Cường độ làm việc của ĐCĐT có thể đánh giá bằng nhiều thông số khác nhau. Dưới đây giới thiệu 2 chỉ tiêu tổng hợp đánh giá cường độ làm việc của động cơ. Công suất lít - . . . e e V V s N n P N C V i Z (1.2-13)
Công suất piston -
. . . e m e P p p N C P N C A i z (1.2-14)
Trong đó: CV, CP - các hệ số phụ thuộc vào thứ nguyên của các đại lượng có trong công thức; AP - diện tích của đỉnh piston.
Đơn vị thường dùng của NV là [kW/dm3] hoặc [HP/dm3] của NP là [kW/dm2] hoặc [HP/dm2].
NP < 15 kW/dm2 - Động cơ cường hoá thấp.
15 ≤ NP < 45 kW/dm2 - Động cơ cường hoá trung bình. NP ≥ 45 kW/dm2 - Động cơ cường hoá cao.
CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH NẠP - XẢ 2.1. Các thông số đặc trưng của quá trình nạp-xả
Hình 2. 1 Một số thông số đặc trưng của quá trình nạp-xả
a) Sơ đồ hệ thống nạp-xả, b) Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ không tăng áp, c) Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ tăng áp
K- ống góp khí nạp; X - ống góp khí thải; T- turbine khí thải; N- máy nén khí tăng áp; LM - thiết bị làm mát khí tăng áp; p0, T0 - áp suất và nhiệt độ khí quyển; ps , Ts - áp suất và nhiệt độ của khí nạp sau máy nén;
pk , Tk - áp suất và nhiệt độ khí mới; px , Tx - áp suất và nhiệt độ khí thải; pa - áp suất cuối quá trình nạp; pr - áp suất khí sót.Như chúng ta đã biết, hoạt động của ĐCĐT có tính chu kỳ, tức là có các chu trình công tác kế tiếp nhau. Để thực hiện được chu trình công tác tiếp theo, phải xả hết khí thải ra khỏi không gian công tác của xilanh rồi nạp vào đó khí mới. Quá trình nạp khí mới và xả khí thải có liên quan mật thiết với nhau và được gọi chung là quá trình nạp-xả hoặc quá trình thay đổi
khí hoặc quá trình trao đổi khí.
Do sự thay đổi tiết diện lưu thông và vận tốc của piston cũng như ảnh hưởng của hàng loạt hiện tượng khí động khác nên áp suất của MCCT trong xylanh trong quá trình nạp-xả biến đổi rất phức tạp. Hình 2.2 giới thiệu một ví dụ về đồ thị công thu được khi dùng thiết bị ghi áp suất có độ nhạy cao. Tuy nhiên, sự dao động của áp suất của MCCT trong quá trình nạp-xả có ảnh hưởng không đáng kể đến tổng diện tích đồ thị công nên khi tính và vẽ chu trình, người ta thường quy ước áp suất của MCCT trong thời gian diễn ra quá trình xả và nạp là không đổi (H. 3.1-1b và H. 3.1-1c).
Hình 2. 2 Áp suất của MCCT trong quá trình nạp-xả được đo bằng thiết bị có độ nhạy cao
1) Áp suất khí nạp (pk )
Áp suất khí nạp (pk) là áp suất được xác định tại không gian chứa khí nạp trước khi vào không gian công tác của xilanh (trước xupáp nạp đối với động cơ 4 kỳ hoặc trước cửa nạp đối với động cơ 2 kỳ).
pk = p0 - Δp0 - Động cơ 4 kỳ không tăng áp pk = ps - Δpm - Động cơ 4 kỳ tăng áp
trong đó : p0 - áp suất khí quyển; ps - áp suất sau máy nén khí nạp; Δp0 - tổn thất áp suất do lực cản của lọc khí và đường ống nạp; Δpm - tổn thất áp suất do lực cản của thiết bị làm mát khí tăng áp.
Trị số của Δp0 phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo, chất lượng chế tạo, tình trạng kỹ thuật của lọc khí và đường ống nạp.
Trị số của Δpm phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm cấu tạo của thiết bị làm mát. Áp suất ps được quyết định bởi phương pháp tăng áp và mức độ cường hóa động cơ. Bảng 2. 1 Áp suất khí nạp ở ĐCĐT Loại động cơ Áp suất khí nạp (pk) Tăng áp truyền động cơ khí Tăng áp bằng turbine khí thải
Động cơ thấp tốc, công suất lớn
(1,1 ÷ 1,2) p0
(1,3 ÷ 1,7) p0 Động cơ có công suất và tốc
độ trung bình
(1,2 ÷ 1,4) p0
(1,5 ÷ 3,0) p0 Động cơ ôtô, máy kéo (1,2 ÷ 1,5)
p0
(1,5 ÷ 1,7) p0
Động cơ cường hoá cao 5,0 p0
2) Nhiệt độ khí nạp (Tk )
Nhiệt độ khí nạp (Tk) là nhiệt độ được xác định tại không gian chứa khí nạp trước khi vào không gian công tác của xilanh.
(2.1-1)
Trong đó : po , T0 - áp suất và nhiệt độ khí quyển; ps - áp suất khí nạp sau máy nén; m - chỉ số nén đa biến; ΔTm - mức độ làm mát khí tăng áp.
Chỉ số nén đa biến trong máy nén tăng áp (m) phụ thuộc vào loại máy nén. Mức hạ nhiệt độ khi qua thiết bị làm mát khí tăng áp (ΔTm) phụ thuộc vào mức độ tăng áp, thiết bị và phương pháp làm mát khí tăng áp.
ΔTm = 25 0÷ 50 0
m = 1,45 ÷ 1,60 - Máy nén piston m = 1,65 ÷ 1,80 - Máy nén roto
m = 1,45 ÷ 1,80 - Máy nén ly tâm
3) Áp suất cuối quá trình nạp (pa )
Áp suất cuối quá trình nạp (pa) là một trong những thông số liên quan trực tiếp đến lượng khí mới được nạp vào không gian công tác của xilanh trong mỗi chu trình, từ đó quyết định công suất mà động cơ có thể phát ra. Để hiểu rõ hơn ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến pa , chúng ta viết phương trình Bernoulli cho dòng khí nạp tại các vị trí trước và sau cửa nạp như sau:
(2.1-2) Trong đó: pk , pa - áp suất của khí nạp trước cửa nạp và áp suất trong xylanh; Hk , Ha - độ cao của cửa nạp và độ cao của không gian công tác tại vị trí đang xét; ρa - mật độ của khí nạp trong xilanh; wk - vận tốc của khí nạp trước cửa nạp; wn - vận tốc trung bình của khí nạp tại cửa nạp; βn - hệ số tính đến ảnh hưởng của tiết diện lưu thông của cửa nạp; ξn - hệ số cản của đường ống nạp.
Có thể xem Hk ≈ Ha , ρk ≈ ρa và wk << wn , từ biểu thức (4.1-2) ta có:
(2.1-3) Từ phương trình liên tục của dòng khí nạp ta có :
(2.1-4)
Trong đó: Cm - vận tốc trung bình của piston, [m/s]; Ap - tiết điện đỉnh piston, [m 2]; An - tiết diện lưu thông của cửa nạp, [m 2]; S - hành trình của piston, [m]; n - tốc độ quay của động cơ, [rpm].
Kết hợp (3.3) và (3.4) ta có:
(2.1-5)
Từ biểu thức (4.1-5) ta thấy, để giảm tổn thất áp suất trên đường ống nạp, qua đó tăng áp suất của khí nạp trong không gian công tác của xilanh, có thể áp dụng các biện pháp sau:
- Giảm sức cản của hệ thống nạp bằng cách tạo đường ống nạp có tiết diện lưu thông lớn và hình dạng khí động tốt.
- Tăng đường kính của xupap nạp hoặc dùng nhiều xupap.
Trị số của áp suất cuối quá trình nạp nằm trong phạm vi như sau [1]: pa = (0,80 ÷ 0,90) pk
- Động cơ 4 kỳ không tăng áp
pa = (0,90 ÷ 0,96) pk - Động cơ 4 kỳ tăng áp
4) Áp suất (pr ) và nhiệt độ khí sót (Tr )
Áp suất khí sót (pr) và Nhiệt độ khí sót (Tr) là áp suất và nhiệt độ của khí sót trong không gian công tác của xilanh tại thời điểm cuối quá trình xả.
Áp suất khí sót lớn hơn áp suất trong đường ống xả do sức cản khí động của cửa xả, ống xả, bình tiêu âm và thiết bị tận dụng nhiệt khí thải (nếu có). Tương tự như đối với áp suất cuối quá trình nạp (pa), áp suất khí sót (pr) có thể được thể hiện như sau :
(2.1-6)
Trong đó: px - áp suất trong đường ống xả; Δpx - kháng áp trong hệ thống xả; n - tốc độ quay của động cơ; Ax - tiết diện lưu thông của cửa xả; Kx - hệ số.
Nhiệt độ khí sót (Tr) phụ thuộc chủ yếu vào hệ số dư lượng không khí, tỷ số nén và cường độ trao đổi nhiệt giữa MCCT với vách xylanh trong quá trình dãn nở và xả.
Trị số của pr và Tr nằm trong phạm vi sau: pr = (1,03 ÷1,06) p0 - Động cơ thấp tốc
pr = (1,05 ÷ 1,10) p0- Động cơ cao tốc pr = 700 ÷ 900 K- Động cơ diesel Tr = 900 ÷ 1000 K- Động cơ xăng
Tr = 750 ÷ 1000 K- Động cơ chạy bằng nhiên liệu khí.
5) Nhiệt độ cuối quá trình nạp (Ta)
MCCT cuối quá trình nạp bao gồm khí mới và khí sót. Nhiệt độ của MCCT cuối quá trình nạp (Ta) lớn hơn nhiệt độ của khí nạp (Tk) do nhận nhiệt từ các bề mặt nóng (vách ống nạp, bề mặt xupap nạp, vách xylanh) và hoà trộn với khí sót có nhiệt độ cao hơn. Có thể xác định Ta từ phương trình cân bằng nhiệt của khí mới và khí sót tại những thời điểm trước và sau khi hoà trộn, với giả định rằng quá trình hòa trộn diễn ra trong điều kiện pa = const và nhiệt độ khí sót (Tr) không đổi khi khí sót dãn nở từ áp suất pr xuống pa , như sau :
(2.1-7) Trong đó : cP - tỷ nhiệt đẳng áp của khí mới; c''
P - tỷ nhiệt đẳng áp của khí sót; c'
P - tỷ nhiệt đẳng áp của hỗn hợp khí công tác cuối quá trình nạp; Tk - mức độ sấy nóng khí mới, [K]
Mức độ sấy nóng khí mới (ΔTk) phụ thuộc vào nhiệt độ của các bề mặt tiếp xúc, vận tốc của dòng khí nạp, thời gian diễn ra quá trình nạp, v.v. Tk ở động cơ xăng thường thấp hơn ở động cơ diesel do một phần nhiệt truyền từ bề mặt nóng được sử dụng để hoá hơi các hạt xăng trong quá trình nạp.
Trị số của cP , c'' P và c'
P phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của khí mới, khí sót và hỗn hợp khí mới-khí sót. Nhiệt độ và thành phần của khí mới và hỗn hợp khí mới - khí sót khác nhau không nhiều nên có thể xem cP = c'
P ; còn c''
P = λ1. cP , trong đó λ1 là hệ số hiệu đính tỷ nhiệt. λ1 phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí (λ) và nhiệt độ khí sót (Tr).
Chia cả 2 vế phương trình (4.1-7) cho m 1 và thay C'p = Cp , C''
p = λ1. Cp, m1/mr = γr , sau khi biến đổi ta có :
(3.1-8) Trị số của ΔTk , λ1 và Ta nằm trong phạm vi sau :
ΔTk = 20 ÷ 40 0C - Động cơ diesel ΔTk = 0 ÷ 20 0C - Động cơ xăng λ1 = 1,5 ÷ 1,8 - Động cơ diesel
λ1 = 1,11 ÷ 1,17 - Động cơ xăng
Ta = 310 ÷ 350 K - Động cơ 4 kỳ không tăng áp Ta = 320 ÷ 400 K - Động cơ 4 kỳ tăng áp
6) Hệ số khí sót ( γr )
Hệ số khí sót (γr) là đại lượng được xác định bằng tỉ số giữa lượng khí sót (m r) và lượng khí mới được nạp vào không gian công tác của xilanh (m 1)
1 r r m m (2.1-9)
Hệ số khí sót là đại lượng đánh giá lượng khí thải còn sót lại trong không gian công tác sau mỗi chu trình, tức là đánh giá chất lượng quá trình xả.
Hệ số khí sót phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp nạp-xả và có trị số nằm trong phạm vi sau [2] :
γ r = 0,01 ÷ 0,03- Động cơ 4 kỳ
7) Hệ số nạp (ηv )
Hệ số nạp (ηv) được xác định bằng tỉ số giữa lượng khí mới thực tế được nạp vào xilanh trong một chu trình (m1) và lượng khí mới so sánh chứa đầy dung tích công tác của xilanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước cửa nạp (m s) :
(2.1-10)
Lượng khí mới so sánh (m s) có thể xác định được theo phương trình trạng thái tại cửa nạp :
(2.1-11)
m a1 = m 1(1 + γ r) = λ 2 . m a (2.1-13b)
λ2 có trị số khoảng 1,02 ÷ 1,07, tuỳ thuộc vào phương pháp nạp và góc độ phối khí.
Từ các biểu thức (3.13b) và (3.12) ta có :
(2.1-14) Thế m s từ (3.1-11) và m1 từ (3.1-14) vào (3.1-10), đồng thời thay xem Ra = Rk và thay , sau khi rút gọn ta có:
(2.1-15) Trị số của ηv nằm trong phạm vi sau [2] :
ηv = 0,65 ÷ 0,80 - Động cơ xăng 4 kỳ ηv = 0,75 ÷ 0,90 - Động cơ diesel 4 kỳ
8) Hệ số quét (ηq )
Trong một số trường hợp, đặc biệt đối với động cơ 2 kỳ và động cơ tăng áp, một lượng nhất định khí mới được chủ động cho thoát ra khỏi không gian công tác của xilanh và xupap xả hoặc cửa xả cùng với khí thải nhằm mục đích giảm lượng khí sót và làm mát buồng đốt,. Để đánh giá lượng khí mới nói trên, người ta dùng đại lượng gọi là Hệ số quét (ηq) :
(2.1-16) Trong đó Mq là lượng khí mới đi qua cửa nạp hoặc xupap nạp vào không gian công tác của xilanh.
2.2. QUÁ TRÌNH NẠP - XẢ Ở ĐỘNG CƠ 4 KỲ
Hình 2. 3 Đồ thị biểu diễn quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ
a) Sự thay đổi tiết diện lưu thông của xupap xả (Ax) và xupap nạp (An); b) Đồ thị công ; c) Đồ thị góc
Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ kéo dài từ thời điểm xupap xả bắt đầu mở đến thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn. Căn cứ vào đặc điểm làm việc của cơ cấu nạp-xả, có thể chia quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ thành 5 giai đoạn : xả tự do, xả cưỡng bức, quét buồng đốt, nạp chính và nạp thêm.
1) Xả tự do
Giai đoạn Xả tự do (còn gọi là giai đoạn Xả sớm) kéo dài từ thời điểm xupap xả bắt đầu mở (điểm b1- Hình 2.3 đến thời điểm piston ở ĐCD trong hành trình dãn nở. Góc quay của trục khuỷu tính từ điểm xupap xả bắt đầu mở đến ĐCD trong hành trình giãn nở được gọi là Góc xả sớm (ϕxs).
Trong giai đoạn xả tự do, MCCT trong không gian công tác của xilanh tự thoát ra ngoài qua xupap xả. Ở những thời điểm đầu của giai đoạn xả tự do, khí thải lưu
động với tốc độ truyền âm do chênh lệch khá lớn giữa áp suất trong và ngoài xilanh. Chính do chênh lệch khá lớn về áp suất nên chỉ trong một thời gian ngắn của giai đoạn xả tự do đã có khoảng 60 ÷70 % tổng lượng khí thải tự thoát ra ngoài.
2) Xả cưỡng bức
Giai đoạn Xả cưỡng bức kéo dài từ thời điểm piston rời ĐCD trong hành trình xả đến thời điểm xupap nạp bắt đầu mở (điểm d1). Góc quay trục khuỷu tính từ điểm xupap nạp bắt đầu mở đến ĐCT trong hành trình xả được gọi là Góc nạp sớm (ϕns). Trong giai đoạn này khí thải được piston đẩy ra khỏi không gian công tác qua xupap xả.
3) Quét buồng đốt
Giai đoạn Quét buồng đốt kéo dài từ thời điểm xupap nạp bắt đầu mở đến thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn (điểm r1). Góc quay trục khuỷu tính từ ĐCT đến điểm xupap xả đóng hoàn toàn được gọi là Góc xả muộn (ϕxm).
Trong giai đoạn quét buồng đốt, cả xupap nạp và xupap xả đều mở và có thể có một lượng khí mới cùng khí thải thoát ra khỏi không gian công tác qua xupap xả.
4) Nạp chính
Giai đoạn Nạp chính kéo dài từ thời điểm xupap xả đóng hoàn toàn đến thời điểm piston ở ĐCD trong hành trình nạp. Phần lớn lượng khí mới được nạp vào không gian công tác của xilanh trong giai đoạn nạp chính.
5) Nạp thêm
Giai đoạn Nạp thêm kéo dài từ thời điểm piston rời ĐCD trong hành trình nén đến thời điểm xupap nạp đóng hoàn toàn (điểm a1). Góc quay trục khuỷu ứng với giai đoạn nạp thêm được gọi là Góc nạp muộn (ϕnm). Trong giai đoạn nạp thêm sẽ có một lượng nhất định khí mới được bổ sung vào không gian công tác của xilanh.
Từ những điều trình bày ở trên, có thể rút ra một số nhận xét sau :
● Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ được điều khiển bằng cơ cấu nạp-xả kiểu xupap. Thời điểm bắt đầu mở và đóng hoàn toàn của các xupap có thể không trùng với ĐCT hoặc ĐCD.
xupap xả, còn khí mới được piston "hút" vào không gian công tác qua xupap nạp. ● Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ diễn ra trong khoảng thời gian lớn hơn 360 0 góc quay trục khuỷu. Trong khoảng thời gian trên, chỉ có một giai đoạn ngắn,