tiến động cơ hoặc đánh giá các động cơ đã sản xuất Nếu phương pháp tính toán các thông số của chu trình càng hoàn hảo thì sự khác nhau giữa chu trình lý thuyết và chu trình thực tế càng ít

4.1- Quá trình nạp

Để thực hiện chu trình tiếp theo cần phải thải hết ra khỏi xy lanh sản vật cháy đã giãn

nở của chu trình trước và nạp vào xy lanh khí nạp mới - Đó là quá trình thay đổi khí trong chu trình thực tế

Quá trình nạp và thải có liên hệ mật thiết với nhau Vì vậy khi nghiên cứu quá trình nạp phải xét đến các thông số đặc trưng cho quá trình thải

4.1.1 Diễn biến của quá trình nạp

Quá trình nạp của động cơ 4 kỳ không tăng áp

Cuối hành trình thải (điểm r khí sót chiếm toàn bộ thể tích buồng cháy với áp suất Pr

và nhiệt độ Tr Hành trình nạp về mặt lý thuyết được xảy ra từ khi piston đi từ DCT-DCD Nhưng thực tế thì tại điểm r, áp suất trong xy lanh là Pr Pk = P0 (áp suất khí trời) nên trong

xy lanh khí sót có áp suất Pr tiếp tục giãn nở đến điểm r0, và chỉ sau khi khắc phục được các trở lực khí động trong hệ thống nạp thì lượng khí nạp mới mới bắt đầu đi vào xy lanh Áp suất đầu quá trình nạp phụ thuộc vào góc mở sớm súpáp thải Do tổn thất khí động, áp suất

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ 30

trong xy lanh ở cuối hành trình nạp nhỏ hơn áp suất Pk một lượng Pk Tại điểm a (cuối quá trình nạp) Pa = Pk - Pk (Pk là sức cản của bầu lọc khí và đường ống nạp) Ở động cơ không tăng áp, nhiệt độ khí nạp mới Tk T0

Quá trình nạp tiến hành kế tiếp ngay sau quá trình thải của chu trình trước (đối với động cơ bốn kỳ), hoặc tiến hành đồng thời với quá trình thải (đối với động cơ hai kỳ) Quá trình thải của chu trình trước và quá trình nạp của chu tình kế tiếp hình thành sự trao đổi chất trong xylanh động cơ, tức là thải sản phẩm cháy từ trong ra ngoài xylanh và nạp hỗn hợp mới

từ ngoài vào trong xilanh Quá trình nạp là quá trình làm tăng dần lượng chất công tác gọi là hỗn hợp nạp mới ở trong xylanh từ ít nhất đến nhiều nhất theo từng vị trí của van nạp hx hay

vị trí của pitttông Sx hoặc vị trí của trục khuỷu …

 Các giai đoạn và đặc điểm của từng giai đoạn trong quá trình nạp của động cơ bốn

(điểm 2) Trong giai đoạn này

van nạp chỉ mới bắt đầu được ấn

xuống (với xupap treo) hoặc

nâng lên (với xupap đặt) và cửa

nạp mới chỉ là khe trụ hẹp có

chiều cao khoảng vài phần chục

milimet Bởi vậy trong thời gian

đầu quá trình nạp, hỗn hợp nạp

(hay không khí) hầu như không

vào xylanh

Tuy nhiên việc mở sớm

cửa nạp là cần thiết vì khi

pittông đi xuống sau ĐCT thì

cửa nạp đã được mở khá lớn và

không gây cản trợ cho không

khí hoặc hỗn hợp đi vào xilanh

b) Giai đoạn nạp cơ bản

Giai đoạn này bắt đầu ở ĐCT và kết thúc ở ĐCD (phần II và III), có nghĩa là được tiến hành trong phạm vi 1800 góc quay trục khuỷu, nó bao gồm giai đoạn nạp trong điều kiện chuyển động tịnh tiến có gia tốc dương của pittông (góc quay của trục khuỷu từ 00 đến 800)

và giai đoạn nạp trong điều kiện chuyển động tịnh tiến của pittông là chậm dần (góc quay trục khuỷu từ 800 đến 1800)

c) Giai đoạn nạp muộn

r' p

Va

V

a r''

Vkn=Vh+0.5Vc Vr''

có nghĩa là việc nạp thêm chỉ có thể do hỗn hợp nạp ở phần trên của xylanh có áp suất bé do chưa được nén hoặc do quán tính của bản thân dòng khí nạp và việc nạp thêm tiến hành trong kết quả chuyển động lên của pittông còn chậm

Trong điều kiện tốc độ quay của trục khuỷu còn nhỏ, ví dụ khi khởi động động cơ, lực quán tính của dòng khí trong đường ống nạp hầu như hoàn toàn chưa có Bởi vậy trong thời gian của giai đoạn nạp muộn, hỗn hợp nạp (không khí nạp) đã được nạp vào trong giai đoạn nạp cơ bản, sẽ bị đẩy ngược trở lại, tức là đi ra khỏi xylanh, đó là hiện tượng thoái lui Trong điều kiện tốc độ quay là trung bình, lực quán tính của dòng khí có lớn hơn, bởi vậy ngay khi pittông đi lên có xảy ra nạp phụ Tuy nhiên theo vị trí đi lên của pittông, áp suất chất khí nạp

do bị nén trong xilanh cũng tăng lên và

nạp phụ chuyển sang thoái lui

Trong điều kiện tốc độ quay lớn,

lực quán tính của dòng khí trong đường

ống nạp tiến dần tới giá trị lớn nhất, bởi

vậy có tăng thêm nạp phụ vào trong

xilanh, còn thoái lui có thể không xảy ra

Như vậy trong điều kiện các số

vòng quay khác nhau, trong thời gian của

giai đoạn nạp muộn có thể xảy ra: chỉ là

thoái lui; hoặc nạp phụ rồi sau đó chuyển

sang thoái lui; hay là chỉ có nạp phụ

Phần nạp phụ IV bắt đầu ở ĐCD

(điểm 4) và kết thúc ở điểm 5 (hình 4.1),

lúc này nạp phụ chuyển sang thoái lui

(phần V), phần thoái lui V kết thúc ở thời

điểm đóng cửa nạp (điểm 6 trên hình 4.1) Thời điểm kết thúc nạp phụ và bắt đầu thoái lui trong cùng một động cơ tính theo góc quay của trục khuỷu không giữ nguyên ở một trị số mà luôn biến đổi Ở tốc độ quay thấp; còn ở tốc độ quay lớn - muộn hơn Trong thời gian của giai đoạn nạp muộn vào xilanh của động cơ ở tốc độ quay lớn có tới 20% lượng nạp mới là lượng nạp phụ, còn ở tốc độ quay thấp có tới 20% là thoái lui

Khối lượng tổng cộng của hỗn hợp nạp (hay không khí nạp) vào xilanh trong một chu trình Gctr bằng tổng các khối lượng của hỗn hợp nạp (hay không khí nạp): nạp vào trong giai đoạn sớm I (Gctr) và giai đoạn nạp cơ bản (II và III) G180o gọi chung là lượng nạp cơ bản ; nạp vào do có nạp phụ ở phần IV (Gnp) và trừ đi lượng thoái lui ở phần V (Gtl), sẽ có

Như vậy để xác định được khối lượng hỗn hợp nạp (hay không khí nạp) nạp được vào động cơ, cần thiết phải tìm được trị số áp suất và nhiệt độ của chất khí nạp vào xilanh, sau đó

là xác định lượng nạp phụ và lưọng thoái lui

Hình 4.4: Diễn biến quá trình nạp của động cơ 4 kỳ tăng áp

4.1.2 Các thông số cơ bản của quá trình nạp

 Áp suất cuối quá trình nạp Pa

Hình 4.3: Quá trình nạp của động cơ 2

kỳ

Khối lượng nạp mới trong quá trình nạp, hay là sự điền đầy khí nạp vào xylanh phụ thuộc vào các nhân tố sau:

+ Tổn thất khí động học của hệ thống làm giảm áp suất chất nạp pa đi một lượngp a + Sự tồn đọng trong xylanh một lượng nào đấy sản phẩm cháy Mr gọi là khí sót, chúng chiếm một phần thể tích xylanh

+ Sự sấy nóng khí nạp mới bởi các bề mặt thành vách của hệ thống nạp và không gian trong xylanh tạo nên nhiệt độ tăng thêm T, do đó làm giảm nhiệt độ khí nạp vào

Thực tế trong động cơ do lưu động của dòng khí trong đường ống nạp, cũng như đường ống thải là không ổn định, do có sóng va đập trong đường ống và những nguyên nhân nêu trên, nên áp suất chất khí biến đổi trong suốt quá trình nạp cũng như trong suốt quá trình thải và áp suất tại mọi vùng trong xylanh cũng khác nhau Để thuận tiện cho nghiên cứu, trong tính toán nhiệt động cơ sử dụng áp suất trung bình pa của quá trình nạp

và pr của quá trình thải

Tổng cộng các tổn thất khí động học trong hệ thống nạp ∆pa bao gồm tổn thất qua bộ lọc không khí, đường ống nạp, tiết diện lưu thông của xupap nạp Đối với động cơ xăng còn phải qua bộ chế hoà khí, nên tổn thất khí động học ∆pa trong hệ thống nạp của động

cơ xăng lớn hơn của động cơ điesel

Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến chuyển động của dòng khí trong đường ống nên việc xác định ∆pa cũng rất phức tạp, và thường được xác định bằng thực nghiệm kinh nghiệm

Khi khí nạp mới đi qua supap nạp, áp suất và nhiệt độ của nó thay đổi rất ít, do đó có thể giả thiết dòng khí nạp mới đi vào xy lanh có khối lượng riêng k (mật độ) không đổi tại tất cả các tiết diện (Pk = hằng số)

Đồng thời nó chuyển động liên tục và ổn định, thì có thể dùng phương trình Bernuli viết cho hai tiết diện: bình lọc khí và điểm chết dưới trong lòng xilanh (điểm a)

Ta có:

k

a k k

k

k

gz w w

P gz

w P

2

2 0 2



Hình 4.5: Sơ đồ hệ thống nạp tổng quát

(2 + 0 )k =  P k (4-3) Theo thực nghiệm ở chế độ định mức của động cơ:

Wx = (50 – 130) m/s và (2 + 0 ) = 2,5 – 4, khối lượng riêng của không khí k (Kg/m3) tính bằng công thức:

k =  

k k

k

T R P

fx: tiết diện lưu thông của xu páp nạp (m2)

Cm: tốc độ trung bình của piston (m/s)

C mmax = 2

1 

R (4-5) Trong đó:

D R

2

41

(4 – 6) Thay biểu thức (4-6) vào (4-3) ta có:

1

x x

k

f

n A f

n A

+ động cơ diesel không tăng áp (0,03 – 0,18) P0

+ động cơ diesel tăng áp (0,03 – 0,10) P0

Qua biểu thức (4 – 7) cho thấy tổn thất áp suất cuối quá trình nạp tỉ lệ thuận với bình phương số vòng quay n của trục khuỷu tỷ lệ nghịch với bình phương tiết diện lưu thông của

xu páp phụ thuộc vào 0 và 

Vì vậy, khi lựa chọn kết cấu hệ thống nạp cần tìm cách giảm 0 bằng cách chọn tiết diện ống có hình dạng theo thủy khí động học, giảm bớt những chỗ ngoặt đột ngột và nối trên đường ống nạp

Tăng fx là một biện pháp để giảm Pk, việc tăng fx phụ thuộc nhiều vào cách bố trí

xu páp Động cơ dùng hệ thống xu páp treo, thì khả năng tăng diện tích fx bị hạn chế bởi điều kiện phân bố xu páp trên nắp xi lanh Thông thường người ta tăng fx bằng cách giảm tỷ số S/D

Khi Vb = (D2/4).S = hằng số, nếu giảm S thì D sẽ tăng lên, như vậy có thể bố trí được nhiều xu páp hoặc có thể tăng đường kính xu páp

Theo thực nghiệm, người ta chọn tỉ số Fp/ifx (trong đó i là số xu páp nạp) theo tính chất cao tốc của động cơ như sau:

Có thể tăng fx bằng cách sử dụng buồng cháy có xu páp đặt nghiêng Đối với động cơ diesel muốn điều chỉnh công suất động cơ, chỉ tiến hành bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho xy lanh (gọi là điều chỉnh theo chất) cho nên n đặc trưng cho yếu tố vận hành (sử dụng) duy nhất ảnh hưởng tới Pk Còn các thông số khác như: fx, 0,  đối với mỗi động

cơ đã cho là không thay đổi trong mọi chế độ làm việc của động cơ

Đối với động cơ xăng và động cơ gaz, muốn điều chỉnh công suất động cơ, ta thay đổi

vị trí cánh bướm ga (bướm tiết lưu) như vậy là hệ cản 0 thay đổi làm cho Pk thay đổi theo, khi động cơ làm việc ở chế độ phụ tải nhỏ, bướm tiết lưu mở nhỏ trở lực trên đường ống tăng (0 tăng), do đó tăng trị số Pk

Đối với động cơ 2 kỳ trị số Pa phụ thuộc vào áp suất không khí quét Pk và tương quan giữa cửa nạp và cửa thải, đồng thời còn phụ thuộc vào thời gian đưa không khí vào dài hay ngắn Kết quả đưa đến khi giảm n thì sẽ làm Pk giảm, nếu như tăng số vòng quay n thì Pk

tăng thì Pa sẽ giảm xuống

Dưới đây là phạm vi giá trị hực nghiệm của áp suất pa ở chế độ toàn tải xác định từ tốc độ tối thiểu nmin đến tốc độ tối đa

- Động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp : pa = (0,85 ÷ 0,95)po

- Động cơ xăng 4 kỳ không tăng áp :pa = ( 0,70 ÷ 0,90)po

- Độn cơ 4 kỳ có tăng áp :pa = (0,90 ÷ 0,96)pk

- Động cơ 2 kỳ quét thẳng : pa = ( 0,86 ÷1,05)pk

- Động cơ 2 kỳ quét thẳng : pa = 0,5(pk + pth)

Với Pth : áp suất trong hệ thống thải

Đối với động cơ 2 kỳ:

Đánh giá mức độ thải sạch người ta dùng hệ số khí sót i đó là tỉ số giữa số mol khí Mr

chia cho số mol khí nạp mới M1

Vr = Vc =   1

h V

Và do đó:

M r =

r

c r

RT

V P

(4 – 9)

Nên: r =

l r

r r

M RT

V P

Nếu có quét khí thì hệ số quét khí 2 =

c

r

V V

Từ phương trình trên ta có thể viết lại như sau:

r =

r l r

c r r l r

r r

V M RT

V V P M

RT

V P

r

M RT

V P

Nếu không có quét khí thì: 2 = 1

Trị số Pr được xác định bằng áp suất của môi trường thải, trường hợp có lắp ống tiêu

âm, thùng chứa khí tăng áp bằng tuốc bin đẳng áp thì Pr = Pth, trường hợp thải thẳng ra môi trường ngoài thì áp suất môi trường thải là P0

Cũng có thể dùng phương trình Becnuli viết cho hai tiết diện của hệ thống thải, với giả thiết như đã tính Pa và rút ra Pr cũng phụ thuộc vào chế độ tốc độ của động cơ, tiết diện lưu thông qua xu páp thải và hệ số cản của dòng ống thải Theo hình (4 – 1) ta có:

Pr = Pth + Pr

Trong đó:

Pr = 2

2 2

x

f

n K

Trong tính toán có thể chọn áp suất Pr theo các số liệu thực nghiệm sau:

- Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp và trên đường ống thải không lắp thêm các chi tiết đặc biệt (bình tiêu âm, bình chứa khí thải ,…), áp suất khí sót của chúng phụ thuộc vào số vòng quay và thay đổi trong các phạm vi sau đây:

- Đối vớI động cơ tốc độ thấp: Pr = (1,03 – 1,06)P0

- Đối vớI động cơ cao tốc: Pr = (1,05 – 1,20)P0

Trong trường hợp động cơ tăng áp hoặc động cơ có gắn thêm bộ tiêu âm thì phải thay

P0 của 2 công thức trên bằng Pth Đối với động cơ tăng áp Pth xác định bằng cách tính toán đặc biệt, đối với động cơ lắp bộ tiêu âm thì lấy Pth lớn hơn vài phần trăm áp suất khí trời Nhiệt độ Tr phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp, sự trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nở và thải, mức độ giãn nở của sản vật cháy

Ở động cơ xăng thành phần hỗn hợp khí thay đổi trong phạm vi nhỏ, cho nên khi giảm tải, Tr thay đổi ít Còn ở động cơ diesel, muốn thay đổi phụ tải phải thay đổi trực tiếp thành phần của  cho nên khi giảm tải nhiệt độ Tr giảm đi nhiều

Động cơ diesel có tỉ số nén cao hơn, mức độ giãn nở khí thải lớn, nhiệt độ trong quá trình giãn nở tương đối thấp, nên trị số Tr của động cơ diesel thấp hơn Tr động cơ xăng khoảng (200 – 300)0K

Giá trị nhiệt độ khi sót Tr thường nằm trong phạm vi:

- Đối với động cơ xăng: (900 – 1100)0K

- Đối với động cơ diesel: (700 – 900)0K

- Đối với động cơ gaz: (750 – 1000)0K

Thể tích buồng nén Vc phụ thuộc vào tỉ số nén:  (Vc =

1





h V

) khi tăng  thì Vc giảm cho nên trong những điều kiện xác định, khi tăng  sẽ dẫn đến làm giảm lượng khí sót Mr

Số mol khí nạp mới được xác định bằng điều kiện nạp và phương pháp điều chỉnh phụ tải, ở động cơ xăng điều chỉnh phụ tải bằng cách thay đổi vị trí bướm ga – khi đóng bướm ga thì M1 giảm (giảm tải – M1 giảm), ở động cơ diesel điều chỉnh phụ tải bằng cách thay đổi vị trí lượng nhiên liệu phun vào động cơ, cho nên khi giảm tải (giảm nhiệt độ Ta, M1 tăng lên đôi chút Do nhiệt độ xi lanh giảm

- Khi thực hiện tăng áp r giảm, trừ trường hợp tăng áp bằng tuốc bin khí:

Khi toàn tải hệ số r:

- Của động cơ xăng và ga: 0,04 – 0,10

- Của động cơ diesel không tăng áp: 0,02 – 0,05

- Đối với động cơ 2 kỳ nằm trong phạm vi sau:

l

l s

M M

 Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới T

Hình 4.6 Ảnh hưởng của hệ

số khí sót rtới nhiệt độ T a

Mức độ sấy nóng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu động của dòng khí, mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa vách xy lanh và dòng khí, thời gian nạp dài hay ngắn Mức độ chênh lệch nhiệt độ do phụ tải quyết định

Phụ tải động cơ càng lớn – nghĩa là phun càng nhiều nhiên liệu, hoặc mở càng lớn cánh bướm ga, thì nhiệt độ các chi tiết động cơ nâng cao, lượng khí nạp mới được sấy nóng càng nhiều Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ khí nạp mới thì mật độ không khí sẽ giảm, cho nên việc dùng phương pháp đặc biệt để sấy nóng khí nạp mới tong động cơ xăng chỉ có lợi trong phạm vi mà nhiệt lượng cung cấp cho nó được lợi dụng để bốc hơi nhiên liệu Sấy nóng quá

sẽ ảnh hưởng không tốt đến lượng khí nạp vào xy lanh Do đó trị số tăng nhiệt độ của khí nạp mới được biểu thị theo công thức : T = Tt - Tbh

Tt: Độ tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt

Tbh: Mức giảm nhiệt độ của khí nạp mới do bốc hơi nhiên liệu, ở động cơ diesel

Tbh = 0

Cần lưu ý đến đặc điểm cấu tạo động cơ Vị trí tương đối của hệ thống nạp và hệ thống thải Trong đa số các động cơ xăng, để cải thiện sự hình thành hỗn hợp để tránh hiện tượng giọt nhiên liệu lỏng đọng lại trên đường ống nạp Người ta thường hâm nóng khí nạp mới bằng khí thải

Việc tính toán T gặp nhiều khó khăn do không có đầy đủ các số liệu để chọn hệ số truyền nhiệt, nhiệt độ trung bình của các bề mặt tiếp xúc Do đó trong quá trình tính toán nhiệt động của động cơ người ta chọn T theo các số liệu thực nghiệm và tính toán gián tiếp

Ở động cơ diesel không tăng áp có kết cấu hợp lý về hệ thống truyền nhiệt thì T = 10 – 400C Ở động cơ tăng áp, không làm mát không gian khí nạp và động cơ 2 kỳ có sơ đồ quét khí tốt thì T = 5 - 100 C

Ở động cơ xăng có lợi dụng nhiệt độ khí thỉ để sấy nóng khí nạp mới T= 0 – 200C Xét sự thay đổi của trị số T phụ thuộc vào chế độ tốc độ của động cơ, có thể dùng công thức thực nghiệm:

n

T A

0125 0





- TN: mức độ chênh lệch nhiệt độ ứng với chế

độ công tác định mức của động cơ, thường có giá trị:

- nN: số vòng quay ứng với chế độ định

mức

 Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a

Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta được quyết định

bởi mức độ sấy nóng khí nạp mới T, nhiệt độ của khí

nạp mới Tk và lượng khí sót còn lại trong xilanh có

nhiệt độ Tr

Nhiệt độ Ta có thể xác định trên cơ sở cân bằng

nhiệt của khí nạp mới và khí sót, trước và sau khi chúng được hòa trộn tiến hành trong điều kiện đẳng áp Với áp suất không đổi Pa

Phương trình cân bằng nhiệt:

Vì thành phần và nhiệt độ của khí nạp mới và hỗn hợp công tác khác nhau không nhiều nên có thể coi tỉ nhiệt của chúng bằng nhau mCp = mC’p ; Còn tỉ nhiệt của khí sót mC’’

p ở nhiệt độ Tr có thể xem bằng mC’’p = T mCp

Trong đó: t là hệ số hiệu đính tỉ nhiệt nó phụ thuộc vào nhiệt độ Tr và thành phần hỗn hợp  Nếu coi lượng khí sót là nhỏ thì:

l

r r k

l

r l

r r k

l a

M

M M

M

M T T T M M

M

T T T M T

a

T T T T

Với động cơ 4 kỳ nhiệt độ Ta nằm trong phạm vi:

- Đối với động cơ xăng: (320 – 370)0K

- Đối với động cơ diesel không tăng áp: (310 – 350)0K

- Đối với động cơ diesel tăng áp: 4000K

Cần chú ý rằng khi nhiệt độ cuối quá trình nạp tăng thì mật độ khí nạp mới sẽ giảm dần