Nghiên cứu thiết kế động cơ thí nghiệm một xy lanh có tỷ số nén thay đổi

+ Hình thành hỗn hợp bên trong động cơ: động cơ Diesel - Theo phương pháp đốt cháy khí hỗn hợp công tác: + Động cơ đốt cháy cưỡng bức: nhờ tia lửa điện của bugi + Động cơ tự cháy: là l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

Đà Nẵng, năm 2018

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng ai công bố trong các công trình nào khác!

Đà Nẵng, Ngày tháng năm 2018

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

LÊ ĐỨC TRỌNG NGUYỄN

Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ thay đổi tỷ số nén đem lại nhiều ý nghĩa cho việc phát triển động cơ đốt trong Khi động cơ thay đổi tỷ số nén ra đời nó giúp chúng

ta thuận lợi cho việc nghiên cứu động cơ và tìm kiếm nhiên liệu mới

Trong luận văn này, tác giả đã thiết kế chế tạo thành công động cơ thay đổi tỷ số nén từ động cơ diesel D28- có tỷ số nén thay đổi 8.5-16.3 bằng phương pháp điều chỉnh cơ khí Các kết quả thực nghiệm chạy trên băng thử công suất POWER TEST 500HP ở các tỷ số nén khác nhau đo được ở: 16.3 (CS/Moomen lớn nhất), 16(CS/MM), 15.75(CS/MM), 15(CS/MN) cũng đã cho thấy sự thay đổi công suất và

mô men là khá lớn Ở các tỷ số nén 15.75-16.3 động cơ vẫn sử dụng được thực nghiệm đối với nhiên liệu diesel, từ 8.5-15.5 động cơ sử dụng được cho nhiên liệu xăng.

SUMMARY OF TITLE

The research of a compression turbo engine’ designand manufacturebring lots of meaning to the development of internal combustion engine When an engine changes compression ration, it helps with engine research and finding of new fuel

Within this thesis, the author sucessfully created a compression turbo engine from a diesiel D28 engine with has compression ration varies from 8.5- 16.3 through adjustment machanism The experiment’s results from mechanical test bench POWER TEST 500HP in different compression ratios were measured at 16.3 (biggest CS/ MN), 16(CS/MN), 15.75 (CS/MN) which indicate quite large change in capacity and moment At compression ratios of 15.75-16.3, the engine can practically be used with diesel fuel, from 8.5-15.5, the engine is usable with gasoline

LỜI CAM ĐOAN 3

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 4

SUMMARY OF TITLE 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 11

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 13

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

3.1 Đối tượng nghiên cứu: 1

3.2 Phạm vi nghiên cứu: 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYỀN THỐNG 4

1.1.1 Động cơ đốt trong là loại động cơ cao hiệu suất nhiệt cao nhất 4

1.1.2 Ưu và khuyết điểm của động cơ đốt trong 5

1.1.3 Phân loại 6

1.1.4 Một số thuật ngữ và khái niệm thông dụng 8

1.1.5 Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong pittông 10

1.1.5.1 Động cơ xăng 4 kỳ 10

1.1.5.2 Động cơ Diesel 4 kỳ không tăng áp 13

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 16

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 17

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 17

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 18

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

2.1 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ SỐ NÉN ĐẾN QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 20

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số nén đa biến n1 trung bình 23

2.1.3 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ xăng 24

2.1.4 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ Diesel: 25

2.1.5 Tỷ số nén điển hình của động cơ đốt trong hiện nay 25

2.2 CÁC PHƯƠNG ÁN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 27

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐIỀU CHỈNH TỶ SỐ NÉN CHO ĐỘNG CƠ 36

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ TRONG THỰC NGHIỆM 37

2.4.1 Xây dựng đường đặc tính tốc độ ngoài động cơ 37

2.4.2 Mối liên hệ giữa tỷ số nén đến công suất động cơ 38

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI 40

3.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ĐỘNG CƠ DIESEL D28 40

3.1.1 Thông số kỹ thuật 40

3.1.2 Đặc điểm kết cấu động cơ Diesel D28 40

3.1.2.1 Nắp máy 41

3.1.2.2 Thân máy 41

3.1.2.3 Cacte 42

3.1.2.4 Cơ cấu phân phối khí 42

3.1.2.5 Hệ thống bôi trơn và làm mát 43

3.1.2.6 Pittông 43

3.1.2.7 Thanh truyền 44

3.1.2.8 Trục khủy 45

3.1.2.9 Hệ thống nhiên liệu 46

3.2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 48

3.3 PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY 50

3.4 THIẾT KẾ PITTÔNG THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN 51

3.5 THIẾT KẾ ĐỒ GÁ CẢM BIẾN ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY 54

3.6 THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐẶC TÍNH KẾT CẤU DỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XILANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI 56

3.6.1 Đặc tính kết cấu động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi 56

3.6.2 Thông số kỹ thuật động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi 58

3.6.3 Điều chỉnh thay đổi thể tích buồng cháy động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi 58

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 61

4.1 MỤC ĐÍCH THỬ NGHIỆM 62

4.2 ĐỐI TƯỢNG THỬ NGHIỆM 62

4.3 QUY TRÌNH VÀ PHẠM VI THỬ NGHIỆM 62

4.3.1 Quy trình thực nghiệm 62

4.3.2 Phạm vi thử nghiệm 63

4.4 SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THỬ NGHIỆM VÀ TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM 63

4.4.1 Giới thiệu về thiết bi thử công suất động cơ 63

4.4.2 Các bộ phận thuộc băng thử công suất 65

4.4.2.1 Hệ thống đo lường 65

4.4.2.2 Phanh thủy lực 65

4.4.2.3 Các tín hiệu cảm biến đầu vào 66

4.4.2.4 Các thiết bị sử lý tín hiệu 71

4.4.2.5 Tổng quan phần mềm 73

4.5 TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL 74

4.6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 77

4.6.1 Kết quả đo công suất động cơ trên băng thử tải 77

4.6.2 Kết quả đo áp suất nén động cơ 78

4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 80

KẾT LUẬN CHUNG 81

PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Tài liệu tham khảo trong nước 83

Tài liệu nước ngoài: 83

Hình 1- 1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong 5

Hình 1- 2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong 8

Hình 1- 3 Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong pittông sử dụng xăng 10

Hình 1- 4 Đồ thị công động cơ xăng 4 kỳ 10

Hình 1- 5 Đồ thị pha phân phối khí 11

Hình 1- 6 Nguyên lý làm việc động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp 13

Hình 1- 7 Đồ thị công động cơ diesel 4 kỳ 14

Hình 1- 8 Thiết kế thay đổi thể tích cháy 17

Hình 2- 1 Các hướng thay đổi tỷ số nén 28

Hình 2- 2 Các mô hình động cơ thay đổi tỷ số nén đã được thực hiện 29

Hình 2- 3 Động cơ thay đổi tỷ số nén Saab 30

Hình 2- 4 Động cơ thay đổi tỷ số nén FEV 31

Hình 2- 5 Động cơ thay đổi tỷ số nén INFINITI 32

Hình 2- 6 Động cơ thay đổi tỷ số nén MCE-5 34

Hình 2- 7 Phương án thay đổi thể tích buồng cháy bằng buồng cháy phụ được thiết kế trên nắp máy 36

Hình 3- 1 Động cơ Diesel D28 40

Hình 3- 2 Nắp máy động cơ Diesel D28 41

Hình 3- 3 Thân máy động cơ Diesel D28 41

Hình 3- 4 Cấu tạo của hệ thống phân phối khí 42

Hình 3- 5 Kết cấu pittông động cơ Diesel D28 43

Hình 3- 6 Cấu tạo thanh truyền 44

Hình 3- 7 Cấu tạo của trục khủy 45

Hình 3- 8 Bơm cao áp PF 46

Hình 3- 9 Vòi phun nhiên liệu 47

Hình 3- 10 Mặt cắt nắp máy trước khi gia công 48

Hình 3- 11 Bề mặt nắp máy trước khi gia công 48

Hình 3- 12 Vị trí lắp đặt cơ cấu thay đổi tỷ số nén 49

Hình 3- 13 Kết cấu thay đổi tỷ số nén đã chế tạo 50

Hình 3- 14 Vị trí lắp đặt cơ cảm biến áp suất buồng cháy 51

Hình 3- 15 Pittông phụ trong cơ cấu thay đổi tỷ số nén 52

Hình 3- 16 Cơ cấu đo hành trình dịch chuyển của pittông phụ điều chỉnh thay đổi tỷ số nén 53

Hình 3- 17 Pittông chính của động cơ thí nghiệm 1 xilanh có tỷ số nén thay đổi khi động cơ hoạt động theo phương pháp tự cháy 54

Hình 3- 18 Pittông chính của động cơ thí nghiệm 1 xilanh có tỷ số nén thay đổi khi động cơ hoạt động theo phương pháp đốt cháy cưỡng bức 54

Hình 3- 19 Đồ gá cảm biến đo áp suất buồng cháy 55

Hình 3- 20 Hình bản vẽ lắp đồ gá cảm biến áp suất 56

Hình 3- 21 Động cơ sau khi gia công 57

Hình 3- 22 Cơ cấu cần liên động điều chỉnh độ mở bơm cao áp 57

Hình 4- 3 Cảm biến lực cánh tay đòn 66

Hình 4- 4 Cảm biến tốc độ 67

Hình 4- 5 Cảm biến tiêu hao nhiên liệu 67

Hình 4- 6 Cảm biến áp suất nhớt 68

Hình 4- 7 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 68

Hình 4- 8 Cảm biến nhiệt độ nước phanh thủy lực 69

Hình 4- 9 Cảm biến áp suất nước vào 70

Hình 4- 10 Hệ thống điều khiển ga tự động 70

Hình 4- 11 Biến tần điều khiển động cơ điện 71

Hình 4- 12 Thiết bị hiệu chuẩn cảm biến lực 72

Hình 4- 13 Máy tính để thu thập sử lý tín hiệu 72

Hình 4- 14 Giao diện phần mềm 73

Hình 4- 15 Giao diện chương trình chạy thử nghiệm thủ công 74

Hình 4- 16 Giao diện chương trình chạy thử nghiệm tự động 74

Hình 4- 17 Đồ thị đường mối liên hệ giữa công suất và số vòng quay động cơ tại các tỷ số nén tương ứng 77

Hình 4- 18 Đồ thị đường mối liên hệ giữa mômen và số vòng quay động cơ tại các tỷ số nén tương ứng 78

Hình 4- 19 Đồ thị thể hiện sự thay đổi áp suất nén của động cơ trong phạm vi tỷ số nén từ 10-16.3 79

35

Bảng 3- 1 Đánh giá nội dung thực hiện của các phương án thực hiện thay đổi tỷ số nén 35

Bảng 3- 2 Thông số kỹ thuật động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi tỷ số nén 58

Bảng 3- 3 Thông số điều chỉnh tỷ số nén khi thay đổi pittông phụ thứ nhất 59

Bảng 3- 4 Thông số điều chỉnh tỷ số nén khi thay đổi pittông phụ thứ hai 60

Bảng 4- 1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu Diesel 76

Bảng 4- 2 Kết quả đo công suất, mô men theo số vòng quay của động cơ tại các tỷ số nén 77

Bảng 4- 3 Áp suất cuối kỳ nén động cơ tại các tỷ số nén tương ứng 78

mC [KJ/Kmol0K] Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z

n1 [-] Chỉ số nén đa biến trung bình

P [-] Phân tử lƣợng của Propane

0 [-] Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết

 [-] Hệ số biến đổi phân tử thực tế

z [-] Hệ số biến đổi phân tử tại z

z [-] Hệ số lợi dụng nhiệt tại z

b [-] Hệ số lợi dụng nhiệt tại b

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Xu hướng phát triển động cơ đốt trong ngày nay chủ yếu tập trung là nâng cao công suất và hiệu suất của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm khí thải độc hại

Để giải quyết các vấn đề nêu trên hiện nay có 2 xu hướng nghiên cứu phát triển

là thay đổi cải tạo kết cấu động cơ và tìm nhiên liệu mới thay thế cho nhiên liệu truyền thống

Do đó, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều hướng nghiên cứu cải tạo từ các kiểu động cơ truyền thống để nghiên cứu nhằm tối ưu hóa ngày càng hoàn thiện cho các kiểu động cơ trong tương lai Một trong những phương án được xây dựng cho các nghiên cứu trong khoa học đó là thay đổi kết cấu động cơ bằng cách thay đổi tỷ số nén Đây là phương án khá phổ biến hiện nay

Ứng dụng động cơ thay đổi tỷ số nén sẽ tạo thuận lợi cho nhiều hướng lựa chọn nghiên cứu khác nhau Theo nguyên lý cháy của động cơ cháy cướng bức và tự cháy phục vụ cho việc nghiên cứu nhiều loại nhiên liệu khác nhau

Tuy nhiên, ở Việt Nam việc chế tạo động cơ thay đổi tỷ số nén phục vụ cho mục đích nghiên cứu là rất khó khăn và hạn chế Chủ yếu, một số nghiên cứu thực hiện việc thay đổi tỷ số nén bằng phương pháp thay đổi roan quy-láp, khoan đỉnh pittông tạo sự thay đổi thể tích buồng cháy nhưng gặp nhiều khó khăn và không hiệu quả trong nghiên cứu thực nghiệm

Chính những yếu tố phân tích trên trong luận văn này em chọn hướng nghiên cứu thiết kế động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi được chuyển đổi từ động

cơ Diesel D28 một xilanh truyền thống nhằm sử dụng trong thí nghiệm

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích chung:

Thiết kế động cơ thí nghiệm một xilanh có tỷ số nén thay đổi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Động cơ một xy lanh Diesel D28 Đây là động cơ diesel truyền thống, một xilanh, không tăng áp, làm mát bằng nước, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải), buồng cháy thống nhất

Thông số kỹ thuật động cơ Diesel D28

1 Kiểu động cơ

Nghiên cứu cơ cấu thay đổi tỷ số nén từ 8.5 đến 16.3

Nghiên cứu bố trí lắp đặt cảm biến áp suất buồng cháy

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cụ thể sau đây:

- Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của tỷ số nén đến quá trình làm việc của quá trình cháy trong động cơ

Thu thập tài liệu dựa trên các công trình báo cáo khoa học đã công bố, tạp trí uy tín

- Nhóm nghiên cứu thực nghiệm:

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ thay đổi tỷ số nén một xilanh

Thu thập thông tin và các số liệu sau được sẽ mô phỏng bằng phần mềm

- Phương pháp phân tích và đánh giá:

Phương pháp chạy thực nghiệm đo giá trị áp suất thay đổi ở cuối kỳ nén

Tham khảo ý kiến của cán bộ hướng dẫn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6 Cấu trúc của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYỀN THỐNG.

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN.

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ SỐ NÉN ĐẾN QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ

2.2 CÁC PHƯƠNG ÁN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN.

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐIỀU CHỈNH TỶ SỐ NÉN CHO ĐỘNG CƠ. 2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ TRONG THỰC NGHIỆM.

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XY LANH CÓ

TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI.

3.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ĐỘNG CƠ DIESEL D28.

3.2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN.

3.3 PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY.

3.4 THIẾT KẾ PITTÔNG THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN.

3.5 THIẾT KẾ ĐỒ GÁ CẢM BIẾN ÁP SUẤT BUỒNG CHÁY.

3.6 THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐẶC TÍNH KẾT CẤU DỘNG CƠ THÍ NGHIỆM MỘT XILANH CÓ TỶ SỐ NÉN THAY ĐỔI.

4.4 SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THỬ NGHIỆM VÀ TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM.

4.5 TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL.

4.6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.

4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.

KẾT LUẬN CHUNG

PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRUYỀN THỐNG

1.1.1 Động cơ đốt trong là loại động cơ cao hiệu suất nhiệt cao nhất

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp trong không gian công tác của động cơ và cũng tại đó diễn ra quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng

Trong động cơ đốt trong quá trình chuyển hóa nhiên liệu, và chuyển biến nhiệt năng thành cơ năng được thực hiện bên trong động cơ

Trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt do nhiên lượng do nhiên liệu đốt cháy tạo ra được chuyển thành công có ích thì động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi với số lượng lớn nhất trong nhìu lĩnh vực : giao thông vận tải ( đường bộ, đường sắt, đường thủy, hàng không…) nông nghiệp, quốc phòng, công nghiệp…

Tổng công suất do động cơ đốt trong sinh ra chiếm 90% công suất thiết bị động lực do moi nguồn nhiên liệu tao ra ( nhiệt năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử…) Động cơ đốt trong gồm có: động cơ đốt trong pittông, tua bin khí và động cơ phản lực

Trong các loại động cơ đốt trong nêu trên loại động cơ đốt trong pittông có hiệu suất cao nhất vì nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy có thể đat đến 1800- 2800K, còn nhiệt khí thải ra ngoài trời chỉ là 900-1500K Tuy nhiệt độ cao như vậy do quá trình hoạt động của động cơ có tính chu kỳ và các chi tiết tiếp xúc với khí nóng luôn được làm mát nên không gây ảnh hưởng đến độ tin cậy trong hoạt động của động cơ

Các chi tiết trong động cơ đốt trong kiểu pittông ( hình 1.1) bao gồm: 1 Xupáp nạp và thải, 2 Pittông, 3 Thanh truyền, 4 Trục khuỷu, 5 Cacte, 6 Thân máy, 7 Nắp máy, 8 Vòi phun ( động cơ diesel)- Bugi ( động cơ xăng), 9 Bánh đà Khí và nhiên liệu cần đốt cháy được đưa vào thể tích xylanh động cơ, giới hạn bởi nắp máy, thành xylanh và đỉnh pittông Khí được tạo ra khi cháy có nhiệt độ cao tạo nên áp suất lớn đẩy pittông dịch chuyển trong xylanh, chuyển động tịnh tiến của pittông sẽ được biến thành chuyển động xoay vòng của trục khuỷu

Ngày nay động cơ đốt trong pittông chiếm số lượng lớn nhất và được sử dụng rộng rãi nhất Vì vậy thuật ngữ “động cơ đốt trong” được dùng với ý khái quát chung cho các động cơ đốt trong, đồng thời cũng có ý ngắn gọn để chỉ động cơ đốt trong pittông

Hình 1- 1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong

1 Xupáp nạp và thải, 2 Pittông, 3 Thanh truyền, 4 Trục khuỷu, 5 Cacte, 6 Thân máy, 7 Nắp máy, 8 Vòi phun ( động cơ diesel)- Bugi ( động cơ xăng)

1.1.2 Ưu và khuyết điểm của động cơ đốt trong

So với động cơ nhiệt khác ưu điểm chính của động cơ đốt trong kiểu pittông là : Hiệu suất có ích (ηe) cao nhất, động cơ diesel tăng áp hiện đại có thể đạt đến hiệu suất ηe= 0.4- 0.52, trong khi đó hiệu suất của máy hơi nước ηe =0.09- 0.14, của tua bin hơi nước ηe=0.22- 0.28 và của tua bin khí không vượt quá 0.3

Kich thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ vì toàn bộ chu trình đông có đốt trong thực hiện trong một thiết bị duy nhất ( ngược lại ở các loại động cơ tua bin khí, động cơ hơi nước cần có nhiều trang thiết bị đi kèm như nồi hơi buồng cháy, máy nén rất nặng và cồng kềnh

Động cơ hiện đại đạt khối lượng trên 1KW là: 0.25- 23 (kg/KW) và công suất lít

là 1.2-38 (KW/l) thậm chí đạt đến 160 (KW/l)

Khởi động nhanh, bất kỳ động cơ đốt trong nào trong mọi điều kiện chỉ cần vài giây đến vài phút là có thể cho nổ máy và chuyển đến toàn tải

Hao ít nước, động cơ đốt trong có thể không dùng nước hoặc tiêu thụ rất ít

Bảo dưỡng đơn giản và thuận tiện

Nhược điểm của động cơ đốt trong là :

Trong xylanh không thể đốt nhiên liệu thể rắn hay nhiên liệu có phẩm chất kém Động cơ đốt trong chủ yếu dùng nhiên liệu lỏng hoặc nhiên liệu khí sạch không chứa các thành phần ăn mòn kim loại cũng như tạp chất cơ học

Công suất thiết bị bị giới hạn, về mặt này động cơ tua bin hơi nước ưu việt hơn

so với động cơ đốt trong Động cơ diesel không thể vượt qua công suất 37.000KW, với công suất trên 20.000 KW cấu tạo động cơ phức tạp hoạt động thiếu linh hoạt

Trên thiết bị vận tải đường bộ không thể nối trực tiếp động cơ với trục của máy công tác do hạn chế về đặc tính của động cơ đốt trong Do đó trên hệ thống cần có hệ thống truyền động bao gồm ly hợp, hộp số để thay đổi momen của trục bị động

Động cơ đốt trong hoạt động khá ồn, nhất là động cơ cao tốc

Do các ưu điểm kể trên động cơ đốt trong hiện nay đã phát triển rộng khắp các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải…

Chính vì vậy nghành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong đã phát triển rộng khắp và được xem là bộ phận tất yếu của nghành cơ khí và nên kinh tế quốc dân của các nước

Động cơ đốt trong là một thiết bị cơ khí phức tạp, bên trong động cơ thực hiện các quá trình khác nhau ; biến đổi hóa học, nhiệt động học, các quá trình cơ khí và điện khí, các cơ cấu đảm bảo thực hiện các quá trình trên đều phức tạp Khi chế tạo cũng vậy, vì hình dạng của các chi tiết hết sức phức tạp, kích thước lớn đòi hỏi nhiêu nguyên vật liệu khác nhau, nhiều loại máy công cụ đặc chủng phức tạp để có độ chính xác cao

1.1.3 Phân loại

- Theo cách thực hiện chu trình công tác:

+ Động cơ bốn kỳ: là động cơ mà chu trình công tác được thực hiện trong hai vòng quay của trục khuỷu hay bốn hành trình của pittông

+ Động cơ hai kỳ: là động mà chu trình công tác được thực hiện trong một vòng quay của trục khuỷu hay hai hành trình của pittông

- Theo loại nhiên liệu dùng cho động cơ:

+ Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng, loại nhẹ: xăng, cồn ; loại nặng: dầu Diesel (FO), dầu mazút (DO)

+ Nhiên liệu khí: khí hoá lỏng (LPG), khí thiên nhiên (NG)

+ Nhiên liệu rắn: than, than đá thành khí CO

- Theo phương pháp hình thành hỗn hợp:

+ Hình thành hỗn hợp bên ngoài động cơ (bên ngoài xilanh): động cơ xăng, khí

ga

+ Hình thành hỗn hợp bên trong động cơ: động cơ Diesel

- Theo phương pháp đốt cháy khí hỗn hợp công tác:

+ Động cơ đốt cháy cưỡng bức: nhờ tia lửa điện của bugi

+ Động cơ tự cháy: là loại động cơ nhiên liệu được đưa vào xilanh ở cuối quá trình nén, tự bốc cháy trong không khí nóng

- Theo cấu tạo động cơ:

+ Theo số xilanh: động cơ một xilanh, nhiều xilanh

+ Cách bố trí xilanh: động cơ có xilanh đặt thẳng đứng, đặt nghiêng và nằm ngang;

+ Theo số hàng xilanh: động cơ 1 hàng, động cơ chữ V và động cơ hình sao; +Theo số trục khuỷu: động cơ một, hai hoặc ba trục khuỷu, thậm chí có động cơ không có trục khuỷu (như động cơ pittông quay- Wallkel)

Ngoài ra có thể phân loại động cơ theo công dụng, phương pháp làm mát và dung tích làm việc

- Theo công dụng của đông cơ:

+ Động cơ tĩnh tại: động cơ đặt tĩnh ở một nơi

+ Động cơ tàu thuỷ, tàu hoả, ôtô máy kéo, máy nông nghiệp

- Theo tốc độ trung bình của pittông:

+ Động cơ tốc độ thấp: tốc độ trung bình của pittông nhỏ hơn 6,5m/s

+ Động cơ cao tốc: tốc độ trung bình của pittông lớn hơn 6,5m/s

- Theo khả năng thay đổi chiều quay của động cơ

+ Động cơ chỉ quay một chiều theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại ( hướng nhìn từ đầu puli nhìn vào)

+ Động cơ quay được 2 chiều nhờ vào cơ cấu đảo chiều (chỉ dung ở động cơ chính của tàu thủy )

- Theo chiều lực tác dụng lên pittông

+ Động cơ tác dung lực đơn ( lực tác dụng chỉ một phía của pittông)

+ Động cơ tác dụng kép ( lực tác dụng cả 2 phía của pittông)

1.1.4 Một số thuật ngữ và khái niệm thông dụng

S

Vh Vc

9

Hình 1- 2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong

1 Xupáp nạp và thải, 2 Pittông, 3 Thanh truyền, 4 Trục khuỷu, 5 Cacte, 6 Thân

máy, 7 Nắp máy, 8 Vòi phun ( động cơ diesel)- Bugi ( động cơ xăng), 9 Bánh đà

- Điểm chết: là vị trí của cơ cấu truyền lực mà tại đó dù có tác dụng lên đỉnh pittông một lực lớn đến bao nhiêu thì cũng không làm cho trục khuỷu quay

+ Điểm chết dưới: là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó pittông ở gần trục khuỷu nhất

+ Điểm chết trên: là vị trí của cơ cấu truyền lực, tại đó pittông cách xa trục khuỷu nhất

- Hành trình của pittông (S): là khoảng cách giữa điểm chết trên và điểm chết dưới

- Thể tích buồng cháy (VC): Là thể tích không gian giữa nắp xilanh và đỉnh pittông khi pittông nằm ở điểm chết trên

- Thể tích làm việc của xilanh (Vh hay dung tích xilanh):

Là thể tích hành trình của xilanh được giới hạn bởi điểm chết trên và điểm chết dưới

Đối với xilanh chỉ có một pittông thì được tính như sau:

S D

- Thể tích toàn phần (Vmax; Va; thể tích cực đại của xilanh):

Bằng tổng của thể tích buồng cháy và thể tích làm việc của xilanh

Va = Vc + Vh

- Thể tích làm việc của động cơ (Dung tích làm việc của động cơ):

Nếu động cơ có nhiều xilanh thì tổng thể tích làm việc của tất cả các xilanh đƣợc gọi là dung tích làm việc của động cơ

S

D i

- Tỷ số nén ( ℇ ):Là tỷ số giữa thể tích lớn nhất của xilanh chia cho thể tích buồng cháy

c

h c

h c c

a

V

V V

V V V

- Môi chất công tác: là chất có vai trò trung gian trong quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng Ở những giai đoạn khác nhau của chu trình công tác, môi chất công tác có thành phần và trạng thái khác nhau

- Quá trình công tác: là quá trình thay đổi trạng thái và thành phần của môi chất công tác của xy lanh diễn ra trong một giai đoạn nào đó của chu trình công tác

Bốn kỳ: phải cần bốn hành trình pittông mới hoàn thành đƣợc một chu trình công tác của động cơ

Hai kỳ: chỉ cần hai hành trình pittông thì hoàn thành đƣợc một chu trình công tác của động cơ

- Kỳ (Thì): Là một phần của chu trình công tác xảy ra giữa hai vị trí của cơ cấu thanh truyền trục khuỷu có thể tích xilanh lớn nhất và nhỏ nhất, tức là trong thời gian một hành trình pittông hay còn gọi là hành trình của pittông

1.1.5 Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong pittông

Ngày nay động cơ đốt trong pittông được sử dụng rộng rãi trên tàu thuỷ, tàu hoả, ôtô máy kéo, máy nông nghiệp, máy bay chủ yếu động cơ đốt trong 4 kỳ sử dung nhiên liệu xăng và Diesel với cơ chế hoạt động khác nhau

1.1.5.1 Động cơ xăng 4 kỳ

Khi động cơ làm việc hình 1-2, trục khuỷu quay (theo chiều mũi tên) còn pittông nối bản lề với trục khuỷu qua thanh truyền, sẽ chuyển động tịnh tiến trong xilanh Mỗi chu trình làm việc của động cơ xăng bốn kỳ bao gồm 4 hành trình là: nạp, nén, cháy- giãn nở, thải, thực hiện một lần sinh công (trong hành trình cháy- giãn nở)

Để thực hiện được như vậy thì pittông phải dịch chuyển lên xuống bốn lần tương ứng với hai vòng quay của trục khuỷu động cơ (từ 00

đến 7200) Quá trình diễn ra khi pittông đi từ ĐCD lên ĐCT hoặc ngược lại được gọi là một kỳ

Chu kỳ làm việc của động cơ xăng bốn kỳ như sau:

5

1

Hình 1- 3 Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong pittông sử dụng xăng

1 Xupáp nạp và thải, 2 Bộ chế hòa khí, 3 Pittông, 4 Thanh truyền, 5.Trục khuỷu,

6 Các te, 7 Thân máy, 8 Nắp máy, 9 Bugi

d2

Vc

Va

d1 r

a b'' b' c'

Hình 1- 4 Đồ thị công động cơ

xăng 4 kỳ

b’ Điểm bắt đầu xả c’ Điểm đánh lửa sớm d1 Điểm bắt đầu nạp d2 Điểm kết thúc nạp r’ Điểm kết thúc xả

Z Điểm đạt áp suất cực đại

Hình 1- 5 Đồ thị pha phân phối khí

- Hành trình nạp: trong hành trình này (hình 1-2a), khi trục khuỷu quay, pittông

sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp mở, xupáp thải đóng, làm cho áp suất trong xilanh giảm và do đó hoà khí ở bộ chế hoà khí qua ống nạp được hút vào xilanh Trên đồ thị công hình 1-3 (đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và thể tích làm việc của xilanh ứng với mỗi vị trí khác nhau của pittông), hành trình nạp được thể hiện bằng đường ra (r-a)

Trong hành trình nạp, xupáp nạp thường mở sớm trước khi pittông lên điểm chết trên (biểu thị bằng điểm d1), để khi pittông đến ĐCT (thời điểm bắt đầu nạp) thì xupáp

đã được mở tương đối lớn làm cho tiết diện lưu thông lớn bảo đảm hoà khí đi vào xilanh nhiều hơn Góc ứng φ1 với đoạn d1r đó được gọi là góc mở sớm của xupáp nạp Đồng thời xupáp nạp cũng được đóng muộn hơn một chút so với vị trí pittông ở ĐCD (điểm d2) để lợi dụng độ chân không còn lại trong xilanh và lực quán tính của dòng khí nạp, làm tăng thêm lượng hoà khí nạp vào xilanh (giai đoạn nạp thêm) Góc ứng φ2 với đoạn ad2 đó được gọi là góc đóng muộn của xupáp nạp Vì vậy, quá trình nạp không phải kết thúc tại ĐCD mà muộn hơn một chút, nghĩa là sang cả hành trình nén Tuy nhiên trong một số chế độ tốc độ thấp do quán tính của dòng khí nạp còn nhỏ, (do pd2>p0) một phần môi chất đã được nạp vào trong xilanh bị lọt ra ngoài trong giai đoạn góc đóng muộn xupáp nạp khi đó người ta gọi là "hiện tượng thoái lui“

Vì vậy, góc quay trục khuỷu tương ứng của quá trình nạp là (φ1 +φ180 + φ2 ) lớn hơn góc trong hành trình nạp 1800

Cuối quá trình nạp, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xilanh là:

pa = 0,8 - 0,9 kG/cm2 Ta = 350 - 4000 K

- Hành trình nén: trong hành trình này (hình 1-2b), xupáp nạp và xupáp thải đều đóng Pittông dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hoà khí trong xilanh bị nén, áp suất và nhiệt độ của nó tăng lên Hành trình nén được biểu thị bằng đường ac” (hình 1-3), nhưng quá trình nén thực tế chỉ bắt đầu khi các xupáp nạp và thải đóng kín hoàn toàn, tức là lúc mà hoà khí trong xilanh đã cách ly với môi trường bên ngoài Do đó thời gian thực tế của quá trình nén (φ1800 - φ2-φ3 ) nhỏ hơn thời gian hành trình nén lý thuyết (1800 )

Cuối hành trình nén (điểm c’ hình 1-3) bu-gi của hệ thống đánh lửa phóng tia lửa điện để đốt cháy hoà khí Góc ứng với đoạn cc’ (hình 1-3) hay góc φ3 (hình 1-4) được gọi là góc đánh lửa sớm của động cơ

Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xilanh là:

pc = 11,0 - 15,0 kG/cm2 ; Tc = 500 - 7000 K

- Hành trình cháy giãn nở sinh công: trong hành trình này (hình 1-2c), xupáp nạp

và thải đóng Do hoà khí được bugi đốt cháy ở cuối hành trình nén, nên khi pittông vừa đến ĐCT thì tốc độ cháy của hoà khí càng nhanh, làm cho áp suất của khí cháy tăng lên rất lớn trong xilanh và được biểu thị bằng đường c’z trên đồ thị công Tiếp theo quá trình cháy là quá trình giãn nở của khí cháy (đường zb) pittông bị đẩy từ ĐCT xuống ĐCD và phát sinh công

Áp suất và nhiệt độ của khí cháy lớn nhất trong xilanh là:

Đồng thời để thải sạch khí cháy ra khỏi xilanh, xupáp thải cũng đƣợc đóng muộn hơn một chút so với thời điểm pittông ở ĐCT (điểm r’) Góc ứng với đoạn rr’ là góc φ5 gọi là góc đóng muộn của xupáp thải

Do xupáp thải mở sớm và đóng muộn nên góc quay trục khuỷu dành cho quá trình thải (φ4 +φ180 + φ5 ) lớn hơn góc của hành trình thải (φ180 ) Áp suất và nhiệt

độ của khí thải là:

pr = 1,0 -1,20 kG/cm2 ; Tr = 900 - 12000 K

Trên đồ thị công đoạn d1r hay góc φ6 biểu thị thời kỳ trùng điệp của xupáp nạp

và xupáp thải, tức là thời kỳ mà hai xupáp cùng mở, góc ứng với đoạn d1r’ là góc (φ1

+ φ5 ) (hình1-4) gọi là góc trùng điệp của hai xupáp

Sau khi hành trình thải kết thúc, thì động cơ xăng 4 kỳ một xilanh đã hoàn thành một chu kỳ làm việc và chuyển sang chu trình tiếp theo

Theo [6] Nguyễn Duy Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB GTVT HÀ NỘI,

(2007)

1.1.5.2 Động cơ Diesel 4 kỳ không tăng áp

Quá trình làm việc của động cơ diesel bốn kỳ cũng giống nhƣ động cơ xăng 4 kỳ, nghĩa là pittông cũng phải thực hiện bốn hành trình nạp, nén, cháy giãn nở, thải Trong động cơ diesel 4 kỳ quá trình nạp và nén môi chất là không khí (mà không phải hoà khí) và nhiên liệu tự cháy, do không khí nén có nhiệt độ cao (mà không dùng tia lửa điện)

Chu kỳ làm việc của động cơ diesel 4 kỳ nhƣ sau:

Hình 1- 6 Nguyên lý làm việc động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp

1 Xupáp nạp và thải, 2 Pittông, 3 Thanh truyền, 4 Trục khuỷu, 5 Cacte,

6 Thân máy, 7 Nắp máy, 8 Vòi phun, 9 Bơm cao áp

Va

d1 r

a b'' b' c'

Z

d2

Hình 1- 7 Đồ thị công động cơ diesel 4 kỳ

b’ Điểm bắt đầu xả c’ Điểm đánh lửa sớm d1 Điểm bắt đầu nạp d2 Điểm kết thúc nạp r’ Điểm kết thúc xả

Z Điểm đạt áp suất cực đại

- Hành trình nạp: trong hành trình này (hình 1-5a), khi trục khuỷu quay, pittông

sẽ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, xupáp nạp mở, xupáp thải đóng, làm cho áp suất trong xilanh giảm, không khí ở bên ngoài được nạp vào trong xilanh

Cuối quá trình nạp, áp suất và nhiệt độ của hoà khí trong xilanh là:

pa = 0,8 - 0,9 kG/cm2 ; Ta = 330 -3800 K

- Hành trình nén: trong hành trình này (hình 1-5b), xupáp nạp và xupáp thải đều

đóng Pittông dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, hoà khí trong xilanh bị nén, áp suất và nhiệt độ của nó tăng lên Hành trình nén được biểu thị bằng đường ac’ (hình 1-6), nhưng quá trình nén thực tế chỉ bắt đầu khi các xupáp nạp và thải đóng kín hoàn toàn, tức là lúc mà hoà khí trong xilanh đã cách ly với môi trường bên ngoài Do đó thời gian thực tế của quá trình nén (1800 - φ2- φ3 ) nhỏ hơn thời gian hành trình nén lý thuyết (1800)

Cuối hành trình nén (điểm c’) vòi phun 5 của hệ thống nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu xilanh để hoà trộn với không khí có nhiệt độ cao, rồi tự bốc cháy (động cơ tự cháy) Góc ứng với điểm c’ (góc φ3) (hình 1-4) được gọi là góc phun nhiên liệu sớm của động cơ

Cuối hành trình nén, áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xilanh là: pc = 40 - 50 kG/cm2 ; Tc = 800 - 9000 K

- Hành trình cháy giãn nở sinh công: trong hành trình này (hình 1-5c), xupáp nạp

và thải đóng Do nhiên liệu phun vào xilanh ở cuối hành trình nén đã được chuẩn bị và

tự bốc cháy, nên khi pittông đến ĐCT thì nhiên liệu cháy càng nhanh, làm cho áp suất khí cháy tăng lên, hoà khí cháy càng nhanh, làm cho áp suất trong xilanh tăng lên rất lớn và đẩy pittông từ ĐCT xuống ĐCD qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và phát sinh công Áp suất và nhiệt độ lớn nhất của khí cháy trong xilanh là:

pz = 60 - 80 kG/cm ; Tz = 1900 – 2200 0K

- Hành trình thải: trong hành trình này (hình 1-5d), xupáp nạp vẫn đóng còn xupáp

thải mở Pittông dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí cháy qua xupáp thải ra ngoài Trước khi kết thúc hành trình cháy giãn nở sinh công, xupáp thải được mở sớm một chút trước khi pittông tới ĐCD (điểm b’) để giảm bớt áp suất trong xilanh ở giai đoạn cuối quá trình giãn nở, do đó giảm được công tiêu hao để đẩy khí ra khỏi xilanh Ngoài ra khi giảm áp suất này thì lượng khí cháy còn lại trong xilanh cũng giảm, nhờ

đó tăng được lượng hoà khí nạp vào xilanh Góc ứng với đoạn b’b hay góc φ4 gọi là góc mở sớm của xupáp thải Đồng thời để thải sạch khí cháy ra khỏi xilanh, xupáp thải cũng được đóng muộn hơn một chút so với thời điểm pittông ở ĐCT (điểm r’) Góc ứng với đoạn rr’ là góc φ6 gọi là góc đóng muộn của xupáp thải

Do xupáp thải mở sớm và đóng muộn nên góc quay trục khuỷu ứng với quá trình thải (φ4 +φ180 + φ5) lớn hơn của hành trình thải (φ180) Áp suất và nhiệt độ của khí thải là:

pr = (1,1 -1,2) kG/cm2 ; Tr = (800 - 900) 0K

Trên đồ thị công đoạn d1r’hoặc góc φ6 biểu thị thời kỳ trùng điệp của xupáp nạp

và xupáp thải, tức là thời kỳ mà hai xupáp cùng mở, góc ứng với đoạn d1r’ là góc (φ1 + φ5) (hình1-4), gọi là góc trùng điệp của hai xupáp

Sau khi kết thúc hành trình thải, động cơ lại lặp lại chu trình làm việc tiếp theo Trên hình 1-6 là đồ thị công của động cơ diesel bốn kỳ Đồ thị phối khí của nó cũng tương tự như của động cơ xăng

Tìm hiểu nguyên lý làm việc của động cơ xăng và động cơ diesel bốn kỳ ta có thể rút ra một số nhận xét sau:

Trong bốn hành trình của pittông, chỉ có một hành trình cháy giãn nở sinh công,

ba hành trình còn lại là những hành trình chuẩn bị và được thực hiện nhờ động năng hay quán tính của các bộ phận chuyển động quay tròn (trục khuỷu, bánh đà) và một phần công sinh ra của những xilanh khác đối với động cơ nhiều xilanh

- Thời điểm mở và đóng của các xupáp nạp và thải không trùng với thời điểm pittông ở ĐCT và ĐCD được gọi là “thời điểm phối khí” Đây cũng là một đặc điểm

cơ bản để phân biệt giữa chu trình làm việc thực tế với chu trình làm việc lý thuyết Trong chu trình làm việc lý thuyết các xupáp thải không mở sớm và đóng muộn như

và suất tiêu hao nhiên liệu

Theo [6] Nguyễn Duy Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB GTVT HÀ NỘI,

(2007)

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN

Động cơ thay đổi tỷ số nén đã được nghiên cứu từ hàng thập kỷ trước tuy nhiên chỉ sử dụng trong các phòng thí nghiệm cho tới những năm đầu của thế kỷ XXI mới thực sự nghiên cứu phát triển các sản phẩm thực nghiệm Theo một thống kê năm

2015 có hơn 1163 bằng sáng chế và có 127 kiểu thiết kế động cơ thay đổi tỷ số nén Như đã biết hiệu suất của quá trình cháy phụ thuộc rất lớn vào tỷ số nén, tỷ số nén càng cao thì quá trình cháy càng diễn ra triệt để Tuy nhiên đối với các động cơ xăng thì không thể tăng mãi tỷ số nén bởi nếu tỷ số này lớn thì hỗn hợp xăng và nhiên liệu khi đi vào bên trong buồng đốt có thể sẽ tự bốc cháy mà không cần bugi và gây ra hiện tượng kích nổ của động cơ dẫn đến làm giảm công suất của động cơ và có thể làm

hư hỏng động cơ

Nguyên lý hoạt động của động cơ thay đổi tỷ số nén dựa trên cơ sở về lý thuyết hình học đã chỉ ra động cơ đốt trong pittông thay đổi tỷ số nén là thay đổi các giá trị về mặt thể tích buồng cháy ( Vc ) hoặc thay đổi thể tích công tác (Vh)

h c

h c c

a

V

V V

V V V

Hiện nay các nhà sản xuất ô tô đang tiến đến xu hướng tới chế tạo ra loại động cơ

có khả năng thay đổi tỷ số nén theo điều kiện vận hành, khi động cơ hoạt động ở chế

độ tải trọng nhỏ thì tỷ số nén của động cơ được tăng lên và ngược lại khi động cơ tăng tải trọng thì tỷ số nén của động cơ được giảm xuống để tránh gây ra hiện tượng kích

nổ cho động cơ.Tuy nhiên để có thể hiện thực hóa ý tưởng ngày là điều không dễ dàng, trên thực tế mới chỉ có một vài nhà sản xuất nhưu FEV, Ford, Saab, Nisan, infiniti, Honda, Gm… đưa ra những mẫu động cơ thử nghiệm

- Tại triễn lãm Geneva Motoshow 2000, Sabb đã giới thiệu công nghệ này tới công chúng tham dự và tới năm 2006 đưa vào sản xuất

- Tại hội nghị Thế giới SAE 2007 công nghệ động cơ FEV đang hiển thị một động cơ phun xăng trực tiếp chạy bằng xăng / E85 (GTDI) và có tỷ số nén khác nhau (VCR)

- Tại Đại hội Thế giới SAE 2009 Các kỹ sư của Công ty TNHH R & D Honda

đã giới thiệu một số bài báo mô tả sự phát triển của một động cơ VCR (compress compression ratio) được kích hoạt bởi cơ chế pittông kép

- Năm 2009 tại triển lãm ôtô quốc tế lần thứ 79 tại Geneva, phát triển MCE-5 ở Pháp sẽ giới thiệu mẫu xe đầu tiên của họ (một chiếc Peugeot 407) của động cơ xăng 1,5-lít MCE-5 VCRi (tỷ số nén)

- Tại hội nghị Thế giới SAE 2013, các kỹ sư của FEV đã báo cáo về tiến độ của

họ trên một hệ thống tỷ số nén hai giai đoạn

- Năm 2016, tại triển lãm ô tô Paris, Infiniti đã công bố chiếc VC-Turbo (Variable Compression Turbo) mới - công cụ nén tỷ số nén sẵn sàng đầu tiên Công nghệ VC-Turbo kết hợp sức mạnh của động cơ 2.0 lít hiệu suất cao với momen xoắn

và tính hiệu quả của hệ thống động cơ diesel tiên tiến mà không có lượng phát thải tương đương

- Trong năm 2016, tại Paris Motor Show 2016 Nissan đã cho ra mắt động cơ xăng hiệu suất biến thiên tỷ số nén sản xuất đầu tiên VC-Turbo, một xi lanh nội tuyến 2.0-L được thiết kế trong nhà.Và động cơ được dự kiến sản xuất vào năm 2018

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỶ

SỐ NÉN

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới việc nghiên cứu động cơ thay đổi tỷ số nén đã được thực hiện từ rất lâu như :

- Động cơ cũng được biết đến, trong đó pittông chính được nối với bộ phận đồng

bộ và bộ chốt bánh răng và trục ra đầu ra trong các bộ phận chịu lực bằng vòng bi với các con dấu ở các đầu của trục Trên trục đã lắp đặt một số bánh răng từ phần xa xíu của răng (xem chứng chỉ của tác giả USSR số 1257257, IPC F 02 B 75/04, publ 15.09.1986)

- Động cơ đốt trong được biết đến với sự đốt cháy ở áp suất không đổi ( xem bằng sáng chế của Nga số 2103532, IPC F 02 B 75/32, ấn bản ngày 27.01.1998), trong đó pittông thứ cấp có vị trí đồng trục với pittông chính

Trong đề tài nghiên cứu “Phương pháp duy trì sự đốt cháy trong động cơ đốt trong và đầu xi lanh của động cơ phía trên nắp máy”

11

Hình 1- 8 Thiết kế thay đổi thể tích cháy

1-Xilanh động cơ, 2- pittông chính, 3- xupáp thải, 4-bugi, 5-xilanh nắp máy, 6- pittông phụ trên nắp máy, 7- Nắp máy , 8- xupáp nạp, 9- Cơ cấu điều chỉnh,

10-Cam điều chỉnh, 11- đầu giới hạn của xilanh nắp máy,

12- Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

Hiện nay ngoài những động cơ đã được các hãng chế tạo đã công bố như đã nêu

ở (mục 1.2) động cơ thay đổi tỷ số nén còn được thực hiện trong các nghiên cứu liên quan như :

- Pischinger, S., et al “Tỷ số nén biến đổi hai giai đoạn với Pin lập dị Pittông”, MTZ Worldwide Edition, 2009-02

- Mendler, C., “Động cơ phân tách nén Envera”, US DOE báo cáo 05NT42484, ngày 15 tháng 3 năm 2011

DE-FC26 Aina, T., et al “Ảnh hưởng của tỷ số nén đến đặc tính hiệu suất của động cơ đánh lửa, ” Tiến bộ trong Nghiên cứu Khoa học Ứng dụng, 3 (4): 1915-1922, 2012

- Nghiên cứu “Ảnh hưởng của tỷ số nén đối với hoạt động và phát thải của động

cơ Diesel với hỗn hợp Diesel-Ethanol” Của nhóm tác giả Santosh Kurre và Shyam Pandey University of Petroleum & Energy Studies, Mukesh Saxena.( Năm 2013) Nghiên cứu được thực hiện với động cơ công suất 3.7 KW, 4 xilanh và thay đổi ở 3 tỷ

số nén 17, 17.5 và 18

- Nghiên cứu “Ảnh hưởng của tỷ số nén đối với đặc tính hoạt động và phát thải của động cơ CI đối với pha trộn dầu xà phòng, dầu mỡ bôi trơn và dầu diesel” Vinoothan Kaliveer, Rolvin S D'Silva, Prashanth Kumar, K Raju Khoa Cơ khí, Cao đẳng Kỹ thuật St Joseph, Mangaluru, Ấn Độ ( Năm 2015) Nghiên cứu bằng động cơ diesel nén nén có tỷ số nén khác nhau cho ba tỷ số nén khác nhau là 17, 17.5 và 18

- Nghiên cứu “Ảnh hưởng của tỷ số nén đối với hoạt động và lượng phát thải của dầu diesel trên một xi lanh đơn Four Rotor VCR Engine” Nhóm tác giả Vijay Kumar Attri1, Vijay Kumar Sharma2, Saurabh Kumar Singh3, Manish Saraswat4 1,3Asstt Professor, Deptt of Mechanical Engg , LKCE, Ghaziabad 2Asstt Professor, Deptt of Mechanical Engg , JP Institute of Engg & Tech., Meerut 4Asstt Professor, Deptt of Mechanical Engg , ABES Engg College, Ghaziabad ( Năm 2015) Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ diesel 1 xilanh ở tỷ số nén 16,17và 18

- Nghiên cứu “Ảnh hưởng của tỉ lệ nén và sự bổ sung hydro vào hoạt động giảm tốc một phần của động cơ đốt trong nung đốt nhiên liệu đốt LPG” của nhóm tác giả K.RaviJ.Pradeep BhaskerE.Porpatham.( Năm 2017)

- Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ 1 xilanh với tỷ số nén 9,10,10.5 và 11

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay trong nước vẫn chưa có đề tài nghiên cứu khoa học chính thức nào về động cơ thay đổi tỷ số nén Chủ yếu ở các đề tài nghiên cứu về nhiên liệu, quá trình cháy trong động cơ đốt trong pittông có liên quan đến tỷ số nén như:

- “Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số nén ở động cơ một xilanh khi sử dụng nhiên liệu CNG hình thành hổn hợp bên ngoài” của nhóm tác giả TS Trần Đăng Quốc, PGS

TS Khổng Vũ Quảng, ThS Nguyễn Đức Khánh-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội;TS Nguyễn Tuấn Nghĩa, KS Nguyễn Thành Vinh, ThS Nguyễn Phi Trường-Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội;ThS Vũ Thị Phương-Trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật Nam Định Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ đốt trong pittông 1 xilanh và tỷ số nén thay đổi từ 10÷15

- “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu, tỷ số nén và góc đánh lửa sớm đến quá trình cháy hổn hợp Xăng- Ethanol trong động cơ Daewoo” của nhóm tác giả GS.TS Bùi Văn Ga, TS Nguyễn Văn Đông, ThS Bùi Văn Tấn ( Năm 2016) Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ Daewoo, 4 xilanh và tỷ số nén thay đổi từ 9.5÷10.3

+ Luận án “Nghiên cứu thiết lập chế độ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI) trong động cơ diesel” của tác giả Khương Thị Hà đại học Bách khoa Hà Nội ( Năm 2017) Nghiên cứu được thực hiện trên 1 xilanh Kubota BD178F(E) và thực hiện thay đổi tỷ số nén ở 18,85; 18,0; 16,93; 16,3; 15,4 và 14,87

Trong các nghiên cứu nêu trên việc thay đổi tỷ số nén được thực hiện nhờ bằng các phương pháp như: cắt bỏ bớt phần kim loại trên đỉnh pittông, thêm roan quy láp nên chỉ thực hiện ở một số tỷ số nén nhất định và còn hạn chế trong quá trình tinh chỉnh việc thay đổi tỷ số nén

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Từ những tìm hiểu thông tin trên cho thấy hoạt động nghiên cứu về động cơ thay đổi tỷ số nén là rất lâu trên thế giới Tuy nhiên việc thực hiện các mô hình động cơ thay đổi tỷ số nén chỉ mới được thực sự quan tâm và phát triển trong những năm đầu thế kỷ XXI

Tại Việt Nam hiện tại nghiên cứu về động cơ thay đổi tỷ số nén cũng chưa có đề tài nghiên cứu chính thức nào chủ yếu nằm trong một số đề tài nghiên cứa sự ảnh hưởng của tỷ số nén đến các loại nhiên liệu

Do vậy, việc chế tạo động cơ thí nghiệm thay đổi tỷ số nén sẽ được ứng dụng để phục vụ nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm là rất cần thiết

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ SỐ NÉN ĐẾN QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ

2.1.1 Quá trình nén và tỷ số nén trong động cơ đốt trong

Quá trình nén trong động cơ đốt trong có tác dụng sau:

Mở rộng phạm vi nhiệt độ của quá trình làm việc của động cơ ( nén, cháy, giãn nở)

Đảm bảo cho sản vật cháy được giãn nở sinh công

Tạo điều kiện thuận lơi nhất cho hòa khí bốc cháy

Tất cả các quá trình trên đều nhằm đảm bảo cho quá trình chuyển từ hóa năng thành nhiệt năng rồi từ nhiệt năng chuyển thành công có ích được thực hiện tốt nhất, làm tăng hiệu suất của chu trình

Trong quá trình cháy của động cơ tỷ số nén là một trong những thông số nhiệt động học quan trọng, nó ảnh hưởng rất nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất của động cơ

Trong một động cơ kiểu pittông tỷ số nén về hình học được tính theo công thức sau :

c

h c

h c c

a

V

V V

V V V

Va : Thể tích toàn phần của động cơ ; ( Cm3)

Vc : Thể tích buồng cháy động cơ; ( Cm3

dxl : Đường kính xilanh

S : Hành trình pittông

+Thể tích buồng cháy Vc nó thường được đo trực tiếp Thường được thực hiện bằng cách đổ đầy xi lanh bằng chất lỏng và sau đó đo thể tích của chất lỏng đã sử dụng

Tỷ số nén hình học là tỷ số nén lý tưởng không chịu ảnh hưởng đến bởi bất kỳ điều kiện tác động nào khi động cơ làm việc

Khác với quá trình nén lý tưởng, quá trình nén thực tế là quá trình nén của chu trình thực tế hết sức phức tạp Giữa môi chất công tác và thành phần môi chất trong xylanh liên tục trao đổi nhiệt qua lại với nhau

Hành trình nén bắt đầu khi piston rời ĐCD đi lên ĐCT nhưng quá trình nén khí trong xylanh thực tế bắt đầu sau khi cơ cấu thay đổi khí được đóng kín

Lúc bắt đầu quá trình nén, nhiệt độ khí nạp Ta thấp hơn nhiệt độ trung bình các chi tiết của nhóm xylanh piston, cho nên ở giai đoạn đầu quá trình nén có sự truyền nhiệt cho môi chất Đường cong của quá trình đa biến thực tế trong thời kỳ đó diễn ra tương đối dốc (đường cong a-2) và chỉ số đa biến cao hơn chỉ số đoạn nhiệt (a-1) Piston tiếp tục đi từ ĐCD đến ĐCT, nhiệt độ của môi chất công tác tăng và sự trao đổi nhiệt giữa khí nạp với vách giảm do hiệu số nhiệt độ giữa chúng nhỏ, và chỉ số

đa biến n1 có trị số gần giống trị số của chỉ số nén đoạn nhiệt

Trong một vài thời điểm nào đó nhiệt độ môi chất công tác bằng nhiệt độ trung bình vách xylanh và xuất hiện quá trình đoạn nhiệt tức thời và n1 = k1( với k1 hệ số nén đoạn nhiệt) Tiếp tục nén nhiệt độ của khí nạp cao hơn nhiệt độ trung bình của vách xylanh, chiều hướng truyền nhiệt thay đổi và môi chất công tác được làm mát Đường cong của quá trình thực tế (đoạn 3-c) trong trường hợp đó diễn ra tương đối thoải hơn

so với nén đoạn nhiệt (đoạn 3-4), chỉ số nén đa biến nhỏ hơn chỉ số đoạn nhiệt (n1 < k1), đồng thời hiệu số giữa chúng tăng khi piston gần tới ĐCT

Piston tiếp tục đi về phía ĐCT, nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác tiếp tục tăng làm cho cường độ lọt khí tăng, đồng thời quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác và vách xylanh diễn ra theo chiều ngược lại, tức là môi chất công tác được làm mát Kết quả là ở giai đoạn sau của quá trình nén, chỉ số nén đa biến n’1 có trị số nhỏ hơn k, đường nén thực tế ít dốc hơn đường nén đoạn nhiệt

Khi piston tới gần ĐCT nhiên liệu được phun vào buồng cháy (đối với động cơ diesel) hoặc bugi bật tia lửa điện (đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức) bắt đầu quá trình cháy

Như vậy quá trình nén trong động cơ thực tế là quá trình nén đa biến với chỉ số nén đa biến n1 luôn thay đổi trong toàn bộ đường nén Các giá trị thực nghiệm thường nằm trong phạm vi n1= 1.34- 1.39 có rất hiếm trường hợp giá trị đạt n1= 1.4- 1.41

V

paa c

2 3

1

4

pc

Hình 2- 1 Đồ thị p-V phân tích các đường cong đặc trưng trạng thái của quá trình nén

Qua phân tích ở trên có thể rút ra một số nhận xét sau:

Quá trình nén thực tế không hoàn toàn trùng với hành trình nén của động cơ (nó bắt đầu sau khi piston đã rời ĐCD và kết thúc trước khi piston tới ĐCT) Cũng đồng nghĩa tỷ số nén thực tế sẽ bé hơn so với tỷ số nén hình học

Nếu dùng chỉ số nén thực tế có trị số luôn thay đổi n1’ thì việc tính toán chu kỳ công tác sẽ rất phức tạp và cũng không cần thiết vì nó chỉ biến động trong một phạm

vi hẹp Để đơn giản việc tính toán, người ta coi quá trình nén là một quá trình đa biến với chỉ số nén đa biến trung bình n1 có trị số không đổi với điều kiện nhiệt độ, áp suất đầu và cuối quá trình nén là không đổi Quá trình đó được biểu diễn bằng phương trình: pVn1 = const

Để đánh giá hiệu quả của quá trình nén thực tế sẽ căn cứ vào áp suất cuối quá trình nén của động cơ và được tính theo công thức sau :

1 1

v

v p

Vc : Thể tích buồng cháy

n1 : hệ số nén đa biến

Theo [5] Nguyễn Tất Tiến,Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục, (2000)

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số nén đa biến n 1 trung bình

Chỉ số nén đa biến n1 phản ánh mức độ trao đổi nhiệt giữa môi chất và các chi tiết thành vách xylanh Trong quá trình nén nếu môi chất được cấp nhiệt nhiều hơn so với tản nhiệt thì n1 > k1, còn nếu nhiệt cấp ít hơn so với tản nhiệt thì n1 < k1, còn nếu cấp nhiệt và nhả nhiệt bằng nhau thì n1 = k1 Như vậy bất kỳ nhân tố nào làm tăng phần cấp nhiệt thì sẽ làm tăng n1, còn làm tăng phần tản nhiệt thì ngược lại Có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến n1 trung bình như tốc độ động cơ, phụ tải, kích thước xylanh, trạng thái nhiệt của động cơ… nhìn chung quá trình nén của động cơ thì đa phần là tản nhiệt nhiều hơn

Tốc độ đông cơ: khi tăng số vòng quay của động cơ sẽ làm tăng số chu trình trong cùng một thời gian như vậy quá trình cháy sinh công cũng diễn ra nhiều hơn Qua đó làm tăng trạng thái nhiệt của các chi tiết trong xylanh, giảm thời gian rò rỉ khí

và thời gian tiếp xúc giữa môi chất và thành xylanh cũng được rút ngắn Kết quả tổng hợp của những thay đổi trên sẽ làm môi chất tản nhiệt ít hơn khiến n1 tiến sát đến k1 Như vậy nhìn chung khi tăng tốc độ động cơ sẽ làm tăng n1

Phụ tải động cơ: Khi tăng phụ tải sẽ làm tăng trạng thái nhiệt và nhiệt độ trung bình của thành vách xylanh, qua đó làm tăng nhiệt lượng cung cấp cho môi chất vào đầu kỳ nén và giảm tản nhiệt vào cuối kỳ nén Kết quả sẽ làm tăng n1 Ảnh hưởng kể trên của tải tới n1 của động cơ Diesel rất nhỏ nhưng 1đối với động cơ xăng khi chạy ở tốc độ càng cao tải của động cơ xăng gây ảnh hưởng ít đến n1 Ở tốc độ thấp gây tải ảnh hưởng lớn đến n1, vì vậy đóng nhỏ bướm ga mà động cơ ở tốc độ thấp sẽ có nhiều nhiên liệu chưa kịp bay hơi vào trong xylanh để bay hơi tiếp ở đầu quá trình nén vì đường ống nạp ít bị sấy nóng, tốc độ môi chất lại thấp, xăng khó bay hơi) Nếu tăng tốc độ sẽ làm tăn nhanh độ chân không ở sau bướm ga, cải thiện điều kiện phun tơi và bay hơi nhanh của xăng

Tình trang kỹ thuật: nếu pittông và xylanh bị mòn quá nhiều sẽ làm tăng lọt khí gây mất nhiệt làm giảm n1 Có muội than bám trên đỉnh pittông, nắp xylanh, hoặc có lớp cặn bám trên bề mặt tiếp xúc với môi chất làm mát của xylanh sẽ ngăn không cho tản nhiệt của môi chất, làm tăng n1 Các biện pháp làm giảm nhiệt độ trung bình của xylanh đều làm giảm n1 Nếu tăng tỷ số nén sẽ tăng Pc và Tc do đó làm gia tăng phần tản nhiệt của cho xylanh khi làm giảm n1

Kích thước xylanh : Tăng đường kính xylanh sẽ làm cho môi chất khó tản nhiệt

vì vậy giá tri n1 sẽ tăng

Chế độ làm việc của động cơ : Ở chế độ giảm tải hoặc tăng tải sẽ có chỉ số n1 nhỏ hơn ở chế độ dừng của động cơ

Như vậy chỉ số đa biến n1 của quá trình nén là một chỉ số hết sức phức tạp và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố liên quan

Theo[5] Nguyễn Tất Tiến,Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục, (2000)

2.1.3 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ xăng

Giới hạn trên của tỷ số nén được quy định bởi hiện tượng kích nổ và nó phụ thuộc vào tính chất chống kích nổ của nhiên liệu mà đặc trưng bằng số ốctan Trong những điều kiện như nhau nhiên liệu có số ốctan mà càng lớn thì tỷ số nén chọn cho động cơ có thể càng cao Đối với một nhiên liệu đã cho, tỷ số nén được xác định bởi các yếu tố về mặt kết cấu và vận hành: tính cao tốc, chế độ phụ tải, phương pháp hình thành hỗn hợp, vật liệu các chi tiết, hình dạng buồng cháy, kích thước xilanh

Tăng số vòng quay của trục khuỷu, thời gian tác động của nhiệt độ và áp suất cao tới môi chất công tác sẽ bị rút ngắn, tốc độ cháy được tăng lên, do tăng cường vận động xoáy lốc của khí nạp, và lượng tương đối khí sót trong xilanh của động cơ tăng Kết quả là khi tăng số vòng quay khuynh hướng kích nổ của động cơ sẽ giảm và có khả năng tăng đôi chút tỷ số nén Do đó, ở động cơ cao tốc tỷ số nén được chọn cao hơn ở động cơ có tốc độ thập

Khi giảm tải, số lượng tương đối khí sót trong xilanh của động cơ sẽ tăng và mức

độ sấy nóng khí nạp mới phần nào bị giảm đi, do đó khuynh hướng kích nổ của động

cơ cũng sẽ giảm Căn cứ vào đó, khi thiết kế loại động cơ thường làm việc ở chế độ phụ tải nhỏ (động cơ ôtô du lịch), tỷ số nén có thể chọn cao hơn so với động cơ thường làm việc ở toàn tải hoặc gần toàn tải (ôtô tải đặc biệt, động cơ máy kéo)

Nếu thay quá trình chế hoà khí nhiên liệu bằng phun trực tiếp thì có thể tăng tỷ số nén nhiều hơn nữa, bởi vị khi phun trực tiếp thời gian tác động của nhiệt độ và áp suất cao đối với nhiên liệu sẽ bị rút ngắn đi rất nhiều và thời gian chuẩn bị nhiên liệu trước màng lửa cũng bị rút ngắn

Nâng cao nhiệt độ vách xilanh và đỉnh pittông sẽ thúc đẩy các quá trình trong khí hỗn hợp công tác trước màng lửa xảy ra mãnh liệt hơn và làm tăng khuynh hướng kích

nổ của động cơ Vì vậy, đối với động cơ làm mát bằng không khí, trong các điều kiện như nhau, thì phải chọn tỷ số nén nhỏ hơn so với động cơ làm mát bằng nước

Khi giảm đường kính của xilanh, nhiệt độ của khí trong buồng cháy sẽ giảm, còn hành trình của màng lửa từ bugi đến những thể tích xa nhất của buồng cháy sẽ bị rút ngắn, tức là giảm thời gian lan tràn của màng lửa trong thể tích của buồng cháy Tất cả những điều đó sẽ dẫn đến là giảm khuynh hướng kích nổ của động cơ và tạo điều kiện cần thiết để nâng cao tỷ số nén

Xupáp thải thường là chi tiết nóng nhất trong động cơ Giảm nhiệt độ xupáp thải hoặc là bỏ hẳn nó đi, thì sẽ cho phép ta sử dụng tỷ số nén cao trong động cơ

Hình dạng và kích thước buồng cháy có ảnh hưởng rất nhiều tới tỷ số nén

Tỷ số nén có thể tăng bằng cách dựa vào vật liệu chế tạo pittông, nắp máy và xilanh

2.1.4 Ảnh hưởng của tỷ số nén đến quá trình làm việc của động cơ Diesel:

Trong các động cơ Diesel, tỷ số nén được quyết định chủ yếu bởi phương pháp hình thành khí hỗn hợp và được chọn bằng phương pháp tính toán sao cho nhiên liệu

tự bốc cháy đảm bảo khi khởi động động cơ ở trạng thái lạnh

Tỷ số nén của động cơ Diesel thấp nhất là ở các động cơ Diesel phun nhiên liệu trực tiếp có bề mặt buồng cháy nhỏ ℇ = (13 - 16) Trong các động cơ có buồng cháy phân cách (buồng cháy dự bị, buồng cháy xoáy lốc ) trị số nén khá cao và nằm trong phạm vi ℇ = (17 - 21) Trong một vài loại động cơ Diesel thiết kế để dùng cho nhiều loại nhiên liệu khác nhau ( đa nhiên liệu) , tỷ số nén có thể đạt tới ℇ = (17 - 19)

Khi chọn tỷ số nén cho động cơ Diesel cần phải tính đến kích thước của xilanh, vật liệu chế tạo pittông và xilanh, chế độ phụ tải và chế độ tốc độ của động cơ Khi giảm kích thước xilanh, sử dụng hợp kim nhẹ, giảm tải thì tỷ số nén phải chọn cao hơn Ngược lại, đối với động cơ có kích thước lớn, pittông và nắp máy làm bằng gang

và thường dùng làm việc ở phụ tải lớn thì tỷ số nén nên giảm

Trong những động cơ Diesel tăng áp có tỷ số nén ℇ= (12 - 13) trị số pc có thể biến động trong những phạm vi rất rộng và có thể đạt (4-5) MN/m2 trong các động cơ cao tốc trung bình và (5-7,5) MN/m2 trong các động cơ cao tốc, điều đó sẽ đưa đến làm tăng áp suất cháy cực đại pz = (7,5 - 13) MN/m2 và cao hơn

Khi thiết kế động cơ mới cũng như khi cải tiến động cơ, việc chọn tỷ số nén phải căn cứ vào những yếu tố sau:

- Chủng loại động cơ

- Loại nhiên liệu được sử dụng

- Phương pháp hình thành hỗn hợp cháy

- Chế độ làm việc của động cơ

- Vật liệu chế tạo pittông, nắp xilanh

- Áp suất và nhiệt độ của khí nạp

2.1.5 Tỷ số nén điển hình của động cơ đốt trong hiện nay

- Động cơ xăng: Tỷ số nén trong động cơ chạy bằng xăng thường sẽ không cao hơn nhiều so với 10: 1 do khả năng kích nổ của nhiên liệu và không thấp hơn 6: 1 Một

số động cơ ô tô sản xuất được chế tạo cho hiệu suất cao từ năm 1955-1972, sử dụng xăng có chỉ số octan cao cho phép tỷ số nén cao tới 13.0: 1 Một kỹ thuật được

sử dụng để ngăn chặn sự khởi đầu của tiếng gõ là động cơ “xoáy” cao buộc lực nạp phải thông qua một vòng quay tròn nhanh trong hình trụ trong quá trình nén cung cấp quá trình đốt cháy nhanh hơn và hoàn chỉnh hơn Có thể sản xuất động cơ xăng với tỷ

số nén trên 11: 1 có thể sử dụng nhiên xăng có chỉ số octane 87 với việc bổ sung các van biến thời gian và cảm biến gõ để trì hoãn thời gian đánh lửa Những động cơ như vậy có thể không sản xuất được công suất định mức đầy đủ của mình bằng cách sử

dụng xăng có chỉ số octane 87 trong mọi trường hợp, do thời gian đánh lửa bị trì hoãn Hay sử dụng phun nhiên liệu trực tiếp, có thể bơm nhiên liệu vào thời điểm bugi đánh lửa đốt cháy hòa khí (tương tự như động cơ diesel), là một phát triển gần đây cũng cho phép tỷ số nén cao hơn trên động cơ xăng Tỷ số nén có thể cao tới 14: 1 (2014 Ferrari 458 Speciale ) trong các động cơ có cảm biến 'ping' hoặc 'knock' và bộ điều khiển điện tử Năm 1981, Jaguar phát hành một đầu xi-lanh cho phép nén tới 14: 1; nhưng giải quyết cho 12,5: 1 trong xe hơi sản xuất Thiết kế đầu trụ được gọi là đầu "May Fireball"; nó được phát triển bởi một kỹ sư người Thụy

Sĩ Michael May Năm 2012, Mazda phát hành động cơ xăng mới dưới tên SkyActiv với tỷ số nén 14: 1 (các mô hình của Mỹ có tỷ số nén 13: 1 để cho phép chỉ số 87 AKI octane), được sử dụng trong tất cả các xe Mazda vào năm 2015

- Động cơ xăng có tăng áp: Trong động cơ xăng tăng áp, tỷ số nén được xây dựng tùy ý ở mức 10.5: 1 hoặc thấp hơn Điều này là do bộ tăng áp đã nén không khí trước khi nó đi vào các xilanh Động cơ bơm nhiên liệu thường chạy thấp hơn động cơ phun nhiên liệu trực tiếp vì phun nhiên liệu cũng cho phép hỗn hợp không khí và nhiên liệu được làm nóng cùng nhau dẫn đến kích nổ Ngược lại động cơ được bơm trực tiếp

có thể chạy tăng cao hơn vì không khí nóng sẽ không kích nổ mà không có nhiên liệu Trong trường hợp này, nhiên liệu được đưa vào cuối kỳ nén trước 60 độ trước khi lên điểm chết trên ở giữa để tránh làm nóng hỗn hợp đến điểm bắt cháy

- Động cơ xăng trên xe đua: Động cơ đua xe máy có thể sử dụng tỷ số nén cao tới 14,7: 1 và phổ biến là tìm xe máy với tỷ số nén trên 12,0: 1 được thiết kế cho xăng có chỉ số octane 86 hoặc 87 Động cơ xe đua F1 lên đến gần 17: 1, điều quan trọng chỉ thực sự tốt vào khoảng tốc độ động cơ 18.000 RPM

- Động cơ chạy bằng nhiên liệu ethanol và methanol: Trong động cơ sử dụng ethanol và methanol có thể có CR cao hơn đáng kể so với xăng Động cơ sử dụng methanol và ethanol thường có CR 14,5-16: 1

- Động cơ chạy bằng nhiên liệu khí: CR có thể cao hơn trong các động cơ chạy độc quyền trên LPG hoặc CNG , do chỉ số octan cao hơn của các loại nhiên liệu này

- Động cơ Diesel: Trong động cơ diesel quá trình đốt cháy nhiên liệu là quá trình tự cháy, sức nóng của nén làm tăng nhiệt độ của không khí trong xilanh đủ để đốt cháy nhiên liệu Động cơ diesel khi nhiên liệu được bơm vào xilanh vào cuối quá trình nén Chính vì vậy CR thường sẽ vượt quá 14: 1 và CR 23: 1 là phổ biến, con số này thường là giữa 14: 1

và 23: 1 cho động cơ phun trực tiếp và giữa 18: 1 và 23: 1 cho phun gián tiếp

- Động cơ Kerosene: Một tỷ số nén 6,5 hoặc thấp hơn là mong muốn cho hoạt động với nhiên liệu là dầu hỏa Phiên bản động cơ xăng-paraffin của máy kéo Ferguson E20 có tỷ số nén là 4,5: 1 cho hoạt động trên dầu bay hơi máy kéo với chỉ số octane từ 55 đến 70 [5]

2.2 CÁC PHƯƠNG ÁN THAY ĐỔI TỶ SỐ NÉN

Hiện nay việc thay đổi tỷ số nén được thực hiện bằng cách như sau :

Thay đổi gioăng quy láp hoặc khỏa bớt phần kim loại ở đỉnh pittông khi muốn giảm tỷ số nén, khi muốn tăng tỷ số nén của động cơ thực hiện bằng cách phay mặt khối xilanh việc thay đổi tỷ số nén bằng cách phay bề mặt là phương pháp dễ dàng nhất vì sau khi phay tỷ số nén của động cơ sẽ tăng và khi muốn tiến hành thay đổi tỷ

số nén có thể sử dụng nhiều miếng đệm thay thế nhằm giảm tỷ số nén mà không cần thay đổi quá nhiều đến kết cấu của động cơ Mặc dù trong thực tế việc tiến hành thay đổi tỷ số nén khá dễ thực hiện, nhưng khó khăn nhất chính là sự dẫn động từ trục khủy lên đến trục cam và truyền chuyển động đến cơ cấu phân phối khí để thực hiện quá trình đóng mở cửa nạp- thải

Tỷ số nén của một động cơ hiện tại cũng có thể được sửa đổi theo một số cách khác phổ biến nhất là sử dụng các pittông có chiều cao nén thay đổi Chiều cao nén của một pittông là khoảng cách từ tâm của chốt pittông đến chiều cao trung bình của đỉnh của pittông Đối với pittông đỉnh bằng chiều cao nén chính là khoảng cách từ tâm chốt pittông đến đỉnh pittông, nhưng đối với đỉnh pittông có biên dạng lỏm bất thường đòi hỏi phải đo lường phức tạp hơn và tính toán để đạt được chiều cao nén

Tỷ số nén của một động cơ hiện tại cũng có thể được vị trí điểm chết trên của pittông bằng cách sử dụng các thanh truyền có chiều dài thay đổi được, bằng cách sử dụng các cơ cấu thanh truyền- trục khủy nối liên kết đa điểm hoặc có thể sử dụng các cam lệch tâm tại các vị trí (Chốt pittông, cổ biên, cổ trục khủy) Việc sửa đổi kết cấu như trên cần có một kỹ thuật cao và đắt tiền vì nó yêu cầu thanh truyền mới hoặc trục khuỷu mới, cả hai đều là các bộ phận đắt tiền chính của hầu hết các động cơ

Tỷ số nén của một số động cơ cũng có thể được giảm bằng cách xả bớt môi chất

ra khỏi buồng cháy một lượng phù hợp nhằm thay đổi áp suất cuối quá trình nén Phương án này cần có một kỹ thuật cao đo lường chính xác lượng nạp và lượng xả

Tỷ số nén của động cơ được thay đổi nhờ buồng cháy phụ bố trí trên nắp xylanh Phương án này đơn giản ít thay đổi kết cấu của bộ phận truyền lực của động cơ tuy nhiên khả năng thay đổi tỷ số nén trong dải ngắn