Chương I. Nguyên lý động cơ ô tô - Hung Le

MỞ ĐẦU Nguyên lý động đốt động ô tô phần môn học “Nguyên lý cấu tạo động ô tô” chương trình đào tạo trung cấp chun nghiệp ngành Cơng nghệ Kỹ thuật ô tô sau học xong môn sở Bao gồm phần sau: - Khái niệm chung động đốt - Nguyên lý làm việc động đốt - Các trình làm việc thực tế động đốt - Những thông số đặc trưng cho chu trình cơng tác động đốt - Đặc tính động đốt - Động ô tô I KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG A KHÁI NIỆM Động nhiệt loại máy biến đổi nhiệt nhiên liệu thành Sự làm việc phân thành hai trình sau: + Đốt cháy nhiên liệu để biến hoá nhiên liệu thành nhiệt + Biến đổi phần nhiệt thành Trên sở phân loại động nhiệt thành hai loại chính: động đốt động đốt + Quá trình đốt cháy nhiên liệu xẩy ngồi động gọi động đốt ngồi Loại có: Động nước kiểu pít tơng tuốc bin nước + Quá trình đốt cháy nhiên liệu xẩy bên đơng gọi động đốt Loại có: Động đốt kiểu pít tơng, động tua bin khí động phản lực B PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Nguyên tắc chung để phân loại động dựa vào đặc điểm, tính chất, hoạt động động tác nhân liên quan khác để phân loại: Theo cách thực chu trình cơng tác - Động bốn kỳ: Chu trình cơng tác động hồn thành bốn hành trình pít tơng hay hai vịng quay trục khuỷu - Động hai kỳ: Chu trình cơng tác động hồn thành hai hành t-rình pít tơng hay vịng quay trục khuỷu Theo nhiên liệu dùng cho động - Động dùng nhiên liệu lỏng (loại nhẹ) như: xăng, cồn, dầu thực vật - Động dùng nhiên liệu lỏng (loại nặng) như: dầu điêden - Động dùng nhiên liệu thể khí (khí ga,khí hyđrơ ) - Động dùng nhiều loại nhiên liệu gọi động đa nhiên liệu, thường dùng nhiên liệu lỏng nhẹ lỏng nặng Theo phương pháp hình thành khí hỗn hợp - Động hình thành khí hỗn hợp bên ngồi (Động xăng, động khí ga) - Động hình thành khí hỗn hợp bên phun nhiên liệu vào xi lanh (Động Điêden hay động phun xăng trực tiếp) Theo phương pháp đốt cháy khí hỗn hợp - Động đốt cháy cưỡng tia lửa điện (động xăng, động khí ga) - Động tự cháy (Động Điêden) Theo phương pháp nạp chu trình cơng tác - Động khơng tăng áp: việc nạp khí hỗn hợp chênh lệch áp suất khí trời xi lanh động - Động tăng áp : khí nạp thiết bị nén khí làm áp suất tăng lớn áp suất khí trời trước vào xi lanh động Theo cấu tạo động - Theo số xi lanh động cơ: Động xi lanh, động nhiều xi lanh - Theo cách bố trí xi lanh: Động xi lanh đặt thẳng đứng, nằm ngang, động chữ V, động hình v v Theo đặc điểm tốc độ động - Động tốc độ thấp: vận tốc trung bình pít tơng nhỏ 6,5 m/s - Động tốc độ trung bình: vận tốc trung bình pít tơng từ 6,5 m/s đến m/s - Động tốc độ cao : vận tốc trung bình pít tơng lớn m/s Theo công dụng động - Động tĩnh - Động tàu thủy - Động tàu hỏa - Động ôtô, máy kéo - Động máy bay, v v II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG A NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA ĐCĐT Giá đỡ động cơ; Khuỷu trục; Hộp trục khuỷu; Thanh truyền; Xi lanh; Pít tơng; Nắp xi lanh ; Cửa nạp; Xu páp nạp; 10 Nến điện (hoặc vòi phun); 11 Xu páp xả; 12 Cửa xả 1 1 đct đcd Dựa vào sơ đồ động đưa số khái niệm định nghĩa để làm sở để xét nguyên lý làm việc động đốt Chu trình cơng tác Tập hợp q trình (nạp, nén, cháy giãn nở thải) có tính chu kỳ tạo nên chu trình cơng tác động đốt Kỳ Là phần chu trình cơng tác xảy thời gian hành trình píttơng Điểm chết Là điểm mà píston có vận tốc 0, có hai điểm chết - Điểm chết píston điểm chết mà píston cách xa đường tâm trục khuỷu - Điểm chết píston điểm chết mà píston cách gần đường tâm trục khuỷu Hành trình pít tơng (S) Là khoảng dịch chuyển pít tơng từ điểm chết đến điểm chết Thể tích buồng cháy (Vc) Là thể tích phần khơng gian giới hạn bởi: Mặt xi lanh, mặt nắp xi lanh, mặt pít tơng, pít tơng điểm chết Thể tích cơng tác xi lanh (Vh) Là thể tích giới hạn mặt xi lanh hai mặt phẳng vng góc với đường tâm xi lanh qua hai điểm chết πD Vh = S (m3) Trong đó: D - Đường kính xi lanh (m), S - Hành trình pít tơng (m) Thể tích tồn phần xi lanh (Va) Là thể tích phần khơng gian giới hạn bởi: Mặt xi lanh, mặt nắp xi lanh, mặt pít tơng, pít tông điểm chết Tỷ số nén động (ε) Là đại lượng xác định tỷ số thể tích tồn phần thể tích buồng cháy động cơ: ε= Va Vc + Vh V = = 1+ h Vc Vc Vc Môi chất công tác Môi chất công tác dùng để thực chu trình cơng tác thực tế động Môi chất công tác gồm: Chất ôxy, nhiên liệu sản vật cháy Chất ơxy thường khơng khí Ở trình nạp, tuỳ thuộc vào loại động mà khơng khí hỗn hợp khơng khí với nhiên liệu vào xi lanh lúc bắt đầu nén, gọi khí nạp Ở q trình nén, hỗn hợp khí nạp với khí sót gọi khí hỗn hợp cơng tác Ở q trình giãn nở thải, mơi chất cơng tác gọi sản vật cháy nhiên liệu Lượng sản vật cháy lại xi lanh chưa đẩy hết ngồi sau q trình thải gọi khí sót 10 Hệ số dư lượng khơng khí (α) Hệ số dư lượng khơng khí dùng để đánh giá tỷ lệ nhiên liệu khơng khí hỗn hợp Nó tỷ số lượng khơng khí thực tế nạp vào xi lanh, để đốt cháy Kg nhiên liệu lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn Kg nhiên liệu α= L GK = LO Gnl LO Trong đó: L : Lượng khơng khí thực tế nạp vào động để đốt cháy Kg nhiên liệu nạp vào động L0 : Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn Kg nhiên liệu (Được xác định dựa vào tỷ lệ ô xy có khơng khí phương trình phản ứng ô xy nhiên liệu) GK -Lưu lượng không khí thực tế nạp vào động Gnl- Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động B NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ BỐN KỲ Sơ đồ Chu trình công tác động bốn bốn hành trình píttơng (ứng với hai vịng quay trục khuỷu) Sơ đồ nguyên lý làm việc động bốn kỳ Nguyên lý làm việc a) Hành trình thứ nhất: nạp mơi chất Pít tơng từ ĐCT xuống ĐCD Thể tích xi lanh tăng, áp suất giảm Xu páp nạp mở xu páp thải đóng, mơi chất qua cửa nạp nạp vào xi lanh động b) Hành trình thứ hai: Nén mơi chất Pít tơng từ ĐCD lên ĐCT Các xu páp nạp thải đóng kín Thể tích xi lanh giảm dần, mơi chất xi lanh bị nén, nhiệt độ áp suất tăng dần Khi pít tơng gần đến ĐCT, nến điện bật tia lửa (động xăng) vòi phun phun nhiên liệu (động Điêden) bắt đầu thực trình cháy c) Hành trình thứ ba: Cháy giãn nở Píttơng từ ĐCT xuống ĐCD Hành trình gồm hai q trình q trình cháy q trình giãn nở Khi pít tơng đến ĐCT cuối hành trình nén, trình cháy tiến hành, nhiệt độ áp suất xi lanh tăng cao, tạo áp lực lớn, pít tơng đẩy xuống thực q trình giãn nở sinh cơng d) Hành trình thứ tư: Thải sản vật cháy Pít tơng từ ĐCD lên ĐCT Thể tích xi lanh giảm dần, xu páp nạp đóng, xu páp thải mở Mơi chất cơng tác (sản vật cháy) đẩy ngồi qua cửa thải Khi pít tơng lên đến ĐCT kết thúc chu trình, chuẩn bị cho hành trình thứ chu trình So sánh động xăng động Điêden Trong chu trình cơng tác, động xăng động Điêden có điểm khác sau: - Động xăng hỗn hợp cơng tác tạo thành bên ngồi xi lanh nhờ chế hồ khí nhờ thiết bị phun xăng vào đường ống nạp Động Điêden hỗn hợp công tác tạo xi lanh nhờ thiết bị bơm cao áp vòi phun - Động xăng, hỗn hợp đốt cháy cưỡng tia lửa điện, động Điêden, nhiên liệu phun vào tự bốc cháy nhờ nhiệt độ áp suất cao cuối kỳ nén C NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ HAI KỲ Sơ đồ Động hai kỳ động có chu trình cơng tác thực hai hành trình pít tơng (ứng với vịng quay trục khuỷu) Tùy theo phương pháp nạp mà động hai kỳ chia thành hai loại: Động hai kỳ quét vòng động hai kỳ quét thẳng Động hai kỳ quét vòng dùng động xăng cỡ nhỏ xi lanh có cửa nạp thải đặt thân xi lanh, đóng mở pít tơng, lợi dụng buồng trục khuỷu làm buồng tăng áp Động hai kỳ quét thẳng thường dùng cho động Điêden, cửa nạp đặt thân xi lanh đóng mở pít tơng, cửa thải đặt nắp xi lanh đóng mở xu páp phải có thêm thiết bị tăng áp riêng Nguyên lý làm việc hai loại tương tự nhau: 2 ( (3K KW W () ) K (5 W K ( )W ( )K K W )W ) e n d (a) e (b) (n ((K K KW W 9) d )W ) ( ( K K W W ) ) a Động kỳ quét vòng; b Động kỳ quét thẳng Nến điện ; Xi lanh ; 3.Pít tơng ; Thanh truyền; Trục khuỷu; Buồng trục khuỷu; Vòi phun; Xu páp thải; 9.Máy nén tăng áp; e Cửa xả; d Cửa quét; n Cửa nạp Nguyên lý làm việc a) Hành trình thứ Pít tơng từ ĐCT xuống ĐCD Khi pít tơng ĐCT q trình cháy xẩy ra, nhiệt độ áp suất xi lanh tăng cao đẩy pít tơng xuống sinh cơng, đồng thời pít tơng xuống, nén hỗn hợp buồng trục khuỷu Áp suất xi lanh tăng đến giá trị cực đại điểm z đồ thị Sau pít tơng xuống, áp suất giảm Khi mép pít tơng mở thải e, áp suất xi lanh lớn áp suất khí trời nên khí thải tự qua cửa thải, áp suất xi lanh giảm nhanh Pít tơng tiếp tục xuống, mở cửa quét d, hỗn hợp có áp suất cao áp suất khí trời từ buồng trục qua cửa d vào xi lanh Giai đoạn có nạp thải đồng thời nên gọi giai đoạn qt khí Khi pít tơng đến ĐCD, q trình qt khí tiếp tục Như hành trình thực trình: Cháy, giãn nở, thải tự do, qt khí b) Hành trình thứ hai Pít tơng từ ĐCD lên ĐCT Lúc đầu q trình quét khí tiếp tục Khi mép pít tơng đóng kín cửa qt (d) q trình qt khí chấm dứt (đoạn 0-d’ đồ thị), trình thải thực Do có khí nạp bị lọt nên giai đoạn cịn gọi giai đoạn lọt khí nạp (đoạn d’-a) Khi pít tơng đóng kín cửa thải (e), q trình thải kết thúc, trình nén bắt đầu (điểm a) Pít tơng lên, nhiệt độ áp suất xi lanh tăng, đồng thời thể tích buồng trục khuỷu tăng, áp suất giảm Khi mép pít tơng mở cửa nạp (n) hỗn hợp qua cửa nạp nạp vào buồng trục Lúc pít tơng gần đến ĐCT (điểm c), nến điện bật tia lửa đốt cháy hỗn hợp cơng tác Khi pít tơng đến gần ĐCT q trình cháy bắt đầu để sau tiếp tục thực hành trình thứ chu trình Như hành trình thứ hai thực q trình: qt khí, thải, nén bắt đầu trình cháy D SO SÁNH ĐỘNG CƠ BỐN KỲ VỚI ĐỘNG CƠ HAI KỲ Công suất Nếu thơng số: Đường kính xi lanh (D), hành trình pít tơng (S), vận tốc góc (n), số xi lanh (i) cơng suất động hai kỳ gấp hai lần động bốn kỳ Nhưng thực tế, công suất động hai kỳ lớn động bốn kỳ từ 1,6 đến 1,8 lần, lý sau: - Quá trình nạp thải động bốn kỳ hoàn hảo động hai kỳ thời gian thực trình dài Mặt khác động bốn kỳ dễ chọn góc phối khí tốt nhất, nên hệ số nạp cao - Góc quay trục khuỷu ứng với q trình giãn nở sinh cơng động bốn kỳ lớn (động bốn kỳ khoảng 140 động hai kỳ từ 100 đến 1200) - Động hai kỳ phải tốn phần cơng suất dẫn động máy nén khí để thực qt khí - Khi muốn tăng cơng suất động cách tăng áp động bốn dễ dàng hơn, ứng suất nhiệt nhỏ động hai kỳ Hiệu suất Hiệu suất động xăng hai kỳ nhỏ động bốn kỳ Riêng với động Điêden hai kỳ có hiệu suất gần động Điêden bốn kỳ Cấu tạo Động xăng hai kỳ có cấu tạo đơn giản động bốn kỳ khơng có xu páp cấu dẫn động xu páp III QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG A KHÁI NIỆM VỀ CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG, CHU TRÌNH THỰC TẾ Trong tính tốn nhiệt động cơ, để đơn giản cho q trình tính tốn, người ta dựa vào chu trình lý tưởng sau dùng hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm Chu trình lý tưởng - Mơi chất cơng tác chu trình lý tưởng có tỷ nhiệt số lượng khơng thay đổi (nghĩa khơng có q trình nạp, thải mơi chất cơng tác) - Cấp nhiệt cho chu trình từ nguồn nhiệt bên ngồi Như khơng có q trình cháy tỏa nhiệt nhiên liệu Thành phần môi chất chu trình khơng đổi - Các q trình nén giãn nở trình đoạn nhiệt, khơng có tổn thất nhiệt lọt khí - Với đặc điểm nêu trên: Chu trình lý tưởng động đốt chu trình kín, thuận nghịch có tổn thất nhiệt cho nguồn lạnh theo định luật nhiệt động II Chu trình thực tế Chu trình thực tế động đốt chu trình hở, khơng thuận nghịch Ngồi thải nhiệt cho nguồn lạnh cịn có tổn thất trao đổi nhiệt với mơi trường, có đặc điểm: - Mơi chất cơng tác khí thực, có tỷ nhiệt thay đổi theo áp suất nhiệt độ Trong chu trình có thay đổi mơi chất công tác qua việc nạp, thải - Thực việc cấp nhiệt cách đốt cháy nhiên liệu xi lanh làm thay đổi tính chất lý, hóa mơi chất cơng tác - Có trao đổi nhiệt với mơi trường xung quanh nên q trình nén giãn nở khơng phải đoạn nhiệt - Vì có thêm tổn thất nhiệt cho mơi trường nên hiệu suất nhiệt chu trình thực tế nhỏ chu trình lý tưởng B Q TRÌNH NẠP Để thực chu trình cơng tác động cơ, cần phải thải hết sản vật cháy chu trình trước nạp vào xi lanh khí nạp Cả hai trình nạp thải có liên quan mật thiết với nhau, phân tích q trình nạp cần xét đến thơng số đặc trưng cho q trình thải Quá trình nạp động bốn kỳ không tăng áp Đồ thị biểu diễn mối quan hệ áp suất (p) thể tích (V) xi lanh trình nạp d1 r p r pK pa d1 Pk d2 n ϕ2 a ro ϕ ϕ b d2 a Vc a Va V b Đồ thị biểu diễn trình nạp động bốn kì khơng tăng áp a Đồ thị cơng p -V; b Đồ thị trịn pha phối khí Q trình nạp cuối hành trình thải, pít tơng gần đến ĐCT (điểm d1) xu páp nạp bắt đầu mở Áp suất xi lanh lúc (pđ1) lớn áp suất trước xu páp nạp (pK) nên khí nạp chưa vào xi lanh Tuy khí thải khơng lên đường nạp (nếu góc mở sớm khơng lớn q) vì: Xu páp nạp mở cịn nhỏ khí thải cửa thải với qn tính lớn Góc quay trục khuỷu ứng với đoạn (d1 - r) đồ thị gọi góc mở sớm xu páp nạp Việc mở sớm xu páp nạp nhằm làm giảm va đập cho xu páp mà tăng tiết diện lưu thông cửa nạp thời điểm cần thiết Lúc pít tơng đến ĐCT (điểm r), áp suất khí sót xi lanh (pr) lớn áp suất trước xu páp nạp (pK) Khi pít tơng xuống, áp suất xi lanh giảm dần, phải sau (r o) nhỏ áp suất (pK) khí nạp vào xi lanh Pít tơng đến ĐCD (điểm a), áp suất xi lanh (pa) nhỏ áp suất trước xu páp nạp lượng ∆PK có tổn thất cửa nạp Chỉ sau pít tơng qua ĐCD (điểm d 2) xu páp đóng kín Góc quay trục khuỷu ứng với đoạn (a - d 2) gọi góc đóng muộn xu páp nạp Đóng muộn xu páp nạp ngồi việc làm giảm va đập cho xu páp mà tăng tiết diện lưu thơng, cịn lợi dụng độ chênh áp (pK > pa) để nạp tiếp lợi dụng qn tính dịng khí nạp vào để nạp thêm Khi xu páp nạp đóng kín (điểm d2) coi kết thúc trình nạp Nếu tính theo góc quay trục khuỷu : ϕn = ϕ1 + 1800 + ϕ2 Với: ϕn - Góc quay ứng với q trình nạp ϕ1 - Góc mở sớm xu páp nạp ϕ2 - Góc đóng muộn xu páp nạp Thơng thường trị số góc phối khí loại động cụ thể xác định thực nghiệm: Quá trình nạp động bốn kỳ tăng áp Đồ thị P-V biểu diễn trình nạp động bốn kỳ tăng áp p d2 pk Δ pk a r pr pth po b d1 Δl V Va Vc Đồ thị P-V biểu diễn trình nạp động bốn kỳ tăng áp Do có thiết bị tăng áp nên áp suất trước xu páp nạp (pK) lớn áp suất khí trời (po) thường lớn áp suất khí sót (pr) Vì sau xu páp nạp mở (điểm d1), khí nạp vào xi lanh để thực qt buồng cháy Q trình qt khí chấm dứt xu páp thải đóng kín (điểm r) Đến cuối hành trình nạp (điểm a) áp suất xi lanh (pa) nhỏ áp suất Pk lượng ∆pK Để lợi dụng độ chênh áp lợi dụng qn tính dịng khí nạp để nạp thêm, xu páp nạp bố trí đóng muộn sau ĐCD (điểm d2) Quá trình nạp động hai kỳ Quá trình nạp động hai kỳ đồng thời q trình qt khí thải khỏi xi lanh Sự thay đổi khí thực từ cuối hành trình giãn nở đến đầu hành trình nén p b Δpk p k a p a d / pth d p o Vc Va V Phần đồ thị cơng q trình thải qt khí động hai kỳ 10 Khi pít tơng tiếp tục xuống, tượng cháy rớt hoàn nguyên sản vật cháy giảm Nhiệt truyền từ môi chất công tác cho vách xi lanh tăng nên số n2’ tăng Tại vài vị trí pít tơng, cấp nhiệt từ cháy rớt hồn nguyên sản vật cháy cân với truyền nhiệt mơi chất cho vách xi lanh, có điểm giãn nở đoạn nhiệt tức thời với n2/= k2 p Z n/ / 2 k pb b Vc o V V Vc n = k2 n/2< k2 n/2>k2 Va Đồ thị biểu diễn thaya đổi áp suất số gin nở đa biến n2/ ë nh÷ng thêi kú gi·n në tiÕp theo, sù truyền nhiệt môi chất cho vách xi lanh úng vai trò chủ yếu nên số n2’ > k2, n2’ lớn k2 pít tơng gần ĐCD Như vậy, trình giãn nở thực tế trình đa biến, với số đa biến n ln thay đổi làm cho việc tính tốn gặp nhiều khó khăn Để thuận lợi tính tốn, người ta thay trình giãn nở với số giãn nở n 2’ trình giả định với số giãn nở đa biến trung bình n2 khơng đổi ’ n2 xác định phương pháp gần dựa vào phương trình cân nhiệt lượng trình giãn nở Hoặc chọn theo đặc điểm cấu tạo sử dụng động Các thơng số q trình giãn nở - Áp suất nhiệt độ cuối trình giãn nở (Pb, Tb) Từ phương trình trạng thái đa biến phương trình đặc tính khí Sau tính tốn ta có: + Động xăng: pb = pZ ; Tb = TZ ε n2 −1 εn Trong đó: PZ, TZ - Áp suất, nhiệt độ mơi chất cơng tác đầu q trình giãn nở 25 V ... m/s Theo công dụng động - Động tĩnh - Động tàu thủy - Động tàu hỏa - Động ? ?tô, máy kéo - Động máy bay, v v II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG A NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA... trước vào xi lanh động Theo cấu tạo động - Theo số xi lanh động cơ: Động xi lanh, động nhiều xi lanh - Theo cách bố trí xi lanh: Động xi lanh đặt thẳng đứng, nằm ngang, động chữ V, động hình v v... vào tỷ lệ ô xy có khơng khí phương trình phản ứng ô xy nhiên liệu) GK -Lưu lượng không khí thực tế nạp vào động Gnl- Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động B NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ BỐN KỲ