thiết kế động cơ diesel

- Chọn hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel phun dầu điều khiển điện tửCommon Rail, do dùng buồng cháy thống nhất thì đòi hỏi cao đến chất lượng phunnhiên liệu cần được phun nhỏ, đều, phâ

Sau thời gian được giao làm “ Đồ án học phần động cơ đốt trong” Chúng em xinchân thành cảm ơn :

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng emhọc tập và làm bài tập

Sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của Thầy Hoàng Ngọc Dương, Thầy đã nhiệttình giảng giải và phân tích cho chúng em hiểu rõ về những vấn đề thắc mắc của chúng

TP Hồ Chí Minh, tháng 11, năm 2010 Nhóm 10 (DHOTO3)

Chúng em chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

1 Giới thiệu động cơ và phương án lựa chọn 4

1.1 Đặc điểm động cơ thiết kế 4

1.2 Tổ chức quá trình cháy 4

1.3 Hệ thống nạp xả 8

1.4 Hệ thống làm mát 10

1.5 Hệ thống bôi trơn 12

1.6 Hệ thống khởi động 14

1.7 Động cơ mẫu 15

1.8 Kích thước cơ bản động cơ 16

1.9 Tổng hợp thông số cơ bản 16

2 Tính chu trình nhiệt động 19

2.1 Tính môi chất công tác 19

2.2 Quá trình nạp xả 25

2.3 Quá trình nén 32

2.4 Quá trình cháy 33

2.5 Quá trình dãn nở 34

2.6 Chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật cơ bản của chu trình 34

2.7 Cân bằng nhiệt 36

3.1 Động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 39

3.2 Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 45

3.3 Xây dựng đường đặc tính tốc độ ngoài động cơ 53

4 Thiết kế kỹ thuật hệ thống nạp xả 55

4.1 sơ đồ cơ cấu phối khí 55

4.2 Tính toán và lựa chọn kích thước xu páp 55

4.3 Đồ thị pha phân phối khí 59

4.4 Cấu tạo biên dạng cam 59

4.5 Tốc độ trung bình của khí xả qua tiết diện lưu thông 61 4.6 Tính toán lò xo xu páp qua phương pháp đồ thị 64

Tài liệu tham khảo 69 Bản vẽ

1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ:

- Động cơ được thiết kế là loại 4 kỳ, có 4 xylanh, bố trí thẳng hàng

+ Công suất danh nghĩa: Nen = 58 KW

+ Số vòng quay danh nghĩa: nn = 3900 vòng/phút

- Động cơ này được sử dụng trang bị trên ISUZU DMAX/VAN

1.2 TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH CHÁY :

1) Loại nhiên liệu.

- Nhiên liệu dùng cho động cơ là điesel

- Các thành phần có trong nhiên liệu:

Chọn nhiên liệu diesel nhẹ có thành phần khối lượng

C = 0,87 ; H = 0,126 ; O = 0,004 ; S = 0(TL1/tr 51)

2) Buồng đốt.

Buồng cháy động cơ diesel là nơi hòa khí được hình thành và bốc cháy vàgây ảnh hưởng đến các chỉ tiêu: công suất, hiệu suất, độ tin cậy cũng như ônhiễm môi trường bởi khí xã Chọn loại buồng đốt thống nhất vì :

Ưu điểm: cấu tạo đơn giản tổn thất nhiệt ít, tiết kiệm nhiên liệu khởi động dễ,thông dụng

Nhược điểm: tỷ số nén cao, áp suất phun lớn, phải dùng kim phun có nhiều

lỗ dễ bị nghẹt

Hình 1: Buồng đốt thống nhất

3) Hệ thống nhiên liệu.

- Chọn hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel phun dầu điều khiển điện tử(Common Rail), do dùng buồng cháy thống nhất thì đòi hỏi cao đến chất lượng phun(nhiên liệu cần được phun nhỏ, đều, phân bố khắp không gian buông cháy) chỉ có vậymới đảm bảo nhiên liệu được sấy nóng và bay hơi nhanh và hòa trộn đều với không khítrong đó để tạo thành hòa khí

Tỷ lệ hòa khí được xác định bởi các thông số:Áp suất phun, thời gian phun, kếtcấu lỗ tia, thời điểm phun, vận tốc dòng khí nạp, khối lượng không khí nạp nhờ các cảmbiến

- Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong bộ tích áp và sẵn sàng để phun, vàlượng nhiên liệu được phun ra được quyết định bởi người lái xe và thời điểm phun và áplực phun được tính toán và điều khiển bằng ECU

- Lượng nhiên liệu phun và áp suất phun độc lập với nhau trong từng điều kiệnhoạt động của động cơ Các cảm biến sẽ gởi tín hiệu về ECU từ đó ECU sẽ phân tích vàđiều khiển quá trình phun thông qua các van Các cảm biến: tốc độ trục khủy, tốc độcam, cảm biến nhiệt độ nhiên liệu, cảm biến áp suất ống phân phối, cảm biến vị trí chân

ga, cảm biến áp suất không khí vào, cảm biến lưu lượng khí (cảm biến nhiệt độ khôngkhí vào),cảm biến nhiệt độ nước làm mát

- Qúa trình phun:

Hình 2: đường đặc tính phun

Phun sơ khởi (mồi): diễn ra trước khi khi piston đến điểm chết trên trong thời kỳnén nhưng không thước 400 sẽ làm loãng dầu bôi trơn do nhiên liệu bám vào bề mặtthành xy lanh và piston Phun mồi sẽ có 1 lượng nhỏ nhiên liệu (1-4 mm3) được phunvào xy lanh để mồi Điều này giúp áp suất cuối quá trình cháy tăng 1 ít nhờ nhiên liệucháy 1 phần và phun mồi, giảm được thời gian cháy trễ quá trình cháy êm dịu hơn

Phun chính: xảy ra sau giai đoạn phun mồi và đây cũng chính là giai đoạn quantrọng giúp động cơ tăng lực kéo và sinh công

Phun thứ cấp( xử lý khí thải): để đốt cháy NOx nó xảy ra sau quá trình phunchính nhiên liệu không bị cháy mà sẽ được bốc hơi nhờ khí nóng của khí thải bộ hóakhử lắp đẻ giảm NOx chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là nhân tố hóa học đểgiảm nồng độ NOx rồi 1 phần nhiên liệu sẽ được thu lại đưa vào buồng đốt thông quaEGR ( luân hồi khí xã)

Hình 3: Sơ đồ cấu tạo

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý

Nguyên lý hoạt động:

Bơm(2) hút nhiên liệu từ thùng chứa(1) qua bầu lọc(3) trên đường ống thấp áp, từđây nhiên liệu được đảy đi với áp lực cao đến ống tích trữ áp lực cao ( ống sáo) (7) để rồi đi đến các kim phun (9) sẵn sành phun vào các xylanh cảu dộng cơ Việc tạo áp suất

và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail Áp suất phun được tạo ra dộc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra

Hệ thống Common Rail Diesel có 5 ưu điểm:

+ Tiêu hao nhiên liệu thấp

+Hạn chế được việc ô nhiễm môi trường do khí thải Động cơ Diesel thế hệ “cũ”, trong quá trình làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu tạo ra tiếng ồn khá lớn Khi khởi động và tăng tốc đột ngột lượng khói đen thải lớn.Vì vậy làm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm cao Ở HTNL Common Rail áp suất phun lên đến 1500 bar, có thể phun ở mọi thời điểm, mọi chế độ làm việc và ngay cả động cơ lúc thấp tốc mà áp suất phun vẫn không thay đổi Với áp suất cao, nhiên liệu được phun càng tơi nên quá trình cháy càng sạch hơn

+Động cơ hoạt động êm dịu, giảm được tiếng ồn Động cơ làm việc êm dịu là nhờ cải tiến Bơm cao áp Với kiểu bơm pittông bố trí hình sao lệch nhau 120 độ

+Cải thiện tính năng động cơ: Hoạt động nhẹ nhàng, linh hoạt và năng suất cao, giảm được tải trọng động trên động cơ

+Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ Diesel đang sử dụng

Tuy nhiên, HTNL Common Rail còn các tồn tại là:

+ Thiết kế và chế tạo phức tạp đòi hỏi có ngành công nghệ cao + Khó xác định và lắp đặt các chi tiết Common Rail trên động cơ cũ

1.3 HỆ THỐNG NẠP - XẢ:

Đối với động cơ 4 kỳ:

- Cơ cấu phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi môi chất công táctrong động cơ Thải sạch khí thải khỏi xylanh và nạp đầy không khí mới vàoxylanh động cơ

- Điều kiện làm việc:

Tải trọng cơ học caoNhiệt độ cao

Tải trọng va đập tốt

- Yêu cầu:

Đóng mở đúng quy luật và thời điểm

Độ mở lớnĐóng kín xupap thải không tự mở trong quá trình nạp

Ít mòn, tiếng ồn nhỏ, dễ dàng điều chỉnh sữa chữa, giá thành chế tạo thấp

- Phương pháp dẫn động: cam-con đội - đũa đẩy - đòn gánh vì kết cấu đơn giản,

Là loại cơ cấu phối khí được dùng phổ biến,có kết cấu dơn giản, dễ chế tạo dễđiều chỉnh, giá thành không cao lắm

- Điều chỉnh khe hở nhiệt xu páp bằng tay( khe hở nhiệt là khe hở được tạo ra bởitất cả các chi tiết từ trục cam đến xupáp khi xupáp đóng Khe hở này được biểuthị bằng khoảng cách giữa đuôi xupáp và đầu cò mổ khi xupáp đóng)

Hình 5: Cơ cấu phân phối khí

Nguyên lý hoạt động:

Trục khủyu quay làm bánh răng trung gian quay mà bánh răng trung gian ăn khớpvới bánh răng cam nên trục cam được dẫn động Trục cam quay trên trục cam có cácbánh lệch tâm nên khi quay làm con đội, đũa đẩy, cò mổ chuyển động làm thay đổiđóng mở xupap nạp, xã

1.4 HỆ THỐNG LÀM MÁT:

- Khi động cơ đốt trong làm việc nhiệt lượng do nó sinh ra rất lớn Nên cần có hệthống làm mát để hạ nhiệt cho các chi tiết của động cơ và đảm bảo cho các chitiết động cơ làm việc ở nhiệt độ thích hợp Duy trì mức nhiệt 85-950C tốt nhấtcho động cơ ở từng chế độ hoạt động, khi khởi động động cơ được làm nóngnhanh, khi hoạt động ở cực đỉnh động cơ phải giải nhiệt tốt

- Việc chạy động cơ quá nóng có thể gây ra :

• Piston và xupap bị cháy

• Các chi tiết có ứng suất nhiệt lớn , sức bền giảm

• Hệ thống bôi trơn hỏng

• 200-3000C dầu nhớt bị cháy nhóm piston bị bó kẹt vì giản nở

- Việc chạy động cơ quá lạnh có thể gây:

Không tiết kiệm đuợc nhiên liệu ( nhiên liệu khó bốc hơi cháy không hết)

1 phần nhiên liệu cháy không hết rơi xuống cacte làm loãng dầu bôi trơn , đồng thời sẽtăng thêm ma sát mài mòn giữa các chi tiết không cần thiết

Chọn hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức 1 vòng kín vì chúng có nhiều

ưu điểm: áp suất nước lớn, nhiệt độ bốc hơi cao vì thế lượng nước bốc hơi chậm, haonước giảm, kết cấu động cơ gọn nhẹ, hiệu quả làm mát cao, rất thuận tiện cho xe chạyđường dài, những vung hiếm nguồn nước Hiện tại loại này được dùng rất phổ biến

Và yêu cầu nước làm mát phải nhiệt độ sôi cao, khi trời lạnh nước thường bị đông ( cần

có chất chống đông), chống rổ mặt, chống đông cặn nước cứng, không tạo bọt giảmthiểu cặn bám, giữ độ PH

Ngoài ra còn làm mát piston nhờ dầu nhờn trên thành xy lanh và 1 phần hào khí mới nạpvào hấp thụ bớt nhiệt, vòi phun được làm mát nhờ nhiên liệu

Nguyên lý hoạt động:

Chất lỏng làm mát tuần hoàn được nhờ bơm li tâm 12, qua ống phân phối 14 châtlỏng làm mát được phân phối vào khoang chứa của xylanh Nước làm mát nhiệt độ thấpđược bơm 12 hút từ bình chứa phía dưới két 7 qua đường ống 10 rồi qua két 13 làm mátdầu sau đó vào động cơ Để phân phối nước làm mát đều cho mỗi xylanh nước sau khibơm vào thân máy 1 chảy qua ống phân phối đúc sẵn trong thân máy Sau khi làm mátxylanh thì nước lên làm mát nắp máy rồi theo ddowngf ống 3 ra khỏi động cơ với nhiệt

độ cao rồi qua van hằng nhiệt 5 Khi van hằng nhiệt mở nước qua van vào bình chứaphía trên của két nước.Nước từ bình phía trên đi qua các ống mỏng có gắn cánh tảnnhiệt Tại đay nước được làm mát bởi dòng không khí qua két do quạt 8 tạo ra Quạtđược dẫn động bằng buly từ trục khuỷu của động cơ Tại bình chứa phía dưới của kétlàm mát nước có nhiệt đọ thấp lại được bơm hút vào động cơ thực hiện chu trình làmmát tuần hoàn

- Hệ thông bôi trơn thực hiện các chức năng:

- Giảm ma sát của các bộ phận chuyển động

+ Hấp thụ và giải nhiệt

+ Làm kín các bạc piston và các thành xylanh

+ Làm sạch và àm trang ngập các bộ phận chuyển động

+ Giảm tiếng ồn của động cơ

- Ta chọn hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte ướt: dầu nhờn trong hệ thống được

bơm dầu đưa đến các bề mặt ma sát dưới 1 áp suất cần thiết và gần như nó đửmbảo tốt yêu cầu bôi trơn làm mát tẩy rữa bề mặt ma sát ổ trục của hệ thồng bôitrơn Gồm có cacte bơm dầu bầu lọc thô bầu lọc tinh, két làm mát dầu nhờn và

các đường ống dẫn dầu, đồng hồ báo áp suất và đồng hồ báo nhiệt độ của dầu,ngoài ra còn các các van.

- Ưu điểm:

Đáp ứng đày đủ các chỉ tiêu : cung cấp khá đầy đủ số lượng, chất lượng và cả độtin cậy của hệ thống bôi trơn

- Nhược điểm:

Chứa dầu trong cacte nên khi động cơ làm việc ở độ ngiêng lớn dầu nhờn dòn về

1 phía làm cho việc hút dầu khó khăn vì vậy lượng dầu cung cấp không đảm bảođúng yêu cầu

Nguyên lý hoạt động:

- Dầu nhờn chứa trong cacte được bơm dầu 2 hút qua phao hút dầu 1 (vị tríphao hút nằm lơ lửng ở giữa mặt thoáng của dầu để hút được dầu sạch vàkhông cho lọt bọt khí) sau đó dầu đi qua lọc thô 3 khi qua bầu lọc thô thìdầu được lọc sơ bộ lọc bỏ các tạp chất cơ học có kích cở lớn , tiếp theo đódầu nhờn được đẩy vào đường dầu chính 6 để chảy đến các ổ trục khuỷu

ổ trục cam, Đường dầu 5 trong trục khuỷu đưa dầu lên bôi trơn ở chốt , ởđàu to thanh truyền rồi theo đường dầu 8 lên bôi trơn chốt piston Trênđường dầu chính có các đường dầu 13 đưa đi bôi trơn cơ cấu phân phốikhí Đồng thời có 1 phần dầu (10-15% lượng dầu bôi trơn) đi qua bầu lọc

tinh 10 rồi trở về lại cacte bầu lọc tinh bao giò cũng lắp trên mạch tẻ củabầu lọc thô Đồng hồ M báo áp suất và đồng hồ T báo nhiệt độ của dầunhờn

- Khi nhiệt độ dầu bôi trơn lên quá 800C vì độ nhớt giảm suất van điềukhiển C mở để dầu nhờn đi qua két làm mát 11 Sau thời gian làm việcbầu lọc thô có thể bị tắt do quá tải thì van an toàn D ở bầu lọc thô mở thìdầu lúc này không đi qua bầu lọc thô mà đi vào mạch dầu chính 6 để đảmbảo áp suất dầu bôi trơn có trị số không đổi trên cả hệ thống Trên hệthống có lắp van an toàn A

- Để bôi trơn bề mặt làm việc của piston, xylanh tận dụng dầu vun ra khỏiđầu to thanh truyền trong quá trình làm việc Không chỉ có vậy trong quátrình làm việc khoảng không gian trong cacte có chứa vô số các hạt dầunhỏ li ti các hạt dầu này sẽ rơi lọt vào các khe hở của các bề mặt làm việc

1.6 HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG:

Vì động cơ không thể tự khởi động nên cần có 1 ngoại lực để khởi động cho động

cơ Máy khởi động khởi động động cơ bằng cách cho bánh đà trên trục khủyu quaythông qua vệc cài khớp Máy khởi động truyền cơ năng cho trục khuỷu nên hào khíđược hút vào bên trong xylanh được nén và đốt cháy để quay động cơ

Yêu cầu:

+ Máy khởi động phải tạo ra momen lớn từ nguồn điện hạn chế của accu đồng thờiphải gọn nhẹ vì vậy nên dùng moto điện 1 chiều phải đáp ứng đủ số vòng quaycho bánh đà 80-100 vòng/phút

+ Nhiệt độ làm việc không quá giới hạn cho phép

+ Đảm bảo khởi động lại được nhiều lần

+ Tỷ số truyền của bánh răng máy khởi động và bánh đà nằm trong khoảng (9:18)

Ta chọn:

Hệ thống truyền động từ máy khởi động đến bánh đà thông qua hộp giảm tốc vì loạinày kich thước máy khởi động nhỏ Moto có số vòng quay lớn mà bánh răng ăn khớp cómomen lớn nhờ hộp giảm tốc

1.8 KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ:

1, Đường kính của xylanh (D)

i n p k

z N D

e D

Đơn vị

Trịsố

Tài liệuthamkhảo

Đơn

vị Kết quả

19 Áp suất cuối quá trình nạp pa bar 1,35

39 Tổng nhiệt đưa vào động cơ trong 1đơn vị thời gian QT kW 402,81

2 TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

2.1 TÍNH MÔI CHẤT CÔNG TÁC:

Môi chất công tác (MCCT) là những chất tham gia vào quá trình đốt cháy nhiên

liệu, sau đó tiếp nhận nhiệt năng sinh ra trong quá trình nhiên liệu cháy và dãn nở để tạo

ra cơ năng Tính MCCT là một trong những công đoạn đầu tiên trong quy trình tính toánchu chu trình nhiệt động của ĐCĐT Thông thường, người ta xác định số lượng MCCTcần thiết tương ứng với 1 đơn vị số lượng nhiên liệu - 1 kg nhiên liệu lỏng hoặc 1 kmol(hoặc 1 m3) nhiên liệu khí

• Trường hợp cháy hoàn toàn nhiên liệu lỏng :

• Trường hợp nhiên liệu lỏng tính bằng kg :

2

3

11 ]

[ 3

8 ]

[ kg C c kg O c kg CO

O H kg h O

kg h H

kg

2

2 2 [ ] ]

[ ]

[12]

O H kmol

h O kmol

h H

kg

2]

[4]

2

32 ]

[ 32 ]

o s h c

0

f

o s h c

32

044 , 0 32

0 4

126 , 0 12

87 ,

1

27 , 14 044 , 0 0 126 , 0 8 87 , 0 3

8 23 , 0

• Số kmol KK lí thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (M0 )

- Đối với nhiên liệu lỏng

⋅

=

32 32 4 12 21 , 0

1

0

f

o s h c M

488 , 0 32

044 , 0 0 4

126 , 0 12

87 , 0 21 , 0

< L0 Như vậy, L có thể lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn L0

Lượng không khí thực tế cần thiết được xác định như sau :

• Số kg không khí thực tế cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu (L)

L1 = 1 + λ L0 =1+1,9.14,27=28,113 [kg/kg]

(2.1-8)

• Số kmol hỗn hợp cháy ứng với 1 đơn vị số lượng nhiên liệu (M 1 )

Hỗn hợp cháy (HHC) bao gồm không khí và nhiên liệu Ở động cơ diesel chạy

bằng nhiên liệu lỏng, HHC được hình thành bên trong không gian công tác của xylanhkhi nhiên liệu được phun vào ở cuối hành trình nén Thể tích nhiên liệu lỏng là rất nhỏ

so với thể tích của không khí nên khi tính số kmol HHC ở động cơ diesel chạy bằngnhiên liệu lỏng, người ta thường bỏ qua thể tích của nhiên liệu Với giả định như vậy, sốkmol HHC ứng với 1 kg nhiên liệu lỏng ở động cơ diesel được coi như bằng số kmolkhông khí :

(2.1-9b)

• Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén (M a )

MCCT tại thời điểm cuối quá trình nén bao gồm HHC và khí sót, như vậy :

Ma = M1 + Mr = M1 ( 1 + γr )=0,93.(1+0,03)=0,95 [kmol/kg] (2.1-10)

• Số kmol MCCT tại thời điểm cuối quá trình nén (M c )

MCCT tại thời điểm cuối quá trình nén (Mc) cũng bao gồm HHC và khí sót,nhưng có số lượng nhỏ hơn lượng MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén (Ma) do lọt khíqua khe hở giữa piston và xylanh Tuy nhiên, lượng khí lọt thường rất nhỏ trong trườnghợp động cơ có tình trạng kỹ thuật tốt, nên khi thiết kế sơ bộ có thể coi Mc = Ma :

Mc = M1 ( 1 + γr ) =0,93.(1+0,03)=0,95 [kmol/kg]

(2.1-11)

2.1.3 Lượng sản phẩm cháy trong trường hợp cháy hoàn toàn :

Khi tính toán MCCT, nhiên liệu được coi là sẽ cháy hoàn toàn khi có đủ hoặc dưkhông khí (λ≥ 1) và cháy không hoàn toàn khi λ < 1

Sản phẩm cháy hoàn toàn bao gồm dioxide carbon (CO2), hơi nước (H2O), oxytlưu huỳnh (SO2), oxy dư (O2) và nitơ có trong không khí (N2) Kí hiệu M2 là số kmol sảnphẩm cháy ,MCO2, MH2O, MSO2, MO2, MN2 là số kmol các chất khí CO2, H2O, SO2 ,

O2 và N2 có trong sản phẩm cháy ứng với 1 đơn vị số lượng nhiên liệu, căn cứ vàophương trình (2.1-2) ta có :

• Đối với nhiên liệu lỏng

0 1

2

f i

o h

M M

⋅ +

2 4

1

2.1.4 Lượng sản phẩm cháy trong trường hợp cháy không hoàn toàn :

Trong trường hợp λ < 1, do thiếu oxy nên một phần C và H2 không được oxyhoá hoàn toàn thành CO2 và H2O và trong sản phẩm cháy sẽ có thêm CO và H2 Kết quảphân tích thành phần sản phẩm cháy không hoàn toàn ở ĐCĐT cho thấy rằng : tỷ sốgiữa hàm lượng hydro chưa cháy ( ) MH2 và hàm lượng oxyt carbon (MCO) có trong sản

phẩm cháy hầu như không đổi và không phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí (λ) Kíhiệu tỷ số này là K, ta có :

CO kg O

kg C

kg] 32[ ] 56[ ]

[

CO kmol O

kmol C

[

CO kg O

kg C

3

7]

[3

4]

[

CO kmol O

kmol C

12

1 ]

[ 24

1 ]

[

Kí hiệu ϕC là phần carbon bị oxy hoá thành CO, ta có :

CO kg c O

kg c C

[ 3

4 ]

[ 24 ]

) 1

( 12

2

c c c

M

C CO

O kmol h

H kg

2

1 ]

[ 4

1 ]

[ )

2

1

2 2

h h h

M

H O

h c

⋅

⋅ +

Để đốt cháy C thành CO :

2 24

) 1

, 0 2

2 2

f O

H CO

CO

o M

M M

32 32

4 12

f

o h c

044 , 0 4

126 , 0 12

87 , 0 9 ,

4 12 2

2

1 2

12

f f

CO

CO CO

o o

h c M

K h M

4 12 32

4

2 1

21 ,

, 0

K K

1

1 42

, 0 2

K K

0

(2.1-34)

2.1.5 Hệ số biến đổi phân tử :

So sánh các biểu thức (2.1-9) với (2.1-13), (2.1-15) và (2.1-23) ta thấy rằng sốkmol hỗn hợp cháy (M1) và số kmol sản phẩm cháy (M2) không bằng nhau Nếu kí hiệu

∆M là đại lượng đánh giá sự thay đổi số kmol của MCCT trước và sau khi nhiên liệucháy, ta có

• Đối với động cơ diesel, từ biểu thức (2.1-13) và (2.1-9a) :

32

o h M M

M

4 8

• Hệ số biến đổi phân tử lí thuyết (β0 ) - Sự thay đổi số kmol của MCCT sau

khi nhiên liệu cháy so với trước khi cháy được đánh giá bằng đại lượng gọi là Hệ số

biến đổi phân tử lí thuyết :

1 1

1 1

2

M

M M

M M

=

λ

488 , 0 9 , 1 4 8

044 , 0 126 , 0

+

• Hệ số biến đổi phân tử thực tế (β x )

Ở ĐCĐT thực tế, MCCT tại thời điểm trước quá trình cháy bao gồm hỗn hợpcháy (M1) và khí sót (Mr) Sau khi cháy, M1 chuyển thành M2, còn Mr không đổi Tỷ sốgiữa số MCCT sau và trước khi cháy được gọi là Hệ số biến đổi phân tử thực tế :

X r

r

X r

X

M

M M

M M

M M

M

γ

γ β

+

⋅

∆ + +

⋅

= +

∆ + +

1

( )

r r

r

X

x

x M

M M

x M

M

γ

β γ

⋅

−+

=+

⋅

−+

=+

⋅

∆+

=

1

11

1

11

1 2

trong đó x là phần nhiên liệu đã bốc cháy tính từ đầu quá trình cháy đến thời điểm đangxét Nếu coi z là thời điểm kết thúc quá trình cháy, khi đó x =1 và hệ số biến đổi phân tửthực tế tại z sẽ bằng :

) 1 035 , 1 (

+

− +

r

ab

H 2.1-1 Một số thông số đặc trưng của quá trình nạp-xả

a) Sơ đồ hệ thống nạp-xả, b) Quá trình nạp-xả ở động cơ

4 kỳ không tăng áp, c) Quá trình nạp-xả ở động cơ 4 kỳ tăng áp

K- ống góp khí nạp, X - ống góp khí thải T- turbine khí thải,

N- máy nén khí tăng áp, LM - thiết bị làm mát khí tăng áp.

p 0 , T 0 - áp suất và nhiệt độ khí quyển , p s , T s - áp suất và nhiệt độ

của khí nạp sau máy nén, p k , T k - áp suất và nhiệt độ khí mới,

p x , T x - áp suất và nhiệt độ khí thải, p a - áp suất cuối quá trình nạp,

p r - áp suất khí sót.

Như chúng ta đã biết, hoạt động của ĐCĐT có tính chu kỳ, tức là có các chutrình công tác kế tiếp nhau Để thực hiện được chu trình công tác tiếp theo, phải xả hếtkhí thải ra khỏi không gian công tác của xylanh rồi nạp vào đó khí mới Quá trình nạp

khí mới và xả khí thải có liên quan mật thiết với nhau và được gọi chung là quá trình

nạp-xả hoặc quá trình thay đổi khí hoặc quá trình trao đổi khí.

Do sự thay đổi tiết diện lưu thông và vận tốc của piston cũng như ảnh hưởng củahàng loạt hiện tượng khí động khác nên áp suất của MCCT trong xylanh trong quá trìnhnạp-xả biến đổi rất phức tạp H 2.1-2 giới thiệu một ví dụ về đồ thị công thu được khidùng thiết bị ghi áp suất có độ nhạy cao Tuy nhiên, sự dao động của áp suất của MCCTtrong quá trình nạp-xả có ảnh hưởng không đáng kể đến tổng diện tích đồ thị công nênkhi tính và vẽ chu trình, người ta thường qui ước áp suất của MCCT trong thời gian diễn

ra quá trình xả và nạp là không đổi (H 2.1-1b và H 2.1-1c)

H 2.1-2 Áp suất của MCCT trong quá trình nạp-xả

được đo bằng thiết bị có độ nhạy cao

1) Áp suất khí nạp (p k )

Áp suất khí nạp (pk) là áp suất được xác định tại không gian chứa khí nạp trướckhi vào không gian công tác của xylanh (trước xupáp nạp đối với động cơ 4 kỳ hoặctrước cửa nạp đối với động cơ 2 kỳ)

( )

1.5 ar

k

p = b

2) Áp suất sau máy nén (p s )

Áp suất sau máy nén (ps) được quyết định bởi phương pháp tăng áp và mức độcường hoá động cơ

trong đó : ∆pm - tổn thất áp suất do lực cản của thiết bị làm mát khí tăng áp

m s

p

p T

Chỉ số nén đa biến trong máy nén tăng áp (m) phụ thuộc vào loại máy nén Mức

hạ nhiệt độ khi qua thiết bị làm mát khí tăng áp (∆Tm) phụ thuộc vào mức độ tăng áp,thiết bị và phương pháp làm mát khí tăng áp

Với m=1,5 : máy nén piston

∆ =T m 0 : Đc không có két làm mát trung gian cho không khí nén.

Bảng 2.1-1 Áp suất khí nạp ở ĐCĐT

Loại động cơ

Áp suất khí nạp (p k ) Tăng áp truyền

động cơ khí

Tăng áp bằng turbine khí thải

Động cơ có công suất và tốc độ trung bình (1,2 ÷ 1,4) p0 (1,5 ÷ 3,0) p0

4) Áp suất cuối quá trình nạp (p a )

Áp suất cuối quá trình nạp (pa) là một trong những thông số liên quan trực tiếpđến lượng khí mới được nạp vào không gian công tác của xylanh trong mỗi chu trình, từ

đó quyết định công suất mà động cơ có thể phát ra Để hiểu rõ hơn ảnh hưởng của cácyếu tố khác nhau đến pa , chúng ta viết phương trình Bernoullie cho dòng khí nạp tại các

vị trí trước và sau cửa nạp như sau :

a

n n

n n a

a k

k k

2 2

2

2 2

2

2

ξ β

ρ

trong đó : pk , pa - áp suất của khí nạp trước cửa nạp và áp suất trong xylanh; Hk , Ha

-độ cao của cửa nạp và -độ cao của không gian công tác tại vị trí đang xét; ρa - mật độcủa khí nạp trong xylanh; wk - vận tốc của khí nạp trước cửa nạp; wn - vận tốc trung bìnhcủa khí nạp tại cửa nạp; βn - hệ số tính đến ảnh hưởng của tiết diện lưu thông của cửanạp; ξn - hệ số cản của đường ống nạp

Có thể xem Hk≈ Ha , ρk≈ρa và wk << wn , từ biểu thức (2.2-3) ta có :

( 2 ) 2

k n n a

P m n

A

A n S A

A C

trong đó : Cm - vận tốc trung bình của piston, [m/s]; Ap - tiết điện đỉnh piston, [m 2];

An - tiết diện lưu thông của cửa nạp, [m 2]; S - hành trình của piston, [m]; n - tốc

độ quay của động cơ, [rpm]

Kết hợp (2.2-4) và (2.2-5) ta có :

2 2

2 2 2

30

p k

n n a

A

n K A

n A

- Giảm sức cản của hệ thống nạp bằng cách tạo đường ống nạp có tiết diện lưuthông lớn và hình dạng khí động tốt

- Tăng đường kính của xupap nạp hoặc dùng nhiều xupap

Trị số của áp suất cuối quá trình nạp nằm trong phạm vi như sau [1] :

Áp suất khí sót lớn hơn áp suất trong đường ống xả do sức cản khí động của cửa

xả, ống xả, bình tiêu âm và thiết bị tận dụng nhiệt khí thải.Tương tự như đối với áp suấtcuối quá trình nạp (pa), áp suất khí sót (pr) có thể được thể hiện như sau :

2 2

x x x r x

n K p p p

trong đó : px =p0 =1 - áp suất trong đường ống xả thông với khí trời; ∆px - kháng áp trong

hệ thống xả; n - tốc độ quay của động cơ ; Ax - tiết diện lưu thông của cửa xả ; Kx - hệsố

Nhiệt độ khí sót (Tr) phụ thuộc chủ yếu vào hệ số dư lượng không khí, tỷ số nén

và cường độ trao đổi nhiệt giữa MCCT với vách xylanh trong quá trình dãn nở và xả

Trị số của pr và Tr nằm trong phạm vi sau :

pr = (1,05 ÷ 1,10) p0 - Động cơ cao tốc

Tr = 700 ÷ 900 K - Động cơ diesel

( ) ( )

6) Nhiệt độ cuối quá trình nạp (T a )

MCCT cuối quá trình nạp bao gồm khí mới và khí sót Nhiệt độ của MCCT cuốiquá trình nạp (Ta) lớn hơn nhiệt độ của khí nạp (Tk) do nhận nhiệt từ các bề mặt nóng(vách ống nạp, bề mặt xupap nạp, vách xylanh) và hoà trộn với khí sót có nhiệt độ caohơn Có thể xác định Ta từ phương trình cân bằng nhiệt của khí mới và khí sót tại nhữngthời điểm trước và sau khi hoà trộn, với giả định rằng quá trình hoà trộn diễn ra trongđiều kiện pa = const và nhiệt độ khí sót (Tr) không đổi khi khí sót dãn nở từ áp suất pr

xuống pa , như sau :

P - nhiệt dung riêng đẳng áp của khí sót ; c'

P - nhiệt dung riêng đẳng áp củahỗn hợp khí công tác cuối quá trình nạp ; ∆Tk - mức độ sấy nóng khí mới

Mức độ sấy nóng khí mới (∆Tk) phụ thuộc vào nhiệt độ của các bề mặt tiếp xúc,vận tốc của dòng khí nạp, thời gian diễn ra quá trình nạp, v.v ∆Tk ở động cơ xăngthường thấp hơn ở động cơ diesel do một phần nhiệt truyền từ bề mặt nóng được sửdụng để hoá hơi các hạt xăng trong quá trình nạp

Chia cả 2 vế phương trình (2.2-8) cho m 1 và thay C'p = Cp , C''

p = λ1 Cp, m1/mr =

γr , sau khi biến đổi ta có :

r

r r k

k a

T T

T T

γ

γ

λ +

⋅

⋅ +

∆ +

Hệ số khí sót (γr) là đại lượng được xác định bằng tỷ số giữa lượng khí sót (m r)

và lượng khí mới được nạp vào không gian công tác của xylanh (m 1) :

s k s

T R

V p m

⋅

⋅

Lượng khí mới thực tế m 1 bao gồm :

- Lượng khí mới có trong xylanh tại thời điểm cuối hành trình nạp (m' a),

- Lượng khí mới được nạp thêm

Lượng hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối hành trình nạp (m a) bằng tổnglượng khí mới cuối hành trình nạp (m' a) và với lượng khí sót (m r) Phương trình trạngthái tại thời điểm cuối hành trình nạp có dạng như sau :

a a

a a r

a a

T R

V p m

m m

⋅

⋅

= +

a a r r

a

T R

V p m

m

⋅

⋅

⋅ +

⋅

= +

⋅

=

γ

λ γ

= +

c s

a

k k

a r

v

T

T p

⋅

−

⋅ +

⋅

=

1 1

- Tạo điều kiện thuận lợi cho nhiên liệu phát hoả và cháy

Từ kết quả nghiên cứu chu trình lí thuyết ta thấy hiệu suất nhiệt và áp suất trungbình của chu trình tăng theo chiều tăng của tỷ số nén Tuy nhiên, tỷ số nén thực tế được

quyết định bởi nguyên lí hoạt động, đặc điểm cấu tạo và khai thác động cơ Tỷ số néncủa động cơ xăng bị giới hạn chủ yếu bởi hiện tượng kích nổ ; còn tỷ số nén của động

cơ diesel được quyết định chủ yếu bởi điều kiện đảm bảo cho nhiên liệu tự phát hoả

2.3.2 Chỉ số nén đa biến trung bình :

1) Áp suất cuối quá trình nén (p c )

1

n a

• Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn (∆H)

Với động cơ diesel thì ∆H=0

• Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy tại điểm z

⇒Nhiệt độ của môi chất công tác tại điểm z:

Phương trình nhiệt động quá trình cháy ở động cơ diesel

=

⋅

⋅+

++

1

µ β ψ

µ γ

T T

ψ β= × [3,tr.10] 1,034.2073 2,12

p p

T T

δ

Tz = 2073 ( K )