2. Lượng khơng khí thực tế để đốt cháy 1kg nhiên liệu
2.4.1Diễn biến của qúa trình giãn nở
Việc giãn nở sản phẩm cháy trong xy lanh động cơ diễn ra khi piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Trong các qúa trình của một chu trình cơng tác chỉ cĩ qúa trình này sinh cơng. Trong tính tốn chu trình cơng tác, đoạn Z1Z được xem là áp suất khơng đổi, bởi vì mặc dù piston chuyển động xuống, thể tích xy lanh của động cơ tăng lên nhưng do nhiên liệu vẫn cịn cháy mãnh liệt nên cho phép duy trì áp suất khơng đổi trong xy lanh động cơ.
Tuy nhiên khi miêu tả các qúa trình nhiệt động của động cơ đốt trong, chúng ta giả định rằng qúa trình giãn nở bắt đầu từ điểm z và kết thúc ở điểm b trên đồ thị cơng chỉ thị. Trong thực tế, qúa trình giãn nở kết thúc khi mở các cửa (trong động cơ 2 kỳ) hay là các xu páp xả (trong động cơ 4 kỳ).
Hình 2.4 Diễn biến qúa trình giãn nở
Nghiên cứu chu trình thực tế của động cơ đốt trong cĩ thể nhận thấy rằng qúa trình giãn nở là một qúa trình đa biến phức tạp với chỉ số giãn nở đa biến n2’ luơn luơn thay đổi. Ở đầu qúa trình giãn nở, do nhiên liệu cịn tiếp tục cháy
nên chất khí trong xy lanh nhận nhiệt (dQ > 0) nên chỉ số giãn nở đa biến n2’ nhỏ hơn k và nằm trong khoảng 1,1 ÷ 1,2 (hình 2.4). Do sự chuyển động của piston xuống dưới nên bề mặt làm mát xy lanh tăng dần, trong khi đĩ, qúa trình cháy rớt giảm dần nên lượng nhiệt mà cơng chất hấp thụ được giảm theo, cịn lượng nhiệt mà nĩ truyền cho nước làm mát tăng lên, do đĩ n2 tăng dần. Khi lượng nhiệt mà cơng chất hấp thụ được bằng lượng nhiệt mà nĩ truyền cho nước làm mát thì qúa trình giãn nở đoạn nhiệt xảy ra tức thời (dQ = 0), khi đĩ n2’ = k. Piston tiếp tục chuyển động xuống phía dưới, qúa trình cháy rớt giảm dần và kết thúc, bề mặt làm mát tăng dần đến giá trị lớn nhất. Do lượng nhiệt mà cơng chất truyền chu nước làm mát lớn hơn lượng nhiệt do nĩ hấp thụ, tức là mơi chất mất nhiệt (dQ < 0) nên ở cuối qúa trình giãn nở n2’ > k. Điều này cĩ thể được chứng minh qua phương trình:
n dT k n C dQ v . 1 . ' 2 ' 2 '' − − =
Lưu ý rằng trong qúa trình giãn nở, dT < 0. Cuối qúa trình giãn nở, n2’ nằm trong khoảng 1,5 ÷ 1,6.
Qua phân tích trên cĩ thể thấy rằng giữa n2 và ξ cĩ mối liên quan mật thiết với nhau. Khi ξ tăng n2 < k, khi cĩ sự cân bằng về nhiệt tại đĩ ξ đạt giá trị lớn nhất thì n2’ = k. Tiếp theo ξ giảm thì n2’ tăng dần. Như vậy, n2’ chủ yếu phụ thuộc hệ số sử dụng nhiệt ξ. Trong chu trình cơng tác, khi nhiên liệu bắt đầu cháy ξ bắt đầu tăng nhưng cĩ thể nĩ chưa đạt giá trị cực đại tại z mà sau điểm z (xem hình 3.4). Trường hợp đặc biệt ξ cĩ thể đạt giá trị cực đại ngồi điểm b tức là trong ống xả. Khi ξmax càng gần điểm z hiệu suất nhiệt của chu trình càng tăng, do đĩ lượng nhiệt mất mát cho khí xả giảm.
Giá trịξb nằm trong khoảng 0,8 ÷ 0,9.
Ngồi ξ, chỉ số giãn nở đa biến cịn phụ thuộc vào các yếu tố khác đĩ là: các yếu tố khai thác và kết cấu.
Tăng số vịng quay của động cơ qúa trình cháy rớt sẽ phát triển trên một đoạn dài của qúa trình giãn nở. Lượng nhiệt mà cơng chất hấp thụ trên đường giãn nở tăng cịn lượng nhiệt mà nĩ truyền cho nước làm mát giảm xuống do thời gian trao đổi nhiệt ngắn lại, vì vậy n2’ giảm xuống.
Nếu số vịng quay của động cơ khơng đổi, tăng phụ tải của động cơ địi hỏi phải đưa thêm nhiên liệu vào xy lanh động cơ. Ngồi ra tăng qct sẽ làm cho hệ số dư lượng khơng khí α giảm, cháy rớt phát triển dẫn đến n2 giảm.
Các yếu tố làm thay đổi tốc độ cháy và qúa trình cháy đều là những nguyên nhân làm cho n2’ thay đổi, chất lượng phun sương kém, loại nhiên liệu, hệ số dư lượng khơng khí α, v.v…là những nhân tố tác động trực tiếp đến qúa trình cháy và cũng là đến chỉ số giãn nở đa biến n2’.
Các yếu tố về kết cấu cũng cĩ ảnh hưởng đến chỉ số giãn nở đa biến n2. Tăng hành trình của piston S làm cho bề mặt làm mát tăng lên. Do vậy khả năng trao nhiệt của cơng chất cho thành vách xy lanh tăng lên dẫn đến n2’ tăng lên.
2 2 n z n z b z b P V V P P δ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =
Như vậy, giá trị n2’ là một giá trị biến đổi liên tục trên đường giãn nở và phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố. Trong tính tốn, để xác định các thơng số khí và cơng của qúa trình giãn nở người ta khơng dùng qúa trình giãn nở đa biến với chỉ số giãn nởđa biến biến đổi vì gặp rất nhiều khĩ khăn, mà thay bằng một qúa trình giả định, trong dĩ dùng chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2’.
Giá trị n2 trung bình được xác định với giả thiết là cơng của qúa trình giãn nở khi n2’ biến đổi bằng cơng trong qúa trình giãn nở giả định với n2 khơng đổi. Giá trị bình quân của chỉ số giãn nở đa biến được ký hiệu là n2 và cĩ các giá trị nằm trong khoảng sau:
Động cơ cao tốc khơng làm mát đỉnh piston n2 = 1,15 ÷ 1,25.
Động cơ thấp tốc cơng suất trung bình khơng làm mát đỉnh piston
n2 = 1,25 ÷ 1,28; Động cơ thấp tốc cơng suất lớn cĩ làm mát đỉnh piston n2 = 1,27 ÷ 1,32.