Chu trình đẳng tích là một trường hợp riêng của chu trình hỗn hợp, trong đĩ chỉ cấp nhiệt đẳng tích mà khơng cĩ cấp nhiệt đẳng áp. Đĩ là chu trình lý tưởng của động cơ hình thành hịa khí bên ngồi và đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện.
Hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình
Thay ρ = 1 vào pt (8-7) sẽđược hiệu suất nhiệt ηt của chu trình đẳng tích. 1 1 1 t k (8-10)
Từ (8-10) thấy rằng hiệu suất nhiệt ηt của chu trình đẳng tích chỉ phụ thuộc vào tỷ
sốnén ε và chỉ số nhiệt k của mơi chất (do tính chất của mơi trường quyết định). Áp suất trung bình của chu trình: 0 . 1 1 1 k t t p p k (8.11)
Từ (8-11) ta thấy khi tăng tỷ số nén thì Pt sẽtăng.
Tăng tỷ sốnén ε là biện pháp tốt nhất đểtăng ηt nhưng trị số cho phép của ε trong
các động cơ xăng và động cơ ga bị hạn chế do khí hỗn hợp cơng tác trong xilanh cĩ thể
tự bốc cháy sớm và xuất hiện kích nổkhi ε cao. Trị số giới hạn của ε trong động cơ đốt
cháy cưỡng bức cần phải bảo đảm quá trình cháy nhiên liệu bình thường (khơng cĩ cháy kích nổ và khơng cĩ tự cháy sớm), cũng như bảo đảm hạn chế lượng chất độc trong khí thải.
92 Tỷ số nén của những động cơ xăng hiện đại ε = 6,0 ÷ 9,5 (cĩ khi đến 11), động cơ
nhiên liệu khí ε = 5,0 ÷ 10,0. Tỷ số nén cao (tới 11) áp dụng cho những động cơ bằng nhiên liệu cĩ trị sốốctan cao.
8.2.3. So sánh chu trình hỗn hợp và chu trình đẳng tích
Dưới đây chúng ta sẽso sánh chu trình đẳng tích và chu trình hỗn hợp vềphương
diện hiệu quả kinh tế, tức là so sánh hiệu suất lý thuyết của chúng.
Với cùng tỷ số nén và nhiệt lượng cấp cho chu trình Q1, thì nhiệt lượng thải ra Q2 (chu trình hỗn hợp) tương đương với diện tích gạch chéo trên hình 8-4a, lớn hơn nhiệt lượng thải ra ở chu trình đẳng tích. Điều này cĩ nghĩa là phần nhiệt lượng biến thành cơ năng Lt (chu trình đẳng tích) hay tương ứng với nĩ là hiệu suất t (chu trình
đẳng tích) lớn hơn hiệu suất t của chu trình hỗn hợp
Mặt khác, với cùng một tỷ số nén , áp suất cực đại của chu trình đẳng tích cũng lớn hơn áp suất cực đại của chu trình hỗn hợp:
ηt (đẳng tích) > ηt (hỗn hợp); pz (đẳng tích) > pz (hỗn hợp)
Với điều kiện cùng ε và Q1
Trong thực tế, động cơđốt cháy cưỡng bức chỉ cĩ thể làm việc với tỷ số nén thấp ( = 6 ÷12), trong khi đĩ động cơ diesel phải làm việc với tỷ số nén cao hơn rất nhiều ( = 11 ÷23). Do đĩ mà áp suất cực đại trong động cơ diesel cao hơn trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, cho nên dù động cơ diesel làm việc với chu trình ít kinh tế
hơn động cơ đốt cháy cưỡng bức (động cơ xăng) nhưng nĩ lại cĩ hiệu suất cao hơn.
a) b)
Hình 8.4. So sánh các chu trình lý tưởng của ĐCĐT trên cơ sở đồ thị T-S, (hình a cùng và Q1, hình b cùng áp suất cực đại và Q1).
Trên quan điểm thực tế, phải so sánh các chu trình trong cùng các điều kiện áp suất cực đại pz và nhiệt lượng cấp vào Q1 là như nhau. Trên hình 8-4b trình bày cách so sánh như vậy. Chúng ta thấy rằng chu trình đẳng tích (a – cc – z0 – b0 – a) cĩ tỷ số
nén nhỏ hơn và nhả ra số nhiệt lượng lớn hơn so với chu trình hỗn hợp (a – cS – z’ –
zS – bS – a). Như vậy nếu cĩ áp suất cực đại và nhiệt lượng cấp cho mơi chất cơng tác như nhau, chu trình hỗn hợp sẽ cĩ hiệu suất cao hơn hiệu suất chu trình đẳng tích. 8.3. Chu trình cơng tác thực tế của ĐCĐT
Chu trình làm việc của ĐCĐT gồm cĩ các quá trình: nạp, nén, cháy-giãn nở và thải.
8.3.1. Quá trình trao đổi khí
8.3.1.1. Diễn biến q trình nạp, thải động cơ 4 kỳ tăng áp và khơng tăng áp.
Trong chu trình làm việc của động cơ đốt trong cần thải sạch sản vật cháy của chu
93 trình thải và nạp liên quan mật thiết với nhau, tùy theo số kỳ của động cơ và phương
pháp nạp, cĩ những thời điểm chúng xảy ra cùng một lúc. Vì vậy khi phân tích q trình nạp, cần lưu ý những thơng số đặc trưng của quá trình thải, tức là phải xét chung các hiện tượng của quá trình thay đổi mơi chất.
Trong động cơ 4 kỳ, quá trình thay đổi mơi chất được thực hiện lúc bắt đầu mở
supap thải (điểm b’, hình 8.5). Từb’ đến ĐCD (gĩc mở sớm supap thải) nhờ chênh lệch áp suất, sản vật cháy tựthốt ra đường thải, sau đĩ piston đi từĐCD lên tới ĐCT để tiếp tục đẩy cưỡng bức sản vật cháy ra ngồi. Tại ĐCT (điểm r), sản vật cháy chứa đầy thể
tích buồng cháy Vc với áp suất Pr > Pth tạo ra chênh áp ∆Pr (∆Pr = Pr - Pth); trong đĩ pth là áp suất khí trong ống thải. Chênh áp ∆Pr phụ thuộc vào hệ số cản, tốc độ dịng khí qua supap thải và vào trở lực của bản thân đường thải.
Supap thải thường được đĩng sau ĐCT (đĩng muộn) nhằm tăng thêm giá trị“tiết diện – thời gian” mở cửa thải, đồng thời để tận dụng
chênh áp ∆Pr và quán tính của dịng khí để tiếp tục thải sạch khí sĩt ra ngồi.
Q trình nạp mơi chất mới vào xilanh được thực hiện khi piston đi từĐCT xuống ĐCD. Lúc đầu (tại điểm r), do Pr > Pk (Pk – áp suất mơi chất mới ở trước supap nạp) và pr > Pth – một phần sản vật cháy trong thể tích Vc vẫn tiếp tục đi ra ống thải; bên trong xilanh, khí sĩt giãn nở đến điểm ro (bằng Pk) rồi từ đĩ trởđi, mơi chất mới cĩ thể bắt đầu nạp vào xilanh.
Hình 8.5. Phần đồ thị cơng của quá trình thay đổi mơi chất trong động cơ 4 kỳ.
Quá trình nạp lệ thuộc rất nhiều vào yếu tố, khiến cho mơi chất mới nạp vào xilanh trong mỗi chu trình nhỏhơn lượng nạp lý thuyết, được tính bằng số mơi chất mới chứa
đầy thể tích cơng tác Vh cĩ nhiệt độ Tk và áp suất Pk của mơi chất mới ở phía trước supap nạp của động cơ Diesel hoặc phía trước bộ chế hịa khí của động cơ xăng.
Giá trị áp suất Pk của động cơ 4 kỳkhơng tăng áp thường nhỏ hơn po, vì khi vào đường ống nạp thường gặp cản của bình lọc khí. Trong các động cơ tăng áp thì Pk > po vì trước khi vào động cơ khơng khí đã được nén trước trong máy nén tăng áp. Nhiệt độ
Tk cũng cĩ thể khác với nhiệt độ khí trời To. Do đĩ đối với động cơ 4 kỳkhơng tăng áp
(cảđộng cơ xăng và Diesel) đều cĩ: Pk = po - ∆po
Trong đĩ: ∆p0 – Tổn thất áp suất do cản của bình lọc khí và đường ống nạp; và Tk ≈ To Đối với động cơ 4 kỳtăng áp, Pk bằng áp suất tăng áp Ps ở sau máy nén (nếu khơng
cĩ két làm mát trung gian cho khơng khí nén). Trường hợp cĩ két làm mát trung gian: Pk = po - ∆Pmát
Trong đĩ: ∆pmát – Tổn thất áp suất khi qua két làm mát.
Nếu khơng cĩ két làm mát trung gian, Tk được xác định như sau: 1 0 0 m m s k P T T p (8-12) Nếu cĩ két làm mát trung gian: 1 0 0 m m s k P T T p - ∆Tmát (8-13) Trong đĩ: m chỉ sốnén đa biến, phụ thuộc vào loại máy nén (m ≈ 1,6 ÷1,8).
94
Lượng mơi chất mới nạp vào xilanh trong mỗi chu trình động cơ 4 kỳ phụ thuộc nhiều nhất vào chênh áp ∆Pk = Pk− Pa (Pa - áp suất mơi chất trong xilanh cuối quá trình nạp tại a) (hình 8.5). Suốt quá trình nạp áp suất trong xilanh thấp hơn Pk, chênh áp ấy tạo nên dịng chảy của mơi chất mới đi vào xilanh qua supap nạp, nĩ phản ánh trở lực của supap nạp đối với dịng chảy.
Chênh áp giữa đường nạp và mơi chất trong xilanh cịn được duy trì ở đầu quá trình nén cho tới khi áp suất trên đường nén đạt tới Pk do kết quả của việc nén khí. Dựa vào hiện tượng ấy người ta đã tìm ra các biện pháp nạp thêm mơi chất vào xilanh đầu quá trình nén.
8.3.1.2. Giới thiệu các thơng số của quá trình nạp: Pa, Ta, ∆T, γr, ηn.
Áp suất cuối quá trình nạp Pa
Áp suất cuối quá trình nạp Pa là một thơng số quan trọng đểđánh giá chất lượng quá trình nạp. Nếu Pa càng lớn thì lượng khí nạp mới càng nhiều và ngược lại. Để tìm hiểu mối quan hệ Pa với các thơng số kết cấu và thơng số
làm việc của động cơ ta dựa vào sơ đồ tính tốn trên hình 8.6 với những giả thiết đơn giản hĩa.