Chương I. Nguyên lý động cơ ô tô - Hung Le

Bao gồm các phần sau: - Khái niệm chung về động cơ đốt trong - Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong - Các quá trình làm việc thực tế của động cơ đốt trong - Những thông số cơ bản đặc

MỞ ĐẦU

Nguyên lý động cơ đốt trong và động cơ ô tô là một phần của môn học

“Nguyên lý và cấu tạo động cơ ô tô” trong chương trình đào tạo trung cấpchuyên nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật ô tô sau khi đã học xong các môn cơ

sở cơ bản

Bao gồm các phần sau:

- Khái niệm chung về động cơ đốt trong

- Nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong

- Các quá trình làm việc thực tế của động cơ đốt trong

- Những thông số cơ bản đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ đốt trong

- Đặc tính của động cơ đốt trong

+ Quá trình đốt cháy nhiên liệu xẩy ra ở ngoài động cơ thì được gọi là động

cơ đốt ngoài Loại này có: Động cơ hơi nước kiểu pít tông và tuốc bin hơi nước.+ Quá trình đốt cháy nhiên liệu xẩy ra bên trong đông cơ thì được gọi làđộng cơ đốt trong Loại này có: Động cơ đốt trong kiểu pít tông, động cơ tua binkhí và động cơ phản lực

B PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Nguyên tắc chung để phân loại động cơ là dựa vào đặc điểm, tính chất, hoạtđộng của động cơ và các tác nhân liên quan khác để phân loại:

1 Theo cách thực hiện chu trình công tác

- Động cơ bốn kỳ: Chu trình công tác của động cơ được hoàn thành trong

bốn hành trình pít tông hay trong hai vòng quay của trục khuỷu.

- Động cơ hai kỳ: Chu trình công tác của động cơ được hoàn thành trong

hai hành t-rình pít tông hay trong một vòng quay của trục khuỷu

1

2 Theo nhiên liệu dùng cho động cơ

- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng (loại nhẹ) như: xăng, cồn, dầu thực vật

- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng (loại nặng) như: dầu điêden

- Động cơ dùng nhiên liệu thể khí (khí ga,khí hyđrô )

- Động cơ dùng được nhiều loại nhiên liệu gọi là động cơ đa nhiên liệu,thường chỉ dùng nhiên liệu lỏng nhẹ và lỏng nặng

4 Theo phương pháp đốt cháy khí hỗn hợp

- Động cơ đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện (động cơ xăng, động cơ khí ga)

- Động cơ tự cháy (Động cơ Điêden)

5 Theo phương pháp nạp của chu trình công tác

- Động cơ không tăng áp: việc nạp khí hỗn hợp là do chênh lệch áp suấtgiữa khí trời và trong xi lanh động cơ

- Động cơ tăng áp : khí nạp mới được thiết bị nén khí làm áp suất tăng lớnhơn áp suất khí trời trước khi vào xi lanh động cơ

6 Theo cấu tạo động cơ

- Theo số xi lanh động cơ: Động cơ một xi lanh, động cơ nhiều xi lanh

- Theo cách bố trí xi lanh: Động cơ xi lanh đặt thẳng đứng, nằm ngang,động cơ chữ V, động cơ hình sao v v

7 Theo đặc điểm tốc độ của động cơ

- Động cơ tốc độ thấp: vận tốc trung bình của pít tông nhỏ hơn 6,5 m/s

- Động cơ tốc độ trung bình: vận tốc trung bình của pít tông từ 6,5 m/s đến

9 m/s

- Động cơ tốc độ cao : vận tốc trung bình của pít tông lớn hơn 9 m/s

8 Theo công dụng của động cơ

- Động cơ tĩnh tại

- Động cơ tàu thủy

- Động cơ tàu hỏa

- Động cơ ôtô, máy kéo

- Động cơ máy bay, v v

II NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

A NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN CỦA ĐCĐT

Dựa vào sơ đồ động chúng ta đưa ra một số khái niệm và định nghĩa cơ bản để làm cơ sở để xét nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong 1 Chu trình công tác Tập hợp các quá trình (nạp, nén, cháy giãn nở và thải) có tính chu kỳ tạo nên chu trình công tác của động cơ đốt trong 2 Kỳ Là một phần của chu trình công tác xảy ra trong thời gian của một hành trình píttông 3 Điểm chết Là điểm mà tại đó píston có vận tốc bằng 0, có hai điểm chết - Điểm chết trên của píston là điểm chết mà píston cách xa đường tâm trục khuỷu nhất - Điểm chết dưới của píston là điểm chết mà píston ở cách gần đường tâm trục khuỷu nhất 4 Hành trình của pít tông (S) Là khoảng dịch chuyển của pít tông từ điểm chết này đến điểm chết kia 5 Thể tích buồng cháy (V c ) Là thể tích phần không gian giới hạn bởi: Mặt trong của xi lanh, mặt dưới của nắp xi lanh, mặt trên của pít tông, khi pít tông ở điểm chết trên 6 Thể tích công tác của xi lanh (V h ) Là thể tích giới hạn bởi mặt trong của xi lanh và hai mặt phẳng vuông góc với đường tâm xi lanh đi qua hai điểm chết 3 đct đcd 1 2 3 4 5 67 8 9 1 0 1 1 1 2 1 Giá đỡ động cơ; 2 Khuỷu trục; 3 Hộp trục khuỷu; 4 Thanh truyền; 5 Xi lanh; 6 Pít tông; 7 Nắp xi lanh ; 8 Cửa nạp; 9 Xu páp nạp; 10 Nến điện (hoặc vòi phun); 11 Xu páp xả; 12 Cửa xả

V h = D S

4

2

π (m3)

Trong đó: D - Đường kính xi lanh (m), S - Hành trình pít tông (m)

7 Thể tích toàn phần của xi lanh (V a )

Là thể tích phần không gian giới hạn bởi: Mặt trong của xi lanh, mặt dướicủa nắp xi lanh, mặt trên của pít tông, khi pít tông ở điểm chết dưới

V V

a c

c

h c

1

9 Môi chất công tác

Môi chất công tác dùng để thực hiện chu trình công tác thực tế của động

cơ Môi chất công tác gồm: Chất ôxy, nhiên liệu và sản vật cháy Chất ôxythường là không khí

Ở quá trình nạp, tuỳ thuộc vào loại động cơ mà không khí hoặc hỗn hợpgiữa không khí với hơi nhiên liệu đi vào xi lanh và ở đó cho tới lúc bắt đầu nén,gọi là khí nạp mới

Ở quá trình nén, hỗn hợp giữa khí nạp mới với khí sót gọi là khí hỗn hợpcông tác

Ở quá trình giãn nở và thải, môi chất công tác được gọi là sản vật cháy củanhiên liệu

Lượng sản vật cháy còn lại trong xi lanh chưa được đẩy hết ra ngoài sauquá trình thải gọi là khí sót

10 Hệ số dư lượng không khí (α)

Hệ số dư lượng không khí dùng để đánh giá tỷ lệ giữa nhiên liệu và khôngkhí trong hỗn hợp Nó là tỷ số giữa lượng không khí thực tế được nạp vào xilanh, để đốt cháy 1 Kg nhiên liệu và lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốtcháy hoàn toàn 1 Kg nhiên liệu

L0 : Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 Kg nhiênliệu (Được xác định dựa vào tỷ lệ ô xy có trong không khí và phương trình phảnứng giữa ô xy và nhiên liệu).

GK -Lưu lượng không khí thực tế nạp vào động cơ

Gnl- Lưu lượng nhiên liệu đưa vào động cơ

B NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ BỐN KỲ

1 Sơ đồ

Chu trình công tác của động cơ bốn kỳ được thực hiện trong bốn hành trìnhcủa píttông (ứng với hai vòng quay của trục khuỷu) Sơ đồ nguyên lý làm việccủa động cơ bốn kỳ

2 Nguyên lý làm việc

a) Hành trình thứ nhất: nạp môi chất

Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD Thể tích trong xi lanh tăng, áp suất giảm

Xu páp nạp mở xu páp thải đóng, môi chất qua cửa nạp nạp vào xi lanh củađộng cơ

b) Hành trình thứ hai: Nén môi chất

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT Các xu páp nạp và thải đều được đóng kín.Thể tích trong xi lanh giảm dần, môi chất trong xi lanh bị nén, nhiệt độ và ápsuất tăng dần Khi pít tông gần đến ĐCT, nến điện bật tia lửa (động cơ xăng)hoặc vòi phun phun nhiên liệu (động cơ Điêden) bắt đầu thực hiện quá trìnhcháy

c) Hành trình thứ ba: Cháy và giãn nở

Píttông đi từ ĐCT xuống ĐCD Hành trình này gồm hai quá trình đó là quátrình cháy và quá trình giãn nở Khi pít tông đến ĐCT ở cuối hành trình nén, quátrình cháy đã được tiến hành, nhiệt độ và áp suất trong xi lanh tăng cao, tạo áplực lớn, pít tông được đẩy đi xuống thực hiện quá trình giãn nở sinh công

d) Hành trình thứ tư: Thải sản vật cháy

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT Thể tích trong xi lanh giảm dần, xu páp nạpđóng, xu páp thải mở Môi chất công tác (sản vật cháy) được đẩy ra ngoài quacửa thải Khi pít tông lên đến ĐCT thì kết thúc chu trình, chuẩn bị cho hànhtrình thứ nhất của chu trình tiếp theo

3 So sánh động cơ xăng và động cơ Điêden.

Trong chu trình công tác, động cơ xăng và động cơ Điêden có các điểmkhác nhau cơ bản như sau:

- Động cơ xăng hỗn hợp công tác được tạo thành ở bên ngoài xi lanh nhờ bộchế hoà khí hoặc nhờ thiết bị phun xăng vào đường ống nạp Động cơ Điêden

5

hỗn hợp công tác được tạo ra ngay trong xi lanh nhờ thiết bị bơm cao áp và vòiphun.

- Động cơ xăng, hỗn hợp được đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện, còn ởđộng cơ Điêden, nhiên liệu phun vào tự bốc cháy nhờ nhiệt độ và áp suất cao ởcuối kỳ nén

C NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ HAI KỲ

1 Sơ đồ

Động cơ hai kỳ là động cơ có chu trình công tác được thực hiện trong haihành trình của pít tông (ứng với một vòng quay trục khuỷu) Tùy theo phươngpháp nạp mà động cơ hai kỳ được chia thành hai loại: Động cơ hai kỳ quét vòng

và động cơ hai kỳ quét thẳng Động cơ hai kỳ quét vòng dùng ở động cơ xăng cỡnhỏ 1 xi lanh có cửa nạp và thải đều đặt ở thân xi lanh, được đóng mở bằng píttông, lợi dụng buồng trục khuỷu làm buồng tăng áp Động cơ hai kỳ quét thẳngthường dùng cho động cơ Điêden, cửa nạp đặt trên thân xi lanh đóng mở bằng píttông, cửa thải đặt trên nắp xi lanh đóng mở bằng xu páp và phải có thêm thiết bịtăng áp riêng Nguyên lý làm việc của hai loại tương tự như nhau:

a Động cơ 2 kỳ quét vòng; b Động cơ 2 kỳ quét thẳng

1 Nến điện ; 2 Xi lanh ; 3.Pít tông ; 4 Thanh truyền; 5 Trục khuỷu; 6 Buồng trục khuỷu;

7 Vòi phun; 8 Xu páp thải; 9.Máy nén tăng áp; e Cửa xả; d Cửa quét; n Cửa nạp.

2 Nguyên lý làm việc

a) Hành trình thứ nhất

Pít tông đi từ ĐCT xuống ĐCD Khi pít tông ở ĐCT quá trình cháy đã xẩy

ra, nhiệt độ và áp suất trong xi lanh đã tăng cao đẩy pít tông đi xuống sinh công,đồng thời khi pít tông đi xuống, nó nén hỗn hợp trong buồng trục khuỷu Ápsuất trong xi lanh tăng đến giá trị cực đại tại điểm z trên đồ thị Sau đó pít tôngcàng đi xuống, áp suất càng giảm Khi mép trên của pít tông mở của thải e, ápsuất trong xi lanh vẫn lớn hơn áp suất khí trời nên khí thải thoát tự do ra ngoài

1 2

3 4 5 6

n

(a)

4 (KW)

3 (KW)

5

(KW)

6

(KW)

7 (KW)

e (KW) d

(KW)

8 (KW) 9(KW)

2 (KW)

n (KW)

(b)

qua cửa thải, áp suất trong xi lanh giảm nhanh Pít tông tiếp tục đi xuống, khi nó

mở cửa quét d, hỗn hợp có áp suất cao hơn áp suất khí trời từ buồng trục quacửa d vào xi lanh Giai đoạn này có cả nạp và thải đồng thời nên gọi là giai đoạnquét khí Khi pít tông đến ĐCD, quá trình quét khí vẫn tiếp tục

Như vậy ở hành trình này thực hiện các quá trình: Cháy, giãn nở, thải tự do,quét khí

b) Hành trình thứ hai

Pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT Lúc đầu quá trình quét khí vẫn tiếp tục Khimép trên của pít tông đóng kín cửa quét (d) thì quá trình quét khí chấm dứt(đoạn 0-d’ trên đồ thị), nhưng quá trình thải vẫn được thực hiện Do có cả khínạp mới bị lọt ra ngoài nên giai đoạn này còn gọi là giai đoạn lọt khí nạp mới(đoạn d’-a) Khi pít tông đóng kín cửa thải (e), quá trình thải kết thúc, quá trìnhnén bắt đầu (điểm a) Pít tông càng đi lên, nhiệt độ và áp suất trong xi lanh càngtăng, đồng thời thể tích buồng trục khuỷu tăng, áp suất giảm Khi mép dưới củapít tông mở cửa nạp (n) hỗn hợp qua cửa nạp nạp vào buồng trục Lúc pít tônggần đến ĐCT (điểm c), nến điện bật tia lửa đốt cháy hỗn hợp công tác Khi píttông đến gần ĐCT quá trình cháy bắt đầu để sau đó tiếp tục thực hiện hành trìnhthứ nhất của chu trình tiếp theo

Như vậy ở hành trình thứ hai thực hiện các quá trình: quét khí, thải, nén vàbắt đầu quá trình cháy

D SO SÁNH ĐỘNG CƠ BỐN KỲ VỚI ĐỘNG CƠ HAI KỲ

1 Công suất

Nếu cùng các thông số: Đường kính xi lanh (D), hành trình pít tông (S),vận tốc góc (n), số xi lanh (i) thì công suất của động cơ hai kỳ gấp hai lần củađộng cơ bốn kỳ Nhưng thực tế, công suất của động cơ hai kỳ chỉ lớn hơn động

cơ bốn kỳ từ 1,6 đến 1,8 lần, vì các lý do sau:

- Quá trình nạp và thải của động cơ bốn kỳ hoàn hảo hơn động cơ hai kỳ dothời gian thực hiện các quá trình đó dài hơn Mặt khác ở động cơ bốn kỳ dễ chọngóc phối khí tốt nhất, nên hệ số nạp cũng cao hơn

- Góc quay của trục khuỷu ứng với quá trình giãn nở sinh công của động cơbốn kỳ lớn hơn (động cơ bốn kỳ khoảng 1400 còn động cơ hai kỳ chỉ từ 1000 đến

1200)

- Động cơ hai kỳ phải tốn một phần công suất dẫn động máy nén khí đểthực hiện quét khí

- Khi muốn tăng công suất của động cơ bằng cách tăng áp thì động cơ bốn

kỳ thực hiện dễ dàng hơn, vì ứng suất nhiệt của nó nhỏ hơn của động cơ hai kỳ

2 Hiệu suất

Hiệu suất của động cơ xăng hai kỳ nhỏ hơn của động cơ bốn kỳ Riêng vớiđộng cơ Điêden hai kỳ có hiệu suất gần bằng động cơ Điêden bốn kỳ

7

3 Cấu tạo

Động cơ xăng hai kỳ có cấu tạo đơn giản hơn động cơ bốn kỳ vì không cócác xu páp và cơ cấu dẫn động xu páp

III QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

A KHÁI NIỆM VỀ CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG, CHU TRÌNH THỰC TẾ

Trong tính toán nhiệt của động cơ, để đơn giản cho quá trình tính toán,người ta dựa vào chu trình lý tưởng sau đó dùng các hệ số hiệu chỉnh bằng thựcnghiệm

- Các quá trình nén và giãn nở là các quá trình đoạn nhiệt, không có tổnthất nhiệt do lọt khí

- Với những đặc điểm nêu trên: Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong làchu trình kín, thuận nghịch và duy nhất chỉ có tổn thất nhiệt cho nguồn lạnh theođịnh luật nhiệt động II

2 Chu trình thực tế

Chu trình thực tế của động cơ đốt trong là chu trình hở, không thuậnnghịch Ngoài thải nhiệt cho nguồn lạnh còn có tổn thất do trao đổi nhiệt vớimôi trường, do đó nó có các đặc điểm:

- Môi chất công tác là khí thực, có tỷ nhiệt thay đổi theo áp suất và nhiệt

độ Trong chu trình có sự thay đổi môi chất công tác qua việc nạp, thải

- Thực hiện việc cấp nhiệt bằng cách đốt cháy nhiên liệu trong xi lanh do

đó làm thay đổi tính chất lý, hóa của môi chất công tác

- Có trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh nên các quá trình nén vàgiãn nở không phải là đoạn nhiệt

- Vì có thêm tổn thất nhiệt cho môi trường nên hiệu suất nhiệt của chu trìnhthực tế nhỏ hơn của chu trình lý tưởng

B QUÁ TRÌNH NẠP

Để thực hiện chu trình công tác của động cơ, cần phải thải hết sản vật cháycủa chu trình trước và nạp vào xi lanh khí nạp mới Cả hai quá trình nạp thải cóliên quan mật thiết với nhau, vì vậy khi phân tích quá trình nạp cần xét đến cảnhững thông số đặc trưng cho quá trình thải

1 Quá trình nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất (p) và thể tích (V) trong xi lanh

của quá trình nạp

Đồ thị biểu diễn quá trình nạp của động cơ bốn kì không tăng áp

a Đồ thị công p -V; b Đồ thị tròn pha phối khí

Quá trình nạp được bắt đầu từ cuối hành trình thải, khi pít tông gần đếnĐCT (điểm d1) xu páp nạp bắt đầu mở Áp suất trong xi lanh lúc đó (p đ1) lớn hơn

áp suất trước xu páp nạp (pK) nên khí nạp chưa vào được xi lanh Tuy vậy khíthải cũng không lên đường nạp (nếu góc mở sớm không lớn quá) vì: Xu páp nạp

mở còn nhỏ và khí thải đang đi ra cửa thải với quán tính lớn Góc quay được củatrục khuỷu ứng với đoạn (d1 - r) trên đồ thị gọi là góc mở sớm xu páp nạp

Việc mở sớm xu páp nạp nhằm làm giảm va đập cho xu páp mà vẫn tăngđược tiết diện lưu thông tại cửa nạp ở thời điểm cần thiết Lúc pít tông đến ĐCT

(điểm r), áp suất khí sót trong xi lanh (pr) vẫn lớn hơn áp suất trước xu páp nạp

(pK) Khi pít tông đi xuống, áp suất trong xi lanh giảm dần, nhưng phải sau (ro)

khi nó nhỏ hơn áp suất (pK) thì khí nạp mới vào được xi lanh Pít tông đến ĐCD

(điểm a), áp suất trong xi lanh (pa) nhỏ hơn áp suất trước xu páp nạp một lượng

là ∆PK do có tổn thất tại cửa nạp Chỉ sau khi pít tông đã qua ĐCD (điểm d2) xupáp mới đóng kín Góc quay được của trục khuỷu ứng với đoạn (a - d2) gọi làgóc đóng muộn của xu páp nạp Đóng muộn xu páp nạp ngoài việc làm giảm vađập cho xu páp mà vẫn tăng được tiết diện lưu thông, còn lợi dụng độ chênh áp

(pK > pa) để nạp tiếp và lợi dụng quán tính của dòng khí nạp đang đi vào để nạpthêm Khi xu páp nạp đã đóng kín (điểm d2) được coi là kết thúc quá trình nạp.Nếu tính theo góc quay của trục khuỷu :

Thông thường trị số các góc phối khí của một loại động cơ cụ thể được xácđịnh bằng thực nghiệm:

2 Quá trình nạp của động cơ bốn kỳ tăng áp

Đồ thị P-V biểu diễn quá trình nạp của động cơ bốn kỳ tăng áp

Đồ thị P-V biểu diễn quá trình nạp của động cơ bốn kỳ tăng áp

Do có thiết bị tăng áp nên áp suất trước xu páp nạp (p K) lớn hơn áp suất khí

trời (p o ) và thường lớn hơn áp suất khí sót (pr) Vì vậy ngay sau khi xu páp nạp

mở (điểm d1), khí nạp đã vào xi lanh để thực hiện quét buồng cháy Quá trìnhquét khí chấm dứt khi xu páp thải đóng kín (điểm r) Đến cuối hành trình nạp

(điểm a) áp suất trong xi lanh (pa) vẫn nhỏ hơn áp suất Pk một lượng là ∆pK Đểlợi dụng độ chênh áp vẫn còn và lợi dụng quán tính của dòng khí nạp để nạpthêm, xu páp nạp được bố trí đóng muộn sau ĐCD (điểm d2)

3 Quá trình nạp của động cơ hai kỳ

Quá trình nạp của động cơ hai kỳ đồng thời là quá trình quét khí thải khỏi

xi lanh Sự thay đổi khí này được thực hiện từ cuối hành trình giãn nở đến đầuhành trình nén

Phần đồ thị công của quá trình thải và quét khí trong động cơ hai kỳ

Δp k

a

b

d 0

V V

Vc

Gần cuối hành trình giãn nở (điểm b) cửa thải bắt đầu mở, sản vật cháyđược thải tự do ra đường ống thải, áp suất trong xi lanh giảm nhanh Khi pít tông

mở cửa quét (điểm d ) áp suất trong xi lanh (pd) đã nhỏ hơn áp suất ở cửa quét

(pK,),khí nạp vào xi lanh để thực hiện quá trình quét khí (đoạn d- 0 trên đồ thị).Khi pít tông đến ĐCD (điểm 0), áp suất trong xi lanh đã giảm nhưng vẫn lớn

hơn áp suất trong ống thải (pth) Trong quá trình quét khí, khí nạp mới vào xilanh đồng thời vơí việc thải sản vật cháy có lẫn cả khí nạp mới ra ngoài Khi cửaquét được đóng kín quá trình quét khí kết thúc nhưng quá trình thải vẫn tiếp tục.Khi cửa thải đóng hoàn toàn (điểm a), quá trình nén bắt đầu Áp suất trong xi

lanh lúc đó (pa) vẫn lớn hơn áp suất khí thải pr

4 Những thông số cơ bản của quá trình nạp

- Áp suất cuối quá trình nạp (p a )

Trị số của pa phụ thuộc vào pK và ∆pK (tổn thất áp suất tại cửa nạp)

Khi tính toán nhiệt, áp suất pa thường được xác định bằng số liệu thực

nghiệm Với động cơ 4 kỳ không tăng áp: p a = (0,8 ÷ 0,9) pK Động cơ 4 kỳ có

tăng áp: pa = (0,9 ÷ 0,96) p K

- Hệ số khí sót (γr )

Ở cuối quá trình thải, sản vật cháy thường không được đẩy hết ra ngoài màvẫn còn một lượng nào đó nằm lại trong xi lanh goị là khí sót Do có khí sót màlàm giảm lượng khí nạp Số lượng khí sót đó được xác định bằng một trị sốtương đối gọi là hệ số khí sót (γr) Nó là tỷ số giữa số mol khí sót (Mr) với sốmol khí nạp mới (M1) γr r

M M

=1

Trị số của γr đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp:

+ Động cơ xăng khi toàn tải γr = (0,08 ÷ 0,25)

+ Động cơ Điêden γr = (0,08 ÷ 0,25)

Với động cơ hai kỳ số lượng khí sót phụ thuộc vào chất lượng của quá trìnhquét khí γr có thể thay đổi trong phạm vi rộng, tuỳ thuộc kiểu động cơ khácnhau

Quét vòng: γr = (0,08 ÷ 0,25)

Quét thẳng: γr = (0,06 ÷ 0,15)

Quét khí bằng hộp trục khuỷu: γr = (0,25 ÷ 0,40)

- Nhiệt độ cuối quá trình nạp (T a )

Khí nạp mới vào xi lanh, nó được sấy nóng bởi nhiệt truyền từ vách xilanh và được trộn với khí sót có nhiệt độ cao hơn, làm cho nhiệt độ của khí nạpcuối quá trình nạp (Ta) cao hơn nhiệt độ khi ở trước cửa nạp và thấp hơn nhiệt

độ của khí sót: TK < Ta < Tr

11

Dựa trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng của khí nạp mới và khí sót, trước vàsau khi chúng trộn lẫn với nhau và giả thiết rằng quá trình trộn đó tiến hành ở ápsuất không đổi Người ta tính được:

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: Ta = (310 ÷ 350)0K

Động cơ bốn kỳ tăng áp và động cơ hai kỳ: Ta = (320 ÷ 400)0K

5 Hệ số nạp và những yếu tố ảnh hưởng

- Hệ số nạp (ηV)

Để đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình nạp người ta dùng hệ số nạp

Hệ số nạp là tỷ số giữa lượng khí nạp mới (M1) có trong xi lanh ở đầu quátrình nén thực tế (mol hoặc Kg).Với lượng khí nạp mới có thể nạp đầy vào thểtích công tác (Vh) của xi lanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước cửa nạp (PK,

TK), được gọi là lượng nạp lý thuyết (Mh)

h

K h

K

K h

V V

G M

+ Áp suất cuối quá trình nạp (pa)

+ Áp suất và nhiệt độ trước xu páp nạp (pK, TK)

+ Áp suất và nhiệt độ khí sót (pr, Tr)

+ Độ sấy nóng khí nạp mới (∆T)

+ Ảnh hưởng của phụ tải động cơ (Mq)

+ Ảnh hưởng của góc phối khí

C QUÁ TRÌNH NÉN

Môi chất trong quá trình nén ở động cơ xăng là hỗn hợp, động cơ Điêden làkhông khí Diễn biến quá trình nén trong cả hai loại động cơ này tương tự nhưnhau

1 Diễn biến của quá trình nén

Quá trình nén trong chu trình thực tế luôn có sự trao đổi nhiệt giữa môichất công tác với vách xi lanh, giữa môi chất với bộ phận nhiên liệu đã bốc hơi

và chưa bốc hơi làm cho diễn biến của quá trình nén rất phức tạp Đồ thị p-V

biểu diễn quá trình nén

Ở hành trình nén, pít tông đi từ ĐCD lên ĐCT Lúc bắt đầu hành trình(điểm a), nhiệt độ khí nạp (Ta) thấp hơn nhiệt độ trung bình của các chi tiếtnhóm pít tông- xi lanh nên giai đoạn đầu của quá trình nén diễn ra trong điềukiện môi chất được cấp nhiệt Đường cong nén thực tế (a-2) dốc hơn so vớiđường cong nếu nén đoạn nhiệt (a-1) chỉ số nén đa biến (n1') lớn hơn chỉ số nénđoạn nhiệt (k1)

Khi pít tông tiếp tục đi lên, nhiệt độ của môi chất công tác tăng dần làmcho hiệu số nhiệt độ giữa nó và vách xi lanh giảm dần, sự trao đổi nhiệt giảm.Chỉ số nén đa biến (n1') cũng giảm

Trong thời điểm nào đó, nhiệt độ của môi chất bằng với nhiệt độ trung bìnhcủa nhóm pít tông- xi lanh sẽ có những điểm đoạn nhiệt tức thời khi đó n1' = k1

Vc

k 1

Vc

V

2c

0

3

Đồ thị biểu diễn quá trình nén

của động cơ

Quá trình nén thực tế trong động

cơ là quá trình đa biến, với chỉ

số nén đa biến (n1,) luôn thay

đổi.

Trong tính toán quá trình nén, nếu dùng chỉ số nén đa biến sẽ gặp rất nhiềukhó khăn Để đơn giản người ta dùng chỉ số nén đa biến trung bình n1 thay cho

n1.' Chỉ số n1 phải chọn sao cho: ở những thông số đã xác định tại đầu và cuốiquá trình Công thu được khi tính với n1 phải bằng công của quá trình khi tínhtheo chỉ số nén đa biến thực tế n1'

Như vậy chỉ số nén n1 là chỉ số giả định có giá trị không đổi Tuỳ loại động

cơ mà n1 biến động từ 1,32 đến 1,4

2 Một số thông số chủ yếu của quá trình nén

- Nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén

+ Áp suất cuối quá trình nén (pC)

Từ phương trình trạng thái đa biến có:

1

1

. n a n

c

a a

V

V p

c

a a

V

V T

n1

+ Vận tốc góc của trục khuỷu (n)

Khi n tăng, số chu trình trong một đơn vị thời gian tăng làm tăng trạng tháinhiệt của động cơ, nhưng thời gian tiếp xúc giữa môi chất với xi lanh lại giảm,

đồng thời giảm sự lọt khí Quá trình gần với quá trình đoạn nhiệt, n1 biến đổi tuỳtheo loại động cơ:

Ở động cơ Điêden môi chất trong quá trình nén là hỗn hợp giữa không khí

và khí sót nên khi tăng vận tốc góc trục khuỷu sẽ làm n1 tăng

Với động cơ xăng còn có ảnh hưởng của việc thu nhiệt làm bay hơi các hạtnhiên liệu Nếu làm tăng vận tốc góc với các chế độ bướm ga mở nhỏ n1 tăngtương đối nhanh Càng mở lớn bướm ga, n1 tăng càng chậm lại Khi bướm ga

mở hoàn toàn, n1 hầu như không tăng nữa

- Tỷ số nén (ε)

Tỷ số nén là một trong những thông số quan trọng Nó không chỉ ảnhhưởng tới các thông số ở cuối quá trình nén mà còn ảnh hưởng rất lớn đến cácchỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của động cơ

Khi tăng ε làm cho công suất và hiệu suất của động cơ lúc đầu tăng nhanh,

sau đó tăng chậm dần Nhưng đồng thời tổn thất cơ giới lại tăng nhanh dần Nêntrong thực tế, việc tăng tỷ số nén chỉ có lợi trong một phạm vi nhất định (ε = 11

÷ 12) Giá trị của tỷ số nén được xác định căn cứ vào kiểu, loại động cơ

Với động cơ xăng, giới hạn trên của tỷ số nén được xác định bởi hiện tượngkích nổ Hiện tượng kích nổ phần lớn phụ thuộc vào tính chất chống kích nổ củanhiên liệu mà đặc trưng bằng trị số ốc tan Khi muốn tăng ε lên 1 đơn vị thì trị

số ốc tan phải tăng tương ứng từ 11 đến 12 đơn vị

Với cùng một loại nhiên liệu, ε còn phụ thuộc vào các yếu tố: Vận tốc góccủa động cơ, phương pháp hình thành khí hỗn hợp, vật liệu chế tạo pít tông vànắp xi lanh, hình dạng buồng cháy, kích thước xi lanh v v thông thường tỷ sốnén của động cơ xăng trong khoảng 5,5 đến 10

15

Ở động cơ Điêden, tỷ số nén được quyết định chủ yếu bởi phương pháphình thành khí hỗn hợp Nó được chọn sao cho nhiệt độ của môi chất ở cuối quátrình nén đủ để làm hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy ngay cả khi khởi động động

cơ ở trạng thái khởi động lúc nguội Để đảm bảo điều kiện đó thường ε >13

- Tốc độ cháy

Là số lượng nhiên liệu tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian

Do phản ứng hoá học nên tính chất lý, hoá của môi chất công tác trước vàsau khi cháy có thay đổi

2 Quá trình cháy trong động cơ xăng

a) Diễn biến của quá trình cháy bình thường

Trong động cơ xăng, hỗn hợp công tác được hình thành bên ngoài xi lanhcủa động cơ, ngay khi trộn nhiên liệu với không khí đã xẩy ra quá trình ô xy hoánhiên liệu nhưng chưa mạnh, hiện tượng này còn tiếp tục trong suất quá trìnhnạp và nén Đồ thị biểu diễn biến thiên áp suất P theo góc quay trục khuỷu ϕ

trong quá trình cháy

Cuối quá trình nén, khi pít tông cách ĐCT ứng với góc quay trục khuỷumột góc ϕS thì nến điện bật tia lửa Quá trình cháy bắt đầu Góc ϕS gọi là gócđánh lửa sớm Có thể chia quá trình cháy của động cơ xăng thành ba giai đoạn + Giai đoạn (I): Hình thành những trung tâm cháy ban đầu (từ c, đến c) Giai đoạn này rất ngắn bắt đầu từ lúc xuất hiện tia lửa ở nến điện (điểm c' ) đếnkhi áp suất bắt đầu tăng rõ rệt so với khi nén không cháy (điểm c) Nó bao gồmthời gian hình thành những trung tâm cháy ban đầu và thời gian màng lửa đã lantràn, nhưng lượng hỗn hợp tham gia còn ít Nhiệt lượng chưa đủ để phản ứngtiến hành được nhanh nên chưa có sự tăng áp suất rõ ràng Do vậy còn đượcgọi là giai đoạn cháy trễ (cháy chậm) Thời gian là τi ứng với góc quay của trụckhuỷu ϕi

n

i i

6ϕ

τ = (s)

Với n: Vận tốc góc của trục khuỷu tính bằng vòng/phút

Nếu hỗn hợp càng đều, nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén càng cao thì

τi càng giảm

+ Giai đoạn (II): Cháy chính (từ điểm c đến điểm z)

Bắt đầu từ lúc có sự tăng áp suất rõ ràng (điểm c) đến khi đạt được áp suấtcực đại (điểm z) Trong giai đoạn này, quá trình phản ứng xẩy ra rất mãnh liệt,trong điều kiện thể tích cháy thay đổi rất ít nên nhiệt độ và áp suất trong xi lanhtăng lên rất nhanh áp suất đạt được giá trị lớn nhất sau khi màng lửa hầu như đãlan tràn hết thể tích buồng cháy (điểm z) Khi cháy bình thường, vận tốc lan trànmàng lửa trong buồng cháy về mọi hướng từ 15 m/s đến 45 m/s

Đặc trưng cho giai đoạn này là tốc độ tăng áp suất trung bình (W) Nó đượcđánh giá bằng trị số tăng áp suất trên một độ góc quay của trục khuỷu

C Z

C

P P W

ϕϕ

∆p = pZ - pC Hiệu số giữa áp suất cực đại và áp suất lúc bắt đầu cháy

∆ϕ = ϕZ - ϕC Hiệu số giữa góc quay trục khuỷu khi ở điểm ứng với áp suấtcực đại và lúc bắt đầu cháy

Với động cơ xăng có tỷ số nén ε = (6 ÷ 10) thì trị số tốt nhất: W = (0,1 ÷

0,2) MN/m2độ Nếu W nhỏ động cơ làm việc êm nhưng công suất và hiệu suấtđều giảm, nhưng nếu W lớn quá động cơ rung giật, tăng hao mòn của các chi tiếttrong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền, làm giảm tuổi thọ của động cơ Nếu điểm

có áp suất cực đại (điểm z) xuất hiện sau ĐCT khoảng từ 100 đến 15o góc quaytrục khuỷu thì động cơ làm việc êm và có tính năng động lực tốt

+ Giai đoạn (III): Cháy rớt trên đường giãn nở (Từ điểm z đến điểm x)

ϕ

Đồ thị p-ϕ biểu diễn quá trình

cháy của động cơ xăng

(MN/m2độ)

Khi áp suất trong xi lanh đạt giá trị cực đại tại điểm z ở giai đoạn này vẫncòn một phần hỗn hợp chưa cháy hết và tiếp tục cháy nốt Tuy tốc độ cháy đãgiảm nhưng việc cấp nhiệt cho môi chất vẫn tăng nên nhiệt độ trong xi lanhtăng, đến khi nhiệt độ đạt giá trị cực đại (điểm x) Sự cháy ở giai đoạn nàykhông triệt để do trong hỗn hợp đã có nhiều sản vật cháy và thiếu ô xy Sự cháykéo dài trên đường giãn nở làm tăng sự truyền nhiệt cho thành xi lanh và tăngnhiệt độ khí thải Nếu giai đoạn này càng kéo dài thì hiệu suất của động cơ cànggiảm Tuy nhiệt độ trong xi lanh tăng nhưng áp suất lại giảm vì thể tích tăng.b) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy

+ Tỷ số nén (ε)

Khi tăng ε, nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén tăng, tạo điều kiện tốt chocác phản ứng oxy hoá của hỗn hợp, làm giảm giai đoạn chuẩn bị cháy và làmtăng

tốc độ cháy Tốc độ tăng áp suất trung bình và áp suất cháy cực đại đều tăng.+ Hình dạng buồng cháy và vị trí của nến điện

Hình dạng của buồng cháy và vị trí của nến điện sẽ ảnh hưởng đến hìnhdạng, diện tích bề mặt màng lửa nên ảnh hưởng đến tốc độ toả nhiệt

Nếu buồng cháy càng gọn, nến điện càng đặt gần trung tâm buồng cháy thìtốc độ cháy tăng, thời gian cháy giảm, giai đoạn cháy rớt cũng giảm Nếu buồngcháy tạo được xoáy lốc tốt cũng sẽ làm giảm thời gian cháy

+ Góc đánh lửa sớm (ϕS)

Vận tốc lan tràn màng lửa và tốc độ toả nhiệt đều có một giới hạn nhất định Dovậy để phần lớn nhiên liệu cháy ở gần ĐCT làm tăng hiệu suất của chu trình, cầnphải bật tia lửa điện sớm trước khi pít tông đến ĐCT một góc ϕS theo góc quaycủa trục khuỷu

Trên đồ thị cho thấy đường (3) với ϕS = 220 cho công của chu trình lớnnhất Các đường (2), (1) cho độ tăng áp trung bình (W) nhỏ dần, Công của chutrình cũng nhỏ dần Đường (4) có độ tăng áp trung bình lớn nhất nhưng lại cóphần công nằm trước ĐCT (công âm) lớn, nên công của chu trình cũng giảm.Như vậy, ứng với mỗi chế độ làm việc của động cơ chỉ có một giá trị gócđánh lửa sớm cho công của chu trình cao nhất Nghĩa là động cơ có hiệu suấtcao nhất, gọi là góc đánh lửa sớm tốt nhất Góc đánh lửa sớm tốt nhất phụ thuộcvào nhiều yếu tố như: Tỷ số nén, tính chất nhiên liệu, hệ số dư lượng không khí,vận tốc góc trục khuỷu, phụ tải động cơ, chế độ nhiệt vv việc tính toán để gócđánh lửa sớm tốt nhất cho từng chế độ làm việc cũng rất phức tạp, thường đượcxác định bằng thực nghiệm

+ Thành phần của khí hỗn hợp công tác

Hệ số dư lượng không khí (α) có ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ cháy vàlượng nhiệt cấp cho chu trình Khi α = 0,85 ÷ 0,95 mức độ toả nhiệt mãnh liệtnhất Khi đó hệ số tăng áp suất trung bình cũng cao nhất, công suất có thể đạtgiá trị lớn nhất và góc đánh lửa sớm tốt nhất tương ứng lại ở giá trị nhỏ nhất.Khi α< 0,85 tốc độ lan truyền màng lửa giảm, công suất giảm, lượng nhiên liệukhông cháy hết tăng lên làm giảm hiệu suất của động cơ Nếu α < 0,3 do thiếuôxy trầm trọng, hỗn hợp

có thể sẽ không cháy được Khi α> 0,95, tốc độ lan truyền màng lửa cũng giảm,công suất giảm nhưng nhiên liệu cháy kiệt hơn (vì có đủ ôxy hơn) nên hiệu suấtcao hơn Khi α = 1,05 ÷ 1,1, nhiên liệu được cháy hoàn toàn, hiệu suất đạt caonhất Nếu α càng tăng tốc độ lan truyền màng lửa càng giảm, thời gian cháy rớtcàng kéo dài Nếu α >1,4, màng lửa có thể không lan tràn được

+ Vận tốc góc trục khuỷu (n)

Khi tăng n sẽ làm vận động xoáy lốc trong buồng cháy tăng, nếu hệ số nạpkhông đổi thì nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén cũng tăng, thời gian cháygiảm Nhưng sự giảm đó không tỷ lệ nghịch với việc tăng góc quay do tăng vậntốc góc nên góc quay của trục khuỷu ứng với từng giai đoạn của quá trình cháyđều tăng Nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm, giai đoạn cháy rớt có thể kéo dàiđến cuối thời kỳ giãn nở Vì vậy, để quá trình cháy được tốt, cần phải tăng gócđánh lửa sớm

c) Những hiện tượng cháy không bình thường

+ Cháy kích nổ

Khi quá trình cháy đã bắt đầu, nếu có sự hình thành những trung tâm tựcháy ở phần hỗn hợp công tác chưa bốc cháy, nó phá hoại giai đoạn hoàn thànhquá trình cháy gọi là cháy kích nổ

Quá trình cháy bình thường, vận tốc lan tràn màng lửa khoảng (15 ÷ 45)m/s Các phản ứng ô xy hoá và toả nhiệt được xẩy ra ở màng lửa, còn phía saumàng lửa là hỗn hợp đã cháy (gọi là sản vật cháy) Sự di động của màng lửa làmcho hỗn hợp phía trước màng lửa bị nén thêm Nhiệt độ và áp suất của nó tăngtạo điều kiện tốt cho sự lan tràn của màng lửa

Khi nến điện đã bật tia lửa nếu vì một nguyên nhân nào đó, ở vị trí màmàng lửa chưa lan tràn tới có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tự cháy của nhiên liệutrong hỗn hợp, thì tại đó sẽ xuất hiện một trung tâm tự cháy Trung tâm tự cháynày phát triển rất nhanh làm cho hỗn hợp chưa cháy được bốc cháy với tốc độcực lớn Kết quả là áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp tăng lên mãnh liệt, tạo rasóng áp suất lan truyền về mọi hướng, sóng này đập vào thành xy lanh tạo nêntiếng gõ kim loại Hiện tượng cháy như trên gọi là cháy kích nổ

+ Cháy sớm

19