II. Nhiệm vụ, yêu cầu, sơ đồ và nguyên lý hệ thống bôi trơn: 1.Nhiệm vụ:
PHẦN 8: Thiết kế hệ thống nạp thả
1.3. ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH NẠP-THẢI TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Hai quá trình nạp và thải liên quan mật thiết với nhau, tuỳ theo số kỳ của động cơ và phương pháp thải nạp, có những thời điểm chúng xảy ra cùng một lúc. Vì vậy khi phân tích q trình nạp cần lưu ý đến 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, q trình thay đổi mơi chất được thực hiện lúc bắt đầu mở xu páp thải (điểm b’ ). Từ b’ đến ĐCD nhờ chênh áp, sản vật cháy tự thốt ra đường thải.Sau đó, từ ĐCD tới ĐCT, nhờ sức đẩy cưỡng bức của piston, sản vật cháy được đẩy tiếp. Tại ĐCT (điểm r ), sản vật cháy chứa đầy thể tích buồng cháy Vc với áp suất pr> pthải, tạo ra chênh áp Δpr. Chênh áp Δpr phụ thuộc vào hệ số cản, tốc độ dịng khí n qua xu páp thải và vào trở lực của bản thân đường thải.
Xu páp thải thường được đóng sau ĐCT (đóng muộn ) nhằm tăng thêm giá trị
“ tiết diện - thời gian “ mở cửa thải, đồng thời để tận dụng chênh áp Δpr và qn tính của dịng khí thải tiếp tục đẩy khí sót ra ngồi.
1.4.1. Q trình nạp.
Q trình nạp mơi chất mới vào xi lanh được thực hiện khi piston đi từ ĐCT xuống
ĐCD. Lúc đầu ( tại điểm r ), do pr > pk (pk – áp suất môi chất mới trước xu páp nạp ) và do p
r> pth nên một phần sản vật cháy trong thể tích Vc vẫn tiếp tục chạy ra ống thải, bên trong
xi lanh khí sót giãn nở đến điểm ro rồi từ đó trở đi, mơi chất mới có thể bắt đầu nạp vào xi lanh.
P
P
r
Pth V
Hình 1-16. Đồ thị cơng của q trình trao đổi khí trong động cơ 4 kỳ
Quá trình nạp lệ thuộc vào rất nhiều yếu tố, khiến cho môi chất mới nạp vào xi lanh trong mỗi chu trình nhỏ hơn lượng nạp lý thuyết, được tính bằng số mơi chất mới chứa đầy thể tích cơng tác Vh có nhiệt độ Tk và áp suất pk của mơi chất mới ở phía trước xu pap nạp (đối với động cơ điêden) hoặc của mơi chất mới ở phía trước bộ chế hồ khí (đối với động cơ xăng). Các thơng số sau đây ảnh hưởng chính tới quá trình nạp :
+ Áp suất cuối quá trình nạp pa
Áp suất cuối q trình nạp có ảnh hưởng lớn tới công suất động cơ. Muốn tăng áp suất cuối quá trình nạp người ta sử dụng các biện pháp sau :
- Tạo đường nạp có hình dạng khí động tốt, tiết diện lưu thơng lớn và phương hướng lưu động thay đổi từ từ, ít ngoặt.
- Dùng xu páp có đường kính lớn hoặc dùng nhiều xu páp. Động cơ A16 DMS sử dụng hai xu páp nạp và hai xu páp thải cho mỗi máy, do đó tăng được lượng khí lưu thơng trong mỗi chu trình, tăng áp suất pa.
Cuối q trình thải, xi lanh cịn lưu lại 1 ít sản vật cháy gọi là khí sót. Trong q trình nạp, số khí sót trên sẽ giãn nở, chiếm chỗ trong xi lanh và trộn với khí nạp mới ,làm giảm lượng khí nạp mới. Vì vậy giảm lượng khí sót sẽ làm tăng lượng khí nạp vào , làm tăng cơng suất động cơ. Các biện pháp sau làm giảm lượng khí sót :
- Dùng động cơ tăng áp. Phương pháp này thường được sử dụng trên động cơ điêden do không bị hạn chế bởi khả năng kích nổ.
- Tăng góc trùng điệp các xu páp nạp và thải. Phương pháp này áp dụng cho cả động cơ xăng và điêden.
+ Nhiệt độ sấy nóng mơi chất mới ΔT
Đi trên đường nạp và vào xi lanh, mơi chất mới tiếp xúc với các bề mặt nóng của động cơ, được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên một gia số ΔT.
ΔT = ΔTt– ΔT b.h Trong đó :
ΔTt- mức tăng nhiệt độ của môi chất mới do sự truyền nhiệt từ các bề mặt nóng
ΔT b.h - mức giảm nhiệt độ của môi chất mới do bay hơi của nhiên liệu .
ΔT = 20 ÷ 40o
C - đối với động cơ điêden;
ΔT = 0 ÷ 20o
C - đối với động cơ xăng.
+ Nhiệt độ mơi chất cuối q trình nạp Ta
Nhiệt độ mơi chất cuối q trình nạp Ta cũng ảnh hưởng tới mật độ môi chất mới nạp
vào xi lanh. Tăng Ta làm giảm mật độ môi chất mới nạp vào xi lanh và ngược lại. Nhiệt độ
môi chất cuối quá trình nạp Ta lớn hơn Tk( nhiệt độ mơi chất mới trước xu páp nạp ) và nhỏ
hơn Tr ( nhiệt độ khí sót ) là do kết quả của việc truyền nhiệt từ các bề mặt nóng tới mơi chất
mới khi tiếp xúc và việc hồ trộn của mơi chất mới với khí sót nhiều hơn. Các q trình trên diễn ra riêng lẻ trên đường nạp hoặc đồng thời trên xi lanh động cơ.
- Hệ số nạp :
Hệ số nạp ηv là tỉ số giữa lượng môi chất mới thực tế nạp vào xi lanh ở đầu quá trình
nén khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải so với lượng mơi chất mới lý thuyết có thể nạp đầy
vào thể tích cơng tác của xi lanh Vh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ mơi chất phía trước xu
páp nạp. Môi chất mới của động cơ điêden là khơng khí , của động cơ xăng là hồ khí của khơng khí và hơi xăng tạo thành. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp của động cơ 4 kỳ bao
mơi chất mới ΔT ; hệ số khí sót γr; nhiệt độ Tr và áp suất pr ; tỉ số nén ε; hệ số quét buồng cháy λ2và hệ số nạp thêm λ1. Những thơng số trên có liên hệ qua lại mật thiết với nhau và mỗi thông số lại phụ thuộc vào các yếu tố khác. Vì vậy song song với việc phân tích ảnh hưởng của từng thơng số riêng biệt phải phân tích ảnh hưởng tổng hợp của chúng tới hệ số nạp ηvtheo các chế độ làm việc cụ thể của động cơ
- Các biện pháp chính làm tăng hệ số nạp và giảm cản cho đường nạp :
Hệ thống đường nạp của động cơ gồm: bình lọc khí, bộ chế hồ khí, đường nạp chung, các nhánh nạp của các xi lanh và xu pap đều gây cản đối với dịng khí nạp. Làm thế nào để giảm cản cho hệ thống này là vấn đề đáng lưu ý. Muốn giảm trở lực của hệ thống cần có tiết diện lớn của đường thơng qua đó giảm tốc độ của dịng chảy, cần chú ý đặc biệt đến lực cản cục bộ do chuyển hướng dòng hoặc do tăng giảm đột ngột tiết diện lưu thơng của dịng tạo ra. Khi tìm biện pháp giảm cản cho đường nạp cần phải lưu ý tới nhiều yếu tố khác nhau.
+ Bình lọc
Khi tìm cách giảm cản cho bình lọc, trước tiên phải chú ý tới hiệu quả lọc.Phải đòi hỏi giảm trở lực tới mức nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo tốt hiệu quả lọc.Trong lúc sử dụng cần thường xuyên bảo dưỡng bình lọc, tuyệt đối tránh khơng để dầu bẩn gây tắc lõi lọc giấy, phải thay lõi lọc kịp thời.
+ Bộ chế hồ khí
Muốn cho họng đạt được tác dụng mong muốn lại giảm bớt trở lực, người ta lắp nối tiếp hai, ba họng lớn nhỏ khác nhau để nhiên liệu được phun vào họng nhỏ, nơi có độ chân khơng cao nhất, phần đuôi của họng nhỏ, đặt tại nơi thắt nhỏ nhất của họng lớn. Tiết diện lưu thông của họng lớn được chọn theo yêu cầu nạp môi chất mới của động cơ, còn họng nhỏ được chọn theo yêu cầu về độ chân không để hút và xé tơi nhiên liệu.
+ Đường ống nạp :
Hình dạng, kích thước của ống nạp gây ảnh hưởng lớn tới hệ số nạp, tới mức độ phun tơi và bay hơi của nhiên liệu và sự phân phối về số lượng và thành phần hồ khí vào các xi lanh, đây là vấn đề tương đối phức tạp. Nếu làm tiết diện ống nạp lớn để giảm cản thì sẽ làm tăng tiêu hao nhiên liệu và thành phần hồ khí vào các xi lanh khơng đều nhau. Vì vậy một số động cơ xăng, muốn đạt yêu cầu ít tiêu hao nhiên liệu ở tải nhỏ, phải chấp nhận mất mát 1 ít cơng suất bằng cách dùng ống nạp có tiết diện nhỏ một chút.Và để hồ khí có thành phần và khối lượng đều nhau người ta cịn cố ý gây ngoằn ngoèo ở một vài đoạn ống.
+ Các nhánh ống nạp tới các xi lanh và xu páp nạp:
Trong hệ thống nạp của động cơ, xu páp nạp là nơi có tiết diện lưu thơng nhỏ nhất nên trở thành bộ phận quan trọng nhất của lực cản đường nạp. Người ta thường giảm đường kính xu páp thải để tăng đường kính xu páp nạp, tăng hành trình cực đại, tăng tốc độ đóng mở các xu páp, tăng thời gian giữ xu páp ở vị trí mở lớn nhất để tăng khả năng lưu thông qua xu páp.
Cấu tạo của nhánh ống nạp, nhất là phần sát với xu páp gây ảnh hưởng lớn tới lực cản của đường nạp. Muốn có hình dạng đường nạp tốt nhất phải thử nghiệm trên mơ hình làm bằng vật liệu dẻo cho tới khi đạt hiệu quả cao nhất.
Các thử nghiệm đã đem lại những kết quả có giá trị.Phía trước xu páp nạp, thêm một vấu nhơ trơn trịn tạo họng thắt hợp lý có thể làm giảm cản cho đường nạp. Nếu lắp ống Laval trên miệng đi vào xu páp nạp sẽ làm tăng lưu lượng hồ khí một cách rõ rệt khi chạy
ở tốc độ cao. Mở rộng đường nạp và tránh những đường ngoặt gấp sẽ có thể giảm bớt lực cản .v.v…
Dạng cửa vào phải được thiết kế để cho khơng khí vào sẽ quay hoặc xốy quanh trục của xi lanh. Độ xoáy được thay đổi với mỗi kiểu và kích cỡ buồng cháy được sử dụng.
1.3.2. Q trình thải
Nhiều vấn đề của quá trình thải đã được trình bày khi nghiên cứu về quá trình nạp, ở đây chỉ giới thiệu bổ sung một số vấn đề.
a- Thải sạch và cơng tiêu hao cho q trình thay đổi mơi chất :
Để thải sạch khí sót và nạp đầy mơi chất mới vào xi lanh, hầu hết các động cơ hiện đại đều sử dụng hiệu ứng động của dao động áp suất trong hệ thống nạp thải nhằm tạo nên sóng áp dương ở khu vực xu páp nạp trước khi kết thúc q trình nạp và tạo nên sóng áp âm ở khu vực xu páp xả trước khi kết thúc quá trình thải. Ở động cơ tăng áp người ta lợi dụng chênh áp từ đường nạp– xi lanh - đường thải để mở rộng, kéo dài thời kì trùng điệp của các xu páp để qt buồng cháy, thải sạch khí sót và nạp đầy môi chất mới vào xi lanh.
Cơng tiêu hao cho q trình thay đổi mơi chất được thể hiện bằng diện tích đồ thị p – Vgiữa đường nạp và đường thải. Nếu đường thải nằm cao hơn đường nạp (động cơ khơng tăng áp hình 1.10a ) thì cơng tiêu hao cho thời kì thay đổi mơi chất là cơng âm. Nếu đường thải thấp hơn đường nạp (động cơ tăng áp hình 1.10b ) thì đó là cơng dương.
Hình 1-17 Diễn biến quá trình thải trong động cơ 4 kỳ
a) Diễn biến quá trình thải trong động cơ 4 kỳ, khơng tăng áp
b) Diễn biến q trình thải trong động cơ 4 kỳ, tăng áp
b- Vấn đề khử độc hại của khí thải động cơ :
Khí thải từ xi lanh động cơ đi ra mơi trường, ngồi các sản vật cháy hồn tồn CO2, H2O, N2, cịn chứa các sản vật chưa được cháy hoàn toàn, các sản vật được phân giải từ sản vật cháy hoặc từ nhiên liệu. Nhiều chất trong khí thải rất độc đối với sức khoẻ con người như : CO, NOX, khí SO2 và H2S, các alđêhit, các hiđro các bon thơm, các hợp chất của chì.Vì vậy vấn đề đặt ra là làm sao để giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường do khí thải từ động cơ.Vấn đề đó được giải quyết theo 2 hướng sau: hồn thiện chu trình làm việc của động cơ và lắp thiết bị trung hoà trên hệ thống thải.
Để hồn thiện chu trình làm việc của động cơ có thể thực hiện bằng các giải pháp sau: - Tối ưu hoá cấu tạo của buồng cháy để hạn chế sự hình thành HC.
- Tăng cường chuyển động rối và chuyển động xốy lốc của mơi chất. - Tối ưu hoá tỷ số nén ε.