"
🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong
Ebooks
Nhóm Zalo
PGS. TS NGUYỄN DUY TIẾN
NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 236 trang, in giấy BB 58
NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI - 2007
Chỉnh sửa giáo trình điện tử
Nguyên lý động cơ đốt trong
1. Thông tin về tác giả
PGS.TS. Nguyễn Duy Tiến
CBGD: Bộ môn động cơ đốt trong- Khoa cơ khí- ĐHGTVT Hà nội Chuyên ngành: Động cơ đốt trong
Hướng khoa học đã nghiên cứu:
- Tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ đốt trong
- Kỹ thuật phun nhiên liệu trong động cơ
- Khai thác động cơ ô tô đời mới trong điều kiện nhiệt đới - Sử dụng môi trường sạch thân thiện môi trường sống Điện thoại liên hệ: 0989376773 Tel: 0435564303 Email liên hệ: nguyenduytienPGS@gmail.com
2. Phạm vi và đối tượng sử dụng giáo trình
- Giáo trình sử dụng tham khảo cho sinh viên ngành cơ khí và cơ khí động lực khoa cơ khí trường Đại học Giao thông Vận tải
- Cùng có thể dùng cho các ngành cơ khí động lực học nông, lâm nghiệp và thuỷ lợi
Kiến thức yêu cầu của môn học trước:
- Nhiệt kỹ thuật
∙ 10 từ khoá để tra cứu:
NL§C§T • 3
LỜI NÓI ĐẦU
Để góp phần vào việc nâng cao chất lượng đào tạo cán bộ ngành Cơ khí Giao thông vận tải, trong đó có môn học Động cơ đốt trong, chúng tôi biên soạn giáo trình "Nguyên lý động cơ đốt trong" Giáo trình chủ yếu phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên ngành Cơ khí chuyên dùng thuộc khoa Cơ khí Trường đại học Giao thông vận tải. Đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho cán bộ kỹ thuật đang làm việc trong ngành Cơ khí giao thông.
Nội dung của giáo trình giới thiệu một cách có hệ thống những vấn đề cơ bản về nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong, tính toán các quá trình nhiệt động, các thông số cơ bản và đặc tính của động cơ đốt trong. Đồng thời giáo trình nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết kế, tính toán hệ thống cấp dẫn nhiên liệu động cơ xăng và động cơ diesel thế hệ mới đang được sử dụng trong ngành Cơ khí giao thông ở Việt Nam hiện nay.
Giáo trình được viết trên cơ sở những bài giảng đã được giảng dạy nhiều năm cho ngành Cơ khí chuyên dụng - khoa Cơ khí - Trường đại học GTVT, có bổ sung những kiến thức mới và những công trình nghiên cứu khoa học của tác giả trong quá trình giảng dạy và nghiên cứu khoa học.
Tác giả chân thành cảm ơn tập thể cán bộ giảng dạy bộ môn Động cơ đốt trong, khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông vận tải đã đóng góp cho giáo trình những ý kiến quý báu.
Kính mong các bạn đồng nghiệp, sinh viên và bạn đọc đóng góp ý kiến xây dựng cuốn giáo trình này để lần tái bản được hoàn thiện hơn.
Tác giả
4 • NL§C§T
PHẦN I
CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN
CHƯƠNG 1
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Động cơ đốt trong nói chung, động cơ xăng và động cơ diesel nói riêng kiểu piston chuyển động tịnh tiến thuộc loại động cơ nhiệt. Hoạt động nhờ quá trình biến đổi hoá năng sang nhiệt năng do nhiên liệu bị đốt cháy rồi chuyển sang cơ năng. Quá trình này được thực hiện ở trong xylanh của động cơ.
1.2. PHÂN LOẠI
Theo nhiên liệu sử dụng:
+ Động cơ xăng: động cơ dùng nhiên liệu xăng.
+ Động cơ diesel: động cơ dùng nhiên liệu diesel.
Theo phương pháp tạo hoà khí và đốt cháy:
+ Động cơ tạo hoà khí bên ngoài, là loại động cơ mà hỗn hợp nhiên liệu và không khí được tạo thành ở bên ngoài xylanh nhờ một bộ phận có cấu tạo đặc biệt (bộ chế hoà khí - carbuarettor) sau đó được đưa vào xylanh và được đốt cháy ở đây bằng tia lửa điện (động cơ xăng dùng bộ chế hoà khí).
+ Động cơ tạo hoà khí bên trong, là loại động cơ mà hỗn hợp hơi nhiên liệu và không khí được tạo thành ở bên trong xylanh nhờ một bộ phận có cấu tạo đặc biệt (bơm cao áp và vòi phun,...) và hỗn hợp này tự bốc cháy do hỗn hợp bị nén ở nhiệt độ cao (động cơ diesel).
Theo số kỳ thực hiện một chu trình công tác:
+ Động cơ bốn kỳ (4 strokes): Chu kỳ làm việc được hoàn thành sau bốn hành trình của piston hoặc hai vòng quay của trục khuỷu;
+ Động cơ hai kỳ (2 strokes): Chu kỳ làm việc được hoàn thành sau hai hành trình của piston hoặc một vòng quay của trục khuỷu.
Theo quá trình cấp nhiệt và tỷ số nén (ε):
+ Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng tích, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén thấp (ε = 5÷12), như động cơ sử dụng xăng, nhiên liệu cồn và khí; + Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng áp, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén cao (ε = 12÷24), như động cơ phun nhiên liệu bằng không khí nén và tự bốc cháy, động cơ sử dụng bột than;
NL§C§T • 5
+ Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt hỗn hợp, loại này bao gồm những động cơ có tỷ số nén cao (ε = 12÷24), như động cơ diesel.
Theo phương pháp nạp:
+ Người ta phân loại khí nạp có được nén trước khi nạp hay không, tương đương với 2 loại đó có động cơ tăng áp và động cơ không tăng áp.
Theo tỷ số S/D
+ Động cơ có hành trình ngắn khi: S / D < 1
+ Động cơ có hành trình dài khi: S / D > 1
Theo tốc độ động cơ:
Tuỳ theo tốc độ trượt trung bình của piston:
S n C = , m/s (1-1)
.
30 m
+ Khi Cm = (3 ÷ 6) m/s được gọi là động cơ tốc độ thấp;
+ Khi Cm = (6 ÷ 9) m/s được gọi là động cơ tốc độ trung bình;
+ Khi Cm = (9 ÷ 13) m/s được gọi là động cơ tốc độ cao;
+ Khi Cm > 13 m/s được gọi là động cơ siêu cao tốc.
Theo số lượng và cách bố trí xylanh:
+ Số lượng xylanh: động cơ một xylanh và động cơ nhiều xylanh (động cơ 2, 3, 4, 6, 8,.. xylanh);
+ Cách bố trí xylanh: động cơ có xylanh đặt thẳng đứng, đặt nghiêng và nằm ngang;
+ Theo số hàng xylanh: động cơ 1 hàng, động cơ chữ V và động cơ hình sao; +Theo số trục khuỷu: động cơ một, hai hoặc ba trục khuỷu, thậm chí có động cơ không có trục khuỷu (như động cơ piston quay- Wallkel).
Ngoài ra có thể phân loại động cơ theo công dụng, phương pháp làm mát và dung tích làm việc...
1.3. NHỮNG THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ
Động cơ bao gồm các bộ phận chính sau đây:
+ Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền;
+ Cơ cấu phối khí;
+ Hệ thống nhiên liệu;
+ Hệ thống bôi trơn;
+ Hệ thống làm mát;
+ Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ;
+ Hệ thống khởi động.
Ở động cơ xăng còn có thêm hệ thống đánh lửa.
1.3.1.Những thông số cơ bản của động cơ
Những thông số cấu tạo cơ bản của động cơ, hình 1-1 gồm có:
6 • NL§C§T
Điểm chết: điểm chết là điểm mà piston đổi chiều chuyển động.
Điểm chết trên (ĐCT) là điểm xa nhất của piston so với đường tâm trục khuỷu. Điểm chết dưới (ĐCD) là điểm gần nhất của piston so với đường tâm trục khuỷu. Hành trình piston S (stroke) là khoảng cách từ vị trí cao nhất của piston (điểm
chết trên ĐCT) đến vị trí thấp nhất của của piston (điểm chết dưới ĐCD) khi piston dịch chuyển. S = 2.R; trong đó R- là bán kính quay của trục khuỷu.
Thể tích làm việc của xylanh Vh là thể tích của xylanh giới hạn trong khoảng một hành trình của piston:
2
V S
..
D
= ; (1-2) h
4
Thể tích làm việc của động cơ VH
VH = Vh. i ; (1-3)
Trong đó: i - là số xylanh của động cơ.
Hình 1-1. Piston ở điểm chết trên và dưới
Thể tích buồng cháy Vc là thể tích phần không gian giữa đỉnh piston, xylanh và nắp xylanh khi piston ở ĐCT.
Thể tích chứa hoà khí (thể tích toàn bộ) Va là tổng thể tích làm việc của xylanh Vh và thể tích buồng cháyVc.
Va = Vh + Vc ; (1-4)
Tỷ số nén của động cơ ε là tỷ số giữa thể tích chứa hoà khí của xylanh Va và thể tích buồng cháy Vc.
V ; (1-5)
a V
V V
+
V
h
= =
h c
h
= + ⇒ = 1−
V
V c
V c
V c
c
1
Tỷ số nén biểu hiện hoà khí (động cơ xăng) hoặc không khí (động cơ diesel) bị nén nhỏ đi bao nhiêu lần khi piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT. Tỷ số nén có ảnh hưởng lớn đến công suất cũng như hiệu suất của động cơ.
Tỷ số nén tùy thuộc vào loại động cơ và thường có trị số như sau:
NL§C§T • 7
Động cơ xăng: ε = 3,5 ÷ 11;
ĐỘNG CƠ DIESEL: = 13 22;
1.4. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ BỐN KỲ
1.4.1. Động cơ xăng bốn kỳ
Khi động cơ làm việc hình 1-2, trục khuỷu 1 quay (theo chiều mũi tên) còn piston 3 nối bản lề với trục khuỷu qua thanh truyền 10, sẽ chuyển động tịnh tiến trong xylanh 2.
Mỗi chu trình làm việc của động cơ xăng bốn kỳ bao gồm 4 hành trình là: nạp, nén, cháy- giãn nở, thải, thực hiện một lần sinh công (trong hành trình cháy- giãn nở). Để thực hiện được như vậy thì piston phải dịch chuyển lên xuống bốn lần tương ứng với hai vòng quay của trục khuỷu động cơ (từ 00 đến 7200). Quá trình diễn ra khi piston đi từ ĐCD lên ĐCT hoặc ngược lại được gọi là một kỳ.
Chu kỳ làm việc của động cơ xăng bốn kỳ như sau:
.
1. trục khuỷu, 2. xylanh, 3. piston, 4. ống nạp,
5. bộ chế hoà khí, 6. xupáp nạp, 7. bu gi, 8. xupáp thải, 9. ống thải, 10. thanh truyền
Hình 1-2: Các hành trình làm việc của động cơ xăng 4 kỳ
Hành trình nạp: trong hành trình này (hình 1-2a), khi trục khuỷu 1 quay, piston 3 sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp 6 mở, xupáp thải 8 đóng, làm cho áp suất trong xylanh 2 giảm và do đó hoà khí ở bộ chế hoà khí 5 qua ống nạp 4 được hút vào xylanh.
Trên đồ thị công hình 1-3 (đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và thể tích làm việc của xylanh ứng với mỗi vị trí khác nhau của piston), hành trình nạp được thể hiện bằng đường ra (r-a).
Trong hành trình nạp, xupáp nạp thường mở sớm trước khi piston lên điểm chết trên (biểu thị bằng điểm d1), để khi piston đến ĐCT (thời điểm bắt đầu nạp) thì xupáp đã được mở tương đối lớn làm cho tiết diện lưu thông lớn bảo đảm hoà khí đi vào xylanh nhiều hơn. Góc ứng α1 với đoạn d1r đó được gọi là góc mở sớm của xupáp nạp.
8 • NL§C§T
Hình 1-3. Đồ thị công Hình 1-4. Đồ thị phối khí của động cơ xăng 4 kỳ.
Đồng thời xupáp nạp cũng được đóng muộn hơn một chút so với vị trí piston ở ĐCD (điểm d2) để lợi dụng độ chân không còn lại trong xylanh và lực quán tính của dòng khí nạp, làm tăng thêm lượng hoà khí nạp vào xylanh (giai đoạn nạp thêm). Góc ứng α2 với đoạn ad2 đó được gọi là góc đóng muộn của xupáp nạp. Vì vậy, quá trình nạp không phải kết thúc tại ĐCD mà muộn hơn một chút, nghĩa là sang cả hành trình nén. Tuy nhiên trong một số chế độ tốc độ thấp do quán tính của dòng khí nạp còn nhỏ, (do pd2>p0) một phần môi chất đã được nạp vào trong xylanh bị lọt ra ngoài trong giai đoạn góc đóng muộn xupáp nạp khi đó người ta gọi là "hiện tượng thoái lui“.
Vì vậy, góc quay trục khuỷu tương ứng của quá trình nạp là (α1 +α180 + α2 ) lớn hơn góc trong hành trình nạp 1800.
Cuối quá trình nạp, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: pa = 0,8 ÷ 0,9 kG/cm2
Ta = 350 ÷ 4000 K.
Hành trình nén: trong hành trình này (hình 1-2b), xupáp nạp và xupáp thải đều đóng. Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hoà khí trong xylanh bị nén, áp suất và nhiệt độ của nó tăng lên.
Hành trình nén được biểu thị bằng đường ac” (hình 1-3), nhưng quá trình nén thực tế chỉ bắt đầu khi các xupáp nạp và thải đóng kín hoàn toàn, tức là lúc mà hoà khí trong xylanh đã cách ly với môi trường bên ngoài. Do đó thời gian thực tế của quá trình nén (1800- α2) nhỏ hơn thời gian hành trình nén lý thuyết (1800 ).
Cuối hành trình nén (điểm c’ hình 1-3) bu-gi 7 của hệ thống đánh lửa phóng tia lửa điện để đốt cháy hoà khí. Góc ứng với đoạn cc’ (hình 1-3) hay góc ϕs (hình 1-4) được gọi là góc đánh lửa sớm của động cơ.
Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: pc = 11,0 ÷ 15,0 kG/cm2 ; Tc = 500 ÷ 7000 K.
NL§C§T • 9
Hành trình cháy giãn nở sinh công: trong hành trình này (hình 1-2c), xupáp nạp và thải đóng. Do hoà khí được bugi đốt cháy ở cuối hành trình nén, nên khi piston vừa đến ĐCT thì tốc độ cháy của hoà khí càng nhanh, làm cho áp suất của khí cháy tăng lên rất lớn trong xylanh và được biểu thị bằng đường c’z trên đồ thị công. Tiếp theo quá trình cháy là quá trình giãn nở của khí cháy (đường zb) piston bị đẩy từ ĐCT xuống ĐCD và phát sinh công.
Áp suất và nhiệt độ của khí cháy lớn nhất trong xylanh là:
pz = 40 ÷70 kG/cm2 Tz = 2300 ÷ 28000 K
Hành trình thải: trong hành trình này (hình 1-2b), xupáp nạp vẫn đóng còn xupáp thải mở. Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí đã cháy qua ống thải 9 ra ngoài. Trước khi kết thúc hành trình cháy – giãn nở sinh công, xupáp thải được mở sớm một chút trước khi piston tới ĐCD (điểm b’) để giảm bớt áp suất trong xylanh ở giai đoạn giãn nở, do đó giảm được công tiêu hao để đẩy khí ra khỏi xylanh. Ngoài ra khi giảm áp suất này thì lượng sản phẩm cháy còn lại trong xylanh cũng giảm, do đó giảm được công trong quá trình thải chính và giảm được lượng khí sót đồng thời tăng được lượng hoà khí nạp vào xylanh. Góc ứng với đoạn b’b hay góc α3 gọi là góc mở sớm của xupáp thải.
Đồng thời để thải sạch khí cháy ra khỏi xylanh, xupáp thải cũng được đóng muộn hơn một chút so với thời điểm piston ở ĐCT (điểm r’). Góc ứng với đoạn rr’ là góc α4 gọi là góc đóng muộn của xupáp thải.
Do xupáp thải mở sớm và đóng muộn nên góc quay trục khuỷu dành cho quá trình thải (α3 +α180 + α4 ) lớn hơn góc của hành trình thải (α180 ). Áp suất và nhiệt độ của khí thải là:
pr = 1,0 ÷1,20 kG/cm2 ; Tr = 900 ÷ 12000 K
Trên đồ thị công đoạn d1r biểu thị thời kỳ trùng điệp của xupáp nạp và xupáp thải, tức là thời kỳ mà hai xupáp cùng mở, góc ứng với đoạn d1r’ là góc (α1 + α4 ) (hình1-4) gọi là góc trùng điệp của hai xupáp.
Sau khi hành trình thải kết thúc, thì động cơ xăng 4 kỳ một xylanh đã hoàn thành một chu kỳ làm việc và chuyển sang chu trình tiếp theo.
1.4.2. Động cơ diesel bốn kỳ không tăng áp
a) b) c) d)
10 • NL§C§T
1. trục khuỷu; 2. xylanh; 3. piston; 4. ống nạp; 5. bơm cao áp; 6. xupáp nạp; 7. vòi phun; 8. xupáp thải; 9. ống thải; 10.thanh truyền.
Hình 1-5. Các hành trình làm việc của động cơ diesel 4 kỳ
Quá trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ cũng giống như động cơ xăng 4 kỳ, nghĩa là piston cũng phải thực hiện bốn hành trình nạp, nén, cháy giãn nở, thải. Trong động cơ diesel 4 kỳ quá trình nạp và nén môi chất là không khí (mà không phải hoà khí) và nhiên liệu tự cháy, do không khí nén có nhiệt độ cao (mà không dùng tia lửa điện).
Chu kỳ làm việc của động cơ diesel 4 kỳ như sau:
Hành trình nạp: trong hành trình này (hình 1-5a), khi trục khuỷu 1 quay, piston 7 sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp 4 mở, xupáp thải 6 đóng, làm cho áp suất trong xylanh 2 giảm, không khí ở bên ngoài được nạp vào trong xylanh.
Cuối quá trình nạp, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: pa = 0,8 ÷ 0,9 kG/cm2 ; Ta = 330 ÷3800 K.
Hành trình nén: trong hành trình này (hình 1-5b), xupáp nạp và xupáp thải đều đóng. Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hoà khí trong xylanh bị nén, áp suất và nhiệt độ của nó tăng lên. Hành trình nén được biểu thị bằng đường ac’ (hình 1-6), nhưng quá trình nén thực tế chỉ bắt đầu khi các xupáp nạp và thải đóng kín hoàn toàn, tức là lúc mà hoà khí trong xylanh đã cách ly với môi trường bên ngoài. Do đó thời gian thực tế của quá trình nén (1800- α2) nhỏ hơn thời gian hành trình nén lý thuyết (1800).
Cuối hành trình nén (điểm c’) vòi phun 5 của hệ thống nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu xylanh để hoà trộn với không khí có nhiệt độ cao, rồi tự bốc cháy (động cơ tự cháy). Góc ứng với điểm c’ (góc ϕs) (hình 1-4) được gọi là góc phun nhiên liệu sớm của động cơ.
Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xylanh là:
pc = 40 ÷ 50 kG/cm2 ; Tc = 800 ÷ 9000 K.
Hành trình cháy giãn nở sinh công: trong hành
trình này (hình 1-5c), xupáp nạp và thải đóng. Do nhiên
liệu phun vào xylanh ở cuối hành trình nén đã được
chuẩn bị và tự bốc cháy, nên khi piston đến ĐCT thì
nhiên liệu cháy càng nhanh, làm cho áp suất khí cháy
tăng lên, hoà khí cháy càng nhanh, làm cho áp suất trong
xylanh tăng lên rất lớn và đẩy piston từ ĐCT xuống
ĐCD qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và phát sinh
công.
Áp suất và nhiệt độ lớn nhất của khí cháy trong
xylanh là:
pz = 60 ÷ 80 kG/cm2 ; Tz = 1900 ÷ 22000 K
Hành trình thải: trong hành trình này (hình 1-5d),
xupáp nạp vẫn đóng còn xupáp thải mở. Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí cháy qua xupáp thải ra ngoài.
Hình 1-6: Đồ thị công động cơ diesel 4 kì
NL§C§T • 11
Trước khi kết thúc hành trình cháy giãn nở sinh công, xupáp thải được mở sớm một chút trước khi piston tới ĐCD (điểm b’) để giảm bớt áp suất trong xylanh ở giai đoạn cuối quá trình giãn nở, do đó giảm được công tiêu hao để đẩy khí ra khỏi xylanh. Ngoài ra khi giảm áp suất này thì lượng khí cháy còn lại trong xylanh cũng giảm, nhờ đó tăng được lượng hoà khí nạp vào xylanh. Góc ứng với đoạn b’b hay góc α3 gọi là góc mở sớm của xupáp thải.
Đồng thời để thải sạch khí cháy ra khỏi xylanh, xupáp thải cũng được đóng muộn hơn một chút so với thời điểm piston ở ĐCT (điểm r’). Góc ứng với đoạn rr’ là góc α4 gọi là góc đóng muộn của xupáp thải.
Do xupáp thải mở sớm và đóng muộn nên góc quay trục khuỷu ứng với quá trình thải (α3 +α180 + α4) lớn hơn của hành trình thải (α180). Áp suất và nhiệt độ của khí thải là:
pr = (1,1 ÷1,2) kG/cm2 ; Tr = (800 ÷ 900) 0K
Trên đồ thị công đoạn d1r’ biểu thị thời kỳ trùng điệp của xupáp nạp và xupáp thải, tức là thời kỳ mà hai xupáp cùng mở, góc ứng với đoạn d1r’ là góc (α1 + α4) (hình1-4), gọi là góc trùng điệp của hai xupáp.
Sau khi kết thúc hành trình thải, động cơ lại lặp lại chu trình làm việc tiếp theo. Trên hình 1-6 là đồ thị công của động cơ diesel bốn kỳ. Đồ thị phối khí của nó cũng tương tự như của động cơ xăng.
Tìm hiểu nguyên lý làm việc của động cơ xăng và động cơ diesel bốn kỳ ta có thể rút ra một số nhận xét sau:
Trong bốn hành trình của piston, chỉ có một hành trình cháy giãn nở sinh công, ba hành trình còn lại là những hành trình chuẩn bị và được thực hiện nhờ động năng hay quán tính của các bộ phận chuyển động quay tròn (trục khuỷu, bánh đà) và một phần công sinh ra của những xylanh khác đối với động cơ nhiều xylanh.
Thời điểm mở và đóng của các xupáp nạp và thải không trùng với thời điểm piston ở ĐCT và ĐCD được gọi là “thời điểm phối khí”. Đây cũng là một đặc điểm cơ bản để phân biệt giữa chu trình làm việc thực tế với chu trình làm việc lý thuyết. Trong chu trình làm việc lý thuyết các xupáp thải không mở sớm và đóng muộn như đã nói ở trên.
Thời điểm phối khí cũng như các góc ứng với thời gian mở và đóng của các xupáp nạp và thải được biểu thị trên đồ thị phối khí.
Các góc mở sớm và đóng muộn (góc phối khí) cũng như góc phun nhiên liệu hoặc góc đánh lửa ở cuối hành trình nén có ảnh hưởng nhiều đến công suất, hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu.
Thông thường các góc này được xác định bằng phương pháp thực nghiệm (bảng 1):
Bảng 1. Góc phối khí, góc phun nhiên liệu (góc đánh lửa)
12 • NL§C§T
Loại
động cơ
Xupáp nạp
Xupáp thải
Góc phun
nhiên liệu
(góc đánh
lửa sớm)
Mở sớm
trước
ĐCT
Đóng muộn sau ĐCD
Mở sớm
trước ĐCD
Mở sớm
trước ĐCT
Động cơ
xăng
Động cơ
diesel
50÷ 400
100÷ 500
300÷ 600
50÷ 350
100÷ 300
100÷ 300
450÷ 750
300÷ 600
50÷ 300
1.5. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ HAI KỲ (2 STROKES)
Chu trình làm việc của động cơ hai kỳ cũng bao gồm bốn quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở và thải, nhưng khác với động cơ bốn kỳ là để hoàn thành một chu trình làm việc, trục khuỷu của động cơ hai kỳ chỉ quay một vòng (3600) tương ứng với piston dịch chuyển hai hành trình. Do đó, trong mỗi hành trình của piston sẽ có nhiều quá trình cùng xảy ra.
Động cơ hai kỳ thường dùng hai kiểu phối khí: loại có cửa thổi (cửa nạp), cửa thải (không có xupáp) và loại có cửa thổi và xupáp thải.
1.5.1. Động cơ xăng hai kỳ , loại có cửa thổi và cửa thải
Động cơ xăng hai kỳ, loại có cửa thổi và cửa thải (không dùng xupáp) có chu trình làm việc như sau:
Hành trình nén: trong hành trình này (hình 1-7a), khi trục khuỷu 2 quay, piston 5 dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, khi cửa thải 4 được piston đóng kín, hoà khí có sẵn trong xylanh 6 bị nén, làm cho áp suất và nhiệt độ của nó tăng, đến khi piston gần tới ĐCT thì nó bị đốt cháy nhờ bugi 7 phóng tia lửa điện.
Khi piston đi lên để nén hoà khí, ở phía dưới piston, trong cácte 1 áp suất giảm và hoà khí từ bộ chế hoà khí, qua ống nạp và cửa nạp được hút vào cácte để chuẩn bị cho việc thổi hoà khí vào xylanh ở hành trình sau.
Ở cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xylanh là: p = (6 ÷ 10) kG/cm2 ; T= (400 ÷600)0 K.
1. các te;
2. trục khuỷu;
3. thanh truyền;
4. cửa thải;
5. piston;
6. nắp xylanh;
7. xylanh;
8. cửa thổi ;
NL§C§T • 13
9. đường thông.
a) b)
Hình 1-7. Nguyên lí làm việc động cơ xăng hai kì
Hành trình sinh công và thay khí: trong hành trình này (hình 1-7b), do hoà khí đã được đốt cháy ở cuối hành trình nén, nên khi piston đến ĐCT, thì hoà khí càng cháy nhanh hơn, làm cho áp suất khí cháy tăng lên và đẩy piston đi xuống ĐCD qua thanh truyền 3, làm quay trục khuỷu 2 phát sinh công.
Khi piston dịch chuyển dần tới ĐCD cửa thải 4 mở, đồng thời sau đó cửa thổi 8 có chiều cao thấp hơn cửa thải cũng được mở và cửa nạp đóng lại. Do đó, khí cháy sau khi đã làm việc, có áp suất (3 - 4 kG/cm2) lớn hơn áp suất khí trời (p0 = 1kG/cm2), được thải ra ngoài và hoà khí ở dưới cácte bị nén có áp suất (1,2 – 1,3 kG/cm2) cao hơn áp suất của khí cháy còn lại trong xylanh (~1,1 kG/cm2) sẽ theo đường 9 theo cửa thổi 8 vào xylanh ở phía trên đỉnh piston, góp phần làm sạch hoà khí cháy trong đó và tạo điều kiện cho hành trình sau:
a) b)
Hình 1-8. Đồ thị công và đồ thị phối khí của động cơ xăng 2 kỳ loại không có xupáp Áp suất và nhiệt độ của khí cháy trong xylanh là:
p = (40 ÷ 70) kG/cm2 ; T = (2000 ÷ 2300)0 K.
Sau hành trình sinh công và thay khí, nếu trục khuỷu vẫn quay thì quá trình làm việc của động cơ xăng hai kỳ lại lặp chu kỳ như trên.
1.5.2. Động cơ diesel hai kỳ, loại có cửa thổi và xupáp thải
Động cơ diesel hai kỳ có đặc điểm là không dùng cácte để chứa và thổi khí mà dùng máy nén khí riêng để thổi khí trực tiếp vào trong xylanh.
14 • NL§C§T
Chu trình làm việc của động cơ này như sau:
1. trục khuỷu;
2. thanh truyền;
3. máy nén khí;
4. xylanh;
5. vòi phun;
6. xupáp thải;
7. piston;
8. buồng khí;
9. cửa thổi.
a) b) Hình 1-9. Các hành trình làm việc của động cơ diesel hai kỳ có xupáp thải.
Hành trình nén: Trong hành trình này (hình 1-9a), khi trục khuỷu 1 quay, piston 7 dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT. Cửa thổi 9 được piston đậy kín và sau đó xupáp thải 6 cũng được đóng lại, không khí có sẵn trong xylanh 4 bị nén, áp suất và nhiệt độ của nó tăng lên cho đến khi piston gần đến ĐCT, vòi phun 5 của hệ thống nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu với áp suất cao (100 ÷140 kG/cm2) hình thành hỗn hợp với không khí nén có nhiệt độ cao làm cho nhiên liệu này tự cháy được.
Hình 1-10. Đồ thị công và đồ thị phối khí của động cơ diesel 2 kỳ, loại có xupáp thải.
Cuối hành trình nén áp suất và nhiệt độ của không khí nén trong xylanh là: p = (40 ÷ 50) kG/cm2 ; T = (800 ÷ 900)0 K
Hành trình sinh công và thay khí: trong hành trình này, do nhiên liệu đã được đốt cháy, nhờ không khí nén có nhiệt độ cao ở cuối hành trình nén, nên khi piston đến
NL§C§T • 15
ĐCT, thì nhiên liệu này càng cháy nhanh hơn, làm cho áp suất tăng lên và đẩy piston từ ĐCT xuống ĐCD, qua thanh truyền 2, làm quay trục khuỷu 1 phát sinh công.
Khi piston dịch chuyển gần tới ĐCD, xupáp 6 mở, đồng thời sau đó cửa thổi 9 cũng được piston mở ra. Do đó khí cháy sau khi đã làm việc, có áp suất (4-5 kG/cm2) lớn hơn áp suất khí trời, được thải ra ngoài và không khí mới ở bên ngoài, qua bình lọc, nhờ máy nén khí 3, buồng khí 8 và cửa thổi 9 được cung cấp vào xylanh với áp suất khoảng (1,4÷,5) kG/cm2 lớn hơn áp suất khí thải còn lại trong xylanh (1,1÷1,2 kG/cm2) góp phần làm sạch khí cháy trong đó và tạo điều kiện cho hành trình sau.
Áp suất và nhiệt độ của khí cháy trong xylanh là:
p = (80 ÷ 100) kG/cm2 ; T= (1900 ÷ 2100)0 K.
Sau hành trình sinh công và thay khí, nếu trục khuỷu vẫn quay thì quá trình làm việc của động cơ lặp lại như trên.
Tìm hiểu nguyên lý làm việc của động cơ xăng hai kỳ và động cơ diesel hai kỳ, có thể rút ra một số nhận xét sau:
Trong hai hành trình của piston, thì chỉ có một hành trình sinh công còn các hành trình còn lại được thực hiện nhờ động năng hay quán tính của các bộ phận chuyển động quay tròn (trục khuỷu, bánh đà) và một phần công sinh ra từ những xylanh khác đối với động cơ nhiều xylanh.
Áp suất của hoà khí hoặc không khí thổi vào xylanh lớn hơn áp suất khí trời. Do đó, phải dùng bơm thổi khí hay máy nén khí do trục khuỷu dẫn động nên công suất động cơ cũng phải giảm đi.
Trong quá trình làm việc có một phần hành trình của piston dùng để thổi và thải khí. Khi thổi khí có một phần nhiên liệu và không khí mới theo khí thải ra ngoài. Áp suất và nhiệt độ của hoà khí hoặc không khí ở cuối quá trình nén cũng như quá trình cháy và giãn nở phụ thuộc nhiều vào vị trí của cửa thổi, cửa thải và tỷ số nén của động cơ.
Tỷ số nén của động cơ hai kỳ được tính như sau:
V
'
h
(1-6)
= + Vc
1
Trong đó: V’h – Thể tích làm việt thực tế của xylanh, được tính từ lúc piston bắt đầu đậy kín cửa thải hoặc xupáp thải đóng, khi piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT cho đến lúc piston ở ĐCT.
VC – Thể tích buồng cháy.
Trong động cơ hai kỳ, quá trình thổi (nạp), nén, cháy giãn nở và thải không được thể hiện rõ ràng ở mỗi hành trình như động cơ 4 kỳ. Do đó, động cơ hai kỳ, hành trình thứ nhất cũng có thể là hành trình thổi, thải và nén, còn hành trình thứ hai là hành trình sinh công, thải và thổi,v.v…
1.6. SO SÁNH ĐỘNG CƠ
1.6.1. So sánh động cơ hai kỳ với động cơ 4 kỳ
1.6.1.1. Ưu điểm
16 • NL§C§T
Động cơ hai kỳ có số hành trình sinh công gấp đôi ( khi cùng số vòng quay n) và có công suất lớn hơn khoảng (50÷70)% (khi cùng thể tích làm việc Vh và số vòng quay n) so với động cơ 4 kỳ.
Động cơ hai kỳ chạy đều và êm hơn động cơ 4 kỳ, vì mỗi vòng quay của trục khuỷu có một hành trình sinh công. Do đó với các điều kiện như nhau (S,D,i và n), thì ở động cơ hai kỳ có thể dùng bánh đà, lắp trên trục khuỷu có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn so với động cơ 4 kỳ.
Động cơ hai kỳ không có xupáp nạp và nếu dùng cácte để thổi khí vào xylanh, thì cấu tạo đơn giản và dễ sử dụng hơn so với động cơ bốn kỳ…
1.6.1.2. Nhược điểm
Hiệu suất của động cơ hai kỳ nhỏ hơn so với động cơ bốn kỳ, do có sự hao phí nhiên liệu trong quá trình trao đổi khí.
Nhiệt độ trong quá trình làm việc của động cơ hai kỳ lớn hơn so với động cơ 4 kỳ, do có số lần sinh công nhiều hơn, làm cho động cơ bị đốt nóng và đặc biệt đối vơi động cơ diesel dễ bị bám muội than ở buồng cháy.v.v.
Trong động cơ xăng hai kỳ, nếu dùng cácte chứa dầu bôi trơn để thổi khí, thì dễ làm hỏng dầu bôi trơn.
Căn cứ vào những ưu điểm trên, động cơ xăng hai kỳ thường được dùng ở động cơ có công suất nhỏ. Ví dụ động cơ phụ ở máy kéo, động cơ máy phun thuốc và một số động cơ môtô xe máy,.. Còn động cơ diesel hai kỳ lại được dùng nhiều ở động cơ có công suất trung bình và lớn, ví dụ động cơ ôtô, tàu thuỷ, đầu máy xe lửa, máy xây dựng và máy phát điện.
1.6.2. So sánh động cơ xăng và động cơ diesel
1.6.2.1. Ưu điểm
Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn động cơ xăng, do hao phí nhiên liệu ít và tỷ số nén cao. Ví dụ, nếu động cơ xăng có suất tiêu hao nhiên liệu là ge= (150÷240)g/kW.h thì động cơ diesel là ge= (110÷190)g/kW.h, nghĩa là lượng nhiên liệu tiêu hao ở động cơ diesel là ít hơn động cơ xăng khoảng (30-35)%.
Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel là dầu diesel rẻ tiền và ít gây cháy hơn so với xăng dùng trên động cơ xăng.
Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel (bơm cao áp, vòi phun) ít bị hư hỏng và dễ dùng hơn hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng (dùng bộ chế hoà khí, hoặc hệ thống phun xăng điện tử,..).
1.6.2.2. Nhược điểm
Kích thước và trọng lượng của động cơ diesel lớn hơn động cơ xăng vì áp suất khí cháy trong động cơ diesel lớn. Do đó trọng lượng riêng của động cơ diesel (trọng lượng trên một đơn vị công suất tính bằng kW) lớn hơn trọng lượng riêng của động cơ xăng (40-70)%.
Động cơ diesel, đặc biệt là hệ thống nhiên liệu, chế tạo khó hơn động cơ xăng. Do đó, giá thành của động cơ diesel thường cao hơn động cơ xăng.
NL§C§T • 17
Động cơ diesel dùng nhiên liệu nặng khó cháy và phương pháp tạo hoà khí giữa nhiên liệu phun sương với không khí không tốt nên khó khởi động hơn động cơ xăng. Do đó, công suất của động cơ diesel, thực tế coi như bằng công suất của động cơ xăng (khi cùng thể tích công tác và số vòng quay mặc dù hiệu suất của động cơ diesel cao hơn).
1.7. NHỮNG THÔNG SỐ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ
Những thông số làm việc cơ bản của động cơ bao gồm: công suất, hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu. Những thông số này được chia ra làm hai loại: Thông số chỉ thị (hoặc thông số tính toán) đặc trưng cho chu trình làm việc của động cơ và thông số hữu ích hoặc thông số sử dụng đặc trưng cho khả năng làm việc thực tế của động cơ.
1.7.1. Thông số chỉ thị
1.7.1.1. Công suất chỉ thị
Muốn xác định công suất chỉ thị cần phải xác định áp suất chỉ thị, là áp suất giả thiết không đổi tác dụng lên piston trong một hành trình làm việc để sinh ra một công bằng công chỉ thị của khí cháy trong một chu trình làm việc của động cơ.
Khi có đồ thị công hay đồ thị chỉ thị thực tế (hình 1-11), có thể xác định được áp suất chỉ thị trung bình như sau:
F
ip = . (1-7)
L
m
Trong đó: pi- Áp suất chỉ thị trung bình (N/m2).
F- Diện tích của đồ thị công hay đồ thị chỉ thị, được giới hạn giữa đường cong nén và cháy giãn nở, (mm2).
L- Chiều dài của đồ thị công (mm).
m- Tỷ lệ xích áp suất của đồ thị công (N/m2/mm).
Trị số của áp suất chỉ thị trung bình pi chính là chiều cao của hình chữ nhật ABCD có diện tích bằng diện tích của đồ thị công hay đồ thị chỉ thị.
Công suất chỉ thị là công do khí cháy thực hiện được ở xylanh của động cơ trong một đơn vị thời gian.
Công chỉ thị do khí cháy thực hiện được ở xylanh của động cơ sau một chu trình làm việc sẽ là:
Li = pi.Vh; Nm/chu trình.
Trong đó: pi - Áp suất chỉ thị trung
bình (N/m2).
Vh- Thể tích làm việc của
một xylanh (m3).
Nếu gọi τ là số kỳ của động cơ hay số
hành trình của piston sau một chu trình làm
việc, thì công suất chỉ thị do khí cháy thực hiện
được ở xylanh sau thời gian một giây sẽ là:
18 • NL§C§T
iL =
(1-8)
Vip
. .2
h
60.
n
; (Nm/s)
Trong đó: pi - Áp suất chỉ thị trung bình (N/m2).
Vh- Thể tích làm việc của một xylanh (m3).
Hình 1-11. Đồ thị công
n – Số vòng quay của động cơ (vg/ph).
τ - Số kỳ của động cơ.
Công suất chỉ thị của động cơ nhiều xylanh, khi số xylanh là i, có dạng:
ip
. .n.i
V
h
30
N = ; (kW) (1-9) i
Vip
. . .
h
n i
hay ;
N = (ml) (1-10)
i
1.7.1.2. Hiệu suất chỉ thị
22,07.
Hiệu suất chỉ thị ηi là tỷ số giữa nhiệt lượng biến đổi thành công chỉ thị của chu trình so với nhiệt lượng của nhiên liệu tiêu hao:
iL
= ; (1-11)
i.
QH nl G
Trong đó: Li – Công chỉ thị (J);
Gnl – Lượng nhiên liệu tiêu hao (m3,kg);
QH – Nhiệt trị của nhiên liệu (J/m3, J/kg).
Hiệu suất chỉ thị thường có giá trị như sau:
Động cơ xăng ηi = 0,25÷0,35
Động cơ diesel ηi = 0,38÷0,50
1.7.1.3. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
Tính kinh tế của động cơ cũng có thể đánh giá bằng suất tiêu hao nhiên liệu cho một kW chỉ thị trong một giờ.
nl G
3
ig = ; (g/kW.h). (1-12)
N
.10
i
nl G
hay: 3
ig = ; (g/ml.h) (1-13)
1,36.i N
.10
Trong đó: Gnl – Lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ (kg/h); Ni – Công suất chỉ thị (kW).
Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị thường có giá trị sau:
NL§C§T • 19
Động cơ xăng: gi = 140 ÷ 180; g/kW.h;
hay: gi = 190 ÷ 250; g/ml.h;
Động cơ diesel: gi = 96 ÷ 125; g/kW.h;
hay: gi = 130 ÷ 160; g/ml.h;
1.7.2. Thông số có ích
1.7.2.1. Công suất có ích
Công suất chỉ thị phát sinh trong xylanh động cơ không biến đổi hoàn toàn thành công hữu ích, mà một phần sẽ bị tiêu hao để khắc phục ma sát giữa các bề mặt làm việc của những chi tiết (xylanh và piston, trục khuỷu và ổ trục,…) giữa những chi tiết chuyển động và không khí (trục khuỷu, thanh truyền và bánh đà,…). Một phần khác dẫn động các cơ cấu và hệ thống phụ (bơm, quạt gió, máy phát điện, máy nén khí,… ). Do đó, công suất có ích trên trục khuỷu của động cơ Ne sẽ nhỏ hơn công suất chỉ thị một giá trị bằng công suất dùng để khắc phục những trở lực trên gọi là công tổn thất cơ học Nm.
Ne = Ni – Nm ; (kW). (1-14)
Công suất tổn thất cơ học, tương tự công suất chỉ thị, có thể xác định như sau: p .V .n.i
Nm h
30
m = ; (kW) (1-15)
Trong đó: pm - Áp suất tổn thất cơ học trung bình, là một phần của áp suất chỉ thị trung bình được tiêu hao cho tổn thất cơ học (N/m2).
Nếu lấy áp suất chỉ thị trung bình pi trừ đi áp suất tổn thất cơ học trung bình thì còn lại một phần áp suất không đổi tác dụng lên piston để sinh ra một công bằng công có ích trên trục khuỷu động cơ. Trị số này là áp suất có ích trung bình pe. pe = pi – pm; (N/m2 ). (1-16)
Áp suất có ích trung bình pe của các động cơ, khi làm việc với công suất định mức, được tính như sau:
p .V .n.i
Ne h
e = ; (kW) (1-17)
30
p V n i
. . .
Ne h
hay: ;
e = (ml). (1-18)
22,07.
Để đánh giá những tổn thất cơ học, thường dùng hiệu suất cơ học ηm , là tỷ số giữa áp suất có ích trung bình pe và áp suất chỉ thị trung bình.
p= 1−
p p
e
−
i m
p
m
= = ; (1-19) ip
p
i
p
i
i
Hoặc cũng có thể biểu thị hiệu suất cơ học bằng công suất có ích Ne và công suất chỉ thị như sau:
N= −
e
N
i
−
N m
N
m
= = (1-20)
1 ;
mN
N
i
N
i
i
20 • NL§C§T
Như vậy, khi tăng phụ tải của động cơ, mà vẫn giữ nguyên số vòng quay, thì công suất tổn thất cơ học Nm hầu như không thay đổi. Do đó, hiệu suất cơ học ηm tăng lên. Nhưng khi động cơ chạy không tải, tức là công suất có ích bằng không (Ne = 0) thì hiệu suất cơ học cũng bằng không (ηm = 0) và lúc này toàn bộ công suất chỉ thị dùng để tiêu hao cho tổn thất cơ học, nghĩa là công suất chỉ thị bằng công suất tổn thất cơ học Ni = Nm.
Hiệu suất cơ học phụ thuộc vào loại động cơ và chất lượng chế tạo động cơ, ngoài ra hiệu suất cơ học còn phụ thuộc vào các điều kiện sử dụng. Do đo, nếu điều kiện sử dụng không tốt, thì hiệu suất cơ học của động cơ cũng giảm.
Trong điều kiện làm việc bình thường, hiệu suất cơ học của động cơ như sau: m = 0,70 0,85 ;
1.7.2.2. Hiệu suất có ích
Hiệu suất có ích ηe là tỷ số giữa nhiệt lượng biến đổi thành công có ích trên trục khuỷu động cơ so với nhiệt lượng của nhiên liệu tiêu hao:
L
e
= ; (1-21)
e G Q
.
nl H
Trong đó: Le – Công có ích (J).
Gnl – Lượng nhiên liệu tiêu hao (m3, kg).
QH – Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (J/ m3,J/kg).
Hiệu suất có ích thường có giá trị như sau:
Động cơ xăng ηe = 0,18 ÷ 0,30 ;
Động cơ xăng ηe = 0,27 ÷ 0,42 ;
1.7.2.3. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích tương tự như suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị có thể xác định như sau:
G
nl
.10
3
= ; (g/kW.h) (1-22) g
eN
e
G
hay: 3
nl
g = ; (g/ml.h). (2-23)
eN 173,55.e
.10
Trong đó: Gnl: Lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ (kg/h). Ne – Công suất hữu ích (kW).
Suất tiêu hao nhiên liệu hữu ích thường có giá trị như sau: Động cơ xăng: ge = 150 ÷ 240; g/kW.h;
hay: ge = 210 ÷ 280; g/ml.h;
Động cơ diesel: ge = 110 ÷ 150; g/kW.h;
hay: ge = 160 ÷ 210; g/ml.h;
1.8. ĐỘNG CƠ NHIỀU XYLANH
NL§C§T • 21
Động cơ một xylanh, thì chỉ có một hành trình là sinh công còn các hành trình khác là tiêu hao công và làm cho trục khuỷu quay không đều. Muốn trục khuỷu quay đều hoặc hay động cơ làm việc êm hơn phải dùng bánh đà có kích thước và trọng lượng nhất định lắp trên trục khuỷu. Để tăng công suất, làm cho trục khuỷu quay đều và giảm kích thước cũng như trọng lượng của bánh đà, thường dùng động cơ nhiều xylanh. Số xylanh của động cơ có thể là: 1, 2, 3, 4, 6, 8,.. xylanh.
Trong động cơ nhiều xylanh, hình dáng trục khuỷu, đặc biệt là góc lệch của trục khuỷu có ảnh hưởng nhiều đến quá trình làm việc của động cơ. Góc lệch của trục khuỷu, tương ứng với hai cổ biên của hai xylanh làm việc hoặc sinh công kế tiếp nhau có thể xác định như sau:
180 .0
= ; (1-24) K
i
Trong đó: τ- là số kỳ của động cơ ( động cơ 2, 4 kỳ).
i - số xylanh của động cơ.
Khi bố trí góc lệch trục khuỷu thường xét đến điều kiện cân bằng của động cơ để bảo đảm cho động cơ làm việc ít bị rung động. Do đó, ở động cơ có hai xylanh góc lệch khuỷu trục thường là 1800 nghĩa là trục khuỷu có cổ biên ở hai phía đối diện nhau. Ngoài ra động cơ nhiều xylanh làm việc được êm thì phải bố trí thứ tự làm việc hoặc cho sinh công của các xylanh hợp lý. Sau đây là một ví dụ về khuỷu trục và thứ tự làm việc của các xylanh ở động cơ nhiều xylanh.
Ví dụ 1: với động cơ bốn kỳ, bốn xylanh, một hàng (thứ tự công tác 1-3-4-2). Có góc lệch công tác là δK = 1800 có bảng công tác như sau (tr 22):
Khi trục khuỷu quay được nửa vòng thứ nhất, xylanh 1 đang ở kỳ nạp piston 1 từ ĐCT xuống ĐCD, khi đó piston của xylanh thứ 4 cũng từ ĐCT xuống ĐCD nhưng lại trong quá trình cháy giãn nở. Piston của xylanh thứ 2 và thứ 3 cũng đi từ ĐCD lên ĐCT nhưng xylanh 2 đang trong quá trình nén còn xylanh 3 trong quá trình thải.
Khi trục khuỷu quay tiếp nửa vòng thứ 2 (1800÷ 3600), pistoncủa xylanh 1 và 4 đều từ ĐCD lên ĐCT nhưng xylanh 1 thực hiện quá trình nén còn xylanh 4 đang thực hiện quá trình thải. Pistoncủa xylanh 2 và 3 đều từ ĐCT xuống ĐCD nhưng xylanh 2 thực hiện quá trình cháy giãn nở còn xylanh 3 đang thực hiện quá trình nạp.
Vòng quay
trục khuỷu
Nửa vòng quay trục khuỷu
Xylanh
1
2
3
4
Vòng một
Thứ nhất (00÷ 1800 )
Nạp
Nén
Thải
Nổ
Thứ hai (1800÷ 3600)
Nén
Nổ
Nạp
Thải
Vòng hai
Thứ ba (3600÷ 5400 )
Nổ
Thải
Nén
Nạp
Thứ bốn (5400÷ 7200)
Thải
Nạp
Nổ
Nén
22 • NL§C§T
Khi trục khuỷu quay tiếp nửa vòng thứ 3 xylanh 1 ở kỳ cháy giãn nở, xylanh 2 ở kỳ thải, xylanh 3 ở kỳ nén, xylanh 4 ở kỳ nạp.
Khi trục khuỷu quay tiếp nửa vòng thứ 4 xylanh 1 ở kỳ thải, xylanh 2 ở kỳ nạp, xylanh 3 ở kỳ cháy giãn nở, xylanh 4 ở kỳ nén.
Như vậy khi trục khuỷu quay hết hai vòng tức là từ 00÷ 7200 mỗi xylanh của động cơ đều hoàn thành một chu trình làm việc gồm bốn hành trình là nạp, nén, cháy giãn nở và thải. Khi trục khuỷu quay tiếp động cơ chuyển sang chu trình làm việc tiếp theo lặp lại như các hành trình trên.
Hình 1-12. Sơ đồ cấu tạo trục khuỷu - thanh
Ví dụ 2: Với động cơ bốn kỳ, sáu xylanh, một hàng (thứ tự công tác 1-5-3-6-2-4). Có góc lệch công tác là δK = 1200,có bảng công tác như sau:
NL§C§T • 23
Xylanh
00÷ 1200
1200÷
2400
2400÷
3600
3600÷
4800
4800÷
6000
6000÷
7200
1
Nạp
Nén
Nổ
Thải
2
Nén
Nổ
Thải
Nạp
Nén
3
Thải
Nạp
Nén
Nổ
4
Nén
Nổ
Thải
Nạp
5
Thải
Nạp
Nén
Nổ
Thải
6
Nổ
Thải
Nạp
Nén
..
Hình 1-13. Sơ đồ cấu tạo trục khuỷu - thanh truyền của động cơ bốn kỳ, 6 xylanh, góc lệch công tác 1200.
Các câu hỏi kiểm tra đánh giá
Chương 1:
1. Trình bày sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ xăng và động cơ diezen 4 kỳ không tăng áp?
2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ xăng và động cơ diezen 2 kỳ? So sánh động cơ 4 kỳ và 2 kỳ về cấu tạo và tính kinh tế?
24 • NL§C§T
CHƯƠNG 2
CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .
2.1. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Ở động cơ đốt trong, việc biến đổi nhiệt năng thành cơ năng được tiến hành thông qua hàng loạt quá trình lý hoá và nhiệt động. Các quá trình này diễn ra theo một trình tự nhất định và được lặp đi lặp lại có tính chu kỳ.
Chu kỳ công tác là tổng cộng tất cả những sự thay đổi về thể tích, áp suất và thành phần của môi chất công tác từ khi nó được nạp vào xylanh cho đến lúc thải ra khỏi động cơ.
Công suất, hiệu suất, tuổi thọ và hàng loạt chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của động cơ đốt trong phụ thuộc vào sự hoàn hảo của chu trình công tác. Để đánh giá mức độ hoàn hảo đó, người ta áp dụng hai chỉ tiêu cơ bản là: Hiệu suất của chu trình và áp suất trung bình của chu trình.
2.1.1. Hiệu suất của chu trình
Là tỷ số giữa phần nhiệt lượng được biến thành công chia cho tổng số nhiệt lượng của nhiên liệu đưa vào xylanh trong thời gian một chu trình.
Q Q
−
1QQ
L= −
1 2
2
= = ; (2-1)
Q
1
Q
1
1
Trong đó: Q1 – Nhiệt lượng đưa vào xylanh trong thời gian một chu trình (J). Q2 – Nhiệt lượng do môi chất công tác thải ra trong thời gian một chu trình (J).
L – Công sinh ra trong thời gian một chu trình (J).
2.1.2. Áp suất trung bình của chu trình ptb
Áp suất trung bình của chu trình là tỷ số giữa công sinh ra trong một chu trình (L) chia cho thể tích công tác của xylanh (Vh).
L
P = (2-2)
tb V
h
Hiệu suất η đánh giá chu trình công tác về phương diện hiệu quả kinh tế. Hiệu suất η có giá trị càng lớn thì phần nhiệt lượng bị tổn thất trong thời gian thực hiện chu trình càng nhỏ.
Áp suất trung bình đánh giá chu trình công tác về phương diện hiệu quả kỹ thuật. Với cùng kích thước xylanh, động cơ nào có áp suất trung bình của chu trình lớn hơn sẽ có công suất lớn hơn.
2.2. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.2.1. Khái niệm về chu trình lý tưởng
NL§C§T • 25
Chu trình công tác của động cơ đốt trong, trong thực tế bao gồm hàng loạt các quá trình khí động, nhiệt động và hoá học rất phức tạp. Diễn biến các quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:
- Kết cấu động cơ (kiểu buồng cháy, tỷ số nén, phương pháp trao đổi khí,…). - Các thông số điều chỉnh của động cơ (góc phun nhiên liệu sớm hoặc góc đánh lửa sớm, áp suất phun nhiên liệu, thành phần hỗn hợp cháy,…).
- Chế độ làm việc của động cơ (phụ tải, tốc độ quay,…).
Để nghiên cứu được dễ dàng, người ta tìm cách thay các quá trình thực tế phức tạp bằng các quá trình đơn giản hơn với mục đích thiết lập đặc tính và mức độ ảnh hưởng của các thông số và các quá trình chủ yếu tới các chỉ tiêu chu trình, qua đó có thể đề ra được phương hướng nâng cao hiệu suất và công suất động cơ thực tế. Với mục đích đó, người ta đưa ra các giả thiết như sau:
1. Môi chất công tác là khí lý tưởng với tỷ nhiệt không đổi.
2. Lượng môi chất công tác và thành phần hoá học của nó không thay đổi trong thời gian thực hiện chu trình (là chu trình kín).
3. Quá trình nén và quá trình giãn nở là những quá trình đoạn nhiệt (trong thời gian diễn ra quá trình nén và quá trình giãn nở không có sự trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với vách xylanh).
4. Quá trình cháy nhiên liệu được thay bằng quá trình cấp cho môi chất công tác một nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng trong điều kiện thể tích của môi chất công tác không đổi (V=const) hoặc áp suất không đổi (p= const), hoặc theo phương thức cấp nhiệt hỗn hợp (V=const và p=const). Quá trình thải được thay bằng quá trình nhả nhiệt cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q2 ở điều kiện thể tích không đổi (V=const).
5. Tất cả các quá trình diễn ra trong xylanh với một tốc độ vô cùng nhỏ, do đó coi như không có tổn thất năng lượng do ma sát và tiết lưu.
Chu trình công tác xây dựng trên cơ sở các giả thiết trên được gọi là chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong.
Căn cứ vào phương pháp cấp nhiệt cho môi chất công tác, có thể phân biệt ba loại chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong sau đây:
a) b) c)
Hình 2-1. Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong
- Chu trình otto (chu trình cấp nhiệt đẳng tích, hình 2-1a).
26 • NL§C§T
- Chu trình diesel (chu trình cấp nhiệt đẳng áp, hình 2-1b).
- Chu trình seliger hoặc chu trình sabathé (chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, hình 2-1c).
pa – Áp suất đầu quá trình nén (N/m2).
pc – Áp suất cuối quá trình nén (N/m2).
pz = p’z = pmax: Áp suất cực đại của chu trình (N/m2).
pb – Áp suất cuối quá trình giãn nở (N/m2).
Vh – Thể tích công tác của xylanh (m3)
, , , – Thể tích của môi chất công tác tại các điểm đặc trưng của
Va Vc Vz Vb
chu trình (m3).
' Q1– Nhiệt lượng cấp cho chu trình ở điều kiện thể tích không đổi (J). " Q1– Nhiệt lượng cấp cho chu trình ở điều kiện áp suất không đổi (J). Q1– Tổng số nhiệt lượng cấp cho chu trình (J). Q1= ' Q1 + " Q1 ;
Q2 – Nhiệt lượng nhả ra cho nguồn lạnh (J).
Va
= – Tỷ số nén.
Vc
Pz = – Tỷ số tăng áp suất.
Pc
Vz
= – Tỷ số giãn nở ban đầu (sớm).
Vc
Hiệu suất, áp suất trung bình và công của chu trình lý tưởng được gọi là hiệu suất lý thuyết, áp suất lý thuyết trung bình và công lý thuyết của chu trình, ký hiệu là t t η ,p và Lt .
2.2.2. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (chu trình Sabathé)
Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp gồm có các quá trình sau:
- Nén đoạn nhiệt: a – c
- Cấp nhiệt đẳng tích: c - z’
- Cấp nhiệt đẳng áp: z’- z
- Giãn nở đoạn nhiệt: z – b
- Nhả nhiệt đẳng tích: b - a
Nhiệt lượng cấp cho chu trình Q1 nhiệt lượng nhả ra Q2 và công lý thuyết của chu trình được tính như sau:
' Q1+ Q =M mcv Tz −Tc +M mc p Tz −Tz; (2-3)
" ' '
Q1 = .( ).( ) .( ).( )
1
.( ).( ) Q2 =M mcv Tb −Ta; (2-4) .( )[( ) ( )] .( ).( )
' '
Lt =Q1 − Q2 =M mcv Tz − Tc − Tb −Ta +M mc p Tz −Tz; (2-5) Trong các công thức trên:
NL§C§T • 27
M – Lượng môi chất công tác có trong xylanh, (kmol).
mcv, mcp – Tỷ nhiệt mol đẳng tích và tỷ nhiệt mol đẳng áp của môi chất công tác (J/kmol.K).
Ta , Tc, Tz’ , Tz , Tb – Nhiệt độ của môi chất công tác tại các điểm đặc trưng của chu trình (K).
Trên cơ sở phương trình của các quá trình nhiệt động (quá trình đoạn nhiệt, quá trình đẳng tích, quá trình đẳng áp) có thể biểu diễn nhiệt độ của môi chất công tác tại các điểm đặc trưng thông qua nhiệt độ đầu quá trình nén như sau:
k
−
1
Va T T ; (2-6)
⎜⎝⎛
⎞
=k . .−
1
c a T
Vc p
⎟ = ⎠
a
= = =k ' 1
z
−
. . . .
T T ; (2-7) z c T T
'
p V
c a
c
= = =k
−
1
z
. . . ..
T T ; (2-8) z z T T
'
V z
z a
'
'
k
− −
⎜⎜⎝⎛
V z
1
= ⎟⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎞
k
1
k
T T b z T T
=
. . . .
z
V
b
Từ các phương trình trạng thái:
⎟ = ⎠
; (2-9) a
p .V =M.(.R).T ;va p . = .( ).
a a a c Vc M R Tc
Ta có:
M R T
⎜⎜⎝⎛
⎟⎟⎠⎞
V V V
.( ).
a
T c
p
a
= − = −
h a c
p
a
. 1 . T
a
p
c
; (2-10)
k T
V M mc
−
1
a
=
.( )
. .( 1)
−
h v
p
a
Trong các công thức trên:
R- Hằng số chất khí, (J/kmol.K).
k- Chỉ số đoạn nhiệt
k =
mc mv
p v
R = (mcp) –(mcv) = (mcv).(k-1)
Thay Tc, Tz, Tz’ và Tb từ các công thức (2-6, (2-7), (2-8) và (2-9) vào các công thức (2-3), (2-4) và (2-5). Sau khi rút gọn ta được:
Q1 = M.(mcv).Ta.k-1. [λ - 1 + kλ.(ρ-1)]; (2-3a)
Q2 = M.(mcv).Ta.(.k - 1); (2-4a)
Lt= M.(mcv).Ta.[{ 1 ( 1)}. ( . 1))]
k − k
1
k ; (2-5a)
− + − − −
Thay Q1, Q2, Lt và Vh từ các công thức (2-3a), (2-4a), (2-5a), (2-10) vào các công thức (2-1), (2-2) và sau khi rút gọn ta được các công thức biểu diễn mối quan hệ giữa
28 • NL§C§T
các thông số đặc trưng với hiệu suất lý thuyết (ηt Sab) và áp suất lý thuyết trung bình (pt Sab) của chu trình Sabathé dưới đây:
1
k
−
1
k ( ) 1 1− + −
S
= − −
.
t ab k; (2-11)
p
1 .( 1)
; (2-12) ([ 1 .( 1)]. ( 1))
( )1
=a k − k
p S
t ab k
.1
− − k
− + − − − 1
k
p
− + −
a
.[ 1 . .( 1)]. ( )
p S
t ab k S
( ) t ab
= ; (2-12a)
.1
− − k
1
Từ các công thức (2-11) và (2-12) chúng ta thấy rằng hiệu suất lý thuyết của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Hình 2-2. Ảnh hưởng của và đến Hình 2-3. Ảnh hưởng của và tới hiệu suất lý thuyết t(Sab), (k=1,4; =1,6) pt( Sab), (k=1,4; pa= 1bar; = 1,6)
- Tỷ số nén ε.
- Lượng nhiệt và phương pháp cấp nhiệt cho chu trình (λ, ρ).
- Tính chất của môi chất công tác (k).
Áp suất lý thuyết trung bình của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào: - Tỷ số nén ε.
- Lượng nhiệt và phương pháp cấp nhiệt cho chu trình (λ, ρ).
- Tính chất của môi chất công tác (k).
- Áp suất của môi chất công tác đầu quá trình nén (pa).
- Hiệu suất của chu trình ηt(Sab).
Khi nhiệt lượng cấp cho chu trình không đổi, hiệu suất ηt(Sab) sẽ giảm, khi ta tăng ρ (tăng nhiệt lượng cấp cho chu trình ở điều kiện đẳng áp).
Hiệu suất sẽ có giá trị nhỏ nhất khi: ρ= ρmax, và λ = 1. Ngược lại, hiệu suất sẽ đạt tới trị số lớn nhất khi λ = λmax, và ρ= 1.
Với một tỷ lệ khác nhau giữa λ và ρ hiệu suất lý thuyết của chu trình đều tăng khi tăng tỷ số nén ε, (hình 2-2).
NL§C§T • 29
Từ công thức (2-12a) và các hình 2-3, hình 2-4 dễ dàng nhận thấy rằng, áp suất lý tưởng trung bình sẽ tăng khi ta tăng một trong các thông số sau:
- Tỷ số nén ε.
- Áp suất đầu quá trình nén (pa).
- Tổng số nhiệt lượng cấp cho chu trình: Q1= f(λ, ρ).
- Hiệu suất lý thuyết của chu trình ηt(Sab).
Tăng phần nhiệt cấp cho chu trình ở điều kiện đẳng áp (λ = 1) hoặc ở điều kiện đẳng tích (ρ=1) đều làm tăng áp suất lý thuyết trung bình pt( Sab). Tuy nhiên với trị số λ càng lớn thì pt( Sab) tăng càng chậm, đồng thời áp suất cực đại của chu trình (pz =λ.pc) sẽ quá lớn làm tăng tổn thất cơ học ở động cơ thực tế. Biện pháp thực tế có hiệu quả để tăng áp suất trung bình của chu trình là tăng phần nhiệt cấp vào ở điều kiện đẳng áp, tất nhiên khi đó hiệu suất của chu trình sẽ giảm bớt đi chút ít.
Hình 2-4. Ảnh hưởng của và tới pt( Sab), (k=1,4; pa= 1bar; = 1,6)
Trong động cơ thực tế, tỷ lệ hợp lý giữa λ và ρ đảm bảo cho động cơ vừa phát ra công suất lớn (ptb có trị số lớn) vừa có hiệu suất cao được quyết định bởi các biện pháp tổ chức quá trình cháy, (chương 5).
2.2.3. Chu trình otto
Chu trình Otto (còn được gọi là chu trình cấp nhiệt đẳng tích) bao gồm các quá trình sau:
Nén đoạn nhiệt: a - c
Cấp nhiệt đẳng tích: c - z
Giãn nở đoạn nhiệt: z - b.
Nhả nhiệt đẳng tích: b- a.
Bằng phương pháp đã trình bày ở mục 2.2.2 hoặc thay ρ = 1 vào các công thức (2-11), (2-12), (2-12a), ta có được các công thức biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu suất lý thuyết ηt(Otto) và áp suất trung bình pt( Otto) của chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích như sau:
30 • NL§C§T
1
; (2-13) = − t Otto k
( ) 1 − 1
p
; (2-14) ( )1
=a k −
p Otto
.1
tk
.( 1).( 1) − −
− −
1
k
p
−
a
t
p Otto t
( ) Otto
= ; (2-14a)
.1
− − k
.( 1). ( ) 1
Các công thức cho thấy rằng: hiệu suất lý thuyết của chu trình Otto ηt(Otto) chỉ phụ thuộc vào tỷ số nén (ε) và tính chất của môi chất công tác (k). Áp suất lý thuyết trung bình của chu trình Otto pt( Otto) phụ thuộc vào:
- Tỷ số nén ε.
- Lượng nhiệt cấp cho chu trình (λ).
- Tính chất của môi chất công tác (k).
- Áp suất của môi chất công tác ở đầu quá trình nén (pa).
- Hiệu suất lý thuyết của chu trình ηt(Otto).
Sự ảnh hưởng của các yếu tố kể trên tới hiệu suất lý thuyết ηt(Otto) và áp suất lý thuyết trung bình cũng tương tự như đối với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (chu trình Sabathé).
Tăng tỷ số nén là biện pháp tốt nhất để tăng hiệu suất của chu trình Otto. Biện pháp có hiệu quả để tăng áp suất lý thuyết trung bình là tăng lượng nhiệt cấp cho chu trình.
2.2.4. So sánh các chu trình lý tưởng
Động cơ đốt cháy cưỡng bữc (động cơ xăng, gas) làm việc trên cơ sở chu trình Otto, còn động cơ diesel hiện nay làm việc trên cơ sở chu trình Sabathé. Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (chu trình diesel) là chu trình lý tưởng của động cơ diesel dùng không khí nén để phun nhiên liệu vào xylanh. Sau khi phát minh và làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị phun nhiên liệu bằng thuỷ lực (thiết bị bơm cao áp – vòi phun), loại động cơ diesel dùng không khí nén để phun nhiên liệu bị loại dần vì chúng có cấu tạo phức tạp và hiệu suất thấp.
Dưới đây chúng ta sẽ so sánh chu trình Otto và chu trình Sabathé (chu trình cấp nhiệt hỗn hợp) về phương diện hiệu quả kinh tế, tức là so sánh hiệu suất lý thuyết của chúng.
Với cùng tỷ số nén (ε) và nhiệt lượng cấp cho chu trình Q1, thì nhiệt lượng thải ra (Q2(Sab)) tương đương với diện tích gạch chéo trên hình 2-5a, lớn hơn nhiệt lượng thải ra ở chu trình Otto. Điều này có nghĩa là phần nhiệt lượng biến thành cơ năng Lt(Otto) hay tương ứng với nó là hiệu suất ηt(Otto) lớn hơn hiệu suất ηt(Sab) của chu trình Sabathé (chu trình cấp nhiệt hỗn hợp).
Mặt khác, với cùng một tỷ số nén ε, áp suất cực đại của chu trình Otto cũng lớn hơn áp suất cực đại của chu trình Sabathé:
η > η; Với điều kiện cùng ε và Q1.
(Otto) (S )
t t ab
p (Otto) p (S )
>
z z ab
NL§C§T • 31
Trong thực tế, động cơ đốt cháy cưỡng bức chỉ có thể làm việc với tỷ số nén thấp (ε = 6÷12), trong khi đó động cơ diesel phải làm việc với tỷ số nén cao hơn rất nhiều (ε = 14÷23). Do đó mà áp suất cực đại trong động cơ diesel cao hơn trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, cho nên dù động cơ diesel làm việc với chu trình ít kinh tế hơn động cơ đốt cháy cưỡng bức (động cơ xăng) nhưng nó lại có hiệu suất cao hơn.
Trên quan điểm thực tế, phải so sánh các chu trình trong cùng các điều kiện áp suất cực đại (pz) và nhiệt lượng cấp vào Q1 là như nhau. Trên hình 2-5b trình bày cách so sánh như vậy. Chúng ta thấy rằng chu trình Otto (a – cc – z0 – b0 – a) có tỷ số nén nhỏ hơn và nhả ra số nhiệt lượng lớn hơn so với chu trình Sabathé (a – cS – z’ – zS – bS – a). Như vậy nếu có áp suất cực đại và nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác như nhau, chu trình Sabathé sẽ có hiệu suất cao hơn hiệu suất chu trình Otto.
a) b)
Hình 2-5. So sánh các chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong trên cơ sở đồ thị T-S, (hình a cùng và Q1, hình b cùng áp suất cực đại và Q1)
2.3. CHU TRÌNH THỰC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong trình bày ở phần trên là một loại chu trình nhiệt động kín và thuận nghịch. Trong khi thực hiện chu trình không có tổn thất năng lượng nào ngoài phần nhiệt nhả ra cho nguồn lạnh đã được quy định theo định luật thứ II của nhiệt động học.
Chu trình công tác thực tế của động cơ đốt trong (gọi tắt là chu trình công tác hay chu trình thực) gồm có 4 quá trình cơ bản: nạp, nén, cháy- giãn nở và thải. Các quá trình này hợp thành một chu trình hở và không thuận nghịch vì những lý do sau đây:
1) Môi chất công tác trong chu trình là một hỗn hợp các khí thực (không khí, hơi nhiên liệu và các sản phẩm cháy). Trong thời gian thực hiện chu trình thực, tỷ nhiệt của môi chất công tác biến đổi liên tục theo nhiệt độ, áp suất và thành phần hoá học của hỗn hợp khí trong xylanh.
2) Quá trình cháy nhiên liệu làm thay đổi về cơ bản thành phần hoá học của môi chất công tác. Lượng môi chất công tác cũng có sự thay đổi do không gian công tác của xylanh không hoàn toàn kín.
32 • NL§C§T
3) Quá trình nén và quá trình giãn nở không phải là quá trình đoạn nhiệt vì trong thời gian diễn ra các quá trình ấy còn có sự trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với thành vách xylanh.
4) Nhiệt lượng cấp cho chu trình Q1 được sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu trực tiếp trong xylanh của động cơ. Nhiệt lượng Q2 được thải ra ngoài cùng với khí thải.
5) Cuối chu trình, môi chất công tác đã giãn nở sinh công, được thải ra ngoài và môi chất công tác mới được nạp vào xylanh để thực hiện chu trình tiếp theo. Khi môi chất công tác lưu động phải tiêu hao một phần năng lượng nhất định do ma sát và do tiết lưu.
Từ những điều trình bày ở trên, chúng ta có thể hình dung ra rằng: Ngoài các thông số đặc trưng đối với chu trình lý tưởng (tỷ số nén, áp suất đầu quá trình nén, chỉ số đoạn nhiệt k, nhiệt lượng và phương pháp cấp nhiệt), chu trình công tác ở động cơ đốt trong thực tế còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nữa. Vì vậy, việc nghiên cứu các quá trình, tạo nên chu trình thực là rất cần thiết nhằm tìm ra quy luật diễn biến của chúng, phát hiện ra những yếu tố ảnh hưởng tới các quá trình ấy, trên cơ sở đó xác định được phương pháp nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Tìm ra được quy luật chung của sự diễn biến các quá trình còn cho phép tạo nên những phương pháp tính toán dùng vào việc thiết kế các động cơ mới.
Các câu hỏi kiểm tra đánh giá
Chương 2: Chu trình công tác của động cơ đốt trong
1. Các chỉ tiêu đánh giá chu trình công tác của động cơ đốt trong?
2. Các giả thiết nghiên cứu chu trình lý tưởng, các loại chu trình lý tưởng được sử dụng trong động cơ đốt trong?
NL§C§T • 33
34 • NL§C§T
CHƯƠNG 3
MÔI CHẤT CÔNG TÁC VÀ TÍNH CHẤT CỦA NÓ
3.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Môi chất công tác là chất dùng để thực hiện một chu trình công tác thực tế của động cơ. Đối với động cơ đốt trong môi chất công tác gồm có chất oxy - hoá, nhiên liệu và sản vật cháy của nhiên liệu. Đa số các động cơ đốt trong dùng không khí làm chất oxy hoá. Trong khi thực hiện một chu trình công tác của động cơ môi chất công tác luôn luôn thay đổi về tính chất lý hoá của nó.
Ở hành trình nạp, tuỳ thuộc vào loại động cơ mà người ta đưa vào xylanh không khí hoặc hỗn hợp khí mới (hỗn hợp giữa các khí cháy, hơi hoặc hạt rất nhỏ của nhiên liệu lỏng với không khí ngoài trời). Không khí hoặc hỗn hợp khí mới đưa vào xylanh trong một chu trình công tác và ở lại đó cho tới khi bắt đầu nén gọi là khí nạp mới.
Ở hành trình nén, môi chất công tác gọi là khí hỗn hợp công tác, đó là hỗn hợp giữa không khí hoặc hỗn hợp khí mới với khí sót, khí sót là sản vật cháy còn sót lại ở trong xylanh của chu trình công tác trước đó, mà không thải hết ra ngoài được.
Ở hành trình giãn nở và thải, môi chất công tác được gọi là sản vật cháy của nhiên liệu.
Đối với động cơ đốt trong nhiệt năng cần thiết để chuyển thành công cơ giới là do kết quả của các phản ứng hoá học giữa nhiên liệu đưa vào xylanh với oxy của không khí. Thời gian để tiến hành những phản ứng đó trong các động cơ hiện đại rất bị hạn chế và chỉ chiếm khoảng một phần nghìn đến một phần trăm giây.
Quá trình chuẩn bị hỗn hợp nhiên liệu với không khí cho các phản ứng hoá học dài hay ngắn là tuỳ thuộc vào phương pháp hình thành khí hỗn hợp (nhiên liệu + không khí) và sự diễn biến của các phản ứng hoá học thì lại dựa vào các yêu cầu đối với nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong.
Đối với động cơ đốt trong kiểu piston người ta chỉ sử dụng những loại nhiên liệu dễ trộn hoà với không khí để hình thành hỗn hợp cháy và trong sản phẩm cháy không chứa tro, vì nếu có tro, dù là rất ít, nó sẽ bám vào vách xylanh và làm cho xéc măng, piston, và lót xy lanh hao mòn rất nhanh. Cho nên đối với động cơ đốt trong kiểu piston chỉ dùng nhiên liệu khí, hoặc nhiên liệu lỏng không chứa tro.
Còn nhiên liệu thể rắn chỉ có thể sử dụng cho động cơ sau khi đã biến nó thành nhiên liệu thể lỏng hoặc thành khí trong các thiết bị đặc biệt.
3.2. DẦU MỎ - SẢN PHẨM CHẾ BIẾN DẦU MỎ - NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
3.2.1. Dầu mỏ và thành phần hoá học của dầu mỏ
Dầu thô được khai thác từ lòng đất, có màu đen và được gọi chung là dầu mỏ. /Petroleum/. Thành phần chủ yếu là các hydrocacbon và một số tạp chất khác.
NL§C§T • 33
Nguyên tử C liên kết với các nguyên tố H tạo thành các chuỗi với độ dài liên kết khác nhau. Mạch liên kết đó rất đa dạng và là nguyên nhân chính tạo ra những đặc tính lý hoá và màu sắc rất khác nhau của dầu mỏ. Với CH4 nó là khí mê tan có màu trắng và nhẹ như khí heli. Chuỗi liên kết các bon càng dài thì nó càng nặng: Từ C1 (metan CH4) qua C2 (êtan C2H6); C3 (propan C3H8) và C4 (butan C4H10) tất cả đều là dạng khí và chúng có điểm sôi tương ứng là (-107,-67,-43 và -180C).
Với chuỗi liên kết C nhỏ hơn 18 (từ C18H38 trở xuống) thì phân đoạn dầu mỏ này tồn tại dưới dạng lỏng (trong điều kiện nhiệt độ trong phòng) từ C19 trở lên là các chất rắn (ở nhiệt trong phòng).
Phân đoạn từ C5 đến C7 được gọi là naphta, màu sáng, thể lỏng, sạch và rất dễ bay hơi.
Nó được sử dụng chủ yếu để làm dung môi chế tạo sơn mau khô.
Phân đoạn từ C7 (C7H16) đến C11(C11H24) được sử dụng để pha chế xăng động cơ (Motor Gasoline). Tất cả chúng đều có nhiệt độ bay hơi thấp hơn nhiệt độ bay hơi của nước.
Kế tiếp theo phân đoạn từ C12 đến C15 là phân đoạn kerosen (dầu hoả), tiếp đó là phân đoạn nhiên liệu diesel và nhiên liệu nặng hơn (giống nhiên liệu đốt lò trong nhà - FO nhẹ).
Phân đoạn kế tiếp là phân đoạn dầu nhờn.
Từ C20 trở lên là phân đoạn chất rắn, khối đầu là sáp parafin, hắc ín và cuối cùng là nhựa đường. Tóm lại, cấu trúc học của phân tử hydrocacbon có thể biến đổi một cách hết sức linh hoạt. Sản phẩm chính có thể là các loại sau:
Parafin:- Parafin có cấu tạo hoá học cơ bản là CnH2n+2 (n là số tự nhiên từ 1 đến 20).
H H H
H H H H
H H
H H C C C
C C C C
H
H
H H H H
H C HH
Butan C4H10 Iso-Butan C4H10
H
H H H H
H H H
C C C C
C C C
H H H H H H H
n - Ốctan C8H18
H
H C H
H C H
H
H H C C C
H H C C
H H
H H H C H
H
H
H C H H
34 • NL§C§T
Iso ốctan C8H18
Phân tử Parafin có dạng mạch thẳng và mạch nhánh
- Parafin có mặt trong các phân đoạn khí ga (hoặc khí ga hoá lỏng) như mêtan, êtan (ethane), Propan (propane), butan(butane).
Kết cấu phân tử của hydrocacbon càng chặt thì tính chống kích nổ (được xác định bằng số ốctan) càng cao.
Trong xăng dùng cho động cơ đốt cháy cưỡng bức, tốt nhất là thành phần của nó nếu có các chất đồng vị của ankan (iso ankan) bởi vì chúng rất khó kích nổ. Do đó chất iso ốc tan dùng để so sánh đánh giá tính chất kích nổ của xăng. Đối với nhiên liệu diesel thành phần tốt nhất là ankan thông dụng, vì so với các liên kết của các chất iso ankan nó có nhiệt độ tự cháy thấp hơn. Do đó người ta dùng dầu mỏ có thành phần nặng để làm nhiên hiệu diesel.
Xycloankan (napten) cũng được gọi là paraphin vòng có kết cấu phân tử vòng trong đó có chứa những vòng kín gồm 5 hoặc 6 nguyên tử các bon liên kết đơn. Dưới đây lấy kết cấu phân tử của chất xyclopentan C5H10 thí dụ:
Xyclopentan C5H10
Cấu trúc phân tử vòng như trên là đặc điểm của loại xycloankan, nó bảo đảm tính khó bốc cháy lớn. Trong xăng có chứa xycloankan sẽ tăng được độ bền vững kích nổ. Hydrocabon thơm (Aromatics): Các chất thơm là những hợp chất mạch vòng, tồn tại một hệ thống electron có cấu trúc đặc biệt gọi là tính chất thơm. Nó có cấu trúc phân tử vòng với nhân bezen có 3 liên kết kép và ba liên kết đơn. Công thức về cấu trúc benzen và họ thứ nhất của nó là mêtylbenzen (Toluen) được biểu thị dưới đây:
NL§C§T • 35
Benzen Metylbenzen C6H5(CH3) Tính bền vững cao của hydrocacbon thơm với nhân benzen được giải thích là do cấu trúc vòng.
Trong xăng có chứa hydrocacbon thơm sẽ nâng cao được tính chống kích nổ. Số lượng của nó, chứa trong dầu mỏ thiên nhiên và trong xăng thương phẩm (bán trên thị trường) thông thường rất ít.
Muốn nâng cao tính chống kích nổ của nhiên liệu thì trong nhiên liệu phải chứa 40% hoặc lớn hơn các loại hydrocacbon thơm.
Trong nhiên liệu lỏng thường chứa khoảng 80-90% ankan và xycloankan.
Họ hydrocacbon không no (anken) hay còn gọi là ôlefine: phân tử có cấu trúc mạch thẳng hoặc nhánh với một liên kết đôi có thể ở dạng lỏng hoặc khí.
Ví dụ: Eten, Hecxen
Công thức cấu tạo:
CH2 = CH2 (Eten) ; CH3 – CH = CH – CH2– CH2– CH3 (hecxen) 3.2.2. Sản phẩm chế biến từ dầu mỏ
Như ở phần trên đã biết dầu thô là một sản phẩm hỗn hợp của rất nhiều cấu tử, nó pha tạp và lẫn lộn đến hàng trăm loại hydrocacbon khác nhau (chưa kể các cơ kim và các hợp chất khác). Vì vậy xử lý và chế biến dầu thô là một vấn đề khá khó khăn. Nhưng nhờ vào đặc tính của các loại hydrocacbon là có điểm sôi khác nhau nên người ta có thể chưng cất để tách ra và thu lấy từng loại khác nhau. Đó là đặc trưng chính của công nghệ lọc dầu.
Ngày nay với công nghệ lọc dầu ngày càng cải tiến người ta có thể thu được các loại sản phẩm chính như sau:
Khí dầu mỏ (petroleum gas) nó được dùng để sưởi ấm, nấu ăn và chế biến ra các sản phẩm nhựa (making plastics). Thành phần chủ yếu là các ankan với cấu trúc có từ 1 đến 4 nguyên tử các bon như metan, etan, propan, và butan chúng có khoảng nhiệt độ sôi 400C. Thường được sử dụng dưới dạng khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG).
Náphta (Naphtha) hay Ligroin - Là sản phẩm trung gian để đưa đi chế biến, pha chế thành xăng thương phẩm. Thành phần chủ yếu là các ankan với hỗn hợp các mạch H-C có chứa từ 5 đến 9 nguyên tử các bon khoảng nhệt độ sôi từ (60 - 1000C).
Xăng (Gasoline motor Fuel), hỗn hợp các alkan và xycloalkan. Có từ 5 đến 12 nguyên tử cácbon. Khoảng nhiệt độ sôi từ ( 40-2050C)
Dầu hoả (Kerosene Fuel) dùng cho động cơ phản lực (For Jet engines) và máy bay cánh quạt (Tractors). Đây là nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiều sản phẩm khác. Đặc trưng là chất lỏng, là hỗn hợp của các alkan với 10 đến 18 nguyên tử cácbon và các chất thơm khác. Khoảng nhiệt độ sôi từ 175-325oC.
Diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel (diesel oil – DO) hoặc dầu đốt (Heating Oil). Là nhiên liệu đầu vào sản xuất nhiều sản phẩm khác. Đặc trưng là chất lỏng bao gồm các alkan từ 12 nguyên tử C trở lên. Khoảng nhiệt độ sôi từ 250-350oC.
36 • NL§C§T
Dầu nhờn (lubricating oil) - được dùng để làm dầu bôi trơn cho động cơ, mỡ nhờn và các loại dầu nhờn khác. Đặc trưng là chất lỏng có liên kết chuỗi dài (từ 20 đến 50 nguyên tử C bao gồm các alkan, xycloalkan và các chất thơm. Khoảng nhiệt độ sôi từ 300 ÷370oC.
Dầu nặng (Heavy oil) hoặc nhiên liệu đốt lò (Fuel oil – FO). Được dùng làm nhiên liệu cho nhiều sản phẩm khác. Đặc trưng là chất lỏng, có liên kết chuỗi dài (từ 20 đến 70 nguyên từ các bon). Bao gồm các alkan, xycloalkan và các chất thơm. Khoảng nhiệt độ sôi từ 370 – 600oC.
Phần sót lại sau chưng cất (Residuals), bao gồm cặn cốc (Coke) nhựa đường atphan và hắn ín, sáp (Waxes). Chúng là những nguyên liệu đầu vào để sản xuất ra nhiều sản phẩm thương mại khác nhau có những đặc tính rất đáng chú ý như rắn và có cấu tạo hợp chất phức tạp tới 70 hoặc hơn các nguyên tử C và có thể đạt tới khoảng nhiệt độ sôi lớn hơn 600oC.
3.2.3. Nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong
Đối với động cơ đốt trong kiểu piston trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng hai loại nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ không chứa tro là nhiên liệu thể khí chủ yếu là khí dầu mỏ hoá lỏng LPG và nhiên liệu lỏng xăng (Motor gasoline, Mogas) và nhiên liệu diesel (diesel oil – DO).
3.2.3.1. Khí dầu mỏ hoá lỏng LPG ( Liquefied Petroleum Gases)
Khí dầu mỏ hoá lỏng (viết tắt là LPG) thu được từ quá trình chế biến dầu được hoá lỏng, bao gồm hỗn hợp các loại hyđrocacbon khác nhau.
Thành phần hoá học chủ yếu của LPG là hyđrocacbon no có công thức chung là: CnH2n+2 như:
+ Propan: (C3H8) và Butan (C4H10)
+ Propylen: (C3H6) và Butylen (C4H8)
Thành phần cơ bản của LPG thương phẩm:
- Sản phẩm LPG có thể chứa ít nhất một trong các thành phần sau:
+ Propan thương phẩm: có thành phần chủ yếu là hyđrocacbon (C3). Trong thành phần propan thương mại cho phép có butan/butylen với hàm lượng không đáng kể hoặc có dấu vết của êtan /etylen.
+ Butan thương phẩm: Có thành phần chủ yếu là hyđrocacbon C4, thường là hyđrô các bon dạng n – bu tan hoặc butylen.
+ Hỗn hợp butan – propan. Do các nhà kinh doanh và nhà sản xuất quyết định thành phần.
Ứng dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Ứng dụng LPG thương phẩm thường được phân thành 4 loại chính dựa trên thành phần hyđrocacbon của nó như sau:
NL§C§T • 37
- Propan thương phẩm: Sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho các loại động cơ hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường như nhiệt độ thấp, áp suất cao.
- Butan thương phẩm: Sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đòi hỏi độ bay hơi thấp hơn.
- Hỗn hợp propan – butan thương phẩm: Sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đòi hỏi độ bay hơi trung bình.
- Propan chuyên dùng: Là sản phẩm có chất lượng cao, thành phần chủ yếu là propan, được sử dụng cho các động cơ đốt trong đòi hỏi nhiên liệu có khả năng chống kích nổ cao.
Trong các loại sản phẩm nói trên, chỉ có hỗn hợp propan – butan là thích hợp cho việc chế biến thành sản phẩm khí đốt gia dụng và nhiên liệu cho động cơ đốt trong (Auto Gas). Vì chúng có áp suất bão hoà và nhiệt độ bay hơi thích hợp trong những điều kiện sinh hoạt cụ thể.
Thí dụ: LPG của petrolimex được tồn chứa ở dạng bão hoà với thành phần: 70% Butan + 30% propan được hoá lỏng ở nhiệt độ (-42o) có áp suất (4,5÷7,8)kG/cm2.
- Bản thân khí gí (PG) không mùi, nhưng khi vận chuyển bằng đường ống để cung cấp cho các cụm công nghiệp hoặc dân dụng để sử dụng hoặc khí hoá lỏng và nạp vào bình gas thương mại, người ta cho thêm một lượng nhất định Mercaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện phòng khi khí gas hoặc bình gas bị rò rỉ và xì khí ra ngoài sẽ dễ dàng nhận biết được.
Khí ga nặng hơn không khí, nên khi bị xì ra thường chìm xuống các vị trí thấp và kín, nếu không phát hiện kịp thời (nhờ mùi đặc trưng) thì khi gặp ngọn lửa hoặc tia điện gây ra cháy nổ, mất an toàn.
Dưới đây giới thiệu một số đặc tính của LPG thương phẩm.
Bảng 3.1. Đặc tính chung của propan và butan thương phẩm
TT
Các đặc tính
Đơn vị đo
PROPAN
BUTAN
Nhiệt độ tới hạn
oC
95
150
Điểm sôi
oC
- 45
0
Tỷ trọng thể lỏng d15/4
oC
0,51
0,575
Tỷ trọng thể hơi (d không khí = 1)
oC
1,52
2,01
Thể tích riêng thể hơi ở OoC và 760 mmHg
m3/kg
0,51
0,385
Thể tích riêng thể hơi/ lỏng ở OoC
m3/kg
274
233
Áp suất hơi ở oC
ở 50oC
kG/cm2
47,57÷5,7
17÷21,5
1,03÷2,0
5÷6,25
38 • NL§C§T
Ẩn nhiệt bay hơi ở 15oC
kcal/kg
85,5
89
Năng suất toả nhiệt thực tế
kcal/kg
11.000
10.900
Năng suất toả nhiệt chung
kcal/kg
11.900
11.800
Không khí cần đốt cháy
kg/kgLPG
15,6
15,3
Khí CO2 trên lý thuyết
% SPđốt cháy
13,9
14,1
.
Bảng 3.2. Tiêu chuẩn chất lượng LPG do petrolimex đảm bảo kinh doanh
TT
Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm
Phương pháp thử
Mức qui
định
1
1-1
1-2
2
3
-
-
-
4
5
6
7
8
Tỷ trọng
Specific. Gravity 60/60F (tỷ trọng Anh) mex Đensity 15/4oC max
Áp suất hơi – Vapour Pressure 3708CKPa
Thành phần Carbuahydro% mol (phần tử gam)
Etan CH3 – CH3 (Viết tắt C2)
Propan CH3 – CH2 – CH3 (C3)
Butan CH3 – CH2 – CH2 – CH3 (C4)
Ăn mòn đồng – Corrosion at 37,8oC/1h Nhiệt trị – Calorg Value kcal/kg
Lưu huỳnh – Sulphur ppm max
Nước tự do – Free Water
Hàm lượng hyđrogen Sulfide ppm(mm)
ASTM – D.1657
ASTM – D2548 ASTM – DZ163
ASTM – D1838 ASTM – D2518
ASTM – D2784 ASTM – D2420
0.,5531
0,5533
480-820
0,2 ÷ 1
30 ÷ 40
60 ÷ 70
N – 1
9,552-
13,134
170
Không
Negative
ASTM/American Society For Testing Material/ Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Hoa Kỳ.
3.2.3.2. Những tính chất cơ bản của nhiên liệu lỏng
Nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ đốt trong chủ yếu là những loại sản phẩm của quá trình lọc dầu (chưng cất dầu mỏ). Nó là một hỗn hợp của nhiều các hyđrocacbon có kết cấu phân tử khác nhau, quyết định tính chất lý hoá cơ bản của nhiên liệu và ảnh hưởng rất nhiều tới quá trình bốc hơi và cháy của nhiên liệu.
Thành phần chủ yếu của dầu mỏ (cùng là thành phần chủ yếu của nhiên liệu lỏng chưng cất từ dầu mỏ) là những hyđrocacbon sau đây: Paraphin (alkan) CnH2n+2, napten
NL§C§T • 39
(xycloankan) CnH2n và hyđrocacbon thơm dạng CnH2n-6. Ngoài ra còn chứa rất ít các chất ôlêphin.
Trung bình trong nhiên liệu lỏng (chế biến từ dầu mỏ) có chứa 84-85% các bon, 12÷14% hydro, còn lại là nitơ, oxy và lưu huỳnh.
Tính chất lý hoá của nhiên liệu lỏng phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần của các nhóm nói trên. Tuỳ theo tỷ lệ thành phần của các nhóm nói trên. Tuỳ theo điều kiện tiến hành các chu trình công tác (phương pháp hình thành hỗn hợp, phương pháp đốt cháy...) mà có những yêu cầu khác nhau đối với nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong.
Theo những chỉ tiêu chính người ta chia nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ đốt trong thành hai nhóm:
- Nhiên liệu nhẹ dùng cho động cơ xăng (motor gasoline).
- Nhiên liệu nặng dùng cho động cơ diesel (diesel oil) tất cả nhiên liệu lỏng lấy từ dầu mỏ chủ yếu gồm các nguyên tố sau: Các bon (C), hyđro (H2) và oxy (O2). Đôi khi trong nhiên liệu còn có một lượng rất ít lưu huỳnh (S) và nitơ (N2).
Nếu không tính đến S và N2 trong nó, thì thành phần nguyên tố tính theo trọng lượng của bất kỳ loại nhiên liệu lỏng nào cũng có thể viết theo công thức tổng quát sau:
C + H + O = 1 (3-1)
Trong đó: C, H, O: Số phần trăm tính theo trọng lượng của các bon, hydro và oxy chứa trong 1kg nhiên liệu lỏng.
Bảng biểu thị những trị số trung bình về thành phần nguyên tố và các chỉ tiêu khác của các loại nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ đốt trong. (MOGAS và DO).
Bảng 3.3. Thành phần nguyên tố và đặc tính của xăng và nhiên liệu diesel.
40 • NL§C§T
TT
Thông số
Xăng
Nhiên liệu diesel
1
2
3
4
5
6
Thành phần tính theo trọng lượng (kg) C
H
O
Trọng lượng phân tử μnl, đvc
Nhiệt trị thấp QH MJ/kg(kcal/kg) Nhiệt trị của hỗn hợp khi α=1
Tính theo MJ/Kmol (hoặc kcal/Kmol)
Lượng không khí cần thiết lý thuyết để đốt cháy 1kg nhiên liệu tính theo kmol (hoặc kg)
Độ nhớt động học ở 20oC tính theo xăngtixtốc (V20 , cst )
0,855
0,145
-
110 ÷ 120
44(10.500)
83,9
(20.000)
0,512 (15)
0,60 ÷ 0,85
0,87
0,126
0,004
180 ÷ 200
42,5(10150)
86,0
(20.500)
0,496 (15)
2,5 ÷ 8,5
Vậy tính chất của xăng và nhiên liệu diesel được đánh giá bằng những tính chất chính sau:
1. Tính bốc hơi của nhiên liệu – thành phần chưng cất của chúng
Tính bốc hơi của nhiên liệu có ý nghĩa rất lớn đối với tất cả các loại động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng. Đặc biệt là đối với động cơ chạy bằng nhiên liệu khí hoá lỏng (LPG) có tính bốc hơi rất mạnh. Tính bốc hơi có ý nghĩa rất lớn đối với động cơ xăng , còn động cơ diesel tính bốc hơi của nhiên liệu so với các động cơ khác có kém hơn, nhưng cũng có ý nghĩa quan trọng vì nhiên liệu sau khi phun vào xylanh nếu bốc hơi nhanh thì nhiên liệu hoà trộn với không khí sẽ tốt hơn và sự cháy sẽ nhanh hơn. Tính bốc hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào thành phần chưng cất của nhiên liệu và được xác định trong một thiết bị đặc biệt bằng cách đốt nóng nhiên liệu và tách dần những chất chưng cất sôi trong một nhiệt độ nhất định và cho ngưng tụ lại.
Vậy thành phần chưng cất của nhiên liệu là tỷ lệ phần trăm các chất chưng cất có nhiệt độ sôi khác nhau. Nó là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất đánh giá phẩm chất của nhiên liệu đặc biệt là xăng ôtô (tính năng khởi động, tính tăng tốc, công suất và tính kinh tế. Những nhiệt độ ứng với 10%, 50%, 90% thể tích nhiên liệu sôi và nhiệt độ sôi cuối cùng của nhiên liệu là những đặc điểm đặc trưng của mỗi một loại nhiên liệu.
Đường cong biểu thị mối quan hệ phụ thuộc giữa thành phần chưng cất của nhiên liệu với nhiệt độ gọi là đường cong đặc tính chưng cất của nhiên liệu. Thành phần chưng cất có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình bốc hơi hoàn toàn, tốc độ hình thành khí hỗn hợp (nhiên liệu + không khí) và quá trình cháy.
NL§C§T • 41
Trên hình 3-1 biểu thị những đường cong đặc tính chưng cất của các nhiên liệu khác nhau và của dầu mỏ. Đối với xăng (đường 1) quá trình chưng cất bị giới hạn bởi nhiệt độ từ (35÷55) đến 200oC đối với nhiên liệu diesel (đường 3) từ (185÷200) đến 350oC. Đối với dầu mỏ thiên nhiên (dầu thô) đường 4 là đường chưng cất không kết thúc ở phạm vi nhiệt độ đã được xác lập đối với nhiên liệu của động cơ. Ở 350oC chỉ có 70% dầu mỏ sôi. Đường 2 đặc trưng cho sự chưng cất của dầu hoả mà trước đây được sử dụng ở các động cơ máy kéo đốt cháy cưỡng bức (châm lửa) bằng tia lửa điện.
2. Nhiệt độ bén lửa (hay nhiệt độc bốc cháy)
Là nhiệt độ khiến cho hỗn hợp nhiên liệu và không khí bốc cháy khi châm lửa và tiếp tục cháy. Nó phản ánh số lượng chất chưng cất nhẹ trong nhiên liệu và dùng làm chỉ tiêu phòng hoả. Nhiệt độ bén lửa thường không được thấp hơn 65oC.
3. Nhiệt độ tự bốc cháy
Hình 3-1. Đường cong đặc tính chưng cất của các nhiên liệu khác nhau
Nhiệt độ thấp mà hỗn hợp nhiên liệu và không khí tự cháy mà không phải châm lửa.
Nhiệt độ này phụ thuộc vào loại nhiên liệu và thông thường giảm khi tăng trọng lượng phân tử của nhiên liệu. Đó là một trong những nguyên nhân khiến người ta dùng nhiên liệu nặng trong động cơ diesel.
Đối với động cơ diesel tính chất nhiên liệu được đánh giá theo tính tự cháy, đó là một khái niệm tương đối rộng hơn khái niệm nhiệt độ tự cháy. (Bởi vì khi lựa chọn nhiên liệu dùng cho động cơ diesel thời gian chuẩn bị bốc cháy nhiên liệu dài hay ngắn có một ý nghĩa thực tế trực tiếp mà không nên căn cứ vào nhiệt độ tự cháy).
4. Đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu diesel
Một trong những tính chất quan trọng nhất của nhiên liệu dùng cho động cơ diesel là tính tự cháy. Như ta đã biết nhiên liệu phun vào xylanh không phải tự bốc cháy ngay mà phải qua một thời gian chuẩn bị để tự bốc cháy, trong thời gian này nhiên liệu có sự thay đổi về lý học và hóa học.
Giai đoạn này (tính từ lúc nhiên liệu được phun vào xy lanh đến khi nhiên liệu tự bốc cháy) được gọi là thời kỳ cháy trễ (muộn) và được biểu thị bằng thời τi giây hoặc biểu thị bằng góc quay của trục khuỷu ϕi.
Để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu diesel người ta thường dùng trị số xêtan (Xe)
Trị số xê tan là một đơn vị đo quy ước đặc trưng cho tính tự cháy của nhiên liệu diesel và được đo bằng % thể tích hàm lượng n – xêtan (C16H34) trong hỗn hợp của nó với α-metyl naptalin ở điều kiện chuẩn (theo quy ước α-metyl naptalin có trị số Xe = 0 và n – Xêtan có trị số Xe = 100).
Trị số Xe được xác định theo phương pháp thử: ASTM – D.613 của Hoa Kỳ
42 • NL§C§T
Ở đây: Xe là hyđrocacbon loại parafine thông dụng C16H34 có trị số Xe = 100. α - metyl naptalin (Anphametin naptalin) là loại các hyđrocacbon thơm hai vòng có chứa một nhóm metyl trộn lẫn với các nguyên tử hydro (α-C10H7CH3) chất này khó bốc cháy có trị số Xe = 0.
Trị số Xe ngoài ý nghĩa là thước đo chất lượng cháy của nhiên liệu còn ảnh hưởng đến sự cháy sinh công cứng của động cơ (tương tự như cháy kích nổ của động cơ xăng). Yêu cầu của trị số Xe phụ thuộc vào thiết kế, kết cấu, kích thước, đặc điểm của sự
thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ, phụ thuộc vào điểm khởi động, điều kiện khí hậu nơi sử dụng động cơ.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam về nhiên liệu diesel.
TCVN 5689-2005 Trị số Xe là: 46
TCVN 5689-2002 Trị số Xe là: 45
5. Đánh giá tính chất chống kích nổ của nhiên liệu dùng cho các động cơ đốt cháy cưỡng bức nhờ tia lửa điện
Tính chất chống kích nổ là một trong những chỉ tiêu quan trọng dùng để đánh giá chất lượng của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong, đốt cháy cưỡng bức. Khi dùng loại nhiên liệu có tính chống kích nổ không thích hợp với tỷ số nén, kết cấu của động cơ... Quá trình cháy trong động cơ sẽ bị phá hoại và dẫn đến cháy kích nổ. Tính chất kích nổ của nhiên liệu có liên quan chặt chẽ với tính tự cháy của nhiên liệu, nó phụ thuộc vào thành phần của nhiên liệu.
Một trong những phương pháp được dùng rộng rãi đánh giá tính chất chống kích nổ của nhiên liệu (xăng ôtô) là dùng trị số ốc tan (octane Number).
- Trị số octane (Octane Number) là một đơn vị do qui ước dùng để đặc trưng cho khả năng chống cháy kích nổ của nhiên liệu và nó được đo bằng % thể tích của iso – Octane (2,2,4 trimetyl pentan C8H18) trong hỗn hợp của nó với n – Heptan (C7H16), tương đương với khả năng chống kích nổ của nhiên liệu thử nghiệm ở điều kiện chuẩn.
(n – heptane qui ước có trị số ốc tan = 0 và iso octane qui ước có trị số ốc tan = 100).
Để đánh giá khả năng chống kích nổ có 3 trị số:
RON (Research octane Number): Trị số ốc tan xác định bằng phương pháp nghiên cứu.
MON (Motor octane Number): Trị số ốc tan xác định bằng phương pháp động cơ. Road ON (Road antiknock performance)
Trị số ốc tan trên đường (trị số ốc tan thực khi ôtô đang vận hành trên đường). RON MON RoadON +
= (3-2)
2
Trị số RON lớn hơn trị số MON. Hiệu số RON – MON được gọi là độ nhậy của xăng (Fuel sensitive). FS (Fuel Sensitive) = RON – MON ≈ 8-10 đơn vị. 3.3. CHÁY NHIÊN LIỆU TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
3.3.1. Thành phần hoá học của nhiên liệu
NL§C§T • 43
Như chúng ta đã biết ở phần trên hầu hết nhiên liệu đang dùng hiện nay cho động cơ đốt trong là sản phẩm chế biến từ dầu mỏ. Các nguyên tố hoá học có trong nhiên liệu bao gồm: Các bon, Hydro và ôxy. Do đó chúng ta có thể biểu diễn 1kg nhiên liệu dưới dạng công thức sau:
gC + gH + gO = 1 (3-3)
gC: Lượng các bon có trong 1kg nhiên liệu (kg)
gH: Lượng hyđro có trong 1kg nhiên liệu (kg)
gO: Lượng oxy có trong 1kg nhiên liệu (kg)
3.3.2. Phương trình cháy 1kg nhiên liệu
Khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, giả thiết rằng do kết quả phản ứng của các bon và hyđro với oxy của không khí sẽ hình thành tương ứng là khí CO2 và hơi nước. Trong trường hợp đó việc oxy hoá các bon và Hydro của nhiên liệu được tiến hành theo những phản ứng hoá học sau đây:
C + O2 = CO2 + Q
2H2 + O2 = 2H2O + Q
Cháy các bon:
Nếu tính theo đơn vị khối lượng từ công thưc trên ta có thể viết.
12kgC + 32kgO2 = 44kgCO2 + 34.106J (3-4)
8
11
17
hoặc kgC kgO kgCO J6
1 + = + (3-5)
2 210. 3
3
6
Trong nhiên liệu chỉ có gC kg các bon nên ta có:
8
11
hoặc 2 2
1kgC + kgO = kgCO (3-6)
3
3
Trong 1kg nhiên liệu chỉ có gC kg các bon nên ta có:
8
11
gCkgC gC kgO gC⎟kgCO ⎠⎞
⎜⎝⎛
⎞
⎜⎝⎛
+ (3-7) ⎟ =
3
⎠
Cháy hyđro
2 2 3
2kgH + 16kgO2 = 18kgH2O + 143.106 J (3-8) hoặc kgH + 8kgO2 = 9kgH2O + 71,5.106 J (3-9) Trong 1kg nhiên liệu có gH kg hyđrô nên ta có:
gHkgH + (8gH)kgO2 = (9gH)kgH2O (3-10) Qua hai công thức (3-5) và (3-8) thấy rằng:
⎜⎝⎛+ gH gC 8
8biểu thị lượng ôxy cần thiết để đốt cháy hoàn toàn lượng gC và gH
3
⎟⎠⎞
có trong nhiên liệu. Lượng ôxy này lấy ở trong không khí, nếu trong nhiên liệu có (gO)kg ôxy thì lượng ôxy cần thiết lấy trong không khí sẽ bớt đi một lượng gO. Cộng hai phương trình (3-5) và (3-8) và với chú ý trên ta có:
44 • NL§C§T
8⎟ = + 11 8
⎜⎝⎛
⎞
(gC gH gO) gC gH gO kgO2 gCkgCO2 9gHkgH2O + + + + − (3-11)
3
⎠
3
Phương trình (3-11) có thể xác định được lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu (đối với không khí có thành phần 23% ôxy và 77% nitơ theo khối lượng).
8
gH gO gC
3
+ −
L
= (kg) (3-12) 0
0,23
Thành phần sản phẩm cháy 1kg nhiên liệu: 11
Lượng cácbônic gH O gCkg
2 =
3
Lượng hơi nước gH2O = 9gHkg
Lượng ỗy thừa ( ) gH gO kg gC gO ⎟⎠⎞
2 1
⎜⎝⎛
8
= − + 8 −
3
Lượng nitơ gN2 = 0,77L0kg
3.3.3. Hệ số dư không khí
Trong động cơ thực tế khi làm việc, lượng không khí cung cấp để đốt cháy nhiên liệu có thể vừa đủ, thừa hoặc thiếu, để đánh giá vấn đề này người ta đưa ra khái niệm: hệ số dư không khí α.
Hệ số dư không khí là tỷ số giữa lượng không khí thực tế đốt cháy một kg nhiên liệu với lượng không khí cần thiết lý thuyết để cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu đó. L
= (3-13)
L0
L – Lượng không khí thực tế đốt cháy 1kg nhiên liệu (kg)
Lo – Lượng không khí cần thiết lý thuyết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu (kg) (xác định theo công thức 3-10)
Khi L = Lo ta có α = 1 hỗn hợp nhiên liệu – không khí được gọi là hỗn hợp tiêu chuẩn, nghĩa là nhiên liệu có đủ ôxy để cháy hoàn toàn.
Khi L > Lo ta có α > 1, hỗn hợp nhiên liệu – không khí lúc đó là hỗn hợp loãng (hỗn hợp nghèo).
Khi L < Lo ta có α < 1, hỗn hợp nhiên liệu – không khí là hỗn hợp đậm (hỗn hợp giầu).
3.3.4. Phương trình cháy khi >1
Khi đưa không khí vào xylanh của động cơ với số lượng lớn hơn số lượng cần thiết theo lý thuyết, thì chỉ có số lượng ôxy cần thiết tham gia vào phản ứng (như trường hợp α = 1 xác định ở mục 2). Phần ôxy thừa không tham gia vào phản ứng, xuất hiện ở trạng thái ôxy tự do trong sản phẩm cháy.
Trong trường hợp này, phương trình có dạng:
NL§C§T • 45
gH gO kgO gC gC gH gO
8
( ) (
+ + + + − =
3
8 )
2
11
gC
gH gO kgO gC kgCO gHkgH O
8
( ) 2 2 2
+ + − + −
(3-14)
3
9 1 (
3
8 )
Thành phần sản phẩm cháy: Lượng cacbônic kg gC gCO3
2 =
11
Lượng hơi nước gH2O = (9gH)kg
Lượng ôxy thừa gH gO kg gC gO ⎟⎠⎞
( 1) 2
⎜⎝⎛
8
= − + 8 −
3
Lượng nitơ gN2 = (0,77. .Lo)kg
3.3.5. Phương trình cháy khi <1
Khi đưa một lượng không khí vào xylanh động cơ không đủ, do đó không đủ ôxy, nhiên liệu không thể cháy hoàn toàn.
Người ta giả thiết rằng: hyđrô của nhiên liệu được ôxy hoá hoàn toàn, còn không khí thiếu chỉ ảnh hưởng đến cháy các bon. Thực tế, phản ứng diễn ra sẽ khác đôi chút, trong các sản phẩm cháy không chỉ xuất hiện ôxy, các bon (CO) mà cả hyđrô tự do.
Giả thiết trên giúp cho việc tính nhiệt động cơ đơn giản đáng kể, còn sai số khi tính các thông số đặc trưng cuối quá trình rất nhỏ.
Để xác định phản ứng cháy có thể giả thiết rằng: trong số gC kg các-bon có trong thành phần nhiên liệu, có xgC kg cacbon được ôxy hoá thành CO2 và (1-x)gC các-bon ôxy hoá thành CO, nghĩa là:
xgC + (1-x)C = gC (3-15)
Đối với phần các bon của nhiên liệu, ôxy hoá thành CO2 có phương trình: 8kgCO xgC kgO xgC xgCkgC ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎞
⎜⎝⎛
11
+ (3-16) ⎟ =
3
⎠
2 2 3
Đối với phần các bon ôxy hoá thành CO, có phương trình:
3
7
− x gCkgC + ( − x)gCkgO = (1− x)gCkgCO
(1 )2(3-17)
4
1
3
Số lượng ôxy tham gia phản ứng trong trường hợp này bằng:
8
4
gO gH xgC ( x)gC⎟kg ⎠⎞
⎜⎝⎛
2 8 (3-18) = + + 1−
3
3
Biểu thị số lượng ôxy thực tế tham gia phản ứng với cacbon và hyđrô qua hệ số α ta có:
gH kg gC gO ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
8
2 (3-19)
= + 8
3
Do đó (3-18) = (3-19)
46 • NL§C§T
x gC xgC gH 8 + + − = + gH gC
8
4
8
( ) ⎟⎠⎞ ⎜⎝⎛
8 (3-20)
3
3
1
3
Từ phương trình (3-20) có thể xác định phần cacbon của nhiên liệu cháy hoàn toàn, có nghĩa là ôxy hoá thành CO2.
gC gH gC gH gH gC xgC (3-21) 3⎟ = − + −
⎜⎝⎛
8
4
⎞
(2 1) 6 ( 1)
= + − −
4
3
8 . 8
3
⎠
Số lượng cac bon của nhiên liệu ôxy hoá thành CO được xác định bằng phương trình:
(1− x)gC = 2gC −1gC + 6gH( −1) = 2(1−)(gC + 3gH ) (3-22)
Vì vậy phản ứng cháy của nhiên liệu khi thiếu không khí (α<1) được xác định bằng phương trình:
kgCO xgC gH kgO gC gC gH
⎜⎝⎛
8
11 8
( )
+ + +
⎞
⎟ =
⎜⎝⎛
⎞
⎟ +
3
2 2
⎠
7
3
⎠
(3-23)
⎢⎣⎡−
+ ⎥⎦⎤
( x)gC kgCO gH kgH O
1 (9 ) 2
3
xgC gCO
11
11
Lượng cacbônic: [ (2 1) 6 ( 1)] 2 = = gC − + gH −
3 7
3
7
Lượng ôxyt cacbon: ( ) [2(1 )( 3 )] gCO = − x gC = − gC + gH
3
1
3
Lượng hơi nước: gH2O = 9gH
Lượng nitơ: gN2 = 0,77.Lo
Ghi chú: Chỉ có xăng cháy thiếu ôxy (α<1), mà xăng có thành phần hoá học là gC+gH=1, còn gO = 0.
3.4. NHIỆT TRỊ CỦA NHIÊN LIỆU
Để xác định nhiệt trị của nhiên liệu có hai phương pháp:
- Thực nghiệm: đốt nhiên liệu trong nhiệt lượng kế.
- Phân tích: cần biết thành phần hoá học của nhiên liệu, rồi áp dụng các công thức sau:
QH = 8100gC + 24600gH kcal/gh (3-24)
Công thức của Menđêlêép:
QH = 8100gC+30000gH-2600(gO-gS) – 600(9gH+gW)kcal/kg (3-25)
gC, gH, gO, gS, gW là lượng cacbon, hyđrô, ôxy, lưu huỳnh, hơi nước có trong nhiên liệu. Người ta phân làm hai hoại nhiệt trị: nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.
Nhiệt trị cao là toàn bộ nhiệt lượng toả ra khi cháy nhiên liệu và nó có thể tách ra được khỏi sản phẩm cháy, khi làm mát chúng đến nhiệt độ ban đầu. Nhiệt độ đó cần phải là nhiệt độ thấp đủ để ngưng tụ hơi nước tạo thành khi cháy hyđrô của nhiên liệu.
NL§C§T • 47
Nhiệt trị thấp bằng nhiệt trị cao trừ đi nhiệt lượng do ngưng đọng hơi nước toả ra. Trong tính toán nhiệt động cơ thường sử dụng nhiệt trị thấp, bởi vì nhiệt độ khí thải lớn hơn nhiệt độ ngưng tụ hơi nước.
3.5. NHIỆT TRỊ HỖN HỢP
Mỗi loại nhiên liệu yêu cầu một số lượng không khí xác định để cháy.
Thí dụ: Cần 15kg không khí để đốt cháy hết 1kg xăng, trong khi đó chỉ cần 8,6kg không khí, để đốt cháy 1kg cồn êtylic 95o. Bởi vậy nhiệt trị của nhiên liệu thực tế không phải là một thông số quan trọng, mà là nhiệt trị của hỗn hợp.
Nhiệt trị của hỗn hợp bằng nhiệt trị của 1kg nhiên liệu chia cho lượng hỗn hợp tạo thành với 1kg nhiên liệu khi α = 1.
Thí dụ:
Nhiệt trị của 1kg hỗn hợp: xăng – không khí bằng 645kcal/kghh
Nhiệt trị của 1kg hỗn hợp: diesel– không khí bằng 645kcal/kghh
Nhiệt trị của 1kg hỗn hợp: cồn êtylic – không khí bằng 670kcal/kghh 3.6. TỔN THẤT NHIỆT KHI CHÁY THIẾU ÔXY
Khi cháy hỗn hợp giàu (α<1), nhiệt lượng của nhiên liệu không thể toả ra hoàn toàn, vì thiếu ôxy.
Kết quả của điều này là xuất hiện tổn thất nhiệt, gọi là tổn thất nhiệt vì cháy không hoàn toàn.
Để xác định tổn thất nhiệt chúng ta cũng giả thiết rằng việc thiếu ôxy chỉ ảnh hưởng đến cháy cácbon.
Khi ôxy hoá 1kg cacbon thành CO2 toả ra 8140kcal
Khi ôxy hoá 1kg cacbon thành CO chỉ toả ra 2470kcal
Khi ôxy hoá xgCkgcacbon thành CO2 và (1-x)gCkg cacbon thành CO, tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn được xác định theo công thức:
QH = gC.QHCO2 – (1-x)gC.QHCO (3-24)
ΔQH – tổn thất nhiệt khi cháy thiếu ôxy (kcal/kgnl).
QHCO2 – lượng nhiệt toả ra khi ôxy hoá 1kg cacbon thành
CO2 = 8140kcal/kg cacbon.
Vậy: QH = 8140.gC-2470(1-x)gC-8140xgC (3-25) QH = 5670(1-x)gC kcal/kg nhiên liệu (3-26)
Số lượng cacbon của nhiên liệu (1-x)gC ôxy hoá thành CO phụ thuộc vào α và có quan hệ sau:
(1-x)gC = 2(1-)(gC+3gH) (3-27)
Đối với xăng có hàm lượng 0,85kg cacbon và 0,15kg hyđrô ta có:
(1-x)gC = 2,6(1-)kg (3-28)
Khi đó tổn thất nhiệt vì cháy không hoàn toàn 1kg xăng sẽ là:
QH = 5670.22,6(1-) = 14742(1-) kcal/kgnl (3-29)
48 • NL§C§T
Hỗn hợp giàu đến mức để toàn bộ cacbon chuyển thành ôxit cacbon (CO) gọi là hỗn hợp nguy hiểm. Khi α = 0,67 thì toàn bộ cacbon cháy thành CO. Với α = 0,67 không áp dụng, vì không có giá trị thực tế.
Câu hỏi chương 3: Môi chất công tác và tính chất
1. Thành phần hoá học của dầu mỏ và sản phẩm của dầu mỏ dùng trong động cơ đốt trong?
2. Định nghĩa đường cong chưng cất và thành phần chưng cất của nhiên liệu dùng trong động cơ, ý nghĩa của chúng?
3. Phản ứng cháy và sản phẩm cháy khi cháy nhiên liệu (Xăng, Diezen) 4. Nhiệt trị, các loại nhiệt trị và ý nghĩa của chúng?
CHƯƠNG 4
QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI KHÍ
4.1. NHIỆM VỤ VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI KHÍ
Quá trình trao đổi khí có nhiệm vụ đưa sản phẩm cháy đã giãn nở sinh công ra ngoài và nạp khí mới vào trong xylanh.
Quá trình trao đổi khí được coi là có chất lượng cao nếu đạt được các yêu cầu sau đây:
Đưa hết khí đã cháy ra khỏi động cơ.
Nạp được nhiều khí mới vào trong xylanh.
Tốn ít công để thực hiện quá trình thay đổi khí.
Để đánh giá chất lượng quá trình thay đổi khí, người ta sử dụng một số chỉ tiêu cơ bản dưới đây:
a) Hệ số khí sót r
Là tỷ số giữa lượng khí cháy còn sót lại trong xylanh từ chu trình trước mr chia cho lượng khí mới được nạp vào trong xylanh trong một chu trình m1. mr
r = ; (4-1)
m1
Hệ số khí sót phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp trao đổi khí, trị số của nó nằm trong phạm vi sau:
γr = 0,06 ÷ 0,12 Động cơ xăng 4 kỳ.
γr = 0,03 ÷ 0,06 Động cơ diesel 4 kỳ.
γr = 0,03 ÷ 0,40 Động cơ 2 kỳ.
NL§C§T • 49
4.1.2 Hệ số nạp v
Là tỷ số giữa lượng khí mới thực tế nạp vào xylanh trong một chu trình m1 chia cho lượng khí mới lý thuyết chứa đầy thể tích công tác của xylanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước xupáp nạp (pk,TK), mk.
m1 = ; (4-2)
v m
k
Lượng khí mới lý thuyết mk có thể xác định theo phương trình trạng thái: m..
p V
k h
= ; (4-3)
kR T
k k
Lượng khí nạp thực tế m1 bao gồm:
Lượng khí mới có trong xylanh tại thời điểm cuối hành trình nạp (điểm a hình 4-3b), m1a.
Lượng khí mới được nạp thêm vào xylanh tính từ thời điểm cuối hành trình nạp (điểm a) đến thời điểm đóng hoàn toàn cơ cấu thay đổi khí (điểm a1). Lượng khí mới cùng với lượng khí sót mr được chứa đầy không gian công tác lớn nhất của xylanh Va ở điều kiện áp suất pa và nhiệt độ Ta.
m m m..
p V
a h
= 1 + = ; (4-4)
a a rR T
a a
Lượng khí hỗn hợp có trong xylanh tại thời điểm đóng cơ cấu thay đổi khí có thể tính như sau:
( ) m a m mr m r ma
1 1 1 1 = + = + = ; (4-5)
. 1 .
Từ công thức (4-4) và (4-5) ta có:
=. . 1.
m p V
a
a h
+
m
1.
=
.
1 1 1 ; (4-6)
( ) a a r
+
r
R T
Trong đó: mr , m1 , mk – Lượng khí tính bằng kg.
Va,Vh – Thể tích không gian công tác lớn nhất và thể tích công tác của xylanh, (m3).
pa, Ta - Áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp khí mới với khí sót tại thời điểm cuối hành trình nạp.
pk , Tk - Áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp khí mới trước khi nạp vào xylanh.
Rk ,Ra – Hằng số của khí mới và hỗn hợp mới với khí sót (J/kg.K), có thể lấy gần đúng Rk = Ra ;
λ1 - Hệ số nạp thêm, nó đánh giá lượng tăng tương đối của khí mới sau khi được nạp thêm so với lượng khí mới có trong xylanh tại thời điểm cuối hành trình nạp, λ1 = 1,03 ÷ 1,07
Chia phương trình (4-6) cho phương trình (4-3) đồng thời lưu ý rằng:
50 • NL§C§T
V
h
; và Rk = Ra ;
V V V V .
a h c h V
= + = +
−
=
h
1 −1
Sau khi rút gọn ta được phương trình hệ số nạp dưới dạng sau:
p
a
T k
− +
=. 1
.1 ; (4-7a)
. .
( ) a r
vT
1
p
k
Mặt khác theo phương trình (4-2) ta có lượng khí nạp mới khi nhiệt độ là Tk và áp suất là pk chiếm thể tích là: m1 = ηV.Vh ;
Theo phương trình trạng thái (pV = m.R.T ), ta có thể xác định được m1, mr, ma theo công thức:
p .V
m =η .
k h
1 VR .T k k
p .V
m =
r c
rR .T
r r
m = m +m =
p .Va a
a 1 rR .T
a a
Thay m1, mr , ma vào phương trình cân bằng nhiệt tại điểm a của đồ thị (hình 4-3b) và bỏ qua nhiệt dung ta được
( )
p V T T
. .
+Δ
p V T . .
p V T
k h k k
r r r
. .
a a a
. + = VR T
R T
.
k k
R T
.
r r
.
a a
Lưu ý rằng: Vh = (ε - 1).Vc , Vc = Vr và coi: Rk = Ra = Rr ; Chia 2 vế cho Vc ta được:
( )
p T T.
.( 1).
− +Δ
k k k
+ = . Vp p
.
T
k
p p
r a
⎜⎜⎝⎛−
⎟⎟⎠⎞
−
a r
T k
1
p
a
p
r
T k
; (4-7b)
= . . .
.
=
vT T
( 1).
− +Δ
p
k
T T k k
−
1
p
k
p
k
+ Δ
k k
Từ (4-7b) ta thấy được ảnh hưởng của tỷ số
p và a
ptới hệ số nạp của động cơ r
p
p
k
k
đốt trong.
Các thành phần trong phương trình (4-7a và 4-7b) có quan hệ chặt chẽ với nhau, đồng thời ảnh hưởng đến hệ số nạp trong một mối liên hệ rất phức tạp. Để tăng hệ số nạp, người ta sử dụng các biện pháp dưới đây:
Lựa chọn góc phối khí tốt nhất.
Giảm tối đa sức cản khí động trong hệ thống nạp và thải, tăng tiết diện lưu thông của các xupáp, thiết kế, chế tạo các đường ống dẫn khí có kích thước và hình dáng thích hợp bề mặt nhẵn bóng cao,…
NL§C§T • 51
Sử dụng các bình lọc không khí và ống tiêu âm có sức cản lớn, để các bình lọc khí, đường ống và cửa khí quá bẩn đều là những thông số làm tăng hệ số khí sót, đồng thời làm giảm hệ số nạp.
Trong thực tế nghiên cứu động cơ, hệ số nạp thường được xác định bằng thực nghiệm. Trị số thường nằm trong phạm vi sau:
Động cơ xăng 4 kỳ: ηV = 0,70 ÷ 0,75 dùng xupap đặt.
ηV = 0,70 ÷ 0,85 dùng xupap treo.
Hiện nay động cơ phun xăng điện tử hệ số nạp còn cao hơn phạm vi trên. Động cơ diesel 4 kỳ: ηV = 0,75 ÷ 0,90 dùng xupap đặt.
Động cơ diesel 2 kỳ: ηV = 0,40 ÷ 0,80.
4.2. MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÔI CHẤT CÔNG TÁC TRONG QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI KHÍ
a) Vận tốc lưu động
Vận tốc lưu động của dòng khí qua xupáp hoặc qua cửa biến đổi liên tục trong thời gian diễn ra quá trình thay đổi khí, nó phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Tiết diện lưu thông của xupáp hoặc cửa khí.
- Vận tốc của piston.
- Sức cản khí động trong hệ thống nạp và thải,...
Vận tốc lưu động của khí nạp phải đủ lớn để tạo ra vận tốc rối mạnh của khí trong buồng cháy nhưng cũng không được quá lớn vì khi đó sức cản khí động sẽ tăng làm giảm hệ số nạp. Đối với động cơ cao tốc, người ta cố gắng tăng tối đa tiết diện lưu thông của khí nạp để giảm sức cản bằng cách dùng xupáp nạp có đường kính lớn hơn xupáp thải hoặc bố trí 2 hay 3 xupáp nạp cho một xylanh.
Vận tốc lưu động của dòng khí thải được quyết định bởi điều kiện bố trí xupáp thải trên nắp xylanh.
Nói chung áp suất trong xylanh lúc đầu bắt đầu mở cơ cấu thải luôn lớn hơn áp suất giới hạn, nên quá trình thải của động cơ đốt trong bao giờ cũng có hai giai đoạn lưu động trên giới hạn và dưới giới hạn. Vận tốc của khí thải trong giai đoạn lưu động trên giới hạn luôn bằng vận tốc truyền âm của nó. Khi lưu động với vận tốc như vậy sẽ tạo ra âm thanh có cường độ mạnh.
Vận tốc lưu động trung bình của dòng khí trong các động cơ thực tế nằm trong giới hạn sau:
Khí nạp qua xupáp nạp: w = (50 ÷ 80) m/s;
Khí nạp qua cửa: w = (80 ÷ 120) m/s;
Khí thải qua xupáp thải: w = (60 ÷ 100) m/s;
Khí thải qua cửa: w = (100 ÷150) m/s;
b) Áp suất
Do sự thay đổi tiết diện lưu thông và vận tốc của piston cũng như ảnh hưởng của hàng loạt hiện tượng khí động khác nên áp suất của môi chất công tác trong xylanh trong quá trình thay đổi khí biến đổi rất phức tạp. Hình 4-1 giới thiệu một ví dụ về đồ thị công chỉ thị thu được khi dùng thiết bị đo có độ nhậy cao. Tuy nhiên sự dao động áp
52 • NL§C§T
suất trong quá trình thay đổi khí có ảnh hưởng không đáng kể đến tổng diện tích đồ thị công nên trong quá trình tính toán người ta quy ước rằng áp suất môi chất công tác trong thời gian hành trình nạp và thải có trị số không đổi (hình 4-2).
Hình 4-1. Đồ thị áp suất của môi chất công tác
trong quá trình thay đổi khí đo được bằng thiết bị có độ nhạy cao.
Áp suất tại những điểm đặc trưng trong quá trình thay đổi khí có quan hệ như sau: Áp suất khí sót pr:
pr = (1,03 ÷ 1,06)p0 Động cơ 4 kỳ thấp tốc không tăng áp.
pr = (1,05 ÷ 1,20)p0 Động cơ 4 kỳ cao tốc không tăng áp.
pr = (1,03 ÷ 1,08)pth Động cơ 4 kỳ tăng áp bằng tua bin khí thải.
Áp suất cuối hành trình nạp pa:
pa = (0,80 ÷ 0,90)p0 Động cơ 4 kỳ không tăng áp.
pa = (0,90 ÷ 0,98)pk Động cơ 4 kỳ và 2 kỳ tăng áp.
Trong đó: po - Áp suất khí quyển.
pk - Áp suất khí mới trước khi nạp vào xylanh.
pth - Áp suất trung bình trong đường ống thải.
c)
NL§C§T • 53
a) Động cơ 4 kỳ không tăng áp; b) Động cơ 4 kỳ tăng áp; c) Động cơ 2 kỳ. Hình 4-2. Quá trình thay đổi khí trên đồ thị công tính toán
c) Nhiệt độ
Đối với động cơ 4 kỳ tăng áp và động cơ 2 kỳ, nhiệt độ của khí mới trước xupáp nạp hay trong bình chứa khí quét (gọi tắt là nhiệt độ khí nạp Tk) phụ thuộc vào loại máy nén, mức độ tăng áp suất trong máy nén và có thể thực hiện làm mát trung gian hay không. Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp có thể lấy Tk = T0 , trong đó T0 là nhiệt độ môi trường xung quanh đo ở khoảng cách 1,5m từ vị trí đặt bình lọc khí.
Nhiệt độ môi chất công tác vào cuối quá trình nạp Ta có thể xác định trên cơ sở phương trình cân bằng nhiệt lượng của khí nạp và khí sót, trước và sau khi chúng hoà trộn với nhau.
" '
( ) ( )
. . . . . . m c T T m c T m m c T a p r p r r p a k k + Δ + = + ; ( 4-9).
1
Trong đó: m1, mr – Lượng khí mới được nạp vào xylanh và lượng khí sót (kg). cp , cp”, cp’– nhiệt dung riêng đẳng áp của khí nạp, khí sót và hỗn hợp hai khí đó (J/kg.K).
ΔTK - mức độ sấy nóng khí nạp mới (K).
Tr - Nhiệt độ khí sót (K).
Do nhiệt độ khí nạp Tk và nhiệt độ môi chất công tác vào cuối quá trình nạp Ta chênh lệch nhau không nhiều, nên có thể lấy cp = cp’. Tỷ nhiệt của khí sót cp” có thể cho bằng λt.Cp trong đó λt là hệ số hiệu đính tỷ nhiệt. Trị số của λt phụ thuộc vào nhiệt độ khí sót và thành phần của hỗn hợp cháy, thông thường λt = (1,11 ÷ 1,17) đối với động cơ xăng và λt = 1,10 đối với động cơ diesel.
Chia cả hai vế phương trình (4-9) cho m1.Cp sau khi rút gọn ta được:
=1. .; (4-10)
T T T
+Δ +
T
k k t r r
a
+
r
Trị số của Ta nằm trong phạm vi sau:
Ta = (310 ÷ 350) 0K Động cơ bốn kỳ không tăng áp.
Ta = (320 ÷ 400) 0K Động cơ hai kỳ và bốn kỳ tăng áp.
Mức độ sấy nóng khí nạp phụ thuộc vào mức độ chênh lệch giữa nhiệt độ của khí nạp và nhiệt độ của các bề mặt tiếp xúc, vận tốc lưu động của khí và thời gian diễn ra quá trình nạp,...Việc xác định ΔTK bằng lý thuyết rất khó khăn nên trong tính toán nhiệt có thể chọn trị số ΔTK căn cứ vào những số liệu thực nghiệm ở động cơ mẫu. Thông thường ΔTK = (20 ÷ 40) 0K đối với động cơ diesel và ΔTK = (0 ÷ 20)0K đối với động cơ xăng. Trị số ΔTK ở động cơ xăng nhỏ hơn ở động cơ diesel chủ yếu do hiện tượng bay hơi nhiên liệu trong quá trình nạp. Khi thiết kế động cơ xăng, người ta thường bố trí các đường ống nạp gần các đường ống thải để sấy nóng khí mới nhằm mục đích giúp các hạt nhiên liệu bay hơi nhanh. Ngược lại, đối với động cơ diesel người ta cố gắng bố trí đường ống nạp cách xa đường ống thải để tránh làm giảm lượng không khí thực tế được nạp vào xylanh.
54 • NL§C§T
Nhiệt độ khí sót Tr phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp cháy, tỷ số giãn nở và cường độ trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với vách xylanh trong quá trình giãn nở và thải. Đối với động cơ xăng, thành phần hỗn hợp cháy chỉ thay đổi trong một phạm vi nhỏ nên khi thay đổi phụ tải, nhiệt độ khí sót thay đổi rất ít. Ngược lại, phụ tải của động cơ diesel được thay đổi bằng cách điều chỉnh thành phần hỗn hợp cháy (điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình trong khi giữ nguyên lượng không khí nạp vào trong xylanh - thay đổi α) cho nên khi thay đổi tải, nhiệt độ khí sót thay đổi rất nhiều. Ở chế độ định mức Tr = 900 ÷ 1000 0K đối với động cơ xăng và Tr = 700 ÷ 900 0K đối với động cơ diesel.
Nhiệt độ khí thải Tth là nhiệt độ đo ở ống góp khí thải. Nhiệt độ này có trị số nhỏ hơn nhiệt độ khí sót vì sau khi ra khỏi xylanh, khí thải được làm mát một phần. Khi động cơ làm việc ở chế độ ổn định thì nhiệt độ khí thải thực tế không thay đổi. Mọi yếu tố làm thay đổi chất lượng của quá trình cháy (ví dụ: áp suất phun nhiên liệu thay đổi, vòi phun bị tắc, góc phun sớm điều chỉnh không chính xác,...) hoặc thay đổi cường độ làm mát xylanh (ví dụ: các khoang làm mát bị đóng cặn nhiều,...) đều kéo theo sự thay đổi nhiệt độ của khí thải. Vì vậy, trong thực tế sử dụng Tth được coi là thông số chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ.
4.3. QUÁ TRÌNH THAY ĐỔI KHÍ Ở ĐỘNG CƠ BỐN KỲ
4.3.1. Diễn biến và các thông số đặc trưng
Căn cứ vào sự hoạt động của cơ cấu phân phối khí, có thể chia quá trình thay đổi khí ở động cơ 4 kỳ thành 5 giai đoạn:
- Thải tự do.
- Thải cưỡng bức.
- Quét buồng cháy.
- Nạp chính.
- Nạp thêm.
a) Giai đoạn I – Giai đoạn thải tự do (giai đoạn thải sớm)
Bắt đầu từ lúc xupáp thải mở (điểm b1 hình 4-3) đến lúc piston đến ĐCD. Góc quay trục khuỷu ứng với giai đoạn này được gọi là góc thải sớm (α3). Do sự chênh lệch áp suất khá lớn giữa áp suất trong và ngoài xylanh nên ở giai đoạn đầu của quá trình thải, khí thải thoát ra ngoài với vận tốc rất cao (khoảng 600÷700 m/s), trong giai đoạn này có khoảng 60 ÷ 70% lượng khí thải tự thoát ra ngoài. b) Giai đoạn II – Giai đoạn thải cưỡng bức
Kéo dài từ lúc piston rời ĐCD đến lúc xupáp nạp bắt đầu mở (điểm d1). Trong giai đoạn này khí thải bị piston đẩy ra ngoài. Công tiêu hao cho việc đẩy khí thải cũng như mức độ thải sạch phụ thuộc rất nhiều vào thời điểm mở xupáp thải. c) Giai đoạn III – Giai đoạn quét buồng cháy
Giai đoạn này diễn ra trong thời gian cả xupáp nạp và xupáp thải đều mở. Góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm mở xupáp nạp so với ĐCT được gọi là góc nạp sớm (α1) còn góc quay trục khuỷu tính từ ĐCT đến thời điểm đóng xupáp thải được gọi là góc thải muộn (α4). Góc ứng với giai đoạn cả xupáp nạp và xupáp thải cùng mở được gọi là góc trùng điệp của hai xupáp (α1+α4).
NL§C§T • 55
Đối với động cơ tăng áp, người ta thường sử dụng góc trùng điệp khá lớn (khoảng 100÷1600), vì vậy một phần không khí nén cùng với khí thải thoát ra ngoài qua xupáp thải. Việc làm này có tác dụng quét sạch sản phẩm cháy ra khỏi xylanh đồng thời góp phần làm mát xupáp thải và các chi tiết bao quanh buồng cháy.
d) Giai đoạn IV– Giai đoạn nạp chính
Kéo dài từ lúc xupáp thải đóng (điểm r1) đến lúc piston đến ĐCD. Phần lớn khí nạp được hút vào xylanh trong giai đoạn này.
Do tồn tại sức cản khí động nên áp suất trong xylanh trong giai đoạn nạp chính (p a) luôn thấp hơn áp suất của khí nạp (pk). Tỷ số pa/pk phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố như: cấu tạo hệ thống nạp, góc phối khí, tốc độ quay của động cơ,… Tăng tiết diện lưu thông của xupáp nạp, sử dụng bình lọc khí có sức cản nhỏ và thường xuyên làm sạch nó là những biện pháp làm tăng tỷ số pa/pk qua đó làm tăng hệ số nạp. e) Giai đoạn V– Giai đoạn nạp thêm
Để tăng lượng khí mới thực tế nạp vào xylanh, người ta để xupáp nạp tiếp tục nạp một thời gian nữa sau khi piston đã kết thúc hành trình nạp (tại ĐCD), từ thời điểm đó cho tới khi xupáp nạp đóng muộn một góc α2 (điểm a1) được gọi là góc nạp thêm. Quá trình nạp thêm được thực hiện do quán tính của dòng khí nạp cũng như do có sự chênh lệch giữa áp suất trong xylanh pa và áp suất khí mới trước xupáp nạp pk.
Từ những điểm phân tích ở trên, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét sau: - Quá trình thay đổi khí ở động cơ bốn kỳ được điều khiển bằng các xupáp. Việc nạp khí mới vào xylanh và thải khí thải ra ngoài được thực hiện nhờ tác dụng “hút” và “đẩy” của piston.
- Thời điểm đóng và mở của các xupáp không trùng với thời điểm piston ở ĐCT hay ĐCD. Thời gian diễn ra quá trình nạp và quá trình thải không hoàn toàn trùng với hành trình nạp và hành trình thải của piston.
a/ Sự thay đổi tiết diện lưu thông của xupáp thải (fx) và xuáp nạp (fn) theo góc quay trục khuỷu.
56 • NL§C§T
b/ Quá trình thay đổi trên đồ thị công ; c/ Đồ thị phân phối khí
Hình 4-3. Đồ thị biểu diễn quá trình thay đổi khí ở động cơ 4 kỳ
4.3.2. Góc phối khí và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng quá trình thay đổi khí.
Các góc nạp sớm, nạp muộn, thải sớm và thải muộn được gọi là góc phối khí hay pha phối khí. Các vị trí của trục khuỷu động cơ tương ứng với các thời điểm bắt đầu mở và đóng kín các xupáp (b1, d1, r1, a1) được gọi là thời điểm phối khí.
Xupáp thải được mở trước khi hành trình thải bắt đầu nhằm mục đích cho một lượng lớn khí thải tự thoát ra ngoài. Qua đó giảm được công tiêu hao cho việc đẩy khí trong hành trình thải và giảm lượng khí sót còn lại trong xylanh. Giả sử b1 (hình 4-4a, 4- 4b) là thời điểm mở xupáp thải tốt nhất sự thay đổi áp suất trong xylanh diễn ra theo đường liền trên đồ thị. Nếu xupáp thải mở quá sớm (điểm '1
b hình4-4a) khi mà áp suất
sản phẩm cháy vẫn còn lớn sẽ lãng phí một phần công của chu trình làm giảm công suất của động cơ. Công suất có ích của động cơ cũng sẽ giảm nếu xupáp thải mở quá muộn (điểm b1- hình 4-4b) vì khi đó phần công giãn nở tận dụng được không bù đắp nổi công tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngoài do áp suất môi chất công tác trong hành trình thải lớn. Ngoài ra áp suất khí sót lớn cũng là yếu tố làm tăng hệ số khí sót và giảm hệ số nạp.
Xupáp thải được đóng muộn so với thời điểm kết thúc hành trình thải có tác dụng giảm lượng sản phẩm cháy còn lại trong xylanh (khí sót). Bởi vì, mặc dù tác dụng “đẩy” của piston đã chấm dứt nhưng do quán tính và do sự chênh lệch áp suất nên lượng khí thải còn lại bị “hút” ra khỏi xylanh, thậm chí một phần khí nạp cũng có thể theo khí thải ra ngoài nếu các góc nạp sớm và thải muộn không có trị số thích hợp. Hiện tượng này gọi là quét buồng cháy.
NL§C§T • 57
Hình 4.4. Minh hoạ ảnh hưởng của
các góc phối khí đến quá trình thay đổi khí ở động cơ bốn kỳ.
Góc thải muộn chỉ phát huy được tác dụng một khi nó được lựa chọn phù hợp với đặc điểm cấu tạo và chế độ làm việc của động cơ. Nếu góc thải muộn quá nhỏ, tức là xupáp thải đóng lại quá sớm (điểm r” , hình 4-4c) thì tiết diện lưu thông của xupáp thải
58 • NL§C§T
rất nhỏ khi piston gần tới ĐCT. Trong điều kiện đó khí thải sẽ không kịp thoát ra ngoài, bị piston nén lại (đường ---- , trên hình 4-4c), sau đó khí sót giãn nở sẽ làm chậm quá trình nạp và làm giảm lượng khí mới, bởi vì khí mới chỉ đi vào xylanh khi áp suất trong đó giảm xuống thấp hơn áp suất khí nạp (pk). Ngược lại, góc thải muộn quá lớn cũng không tốt (hình 4-4d). Trong trường hợp này mặc dù quá trình nạp có thể bắt đầu sớm hơn (điểm n’) nhưng do xupáp thải vẫn còn mở trong khi piston đã rời xa ĐCT nên một lượng khí thải nhất định sẽ bị hút ngược trở lại xylanh.
Hình 4-4e và hình 4-4f trình bày một phần đồ thị công ứng với các góc nạp sớm khác nhau. Giả sử điểm d1 ứng với thời điểm mở xupáp nạp tốt nhất và đường nạp thể hiện bằng đường liền trên đồ thị. Nếu giảm góc nạp sớm (điểm d’1) thì tiết diện lưu thông của xupáp nạp vào thời điểm pistonở gần ĐCT sẽ nhỏ hơn, do đó sức cản khí động tăng lên, đường nạp thấp hơn và tổn thất năng lượng cho quá trình thay đổi khí (thường gọi là tổn thất “bơm”) tăng lên một lượng tương ứng với diện tích gạch chéo trên hình 4-4c. Nếu xupáp nạp được mở quá sớm (điểm d1”) thì khí thải lọt vào đường ống nạp sau đó cùng với khí mới được nạp vào xylanh.
Góc nạp muộn có tác dụng làm tăng lượng khí mới thực tế được nạp vào xylanh. Giả sử điểm a1 trên đường liền của đồ thị công (hình 4-4h và hình 4-4i) là thời điểm ứng với thời điểm đóng xupáp nạp tốt nhất. Nếu ta đóng xupáp nạp muộn hơn (điểm '1
a ,
hình 4-4h) thì một phần khí mới đã được nạp vào xylanh sẽ bị đẩy ngược trở lại ống nạp, nếu xupáp nạp đóng lại quá sớm (điểm ''1
a , hình 4-4i) thì lượng khí mới được nạp
vào xylanh cũng giảm do tiết diện lưu thông của xupáp nạp trong giai đoạn nạp thêm quá nhỏ.
Qua phân tích ở trên chúng ta thấy rằng: góc phối khí có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của quá trình thay đổi khí. Việc lựa chọn đúng hay sai sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến công suất và hiệu suất của động cơ. Thông thường, trị số các góc phối khí của một loại động cơ cụ thể được xác định bằng thực nghiệm.
Bảng 4-1. Góc phối khí của một số động cơ bốn kỳ
Động cơ
α1
α2
α3
α4
Zil 130
310
830
670
470
Toyota
120
560
470
210
Fiat 366
80
400
600
200
Fiat 125p
90
610
490
210
Câu hỏi chương 4: Quá trình trao đổi khí
1. Diễn biến quá trình trao đổi khí trong động cơ 4 kỳ?
2. Diễn biến quá trình nạp, thiết lập công thức tính hệ số nạp tổng quát , các nhân tố ảnh hưởng tới hệ số nạp tổng quát?
NL§C§T • 59
3. Diễn biến quá trình thải khí ảnh hưởng của góc phối khí tới chất lượng trao đổi khí?
CHƯƠNG 5
QUÁ TRÌNH NÉN
5.1. MỤC ĐÍCH, DIỄN BIẾN VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH NÉN
Nén môi chất công tác ở động cơ đốt trong nhằm mục đích làm tăng hiệu suất của động cơ. Ngoài ra, đối với động cơ diesel, quá trình nén còn có nhiệm vụ tạo ra áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy đủ cao, đảm bảo cho nhiên liệu khi được phun vào có thể tự bốc cháy không cần tới nguồn lửa từ bên ngoài.
Hành trình nén bắt đầu khi piston rời ĐCD đi lên ĐCT nhưng quá trình nén khí trong xylanh thực tế bắt đầu sau khi cơ cấu thay đổi khí được đóng kín. Ở động cơ 2 kỳ thời điểm đóng cơ cấu thay đổi khí là lúc piston đi qua mép trên của các cửa, còn đối với động cơ 4 kỳ đó là thời điểm xupáp nạp đóng.
Khi nghiên cứu chu trình lý tưởng người ta giả định rằng: quá trình nén là một quá trình đoạn nhiệt được biểu diễn bằng phương trình. (pVk= const). Quá trình nén trong động cơ thực tế không hoàn toàn diễn ra theo phương trình này, vì:
- Môi chất công tác là hỗn hợp các khí
thực, bao gồm khí mới và một lượng nhất
định khí thải còn sót lại từ chu trình
trước.
- Có sự trao đổi nhiệt giữa môi chất công
tác với vách xylanh.
- Có sự thay đổi lượng môi chất công tác
do không gian công tác của xylanh không
hoàn toàn kín.
Ở đầu quá trình nén, môi chất công tác có
nhiệt độ khoảng 350 ÷ 4000K, sau tăng lên khoảng
600 ÷ 7000K (đối với động cơ xăng) hoặc 750 ÷
9500K (đối với động cơ diesel) vào cuối quá trình
nén. Thành xylanh sau khi động cơ làm việc có
nhiệt độ trung bình khoảng 400 ÷ 4500K, đỉnh
piston và nấm xupáp có nhiệt độ cao hơn.
Trong giai đoạn đầu quá trình nén, môi chất
công tác hấp thụ nhiệt từ các chi tiết nóng hơn, vì
vậy chỉ số nén n’1 ở giai đoạn này có trị số cao hơn
chỉ số đoạn nhiệt k, đường nén thực tế dốc hơn Hình 5-1. Đường cong biểu diễn trạng thái của môi chất
60 • NL§C§T
công tác trong quá trình nén.
đường nén đoạn nhiệt (hình 5-1). Cường độ trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với vách xylanh giảm dần và ngừng hẳn khi nhiệt độ của môi chất công tác bằng với nhiệt độ trung bình của vách. Tại một vị trí nhất định của piston, chỉ số nén n’1 có giá trị bằng chỉ số đoạn nhiệt k.
Piston tiếp tục đi về phía ĐCT, nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác tiếp tục tăng làm cho cường độ lọt khí tăng, đồng thời quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác và vách xylanh diễn ra theo chiều ngược lại, tức là môi chất công tác được làm mát. Kết quả là ở giai đoạn sau của quá trình nén, chỉ số nén đa biến n’1 có trị số nhỏ hơn k, đường nén thực tế ít dốc hơn đường nén đoạn nhiệt.
Khi piston tới gần ĐCT (điểm c' hình 5-1b), nhiên liệu được phun vào buồng cháy (đối với động cơ diesel) hoặc bugi bật tia lửa điện (đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức) bắt đầu quá trình cháy.
Qua phân tích ở trên có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Quá trình nén thực tế không hoàn toàn trùng với hành trình nén của động cơ (nó bắt đầu sau khi piston đã rời ĐCD và kết thúc trước khi piston tới ĐCT).
- Quá trình nén trong động cơ thực tế không phải là quá trình đoạn nhiệt mà là quá trình đa biến với chỉ số nén đa biến n1’ có trị số thay đổi trong suốt quá trình nén.
Nếu dùng chỉ số nén thực tế có trị số luôn thay đổi n1’ thì việc tính toán chu kỳ công tác sẽ rất phức tạp và cũng không cần thiết vì nó chỉ biến động trong một phạm vi hẹp. Để đơn giản việc tính toán, người ta coi quá trình nén là một quá trình đa biến với chỉ số nén đa biến trung bình n1 có trị số không đổi với điều kiện nhiệt độ, áp suất đầu và cuối quá trình nén là không đổi. Quá trình đó được biểu diễn bằng phương trình: pVn1 = const.
Các thông số đặc trưng cho quá trình nén gồm có:
1. Chỉ số nén đa biến trung bình n1 là chỉ số nén giả định có trị số không đổi được sử dụng thay thế cho chỉ số nén đa biến thay đổi n1’ . Khi thiết kế động cơ, chỉ số nén đa biến trung bình n1 được xác định theo phương pháp gần đúng dựa vào phương trình công và trao đổi nhiệt trong quá trình nén hoặc là lựa chọn căn cứ vào đặc điểm của động cơ thiết kế và ảnh hưởng của những yếu tố khác nhau tới quá trình nén. Trị số n1 thường nằm trong khoảng (1,32÷1,37). Trong một số trường hợp đặc biệt n1 có thể đạt trị số của chỉ số nén đoạn nhiệt k.
2. Nhiệt độ cuối hành trình nén:
n
1
−
1
Va T T ; (5-1)
⎜⎝⎛
⎞
=n . .− 1
1
c a T
Vc
⎟ = ⎠
a
3. Áp suất cuối hành trình nén pc:
⎜⎝⎛
Va
⎞
n
1
. .n
1
p p ⎟ =
= ; (5-2)
c a p a
Vc
⎠
4. Công tiêu hao cho quá trình nén Lac:
NL§C§T • 61
1
( p Va p Vc)
Lac a − c = . .
(5-3)
n
1
−
1
Trong các công thức trên:
ε - Tỷ số nén của động cơ.
pa, Ta - Áp suất và nhiệt độ của môi chất công tác ở đầu quá trình nén.
Va, Vc - Thể tích công tác của xylanh tại các thời điểm đầu và cuối hành trình nén.
Ở động cơ xăng pc = (7÷15) kG/cm2, còn ở động cơ diesel pc= (30÷45) kG/cm2. Đối với động cơ diesel, để tạo điều kiện tốt cho quá trình bốc cháy nhiên liệu, nhiệt độ cuối quá trình nén phải cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu khoảng 250÷3000C.
5.2. VẤN ĐỀ CHỌN TỶ SỐ NÉN
Tỷ số nén là một thông số kỹ thuật quan trọng nó ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ số kinh tế kỹ thuật của động cơ.
Qua phân tích chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong, ta thấy rằng: khi tăng tỷ số nén thì hiệu quả kinh tế và hiệu quả kỹ thuật của chu trình đều tăng. Tuy nhiên, tăng tỷ số nén sẽ làm cho áp suất cuối hành trình nén (pc = pa.εn1) và áp suất cực đại (pzmax = λ.pc) tăng. Ở động cơ thực tế, nếu pc và pz quá lớn thì các chi tiết chịu lực của động cơ phải có kích thước lớn, đồng thời tổn thất cơ học trong động cơ tăng. Trị số tối ưu của tỷ số nén nằm trong khoảng ε = 11÷22.
Khi thiết kế động cơ mới cũng như khi cải tiến động cơ, việc chọn tỷ số nén phải căn cứ vào những yếu tố sau:
- Chủng loại động cơ.
- Loại nhiên liệu được sử dụng.
- Phương pháp hình thành hỗn hợp
cháy.
- Chế độ làm việc của động cơ.
- Vật liệu chế tạo piston, nắp xylanh.
- Áp suất và nhiệt độ của khí nạp,…
Đối với động cơ diesel, phải dùng tỷ số
nén có trị số lớn hơn trị số nén tối ưu (xem
bảng 5-1). Phải làm như vậy để có thể tạo ra
áp suất và nhiệt độ của không khí trong
buồng nén đủ cao, đảm bảo cho nhiên liệu khi được phun vào tự bốc cháy ở mọi chế độ làm việc của động cơ (kể cả khi khởi động
Hình 5-2. Quan hệ giữa tỷ số nén với trị số ốc tan của nhiên liệu.
lạnh). Động cơ với buồng cháy ngăn cách có tỷ số nén cao hơn động cơ với buồng cháy thống nhất vì tổn thất nhiệt ở buồng cháy ngăn cách lớn hơn. Ở động cơ cao tốc, thời gian dành cho quá trình chuẩn bị hỗn hợp cháy và đốt cháy nhiên liệu rất ngắn, vì vậy
62 • NL§C§T
phải dùng nhiều biện pháp đảm bảo cho nhiên liệu cháy nhanh, cháy hoàn toàn. Tăng tỷ số nén là một trong các biện pháp ấy. Ngoài ra, khi chọn tỷ số nén cho động cơ diesel cũng cần phải xét đến kích thước xylanh, vật liệu chế tạo piston và nắp xylanh, phương pháp khởi động động cơ,…
Ngược lại với động cơ diesel, ta thường chọn tỷ số nén thấp hơn trị số nén tối ưu cho động cơ xăng và động cơ gas. Lý do là sự tồn tại hiện tượng cháy kích nổ - hiện tượng đặc trưng ở loại động cơ đốt cháy cưỡng bức. Sự xuất hiện hiện tượng cháy kích nổ phụ thuộc trước hết vào tính chống kích nổ của nhiên liệu (tính chống kích nổ thường được đánh giá bằng trị số ôctan TSOT). Nếu nhiên liệu có trị số ốctan càng cao thì có thể chọn cho động cơ tỷ số nén cao (hình 5-2). Ngoài nhiên liệu, khi chọn tỷ số nén cho động cơ xăng và động cơ gas còn phải căn cứ vào kết cấu buồng cháy, số lượng và vị trí đặt bugi, vật liệu chế tạo piston, chế độ làm việc của động cơ,..
1. Động cơ có nắp xylanh
bằng gang, pistonbằng hợp kim 1. O = 75; .2. O = 70.
nhôm.
2. Nắp xylanh và pistonđều
bằng hợp kim nhôm
Hình 5-3: Quan hệ giữa tỷ số nén với Hình 5-4: Quan hệ giữa tỷ số nén tốc độ quay của động cơ. với đường kính xylanh.
Bảng 5-1. Tỷ số nén của các loại động cơ
Loại động cơ
Tỷ số nén
Động cơ chạy bằng dầu hoả
Động cơ xăng và động cơ ga
Động cơ diesel có buồng cháy ngăn cách
Động cơ diesel cao tốc, buồng cháy thống nhất Động cơ diesel thấp tốc
Động cơ tăng áp (diesel)
Động cơ đa nhiên liệu
4,5 ÷5,2
6 ÷12
17 ÷21
14 ÷18
13 ÷14
12÷13
17 ÷19
NL§C§T • 63
Câu hỏi chương 5: Quá trình nén
1. Diễn biến quá trình nén và quá trình trao đổi nhiệt trong quá trình nén? 2. Chọn tỷ số nén cho động cơ đốt trong?
.
CHƯƠNG 6
QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ GIÃN NỞ
Năng lượng cần thiết để biến đổi thành cơ năng được đưa vào động cơ đốt trong dưới dạng nhiên liệu. Quá trình cháy có nhiệm vụ chuyển hoá năng lượng của nhiên liệu dưới dạng hoá năng sang nhiệt năng để cung cấp cho môi chất công tác.
Tốc độ, thời điểm và mức độ hoàn hảo của quá trình cháy có ảnh hưởng quyết định đến công suất, hiệu suất, tuổi thọ và hàng loạt chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác của động cơ.
Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ đốt trong là một công việc hết sức khó khăn, phức tạp, đòi hỏi phải có kiến thức sâu, rộng về nhiệt động học, hoá học,.. và phải được trang bị những thiết bị nghiên cứu chuyên dùng. Các biện pháp thí nghiệm thực hiện tại các nhà máy hoặc phòng thí nghiệm thông thường chỉ cho phép đánh giá chất
lượng quá trình cháy một cách gián tiếp thông qua các thông số chung của chu trình công tác như: áp suất chỉ thị trung bình, áp suất có ích trung bình, suất tiêu hao nhiên liệu riêng, mầu sắc và thành phần hoá học của khí thải,.. Những thông số này không chỉ phụ thuộc vào chất lượng quá trình cháy mà còn phụ thuộc vào mức độ tổn thất nhiệt, tổn thất cơ học trong động cơ và chất lượng các quá trình khác của chu trình.
Trong chương này sẽ đề cập đến những vấn đề tổng quát nhất có liên quan đến quá trình cháy nhiên liệu nhằm làm cơ sở cho việc tiếp thu những kiến thức về cấu tạo và sử dụng động cơ sau này.
6.1. QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG
6.1.1.Diễn biến và những thông số đặc trưng của
quá trình cháy trong động cơ xăng
p - áp suất trong xylanh.
ϕ - Góc quay trục khuỷu.
ϕi - Góc cháy trễ.
ϕs - Góc đánh lửa sớm.
C’ - Thời điểm đánh lửa.
C1 - Thời điểm nhiên liệu bốc cháy.
64 • NL§C§T
Hình 6-1. quá trình cháy trong động cơ xăng, thể hiện trên đồ thị công khai triển p-.
Quá trình chuẩn bị hỗn hợp cháy (còn gọi là hoà khí) trong động cơ xăng diễn ra trong suốt quá trình nạp và quá trình nén. Vì vậy trên thực tế, hỗn hợp này là đồng nhất về mặt trạng thái tại thời điểm bốc cháy, hoà khí được đốt cháy bằng tia lửa điện xuất hiện trước khi piston tới ĐCT, góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm xuất hiện tia lửa điện đến ĐCT được gọi là góc đánh lửa sớm ϕs. Động cơ xăng hiện đại có góc đánh lửa sớm xê dịch trong khoảng ϕs = (30 ÷35)0 tính theo góc quay trục khuỷu.
Quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia ra làm 3 giai đoạn (hình 6-1). Giai đoạn I - Giai đoạn cháy trễ
Trên đồ thị công khai triển (hình 6-1) giai đoạn cháy trễ bắt đầu từ lúc bugi đánh lửa (điểm c’) và kết thúc khi áp suất trong xylanh cao hơn áp suất nén (điểm c1). Giai đoạn cháy trễ trong động cơ xăng bao hàm thời kỳ hình thành những trung tâm cháy đầu tiên và bốc cháy một phần nhiên liệu tập trung gần bugi. Thông số đặc trưng cho giai đoạn này là thời gian cháy trễ tính bằng giây ti(s) hoặc tính bằng góc quay trục khuỷu (ϕI = 6.n.ti , góc quay trục khuỷu), trong đó n- tốc độ quay của trục khuỷu động cơ (vg/ph), góc cháy trễ vào khoảng (4-6)0 góc quay trục khuỷu. Giai đoạn II - Giai đoạn cháy chính
Kéo dài từ thời điểm nhiên liệu bốc cháy (điểm c1) đến khi áp suất trong xylanh đạt giá trị cực đại (điểm z).
Do đã được hoà trộn đều theo một tỷ lệ nhất định từ trước nên sau khi xuất hiện nguồn lửa, hỗn hợp nhiên liệu và không khí bốc cháy mãnh liệt, màng lửa từ bugi lan tràn từ tâm cháy ra khắp buồng cháy, nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác tăng lên rất nhanh. Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình được toả ra chủ yếu ở giai đoạn này của chu trình. Quá trình cấp nhiệt ở đây gần giống với cấp nhiệt đẳng tích do quá trình cháy diễn ra nhanh và thể tích ít thay đổi (V=const).
Một trong các thông số đặc trưng cho giai đoạn cháy chính là tốc độ tăng áp suất trung bình:
p p
−
z c1
w
=Δ(6-1)
tb
Trong đó: pz , pc1 - Áp suất của môi chất công tác tại các điểm z và c1 trên đồ thị công, (kG/cm2).
Δϕ - Góc quay trục khuỷu giữa hai điểm c1 và z.
Tốc độ tăng áp suất trung bình wtb là thông số quyết định sự làm việc êm dịu của động cơ và có ảnh hưởng lớn tới sự hao mòn các chi tiết thuộc cơ cấu truyền lực. Động cơ xăng với tỷ số nén ε = (6÷11) thường có tốc độ tăng áp suất trung bình khoảng (1,1÷ 2,6) kG/cm2.độ góc quay trục khuỷu).
Giai đoạn III - Giai đoạn cháy rớt
Nếu thực hiện tốt các biện pháp đốt cháy nhiên liệu (điều chỉnh thành phần hoà khí và góc đánh lửa sớm thích hợp, tạo chuyển động rối trong buồng cháy,…) thì có thể kết thúc quá trình cháy ở đầu hành trình giãn nở. Ngược lại, quá trình cháy có thể tiếp
NL§C§T • 65
tục diễn ra trên đường giãn nở, thậm chí kéo dài cho đến khi piston thực hiện hành trình thải.
Giai đoạn cháy rớt kéo dài sẽ làm cho động cơ quá nóng, hiệu quả sinh công giảm và làm giảm công suất động cơ.
6.1.2. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ xăng
Để mở đầu quá trình cháy trong động cơ đốt trong chỉ cần đốt nóng cục bộ hỗn hợp nhiên liệu và không khí tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nó. Trong trường hợp động cơ xăng nguồn nhiệt để đốt nóng là tia lửa điện có nhiệt độ đạt tới 10.000K (nhiệt độ bốc cháy của hỗn hợp xăng và không khí khoảng (773÷823) 0K). Nhiệt độ cao như vậy của tia lửa điện đủ sức phá vỡ liên kết bên trong các phân tử nhiên liệu để hình thành các phần tử hoạt tính (các gốc tự do). Các phần tử hoạt tính này đóng vai trò các trung tâm cháy đầu tiên và làm phát triển phản ứng dây chuyền có toả nhiệt.
Quá trình cháy trong động cơ xăng bắt đầu từ một thể tích hỗn hợp rất nhỏ tập trung gần bugi. Nhiệt toả ra sẽ đốt nóng và làm bốc cháy những hỗn hợp cháy tiếp theo. Bằng cách đó ngọn lửa lan ra khắp buồng cháy theo mọi hướng. Có thể coi quá trình bốc cháy nhiên liệu trong động cơ xăng là “cháy bề mặt” của một hỗn hợp đồng nhất.
Hình 6-2. Sơ đồ lan tràn Hình 6-3. Đồ thị công màng lửa trong động cơ xăng cháy kích nổ
Động cơ xăng, tốc độ lan tràn màng lửa trong buồng cháy (u) là yếu tố quyết định thời gian quá trình cháy ngắn hay dài. Tốc độ (u) phụ thuộc vào tốc độ các phản ứng hoá học (uh) và tốc độ chuyển động rối trong buồng cháy (ur).
Tốc độ các phản ứng hoá học (uh) phụ thuộc trước tiên vào thành phần, áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp cháy. Hỗn hợp xăng – không khí quá loãng (α > 1,4) hoặc qúa đậm (α < 0,4) không thể bốc cháy dưới tác động của tia lửa điện, khi đó (uh = 0). Thí nghiệm chứng tỏ rằng: hỗn hợp hơi đậm (α = 0,8 ÷ 0,9) sẽ có tốc độ cháy lớn nhất. Tuy nhiên áp suất và nhiệt độ cao cùng với chuyển động rối của môi chất công tác trong xylanh mới có ý nghĩa quyết định đối với tốc độ cháy trong động cơ. Bởi vì điều kiện áp suất và nhiệt độ khí quyển, hỗn hợp hơi xăng – không khí có tốc độ lan tràn ngọn lửa (u = 2 ÷3 m/s) trong khi cũng với hỗn hợp đó ngọn lửa trong buồng cháy động cơ có tốc độ lan tràn ngọn lửa là u = (30 ÷60) m/s. Từ góc độ lợi dụng nhiệt, tốc độ cháy càng lớn càng có lợi vì khi đó chu trình công tác sẽ gần với chu trình lý tưởng (chu trình cấp nhiệt đẳng tích).
66 • NL§C§T
Quá trình cháy diễn ra theo sơ đồ trình bày ở trên được gọi là cháy bình thường. Ở động cơ xăng thường xảy ra các hiện tượng cháy không bình thường khác như: cháy kích nổ, cháy sớm, nổ trong đường ống thải,….
a) Cháy kích nổ
Là hiện tượng cháy đột ngột một phần hỗn hợp cháy trước khi ngọn lửa lan tới nó. Cơ chế hiện tượng cháy kích nổ vẫn chưa được giải thích một cách hoàn chỉnh. Nhiều tác giả cho rằng: cháy kích nổ là kết quả của quá trình hoá học xảy ra đối với các phần tử nhiên liệu khi bị nén quá mạnh. Dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao, các phân tử hydrocacbon bị phá huỷ, các sản phẩm phân huỷ kết hợp với ôxy hình thành các perôxyt có tính chất của các hợp chất nổ. Cháy kích nổ là quá trình phân rã các hợp chất nổ đó.
Khi xảy ra cháy kích nổ, trong xylanh hình thành những sóng xung kích di chuyển với tốc độ rất lớn (khoảng 1200÷2300m/s). Những sóng xung kích này bị phản xạ nhiều lần khi gặp vách buồng cháy tạo nên tiếng gõ kim loại giống như tiếng va đập của động cơ đã hao mòn. Những biểu hiện đặc trưng của cháy kích nổ là đường giãn nở trên đồ thị công có hình răng cưa (hình 6-3) động cơ nhả khói đen, công suất động cơ giảm.
Cháy kích nổ là hiện tượng có hại, vì các sóng xung kích tác dụng lên piston có giá trị thay đổi làm mau hỏng các chi tiết thuộc cơ cấu truyền lực. Khi có cháy kích nổ, công suất và hiệu suất động cơ giảm do tăng tổn thất nhiệt cho vách xylanh, hiện tượng phân giải sản phẩm cháy và quá trình hình thành muội than diễn ra mạnh hơn.
Cháy kích nổ chỉ xảy ra sau khi đã xuất hiện tia lửa điện đối với phần hoà khí bốc cháy sau đó bị ép mạnh bởi áp suất của phần hoà khí đã cháy. Tất cả những yếu tố góp phần làm tăng áp suất và nhiệt độ của phần hoà khí cháy sau đều làm tăng khả năng cháy kích nổ trong động cơ.
Các yếu tố kết cấu có ảnh hưởng đến khả năng cháy kích nổ bao gồm: tỷ số nén, kết cấu buồng cháy, số lượng và vị trí đặt bugi, kích thước xylanh, vật liệu chế tạo piston và nắp xylanh, phương pháp làm mát,… Còn Loại nhiên liệu, thành phần hoà khí và góc đánh lửa sớm là những yếu tố sử dụng có liên quan chặt chẽ tới sự xuất hiện cháy kích nổ.
b. Cháy sớm
Là hiện tượng bốc cháy hỗn hợp công tác
không phải do tia lửa điện từ bugi mà do tiếp xúc
với các vật thể quá nóng như: các cực của bugi,
cạnh sắc của phần joăng quy lát hư hỏng nhô ra
trong buồng cháy, bề mặt cháy đỏ của muội than,…
Hiện tượng cháy sớm xảy ra không theo một quy
luật nhất định. Có thể phát hiện cháy sớm bằng cách
ngắt điện đến bugi mà động cơ vẫn tiếp tục hoạt
động.
Cần phân biệt cháy sớm với hiện tượng làm
việc không bình thường xẩy ra đối với động cơ xăng
có tỷ số nén cao, đó là hiện tượng khó tắt máy mặc
dù đã giảm ga, ngắt điện, động cơ vẫn tiếp tục hoạt động một thời gian ở chế độ không
NL§C§T • 67
Hình 6-4. Đồ thị công của động
cơ khi cháy sớm
tải với tiếng gõ đanh và không ổn định. Biện pháp duy nhất để khắc phục triệt để hiện tượng này là ngừng hoàn toàn việc cung cấp nhiên liệu qua hệ thống không tải bằng một thiết bị đặc biệt.
Quá trình lan tràn ngọn lửa trong trường hợp cháy sớm cũng giống như khi cháy bình thường. Nếu hiện tượng cháy sớm xuất hiện đúng thời điểm đánh lửa sớm thì nó không gây tác hại gì đáng kể. Ngược lại, nếu hoà khí bốc cháy sớm hơn nhiều so với thời điểm đánh lửa sẽ dẫn đến hàng loạt hậu quả như:
- Tổn thất nhiệt cho vách xylanh vì nhiệt độ của sản phẩm cháy cao hơn do được piston nén thêm và do thời gian lưu lại của môi chất công tác có nhiệt độ cao ở trong xylanh dài hơn.
- Tổn thất nhiệt và công tiêu hao cho quá trình nén tăng.
- Động cơ làm việc lâu trong tình trạng cháy sớm có thể bị cháy piston, gãy trục khuỷu và nhiều sự cố khác. Ở động cơ nhiều xylanh, cháy sớm thường phát triển không giống nhau trong các xylanh. Nếu cháy sớm chỉ xuất hiện ở một hoặc vài xylanh thì rất khó phát hiện.
Hiện tượng cháy sớm có thể ngăn ngừa bằng cách chọn các bugi phù hợp với đặc tính của động cơ, khắc phục hiện tượng kết muội trong buồng cháy,.. c. Nổ trong ống thải và ống nạp
Nếu giai đoạn cháy rớt kéo dài sang hành trình thải thì lượng hoà khí chưa cháy tập trung trong bình tiêu âm có thể bốc cháy gây nên những tiếng nổ trong ống thải hoặc khí mới đi vào xylanh có thể bốc cháy gây hiện tượng phát lửa trong ống nạp. Những hiện tượng này thường xuất hiện khi hoà khí quá đậm và có thể khắc phục bằng cách điều chỉnh đúng bộ chế hoà khí (tỷ lệ thành phần xăng và không khí).
6.1.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cháy trong động cơ xăng
Diễn biến quá trình cháy trong động cơ xăng chịu ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố kết cấu và sử dụng như: tỷ số nén, kết cấu buồng cháy, vật liệu chế tạo piston và nắp xylanh, góc đánh lửa sớm, loại nhiên liệu, thành phần hỗn hợp cháy, tốc độ quay của trục khuỷu,….
a. Tỷ số nén
Khi tăng tỷ số nén thì hiệu suất của động cơ tăng. Tuy nhiên tỷ số nén càng cao thì khả năng xảy ra cháy kích nổ càng lớn. Ngoài ra động cơ có tỷ số nén cao hơn sẽ làm việc “cứng hơn” vì áp suất và nhiệt độ quá trình nén cao hơn làm cho tốc độ cháy và tốc độ tăng áp suất lớn hơn.
b. Kết cấu buồng cháy và vị trí đặt bugi
Với tốc độ lan truyền của ngọn lửa là như nhau, tốc độ cháy và tốc độ tăng áp suất trong xylanh sẽ tỷ lệ thuận với bề mặt màng lửa. Nếu đặt bugi ở phần hẹp của buồng cháy (hình 6-5a) số lượng hoà khí được đốt cháy ở giai đoạn đầu của quá trình cháy sẽ nhỏ đi do bề mặt của ngọn lửa nhỏ. Vì vậy, tốc độ tăng áp suất ở đầu quá trình cháy thấp hơn so với giai đoạn cuối quá trình. Trong trường hợp ngược lại, khi bugi được đặt ở phần rộng của buồng cháy (hình 6-5b), áp suất tăng mạnh ở giai đoạn đầu của quá trình, sau đó giảm dần.
68 • NL§C§T
Hình 6-5. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy
và vị trí đặt bugi đến tốc độ tăng áp suất trong xylanh
Buồng cháy có dạng như hình 6-5c là sự kết hợp hai dạng buồng cháy trình bày ở trên. Ở loại buồng cháy này, tốc độ tăng áp suất gần như không đổi trong suốt quá trình cháy. Đặc điểm đó được lợi dụng trong buồng cháy kiểu Ricardo (hình 6-6). Nhờ hình dáng và vị trí đặt bugi thích hợp nên áp suất trong xylanh tăng lên đều đặn trong thời kỳ bốc cháy, động cơ làm việc “mềm” , độ ồn thấp.
Hình 6-6. Sơ đồ lan tràn ngọn lửa Hình 6-7. Sơ đồ lan tràn ngọn lửa trong buồng cháy Ricardo trong buồng cháy phụ và vị trí đặt bugi.
Trên hình 6-7 giới thiệu sơ đồ lan tràn ngọn lửa trong buồng cháy với bugi được đặt ở giữa và bên cạnh. Trong trường hợp thứ nhất (hình 6-7a), ngọn lửa lan ra khắp thể tích buồng cháy sau khi trục khuỷu quay được 400 trong trường hợp thứ 2 (hình 6-7b) sau 300.
Ngoài sự ảnh hưởng đến tốc độ tăng áp suất, kết cấu buồng cháy và vị trí đặt bugi còn ảnh hưởng đến hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ, khả năng xuất hiện cháy kích nổ càng lớn nếu thời gian lan tràn ngọn lửa ra khắp buồng cháy càng dài. c. Góc đánh lửa sớm
NL§C§T • 69
Hình 6-8 trình bày 3 đồ thị công của một động cơ ứng với ba vị trí góc đánh lửa khác nhau. Nếu bugi đánh lửa quá muộn thì quá trình cháy sẽ kéo dài trên hành trình giãn nở vì nhiên liệu bốc cháy trong điều kiện không gian công tác của xylanh tăng và tác dụng của vận động rối yếu dần (đường 3). Tốc độ tăng áp suất trung bình wtb và áp suất cháy cực đại pz có trị số nhỏ. Bugi đánh lửa quá sớm (đường 1) làm cho quá trình cháy diễn ra khi piston đang đi lên ĐCT làm tốn công nén, đồng thời áp suất lớn nhất cũng nhỏ. Đường 2 là quá trình cháy khi góc đánh lửa sớm hợp lí. Để thu được công chu trình lớn nhất cần phải đánh lửa đốt cháy hoà khí trước khi piston tới ĐCT. Làm như vậy để quá trình cháy diễn ra nhanh hơn và kết thúc sớm hơn, áp suất cháy cực đại xuất hiện ở gần ĐCT, diện tích đồ thị công sẽ
Hình 6-8. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến sự thay đổi áp suất trong xylanh động cơ
lớn hơn. Tuy nhiên nếu góc đánh lửa quá lớn thì hậu quả của nó sẽ giống như trường hợp có cháy sớm và sẽ làm tăng khả năng cháy kích nổ do áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng.
Góc đánh lửa sớm có trị số tối ưu khi ở đó một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật quan trọng của động cơ đạt giá trị cao nhất đồng thời đảm bảo không có cháy kích nổ ngay cả khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải. Góc đánh lửa sớm tối ưu phụ thuộc vào các thông số như: tỷ số nén, thành phần hỗn hợp cháy, nhiệt độ khí nạp... Nó được xác định bằng thực nghiệm.
d. Thành phần của hỗn hợp cháy
Thành phần của hỗn hợp cháy (được đánh giá bằng hệ số dư lượng không khí α) có ảnh hưởng lớn đến tốc độ quá trình cháy, công suất, hiệu suất của động cơ. Thí nghiệm chứng tỏ rằng: trong trường hợp đốt cháy bằng tia lửa điện, hỗn hợp nhiên liệu - không khí hơi đậm α = 0,85 ÷ 0,95 có tốc độ cháy lớn nhất, và với hỗn hợp đó động cơ sẽ phát ra công suất lớn nhất. Khi nó làm việc với hỗn hợp hơi loãng (α = 1,05 ÷ 1,15) thì nhiên liệu cháy kiệt nhất và ta thu được hiệu suất cao nhất.
e. Tốc độ quay của động cơ
Tốc độ lan truyền ngọn lửa tăng gần như tỷ lệ thuận với tốc độ quay của động cơ (n). Điều này có thể giải thích bằng sự tăng cường vận động rối trong buồng cháy. Tăng tốc độ quay sẽ làm cho thời gian diễn ra một chu trình công tác ngắn hơn, hỗn hợp trong buồng cháy chuyển động rối mạnh hơn. Những yếu tố kể trên đều có tác dụng giảm khả năng cháy kích nổ trong động cơ.
Các thí nghiệm chính xác chỉ ra rằng: thời gian cháy trễ tính bằng giây(s) rất ít phụ thuộc vào tốc độ quay (n) của động cơ xăng. Như vậy góc cháy trễ tính bằng góc quay trục khuỷu tăng gần như tỷ lệ thuận với tốc độ quay động cơ. Muốn đạt được quá trình cháy tốt phải tăng góc đánh lửa sớm khi tăng tốc độ quay của động cơ. Từ trước đến nay người ta thường sử dụng một bộ điều tiết cơ khí để điều chỉnh góc đánh lửa
70 • NL§C§T
sớm khi tốc độ quay của động cơ thay đổi. Hiện nay, nhiều động cơ xăng hiện đại được trang bị máy vi tính kết hợp với các hệ thống tự động cho phép chỉnh đồng thời nhiều thông số (góc đánh lửa sớm, thành phần hỗn hợp cháy, cường độ sấy nóng khí nạp,…) luôn phù hợp với chế độ và điều kiện làm việc của động cơ, trong một phạm vi rộng của tốc độ quay và phụ tải.
6.2. QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL
6.2.1.Diễn biến và những thông số đặc trưng của quá trình cháy trong động cơ diesel
Ở động cơ diesel, nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy tại cuối hành trình nén. Gặp không khí nén có áp suất và nhiệt độ cao, nhiên liệu tự bốc cháy không cần nguồn lửa từ bên ngoài.
Cơ chế tự bốc cháy của nhiên liệu và đặc tính lan tràn ngọn lửa trong buồng cháy động cơ diesel đến nay chưa được giải thích một cách hoàn chỉnh như đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức. Việc phân chia quá trình cháy thành các giai đoạn và đặt tên cho các giai đoạn ấy còn mang tính chất quy ước và chưa thống nhất trong nhiều sách giáo
khoa về động cơ.
Trên cơ sở đồ thị công chỉ thị khai
triển và một số điểm đặc trưng, có thể chia
quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ
diesel thành 4 giai đoạn sau: giai đoạn cháy
trễ; giai đoạn cháy nhanh; giai đoạn cháy
chính (cháy từ từ); giai đoạn cháy rớt.
C’- Thời điểm phun nhiên liệu;
C1- Thời điểm nhiên liệu cháy;
ϕs - Góc phun sớm;
ϕi – Góc cháy trễ.
Hình 6-9. Quá trình cháy trong động cơ diesel
biểu diễn trên đồ thị công mở rộng p-
a) Giai đoạn I - Cháy trễ
Bắt đầu từ lúc nhiên liệu thực tế được phun vào buồng cháy (điểm c’) và kết thúc khi xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên, việc xác định thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên trong buồng cháy rất khó nên người ta quy ước thời điểm cuối giai đoạn cháy trễ là lúc đường cong áp suất trong xylanh tách khỏi đường nén lí thuyết (điểm c1).
Các thông số đặc trưng cho giai đoạn cháy trê của quá trình gồm:
NL§C§T • 71
- Thời gian cháy trễ tính bằng giây (ti) hoặc góc cháy trễ tính theo góc quay trục khuỷu (ϕi).
- Lượng nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ (gi). Thời gian cháy trễ ở động cơ diesel kéo dài khoảng vài phần nghìn giây, trong thời gian đó có khoảng 30÷40% lượng nhiên liệu chu trình được đưa vào buồng cháy, đặc biệt ở một số động cơ diesel cao tốc, lượng nhiên liệu phun trong giai đoạn này có thể tới 100%.
b) Giai đoạn II – Cháy nhanh (không điều khiển)
Bắt đầu từ lúc đường áp suất cháy tách khỏi đường nén (điểm c1) và kéo dài cho đến lúc áp suất cháy đạt giá trị cực đại (điểm z’).
Từ những trung tâm cháy hình thành trong giai đoạn I, ngọn lửa phát triển và bao trùm khắp không gian buồng cháy. Tốc độ toả nhiệt rất lớn trong điều kiện thể tích không gian công tác nhỏ làm cho nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác tăng lên đột ngột. Giai đoạn II của quá trình cháy có thể coi như tương ứng với quá trình cấp nhiệt đẳng tích và được đánh giá bằng các thông số sau:
Tốc độ tăng áp trung bình:
p p
−
=z' c1
w ; (6-2)
tb
Áp suất cháy cực đại:
Δ
pz'=pz = pmax ;
Tỷ số tăng áp suất:
p ' = ; (6-3) z
p
c
Các thông số trên có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của động cơ và sự hao mòn các chi tiết thuộc cơ cấu truyền lực. Áp suất cháy cực đại càng cao thì các chi tiết chịu lực phải có kích thước càng lớn. Tốc độ tăng áp suất trung bình là thông số quyết định độ “cứng” và độ ồn của động cơ khi làm việc. Ở động cơ diesel, trị số của wtb
thường nằm trong khoảng (2,0÷6,0 kG/cm2/độ góc quay trục khuỷu). Sự thay đổi áp suất môi chất công tác trong giai đoạn II của quá trình cháy phụ thuộc trước hết vào quy luật cung cấp nhiên liệu và thời gian cháy trễ. Hai yếu tố quyết định lượng nhiên liệu tập trung trong buồng cháy tại thời điểm cuối giai đoạn cháy trễ (gi ) là lượng nhiên liệu gi đã được chuẩn bị cùng với lượng nhiên liệu tiếp tục được phun vào sẽ bốc cháy mãnh liệt trong điều kiện nồng độ ôxy lớn, thể tích công tác của xylanh nhỏ nên tốc độ toả nhiệt và tốc độ tăng áp suất rất cao.
c) Giai đoạn III – Cháy từ từ (cháy có điều khiển)
Bắt đầu từ lúc áp suất cháy đạt giá trị cực đại (điểm z’) và kết thúc khi áp suất trong xylanh bắt đầu giảm (điểm z).
Giai đoạn III có thể coi như tương ứng với quá trình cấp nhiệt đẳng áp của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Động cơ cao tốc thường kết thúc quá trình phun nhiên liệu ở
72 • NL§C§T
giai đoạn II của quá trình cháy, nên giai đoạn III chỉ diễn ra trong một thời gian rất ngắn.
Vào giai đoạn III, mặc dù quá trình cháy vẫn diễn ra mạnh mẽ nhưng áp suất môi chất công tác hầu như không tăng do thể tích công tác tăng nhanh. Nhiệt độ của môi chất công tác đạt giá trị cực đại vào cuối giai đoạn III. Ở chế độ định mức, nhiệt độ cực đại nằm trong khoảng (1800÷ 2300) 0K đối với động cơ hai kỳ thấp tốc và (2000÷2400) 0K đối với động cơ bốn kỳ cao tốc.
Cũng vào cuối giai đoạn III, phần lớn nhiên liệu cung cấp cho chu trình đã đốt cháy, sản vật cháy trong xylanh tăng nhanh, nồng độ ôxy giảm đáng kể. Nếu chất lượng phun và hoà trộn nhiên liệu không tốt, sẽ có những khu vực buồng cháy tập trung nhiều nhiên liệu hoặc có các hạt nhiên liệu có kích thước lớn chưa kịp bay hơi. Lượng ôxy còn lại khó tiếp xúc với các phần tử nhiên liệu và ôxy hoá nó một cách hoàn toàn. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, các phần tử nhiên liệu bị phân huỷ, các bon trong nhiên liệu được giải phóng dưới dạng bồ hóng. Dạng các bon này khó bị ôxy hoá, không được đốt cháy ở giai đoạn sau và sẽ bị thải ra ngoài theo khí thải (khí thải có mầu đen).
d) Giai đoạn IV – Giai đoạn cháy rớt
Cháy rớt là hiện tượng cháy kéo dài trên đường giãn nở. Ở động cơ diesel, hiện tượng cháy rớt thường nghiêm trọng hơn ở động cơ xăng vì rất khó tạo ra một hỗn hợp cháy đồng nhất trong một thời gian ngắn. Vì vậy, mặc dù sử dụng nhiều biện pháp hoà trộn nhiên liệu với không khí trong buồng cháy, đối với động cơ diesel vẫn phải sử dụng hệ số dư lượng không khí khá lớn (α=1,2÷2,0).
Hiện tượng cháy rớt có hại về mọi phương diện vì:
Tăng tổn thất cho nước làm mát do bề mặt tiếp xúc giữa môi chất công tác với vách xylanh lớn khi piston đã rời xa ĐCT.
- Tăng tổn thất nhiệt theo khí thải do một phần nhiên liệu không kịp cháy thải ra ngoài và do môi chất công tác có nhiệt độ cao vào cuối hành trình giãn nở. Nhiệt độ cao của môi chất công tác trong xylanh được duy trì lâu có thể làm xupáp, đỉnh piston quá nóng, làm kẹt các xéc măng,…
6.2.2. Đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ diesel
Quá trình cháy trong động cơ diesel là được tính từ thời điểm nhiên liệu thực tế được phun vào buồng cháy. Để có thời gian cần thiết cho quá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu- không khí và chuẩn bị cho hỗn hợp bốc cháy, nhiên liệu được phun vào buồng cháy trước khi piston tới ĐCT. Góc quay của trục khuỷu tính từ thời điểm phun nhiên liệu đến ĐCT được gọi là góc phun sớm. Trị số của góc phun sớm thường xê dịch trong khoảng (ϕs = 10÷400) và phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và tốc độ quay của động cơ. Toàn bộ quá trình phun nhiên liệu kéo dài khoảng 25÷300 góc quay trục khuỷu.
Hiện tượng tự bốc cháy nhiên liệu trong động cơ diesel rất phức tạp. Ở đây nhiệt độ của không khí trong buồng cháy không đủ cao để có thể phá huỷ cấu trúc bên trong các phân tử hyđrocacbon như trong trường hợp đốt cháy bằng tia lửa điện. Một số học thuyết về sự bốc cháy nhiên liệu còn cho rằng hiện tượng tự bốc cháy nhiên liệu trong động cơ diesel là kết quả của hàng loạt quá trình hoá học với sự hình thành những hợp chất trung gian để dẫn đến hình thành những phần tử hoạt tính. Với một nồng độ nhất
NL§C§T • 73
định, những phần tử hoạt tính này đóng vai trò những trung tâm cháy đầu tiên, mở đầu các phản ứng oxy hoá dây chuyền có toả nhiệt. Như vậy, trong giai đoạn cháy trễ ở động cơ diesel đã diễn ra hàng loạt các quá trình trung gian trong việc hình thành và chuẩn bị cho hỗn hợp cháy tự bốc cháy. Những quá trình đó là: phá huỷ các tia nhiên liệu thành những hạt nhỏ và phân bố chúng trong thể tích buồng cháy, sấy nóng và hoá hơi các hạt nhiên liệu, hình thành những hợp chất trung gian và những trung tâm cháy đầu tiên. Thời gian diễn ra tất cả các quá trình trên được gọi là thời gian cháy trễ τi. Thời gian cháy trễ dài hay ngắn có ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ quá trình cháy và sự làm việc của động cơ.
Nếu thời gian cháy trễ τi (hoặc góc cháy trễ ϕi = 6.n τi) dài, lượng nhiên liệu tập trung trong buồng cháy tại thời điểm cuối giai đoạn I sẽ lớn. Kết quả là tốc độ tăng áp suất trong xylanh ở giai đoạn II càng lớn, động cơ làm việc “cứng” và “ồn”, tải trọng động tác động lên cơ cấu truyền lực sẽ lớn.
Tốc độ quay của động cơ càng cao thì hậu quả của hiện tượng cháy trễ và cháy rớt càng nghiêm trọng. Chính vì vậy, với những giải pháp kỹ thuật hiện có, tốc độ quay của động cơ diesel chưa vượt quá 5000vg/ph (trong khi tốc độ quay của động cơ xăng đã đạt 20.000vg/ph).
Giảm thời gian cháy trễ là một trong các biện pháp cơ bản nhằm hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ diesel, đặc biệt đối với động cơ diesel cao tốc. Có thể rút ngắn thời gian cháy trễ ở động cơ diesel bằng các biện pháp sau:
- Sử dụng nhiên liệu có trị số Xe cao.
- Tăng chất lượng phun nhiên liệu.
- Tăng cường vận động rối trong buồng cháy.
- Tăng tỷ số nén để nâng cao áp suất và nhiệt độ của không khí trong buồng cháy...
Ở động cơ diesel rất khó tạo ra một hỗn hợp cháy đồng nhất. Tại các khu vực của buồng cháy ở xa các tia nhiên liệu, hỗn hợp nhiên liệu –không khí quá loãng, không đủ để bốc cháy (α >αmax). Còn ở khu vực trung tâm các tia nhiên liệu có mật độ các hạt nhiên liệu rất lớn, hỗn hợp nhiên liệu- không khí ở đây quá đậm, vượt quá giới hạn bốc cháy (α <αmin). Khu vực có lợi nhất cho quá trình cháy khởi phát là vỏ ngoài của chùm tia nhiên liệu, ở đó các hạt nhiên liệu có kích thước nhỏ chuyển động cùng với không khí. Quá trình cháy nhiên liệu ở động cơ diesel không bắt đầu từ một điểm như ở động cơ đốt cháy bằng tia lửa điện. Trong thể tích buồng cháy có thể xuất hiện nhiều trung tâm cháy tại những khu vực có điều kiện thích hợp. Để phân biệt với mô hình “cháy bề mặt” ở động cơ xăng, có thể gọi mô hình bốc cháy nhiên liệu trong động cơ diesel là “cháy thể tích” của một hỗn hợp không đồng nhất.
Quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ đốt trong thực chất là quá trình ôxy hoá những thành phần cháy được của nhiên liệu (các bon, hyđrô và một lượng rất nhỏ các tạp chất như lưu huỳnh, phốt pho, vannađi,..) theo các phương trình hoá học dưới đây.
C + O2 CO2 (6-4) 2H2 + O2 2H2O (6-5) S + O2 SO2 (6-6)
74 • NL§C§T
Trong một số trường hợp, ví dụ khi động cơ làm việc với hỗn hợp cháy đậm (α <1) hoặc khi nhiên liệu không được hoà trộn đều với không khí, sản phẩm quá trình cháy của các bon (C) không phải là cacbonic (CO2) mà là ôxit cacbon (CO).
2C + O2 2CO (6-7) Trong các phương trình trên:
C, H2, S – Những chất cháy được có trong thành phần của nhiên liệu.
O2 – oxy được nạp vào xylanh cùng với không khí và oxy có trong thành phần của nhiên liệu
CO2, H2O, SO2,CO – các sản phẩm cháy.
Nếu toàn bộ lượng các bon (C) và hydrô (H2) có trong nhiên liệu được đốt cháy
thành cácbonic (CO2) và nước (H2O) ta có quá trình cháy hoàn toàn. Ngược lại, nếu trong khí thải có chứa cácbon (C), oxyt cácbon(CO) và hydrocacbon (CnHm) thì quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ là không hoàn toàn. Sự tồn tại C, CO và CnHm trong khí thải có thể do hai nguyên nhân chủ yếu:
Lượng ôxy trong xylanh không đủ để ôxy hoá nhiên liệu đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O (do sử dụng hỗn hợp cháy đậm hoặc nhiên liệu không được hoà trộn đều với lượng không khí có trong buồng cháy).
Nhiên liệu và sản phẩm cháy bị phân giải dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao theo phương trình.
ot ⎯⎯→ + (6-8)
1
CO CO O
2 2
2
ot ⎯⎯→ + (6-9)
1
H O H O
2 2 2
2
ot
C H nC
m
n m ⎯⎯→ + (6-10)
2H
2
Một phần hoặc toàn bộ sản phẩm của quá trình phân giải (CO, C, H2) sẽ được đốt cháy vào giai đoạn cuối của quá trình cháy hoặc trong thời gian quá trình giãn nở (gọi là quá trình hoàn nguyên sản phẩm cháy). Phần còn lại không kịp cháy sẽ thoát ra ngoài cùng với khí thải.
Cháy không hoàn toàn là điều không mong muốn vì khi đó tổng nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác sẽ nhỏ hơn so với trường hợp cháy hoàn toàn. Ngoài ra, một số sản phẩm cháy không hoàn toàn như ôxit cácbon, alđêhít, một số hydrocacbon,… là những hợp chất độc hại đối với sức khoẻ con người và môi trường xung quanh.
Đối với động cơ diesel, hiện tượng cháy không hoàn toàn gia tăng trong quá trình sử dụng chủ yếu do tình trạng kỹ thuật của động cơ, đặc biệt là tình trạng kỹ thuật của hệ thống phun nhiên liệu bị giảm sút. Vì vậy, phải không ngừng nâng cao chất lượng sử dụng động cơ, kiểm tra một cách có hệ thống và khoa học tình trạng kỹ thuật của chúng.
Qua những điều phân tích ở trên chúng ta thấy rằng một quá trình cháy có chất lượng cao phải đạt hai yêu cầu cơ bản sau đây:
NL§C§T • 75
+ Nhiên liệu cháy hoàn toàn (sản phẩm cháy cuối cùng là CO2 và H2O) và cháy kịp thời (cháy gần ĐCT). Khi đó ta có được hiệu quả sử dụng nhiệt cao nhất.
+ Tốc độ tăng áp suất trung bình (wtb) và áp suất cháy cực đại (pz) có trị số vừa phải, đảm bảo cho động cơ làm việc “mềm” , độ ồn thấp và hạn chế tải trọng cơ học tác dụng lên cơ cấu truyền lực.
6.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong động cơ diesel a) Tính chất lý hoá của nhiên liệu
Hai tính chất quan trọng của nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy là tính tự bốc cháy và độ nhớt.
Như chúng ta đã biết, nhiên liệu khi được phun vào buồng cháy của động cơ diesel sẽ tự bốc cháy mà không cần tới nguồn lửa từ bên ngoài như đối với các loại động cơ đốt cháy cưỡng bức. Từ đặc điểm này mà nhiên liệu dùng cho động cơ diesel phải có tính tự bốc cháy cao.
Chỉ tiêu đánh giá tính tự bốc cháy của nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là trị số xetan. Để xác định trị số xetan của nhiên liệu người ta dùng một động cơ thí nghiệm đã được tiêu chuẩn hoá và nhiên liệu mẫu.
Nhiên liệu mẫu là hỗn hợp của xetan (C16H34 mạch thẳng) với số xetan được quy ước bằng 100 và alfa-mêtyl-naptalin (C10H7CH3) có số xetan quy ước là 0. Nếu thời gian cháy trễ (hoặc tỷ số nén tới hạn) khi động cơ chạy bằng nhiên liệu thí nghiệm và chạy bằng nhiên liệu mẫu là như nhau thì trị số xetan của nhiên liệu thí nghiệm chính là số phần trăm thể tích của xetan có trong nhiên liệu mẫu.
Động cơ có trị số xetan càng cao thì thời gian cháy trễ càng ngắn. Như vậy từ góc độ quá trình cháy, nhiên liệu có trị số xetan càng cao càng tốt. Động cơ diesel có tốc độ quay lớn yêu cầu nhiên liệu phải có trị số xetan cao hơn.
Độ nhớt của nhiên liệu có liên quan đến quá trình cháy thông qua ảnh hưởng tới chất lượng phun nhiên liệu và tốc độ hoá hơi của các hạt nhiên liệu trong buồng cháy. Độ nhớt quá thấp (ví dụ như dầu diesel bị lẫn nhiều xăng, cồn,...) sẽ không đảm bảo độ kín và điều kiện bôi trơn cho các chi tiết thuộc hệ thống phun nhiên liệu. Tia phun nhiên liệu ngắn, hạt nhiên liệu phun tơi và cháy gần vòi phun. Ngược lại, độ nhớt quá lớn thì chất lượng phun và khả năng hoá hơi của nhiên liệu bị giảm sút làm tăng cường hiện tượng cháy không hoàn toàn trong động cơ.
Động cơ cao tốc
Động cơ trung tốc
Động cơ thấp tốc
Xe ≥ 45
Xe ≥ 35
Xe ≥ 25
Nhiên liệu nặng có độ nhớt cao thường phải được sấy nóng trước khi dẫn đến bơm cao áp. Trong một số trường hợp người ta sử dụng các phụ gia như: PEROLIN Fuel Oil Treatment 667-ND, VECOMEOT Oil Treatment,… để cải thiện chất lượng phun nhiên liệu và chất lượng hoá hơi. Một trong những chức năng của các chất phụ gia đó là giảm sức căng bề mặt các hạt nhiên liệu.
b. Tốc độ quay của động cơ
Tốc độ quay có ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy từ hai phía đối lập nhau. Ở tốc độ quay lớn, chất lượng phun nhiên liệu cao và vận động rối mạnh của môi chất công
76 • NL§C§T
tác trong xylanh sẽ có ảnh hưởng tốt đến quá trình cháy, tốc độ quay càng cao thì nhiên liệu được đưa vào buồng cháy trong thời gian cháy trễ càng nhiều. Kết quả là tốc độ tăng áp suất ở giai đoạn tiếp theo của quá trình cháy sẽ lớn, động cơ làm việc “cứng”, “ồn”, tải trọng tác dụng lên các chi tiết tăng. Ngoài ra, khi tăng tốc độ quay, thời gian dành cho mỗi chu trình công tác bị rút ngắn, quá trình cháy phải kéo dài trên đường giãn nở - Điều này thể hiện qua hiện tượng tăng nhiệt độ khí thải và nhiệt độ nước làm mát khi tăng tốc độ quay của động cơ.
c. Áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén (pc, Tc)
Áp suất và nhiệt độ của môi chất công tác ở cuối quá trình nén càng cao thì quá trình chuẩn bị cho nhiên liệu bốc cháy diễn ra càng nhanh, tức là thời gian cháy trễ càng ngắn. Trị số của pc và Tc phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố:
- Tỷ số nén của động cơ.
- Vật liệu chế tạo pistonvà nắp xylanh.
- Áp suất và nhiệt độ của không khí nạp.
- Phụ tải của động cơ.
- Tình trạng kỹ thuật của nhóm piston, xécmăng, xylanh , xupáp,.. Tăng tỷ số nén làm tăng áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén qua đó gia tăng tốc độ quá trình cháy. Vì lẽ đó mà các động cơ diesel cao tốc thường phải có tỷ số nén cao hơn so với động cơ thấp tốc. Những động cơ diesel đa nhiên liệu có tỷ số nén rất cao để tạo ra áp suất pc và nhiệt độ Tc đủ lớn có thể làm bốc cháy những loại nhiên liệu có trị số xetan thấp như xăng, dầu hoả,…
Gang dẫn nhiệt kém hơn nhôm nên nếu piston và nắp xylanh bằng gang thì nhiệt độ của môi chất công tác cuối quá trình nén sẽ cao hơn so với trường hợp chúng được chế tạo bằng hợp kim nhôm.
Sự thay đổi phụ tải của động cơ sẽ kéo theo sự thay đổi nhiệt độ của vách buồng cháy và nhiệt độ của không khí nén. Phụ tải càng lớn thì nhiệt độ của không khí cuối quá trình nén càng cao.
Những động cơ tăng áp được nạp không khí (hoặc hoà khí) dưới áp suất và nhiệt độ cao hơn áp suất và nhiệt độ khí quyển. Do vậy, nếu tỷ số nén như nhau thì áp suất và nhiệt độ của quá trình nén ở động cơ tăng áp cao hơn ở động cơ không tăng áp. Đây là một trong các nguyên nhân làm cho động cơ tăng áp làm việc “êm” hơn hoặc có thể chạy bằng nhiên liệu xấu hơn so với trường hợp động cơ không tăng áp.
Sức cản khí động trong hệ thống nạp tăng (bình lọc không khí bẩn) không gian công tác của xylanh không kín (piston, xylanh, xécmăng và các xupáp bị mòn rỗ,…) là những yếu tố làm giảm áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén và có ảnh hưởng không tốt tới quá trình cháy. Trong trường hợp này, không những công suất và hiệu suất giảm mà còn có thể dẫn đến tình trạng khó hoặc không khởi động động cơ được do nhiên liệu không bốc cháy trong điều kiện áp suất và nhiệt độ quá thấp.
Ngoài những điều trình bày ở trên, diễn biến và chất lượng quá trình cháy trong động cơ diesel còn bị chi phối bởi các yếu tố khác nữa như: kết cấu buồng cháy, thời điểm, quy luật và chất lượng phun nhiên liệu. Những vấn đề này sẽ được giới thiệu một cách có hệ thống hơn ở phần tiếp theo.
6.2.4. Xác định nhiệt độ và áp suất lớn nhất của quá trình cháy Tz và pz
NL§C§T • 77
1. Tính nhiệt độ lớn nhất Tz
Muốn tính Tz ta phải lập được phương trình cân bằng nhiệt trong xylanh trước và sau khi cháy đến lúc đạt được nhiệt độ lớn nhất Tz.
Theo định luật I nhiệt động học. Nhiệt độ nhiên liệu cháy sinh ra dùng để tăng nội năng của môi chất công tác và thực hiện công cơ học, một phần truyền ra môi trường làm mát.
Theo phương trình của định luật I nhiệt động học:
ξz.QH = Uz – Uc + Lz’z (6-11)
Ở đây: ξz - Hệ số sử dụng nhiệt tại điểm z (ξz = 0,75÷0,95), (là phần nhiệt
dùng tăng nội năng của môi chất
công tác ở phần CZ và sinh công
cơ học).
Hình 6-10. Đồ thị công của chu trình hỗn hợp để xác định Tz.
QH – Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/kgnl.
Uz – Nội năng của sản phẩm cháy và khí sót cuối quá trình cháy (kJ/kg).
Uc – Nội năng của hỗn hợp nhiên liệu và khí sót đầu quá trình cháy (kJ/kg).
LZ’Z – Công của chất khí ở phần z’z, (kJ/kg).
''
U z mcv m mr Tz
= + (6-12)
.( ). 2
'
Uc mcv m mr Tc
= + (6-13)
.( ). 1
m – Là số mol sản phẩm cháy.
m”cv và m’cv – Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy và hỗn hợp công tác (kcal/kmol.K).
Vì mr rất nhỏ so với hỗn hợp cháy m1 nên coi m’cv = mcv (mcv là nhiệt dung riêng mol đẳng tích của không khí, kJ/kmol.K).
Công giãn nở của môi chất trên đoạn z’z:
Lz’z = pz.Vz – pz’.Vz’ (6-14)
Vì: pz’ = pz = .pc và Vz’ = Vc
Nên: Lz’z = pz.Vz – .pc.Vc
Viết phương trình đặc trưng cho sản phẩm cháy tại điểm z và c:
pz.Vz = 8314.(m2 + mr).Tz (6-15)
pc.Vc = 8314.(m1 + mr).Tc (6-16)
Thay công ở điểm z và c ta có:
Lz’z = 8314.(m2 + mr).Tz – 8314. λ.(m1+mr).Tc (6-17)
Thay giá trị vào phương trình (6-11) ta có:
78 • NL§C§T
"
'
= + − + + + − + z QH mcv m mr Tz mcv m mr Tc m mr Tz m mr Tc
. ( ). ( ). 8314.( ). 8314. ( ). 1 2 1 2
Chuyển vế và chia hai vế cho (m1+mr) ta có:
.
Q( ' 8314 ). . " 8314 . . m m
+
m m +
z H T
1
r
2
r
m m
+ +
m
cv
( ) z T m
= +
c cv
1 +
+
m m
r
1
+
r
m m +
r
m m 1
r
Thay: m1 + mr = m1(1+r) và =
2 (hệ số biến đổi phân tử),
m m
+
1
r
m”cp = m’cv + 8314
+ + =
.
Q( ' 8314 ). . " .
z H m T m T
Ta có:cv c cp z
+(6-18)
m
1
(1 ) r
(6-18) là phương trình để xác định Tz cho động cơ diesel, đối với động cơ cácbuaratơ Lz’z = 0. Khi α≥1 ta có:
+ =
.
Q' . . " .
z H m T m T
+; (6-19)
m
1
(1 ) r
cv c cv z
Nhưng thực tế động cơ cácbuaratơ phần lớn làm việc ở chế độ α<1. Do đó có sự cháy không hoàn toàn nên có tổn thất nhiệt ΔQH. Phương trình (6-13) sẽ là: + =
.( )
Q Q
−Δ(6-20)
z H H' . . " .
m Tc m Tz
cv cv
m
'
(1 )
1
+
r
Theo nhiệt động học thì các giá trị của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ sẽ là: m’cv = a + b.T
m”cv = av’’ + (bv’’) .T
m’cp = ap’ + (bp'') .T
Thay vào phương trình (6-18) ta có:
(6-21)
.
Q( . 8314. ). .( ).
z Ha bTc T a b T T
+ + + = +
c p p z z
m
(1 )
' ''
1
+
r
Rút gọn lại ta được phương trình bậc 2 theo Tz:
2 ATz + BTz + C =
. . 0
Giải phương trình bậc 2 trên ta có (lấy nghiệm dương):
2
TZ24. .
− ± −
B B AC
= ; K (6-22) A
Với động cơ cácbuaratơ ta có:
; (6-23)
.( )
Q Q( . ). .( ).
−Δ
z H Ha b T T a b T T
+ + = +
c c v v z z
m
(1 )
'' ''
1
+
r
Rút gọn lại ta cũng được phương trình bậc 2 theo Tz như trên và giải phương trình ta tìm được giá trị Tz.
Theo kinh nghiệm nhiệt độ lớn nhất (ở chế độ toàn tải) nằm trong phạm vi sau:
NL§C§T • 79
"""