Bài giảng Lý thuyết động cơ ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ Ô TÔ SỐ TÍN CHỈ: 03 LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Hưng Yên - 2015 Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 1 MỤC LỤC TÍN CHỈ 1 CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ........................................... 2 1.1. Động cơ đốt trong ................................................................................................. 2 1.2. So sánh động cơ đốt trong với các loại động cơ nhiệt khác ................................. 2 1.3. Phân loại động cơ đốt trong .................................................................................. 3 1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong loại trục khuỷu – thanh truyền ......... 6 1.4.1. Sơ đồ nguyên lý và cấu trúc cơ bản 6 1.4.2. Các khái niệm và thông số cơ bản của động cơ đốt trong 7 1.4.3. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 1 xy lanh 8 1.4.4. Nguyên lí làm việc của động cơ điêzen (diesel) 1 xy lanh 9 1.4.5. Nguyên lý làm việc của động cơ nhiều xy lanh 11 1.4.6. Nguyên lý động cơ có tăng áp 13 1.5. Nguyên lý làm việc của động cơ pít tông quay (động cơ Walken) .................... 15 CHƢƠNG II: CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ................ 16 2.1. Chu trình lý tƣởng ............................................................................................... 16 2.1.1. Khái niệm chu trình lý tƣởng 16 2.1.2. Các loại chu trình lí tƣởng 17 2.2. Chu trình thực tế của động cơ đốt trong ............................................................. 18 2.2.1. Quá trình nạp 18 2.2.2. Quá trình nén 27 2.2.3. Quá trình cháy 30 2.2.4. Quá trình thải 40 2.3. Các thông số của chu trình công tác của động cơ đốt trong ............................... 41 2.3.1. Công chỉ thị 41 2.3.2. Áp suất chỉ thị 41 2.3.3. Công suất 42 2.3.4. Hiệu suất chỉ thị 43 2.4.5. Suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị 43 Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 2 TÍN CHỈ 1 CHƢƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1. Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một trong các loại động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng. Động cơ nhiệt hoạt động với hai quá trình cơ bản nhƣ sau: - Đốt cháy nhiên liệu, giải phóng hóa năng thành nhiệt năng và gia nhiệt cho môi chất công tác. Trong giai đoạn này xảy ra các hiện tƣợng lý hoá rất phức tạp. - Biến đổi trạng thái của môi chất công tác, hay nói cách khác, môi chất công tác thực hiện chu trình nhiệt động để biến đổi một phần nhiệt năng thành cơ năng. Trên cơ sở đó có thể phân loại động cơ nhiệt thành hai loại chính là động cơ đốt ngoài và động cơ đốt trong. Ở động cơ đốt ngoài, ví dụ máy hơi nƣớc cổ điển trên tàu hỏa, hai giai đoạn trên xảy ra ở hai nơi khác nhau. Giai đoạn thứ nhất xảy ra tại buồng đốt và nồi xúp-de, kết quả đƣợc hơi nƣớc có áp suất và nhiệt độ cao. Còn giai đoạn thứ hai là quá trình giãn nở của hơi nƣớc trong buồng công tác và sinh công làm quay bánh xe. Ở động cơ đốt trong, hai giai đoạn trên diễn ra tại cùng một vị trí, đó là bên trong buồng công tác của động cơ. Hai loại động cơ nói trên đều có hai kiểu kết cấu, đó là động cơ kiểu pít tông và kiểu tuabin theo sơ đồ dƣới đây, hình 1-1. Hình 1-1. Động cơ đốt trong thuộc họ động cơ nhiệt Do giới hạn của giáo trình, chúng ta chỉ xét động cơ đốt trong kiểu pít tông và từ đây gọi vắn tắt là động cơ đốt trong (ĐCĐT). Trong thực tế, động cơ kiểu tuabin là đối tƣợng khảo sát của chuyên ngành máy tuabin. 1.2. So sánh động cơ đốt trong với các loại động cơ nhiệt khác Ƣu điểm Nhƣợc điểm - Hiệu suất có ích e lớn nhất, có thể đạt tới 50% - Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ. Động cơ nhiệt Động cơ đốt ngoài Động cơ đốt trong Kiểu pít tông iston Kiểu tuabin Kiểu pít tông Kiểu tuabin Kiểu rô to Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 3 hoặc hơn nữa. Trong khi đó, máy hơi nƣớc cổ điển kiểu pít tông chỉ đạt khoảng 16%, tuabin hơi nƣớc từ 22 đến 28%, còn tuabin khí cũng chỉ tới 30%. - Kích thƣớc và trọng lƣợng nhỏ, công suất riêng lớn. Do đó, động cơ đốt trong rất thích hợp cho các phƣơng tiện vận tải với bán kính hoạt động rộng. - Khởi động, vận hành và chăm sóc động cơ thuận tiện, dễ dàng. - Tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men sinh ra không lớn. Do đó, động cơ không thể khởi động đƣợc khi có tải và phải có hệ thống khởi động riêng. - Công suất cực đại không lớn. Ví dụ, một trong những động cơ lớn nhất thế giới là động cơ của hãng MAN B&W có công suất 68.520 kW (số liệu 1997), trong khi tuabin hơi bình thƣờng cũng có công suất tới vài chục vạn kW. - Cấu tạo phức tạp, giá thành chế tạo cao. - Nhiên liệu cần có những yêu cầu khắt khe nhƣ hàm lƣợng tạp chất thấp, tính chống kích nổ cao, tính tự cháy cao... nên giá thành cao. Mặt khác, nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ ngày một cạn dần. Theo dự đoán, trữ lƣợng dầu mỏ chỉ đủ dùng cho đến giữa thế kỷ 21. - Ô nhiễm môi trƣờng do khí thải và ồn. Tuy nhiên, với những ƣu điểm nổi bật nhƣ trên, động cơ đốt trong hiện nay vẫn là máy động lực chủ yếu, đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các lĩnh vực của đời sống con ngƣời nhƣ giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ngƣ nghiệp...Theo các nhà khoa học, trong vòng nửa thế kỷ tới vẫn chƣa có động cơ nào có thể thay thế đƣợc động cơ đốt trong. 1.3. Phân loại động cơ đốt trong §éng c¬ ®èt trong cã thÓ ®-îc ph©n lo¹i theo nhiÒu tiªu chÝ kh¸c nhau: Tiêu chí phân loại Các loại động cơ Theo cách thực hiện chu trình công tác Động cơ bốn kỳ: Là động cơ có chu trình công tác thực hiện sau bốn hành trình của pít tông hay hai vòng quay của trục khuỷu. Động cơ hai kỳ: Là động có chu trình công tác thực hiện sau hai hành trình của pít tông hay một vòng quay của trục khuỷu. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 4 Theo nhiên liệu Động cơ nhiên liệu lỏng: nhƣ xăng, điêzen (diesel), cồn pha xăng hoặc điêzen (diesel), dầu thực vật... Động cơ nhiên liệu khí: Nhiên liệu khí bao gồm: khí thiên nhiên (Compressed Natural Gas - CNG), khí hoá lỏng (Liquidfied Petroleum Gas - LPG), khí lò ga, khí sinh vật (Biogas)... Động cơ nhiên liệu kép (Dual Fuel) ví dụ nhƣ động cơ gas+ xăng, ga + điêzen (diesel) Động cơ đa nhiên liệu (Multi Fuel) nhƣ động cơ có thể dùng đƣợc cả điêzen (diesel) và xăng, hoặc động cơ dùng cả xăng và khí đốt. Theo phƣơng pháp hình thành khí hỗn hợp Hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh nhƣ động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí hoặc hệ thống phun xăng gián tiếp (phun vào đƣờng nạp). Hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh nhƣ động cơ điêzen (diesel) hay động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection - GDI) vào xy lanh. Theo phƣơng pháp đốt cháy hỗn hợp Động cơ đốt cháy cưỡng bức nhƣ động cơ xăng. Động cơ cháy do nén nhƣ động cơ điêzen (diesel). Theo phƣơng pháp nạp Động cơ không tăng áp: không khí hay hỗn hợp đƣợc hút vào xy lanh bởi sự chênh áp giữa đƣờng nạp và xy lanh. Động cơ tăng áp: không khí hay hỗn hợp đƣợc nén trƣớc khi nạp vào xy lanh. Theo tốc độ trung bình của pít tông Gọi tốc độ trung bình của pít tông là cm. Dễ dàng tính đƣợc 30 n.S cm  (m/s) với S là hành trình pít tông (m) và n là tốc độ vòng quay của trục khuỷu (v/ph). Theo cm ngƣời ta phân loại động cơ nhƣ sau: Động cơ tốc độ thấp 3,5 m/s  cm  6,5 m/s Động cơ tốc độ trung bình 6,5 m/s  cm  9 m/s Động cơ cao tốc cm  9 m/s Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 5 Theo dạng chuyển động của pít tông Động cơ pít tông tịnh tiến thƣờng gọi ngắn gọn là động cơ pít tông. Đa số động cơ đốt trong là động cơ pít tông. Động cơ pít tông quay hay động cơ rôto do Wankel phát minh năm 1954 nên còn gọi là động cơ Wankel. Theo cách bố trí xy lanh Thứ tự bố trí xy lanh Động cơ thẳng hàng Động cơ chữ V Động cơ đối đỉnh Động cơ hình sao Hình 1-2: Động cơ thằng hàng Hình 1-3: Động cơ chữ V Hình 1-4: Động cơ đối đỉnh Hình 1-5: Động cơ hình sao Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 6 1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong loại trục khuỷu – thanh truyền 1.4.1. Sơ đồ nguyên lý và cấu trúc cơ bản Cấu tạo của động cơ đốt trong bao gồm: a. Cơ cấu sinh lực gồm: 1. Bộ hơi: Xy lanh, cụm pít tông, nắp máy 2. Bộ phận chuyển động và dự trữ năng lƣợng: Trục khuỷu, thanh truyền, bánh đà. b. Các hệ thống và cơ cấu khác: 1. Cơ cấu phối khí: Cụm xuppap hút và xả, trục cam, cơ cấu dẫn động trục cam. 2. Hệ thống bôi trơn: Cácte dầu, bơm dầu, lọc dầu, các tuyến dầu, két làm mát dầu 3. Hệ thống làm mát: Két nƣớc, bơm nƣớc, áo nƣớc, van hằng nhiệt, đƣờng ống nƣớc 4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí hoặc phun xăng, hệ thống nhiên liệu đông cơ điêzen (diesel). 5. Hệ thống điện động cơ: Hệ thống khởi động, hệ thống cung cấp điện Cấu trúc cơ bản Lƣợc đồ Hình 1-6: Cấu trúc động cơ 4 kỳ 1. Trục khuỷu 2. Thanh truyền 3. Xy lanh 4. Pít tông 5. Xuppap nap 6. Họng hút 7.Trục cam nạp 8.Trục cam xả 9. Xuppap xả 10.Nắp máy 11. Đường ống xả 1 2 3 456 §CT §CD S D Hình 1-7: Lược đồ động cơ bốn kỳ 1. Trục khuỷu 2. Thanh truyền, 3. Piston 4. Xuppáp thải(xả) 5. Vòi phun (động cơ diesel) hay bugi (động cơ xăng), 6. Xuppáp nạp ĐCT. Điểm chết trên ĐCD. Điểm chết dưới S. Hành trình piston D. Đường kính xy lanh Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 7 1.4.2. Các khái niệm và thông số cơ bản của động cơ đốt trong Dựa vào lƣợc đồ hình 1-7. Ta có thể đƣa ra một số khái niệm cơ bản sau: Quá trình công tác là tổng hợp tất cả biến đổi của môi chất công tác xảy ra trong xy lanh của động cơ và trong các hệ thống gắn liền với xy lanh nhƣ hệ thống nạp - thải. Chu trình công tác là tập hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra bên trong xy lanh của động cơ và diễn ra trong một chu kì. Kỳ là một phần của chu trình công tác xảy ra khi pít tông dịch chuyển một hành trình. Điểm chết: Trong hoạt động của cơ cấu sinh lực có hai khái niệm điểm chết: điểm chết của pít tông và điểm chết của trục khuỷu. Điểm chết của pít tông là điểm mà tại đó pít tông có vận tốc bằng 0, hoặc diễn giải theo một cách khác: là điểm pít tông ở vị trí cao nhất hoặc thấp nhất trong lòng xy lanh. Nhƣ vậy pít tông có 2 điểm chết (hình 1.8) là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dƣới (ĐCD). Điểm chết trên của pít tông là điểm mà pít tông cách xa đƣờng tâm trục khuỷu nhất. Điểm chết dƣới của pít tông là điểm mà pít tông cách tâm trục khuỷu một khoảng ngắn nhất. Điểm chêt của trục khuỷu cũng có hai vị trí là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dƣới (ĐCD), là các điểm mà tại đó đƣờng tâm của má khuỷu trùng với đƣờng tâm của thanh truyền. Hành trình pít tông (S): Là khoảng cách giữa hai điểm chết (m). Thể tích công tác Vh là khoảng không gian trong lòng xilanh đƣợc tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCD tới mặt đỉnh pít tông ở ĐCT. Thể tích buồng cháy Vc là khoảng không gian trong lòng xilanh đƣợc tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCT tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh. Thể tích toàn phần Va là khoảng không gian trong lòng xilanh đƣợc tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCD tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh . Hình 1-8: Các vị trí điểm chết của ĐCĐT Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 8 Tỷ số nén  là tỷ số giữa thể tích lớn nhất( thể tích toàn phần Va) và thể tích nhỏ nhất (thể tích buồng cháy Vc ): c h c ch min max V V 1 V VV V V    (1.1) 1.4.3. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 1 xy lanh Động cơ bốn kỳ có chu trình công tác đƣợc thực hiện sau bốn hành trình của pít tông hay hai vòng quay của trục khuỷu. Hành trình thứ nhất: hành trình nạp( HÚT), hình 1-10 Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD tạo nên độ chân không trong xy lanh. Hoà khí từ đƣờng nạp gọi là khí nạp mới đƣợc hút vào xy lanh qua xuppáp nạp đang mở và hoà trộn với khí sót của chu trình trƣớc tạo thành hỗn hợp công tác. Xuppáp nạp mở sớm một góc là 1 tại điểm d1 trƣớc khi pít tông đến ĐCD để tăng tiết diện lƣu thông của dòng khí nạp. Hình 1-9: Đồ thị mô tả các quá trình làm việc của động cơ bốn kỳ không tăng áp a. Đồ thị công b. Đồ thị pha Hình 1-12: Hành trình cháy trong động cơ xăng Hình 1-13: Hành trình xả trong động cơ xăng Hình 1-10. Hành trình nạp của động cơ xăng Hình 1-11: Hành trình nén trong động cơ xăng Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 9 Hành trình thứ hai: hành trình NÉN , hình 1-11 Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT. Xuppáp nạp đóng muộn một góc 2 tại điểm d2 trƣớc ĐCT nhằm tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm. Hỗn hợp công tác bị nén khi hai xuppáp cùng đóng dẫn tới tăng áp suất và nhiệt độ trong xy lanh. Tại điểm c’ gần ĐCT tƣơng ứng với góc s, bugi bật tia lửa điện. Góc s đƣợc gọi là góc đánh lửa sớm. Sau một thời gian chuẩn bị rất ngắn, quá trình cháy thực sự diễn ra làm cho áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng lên rất nhanh. Hành trình thứ ba: hành trình cháy- giãn nở (NỔ ), hình 1-12 Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD. Sau ĐCT, quá trình cháy tiếp tục diễn ra nên áp suất và nhiệt độ tiếp tục tăng, sau đó giảm do thể tích xy lanh tăng nhanh. Khí cháy giãn nở sinh công. Gần cuối hành trình, xuppáp thải mở sớm một góc 3 tại điểm b’ để thải tự do một lƣợng đáng kể sản vật cháy ra khỏi xy lanh vào đƣờng thải. Hành trình thứ tƣ: hành trình thải (XẢ), hình 1-13 Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, sản vật cháy bị thải cưỡng bức do pít tông đẩy ra khỏi xy lanh. Để tận dụng quán tính của dòng khí nhằm thải sạch thêm, xuppáp thải đóng muộn sau ĐCT một góc 4 ở hành trình nạp của chu trình tiếp theo. 1.4.4. Nguyên lí làm việc của động cơ điêzen (diesel) 1 xy lanh Nguyên lý làm việc của động cơ điêzen (diesel) 4 kỳ cũng tƣơng tự nhƣ động cơ xăng , gồm các kỳ HÚT-NÉN-NỔ-XẢ, nhƣng có một số nét khác biệt: Hành trình nạp( HÚT) , hình 1-14 Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD, xuppap nạp mở, xuppap thải đóng. Không khí đƣợc hút vào trong xy lanh qua xuppap nạp. Xuppap nạp mở sớm một góc 1 trƣớc ĐCT để tăng lƣợng không khí nạp vào xy lanh. Hình 1-14: Hành trình hút trong động cơ diesel Hình 1-15: Hành trình nén trong động cơ diesel Hình 1-17: Hành trình xả trong động cơ diesel Hình 1-16: Hành trình cháy động cơ diesel Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 10 Hành trình NẾN ,hình 1-15 Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, các xuppap đóng kín, không khí trong xy lanh bị nén lại tới nhiệt độ và áp suất cao, nhiệt độ buồng cháy động cơ điêzen (diesel) lúc này khoảng 500- 8000C. Cuối hành trình nén, vòi phun phun nhiên liệu vào trong buồng cháy của động . Hành trình cháy- giãn nở ( NỔ), hình 1-16 Nhiên liệu (dầu điêzen (diesel)) áp suất cao(115kg/cm2- 1900kg/cm2) phun vào không khí đƣợc nén đến áp suất và nhiệt độ cao trong buồng cháy nên tự bốc cháy. Quá trình cháy sinh công đẩy pít tông đi xuống ĐCD. Cuối hành trình cháy, xuppap thải mở sớm một góc 2 trƣớc ĐCD nhằm tận dụng quán tính của dòng khí để thải một phần khí cháy ra ngoài. Hành trình thải( XẢ),hình 1-17 Pít tông đi từ ĐCD đến ĐCT, xuppap thải mở, khí cháy đƣợc đẩy ra ngoài qua xuppap thải. Xuppap thải đóng sau ĐCT một góc 3 nhằm mục đích thải hết sản vật cháy ra ngoài *) Nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì , hình 1-18 và 1-19 Động cơ hai kỳ, nhƣ đã nêu trong phần phân loại, có chu trình công tác thực hiện sau hai hành trình của pít tông hay một vòng quay của trục khuỷu. Hành trình thứ nhất: Pít tông đi chuyển từ ĐCT đến ĐCD, khí đã cháy và đang cháy trong xy lanh giãn nở sinh công. Khi pít tông mở cửa thải A, khí cháy có áp suất cao đƣợc thải tự do ra đƣờng thải. Từ khi pít tông mở cửa quét B cho đến khi đến điểm chết dƣới, khí nạp mới có áp suất cao nạp vào xy lanh đồng thời quét khí đã cháy ra cửa A. Nhƣ vậy trong hành trình thứ nhất gồm các quá trình: cháy giãn nở, thải tự do, quét khí và nạp khí mới. Hành trình thứ hai: Pít tông di chuyển từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét nạp vẫn tiếp tục cho đến khi pít tông đóng cửa quét B. Từ đó cho đến khi pít tông đóng của Hình 1-18: Hoạt động của động cơ 2 kì Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 11 thải A, môi chất trong xy lanh bị đẩy qua cửa thải ra ngoài, vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn lọt khí. Tiếp theo là quá trình nén bắt đầu từ khi pít tông đóng cửa thải A cho tới khi nhiên liệu phun vào xy lanh (động cơ điêzen (diesel)) hoặc bugi (động cơ xăng) bật tia lửa điện. Sau một thời gian cháy trễ rất ngắn quá trình cháy sẽ xảy ra. Nhƣ vậy trong hành trình thứ hai gồm có các quá trình: quét và nạp khí, lọt khí, nén và cháy. 1.4.5. Nguyên lý làm việc của động cơ nhiều xy lanh, hình 1-20 Trong thực tế, động cơ một xy lanh chỉ đƣợc sử dụng trên xe máy và một số loại máy nông nghiệp và chế biến sản phẩm nông nghiệp. Nhằm mục đích nâng cao công suất động cơ ngƣời ta ghép các động cơ một xy lanh (động cơ đơn) lại với nhau tạo thành động cơ nhiều xy lanh. Động cơ có từ 3 xy lanh trở lên đƣợc gọi là động cơ nhiều xy lanh. Trong động cơ nhiều xy lanh, kích thƣớc các chi tiết của các xy lanh nhƣ nhau nên quá trình làm việc của các xy lanh cũng giống nhau, chỉ khác nhau về pha. Điều này phụ thuộc vào việc bố trí vị trí tƣơng quan giữa các xy lanh. Việc bố trí này tuân theo những quy tắc sau: - Đảm bảo mômen của động cơ trong một chu trình là đồng đều nhất. Theo nguyên tắc này, ở động cơ đốt trong một hàng xy lanh, ngƣời ta bố trí sao cho góc công tác giữa 2 xy lanh làm việc liên tiếp là nhƣ nhau. - Không để tải trọng tập trung quá nhiều vào một hoặc một số cổ trục khuỷu nào đó để trục có sức bền đồng đều. - Trục khuỷu phải có hình dạng động lực hợp lý. Hình 1-21: Kết cấu trục khuỷu của một số động cơ Hình 1-20: Động cơ nhiều xylanh Hình 1-19: Các biểu đồ đặc trưng cho các trang thái làm việc của động cơ 2 kì a. Đồ thị pha ; b Đồ thị công . Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 12 Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kì 4 xy lanh thẳng hàng Với dạng trục khuỷu nhƣ hình 1-21.1 có thể bố trí góc công tác giữa hai xy lanh liên tiếp nhau là 0180 4 720 k , tức là cứ 180 0 có một lần sinh công do đó momen của động cơ phát ra đều. Mặt khác, trục khuỷu có dạng đối xứng nên tính cân bằng động lực tốt, với cấu trúc trục khuỷu trên có thể có các thứ tự làm việc là 1-3-4-2 hoặc 1-2-4-3. Ta có bảng trình tự làm việc nhƣ sau: a. Trình tự làm việc 1-3-4-2 Vòng quay trục khuỷu Góc quay trục khuỷu Thứ tự xy lanh 1 2 3 4 1/2 vòng thứ 1 0 o -180 o Hút Nén Xả Nổ 1/2 vòng thứ 2 180 o -360 o Nén Nổ Hút Xả 1/2 vòng thứ 3 360 o -540 o Nổ Xả Nén Hút 1/2 vòng thứ 4 540 o -720 o Xả Hút Nổ Nén b. Thứ tự làm việc kiểu 1-2-4-3 Vòng quay trục khuỷu Góc quay trục khuỷu Thứ tự xy lanh 1 2 3 4 1/2 vòng thứ 1 0 o -180 o Hút Xả Nén Nổ 1/2 vòng thứ 2 180 o -360 o Nén Hút Nổ Xả 1/2 vòng thứ 3 360 o -540 o Nổ Nén Xả Hút 1/2 vòng thứ 4 540 o -720 o Xả Nổ Hút Nén Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 13 1.4.6. Nguyên lý động cơ có tăng áp Một phƣơng pháp rất hiệu quả để tăng công suất động cơ là tăng lƣợng môi chất nạp bằng cách nén môi chất trƣớc khi nạp vào xy lanh. Phƣơng pháp này gọi là tăng áp cho động cơ. Khi nén, áp suất, nhiệt độ của môi chất tăng. Một số động cơ đƣợc trang bị bộ phận làm mát khí nén trƣớc khi nạp vào động cơ để nạp đƣợc nhiều hơn. Sau đây là một số phƣơng pháp tăng áp chủ yếu. 1.4.6.1 Tăng áp cơ khí Hình 1-22: Tăng áp cơ khí 1. Động cơ 2. Đường thải 3. Máy nén 4. Bình làm mát trung gian 5. Đường nạp 6. Môi chất trước máy nén 7. Bộ truyền cơ khí Với kiểu tăng áp này, máy nén 3 đƣợc dẫn động từ trục khuỷu của động cơ. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là khi số vòng quay của động cơ thay đổi đột ngột, máy nén vẫn cung cấp cho động cơ lƣợng môi chất cần thiết. Tuy nhiên, chính vì đƣợc dẫn động từ động cơ nên lƣợng khí nén phụ thuộc vào tốc độ động cơ và có nhƣợc điểm là máy nén không cung cấp đủ lƣợng khí nén phù hợp cho động cơ khi tải trọng thay đổi. 1.4.6.2. Tăng áp kiểu tuabin- máy nén Theo phƣơng pháp này, khí thải của động cơ dẫn vào tuabin 7, sinh công làm quay máy nén 3. Tốc độ vòng quay của tuabin máy nén có thể tới 100.000 vòng/phút. Phƣơng pháp này tận dụng đƣợc năng lƣợng của khí thải, nhƣng khi tốc độ vòng quay của động cơ thay đổi đột ngột, do quán tính của tuabin máy nén nên máy nén không cung cấp đƣợc lƣợng không khí cần thiết. Mặt khác, ở chế độ tốc độ vòng quay nhỏ và tải nhỏ, công của tuabin không đủ cho máy nén làm việc bình thƣờng. Hình 1-23: Tăng áp kiểu tuabin- máy nén 1. Động cơ 2. Đường xả 3. Máy nén 4. Két làm mát trung gian 5. Đường nạp 6. Môi chất trước máy nén 7. Tuabin Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 14 1.4.6.3. Tăng áp hỗn hợp Hình 1-24: Tăng áp hỗn hơp 1. Động cơ 2. Đường thải 3. Máy nén 4.tua bin 5. Bộ truyền cơ khí 6. Két làm mát trung gian 7. Đường nạp Với kiểu tăng áp này, máy nén đƣợc dẫn động từ động cơ và tuabin. Phƣơng pháp này khắc phục nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp trên. Động cơ đƣợc cung cấp khí nén phù hợp hơn tại các chế độ tải trọng và tốc độ quay khác nhau, kể cả khi thay đổi tốc độ đột ngột. Mặt khác, công suất dƣ của tuabin đƣợc sử dụng nhƣ là công có ích của cả hệ thống. Tăng áp kiểu tuabin Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 15 1.5. Nguyên lý làm việc của động cơ pít tông quay (động cơ Walken) Trục cơ quay theo chiều kim đồng hồ làm bánh răng quay, bánh răng quay dẫn động pít tông (rôto) quay làm thay đổi thể tích các khoang AC, BC, AB. Trên hình 1-25, pít tông quay theo chiều kim đồng hồ, không gian AC có thể tích tăng dần và thông với cửa nạp nên tại đây quá trình nạp diễn ra. Khí nạp đƣợc hút vào xy lanh qua cửa nạp 7. Khi điểm A đi qua cửa nạp thì quá trình nạp kết thúc. Pít tông tiếp tục quay, không gian AC giảm thể tích và thực hiện quá trình nén. Khi môi chất bị nén tới áp suất cao (khoang BC) bugi bật tia lửa điện đốt cháy nhiên liệu (động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu (động cơ điêzen (diesel)). Sau một thời gian cháy trễ, quá trình cháy thực sự diễn ra. Áp suất trong khoang tăng lên tác dụng lên bề mặt pít tông (mặt BC) làm pít tông quay, qua vành răng và bánh răng làm quay trục cơ. Khi khoang BC diễn ra quá trình cháy- giãn nở thì khoang AC diễn ra quá trình nạp và khoang AB diễn ra quá trình thải. Quá trình thải bắt đầu khi đỉnh A mở cửa thải 9. Nhận xét: Khi rô to thực hiện 1 chu trình tƣơng ứng với 3 vòng quay của trục cơ, cả 3 không gian đều thực hiện 1 chu trình làm việc gồm 4 quá trình: Hút- nén- cháy, giãn nở- thải tƣơng đƣơng với động cơ pít tông thƣờng 4 kì, 3 xy lanh. Ƣu điểm của động cơ Walken so với động cơ pít tông thông thƣờng: -Rôto quay nên cân bằng dễ dàng. Vì thế, tốc độ động cơ cao hơn động cơ pít tông thƣờng. - Vì không dùng xuppáp nên chất lƣợng nạp- thải tốt hơn do tiết diện lƣu thông lớn. - Gọn và công suất cao. Nhƣợc điểm chủ yếu của động cơ Walken so với động cơ pít tông thƣờng là các chi tiết bao kín dạng thanh ở các đỉnh của rôto và bề mặt xy lanh mòn rất nhanh do vận tốc lớn và khó bôi trơn. Vì vậy tuổi thọ động cơ thấp. Hình 1-25: Sơ đồ cấu trúc động cơ Valken 1. Rô to (piston quay) 2. Trục cơ 3. Vành răng rô to 4. Bánh răng trục cơ 5. Xilanh 6. Buồng nạp 7. Cửa nạp 8. Bugi 9. Cửa thải Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 16 CHƢƠNG II: CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1. Chu trình lý tƣởng 2.1.1. Khái niệm chu trình lý tưởng Chu trình thực tế của động cơ bao gồm các quá trình lý hoá rất phức tạp và chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố khác nhau. Về thực chất, chu trình thực tế của động cơ là chu trình hở, không thuận nghịch và không thể tính toán hoàn toàn chính xác đƣợc. Chu trình thực tế đƣợc đơn giản hoá bằng một số giả thiết nhằm những mục đích cụ thể đƣợc gọi là chu trình lý tƣởng. Những đặc điểm của chu trình lý tưởng - Lƣợng môi chất không thay đổi tức là không có quá trình thay đổi khí. - Nhiệt lƣợng cấp cho chu trình từ bên ngoài, nhƣ vậy không có quá trình cháy và toả nhiệt của nhiên liệu cũng nhƣ tổn thất cho các quá trình này. Đồng thời, thành phần môi chất cũng không đổi. - Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt và không có tổn thất nhiệt do lọt khí. - Tỷ nhiệt của môi chất trong suốt chu trình không đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Với những đặc điểm nêu trên, chu trình lý tƣởng của động cơ đốt trong sẽ là chu trình kín, thuận nghịch và không có tổn thất nào khác ngoài tổn thất nhiệt cho nguồn lạnh theo định luật nhiệt động II. Nghiên cứu chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong nhằm các mục đích sau: -Thấy rõ ảnh hƣởng của những thông số chủ yếu đến sự hoàn thiện của việc biến đổi nhiệt thành công. - Tạo điều kiện so sánh các chu trình khác nhau một cách dễ dàng. -Xác định đƣợc giới hạn cao nhất của chu trình thực tế của động cơ. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 17 2.1.2. Các loại chu trình lí tưởng 2.1.2.1. Chu trình hỗn hợp Trƣớc hết, ta gọi: - c a V V  là tỷ số nén (2.1) - c z c y p p p p  là tỷ số tăng áp suất (2.2) - c z V V  là tỷ số giãn nở sớm (2.3) - z b V V  là tỷ số giãn nở sau (2.4) ==>  . Q1: Nhiệt lƣợng cấp bởi nguồn nóng(J) Q2: Nhiệt lƣợng nhả cho nguồn lạnh(J) Q1,v: Nhiệt lƣợng của quá trình đẳng tích(J) Q2,v: Nhiệt lƣợng của quá trình đẳng áp(J) Lt: Công của chu trình(J) 2.1.2.2. Chu trình đẳng tích L: Công của chu trình(J) 2Q : Nhiệt lƣợng nhả cho nguồn lạnh(J) 1Q : Nhiệt lƣợng nhận từ nguồn nóng(J) Hình 2-1a: Chu trình hỗn hợp trên đồ thị p-V Hình 2-1b: Chu trình hỗn hợp trên đồ thị T-S Hình 2-2a: Chu trình đẳng tích trên đồ thị p-V Hình 2-2b: Chu trình đẳng tích trên đồ thị T-S Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 18 2.2. Chu trình thực tế của động cơ đốt trong Khác với chu trình lý tƣởng, chu trình thực tế của động cơ đốt trong cũng giống nhƣ mọi chu trình thực tế của các máy công tác khác là chu trình hở, không thuận nghịch. Cụ thể, chu trình thực tế có quá trình trao đổi khí và do đó có tổn thất khí nạp thải; các quá trình nén và giãn nở không phải đoạn nhiệt mà có tổn thất nhiệt cho môi trƣờng xung quanh; quá trình cháy có tổn thất nhƣ cháy không hết, phân giải sản vật cháy...Ngoài ra, môi chất công tác thay đổi trong một chu trình nên tỷ nhiệt của môi chất cũng thay đổi. Nghiên cứu chu trình thực tế nhằm những mục đích sau:  Tìm qui luật diễn biến của các quá trình tạo nên chu trình thực tế và xác định những nhân tố ảnh hƣởng. Qua đó tìm ra phƣơng hƣớng nâng cao tính kinh tế và hiệu quả của chu trình.  Xác lập những phƣơng trình tính toán các thông số của động cơ khi thiết kế và kiểm nghiệm động cơ. 2.2.1. Quá trình nạp 2.2.1.1. Diễn biến quá trình nạp - Quá trình nạp đƣợc tiến hành chủ yếu do pít tông chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết dƣới tạo ra sự chênh lệch áp suất, do đó môi chất đƣợc hút vào xy lanh. -Trong thực tế, quá trình nạp bắt đầu tại điểm d1, tƣơng ứng với vị trí góc  1 trƣớc ĐCT, xuppap nạp mở. Góc  1 gọi là góc mở sớm của xuppap nạp. Từ thời điểm áp suất trong xy lanh bằng áp suất trên đƣờng ống nạp pk trở đi, khí nạp mới thực sự đi vào trong xy lanh, cho đến khi pít tông tới ĐCD tại điểm a. Tận dụng quán tính của dòng khí nạp để nạp thêm, xupáp nạp chƣa đóng tại ĐCD mà đóng sau đó 1 góc  2 tại điểm d2. Góc  2 gọi là góc đóng muộn của xupáp nạp. Áp suất trong xy lanh phụ thuộc vào tốc độ v của pít tông, có giá trị nhỏ nhất tại vmax. Tại điểm ĐCD, ta có thể viết: pa = pk - pk (2.5) pk: Chênh lệch áp suất giữa đƣờng nạp với xylanh. pt: Chênh lệch áp suất giữa đƣờng thải và xylanh.  p t h  p k a V p ĐCD ĐCT V h p k b " p t h b ' d 2 r ' d 1 V c r Hình 2-8. Diễn biến quá trình nạp Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 19 Đối với động cơ không tăng áp, có thể coi gần đúng pk  p0 và Tk  T0. Từ phân tích diễn biến quá trình nạp trong các động cơ khác nhau ta có thể rút ra một vài nhận xét sau: - Khí nạp mới đi vào trong xy lanh phải khắc phục sức cản lƣu động nên có tổn thất áp suất pk. - Trong tất cả các loại động cơ nêu trên không thể quét hết sản vật cháy ra khỏi xy lanh. Nói cách khác, trong xy lanh vẫn còn một lƣợng khí sót hoà trộn với khí nạp mới. - Khí nạp mới đi vào xy lanh tiếp xúc với các chi tiết trong buồng cháy và hoà trộn với khí sót có nhiệt độ cao nên đƣợc sấy nóng. -Tất cả những điều đó làm cho lƣợng khí nạp mới trong xy lanh khi kết thúc quá trình nạp thông thƣờng khác so với lƣợng khí nạp mới lý thuyết có thể chứa trong thể tích xy lanh Vh qui về điều kiện ở đƣờng nạp với nhiệt độ Tk và áp suất pk. Vì vậy, để đánh giá chất lƣợng quá trình nạp, ngƣời ta đƣa ra thông số hệ số nạp v đƣợc định nghĩa nhƣ sau: hhh v V V M M G G 111  (2.6) G1 (kg/kgnl) và M1(kmol/kgnl) là lƣợng khí nạp mới thực tế trong xy lanh khi kết thúc quá trình nạp và V1 là thể tích của lƣợng khí nạp mới đó qui về điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk. Gh (kg/kgnl) và Mh(kmol/kgnl) là lƣợng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể tích Vh trong điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk. Với: hkh VG  (2.7) Hệ số nạp là một thông số đặc trƣng cho chất lƣợng quá trình nạp, thông thƣờng nhỏ hơn 1 và sẽ đƣợc khảo sát kĩ lƣỡng ở các phần sau. 2.2.1.2. Các thông số cơ bản và những nhân tố ảnh hưởng đến hệ số nạp. * Các thông số cơ bản a. Áp suất cuối quá trình nạp pa -Áp suất cuối quá trình nạp pa là một thông số quan trọng để đánh giá chất lƣợng quá trình nạp. Nếu pa càng lớn thì lƣợng khí nạp mới càng nhiều và ngƣợc lại. -Để tìm hiểu mối quan hệ giữa pa với các thông số kết cấu và các thông số làm việc của động cơ, ta dựa vào lƣợc đồ tính toán trên hình 2-9 với những giả thiết đơn giản hóa. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 20 kp : Áp suất đƣờng nạp tại mặt cắt 1-1 sau lọc gió. p : Áp suất trong xy lanh; x : Vận tốc môi chất tại họng xuppap;  : Vận tốc môi chất tại mặt cắt 2-2 k : Vận tốc môi chất tại mặt cắt 1-1, 0k ; 0 : Hệ số tổn thất đƣờng nạp qui dẫn về họng xuppap. nF : Diện tích thông qua của xuppap nạp. k : Khối lƣợng riêng của môi chất. kT : Nhiệt độ môi chất - Trong thực tế, áp suất dọc theo dòng chảy thay đổi ít nên có thể coi khối lƣợng riêng của môi chất constk  . Ta tìm giá trị tổn thất áp suất:   2 2 ' 2 2 2 0 2' 2 nn k kk F n k F n kppp    (2.8) Trong đó: k ’ là hệ số. pF : Diện tích tiết diện pít tông. S: Hành trình pít tông n: Số vòng quay của động cơ/phút - Dựa vào 2.8 ta có thể phân tích những thông số ảnh hƣởng đến tổn thất áp suất quá trình nạp. Dễ dàng nhận thấy rằng khi n,, 0 giảm và Fn tăng thì ' kp giảm và ngƣợc lại. Tại điểm a : akkk pppp  ' khi đó kp cũng có dạng nhƣ (2.16) 2 2 n nakk F n kppp  (2.9) Với kn là hệ số đƣờng nạp phụ thuộc chủ yếu vào thời gian và các thông số kết cấu của cơ cấu phối khí. Từ (2.9) ta có: 2 n 2 nkkka f n kpppp  (2.10) Trong thực tế, muốn tăng pa ta áp dụng những biện pháp sau:  Thiết kế đƣờng nạp có hình dạng, kích thƣớc hợp lý và bề mặt ống nạp phải nhẵn để giảm sức cản khí động.  Chọn tỷ số p n F F thích hợp. Hình 2-9: Lược đồ tính toán áp suất ap Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 21  Tăng Fn bằng cách tăng đƣờng kính xupáp với những biện pháp sau: giảm S/D tức tăng D và giảm S; tăng số xupáp nạp nhằm tận dụng tối đa diện tích bố trí xupáp; bố trí xupáp nghiêng so với đƣờng tâm xy lanh trong buồng cháy chỏm cầu. Chú ý rằng trong động cơ xăng, hệ số cản cục bộ trên đƣờng nạp còn phụ thuộc rất nhiều vào độ mở của bƣớm ga tức là phụ thuộc tải trọng. Cụ thể, khi tăng tải, bƣớm gam ở to hơn thì sức cản giảm. Tính toán pa hoàn toàn không đơn giản vì nhiều thông số rất khó xác định. Vì vậy, trong tính toán ngƣời ta thƣờng chọn pa theo các số liệu kinh nghiệm.  Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pa = (0,8  0,9)pk  Động cơ bốn kỳ tăng áp: pa = (0,9  0,96)pk  Động cơ hai kỳ quét vòng: 2 pp p thka    Động cơ hai kỳ quét thẳng: pa  (0,85  1,05)pk b. Hệ số khí sót r Hệ số khí sót r đã đƣợc định nghĩa bởi công thức: 1 r r M M  (2.11) Về nguyên tắc có thể xác định r bằng tính toán hoặc bằng thực nghiệm phân tích khí. ( Tham khảo bảng phụ lục 1) +) Những thông số ảnh hưởng đến r  Áp suất pr Khi tăng pr thì r sẽ tăng. Nếu nhƣ thải vào tuabin hay bộ xử lý khí thải thì pr sẽ tăng so với trƣờng hợp chỉ thải vào bình tiêu âm. Đối với quá trình thải ta cũng có thể xét tƣơng tự nhƣ quá trình nạp 2 2 th ththrthr f n kpppp  (2.12) Trong đó kth hệ số phụ thuộc chủ yếu vào các thông số kết cấu đƣờng thải và fth là tiết diện thông qua của xuppap thải. Những thông số ảnh hƣởng đến rp cũng tƣơng tự nhƣ những thông số ảnh hƣởng đến kp đã xét ở trên Tƣơng tự, khi tính toán thay vì tính theo (2.12) ngƣời ta thƣờng chọn pr theo kinh nghiệm. Động cơ tốc độ thấp: pr = (1,03  1,06)pth Động cơ cao tốc: pr = (1,05  1,10)pth Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 22 Đối với động cơ không có tăng áp tuabin, nếu không có bình tiêu âm: pth = p0. Tuy nhiên, hầu hết động cơ thực tế đều thải qua bình tiêu âm, khi đó: pth = (1,02  1,04)p0. Đối với động cơ tăng áp, pth là áp suất trƣớc tuabin. Vấn đề này sẽ đƣợc nghiên cứu trong giáo trình “Tăng áp động cơ đốt trong”.  Nhiệt độ Tr Khi Tr tăng thì r sẽ giảm và ngƣợc lại. Nhƣng trong thực tế, khi Tr tăng sẽ làm cho Ta tăng và do đó làm giảm lƣợng khí nạp mới M1 lại dẫn tới r tăng. Tổng hợp lại có thể kết luận rằng Tr ít ảnh hƣởng đến r. Tr phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tải trọng nhỏ và hệ số truyền nhiệt giữa môi chất công tác qua các chi tiết trong buồng cháy ra môi trƣờng làm mát lớn thì Tr nhỏ và ngƣợc lại. Khi tính toán thƣờng lựa chọn Tr trong phạm vi sau: Động cơ xăng: Tr = 900  1000 K Động cơ điêzen (diesel): Tr = 700  900 K  Tỷ số nén  Khi  tăng thì r giảm và ngƣợc lại. Từ đó suy ra, so với động cơ xăng thì động cơ điêzen (diesel) có r nhỏ hơn vì có tỷ số nén lớn hơn.  Lượng khí nạp mới M1 Theo định nghĩa r rõ ràng là M1 tăng thì r giảm và ngƣợc lại.  Tải trọng Khi xét ảnh hƣởng của tải trọng, ta xét hai trƣờng hợp. Đối với động cơ xăng thông thƣờng khi giảm tải phải đóng bớt bƣớm ga. Khi đó sức cản tăng nên M1 giảm và r tăng nhanh. Còn ở động cơ điêzen (diesel) thì r hầu nhƣ không phụ thuộc vào tải trọng. Khi tính toán có thể so sánh kết quả với các giá trị kinh nghiệm sau: Đối với động cơ bốn kỳ: Động cơ xăng: r = 0,06  0,1 Động cơ điêzen (diesel) r = 0,03  0,06 Đối với động cơ hai kỳ, r phụ thuộc rất lớn vào phƣơng pháp quét thải. Quét thẳng: r = 0,06  0,15 Quét vòng: r = 0,08  0,25 Quét vòng bằng hộp cácte hộp trục khuỷu: r = 0,25  0,40 c. Nhiêt độ sấy nóng khí nạp mới Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 23 Khí nạp mới từ đƣờng nạp có nhiệt độ Tk đi vào xy lanh sẽ đƣợc sấy nóng bởi các chi tiết có nhiệt độ cao trong buồng cháy, đồng thời nhiên liệu trong hỗn hợp đối với động cơ xăng sẽ bay hơi. Nhiệt độ khí nạp mới khi đó sẽ thay đổi một lƣợng là T: T = Tt - Tbh Trong đó Tt là độ tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt còn Tbh là độ giảm nhiệt độ do nhiên liệu trong khí nạp mới bay hơi. Động cơ điêzen (diesel) có Tbh = 0. Tt phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:  Hệ số trao đổi nhiệt  giữa môi chất và vách các chi tiết: Tt tăng theo .  Thời gian tiếp xúc giữa môi chất và vách các chi tiết: Tốc độ n càng lớn, thời gian tiếp xúc giảm dẫn tới Tt càng nhỏ.  Tải trọng của động cơ: Ở chế độ tải trọng lớn, nhiệt độ các chi tiết TW cao nên Tt lớn. Cần chú ý rằng, nhiều động cơ xăng dùng nhiệt của động cơ để sấy nóng đƣờng nạp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bay hơi và hoà trộn của xăng với không khí nên Tk tăng dẫn đến Tt giảm. Tuy nhiên sấy nóng đƣờng nạp làm giảm mật độ của khí nạp mới tức là làm giảm M1. Vì vậy đƣờng nạp không đƣợc sấy nóng quá. Chính vì lý do này nên đƣờng nạp ở động cơ điêzen (diesel) không đƣợc phép sấy nóng. Trong thực tế đối với động cơ không tăng áp: T = 20  40 K đối với động cơ điêzen (diesel). T = 0  20 K đối với động cơ xăng. Còn đối với động cơ tăng áp nhƣng không làm mát trung gian khí tăng áp thì T nhỏ hơn một chút. d. Nhiệt độ cuối quá trình nạp Để tính toán nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta ta coi rằng, khí nạp mới và khí sót hoà trộn đẳng áp tại áp suất pa. Lƣợng khí nạp mới M1 (pk, Tk) đi vào xy lanh đƣợc sấy nóng tới trạng thái M1 (Tk + T, pa). Lƣợng khí sót Mr (Tr, pr ) giãn nở đến trạng thái mới Mr ( rT , pa). Coi khí sót giãn nở đa biến từ (pr, Tr) đến (pa, rT ) ta có: Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 24 m 1m r a rr p p TT         (2.13) với m là chỉ số giãn nở đa biến của khí sót, trong tính toán có thể chọn m trong khoảng 1,45  1,5. Tính đƣợc: r m m r a rrtk a p p TTT T             1 1 (2.14) Khi tính toán có thể liệu tham khảo các số liệu đối với Ta nhƣ sau: Ta = 310  350 K đối với động cơ không tăng áp. Ta = 320  400 K đối với động cơ tăng áp. e. Hệ số nạp Hệ số nạp có thể xác định bằng tính toán và bằng thực nghiệm. Để tính toán hế số nạp, ta dựa vào định nghĩa hệ số nạp: h 1 v M M  Xét tổng quát cho cả động cơ bốn kỳ và hai kỳ, tại điểm a cuối quá trình nạp, lƣợng môi chất công tác bao gồm khí nạp mới và khí sót là Ma = M1a + Mr. Trong động cơ bốn kỳ, cho đến khi đóng xuppap nạp tại điểm d2, khí nạp mới đƣợc nạp thêm một lƣợng, khi đó lƣợng môi chất công tác mới là M1 + Mr. Đặt: a r 1 a r1 nt M 1 M M MM     là hệ số nạp thêm, theo kinh nghiệm nằm trong khoảng nt = 1,02  106. Trong động cơ hai kỳ, có thể coi nhƣ quá trình quét thải kết thúc khi pít tông đóng cửa quét (cửa nạp) nên không có hiện tƣợng nạp thêm, khi đó nt = 1. Ta có:                    m a r qtnt k a k k v p p p p TT T 1 .. 1 1    (2.15) m 1 a r qtnt a r r k qr p p 1 . p p . T TT          (2.16) Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 25 Hệ số nạp còn có thể xác định bằng thực nghiệm. Trƣớc hết, lƣu lƣợng khí nạp mới và các thông số trạng thái nhƣ pk và Tk đƣợc đo trực tiếp trên động cơ. Tiếp theo, từ kết quả đo tính toán đƣợc lƣợng khí nạp mới M1 và Mh rồi thay vào công thức định nghĩa hhh v V V M M G G 111  để tìm v. Vấn đề này sẽ xét trong môn “Thí nghiệm động cơ”. *Những nhân tố ảnh hưởng đến hệ số nạp Trong số các thông số cơ bản của quá trình nạp thì hệ số nạp v là thông số tổng hợp đặc trƣng cho chất lƣợng quá trình nạp. Sau đây ta sẽ khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố và qua đó tìm ra những phƣơng pháp nhằm nâng cao hệ số nạp. a. Tỉ số nén Từ công thức : m a r qtnt a r r k qr p p p p T TT 1 1 ..            , ta xét hai trƣờng hợp:  q = 0: quét sạch buồng cháy 1 .. 1          k p p TT T k a k k ntv với k = const. Một cách dễ dàng nhận thấy khi  tăng thì v giảm và ngƣợc lại.  q =1: không quét buồng cháy                    m a r tnt k a k k v p p p p TT T 1 .. 1 1    Có thể chứng minh đƣợc (ở đây ta công nhận do hạn chế về khuôn khổ giáo trình):   d d v  0 tức là tăng  sẽ làm tăng v và ngƣợc lại. Kết quả tổng hợp hai trƣờng hợp đƣợc trình bày trên hình 2-10. Trong thực tế 0  q  1 nên các đƣờng biểu diễn sẽ là các đƣờng ---. Thực nghiệm chứng tỏ  ảnh hƣởng ít đến v. Hình 2-10: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ số nén đến hệ số nạp Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 26 b. Áp suất pa Theo công thức 2.18, áp suất pa ảnh hƣởng quyết định đến v. Từ quan hệ pa = pk - pk dễ dàng nhận thấy rằng, những nhân tố làm giảm pk sẽ làm tăng pa và ngƣợc lại. Tới đây ta có thể suy ra rằng, so với động cơ xăng thì động cơ điêzen (diesel) có tổn thất áp suất nạp nhỏ hơn (do cản cục bộ đƣờng nạp và tốc độ vòng quay nhỏ hơn) nên có hệ số nạp cao hơn: vđiêzen (diesel)  vxăng. c) Trạng thái nạp (pk, Tk)  pk Khi tăng pk thì pa sẽ tăng, tỉ số k k k kk k a p p 1 p pp p p     tăng một ít vì tổn thất áp suất tƣơng đối k k p p giảm, do đó theo công thức 2.18 thì v sẽ tăng.  Tk Khi tăng Tk thì T giảm, theo (2.15), thì v tăng. Thực nghiệm chỉ ra rằng v tăng tỉ lệ với kT . Tuy nhiên phải lƣu ý rằng, v tăng do tăng Tk không có nghĩa là làm tăng lƣợng khí nạp mới vào xy lanh, vì khi đó mật độ khí nạp mới k giảm. d) Trạng thái thải (pr, Tr)  pr Theo (2.15), khi pr tăng, v giảm. Điều đó cũng có thể dễ dàng nhận thấy qua suy luận sau đây: Khi pr tăng thì khí sót giãn nở nhiều hơn làm giảm thể tích dành cho khí nạp mới nên v giảm.  Tr Tr hầu nhƣ không ảnh hƣởng đến v. e) Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới T Theo (2.15) khi tăng T thì v giảm. Tuy nhiên, ảnh hƣởng của T tới v không lớn. f) Pha phối khí Khi động cơ làm việc tại chế độ ứng với pha phối khí tối ƣu thì hệ số nạp đạt cực đại. Pha phối khí tối ƣu thƣờng lựa chọn bằng thực nghiệm. Đối với động cơ thông thƣờng thì pha phối tối ƣu chỉ có tại một chế độ cụ thể đƣợc lựa chọn bởi ngƣời thiết kế tuỳ theo tính năng sử dụng của động cơ. Một số động cơ ô tô hiện đại có pha phối khí thay đổi sao cho đạt đƣợc giá trị Hình 2-11: Ảnh hưởng của tải trọng đến hệ số nạp Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 27 tối ƣu cho hầu hết chế độ làm việc của động cơ. g) Tải trọng S Động cơ điêzen (diesel) Khi tăng tải, nhiệt độ các chi tiết trong buồng cháy tăng nên T tăng làm cho v giảm đôi chút. Theo kinh nghiệm, khi tải tăng từ không tải đến toàn tải thì v giảm khoảng 3  4%. Động cơ xăng Khi tăng tải cũng làm cho T tăng nhƣ trình bày ở trên. Tuy nhiên, khi tăng tải ở hầu hết động cơ xăng phải mở rộng bƣớm ga, sức cản đƣờng nạp giảm đáng kể nên v tăng mạnh lấn át ảnh hƣởng của T. h. Tốc độ vòng quay n Khi tăng n thì pk và pth cùng tăng làm giảm v. Đồng thời do thời gian sấy nóng khí nạp mới giảm nên T giảm dẫn tới tăng v nhƣng ảnh hƣởng của T nhỏ. Vì vậy nói chung v giảm. Tuy nhiên, nếu kể đến ảnh hƣởng của pha phối khí tối ƣu thì ban đầu v tăng cho tới khi đạt cực đại tại tốc độ ứng với pha phối khí tối ƣu rồi mới giảm. 2.2.2. Quá trình nén Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT, quá trình nén thực sự bắt đầu tại điểm d2 trên đồ thị công; nhiệt độ, áp suất môi chất tăng dần, diện tích trao đổi nhiệt giữa môi chất và thành vách các chi tiết trong buồng cháy giảm... cho nên quá trình nén là quá trình trao đổi nhiệt phức tạp. Có thể coi đây là quá trình nén đa biến với chỉ số đa biến n thay đổi. Nhiệt lƣợng trao đổi không những thay đổi về trị số mà còn thay đổi về hƣớng. 2.2.2.1. Diễn biến và các thông số của quá trình nén -Đầu quá trình nén, T  TW, môi chất nhận nhiệt, đƣờng nén khi đó dốc hơn đƣờng đoạn nhiệt, n  k. -Trong quá trình nén, áp suất và nhiệt độ của môi chất tăng dần, chênh lệch nhiệt độ T-TW giảm nên nhiệt lƣợng nhận giảm dần dẫn tới n cũng giảm dần. Cho tới khi T = TW, nhiệt lƣợng trao đổi bằng 0, lúc đó n = k. Hình 2-12: Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay n đến hệ số nạp Hình 2-13: Diễn biến quá trình nén Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 28 -Trong giai đoạn tiếp theo, do T  TW nên môi chất mất nhiệt cho vách các chi tiết nên n  k. - Để đơn giản khi tính toán, ta thay quá trình nén đa biến với n thay đổi bằng quá trình nén với chỉ số nén đa biến n1 = const với điều kiện cùng điểm đầu a và cùng công nén. Chỉ số n1 đƣợc gọi là chỉ số nén đa biến trung bình, theo kinh nghiệm nằm trong khoảng 1,32  1,39. Nếu coi gần đúng môi chất là không khí với k = 1,41 thì n1  k nên có thể kết luận rằng tính cho toàn bộ quá trình nén thì môi chất mất nhiệt cho vách các chi tiết. - Nếu nhƣ biết đƣợc n1 ta có thể dễ dàng tìm đƣợc nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén (không cháy) tại điểm c: 1 n ac pp  (2.17) 1n ac 1TT  (2.18) Để tính toán 1n ta sử dụng công thức:  1T 2 b a 8314 1n 1n av 1 1      (2.19) 2.2.2.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến n1 a. Tốc độ vòng quay n Xét tổng quát, khi tăng tốc độ vòng quay n, thời gian trao đổi nhiệt và lọt khí giảm nên môi chất mất nhiệt ít hơn làm cho n1 tăng. Theo kinh nghiệm n1 tăng gần nhƣ tỷ lệ với n. Điều này đúng cho cả động cơ xăng và điêzen (diesel). Riêng với động cơ xăng, còn phải kể đến lƣợng nhiệt môi chất mất cho bay hơi xăng trong quá trình nén xét cho hai trƣờng hợp.  Ở chế độ tải lớn: Bƣớm gamở to, sức cản nhỏ (hệ số cản 0 nhỏ). Khi tăng n, tổn thất áp suất (tỷ lệ với 0n 2) tăng chậm nên áp suất sau bƣớm gacũng giảm chậm. Do đó điều kiện bay hơi của xăng tại đây không đƣợc cải thiện là mấy trong khi thời gian bay hơi giảm. Điều đó làm cho lƣợng xăng bay hơi trên đƣờng nạp giảm tức là lƣợng xăng còn lại bay hơi trong xy lanh sẽ tăng lên. Môi chất khi đó sẽ mất nhiệt nhiều hơn làm giảm n1. Tổng hợp lại với ảnh hƣởng tổng quát, n1  const. Hình 2-14: Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay tới n1 a. Động cơ diezel b. Động cơ xăng Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 29  Ở chế độ tải nhỏ: Bƣớm gamở bé, sức cản lớn (hệ số cản 0 lớn). Khi tăng n, tổn thất áp suất (tỷ lệ với 0n 2) tăng nhanh nên áp suất sau bƣớm gacũng giảm nhanh. Vì vậy, điều kiện bay hơi của xăng tại đây đƣợc cải thiện đáng kể cho nên mặc dù thời gian bay hơi giảm nhƣng lƣợng xăng bay hơi tại đây không bị ảnh hƣởng, do đó hầu nhƣ không làm thay đổi lƣợng xăng bay hơi trong xy lanh. Khi đó chỉ còn ảnh hƣởng tổng quát làm tăng n1. b. Tải trọng Xét tổng quát, khi tăng tải, nhiệt độ trung bình các chi tiết TW tăng dẫn tới giảm mất nhiệt cho môi chất. Mặt khác lọt khí tăng nên môi chất mất nhiệt nhiều hơn. Tuy nhiên, thực nghiệm chứng tỏ ảnh hƣởng thứ nhất mạnh hơn nên n1 tăng nhƣng không nhiều. Điều này đúng cho cả động cơ xăng và điêzen (diesel). Riêng với động cơ xăng, tƣơng tự nhƣ xét ảnh hƣởng của tốc độ vòng quay, ta còn phải kể đến lƣợng nhiệt môi chất mất cho bay hơi xăng trong quá trình nén. Bằng suy luận tƣơng tự với lƣu ý vai trò của 0 và n 2 đổi chỗ cho nhau, ta có thể dễ dàng khảo sát cho hai trƣờng hợp sau:  Ở chế độ tốc độ n lớn: Khi tăng tải phải mở rộng thêm bƣớm ga, tổn thất áp suất giảm nhanh nên áp suất sau bƣớm gatăng nhanh làm cho điều kiện bay hơi của xăng tại đây kém đi. Điều đó làm cho lƣợng xăng bay hơi trong xy lanh sẽ tăng lên. Môi chất khi đó sẽ mất nhiệt nhiều hơn làm giảm n1. Tổng hợp lại với ảnh hƣởng tổng quát, n1  const.  Ở chế độ tốc độ n nhỏ: Khi tăng tải cũng phải mở rộng thêm bƣớm ga, tổn thất áp suất giảm chậm nên áp suất sau bƣớm gatăng chậm ít ảnh hƣởng tới lƣợng xăng bay hơi tại đây. Vì vậy, lƣợng xăng bay hơi trong xy lanh cũng ít bị ảnh hƣởng. Do đó chỉ còn ảnh hƣởng tổng quát xét ở trên, tức là n1 tăng. c. Kích thước xy lanh Hình 2-15: Ảnh hưởng của tải trọng tới n1 a. Động cơ diezel b. Động cơ xăng Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 30 Ta xét hai trƣờng hợp:  S/D = const, khi giảm D (giảm Vh) sẽ làm cho h lm V F giảm (vì S 4 D V 2 h   và nếu coi gần đúng DSFlm  thì Flm/Vh tỷ lệ với 1/D) nên mất nhiệt tăng, n1 giảm. Nhƣ vậy động cơ nhỏ bất lợi hơn.  Vh = const, khi giảm S/D (tức tăng D, giảm S) cũng làm h lm V F giảm nên n1 tăng. Nhƣ vậy động cơ có S/D nhỏ có lợi hơn. d. Tình trạng kĩ thuật Nếu các chi tiết nhƣ pít tông, xy lanh, xéc măng mòn nhiều; xuppap đóng không kín khít thì lọt khí nhiều sẽ làm giảm n1. Nếu trạng thái tản nhiệt từ buồng cháy không tốt nhƣ đóng cặn trong hệ thống làm mát, kết muội than trong buồng cháy... sẽ làm giảm mất nhiệt nên n1 tăng. 2.2.3. Quá trình cháy 2.2.3.1. Khái quát về quá trình cháy Quá trình cháy là quá trình ôxy hoá nhiên liệu, giải phóng hoá năng thành nhiệt năng và diễn ra rất phức tạp. Yêu cầu đối với quá trình cháy là nhiên liệu cháy đúng lúc, cháy kiệt để đạt tính hiệu quả và tính kinh tế cao, đồng thời tốc độ tăng áp suất  p không quá lớn để động cơ làm việc ít rung giật và hạn chế tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền. Ngoài ra, các thành phần độc hại trong khí xả phải nằm trong giới hạn cho phép theo qui định về bảo vệ môi trƣờng. Một số thông số đặc trưng cho quá trình cháy là: Tốc độ cháy  : biểu thị lƣợng hòa khí tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian (kg/s hay kmol/s). Tốc độ cháy  quyết định tốc độ tỏa nhiệt d dQ và qua đó đến biến đổi áp suất  p và sự thay đổi nhiệt độ của môi chất trong xy lanh. Hình 2-16: Quá trình cháy- giãn nở trên đồ thị công và đồ thị pha Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 31 Tốc độ phản ứng oxi hóa ' : biểu thị tốc độ cháy riêng cho một đơn vị thể tích hòa khí (kg/sm 3 hay kmol/sm 3 ). Tốc độ lan tràn màng lửa u(m/s): quyết định thời gian cháy hòa khí. Quá trình cháy phu thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó phƣơng pháp hình thành hòa khí và cách thức đốt cháy nhiên liệu có ảnh hƣởng nhiều nhất. 2.2.3.2. Diễn biến quá trình cháy và giãn nở Quá trình cháy bắt đầu tại điểm c’ khi bugi bật tia lửa điện (động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu vào xy lanh (động cơ điêzen (diesel)) và kết thúc tại điểm z. Quá trình cháy bắt đầu trƣớc khi pít tông đến ĐCT một góc s là góc đánh lửa sớm (động cơ xăng) hay góc phun sớm (động cơ điêzen (diesel)). Tiếp theo quá trình cháy là quá trình giãn nở sinh công, quá trình này bắt đầu từ điểm z trên đồ thị công là điểm kết thúc quá trình cháy cho đến điểm b’’ là điểm mở sớm của xuppapthải. Sau đây chúng ta tìm hiểu diễn biến quá trình cháy- giãn nở trên động cơ xăng và điêzen (diesel). a. Quá trình cháy trong động cơ xăng Do đặc điểm hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh (trừ động cơ phun xăng trực tiếp), quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia ra thành 3 giai đoạn nhƣ sau, hình 2-17. Giai đoạn I: Cháy trễ, tính từ lúc bugi bật tia lửa điện tại điểm 1 đến khi đƣờng cháy tách khỏi đƣờng nén tại điểm 2. Trong giai đoạn này hình thành những nguồn lửa đầu tiên từ bugi và bắt đầu dịch chuyển màng lửa. Lƣợng hỗn hợp tham gia phản ứng ít (chỉ tới khoảng 1,5%) nên lƣợng nhiệt toả ra nhỏ không làm thay đổi áp suất đƣờng nén. Các thông số đặc trƣng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i ( o TK), phụ thuộc trƣớc hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu, mức độ chuyển động rối của môi chất, nhiệt độ lân cận bugi tại thời điểm đánh lửa và năng lƣợng tia lửa. Giai đoạn II: Cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3, màng lửa lan tràn với tốc độ lớn. Do hỗn hợp đã đƣợc chuẩn bị rất tốt từ trƣớc nên phần lớn bị đốt cháy trong giai Hình 2-17: Diễn biến quá trình cháy trong động cơ xăng Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 32 đoạn này. Do đó, tốc độ toả nhiệt rất lớn trong khi thể tích xy lanh thay đổi ít nên gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích. Cuối giai đoạn này màng lửa hầu nhƣ lan tràn khắp buồng cháy và áp suất trong xy lanh đạt cực đại. Thông số đặc trƣng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suất: cz cz ppp      (2.20) Quá trình cháy diễn ra càng mãnh liệt thì tốc độ tăng áp suất càng lớn, động cơ làm việc không êm và ngƣợc lại. Trong thực tế,  p của động cơ xăng nằm trong khoảng 0,1  0,2 MN/m2 0TK. Nhận xét: Quá trình cháy có hiệu quả sinh công tốt nhất nếu nhƣ 2 và 3 đối xứng nhau qua ĐCT. Đây chính là một cơ sở để lựa chọn góc đánh lửa sớm (s) tối ƣu. Giai đoạn III: Cháy rớt, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Tốc độ cháy giảm. Pít tông đi càng xa khỏi ĐCT. Do đó hiệu quả sinh công ít. Nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết. Để hạn chế cháy rớt có thể áp dụng các biện pháp nhƣ chọn góc đánh lửa sớm, cƣờng độ xoáy lốc của môi chất thích hợp và sử dụng đúng loại nhiên liệu yêu cầu. b. Quá trình cháy trong động cơ điêzen (diesel) Tƣơng tự nhƣ trong động cơ xăng, trên hình 2-18 thể hiện áp suất và nhiệt độ trong xy lanh. Ngoài ra còn thể hiện qui luật phun thông qua đại lƣợng  là tỷ lệ (%) lƣợng nhiên liệu đã phun so với lƣợng nhiên liệu chu trình gct, qui luật cháy x (%) và tốc độ toả nhiệt dx/d .Động cơ điêzen (diesel) là động cơ có quá trình hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh. Từ đặc điểm này có thể chia quá trình cháy thành 4 giai đoạn. Giai đoạn I: Cháy trễ, tính từ khi vòi phun phun nhiên liệu tại điểm 1 đến khi đƣờng cháy tách khỏi đƣờng nén 2. Trong giai đoạn Hình 2-18: Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel  x dx/d 0  x=100% 5 5'  i s NÐn p T 4'3' 2' 1' 4 3 21 ĐCT Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 33 này xảy ra các quá trình tạo thành hỗn hợp và chuẩn bị cháy nhƣ xé nhỏ nhiên liệu, bay hơi và hoà trộn nhiên liệu, phản ứng sơ bộ hình thành những trung tâm tự cháy đầu tiên và bƣớc đầu phát triển những trung tâm này. Các thông số đặc trƣng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i ( oTK), phụ thuộc trƣớc hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu nhƣ số xetan , độ nhớtNgoài ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hƣởng của các yếu tố khác nhƣ nhiệt độ và áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ chuyển động rối của môi chất Giai đoạn II: Cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3. Phần hỗn hợp đã đƣợc chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ bốc cháy rất nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ trong xy lanh tăng vọt. Tốc độ toả nhiệt rất lớn trong khi thể tích xy lanh thay đổi ít nên giai đoạn cháy nhanh gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích. Thông số đặc trƣng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suất  p , xem. Lƣợng hỗn hợp đƣợc chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ càng nhiều thì  p càng lớn, động cơ làm việc không êm và ngƣợc lại. Trong thực tế,  p của động cơ điêzen (diesel) nằm trong khoảng 0,3  0,6 MN/m2 0TK, lớn hơn nhiều (khoảng 3 lần) so với của động cơ xăng vì tỷ số nén cao hơn. Chính vì vậy nên động cơ điêzen (diesel) làm việc không êm nhƣ động cơ xăng. Giai đoạn III: Cháy chính, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Hỗn hợp vừa chuẩn bị vừa cháy nên quá trình cháy diễn ra từ từ với tốc độ cháy giảm dần. Vì vậy quá trình cháy diễn ra êm dịu hơn. Có thể coi giai đoạn cháy chính gần với quá trình cấp nhiệt đẳng áp và toàn bộ quá trình cháy trong động cơ điêzen (diesel) gần với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Tốc độ cháy đƣợc quyết định bởi tốc độ hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí hay tốc độ chuẩn bị hỗn hợp. Mặt khác, tốc độ cháy giảm còn do nồng độ oxy giảm dần. Do đó, tuy động cơ làm việc êm nhƣng hiệu quả biến đổi nhiệt thành công giảm (tính kinh tế giảm) và tăng khả năng cháy rớt ở giai đoạn sau. Trong thực tế khoảng 40  50% lƣợng nhiên liệu chu trình cháy trong giai đoạn III. Giai đoạn IV: Cháy rớt, cũng nhƣ ở động cơ xăng trong giai đoạn cháy rớt sẽ cháy nốt những phần hỗn hợp còn lại. Hiệu quả sinh công thấp, nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết. Giai đoạn cháy rớt đƣợc coi là kết thúc khi cháy hết 9597% lƣợng nhiên liệu chu trình. Để hạn chế cháy rớt có thể áp dụng các biện pháp nhƣ chọn góc phun sớm s, cƣờng độ vận động rối của môi chất thích hợp. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 34 c. Diễn biến quá trình giãn nở Trong quá trình giãn nở xảy ra nhiều quá trình vật lý phức tạp nhƣ cháy rớt, tái hợp sản vật cháy, truyền nhiệt phức tạp từ môi chất với vách các chi tiết và lọt khíTƣơng tự nhƣ quá trình nén, có thể coi đây quá trình đa biến với chỉ số đa biến n thay đổi. Đầu quá trình giãn nở, môi chất nhận nhiệt nên đƣờng giãn nở thoải hơn đƣờng đoạn nhiệt (nằm trên), n  k. Pít tông càng đi xa ĐCT, cháy rớt giảm và diện tích trao đổi nhiệt tăng nên lƣợng nhiệt nhận đƣợc giảm và lƣợng nhiệt mất mát tăng. Do đó n tăng dần cho đến điểm M với n = k, tại đó lƣợng nhiệt nhận đƣợc bằng lƣợng nhiệt mất mát. Nói cách khác, đó là chế độ đoạn nhiệt tức thời. Từ đó trở đi, môi chất mất nhiệt ngày càng nhiều, đƣờng giãn nở dốc hơn đƣờng đoạn nhiệt (nằm dƣới), n  k. Để tính toán đơn giản, cũng tƣơng tự nhƣ quá trình nén, ta thay quá trình đa biến với n thay đổi bằng quá trình đa biến với chỉ số n2 = const với điều kiện cùng điểm đầu z và cùng công giãn nở. Theo kinh nghiệm n2 nằm trong khoảng 1,25  1,29. Biết đƣợc n2 ta có thể dễ dàng tìm đƣợc nhiệt độ và áp suất cuối quá trình giãn nở tại điểm b. 2 22 . . n z n yb yz z n b z zb p VV VV p V V pp                         (2.21) 11 22                n z n b z zb T V V TT   (2.22) Đối với động cơ xăng  = 1: 2nzb 1 pp   (2.23) 12 1   nzb TT  (2.24) Hình 2-19. Diễn biến quá trình giãn nở k §CT §CD n pVk = const V p y z Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 35 Để tính toán 2n ta sử dụng công thức )TT( 2 b a )TT()1(M )QQ)(( 8314 1n bzv bzr1 HHzb 2       (2.25) 2.2.3.3. Các hiện tượng cháy không bình thường trong động cơ xăng a. Kích nổ Là hiện tƣợng nhiệt độ tại một hay một số vùng trong buồng cháy đủ lớn để tự cháy với sự xuất hiện ngọn lửa cục bộ khi ngọn lửa từ bugi chƣa lan tràn tới. Nguồn lửa này phát triển rất nhanh, lan tràn với tốc độ lớn và chèn ép với vùng cháy do ngọn lửa từ bugi, gây ra sóng va kèm theo tiếng gõ rất đanh và áp suất trong buồng cháy dao động với tần số lớn. Nhiên liệu không kịp cháy bị phân huỷ thành các bon tự do nên khí thải có khói đen. Do kích nổ, động cơ rất nóng và công suất giảm nên không thể tiếp tục làm việc đƣợc. Kích nổ là hiện tƣợng đặc thù ở động cơ xăng. Những yếu tố nào làm tăng nhiệt độ cục bộ chính là nguyên nhân gây kích nổ: tỷ số nén lớn, nhiên liệu có chỉ số ốctan nhỏ, góc đánh lửa sớm không phù hợp b. Cháy sớm Là hiện tƣợng cháy xảy ra khi bugi chƣa bật tia lửa điện. Nguồn lửa có thể là các chi tiết quá nóng hoặc muội than nóng đỏ, nên cháy sớm không có qui luật và không điều khiển đƣợc. Cháy sớm làm tăng công nén, máy rất nóng tới mức có thể làm chảy pít tông. Kích nổ và cháy sớm thƣờng đi kèm với nhau vì có cùng nguyên nhân là nhiệt độ cao. c. Ngắt điện vẫn làm việc Hiện tƣợng này xảy ra khi động cơ làm việc lâu ở trạng thái tải lớn, tốc độ vòng quay thấp. Khi đó nhiệt độ các chi tiết rất cao và thời gian cháy trễ đủ lớn để hỗn hợp tự cháy. Hình 2-20: Áp suất trong xilanh khi có kích nổ Hình 2-21: Áp suất trong xylanh khi có cháy sớm Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 36 d. Nổ trong xy lanh Khi động cơ làm việc lâu ở chế độ không tải, hỗn hợp quá đậm, nhiên liệu cháy không hết phân hủy thành muội than và bị nung nóng đỏ bám lên các chi tiết nhƣ bugi, xuppap. Khi động cơ chuyển về chế độ có tải thì đây chính là những nguồn lửa đốt hỗn hợp hầu nhƣ đồng thời ở nhiều điểm trong xy lanh gây ra tiếng nổ. e. Nổ trong đường thải Khi động cơ đang làm việc ở chế độ tải lớn đột ngột chuyển về chế độ không tải nếu động cơ dùng chế hòa khí thì hỗn hợp khi đó sẽ quá đậm. Quá trình cháy khi đó có thể kéo dài cho tới tận đƣờng thải gây tiếng nổ. 2.2.3.4. Những nhân tố ảnh hưởng và các thông số ảnh hưởng đến quá trình cháy Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ xăng a. Góc đánh lửa sớm s Nếu s quá lớn sẽ dẫn đến hiện tƣợng vừa cháy vừa nén làm tốn công nén và máy nóng. Ngƣợc lại s nhỏ quá làm cho quá trình cháy kéo dài trên đƣờng giãn nở, nhiệt độ khí thải cao, máy nóng và hiệu quả sinh công kém. Lựa chọn đƣợc s tối ƣu sẽ cho tính kinh tế và tính hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên cần lƣu ý rằng với s tối ƣu chƣa thể khẳng định rằng nồng độ độc hại trong khí thải động cơ thấp nhất. b. Hệ số dư lượng không khí λ Hỗn hợp xăng và không khí trong động cơ xăng có giới hạn cháy hẹp 0,4 <  < 1,68 ở nhiệt độ 3000C .Vì vậy, để điều chỉnh tải trọng phải sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh lƣợng thông qua một bộ phận tiết lƣu trên đƣờng nạp nhƣ bƣớm ga hoặc điều chỉnh lƣợng kết hợp với điều chỉnh chất trong động cơ phun xăng trực tiếp. Nếu  càng lớn (hỗn hợp càng nhạt) nhiệt toả ra ít, công suất động cơ giảm. Mặt khác nếu hỗn hợp càng nhạt thì cháy rớt càng kéo dài, hiệu quả sinh công giảm, do đó làm giảm tính hiệu quả và tính kinh tế của động cơ. Để khắc phục phần nào ảnh hƣởng do cháy rớt có thể tăng s. Ngƣợc lại, nếu  nhỏ quá, hỗn hợp rất đậm, nhiên liệu cháy không hết làm giảm tính kinh tế của động cơ và tăng ô nhiễm môi trƣờng. c. Tỷ số nén  Khi tăng  làm cho nhiệt độ và áp suất tại thời điểm đánh lửa p1 và T1 tăng dẫn tới giảm i và i. Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 nói trên thì phải giảm góc đánh lửa sớm s. Hình 2-22: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 37 d. Kết cấu buồng cháy và bố trí bugi Kết cấu buồng cháy gọn, bugi đặt giữa hoặc bố trí nhiều bugi làm cho thời gian và góc giành cho quá trình cháy nhanh là 2-3 và 2-3 đƣợc rút ngắn. Đồng thời  p tăng và cháy rớt giảm. Nếu buồng cháy có xoáy lốc hợp lý thì tốc độ cháy tăng dẫn tới  p tăng và giảm cháy rớt. e. Tốc độ vòng quay n Khi tăng n, thời gian (tính theo s) giành cho toàn bộ quá trình cháy giảm. Tuy nhiên, chuyển động rối tăng dẫn đến tăng tốc độ lan tràn màng lửa nên góc dành cho quá trình cháy nhanh 2-3 gần nhƣ không đổi còn i và cháy rớt có tăng. Thực nghiệm chứng tỏ i tăng tỷ lệ với n . Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 thì phải tăng s. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ vòng quay n trong động cơ xăng. f. Tải trọng Khi giảm tải trọng phải đóng bớt bƣớm gatrên đƣờng nạp làm tăng hệ số khí sót r và làm giảm áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén. Hỗn hợp khi đó phải đậm hơn. Do đó i tăng và tốc độ cháy giảm làm cho quá trình cháy kéo dài, tính kinh tế giảm và tăng ô nhiễm môi trƣờng. Để hạn chế ảnh hƣởng này thì phải tăng góc đánh lửa sớm s. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải trọng trong động cơ xăng. Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ diezel a. Tính chất của nhiên liệu Nhiên liệu có số xêtan lớn (tính tự cháy cao), thì thời gian cháy trễ i giảm, lƣợng nhiên liệu chuẩn bị trong thời gian cháy trễ giảm nên  p và pmax nhỏ, động cơ làm việc êm. b. Tỉ số nén Tăng  làm tăng nhiệt độ và áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuẩn bị nên i giảm dẫn tới  p giảm, động cơ làm việc êm hơn. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 38 c. Góc phun sớm Góc phun sớm s lớn quá thì điều kiện cho quá trình chuẩn bị không thuận lợi do nhiệt độ và áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu còn nhỏ. Do đó thời gian cháy trễ i dài, lƣợng hỗn hợp chuẩn bị nhiều nên  p lớn, động cơ làm việc không êm. Ngoài ra, s lớn làm tăng công nén làm giảm hiệu quả sinh công và máy nóng. Góc phun sớm s nhỏ quá làm cho quá trình cháy kéo dài trên đƣờng giãn nở cũng dẫn tới giảm tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ. Vì vậy, lựa chọn góc phun sớm tối ƣu là một trong những nhiệm vụ đầu tiên của ngƣời thiết kế. Góc phun sớm s tối ƣu phụ thuộc vào chế độ làm việc (tốc độ vòng quay, tải trọng) tỷ số nén, kết cấu buồng cháy và thƣờng đƣợc lựa chọn bằng thực nghiệm. d. Chất lượng và quy luật phun nhiên liệu Nếu nhiên liệu phun tơi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuẩn bị hỗn hợp thì thời gian cháy trễ i và tốc độ tăng áp suất  p nhỏ, động cơ làm việc êm. Nếu rút ngắn thời gian phun tức là tăng cƣờng độ phun sẽ làm cho lƣợng nhiên liệu chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ tăng lên dẫn tới tăng  p và pmax, động cơ khi đó làm việc ồn và rung giật. Qua đó có thể thấy rằng, qui luật phun là một nhân tố ảnh hƣởng quyết định đến diễn biến quá trình cháy. e. Xoáy lốc và quy luật phun nhiên liệu Xoáy lốc làm tăng khả năng hoà trộn nhiên liệu với không khí, giảm thời gian cháy trễ i và giảm cháy rớt. Tóm lại, xoáy lốc là một biện pháp rất hiệu quả nhằm hoàn thiện quá trình cháy. Tuy nhiên, xoáy lốc với cƣờng độ quá lớn sẽ tốn nhiều năng lƣợng, làm tăng tổn thất cơ giới và có thể dẫn tới giảm tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ. f. Tải trọng động và hệ số dư lượng không khí λ Hỗn hợp nhiên liệu không khí trong động cơ điêzen (diesel) có giới hạn cháy rất rộng trong khoảng 1,2  10. Vì vậy ngƣời ta dùng phƣơng pháp điều chỉnh chất tức là điều chỉnh chính  thông qua điều chỉnh lƣợng nhiên liệu chu trình gct để điều chỉnh tải. Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 39 Khi giảm tải, gct giảm,  tăng, thời gian phun giảm do đó quá trình cháy cũng đƣợc rút ngắn. Vì vậy phải giảm góc phun sớm s. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc phun sớm theo tải trọng đối với động cơ điêzen (diesel). g. Tốc độ vòng quay n Khi tăng tốc độ vòng quay, thời gian của quá trình cháy (tính theo s) bị rút ngắn nhƣng cƣờng độ xoáy lốc tăng và nhiên liệu phun tơi hơn. Tổng hợp lại, góc dành cho hai giai đoạn cháy chủ yếu 2-4 thay đổi ít nhƣng góc cháy trễ i tăng lên, do đó phải tăng góc phun sớm s. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh góc phun sớm theo tốc độ vòng quay trong động cơ điêzen (diesel). Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình giãn nở a. Tốc độ vòng quay n Xét tổng quát: Khi tăng n thì thời gian truyền nhiệt và lọt khí giảm nên môi chất mất nhiệt giảm, đồng thời nhận nhiệt tăng do cháy rớt tăng. Tất cả những điều đó làm giảm n2. Điều này đúng cho cả động cơ xăng và động cơ điêzen (diesel). Riêng đối với đông cơ xăng còn thêm ảnh hƣởng của tải trọng. Tại chế độ tải lớn và toàn tải, ban đầu n2 giảm mạnh do những nguyên nhân trên, sau đó tăng một chút vì ở n lớn môi chất vận động rối mạnh có tác dụng cải thiện quá trình cháy dẫn tới giảm cháy rớt. b. Tải trọng Trong mọi trƣờng hợp, khi tăng tải thì áp suất trong xy lanh tăng làm tăng lọt khí. Đồng thời chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất và vách các chi tiết T – Tw tăng. Những yếu tố đó làm tăng nhiệt nên n2 tăng. Điều này đúng cho cả động cơ xăng và điêzen (diesel). Riêng đối với động cơ điêzen (diesel), khi tăng tải, hệ số dƣ lƣợng không khí giảm, a) Hình 2-24: Ảnh hưởng của tải trọng đến n2 a. Động cơ diezel b. Động cơ xăng Hình 2-23: Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay đến n2 a. Động cơ xăng ở tải nhỏ, tải trung bình và động cơ diezel b. Động cơ xăng Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 40 góc giành cho quá trình cháy tăng tức là quá trình cháy kéo dài làm tăng cấp nhiệt nên n2 giảm. Đối với động cơ xăng cũng có ảnh hƣởng riêng nhƣng còn phức tạp hơn. Thực nghiệm chứng tỏ, ảnh hƣởng do lọt khí và tăng chênh lệch nhiệt độ và ảnh hƣởng của cháy rớt tăng cân bằng nhau trong khoảng từ 50 -100% tải nên n2 gần nhƣ không đổi. 2.2.4. Quá trình thải Trong thực tế, quá trình thải liên quan trực tiếp đến quá trình nạp. Khi khảo sát quá trình nạp đã đề cập đến quá trình thải và các thông số liên quan nhƣ pth, pr, Tr, γrvì vậy, sau đây ta chỉ đề cập tóm tắt đến những vấn đề chính của quá trình thải. Khi xuppapthải mở sớm tại điểm b’, do chênh lệch áp suất lớn, dòng khí lƣu động qua xuppapthải với vận tốc rất lớn tới 600  700 m/s. Trong giai đoạn thải tự do tính đến điểm b” (ĐCD) có tới 60  70% khí cháy đƣợc thải ra khỏi xy lanh. Từ ĐCD trở đi tới ĐCT, môi chất trong xy lanh bị pít tông đẩy cƣỡng bức qua xuppapthải với vận tốc khoảng 200  250 m/s. Khi đó pít tông tiêu tốn một công gọi là công bơm. Góc mở sớm xuppapthải 3 có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng thải và công bơm. Nếu mở sớm quá thì công giãn nở sẽ tổn thất nhiều, tuy nhiên công bơm nhỏ do áp suất trong xy lanh nhỏ và ngƣợc lại. Vì vậy, 3 đƣợc lựa chọn sao cho lợi nhất về công. Góc đóng muộn 4 đƣợc lựa chọn trong quan hệ chặt chẽ với góc mở sớm xuppapnạp 1 nhằm bảo đảm thải sạch và nạp đầy nhất có thể (r nhỏ và v lớn). Mục đích cuối cùng cũng nhằm đạt đƣợc công của chu trình là lớn nhất tức là lợi nhất về công. Pha phối khí tối ƣu thƣờng lựa chọn bằng thực nghiệm. Hình 2-25. Quá trình thải của động cơ 4 kỳ không tăng áp p V §CD§CT b b" b' d1 r' pth r pr Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 41 2.3. Các thông số của chu trình công tác của động cơ đốt trong Sau khi khảo sát chu trình thực tế, ta có toàn bộ các thông số nhiệt động cần thiết để từ đó tính toán các thông số kỹ thuật và kinh tế của chu trình. Không làm giảm tính tổng quát, chúng ta xét cho một trƣờng hợp cụ thể là động cơ 4 kỳ không tăng áp. Trên hình 2-26, chu trình thực tế đƣợc biểu thị bằng những đƣờng cong trơn tru khép kín chia thành hai phần rõ rệt với công dƣơng thu đƣợc và công âm (còn gọi là công bơm) tiêu tốn cho quá trình nạp thải. Chu trình đƣợc xây dựng trên cơ sở những thông số trạng thái tại các điểm đặc biệt nhƣ a, c, y, z và b gọi là chu trình tính toán, hình 2-26. Chu trình hỗn hợp acyzb dùng cho động cơ điêzen (diesel) và chu trình đẳng tích aczb dùng cho động cơ xăng. Chu trình tính toán sẽ đƣợc dùng để tính toán các thông số chỉ thị và có ích của động cơ. Những thông số chỉ thị: Là những thông số nhận đƣợc dựa trên đồ thị công p-V của chu trình thực tế. 2.3.1. Công chỉ thị Li là công chỉ thị của chu trình thực tế, đó là tổng đại số của công dƣơng và công âm của chu trình. 2.3.2. Áp suất chỉ thị Theo định nghĩa, áp suất chỉ thị: V L p h i i  (2.26) Khi tính toán dựa trên cơ sở chu trình tính toán, công bơm khi đó cũng đƣợc tính vào tổn thất cơ giới sau này. Áp suất chỉ thị tính toán đƣợc xác định tƣơng tự nhƣ (2.26): h i i V L p   (2.27) với iL là công của chu trình tính toán. Hình 2-26: Chu trình thực tế và chu trình tính toán a. Động cơ xăng Động cơ diezel Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 42 2.3.2.1. Chu trình hỗn hợp Áp suất chỉ thị của chu trình hỗn hợp được tính theo công thức: a1n 1 1n 2 n i p 1 1 1n 1 1 1n )1( 1 p 1 21                                           (2.28) ( tham khảo quá trình tính toán trong bảng phụ lục 1) 2.3.2.2. Chu trình đẳng tích Thay  = 1 vào (2.34) ta đƣợc: a1n 1 1n 2 n i p 1 1 1n 11 1 1n1 p 12 1                              (2.29) Trong thực tế, đồ thị của chu trình tính toán không trơn tru so với chu trình thực tế, rõ nhất là ở quá trình cháy và cuối giãn nở. Vì vậy công của chu trình thực tế thƣờng lớn hơn của chu trình tính toán nên áp suất chỉ thị thực tế cũng lớn hơn. Để kể đến sai khác này khi tính pi ngƣời ta dùng hệ số điền đầy đồ thị d: idi pp  (2.30) Hệ số hiệu đính đồ thị đƣợc lựa chọn theo kinh nghiệm: d = 0,92  0,97. Giá trị nhỏ dùng cho động cơ điêzen (diesel) và giá trị lớn cho động cơ xăng do sự khác biệt giữa chu trình tính toán và chu trình thực tế của động cơ xăng nhỏ hơn. Ngoài ra, khi hiệu đính áp suất cực đại của động cơ xăng, hình 2-26, ngƣời ta thƣờng chọn áp suất cực đại bằng 0,85pz. 2.3.3. Công suất Đó là công suất nhiệt động của động cơ. Ni = fLi (2.31) Trong đó f là số chu trình trong một giây. Tính cho 1 xy lanh, động cơ 4 kỳ có f = n/120 và động cơ 2 kỳ có f = n/60. Có thể viết: 30 .ni f  (2.32) với i là số xy lanh và  gọi là hệ số kỳ,  = 4 đối với động cơ 4 kỳ và  = 2 đối với động cơ 2 kỳ. Thay vào ta đƣợc:   30 inVp N hii (2.33) Khoa Cơ khí Động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên 43 2.3.4. Hiệu suất chỉ thị Hiệu suất chỉ thị chính là hiệu suất nhiệt của chu trình thực, đƣợc xác định nhƣ sau: Hnl i i QG N  (2.34) 2.4.5. Suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị Gọi i nl i N G g  (2.35) là suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị (kg/Ws), (g/mlh) hoặc (g/kWh), ta đƣợc: Hi i Qg 1  (2.36) Trong thực tế, i và gi nằm trong khoảng sau: i gi (g/kWh) Động cơ xăng: 0,25  0,40 230  340 Động cơ điêzen (diesel) 4 kỳ: 0,43  0,50 170  200 Động cơ điêzen (diesel) 2 kỳ: 0,40  0,48 180  220 Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 44 MỤC LỤC TÍN CHỈ 2 CHƢƠNG III: MÔI CHẤT CÔNG TÁC ...................................................................... 45 3.1. Khái quát về môi chất công tác .................................................................................... 45 3.2. Nhiên liệu ...................................................................................................................... 45 3.2.1. Các loại nhiên liệu dùng trong động cơ đốt trong...................................... 45 3.2.2. Tính chất cơ bản của nhiên liệu lỏng ..........................................................47 CHƢƠNG IV: HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ......... 53 4.1. Sự hình thành hỗn hợp (hòa khí) trong động cơ đốt trong ........................................... 53 4.1.1. Khái niệm sự hình thành hòa khí ................................................................53 4.1.2. Phân loại sự hình thành hòa khí ..................................................................54 4.2. Hình thành hòa khí trong động cơ xăng ........................................................................ 54 4.2.1. Yêu cầu thành phần khí hỗn hợp động cơ xăng..........................................54 4.2.2. Hình thành hỗn hợp trong bộ chế hòa khí ..................................................55 4.2.3. Hình thành hòa khí trong động cơ phun xăng ...........................................59 4.2.4. So sánh hệ thống phun xăng và hệ thống dùng chế hòa khí .......................73 4.3. Hình thành hỗn hợp trong động cơ điêzen .................................................................... 73 4.3.1. Chất lƣợng tia phun và các nhân tố ảnh hƣởng ..........................................74 4.3.2. Cấu trúc và sự phát triển của tia phun nhiên liệu.......................................76 4.2.3. Các phƣơng pháp hình thành hòa khí trong động cơ điêzen ......................77 4.3.3. Điều khiển động cơ điêzen- Hệ thống CDI ................................................85 Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 45 CHƢƠNG III: MÔI CHẤT CÔNG TÁC 3.1. Khái quát về môi chất công tác Môi chất công tác là chất trung gian để thực hiện chu trình công tác, bao gồm chất ôxy hoá nhƣ không khí hoặc ôxy (trong những trƣờng hợp đặc biệt), nhiên liệu và sản vật cháy. Trong chu trình công tác, môi chất công luôn thay đổi thành phần và tính chất lý hoá. Trong quá trình nạp, môi chất nạp vào xy lanh là không khí đối với động cơ diesel; là hỗn hợp không khí với nhiên liệu đối với động cơ xăng và động cơ gas, đƣợc gọi là khí nạp mới. Trong quá trình nén, môi chất công tác là một hỗn hợp bao gồm khí nạp mới và khí sót, hỗn hợp khi đó còn đƣợc gọi là hỗn hợp công tác. Trong quá trình giãn nở và quá trình thải, môi chất công tác là sản vật cháy. 3.2. Nhiên liệu Nhiên liệu là thành phần quan trọng nhất của môi chất công tác, có ảnh hƣởng quyết định đến kết cấu cũng nhƣ các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Động cơ đốt trong thông thƣờng sử dụng chủ yếu nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng. 3.2.1. Các loại nhiên liệu dùng trong động cơ đốt trong 3.2.1.1. Nhiên liệu khí Nhiên liệu khí bao gồm khí thiên nhiên nhƣ khí từ mỏ dầu hoặc mỏ khí đốt; khí công nghiệp nhƣ khí do chƣng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga do khí hoá nhiên liệu rắn nhƣ gỗ, than; khí sinh vật (biogas). Bất kỳ loại nhiên liệu khí nào cũng là hỗn hợp cơ học của các khí cháy và khí trơ với điều kiện bỏ qua các thành phần tạp chất. Một cách tổng quát có thể coi cấu trúc phân tử của mỗi khí cháy bao gồm cácbon, hydrô và ôxy là CmHnOr. Vì vậy, đối với một đơn vị nhiên liệu khí (ví dụ nhƣ 1 kg, kmol hay m3 tiêu chuẩn...) ta có: CmHnOr + N2 = 1 (3.1) Dựa vào nhiệt trị Q (kJ/m3tc) ngƣời ta phân nhiên liệu khí thành ba loại sau:  Nhiệt trị cao: Q = 23  28 (kJ/m3tc) ví dụ nhƣ khí thiên nhiên, khí phụ phẩm chƣng cất dầu mỏ.  Nhiệt trị trung bình: Q = 16  23 (kJ/m3tc) nhƣ khí lò luyện than cốc.  Nhiệt trị thấp: Q = 4  16 (kJ/m3tc) nhƣ khí lò ga và khí sinh vật. Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 46 3.2.1.2. Nhiên liệu lỏng Phần lớn động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng có nhiều loại nhƣng theo nguồn gốc có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất có gốc hoá thạch nhƣ xăng, dầu hoả, diesel...Loại thứ hai có nguồn gốc thực vật nhƣ methanol(CH3OH), ethanol(C2H5OH), dầu thực vật nhƣ dầu dừa, dầu hạt cải... Đa số động cơ nhiên liệu lỏng hiện nay dùng nhiên liệu gốc hoá thạch nhƣ xăng và diesel. Sau đây ta chỉ xét hai loại nhiên liệu lỏng là xăng và diesel. Trong quá trình chƣng cất dầu mỏ, ngƣời ta thu đƣợc lần lƣợt xăng, dầu hoả, nhiên liệu diesel, dầu máy và nhựa đƣờng. Về thành phần, xăng và nhiên liệu diesel thực chất là hỗn hợp của các loại cácbuahydrô khác nhau chia thành các nhóm sau đây.  Cácbuhydrô béo: Bao gồm paraphin còn gọi là ankan có công thức hoá học là CnH2n + 2; olephin CnH2n và axetylen CnH2n - 2. Trong đó, olephin và axetylen là những cacbuahydro không no thƣờng không chứa trong dầu thô nhƣng xuất hiện trong quá trình chƣng cất. Trong nhóm này, paraphin là thành phần đóng vai trò chủ yếu. Paraphin (ankan) là cácbuahydrô no có hai dạng là ankan thƣờng và đồng vị còn gọi là isôankan. Ankan thƣờng có mạch thẳng hở, ví dụ nhƣ xêtan C16H34, hình 3-1. Đặc điểm chung của ankan thƣờng là có tính ổn định hoá học ở nhiệt độ cao kém, do đó dễ dàng tham gia phản ứng với ôxy tạo nên quá trình tự cháy. Vì vậy, nếu nhiên liệu diesel càng có nhiều ankan thƣờng thì có tính tự cháy càng cao. Ankan đồng vị có mạch nhánh nên cấu trúc phân tử khá bền vững, có tính ổn định hóa học cao, khó tự cháy hay nói cách khác khó bị kích nổ. Ví dụ điển hình của ankan đồng vị là iso-octan C8H18, hình 3-2. Nếu xăng có nhiều thành phần ankan đồng vị thì tính chống kích nổ càng cao. H 3CH 3C HHHH C H C H C H C H C H C 3HC 3 Hình 3-2. Cấu trúc phân tử của Iso-octan C8H18 H HC H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H HH H C Hình 3-1. Cấu trúc phân tử của xê-tan C16H34 Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 47  Napten: CnH2n còn gọi là xycloankan có kết cấu phân tử mạch vòng, ví dụ xyclopentan C5H10, hình 3-3. Napten do có kết cấu phân tử rất bền vững nên có tính chống kích nổ rất cao.  Cácbuahydrô thơm: CnH2n - 6 có cấu trúc phân tử mạch vòng với nhân benzen nên rất bền vững, chống kích nổ rất tốt, ví dụ mêtylbenzen C6H5CH3, hình 3-4. Nếu bỏ qua các thành phần tạp chất, nhiên liệu lỏng nói chung kể cả xăng và diesel chỉ bao gồm cácbon, hydrô và ôxy. Do đó công thức cấu tạo tính cho một đơn vị đo lƣờng (ví dụ nhƣ 1 kg, 1 kmol...) nhƣ sau: C + O + H = 1 (3.2) Ví dụ, dầu điêzen D1 và D2 theo TCVN 5689-92 có C = 0,84  0,88; H = 0,10  0,14; phần còn lại là O. Trong xăng và dầu điêzen có tới 80 đến 90% là ankan và xycloankan. Tỷ lệ các loại cacbuahydrô nêu trên phụ thuộc vào loại nhiên liệu cụ thể và quyết định tính chất lý hoá của nhiên liệu đó. Dƣới đây sẽ trình bày một số thông số lý hoá cơ bản của nhiên liệu lỏng. 3.2.2. Tính chất cơ bản của nhiên liệu lỏng 3.2.2.1 Tính chất vật lý a. Khối lượng riêng Thông thƣờng, khối lƣợng riêng  của nhiên liệu đƣợc cho ở nhiệt độ 20oC. Căn cứ vào khối lƣợng riêng cũng có thể sơ bộ biết đƣợc khả năng bay hơi của nhiên liệu và từ đó phán đoán khả năng bốc cháy của nhiên liệu. Đối với nhiên liệu nhẹ, dễ bay hơi nhƣ xăng  = 0,65  0,8 g/cm3. Còn nhiên liệu nặng, khó bay hơi nhƣ dầu điêzen,  = 0,80  0,95 g/cm3. Hình 3-3. Cấu trúc phân tử xy-clô-pen-tan C5H10 Hình 3-4. Cấu trúc phân tử mê-tyl-ben-zen C6H5CH3 H H H H H H C CC C C CC C C C C C H H H H H H H H H H H H Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 48 b. Độ nhớt Độ nhớt của nhiên liệu cũng thƣờng đƣợc cho ở 20oC và ở hai dạng: Độ nhớt động học v: có đơn vị là m2/s và cm2/s tức St - Stốc Đối với xăng, v= 0,6  2,5 Còn nhiên liệu diesel có  = 2,5  8,5 cSt. (cSt- xăng ti Stốc bằng 0,01 St). Độ nhớt lớn gây khó khăn cho việc xé nhỏ và hòa trộn nhiên liệu với không khí, do đó ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng của quá trình hình thành và cháy hòa khí. Ngoài ra, độ nhớt lớn làm tăng sức cản lƣu động trong hệ thống nhiên liệu và khó xả khí (xả air) nếu nhƣ trong hệ thống có lẫn khí. Ngƣợc lại, độ nhớt nhỏ làm cho việc bôi trơn các bề mặt ma sát của bơm cao áp, vòi phun khó khăn, làm tăng lƣợng rò lọt qua khe hở của các bộ phận này, đồng thời cản trở sự phát triển của tia phun từ vòi phun (kể cả trong động cơ xăng cũng nhƣ điêzen). Khối lƣợng riêng và độ nhớt là hai thông số ảnh hƣởng quyết định đến đặc tính cháy của nhiên liệu. c. Tính bốc hơi Tính bốc hơi của nhiên liệu quyết định tính chất và thời gian của quá trình hình thành hỗn hợp hòa khí trong mỗi xy lanh và phân phối đồng đều hòa khí giữa các xy lanh. Về cơ bản, nhiên liệu phải có đủ khả năng hóa hơi để khởi động dễ dàng, nhanh chóng làm nóng máy và đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu cho động cơ. Mặt khác, nhiên liệu không đƣợc quá dễ bay hơi làm tăng hao tổn bay hơi và tạo nút hơi trong hệ thống nhiên liệu. Tính bốc hơi phụ thuộc thành phần của nhiên liệu và đƣợc thể hiện thông qua đƣờng cong chƣng cất, hình 3-5. Đƣờng cong chƣng cất đƣợc xác định theo tiêu chuẩn ASTM- D.86 (ASTM là viết tắt của từ American Society for Testing and Materials) thể hiện sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tỉ lệ (thể tích) nhiên liệu đã bay hơi trong điều kiện cách li hoàn toàn với không khí rồi ngƣng tụ trong thiết bị chƣng cất tiêu chuẩn. Trên đồ thị thể hiện rõ, Hình 3-5. Đường cong chưng cất của nhiên liệu 1. Xăng, 2. Dầu hoả, 3.Dầu Diesel, 4. Dầu mỏ T û l Ö b a y h ¬ i 4 321(%) 100 80 60 40 20 0 t (0C)300200100 Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 49 xăng có các thành phần bay hơi trong vùng nhiệt độ từ 40 đến 200oC. So với dầu điêzen và dầu hỏa thì xăng có tính bốc hơi cao nhất. Đƣờng cong chƣng cất của nhiên liệu có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự làm việc của động cơ. Ví dụ, điểm 10% nhiên liệu bay hơi ở đầu đƣờng chƣng cất cần phải ở nhiệt độ thấp để động cơ dễ dàng khởi động. Tuy nhiên, nếu điểm này thấp quá có thể sinh bọt hơi trong nhiên liệu khi động cơ nóng lên trong quá trình làm việc. Tƣơng tự, điểm 90%( cuối đƣờng chƣng cất) không đƣợc cao quá vì nhiên liệu khi đó có nhiều thành phần nặng, khi nhiên liệu lọt xuống các te thì những thành phần này không bay hơi sẽ phá hủy dầu bôi trơn. Ngoài ra, những thành phần nặng khi cháy sẽ tạo ra nhựa làm bẩn bugi... Theo tiêu chuẩn châu Âu, tỉ lệ thể tích chƣng cất đối với xăng ở nhiệt độ 180oC ít nhất là 85%. Chỉ tiêu này không qui định tỉ lệ thể tích chƣng cất lớn nhất, nhƣng qui định giá trị nhiệt độ sôi lớn nhất là 215oC. Điều đó có nghĩa là chỉ có 15% thể tích xăng có nhiệt độ sôi nằm trong khoảng nhiệt độ 180 đến 215oC. d. Nhiệt độ bén lửa Nhiệt độ bén lửa là nhiệt độ thấp nhất mà hỗn hợp nhiên liệu- không khí (hòa khí) với tỷ lệ nhất định bén lửa từ nguồn lửa bên ngoài. Nhiệt độ bén lửa tỷ lệ với thành phần chƣng cất nhẹ trong nhiên liệu và đƣợc dùng làm chỉ tiêu phòng hoả khi bảo quản. Trong thực tế, nhiệt độ bén lửa không đƣợc thấp hơn 650C. e. Nhiệt độ tự cháy Nhiệt độ tự cháy là nhiệt độ thấp nhất mà hỗn hợp nhiên liệu- không khí (với tỷ lệ nhất định) tự bốc cháy. Nhiệt độ tự cháy thƣờng tỷ lệ nghịch với khối lƣợng riêng . Paraphin có nhiệt độ tự cháy thấp nhất còn cácbuahydrô thơm có nhiệt độ tự cháy cao nhất. f. Nhiệt độ đông đặc Nhiệt độ đông đặc chỉ có ý nghĩa đối với nhiên liệu nặng nhƣ dầu điêzen. Nếu nhiệt độ đông đặc cao thì phải hâm nóng trƣớc khi sử dụng. Ngƣời ta thƣờng sử dụng phụ gia để giảm nhiệt độ đông đặc. Đối với dầu điêzen, nhiệt độ đông đặc nằm trong khoảng -60  +5OC. g. Tạp chất cơ học Đối với nhiên liệu thông thƣờng, tạp chất cơ học không đƣợc vƣợt quá 1% trọng lƣợng. Còn đối với nhiên liệu cho động cơ cao tốc không cho phép có tạp chất cơ học. Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 50 h. Thành phần nước Là một loại tạp chất trong nhiên liệu, nƣớc gây ăn mòn cơ học và hoá học đối với các chi tiết của hệ thống nhiên liệu, nhất là đối với bơm cao áp, vòi phun của động cơ điêzen. Ngoài ra, trong quá trình cháy nƣớc bay hơi thu nhiệt làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Vì vậy giới hạn nƣớc trong nhiên liệu đƣợc qui định không quá 1% trọng lƣợng đối với nhiên liệu động cơ tốc độ thấp. Trong thực tế, động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nặng thƣờng trang bị hệ thống hâm nóng kết hợp tách nƣớc và tạp chất cơ học. Còn đối với nhiên liệu cho động cơ cao tốc không cho phép có nƣớc. 3.2.2.2. Tính chất hoá học của nhiên liệu lỏng a. Nhiệt trị Nhiệt trị là nhiệt lƣợng thu đƣợc khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị đo lƣờng nhiên liệu. Trong tính toán, ngƣời ta phân biệt hai loại nhiệt trị là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp. Nhiệt trị cao Qo là toàn bộ nhiệt lƣợng thu đƣợc, còn nhiệt trị thấp QH là nhiệt lƣợng thu đƣợc Qo trừ phần nhiệt lƣợng toả ra khi ngƣng tụ hơi nƣớc trong sản phẩm cháy. Trong tính toán thƣờng sử dụng nhiệt trị thấp QH vì nhiệt độ khí thải thƣờng lớn hơn nhiều so với nhiệt độ ngƣng tụ hơi nƣớc ở cùng áp suất. Nhiệt trị thƣờng cho trong các tài liệu về nhiên liệu. Đối với xăng và dầu điêzen, trong tính toán có thể lấy QH = 42,5 MJ/kg. b. Tính kết cốc Tính kết cốc phản ánh khuynh hƣớng kết muội than khi đốt cháy nhiên liệu. Muội than có thể gây nên mài mòn và bó kẹt xécmăng, xuppap và đế xuppap hoặc làm tắc vòi phun. Hàm lƣợng cốc trong nhiên liệu cho phép không vƣợt quá 0,03  0,1% cho động cơ cao tốc và không quá 3  4% đối với động cơ tốc độ thấp. c. Thành phần lưu huỳnh và tạp chất Lƣu huỳnh có trong nhiên liệu ở dạng tạp chất còn lại khi chƣng cất dầu mỏ. Lƣu huỳnh khi cháy tạo thành SO2 sẽ kết hợp với hơi nƣớc tạo thành axít yếu H2SO3 gây ăn mòn các chi tiết và mƣa axít. Hiện tại, các nƣớc châu Âu giới hạn tạp chất lƣu huỳnh trong dầu điêzen không quá 0,15%. Hiện nay, ở nƣớc ta vẫn dùng dầu điêzen có tới 1% lƣu huỳnh. Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 51 d. Độ axít Độ axít của nhiên liệu đƣợc biểu thị bằng số mg hydroxit kali (KOH) cần thiết để trung hoà lƣợng axít có trong 1 g nhiên liệu. Độ axít càng cao càng gây mòn các chi tiết nhƣ xécmăng- xy lanh, xuppap- đế xuppap... và làm tăng kết muội than. Đối với dầu điêzen, độ axít không đƣợc vƣợt quá 10mg KOH. e. Thành phần tro Sản phẩm cháy chứa nhiều tro sẽ sinh mài mòn các chi tiết trong buồng cháy. Giới hạn đối với nhiên liệu động cơ tốc độ thấp là 0,08%, còn đối với động cơ cao tốc là 0,02%. 3.2.2.3. Đánh giá tính tự cháy của dầu điêzen Trong số các thông số vật lý có nhiệt độ tự cháy phần nào nói lên tính tự cháy của dầu điêzen. Tuy nhiên, nhiệt độ tự cháy xác định nhƣ trên chƣa nêu lên bản chất của quá trình tự cháy trong động cơ điêzen, đó là quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu- không khí trong buồng cháy động cơ tự cháy do nén. Vì thế, ngƣời ta còn sử dụng những thông số đặc trƣng cho tính tự cháy của dầu điêzen sau đây. a. Tỷ số nén tới hạn th Tỷ số nén tới hạn th là tỷ số nén của một động cơ có kết cấu đặc biệt (có thể thay đổi đƣợc tỷ số nén) dùng làm động cơ thí nghiệm, làm việc ở một chế độ nhất định và có góc phun sớm 13o trƣớc ĐCT, khi đó hỗn hợp bốc cháy đúng tại ĐCT. Rõ ràng là th càng nhỏ thì tính tự cháy của nhiên liệu càng cao. b. Số xê-tan Số xêtan của nhiên liệu là phần trăm thể tích của xêtan (C16H34 mạch thẳng) trong hỗn hợp với -metylnaphtalin (-C10H7CH3, hình 3-6), hỗn hợp này có tỷ số nén tới hạn th giống nhƣ th của nhiên liệu. Theo định nghĩa trên, xêtan có Xe = 100, còn -metylnaphtalin có số Xe = 0. Dầu điêzen dùng trong thực tế có Xe = 35  55. Số Xe càng lớn thì tính tự cháy càng cao. c. Chỉ số điêzen Chỉ số điêzen D là một đại lƣợng qui ƣớc xác định trong phòng thí nghiệm theo công thức sau: Hình 3-6. -mê-tyl-naph-ta-lin Hình 3-6. -mê-tyl-naph-ta-lin CC C C C C C H H H H H H H H H H C C C C Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 52 D = )32A8,1)(5,1315,141( 100 1   (3.3) Trong đó: -  là trọng lƣợng riêng (g/cm3) của nhiên liệu ở 15oC. - A là điểm anilin của nhiên liệu. Đó là nhiệt độ (oC) kết tủa của hỗn hợp nhiên liệu cần thí nghiệm và anilin (C6H5NH2) có tỷ lệ 1:1. Nhiên liệu có D càng lớn thì tính tự cháy càng cao. 3.2.2.4. Đánh giá tính chống kích nổ của xăng Tính chống kích nổ biểu thị khả năng giữ cho nhiên liệu không tự cháy trƣớc khi màng lửa từ bugi lan tràn tới. Tính chống kích nổ là một trong những chỉ tiêu chất lƣợng của xăng và đƣợc đánh giá thông qua những thông số sau đây: a. Tỷ số nén có lợi Tỷ số nén có lợi cl là tỷ số nén lớn nhất cho phép về mặt kích nổ. Tỷ số nén có lợi cl đƣợc xác định trên động cơ đặc biệt tƣơng tự nhƣ tỷ số nén tới hạn th đối với dầu điêzen đã xét ở trên. b. Số ốc-tan Số ôctan O của nhiên liệu là phần trăm thể tích của i-sô-ốc-tan C8H18 (mạch nhánh, hình 3-2) với héptan C7H16 (mạch thẳng), hỗn hợp này có tỷ số nén có lợi bằng với tỷ số nén có lợi của nhiên liệu. Theo định nghĩa trên, isô-octan có O = 100 và heptan có O = 0. Các loại xăng thông dụng có O = 80  100. Nhiên liệu cho động cơ cƣờng hoá, ví dụ nhƣ xe đua chẳng hạn, có thể có O  100. Hiện nay chúng ta đang sử dụng các loại xăng không chì (hàm lƣợng chì nhỏ hơn 0,013 g/l) MOGAS 90, 92 và 95 có số octan RON tƣơng ứng là 90, 92 và 95. (RON - Research Octane Number, phân biệt với MON - Motor Octane Number. Thông thƣờng MON nhỏ hơn RON 5  10 đơn vị). Đối với mỗi loại nhiên liệu cụ thể nếu tính tự cháy càng cao thì tính chống kích nổ càng kém và ngƣợc lại. Quan hệ này đƣợc thể hiện qua công thức kinh nghiệm sau đây: O = 120 - 2 Xe (3.4) Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 53 CHƢƠNG IV: HÌNH THÀNH HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 4.1. Sự hình thành hỗn hợp (hòa khí) trong động cơ đốt trong 4.1.1. Khái niệm sự hình thành hòa khí Hình thành hòa khí là quá trình tạo ra hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí có thành phần thích hợp với từng chế độ làm việc của động cơ. Hỗn hợp đó gọi là hòa khí. Hình thành hòa khí có ảnh hƣởng quyết định đến quá trình cháy, qua đó đến tính kinh tế, tính hiệu quả, độ êm dịu và chất lƣợng khí thải của động cơ. Tỷ lệ không khí với nhiên liệu đƣợc gọi là thành phần hoà khí. Thành phần hoà khí đƣợc đánh giá theo một trong 2 chỉ tiêu sau đây: * Hệ số dƣ lƣợng không khí : 0.LG G nl kk Trong đó: Gkk- lƣu lƣợng không khí thực tế cấp cho động cơ ở một chế độ cụ thể, kg/s. Gnl - lƣu lƣợng nhiên liệu cấp cho động cơ ở một chế độ cụ thể kg/s L0- lƣợng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoà toàn 1kg nhiên liệu, kg/kg * Tỷ lệ không khí và nhiên liệu ( Air/ Fuel Ratio – viết tắt là A/FR): Gkk A/FR = 1kg nl Trong quá trình làm việc động cơ đòi hỏi thành phần hoà khí ở mỗi chế độ làm việc khác nhau. STT Các chế độ làm việc Tỉ lệ không khí và nhiên liệu (A/FR) 1 Khởi động ở nhiệt độ thấp (00C) 1:1 2 Khởi động ở nhiệt độ thƣờng (200C) 5:1 2 Không tải 11:1 3 Chạy chậm 12-13:1 4 Tăng tốc 8:1 5 Công suất cực đại 12-13:1 6 Tốc độ trung bình 16-18:1 Sự hình thành hòa khí có ảnh hƣởng quyết định đến chất lƣợng quá trình cháy, do đó ảnh hƣởng đến tính kinh tế, tính hiệu quả, độ êm dịu và mức độ độc hại của khí thải của động cơ. Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 54 Quá trình hình thành hòa khí bao gồm các quá trình lý hóa phức tạp, đan xen hoặc kế tiếp nhau tùy theo loại động cơ. 4.1.2. Phân loại sự hình thành hòa khí Tiêu chí phân loại Các loại hình thành hòa khí Theo loại nhiên liệu Hình thành hòa khí trong động cơ xăng. Hình thành hòa khí trong động cơ điêzen. Theo vị trí hình thành hòa khí Hình thành hòa khí bên trong xilanh. Hình thành hòa khí bên ngoài xilanh. Theo tính chất của hòa khí Hình thành hòa khí đồng nhất. Hình thành hòa khí không đồng nhất. Dƣới đây, để thống nhất trong toàn bộ giáo trình, ta sẽ khảo sát hình thành hòa khí phân loại theo loại nhiên liệu. 4.2. Hình thành hòa khí trong động cơ xăng 4.2.1. Yêu cầu thành phần khí hỗn hợp động cơ xăng Muốn cho hoà khí có chất lƣợng để đảm bảo cho động cơ làm việc tốt thì quá trình tạo hỗn hợp trong động cơ xăng phải thoả mãn những yêu cầu sau : * Tỷ lệ giữa không khí và xăng thể hiện qua hệ số dƣ lƣợng không khí  hoặc A/F R phải thích hợp nhất đối với từng chế độ làm việc của động cơ. Trong phạm vi thay đổi rộng về tốc độ và phụ tải, giới hạn thay đổi của thành phần hoà khí trong động cơ xăng dùng Bộ chế hòa khí (BCHK) nằm trong phạm vi từ min = 0,3 đến ma x = 1,2 hoặc tính theo A/FR là 1:1 đến 22:1 * Xăng chứa trong hỗn hợp phải giúp cho quá trình cháy phát triển tốt nhất, nghĩa là xăng phải ở trạng thái hơi. Phần xăng còn lại ở thể lỏng chƣa kịp bốc hơi phải là những hạt xăng có đƣờng kính nhỏ. * Hỗn hợp trong toàn bộ thể tích buồng cháy của mỗi xy lanh phải có thành phần nhƣ nhau. Với yêu cầu đó, trên một số động cơ nhiều xy lanh ngƣời ta dùng các bộ chế hoà khí 2 họng. * Số lƣợng và thành phần hoà khí trong các xy lanh của động cơ nhiều xy lanh phải nhƣ nhau. +) Những nhân tố ảnh hưởng đến việc tạo hòa khí trong động cơ xăng. Có 4 nhân tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng của quá trình tạo hoà khí đó là: * Nhân tố thời gian: Trong các động cơ cao tốc hiện nay thì quá trình chuẩn bị hoà khí rất ngắn, chỉ chiếm khoảng 10 phần trăm giây. Khi tốc độ của động cơ càng Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 55 cao thì thời gian chuẩn bị hoà khí càng ngắn. Với thời gian ngắn nhƣ vậy nên rất khó tạo ra hoà khí có chất lƣợng tốt. * Nhân tố nhiệt độ: Nếu tăng nhiệt độ của hoà khí thì cƣờng độ bốc hơi của nhiên liệu và hệ số nạp của động cơ cũng tăng theo. Nhƣng nếu sấy nóng quá mức hoà khí trên đƣờng nạp của động cơ thì hệ số nạp sẽ giảm. Cả hai yếu tố ấy (sấy nóng quá mức và hệ số nạp giảm) đều làm cho khối lƣợng môi chất nạp vào động cơ giảm, vì vậy công suất của động cơ cũng giảm theo. * Chất lƣợng nhiên liệu: Xăng là do nhiều loại cácbuahyđrô tạo thành, trong mỗi loại cácbuahyđrô có nhiệt độ sôi và nhiệt độ bốc hơi khác nhau (xem chƣơng 3). Nếu tăng hàm lƣợng của thành phần cácbuahyđrô dễ bốc hơi trong xăng thì hoà khí có nhiều hơi xăng và động cơ dễ khởi động. * Các nhân tố về cấu tạo: Các nhân tố này bao gồm nguyên lý và kết cấu của các cụm chi tiết trong trong vòi phun hoặc ở bộ chế hoà khí, số lƣợng và cách bố trí các thiết bị này trên động cơ, hệ thống sấy nóng, chất lƣợng bề mặt và hình dạng tiết diện ngang của đƣờng ống nạp và hình dạng buồng cháy. Các nhân tố này gây ảnh hƣởng tới mức độ phân bố đều hoà khí nạp vào các xy lanh, tới độ đồng nhất của hoà khí trong tất cả các xy lanh và trong toàn bộ thể tích của mỗi xy lanh. Có thể phân hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng thành 2 loại - Dùng bộ chế hòa khí - Dùng hệ thống phun xăng. 4.2.2. Hình thành hỗn hợp trong bộ chế hòa khí 4.2.2.1. Nguyên lí tạo hòa khí Xăng từ thùng chứa 1 đƣợc bơm 3 hút qua lọc 2 đến buồng phao 4 của bộ chế hoà khí. Cơ cấu van kim - phao giữ cho mức xăng ở bầu phao ổn định trong quá trình làm việc. Trong quá trình nạp, không khí đƣợc hút vào động cơ phải lƣu động qua họng khuếch tán 6 có tiết diện bị thu hẹp. Tại đây, do tác dụng của độ chân không ph, xăng đƣợc hút ra từ bầu phao qua gíclơ 5. Sau khi ra họng khuếch tán, nhiên liệu đƣợc dòng không khí xé tơi đồng thời bay hơi và hoà trộn tạo thành hòa khí nạp vào động cơ. Lƣợng hòa khí đi vào động cơ đƣợc điều Hình 4-1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí 1: Thùng xăng 2: Lọc xăng 3: Bơm xăng 4: Bầu phao 5: Giclơ 6: Họng khuếch tán 7: Bướm ga 1 2 3 4 6 7 5 Khoa cơ khí động lực Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Học phần Lý thuyết động cơ- Tín chỉ 2 56 chỉnh nhờ bƣớm ga 7. Để tăng chất lƣợng tạo thành hòa khí ngƣời ta thiết kế và đƣa vào sử dụng bộ chế hoà khí có trang bị điện tử. a. Xé nhỏ nhiên liệu - Xăng phun ra sẽ đƣợc xé nhỏ chủ yếu do chênh lệch vận tốc với không khí. Độ chênh lệch vận tốc càng lớn thì xăng càng đƣợc xé nhỏ. Với độ chênh lệch 6m/s thì xăng bắt đầu bị xé và đƣợc xé tơi hoàn toàn ở 30m/s. Nếu xăng không đƣợc xé tơi mà còn nhiều hạt lớn trong tia thì dễ đọng bám lên thành ống nạp tạo thành màng. Độ xé tơi xăng đƣợc đánh giá thông qua giá trị trung bình của các hạt và tỉ lệ nghịch với các giá trị này. Độ xé tơi phụ thuộc vào kết cấu của họng phun, chênh lệch áp suất phun, nhiệt độ không khí tại họng phun, tính chất vật lí của xăng...Khi xăng đƣợc hòa trộn sơ bộ với không khí thì độ xé tơi tăng. Ngƣợc lại, sức căng mặt ngoài của xăng lớn thì độ xé tơi giảm. b. Quá trình bay hơi nhiên liệu Quá trình bay hơi xảy ra đồng thời với quá trình phun và xé tơi nhiên liệu. Những giọt nhiên liệu có đƣờng kính trung bình nhỏ sẽ bay hơi ngay ở buồng hỗn hợp của bộ chế hòa khí. Các thành phần cácbuahyđrô nhẹ bay hơi trƣớc. Những giọt nhiên liệu có đƣờng kính lớn hơn, dƣới tác dụng của dòng không khí bị văng ra xa đƣờng tâm của họng khuyếch tán và bám lên thành buồng hỗn hợp tạo thành màng nhiên liệu. Màng nhiên liệu bị dòng không khí cuốn theo sẽ chuyển động dọc theo thành ống nạp vào xy lanh. Trong quá trình chuyển động màng nhiên liệu bay hơi dần và khi vào tới xy lanh chúng chỉ còn một lƣợng rất nhỏ. Sự tạo màng n