Chương 5 chu trình thực tế động cơ đốt trong

5.2.3 Các thông số đánh giá chất lượng thải sạch và nạp đầyLượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh ở cuối quá trình nạp thường nhỏ hơn lượng khí nạp đầy lý thuyết vào Vh do : - Trong xy

Chương 5: CHU TRÌNH THỰC TẾ CỦA

Xây dựng phương pháp tính toán nhiệt cho động cơ (trên cơ

sở chu trình lý thuyết kết hợp với các hệ số hiệu chỉnh)

Xây dựng đồ thị công trên cơ sở tính các thông số trạng thái của chu trình , kết quả là cơ sở tính toán thiết kế động cơ mới hoặc cải tiến động cơ

5.2 Quá trình nạp

Quá trình thải và nạp còn gọi là quá trình thay MCCT

 Quá trình nạp có liên hệ trực tiếp với quá trình thải: thải càng sạch, nạp càng đầy, cho phép tăng lượng nhiên cung cấp cho mỗi chu trình  nhiệt phát sinh do cháy tăng  công giãn nở tăng  Ne tăng

 Quá trình thải và nạp động cơ 4 kỳ và 2 kỳ không hoàn toàn giống nhau

 Chất lượng nạp thải 4 kỳ hơn hẳn 2 kỳ vì thời gian nạp thải của 4 kỳ dài hơn (góc quay trục khuỷu dành cho nạp thải động cơ 4

kỳ khoảng 400  450oGQTK ; 2 kỳ khoảng 120  150oGQTK)

5.2.1 Diễn biến quá trình thải và nạp của động cơ 4 kỳ và 2 kỳ

Diễn biến quá trình thải động cơ 4 kỳ chia làm 3 giai đoạn:

•Thải tự do: tại điểm vừa mở xupáp thải tốc độ khí xả rất lớn

Vth = 600 ÷ 700 m/s, lớn hơn tốc độ tới hạn, gây ồn

•Thải cưỡng bức: piston đẩy sản vật cháy thát ra đường thải,

Vận tốc khí ở đầu thải cưỡng bức: Vth = 200 ÷ 250 m/s

• Thải thêm: φ4 = 10 ÷ 50oGQTK sau ĐCT

Tận dụng tiếp quán tính dòng khí thải và độ chênh áp pr = pr –

pth

Vận tốc trung bình của khí thải trong suốt quá trình thải ở chế độ định mức: Vth = 80 ÷ 150 m/s

Diễn biến quá trình nạp động cơ 4 kỳ chia làm 3 giai đoạn:

Chuẩn bị nạp (φ1 = 10 ÷35oGQTK): tạo tiết diện lưu thông xupáp nạp đủ lớn, giảm tổn thất cục bộ

 Nạp chính: (Piston từ ĐCT  ĐCD), nạp tự nhiên do có chân không trong xy

lanh

 Nạp thêm nhờ: (φ2 = 40÷65oGQTK) sau ĐCD quán tính của dòng khí nạp làm tăng khối lượng và áp suất khí cuối quá trình nạp pa < pk

Chọn hợp lý φ2 có thể tăng lượng khí nạp mới từ 10 ÷ 15%.Tuy nhiên ở số vòng quay thấp: n < nđm nạp thêm giảm dần, ở

nmin có thể xảy ra hiện tượng thải ngược vào đường nạp

Để đánh giá lượng khí nạp thêm dùng hệ số nạp thêm λ1

λ1 = 1,00 ÷ 1,07 (thậm chí λ1 = 1,15 ở động cơ tăng áp),

λ1 = 0,88 ÷ 0,95 khi có hiện tượng thải ngược vào đường nạp

Đặc điểm quá trình thải nạp trong động cơ 2 kỳ:

-Không có cả một hành trình dành cho nạp hoặc thải MCCT như ở ĐC 4 kỳ

- Quá trình thải và nạp chỉ chiếm một phần cuối hành trình giãn

nở và một phần đấu hành trình nén

- Phần lớn quá trình thải diễn ra đồng thời với nạp khí nạp mới

Do thời gian mở cửa nạp quá ngắn phải:

- Tăng tiết diện lưu thông qua cửa nạp và cửa thải

- Phải tăng áp khí nạp mới (áp suất khí nạp trước cửa nạp phải lớn hơn áp suất sản vật cháy sau cửa thải)

Thể tích công tác xy lanh thực tế của động cơ 2 kỳ V’h nhỏ hơn thể tích công tác Vh của động cơ 4 kỳ một lượng (Vh )

V’h = Vh (1 - )

 - Phần tổn thất hành trình của piston dùng để thải nạp

= 0,12 0,25 đối với động cơ 2 kỳ cao tốc, giá trị thấp dùng cho động cơ quét thẳng qua cửa hoặc qua xupáp, giá trị cao dùng cho động cơ quét vòng

hth - chiều cao từ mép trên cửa thải đến đỉnh piston khi nó nằm ở ĐCD

Diễn biến quá trình thải - thay MCCT của động cơ 2 kỳ chia thành 3 giai đoạn:

•Thải tự do

•Thải cưỡng bức (quét vòng và nạp đồng thời)

•Tổn thất khí nạp hoặc nạp thêm

5.2.2 Xác định các thông số đặc trưng quá trình nạp

 Áp suất và nhiệt độ khí sót (pr và T r ): thường chọn theo thực

nghiệm: pr = (1,05  1,15)po - động cơ nạp tự nhiên và động cơ tăng áp cơ khí pr = (0,75  0,98)pt.áp – động cơ tăng áp tua-bin khí

 Nhiệt độ Tr chọn theo kinh nghiệm phụ thuộc vào loại động

Áp suất trước xupáp nạp:

Động cơ 4 kỳ không tăng áp : pK = p0 - p0

 p0 : Tổn thất áp suất do cản lọc không khí và tổn thất thủy lực trên đường nạp, chọn gần đúng p0 = (0,02  0,04) kG/cm2

•Nhiệt độ trước xupáp nạp (T k ):

Tk phụ thuộc vào tỷ số tăng áp của máy nén p t.áp /p 0 và chỉ số nén

đa biến của không khí trong máy nén n k

nk = 1,4  1,6 - Đối với máy nén tại piston

nk = 1,55  1,75 - Đối với máy nén thể tích

nk = 1,4  2,0 - Đối với máy nén ly tâm

n

n ap

t o

k

p

p T

T

1

0

Áp suất cuối quá trình nạp (pa): Là thông số cơ bản đánh giá khối

lượng khí nạp mới: pa = pK - pa hoặc pa = p0 - pa, pa - tổn thất áp suất trong quá trình nạp, giá trị này thường chọn từ thực nghiệm

Đối với động cơ không tăng áp 4 kỳ pa nằm trong phạm vi :

Động cơ xăng pa = (0,05  0,20)po

Động cơ diesel pa = (0,03  0,18)po

Đối với động cơ tăng áp : pa = (0,03  0,10)pK

Nhiệt độ cuối quá trình nạp (Ta):

T, Nhiệt độ sấy nóng khí nạp (T)

Động cơ xăng: T = 0  20oC

Diesel không tăng áp: T = 10  40oC

Động cơ tăng áp: T = -5  +10oC (có làm mát trung gian)

r

r r

k a

T T

T T

5.2.3 Các thông số đánh giá chất lượng thải sạch và nạp đầy

Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh ở cuối quá trình nạp thường nhỏ hơn lượng khí nạp đầy lý thuyết vào Vh do :

- Trong xylanh còn lại một lượng khí sót của chu trình trước có nhiệt độ Tr và áp suất pr

- Khối lượng riêng khí nạp mới giảm do bị sấy nóng khi tiếp xúc với vách xy lanh nóng và trộn với khí sót có nhiệt độ cao

- Tổn thất thuỷ lực trên đường nạp và qua xupáp nạp pa < po

Để đánh giá lượng thải sạch và nạp đầy khí nạp mới vào xylanh người ta dùng: Hệ số khí sót r và hệ số khí nạp v

Hệ số khí sót r: là tỉ số giữa số mol khí sót và số mol khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh ở cuối quá trình nạp.

M

M M

g

M

g m

m

r ct

r ct

r



Ở động cơ 4 kỳ với góc trùng điệp (xupáp nạp và thải cùng mở) không quá 30  40o GQTK thường không có quét buồng cháy nên có thể tính:

Động cơ 4 kỳ: - Động cơ xăng r = 0,04  0,06

- Động cơ diesel tăng áp r = 0,02  0,04

r

r r

T R

Vc p

V V

Hệ số nạp: Là tỷ số giữa lượng khí nạp thực tế vào xylanh (M1) so với lượng khí nạp lý thuyết (Mh) có thể nạp đầy vào thể tích công tác

Vh ở điều kiện pk và Tk

Gk: Khối lượng không khí nạp thực tế vào xylanh của một chu trình

k: Khối lượng riêng của không khí

Vh: Thể tích khí nạp chứa trong xylanh quy dẫn về pk, Tk

h

k h

K

K h

ct v

V

V V

G M

a K

K v

p

p p

p T

T

T

.

1

1





- Đối với động cơ xăng thông thường (chế hoà khí): v = 0,7  0,9

- Đối với động cơ phun xăng điện tử: v = 0,8  0,96

- Đối với động cơ diesel không tăng áp: v = 0,8  0,94

- Đối với động cơ diesel tăng áp: v = 0,85  0,97

Với động cơ 2 kỳ ngoài v tính cho toàn bộ Vh còn có hệ số nạp thực

tế ’v tính cho thể tíchV’h của hành trình có ích

v = (1 -  ) ’v

 = 0,12 0,25 đối với động cơ 2 kỳ cao tốcgiá trị thấp dùng cho động cơ quét thẳng qua cửa hoặc qua xupáp, giá trị cao dùng cho động cơ quét vòng qua cửa thải

v cao hay thấp phụ thuộc vào:

- Loại nhiên liệu , A/F, khả năng hoá hơi của nhiên liệu (fraction

of fuel vaporized) và nhiệt ẩn hoá hơi nhiên liệu

- Mức độ sấy nóng khí nạp mới trên đường nạp

- Tỷ số áp suất tại đường ống thải và nạp

- Tỷ số nén

- Tốc độ động cơ (số vòng quay trục khuỷu)

- Kết cấu đường ống nạp v à thải

- Kết cấu van nạp và thải, kích thước hình học và độ nâng của van

- Thời gian đóng mở xupáp nạp và thải

Trong điều kiện thực tế quá trình nén diễn ra theo một quy luật phức tạp và không thể tính bằng các quan hệ nhiệt động học như

ở chu trình lý tưởng vì:

Môi chất công tác là hỗn hợp khí đa phân tử

Nên tỉ nhiệt của nó phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

Có sự lọt khí qua khe hở giữa séc măng và xy lanh

Có sự nạp thêm do xú páp nạp đóng muộn

Có sự trao đổi nhiệt giữa MCCT và vách xylanh và ngược lại

Có sự bốc hơi nhiên liệu (động cơ xăng)

Quá trình nén thực tế chấm dứt trước khi piston lên tới điểm chết trên

Diễn biến quá trình nén:

Tại đầu quá trình nén: Nhiệt độ MCCT < nhiệt độ vách xy lanh:

n1 > k1 (n1 là chỉ số mũ đoạn nhiệt của MCCT)

Tại cuối quá trình nén: Nhiệt độ MCCT > nhiệt độ vách xy lanh:

n1 < k1

Kết luận:

Quá trình nén thực tế của động cơ là một quá trình đa biến với chỉ

số nén đa biến n1 giảm dần từ đầu đến cuối quá trình Để đơn giản trong tính toán dùng chỉ số nén đa biến trung bình n1 = 1,34 ÷1,39 với điều kiện n1 phải đảm bảo cho các thông số pc, Tc và công nén Lntính toán được phải sát với các giá trị thu được từ chu trình thực tế

(1) Tuy nhiên, n1 có thể chọn theo kết quả thực nghiệm sau:

Động cơ xăng: n1 = 1,35 – 1,39Động cơ Diesel: n1 = 1,34 – 1,385Động cơ khí: n1 = 1,32 – 1,38(2) Hoặc, Xác định n1 theo phương trình cân bằng nhiệt của quá trình nén:

Khi giả thiết Qac = 0 và n1 = k1

1

314 ,

8 )

1

( 2

' )

( ) 1

(

1 1

T M

g

a v

n a

r ct





) 1

( 2

'

314 ,

8 1

a k



Xác định tỉ nhiệt của MCCT theo công thức kinh nghiệm ta có:

Chọn trước một giá trị của k1 trong phạm vi: n1 = 1,34 ÷ 1,39

thay vào phương trình trên sao cho 02 vế bằng nhau kết quả ta nhận được n1 = k1

(3) Hoặc xác định n1 gần đúng nhờ đồ thị khi biết  và Ta

Các thông số của quá trình nén:

Phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến n 1

Tốc độ động cơ: n n1

Phụ tải của động cơ: Tăng tải  n1 

Tình trạng kỹ thuật:

Piston và xy lanh mòn nhiều  lọt khí   MCCT mất nhiệt  n1 

Có đóng nhiều muội than  n1

Lựa chọn tỷ số nén 

• Khi thiết kế động cơ mới cũng như khi cải tiến động cơviệc chọn

tỷ số nén phải căn cứ vào những yếu tố sau:

• Chủng loại động cơ (xăng, diesel, xupáp đặt, xupáp treo )

• Loại nhiên liệu sử dụng

• Phương pháp hình thành hỗn hợp cháy (kiểu buồng cháy)

• Chế độ làm việc của động cơ

• Vật liệu chế tạo piston nắp xilanh

Động cơ tăng áp

5.4 Quá trình cháy

5.4.1 Các lý thuyết về cháy của nhiên liệu trong ĐCĐT

a Phát hoả do nhiệt

b Phát hoả do phản ứng dây chuyền

c Phát hoả do cả phản ứng dây chuyền và nhiệt

d Oxy hoá và hiện tượng phát hoả của nhiên liệu CnHm

a Lý thuyết phát hỏa do nhiệt

Khi hoà khí (hỗn hợp nhiên liệu và không khí) xảy ra phản ứng Ôxy hoá sinh nhiệt trong xilanh, nếu tốc độ nhả nhiệt của phản ứng lớn hơn tốc độ tản nhiệt cho vách xilanh, thì nhiệt độ được tích lũy và nâng cao dần Tốc độ phản ứng lại tiếp tục nâng cao hơn và nhiệt

lượng được tích lũy theo cấp số, sau cùng do phản ứng tăng đột ngột gây phát hoả và bốc cháy

Nhiệt phát hoả không phải là một giá trị cố định mà phụ thuộc vào tham số vật lý của nhiên liệu hoặc hòa khí và tốc độ phản ứng thuận nghịch của phản ứng cháy dây chuyền

Nói chung, phản ứng chỉ dựa vào nhiệt lượng do bản thân

phản ứng tạo ra để tự sấy nóng và làm tăng tốc độ phản ứng

được gọi là phát hoả do nhiệt.

b Phát hỏa do phản ứng dây chuyền

Phát hoả do phản ứng dây chuyền nhờ một kích thích ban đầu (nhiệt năng, quang năng, điện năng ) làm tăng tốc độ va chạm và năng lượng hoạt hoá của phần từ tạo ra các phần tử hoạt tính là các

ly tử tự do hoặc các gốc tự do, các ly tử và các gốc tự do này

được gọi là trung tâm cháy hoặc đầu dây chuyền hoạt tính

Các trung tâm này rất dễ gây phản ứng với những phần tử

hydrocarbon bão hòa (của nhiên liệu), để tạo ra những trung tâm hoạt tính mới làm cho quá trình tiếp diễn liên tục Trong quá trình phản ứng, một dây chuyền (một trung tâm hoạt tính), sau phản ứng

có thể tạo ra nhiều dây chuyền mới (phân nhánh dây chuyền) làm tăng tốc độ phản ứng

Tuy nhiên, trong quá trình phản ứng cháy này còn xảy ra trường hợp khử hoạt tính (dứt dây chuyền) khi các phần tử hoạt tính tác dụng với khí trơ hoặc thành bình

Phản ứng dây chuyền gồm 3 giai đoạn chính:

Phát sinh dây chuyền,

Phát triển (kéo dài và phân nhánh),

Kết thúc (đứt dây chuyền)

Ví dụ phản ứng dây chuyền của Ôxy và Hydro như sau:

Giai đoạn 1 - phát sinh dây chuyền :

H2 + O2  2 OH

H2 + M  2 H + M

O2 + O2  O3 + O

Giai đoạn 2 - phát triển dây chuyền:

Giai đoạn 3 - kết thúc:

2H + M  H2 + M

OH + M  H2 + O2 + M

2O + M  O2 + M

Kết thúc hoặc gián đoạn (đứt dây chuyền) trong thể tích khí cháy:

H + O2 + M  H2O + M

O + O2 + M  O3 + M

O + H2 + M  H2O + M

Kết luận :

Tốc độ phát triển dây chuyền lớn hơn tốc độ khử (đứt dây

chuyền), phản ứng được gia tốc đến phát hoả (các phần tử hoạt tính được tích lũy nhanh theo cấp số nhân) Điều này giải thích thời gian cháy trễ trong quá trình cháy của động cơ xăng và Diesel

Nói chung, điều kiện duy nhất để phát hoả là do tốc độ phản ứng tạo dây chuyền vượt quá tốc độ gián đoạn gây ra, thì gọi là phát hoả do phản ứng dây chuyền.

c Phát hoả do cả phản ứng dây chuyền và nhiệt

Quá trình cháy trong ĐCĐT là 1 quá trình oxy hoá nhiên liệu (Hydrocarbon CnHm) đều là phản ứng dây chuyền nhưng phát hoả

do phản ứng dây chuyền thuần nhất gây ra là rất hiếm, vì hầu hết các phản ứng dây chuyền đều là phản ứng toả nhiệt, vì vậy trong phản ứng môi chất cũng được tự sấy nóng, tính chất sấy nóng ấy cũng ảnh hưởng tới phát hoả

Một phản ứng do tích luỹ các phân tử hoạt tính và nhiệt để làm tăng tốc độ phản ứng tới mức phát hoả được gọi là phát hoả

do phản ứng dây chuyền và nhiệt.

CnHm là 1 hợp chất Hydrocarbon phức tạp, phản ứng oxy hoá của nó phức tạp hơn nhiều so với H2 Do phản ứng dây chuyền

trước khi phát hoả, phần tử CnHm lớn hơn nhiều so với H2 , vì vậy khi nhiệt độ thấp cũng có thể tự cháy Trong phạm vi nhiệt độ từ

300oC đến 400 oC do việc gia tốc từ từ, các phản ứng dây chuyền phát triển chậm, làm xuất hiện ngọn lửa xanh nhạt, vì nhiệt toả ra không nhiều nên có tên gọi là lửa lạnh

Phản ứng hoá học lúc ấy chủ yếu thông qua gốc Peroxit được tạo ra để chuyển thành rượu etylic và CO.

Trong đó: R và R’ gốc Hydrocarbon, ví dụ như: CH3, C2H5, C3H8…

Nhiệt độ tiếp tục tăng sẽ xuất hiện ánh sáng xanh được gọi là ngọn lửa xanh, lúc ấy phản ứng phát sinh là CO tiếp tục cháy thành CO 2 :

2CO + O2  CO2

biểu cho giai đoạn này là:

Do có một lượng lớn H2 O hình thành, nên có nhiều nhiệt lượng toả ra, gây nên quá trình ôxy hoá ở nhiệt

độ cao và phát triển nhanh tới mức gây nổ Loại nổ

này được bắt đầu từ phản ứng dây chuyền và kết thúc bằng nổ nhiệt nên được gọi là nổ dây chuyền - nhiệt Quá trình cháy Hydrocarbon đều là loại nổ dây chuyền – nhiệt

Và thời gian của quá trình tiến đến phát hoả tương ứng với quá trình nổ dây chuyền - nhiệt được gọi là thời gian cháy trễ và thời gian này sẽ bằng tổng thời gian cháy trễ của các ngọn lửa lạnh 1, ngọn lửa xanh 2 và ngọn lửa nóng 3.

 = 1 + 2 + 3.

Thời gian cháy trễ  phụ thuộc vào:

Tính chất của nhiên liệu,

Thành phần hoà khí,

Áp suất, nhiệt độ môi chất

5.4.2 Đặc trưng đốt cháy của nhiên liệu ĐCĐT

Đặc trưng cháy nhiên liệu của ĐCĐT được giải thích theo 2 cơ chế cháy tiêu biểu:

- Cháy lan truyền màng lửa

- Cháy ngọn lửa khếch tán

Hai cơ chế cháy này phản ảnh bản chất cháy của hai loại động cơ:

- Động cơ đốt cháy cưỡng bức

- Động cơ tự cháy

a Cháy lan truyền màng lửa

Lan truyền màng lửa là sự cháy của khu vực cháy (màng lửa tiên phong) sang khu hoà khí chưa cháy

Có 2 lý thuyết lan truyền màng lửa như sau:

* Lý thuyết nhiệt về lan truyền màng lửa:

Nhiệt lượng của khu vực cháy tạo ra truyền cho lớp hoà khí lân cận chưa cháy làm tăng nhanh tốc độ phản ứng để hoà khí bốc cháy

* Lý thuyết phản ứng dây chuyền về lan truyền màng lửa:

Các phần tử hoạt tính như: H, OH được tích luỹ năng lượng cao

trong khu vực màng lửa, một mặt tạo phản ứng cuối cùng trong khu vực màng lửa, mặt khác khuếch tán nhanh sang lớp lân cận của hoà khí làm tăng nhanh tốc độ phản ứng oxy hoá tại đây

b Cháy ngọn lửa khuếch tán

Là quá trình cháy của nhiên liệu lỏng theo dạng phun sương (hạt nhiên liệu có đường kính khoảng 50 đến 200 m dưới dạng hình

côn) Xung quanh các hạt sương nhiên liệu có không khí nóng,

chúng lập tức bốc hơi, khếch tán, tạo hòa khí, cháy và sau đó vừa tạo hòa khí vừa cháy

Cháy ngọn lửa khuếch tán là do một lớp trong khu phản ứng ( rìa của chùm tia nhiên liệu) nhả nhiệt tạo thành, nó tạo nên lớp ngăn

cách giữa dòng nhiên liệu và dòng chất oxy hoá Nhiên liệu và chất oxy hoá đều tạo ra gradien đối với màng lửa, vì vậy chúng đều

khuếch tán vào khu vực phản ứng tạo nên hoà khí và bốc cháy