Ở động cơ đốt trong (ĐCĐT), sự biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành cơ năng được tiến hành thông qua hàng loạt quá trình lý - hoá diễn ra theo một trình tự nhất định và lặp lại có tính chu kỳ. Mỗi chu kỳ hoạt động của ĐCĐT được gọi là một chu trình công tác.
Chu trình công tác (CTCT) của ĐCĐT là tổng cộng tất cả những sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất, thể tích, thành phần hoá học... của môi chất công tác (MCCT) tính từ thời điểm nó được nạp vào cho đến khi được xả ra khỏi không gian công tác của xi lanh. Mỗi CTCT tương ứng với một lần sinh công trong một xi lanh. [7]
Trong quá trình làm việc của động cơ diesel 4 kỳ, để hoàn thành một chu trình công tác piston động cơ phải thực hiện bốn hành trình tương ứng với các quá trình diễn ra trong xi lanh gồm: nạp, nén, cháy giãn nở, thải. Trong đó công có ích chỉ do quá trình cháy dãn nở sinh ra, các kỳ còn lại được thực hiện nhờ quán tính quay của bánh đà và nhờ công kỳ cháy dãn nở của xi lanh khác (đối với động cơ nhiều xi lanh) Chu trình công tác ở ĐCĐT thực tế bao gồm hàng loạt quá trình nhiệt động, khí động, hoá học và cơ học rất phức tạp. Diễn biến của các quá trình này chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như:
- Kết cấu của động cơ (hình dáng và kích thước của buồng đốt, tỷ số nén, kích thước của xi lanh...).
- Các thông số điều chỉnh của động cơ (góc phun sớm nhiên liệu, góc đánh lửa sớm, thành phần hỗn hợp cháy...).
- Chế độ làm việc của động cơ (tốc độ, tải, nhiệt độ...).
Để có thể thiết lập được đặc tính và mức độ ảnh hưởng của các thông số, các quá trình nhiệt động đến các chỉ tiêu chất lượng của chu trình, qua đó đề ra phương hướng và biện pháp nâng cao công suất và hiệu suất của động cơ trong thực tế, người ta tìm cách thay thế các quá trình nhiệt động thực tế phức tạp bằng các quá trình đơn giản hơn. Quá trình cháy thực tế có thể được thay bằng quá trình cấp nhiệt từ một nguồn
nóng bên ngoài động cơ hoặc bằng quá trình cháy được thực hiện trong những điều kiện lý tưởng hoá.
Căn cứ vào đặc điểm quá trình cấp nhiệt cho MCCT, có thể phân biệt 3 kiểu chu trình lý thuyết của ĐCĐT:
- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích - Chu trình cấp nhiệt đẳng áp - Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (còn được gọi là chu trình Sabathe' ) được xem như chu trình thực sử dụng cho động cơ diesel có áp suất phun từ 5 – 6 MPa.
Hình 2. 1. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
Trong đó:
a - thời điểm đầu quá trình nén. c - thời điểm cuối quá trình nén.
y - thời điểm áp suất cháy đạt đến trị số cực đại. z - thời điểm kết thúc quá trình cháy.
b - thời điểm kết thúc quá trình dãn nở.
Quá trình nhiệt động: - Nén đoạn nhiệt (ac) - Cấp nhiệt đẳng tích (cy) - Cấp nhiệt đẳng áp (yz)
Q1 = Q1V + Q1P = M.cv.(Ty - Tc) + M.cp.(Tz - Ty) (2- 1) Q2 = M. cV. (Tb - Ta ) (2- 2) Lt = Q1 - Q2 = M.cv.[(Ty - Tc) - (Tb - Ta)] + M. cp. (Tz - Ty) (2- 3)
Trong các công thức trên :
Q1 - lượng nhiệt chu trình (tổng số nhiệt năng cấp cho MCCT trong một chu trình) , [J].
Q2 - phần nhiệt năng do MCCT truyền cho nguồn lạnh , [J]. Lt - công của chu trình lý thuyết
pa , pc , py , pz , pb - áp suất trong không gian công tác của xi lanh tại các điểm đặc trưng của chu trình , [N/m2].
Va , Vc , Vy , Vz , Vb - thể tích của không gian công tác của xi lanh tại các điểm đặc trưng của chu trình, [m3
].
M - lượng MCCT có trong không gian công tác của xi lanh trong một chu trình, [kmol];
cv , cp – tỉ nhiệt mol đẳng tích và đẳng áp của MCCT, [J/kmol.K];
Ta , Tc , Ty , Tz , Tb - nhiệt độ của MCCT tại các điểm đặc trưng của chu trình, [K]
Hiệu suất lý thuyết của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp:
. 1 1 . 1 1 . 1 . .( 1) k t C k k (2- 4)
Áp suất lý thuyết trung bình của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp:
1 . . . 1 . .( 1) . ( . 1 1 1 k k a t C p p k k (2- 5) Hoặc . . . 1 . .( 1) . . 1 1 k a t C t C p p k k (2- 6)
Khi những đại lượng M, cv , Ta , k và Q1 có giá trị không đổi, thì:
1 1 1 . .( 1) . . .v a k Q k A const M c T (2- 7) Trong trường hợp này, các công thức trên có thể viết như sau :
. 1 . 1 1 . k t C k A (2- 8)
. . . . . 1 1 k a t C t C p p A k (2- 9)
Đồ thị p – V thể hiện sự biến thiên áp suất theo sự biến đổi thể tích trong xi lanh động cơ:
Hình 2. 2. Đồ thị công p –V động cơ diesel bốn kỳ [9]
Trong đó
P: Áp suất trong lòng xi lanh
V: Thể tích của môi chất trong xi lanh p0 : Áp suất khí trời (p0 = 0,1 MN/m2) pr : Áp suất khí sót
Để nâng cao công suất và hiệu suất động cơ, các xupap nạp, xupap xả không đóng mở tại vị trí điểm chết mà thực hiện đóng sớm mở muộn theo như đồ thị trên
Xupap nạp:
- Mở sớm tại vị trí 1, trước khi piston lên ĐCT - Đóng muộn tại vị trí 3, sau khi piston qua ĐCD
Xupap xả:
- Mở sớm tại vị trí 7, trước khi piston tới ĐCD - Đóng muộn tại vị trí 9, sau khi piston qua ĐCT
Như vậy, trong chu trình công tác có thời điểm cả xupap nạp và xả đều mở ở lân cận ĐCT, góc quay trục khuỷu tương ứng với thời điểm cả 2 xupap cùng mở gọi là góc trùng điệp của xupap.
Ngoài đồ thị công p – V, để biểu diễn mối quan hệ áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu của động cơ 4 kỳ, còn dùng đồ thị công khai triển p – φ như sau:
Hình 2. 3. Đồ thị công khai triển, thể tích công tác, thời gian phun nhiên liệu, tốc độ cháy [14]
Trong đó:
IVO - thời điểm xupap nạp bắt đầu mở IVC - thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn EVO - thời điểm xupap xả bắt đầu mở EVC - thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn TC - điểm chết trên
BC - điểm chết dưới
SOC - thời điểm bắt đầu cháy
EOC - thời điểm kết thúc quá trình cháy