Giáo Trình Nguyên Lý động Cơ đốt Trong - Chương 4 - Tài Liệu Text

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (36 trang)

Trang chủ

Kỹ Thuật - Công Nghệ

Cơ khí - Chế tạo máy

Giáo trình nguyên lý động cơ đốt trong - Chương 4

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (513.29 KB, 36 trang )

Chơng Iv. chu trình thực tế của động cơ đốt trongKhác với chu trình lý tởng, chu trình thực tế của động cơ đốt trong cũng giống nhmọi chu trình thực tế của các máy công tác khác l chu trình hở, không thuận nghịch. Cụthể, chu trình thực tế có quá trình trao đổi khí v do đó có tổn thất khi nạp thải (ví dụ tổnthất áp suất); các quá trình nén v gi n nở không phải đoạn nhiệt m có tổn thất nhiệt chomôi trờng xung quanh; quá trình cháy có tổn thất nh cháy không hết, phân giải sản vậtcháy... Ngo i ra, môi chất công tác thay đổi trong một chu trình nên tỷ nhiệt của môi chấtcũng thay đổi.Nghiên cứu chu trình thực tế nhằm những mục đích sau:ã Tìm qui luật diễn biến của các quá trình tạo nên chu trình thực tế v xác địnhnhững nhân tố ảnh hởng. Qua đó tìm ra phơng hớng nâng cao tính kinh tế v hiệu quảcủa chu trình.ã Xác lập những phơng trình tính toán các thông số của động cơ khi thiết kế vkiểm nghiệm động cơ.4.1 Quá trình nạp4.1.1 Diễn biến quá trình nạp v hệ số nạpQuá trình nạp l một bộ phận của quá trình trao đổi khí, tiếp theo quá trình thải vcó liên hệ mật thiết với quá trình n y. Vì vậy khi nghiên cứu quá trình nạp không thể táchrời khỏi mối liên hệ với quá trình thải. Đối với mỗi loại động cơ khác nhau, quá trình nạpdiễn ra với những nét đặc trng riêng.4.1.1.1 Động cơ bốn kỳ không tăng ápQuá trình nạp bắt đầu ngay sauquá trình thải. Tại điểm r, hình 4-1, ptrong xy lanh chứa đầy khí sót. Khipiston đi xuống, khí sót gi n nở, ápsuất trong xy lanh giảm xuống. Xu pápthải đóng muộn tại điểm r,. Từ thờiđiểm áp suất trong xy lanh bằng áppthsuất đờng nạp pk trở đi, khí nạp mớid1rthực sự đi v o trong xy lanh v hotrén víi khÝ sãt t¹o th nh hỗn hợp côngr'tác. áp suất trong xy lanh phụ thuộcv o tốc độ v của piston, có giá trị nhỏVcnhất tại vmax. Tại điểm ĐCD (điểm a),ĐCTta có thể viết:pa = pk - ∆pkvíi ∆pk l tỉn thÊt ¸p st nạp.Đối với động cơ không tăng áp, có thểcoi gần đúng pk p0 v Tk T0.b'b"d2pth pkpkaVVhĐCDHình 4-1. Diễn biến quá trình nạpđộng cơ bốn kỳ không tăng ¸p(4-1)35 4.1.1.2 Động cơ bốn kỳ tăng ápĐặc điểm của động cơ tăng áp láp suất đờng nạp lớn hơn áp suấtđờng thải pk > pth > p0, hình 4-2. Khixu páp nạp mới mở sớm tại điểm d1 thìkhí nạp míi ®i ngay v o xy lanh qtkhÝ ® l m việc qua xu páp thải rađờng thải. Từ điểm r, ứng với thờiđiểm xu páp thải đóng muộn trở đi thìchỉ có quá trình nạp khí nạp mới v o xylanh. Cũng nh ở động cơ bốn kỳ khôngtăng áp, xu páp nạp đóng muộn tại điểmd2. Từ hình 4-2 ta cịng cã thĨ viÕt:pa = pk - ∆pk4.1.1.3 Động cơ hai kỳpb'pthd1d2rr'b" pkpkapthVVcVhĐCTĐCDHình 4-2. Diễn biến quá trình nạpđộng cơ bốn kỳ tăng ápTa trở lại loại động cơ hai kỳ đơn giản nhất quét thải qua cửa, xem hình 1-5. Từ khipiston mở cửa quét tại điểm d cho đến khi đến ĐCD, hình 4-3, khí nạp mới có áp suất caonạp v o xy lanh đồng thời quét khí đ cháy ra cửa thải. Khi piston đổi chiều chuyển độngđi từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét nạp vẫn tiếp tục cho đến khi piston đóng cửa quét tạid. Từ đó cho đến khi piston đóng của pthải tại a, môi chất trong xy lanh bị đẩyqua cửa thải ra đờng thải (giai đoạnlọt khí). Nh vậy, quá trình quét (nạp)- thải trong động cơ 2 kỳ so với độngcơ 4 kỳ phức tạp hơn nhiều do dïngbkhÝ qt khÝ. Chóng ta sÏ trë l¹i vÊn đề pkn y trong chơng VI.pthpkTừ hình 4-3 ta cũng cã thÓ viÕt:daopthpa = pk - ∆pkΨV h(1 - Ψ)VhVTõ phân tích diễn biến quá trìnhĐCDĐCTnạp trong các động cơ kh¸c nhau ta cãVhVcthĨ rót ra mét v i nhËn xét sau:- Khí nạp mới đi v o trong xylanh phải khắc phục sức cản lu độngnên có tổn thất áp suất pk.Hình 4-3. Diễn biến quá trình nạpđộng cơ hai kỳ- Trong tất cả các loại động cơ nêu trên không thể quét hết sản vật cháy ra khỏi xylanh. Nói cách khác, trong xy lanh vẫn còn một lợng khí sót ho trộn với khí nạp mới.- Khí nạp mới đi v o xy lanh tiếp xúc với c¸c chi tiÕt trong bng ch¸y v ho trénvíi khÝ sót có nhiệt độ cao nên đợc sấy nóng.Tất cả những điều đó l m cho lợng khí nạp mới trong xy lanh khi kết thúc quátrình nạp thông thờng khác so với lợng khí nạp mới lý thuyết có thĨ chøa trong thĨ tÝchxy lanh Vh qui vỊ ®iỊu kiện ở đờng nạp với nhiệt độ Tk v áp suất pk. Vì vậy, để đánh giáchất lợng quá trình nạp, ngời ta đa ra thông số hệ số nạp v đợc định nghĩa nh sau:36 G1 M1 V1==G h M h Vhηv =(4-2)G1 (kg/kgnl) v M1(kmol/kgnl) l lợng khí nạp mới thực tế trong xy lanh khi kếtthúc quá trình nạp v V1 l thể tích của lợng khí nạp mới đó qui về điều kiện nhiệt độ Tkv áp suất pk.Gh (kg/kgnl) v Mh(kmol/kgnl) l lợng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể tích Vhtrong điều kiện nhiệt độ Tk v áp suất pk.Với:(4-3)G h = k VhHệ số nạp l một thông số đặc trng cho chất lợng quá trình nạp, thông thờng nhỏhơn 1 v sẽ đợc khảo sát kỹ lỡng ở các phần sau.Đối với động cơ hai kỳ hệ sè n¹p tÝnh theo (4-2) l hƯ sè n¹p lý thuyết vì trong độngcơ hai kỳ có tổn thất h nh trình. Thể tích công tác thực tế không phải l Vh m l (1-ψ)Vhaovíi ψ l hƯ sè tỉn thÊt h nh tr×nh ψ =, h×nh 4-3. HƯ sè nạp thực tế đợc tính nh sau:SvV1V1== (1 )Vh (1 )Vhv =(4-4)4.1.2 Những thông số cơ bản của quá trình nạp4.1.2.1 áp suất cuối quá trình nạp pap,, kk,kk112f k, x, 0, kp, , káp suất cuối quá trình nạp pa l một thông sốquan trọng để đánh giá chất lợng quá trình nạp.Nếu pa c ng lớn thì lợng khí nạp mới c ng nhiềuv ngợc lại. Để tìm hiểu mối quan hệ pa với cácthông số kết cấu v thông số l m việc của động cơ,ta dựa v o sơ đồ tính toán trên hình 4-4 với nhữnggiả thiết đơn giản hoá.Trong thực tế, áp suất dọc theo dòng chảythay đổi ít nên có thể coi khối lợng riêng của môichất k const. Phơng trình Béc-nu-li cho dòngchảy giữa mặt cắt 1-1 v 2-2 có dạng:2p k 2p22+ k =++ 0 xk2k22(4-5)Hình 4-4. Lợc đồ tính toánáp suất paTrong đó:pk: áp suất đờng nạpk: vận tốc môi chất tại mặt cắt 1-1, k 0: vận tốc môi chất tại mặt cắt 2-237 x: vận tốc môi chất tại họng xu pápp: áp st trong xy lanhξ0: hƯ sè tỉn thÊt cơc bé tại họng xu páp.Gọi =l hệ số h m dòng khí, phơng trình (4-5) khi đó có dạng:xpkp22=+ ( + 0 ) xkk2(4-6)Một cách gần đúng có thể coi dòng chuyển động l ổn định, vận tốc của môi chÊttrong xy lanh b»ng vËn tèc trung b×nh cđa piston cm. Khi đó phơng trình liên tục códạng:Fnx = Fpcm = FpSn30(4-7)víi fn l tiÕt diƯn th«ng qua cđa xu páp nạp v Fp l diện tích tiết diện piston. Tõ ®ãrót ra:ωx =FpSn30f n=knfn(4-8)víi k l h»ng sè. Tõ (4-6) ta tìm giá trị tổn thất áp suất v chó ý ®Õn (4-8):∆p′k = p k − p = (β2 + ξ0 )ρk 2 n 2n2′ 2k 2 =k2fnfn(4-9)Trong ®ã k′ l hÖ sè.Dùa v o (4-9) ta cã thể phân tích những thông số ảnh hởng đến tổn thất áp suấtquá trình nạp. Ta dễ d ng nhận thấy, khi , 0, n giảm v fn tăng thì pk giảm v ngợclại.Tại điểm a cuối h nh trình n¹p ∆p′k = ∆p k = p k − p a v khi đó p cũng có dạng nh(4-9):p k = p k − p a = k nn2f n2(4-10)víi kn l hệ số đờng nạp phụ thuộc chủ yếu v o các thông số kết cấu của động cơ.Từ (4-10) ta rót ra:p a = p k − ∆p k = p k − k nn2f n2(4-11)Trong thùc tÕ, muốn tăng pa ta áp dụng những biện pháp sau:ã Thiết kế đờng nạp có hình dạng, kích thớc hợp lý v bề mặt ống nạp phải nhẵnđể giảm sức cản khí động.38 ã Chọn tỷ sốfnthích hợp để giảm .Fpã Tăng fn bằng cách tăng đờng kính xu páp với những biện pháp sau: giảm S/D tứctăng D v giảm S; tăng sè xu p¸p nh− dïng 2, thËm chÝ 3 xu páp nạp nhằm tận dụng tối đadiện tích bố trí xu páp; bố trí xu páp nghiêng so với đờng tâm xy lanh trong buồng cháychỏm cầu.Chú ý rằng trong động cơ xăng, hệ số cản cục bộ trên đờng nạp 0 còn phụ thuộcrất nhiều v o độ mở cđa van tiÕt l−u tøc l phơ thc t¶i träng. Cụ thể, khi tăng tải, vantiết lu mở to hơn thì sức cản giảm.Tính toán pa theo (4-11) ho n to n không đơn giản vì nhiều thông số rất khó xácđịnh. Vì vậy, trong tính toán ngời ta thờng chọn pa theo các số liệu kinh nghiệm.ã Động cơ bốn kỳ không tăng áp:pa = (0,8 ữ 0,9)pkã Động cơ bốn kỳ tăng áp:pa = (0,9 ữ 0,96)pkã Động cơ hai kỳ quét vòng:pa =p k + p th2ã Động cơ hai kỳ quét thẳng:pa (0,85 ữ 1,05)pk4.1.2.2 HƯ sè khÝ sãt γrHƯ sè khÝ sãt γr ® đợc định nghĩa bởi công thức (3-57)r =MrM1Nói chung về nguyên tắc có thể xác định r bằng tính toán hoặc bằng thực nghiệmphân tích khí. Sau đây ta sẽ xÐt cơ thĨ.a. TÝnh to¸n hƯ sè khÝ sãtXt ph¸t từ phơng trình trạng thái đối với khí sót v biÕn ®ỉi, ta cã:Mr =p r Vrp V VcpV= r r= r c λq8314Tr 8314Tr Vc 8314Trvíi λ q =VrVc(4-12)(4-13)gäi l hƯ sè qt bng ch¸y. 0 ≤ λ q 1. Khi không quét buồng cháy q = 1 cònkhi quét sạch buồng cháy q = 0.39 Thay Vc =γ r = λqVhv o (4-12) v sau đó thay Mr v o công thức định nghĩa r, ta cã:ε −1p r Vh8314(ε − 1)M1Tr(4-14)C«ng thøc (4-14) l công thức tổng quát để xác định r. Tuy nhiên, để tính đợc rtheo (4-14) ta phải biết M1. Trong phần 4.1.2.5 dới đây sẽ diễn giải tới công thức (4-33)tính r thờng sử dụng khi tính toán chu trình công tác của động cơ.b. Xác định hệ số khí sót bằng phân tích khíBằng phân tích mẫu hỗn hợp khí trong quá trình nén v mẫu khí thải có thể xác địnhth nh phần của CO2 tơng ứng trong c¸c mÉu l rCO 2 v rCO 2 . XuÊt phát từ giả thiết, lợngCO2 trong hỗn hợp hợp khí của quá trình nén chính l lợng khí CO2 trong khÝ sãt cđa chutr×nh tr−íc M CO 2 , r ta cã:′rCO 2 =′′rCO 2 =M CO 2 , rM1 + M rM CO 2 , rMr(4-15)(4-16)Tõ ®ã ta cã:′′rCO 21=1+rCO 2r(4-17)v tìm đợc r:r =rCO 2rCO 2 rCO 2(4-18)Về nguyên tắc có thể xác định r bằng tính toán v thực nghiệm cho cả động cơ bốnkỳ v hai kỳ. Tuy nhiên, trong động cơ hai kỳ có quá trình quét thải phức tạp do dùng khíquét khí nên rất khó xác định các thông số của to n bộ quá trình nói chung v của khí sótnói riêng. Do đó r của động cơ 2 kỳ thờng đợc xác định bằng phơng pháp thựcnghiệm nêu trên.c. Những thông số ảnh hởng đến rã áp suất prTheo (4-14) khi tăng pr thì r sẽ tăng. Nếu nh thải v o tuốc bin hay bộ xử lý khíthải thì pr sẽ tăng so với trờng hợp chỉ thải v o bình tiêu âm.Đối với quá trình thải ta cũng có thể xét tơng tự nh quá trình nạp nên có thể ápdụng công thức (4-10) v (4-11) với lu ý đến chiều dòng chảy:40 p r = p th + ∆p r = p th + k thn22f th(4-19)trong ®ã kth hƯ sè phơ thuộc chủ yếu v o các thông số kết cấu đờng thải v fth ltiết diện thông qua của xu páp thải.Những thông số ảnh hởng đến p r cũng tơng tự nh những thông số ảnh hởngđến p k đ xét ở 4.1.2.1.Tơng tự, khi tính toán thay vì tÝnh theo (4-19) ng−êi ta th−êng chän pr theo kinhnghiƯm.§éng cơ tốc độ thấp:pr = (1,03 ữ 1,06)pthĐộng cơ cao tốc:pr = (1,05 ữ 1,10)pthĐối với động cơ không có tăng áp tuốc bin, nếu không có bình tiêu âm: pth = p0. Tuynhiên, hầu hết động cơ thực tế đều thải qua bình tiêu âm, khi đó: pth = (1,02 ữ 1,04)p0.Đối với động cơ tăng áp, pth l ¸p st tr−íc tc bin. VÊn ®Ị n y sÏ đợc nghiêncứu trong giáo trình Tăng áp động cơ.ã Nhiệt độ TrKhi Tr tăng, theo (4-14) thì r sẽ giảm v ngợc lại. Nhng trong thực tế, khi Tr tăngsẽ l m cho Ta tăng v do đó l m giảm lợng khí nạp mới M1 lại dẫn tới r tăng. Tổng hợplại có thể kết luận rằng Tr ít ¶nh h−ëng ®Õn γr.Tr phơ thc v o nhiỊu u tố. Tải trọng nhỏ v hệ số truyền nhiệt giữa môi chấtcông tác qua các chi tiết trong buồng cháy ra môi trờng l m mát lớn thì Tr nhỏ v ngợclại.Khi tính toán thờng lựa chọn Tr trong phạm vi sau:Động cơ xăng:Tr = 900 ữ 1000 KĐộng cơ diesel:Tr = 700 ữ 900 Kã Tỷ số nén Theo (4-14), khi tăng thì r giảm v ngợc lại. Từ đó suy ra, so với động cơ xăngthì động cơ diesel có r nhỏ hơn vì có tỷ số nén lớn hơn.ã Lợng khí nạp mới M1Theo định nghĩa r v theo (4-14), rõ r ng l M1 tăng thì r giảm v ngợc lại.ã Tải trọngKhi xét ảnh hởng của tải trọng, ta xét hai trờng hợp.Đối với động cơ xăng thông thờng khi giảm tải phải đóng bớt van tiết lu. Khi đósức cản tăng nên M1 giảm v r tăng nhanh.Còn ở động cơ diesel thì r hầu nh không phụ thuộc v o tải trọng.Khi tính toán có thể so sánh kết quả với các giá trị kinh nghiệm sau:41 Đối với động cơ bốn kỳ:Động cơ xăng:r = 0,06 ữ 0,1Động cơ dieselr = 0,03 ữ 0,06.Đối với động c¬ hai kú, γr phơ thc rÊt lín v o phơng pháp quét thải.Quét thẳng:r = 0,06 ữ 0,15Quét vòng:r = 0,08 ữ 0,25Quét vòng bằng hộp các-te hộp trục khuỷu:r = 0,25 ữ 0,404.1.2.3 Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mớiKhí nạp mới từ đờng nạp có nhiệt độ Tk đi v o xy lanh sẽ đợc sấy nóng bởi cácchi tiết có nhiệt độ cao trong buồng cháy, đồng thời nhiên liệu trong hỗn hợp đối với độngcơ xăng sẽ bay hơi. Nhiệt độ khí nạp mới khi ®ã sÏ thay ®ỉi mét l−ỵng l ∆T:∆T = ∆Tt - Tbh(4-19)trong đó Tt l độ tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt còn Tbh l độgiảm nhiệt độ do nhiên liệu trong khí nạp mới bay hơi. Động cơ diesel có Tbh = 0.Tt phụ thuộc chủ yếu v o các yếu tố sau:ã Hệ số trao đổi nhiệt giữa môi chất v vách các chi tiết: Tt tăng theo .ã Thời gian tiếp xúc giữa môi chất v vách các chi tiết: tốc độ n c ng lín, thêi giantiÕp xóc gi¶m dÉn tíi Tt c ng nhỏ.lớn.ã Tải trọng của động cơ: ở chế độ tải trọng lớn, nhiệt độ các chi tiết TW cao nên TtCần chú ý rằng, nhiều động cơ xăng dùng nhiệt của động cơ (ví dụ từ ống thải) đểsấy nóng đờng nạp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bay hơi v ho trộn của xăng vớikhông khí nên Tk tăng dẫn đến Tt giảm. Tuy nhiên sấy nóng đờng nạp l m giảm mậtđộ của khí nạp mới tức l l m giảm M1. Vì vậy đờng nạp không đợc sấy nóng quá.Chính vì lý do n y nên đờng nạp ở động cơ diesel không đợc phép sấy nóng.Trong thực tế đối với động cơ không tăng áp:T = 20 ữ 40 K đối với động cơ dieselT = 0 ữ 20 K đối với động cơ xăng.Còn đối với động cơ tăng áp nhng không l m mát trung gian khí tăng áp thì Tnhỏ hơn một chút.4.1.2.4 Nhiệt độ cuối quá trình nạpĐể tính toán nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta ta coi r»ng, khÝ n¹p míi v khÝ sãt hotrén đẳng áp tại áp suất pa.Lợng khí nạp mới M1 (pk, Tk) đi v o xy lanh đợc sấy nóng tới trạng thái M1 (Tk +T, pa).42 L−ỵng khÝ sãt Mr (Tr, pr ) gi n në đến trạng thái mới Mr ( Tr , pa). Coi khÝ sãt gi n në®a biÕn tõ (pr, Tr) ®Õn (pa, Tr′ ) ta cã:p Tr′ = Tr  a p  rm −1m(4-20)víi m l chØ sè gi n nở đa biến của khí sót, trong tính toán có thể chọn m trongkhoảng 1,45 ữ 1,5.Với điều kiện ho trộn đẳng áp thì entanpi của hệ trớc v sau ho trộn bảo to n, tacó:Càp (Tk + T)M1 + Cµ′′ M r Tr = Cµp (M1 + M r )Tap(4-21)Coi gần đúng Càp Càp v đặtt =Càp(4-22)Càpl hệ sè hiƯu ®Ýnh tû nhiƯt. Theo kinh nghiƯm λ t phụ thuộc hệ số d lợng khôngkhí nh sau:0,81,01,21,4Đối với động cơ xăng:t1,13 1,17 1,14 1,11Đối với động cơ diesel: khi = 1,5 ữ 1,8 thì có thể lÊy λt = 1,1.Chia hai vÕ cña (4-21) cho M1 v biến đổi ta đợc:p Tk + T + t γ r Tr  a p  rTa =1 + rm 1m(4-23)Khi tính toán có thể liệu tham khảo các số liệu đối với Ta nh sau:Ta = 310 ữ 350 K đối với động cơ không tăng áp,Ta = 320 ữ 400 K đối với động cơ tăng áp.4.1.2.5 Hệ số nạpHệ số nạp có thể xác định bằng tính toán v bằng thực nghiệm.Để tính toán hế số nạp, ta dựa v o định nghĩa hệ số nạp (4-2):v =M1MhXét tổng quát cho cả động cơ bốn kỳ v hai kỳ, tại điểm a cuối quá trình nạp, hình4-1, 4-2 v 4-3, lợng môi chất công tác bao gåm khÝ n¹p míi v khÝ sãt l Ma = M1a +M r.43 Trong động cơ bốn kỳ, cho đến khi đóng xu páp nạp tại điểm d2, hình 4-1 v 4-2,khí nạp mới đợc nạp thêm một lợng, khi đó lợng môi chất công tác mới l M1 + Mr.Đặt: nt =M1 + M r1 + r= M1MaMa(4-24)l hệ số nạp thêm, theo kinh nghiệm nằm trong khoảng nt = 1,02 ữ 106.Trong động cơ hai kỳ, có thể coi nh quá trình quét thải kết thúc khi piston đóngcửa quét (cửa nạp) nên không có hiện tợng nạp thêm, khi đó λnt = 1.Mét c¸ch tỉng qu¸t cã thĨ viÕt:M1 =pVλ ntλ ntMa =. a a1 + γr1 + γ r 8314Ta(4-25)Từ định nghĩa Mh xuất phát từ (4-2) v áp dụng phơng trình trạng thái ta có:Mh =p k Vh8314Tk(4-26)Thay M1 v Mh v o c«ng thøc tÝnh ηv ë trªn, ta cã:ηv = λ ntp a VaTk. .p k Vh Ta (1 + γ r )(4-27)víi chó ý r»ng:VaVaε==Vh Va − Vc ε − 1(4-28)Thay Ta(1 + γr) tõ c«ng thøc (4-23) v o (4-27) råi rót gän ta ®−ỵc:ηv = λ ntε pa. .ε − 1 pkTkp Tk + ∆T + γ r λ t Tr  a p rm 1m(4-29)Tuy nhiên, để tính v ta cần biết r, nhng theo (4-14) thì r lại phụ thuộc M1. Vìvậy, để có thể xác định độc lập v v r ta biến đổi nh sau.Thay M1 từ định nghÜa ηv (4-2):M1 = ηv M h = ηvp k Vh8314Tk(4-30)v o r trong phơng trình (4-14) ta đợc:r = q p r Tk 1. . .(ε − 1) p k Tr v(4-31)Giải hệ phơng trình (4-29) v (4-31) ta ®−ỵc:44 1 pr  m 1Tkpa ηv =..ελ nt − λ t λ q  p  ε − 1 Tk + ∆T p k  a γ r = λqTk + ∆T p r. .Trpa(4-32)1p ελ nt − λ t q r p a(4-33)1mCác công thức (4-32) v (4-33) thờng đợc dùng trong tính toán nhiệt động chutrình công tác trong khuôn khổ đồ án môn học Động cơ đốt trong.Hệ số nạp còn có thể xác định bằng thực nghiệm. Trớc hết, lu lợng khí nạp mớiv các thông số trạng thái nh pk v Tk đợc đo trực tiếp trên động cơ. Tiếp theo, từ kếtquả đo tính toán đợc lợng khí nạp mới M1 v Mh rồi thay v o công thức định nghĩa (42) để tìm v. Vấn đề n y sẽ xét trong môn Thí nghiệm động cơ.4.1.3 Những nhân tố ảnh hởng đến hệ số nạpTrong số các thông số cơ bản củaquá trình nạp thì hệ số nạp v l thông sốtổng hợp đặc trng cho chất lợng quátrình nạp. Sau đây ta sẽ khảo sát ảnhhởng của các yếu tố v qua đó tìm ranhững phơng pháp nhằm nâng cao hƯsè n¹p.ηvλq = 04.1.3.1 Tû sè nÐn ελq = 1Từ công thức (4-32) ta xét haitrờng hợp.ã q = 0: quét sạch buồng cháyv = 1Tkp.. a =k 1 Tk + T p k 1Hình 4-5. Khảo sát ảnh hởng của tỷ sốnén đến hệ số nạp(4-34)với k = const. Mét c¸ch dƠ d ng nhËn thÊy khi tăng thì v giảm v ngợc lại.ã q =1: không quét buồng cháy1 pr m 1Tkpa v =.. nt − λ t  p  ε − 1 Tk + ∆T p k  a (4-35)Cã thÓ chøng minh đợc (ở đây ta công nhận do hạn chế về khuôn khổ giáo trình):dv>0d(4-36)45 tức l tăng sẽ l m tăng v v ngợc lại.Kết quả tổng hợp hai trờng hợp đợc trình b y trên hình (4-5). Trong thực tế 0 < q< 1 nên các đờng biểu diễn sẽ l các ®−êng ---. Thùc nghiƯm chøng tá ε ¶nh h−ëng Ýt®Õn v.4.1.3.2 áp suất paTheo (4-32) áp suất pa ảnh hởng quyết định đến v. Từ quan hệ pa = pk - pk dễd ng nhận thấy rằng, những nhân tố l m giảm pk sẽ l m tăng pa v ngợc lại (xem4.1.3.1).Tới đây ta có thể suy ra rằng, so với động cơ xăng thì động cơ diesel có tổn thất ápsuất nạp nhỏ hơn (do cản cục bộ đờng nạp v tốc độ vòng quay nhỏ hơn) nên có hệ sốnạp cao hơn: vdiesel > vxăng.4.1.3.3 Trạng thái nạp (pk, Tk)ã pkKhi tăng pk thì pa sẽ tăng, tỷ sốsuất tơng đốip a p k p kp ktăng một ít vì tổn thất áp==1pkpkpkp kgiảm, do đó theo (4-32) v sẽ tăng.pkã TkKhi tăng Tk thì T giảm, theo (4-32) thì v tăng. Thực nghiệm chỉ ra rằng v tăng tỷlệ với Tk . Tuy nhiên phải lu ý rằng, v tăng do tăng Tk không có nghĩa l l m tănglợng khí nạp mới v o xy lanh, vì khi đó mật độ khí nạp mới k giảm.4.1.3.4 Trạng thái thải (pr, Tr)ã prTheo (4-32), khi pr tăng, v giảm. Điều đó cũng có thể dễ d ng nhận thấy qua suyluận sau đây: khi pr tăng thì khí sót gi n nở nhiều hơn l m giảm thể tích d nh cho khí nạpmới nên v giảm.ã TrTheo (4-14) khi tăng Tr sẽ l m cho r giảm (xem 4.1.3.2) nên có thể coi nh rTr const trong (4-29), tức l Tr hầu nh không ảnh hởng đến v.4.1.3.5 Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới TTheo (4-32) khi tăng T thì v giảm. Điều n y đ phân tích rõ ở mục 4.1.1. Tuynhiên, ¶nh h−ëng cđa ∆T tíi ηv kh«ng lín.4.1.3.6 Pha phèi khíKhi động cơ l m việc tại chế độ ứng với pha phối khí tối u thì hệ số nạp đạt cực đại(thải sạch v nạp đầy nhất). Pha phối khÝ tèi −u th−êng lùa chän b»ng thùc nghiƯm. §èivíi động cơ thông thờng thì pha phối tối u chỉ có tại một chế độ cụ thể đợc lựa chọn46 bởi ngời thiết kế tuỳ theo tính năng sử dụng của động cơ (xem chơng Đặc tính độngcơ). Một số động cơ ô-tô hiện đại (ví dụ của h ng BMW) có pha phối khí thay đổi sao chođạt đợc giá trị tối u cho hầu hết chế độ l m việc của động cơ. Tất nhiên, cấu tạo v ®iỊukhiĨn c¬ cÊu phèi khÝ khi ®ã sÏ rÊt phøc tạp.4.1.3.7 Tải trọngã Động cơ dieselvKhi tăng tải, nhiệt độ các chitiết trong buồng cháy tăng nên Ttăng l m cho v giảm đôi chút. Theokinh nghiệm, khi tải tăng từ khôngtải đến to n tải thì v giảm khoảng 3ữ 4%.DieselXăngã Động cơ xăngKhi tăng tải cũng l m cho Ttăng nh trình b y ở trên. Tuy nhiên,khi tăng tải ở hầu hết động cơ xăngphải mở rộng van tiết lu, sức cảnđờng nạp giảm đáng kể nên v tăngmạnh lấn át ảnh hởng của T.vhi tăng n thì pk v pth cùngtăng l m giảm v. Đồng thời do thờigian sấy nóng khí nạp mới giảm nênT giảm dẫn tới tăng v nhng ảnhhởng của T nhỏ. Vì vậy nói chungv giảm. Tuy nhiên, nếu kể đến ảnhhởng của pha phối khí tối u thì banđầu v tăng cho tới khi đạt cực đại tạitốc độ ứng với pha phối khí tối u rồimới giảm, hình (4-7).4.2 Quá trình nénQuá trình nén nhằm mục đíchmở rộng phạm vi nhiệt độ (giữanguồn nóng v nguồn lạnh trong chutrình Các-nô tơng đơng) để nângcao hiệu suất của chu trình.TảiHình 4-6. ảnh hởng của tải trọngđến hệ số nạpTổng hợp ảnh hởng của tảitrọng đến hệ số nạp đợc trình b ytrên hình 4-6.4.1.3.8 Tốc độ vòng quay n100%0vmax ứng với pha phối khítốt nhất0nminnmaxnHình 4-7. ảnh hởng của tốc độ vòng quay nđến hệ số nạp4.2.1 Diễn biến v các thông số cơ bản47 Trong quá trình nén, nhiệt độ, áp suất môi chất tăng dần, diện tích trao đổi nhiệtgiữa môi chất v th nh vách các chi tiết trong buồng cháy giảm... cho nên quá trình nén lquá trình trao đổi nhiệt phức tạp. Một cách tổng quát có thể coi đây l quá trình nén đabiến với chỉ số đa biến n thay đổi. Nhiệtlợng trao đổi không những thay đổi trị số pm còn thay đổi về hớng.Đầu quá trình nén, hình 4-8, nhiệt độmôi chất nhỏ hơn nhiệt độ vách các chi tiếtT < TW, môi chất nhận nhiệt, đờng nénkhi đó dốc hơn đờng đoạn nhiệt, n > ktrong đó k l số mũ đoạn nhiệt của môichất.Trong quá trình nén, áp suất v nhiệtđộ của môi chất tăng dần, chênh lệch nhiệtđộ T-TW giảm nên nhiệt lợng nhận giảmdần dẫn tới n cũng giảm dần. Cho tới khi T= TW, nhiệt lợng trao đổi bằng 0, lúc đó n= k.cpvk = constMnkpvk = constĐCTTrong giai đoạn tiếp theo, do T > TWnên môi chất mất nhiệt cho vách các chitiết nên n < k.aVĐCDTWT, pHình 4-8. Diễn biến quá trình nénĐể đơn giản khi tính toán, ta thayquá trình nén đa biến với n thay đổi bằngquá trình nén với chỉ số nén đa biến n1 = const với điều kiện cùng điểm đầu a v cùngcông nén. Chỉ số n1 đợc gọi l chỉ số nén đa biến trung bình, theo kinh nghiệm nằmtrong khoảng 1,32 ữ 1,39. Nếu coi gần đúng môi chất l không khí với k = 1,41 thì n1 < knên có thĨ kÕt ln r»ng tÝnh cho to n bé qu¸ trình nén thì môi chất mất nhiệt cho váchcác chi tiết.Nếu nh biết đợc n1 ta có thể dễ d ng tìm đợc nhiệt độ v áp suất cuối quá trìnhnén (không cháy) tại điểm c.p c = p a ε n1(4-36)Tc = Ta ε n 1 − 1(4-37)4.2.2 C©n bằng nhiệt trong quá trình nénĐể xác định n1 ta dựa v o định luật nhiệt động IQac = Lac + ∆U = Lac + U c − U a• Lac = −(4-38)1(pc Vc − pa Va ) = − 8314 (M cTc − M a Ta )n1 − 1n1 1Nếu bỏ qua nạp thêm Ma = Mc = M1(1 + γr) th×:48 Lac = −8314M1 (1 + γ r )(Tc − Ta )n1 − 1(4-39)′′′′• U c − U a = M c CµvcTc − M a Cµva Ta = M1 (1 + γ r )(CµvcTc − Cµva Ta )b′ b′  = M1 (1 + γ r )  a′v + Tc Tc −  a′v + Ta Ta 2 2  b′ 22 = M1 (1 + γ r ) a′v (Tc − Ta ) + Tc − Ta 2()b′U c − U a = M1 (1 + γ r )(Tc − Ta )a ′v + (Tc + Ta )2(4-40)Thay (4-39), (4-40) v (4-37) v o (4-38) råi rót gän, ta đợc:Qacb8314= a v + Ta ( n1 1 + 1) −n1 − 1M1 (1 + γ r )Ta (2n1 1 1)(4-41)Phơng trình cần bằng nhiệt trong quá trình nén (4-41) có những ý nghĩa sau:ã Nếu biết n1 sẽ tìm đợc Qac l đại lợng rất khó xác định trực tiếp bằng thựcnghiệm. Bằng thiết bị chỉ thị kế (Indicator) có thể lấy đợc đồ thị công p-V sau đó phântích đồ thị để tìm đợc n1.ã Trong tr−êng hỵp ch−a biÕt n1 cã thĨ dïng (4-41) để xác định sơ bộ n1 với giả thiếtrằng Qac = 0 ta rót ra:n1 − 1 =8314b′a ′v + Ta n1 1 + 12()(4-42)Đây l biện pháp thờng dùng trong tính toán đồ án môn học Động cơ đốt trong.Đầu tiên ta chọn một giá trị n1 n o đó. Thay lần lợt giá trị vừa chọn v o vế phải v vế tráicủa (4-41) rồi so sánh kết quả. Nếu sai lệch lớn thì chọn giá trị n1 khác rồi tính lại. Chođến khi sai lệch giữa hai vế đủ nhỏ thì giá trị chọn chính l n1 cần tìm.4.2.3 Những nhân tố ảnh hởng đến n1Nh trên đ trình b y, tính trong to n bộ quá trình nén thì môi chất mất nhiệt. Dođó những nhân tố n o l m giảm mất nhiệt sẽ l m cho n1 tăng v ngợc lại.4.2.3.1 Tốc độ vòng quay nXét tổng quát, khi tăng tốc độ vòng quay n, thời gian trao đổi nhiệt v lọt khí giảmnên môi chất mất nhiệt ít hơn l m cho n1 tăng. Theo kinh nghiệm n1 tăng gần nh tỷ lệ vớin. Điều n y đúng cho cả động cơ xăng v diesel.Riêng với động cơ xăng, còn phải kể đến lợng nhiệt môi chất mất cho bay hơi xăngtrong quá trình nén xét cho hai trờng hợp.ã ở chế độ tải lớn: Van tiết lu mở to, sức cản nhỏ (hệ số cản 0 nhỏ). Khi tăng n,tổn thất áp suất (tỷ lệ với 0n2) tăng chậm nên ¸p st sau van tiÕt l−u cịng gi¶m chËm.49 Do đó điều kiện bay hơi của xăng tại đây không đợc cải thiện l mấy trong khi thời gianbay hơi giảm. Điều đó l m cho lợng xăng bay hơi trên đờng nạp giảm tức l lợng xăngcòn lại bay hơi trong xy lanh sẽ tăng lên. Môi chất khi đó sẽ mất nhiệt nhiều hơn l mgiảm n1. Tổng hợp lại với ảnh hởng tổng quát, n1 const.ã ở chế độ tải nhỏ: Van tiết lu mở bÐ, søc c¶n lín (hƯ sè c¶n ξ0 lín). Khi tăng n,tổn thất áp suất (tỷ lệ với 0n2) tăng nhanh nên áp suất sau van tiết lu cũng giảm nhanh.Vì vậy, điều kiện bay hơi của xăng tại đây đợc cải thiện đáng kể cho nên mặc dù thờigian bay hơi giảm nhng lợng xăng bay hơi tại đây không bị ảnh hởng, do đó hầu nhkhông l m thay đổi lợng xăng bay hơi trong xy lanh. Khi đó chỉ còn ảnh hởng tổngquát l m tăng n1.ảnh hởng của tốc độ vòng quay n đến n1 đợc thể hiện tổng hợp trên hình 4-9.n1n1b)Tăng tảia)nnnminnmaxnminnmaxHình 4-9. ảnh hởng của tốc độ vòng quay tới n1a) Động cơ diesel, b) Động cơ xăng4.2.3.2 Tải trọngXét tổng quát, khi tăng tải, nhiệt độ trung bình các chi tiết TW tăng dẫn tới giảm mấtnhiệt cho môi chất. Mặt khác lọt khí tăng nên môi chất mất nhiệt nhiều hơn. Tuy nhiên,thực nghiệm chứng tỏ ảnh hởng thứ nhất mạnh hơn nên n1 tăng nhng không nhiều. Điềun y đúng cho cả động cơ xăng v diesel.Riêng với động cơ xăng, tơng tự nh xét ảnh hởng của tốc độ vòng quay, ta cònphải kể đến lợng nhiệt môi chất mất cho bay hơi xăng trong quá trình nén. Bằng suy luậntơng tự với lu ý vai trò của 0 v n2 đổi chỗ cho nhau, ta có thể dễ d ng khảo sát cho haitrờng hợp sau.ã ở chế độ tốc độ n lớn: Khi tăng tải phải mở rộng thêm van tiết lu, tổn thất ápsuất giảm nhanh nên áp suất sau van tiết lu tăng nhanh l m cho điều kiện bay hơi củaxăng tại đây kém đi. Điều đó l m cho lợng xăng bay hơi trong xy lanh sẽ tăng lên. Môichất khi đó sẽ mất nhiệt nhiều hơn l m giảm n1. Tổng hợp lại với ảnh hởng tổng quát, n1 const.50 ã ở chế độ tốc độ n nhỏ: Khi tăng tải cũng phải mở rộng thêm van tiết lu, tổn thấtáp suất giảm chậm nên áp suất sau van tiết lu tăng chậm ít ảnh hởng tới lợng xăng bayhơi tại đây. Vì vậy, lợng xăng bay hơi trong xy lanh cũng ít bị ảnh hởng. Do đó chỉ cònảnh hởng tổng quát xét ở trên, tức l n1 tăng.n1n1b)Tăng na)0100% tải0100% tảiHình 4-10. ảnh hởng của tải trọng tới n1Tổng hợp ảnh hởng của tải trọng đến n1 đợc thể hiện trên hình 4-10.4.2.3.3 Kích thớc xy lanhTa xét hai trờng hợp:FlmD 2giảm (vì Vh =S v nếuVh4coi gần ®óng Flm = πDS th× Flm/Vh tû lƯ víi 1/D) nên mất nhiệt tăng, n1 giảm. Nh vậyđộng cơ nhỏ bất lợi hơn.ã S/D = const, khi giảm D (giảm Vh) sẽ l m choã Vh = const, khi giảm S/D (tức tăng D, giảm S) cũng l mFlmgiảm nên n1 tăng.VhNh vậy động cơ có S/D nhỏ có lợi hơn.4.2.3.4 Tình trạng kỹ thuậtNếu các chi tiết nh piston-xylanh, xéc măng, mòn nhiều, xu páp đóng không kínkhít thì lọt khí nhiều sẽ l m giảm n1.Nếu trạng thái tản nhiệt từ buồng cháy không tốt nh đóng cặn trong hƯ thèng l mm¸t, kÕt mi than trong bng cháy... sẽ l m giảm mất nhiệt nên n1 tăng.4.2.4 Vấn đề chọn tỷ số nén Từ phân tích chu trình lý tởng ta đ thấy rằng, khi tăng tỷ số nén thì hiệu suất tv áp suất trung bình pt đều tăng. Tuy nhiên trong thực tế thờng bị giới hạn bởi nhữngđiều kiện cụ thể tuỳ thuộc v o loại động cơ.ã Động cơ đốt cháy c−ìng bøc51 Trong động cơ đốt cháy cỡng bức nh động cơ xăng v động cơ gas, nhiệt độ cuốiquá trình nén phải nhỏ hơn nhiệt độ giới hạn xảy ra kích næ.Tc = Ta ε n 1 − 1 < [Tkn ](4-43)Nhiệt độ giới hạn kích nổ [Tkn ] tuỳ thuộc v o số ốc tan của nhiên liệu, cấu tạo vchế độ l m việc của động cơ. Nhiên liệu có trị số ốc tan O cao, động cơ có buồng cháygọn, tải trọng nhỏ thì [Tkn ] lớn v ngợc lại. Từ (4-43) có thể thấy rằng, để không xảy rakích nổ thì tỷ số nén phải nhỏ hơn tû sè nÐn giíi h¹n kÝch nỉ:ε < [ε kn ](4-44)Động cơ xăng có [ kn ] = 11 ữ 12. Trong thực tế, tỷ số nén của động cơ xăng nằmtrong khoảng 6 ữ 12.ã Động cơ dieselTrong động cơ diesel, để xảy ra quá trình tự cháy thì nhiệt độ cuối quá trình nénphải lớn hơn nhiệt độ giới hạn tự cháy.Tc = Ta n 1 1 > [Ttc ](4-45)Tõ ®ã rót ra:ε > [ε tc ](4-46)Để khởi động dễ d ng, ngời ta chọn tỷ số nén cao hơn một chút.Flmlớn, vật liệu các chi tiết tạo th nh buồng cháy nh piston, xy lanh,Vhnắp xy lanh cã hƯ sè dÉn nhiƯt lín, sư dơng nhiên liệu có số xê-tan nhỏ thì phải chọn tỷ sốnén lớn v ngợc lại.Động cơ cóTrong thực tế, giới hạn dới của tỷ số nén động cơ diesel v o khoảng 12. Còn giớihạn trên tuỳ thuộc v o giới hạn tải trọng tác dụng (giới hạn về sức bền) lên các chi tiếtpnh piston, thanh truyền... cũng nh giới hạn tăng áp suấtliên quan đến tính êm dịucủa quá trình cháy. Trong thực tế, tỷ số nén của động cơ diesel nằm trong khoảng 12 ữ24.4.3 Quá trình cháy4.3.1 Khái niệm cơ bảnQuá trình cháy l quá trình ô-xy hoá nhiên liệu, giải phóng hoá năng th nh nhiệtnăng.Yêu cầu đối với quá trình cháy l nhiên liệu cháy đúng lúc, cháy kiệt để đạt tínhphiệu quả v tính kinh tế cao, đồng thời tốc độ tăng áp suấtkhông quá lớn để động cơl m việc ít rung giật v hạn chế tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của cơ cấu trụckhuỷu- thanh truyền. Ngo i ra, các th nh phần độc hại trong khí thải phải nằm trong giớihạn cho phép theo qui định về bảo vệ môi trờng.52 Một số thông số đặc trng của quá trình cháy l :ã Tốc độ cháy w: biểu thị lợng hỗn hợp tham gia phản ứng trong một đơn vị thờidQgian (kg/s hay kmol/s). Tốc độ cháy w quyết định tốc độ toả nhiệtv qua đó đếndp.ã Tốc độ phản ứng ô-xy hoá w': biểu thị tốc độ cháy riêng cho một đơn vị thể tíchhỗn hợp (kg/sm3 hay kmol/sm3)ã Tốc ®é lan tr n m ng löa u (m/s): quyÕt định thời gian cháy hỗn hợp.4.3.2 Cơ sở lý hoá của quá trình cháy4.3.2.1 Phản ứng dây chuyền nhiệtNhững phản ứng ô-xy hoá các-bua-hy-drô trong nhiên liệu đ nghiên cứu ở chơngIII chỉ cho ta biết sản phẩm cuối cùng. Ví dụ nh trong phản ứng ô-xy hoá của hép-tan:C7H16 + 11O2 = 7CO2 + 8H2O(4-47)thì sản phẩm cháy l các-bon-nic v nớc. Tuy nhiên, những phơng trình dạng (447) không cho ta biết cơ chế của phản ứng. Nói chung, phản ứng cháy của nhiên liệutrong buồng cháy động cơ bao gồm các quá trình lý hoá rất phức tạp, nhiều vấn đề còncha đợc rõ r ng. Trong số các công trình đ công bố thì lý thuyết về phản ứng dâychuyền nhiệt của Viện sỹ Xê-mê-nốp đợc sử dụng rộng r i để giải thích cơ chế của quátrình cháy. Tóm tắt lý thuyết phản ứng dây chuyền-nhiệt nh sau.Trong quá trình nén, các phân tử của hỗn hợp công tác (trong đó có các phân tửnhiên liệu v phân tử ô-xy) chuyển động hỗn loạn theo chuyển động Brao v va chạm vớinhau. Khi năng lợng va chạm (bao gồm động năng v năng lợng hoá trị) vợt quá mộtgiới hạn n o đó gọi l năng lợng kích động thì phản ứng mới xảy ra. Sản phẩm l cácphần tử có ái lực hoá học rất cao gọi l phần tử hoạt tính. Các phần tử hoạt tính mới sinhra lại phản ứng với các phân tử khác tạo ra các phần tử hoạt tính mới trong các phản ứngphân nhánh. Ví dụ, đầu tiên do va chạm, một phân tử hy-drô (của nhiên liệu) phân th nhhai nguyên tử hy-drô. Các nguyên tử hy-drô lại tiếp tục phản ứng với các phân tử khác tạora các phần tử hoạt tính mới theo chuỗi sau:H2 → 2H2H + 2O2 → 2OH + 2O2OH + 2H2 → 2H2O + 2H2O + 2H2 → 2OH + 2HCø nh vậy, các phần tử hoạt tính tích tụ ng y c ng nhiều trong quá trình phânnhánh. Tuy nhiên, cũng có những va chạm không sinh ra các phần tử hoạt tính nh vachạm với th nh bình hay va chạm với khí trơ. Khi đó xảy ra hiện tợng đứt nhánh l mmất đi số phần tử hoạt tính. Khi số phần tử hoạt tính sinh ra lớn hơn số phần tử mất đi thìsố phần tử hoạt tính tích tụ đợc ng y c ng nhiều v đạt đến một giới hạn n o đó thì phảnứng tăng tốc tới phát hoả tức l hỗn hợp bốc cháy. Trong trờng hợp ngợc lại, quá trìnhcháy không xảy ra.53 Các phản ứng ô-xy hoá các-bua-hy-drô trong nhiên liệu diễn ra theo cơ chế dâychuyền v đều l phản ứng toả nhiệt. Vì vậy môi chất trong quá trình phản ứng cũng đợctự sấy nóng l m xúc tiến quá trình phát hoả. Do đó lý thuyết của Viện sỹ Xê-mê-nốp trìnhb y ở trên đợc gọi l lý thuyết về phản ứng dây chuyền-nhiệt.4.3.2.2 Thời gian cháy trễThời gian tính từ lúc bật tia lửa điện (động cơ xăng) hoặc phun nhiên liệu (động cơdiesel) cho đến khi quá trình cháy thực sự diễn ra với sự tăng vọt về áp suất v nhiệt độtrong xy lanh gọi l thời gian cháy trễ i (s) tơng ứng với góc ϕi (0TK). Thêi gian ch¸y trƠphơ thc chđ u v o loại nhiên liệu (số Xe, số O, khối lợng riêng, độ nhớt..) nhiệt độv áp suất tại thời điểm đánh lửa hoặc phun, mức độ chuyển động rối của môi chất,phơng pháp hình th nh hỗn hợp v rất khó xác định bằng tính toán. Trong các t i liệuchuyên khảo về động cơ có thể tìm thấy các công thức thực nghiệm để tính i cho nhữngtrờng hợp cụ thể.4.3.2.3 Qui luật cháy v tốc độ toả nhiệtMột thông số rất quan trọng của quá trình cháy l qui luật cháy. Trong số các quiluật cháy tìm ra qua thực nghiệm thì qui luật cháy của Vibe đợc c«ng nhËn réng r i. τ − 6, 908 τ g ( ) zx==1 eg ctm +1(4-48)trong đó:ã g() l lợng nhiên liệu đ cháy tính cho đến thời điểm ã gct l lợng nhiên liệu chu trìnhã m: hệ số quá trình cháy, tuỳ thuộc loại động cơã z l thêi gian ch¸y.Tõ qui lt ch¸y, ta cã thĨ dễ d ng tìm đợc tốc độ cháydxv tốc độ toả nhiệtddQ:ddQdx= g ct Q Hdd(4-49)4.3.3 Quá trình cháy trong động cơ xăng4.3.3.1 Diễn biếnDo đặc điểm hình th nh hỗn hợp bên ngo i xy lanh (trừ động cơ phun xăng trựctiếp), quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia ra th nh 3 giai đoạn nh sau, hình 411.Giai đoạn I: giai đoạn cháy trễ, tính từ lúc bu-gi bật tia lửa điện tại điểm 1 đến khiđờng cháy tách khỏi đờng nén tại điểm 2. Trong giai đoạn n y hình th nh những nguồn54 lửa đầu tiên từ bu-gi v bắt đầu dịch chuyển m ng lửa. Lợng hỗn hợp tham gia phản ứngít (chỉ tới khoảng 1,5%) nên lợng nhiệt toả ra nhỏ không l m thay đổi áp suất đờng nén.Các thông số đặc trng của giai đoạn cháy trễ l thời gian ch¸y trƠ τi (s) hay gãcch¸y trƠ ϕi (oTK), phơ thc tr−íc hÕt v o th nh phÇn v tính chất của nhiên liệu, mức độchuyển động rối của môi chất, nhiệt độ lân cận bu-gi tại thời điểm đánh lửa v năng lợngtia lửaGiai đoạn II: giai đoạncháy nhanh, diƠn ra tõ ®iĨm 2®Õn ®iĨm 3, m ng lửa lan tr n vớitốc độ lớn. Do hỗn hợp đ đợcchuẩn bị rất tốt từ trớc (xăng rấtdễ bay hơi; hơn nữa thời gianchuẩn bị d i: từ bên ngo i xy lanhv tiếp tục trong quá trình nạp vquá trình nén) nên phần lớn bị đốtcháy trong giai đoạn n y. Do đó,tốc độ toả nhiệt rất lớn trong khithể tích xy lanh thay đổi ít nêngần với quá trình cấp nhiệt đẳngtích. Cuối giai đoạn n y m ng lửahầu nh lan tr n khắp buồng cháyv áp suất trong xy lanh đạt cựcđại.Thông số đặc trng của giaiđoạn cháy nhanh l tốc độ tăng ápsuất:3'4'3T41' 2'Nén1p22is3ĐCTHình 4-11. Quá trình cháy trong động cơ xăngpp pc= z cz(4-50)Quá trình cháy diễn ra c ng m nh liệt thì tốc độ tăng áp suất c ng lớn, động cơ l mpviệc không êm v ngợc lại. Trong thực tế,của động cơ xăng nằm trong khoảng 0,1ữ 0,2 MN/m2 0TK.Tõ lý thut v kinh nghiƯm ng−êi ta rót ra qui luật sau: quá trình cháy có hiệu quảsinh công tốt nhất nếu nh 2 v 3 đối xứng nhau qua ĐCT. Đây chính l một cơ sở đểlựa chọn góc đánh lửa sớm (s) tối u.Giai đoạn III: giai đoạn cháy rớt, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Tốc độ cháy giảmvì chỉ cháy nốt những phần hỗn hợp cha cháy nh lớp sát vách hay ở khe kẽ của buồngcháy trong điều kiện nồng độ ô-xy đ giảm nhiều nên tốc độ toả nhiệt nhỏ. Ngo i ra,piston đi c ng xa khỏi ĐCT. Do đó hiệu quả sinh công ít. Nhiệt sinh ra chủ yếu l m nóngcác chi tiết. Để hạn chế cháy rít cã thĨ ¸p dơng c¸c biƯn ph¸p nh− chän góc đánh lửasớm, cờng độ xoáy lốc của môi chất thích hợp v sử dụng đúng loại nhiên liệu yêu cầu.4.3.3.2 Những nhân tố ảnh hởng55 a. Góc đánh lửa sớm sNếu s quá lớn sẽ dẫn đến hiện tợng vừa cháy vừa nén l m tốn công nén v máynóng. Ngợc lại s nhỏ quá l m cho quá trình cháy kéo d i trên đờng gi n nở, nhiệt độkhí thải cao, máy nóng v hiệu quả sinh công kém. Lựa chọn đợc s tèi −u sÏ cho tÝnhkinh tÕ v tÝnh hiƯu qu¶ cao nhất. Tuy nhiên cần lu ý rằng với s tối u cha thể khẳngđịnh rằng nồng độ độc hại trong khí thải động cơ thấp nhất.b. Hệ số d lợng không khí Hỗn hợp xăng v không khí trong động cơ xăng có giới hạn cháy hẹp 0,4 < λ < 1,68ë nhiƯt ®é 3000C (xem mơc ®iỊu chØnh chơng VIII. Đặc tính động cơ). Vì vậy, để điềuchỉnh tải trọng phải sử dụng phơng pháp điều chỉnh lợng thông qua một bộ phận tiếtlu trên đờng nạp nh van tiết lu hoặc điều chỉnh lợng kết hợp với điều chỉnh chấttrong động cơ phun xăng trực tiếp (xem chơng VII. Hình th nh hỗn hợp).Nếu c ng lớn (hỗn hợp c ng nhạt) nhiệt toả ra ít, công suất động cơ giảm. Mặtkhác nếu hỗn hợp c ng nhạt thì cháy rớt c ng kéo d i, hiệu quả sinh công giảm, do đól m giảm tính hiệu quả v tính kinh tế của động cơ. Để khắc phục phần n o ảnh hởng docháy rớt có thể tăng s.Ngợc lại, nếu nhỏ quá, hỗn hợp rất đậm, nhiên liệu cháy không hết l m giảmtính kinh tế của động cơ v tăng ô nhiễm môi trờng.c. Tỷ số nén Khi tăng l m cho nhiệt độ v áp suất tại thời điểm đánh lửa p1 v T1 tăng dẫn tớigiảm i v i. Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 nói trên thì phải giảm góc đánh lửa sớm s.d. Kết cấu buång ch¸y v bè trÝ bu-giKÕt cÊu buång ch¸y gän, bu-gi đặt giữa hoặc bố trí nhiều bu-gi l m cho thời gian vpgóc gi nh cho quá trình cháy nhanh l 2-3 v 2-3 đợc rút ngắn. Đồng thờităng vcháy rớt giảm.Nếu buồng cháy có xoáy lốc hợp lý thì tốc độ cháy tăng dẫn tớiptăng v giảmcháy rớt.e. Tốc độ vòng quay nKhi tăng n, thời gian (tính theo s) gi nh cho to n bộ quá trình cháy giảm. Tuynhiên, chuyển động rối tăng dẫn đến tăng tốc độ lan tr n m ng lửa nên góc d nh cho quátrình cháy nhanh 2-3 gần nh không đổi còn i v cháy rớt có tăng. Thực nghiệm chứngtỏ i tăng tỷ lệ với n . Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 thì phải tăng s. Đây chính lnguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ vòng quay n trong động cơ xăng.f. Tải trọngKhi giảm tải trọng phải đóng bớt van tiết lu trên đờng nạp l m tăng hệ số khí sótr (hỗn hợp bẩn hơn) v l m giảm áp suất v nhiệt độ cuối quá trình nén. Hỗn hợp khiđó phải đậm hơn (xem phần đặc tính của bộ chế ho khí lý tởng môn Hệ thống nhiên56 Pliệu). Do đó i tăng v tốc độ cháy giảml m cho quá trình cháy kéo d i, tính kinh tếgiảm v tăng ô nhiễm môi trờng. Để hạnchế ảnh hởng n y thì phải tăng góc đánhlửa sớm s. Đây chính l nguyên tắc điềuchỉnh góc đánh lửa sớm theo tải trọng trongđộng cơ xăng.4.3.3.3 Các hiện tợng cháy khôngbình thờnga. Kích nổDo những yếu tố n o đó nh vận h nhhay sử dụng nhiên liệu không đúng, nhiệtCTđộ tại một hay một số vùng trong buồngcháy đủ lớn để tự cháy với sự xuất hiệnHình 4-12. áp st trong xy lanh khi cãngän lưa cơc bé khi ngän lưa tõ bu-gi ch−akÝch nỉlan tr n tíi. Ngn lưa n y ph¸t triĨn rÊtnhanh, lan tr n víi tốc độ lớn v chèn ép vớivùng cháy do ngọn lưa tõ bu-gi, g©y ra sãng va kÌm theo tiÕng gõ rất đanh v áp suấttrong buồng cháy dao động với tần số lớn, hình 4-12. Nhiên liệu không kịp cháy bị phânhuỷ th nh các bon tự do nên khí thải có khói đen. Do kích nổ, động cơ rất nóng v côngsuất giảm nên không thể tiếp tục l m việc đợc.Kích nổ l hiện tợng đặc thù ở động cơ đốt cháy cỡng bức. Những yếu tố n o l mtăng nhiệt độ cục bộ chính l nguyên nhân gây kích nổ. Đó l tỷ số nén lớn, nhiên liệucó chỉ số ốc-tan nhỏ, tải lớn, l m mát kém, góc đánh lửa sớm không phù hợpb. Cháy sớmpL hiện tợng cháy xảy ra khi bu-gicha bật tia lửa điện. Nguồn lửa có thể lcác chi tiết quá nóng hoặc muội than nóngđỏ, nên cháy sớm không có qui luật vkhông điều khiển đợc. Cháy sớm l m tăngcông nén, hình 4-13, máy rất nóng tới mứccó thể l m chảy piston. Kích nổ v cháysớm thờng đi kèm với nhau vì có cùngnguyên nhân l nhiệt độ cao.c. Ngắt điện vẫn l m việcHiện tợng n y xảy ra khi động cơl m việc lâu ở trạng tải lớn, tốc độ vòngquay thấp. Khi đó nhiệt độ các chi tiết rấtcao v thời gian cháy trễ đủ lớn để hỗn hợptự cháy.VCTHình 4-13. áp suất trong xy lanh khi cãch¸y símd. Nỉ trong xy lanhKhi động cơ l m việc lâu ở chế độ không tải, hỗn hợp quá đậm, nhiên liệu cháykhông hết phân huỷ th nh muội than v bị nung nóng đỏ bám lên các chi tiết nh bu-gi,57 xu páp. Khi động cơ chuyển về chế độ có tải thì đây chính l những nguồn lửa đốt hỗnhợp hầu nh đồng thời ỏ nhiều điểm trong xy lanh gây ra tiếng nổ.e. Nổ trong đờng thảiKhi động cơ ®ang l m viƯc ë chÕ ®é t¶i lín ®ét ngột chuyển về chế độ không tải, vídụ nh trờng hợp phanh ô tô đột ngột, nếu động cơ dùng bộ chế ho khí thì hỗn hợp khiđó sẽ quá đậm (do đặc điểm cấu tạo của bộ chế ho khí khi động cơ bị kéo ở chế độ tốcđộ vòng quay cao v van tiết lu hỗn hợp ở vị trí không tải). Quá trình cháy khi đó có thểkéo d i cho tới tận đờng thải gây ra tiếng nổ.4.3.4 Quá trình cháy trong động cơ diesel4.3.4.1 Diễn biếnTơng tự nh trong động cơxăng, trên hình 4-14 thể hiện ápsuất v nhiệt độ trong xy lanh.Ngo i ra còn thể hiện qui luật phunthông qua đại lợng l tỷ lệ (%)lợng nhiên liệu đ phun so vớilợng nhiên liệu chu trình gct, quiluật cháy x (%) v tốc độ toả nhiệtdx/d (xem mục 4.3.2.3). Động cơdiesel l động cơ có quá trình hìnhth nh hỗn hợp bên trong xy lanh.Từ đặc điểm n y có thể chia quátrình cháy th nh 4 giai đoạn.4'3'342'51'NénTp1 2is5'CT, x=100%xGiai đoạn I: cháy trễ, tính từdx/dkhi vòi phun phun nhiên liệu tạiđiểm 1 đến khi đờng cháy tách0khỏi đờng nén 2. Trong giai đoạnn y xảy ra các quá trình tạo th nhHình 4-14. Quá trình cháy trong động cơ dieselhỗn hợp v chuẩn bị cháy nh xénhỏ nhiên liệu, bay hơi v ho trộnnhiên liệu, phản ứng sơ bộ hình th nh những trung tâm tự cháy đầu tiên v bớc đầu pháttriển những trung tâm n y.Các thông số đặc trng của giai đoạn cháy trễ l thời gian ch¸y trƠ τi (s) hay gãcch¸y trƠ ϕi (oTK), phơ thc tr−íc hÕt v o th nh phÇn v tÝnh chất của nhiên liệu nh sốxe-tan Xe, độ nhớt Ngo i ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hởng của các yếu tố khácnh nhiệt độ v áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ chuyểnđộng rối của môi chấtGiai đoạn II: cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3. Phần hỗn hợp đ đợcchuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ bèc ch¸y rÊt nhanh l m cho ¸p suÊt v nhiệt độ trong xylanh tăng vọt. Tốc độ toả nhiệt rÊt lín trong khi thĨ tÝch xy lanh thay ®ỉi ít nên giai đoạncháy nhanh gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích.58 p, xem (4p50). Lợng hỗn hợp đợc chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ c ng nhiều thìc ng lớn,động cơ l m việc không êm v ngợc lại.Thông số đặc trng của giai đoạn cháy nhanh l tốc độ tăng áp suấtpcủa động cơ diesel nằm trong khoảng 0,3 ữ 0,6 MN/m2 0TK,lớn hơn nhiều (khoảng 3 lần) so với của động cơ xăng vì tỷ số nén cao hơn. Chính vì vậynên động cơ diesel l m việc không êm nh động cơ xăng.Trong thực tế,Giai đoạn III: cháy chính, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Hỗn hợp vừa chuẩn bị vừacháy nên quá trình cháy diễn ra từ từ với tốc độ cháy giảm dần. Vì vậy quá trình cháydiễn ra êm dịu hơn. Có thể coi giai đoạn cháy chính gần với quá trình cấp nhiệt đẳng ápv to n bộ quá trình cháy trong động cơ diesel gần với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Tốcđộ cháy đợc quyết định bởi tốc độ ho trộn giữa nhiên liệu v không khí hay tốc độchuẩn bị hỗn hợp. Mặt khác, tốc độ cháy giảm còn do nồng độ ô-xy giảm dần. Do đó, tuyđộng cơ l m việc êm nhng hiệu quả biến đổi nhiệt th nh công giảm (tính kinh tế giảm)v tăng khả năng cháy rớt ở giai đoạn sau. Trong thực tế khoảng 40 ữ 50% lợng nhiênliệu chu trình cháy trong giai đoạn III.Giai đoạn IV: cháy rớt, cũng nh ở động cơ xăng trong giai đoạn cháy rớt sẽ cháynốt những phần hỗn hợp còn lại (lớp sát vách hay ở khe kẽ của buồng cháy). Hiệu quảsinh công thÊp, nhiƯt sinh ra chđ u l m nãng c¸c chi tiết. Giai đoạn cháy rớt đợc coi lkết thúc (hay to n bộ quá trình cháy kết thúc) khi cháy hết 95ữ97% lợng nhiên liệu chutrình. Để hạn chế ch¸y rít cã thĨ ¸p dơng c¸c biƯn ph¸p nh− chän gãc phun sím ϕs,c−êng ®é vËn ®éng rèi cđa môi chất thích hợp4.3.4.2 Những nhân tố ảnh hởnga. Tính chÊt cđa nhiªn liƯuNhiªn liƯu cã sè xª-tan Xe lín, (tính tự cháy cao) thì thời gian cháy trễ i giảm,plợng nhiên liệu chuẩn bị trong thời gian cháy trễ giảm nênv pmax nhỏ, động cơ l mviệc êm.b. Tỷ số nén Tăng l m tăng nhiệt độ v áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu, tạo điều kiệnpthuận lợi cho quá trình chuẩn bị nên i giảm dẫn tớigiảm, động cơ l m việc êm hơn.c. Góc phun sớmGóc phun sớm s lớn quá thì điều kiện cho quá trình chuẩn bị không thuận lợi donhiệt độ v áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu còn nhỏ. Do đó thời gian cháy trễ i d i,plợng hỗn hợp chuẩn bị nhiều nênlớn, động cơ l m việc không êm. Ngo i ra, s lớnl m tăng công nén l m giảm hiệu quả sinh công v m¸y nãng.59