THUYẾT MINH ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NẠP THẢI

1.Hệ thống nạp thải động cơ xăng: 1.1 Nguyên lý làm việc: Không khí ngoài trời được hút vào trong xylanh động cơ qua bộ lọc không khí tại đây hầu hết bụi bẩn được giữ lại, sau đó đi qua

MỤC LỤC

I Tổng quan hệ thống nạp thải: 2

1.Hệ thống nạp thải động cơ xăng: 2

1.1 Nguyên lý làm việc: 2

1.2 Đặc điểm quá trình nạp thải động cơ xăng: 2

II Khảo sát hệ thống nạp thải động cơ M272 7

1 Sơ đồ và nguyên lí hoạt động: 7

2 Phân tích kết cấu: 8

2.1 Bầu lọc không khí: 8

2.2 Cổ góp nạp: 9

2.3 Cổ góp thải: 9

2.4 Bộ xúc tác 3 chức năng: 10

2.5 Bộ giảm âm: 11

III.Tính toán các chu trình công tác của động cơ M272 12

1.Các số liệu ban đầu 12

2 Các thông số chọn 13

3.Tính toán các chu trình công tác 14

3.1 Quá trình nạp 14

3.2 Quá trình nén 15

3.3 Quá trình cháy 17

3.4 Quá trình giãn nở 19

3.5 Tính toán các thông số của chu trình công tác 20

3.6 Tính toán các thông số có ích: 21

4 Tính toán một số thông số và kích thước cơ bản 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

I Tổng quan hệ thống nạp thải:

Hệ thống nạp thải có nhiệm vụ đưa hỗn hợp không khí- nhiên liệu vào buồng cháy

để thực hiện quá trình cháy của động cơ, đồng thời đưa sản phẩm cháy từ buồng cháy thoát ra ngoài Hệ thống nạp thải phải đảm bảo cung cấp đủ lượng hỗn hợp có thành phầnhoà khí thích hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, thải sạch sản phẩm cháy ra ngoài trong quá trình thải, sao cho hiệu suất động cơ là lớn nhất và giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn

1.Hệ thống nạp thải động cơ xăng:

1.1 Nguyên lý làm việc:

Không khí ngoài trời được hút vào trong xylanh động cơ qua bộ lọc không khí tại đây hầu hết bụi bẩn được giữ lại, sau đó đi qua các cảm biến lưu lượng và cảm biến nhiệt độ khí nạp, thông tin nhiệt độ và lưu lượng khí nạp được truyền về ECU động cơ, tiếp đó dòng khí đến cổ họng gió qua bướm ga đến bộ góp nạp Khí nạp từ bộ góp nạp sẽ phân phối đến các xylanh động cơ trong kỳ nạp Kết hợp thông tin từ cảm biến vị trí bướm ga ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu tối ưu Sau khi hòa khí được đốt cháy, khí thải được dẫn vào đường ống thải tới bộ góp thải đi vào bộ xúc tác ba chức năng tại đây khí thải độc hại được khử thành các chất vô hại rồi theo ống dẫn khí thải qua bộ giảm âm thoát ra ngoài môi trường Một phần khí thải được trích dẫn quay trở lại đường nạp qua van hồi lưu khí thải, để làm loãng hỗn hợp nhiên liệu - không khí nhằm hạn chế sự hình thành các chất gây ôi nhiễm trong quá trình cháy

1.2 Đặc điểm quá trình nạp thải động cơ xăng:

Hai quá trình nạp và thải liên quan mật thiết với nhau, tuỳ theo số kỳ của động cơ vàphương pháp thải nạp, có những thời điểm chúng xảy ra cùng một lúc Vì vậy khi phântích quá trình nạp cần lưu ý đến những thông số đặc trưng của quá trình thải, tức là phảixét chung các hiện tượng của quá trình thay đổi môi chất

Trong động cơ 4 kỳ, quá trình thay đổi môi chất được thực hiện lúc bắt đầu mở xupáp thải (điểm b’ ) Từ b’ đến ĐCD nhờ chênh áp, sản vật cháy tự thoát ra đường thải.Sau đó, từ ĐCD tới ĐCT, nhờ sức đẩy cưỡng bức của piston, sản vật cháy được đẩy tiếp.Tại ĐCT (điểm r ), sản vật cháy chứa đầy thể tích buồng cháy Vc với áp suất pr> pthải, tạo

ra chênh áp vpr Chênh áp vpr phụ thuộc vào hệ số cản, tốc độ dòng khí n qua xu pápthải và vào trở lực của bản thân đường thải

Xu páp thải thường được đóng sau ĐCT (đóng muộn ) nhằm tăng thêm giá trị

“ tiết diện - thời gian “ mở cửa thải, đồng thời để tận dụng chênh áp vpr và quán tính củadòng khí thải tiếp tục đẩy khí sót ra ngoài

+ Áp suất cuối quá trình nạp pa

Áp suất cuối quá trình nạp có ảnh hưởng lớn tới công suất động cơ Muốn tăng ápsuất cuối quá trình nạp người ta sử dụng các biện pháp sau :

- Tạo đường nạp có hình dạng khí động tốt, tiết diện lưu thông lớn và phương hướnglưu động thay đổi từ từ, ít ngoặt

- Dùng xu páp có đường kính lớn hoặc dùng nhiều xu páp Động cơ M272 sử dụnghai xu páp nạp và hai xu páp thải cho mỗi máy, do đó tăng được lượng khí lưu thôngtrong mỗi chu trình, tăng áp suất pa

+ Lượng khí sót :

Cuối quá trình thải, xi lanh còn lưu lại 1 ít sản vật cháy gọi là khí sót Trong quátrình nạp, số khí sót trên sẽ giãn nở, chiếm chỗ trong xi lanh và trộn với khí nạp mới ,làmgiảm lượng khí nạp mới Vì vậy giảm lượng khí sót sẽ làm tăng lượng khí nạp vào , làmtăng công suất động cơ Các biện pháp sau làm giảm lượng khí sót :

+ Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới vT

Đi trên đường nạp và vào xi lanh, môi chất mới tiếp xúc với các bề mặt nóng củađộng cơ, được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên một gia số vT

vT = vT t – vT b.h

Trong đó :

vT t- mức tăng nhiệt độ của môi chất mới do sự truyền nhiệt từ các bề mặt nóng

vT b.h - mức giảm nhiệt độ của môi chất mới do bay hơi của nhiên liệu

vT = 0 ÷ 20oC - đối với động cơ xăng

+ Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta

Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta cũng ảnh hưởng tới mật độ môi chất mớinạp vào xi lanh Tăng Ta làm giảm mật độ môi chất mới nạp vào xi lanh và ngược lại.Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta lớn hơn Tk ( nhiệt độ môi chất mới trước xu pápnạp ) và nhỏ hơn Tr ( nhiệt độ khí sót ) là do kết quả của việc truyền nhiệt từ các bề mặtnóng tới môi chất mới khi tiếp xúc và việc hoà trộn của môi chất mới với khí sót nhiềuhơn Các quá trình trên diễn ra riêng lẻ trên đường nạp hoặc đồng thời trên xi lanh động

cơ

- Hệ số nạp :

Hệ số nạp ηv là tỉ số giữa lượng môi chất mới thực tế nạp vào xi lanh ở đầu quá trìnhnén khi đã đóng các cửa nạp và cửa thải so với lượng môi chất mới lý thuyết có thể nạpđầy vào thể tích công tác của xi lanh Vh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ môi chất phíatrước xu páp nạp Môi chất mới của động cơ xăng là hoà khí của không khí và hơi xăngtạo thành.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp của động cơ 4 kỳ bao gồm: áp suất pa và nhiệt

độ Ta của môi chất cuối quá trình nạp ; nhiệt độ sấy nóng môi chất mới vT ; hệ số khí sót

γr ; nhiệt độ Tr và áp suất pr ; tỉ số nén ε; hệ số quét buồng cháy λ2 và hệ số nạp thêm λ1.Những thông số trên có liên hệ qua lại mật thiết với nhau và mỗi thông số lại phụ thuộcvào các yếu tố khác Vì vậy song song với việc phân tích ảnh hưởng của từng thông sốriêng biệt phải phân tích ảnh hưởng tổng hợp của chúng tới hệ số nạp ηv theo các chế độlàm việc cụ thể của động cơ

- Các biện pháp chính làm tăng hệ số nạp và giảm cản cho đường nạp :

+ Bình lọc

Khi tìm cách giảm cản cho bình lọc, trước tiên phải chú ý tới hiệu quả lọc Phải đòihỏi giảm trở lực tới mức nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo tốt hiệu quả lọc Trong lúc sử dụngcần thường xuyên bảo dưỡng bình lọc, tuyệt đối tránh không để dầu bẩn gây tắc lõi lọcgiấy, phải thay lõi lọc kịp thời

+ Đường ống nạp :

Hình dạng, kích thước của ống nạp gây ảnh hưởng lớn tới hệ số nạp, tới mức độphun tơi và bay hơi của nhiên liệu và sự phân phối về số lượng và thành phần hoà khí vàocác xi lanh, đây là vấn đề tương đối phức tạp Nếu làm tiết diện ống nạp lớn để giảm cảnthì sẽ làm tăng tiêu hao nhiên liệu và thành phần hoà khí vào các xi lanh không đều nhau

Vì vậy một số động cơ xăng, muốn đạt yêu cầu ít tiêu hao nhiên liệu ở tải nhỏ, phải chấpnhận mất mát 1 ít công suất bằng cách dùng ống nạp có tiết diện nhỏ một chút Và để hoàkhí có thành phần và khối lượng đều nhau người ta còn cố ý gây ngoằn ngoèo ở một vàiđoạn ống

+ Các nhánh ống nạp tới các xi lanh và xu páp nạp:

Trong hệ thống nạp của động cơ, xu páp nạp là nơi có tiết diện lưu thông nhỏ nhấtnên trở thành bộ phận quan trọng nhất của lực cản đường nạp Người ta thường giảmđường kính xu páp thải để tăng đường kính xu páp nạp, tăng hành trình cực đại, tăng tốc

độ đóng mở các xu páp, tăng thời gian giữ xu páp ở vị trí mở lớn nhất để tăng khả nănglưu thông qua xu páp

Cấu tạo của nhánh ống nạp, nhất là phần sát với xu páp gây ảnh hưởng lớn tới lựccản của đường nạp Muốn có hình dạng đường nạp tốt nhất phải thử nghiệm trên mô hìnhlàm bằng vật liệu dẻo cho tới khi đạt hiệu quả cao nhất

Các thử nghiệm đã đem lại những kết quả có giá trị Phía trước xu páp nạp, thêmmột vấu nhô trơn tròn tạo họng thắt hợp lý có thể làm giảm cản cho đường nạp Nếu lắpống Laval trên miệng đi vào xu páp nạp sẽ làm tăng lưu lượng hoà khí một cách rõ rệt khichạy ở tốc độ cao Mở rộng đường nạp và tránh những đường ngoặt gấp sẽ có thể giảmbớt lực cản v.v…

Dạng cửa vào phải được thiết kế để cho không khí vào sẽ quay hoặc xoáy quanhtrục của xi lanh Độ xoáy được thay đổi với mỗi kiểu và kích cỡ buồng cháy được sửdụng

1.2.2 Quá trình thải

Nhiều vấn đề của quá trình thải đã được trình bày khi nghiên cứu về quá trình nạp, ởđây chỉ giới thiệu bổ sung một số vấn đề

a- Thải sạch và công tiêu hao cho quá trình thay đổi môi chất :

Để thải sạch khí sót và nạp đầy môi chất mới vào xi lanh, hầu hết các động cơ hiệnđại đều sử dụng hiệu ứng động của dao động áp suất trong hệ thống nạp thải nhằm tạonên sóng áp dương ở khu vực xu páp nạp trước khi kết thúc quá trình nạp và tạo nên sóng

áp âm ở khu vực xu páp xả trước khi kết thúc quá trình thải Ở động cơ tăng áp người talợi dụng chênh áp từ đường nạp– xi lanh - đường thải để mở rộng, kéo dài thời kì trùngđiệp của các xu páp để quét buồng cháy, thải sạch khí sót và nạp đầy môi chất mới vào xilanh

b Vấn đề khử độc hại của khí thải động cơ :

Khí thải từ xi lanh động cơ đi ra môi trường, ngoài các sản vật cháy hoàn toàn CO2,H2O, N2, còn chứa các sản vật chưa được cháy hoàn toàn, các sản vật được phân giải từsản vật cháy hoặc từ nhiên liệu Nhiều chất trong khí thải rất độc đối với sức khoẻ conngười như : CO, NOX, khí SO2 và H2S, các alđêhit, các hiđro các bon thơm, các hợpchất của chì.Vì vậy vấn đề đặt ra là làm sao để giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải

từ động cơ.Vấn đề đó được giải quyết theo 2 hướng sau: hoàn thiện chu trình làm việccủa động cơ và lắp thiết bị trung hoà trên hệ thống thải

Để hoàn thiện chu trình làm việc của động cơ có thể thực hiện bằng các giải pháp sau:

- Tối ưu hoá cấu tạo của buồng cháy để hạn chế sự hình thành HC

- Tăng cường chuyển động rối và chuyển động xoáy lốc của môi chất

- Tối ưu hoá tỷ số nén ε

- Tối ưu hoá vị trí đặt bugi

- Cải thiện quá trình phân phối khí và cơ cấu phân phối khí

- Tối ưu hoá kết cấu đường thải nhằm thải sạch và nạp đầy

- Cải thiện chất lượng hình thành hoà khí

- Giảm công suất tổn hao ma sát và dẫn động các cơ cấu phụ của động cơ

- Tối ưu hoá quá trình đánh lửa bằng hệ thống đánh lửa điện tử chương trình hoá

- Dùng biện pháp phân lớp hoà khí đảm bảo cho khu vực cực bugi luôn có α = 0,85÷0,90

để đảm bảo trên toàn bộ buồng cháy α >1 nhằm giảm lượng CO và NOX

- Lắp thêm một hệ thống van và đường ống đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt ở chế độkhông tải cưỡng bức, không gây ô nhiễm môi trường khi hoạt động ở chế độ này

II Khảo sát hệ thống nạp thải động cơ M272

1 Sơ đồ và nguyên lí hoạt động:

1- Bộ lọc không khí; 2- Cổ họng gió; 3- Bộ góp nạp; 4-Đường ống nạp;

5- Đường ống thải; 6-Bộ xúc tác 3 chức năng; 7- Bộ tiêu âm

Nguyên lí làm việc:

Không khí ngoài trời được hút vào trong xylanh động cơ qua bộ lọc không khí tại đây hầu hết bụi bẩn được giữ lại, sau đó đi qua các cảm biến lưu lượng và cảm biến nhiệt độ khí nạp, thông tin nhiệt độ và lưu lượng khí nạp được truyền về ECU động cơ, tiếp đó dòng khí đến đến bộ góp nạp Khí nạp từ bộ góp nạp sẽ phân phối đến các xylanh động

cơ trong kỳ nạp Kết hợp thông tin từ cảm biến ECU sẽ điều khiển lượng phun nhiên liệu tối ưu Sau khi hòa khí được đốt cháy, khí thải được dẫn vào đường ống thải tới bộ góp thải đi vào bộ xúc tác ba chức năng tại đây khí thải độc hại được khử thành các chất vô hại rồi theo ống dẫn khí thải qua bộ giảm âm thoát ra ngoài môi trường

2 Phân tích kết cấu:

2.1 Bầu lọc không khí:

Hình 3: Lưới lọc không khí

Lọc không khí nhằm mục đích lọc sạch không khí trước khi không khí đi vào động

cơ Nó có vai trò rất quan trọng nhằm làm giảm sự mài mòn của động cơ Chọn bầu lọc

sử dụng kiểu lọc thấm, lõi lọc bằng giấy.Phần lõi lọc được phủ nhựa và gia nhiệt đểchống lại nước và dầu tốt hơn

Nguyên lý:

Khí vào bộ lọc được chỉnh hướng xoáy theo các đường mái chèo với vận tốc lớn, khi đócác hạt bụi lớn bị tách ly tâm thành các hạt nhỏ hơn sau đó bị giữ lại bởi các lớp giấy, vàkhí sạch sẽ được hút vào động cơ

kim nhôm để tăng sức bền cũng như đảm bảo về mặt khối lượng Các nhánh ống nạpđược làm dài nhằm tối ưu hóa hình dáng đường nạp, các đường bo của đường nạp tạo rahiệu ứng lưu động dòng khí nạp, làm tăng thêm lượng khí nạp ở mỗi chu trình, điều nàygiúp cải thiện momen và công suất phát ra khi động cơ chạy ở tốc độ thấp và trung bình.

Hình 4: Cổ góp nạp

2.3 Cổ góp thải:

Nhiệm vụ chính của cổ góp xả đó là dẫn, gom khí thải từ các đầu xi lanh về lại mộtđường ống duy nhất Các ống dẫn của cổ xả thông với nhau để đảm bảo rằng áp suất trêncác đường ống là như nhau Vì nhiệt độ khí xả khá cao nên chọn vật liệu làm cổ xả bằnggang để đảm bảo độ giãn nở vì nhiệt Đường kính cổ góp xả, chọn d= 54mm

2.4 Bộ xúc tác 3 chức năng:

Công dụng của bộ xúc tác:

Khi tỷ lệ không khí - nhiên liệu nghèo, giàu hay lý tưởng thì đều có một lượng khí HC ,

CO và NOx sinh ra Để giảm đến mức thấp nhất hàm lượng các khí này thải ra môitrường, trên đường ống dẫn khí thải người ta có lắp thêm bộ xúc tác ba chức năng (TWC)

là bộ phận oxy hóa CO và HC trong khí thải và đồng thời khử oxy của NOx để biếnchúng thành CO2, H2O và N2 không có hại cho môi trường

Hình 5 Kết cấu bộ xúc tác ba chức năng

1 – Vỏ thép không rỉ; 2 – Vỏ ngoài ; 3,5 – Bộ xúc tác; 4 – Lưới thép; 6 – Thanh ghi7 –

Lớp kim loại nền; 8 – Chất xúc tác

Bộ xúc tác 3 chức năng làm việc theo nguyên lý oxy hoá - khử các chất CO, HC

và NOx ( khí CO và HC bị oxy hoá còn NOx bị khử ) Khí thải từ ống góp thải được dẫnvào bộ xúc tác sẽ đi qua lưới thép có dạng như tổ ong được phủ chất xúc tác trên bề mặt.Các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ sẽ thực hiện các phản ứng oxy hoá-khử tại đây

để có được dòng khí đi ra khỏi bộ xúc tác có nồng độ các chất ô nhiễm thấp hơn nhiềulần Các phản ứng chính diễn ra trong bộ xúc tác gồm:

NOx + HC  N2 + CO2 + H2O (1)

NOx + CO  N2 + CO2 (2)

O2 + HC  CO2 + H2O (3)

O2 + CO  CO2 (4)

Bộ xúc tác ba chức năng chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn

300oC Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi những chất ô nhiễm của bộ xúctác tăng rất nhanh, tỷ lệ làm sạch gần đạt đến 100% khi nhiệt độ trên 4000C

Khi áp suất khí thải lớn hơn lực hồi vị của lò xo van này sẽ mở tỷ lệ với áp suất khíthải, tạo điều kiện cho khí thải thoát ra nhanh giảm phản lực trên đường ống thải

Như vậy nhờ có bộ giảm âm chính cho phép động cơ hoạt động êm dịu ở tốc độthấp và làm giảm phản lực tác dụng lên đường ống thải khi động cơ hoạt động ở tốc độtrung bình và cao

Hình6: Bộ giảm âm

III.Tính toán các chu trình công tác của động cơ M272

Mục đích phần tính toán nhiệt động cơ là :

+ Tính toán các quá trình nhiệt trong động cơ (nạp, nén, cháy giãn nở và thải)

+ Xác định được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và kiểm nghiệm (xác định) các kích thước

cơ bản của động cơ

Kết quả tính toán trong phần tính toán nhiệt động cơ sẽ là nền tảng trong quá trình tính

toán thiết kế động cơ đốt trong

1.Các số liệu ban đầu

Bảng 4-1 Thông số ban đầu

Nhiên liêu Thành phần trong 1 kg nhiên liệu [kg)

a

r r

k r

p p p

p T

T T

1 2

1

2

.

1

.

k

a k

k v

p

p p

p T T T

1 2

r

a r r t

p T T

1

0

M

)32412

(21,0

10

nl

O H C