CHƯƠNG 2 : QUÁ TRÌNH NẠP-XẢ
2.1. Các thông số đặc trưng của quá trình nạp-xả
Hình 2. 1 Một số thơng số đặc trưng của q trình nạp-xả
a) Sơ đồ hệ thống nạp-xả, b) Q trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ khơng 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 cơng tác kế tiếp nhau. Để thực hiện được chu trình cơng tác tiếp theo, phải xả hết khí thải ra khỏi không gian công tác của xilanh rồi nạp vào đó khí mới. Q 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 q trình thay đổi khí hoặc q
Trang 26 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 cơng thu được khi dùng thiết bị ghi áp suất có độ nhạy cao. Tuy nhiên, sự dao động của áp suất của MCCT trong q trình nạp-xả có ảnh hưởng khơng đáng kể đến tổng diện tích đồ thị cơng nên khi tính và vẽ chu trình, người ta thường quy ước áp suất của MCCT trong thời gian diễn ra q trình xả và nạp là khơng đổi (H. 3.1-1b và H. 3.1- 1c).
Hình 2. 2 Áp suất của MCCT trong q 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 khơng 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.
Trang 27
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, cơng suất lớn (1,1 ÷ 1,2) p0 (1,3 ÷ 1,7) p0 Động cơ có cơng suất và tốc độ
trung bình
(1,2 ÷ 1,4) p0 (1,5 ÷ 3,0) p0 Động cơ ơtơ, máy kéo (1,2 ÷ 1,5) p0 (1,5 ÷ 1,7) p0
Động cơ cường hố cao 5,0 p0
2) Nhiệt độ khí nạp (Tk )
Nhiệt độ khí nạp (Tk) là nhiệt độ được xác định tại khơng gian chứa khí nạp trước khi vào khơng gian cơng 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
Trang 28
Áp suất cuối quá trình nạp (pa) là một trong những thông số liên quan trực tiếp đến lượng khí mới được nạp vào khơng gian cơng tác của xilanh trong mỗi chu trình, từ đó quyết định cơng 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 dịng 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 cơng 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 dịng 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)
Trang 29
đó tăng áp suất của khí nạp trong khơng gian cơng 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 thơng 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 khơng gian cơng tác của xilanh tại thời điểm cuối q 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 khơng 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 q trình nạp (Ta)
Trang 30
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 hồ 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 hồ trộn, với giả định rằng q trình hịa trộn diễn ra trong điều kiện pa = const và nhiệt độ khí sót (Tr) khơng 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 cơng tác cuối q 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 dịng 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 hố hơi các hạt xăng trong q 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 khơng nhiều nên có thể xem cP = c'P ; cịn c''P = λ1. cP , trong đó λ1 là hệ số hiệu đính tỷ nhiệt. λ1 phụ thuộc vào hệ số dư lượng khơng 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
Trang 31
Ta = 310 ÷ 350 K - Động cơ 4 kỳ khơng 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 khơng gian cơng 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 cịn sót lại trong khơng gian cơng tác sau mỗi chu trình, tức là đánh giá chất lượng q 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 cơng 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 :
Trang 32 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 𝑉𝑎 = 𝑉𝑠+ 𝑉𝑐 = 𝑉𝑠+ 𝑉𝑠
𝜀−1 = 𝑉𝑠. 𝜀
𝜀−1, 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 thốt 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.