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 quá 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 nén n’1 ở giai đoạn này cĩ trị số cao hơn chỉ số đoạn nhiệt k, đường nén thực tế dốc hơn đường nén đoạn nhiệt
(hình 8.11). Cường độtrao đổi nhiệt giữa mơi chất cơng tác với vách xilanh giảm dần và ngừng hẳn khi nhiệt độ
của mơi chất cơng tác bằng với nhiệt độ trung bình của vách. Tại một vị trí nhất định của piston, chỉ số nén n’1
cĩ trị số bằng chỉ sốđoạn nhiệt k.
Hình 8.14. Đường cong biểu diễn trạng thái của mơi chất cơng tác trong quá trình nén. nén.
105 Piston tiếp tục đi vềphía ĐCT, nhiệt độ vá áp suất của mơi chất cơng tác tiếp tục
tăng làm cho cường độ lọt khí tăng, đồng thời quá trình trao đổi nhiệt giữa mơi chất cơng tác và vách xilanh diễn ra theo chiều ngược lại, tức là mơi chất cơng tác được làm mát. Kết quả là ở giai đoạn sau của quá trình nén chỉ sốnén đa biến n’1 cĩ trị số nhỏ hơn k, đường nén thực tế ít dốc hơn đường nén đoạn nhiệt
Khi piston tới gần ĐCT (điểm c’ hình 8.11b), nhiên liệu được phun vào buồng
cháy (đối với động cơ diesel) hoặc bugi bật tia lửa điện (đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức) bắt đầu quá trình cháy.
Qua phân tích ở trên cĩ thể rút ra một số nhận xét sau:
- Quá trình nén thực tế khơng hồn tồn trùng với hành trình nén của động cơ (nĩ
bắt đầu sau khi piston đã rời ĐCD và kết thúc trước khi piston tới ĐCT).
- Quá trình nén trong động cơ thực tế khơng phải là quá trình đoạn nhiệt mà là quá
trình đa biến với chỉ sốnén đa biến n’1 cĩ trị sốthay đổi trong suốt quá trình nén. Nếu dùng chỉ số nén thực tế cĩ trị số luơn thay đổi n’1 thì việc tính tốn chu kỳ
cơng tác sẽ rất phức tạp và cũng khơng cần thiết vì nĩ chỉ biến động trong một phạm vi hẹp. Đểđơn giản việc tính tốn, người ta coi quá trình nén là một quá trình đa biến với chỉ sốnén đa biến trung bình n1 cĩ trị sốkhơng đổi với điều kiện nhiệt độ, áp suất đầu và cuối quá trình nén là khơng đổi. Quá trình đĩ được biểu diễn bằng phương trình pVn1 = const.
8.3.2.2. Giới thiệu các thơng số của q trình. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến
các thơng số.
Giới thiệu các thơng số của quá trình nén
1. Chỉ sốnén đa biến trung bình n1 là chỉ số nén giảđịnh cĩ trị sốkhơng đổi được sử dụng thay thế cho chỉ sốnén đa biến thay đổi n’1. Khi thiết kế động cơ, chỉ số nén
đa biến trung bình n1 được xác định theo phương pháp gần đúng dựa vào phương trình cơng và trao đổi nhiệt trong quá trình nén hoặc là lựa chọn căn cứ vào đặc điểm của
động cơ thiết kế và ảnh hưởng của những yếu tố khác nhau tới quá trình nén. Trị số n1
thường nằm trong khoảng (1,32 ÷ 1,37). Trong một sốtrường hợp đặc biệt n1 cĩ thểđạt trị số của chỉ sốnén đoạn nhiệt k. 2. Nhiệt độ cuối hành trình nén: 1 1 1 1 . . n n c a a Va T T T Vc (8-33) 3. Áp suất cuối hành trình nén pc: 1 1 . . n n c a a Va p p p Vc (8-34)
4. Cơng tiêu hao cho quá trình nén Lac:
1 1 . . . 1 ac a c L p Va p Vc n (8-35)
Trong các cơng thức trên:
ε – tỷ số nén của động cơ; Pa, Ta – áp suất và nhiệt độ của mơi chất cơng tác ởđầu quá trình nén; Va, Vc – thể tích cơng tác của xilanh tại các thời điểm đầu và cuối hành trình nén.
Ở động cơ xăng pc = (7 ÷ 12) kG/cm2;
Ởđộng cơ diesel pc = (30 ÷ 45) kG/cm2
Đối với động cơ diesel, để tạo điều kiện tốt cho quá trình bốc cháy nhiên liệu, nhiệt độ cuối quá trình nén phải cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu khoảng 250 ÷ 3000C.
106
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến các thơng số
Tốc độđộng cơ n
Khi tăng số vịng quay sẽlàm tăng sốchu trình trong 1 giây, qua đĩ làm tăng trạng thái nhiệt của các chi tiết trong xylanh, giảm thời gian rị khí và thời gian tiếp xúc giữa mơi chất mới và thành xylanh. Kết quả của những thay đổi trên sẽ làm cho mơi chất tản nhiệt ít hơn, khiến n1 tiến sát tới k1. Như vậy tăng tốc độđộng cơ sẽlàm tăng n1.
Trên hình 8.11a giới thiệu sựthay đổi của Pc và n1 của động cơ Diesel theo tốc độ động cơ n. Hình 8.11b là biến thiên của n1 theo n của động cơ xăng ở ba vị trí bướm ga
khác nhau. Đĩ là những quan hệđường thẳng, khi tăng tốc độ nén sẽlàm tăng n1 và Pc. Tuy nhiên trong động cơ xăng ảnh hưởng của tốc độ nén tới n1 ở chếđộ mở 100%
bướm ga là khơng đáng kể do với các trường hợp đĩng nhỏbướm ga. Hiện tượng trên cĩ thể giải thích như sau: ở chếđộ mở100% bướm ga, áp suất mơi chất trên suốt đường nạp đều lớn làm nhiên liệu khĩ bay hơi; càng tăng tốc độđộng cơ, thời gian bay hơi của nhiên liệu trên đường nạp càng ít, làm tăng số nhiên liệu chưa bay hơi vào xylanh, tới
đầu quá trình nén vẫn bay hơi tiếp sẽ hút nhiệt của mơi chất làm giảm n1 trong giai đoạn
đầu quá trình nén. Hiện tượng trên càng tăng khi tăng tốc động cơ. Như vậy trong trường hợp mở100% bướm ga, hiện tượng mất nhiệt của mơi chất ở đầu quá trình nén do bay
hơi của nhiên liệu tạo ra sẽ càng nhiều khi tăng số vịng quay n. Phần mất nhiệt trên gần
như được bù trừ hết do nhiệt bị tản đi từ việc tăng trạng thái nhiệt các chi tiết, giảm rị khí và giảm thời gian tiếp xúc giữa mơi chất với thành xylanh gây ra kết quả làm cho n1
ít thay đổi khi tăng tốc độ n.
Nếu tăng tốc độ động cơ n, áp suất
phía sau bướm ga càng giảm nhanh, điều kiện ấy khiến nhiên liệu bay hơi nhanh. Như vậy càng tăng tốc động cơ càng khơng
cịn nhiên liệu bay hơi ở đầu quá trình nén,
làm cho n1 tăng nhanh khi tăng tốc độđộng
cơ n. Tốc độtăng của n1 theo n càng lớn khi
đĩng bướm ga càng nhiều.