Nhiệt độ và áp suất trước supap nạp Tk, pk
Tăng Tk làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa thành xilanh và mơi chất, qua đĩ làm
giảm ∆T nên tăng ηv. Mối quan hệ giữa ηv và Tk thể hiện qua cơng thức kinh nghiệm:
1 1 2 2 m v k v k T T
Sốmũ m tỉ lệ thuận với tốc độdịng khí đi vào xilanh, m = 0,25 ÷ 0,5. Cần chỉ ra rằng tăng Tk sẽlàm tăng ηv, nhưng lúc ấy mơi chất đi vào xilanh sẽ giảm vì mật độ mơi chất nhỏ.
Tăng áp suất pk, nếu giữ Tk và tốc độ dịng chảy đi vào động cơ khơng thay đổi
a k p
p thì khơng thay đổi.
Nếu tăng pk làm cho tức là khí sĩt bị nén bởi pk, đồng thời do mơi chất mới vào nhiều nên được sấy nĩng ít hơn (∆T2 < ∆T1), kết quả tăng pk thì ηv sẽ tăng.
Áp suất khí sĩt pr
Nếu Tr khơng đổi, khi tăng pr sẽlàm tăng lượng khí sĩt chứa trong thể tích Vc, nên
khi piston đi từĐCT xuống dưới một phần của hành trình của piston sẽ dành cho giãn nở của khí sĩt, khiến cho mơi chất mới đi vào xilanh muộn hơn gây giảm hành trình hút và giảm lượng mơi chất mới của chu trình gct, Ml, do đĩ làm tăng hệ sốkhí sĩt γr và giảm hệ số nạp ηv.
Nhưng trường hợp tăng của pr, do rút bớt tiết diện lưu thơng của supap xả để tăng
cho supap nạp, trong trường hợp này cũng làm tăng pa, do vậy ηv tăng.
Nhiệt độ sấy nĩng đối với mơi chất mới ∆T
Ảnh hưởng của ∆T đối với ηv được thể hiện qua đồ thị (hình 8.10). Đồ thị được xây dựng với Tk = 2880K và pk = 0,1 MN/m2. Rõ ràng là nhiệt độ sấy nĩng ảnh hưởng
100 nhiều đến ηv.
Ởđộng cơ xăng một phần nhiệt lượng do khơng khí mang theo được dùng để sấy nĩng và bốc hơi xăng. Nhưng lượng nhiệt của khơng khí được dùng vào mục đích trên hồn tồn khơng đủ. Do đĩ, đối với động cơ cĩ sự hình thành khí hỗn hợp ở bên ngồi cần phải sấy nĩng thêm hỗn hợp khí (bằng khí hoặc hơi nước) trong đường ống nạp. Nên biết rằng sấy nĩng đường ống nạp quá mức yêu cầu (để làm bốc hơi nhiên liệu), sẽ đưa đến tăng trị số ∆T và tương úng sẽ làm giảm ηv và giảm trọng lượng khí nạp mới.
Ởđộng cơ diesel việc đưa nhiên liệu vào trong xilanh và tiến hành bốc hơi nĩ xảy ra ở cuối quá trình nén, việc sấy nĩng khơng khí nạp khơng cĩ lợi vì sẽlàm tăng ∆T và
kết quả sẽ làm giảm ηv. Do đĩ, đối với động cơ diesel phải luơn luơn tìm cách giảm bớt nhiệt độ sấy nĩng khí nạp mới khi nạp. Bố trí đường ống nạp và thải ở hai vùng đối
nhau đối với đường trục trên nắp máy, cĩ thể làm mát tốt đường ống nạp và cách nhiệt
chúng đều là những biện pháp giảm ∆T.
Hình 8.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy nĩng khí nạp mới ∆T tới hệ số nạp ηv. 1. Động cơ diesel: ε = 17; pr = 0,12 Mpa; pa = 0,08 Mpa
2. Động cơ xăng: ε = 7; pr = 0,125 Mpa; pa = 0,085 Mpa
Cần thấy rõ dịng xốy của khơng khí trong q trình nạp hoặc qt khí (động cơ
hai kỳ) cũng cĩ ảnh hưởng đến ∆T. Vận động xốy lốc mạnh sẽlàm tăng ∆T, đặt biệt
là động cơ làm mát bằng khơng khí và động cơ hai kỳ vì thành xilanh cĩ nhiệt độ lớn. Tuy nhiên, ảnh hưởng của ∆T tới ηv nhỏhơn ảnh hưởng của các yếu tốkhác vì ∆T rất nhỏ so với Tk.
Ảnh hưởng của thành phần hịa khí α và tải tới ηv
Giảm hệ sốdư lượng khơng khí α của động cơ diesel cĩ nghĩa là làm tăng lượng nhiên liệu chu trình gct đểtăng tải cho động cơ, do đĩ sẽlàm tăng nhiệt độ thành xilanh,
tăng ∆T, vì vậy làm giảm ηv. Trong động cơ xăng hịa khí hình thành bên ngồi, gồm
xăng và khơng khí trộn lẫn với nhau bên ngồi sau đĩ đưa vào xilanh động cơ. Nhiên
liệu trong hịa khí bay hơi, sẽ hút nhiệt độ của mơi chất trên đường nạp vào trong xilanh làm cho nhiệt độ của hịa khí giảm một lượng ∆Tb.h, mặt khác hơi nhiên liệu trong hịa
khí cũng làm giảm phần áp suất khơng khí. Nếu ảnh hưởng của yếu tố thứ nhất vượt quá so với yếu tố thứ 2 thì sẽlàm tăng ηv, ảnh hưởng kể trên rất nhỏ chỉ khoảng 1 ÷ 2% khi hịa khí rất đậm, trong trường hợp hịa khí nhạt, nhiệt độ thành xilanh sẽ gây ảnh
hưởng chính làm cho ηv tăng theo α.
Ảnh hưởng của số vịng quay n tới ηv
Tốc độ gây ảnh hưởng lớn nhất tới ηv. Khi tăng n sẽ làm tăng tốc độ mơi chất đi qua supap hút cũng như supap xả, làm giảm pa và làm tăng pr, mặt khác cũng làm giảm ∆T (do giảm thời gian tiếp xúc), kết quả làm giảm ηv. Đĩ là nguyên nhân chính hạn chế
cơng suất cực đại của động cơ cao tốc. 8.3.1.5. Gĩc phân phối khí động cơ 4 kỳ
101 pha phối khí. Các vị trí của trục khuỷu động cơ tương ứng với các thời điểm bắt đầu mởvà đĩng kín các supap được gọi là thời điểm phối khí.
Supap thải được mở trước khi hành trình thải bắt đầu nhằm mục đích cho một
lượng lớn khí thải tựthốt ra ngồi. Qua đĩ giảm được cơng tiêu hao cho việc đẩy khí trong hành trình thải và giảm lượng khí sĩt cịn lại trong xilanh. Giả sử điểm b1 (hình 8.11a-b) là thời điểm mở supap thải tốt nhất sự thay đổi áp suất trong xilanh diễn ra
theo đường liền trên đồ thị. Nếu supap thải mở quá sớm (điểm b’1 hình 8.11a) khi mà áp suất sản phẩm cháy vẫn cịn lớn sẽ lãng phí một phần cơng của chu trình làm giảm cơng suất của động cơ. Cơng suất cĩ ích của động cơcũng sẽ giảm nếu supap thải mở
quá muộn (điểm b1 hình 8.11b) vì khi đĩ phần cơng giãn nở tận dụng được khơng bù
đắp nổi cơng tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngồi do áp suất mơi chất cơng tác trong hành trình thải lớn. Ngồi ra áp suất khí sĩt lớn cũng là yếu tốlàm tăng hệ số khí sĩt và giảm hệ số nạp.
Hình 8.11. Minh họa ảnh hưởng của các gĩc phối khí đến q trình thay đổi khí ởđộng
cơ bốn kỳ.
Supap thải được đĩng muộn so với thời điểm kết thúc hành trình thải cĩ tác dụng giảm lượng sản phẩm cháy cịn lại trong xilanh (khí sĩt). Bởi vì, mặc dù tác dụng đẩy của piston đã chấm dứt nhưng do quán tính và do sự chênh lệch áp suất nên lượng khí
102 thải cịn lại bị hút ra khỏi xilanh, thậm chí một phần khí nạp cũng cĩ thể theo khí thải ra ngồi nếu các gĩc nạp sớm và thải muộn khơng cĩ trị số thích hợp. Hiện tượng này gọi là quét buồng cháy.
Gĩc thải muộn chỉphát huy được tác dụng một khi nĩ được lựa chọn phù hợp với
đặc điểm cấu tạo và chế độ làm việc của động cơ. Nếu gĩc thải muộn quá nhỏ, tức là supap thải đĩng lại quá sớm (điểm r’’ hình 8.11c) thì tiết diện lưu thơng của supap thải rất nhỏ khi piston gần tới ĐCT. Trong điều kiện đĩ khí thải sẽ khơng kịp thốt ra ngồi, bị piston nén lại (hình 8.11c), sau đĩ khí sĩt giãn nở sẽ làm chậm quá trình nạp và làm giảm lượng khí mới, bởi vì khí mới chỉđi vào xilanh khi áp suất trong đĩ giảm xuống thấp hơn áp suất khí nạp (pk). Ngược lại, gĩc thải muộn quá lớn cũng khơng tốt (hình
8.11d). Trong trường hợp này mặc dù quá trình nạp cĩ thể bắt đầu sớm hơn (điểm n’)
nhung do supap thải vẫn cịn mởtrong khi piston đã rời xa ĐCT nên một lượng khí thải nhất định sẽ bị hút ngược trở lại xilanh.
Hình 8.11e và hình 8.11f trình bày một phần đồ thị cơng ứng với các gĩc nạp sớm
khác nhau. Giả sử điểm d1 ứng với thời điểm mở supap nạp tốt nhất và đường nạp thể hiện bằng đường liền trên đồ thị. Nếu giảm gĩc nạp sớm (điểm d’1) thì tiết diện lưu thơng của supap nạp vào thời điểm piston ở gần ĐCT sẽ nhỏ hơn, do đĩ sức cản khí động tăng lên, đường nạp thấp hơn và tổn thất năng lượng cho q trình thay đổi khí (thường gọi là tổn thất “bơm”) tăng lên một lượng tương ứng với diện tích gạch chéo trên hình 8.11c. Nếu supap nạp được mở quá sớm (điểm d1”) thì khí thải lọt vào đường ống nạp sau đĩ cùng với khí mới được nạp vào xilanh.
Gĩc nạp muộn cĩ tác dụng làm tăng lượng khí mới thực tế được nạp vào xilanh. Giả sử điểm a1 trên đường liền của đồ thị cơng (hình 8.11h và i) là thời điểm ứng với thời điểm đĩng supap nạp tốt nhất. Nếu ta đĩng supap nạp muộn hơn (điểm a1’ hình 8.11h) thì một phần khí mới đã được nạp vào xilanh sẽ bị đẩy ngược trở lại ống nạp, nếu supap nạp đĩng lại quá sớm (điểm a1” hình 8.11i) thì lượng khí mới được nạp vào xilanh cũng giảm do tiết diện lưu thơng của supap nạp trong giai đoạn nạp thêm quá nhỏ.
Qua phân tích ở trên chúng ta thấy rằng: gĩc phối khí cĩ ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của q trình thay đổi khí. Việc lựa chọn đúng hay sai sẽ cĩ ảnh hưởng rất lớn đến cơng suất và hiệu suất của động cơ. Thơng thường, trị số các gĩc phối khí của một loại động cơ cụ thể được xác định bằng thực nghiệm.
Bảng gĩc phối khí của một số loại động cơ bốn kỳ
Động cơ 1 2 3 4
Zil 130 310 830 670 470
Toyota 120 560 470 210
Fiat 366 80 400 600 200 Fiat 125p 90 610 490 210 8.3.1.6. Diễn biếnquá trình quét thải của động cơ hai kỳ
Quá trình thay đổi mơi chất trong động cơ 2 kỳ khơng cĩ các kỳ thải và nạp riêng biệt như động cơ 4 kỳ mà được thực hiện từ
điểm b (hình 8-12) cuối kỳ giãn nở, lúc bắt đầu mởcơ cấu thải, bằng cách dựa vào chênh áp để
sản vật cháy được thốt tựdo ra đường thải, sau
đĩ mơi chất mới đã được nén trước trong bơm
khí quét tới áp suất Pk (lúc này Pk > áp suất sản vật cháy trong xilanh) đi vào xilanh tạo áp lực
103 cịn bản thân mơi chất mới được nạp đầy xilanh cho tới điểm a (điểm đĩng cửa thải).
Hình 8.12. Phần đồ thị cơng của q trình thay đổi khí trong động cơ 2 kỳ.
Qua trên ta thấy, quá trình thay đổi mơi chất trong động cơ hai kỳ diễn ra gần như đồng thời xen kẽ nhau, khơng tuần tựnhư động cơ bốn kỳ. Chính điều này làm cho việc khảo sát các thơng số của quá trình thay đổi mơi chất trên động cơ hai kỳ phức tạp hơn trên động cơ bốn kỳ.
Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm sự biến thiên áp suất trong xilanh và diện tích
lưu thơng của các cửa thải ft và quét fq theo gĩc quay trục khuỷu (hình 8-13), người ta chia quá trình thải và quét khí trong động cơ 2 kỳ thành ba thời kỳ sau:
a) Thời kỳ thải tự do
Thời kỳ thải tự do, bắt đầu từ lúc mở cửa thải (áp suất trong xilanh Pb) tới lúc
khơng khí quét đi vào xilanh thực hiện quét sản vật cháy N (áp suất trong xilanh PN bằng áp suất trung bình suốt thời kỳ quét và thải cưỡng bức). Trong thời kỳ thải tự do áp suất trong xilanh lớn hơn nhiều so với Pth (áp suất trung bình trong ống thải) nên dịng khí thải thốt qua cửa thải với tốc độ lớn.
Từ lúc mở cửa thải (ở điểm B) tới lúc mở cửa quét (H hoặc h) với áp suất trong xilanh PH được gọi là giai đoạn thải sớm (BH hoặc b, h). Trong động cơ cao tốc thường PH > Pk, nên sau khi mở cửa quét thường cĩ một ít sản vật cháy thốt qua cửa qt vào bình chứa khí qt làm tăng nhiệt độ và làm bẩn khí quét, ngồi ra cịn gây tổn thất một phần trị số “tiết diện – thời gian” của cửa quét cho sản vật cháy trên trở lại xilanh giai
đoạn đầu thời kỳ quét khí. Trên thực tế khơng thể tránh hiện tượng trên trong động cơ
cao tốc muốn vậy phải mở cửa thải sớm hơn làm giảm hành trình cĩ ích và gây mất một phần cơng suất động cơ. Trong động cơ hai kỳ tàu thủy và tĩnh tại cỡ lớn thường cĩ van một chiều trong cửa quét, đảm bảo PH Pk nên hồn tồn tránh khí thải đi vào bình chứa khí quét. Trong thời kỳ thải tự do (bN hoặc BN) cĩ hai giai đoạn lưu động: trên giới hạn (BE) với tốc độ dịng khí bằng tốc độ truyền
âm và dưới giới hạn (EN) với tốc độ dịng khí
nhỏhơn tốc độ truyền âm, phụ thuộc tỷ số Px/Pth (Px– áp suất trong xilanh, thay đổi theo ). Tại E: Px = PE, nếu đường thải trực tiếp thơng với khí trời thì PE ≈ 0,2Mpa.
b) Thời kỳ thải cưỡng bức (thời quét khí).
Trong giai đoạn này cửa quét và thải đều mở, lúc đĩ khí quét đi vào xilanh và đẩy sản phẩm cháy ra ngồi, quá trình bắt đầu từ lúc khí quét bắt đầu đi vào xilanh (ứng với gĩc φN) và kết thúc tại điểm đĩng kín cửa quét, nếu như cửa quét đĩng trước hoặc kết thúc tại điểm điểm đĩng cửa thải, nếu như cửa thải đĩng trước.
Ở giai đoạn đầu của thời kỳ này do ảnh hưởng của sức hút của dịng khí mà Pxilanh vẫn tiếp tục giảm đến K nằm dưới Pth sau đĩ tiếp tục tăng lên và cuối cùng dao động ở xung quanh áp suất PN. Giai đoạn này thải từ 30 ÷ 50% sản phẩm cháy.
Hình 8.13. Đồ thị biến thiên áp suất Px trong
104
(a), Tiết diện lưu thơng của cơ cấu thải ft và cơ cấu fq theo gĩc quay trục khuỷu trong hệ thống cĩ gĩc phối khí đối xứng (b) và khơng đối xứng (c).
c) Thời kỳ lọt khí (nếu cửa quét đĩng trước) hoặc thời kỳ nạp thêm (nếu cửa thải đĩng trước)
Đoạn DA2 ứng với thời kỳ lọt khí (φD + φA2), (φa1 + φD = ứng với thời kỳ nạp
thêm)
Theo (hình a), (hình b), (hình c) trong đĩ diện tích HN2MD = trị số thời gian tiết diện của cửa quét
Diện tích BN’N = trị số thời gian tiết diện ứng với thời kỳ thải tự do. Diện tích D1DA2 = trị số thời gian tiết diện ứng với thời kỳ lọt khí.
Diện tích A1A’D = trị số thời gian tiết diện ứng với thời kỳ nạp thêm.
8.3.2. Quá trình nén
8.3.2.1. Diễn biến của quá trình nén
Nén mơi chất cơng tác ở ĐCĐT nhằm mục đích làm tăng hiệu suất của động cơ. Ngồi ra, đối với động cơ diesel, quá trình nén cịn cĩ nhiệm vụ tạo ra áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy đủcao, đảm bảo cho nhiên liệu khi được phun vào cĩ thể tự bốc cháy khơng cần tới nguồn lửa từ bên ngồi.
Hành trình nén bắt đầu khi piston rời ĐCD đi lên ĐCT nhưng q trình nén khí trong xilanh thực tế bắt đầu sau khi cơ cấu thay đổi khí được đĩng kín. Ở động cơ hai kỳ thời điểm đĩng cơ cấu thay đổi khí là lúc piston đi qua mép trên của các cửa, cịn đối với động cơ bốn kỳ đĩ là thời điểm supap nạp đĩng.
Khi nghiên cứu chu trình lý tưởng người ta giả định rằng: quá trình nén là một quá trình đoạn nhiệt được biểu diễn bằng phương trình (pVk = const). Quá trình nén trong động cơ thực tế khơng hồn tồn diễn ra theo phương trình này, vì:
- Mơi chất cơng tác là hỗn hợp các khí thực, bao gồm khí mới và một lượng nhất định khí thải cịn sĩt lại từ chu trình trước.
- Cĩ sự trao đổi nhiệt giữa mơi chất cơng tác với vách xilanh.
- Cĩ sự thay đổi lượng mơi chất cơng tác do khơng gian cơng tác của xilanh khơng hồn tồn kín.
Ở đầu q trình nén, mơi chất cơng tác cĩ nhiệt độ khoảng 350 ÷ 4000K, sau tăng lên khoảng 600 ÷ 7000K
(đối với động cơ xăng) hoặc 750 ÷ 9500K (đối với động cơ diesel) vào cuối quá trình nén. Thành xilanh sau khi động cơ làm việc cĩ nhiệt độ trung bình khoảng 400
÷4500K, đỉnh piston và nấm supap cĩ nhiệt độ cao hơn. Trong giai đoạn đầu quá trình nén, mơi chất cơng
tác hấp thụ nhiệt từ các chi tiết nĩng hơn, vì vậy chỉ số