Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Quá trình nạp và thơng số đặc trưng quá trình nạp của độngcơ Diesel
Cơng suất là một chỉ tiêu kỹ thuật được gọi là tính hiệu quả, nĩi lên yêu cầu động lực của máy cơng tác mà ta sử dụng. Mục tiêu của nhà thiết kế là tăng cơng suất động cơ chế tạo mà vẫn giữ nguyên kích thước của động cơ. Nâng cao cơng suất cĩ ích của động cơ là một trong những phương phápmà các nhà sản suất thực hiện để giải quyết vấn đề trên.
Cơng suất cĩ ích, Ne là cơng suất truyền đến máy cơng tác và dẫn động máy cơng tác hoạt động. Cơng suất cĩ ích Ne luơn nhỏ hơn cơng suất chỉ thị Ni của động cơ bởi vì tiêu tốn ma sát và dẫn động các thiết bị phụ của động cơ. Tổng tất cả các loại tổn thất cơng suất nĩi trên tính trong một đơn vị thời gian được gọi là cơng suất cơ giới, Nm: e i m N = N -N (2.1) Theo [11] ta cĩ: e a h H v c m n N = ρ .V .Q .F.η .η .η .i. τ/2 (2.2) Trong đĩ: a ρ : mật độ khơng khí nạp (kg/m3) Vh: thể tích cơng tác.
QH: nhiệt trị thấp của nhieen liệu (kJ/kgNL)
f a m F = m v η : hiệu suất nạp. c
η : hiệu suát của sự cháy nhiên liệu.
m
19 i: số xi-lanh.
n: tốc độ động cơ.
τ: số kỳ của động cơ.
Từ phương trình trên ta cĩ thể thấy ta cĩ nhiều phương pháp để tăng cơng suất cĩ ích của động cơ và tăng hiệu suất nạp của động cơ là một trong những phương pháp đĩ.
Mà ta cĩ hiệu suất nạp của động cơ trong một chu trình là:
ctr v lt G η = G (2.3) Trong đĩ:
Gctr: khối lượng khí nạp mới thực tế của mỗi chu trình. Glt: khối lượng khí nạp mới lí thuyết của mỗi chu trình.
Do đĩ ta cĩ thể xác định được hiệu suất nạp của động cơ cĩ i xi-lanh trong một đơn vị thời gian ứng với cơng suất Ne trong 1s là:
ctr v h G η = 2 V .ρ.n.i τ (2.4)
Hiệu suất nạp của động cơ là một thơng số quan trọng của động cơ mà mỗi nhà sản xuất đều muốn tìm cách nâng cải tiến động cơ để nâng cao hệ số nạp. Trong đĩ lượng khí mới nạp vào trong mỗi chu trình cĩ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất nạp và nĩ được quyết định bởi nhiều yếu tố khác nhau, do đĩ để tăng lượng khí nạp của động cơ thì ta cần phải phân tích và xem xét nhiều yếu tố khác nhau.
Quá trình thải và nạp cịn gọi là quá trình thay mơi chất cơng tác.
Quá trình nạp cĩ liên hệ trực tiếp với quá trình thải: càng thải sạch, càng nạp đầy, cho phép tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình nên nhiệt phát sinh do cháy nhiên liệu tăng, kết quả hiệu suất nạp của động cơ tăng, cơng giãn nở tăng và cơng suất cĩ ích (Ne) tăng.
20
Như vậy chất lượng làm sạch và khối lượng khơng khí mới nạp vào xi-lanh là một trong những yếu tố quyết định hiệu suất nạp và cơng suất phát ra của động cơ.
Khối lượng nạp mới trong q trình nạp, hay là sự điền đầy khí nạp vào xi- lanh phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Tổn thất khí động học của hệ thống nạp làm giảm áp suất nạp pa đi một
lượng Δpa.
- Sự tồn đọng trong xi-lanh một lượng khí sĩt, chúng chiếm một phần thể tích xi-lanh.
- Sự sấy nĩng khí nạp mới bởi các bề mặt thành vách của hệ thống nạp và khơng gian trong xi-lanh tạo nên nhiệt độ tăng thêm ΔT, do đĩ làm giảm mật độ khí nạp vào.
2.1.1 Áp suất trong xi-lanh ở thời kì nạp pa
Là áp suất khí nạp mới trong xi-lanh khi piston ở điểm chết dưới của quá trình nạp, đây là thơng số cơ bản đánh giá khối lượng khí nạp mới:
a k a
p = p - Δp hoặc p = p - Δpa o a
Trong đĩ Δpa là tổn thất áp suất trong quá trình nạp xác định trên cơ sở phương trình Bernoullie cho dịng chảy dừng khơng chịu nén:
2
a kn
Δp = β +ξ Trong đĩ:
β : hệ số xét ảnh hưởng của giảm tốc dịng khí nạp. kn
ξ : hệ số (tổn thất) cản của đường nạp quy dẫn về tốc độ khí nạp.
Trên thực tế trong động cơ do lưu động của dịng khí trong đường ống nạp cũng như đường ống thải là khơng ổn định, va đập trong đường ống nên áp suất khí biến đổi trong suốt quá trình nạp cũng như trong suốt quá trình thải và áp suất tại mọi vùng trong xi-lanh cũng khác nhau.
21
2.1.2 Nhiệt độ cuối kì nạp Ta
Việc sấy nĩng khí nạp mới được thực hiện bởi các chi tiết nĩng của buồng cháy và hịa trộn nĩ với khí sĩt cĩ nhiệt độ cao hơn, cho đến cuối kì nạp nhiệt độ của hỗn hợp khí mới nạp và khí sĩt Ta sẽ cao hơn nhiệt độ khí nạp trong xi-lanh đường ống nạp Tk nhưng thấp hơn nhiệt độ khí sĩt.
Để xác định nhiệt độ khí nạp ta dựa trên cơ sở phương trình cân bằng nhiệt giữa khí sĩt và khí nạp mới: k r r a r T +ΔT+γ T T = 1+γ (2.5) Trong đĩ:
Tk : nhiệt độ khơng khí trước xupap nạp. Tr : nhiệt độ khí sĩt.
ΔT : nhiệt độ sấy nĩng khi nạp.
r
γ : hệ số khí sĩt.
2.1.3 Sự tồn đọng sản phẩm cháy (khí sĩt) trong xi-lanh
Trong quá trình thải khơng thể đẩy hết sản phẩm cháy ra khỏi xi-lanh, lượng sản phẩm cháy cịn lại gọi là khí sĩt, nĩ chiếm một thể tích trong xi-lanh cĩ áp suất pr và nhiệt độ Tr. Trong quá trình nạp khí sĩt giãn nở làm giảm lượng khí mới nạp vào xi-lanh. Lượng khí sĩt phụ thuộc vào phương pháp làm sạch xi-lanh, cũng như khả năng thổi quét xi-lanh của hỗn hợp khí nạp mới. Lượng khí sĩt được xác định bởi hệ số nạp.
Hệ số khí sĩt: kí hiệu là γrlà tỉ số giữa khối lượng khí sĩt chia cho khối lượng khí nạp mới (khơng khí nạp hoặc hỗn hợp nạp) vào xi-lanh:
ct r r r r ctr ct ctr ctr g M G M γ = = = G g M M (2.6) Trong đĩ:
Gr, Gctr: khối lượng khí sĩt và khí nạp mới thực tế của mỗi chu trình cơng tác.
22
gct: khối lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình.
Mr, Mctr: số kmol khí sĩt và khí nạp mới thực tế tính trên 1kg nhiên liệu.
Hệ số khí nạp ηv: là tỷ số giữa lượng khí nạp thực tế vào xi-lanh Gctr ở đầu quá trình nén so với lượng khí nạp lý thuyết Glt cĩ thể nạp đầy vào thể tích cơng tác ở điều kiện trước xupap nạp:
ctr v lt G η = G (2.7)
Trong phương trình trên, khối lượng khơng khí nạp khơng phải điền đầy tồn bộ thể tích xi-lanh Va mà chỉ là thể tích cơng tác Vh :
Glt = Vh.ρk (2.8)
Trong đĩ : ρk - khối lượng riêng của khơng khí; k k k p ρ = R.T (2.9) 2.1.4 Phương trình hệ số nạp
Từ phương trình (2.6), (2.7) lượng khơng khí nạp sẽ xác định nếu biết khối lượng riêng khơng khí trước xupap nạp, hệ số nạp và thể tích cơng tác của xi-lanh.
ctr lt v h k v
G = G .η = V .ρ .η (2.10)
Với động cơ đã chế tạo, thể tích làm việc của xi-lanh đã biết. Khối lượng riêng khơng khí nạp tính được trên cơ sở đo trực tiếp áp suất, nhiệt độ khơng khí trước xupap nạp. Hệ số nạp là thơng số khĩ xác định ngay cả trong điều kiện thử nghiệm. Do vậy hệ số nạp chỉ được tính gần đúng. Khi viết phương trình hệ số nạp ta giả thiết quá trình nạp kết thúc tại điểm a, ứng với piston ở điểm chết dưới.
Để thành lập phương trình hệ số nạp, sử dụng phương trình cân bằng nhiệt với hỗn hợp khơng khí và khí sĩt tại điểm a của chu trình theo [10] ta cĩ:
r a ctr r ctr ctr r ctr G G = G + G = G (1+ ) = G (1+γ ) G (2.11)
23 VìG = G .ηctr lt v nên: a lt v r G = G .η (1+γ ) (2.12) Suy ra v a lt r G 1 η = . G 1+γ (2.13)
Đối với hỗn hợp khí tại điểm a và lượng khơng khí cĩ thể nạp đầy thể tích làm việc, với thơng số khí trước xupap nạp ta cĩ phương trình:
Trong đĩ: a a a a p V G = RT ; k k lt k p V G = RT ;
Thay vào (2.9) và biến đổi ta được:
a a k v k k a r V p T 1 η = V p T 1+γ ; a k V ε = V ε-1 Ta cĩ v a s k a r p T ε 1 η = ε-1 p T 1+γ (2.14) a k v k a r p T 1 η =f , , p T 1+γ (2.15)
Từ (2.11) ta thấy để nâng cao hiệu suất nạp, ta cĩ thể thay đổi các thơng số bằng cách: - Tăng áp suất pa - Giảm áp suất pk - Tăng nhiệt độ Tk - Giảm hệ số khí sĩt γr 2.1.5 Giảm hệ số khí sĩt
Khi vịng quay và phụ tải động cơ khơng đổi, giá trị hệ số khí sĩt phụ thuộc vào kết cấu buồng cháy, cơ cấu trao đổi khí. Nếu gĩc trùng điệp nhỏ, lượng khí sĩt khơng ra hết, chiếm thể tích buồng cháy, vì vậy lượng khí nạp mới vào cĩ thể tích giảm. Nếu gĩc trùng điệp lớn, lượng khí sĩt sau khi ra được một phần lại quay trở về . Vì vậy gĩc trùng điệp phải phù hợp với kết cấu động cơ, cụ thể là động cơ tham
24
khảo, hệ số khí sĩt γ = 0,028r , sau khi kiểm tra và đã thấy phù hợp, vì vậy hệ số này khơng cải thiện.
2.1.6 Tăng nhiệt độ Tk, giảm nhiệt độ Ta
s r r k r T +ΔT+γ T T = 1+γ (2.16)
Trong đĩ ΔT- độ tăng nhiệt độ khơng khí trong q trình nạp do tiếp xúc với vách xi-lanh, thơng thườngΔT=5÷15 Co
Giới hạn thay đổi tỷ số Tk/Ta phụ thuộc chủ yếu vào độ sấy nĩng khơng khí do tiếp xúc với vách xi-lanh, khối lượng và nhiệt độ khí sĩt.
2.1.7 Giảm áp suất pk, tăng pa
Nếu giả thiết các thơng số trong hiệu suất nạp là hằng số, trừ các thơng số đặc trưng gián tiếp cho tổn thất thủy lực tại cơ cấu nạp, thì phương trình hệ số nạp cĩ dạng : a k p η = B p (2.17)
Áp suất mơi chất trong xi-lanh tại điểm a nhỏ hơn áp suất khi trước xupap nạp bằng
tổn thất thủy lực Δpa
a k a
p = p - Δp (2.18)
Như vậy trị số pa và ps liên quan với nhau. Thay đổi pk sẽ làm pa thay đổi, bởi vậy cần phải xét đồng thời ảnh hưởng của hai thơng số này tới hiệu suất nạp.
Tổn thất thủy lực Δpa phụ thuộc vào hình dáng, tiết diện, độ nhám bề mặt cơ cấu nạp, cũng như tốc độ dịng khí chuyển động qua chúng. Đối với động cơ đã chế tạo,
chủ yếu ảnh hưởng đến Δpa là tốc độ lưu động dịng khí. Dùng phương trình Bernoulli để tính Δpa. Để đơn giản cho việc tính ta giả thiết tốc độ ban đầu của
25 2 kn a γ w Δp = ξ 2g (2.19) Trong đĩ:
w - tốc độ lưu động dịng khí nạp qua xupap.
kn
γ - trọng lượng riêng khơng khí nạp trước xupap.
ξ- hệ số sức cảng trên đường nạp.
2.2 Tính tốn q trình nạp động cơ Diesel tham khảo 2.2.1 Áp suất và nhiệt độ khơng khí nạp p0, T0
Ta chọn áp suất khí nạp bằng áp suất khí quyển p0 = 0,1 MPa.
Nhiệt độ khơng khí nạp là một thơng số rất quan trọng, nĩ khơng những quyết định cho việc sấy nĩng hay khơng sấy nĩng khí nạp mới mà cịn ảnh hưởng tới khả năng nạp đầy khí nạp mới vào xi-lanh động cơ. Nhiệt độ khí nạp mới chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường nơi động cơ hoạt động. Nhiệt độ trung bình của nước ta là 290C, do đĩ. T0 = Tk = (tkk + 273)K = 29+ 273 = 302oK.
Áp suất cuối quá trình nạp pa = 0,086 MPa.
2.2.2 Áp suất và nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp pk, Tk
Áp suất pk của động cơ bốn kỳ khơng tăng áp thường nhỏ hơn po (pk< po) vì khi đi vào đường ống nạp thường gặp lực cản của bầu lọc khơng khí.
Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp Tk tương đương với To. Chọn pk = 0,1013 MPa và Tk = T0 = 302oK.
2.2.3 Áp suất khí sĩt pr
Áp suất khí sĩt là một thơng số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xi-lanh động cơ. Áp suất khí sĩt được xác định bằng quan hệ sau :
r th r
26
Với Δprlà tổn thất trong quá trình thải, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường thải (động cơ cĩ lắp bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải, bình chứa khí thải hay khơng), tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thơng của họng xupap thải.
2 r 2 th k.n Δp = f (2.21)
Giá trị của áp suất khí sĩt pr phụ thuộc vào các yếu tố sau: Diện tích tiết diện thơng qua của các xupap xả.
Biên độ, độ cao, gĩc mở sớm, đĩng muộn của xupap xả. Động cơ cĩ lắp hệ thống tăng áp bằng khí xả hay khơng. Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả..
Đối với động cơ diesel thì p = (0,106 0,115)r MPa, ta chọn pr = 0,106 MPa.
2.2.4 Nhiệt độ khí sĩt Tr
Giá trị của Tr phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén ε, thành phần hỗn hợp, tốc độ quay n, gĩc đánh lửa sớm (ở động cơ xăng), hoặc gĩc phun sớm nhiên liệu (ở động cơ Diesel).
Giá trị của tỷ số nén càng cao thì khí cháy dãn nở càng nhiều nên Tr càng thấp. Xi-lanh thành phần hỗn hợp càng phù hợp thì quá trình cháy xảy ra càng nhanh, ít cháy rớt nên Tr càng giảm.
Nếu gĩc phun sớm nhiên liệu quá nhỏ thì quá trình cháy rớt tăng lên nên Tr cao.
Đối với động cơ diesel 4 kỳ thì T = (700 900)r oK,ta chọn Tr cĩ giá trị trung bình. Chọn Tr = 800oK.
2.2.5 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới T
Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xi-lanh của động cơ do tiếp xúc với vách nĩng nên được sấy nĩng lên một trị số nhiệt độ là ΔT. Mức độ sấy nĩng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu thơng của khí nạp, thời gian nạp dài hay ngắn, ngồi ra cũng phụ thuộc vào mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt tiếp xúc của xi-lanh với khí nạp.
27
Theo [9] trang 32, độ tăng nhiệt độ ΔT được xác định theo thực nghiệm ΔT = 10 250C. Do động cơ cĩ đường nạp ngắn nên sự tiếp xúc giữa khí nạp và thành động cơ ít nên ta chọn ΔT ở giới hạn thấp ΔT = 100C.
2.2.6 Áp suất cuối quá trình nạp pa
Đối với động cơ khơng tăng áp áp suất cuối quá trình nạp trong xi-lanh thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do cĩ tổn thất trên ống nạp và tại bầu lọc gây nên.
Theo [9] trang 29, áp suất cuối quá trình nạp thường cĩ giá trị : pa= [0,8 ÷ 0,95]po
Chọn: pa= 0,848po = 0,085 MPa
Trong đĩ: po = 0,1013 MPa là áp suất khí nạp trước xupap nạp.
2.2.7 Hệ số nạp v
Hệ số khí nạp được tính theo cơng thức (1.12), trang 35 [9] ta cĩ: 1 m a k r v 1 t 2 k k a 1 1.5 v p T p 1 η = . . ε.λ -λ λ ε-1 T +ΔT p p 1 302 0,085 0,106 η = . . 18.1,03-1,11.1. =0.824 18-1 302+10 0,1013 0,085 Trong đĩ:
m: chỉ số nén đa biến trung bình của khơng khí, chọn m =1,5.
1
λ : Hệ số nạp thêm ,biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí cơng tác sau khi nạp thêm so với lượng khí cơng tác chiếm chỗ ở thể tích Va.
Theo [9], hệ số nạp thêm được chọn trong giới hạn λ1 = 1,021,07. Chọn hệ số nạp thêm λ1 = 1,03.
Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt λt phụ thuộc vào hệ số dư lượng khơng khí α và nhiệt độ khí sĩt Tr.
28
Theo [9], thực nghiệm thống kê với động cơ Diesel ta cĩ thể lấy
t
λ = 1,11. 2
λ =1 : do động cơ khơng quét buồng cháy.
2.2.8 Xác định hệ số khí sĩt r