Tiểu luận quá trình cháy động cơ xăng

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 xylanhlập đi lập lại có tính chu kỳ được gọi l

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 cơđốt trong đầu tiên bằng sự đốt cháy khí đốt ở áp suấtmôi trường, không có sự nén hỗn hợp trước quá trìnhcháy Công suất lớn nhất đạt được khoảng 5 mã lực vàhiệu suất cực đại khoảng 5%

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

(1833-1884, Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) đã mô tảnguyên lý các chu trình của ĐCĐT Ông cũng đưa ra cácđiều kiện nhằm đạt hiệu suất cực đại của động cơ đốttrong gồm:

Thể tích xy lanh tối đa ứng với bề mặt biên tối thiểuTốc 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 xăngđầu tiên có công suất 0,25 mã lực ở số vòng quay 600vòng/phút

1892, Rudolf Diesel (1858-1913) đã gợi ý một dạng động

cơ đốt trong mới bằng cách phun nhiên liệu lỏng vào trongkhông khí sấy nóng Sau đó, hỗn hợp này tự bắt cháy vàcó hiệu suất nhiệt khoảng 26% Loại động cơ này đượcbiết như động cơ Diesel ngày nay

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

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

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

tại có công suất lơn trong các khu công nghiệp, động cơđốt trong sử dụng xăng có tốc độ cao, công suất lớn,làm việc êm , giá thành nhiên liệu cao nên được dùngtrên các xe du lịch nhỏ, xe có tốc độ cao,… đối với động

cơ diesel số vòng thấp, công suất lớn, giá thành nhiênliệu thấp nhưng làm việc có tiếng ồn lớn, cân bằngđộng khó nên được dùng các xe tải lớn, xe ôtô buyt vàmột số động cơ tĩnh tại

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

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 củapiston giữa hai điểm chết, ký hịệu là S

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

S = 2.R

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong.

a) Piston ở điểm chết trên; b) Piston ở điểm chết dưới.

1.2.3 Thể tích công tác (Vh)

Thể tích công tác là khoảng cách được giới hạn hai điểm chết, ký hiệu là Vh

Đối với động cơ 1 xylanh thì thể tích công tác được tính như sau:

(1.2)

Đối với động cơ có i xylanh thì Vh = Vh.i

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_)

Nếu chu trình công tác của động cơ được hoàn thànhtrong bốn hành trình của piston, có nghĩa là sau hai vòngquay của trục khuỷu thì động cơ đó gọi là động cơ bốn kỳ.Nếu động cơ hoàn thành một chu trình công tác chỉ tronghai hành trình của piston, tương ứng với một vòng quay củatrục 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 xylanhlập đi lập lại có tính chu kỳ được gọi là chu trình công táchay chu trình làm việc của động cơ đốt trong

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ

Đối với động cơ 4 kỳ, để hoàn thành một chu trìnhcông tác piston động cơ phải thực hiện 4 hành trình tươngứng với các quá trình diễn ra trong xylanh gồm: nạp, nén,cháy giãn nở và thải Trong đó công có ích chỉ do quátrình cháy giãn nở sinh ra

Do các quá trình diễn ra lập đi lập lại có tính chu kỳnên khi khảo sát nguyên lý làm việc ta chỉ khảo sátmột chu trình công tác trong toàn bộ quá trình làm việccủa động cơ

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

1.3.1 Kỳ một (quá trình nạp)

c

h c

h c c

a

V

V1V

VVV

chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, cơ cấu phân phối khí điều khiểnsuppap thải đóng, suppap nạp mở thông đường ống nạpvới không gian trong xylanh.

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

1.3.2 Kỳ hai (quá trình nén)

Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, cơ cấu phân phối khíđiều khiển làm cho suppap nạp đóng lại, môi chất đượcnén trong xylanh Vào cuối quá trình nạp, khi piston ở vị tríĐCD áp suất trong xylanh pa còn nhỏ hơn áp suất trênđường ống nạp pk Tận dụng điều này, để hoàn thiện quátrình nạp, cơ cấu phân phối khí điều khiển supap nạp đóngmuộn sau khi piston qua khỏi ĐCD Việc đóng muộn supapnạp như trên có tác dụng nạp môi chất mới vào xylanhđầy hơn, điều này có được là do tác dụng của độngnăng, chênh lệch áp suất và theo quán tính của dòngmôi chất đi vào

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

Để tạo điều kiện tốt cho môi chất cháy một cáchkịp thời và nhiệt lượng sinh ra được tận dụng triệt để thìviệc đốt cháy hỗn hợp phải được thực hiện trước khi pistontới ĐCT Cụ thể, đối với động cơ xăng bougie phải tạo ra tialửa trước khi piston đến ĐCT

1.3.3 Kỳ ba (quá trình cháy – giản nở)

Vào kỳ ba môi chất bị nén trong xylanh ở cuối kỳnén được bốc cháy với tốc độ rất nhanh Tốc độ gia tăngáp suất và nhiệt độ của môi chất rất cao, tạo áp lựcsinh công đẩy piston dịch chuyển về phía ĐCD thực hiện quátrình giãn nở môi chất trong xylanh Chính vì vậy kỳ ba còngọi là kỳ sinh công, trong quá trình này cả hai suppap đều

a b c d

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 suấtmôi chất trong xylanh vào cuối kỳ cháy giãn nở còn khácao nên supáp xả phải mở sớm trước khi piston xuốngđến ĐCD khoảng 40 ÷ 60o tương ứng với góc quay trụckhuỷu Nhờ đó kiện sản vật cháy được thải sạch ra khỏixylanh động cơ

Khi kỳ bốn kết thúc thì động cơ đã thực hiện đượcmột chu trình công tác, tiếp theo nhờ quán tính quay củabánh đà giúp động cơ thực hiện chu trình công tác tiếptheo Chính vì vậy mà động cơ có thể làm việc được liêntục

1.4 Các thông số đánh giá tính năng kinh tế – kỹ thuậtcủa động cơ kiểu piston

1.4.1 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 làcông chỉ thị của một đơn vị thể tích công tác của xylanhtrong một chu trình

i

L

P  , (J/m3 hoặc N/m2) (1.1)

luôn luôn tác dụng lên piston theo hướng ngược chiều sovới P Phần lớn các động cơ, cacte đều được nối thông vớikhí trời hoặc với đường nạp qua hệ thống thông gió cacte,

vì vậy có thể coi áp suất khí thể trong cacte bằng áp suấtkhí trời po

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

4

D)

pP(F

2 o kt





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

dLi  kt   o  2   o (1.3)Tích phân biểu thức (1.3) theo một chu trình sẽ tìm được công chỉ thị của chu trình Li:

chutrình

o chutrình

o h

kỳ mà trục hoành là đường vuông góc với trục tung đi qua giá trị po.

Tích phân chu trình trong biểu thức (1.5) là tổng tích phân của các quá trình tạo nên chu trình đó Vì vậy đối với động cơ bốn kỳ, ta có:

nen

o o

P > po và ngược lại, còn dV > 0 nếu thể tích xylanh tăng vàngược lại

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

Do:  

xa

o hut

o gianno

chay

p , nên (1.6) và (1.7) được viết thành:

nen hut

f = f(+) – f(–) (1.10)

Trong đó: f(+) – diện tích công dương của chu trình, chiềudiễn biến thuận chiều kim đồng hồ

f(–) – diện tích công âm của chu trình, chiềudiễn biến ngược chiều kim đồng hồ

Nếu tỷ lệ xích tung độ (áp suất) là: mp và tỷ lệ xíchhoành độ (thể tích V) là mv thì công chỉ thị Li của chu trìnhsẽ là:

Li = f.mp.mv, (MN.m)Thể tích công tác Vh được xác định bằng l mm trên đồthị 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 củamôi chất Phần thứ hai là phần phụ, được gọi là hànhtrình “bơm” của piston vì chức năng của phần này là chứcnăng của một bơm piston, làm nhiệm vụ thay đổi môi chấtcủa 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 đồthị công vì đường nạp và đường xả trên đồ thị gần nhưtrùng nhau Muốn xác định phần công “bơm” của đồ thị,

thường bỏ qua phần công này, coi nó là một phần trongcác tổn thất cơ giới của động cơ.

Dựa trên nguyên tắc ấy, có thể lược bỏ các tíchphân 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:

h

V

1P(1.12)Tích phân thứ nhất trong

ngoặc có giá trị âm vì P và dV

khác dấu (P > 0 và dV < 0) còn

tích phân thứ hai luôn luôn dương

vì P và dV cùng dấu (P > 0 và dV

> 0)

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

Và   

nen

1 n h

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 ápsuất chỉ thị trung bình Pi là hiệu số giữa các áp suất trungbình 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

Hình 1.15 Áp suất chỉ thị trung bình P i

thị.

đó được gọi là công chỉ thị của chu trình Li, xác định quabiểu thức sau:

Trong đó: n – là số vòng quay của trục khuỷu

trong 1 giây (vòng/s)

 – 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

Nếu các xylanh động cơ có thể tích công tác Vh khácnhau (động cơ chữ V có thanh truyền phụ hoặc động cơ tácdụng kép) sẽ có công suất chỉ thị Ni là:

)i

Li

L(



30

n.V.P

N i h

 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)

 – số kỳ của động cơ, động cơ 4 kỳ  = 4, động

cơ 2 kỳ  = 2

14.1.3 Hiệu suất chỉ thị i

Tính kinh tế của chu trình thực tế được thể hiện qua haithông số: hiệu suất chỉ thị ηi và suất tiêu hao nhiên liệuchỉ thị gi

Hiệu suất chỉ thị là tỷ số giữa phần nhiệt lượngđược chuyển thành công chỉ thị với nhiệt lượng cấp chođộng cơ do nhiên liệu đốt cháy trong xylem tạo ra trong mộtthời gian

tk nl

i i

Q.G

N

G

g  (kg/W.s) (1.26)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 đuôitrục khuỷu để từ đó truyền năng lượng tới máy côngtác Công suất có ích Ne nhỏ hơn công suất chỉ thị Ni.Hiệu của chúng là công suất tổn hao cơ giới Nm dùng đểkhắc phục mọi lực cản trong nội bộ động cơ khi máy hoạtđộng Mối quan hệ giữa Ne, Ni và Nm như sau:

Hiệu suất cơ giới m của các loại động cơ đốt tronghiện nay nằm trong giới hạn:

m = 0,63 ÷ 0,93Gọi Pe là áp suất có ích trung bình, thì giữa Pe và Pi cómối liên hệ sau:

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

30

n.iV.PN

i m e

Ở số vòng quay quy định công suất có ích Ne củađộng cơ có thể thay đổi từ Ne = 0 đến Neqđ Công suất quyđịnh Neqđ phụ thuộc vào điều kiện sử dụng

Tỷ số giữa công suất của động cơ so với công suấtquy định (được chọn là 100%) được gọi là công suất tươngđối và được tính theo phần trăm của công suất quy định.Nếu công suất tương đối vượt quá 100% thì chế độ làmviệc ấy được gọi là chế độ quá tải Thông thường chếđộ quá tải không được vượt quá 110% (tức phần quá tảikhông quá 10%) Nếu sử dụng lâu dài ở tải lớn thì càngkhông được phép quá tải

N55.9n2

60.NN

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

lượng trên cần được xác định trong cùng một khoảng thờigian.

tk nl

e e

Q.G

)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 = Vh.i) của động cơ: N VN i.

nP

L (kW/l)Thông số NL và Pe phản ánh công suất và momen quyvề 1 lít thể tích công tác của động cơ Trong đó Pe phảnánh mức độ cường hoá về tải (lượng nhiên liệu cấp chochu trình) còn NL phản ánh mức độ cường hoá cả về tảivà về tốc độ n của động cơ

Các trị số i, e, gi và ge của các loại động cơ hiện nay làm việc ở chế độ định mức được thể hiện trên bên dưới

Các chỉ tiêu kinh tế các loại động cơLoại động cơ i e gi (g/kW.h) g(g/kW.h) e Động cơ xăng

Động cơ Diesel

0,28 ÷0,39 0,25 ÷0,33 245 ÷300 300 ÷325

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 biểuthức:

n.iP

.N.30V

e

e h



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

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

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

Loại động cơ S/DĐộng cơ xăng chữ V 0,75 ÷

1,10Động cơ xăng thẳng

Động cơ Diesel chữ V 0,90 ÷

1,40Động cơ Diesel thẳng

1.4.4.3 Hành trình của piston

Hành trình của piston được xác định qua biểu thức:

V.4

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 thườnglà sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ vì loại này có trữlượng lớn, nhiệt trị lớn, ít tro, dễ vận chuyển và bảoquản Nó là hỗn hợp của nhiều carbua hydro có kết cấuphân tử khác nhau, nó quyết định tính chất lý hóa cơ bảncủa nhiên liệu và ảnh hưởng rất nhiều tới quá trình bayhơi và cháy của nhiên liệu Ngày nay người ta đã tìm rađược một số nhiên liệu thay thế loại nhiên liệu truyềnthống, 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)

6

2  n

nH

C vàC Hn n12 Ngoài ra trong dầu mỏ còn chứa rất ít

các chất olephin (anken) CnH2n, diolephin (ankandien)CnH2n-2 vàacetylen (ankyn) CnH2n-2

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

Các loại nhiên liệu lỏng lấy từ dầu mỏ đều có các

điều kiện chuẩn (p=760mmHg và t=0oC) Có hai loại nhiệttrị:

_ Nhiệt trị cao Q0: là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháymột đơn vị nhiên liệu có tính đến sự ngương tụ của hơinước chứa trong sản vật cháy khi ta làm lạnh nó đếnnhiệt độ ban đầu

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

Đối với động cơ đốt trong do khí thải có nhiệt độ rấtcao, do đó hơi nước trong khí thải chưa kịp ngưng tụ đã bịthải mất, nên khi tính chu trình công tác của động cơ, nênngười ta dùng nhiệt trị thấp

b) Tính bay hơi của nhiên liệu: có ý nghĩa rất lớn đốivới động cơ nhất là động cơ xăng có sự hình thành hòakhí từ bên ngoài Tính bay hơi của nhiên liệu phụ thuộcvào thành phần chưng cất của nhiên liệu và được xácđịnh trong 1 thiết bị đặc biệt bằng cách đốt nóng nhiênliệu và tách dần những chất chưng cất, sôi trong 1 phạm vinhiệt 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 bênngoài Nhiệt độ tự bốc cháy phụ thuộc vào loại nhiênliệu và thông thường giảm khi tăng trọng lượng phân tửcủa nhiên liệu Đó là 1 trong những nguyên nhân khiếnngười ta dùng nhiên liệu nặng trong động cơ diesel, còn đốivới động cơ xăng thì ngược lại, nhiên liệu yêu cầu là phảicó nhiệt độ tự bốc cháy lớn

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

1.5.2 Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng

a) Tỉ số nén có lợi nhất cl: là  lớn nhất cho phép về

mặt kích nổ Việc xác định  có lợi nhất được tiến hànhtrong 1 động cơ thí nghiệm đặc biệt có thể thay đổi  1cách tùy ý Khi thực hiện người ta tăng  dần dần chođến khi nào xảy ra kích nổ

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

_ Xăng ôtô: 83 – 92

_ Xăng máy bay: 92 – 100 hoặc hơn

*Các thông số của nhiên liệu lỏng dùng cho ĐCĐT

_ Thành phần khối lượng

c

h

onl

0,8550,145

0 0,8700,126

0,004_ Trọng lượng phân tử n l 110 - 120 170 - 200_ Nhiệt trị thấp QH MJ/kg 44 42,5 (hoặc kcal/kg) (10500) (10150)_ Lượng không khí cần thiết để đốt

cháy 1kgnl

Theo kmol

Theo kg

0,51214,8 0,49614,4

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

Hòa khí dùng cho ĐCĐT có hai thành phần: nhiên liệuvà không khí Muốn xác định lượng hòa khí trên đối với1kg nhiên liệu lỏng, trước tiên phải xác định lượng khôngkhí 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 phươngtrình phản ứng sau:

C + O2 = CO2

H2 +

2

1O2 = H2O (1-2)Nếu 1kg nhiên liệu lỏng gồm có: c kg C, h kg H2 và onl

kg O2, từ (2-2) ta có thể viết:

12kg C + 32kg O2 = 44kg CO2

2kg H2 + 16kg O2 = 18kg H2O

2

34

của H2 khiến thể tích môi chất

tăng gấp hai lần sau khi phản ứng

Nếu gọi O’o (kg/kg) và Oo

(kmol/kg) là lượng O2 lý thuyết cần

thiết để đốt cháy kiệt 1kg nhiên

liệu lỏng, theo (2-1), (2-3) và (2-4)

Theo (2-1), (2-5) và (2-6) sẽ tính

được:

Oo =

32412

nl

o h c



 (kmol/kgnl)(1-8)

Lượng O2, dùng để đốt nhiên liệu trong buồng cháyđộng cơ, là lượng O2 trong không khí Không khí gồm haithành phần chính là: O2 và N2 Tính theo thành phần khốilượng của không khí khô: O2 chiếm 0,232 (≈23%), còn N2chiếm ≈77% Tính theo thành phần thể tích (thành phần mol)O2 chiếm 0,209 (≈21%), còn N2 chiếm ≈79% Do đó lượngkhông khí lý thuyết cần để đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏnglà 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 trongcác lò luyện cốc và lò cao

yếu là nitơ – N2)

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

Bảng 1-2 Thành phần của nhiên liệu thể khí

Khí Thành phần hóa học tính theo % thể tích Q H

0,13 - 0,21

1

0,1- 0,8

1-9,3

0,05 - 0,89

- 36,2

b Nhiên liệu thể lỏng

Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động cơ đốt trong chủ yếulà những lọai sản phẩm của quá trình chưng cất từ dầumỏ Nó là hỗn hợp của nhiều cacbuahydrô có kết cấuphân 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 sửdụng 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 mỡđộng vật

Lượng không khí cần thiết để

đốt cháy 1kg nhiên liệu tính theo

kmol

Độ nhớt động học ớ 20oC tính

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 đượcphân tích thành một chuỗi của các quá trình riêng biệt:nạp, nén, cháy, giãn nở và thải Với những mô hình chomỗi quá trình này, một mô phỏng của chu trình động cơhoàn chỉnh có thể được xây dựng để có thể phân tíchđược và cung cấp thông tin về động cơ Những quá trìnhcủa các động cơ riêng biệt ở các mức độ xấp xỉ khácnhau sẽ được phát triển thêm Trong chương này chúng taxét một bộ những mô hình đơn giản nhất để có đượcnhững hiểu biết sử dụng sâu sắc về biểu thị và hiệusuất của các động cơ Những chu kỳ được phân tích là chutrình đẳng áp, đẳng tích, và chu trình áp suất tới hạn; mỗicái mô tả sự xấp xỉ cho qua trình cháy của động cơ.Những mô phỏng quá trình động cơ một cách chính xáchơn sẽ nói đến trong các chương sau

Với mỗi một chu trình động cơ, phải chọn mô hình đặctính nhiệt động cho môi chất công tác Những mô hình chutrình lý tưởng của động cơ kết hợp với mô hình khí lýtưởng đơn giản cung cấp những kết quả phân tích và đượcsử 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 cơnhiệt trong định nghĩa nhiệt động lực học của một chu trình.Nó không là một hệ thống kín Môi chất công tác thìkhông thể hiện một chu trình nhiệt động Sự thay đổi nhiệtđộ xảy ra quanh thể tích nhỏ nhất và lớn nhất của xy lanhvềcơ bản không phải là kết quả chủ yếu của nhữngtác động truyền nhiệt Một động cơ có thể phải đượcphân tích tốt nhất như là một hệ thống mở với sự thayđổi nhiệt và công tương tác với môi trường xung quanh (khíquyển) Chất phản ứng (nhiên liệu và không khí) thì nạp

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

Để minh họa những quá trình này, những số liệu áp

suất (p) và thể tích (V) trong xy lanh từ một động cơ đánh

lửa cưỡng bức SI (spark-ignition) bốn kỳ được vẽ như là đồ

thị p-V thể hiện trên hình 2-1.

Chu trình được chia thành các quá trình riêng biệt: nén,cháy, giãn nở, thải và nạp

Có một số giả thiết được đơn giản hóa cho mỗi quátrình 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 đẳngtích, đẳng áp và chu trình áp suất tới hạn với hoạt độngcủa 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

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

Quá trình Các giả thiết

- Nén (1-2) 1 Đoạn nhiệt và thuận nghịch (vì đẳng entropi)

- Cháy (2-3) 1 Đoạn nhiệt

2 Quá trình cháy xảy ra ở:

(a) đẳng tích(b) đẳng áp(c) một phần đẳng tích và một phần đẳngáp (áp suất tới hạn)

3 Quá trình cháy hoàn tất (c 1)

- Giãn nở (3-4) 1 Đoạn nhiệt và thuận nghịch (vì đẳngentropi)

- Xả (4-5-6) 1 Đoạn nhiệt

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 lanhnhư 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 nhưthế nào những chu trình lý tưởng này như để là nhữngchỉ thị của hiệu suất động cơ đó là dạng giả thuyết củaquá trình cháy Quá trình cháy của một động cơ thực nằmtrong chu kỳ góc quay giới hạn của trục khuỷu (giữa gócquay từ 20 đến 70 độ trục khuỷu), và thời điểm đánh lửahoặc phun nhiên liệu có thể sớm hơn điểm chết trên đểđạt tối ưu

Chu trình đẳng tích là trường hợp giới hạn của sự cháyrất nhanh tại điểm chết trên; chu trình đẳng áp thì tươngứng với sự cháy chậm và trễ; chu trình áp suất được tớihạn thì nằm ở giữa hai chu trình trên

2.3 QUAN HỆ NHIỆT ĐỘNG CỦA NHỮNG QUÁ TRÌNH ĐỘNG CƠ.

Toàn bộ các thông số hoạt động của động cơ đượcquan tâm nhất có thể được xác định từ những phân tíchnhiệt động chu trình hoạt động của động cơ là:

Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị f , i:

LHV f

i c i

f

Q m

i c

V

Q m V

c W W

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 dựngbằng cách ứng dụng định luật nhiệt động 1 và 2 cho xylanh 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:

3 4 3

4 2

v

v p

2 3 2 4 3

v p v p h h m

v v p u u m

V V p U U

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

f

Q m

u u u

u

,

2 2 4 4 1 2 4

3 i

f

Q m

v p v p u u h

h

,

Với chu trình áp suất giới hạn:

Trong mô hình quá trình xả lý tưởng, quá trình quét khí xảy

ra khi pít-tông đi lên từ điểm chết dưới Trong suốt quátrình quét khí này, khí còn sót trong lòng xy lanh giãn nởđẳng entropi Những khí thoát khỏi xy lanh dưới sự giãn nởkhông kiểm soát được hoặc quá trình đó gọi là khôngthuận nghịch Giả thiết rằng động năng đạt được bởi mỗinguyên tố như nó được tăng nhanh thông qua xú-páp xảthì bị tiêu hao trong quá trình trộn rối ở cổng xả thànhnội năng và công của dòng xả Vì cũng giả thiết rằngkhông có trao đổi nhiệt xảy ra, entanpi của mỗi nguyên tốkhí 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 lại trong xy-lanh giãn nở đẳng entropi

dọc theo đường 4-5 Thành phần đầu tiên của khí cháy

thoát khỏi xy-lanh tại điểm 4 đi vào họng xả tại điểm a với áp suất = đường p e Thành phần mà thoát khỏi xy-

lanh ở trạng thái trung bình b trên đường kéo dài 4-5 sẽ đi

vào họng xả tại trạng thái c Vào cuối quá trình xả, khí

cháy trong xy-lanh và khí cuối thoát ra có cùng trạng thái-5 Vì vậy, có sự biến thiên nhiệt độ với khí xả Nhiệt độ

và nhiệt độ của khí xả cuối là T 5

Dịch chuyển của khí cháy ra khỏi xy-lanh theo quá trình

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

trình xả

s h

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 chutrình 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

(2-17)

Trạng thái trung bình của khí xả có thể định bởi xéthệ 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:

p U

Ở đây H e là entanpi của khối lượng khí xả từ xy-lanh.

Vì vậy, entanpi khí xả riêng trung bình là:

6 4

6 6 4 4

m m

V p u m u m

trong đó, p = p e là trạng thái khí xả trung bình.

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

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 hưởngđến hệ phương trình (2-19)

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

trong đó, với hệ thống khí cháy trong xy-lanh, là âm

cho p i < p e , và dương cho p i > p e

Áp suất hiệu dụng chỉ thị trung bình quét (pmep) xác

định dương, do đó:

khi p i < p e : pmep = p e  p i 23a)

(2-khi p i > p e : pmep = p i  p e 23b)

(2-Áp suất hiệu dụng trung bình chỉ thị thực và tổngchung có quan hệ như sau:

imepn = imepg  (p e  p i ) 24)

(2-Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị thực và hiệusuất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị tổng chung có quan hệnhư sau:

f in f

imep

p p 1

,

2.4 PHÂN TÍCH CHU TRÌNH MÔI CHẤT CÔNG TÁC KHÍ

LÝ TƯỞNG VỚI HẰNG SỐ CV VÀ CP

1 4 2

3

1 2 4

3 i

T T 1 T

T

T T T

Vì đoạn 1-2 và 3-4 là quá trình đẳng entropi giữa các

thể tích như nhau V 1 và V 2, nên:

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

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

1

1 1 1 1

c

Q p

imep

(2-32)

Những số hạng không thứ nguyên r c,  ,Q /c v T 1 thích hợpđể 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 là công sinh ra - và áp suất tối đa trong

chu trình, p 3 Tỉ số p 3 / p 1 có thể tính từ định luật khí lý

tưởng cho điểm 2 và 3, và từ (2-28) ta có:

1 1 2

Q T

T

(2-33)Phương trình (2-32) và (2-33) cho ta:

1

1 1 1

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 chịuđược sự tăng ứng suất trong kết cấu

Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị và các

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

v

p c

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 r

r

p p p

p r

p p x

4 1 1 1

2 4

3 3

2 2

1 4

c

Q r

T

T r p

p p

p p

p p p

i e c

r

r T c Q

p p r

Tỉ số khối lượng khí sót tăng vì p i giảm dưới p e ,

giảm vì r c tăng, và giảm vì Q */(c v T 1) tăng

Thông qua những phân tích đơn giản, nhiệt độ của khí

sót T 6 có thể xác định như sau:

e

r T c

Q p

p T

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:

i

e c i p r p

r p

p

p r

RT T

c x T

c x T

Phương trình (2-36) và (2-37) cho ta:

    1  

1 1

2.4.2 Chu trình đẳng áp và tới hạn:

Chu trình đẳng áp là chu trình áp suất tới hạn với p 3 =

p 2 Chu trình áp suất tới hạn công nén là:

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

 3 a 24  1 b 3 a

i f

T T T

T

T T 1

p

3

3 2

1 r

1

c i

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

c 1

v c

r 1

1 T

c

Q r

1 p

Những trình bày trên hầu hết đều dùng được nếugiá trị  và 

Q /(c v T 1) được chọn phù hợp với môi chất công

tác thật Hình 3-5 chỉ độ nhạy của f, i cho chu trình đẳngtích với  đã chọn Trong phần trước giá trị trung bình của u

và b được xác định để phù hợp đặc tính môi chất côngtác thực qua kỳ nén và kỳ giãn nở Giá trị của hỗn hợpcháy hoàn toàn thích hợp cho động cơ SI là u  1,3 và b 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

tăng số mũ trên giá trị tương ứng b Giá trị  = 1,3 cho

chu trình động cơ là lựa chọn hợp lý.



Q xác định bởi biểu thức (2-29) là lượng giảm entanpitrong suốt quá trình cháy đẳng nhiệt cho một đơn vị khốilượng môi chất công tác Vì vậy:

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  = 1,3 và trọng lượng phân

-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 f, i vì khối lượng nhiên liệucháy 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 ảnhhưởng phần lớn đến yêu cầu sức bền của cấu trúcđộng cơ

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

Một so sánh rộng hơn của ba chu trình này được cho trên

hình 2-7 và 2-8 trên một dãy những tỉ số nén Với  =

1,3 , r c = 12, 

Q /(c v T 1 ) = 9,3(r c - 1)/ r c cho tất cả các 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

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

áp suất tới hạn và đẳng tích.

 = 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 lýtưởng quan hệ với điều kiện dư và điều kiện hút vớitrạng thái khí tại điểm 1 trong chu trình Một thủ tục lặpđược yêu cầu nếu điều kiện hút được chỉ rõ.

Ví dụ 2-1:

Cho  = 1,3 , r c = 12, và hỗn hợp cháy hoàn toàn vớinhiệt độ hút 300 K, tìm lượng khí sót, nhiệt độ khí sót, và

nhiệt độ hỗn hợp tại điểm 1 trong chu trình đẳng tích với p 3a

/ p 1 = 1 (vận hành không điều khiển bướm ga) và 2 (vậnhành có điều khiển bướm ga)

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 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

,

MJ/kgvới  = 1,3 , c v = 946 J / kg.K và:

1

r 1

6

1 v

x 1 T

2910 x

1 T 946

10 75 2 T c

12 sẽ trở thành:

 0 3 0 769 r

1 v

769 0 i e

6 T c Q 1

p p 6

3 1 v

23 0

i

e i

r

6 T c

Q 1

p

p T

Với p e / p 1 = 1 (vận hành không điều khiển bướm ga),

ta có:

K 1316 T

1 8 T c

Q K 344 T

044 0

1 v 1



;,

;

;,

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

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 chấtcông tác bên trong xy-lanh động cơ là xử lý hỗn hợp khíchưa cháy như khí trơ trong thành phần và hỗn hợp đãcháy như ở trạng thái cân bằng Giá trị của những đặctính nhiệt động học cho những mô hình môi chất công táccó thể có được bằng những đồ thị cho hỗn hợp chưa cháyvà đã cháy trong phần 2.5 trước, hoặc bảng tổng kết mãhóa máy tính ở phần 2.7 Khi những mô hình môi chấtcông tác này được kết hợp với mô 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 khôngkhí, hơi nhiên liệu, và khí sót mà không có thay đổi thànhphần hóa học

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

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

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

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

Những phương trình cơ bản cho mỗi quá trình đã giớithiệu trong phần 3.3 việc sử dụng những đồ thị này chotính toán chu trình động cơ hoàn chỉnh sẽ được trình bày sauđây

2.5.1 Mô phỏng chu trình động cơ SI:

Điều kiện hỗn hợp tại điểm 1 phải biết được hay phải

Ở đây T r = 1400 K và ( - 1)/  = 0,24 là giá trị trung bìnhphù hợp để dùng cho ước lượng ban đầu

Cho hệ số tương đương  và những điều kiện đầu T 1

(K), p 1 = p i (Pa), v 1(m3/kg không khí), trạng thái tại điểm 2 vào

cuối nén thông qua tỉ số v 1 / v 2 = r c được xác định theo biểu

thức (2-25a) và sơ đồ nén đẳng entropi (hình 2-4) Công nén

W c (J / kg không khí) xác định theo phương trình (3-6) với sự thay

đổi nội năng từ đồ thị hỗn hợp chưa cháy (hình 2-3)

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

Với chu trình đẳng tích:



u f 2 s

3 u u

u   , J/ kg không khí (2-49)

Ở đây u s2 là nội năng biết được của hỗn hợp chưa

cháy tại điểm T 2 có từ hình 2-3 và 

u f

u ,

 là nội năng củasự 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

3 h h

h   , J/ kg không khí (2-50)

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

b u p v u p v u u p v

, J/ kg không khí (2-51)

Vì p 3 của chu trình áp suất tới hạn đã cho, điểm 3b có

thể xác định trên đồ thị khí cháy tương ứng

Quá trình giãn nở 3-4 theo đường đẳng entropi từ v 3

tới v 4 (v 4 = v 1) trên đồ thị khí cháy Phương trình 9) [hay

(2-11) hay (2-13)] bây giờ sẽ cho công giãn nở W E Trạng thái

của khí sót tại điểm 5 và 6 trong chu trình có được bằng

cách tiếp tục quá trình giãn nở đẳng entropi từ trạng thái

4 tới p = p e Nhiệt độ khí sót có thể 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 thểkiểm tra khác với giá trị tính và một tính toán chu trình bổsung được thực hiện với giá trị mới nếu yêu cầu Độ hộitụ khá nhanh

 

r 1

v

x 1 r

c i a 1

r c v

2.5.2 Các kết quả của tính toán chu trình:

Các kết quả mở rộng của tính toán chu trình khôngkhí - nhiên liệu đẳng tích là có thể tính được

Hiệu suất thì ảnh hưởng ít bởi những biến khác hơn

là tỉ số nén r c và hệ số tương đương  Hình 2-9 và 2-10

chỉ ra ảnh hưởng của sự thay đổi trong hai thông số nàytrên hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị và áp suấthiệu dụng Từ các kết quả có được, có thể đưa ra nhữngkết luận sau:

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

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

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

4 Áp suất hiệu dụng từ phương trình (2-2) thì tỉ lệ với 

dụ, giàu không đáng kể của cháy hoàn toàn lý