suất cĩ ích trung bình (MPa); i – Số xilanh của động cơ; n – Tốc độ động cơ (v/ph)
9.2.2. Đường kính xilanh 3 3 4.Vh D S D (9-12)
Trong đĩ: D –Đường kính của xilanh động cơ; S – Hành trình của piston (m) Tỷ sốS/D được xác định tùy theo loại động cơ.
Loại động cơ S/D Động cơ xăng chữ V Động cơ xăng thẳng hàng Động cơ Diesel chữ V Động cơ Diesel thẳng hàng 0,75 ÷ 1,10 0,85 ÷ 1,20 0,90 ÷ 1,40 1,00 ÷ 1,45 9.2.3. Hành trình của piston
Hành trình của pison được xác định qua biểu thức: 4. 2 . h V S D (9-16)
9.3.Giới thiệu đường đặc tính tốc độ động cơ
Đặc tính tốc độ của động cơ là hàm số thể hiện biến thiên của các chỉ tiêu cơng tác chính (cơng suất cĩ ích, momen cĩ ích, suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích,...) theo các chỉ
tiêu cơng tác khác của động cơ (tốc độ động cơ), khi giữcơ cấu cung cấp nhiên liệu ở
một vịtrí quy định. Các đặc tính của động cơ được xác định bằng thực nghiệm trên băng
thửđộng cơ.
Người ta dùng đặc tính đểđánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ, hoạt động
trong các điều kiện khác nhau. Các đặc tính sử dụng nhiều nhất trong động cơ gồm cĩ:
đặc tính tốc độ, đặc tính tải, đặc tính khơng tải, đặc tính tổng hợp,...
Hình 9.2. Đặc tính tốc độ của động cơ.
9.3.1. Đường đặc tính tốc độ ngồi và bộ phận của động cơ xăng
Muốn phân tích đặc tính của động cơ cần lập mối quan hệ tốn học giữa các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ, như cơng suất cĩ ích Ne, momen cĩ ích Me, áp suất cĩ ích trung bình Pe, suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích ge, lưu lượng nhiên liệu Gnl với các thơng số của chu trình như: v, i, m, , …
1 v . . . ( ) e i m k N A n kW (9-17) 2 v . . ( ) e i m k P A MPa (9-18) 3 v . . ( . ) e i m k M A N m (9-19)
135 4 1 ( / . ) . e i m g A g kW h (9-20) 5 v. ( / ) nl G A n kg h (9-21)
Trong đĩ: n – Tốc độ động cơ (v/ph); m– Hiệu suất cơ giới (m = 0,63 ÷ 0,93); i = Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị; v = Hệ số nạp; - Hệ sốdư lượng khơng khí; k – Khối lượng riêng của khơng khí phía trước bướm ga (kg/m3); A1, A2, A3, A4, A5– Các hằng số.
9.3.1.1. Đường đặc tính tốc độ ngồi của động cơ xăng
Đối với động cơ xăng dùng bộ chế hồ khí, khi mở 100% bướm ga các hàm Ne = f(n), Pe = f(n), Me = f(n), ge = f(n), Gnl = f(n),... phụ thuộc vào sựthay đổi của v, i, k theo tốc độđộng cơ n được gọi là đặc tính ngồi. Khi bướm ga nằm ở vị trí nhỏhơn
100% được gọi là đặc tính bộ phận.
Biến thiên của vkhi động cơ chạy theo đặc tính ngồi phụ thuộc sựthay đổi của tốc độ dịng khí qua supap nạp, pha phân phối của các supap và độ mở bướm ga. Càng
tăng tốc độ dịng khí qua supap nạp và supap thải thì hệ số nạp v càng thấp. Điều đĩ đúng đối với động cơ khơng tăng áp cũng như thấp cũng xảy ra hiện tượng giảm của v theo mức độ giảm tốc độ n vì lúc ấy pha phân phối thực tế khơng cịn phù hợp với tốc
độ của động cơ lúc đĩ.
Lực cản trên đường nạp của động
cơ Diesel hơi nhỏ hơn so với động cơ xăng, vì vậy đặc tính ngồi về v của
động cơ xăng hơi dốc hơn so với v của
động cơ Diesel.
Hình 9.3. Khuynh hướng biến thiên của
v theo tốc độ n.
1; 3 –Động cơ xăng và diesel khơng tăng áp;2; 4 –Động cơ xăng và diesel tăng áp
Đối với các loại động cơ đốt cháy cưỡng bức, khi chuyển sang các đặc tính bộ
phận phải đĩng bướm ga nhỏ dần, đã làm tăng lực cản đối với đường nạp. Vì vậy mỗi vị trí bướm ga cĩ một mối quan hệ riêng giữa hệ số v và tốc độ động cơ n. Cĩ thể xác
định gần đúng mối quan hệtrên như sau:
Giữa hệ số nạp vvà độ chân khơng pgtrên đường nạp phía sau bướm ga đối với mỗi động cơ cĩ thể dùng hàm tuyến tính sau:
v = a – b. pg (9-22)
Trong đĩ: a, b – Là các hệ số thực nghiệm.
Lưu lượng khối lượng trong một giây của khơng khí đi qua tiết diện lưu thơng ở bướm ga fg: . . . . k g g k k G f p (9-23) 2 1 2 1 k k k g g k k p p k k p p
Trong đĩ: g – Hệ số lưu lượng qua bướm ga; fg – tiết diện thơng qua bướm ga (m2); pg– Áp suất KK phía sau bướm ga; pk, k – Áp suất và khối lượng riêng của KK
trước bướm ga.
136 pk = po và k = 0.
Lưu lượng Gk của động cơ bốn kỳ: . . . . 120 v h k k V i n G (9-24) Từ biểu thức (9-23) và (9-24), tìm được: 120. . . . . . . . g g k k v h k f p V i n (9-25)
Khi động cơ xăng hoạt động theo đặt tính ngồi thì hệ sốdư lượng khơng khí sẽ
giảm khi giảm n. Đặc tính trên của vẫn tiếp tục duy trì khi chuyển sang các đặc tính bộ phận. Tuy nhiên, khi điều chỉnh BCHK ở vị trí gần mở hết bướm ga người ta đều để
cho hệ sốdư lượng khơng khí nhạt hơn so với đặc tính ngồi để tiết kiệm xăng.
9.3.1.2. Đường đặc tính bộ phận của động cơ xăng
Đặc tính bộ phận của động cơ xăng tương ứng với các vịtrí đĩng nhỏbướm ga, sẽ
làm giảm hệ số nạp vqua đĩ giảm áp suất chỉ thị trung bình Pi. Khi đĩng nhỏbướm ga m càng giảm nhanh, khi tăng tốc độđộng cơ n nếu bướm ga đĩng càng nhỏ thì áp suất tổn hao cơ giới trung bình sẽtăng cịn tích số (i/.v. k) sẽ giảm và càng giảm nhanh nếu đĩng nhỏ bướm ga.
Khi càng đĩng nhỏ bướm ga, m càng giảm nhanh.
Khi tăng tốc độđộng cơ n, nếu bướm ga đĩng càng nhỏ thì áp suất chỉ thị trung bình sẽ giảm nhanh và cĩ thể đạt tới mức làm cho m = 0. Vì vậy mối quan hệ giữa m và tốc độ
n ở các vị trí đĩng bướm ga khác nhau cĩ dạng như (hình
9.4).
Hình 9.4. Biến thiên của m theo tốc độ n của ĐC xăng.
1 – Mở100% bướm ga;2, 3, 4 – Các vịtrí đĩng dần bướm ga
Hình 9.5. Biến thiên của Pe và Me theo tốc độ n của ĐC xăng.
1 –Đặc tính ngồi; 2, 3, 4 –Các đặc tính bộ phận
Động cơ xăng khi chuyển sang các đặc tính bộ phận do v và m giảm khi tăng n nên
Pe giảm theo và càng giảm nhanh khi đĩng bướm ga càng nhỏ. Khi đĩng bướm ga nhỏ và tăng n thì Pe = 0, tức là chếđộ khơng tải sẽ xuất hiện tại n < nn (nn – số vịng quay
ứng với cơng suất thiết kế) (hình 9.5).
Động cơ xăng dùng bộ chế hồ khí khi chạy ởcác đặc tính bộ phận nếu trên BCHK khơng cĩ hệ thống làm đậm thì ethường nhỏhơn so với đặc tính ngồi, vì lúc ấy cả i và mđều giảm. Nếu cĩ hệ thống làm đậm trên bộ chế hồ khí khi chạy ở các đặc tính với độ đĩng bướm ga khoảng 20 ÷ 30% thì e sẽ cao hơn so với đặc tính ngồi. Suất tiêu hao nhiên liệu ge tỷ lệ nghịch với i = e.m. Đối với đặc tính bộ phận của động cơ xăng theo cơng suất cĩ ích Ne. Càng đĩng nhỏbướm ga, cơng suất Nemax càng chuyển vềhướng giảm của tốc độđộng cơ n. Với mức độđĩng nhỏbướm ga nhất định, Ne = 0
137 xuất hiện ngay trong giới hạn biến thiên của n (hình 9.6).
Cơng suất Ne chỉtăng theo mức tăng của tốc độđộng cơ n khi ảnh hưởng của việc
tăng n lớn hơn ảnh hưởng của việc giảm Pe. Như vậy sau khi tới một tốc độn nào đĩ, nếu mức độ giảm của Pe trở nên bằng rồi lớn hơn so với mức tăng của n thì tốc độđĩ đạt tới chếđộ
Nemax. Ở động cơ xăng, tốc độ tương ứng với Nemax thường nhỏhơn nn.
Hình 9.6. Đặc tính tốc độ của ĐC dùng BCHK.
1 –Đặc tính ngồi; 2, 3, 4, 5 –Các đặc tính tốc độ bộ phận
9.3.2. Đường đặc tính tốc độ ngồi và bộ phận của động cơ diesel
Đặc tính tốc độ biểu thị cơng suất cực đại của động cơ tương ứng với từng số vịng quay của động cơ là đặc tính ngồi. Do cơng suất cực đại của động cơ Diesel theo số
vịng quay cịn phụ thuộc vào vịtrí tay điều khiển nhiên liệu cấp cho chu trình, nên đặc
tính ngồi cũng phụ thuộc vào sựđiều khiển đĩ. Đểphân tích các đặc tính của động cơ
Diesel, ta dùng các biểu thức sau: 1. . . . ( ) e ct i m N C g n kW (9-26) 2. . . ( ) e ct i m P C g MPa (9-27) 3. . . ( . ) e ct i m M C g N m (9-28) 4 1 ( / . ) . e i m g A g kW h (9-29) 5. . ( / ) nl ct G C g n kg h (9-30)
Trong đĩ: n – Tốc độ động cơ (v/ph); m– Hiệu suất cơ giới (m = 0,63 ÷ 0,93); i = Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị; gct – Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình (kg/chu trình); C1, C2, C3, A4, C5– Các hằng số.
9.3.2.1. Đường đặc tính tốc độ ngồi của động cơ Diesel
Đặc tính ngồi của động cơ Diesel cĩ các loại sau:
Đặc tính ngồi tuyệt đối là đặc tính mà các thơng sốNe, Pe, Me đều đạt giá trị cực
đại tại mỗi số vịng quay n, khi ở vị trí cực đại của thanh răng bơm cao áp.
Đặc tính này chỉthu được khi khảo nghiệm động cơ trên băng thử, trên thực tế khơng xảy ra.
Đặc tính tốc độ bộ phận là các hàm số biểu diễn quan hệ giữa các thơng số Ne, Pe, Me theo tốc độđộng cơ khi ở hành trình giảm dần của cơ cấu cung cấp nhiên liệu. Đặc tính ngồi theo cơng suất thiết kếlà đặc tính tốc độ trong đĩ cơ cấu điều khiển
được giữở vị trí đạt cơng suất thiết kế tại số vịng quay thiết kế.
Đặc tính gới hạn bơm cao áp là đặc tính ngồi mà tay điều khiển bơm cao áp ở vị trí giới hạn lớn nhất.
Đặc tính nhảkhĩi đen là đặc tính tốc độtrong đĩ với mỗi giá trị tốc độđộng cơ n, cơ
cấu điều khiển bơm cao áp đều ở vị trí bắt đầu nhảkhĩi đen trong khí xả.
Hiệu suất chỉ thị i của động cơ Diesel khi chạy theo đặc tính ngồi phụ thuộc hệ
sốdư lượng khơng khí , tỷ sốtăng áp suất khi cháy , khối lượng riêng của khơng khí nạp vào động cơ k và tốc độ n của động cơ. Ảnh hưởng của bản thân tốc độ n và khối
lượng riêng của khơng khí k đến i thường khơng nhiều, mà chủ yếu chúng gây ảnh
hưởng tới và tỷ sốtăng áp khi cháy.
138 nhiên liệu cấp cho chu trình của bơm cao áp lại hơi tăng khi tăng tốc độn do tăng tiết
lưu và giảm rị nhiên liệu. Sự biến động của v và gctkhi thay đổi n làm cho hơi giảm
khi tăng tốc độn, qua đĩ ảnh hưởng xấu tới quá trình cháy. Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình gct bị giảm khi giảm n sẽ kéo theo giảm Pi, gây ảnh hưởng xấu tới đặc tính tốc
độ. Người ta dùng cơ cấu đặc biệt đặt trên bơm cao áp để hiệu chỉnh đặc tính tốc độ của
bơm.
Động cơ Diesel tăng áp, sự thay đổi của khối lượng khơng khí nạp vào động cơ
cịn phụ thuộc khối lượng riêng của khơng khí k. Khi giảm tốc độ n, giá trị của k sẽ
giảm càng nhanh nếu Pk ở chếđộ định mức càng lớn. Vì vậy động cơ Diesel tăng áp sẽ làm tăng khi tăng n. Cịn tỷ số tăng áp suất khi cháy sẽtăng khi giảm n vì lúc ấy sẽ làm tăng thời gian cháy trễ. Thực nghiệm chỉ ra rằng nếu áp suất Pk càng giảm mạnh khi giảm n sẽ làm cho tăng càng nhiều. Ảnh hưởng tổng hợp của và khi động cơ Diesel
chạy theo đặc tính ngồi như sau: i sẽtăng khi tăng n nhưng tỷ số i/ sẽ giảm.
Khi chọn bơm cao áp cho động cơ Diesel, thường cĩ một lượng dự trữ vềlưu lượng
để cĩ thể dùng cùng một loại bơm cho các động cơ Diesel cĩ mức độcường hố khác nhau về cơng suất và để bù trừ việc giảm gctdo mịn piston xylanh bơm cao áp gây ra.
Nếu khơng cĩ biện pháp đặc biệt, khi đạp chân ga cĩ thểlàm tăng gct tới mức làm cho nhiên liệu cháy khơng hết. Do đĩ trên bơm cao áp phải đặt vít hạn chế vị trí lớn nhất của
thanh răng bơm cao áp.
Như vậy, cơng suất và áp suất cĩ ích trung bình lớn nhất của động cơ Diesel trong
sử dụng thực tế phụ thuộc vào vị trí hạn chế của thanh răng bơm cao áp. Tất cả các
đường đặc tính tốc độ khác khi giữkhơng đổi vị trí của cơ cấu điều khiển bơm cao áp để cơng suất động cơ thấp hơn so với các đặc tính ngồi kểtrên được gọi là đặc tính bộ
phận.
9.3.2.2. Đặc tính bộ phận của động cơ Diesel
Đặc tính bộ phận của động cơ Diesel khơng tăng áp với các vị trí khác nhau của
cơ cấu điều khiển thanh răng bơm cao áp cĩ dạng tương tự như đặc tính ngồi. Ở đặc tính bộ phận với gct nhỏ hơn so với đặc tính ngồi sẽ làm cho mơi chất mới được sấy
nĩng ít hơn, nhờđĩ làm tăng khối lượng mơi chất nạp vào xilanh. Do đĩ giảm gct sẽ làm
tăng ichút ít. Đặc điểm kể trên của icũng thể hiện trên đặc tính bộ phận của động cơ tăng áp dẫn động cơ khí.
Động cơ Diesel tăng áp tua bin khí khi chuyển sang đặc tính bộ phận sẽ làm giảm nhiệt độ và tốc độ dịng khí xả, do đĩ
làm giảm áp suất và số lượng khơng khí do máy nén cấp cho
động cơ, vì vậy đã làm cho tăng chậm khi chuyển sang đặc tính bộ phận. Ngồi ra, nếu Pk càng cao ở đặc tính ngồi địi
hỏi gct càng lớn, khi chuyển sang đặc tính bộ phận gct giảm càng nhiều sẽ làm giảm chất lượng phun và hình thành hồ khí.
Do đĩ cĩ thể làm giảm i khi chạy với gct nhỏ.
Hình 9.7. Biến thiên của m theo tốc độ n của ĐC diesel.
1 – Cấp nhiên liệu lớn nhất; 2, 3, 4, – Cấp một phần nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel hiện đại đã giữ khơng thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu trong một phạm vi tốc độ rộng khi giữkhơng thay đổi cơ cấu điều khiển bơm cao áp. Do đĩ áp suất chỉ thị trung bình khi chạy ở đặc tính bộ phận cứtăng lên đều đều khi tăng tốc độ. Với động cơ Diesel tăng áp tua bin khí khi chạy ở đặc tính bộ phận với gct tương đối nhỏ sẽ làm cho Pi giảm nhanh khi giảm n.
139 2 . 1 . . m m v i k a b C A
Biểu thức trên cho phép đưa ra kế luận: m = f(n) là một đường cong hơi lồi, càng giảm gct giá trị của v càng giảm và m càng giảm nhiều ở khu vực n nhỏ.
Hình 9.8. Đặc tính tốc độ của ĐC diesel.
1 –Đặc tính ngồi; 2, 3, 4, –Các đặc tính tốc độ bộ phận.
Trong động cơ Diesel dùng bơm cao áp do gct tăng khi tăng n nên Pe cũng cĩ
dạng tương tự như trên nhưng giảm ít hơn so với động cơ xăng khi tăng n. Khi chuyển
sang các đặt tính bộ phận, quy luật biến thiên của e vẫn tương tự như đặc tính ngồi.
Do tăng hệ số dư lượng khơng khí nên icĩ tăng chút ít. Trong khi đĩ hiệu suất cơ
giới m lại giảm so với m của đặc tính ngồi. Do m giảm nhanh hơn so với mức tăng