Bài giảng nguyên lý động cơ đốt trong

ĐỘNG CƠ NHIỆT  ĐỐT CHÁY NHIÊN LIỆU  TẠO NHIỆT  TRUYỀN NHIỆT CHO MÔI CHẤT  Biến đổi trạng thái nhiệt của môi chất để chuyển NHIỆT NĂNG thu được thành cơ năng 1.2.. So sánh các chu tr

4 Nguyên lý làm việc của Động cơ đốt trong

• Những khái niệm cơ bản

• Động cơ 4 kỳ, không tăng áp

• Động cơ 2 kỳ

Chương 1

KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

 Giao thông vận tải: bộ, thuỷ, hàng không, sắt

 Nông nghiệp: thuỷ lợi, động lực

 Lâm nghiệp: khai thác, trồng trọt

 Xây dựng: kiến thiết

 Quân sự: hải, lục, không quân

 Phát điện

1.2.1 ĐỘNG CƠ

1.2.2 ĐỘNG CƠ NHIỆT

 ĐỐT CHÁY NHIÊN LIỆU  TẠO NHIỆT 

TRUYỀN NHIỆT CHO MÔI CHẤT

 Biến đổi trạng thái nhiệt của môi chất để

chuyển NHIỆT NĂNG thu được thành cơ năng

1.2 ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG LÀ ĐỘNG CƠ NHIỆT

Nhiên liệu + Không khí

ƯU ĐIỂM

1 Hiệu suất rất cao

- Diesel hiện đại: 40-50%;

5 Khi ngừng máy không cần tiêu hao

nhiên liệu nữa

1 Cấu tạo phức tạp, độ chính xác cao, chi

5 Công suất cực đại không cao

6 Khả năng quá tải kém

KHUYẾT ĐIỂM

1 Theo cách thực hiện chu trình: đc 4 kỳ, 2 kỳ

2 Theo dạng chu trình nhiệt động: đẳng áp,

đẳng tích, hỗn hợp

3 Theo phương pháp nạp: tăng áp, không tăng

áp

4 Theo nhiên liệu sử dụng: khí, lỏng, rắn

5 Theo phương pháp hình thành hỗn hợp: bên

ngoài, bên trong

6 Theo phương pháp đốt cháy hỗn hợp: cưỡng

1 Những khái niệm cơ bản

1.Xylanh-piston 2.Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

3.Hệ thống nạp thải 4.Hệ thống phối khí 5.Hệ thống đánh lửa

Intake Compression Combustion Exhaust

3 Thời điểm đóng mở supap nạp và thải không trùng với các điểm chết  góc phối khí

1 2 3 4

1

2

3 4

So sánh Động cơ 2 kỳ và 4 kỳ

Ưu điểm:

 Khi cùng Vh, n  động cơ 2 kỳ có hành trình sinh

công gấp đôi và CS lớn hơn khoảng 50-70%

 ĐC 2 kỳ chạy đều và êm hơn

 ĐC 2 kỳ không có supap nạp, nếu có supap chỉ là

CHƯƠNG 2 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1 Những kiến thức cơ bản quan trọng của nhiệt kỹ thhuật dùng trong nguyên lý động cơ

2.2 Khái niệm

2.3 Các chu trình lý tưởng

2.4 Phân tích các chu trình lý tưởng

2.5 So sánh các chu trình

Mục đích

• Nghiên cứu quá trình nhiệt xảy ra trong

động cơ, xây dựng mối quan hệ toán học

tương đối đơn giản giữa các chỉ tiêu kỹ

thuật của động cơ bao gồm hiệu suất,

công suất, với những nhân tố chủ yếu

của chu trình công tác.

• Đánh giá mức độ hoàn thiện của những

quá trình ấy, trên cơ sở đó xác định

phương hướng chủ yếu nâng cao chất

lượng làm việc của động cơ

Nội dung

1 Những kiến thức cơ bản quan trọng

của nhiệt kỹ thuật dùng trong

• Thể tích của một đơn vị khối lượng:

• Khối lượng riêng:

2.1.3 Tỷ nhiệt:

Tỷ nhiệt giữa môi chất là tỷ số giữa vi lượng biến

thiên nhiệt lượng với vi lượng biến thiên về

=

2.1.4

2.1.4 Định Định luật luật nhiệt nhiệt động động thứ thứ nhất nhất::

Q = U + L

Q: biến đổi về nhiệt lượng

U: biến đổi về nôị năng

L: công của chu trình hay dq = Cvdt + pdv

Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình

dùng để sinh công và biến đổi nội năng

của môi chât.

P 2

P

=

T

CvdT T

dq

ds = =

1

2 1

2

ln ln

P

P Cv T

T Cv

2

T

TV

V

=

T

dT Cp T

dq

2 2

1 Môi chất công tác hoàn toàn ở thể khí

2 Quá trình nén và giãn nở môi chất công tác

biến đổi đoạn nhiệt

3 Không có trở lực nạp và thải khí, sự thay đổi

thể tích ở điều kiện khí trời

4 Quá trình cháy được thay thế bằng việc cấp

một lượng nhiệt Q 1 và lượng nhiệt do quá

trình thải lấy đi được thay bằng Q 2

5 Tỉ nhiệt của môi chất không thay đổi

2.2.2

2.2.2 Các Các chỉ chỉ tiêu tiêu cần cần nghiên nghiên cứu cứu::

1.Tính kinh tế:

1.Tính kinh tế: Tính kinh tế của chu trình Tính kinh tế của chu trình

được đặc trưng bởi hiệu suất nhiệt

được đặc trưng bởi hiệu suất nhiệt   là tỉ số là tỉ số

giữa lượng nhiệt chuyển biến thành công chia

cho lượng nhiệt cấp cho môi chất công tác

Q1: : nhiệt lượng cấp cho chu trình nhiệt lượng cấp cho chu trình

Q2:: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh

Ltt: : công của chu trình công của chu trình

1

t 1

2 1

2 1 t

Q

LQ

Q1Q

QQ

=-

=

-=h

2.Tính hiệu quả

Tính hiệu quả đặc trưng bởi

công đơn vị của chu trình

tức là công tương ứng với

một đơn vị thể tích công tác

của xi lanh

P t còn gọi là áp suất bình

quân, là áp suất tưởng

tượng, không đổi, sau một

hành trình của piston thì

phát sinh một công bằng

công của chu trình.

2 h

t

V L

P =

Chu trình hỗn hợp là chu trình lý tưởng của

động cơ Diesel, động cơ có cầu giữ nhiệt

Đặc trưng bởi sự cấp nhiệt ban đầu ở thể tích

không đổi cy sau đó với áp suất không đổi yz

Số lượng nhiệt đưa vào:

Q1 = Q’1 + Q’’1Nhiệt thải ra ở trạng thái thể tích không đổi

Là chu trình lý tưởng của động cơ Diesel hiện

đại.

V

V V

V

=

= r

e

=

=

=rd

=d

c

a z

a c z z b

V

VV

VVVVV

Q1 = Q'

1 + Q '' 1

- - -

Ty Tc b k Taz Ty

T T

- - -

y

c

T P

P T

y

z

T V

V T T T

d

-lr e

-=

h

-

-

-

-1ka1ka

1ka1ka

a1k

1kat

T T

k T

T

T

1 T

-

-=

l e

rle

d

lr e

h

1 1

1 1

1 1

1

k k

k

k k

1k

kt

r l

- - l e

lr -

-= h

2 Áp suất bình quân:

h

t t

V

L

P =

t1

c z

c b

= - rd

 1  V

1 k

1 T

C V

Q V

L

P

a

t 1

k a v h

t 1 h

t

t

rd

-eh - r l

 - l e

a

P 1 k

R

P

t1

kat

e

-eh -

r l

 - l

e -

=

k a

1 1

k

P

e -

Đặc trưng bởi sự cấp nhiệt Q Đặc trưng bởi sự cấp nhiệt Q 1 trong điều kiện thể

tích không đổi, còn lại giống chu trình hỗn hợp

V=Ct V=Ct   r r=1, =1, d d = = ee

Hiệu suất nhiệt và Ap suất bình quân

  t

k a

1 1

k

P

e

-e -

=

k 1 k t

r

r e

1 1 k

P

e

-e -

=

1P

-e -

= h

htv chỉ phụ thuộc vào 2 đại lượng tỷ số n chỉ phụ thuộc vào 2 đại lượng tỷ số né én n

ee (thông số kết cấu) và chỉ số nén đoạn nhiệt (thông số kết cấu) và chỉ số nén đoạn nhiệt

k, tức là phụ thuộc vào tình chất của môi chất

công tác.

Hiệu suất nhiệt của chu trình không phụ

thuộc vào lượng nhiệt cấp vào và phụ tải của

k =

v v

v v

p

C

R C

R C C

C

k= =  = 1 

•• Vì là chất khí nên R=const, nên nếu muốn k Vì là chất khí nên R=const, nên nếu muốn k

tăng, thì phải giảm Cv Việc thay đổi k thực tế

không làm được, tăng k chỉ còn cách là tăng

không làm được, tăng k chỉ còn cách là tăng  

•• Với những giá trị của Với những giá trị của ee và k đã cho thì và k đã cho thì h htt không

thay đổi, tức là không phụ thuộc và công của chu

trình.

•• Khi tăng Khi tăng ee thì áp suất cuối quá trình giản nở thì áp suất cuối quá trình giản nở

giảm và vì vậy nhiệt cũng giảm Điều đó dẫn đến

làm giảm lượng nhiệt truyền cho nguồn lạnh, tức

là giảm mất mất nhiệt.

2 Áp suất bình quân Ptt::

 1  1   1 

-

e

h e

k P

k a

t

••P Pt tỷ lệ thuận với áp suất đầu quá trình nén

Pa Pa có ảnh hưởng đến công của chu trình

v

và à công suất động cơ công suất động cơ.

••Khi Q Khi Q1=const, tăng =const, tăng ee thì P thì Ptt tăng mặc dù tăng mặc dù l l

c

có ó giảm đôi chút vì từ (2) giảm đôi chút vì từ (2)  

Khi Khi ee tăng t tăng thì hì P Ptt tăng nhưng tăng chậm hơn

so với

so với h htt

(2)

1T

C

Q

1 k a v

1

e

=

-• Khi giữ nguyên e nếu tăng l thì Pt tăng, Pt tăng

nhanh hơn so với mức tăng của l.

• KẾT LUẬN: Như vậy tăng tỷ số nén e là biện pháp

tốt nhất để tăng htvà Ptnhưng tỷ số nén trong động

cơ xăng và động cơ ga bị han chế do hiện tượng cháy

sớm và kích nổ

exăng= 7  12; ega= 7  12 ; edầu hoả = 4,5  5,2

Thực tế:

• - Đốt nhiều nhiên liệu xăng tức l tăng thì Pt tăng.

• - Pa tăng thì Pt tăng nghĩa là điều khiển bộ chế hoà

khí cho phù hợp

kt

r

r e

thuộc vào tỷ số giản nở sớm

thuộc vào tỷ số giản nở sớm r r



 Ảnh hưởng của Ảnh hưởng của ee, k đến , k đến hhtt giống như trong

chu trình đẳng tích.

Công của của chu chu trình trình tăng tăng lên lên ((tức tức r r tăng tăng) ) thì thì

htt giảm giảm h htt cực cực đại đại khi khi mà mà số số nhiên nhiên liệu liệu Q Q1

T C

Q 1

k

1

a v

1 1

k

=

=

= e - r l

1 k 1

k

k t

-

-lr -

= - r l

 - l e

lr -

 r

= l

-d

d k

d

-l

rl

l

rld

dk

1 k

1 d

r

- r

 r

= l

-Khi Q1=const, nếu tăng l thì do k>1 và r 1

nên rk-1 > 0, r -1  0, 1-k < 0, nghĩa là vi phân

theo l thì bao giờ cũng âm Nghĩa là trong

điều kiện Q1=const nếu ta tăng l thì r giảm và

lrkcũng giảm, suy ra giảm, do vậy ht

tăng.

Khi lmax thì r=1 tăng cấp nhiệt đẳng tích thì

hiệu suất lớn, htmin khi rmax, l=1

  1 11  1 1 1

-=

rllr

A

1

k

lr

1 k

P 1

P l -  l r - h

-

-e

e

=

••Khi Khi h htt tăng tăng thì thì P Ptt tăng tăng

- Khi Khi r r=const, =const, tăng tăng l l thì thì P Ptt tăng

Nếu Nếu r r   const, const, m mà à l l = const = const nếu nếu tăng tăng r r

thì

thì áp áp suất suất bình bình quân quân P Ptt sẽ sẽ tăng tăng

Tăng Tăng Q Q1 nghĩa nghĩa llà à tăng tăng B, B, tăng tăng P Pa thì thì P Ptt

Trạng

Trạng thái thái ở ở điểm điểm a a của của chu chu trình trình như như sau sau

••Với Với chu chu trình trình đẳng đẳng tích tích V=const V=const

Tds

dq T

dq

12 a 2

••Đối với chu trình đẳng áp P=const Đối với chu trình đẳng áp P=const

• Điểm Điểm a a v và à c c trùng trùng nhau nhau với với cùng cùng ee

•• Đường Đường cấp cấp nhiệt nhiệt đẳng đẳng áp áp thoải thoải hơn hơn

- Điểm a,c trùng nhau từ c theo czv

Q1=F1acz’z2, đường z2 gặp abp tại:

- So sánh F1abv2v<F1ab2<F1abp2p

nên Q2v < Q2vp < Q2p

 htv > ht > htp

2 ' cz 1

2 ab 1 1

2 1

2 1

t

F

F 1 Q

Q 1 Q

Q Q

-= -

=

-= h

2.5.2 Cùng Q1, Pz

- Trên quan điểm thực tế phải tiến hành so sánh các

chu trình trong điều kiện cùng một trị số về áp suất

cực đại Pz= Pcl và cùng một lượng nhiệt đưa vào Q1

Nên Nên h htp > > h htvp > > h htv

Do đó ở cùng một trị số áp suất cực đại Pzz như

nhau nhưng với tỷ số nén

nhau nhưng với tỷ số nén ee khác nhau, chu trình khác nhau, chu trình

đẳng áp kinh tế hơn so với chu trình đẳng tích

có tỷ số nén nhỏ Chu trình hỗn hợp có trị số

trung gian do các

trung gian do các l l và và r r quyết định quyết định

Trong thực tế động cơ Diesel hiệu suất cao

hơn động cơ xăng mặc dù nó làm việc với

chu trình ít kinh tế hơn vì tỷ số nén của nó

lớn hơn rất nhiều so với động cơ xăng.

CHƯƠNG 3 MÔI CHẤT CÔNG TÁC

3.1 Định nghĩa môi chất công tác

3.2 Nhiên liệu dùng cho động

cơ đốt trong

3.3 Phản ứng cháy và sản vật cháy của nhiên liệu

3.4 Tỉ nhiệt của môi chất công tác

Mục đích

• Nghiên cứu các loại nhiên liệu dùng

cho động cơ đốt trong và phản ứng

cháy của nhiên liệu đối với không khí,

đồng thời qua đó tính lượng môi chất

có trong xilanh động cơ.

• Nghiên cứu về tỉ nhiệt môi chất công

tác qua đó ta hiểu ảnh hưởng của tỉ

nhiệt đến công suất và hiệu suất của

động cơ.

3.1 Định nghĩa:

Môi chất công tác là chất môi giới dùng

để thực hiện chu trình công tác thực tế của

động cơ nhằm biến nhiệt năng thành cơ

năng.

Bao gồm:

- Chất oxy hoá thường là không khí

- Hơi nhiên liệu và sản vật cháy của nhiên

liệu.

Trong quá trình làm việc môi chất luôn luôn

thay đổi về tính chất lý hoá của nó.

Quá trình nạp, gồm:

- Khí sót còn lại trong xylanh ở chu trình

trước

- Không khí mới (động cơ Diesel) hoặc

hỗn hợp khí mới (không khí+hơi xăng).

3.2 Nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong.

Yêu cầu:

 Dễ hoà trộn với không khí.

 Phải cháy kiệt, sau khi cháy không để lại bụi, tro vì

tro sẽ bám vào vách xylanh làm secmăng, piston,

lót xylanh mòn rất nhanh.

 Nhiệt trị cao.

Nhiên liệu chủ yếu:

- Thể lỏng: Tinh khiết, không chứa bụi tro.

- Thể khí: Tinh khiết.

- Thể rắn: Chỉ dùng nó sau khi đã biến nó thành

nhiên liệu thể khí hoặc lỏng.

3.2.1 Nhiên liệu thể khí:

Khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên: Sản vật của các mỏ khí, khí

mỏ dầu hoả hoặc mỏ ga khí khác.

Khí công nghiệp

Khí công nghiệp: Lấy từ tinh luyện dầu mỏ

được CnH2n họ oxit cacbon và carbuahydro

chưa cháy, khí lò cao.

Khí lò ga

Khí lò ga: Khí lấy từ việc khí hoá các nhiên

liệu thể rắn trong các thiết bị đặc biệt như lò

ga

2C + O2 = 2CO Sản phẩm lấy ra là:

N - O (H ) - C H - (CH ) (CO)

3.2.1.1 Cấu tạo nhiên liệu khí:

• Tuỳ theo trạng thái lý hoá và phương pháp

chế tạo nhiên liệu, thể khí chia ra làm: Khí

nén thành nước, khí nén và khí lò ga.

• Bất cứ nhiên liệu thể khí nào cũng là hỗn

hợp cơ học của nhiều thứ khí cháy và khí

trơ khác nhau

• Thành phần chủ yếu: Oxit carbon (CO),

Mêtan (CH4), các loại Carbon hydro (CnHm),

khí Carbonic (CO2), Oxy (O2), Hydro (H2),

Sunfur Hydro (H2S) và các thứ khí trơ mà

chủ yếu là N2.

Công thức hoá học chung của bất cứ

một chất thành phần nào có trong nhiên

liệu thể khí là:

CnHmOr (n= 0  5, m = 012, r = 0 2)

Nếu hàm lượng của từng chất thành

phần trong 1 kmol nhiên liệu khí biểu thị

theo % của thể tích thì thành phần của

nhiên liệu khí được xác định:

1 Kmol = CnHmOr + N2 (1 m3 tiêu chuẩn)

Gồm các khí thiên nhiên và khí thu được khi tinh

luyện dầu mỏ, thành phần chủ yếu là Mêtan (CH 4 )

(30  99%)

3.2.1.3 Ứng dụng:

Dùng trong động cơ đốt trong tĩnh

tại và động cơ vận tải

3.2.2 Nhiên liệu lỏng:

3.2.2.1 Nguồn gốc:

• Nhiên liệu thể lỏng thường là sản phẩm

chưng cất dầu mỏ

• Là hỗn hợp của nhiều carbon hydro có kết

cấu phân tử khác nhau, quyết định tính chất

hoá học cơ bản của nhiên liệu và ảnh

hưởng rất nhiều đến quá trình bốc hơi tạo

hoá khí và cháy của nhiên liệu động cơ.

3.2.2.2 Cấu tạo: Thành phần chủ yếu

của dầu mỏ bao gồm:

3.2.2.2.1 Paraphin (Anken) CnH2n+2

Là một hợp chất hữu cơ mạch hở,

phân tử liên kết theo mạch thẳng hay

nhánh.

Theo số liên kết giữa các nguyên tử C,

chia ankan làm 3 loại:

• Paraphin no: là một carbua no, nguyên

tử carbua liên kết đơn, mạch thẳng

Công thức cấu tạo: CnH2n+2

Ngoài ra có những carbua đồng vị với

Chưa bão hoà, không no là một carbua

mạch hở có liên kết kép giữa các nguyên

• Acetylen

Là carbua hydro mạch hở, không no liên kết

giữa các nguyên tử cacbon

Công thức là: CnH2n-2

• Olêphin và axetylen thường không chứa

trong dầu mỏ nhưng hình thành khi tinh

luyện dầu mỏ.

• Trong xăng, tốt nhất là thành phần của nó

có các đồng vị của ankan bởi vì chúng rất

khó kích nổ.

• Trong Diesel, thành phần tốt nhất là ankan

mạch thẳng vì nó có nhiệt độ tự cháy thấp

hơn các chất izoankan, tính ổn định hoá học

ở nhiệt độ cao rất kém do đó thời gian cháy

trễ rất ngắn

3.2.2.2.2 Xicơlen:

Có kết cấu phân tử theo mạch vòng gồm

5 hoặc 6 cacbon liên kết đơn, công thức

chung CnH2n

Cấu trúc phân tử vòng đảm bảo tính khó

bốc cháy lớn, tính ổn định hoá học cao,

khó phân giải, do đó thời gian cháy trễ dài

Trong xăng có chứa Xicơlen sẽ tăng được

3.2.2.2.3 Carbua thơm:

 Có cấu trúc vòng với nhân benzen, công

thức CnH2n-6

 Nhân benzen làm cho carbua thơm rất ổn

định, khó oxy hoá và phân giải vì thế làm

cho nhiên liệu Diesel rất khó cháy

 Trong xăng có chứa carbua thơm sẽ nâng

hợp, phương pháp điểm lửa, )

•  có những yêu cầu khác nhau đối với

nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong.

Theo những chỉ tiêu chính chia ra:

 Nhiên liệu dùng cho động cơ carbuaratơ

 Nhiên liệu dùng cho động cơ Diesel

Tất cả nhiên liệu lỏng lấy từ dầu mỏ chủ yếu

gồm các nguyên tố cacbon, hydro, oxi, đôi khi

có thêm một lượng ít Lưu huỳnh, Nitơ.

Thành phần nguyên tố theo trọng lượng của

nhiên liệu lỏng có thể viết:

C+H+O=1

(C,H,O là số phần trăm tính theo trọng lượng

của cacbon, hydro, oxi chứa trong 1kg nhiên

liệu lỏng)

3.3.Tính chất của nhiên liệu:

3.3.1 Tính chất lý hoá:

3.3.1.1 Khối lượng riêng  (g/cm3): Khối lượng

của một đơn vị thể tích nhiên liệu lỏng ở nhiệt

độ 200C.

• Nhiên liệu nhẹ có khối lượng riêng từ 0,65 

0,8 g/cm3, dễ bay hơi, khó xé tơi.

• Nhiên liệu có khối lượng riêng từ 0,8  0,95

g/cm3, khó bay hơi, khó xé tơi.

Tuy không tiêu biểu cho lượng nhiên liệu

nhưng nhờ đó có thể phân biệt nhiên liệu loại

nhẹ hay nặng, cho ta biết khả năng bay hơi

để phán đoán bốc cháy của nhiên liệu.