Tiểu luận Quá trình cháy động cơ xăng

Sau đó, nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm kích thước động cơ đốt trong, Otto đã gợi ý các chu trình nạp, nén, cháy dãn nở và thải cho 4 hành trình piston của động cơ đốt trong.. Chu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ XĂNG.

1.1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.

1860, J.J E Lenoir (1822-1900)(Pháp) đã chế tạo động cơ đốt trong đầu tiên bằng sự đốt cháy khí đốt ở áp suất môi trường, không có sự nén hỗn hợp trước quá trình cháy Công suất lớn nhất đạt được khoảng 5 mã lực và hiệu suất cực đại khoảng 5%

1876, Nicolaus A Otto (1832-1891) và Eugen Langen (1833-1895) tận dụng sự gia tăng áp suất trong quá trình cháy, để cải tiến dòng khí nạp Hiệu suất nhiệt đạt được lên đến 11% Sau đó, nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm kích thước động cơ đốt trong, Otto đã gợi ý các chu trình (nạp, nén, cháy dãn nở và thải) cho 4 hành trình piston của động cơ đốt trong

1884, Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) đã mô tả nguyên lý các chu trình của ĐCĐT Ông cũng đưa ra các điều kiện nhằm đạt hiệu suất cực đại của động cơ đốt trong gồm:

Thể tích xy lanh tối đa ứng với bề mặt biên tối thiểu

Tốc độ làm việc lớn nhất có thể đạt

Tăng tỉ số nén tối đa

Aùp suất tối đa kể từ lúc bắt đầu dãn nở

1886, Hãng Daimler – Maybach xuất xưởng động cơ xăng đầu tiên có công suất 0,25 mã lực ở số vòng quay 600 vòng/phút

1892, Rudolf Diesel (1858-1913) đã gợi ý một dạng động cơ đốt trong mới bằng cách phun nhiên liệu lỏng vào trong không khí sấy nóng Sau đó, hỗn hợp này tự bắt cháy và có hiệu suất nhiệt khoảng 26% Loại động cơ này được biết như động cơ Diesel ngày nay

1957, Động cơ đốt trong kiểu piston quay (Động cơ Wankel) được chế tạo rất gọn nhẹ

Từ đó đến nay, người ta liên tục cải tiến và phát triển từng bộ phận trong động cơ đốt trong để loại thiết bị này ngày càng hoàn thiện và đạt năng suất cao

Cùng với sự phát triển của nền khoa học công nghệ và ngành công nghiệp luyện kim, người ta đã cho ra đời nhiều loại độnng cơ có công suất rất lớn, hiệu suất nhiệt cao và có tuổi thọ cao đáp ứng được nhu cầu của con người

Ngày nay động cơ đốt trong kiểu piston sử dụng nhiên liệu chính là xăng và diesel được dùng rộng rải trong đời sống, nó là nguồn lực không thể thiếu trong ngành công nghiệp vận tải như ngành hàng hải, hàng không đặc biệt ngành giao

1.2 Định nghĩa và các khái niệm cơ bản trên động cơ đốt trong

1.2.1 Điểm chết

Điểm chết là vị trí mà piston không còn khả năng chuyển động và kết thúc một hành trình trong xylanh Tại vị trí này vận tốc của piston bằng không (piston đổi chiều chuyển động được nhờ vào năng lượng của bánh đà), Piston kết thúc một hành trình công tác trong xylanh thì có hai điểm chết

Điểm chết trên (ĐCT): là vị trí piston nằm xa tâm trục khuỷu nhất.

Điểm chết dưới (ĐCD): là vị trí piston nằm gần tâm trục khuỷu nhất.

1.2.2 Hành trình của piston (S)

Hành trình của piston là khoảng cách dịch chuyển của piston giữa hai điểm chết, ký hịệu là S

(1.1)Với R là bán kính quay của trục khuỷu

S = 2.R

Trong đó: D – đường kính của xylanh.

S – hành trình của piston

i – số xylanh của động cơ

1.2.4 Thể tích buồng cháy (Vc )

Thể tích buồng cháy là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston ở điểm chết trên và nắp xylanh, ký hiệu là Vc

Vc = Va + Vh (1.3_)

1.2.5 Thể tích toàn bộ (V a )

Thể tích toàn bộ là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh

piston ở điểm chết dưới và nắp xylanh, ký hiệu là Va

1.2.6 Tỉ số nén (ε)n

Tỷ số nén là tỉ số giữa thể tích toàn bộ và thể tích buồng cháy của động cơ

1.2.7 Kỳ (thì)

Kỳ (hay thì) là hành trình thực hiện được của piston giữa hai điểm chết

Khi động cơ hoạt động, trong xylanh phải diễn ra tuần tự các quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở và thải tạo nên chu trình công tác (làm việc) của động cơ đốt trong

Nếu chu trình công tác của động cơ được hoàn thành trong bốn hành trình của piston, có nghĩa là sau hai vòng quay của trục khuỷu thì động cơ đó gọi là động

cơ bốn kỳ Nếu động cơ hoàn thành một chu trình công tác chỉ trong hai hành trình của piston, tương ứng với một vòng quay của trục khuỷu thì động cơ đó gọi là động

cơ hai kỳ

1.2.8 Chu trình công tác (chu trình làm việc)

Chu trình công tác là tập hợp toàn bộ các quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở và thải được diễn ra trong xylanh lập đi lập lại có tính chu kỳ được gọi là chu trình công tác hay chu trình làm việc của động cơ đốt trong

c

h c

h c c

a

V

V1V

VVV

Do các quá trình diễn ra lập đi lập lại có tính chu kỳ nên khi khảo sát nguyên lý làm việc ta chỉ khảo sát một chu trình công tác trong toàn bộ quá trình làm việc của động cơ.

Trong một chu trình công tác của động cơ 4 kỳ được thực hiện như sau:

1.3.1 Kỳ một (quá trình nạp)

Là quá trình nạp môi chất mới vào trong lòng xylanh động cơ (hoà khí đối với động cơ xăng)

Vào đầu kỳ một, piston từ điểm chết trên Toàn bộ thể tích buồng cháy Vc là sản vật cháy do hành trình trước để lại với áp suất cao hơn áp suất khí trời, áp suất này còn gọi là áp suất khí sót Khi trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, thông qua thanh truyền, piston bắt đầu dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, cơ cấu phân phối khí điều khiển suppap thải đóng, suppap nạp mở thông đường ống nạp với không gian trong xylanh

Khi piston chuyển động từ ĐCT đi xuống, tạo độ chân không trong xylanh làm cho áp suất trong lòng xylanh nhỏ hơn áp suất trên đường ống nạp Mức độ chênh lệch áp suất này khoảng 0,01 – 0,03 MPa, môi chất mới (hòa khí) từ đường ống nạp được hút vào xylanh cho đến khi piston tới ĐCD (hình 1.4a)

1.3.2 Kỳ hai (quá trình nén)

Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, cơ cấu phân phối khí điều khiển làm cho suppap nạp đóng lại, môi chất được nén trong xylanh Vào cuối quá trình nạp, khi piston ở vị trí ĐCD áp suất trong xylanh pa còn nhỏ hơn áp suất trên đường ống nạp

pk Tận dụng điều này, để hoàn thiện quá trình nạp, cơ cấu phân phối khí điều khiển supap nạp đóng muộn sau khi piston qua khỏi ĐCD Việc đóng muộn supap nạp như trên có tác dụng nạp môi chất mới vào xylanh đầy hơn, điều này có được là do tác dụng của động năng, chênh lệch áp suất và theo quán tính của dòng môi chất đi vào

Sau khi suppap nạp đóng, piston chuyển động lên phía ĐCT làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất trong xylanh tăng dần Giá trị áp suất cuối quá trình nén phụ thuộc vào: tỉ số nén ε, độ kín khít của các chi tiết trong động cơ, mức độ tản nhiệt của thành xylanh và áp suất của môi chất đầu quá trình nén (hình 1.4b)

chất trong xylanh Chính vì vậy kỳ ba còn gọi là kỳ sinh công, trong quá trình này cả hai suppap đều đóng (hình 1.4c).

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ Diesel bốn kỳ a) quá trình nạp ; b) quá trình nén ;c) quá trình cháy giản nở ;d) quá trình thải.

1 – supap nạp; 2 – supap thải; 3 – piston; 4 – vòi phun.

1.3.4 Kỳ bốn (quá trình thải)

Piston dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy sản vật cháy ra khỏi xylanh động

cơ qua suppap thải đang mở Do áp suất môi chất trong xylanh vào cuối kỳ cháy giãn nở còn khá cao nên supáp xả phải mở sớm trước khi piston xuống đến ĐCD khoảng 40 ÷ 60o tương ứng với góc quay trục khuỷu Nhờ đó kiện sản vật cháy được thải sạch ra khỏi xylanh động cơ

Khi kỳ bốn kết thúc thì động cơ đã thực hiện được một chu trình công tác, tiếp theo nhờ quán tính quay của bánh đà giúp động cơ thực hiện chu trình công tác tiếp theo Chính vì vậy mà động cơ có thể làm việc được liên tục

1.4 Các thông số đánh giá tính năng kinh tế – kỹ thuật của động cơ kiểu piston1.4.1 Thông số chỉ thị

1.4.1.1 Áp suất chỉ thị trung bình Pi

Áp suất chỉ thị trung bình của chu trình công tác là công chỉ thị của một đơn

vị thể tích công tác của xylanh trong một chu trình

h

i iV

L

P = , (J/m3 hoặc N/m2) (1.1)Trong đó: Li – công chỉ thị của chu trình (J hoặc N.m)

Như vậy khi piston chuyển động trong xylanh, hợp lực khí thể Pkt tác dụng đẩy piston trong xylanh sẽ là:

4

D)

pP(

Fkt = − o π 2 (1.2) Trong đó: D – đường kính xylanh (m)

Hợp lực khí thể Pkt đẩy piston chuyển dịch một vi lượng hành trình dS, sẽ tạo

ra vi lượng công dLi theo biểu thức:

dV)pP(dS4

D)

pP(dS.F

o h

c)

−+

nen

o o

po) và dV trong số hạng đó Nếu hai thừa số trên cùng dấu thì tích phân sẽ có dấu (+), ngược lại khác dấu, tích phân sẽ có dấu (–); (P – po) > 0 nếu P > po và ngược lại, còn dV > 0 nếu thể tích xylanh tăng và ngược lại

Mỗi tích phân trong biểu thức (1.6) và (1.7) xác định số lượng công của mỗi kỳ (hút, nén, cháy – giãn nở và xả)

Do: ∫ = ∫−

xa

o hut

o gianno

+

− gianno xa chay

nen hut

Thực hiện tích phân đồ thị dựa theo đồ thị công và dựa theo các tích phân trong móc vuông của các biểu thức (1.6), (1.8) hoặc (1.7), (1.9) sẽ xác định đựơc diện tích f, thể hiện công chỉ thị của chu trình công tác:

f = Σf(+) – Σf(–) (1.10)Trong đó: f(+) – diện tích công dương của chu trình, chiều diễn biến thuận

Thể tích công tác Vh được xác định bằng l mm trên đồ thị với tỷ lệ xích mv (m3/mm).

Diện tích đồ thị công của động cơ bốn kỳ gồm 2 phần:

- Phần diện tích của kỳ nén và kỳ cháy – giãn nở

- Phần diện tích của kỳ hút và kỳ xả

Phần thứ nhất là phần chính, tạo nên công dương của môi chất Phần thứ hai là phần phụ, được gọi là hành trình “bơm” của piston vì chức năng của phần này là chức năng của một bơm piston, làm nhiệm vụ thay đổi môi chất của chu trình Công của môi chất ở phần hai có thể “âm” (động cơ không tăng áp hoặc tăng áp thấp) hoặc “dương” (với động cơ tăng áp cao)

Nhìn chung, công của hành trình bơm thường không lớn (trừ trường hợp tăng áp cao) và rất khó xác định theo đồ thị công vì đường nạp và đường xả trên đồ thị gần như trùng nhau Muốn xác định phần công “bơm” của đồ thị, ngoài đồ thị công kể trên, người ta phải xác định đồ thị công của các hành trình “bơm” với tỷ lệ xích tung độ lớn hơn, làm cho công việc thực nghiệm trở nên phức tạp hơn Vì vậy khi xác định áp suất chỉ thị trung bình Pi người ta thường bỏ qua phần công này, coi nó là một phần trong các tổn thất cơ giới của động cơ

Dựa trên nguyên tắc ấy, có thể lược bỏ các tích phân của các kỳ hút và xả của động cơ 4 kỳ (1.6) và (1.8) Kết quả sẽ

làm cho biểu thức xác định Pi của động cơ bốn

kỳ và động cơ hai kỳ có chung một dạng sau:

Nếu gọi Pct (P2) là áp suất trung bình theo thể tích của kỳ cháy – giãn nở và

Pn (P1) là áp suất trung bình theo thể tích của kỳ nén, ta sẽ có:

2 ct gianno chay

h

PPPdV

PPPdV.V

1

(1.14)Thay (9.13) và (9.14) vào (9.12), ta được:

Pi = Pct – Pn = P2 – P1 (1.15) Biểu thức (1.15) cho ta một định nghĩa thứ ba về áp suất chỉ thị trung bình Pi là hiệu số giữa các áp suất trung bình theo thể tích của kỳ cháy – giãn nở P2 và kỳ nén P1

Các động cơ hiện nay giá trị Pi nằm trong giới hạn sau:

- Động cơ không tăng áp: Pi = 0,7 ÷ 1,2 MPa

- Động cơ tăng áp có thể đạt Pi = 3 MPa hoặc lớn hơn

1.4.1.2 Công suất chỉ thị Ni

Công do môi chất trong xylanh tạo ra trong mỗi chu trình được xác định qua đồ thị quan hệ giữa áp suất và thể tích (P – V), vì thế đồ thị P – V được gọi là đồ thị công và công đó được gọi là công chỉ thị của chu trình Li, xác định qua biểu thức sau:

Trong đó: n – là số vòng quay của trục khuỷu trong 1 giây (vòng/s)

τ – là số kỳ của một chu trình (số hành trình của piston trong một chu trình)

m – số chu trình trong 1 giây của 1 xylanh

k hk

τ

=30

n.iVP

i (1.24) Trong đó: n – số vòng quay trục khuỷu (vòng/phút)

Σ

h

h,V

V – thể tích công tác của một xylanh và của cả động cơ (lít)

i – số xylanh của động cơ

Pi – áp suất chỉ thị trung bình (MPa)

τ – số kỳ của động cơ, động cơ 4 kỳ τ = 4, động cơ 2 kỳ τ = 2

nl iN

G

Trong đó: Ni – công suất chỉ thị (W)

1.4.2 Các thông số có ích

1.4.2.1 Công suất có ích Ne

Công suất có ích của động cơ được phát ra tại đuôi trục khuỷu để từ đó truyền năng lượng tới máy công tác Công suất có ích Ne nhỏ hơn công suất chỉ thị

Ni Hiệu của chúng là công suất tổn hao cơ giới Nm dùng để khắc phục mọi lực cản trong nội bộ động cơ khi máy hoạt động Mối quan hệ giữa Ne, Ni và Nm như sau:

Ne = Ni – Nm (kW) (1.28)Tỷ số giữa Ne và Ni được gọi là hiệu suất cơ giới ηm, thể hiện số phần năng lượng trong công suất chỉ thị Ni được chuyển thành công có ích Ne:

i

e mN

Pe = Pi.ηm (1.30) Từ (9.29) ta được: (kW)

30

n.iV.PN

i m

Công suất có ích Ne phụ thuộc vào tải (Pe) và tốc độ (n) của động cơ Tốc độ

n của động cơ không được vượt quá giá trị quy định cho từng động cơ để tránh ảnh hưởng xấu tới sức bền, độ tin cậy và tuổi thọ các chi tiết của động cơ Số vòng quay quy định nqđ (vòng/phút), được chọn theo điều kiện sử dụng và hiệu suất động

cơ Khi hoạt động, động cơ có thể chạy ở các tốc độ trong phạm vi từ nmin đến nqđ tuỳ thuộc vào vị trí của cơ cấu điều khiển

Ở số vòng quay quy định công suất có ích Ne của động cơ có thể thay đổi từ

Ne = 0 đến Neqđ Công suất quy định Neqđ phụ thuộc vào điều kiện sử dụng

Tỷ số giữa công suất của động cơ so với công suất quy định (được chọn là

Mômen Me ở đầu ra của trục khuỷu động cơ được xác định trên băng thử Giữa mômen Me và công suất có ích Me có mối liên hệ sau :

)m.N(n

N55.9n2

60.NN

π

=ω

Trong đó: Ne – công suất có ích (W)

n – số vòng quay động cơ (vòng/phút)

1.4.2.3 Hiệu suất có ích ηe và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge

Hiệu suất có ích ηe là tỷ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công có ích chia cho nhiệt lượng cấp cho động cơ, do nhiên liệu đốt cháy bên trong xylanh tạo ra, hai loại nhiệt lượng trên cần được xác định trong cùng một khoảng thời gian

tk nl

e e

Q.G

N

=

Trong đó: Gnl – lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây (kg/s)

Qtk – nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu (J/kg)

Trong thực tế thí nghiệm động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu (Gnl) thường đo bằng số kilôgam trong 1 giờ và công suất theo kilôóat (kW) Do đó, suất tiêu hao nhiên liệu thường xác định theo gam:

)h.kW/g(10N

1.4.3 Công suất lít của động cơ

Công suất lít NL là tỷ số giữa công suất quy định và tổng thể tích công tác (Vh Σ = Vh.i) của động cơ: N VN i.

nP

Thông số NL và Pe phản ánh công suất và momen quy về 1 lít thể tích công tác của động cơ Trong đó Pe phản ánh mức độ cường hoá về tải (lượng nhiên liệu cấp cho chu trình) còn N phản ánh mức độ cường hoá cả về tải và về tốc độ n của

Động cơ gas 0,28 ÷ 0,38 0,23 ÷ 0,28

1.4.4 Xác định đường kính xylanh, hành trình piston và thể tích công tác trên động cơ

1.4.4.1 Thể tích công tác

Thể tích công tác của động cơ được xác định qua biểu thức:

n.iP

.N.30V

e

e h

τ

Trong đó: Ne – công suất có ích của động cơ (kW)

τ – số kỳ của động cơ, động cơ 2 kỳ τ = 2 và động cơ 4 kỳ τ = 4

Pe – áp suất có ích trung bình (MPa)

i – số xylanh của động cơ

n – tốc độ động cơ (vòng/phút)

1.4.4.2 Đường kính xylanh

3 h

D

S

V.4D

=

(1-36)

Trong đó: D – đường kính của xylanh động cơ

S – hành trình của piston (m)

Tỷ số S/D được xác định tuỳ theo loại động cơ

Động cơ xăng chữ V 0,75 ÷ 1,10Động cơ xăng thẳng hàng 0,85 ÷ 1,20Động cơ Diesel chữ V 0,90 ÷ 1,40Động cơ Diesel thẳng hàng 1,00 ÷ 1,451.4.4.3 Hành trình của piston

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng bốn kỳa) quá trình nạp ; b) quá trình nén ; c) quá trình cháy – giản nở ; d) quá trình thải.1.5 Nhiên liệu sử dụng cho động cơ xăng.

Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động cơ đốt trong thường là sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ vì loại này có trữ lượng lớn, nhiệt trị lớn, ít tro, dễ vận chuyển và bảo quản Nó là hỗn hợp của nhiều carbua hydro có kết cấu phân tử khác nhau, nó quyết định tính chất lý hóa cơ bản của nhiên liệu và ảnh hưởng rất nhiều tới quá trình bay hơi và cháy của nhiên liệu Ngày nay người ta đã tìm ra được một số nhiên liệu thay thế loại nhiên liệu truyền thống, có tính năng là ít ô nhiểm môi trường,

Thành phần chủ yếu của dầu mỏ là: ParaphinC Hn n+2, hydrocacbon vòng (xycloankan)(CnH2n) và carbua thơm (aren) CnH2 n − 6 vàC Hn n−12 Ngoài ra trong dầu mỏ còn chứa rất ít các chất olephin (anken) CnH2n, diolephin (ankandien)CnH2n-2 và acetylen (ankyn) CnH2n-2

Kết cấu phân tử mạch vòng rất bền vững nên có tính chống kích nổ cao Vì vậy trong xăng dùng cho động cơ đốt cháy cưỡng bức thì tốt nhất là thành phần của nó chứa nhiều CH mạch vòng hay mạch nhánh như benzen, iso-butan hoặc iso-octane Ngược lại đối với nhiên liêu có kết cấu mạch thẳng không bền vững (tự đứt) nên dễ cháy dùng cho động cơ diesel như butan, octane

Các loại nhiên liệu lỏng lấy từ dầu mỏ đều có các nguyên tố chính sau: C, H2 và O2, đôi khi cũng còn một hàm lượng nhỏ S và N2 Nếu bỏ qua hàm lượng nhỏ

_ Nhiệt trị thấp QH: là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1 đơn vị nhiên liệu khi không có tính đến sự ngưng tụ của hơi nước

Đối với động cơ đốt trong do khí thải có nhiệt độ rất cao, do đó hơi nước trong khí thải chưa kịp ngưng tụ đã bị thải mất, nên khi tính chu trình công tác của động

cơ, nên người ta dùng nhiệt trị thấp

b) Tính bay hơi của nhiên liệu: có ý nghĩa rất lớn đối với động cơ nhất là động

cơ xăng có sự hình thành hòa khí từ bên ngoài Tính bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào thành phần chưng cất của nhiên liệu và được xác định trong 1 thiết bị đặc biệt bằng cách đốt nóng nhiên liệu và tách dần những chất chưng cất, sôi trong

1 phạm vi nhiệt độ nhất định

c) Nhiệt độ tự bốc cháy: là nhiệt độ thấp nhất mà hòa khí tự bốc cháy được

không cần nguồn lửa bên ngoài Nhiệt độ tự bốc cháy phụ thuộc vào loại nhiên liệu và thông thường giảm khi tăng trọng lượng phân tử của nhiên liệu Đó là 1 trong những nguyên nhân khiến người ta dùng nhiên liệu nặng trong động cơ diesel, còn đối với động cơ xăng thì ngược lại, nhiên liệu yêu cầu là phải có nhiệt độ tự bốc cháy lớn

Trên thực tế, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ tự bốc cháy, vì vậy để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu dùng cho các loại động cơ khác nhau, người ta không dùng nhiệt độ tự bốc cháy Đối với động cơ diesel, dùng tính tự cháy của nhiên liệu, còn đối với động cơ xăng dùng tính chống kích nổ của nhiên liệu làm chỉ tiêu đánh giá chất lượng cháy

1.5.2 Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng

a) Tỉ số nén có lợi nhất εcl: là ε lớn nhất cho phép về mặt kích nổ Việc xác định ε có lợi nhất được tiến hành trong 1 động cơ thí nghiệm đặc biệt có thể thay

đổi ε 1 cách tùy ý Khi thực hiện người ta tăng ε dần dần cho đến khi nào xảy ra

kích nổ

a) Số octane: là số phần trăm chất iso-octane C8H18 tính theo thể tích có trong hỗn hợp với chất heptane C7H16, tương đương về tính kích nổ với nhiên liệu thí nghiệm Chất iso-octane coi như có trị số octane là 100, còn chất heptane coi như có trị số octane là 0

Nếu tính chống kích nổ của nhiên liệu thử nghiệm lớn hơn tính chống kích nổ của nhiên liệu mẫu (>100) thì nhiên liệu dùng để so sánh sẽ là hỗn hợp của iso-octane với tetraetyl chì Pb(C2H5), hoặc dung dịch etyl Số octane của nhiên liệu mẫu trong trường hợp này phụ thuộc vào hàm lượng Pb(C2H5) trong 1kg iso-octane Thông thường trị số octane đối với nhiên liệu xăng là

onl 0 0,004_ Trọng lượng phân tử µn l 110 - 120 170 - 200

(hoặc kcal/kg) (10500) (10150)_ Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kgnl

Theo kmol

1.5.3.Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu lỏng

Hòa khí dùng cho ĐCĐT có hai thành phần: nhiên liệu và không khí Muốn xác định lượng hòa khí trên đối với 1kg nhiên liệu lỏng, trước tiên phải xác định lượng không khí cần thiết để đốt kiệt số nhiên liệu đó

Khi đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng, các thành phần c của C và h của H2 sẽ chuyển thành CO2 và H2O theo các phương trình phản ứng sau:

Oo =

32412

nl

o h

c + − (kmol/kgnl) (1-8)

Lượng O2, dùng để đốt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ, là lượng O2 trong không khí Không khí gồm hai thành phần chính là: O2 và N2 Tính theo thành phần khối lượng của không khí khô: O2 chiếm 0,232 (≈23%), còn N2 chiếm ≈77% Tính theo thành phần thể tích (thành phần mol) O2 chiếm 0,209 (≈21%), còn N2 chiếm

≈79% Do đó lượng không khí lý thuyết cần để đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng là Lo (kgkk/kgnl) hoặc Mo (kmolkk/kgnl) sẽ là:

123

121,

0

nl o

o

o h c O

M (kmolkk/kgnl) (1-10)

Nhiên liệu sử dụng cho động cơ xăng

a Nhiên liệu thể khí

Nhiên liệu thể khí sử dụng trong động cơ đốt trong bao gồm:

- Khí thiên nhiên lấy từ các mỏ khí

- Khí hóa lỏng LPG ( C3H8 và C4H10 )

- Khí thiên nhiên nén CNG ( áp suất khỏang 200atm, CH4)

- Khí công nghiệp lấy từ việc tinh luyện dầu mỏ, từ trong các lò luyện cốc và lò cao

- Khí lò ga lấy từ việc khí hóa các nhiên liệu rắn trong các thiết bị đặc biệt

Thành phần chủ yếu của nhiên liệu thể khí bao gồm: Oâxít cacbon (CO), mêtan (CH4), các lọai cacbuahydrô (CnHm), khí cacbônic (CO2), ôxy (O2), hydrô (H2), sunfuahydrô (H2S) và các khí trơ ( chủ yếu là nitơ – N2)

Bảng 1-2 biểu thị thành phần của một số nhiên liệu thể khí dùng trong động cơ đốt trong

Bảng 1-2 Thành phần của nhiên liệu thể khí

Thiên

Than củi 2 - - - 0,3 20 12 - 54,5 11 0,2 4,7

b Nhiên liệu thể lỏng

Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động cơ đốt trong chủ yếu là những lọai sản phẩm của quá trình chưng cất từ dầu mỏ Nó là hỗn hợp của nhiều cacbuahydrô có kết cấu phân tử khác nhau, và được chia làm hai nhóm chính:

- Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel

- Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng

Ngòai ra, hiện nay trên động cơ đốt trong người ta còn sử dụng các lọai nhiên liệu khác như:

- Nhiên liệu có nguồn gốc thực vật như: dầu thực vật, ethanole…

- Nhiên liệu có nguồn gốc động vật như: dầu mỡ động vật

- Nhiên liệu sinh khối ( Biomass)

Bảng 1-3 Thành phần nguyên tố và đặc tính của xăng và nhiên liệu diesel

Thông số Nhiên liệu xăng Nhiên liệu

Nhiệt trị của hỗn hợp khi α =1 (MJ/kmol) 83,9 86

Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg

nhiên liệu tính theo kmol

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG

2.1 GIỚI THIỆU.

Chu trình hoạt động của động cơ đốt trong có thể được phân tích thành một chuỗi của các quá trình riêng biệt: nạp, nén, cháy, giãn nở và thải Với những mô hình cho mỗi quá trình này, một mô phỏng của chu trình động cơ hoàn chỉnh có thể được xây dựng để có thể phân tích được và cung cấp thông tin về động cơ Những quá trình của các động cơ riêng biệt ở các mức độ xấp xỉ khác nhau sẽ được phát triển thêm Trong chương này chúng ta xét một bộ những mô hình đơn giản nhất để có được những hiểu biết sử dụng sâu sắc về biểu thị và hiệu suất của các động cơ Những chu kỳ được phân tích là chu trình đẳng áp, đẳng tích, và chu trình áp suất tới hạn; mỗi cái mô tả sự xấp xỉ cho qua trình cháy của động cơ Những mô phỏng quá trình động cơ một cách chính xác hơn sẽ nói đến trong các chương sau

Với mỗi một chu trình động cơ, phải chọn mô hình đặc tính nhiệt động cho môi chất công tác Những mô hình chu trình lý tưởng của động cơ kết hợp với mô hình khí lý tưởng đơn giản cung cấp những kết quả phân tích và được sử dụng với

mục đích minh họa Ta gọi những mô hình này là những chu trình chuẩn của khí lý tưởng Những chu trình lý tưởng của động cơ kết hợp với những mô hình thực của những đặc tính môi chất công tác gọi là những chu trình không khí - nhiên liệu và

cung cấp nhiều thông tin định lượng hơn về hoạt động của động cơ

Một động cơ đốt trong không chỉ là một động cơ nhiệt trong định nghĩa nhiệt động lực học của một chu trình Nó không là một hệ thống kín Môi chất công tác thì không thể hiện một chu trình nhiệt động Sự thay đổi nhiệt độ xảy ra quanh thể tích nhỏ nhất và lớn nhất của xy lanh vềcơ bản không phải là kết quả chủ yếu của những tác động truyền nhiệt Một động cơ có thể phải được phân tích tốt nhất như là một hệ thống mở với sự thay đổi nhiệt và công tương tác với môi trường xung quanh (khí quyển) Chất phản ứng (nhiên liệu và không khí) thì nạp vào hệ; và sản phẩm (khí xả) thải ra khỏi hệ (Phân tích đinh luật hai của động cơ từ quan điểm này đã được nói đến ở chương 1) Vì vậy, trong chương này, những chu trình nói đến không phải là những chu trình nhiệt động Đúng hơn là, mỗi một chu trình là một chuỗi liên tục những quá trình mà qua đó ta có thể theo dõi trạng thái của môi chất giống như là động cơ thực hiện một chu trình hoạt động hoàn chỉnh

2.2 NHỮNG MÔ HÌNH LÝ TƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐỘNG CƠ.

Có một số giả thiết được đơn giản hóa cho mỗi quá trình thành những dạng

thuận tiện để phân tích được cho ở bảng 2-1.

Những đồ thị áp suất-thể tích cho các chu trình đẳng tích, đẳng áp và chu trình áp suất tới hạn với hoạt động của động cơ không điều khiển bướm ga được

minh họa từ hình 2-2a đến 2-2c Hoạt động của động cơ có điều khiển bướm ga (p i

< p e ) và hoạt động của động cơ tăng áp (p i > p e ) minh họa trên hình 2-2d và 2-2e

Trong mỗi chu trình, đoạn 1-2 là quá trình nén, 2-3 là quá trình cháy, 3-4 (hoăïc 2-4 trong chu trình đẳng áp) là quá trình giãn nở, đoạn 4-5-6 là quá trình xả, và đoạn 6-7-1 là quá trình nạp

Bảng 2-1: Những quá trình động cơ của mô hình khí lý tưởng.

Quá trình Các giả thiết

Hình 2-1: Đồ thị thể tích - áp suất của động cơ đánh lửa cưỡng bức

r c = 8,4; 3500 v/ph; p i = 0,4 atm; p e = 1 atm; imep n = 2,9 atm.

Thể tích xy-lanh V max

và 2 Những trường hợp mở van tại trung tâm dưới và trên.

Hút (6-7-1) 3 Không có sự thay đổi trong thể tích xy lanh như là sự chênh áp

do mở van

4 Áp suất khí xả là hằng số

5 Vận tốc ảnh hưởng không đáng kể

Giả thuyết quan trọng nhất để xác định sử dụng như thế nào những chu trình lý tưởng này như để là những chỉ thị của hiệu suất động cơ đó là dạng giả thuyết của quá trình cháy Quá trình cháy của một động cơ thực nằm trong chu kỳ góc quay giới hạn của trục khuỷu (giữa góc quay từ 20 đến 70 độ trục khuỷu), và thời điểm đánh lửa hoặc phun nhiên liệu có thể sớm hơn điểm chết trên để đạt tối ưu

Chu trình đẳng tích là trường hợp giới hạn của sự cháy rất nhanh tại điểm chết trên; chu trình đẳng áp thì tương ứng với sự cháy chậm và trễ; chu trình áp

Hình 2-2: Đồ thị thể tích - áp suất của những chu trình lý tưởng Vận hành không điều khiển: (a) cháy đẳng tích; (b) cháy đẳng áp; (c) cháy áp suất tới hạn; (d) chu trình

đẳng tích được điều khiển; (e) chu trình đẳng tích được tăng áp.

(d) (b)

LHV f

i c i

i c

V

Q m V

Với chú thích trên hình 3-2 để xác định điểm kết thúc của mỗi quá trình

động cơ, các quan hệ sau được xây dựng bằng cách ứng dụng định luật nhiệt động 1 và 2 cho xy lanh công tác của động cơ:

Kỳ nén:

c

r v

và u3 a − u2 = 0 h3 b − h3 a = 0 (2-7g, h)

Kỳ giãn nở:

Với chu trình đẳng tích:

2 3 2 4 3

v p v p h h m

v v p u u m

V V p U U

W E

−+

−

=

−+

−

=

−+

−

=

(2-11)Với chu trình áp suất giới hạn:

b a

b c

a

s s p

p r

v

v

3 4 3

3 3

a b b

E

v p v p h h m

v v p u u m

V V p U U W

3 3 4 4 4 3

3 3 3 4 3

3 3 3 4 3

−+

−

=

−+

−

=

−+

1 2 4

3 i

u u u

2 2 4 4 1 2 4

3 i

v p v p u u h h

a 3 4 4 1 2 4

b i

v p v p u u h h

ra, entanpi của mỗi nguyên tố khí sau khi thoát khỏi xy-lanh vẫn là hằng số

Những quá trình này được minh họa trên đồ thị h - s trên hình 2-3 Khí còn

Dịch chuyển của khí cháy ra khỏi xy-lanh theo quá trình thoát do pít-tông đi từ điểm chết dưới tới điểm chết trên Nếu không kể đến sự truyền nhiệt và hiệu ứng tiêu hao động năng, thì không có sự thay đổi trạng thái nhiệt động của khí cháy Trong quá trình dịch chuyển, khối lượng của khí cháy có trong xy-lanh ở cuối

quá trình xả thì giảm bởi tỉ số V 5 / V 6

Khối lượng khí sót m r trong xy-lanh ở điểm 6 trong chu trình có được bằng

cách xác định trạng thái của khí cháy (T 5 , v 5 ) vào cuối quá trình xả theo sự giãn nở

đẳng entropi từ p 4 đến p e , và bởi sự giảm thể tích xy-lanh tới thể tích trống V 6 Tỉ số khối lượng khí sót cho bởi:

5

2 5 4

v

v r

v v x m

m

c r

Trạng thái trung bình của khí xả có thể định bởi xét hệ thống hở gồm bề mặt

pít-tông, thành xy-lanh, và đầu quy-lát, như hình 3-4 Áp dụng định luật nhiệt động

thứ nhất cho hệ thống hở, ta có:

Hình 2-3: Đồ thị entropi - entanpi của trạng thái khí trong quá trình xả

s h

Nhiệt độ cuối kỳ hút và đầu kỳ nén (điểm 1 trên đồ thị hình 2-2) bây giờ có thể xác định, ta sử dụng lại hệ thống hở hình 3-4 Áp dụng định luật thứ nhất giữa

điểm 6 và 1, ta có:

p U

hay m1u1 − m6u6 = − pi( V1− V6) ( + m1 − m6) hi (2-19b)hay m1h1 = m6h6 + ( m1 − m6) hi + V2( pi − pe) (2-19c)

trong đó, h i là entanpi riêng của hỗn hợp đi vào, và p 1 = p i

Chú ý là khi p 1 = p i , phần khí sót trong xy-lanh cuối kỳ xả sẽ đi vào hệ thống hút khi xú-páp hút mở Điều này sẽ ngưng khi áp suất trong xy-lanh bằng p i

Tuy nhiên, vì không có trao đổi nhiệt xảy ra, sẽ không gây ảnh hưởng đến hệ phương trình (2-19)

Trong động cơ bốn kỳ, công được thực hiện trên pít-tông trong suốt quá trình hút và xả Công do khí cháy lên pít-tông khi xả là:

( V2 V1)

p

Công do khí cháy lên pít-tông khi hút là:

Hình 2-4: Xác định biên của hệ thống cho phân tích nhiệt động của quá trình chu trình lý tưởng

biên của hệ thống

khi p i > p e : pmep = p i− p e (2-23b)Áp suất hiệu dụng trung bình chỉ thị thực và tổng chung có quan hệ như sau:

imepn = imepg− (p e− p i ) (2-24)Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị thực và hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị tổng chung có quan hệ như sau:

f in

p p 1

,

2.4 PHÂN TÍCH CHU TRÌNH MÔI CHẤT CÔNG TÁC KHÍ LÝ TƯỞNG VỚI

HẰNG SỐ C V VÀ C P

Nếu môi chất công tác trong những chu trình lý tưởng này được giả sử là khí

lý tưởng, với hằng số c v và c p trong suốt chu trình hoạt động của động cơ, những phương trình sau sẽ mô tả đơn giản hơn công suất và hiệu suất của động cơ Ta sẽ

dùng những ghi chú ở hình 2-2.

Mẫu số m f Q LVH trong phương trình (2-14) có thể liên quan đến nhiệt độ trong

quá trình cháy Xét mô hình môi chất công tác, các đường U(T) cho các chất phản ứng và sản phẩm cháy trên đồ thị U - T là song song nhau và có cùng độ dốc, độ lớn c v Vì vậy với quá trình cháy đoạn nhiệt đẳng áp thì:

4 3 1 3

4 1

c 1 2

1 1

2

T

T V

V r

V

V T

4

T

T T

T

=

Nên (3-30) có thể viết lại:

1 c i

Giá trị của ηf , i với các giá trị γ khác nhau cho trên hình 2-5.

Áp suất hiệu dụng trung bình chỉ thị, từ (2-2) và (2-31) ta có:

1 1 1 1

c

Q p

imep

(2-32)

Những số hạng không thứ nguyên r c, γ ,Q∗ /(c v T 1) thích hợp để mô tả đặc tính

chu trình cơ bản khí lý tưởng đẳng tích, và xác định từ các điều kiện đầu p 1 , T 1

Người ta thường so sánh imep với thể tích thay đổi trong động cơ được dùng

Hình 2-5: Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chu trình đẳng tích khí lý tưởng là hàm của

1

γ

γ γ

c c

c

r r

r r p

imep

/ /

/

(2-34)

Ta thường mong được giá trị cao của tỉ số imep / p 3 Trọng lượng động cơ sẽ

tăng khi tăng p 3 để có thể chịu được sự tăng ứng suất trong kết cấu

Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị và các tỉ số imep / p 1 và imep / p 3 cho mô hình khí lý tưởng không phụ thuộc vào chu trình được điều khiển bướm

ga hay tăng áp Tuy nhiên, quan hệ giữa đặc tính môi chất công tác ở điểm 1 và 6 thì phụ thuộc vào điều khiển bướm ga hay tăng áp Với vận hành động cơ điều

khiển bướm ga, tỉ số khối lượng khí sót x r có thể xác định như sau đây Từ phương

trình (2-17), vì trạng thái 5 tương ứng với giãn nở đẳng tích từ trạng thái 4 tới p = p e

, nên x r cho bởi:

c

i e c

e

p p p

p r

p p

x / /γ / /γ 1/ 4 1/γ

1 1

2 4

3 3

2 2

1 4

c

Q r

T

T r p

p p

p p

p p p

/

1 1 1

i e c

r

r T c Q

p

p r

e

r T c

Q p

p T

T

(2-36)

Nhiệt độ hỗn hợp tại điểm 1 trong chu kỳ có quan hệ với nhiệt độ hỗn hợp

đầu vào, T i , bằng phương trình (3-19) Đối với một môi chất công tác, có hằng số

c v và c p , phương trình này trở thành:

( − ) −   −  

+

6 1

i

e c i p r p

r

p r

RT T c x T

c x T

Phương trình (2-36) và (2-37) cho ta:

Công giãn nở ở phương trình (2-13) trở thành:

b a

cho một môi chất công tác với c v và c p là hằng số suốt chu trình

Kết hợp phương trình (2-1), (2-3), và (2-39) tới (2-41), biến đổi ta có:

1 4 i

T T 1

−+

p

3

3 2

1 r

1

c i

f

αβ

αγ

αβ

Khi β =1 kết quả trên trở thành hiệu suất chu trình đẳng tích (2-31)

Khi α =1 kết quả trên trở thành hiệu suất chu trình đẳng áp như là một trường hợp đặc biệt

Áp suất hiệu dụng trung bình quan hệ với p 1 và p 3 theo phương trình sau:

c

c 1

v

r 1 T c

Q p

imep

,η

γ −  − 

i c

c 1

v c

r 1

1 T c

Q r

1 p

imep

,ηγ

α γ   −  − 

2.4.3 So sánh chu trình:

Những trình bày trên hầu hết đều dùng được nếu giá trị γ và Q∗/(c v T 1) được

chọn phù hợp với môi chất công tác thật Hình 3-5 chỉ độ nhạy của ηf, i cho chu trình đẳng tích với γ đã chọn Trong phần trước giá trị trung bình của γu và γb được xác định để phù hợp đặc tính môi chất công tác thực qua kỳ nén và kỳ giãn nở Giá trị của hỗn hợp cháy hoàn toàn thích hợp cho động cơ SI là γu≈ 1,3 và γb≈ 1,2 Tuy

nhiên, phân tích dữ liệu đẳng áp cho chu trình động cơ thực chỉ ra rằng pV n , ở n ≈

1,3 là phù hợp cho dữ liệu kỳ giãn nở p-V Trao đổi nhiệt từ hỗn hợp đã cháy gia

Xấp xỉ đơn giản cho (m a / m) là (r c - 1)/ r c , ví dụ không khí mới điền đầy thể tích thay thế và khí dư điền đầy thể tích trống với cùng mật độ Vì thế với nhiên liệu xăng cho một hỗn hợp cháy hoàn toàn Q∗ được cho bằng 2,92 x 106 (r c - 1)/ r c

J/ kg không khí Với γ = 1,3 và trọng lượng phân tử trung bình M = 29,3, thì c v =

946 J / kg.K Với T 1 = 333K, Q∗/(c v T 1 ) trở thành 9,3(r c - 1)/ r c Với những giá trị

của Q∗/(c v T 1) tất cả những chu trình sẽ đốt một hỗn hợp cháy hoàn toàn với một phần nhỏ khí cháy dư

Sơ đồ đẳng tích cho ba chu trình lý tưởng với cùng tỉ số nén và thành phần

hỗn hợp chưa cháy được cho trên hình 3-6 Với mỗi chu trình, γ = 1,3 , r c = 12, Q∗/

(c v T 1 ) = 9,3(r c - 1)/ r c = 8,525 Những đặc tính biểu diễn cho mỗi chu trình này được

tổng kết trong bảng 2-2 Chu trình đẳng tích có hiệu suất cao nhất, chu trình đẳng áp có hiệu suất thấp nhất Giá trị imep thì tỉ lệ với ηf, i vì khối lượng nhiên liệu cháy trong mỗi chu trình thì giống nhau cho cả ba trường hợp

Vì áp suất đỉnh p 3 bị giảm, tỉ số của imep trên p 3 tăng Tỉ số này là quan

trọng vì imep là số đo của áp suất có ích trên pit-tông, và áp suất cực đại thì ảnh

hưởng phần lớn đến yêu cầu sức bền của cấu trúc động cơ

Bảng 2-2: So sánh kết quả chu trình khí lý tưởng

trường hợp Tại một r c nào đó, chu trình đẳng áp có hiệu suất cao nhất và imep /

p 3 thấp nhất Với một áp suất p 3 cực đại, chu trình đẳng áp có hiệu suất cao nhất

(và tỉ số nén cao nhất) Với chu trình áp suất tới hạn, tại đoạn p 3 / p 1 là hằng số có

Hình 2-6 Đồ thị đẳng áp cho những chu trình chuẩn khí lý tưởng đẳng áp,

áp suất tới hạn và đẳng tích.

γ = 1,3 , r c = 12, Q∗/(c v T 1 ) = 9,3(r c - 1)/ r c = 8,525, p 3a / p 1 = 67

đẳng tích áp suất tới hạn đẳng áp

Trong ví dụ 2-1 cho biết những phương trình chu trình khí lý tưởng quan hệ với điều kiện dư và điều kiện hút với trạng thái khí tại điểm 1 trong chu trình Một thủ tục lặp được yêu cầu nếu điều kiện hút được chỉ rõ.

Hình 2-7 Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu như là hàm của tỉ số nén, đối với những chu

trình chuẩn khí lý tưởng đẳng áp, đẳng tích và áp suất tới hạn.

Với hỗn hợp cháy hoàn toàn của nhiên liệu xăng iso-octan, ta có:

LHV i i

f LHV

f

x 1 75 2 x 1 14 16

38 44 Q

m

m m

m Q

1

r 1

6

1 v

x 1 T

2910 x

1 T 946

10 75 2 T c

769 0 i e

6 T c Q 1

p p 6

1

×+

23 0

i

e i

r

6 T c

Q 1

p

p T

Hình 2-8 Áp suất chỉ thị hiệu dụng (imep) chia cho áp suất chu trình cực đại như là hàm

của tỉ số nén, đối với những chu trình đẳng áp, đẳng tích và áp suất

tới hạn Chi tiết giống như hình 2-7

đẳng áp

đẳng tích

áp suất tới hạn imep / p3

Với p e / p 1 = 2 (vận hành có điều khiển bướm ga), ta có:

K 1580 T

8 6 T c

Q K 391 T

082 0

1 v 1

2.5 PHÂN TÍCH CHU TRÌNH KHÔNG KHÍ - NHIÊN LIỆU.

Biểu diễn chính xác hơn những đặc tính của môi chất công tác bên trong lanh động cơ là xử lý hỗn hợp khí chưa cháy như khí trơ trong thành phần và hỗn hợp đã cháy như ở trạng thái cân bằng Giá trị của những đặc tính nhiệt động học cho những mô hình môi chất công tác có thể có được bằng những đồ thị cho hỗn hợp chưa cháy và đã cháy trong phần 2.5 trước, hoặc bảng tổng kết mã hóa máy tính ở phần 2.7 Khi những mô hình môi chất công tác này được kết hợp với mô

xy-hình quá trình động cơ thật trong bảng 2-1, những chu trình kết quả gọi là những

chu trình không khí-nhiên liệu Chuỗi những quá trình và những giả thiết là (với

những chú ý trong hình 2-2):

1-2 nén đoạn nhiệt thuận nghịch của hỗn hợp không khí, hơi nhiên liệu, và khí sót mà không có thay đổi thành phần hóa học

2-3 nén hoàn tất (đẳng tích hay áp suất tới hạn hay đẳng áp), mà không có mất nhiệt, để khí cháy trong điều kiện cân bằng hóa học

3-4 giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch của hỗn hợp đã cháy trong điều kiện cân bằng hóa học

4-5-6 xả khí thải thuận nghịch lý tưởng và quá trình thay thế bằng khí cháy đã cố định thành phần hóa học

6-7-1 quá trình hút lý tưởng với hòa trộn giữa khí sót và hỗn hợp mới, cả hai đều cố định thành phần hóa học

Những phương trình cơ bản cho mỗi quá trình đã giới thiệu trong phần 3.3 việc sử dụng những đồ thị này cho tính toán chu trình động cơ hoàn chỉnh sẽ được trình bày sau đây

2.5.1 Mô phỏng chu trình động cơ SI:

Điều kiện hỗn hợp tại điểm 1 phải biết được hay phải được ước lượng Quan hệ sau có thể dùng được cho mục đích này:

1 1

e

i e

i c i

r r

p

p p

p r T

T 1 x

=

γ

(2-47)

Việc dùng các sơ đồ quan hệ trạng thái của hỗn hợp cháy với trạng thái của hỗn hợp chưa cháy trước khi cháy, cho cháy đẳng tích đoạn nhiệt và đẳng áp được mô tả ở phần 2.5.3.

Với chu trình đẳng tích:



u f 2 s

u ,

∆ là nội năng của sự thành lập hỗn hợp chưa cháy [cho bởi biểu

thức (2-32)] Vì v 3 = v 2 , trạng thái khí cháy tại điểm 3 có thể định trên đồ thị khí cháy tương ứng (hình 2-5 tới 2-9).

Với chu trình đẳng áp:



u f 2 s

Vì p 3 = p 2 , trạng thái khí cháy tại điểm 3 có thể xác định (lặp) trên đồ thị khí

cháy nhiệt độ cao

Với chu trình áp suất tới hạn, ứng dụng định luật 1 cho hỗn hợp giữa trạng thái 2 và 3b ta có:

2 3 u f 2 s 2 3 2 b 3 b

biết từ đồ thị khí cháy cân bằng; lượng khí cháy có được từ phương trình (2-17)

Nếu giá trị của T r và x r được giả định vào lúc bắt đầu tính toán chu trình xác định

T 1 , giá trị giả định có thể kiểm tra khác với giá trị tính và một tính toán chu trình bổ sung được thực hiện với giá trị mới nếu yêu cầu Độ hội tụ khá nhanh

Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị có được từ phương trình (2-1) Áp suất hiệu dụng chỉ thị có được từ phương trình (2-2) Hiệu suất thể tích cho động cơ bốn kỳ được cho bởi:

(r 1)

v

x 1 r

c i a 1

r c

1 Hiệu quả của tăng tỉ số nén lên hiệu suất với hệ số tương đương là hằng thì như nhau để chứng tỏ bởi hằng số γ phân tích chu trình đẳng tích (cung cấp giá trị thích hợp của γ được dùng, xem hình 2-13).

2 Khi hệ số tương đương giảm dưới một đơn vị (ví dụ hỗn hợp không khí - nhiên liệu được tạo nghèo dần hơn là cháy hoàn toàn lý thuyết), hiệu suất tăng Điều này xảy ra vì nhiệt độ khí cháy sau khi cháy tăng lên, giảm nhiệt riêng khí cháy và do đó tăng giá trị ảnh hưởng của γ trong kỳ giãn nở Hiệu suất tăng bởi vì, với một tỉ số giãn nở thể tích cho trước, những khí đã cháy giãn nở qua một hệ số nhiệt độ lớn hơn trước khi xả; vì thế, với một đơn vị khối lượng nhiên liệu, công kỳ giãn nở sẽ tăng

3 Khi hệ số tương đương tăng lên một đơn vị (ví dụ hỗn hợp không khí - nhiên liệu được tạo giàu dần hơn là cháy hoàn toàn lý thuyết), hiệu suất giảm vì thiếu không khí cần thiết để oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu nhiều hơn sự bù đắp lại ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ khí cháy mà giảm nhiệt riêng của hỗn hợp

4 Áp suất hiệu dụng từ phương trình (2-2) thì tỉ lệ với φ η f , i Những biểu thị này tối đa giữa φ ≈ 1,0 và φ≈ 1,1; ví dụ, giàu không đáng kể của cháy hoàn

toàn lý thuyết) Với φ ít hơn giá trị tương ứng với cực đại này, sự giảm khối

lượng nhiên liệu trên một đơn vị thể tích thay thế nhiều hơn bù đắp sự tăng hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu Với φ lớn hơn giá trị này, sự giảm hiệu

suất chuyển đổi nhiên liệu (do giảm hiệu suất cháy) nhiều hơn bù đắp lại sự tăng khối lượng nhiên liệu

5 Những thay đổi áp suất ban đầu, nhiệt độ đầu vào, lượng khí sót, và độ ẩm không khí chỉ có ảnh hưởng vừa phải lên hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu

Tuy nhiên, những ảnh hưởng của sự thay đổi trong các biến này lên imep thì đáng kể hơn, bởi vì imep phụ thuộc trực tiếp lên mật độ nạp ban đầu.

6 So sánh các kết quả từ những chu trình áp suất tới hạn và đẳng tích chỉ rằng đặt một giới hạn thực tế trên áp suất cực đại làm giảm những ưu điểm của

tăng tỉ số nén trên cả hiệu suất và imep.

Hình 2-9 Kết quả chu trình không khí-nhiên liệu cho áp suất hiệu dụng chỉ thị là hàm của

tỉ số nén và hệ số tương đương

Nhiên liệu : octene; p 1 = 1atm; T 1 = 388 K; x r = 0,05

Hệ số tương đương nhiên liệu / không khí φ

Hình 2-10 Kết quả chu trình không khí-nhiên liệu cho hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu là

giãn nở tăng thêm này là 4-5-6 Kỳ hút là 6-1 Diện tích 14’451 được cộng thêm

diện tích đồ thị p-V chu trình truyền thống, cho cùng một đầu vào nhiên liệu, vì vậy

tăng hiệu suất động cơ

Quá trình giãn nở hoàn chỉnh trong xy-lanh tới áp suất xả p e (điểm 5*) gọi là

chu trình Atkinson Vận hành không điều khiển bướm ga cho trên hình 3-11 Chu

trình có điều khiển bướm ga có thể phát triển ra

2.7 SO SÁNH VỚI CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ THỰC

Đặt những mô hình lý tưởng của những quá trình động cơ này trong mối quan hệ với nhau, chương này sẽ đúc kết với những trình bày tóm tắt của những ảnh hưởng cộng thêm mà nó quan trọng trong quá trình động cơ thực

So sánh đồ thị p-V một động cơ thực trên kỳ nén và giãn nở với sự phân tích chu trình không khí - nhiên liệu tương đương trên hình 2-12 Động cơ thực và chu

trình không khí - nhiên liệu có cùng một tỉ số nén hình học, thành phần hóa học nhiên liệu và hệ số tương đương, lượng khí sót và mật độ hỗn hợp trước khi nén Ở giữa quá trình nén, áp suất trong chu trình không khí - nhiên liệu tạo ra bằng áp suất chu trình thực Những sự khác biệt bình thường trong áp suất suốt kỳ hút và phần của kết quả quá trình nén sớm từ áp suất rơi bên kia xú-páp hút suốt quá trình hút và đóng của xú-páp hút 40 đến 60° sau điểm chết dưới trong động cơ thực Áp

Hình 2-11 Đồ thị áp suất - thể tích cho chu trình động cơ giãn nở tăng thêm và chu trình Atkinson r c và r e là tỉ số nén thể tích và tỉ số giãn nở

Những sự khác biệt này, được mô tả ở dưới Chúng góp phần lên vùng diện tích

kèm thêm trên đồ thị p-V cho động cơ được điều chỉnh một cách thích hợp với thời điểm tối ưu là khoảng 80% của diện tích kèm thêm của đồ thị p-V chu trình không

khí - nhiên liệu tương đương Sự chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị hay hiệu suất chuyển đổi có ích của động cơ thực là khoảng 0,8 lần hiệu suất tính toán cho chu trình không khí - nhiên liệu Việc sử dụng tỉ số này thường thường để ước tính sự biểu diễn của động cơ thực từ kết quả chu trình không khí - nhiên liệu

1 Truyền nhiệt Truyền nhiệt từ hỗn hợp chưa cháy tới thành xy-lanh có một

ảnh hưởng không đáng kể trên đường p-V cho quá trình nén Truyền nhiệt từ

khí cháy thì quan trọng nhiều hơn Vì truyền nhiệt trong suốt quá trình cháy, áp suất cuối quá trình cháy trong chu trình thực sẽ thấp hơn Trong suốt kỳ giãn nở, truyền nhiệt sẽ tạo nên áp suất khí trên chu trình thực rớt xuống dưới đường giãn nở đẳng entropi vì thể tích tăng Sự giảm hiệu suất nhiệt do sự mất mát này

2 Thời gian cháy hữu hạn Trong động cơ SI để điều chỉnh thời điểm đánh lửa

Hình 2-12 Đồ thị áp suất - thể tích cho động cơ đánh lửa cưỡng bức thực tế so với đồ

thị chu trình không khí - nhiên liệu tương đương r c = 11.