Đề cương bài giảng Lý thuyết động cơ ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ Ô TÔ SỐ TÍN CHỈ: 02 LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: CAO ĐẲNG CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Hưng Yên, năm 2015 Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 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 như 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 tượng 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 nước 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 được hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao. Còn giai đoạn thứ hai là quá trình giãn nở của hơi nước 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 dưới 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 tượng khảo sát của chuyên ngành máy tuabin. 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 2 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% hoặc hơn nữa. Trong khi đó, máy hơi nước cổ điển kiểu pít tông chỉ đạt khoảng 16%, tuabin hơi nước từ 22 đến 28%, còn tuabin khí cũng chỉ tới 30%. - Kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn. Do đó, động cơ đốt trong rất thích hợp cho các phương tiện vận tải với bán kính hoạt động rộng. - Khởi động, vận hành và chăm sóc động cơ thuận tiện, dễ dàng. - Khả năng quá tải kém, cụ thể không quá 10% trong 1 giờ. - Tại chế độ tốc độ vòng quay nhỏ, mô men sinh ra không lớn. Do đó, động cơ không thể khởi động được 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 thường 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 như hàm lượng 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 lượng dầu mỏ chỉ đủ dùng cho đến giữa thế kỷ 21. - Ô nhiễm môi trường do khí thải và ồn. Tuy nhiên, với những ưu điểm nổi bật như 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 người như giao thông vận tải, xây dựng, khai thác mỏ, nông nghiệp, ngư nghiệp...Theo các nhà khoa học, trong vòng nửa thế kỷ tới vẫn chưa có động cơ nào có thể thay thế được động cơ đốt trong. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 3 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. Theo nhiên liệu Động cơ nhiên liệu lỏng: như 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 như động cơ gas+ xăng, ga + điêzen (diesel) Động cơ đa nhiên liệu (Multi Fuel) như động cơ có thể dùng được cả điêzen (diesel) và xăng, hoặc động cơ dùng cả xăng và khí đốt. Theo phương pháp hình thành khí hỗn hợp Hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh như động cơ xăng dùng bộ chế hòa khí hoặc hệ thống phun xăng gián tiếp (phun vào đường nạp). Hình thành hỗn hợp bên trong xy lanh như động cơ điêzen (diesel) hay động cơ phun xăng trực tiếp (Gasoline Direct Injection - GDI) vào xy lanh. Theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp Động cơ đốt cháy cưỡng bức như động cơ xăng. Động cơ cháy do nén như động cơ điêzen (diesel). Theo phương pháp nạp Động cơ không tăng áp: không khí hay hỗn hợp được hút vào xy lanh bởi sự chênh áp giữa đường nạp và xy lanh. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 4 Động cơ tăng áp: không khí hay hỗn hợp được nén trước 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 được 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 người ta phân loại động cơ như 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 Theo dạng chuyển động của pít tông Động cơ pít tông tịnh tiến thường 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 Hình 1-2: Động cơ thằng hàng Hình 1-3: Động cơ chữ V Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 5 Động cơ đối đỉnh Động cơ hình sao 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 lượng: 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 nước, bơm nước, áo nước, van hằng nhiệt, đường ống nước 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 Hình 1-4: Động cơ đối đỉnh Hình 1-5: Động cơ hình sao Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 6 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 1.4.2. Các khái niệm và thông số cơ bản của động cơ đốt trong Dựa vào lược đồ hình 1-7. Ta có thể đưa 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 như 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. Như vậy pít tông có 2 điểm chết (hình 1.8) là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD). Điểm chết trên của pít tông là điểm mà pít tông cách xa đường tâm trục khuỷu 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 7 nhất. Điểm chết dưới 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 dưới (ĐCD), là các điểm mà tại đó đường tâm của má khuỷu trùng với đường 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 được 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 được 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 được tính từ mặt đỉnh pít tông ở ĐCD tới bề mặt của vòm nắp máy bao kín phía trên xy lanh . 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) Hình 1-8: Các vị trí điểm chết của ĐCĐT Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 8 1.4.3. Nguyên lí làm việc của động cơ xăng 1 xy lanh Động cơ bốn kỳ có chu trình công tác được 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 đường nạp gọi là khí nạp mới được hút vào xy lanh qua xuppáp nạp đang mở và hoà trộn với khí sót của chu trình trước tạo thành hỗn hợp công tác. Xuppáp nạp mở sớm một góc là 1 tại điểm d1 trước khi pít tông đến ĐCD để tăng tiết diện lưu 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 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 trước 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 tương ứng với góc s, bugi bật tia lửa điện. Góc s được 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 lượng đáng kể sản vật cháy ra khỏi xy lanh vào đường 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 tương tự như động cơ xăng , gồm các kỳ HÚT-NÉN-NỔ-XẢ, nhưng có một số nét khác biệt: 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 10 Hành trình nạp( HÚT) , hình 1-14 Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD, xuppap nạp mở, xuppap thải đóng. Không khí được hút vào trong xy lanh qua xuppap nạp. Xuppap nạp mở sớm một góc 1 trước ĐCT để tăng lượng không khí nạp vào xy lanh. 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 được 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 trước 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 được đẩy ra ngoài qua xuppap thải. Xuppap thải đóng sau ĐCT một góc 3 nhằm mục đích thải hết sản vật cháy ra ngoài Sau khi kh¶o s¸t, ta rót ra mét sè nhËn xÐt nh- sau: - Trong bèn hµnh tr×nh chØ cã mét hµnh tr×nh sinh c«ng. C¸c hµnh tr×nh cßn l¹i ®Òu tiªu hao c«ng tõ ®éng n¨ng cña c¸c chi tiÕt chuyÓn ®éng quay nh- b¸nh ®µ, trôc khuûu... - C¸c xu p¸p ®Òu cã c¸c gãc më sím vµ ®ãng muén nh»m th¶i s¹ch vµ n¹p ®Çy. TËp hîp c¸c gãc më sím ®ãng muén cña xu p¸p ®-îc gäi lµ pha phèi khÝ, h×nh 1-5, b. Gi¸ trÞ tèi -u cña pha phèi khÝ cïng c¸c gãc phun sím vµ ®¸nh löa sím s rÊt khã x¸c ®Þnh b»ng tÝnh to¸n nªn th-êng ®-îc lùa chän b»ng thùc nghiÖm. - Trong kho¶ng gãc 1 + 4 (cuèi qu¸ tr×nh th¶i, ®Çu qu¸ tr×nh n¹p), h×nh 1-5, b, hai xu p¸p ®Òu më. Do ®ã 1 + 4 ®-îc gäi lµ gãc trïng ®iÖp cña xu p¸p. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 11 *) Nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì , hình 1-18 và 1-19 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 được thải tự do ra đường thải. Từ khi pít tông mở cửa quét B cho đến khi đến điểm chết dưới, khí nạp mới có áp suất cao nạp vào xy lanh đồng thời quét khí đã cháy ra cửa A. Như 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 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. Như vậy trong hành trình thứ hai gồm có các quá trình: quét và nạp khí, lọt khí, nén và cháy. Hình 1-18: Hoạt động của động cơ 2 kì 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 12 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 được 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 người 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 được gọi là động cơ nhiều xy lanh. Trong động cơ nhiều xy lanh, kích thước các chi tiết của các xy lanh như 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 tương 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, người ta bố trí sao cho góc công tác giữa 2 xy lanh làm việc liên tiếp là như 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. Nguyên lí làm việc của động cơ 4 kì 4 xy lanh thẳng hàng Với dạng trục khuỷu như 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 như sau: Hình 1-21: Kết cấu trục khuỷu của một số động cơ Hình 1-20: Động cơ nhiều xylanh Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 13 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 tiếp theo 180 o -360 o Nén Nổ Hút Xả 1/2 vòng thứ 2 360 o -540 o Nổ Xả Nén Hút 1/2 vòng thứ tiêp theo 540 o -720 o Xả Hút Nổ Nén 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 1.4.6. Nguyên lý động cơ có tăng áp Một phương pháp rất hiệu quả để tăng công suất động cơ là tăng lượng môi chất nạp bằng cách nén môi chất trước khi nạp vào xy lanh. Phương pháp này gọi là tăng áp cho động cơ. Khi nén, áp suất, nhiệt độ của môi chất tăng. Một số động cơ được trang bị bộ phận làm mát khí nén trước khi nạp vào động cơ để nạp được nhiều hơn. Sau đây là một số phương pháp tăng áp chủ yếu. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 14 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 được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ. Phương pháp này có ưu điểm là khi số vòng quay của động cơ thay đổi đột ngột, máy nén vẫn cung cấp cho động cơ lượng môi chất cần thiết. Tuy nhiên, chính vì được dẫn động từ động cơ nên lượng khí nén phụ thuộc vào tốc độ động cơ và có nhược điểm là máy nén không cung cấp đủ lượng khí nén phù hợp cho động cơ khi tải trọng thay đổi. 1.4.6.2. Tăng áp kiểu tuabin- máy nén Theo phương 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. Phương pháp này tận dụng được năng lượng của khí thải, nhưng 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 được lượng 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 thường. 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 15 1.4.6.3. Tăng áp hỗn hợp Với kiểu tăng áp này, máy nén được dẫn động từ động cơ và tuabin. Phương pháp này khắc phục nhược điểm của hai phương pháp trên. Động cơ được 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 dư của tuabin được sử dụng như là công có ích của cả hệ thống. Tăng áp kiểu tuabin 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 Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 16 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 được 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. Khi rô to thực hiện 1 chu trình tương 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 tương đương với động cơ pít tông thường 4 kì, 3 xy lanh. -Rôto quay nên cân bằng dễ dàng. Vì thế, tốc độ động cơ cao hơn động cơ pít tông thường. - Vì không dùng xuppáp nên chất lượng nạp- thải tốt hơn do tiết diện lưu thông lớn. - Gọn và công suất cao. Nhược điểm chủ yếu của động cơ Walken so với động cơ pít tông thường 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 17 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 hưởng 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 được. Chu trình thực tế được đơn giản hoá bằng một số giả thiết nhằm những mục đích cụ thể được gọi là chu trình lý tưởng. Những đặc điểm của chu trình lý tưởng - Lượng môi chất không thay đổi tức là không có quá trình thay đổi khí. - Nhiệt lượng cấp cho chu trình từ bên ngoài, như vậy không có quá trình cháy và toả nhiệt của nhiên liệu cũng như 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. 2.1.2. Các loại chu trình lí tưởng 2.1.2.1. Chu trình hỗn hợp Trước hết, ta gọi: c a V V  là tỷ số nén c z c y p p p p  là tỷ số tăng áp suất c z V V  là tỷ số giãn nở sớm z b V V  là tỷ số giãn nở sau dễ dàng suy ra:  . Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 18 Với những đại lượng này, sau đây ta sẽ xác định các thông số cơ bản của chu trình. +) Hiệu suất nhiệt t,h 1 2 t Q Q 1  )1(k1 11 1 k 1kh,t      +) Áp suất trung bình pt,h h h,t h,t V L p    h,t k a h,t )1(k1 )1k)(1( p p     2.1.2.2. Chu trình đẳng tích Như đã nói ở trên, chu trình đẳng tích là một trường hợp riêng của chu trình hỗn hợp có  = 1. Hình 2-1. Chu trình hỗn hợp trên đồ thị p-V và T-S L t p V T S Q 1v Q 1p Q 2 a c y z b Q = 0 Q = 0 a c y z b p = c t v = ct v = ct Q = 0 Q = 0 Hình 2-2. Chu trình đẳng tích trên đồ thị p-V và T-S Q = 0 z c Q 1 Q = 0 L p v = ct V a a S b Q 2 Q = 0 c T Q = 0v = ct b z Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 19 1kv,t 1 1   av,t k v,t p )1k)(1( 1 p     Phân tích đặc điểm của chu trình cấp nhiệt đẳng tích và đẳng áp. +) Chu tr×nh ®¼ng tÝch - t,v Ta thÊy t,v chØ phô thuéc chØ sè ®o¹n nhiÖt k cña m«i chÊt c«ng t¸c vµ tû sè nÐn  cña ®éng c¬.  Râ rµng lµ, khi t¨ng k th× t,v t¨ng. Tuy nhiªn, k lµ mét th«ng sè vËt lý cña m«i chÊt phô thuéc vµo sè nguyªn tö chøa trong mét ph©n tö. §èi víi khÝ 1 nguyªn tö, k = 1,6; khÝ 2 nguyªn tö (cã thÓ coi kh«ng khÝ gÇn ®óng lµ khÝ 2 nguyªn tö) k = 1,41 vµ khÝ 3 nguyªn tö cã k = 1,3.  Khi t¨ng  th× t,v t¨ng. V× vËy, mét trong nh÷ng ph-¬ng h-íng chñ yÕu ®Ó t¨ng hiÖu suÊt cña ®éng c¬ khi thiÕt kÕ lµ sö dông c¸c biÖn ph¸p sao cho cã thÓ cã tû sè nÐn cao. Tèc ®é t¨ng t,v gi¶m dÇn khi t¨ng . MÆt kh¸c cÇn l-u ý r»ng, cµng t¨ng  ®éng c¬ cµng dÔ bÞ kÝch næ, do ®ã  bÞ giíi h¹n. CÇn ph¶i l-u ý r»ng, t,v chØ phô thuéc vµo  vµ k mµ kh«ng phô thuéc vµo l-îng nhiÖt cÊp cho chu tr×nh Q1. - pt,v pt,v phô thuéc vµo , k vµ pa, trong ®ã ¶nh h-ëng cña  vµ pa lµ râ nÐt vµ cã ý nghÜa thùc tÕ h¬n c¶.  pt,v t¨ng tû lÖ víi pa. V× vËy trong thùc tÕ cÇn ¸p dông c¸c biÖn ph¸p ®Ó t¨ng ¸p suÊt qu¸ tr×nh n¹p ®Ó n¹p ®-îc nhiÒu khÝ n¹p míi, do ®ã ®èt ®-îc nhiÒu nhiªn liÖu dÉn tíi t¨ng ¸p suÊt trung b×nh vµ t¨ng c«ng suÊt ®éng c¬.  Khi t¨ng , 1 k   t¨ng do k > 1, do ®ã pt,v t¨ng. Ngoµi ra, pt,v cßn t¨ng lµ do t,v nh- ®· xÐt ë trªn. Râ rµng lµ tû sè nÐn  lµ mét th«ng sè ¶nh h-ëng rÊt quan träng cña ®éng c¬.  Ngoµi ra, kh¸c víi t,v, khi t¨ng l-îng nhiÖt cÊp cho chu tr×nh Q1 sÏ lµm cho pt,v t¨ng vµ do ®ã t¨ng m« men vµ c«ng suÊt ®éng c¬. +) Chu tr×nh hçn hîp - t,h   t¨ng th× h,t t¨ng.  §èi víi  vµ  th× ta ph¶i xÐt ¶nh h-ëng tæng hîp. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 20 khi  t¨ng th× k gi¶m, th× t,h t¨ng. Tõ ®©y ta cã thÓ rót ra ý nghÜa thùc tÕ sau. Khi Q1 = const,  t¨ng (tøc  gi¶m, Q1V t¨ng vµ Q1p gi¶m) hiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh hçn hîp t¨ng. Tõ ®ã suy ra, t,h ®¹t max khi  = 1 (chu tr×nh ®¼ng tÝch). Nãi c¸ch kh¸c, hiÖu suÊt cña chu tr×nh ®¼ng tÝch cao h¬n cña chu tr×nh hçn hîp nÕu nh- cïng Q1, , k, Ta, m, CV.  pt,h - pa,  t¨ng sÏ lµm cho pt,h t¨ng. -  t¨ng nÕu Q1 = const th×  gi¶m vµ t,h t¨ng nh- ®· xÐt xÐt ë trªn. Tuy nhiªn, t,h t¨ng chËm. MÆt kh¸c, t¨ng  sÏ lµm t¨ng ¸p suÊt cùc ®¹i pz t¸c dông lªn c¬ cÊu trôc khuûu thanh truyÒn. +) So s¸nh hiÖu suÊt chu tr×nh hçn hîp vµ ®¼ng tÝch §Ó so s¸nh c¸c chu tr×nh hçn hîp vµ ®¼ng tÝch ®· xÐt ë trªn mét c¸ch thuËn tiÖn, ta sö dông ®å thÞ T-S, cô thÓ cho hai tr-êng hîp sau. - Cïng Q1 vµ  Tõ ®å thÞ trªn h×nh 2-6 ta thÊy Do cïng Q1 nªn diÖn tÝch cña c¸c h×nh giíi h¹n bëi c¸c ®-êng gia nhiÖt vµ trôc hoµnh S(AaczVbB) = S(A,acyzhbhC). L-îng nhiÖt th¶i cho nguån l¹nh Q2 cña mçi chu tr×nh t-¬ng øng víi c¸c diÖn tÝch cña ®-êng th¶i nhiÖt vµ trôc hoµnh. Q2,h  S(abhCA)  S(abBA)  Q2V Do ®ã: t,h  t,V H×nh 2-6. So s¸nh c¸c chu tr×nh khi cïng Q1 vµ  zh zv bhbv p = cons t y T c a v = co nst v = co nst S BA C Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 21 - Cïng Q1 vµ pz Cïng pz cã thÓ coi lµ cïng ®iÒu kiÖn vÒ t¶i träng t¸c dông lªn c¬ cÊu trôc khuûu thanh truyÒn. T-¬ng tù nh- trªn, qua ®å thÞ T-S (h×nh 2-7), ta cã: Q2,h  S(AabhC)  S(A,abVB)  Q2,V Do ®ã: t,h  t,V §iÒu nµy hoµn toµn phï hîp víi thùc tÕ. Do ®éng cã diesel cã tû sè nÐn cao h¬n nªn ®¹t hiÖu suÊt cao h¬n so víi ®éng c¬ x¨ng. H×nh 2-7. So s¸nh c¸c chu tr×nh khi cïng Q1 vµ pz zv bh y p = con st bv a v = co nst v = co nst ch v = co nst zh S BCA T Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 22 2.2. Chu trình thực tế của động cơ đốt trong Khác với chu trình lý tưởng, chu trình thực tế của động cơ đốt trong cũng giống như 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 trường xung quanh; quá trình cháy có tổn thất như 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 hưởng. Qua đó tìm ra phương hướng nâng cao tính kinh tế và hiệu quả của chu trình.  Xác lập những phương 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 được tiến hành chủ yếu do pít tông chuyển động từ điểm chết trên đến điểm chết dưới tạo ra sự chênh lệch áp suất, do đó môi chất được hút vào xy lanh. -Trong thực tế, quá trình nạp bắt đầu tại điểm d1, tương ứng với vị trí góc  1 trước 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 đường 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 chưa 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  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 2-3. Diễn biến quá trình nạp Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 23 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 lưu 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 lượng 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 được sấy nóng. -Tất cả những điều đó làm cho lượng khí nạp mới trong xy lanh khi kết thúc quá trình nạp thông thường khác so với lượng khí nạp mới lý thuyết có thể chứa trong thể tích xy lanh Vh qui về điều kiện ở đường nạp với nhiệt độ Tk và áp suất pk. Vì vậy, để đánh giá chất lượng quá trình nạp, người ta đưa ra thông số hệ số nạp v được định nghĩa như sau: hhh v V V M M G G 111  G1 (kg/kgnl) và M1(kmol/kgnl) là lượng khí nạp mới thực tế trong xy lanh khi kết thúc quá trình nạp và V1 là thể tích của lượng khí nạp mới đó qui về điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk. Gh (kg/kgnl) và Mh(kmol/kgnl) là lượng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể tích Vh trong điều kiện nhiệt độ Tk và áp suất pk. Với: hkh VG  Hệ số nạp là một thông số đặc trưng cho chất lượng quá trình nạp, thông thường nhỏ hơn 1 và sẽ được khảo sát kĩ lưỡng ở các phần sau. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 24 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 lượng quá trình nạp. Nếu pa càng lớn thì lượng khí nạp mới càng nhiều và ngược lại. 2 n 2 nkkka f n kpppp  Trong thực tế, muốn tăng pa ta áp dụng những biện pháp sau:  Thiết kế đường nạp có hình dạng, kích thước hợp lý và bề mặt ống nạp phải nhẵn để giảm sức cản khí động.  Chọn tỷ số p n F F thích hợp.  Tăng Fn bằng cách tăng đường 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 đường tâm xy lanh trong buồng cháy chỏm cầu. b. Hệ số khí sót r Hệ số khí sót r đã được định nghĩa bởi công thức: 1 r r M M  m a r qtnt a r r k qr p p p p T TT 1 1 ..            +) Những thông số ảnh hưởng đến r  Áp suất pr Khi tăng pr thì r sẽ tăng. Nếu như thải vào tuabin hay bộ xử lý khí thải thì pr sẽ tăng so với trường hợp chỉ thải vào bình tiêu âm. Đối với quá trình thải ta cũng có thể xét tương tự như quá trình nạp 2 2 th ththrthr f n kpppp  Trong đó kth hệ số phụ thuộc chủ yếu vào các thông số kết cấu đường thải và fth là tiết diện thông qua của xuppap thải. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 25 Những thông số ảnh hưởng đến rp cũng tương tự như những thông số ảnh hưởng đến kp đã xét ở trên  Nhiệt độ Tr Khi Tr tăng thì r sẽ giảm và ngược lại. Nhưng trong thực tế, khi Tr tăng sẽ làm cho Ta tăng và do đó làm giảm lượng khí nạp mới M1 lại dẫn tới r tăng. Tổng hợp lại có thể kết luận rằng Tr ít ảnh hưởng 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 trường làm mát lớn thì Tr nhỏ và ngược lại.  Tỷ số nén  Khi  tăng thì r giảm và ngược 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 ngược lại.  Tải trọng Khi xét ảnh hưởng của tải trọng, ta xét hai trường hợp. Đối với động cơ xăng thông thường khi giảm tải phải đóng bớt bướm ga. Khi đó sức cản tăng nên M1 giảm và r tăng nhanh. Còn ở động cơ điêzen (diesel) thì r hầu như không phụ thuộc vào tải trọng. c. Nhiêt độ sấy nóng khí nạp mới Khí nạp mới từ đường nạp có nhiệt độ Tk đi vào xy lanh sẽ được 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 lượng 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 . Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 26  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 đường 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 đường nạp làm giảm mật độ của khí nạp mới tức là làm giảm M1. Vì vậy đường nạp không được sấy nóng quá. Chính vì lý do này nên đường nạp ở động cơ điêzen (diesel) không được phép sấy nóng. 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. Lượng khí nạp mới M1 (pk, Tk) đi vào xy lanh được sấy nóng tới trạng thái M1 (Tk + T, pa). Lượng 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: m 1m r a rr p p TT         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 được: r m m r a rrtk a p p TTT T             1 1 Khi tính toán có thể liệu tham khảo các số liệu đối với Ta như sau: Ta = 310  350 K đối với động cơ không tăng áp. Ta = 320  400 K đối với động cơ tăng áp. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 27 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, lượng 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 được nạp thêm một lượng, khi đó lượng 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 như quá trình quét thải kết thúc khi pít tông đóng cửa quét (cửa nạp) nên không có hiện tượng 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    m 1 a r qtnt a r r k qr p p 1 . p p . T TT          *Những nhân tố ảnh hưởng đến 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 trường 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 ngược lại. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 28  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 được (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 ngược lại. Kết quả tổng hợp hai trường hợp được trình bày trên hình 2-10. Trong thực tế 0  q  1 nên các đường biểu diễn sẽ là các đường ---. Thực nghiệm chứng tỏ  ảnh hưởng ít đến v. b. Áp suất pa Theo công thức 2.18, áp suất pa ảnh hưởng 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 ngược 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 đường 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 tương 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 lưu ý rằng, v tăng do tăng Tk không có nghĩa là làm tăng lượng khí nạp mới vào xy lanh, vì khi đó mật độ khí nạp mới k giảm. Hình 2-4: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ số nén đến hệ số nạp Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 29 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 như không ảnh hưởng đến v. e) Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới T Theo (2.15) khi tăng T thì v giảm. Tuy nhiên, ảnh hưởng của T tới v không lớn. f) Pha phối khí Khi động cơ làm việc tại chế độ ứng với pha phối khí tối ưu thì hệ số nạp đạt cực đại. Pha phối khí tối ưu thường lựa chọn bằng thực nghiệm. Đối với động cơ thông thường thì pha phối tối ưu chỉ có tại một chế độ cụ thể được lựa chọn bởi người 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 được giá trị tối ưu 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 như trình bày ở trên. Tuy nhiên, khi tăng tải ở hầu hết động cơ xăng phải mở rộng bướm ga, sức cản đường nạp giảm đáng kể nên v tăng mạnh lấn át ảnh hưởng của T. Hình 2-5: Ảnh hưởng của tải trọng đến hệ số nạp Hình 2-6: Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay n đến hệ số nạp Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 30 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 nhưng ảnh hưởng của T nhỏ. Vì vậy nói chung v giảm. Tuy nhiên, nếu kể đến ảnh hưởng của pha phối khí tối ưu thì ban đầu v tăng cho tới khi đạt cực đại tại tốc độ ứng với pha phối khí tối ưu 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 lượng trao đổi không những thay đổi về trị số mà còn thay đổi về hướng. 2.2.2.1. Diễn biến và các thông số của quá trình nén -Đầu quá trình nén, T  TW, môi chất nhận nhiệt, đường nén khi đó dốc hơn đường 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 lượng nhận giảm dần dẫn tới n cũng giảm dần. Cho tới khi T = TW, nhiệt lượng trao đổi bằng 0, lúc đó n = k. -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 được 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 như biết được n1 ta có thể dễ dàng tìm được nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén (không cháy) tại điểm c: Hình 2-7: Diễn biến quá trình nén Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 31 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 như tỷ lệ với n. Điều này đúng cho cả động cơ xăng và điêzen (diesel). Riêng với động cơ xăng, còn phải kể đến lượng nhiệt môi chất mất cho bay hơi xăng trong quá trình nén xét cho hai trường hợp.  Ở chế độ tải lớn: Bướm ga mở 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 bướm gacũng giảm chậm. Do đó điều kiện bay hơi của xăng tại đây không được cải thiện là mấy trong khi thời gian bay hơi giảm. Điều đó làm cho lượng xăng bay hơi trên đường nạp giảm tức là lượng 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 hưởng tổng quát, n1  const.  Ở chế độ tải nhỏ: Bướm 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 bướm gacũng giảm nhanh. Vì vậy, điều kiện bay hơi của xăng tại đây được cải thiện đáng kể cho nên mặc dù thời gian bay hơi giảm nhưng lượng xăng bay hơi tại đây không bị ảnh hưởng, do đó hầu như không làm thay đổi lượng xăng bay hơi trong xy lanh. Khi đó chỉ còn ảnh hưởng tổng quát làm tăng n1. Hình 2-8: Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay tới n1 a. Động cơ diezel b. Động cơ xăng Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 32 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 hưởng thứ nhất mạnh hơn nên n1 tăng nhưng không nhiều. Điều này đúng cho cả động cơ xăng và điêzen (diesel). Riêng với động cơ xăng, tương tự như xét ảnh hưởng của tốc độ vòng quay, ta còn phải kể đến lượng nhiệt môi chất mất cho bay hơi xăng trong quá trình nén. Bằng suy luận tương tự với lưu ý vai trò của 0 và n 2 đổi chỗ cho nhau, ta có thể dễ dàng khảo sát cho hai trường hợp sau:  Ở chế độ tốc độ n lớn: Khi tăng tải phải mở rộng thêm bướm ga, tổn thất áp suất giảm nhanh nên áp suất sau bướm gatăng nhanh làm cho điều kiện bay hơi của xăng tại đây kém đi. Điều đó làm cho lượng 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 hưởng tổng quát, n1  const.  Ở chế độ tốc độ n nhỏ: Khi tăng tải cũng phải mở rộng thêm bướm ga, tổn thất áp suất giảm chậm nên áp suất sau bướm gatăng chậm ít ảnh hưởng tới lượng xăng bay hơi tại đây. Vì vậy, lượng xăng bay hơi trong xy lanh cũng ít bị ảnh hưởng. Do đó chỉ còn ảnh hưởng tổng quát xét ở trên, tức là n1 tăng. Hình 2-9: Ảnh hưởng của tải trọng tới n1 a. Động cơ diezel b. Động cơ xăng Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 33 c. Kích thước xy lanh Ta xét hai trường 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. Như 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. Như vậy động cơ có S/D nhỏ có lợi hơn. d. Tình trạng kĩ thuật Nếu các chi tiết như 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 như 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 trường. Một số thông số đặc trưng cho quá trình cháy là: Tốc độ cháy  : biểu thị lượng hòa khí tham gia Hình 2-10: Quá trình cháy- giãn nở trên đồ thị công và đồ thị pha Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 34 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. 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 phương pháp hình thành hòa khí và cách thức đốt cháy nhiên liệu có ảnh hưởng 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 trước 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 như sau, hình 2-17. Giai đoạn I: Cháy trễ, tính từ lúc bugi bật tia lửa điện tại điểm 1 đến khi đường cháy tách khỏi đường nén tại điểm 2. Trong giai đoạn này hình thành những nguồn lửa đầu tiên từ bugi và bắt đầu dịch chuyển màng lửa. Lượng hỗn hợp tham gia phản ứng ít (chỉ tới khoảng 1,5%) nên Hình 2-17: Diễn biến quá trình cháy trong động cơ xăng Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 35 lượng nhiệt toả ra nhỏ không làm thay đổi áp suất đường nén. Các thông số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i ( oTK), phụ thuộc trước 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 lượng 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 được chuẩn bị rất tốt từ trước nên phần lớn bị đốt cháy trong giai 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 như lan tràn khắp buồng cháy và áp suất trong xy lanh đạt cực đại. Thông số đặc trưng 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 ngược 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 như 2 và 3 đối xứng nhau qua ĐCT. Đây chính là một cơ sở để lựa chọn góc đánh lửa sớm (s) tối ưu. 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 như chọn góc đánh lửa sớm, cường độ xoáy lốc của môi chất thích hợp và sử dụng đúng loại nhiên liệu yêu cầu. 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 36 b. Quá trình cháy trong động cơ điêzen (diesel) Tương tự như 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 lượng  là tỷ lệ (%) lượng nhiên liệu đã phun so với lượng 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 đường cháy tách khỏi đường nén 2. Trong giai đoạn này xảy ra các quá trình tạo thành hỗn hợp và chuẩn bị cháy như 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 bước đầu phát triển những trung tâm này. Các thông số đặc trưng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i ( oTK), phụ thuộc trước hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu như số xetan , độ nhớtNgoài ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như 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 được 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 trưng của giai đoạn cháy nhanh là tốc độ tăng áp suất  p , xem. Lượng hỗn hợp được chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ càng nhiều thì  p càng lớn, động cơ làm việc không êm và ngược 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 như 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 Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 37 nhiệt hỗn hợp. Tốc độ cháy được 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 nhưng 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% lượng nhiên liệu chu trình cháy trong giai đoạn III. Giai đoạn IV: Cháy rớt, cũng như 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 được coi là kết thúc khi cháy hết 9597% lượng nhiên liệu chu trình. Để hạn chế cháy rớt có thể áp dụng các biện pháp như chọn góc phun sớm s, cường độ vận động rối của môi chất thích hợp. c. Diễn biến quá trình giãn nở Trong quá trình giãn nở xảy ra nhiều quá trình vật lý phức tạp như cháy rớt, tái hợp sản vật cháy, truyền nhiệt phức tạp từ môi chất với vách các chi tiết và lọt khíTương tự như 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 đường giãn nở thoải hơn đường đoạn nhiệt (nằm trên), n  k. Pít tông càng đi xa ĐCT, cháy rớt giảm và diện tích trao đổi nhiệt tăng nên lượng nhiệt nhận được giảm và lượng nhiệt mất mát tăng. Do đó n tăng dần cho đến điểm M với n = k, tại đó lượng nhiệt nhận được bằng lượng 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, đường giãn nở dốc hơn đường đoạn nhiệt (nằm dưới), n  k. Để tính toán đơn giản, cũng tương tự như 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 được n2 ta có thể dễ dàng tìm được nhiệt độ và áp suất cuối quá trình giãn nở tại điểm b. Hình 2-19. Diễn biến quá trình giãn nở k §CT §CD n pVk = const V p y z Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 38 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) 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 tượng 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 chưa 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 được. Hình 2-20: Áp suất trong xilanh khi có kích nổ Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 39 Kích nổ là hiện tượng 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 tượng cháy xảy ra khi bugi chưa 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 được. Cháy sớm làm tăng công nén, máy rất nóng tới mức có thể làm chảy pít tông. Kích nổ và cháy sớm thường đi kèm với nhau vì có cùng nguyên nhân là nhiệt độ cao. c. Ngắt điện vẫn làm việc Hiện tượng 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. 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 th ành muội than và bị nung nóng đỏ bám lên các chi tiết như bugi, xuppap. Khi động cơ chuyển về chế độ có tải thì đây chính là những nguồn lửa đốt hỗn hợp hầu như 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 đường thải gây tiếng nổ. Hình 2-21: Áp suất trong xylanh khi có cháy sớm Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 40 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 tượng vừa cháy vừa nén làm tốn công nén và máy nóng. Ngược lại s nhỏ quá làm cho quá trình cháy kéo dài trên đường giãn nở, nhiệt độ khí thải cao, máy nóng và hiệu quả sinh công kém. Lựa chọn được s tối ưu sẽ cho tính kinh tế và tính hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên cần lưu ý rằng với s tối ưu chưa 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 phương pháp điều chỉnh lượng thông qua một bộ phận tiết lưu trên đường nạp như bướm ga hoặc điều chỉnh lượng 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 hưởng do cháy rớt có thể tăng s. Ngược 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 trường. 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. 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 được rút ngắn. Đồng thời  p tăng và cháy rớt giảm. Hình 2-22: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 41 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 như 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 bướm gatrên đường 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 trường. Để hạn chế ảnh hưởng 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, lượng 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. 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 Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 42 i dài, lượng 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 đường giãn nở cũng dẫn tới giảm tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ. Vì vậy, lựa chọn góc phun sớm tối ưu là một trong nh ững nhiệm vụ đầu tiên của người thiết kế. Góc phun sớm s tối ưu phụ thuộc vào chế độ làm việc (tốc độ vòng quay, tải trọng) tỷ số nén, kết cấu buồng cháy và thường được 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 cường độ phun sẽ làm cho lượng 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 hưởng 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 cường độ quá lớn sẽ tốn nhiều năng lượng, 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 người ta dùng phương pháp điều chỉnh chất tức là điều chỉnh chính  thông qua điều chỉnh lượng nhiên liệu chu trình gct để điều chỉnh tải. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 43 Khi giảm tải, gct giảm,  tăng, thời gian phun giảm do đó quá trình cháy cũng được 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). Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 44 g. Tốc độ vòng quay n Khi tăng tốc độ vòng quay, thời gian của quá trình cháy (tính theo s) bị rút ngắn nhưng cường 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 nhưng 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 hưởng 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 trường 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 dư lượng 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 45 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 hưởng riêng nhưng còn phức tạp hơn. Thực nghiệm chứng tỏ, ảnh hưởng do lọt khí và tăng chênh lệch nhiệt độ và ảnh hưởng của cháy rớt tăng cân bằng nhau trong khoảng từ 50 -100% tải nên n2 gần như 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 như 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 lưu 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 được thải ra khỏi xy lanh. Từ ĐCD trở đi tới ĐCT, môi chất trong xy lanh bị pít tông đẩy cưỡng 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 hưởng lớn đến chất lượng 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 ngược lại. Vì vậy, 3 được lựa chọn sao cho lợi nhất về công. Góc đóng muộn 4 được 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 được công của chu trình là lớn nhất tức là lợi nhất về công. Pha phối khí tối ưu thường 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 46 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 trường hợp cụ thể là động cơ 4 kỳ không tăng áp. Trên hình 2-26, chu trình thực tế được biểu thị bằng những đường cong trơn tru khép kín chia thành hai phần rõ rệt với công dương thu được và công âm (còn gọi là công bơm) tiêu tốn cho quá trình nạp thải. Chu trình được xây dựng trên cơ sở những thông số trạng thái tại các điểm đặc biệt như 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 được 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 được 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 dương 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 được tính vào tổn thất cơ giới sau này. Áp suất chỉ thị tính toán được xác định tương tự như (2.26): Hình 2-26: Chu trình thực tế và chu trình tính toán a. Động cơ xăng Động cơ diezel Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 47 h i i V L p   (2.27) với iL là công của chu trình tính toán. 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 được: 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 thường 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 người ta dùng hệ số điền đầy đồ thị d: idi pp  (2.30) Hệ số hiệu đính đồ thị được 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, người ta thường 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) Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 48 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 được:   30 inVp N hii (2.33) 2.3.4. Hiệu suất chỉ thị Hiệu suất chỉ thị chính là hiệu suất nhiệt của chu trình thực, được xác định như 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 được: 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 49 CHƯƠNG 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 như không khí hoặc ôxy (trong những trường 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, được 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 được 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 hưởng quyết định đến kết cấu cũng như các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Động cơ đốt trong thông thường 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 như khí từ mỏ dầu hoặc mỏ khí đốt; khí công nghiệp như khí do chưng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga do khí hoá nhiên liệu rắn như 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 như 1 kg, kmol hay m3 tiêu chuẩn...) ta có: CmHnOr + N2 = 1 (3.1) Dựa vào nhiệt trị Q (kJ/m3tc) người ta phân nhiên liệu khí thành ba loại sau:  Nhiệt trị cao: Q = 23  28 (kJ/m3tc) ví dụ như khí thiên nhiên, khí phụ phẩm chưng cất dầu mỏ.  Nhiệt trị trung bình: Q = 16  23 (kJ/m3tc) như khí lò luyện than cốc.  Nhiệt trị thấp: Q = 4  16 (kJ/m3tc) như khí lò ga và khí sinh vật. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 50 3.2.1.2. Nhiên liệu lỏng Phần lớn động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng có nhiều loại nhưng theo nguồn gốc có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất có gốc hoá thạch như xăng, dầu hoả, diesel...Loại thứ hai có nguồn gốc thực vật như methanol(CH3OH), ethanol(C2H5OH), dầu thực vật như dầu dừa, dầu hạt cải... Đa số động cơ nhiên liệu lỏng hiện nay dùng nhiên liệu gốc hoá thạch như xăng và diesel. Sau đây ta chỉ xét hai loại nhiên liệu lỏng là xăng và diesel. Trong quá trình chưng cất dầu mỏ, người ta thu được lần lượt xăng, dầu hoả, nhiên liệu diesel, dầu máy và nhựa đường. 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 thường không chứa trong dầu thô nhưng xuất hiện trong quá trình chưng cất. Trong nhóm này, paraphin là thành phần đóng vai trò chủ yếu. Paraphin (ankan) là cácbuahydrô no có hai dạng là ankan thường và đồng vị còn gọi là isôankan. Ankan thường có mạch thẳng hở, ví dụ như xêtan C16H34, hình 2-1. Đặc điểm chung của ankan thường 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 thường 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 2-2. Nếu xăng có nhiều thành phần ankan đồng vị thì tính chống kích nổ càng cao.  Napten: CnH2n còn gọi là xycloankan có kết cấu phân tử mạch vòng, ví dụ xyclopentan C5H10, hình 2-3. Napten do có kết cấu phân tử rất bền vững nên có tính chống kích nổ rất cao. H 3CH 3C HHHH C H C H C H C H C H C 3HC 3 Hình 2-2. 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 2-1. Cấu trúc phân tử của xê-tan C16H34 Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 51  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 2-4. 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 lường (ví dụ như 1 kg, 1 kmol...) như sau: C + O + H = 1 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. Dưới 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. Nhiên liệu 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 như trên chưa 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, người ta còn sử dụng những thông số đặc trưng 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 được tỷ số nén) dùng làm động cơ thí nghiệm, làm việc ở một chế độ nhất định và có góc Hình 2-3. Cấu trúc phân tử xy-clô-pen-tan C5H10 Hình 2-4. 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 52 phun sớm 13o trước 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 như 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 lượng qui ước xác định trong phòng thí nghiệm theo công thức sau: D = )32A8,1)(5,1315,141( 100 1   Trong đó: -  là trọng lượng 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. 3.3.2.2. Xăng Tính chống kích nổ biểu thị khả năng giữ cho nhiên liệu không tự cháy trước khi màng lửa từ bugi lan tràn tới. Tính chống kích nổ là một trong những chỉ tiêu chất lượng của xăng và được 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 được xác định trên động cơ đặc biệt tương tự như 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. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 53 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 cường hoá, ví dụ như xe đua chẳng hạn, có thể có O  100. Hiện nay chúng ta đang sử dụng các loại xăng không chì (hàm lượng chì nhỏ hơn 0,013 g/l) MOGAS 90, 92 và 95 có số octan RON tương ứng là 90, 92 và 95. (RON - Research Octane Number, phân biệt với MON - Motor Octane Number. Thông thường 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 ngược lại. Quan hệ này được thể hiện qua công thức kinh nghiệm sau đây: O = 120 - 2 Xe 3.3 Ph¶n øng ch¸y vµ c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña m«i chÊt c«ng t¸c §Ó tÝnh l-îng kh«ng khÝ cÇn thiÕt ®èt ch¸y hoµn toµn 1 kg nhiªn liÖu (nl), ta sö dông cho hai tr-êng hîp lµ Lo (kg/kgnl) vµ Mo(kmol/kgnl).  Lo        OH8C 3 8 23,0 1 m O L 2o o o (kg/kgnl)  Mo        32 O 4 H 12 C 21,0 1 r O M 2O o o (kmol/kgnl)  HÖ sè d- l-îng kh«ng khÝ Tû lÖ gi÷a l-îng kh«ng khÝ thùc tÕ n¹p vµo ®éng c¬ vµ l-îng kh«ng khÝ lý thuyÕt ®Ó ®èt ch¸y hoµn toµn cïng mét l-îng nhiªn liÖu lµ mét ®¹i l-îng ®Æc tr-ng cho møc ®é ®Ëm nh¹t cña hçn hîp nhiªn liÖu-kh«ng khÝ (tõ ®©y gäi t¾t lµ hçn hîp) gäi lµ hÖ sè d- l-îng kh«ng khÝ . oo M M L L  L vµ M lµ l-îng kh«ng khÝ thùc tÕ n¹p vµo ®éng c¬ øng víi 1 kg nhiªn liÖu cßn Lo vµ Mo lµ l-îng kh«ng khÝ lý thuyÕt ®Ó ®èt ch¸y hoµn toµn 1 kg nhiªn liÖu. Víi ®Þnh nghÜa hÖ sè d- l-îng kh«ng khÝ  nh- trªn ta cã thÓ nãi: khi nhiªn liÖu ch¸y hoµn toµn tøc lµ ®ñ vµ thõa kh«ng khÝ th×   1, cßn khi nhiªn liÖu ch¸y kh«ng hoµn toµn tøc lµ thiÕu kh«ng khÝ th×   1.  L-îng khÝ n¹p míi L-îng khÝ n¹p míi M1 lµ sè kmol m«i chÊt n¹p vµo ®éng c¬ øng víi 1 kg nhiªn liÖu. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 54 §a sè ®éng c¬ x¨ng hiÖn nay t¹o hçn hîp tõ bªn ngoµi xy lanh ®éng c¬ (trõ ®éng c¬ phun x¨ng trùc tiÕp) nªn khÝ n¹p míi bao gåm kh«ng khÝ vµ nhiªn liÖu: nl o nl 1 1 M 1 MM     víi nl lµ ph©n tö l-îng cña x¨ng, cã t hÓ lÊy b»ng 114 kg/kmol. §èi víi ®éng c¬ diesel, khÝ n¹p míi chØ cã kh«ng khÝ nªn: o1 MMM   S¶n vËt ch¸y S¶n vËt ch¸y cña qu¸ tr×nh ch¸y hoµn toµn nhiªn liÖu bao gåm c¸c-bon-nic CO2, h¬i n-íc H2O, «-xy thõa O2 vµ ni-t¬ N2. Mét c¸ch gÇn ®óng, cã thÓ coi kh«ng khÝ chØ bao gåm «-xy vµ ni-t¬, do ®ã thµnh phÇn thÓ tÝch cña ni-t¬ rN2 = 0,79. XÐt cho 1 kg nhiªn liÖu, ta cã: 32 O 4 H MM o2   Thay ®æi thÓ tÝch khi ch¸y L-îng s¶n phÈm ch¸y lµ M2 nãi chung kh¸c víi l-îng khÝ n¹p míi M1. Do ®ã cã thÓ kÕt luËn r»ng m«i chÊt cã sù thay ®æi thÓ tÝch khi ch¸y. Sau ®©y ta sÏ xÐt mét c¸ch cô thÓ. + L-îng biÕn ®æi ph©n tö M = M2 - M1  X¨ng nl 1 32 O 4 H M    Diesel 32 O 4 H M  + HÖ sè biÕn ®æi ph©n tö lý thuyÕt Ng-êi ta ®Þnh nghÜa hÖ sè biÕn ®æi ph©n tö lý thuyÕt ®Æc tr-ng cho møc ®é thay ®æi thÓ tÝch t-¬ng ®èi khi ch¸y nh- sau: 11 1 1 2 o M M 1 M MM M M     §Ó tÝnh o ta ph©n biÖt c¸c tr-êng hîp cô thÓ. a. X¨ng Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 55 §èi víi x¨ng, ta ph©n biÖt hai tr-êng hîp sau:  Ch¸y hoµn toµn (  1) nl o nl o 1 M 1 32 O 4 H 1       Ch¸y kh«ng hoµn toµn (min    1) nl o nl o o 1 M 1 32 O 4 H M)1(21,0 1      b. Diesel o o M 32 O 4 H 1    + HÖ sè biÕn ®æi ph©n tö thùc tÕ Thùc tÕ trong ®éng c¬ tr-íc vµ sau qu¸ tr×nh ch¸y lu«n cã mét l-îng khÝ sãt Mr trong thµnh phÇn cña m«i chÊt c«ng t¸c. V× vËy, ®Ó tÝnh ®Õn sù thay ®æi thÓ tÝch diÔn ra trong ®éng c¬ cã kÓ ®Õn vai trß cña khÝ sãt ng-êi ta ®Þnh nghÜa hÖ sè biÕn ®æi ph©n tö thùc tÕ nh- sau: r1 r2 MM MM    1 r r M M  lµ hÖ sè khÝ sãt, ta ®-îc: r ro 1    3.4. Tû nhiÖt cña m«i chÊt. Tû nhiÖt cña m«i chÊt lµ mét th«ng sè vËt lý cÇn thiÕt trong tÝnh to¸n nhiÖt ®éng. VÊn ®Ò nµy ®· ®-îc ®Ò cËp kü l-ìng ë trong c¸c gi¸o tr×nh vËt lý hoÆc nhiÖt kü thuËt. Sau ®©y chóng ta chØ nh¾c l¹i tãm t¾t nh÷ng ý chÝnh cÇn thiÕt cho viÖc tÝnh to¸n chu tr×nh c«ng t¸c thùc tÕ cña ®éng c¬. + Tû nhiÖt phô thuéc nhiÖt ®é Tû nhiÖt cña m«i chÊt nãi chung phô thuéc vµo nhiÖt ®é. Mét c¸ch gÇn ®óng chóng ta cã thÓ coi ®©y lµ quan hÖ tuyÕn tÝnh: bTaC vvT  Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 56 víi vTC lµ tû nhiÖt ®¼ng tÝch cña mét kmol (kJ/kmol.K), Ti (K) lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña m«i chÊt, av vµ b lµ c¸c h»ng sè thùc nghiÖm. VÝ dô, ®èi víi kh«ng khÝ, N2, O2, CO lµ c¸c khÝ cã hai nguyªn tö cã thÓ sö dông c«ng thøc: T00419,0806,19C vT  (kJ/kmol.K) Trong tÝnh to¸n ng-êi ta th-êng sö dông gi¸ trÞ tû nhiÖt trung b×nh trong kho¶ng tõ 0 ®Õn nhiÖt ®é T (K) ®ang kh¶o s¸t: T 2 b aC vvT  (kJ/kmol.K) Tû nhiÖt ®¼ng ¸p trung b×nh ®-îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: 314,8CC vTpT   (kJ/kmol.K) + Tû nhiÖt cña s¶n vËt ch¸y S¶n vËt ch¸y lµ mét hçn hîp khÝ phøc t¹p. Khi tÝnh to¸n cã thÓ sö dông nh÷ng c«ng thøc kinh nghiÖm sau:    1 T10 36,184 38,427 634,1 867,19C 5vT                  (kJ/kmol.K)  0,7    1     T104,25134,360504,3997,17C 5vT    (kJ/kmol.K) + Tû nhiÖt cña hçn hîp c«ng t¸c Trong qu¸ tr×nh nÐn, hçn hîp c«ng t¸c gåm khÝ n¹p míi vµ khÝ sãt. Tû nhiÖt ®¼ng tÝch cña hçn hîp c«ng t¸c khi ®ã ®-îc tÝnh to¸n theo c«ng thøc sau:     n 1i vTiivT CrC Trong tr-êng hîp nµy n = 2, ta cã: r vTrvT r1 vTrvT1 vT r1 r vT r1 1 vT 1 CC MM CMCM C MM M C MM M C             Sau khi thay vTC vµ vTC vµo (3-67) vµ rót gän, ta l¹i ®-îc vTC cã d¹ng tuyÕn tÝnh nh-: TbaC vvT  Tû nhiÖt ®¼ng tÝch trung b×nh cña hçn hîp vTC ®-îc x¸c ®Þnh theo: T 2 b aC vvT   Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 57 Tû nhiÖt ®¼ng ¸p trung b×nh cña hçn hîp pTC ®-îc x¸c ®Þnh theo: T 2 b a314,8T 2 b aC zvpT     víi: 314,8aa vz  Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 58 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 hưởng quyết định đến quá trình cháy, qua đó đến tính kinh tế, tính hiệu quả, độ êm dịu và chất lượng khí thải của động cơ. Tỷ lệ không khí với nhiên liệu được gọi là thành phần hoà khí. Thành phần hoà khí được đánh giá theo một trong 2 chỉ tiêu sau đây: * Hệ số dư lượng không khí : 0.LG G nl kk Trong đó: Gkk- lưu lượng không khí thực tế cấp cho động cơ ở một chế độ cụ thể, kg/s. Gnl - lưu lượng nhiên liệu cấp cho động cơ ở một chế độ cụ thể kg/s L0- lượng 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 thường (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 Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 59 Sự hình thành hòa khí có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng quá trình cháy, do đó ảnh hưởng đến tính kinh tế, tính hiệu quả, độ êm dịu và mức độ độc hại của khí thải của động cơ. 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. Dưới 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 lượng 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 dư lượng 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 chưa kịp bốc hơi phải là những hạt xăng có đường kính nhỏ. * Hỗn hợp trong toàn bộ thể tích buồng cháy của mỗi xy lanh phải có thành phần như nhau. Với yêu cầu đó, trên một số động cơ nhiều xy lanh người ta dùng các bộ chế hoà khí 2 họng. * Số lượng và thành phần hoà khí trong các xy lanh của động cơ nhiều xy lanh phải như nhau. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 60 +) Những nhân tố ảnh hưởng đến việc tạo hòa khí trong động cơ xăng. Có 4 nhân tố ảnh hưởng tới chất lượng 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 cao thì thời gian chuẩn bị hoà khí càng ngắn. Với thời gian ngắn như vậy nên rất khó tạo ra hoà khí có chất lượng tốt. * Nhân tố nhiệt độ: Nếu tăng nhiệt độ của hoà khí thì cường độ bốc hơi của nhiên liệu và hệ số nạp của động cơ cũng tăng theo. Nhưng nếu sấy nóng quá mức hoà khí trên đường 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 lượng 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 chương 3). Nếu tăng hàm lượng 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 lượng và cách bố trí các thiết bị này trên động cơ, hệ thống sấy nóng, chất lượng bề mặt và hình dạng tiết diện ngang của đường ống nạp và hình dạng buồng cháy. Các nhân tố này gây ảnh hưởng 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 được 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 được hút vào động cơ phải lưu động qua họng khuếch tán 6 có tiết diện bị thu hẹp. Tại đây, do tác dụng của độ chân không ph, xăng được hút ra từ bầu phao 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 – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 61 qua gíclơ 5. Sau khi ra họng khuếch tán, nhiên liệu được dòng không khí xé tơi đồng thời bay hơi và hoà trộn tạo thành hòa khí nạp vào động cơ. Lượng hòa khí đi vào động cơ được điều chỉnh nhờ bướm ga 7. 4.2.2.2. Đặc tính của bộ chế hòa khí lí tưởng Đặc tính lí tưởng của bộ chế hòa khí được xây dựng với số vòng quay không đổi, do đó độ chân không ở họng hP chỉ phụ thuộc vào độ mở bướm ga hay tải trọng của động cơ. Trên đặc tính lí tưởng chỉ rõ, ở chế độ từ không tải đến tải nhỏ (đoạn a-b) hòa khí phải rất đậm ( 8,04,0  ), do tỉ lệ khí sót trong hỗn hợp lớn và nhiệt độ động cơ thấp nên điều kiện bay hơi, hòa trộn nhiên liệu hình thành hỗn hợp và cháy kém. Từ chế độ tải nhỏ đến chế độ tải lớn (đoạn b-c), bướm ga mở to dần, tải trọng tăng, những điều kiện trên được cải thiện nên bộ chế hòa khí cung cấp hòa khí nhạt dần ( )15,107,1  để động cơ làm việc được tiết kiệm nhất, tức là có suất tiêu thụ nhiên liệu eg nhỏ nhất. Từ chế độ tải lớn đến chế độ toàn tải (đoạn c-d), hòa khí phải được làm đậm để động cơ phát ra công suất cao tức là có tính hiệu quả cao hay nói cách khác áp suất trung bình có ích ep lớn. Khi bướm ga mở hoàn toàn( điểm d), hòa khí được làm đậm nhất( )9,075.0  , động cơ khi đó phát ra công suất cực đại. 4.2.2.3. Các tuyến xăng trong bộ chế hòa khí a. Tuyến xăng chính cơ bản Xăng được hút ra họng khuếch tán theo mạch như sau : Bầu phao xăng gíclơ chính  ống tạo bọt  họng phun chính. b. HÖ thèng khëi ®éng. + S¬ ®å nguyªn lý. Trong hÖ khëi ®éng dïng b-ím giã x¨ng ®-îc phun ra tõ lç phun kh«ng t¶i vµ lç phun chÝnh. ë trªn b-ím giã ®-îc l¾p thªm van khÝ phô + §Æc ®iÓm: Tèc ®é vßng quay cña ®éng c¬ rÊt nhá, th-êng chØ kho¶ng 50-100 vg/ph nªn tèc ®é Hình 4-2: Đặc tính lí lí tưởng của bộ chế hòa khí H×nh 4.3 HÖ thèng khëi ®éng. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 62 kh«ng khÝ qua häng rÊt nhá, nhiªn liÖu phun vµo Ýt, chÊt l-îng phun kÐm. MÆt kh¸c, ®éng c¬ khi ®ã l¹nh nªn x¨ng khã bay h¬i vµ dÔ t¹o thµnh mµng trªn thµnh èng n¹p, hçn hîp t¹o thµnh thùc tÕ rÊt lo·ng, ®éng c¬ khã khëi ®éng. + Nguyªn lý lµm viÖc. Khi khëi ®éng, ng-êi l¸i kÐo b-ím giã (1) ®ãng l¹i, b-ím ga hÐ më. Do ®ã ®é ch©n kh«ng trong häng khuÕch t¸n còng nh- ®é ch©n kh«ng sau b-ím ga ®Òu lín, x¨ng ®-îc hót ra ë c¶ vßi phun chÝnh vµ lç phun kh«ng t¶i t¹o ra hçn hîp ®Ëm ®Æc ®Ó ®éng c¬ dÔ khëi ®éng. Khi ®éng c¬ ®· næ, ®é ch©n kh«ng sau b-ím ga t¨ng lªn lµm van khÝ phô (2) më ra cung cÊp thªm kh«ng khÝ tr¸nh cho hçn hîp qu¸ ®Ëm dÉn tíi ®éng c¬ cã thÓ bÞ chÕt m¸y ngay sau khi næ. Sau khi khëi ®éng, b-ím giã ®-îc më cùc ®¹i ®Ó ®éng c¬ lµm viÖc binh th-êng. c. HÖ thèng kh«ng t¶i. +S¬ ®å nguyªn lý. + §Æc ®iÓm: B-ím ga ®ãng gÇn kÝn, l-u l-îng qua häng khuÕch t¸n nhá khiÕn cho ®é ch©n kh«ng t¹i ®©y nhá nªn kh¶ n¨ng hót x¨ng còng nh- xÐ t¬i vµ hßa trén x¨ng víi kh«ng khÝ kÐm. Do ®ã hÖ thèng chÝnh kh«ng cã kh¶ n¨ng cung cÊp hçn hîp cho ®éng c¬ ch¹y kh«ng t¶i. Trong khÝ ®ã, ®é ch©n kh«ng sau b-ím ga lín nªn ®-îc tËn dông ®Ó hót x¨ng ra häng khuÕch t¸n vµ t¹o thµnh hçn hîp cho ®éng c¬ ch¹y kh«ng t¶i. + Nguyªn lý lµm viÖc. X¨ng ®-îc hót tõ buång phao qua gicl¬ nhiªn liÖu, kh«ng khÝ ®-îc hót qua gicl¬ kh«ng khÝ 1 vµo èng hçn hîp 2. T¹i ®©y x¨ng hßa trén s¬ bé víi kh«ng khÝ t¹o thµnh d¹ng nhò t-¬ng t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh bay h¬i vµ hßa trén cña x¨ng víi H×nh 4.4 : HÖ thèng kh«ng t¶i. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 63 kh«ng khÝ t¹o thµnh hçn hîp. Cuèi cïng hçn hîp ®-îc hót qua lç 3 phun vµo kh«ng gian sau b-ím ga. Khi ®éng c¬ chuyÓn tõ chÕ ®é kh«ng t¶i vÒ chÕ ®é cã t¶i, b-ím ga më lín dÇn. §é ch©n kh«ng sau b-ím ga gi¶m ®i dÉn tíi l-îng hçn hîp cung cÊp qua hÖ thèng kh«ng t¶i gi¶m trong khi hÖ thèng chÝnh ch-a ho¹t ®éng lµm cho ®éng c¬ cã thÓ chÕt m¸y. §Ó kh¾c phôc hiÖn t-îng nµy, hÖ thèng kh«ng t¶i cã lç phun chuyÓn tiÕp. §Ó ®iÒu chØnh l-îng kh«ng t¶i ta ®iÒu chØnh vÝt ®iÒu chØnh 4 Hầu hết các bộ chế hoà khí hiện nay đều bố trí một van điện trên đường xăng không tải được gọi là van tắt máy hoặc van cắt xăng để ngắt xăng khi khoá điện tắt, đảm bảo cho động cơ không bị nổ rớt (còn gọi là nổ kiểu diesel) sau khi đã tắt khóa điện d. HÖ thèng lµm ®Ëm (bé tiÕt kiÖm). +S¬ ®å nguyªn lý. + §Æc ®iÓm: Cung cÊp thªm nhiªn liÖu lµm ®Ëm hçn hîp ®Ó ®éng c¬ ph¸t ra c«ng suÊt cùc ®¹i khi b-ím ga më hoµn toµn + Nguyªn lý lµm viÖc. Khi ®éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é t¶i trung b×nh b-ím ga më nöa chõng, lóc nµy van bé tiÕt kiÖm ®ãng, x¨ng ®-îc cung cÊp vµo chÕ hoµ khÝ qua gicl¬ chÝnh qua ®-êng x¨ng chÝnh ®¶m b¶o cho ®éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é t¶i trung b×nh. Khi ®éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é toµn t¶i, b-ím ga më trªn 80% qua hÖ thèng cÇn liªn ®éng ®¶y cho van bé lµm ®Ëm bæ xung thªm hçn hîp nhiªn liÖu phun vµo ®éng c¬ ®¶m b¶o cho ®éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é toµn t¶i, ph¸t huy ®-îc c«ng suÊt cùc ®¹i. H×nh 4.5 : HÖ thèng lµm ®Ëm dÉn ®éng c¬ khÝ. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 64 - HÖ thèng lµm ®Ëm dÉn ®éng b»ng ch©n kh«ng: + S¬ ®å nguyªn lý H×nh 4.6 : HÖ thèng lµm ®Ëm dÉn ®éng ch©n kh«ng. 1. Vßi phun chÝnh, 2. Häng khuyÕch t¸n, 3. B-ím ga, 4. GÝcl¬ lµm ®Ëm, 5. Van an toµn, 6.§-êng èng ch©n kh«ng, 7. Kim van lµm ®Ëm, 8. GÝcl¬ chÝnh, 9. Lß xo cÇn lµm ®Ëm, 10. Xylanh, 11. Piston, 12. Buång phao, 13. èng ch©n kh«ng + Nguyªn lý lµm viÖc: Khi b-ím ga më ch-a hÕt, ®é ch©n kh«ng d-íi b-ím ga lín th«ng qua ®-êng èng ch©n kh«ng nèi víi xylanh bé lµm ®Ëm lµm cho buång trªn ®é ch©n kh«ng lín. piston ®i lªn th¾ng søc c¨ng cña lß xo lµm cho lß xo bÞ Ðp l¹i, cÇn ®Èy ®i lªn kh«ng t¸c ®éng vµo van lµm ®Ëm, lß xo van ®Èy cho van ®ãng l¹i. Do vËy kh«ng cã l-îng x¨ng bæ xung vµo ®-êng x¨ng chÝnh. Khi b-ím ga më hÕt ®é ch©n kh«ng ë d-íi b-ím ga nhá lµm cho ®é ch©n kh«ng ë buång trªn piston nhá kh«ng th¾ng ®-îc søc c¨ng cña lß xo kh«ng ®Èy cÇn piston. Lóc ®ã lß xo cÇn piston ®Èy cho piston ®i xuèng t¸c ®éng vµo d-íi van lµm ®Ëm qua gicl¬ lµm ®Ëm ®i vµo vßi phun chÝnh cung cÊp thªm mét l-îng x¨ng ®Ó ®éng c¬ ph¸t huy c«ng suÊt. e. HÖ thèng t¨ng tèc. + §Æc ®iÓm: Khi t¨ng tèc, b-ím ga më ®ét ngét. Khi Êy, l-îng kh«ng khÝ vµo ®éng c¬ t¨ng nhanh nh-ng l-îng nhiªn liÖu kh«ng t¨ng kip do qu¸n tÝnh cña x¨ng lín h¬n nhiÒu so víi qu¸n tÝnh cña kh«ng khÝ nªn hçn hîp nh¹t ®i ®ét ngét cã thÓ lµm chÕt m¸y. §Ó kh¾c phôc hiÖn t-îng nµy, trªn bé chÕ hßa khÝ bè trÝ hÖ thèng t¨ng tèc. Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 65 + S¬ ®å nguyªn lý +. Nguyªn lý lµm viÖc: Khi ®éng c¬ t¨ng tèc b-ím ga më ®ét ngét qua hÖ thèng cÇn liªn ®éng kÐo cÇn Ðp ®i xuèng t¸c dông mét lùc vµo lß xo ®Èy piston ®i xuèng nhanh t¹o ra ¸p suÊt lín trong xylanh lµm ®ãng van x¨ng vµo, ®Èy van träng l-îng më ra, Ðp x¨ng theo ®-êng x¨ng t¨ng tèc phun vµo häng hót t¹o hçn hîp ®Ëm ®Æc ®Ó ®éng c¬ t¨ng tèc thuËn lîi kh«ng bÞ chÕt m¸y, khi ®éng c¬ t¨ng tèc b-ím ga më tõ tõ, piston b¬m t¨ng tèc ®i xuèng tõ tõ do ®ã kh«ng t¹o ra ¸p suÊt ®ét ngét trong xylanh nªn van x¨ng vµo ®ãng kh«ng kÝn, x¨ng trong xylanh qua van x¨ng vµo quay trë l¹i bÇu phao. H×nh 4.7 HÖ thèng t¨ng tèc Khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật HưngYên 66 4.2.3. Hình thành hòa khí trong động cơ phun xăng Trong hệ thống phun xăng, xăng được phun vào động cơ với áp suất khoảng 3- 4 bar đối với loại phun vào đường ống nạp và 40 bar với loại phun trực tiếp vào xy lanh. Do được