CHƯƠNG 5 CHU TRÌNH THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
5.1. Quá trình nạp
5.1.1. Diễn biến quá trình nạp
5.1.1.1. Diễn biến quá trình nạp động cơ 4 kỳ không tăng áp
Quá trình nạp là một bộ phận
của quá trình trao đổi khí, tiếp theo quá
trình thải và
có
liên
hệ mật thiết
với
quá trình này. Vì vậy khi nghiên cứu
quá trình nạp không thể tách rời khỏi
mối
liên
hệ
với
quá trình thải.
Đối với
mỗi loại động cơ khác nhau, quá trình
nạp
diễn ra
với
những nét đặc trưng
riêng.
Động cơ bốn kỳ không tăng
áp, Quá trình nạp bắt đầu ngay sau quá
trình thải. Tại điểm r, hình 5-1, trong
xy lanh chứa đầy khí sót. Khi p iston
đi xuống, khí sót giãn nở, áp
suất
trong xy lanh giảm xuống. Xu páp
thải
đóng muộn tại điểm r,. Từ thời điểm
áp suất trong xy lanh bằng áp
suất đường nạp pk trở đi, khí nạp mới thực sự đi vào
trong xy lanh và hoà
trộn với khí sót tạo thành hỗn hợp công tác. Áp suất trong xy
lanh phụ thuộc vào tốc độ v của piston, có giá trị nhỏ
nhất tại vmax. Tại điểm ĐCD
(điểm a), ta có thể viết:
pa = pk – pk
Trong đó:
pk - tổn thất áp suất do cản của bình lc khí và đường ống nạp.
Pk - áp suất của khí trời.
Tk - nhiệt độ của khí trời.
5.1.1.2. Diễn biến quá trình
nạp động cơ 4 kỳ tăng áp
Đặc điểm của động cơ tăng áp
là
áp suất đường nạp lớn hơn áp
suất
đường thải pk > pth > p0, hình
5-2. Khi xu páp nạp mới mở sớm
tại điểm d1 thì
khí nạp mới đi ngay
vào xy lanh quét khí đó làm việc
qua xu páp thải ra đường thải. Từ
điểm r, ứng với thời điểm xu páp
thải đóng muộn trở đi thì
chỉ có quá
trình nạp khí nạp mới vào xy lanh.
Cũng như ở động cơ bốn kỳ không
tăng áp, xu páp nạp đóng muộn tại
điểm d2. Từ hình 5–2 ta có thể viết được:
Hình 5-2. Diễn biến quá trình nạp
động cơ bốn kỳ tăng áp
Hình 5-1. Diễn biến quá trình nạp
pa = pk - Δpk
5.1.2. Những thông số cơ bản của quá trình nạp
5.1.2.1. Áp suất cuối quá trình nạp pa
- Áp dụng công thức tính toán pa ta có:
pa = pk – Δpk =
2
2
n
nk F
n
kp
Trong đó:
pk – Áp suất của môi chất trên đường nạp;
Δpk – Tổn thất áp suất do cản của bình lc
khí và đường ống nạp;
kn – Hệ số đường nạp, phụ thuộc chủ yếu
vào thời gian và các thông số kết cấu cơ cấu
phân phối khí;
n – Tốc độ động cơ;
Fn – Diện tích thông qua của xu páp nạp.
- Khi tính toán áp suất pa (cuối quá trình
nạp) hoàn toàn không đơn giản vì thông số rất
khó xác định. Do đó trong tính toán người ta
thường trn pa theo số liệu thực nghiệm:
+ Với động cơ bốn kỳ không tăng áp: pa = (0,8 0,9)pk
+ Với động cơ bốn kỳ tăng áp: pa = (0,9 0,96)pk;
5.1.2.2. Hệ số khí sót
r
a/ Khái niệm:
Nếu gi Mr và M1 là số lượng khí sót và số lượng môi chất mới khi đốt 1 kg
nhiên liệu, mr và m1 là số lượng khí sót và số lượng môi chất mới của mỗi chu trình thì
hệ số khí sót r sẽ là:
11 M
M
m
mrr
r
b/ Công thức xác định
Lượng sản vật cháy còn lại khi kết thúc quá trình thải của chu trình trước Mr là
khí sót. Theo phương trình trạng thái đối với khí sót và biến đổi ta được:
q
r
cr
c
c
r
rr
r
rr
rRT
Vp
V
V
RT
Vp
RT
Vp
M
.
.
..
Trong đó:
pr, Tr - áp suất và nhiệt độ khí sót ở thể tích Vc ;
R - Hằng số một kmol khí.
λq – Hệ số quét buồng cháy,
c
r
qV
V
Đối với động cơ 4 kỳ: 0 ≤ λq ≤ 1
Hình 5.2. Các thông số quá
trình nạp
+ Không quét buồng cháy: λq = 1 và Quét sạch buồng cháy: λq = 0
+ Động cơ không tăng áp: λq = 1 và động cơ tăng áp: λq = (0,9 – 0,95)
Thay
vào Mr, sau đó thay Mr vào (4-5) ta được:
Trong tính toán người ta thường sử dụng công thức tính hệ số khí xót có liên hệ
trong quá trình tính toán hệ số nạp:
Trong đó:
ε – Tỷ số nén;
Tk – Nhiệt độ môi chất mới ở trước xu páp nạp;
Tr – Nhiệt độ khí thải trên đường thải;
ΔT – Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới nạp;
pa – Áp suất môi chất cuối quá trình nạp;
pr – Áp suất của trên đường thải;
λnt – Hệ số nạp thêm, theo kinh nghiệm bằng (1,02 – 1,06)
λt – Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt, theo kinh nghiệm nó phụ thuộc vào hệ số dư
lượng không khí α.
Để kiểm nghiệm kết quả tính toán, chúng ta có thể sử dụng số liệu thực
nghiệm sau:
+ Động cơ xăng và máy ga không tăng áp:
r
= 0,06 0,10;
+ Động cơ đieden không tăng áp:
r
= 0,03 0,06;
5.1.2.3. Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới
T
Khi đi trên đường nạp và vào xi lanh, môi chất mới tiếp xúc với các bề mặt nóng
của động cơ, được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên một gia số T.
Giá trị của T phụ thuộc vào tốc độ lưu động, thời gian tiếp xúc với bề mặt nóng
và chênh lệch nhiệt độ của môi chất mới so với vật nóng. Nếu nhiệt độ của môi chất
mới tăng sẽ làm giảm mật độ và do đó làm giảm khối lượng môi chất mới nạp vào động
cơ. Vì vậy trong động cơ xăng, số nhiệt lượng cần thiết để sấy nóng môi chất mới chỉ
nhằm làm cho xăng dễ bay hơi trên đường nạp, nếu quá mức ấy sẽ làm giảm lượng môi
chất mới nạp vào động cơ. Gia số T của môi chất mới được tính như sau:
T = Tt - Tbh
Trong đó: Tt - mức tăng nhiệt độ của môi chất mới do sự truyền nhiệt từ các
bề mặt nóng;
Tb.h – Mức giảm nhiệt độ của môi chất mới do bay hơi của nhiên liệu, động cơ
đieden Tb.h = 0.
T được xác định theo số liệu thực nghiệm và theo cách tính gián tiếp, được lấy
theo các số liệu sau:
T = 20 40 0K - Đối với động cơ điêden.
T = 0 20 0K - Đối với động cơ xăng.
Động cơ điêden và động cơ xăng tăng áp không làm mát trung gian cho khí nén,
T thường rất nhỏ vì chênh nhiệt ít. Nếu Ts (nhiệt độ môi chất sau máy nén) lớn hơn
nhiệt độ vách thì môi chất mới được làm mát và T <0.
5.1.2.4. Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta
Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Ta lớn hơn Tk và nhỏ hơn Tr là do kết quả
của việc truyền nhiệt từ các bề mặt nóng tới môi chất mới khi tiếp xúc và việc hoà trộn
của môi chất mới với khí sót nóng hơn. Có thể xác định Ta (tại điểm a, hình 5.1)
Công thức xác định như sau:
r
rrtk
a
TTT
T
1
..
Nếu lấy t =1 , sai số tính Ta thường không lớn, ta có:
r
rrk
a
TTT
T
1
.
Trong đó: t – Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt, nó phụ thuộc vào hệ số dư lượng
không khí và nhiệt độ Tr
Các công thức (4 – 4 ) và (4 - 5) đúng cho cả động cơ bốn kỳ và hai kỳ. Biến
động của Ta trong phạm vi sau:
+ Với động cơ bốn kỳ không tăng áp: Ta = 310 350 0K
+ Với động cơ bốn kỳ tăng áp và động cơ hai kỳ: Ta = 320 400 0K
5.1.2.5. Hệ số nạp
a/ Định nghĩa:
Hệ số nạp v là tỉ số giữa lượng môi chất mới thực tế M1 nạp vào xi lanh ở đầu
quá trình nén khi đã đóng các cửa nạp, cửa thải và lượng môi chất mới lý thuyết Mh, có
thể nạp đầy vào thể tích công tác của xi lanh Vh.
b/ Cách xác định
- Xác định bằng tính toán:
Từ định nghĩa ta có:
hhh
vV
V
M
M
G
G111
Bằng các phép đặt và biến đổi ta xác định được hệ số nap:
Trong đó:
ε – Tỷ số nén;
Tk – Nhiệt độ môi chất mới ở trước xu páp nạp;
ΔT – Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới nạp;
pa – Áp suất môi chất cuối quá trình nạp;
pk – Áp suất trên đường nạp;
λnt – Hệ số nạp thêm, theo kinh nghiệm bằng (1,02 – 1,06);
λq – Hệ số quét buồng cháy;
pr – Áp suất của trên đường thải;
m – Chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót m = (1,45÷1,5)
λt – Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt, theo kinh nghiệm nó phụ thuộc vào hệ số dư
lượng không khí α.
+ Động cơ xăng:
α
0,8
1,0
1,2
1,4
λnt
1,13
1,17
1,14
1,11
+ Động cơ Diezel: α = 1,5 – 1,8 suy ra chn theo kinh nghiệm λnt = 1,1
- Xác định bằng thực nghiệm:
Trước hết, lưu lượng khí nạp mới và các thông số trạng thái như pk và Tk được
đo trực tiếp trên động cơ. Tiếp theo, từ kết quả đo tính toán được lượng khí nạp mới
M1và Mh rồi thay vào công thức định nghĩa.
5.1.3. Những nhân tố ảnh hưởng đến hệ số nạp
5.1.3.1. Tỷ số nén
a. Ảnh hưởng:
Theo công thức tính hệ số nạp (4-12) ta xét 2 trường hợp sau:
- Quét sạch buồng cháy λq = 0, khi đó (4-12) trở thành:
Ảnh hưởng: Khi tính toán cho một động cơ cụ thể thì có thể coi như k là hằng số,
do đó ta có thể nhận thấy khi tăng ε thì ηv giảm.
- Không quét buồng cháy λq = 1, khi đó (4-12) trở thành:
Để đơn giản khi khảo sát ta coi λnt = λt = m = 1, khi đó (4-14) có dạng:
k
r
k
a
k
k
vp
p
p
p
TT
T
..
1
1
Lấy đạo hàm hai vế theo ε ta được:
0..
)1(
1
2
k
a
k
r
k
kv
p
p
p
p
TT
T
d
d
vì pr > pa
Ảnh hưởng: Như vậy khi tăng ε thì tăng ηv và ngược lại.
Kết luận: