Bài giảng Động cơ đốt trong - Chương 4: Diễn biến quá trình nén

DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH NÉN
*Mở rộng phạm vi
nhiệt độ của quá trình
công tác
*Đảm bảo thu được
trong những điều kiện
thực tế một tỉ số giản
nở cho phép lớn nhất
*Tạo những điều kiện
cần thiết tốt nhất cho
sự cháy của hổn hợp khí
công tác.
1.Qúa trình nén dùng trong động cơ đốt trong dùng để:
2.Diển biến quá trình nén vô
cùng phức tạp và không ngừng thay
đổi về trị số và chiều hướng truyền
nhiệt giữa môi chất công tác và
vách xi lanh, giữa bộ phận nhiên
liệu đã bốc hơi và bộ phận nhiên
liệu chưa bốc hơi hoặc với bộ phận
nhiên liệu vừa mới phun vào xi lanh
động cơ.
*Lúc đầu hành
trình nén: T
a
< t
o
trb
của các chi tiết của
nhóm xi lanh –
piston giai đoạn
đầu QTNén có sự
truyền nhiệt từ
vách xi lanh và các
chi tiết nóng truyền
cho môi chất.
Đường cong diển ra tương đối dốc (a -2)
và chỉ số đa biến cao hơn chỉ số đoạn
nhiệt (a –1) : (n’
1
>K’
1
)
*Piston tiếp tục đi
lên (ĐCD ĐCT),
t
o
môi chất công
tác tăng lên và sự
trao đổi nhiệt giữa
khí nạp với vách
giảm do hiệu số t
o
giữa chúng nhỏ và
chỉ số đa biến n’
1
có trị số gần giống
trị số chỉ số nén
đọan nhiệt (2 3)
*Trong một vài
thời điểm nào
đó, t
o
môi chất
công tác = t
o
trb
của vách xi lanh
 xuất hiện quá
trình đoạn nhiệt
tức thời (điểm
3): n’
1
= K’
1
*Tiếp tục nén t
o
của
khí nạp > t
o
trb
của
vách xi lanh môi
chất được làm mát,
n’
1
<K’
1
, (K’
1
– n’
1
)
tăng lên khi piston
gần ĐCT.
Quá trình nén thực tế là một quá trình nén đa
biến có chỉ số nén đa biến biến đổi. Tuy nhiên
trên thực tế tính toán để quá trình nén không
phức tạp thì người ta thay đổi chỉ số nén đa biến
biến đổi thành một chỉ số nén đa biến trung bình
n
1
.
2. Tính chỉ số nén đa biến trung bình ( n
1
):
2.1.Tìm n
1
trên đồ thị : ( H.2)
2.2. Tính theo các công thức sau :
2.2.1. n
1
–1= 8314/[ a’
V
+ (b/2)* T
a
*(en1-1+1)] (1)
[n
1
] = [1,341,39], hạn hữu: n
1
=1,41. Chọn n
1
, 
thế vào(1) hai vế phải cân bằng nhau.
2.2.2.Theo giáo sư Petrov: ở(n=3000-3200v/p),
mở hoàn toàn cánh bướm ga, ta có:
n
1
=1,41-(100/n).
Với n=số vòng quay trục khuỷu.
2.2.3. K
1
= 1+[8,314/(mC
v
)
to
tc
] , 
K
1
= 1+[(log T
c
– log T
a
)/(log e)]
Xăng: n
1
= K
1
-0,04
, Diesel:
+0,02
Chọn T
c
tính K
1
. n
1
= K
1
- 0,02
Xăng: [T
c
]=[600 - 800]
0K 
. 
Diesel: [T
c
]=[700900]
0K
.
3.P
C
,T
C
*Phương trình đa biến: P
a
V
a
n1
= P
c
V
c
n1
(1)
*Phương trình trạng thái tại a : P
a
V
a
= 8314 M
a
T
a
(2)
*Phương trình trạng thái tại c: P
c
V
c
= 8314 M
c
T
c
(3)
Trong đó: * P
a
,V
a
,T
a
= Aùp suất (N/m
2
),thể tích
(m
3
), nhiệt độ (
o
K) của MCCT ở đầu QTNén
*M
a
, M
c
= số Kmole MCCT ở đầu và cuối QTNén
(nếu không kể sự rò rỉ của MCCT qua segments,
 thì M
a
= M
c
)
3. Nhiệt độ cuối quá trình nén T
c
:
T
c
= T
a
* en1-1
4. Aùp suất cuối quá trình nén P
c
:
P
c
= P
a
*en1
*Xăng:[P
c
]=[0,9-2,0]MN/m
2
.
*Diesel:[P
c
]=[3,5-5,5]MN/m
2
, 
tăng áp có =12-13 : [P
c
]=[4,07,5]MN/m
2
II.CÂN BẰNG NHIỆT CỦA QUÁ TRÌNH NÉN 
II.1.Công Lac:
Công tuyệt đối giửa 02 điểm a & c của quá
trình bằng: Lac =(1/n
1
-1).(PaVa - PcVc) (J)
Lac =[1/(n
1
-1).T
K
].(P
K
Vh(1+gr).h
n
.Ta (en1-1 - 1) (J)
II.2. Cân bằng nhiệt của quá trình nén:
Qac = Lac + Uc - Ua
Theo định luật một của nhiệt động học, cân
bằng nhiệt của quá trình nén được xác lập theo
phương trình: Qac = Lac + Uc – Ua. (1)
Trong đó:
Qa = Nhiệt lượng truyền cho môi chất công
tác trong quá trình nén.
Uc và Ua = Nội năng của môi chất công tác
tại các điểm c và a tương ứng.
Uc = Mc(mCv’)tbc. Tc + Ma(mCv’)tbc. Tc. Giả
thuyết Mc = Ma= M1(1+gr).
Ua = Ma(mCv’)tbc. Ta.
Thay tất cả vào (1) và biến đổi:
Qac/[M1(1+gr).Ta(en1-1-1)] = 
a’v + [(b/2). Ta(en1-1+1) –8314(n1 – 1)].
III. TỶ NHIỆT MOLE TRUNG BÌNH Ở CUỐI QUÁ
TRÌNH NÉN.
1. Tỷ nhiệt mole đẳng tích trung bình khí nạp mới:
(mCv)
to
tc
(tra bảng 1-6).
2. Tỷ nhiệt mole đẳng tích trung bình khí sót:
(mCv”)
to
tc
. Từ a và Tc tra bảng (1-7, 1-8).
3. Tỷ nhiệt mole đẳng tích trung bình ở cuối quá trình
nén:
(mCv’)tbc = (mCv’)
to
tc
= [1/(1+gr)][ (mCv)
to
tc
+ gr 
(mCv”)
to
tc
] (KJ/Kmole.độ)
IV.1.Theo loại động cơ: Cơ sở chọn phụ
thuộc vào động cơ, phụ thuộc vào sự hình
thành hỗn hợp.
IV.1.1. ĐỘNG CƠ XĂNG:
Hình thành hỗn hợp từ bên ngoài bằng
một thiết bị gọi là BCHK. Nhiệt độ Tc =
(700-750)
0
K. Chọn tỉ số nén sao cho động
cơ làm việc êm, đặc trưng bằng tỉ số tăng
áp suất: ( p/ j) = [0,1-0,3} MN/m2.độ.
IV.VẤN ĐỀ CHỌN TỶ SỐ NÉN ĐỘNG CƠ
Chọn tỉ số nén sao cho:
Khi làm việc không xảy ra hiện
tượng kích nổ: bố trí bougie tốt.
Kết cấu buồng cháy hợp lý: Buồng
cháy càng nhỏ càng tốt, không có
những ngóc ngách trong buồng cháy,
chú ý kích nổ.
IV.1.2. ĐỘNG CƠ DIESEL:
Tc > (800-900)
0
K (do hỗn hợp tự cháy nên cần
nhiệt độ cao).
Chọn tỉ số nén sao cho :
Động cơ làm việc êm, đặc trưng bằng tỉ số tăng áp
suất: ( p/ j) = [0,2-0,6} MN/m2.độ.
Kết cấu buồng cháy hợp lý:Buồng cháy ngăn cách
tiếp xúc nước làm mát nhiều hơn, kim phun một lỗ
tia, áp suất phun nhỏ vì vậy yêu cầu tỉ số nén lớn
để xé nhỏ nhiên liệu. Một số xe du lịch dùng buồng
cháy ngăn cách, tỉ số nén phải nhỏ để đảm bảo
tính êm dịu và tăng tuổi thọ động cơ.
IV.2. Tỉ số nén là một thông số nhiệt
động quan trọng, nó ảnh hưởng rất
nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và công
suất động cơ.
Về mặt lý thuyết tăng tỉ số nén sẽ
tăng công suất và tính kinh tế của động cơ
tăng. Nhưng trong thực tế tăng tỉ số nén
sẽ tăng tổn thất cơ giới, vì vậy tăng tỉ số
nén cho có lợi phải nằm trong phạm vi
nhất định.
IV.2.1. Động cơ xăng: giới hạn trên
của tỉ số nén được qui định bởi hiện
tượng kích nổ và phụ thuộc vào tính
chống kích nổ của nhiên liệu mà đặc
trưng bằng trị số octanne. Trong
những điều kiện như nhau, tỉ số nén
tăng một đơn vị thì trị số octanne
tăng (10-12) đơn vị.
IV.2.2. Tăng n dẫn đến thời gian tác động của
nhiệt độ và áp suất tới môi chất công tác càng
giãm và tốc độ cháy tăng, lượng khí sót tăng.
Kết quả: tăng n kích nổ giảm, tỉ số nén có thể
tăng đôi chút. Do đó động cơ cao tốc có tỉ số
nén cao hơn động cơ thấp tốc.
IV.2.3. Khi giảm tải, lượng khí sót giảm, mức
độ sấy nóng khí nạp giảm, kích nổ giảm. Do đó
động cơ làm việc ở chế độ phụ tải nhỏ tỉ số
nén chọn cao hơn so với động cơ thường làm
việc ở chế độ toàn tải. Vì vậy tỉ số nén xe du
lịch cao hơn so với xe tải.
IV.2.4. Nếu thay bộ chế hòa khí bằng hệ
thống phun xăng thì tăng tỉ số nén nhiều
hơn. Cách này cho phép tăng tỉ số nén từ
5,8 lên 8,6 mà không cần phải thay đổi
loại nhiên liệu.
IV.2.5. Nhiệt độ vách xi lanh và đỉnh
piston ảnh hưởng rất nhiều đến kích nổ
động cơ (tăng nhiệt độ này sẽ làm tăng
kích nổ), do đó động cơ làm mát bằng gió
có tỉ số nén nhỏ hơn động cơ làm mát
bằng nước.
Hình dạng và kích thước buồng cháy ảnh hưởng
rất lớn đến tỉ số nén. Giảm đường kính xi lanh,
giảm hành trình màn lửa đi từ bougie đến những
nơi xa nhật trong buồng cháy, giảm thời gian lan
tràn màn lửa trong thể tích buồng cháy, giảm
kích nổ, tỉ số nén tăng.
IV.2.6.Hình dạng và kích thước buồng cháy
IV.2.7. Nếu sử dụng vật liệu mới để chế
tạo piston, xi lanh, culasse thì có thể cho
phép tăng tỉ số nén.
IV.2.8.Supap thải bị nóng nhất, giảm
nhiệt độ supap thải sẽ tăng tỉ số nén.
ĐỘNG CƠ Ô TÔ MÁY KÉO: Xăng:
tỉ số nén e = 6 -12.
Diesel buồng cháy thống nhất: tỉ số nén e = 13 -16.
Diesel buồng cháy phụ: tỉ số nén e = 17 -20.
ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU HỎA, TÀU THỦY,
TỈNH TẠI:
Thấp tốc: tỉ số nén e = 12 -14. Trung bình tốc:
tỉ số nén e = 14 -15. Cao tốc: tỉ số nén e = 14 -18.
Cao tốc tăng áp: tỉ số nén e = 12 -14.
V. NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN CHỈ SỐ NÉN ĐA BIẾN TRUNG
BÌNH n1:
1.Số vòng quay trục khuỷu n:
PaVa
n1
= Pc Vc
n1
. Vậy Pc = Pa. en1
PaVa
n’1
= Pc’ Vc’n’1 . Vậy Pc’ = Pa.
en’1. Pc’ > Pc, do đó n’1 > n1. Đường cong
n1 càng dốc thì n1 càng lớn. Vậy: môi
chất mất nhiệt n1 giảm, môi chất nhận
nhiệt n1 tăng.
Khi n tăng sẽ làm cho số chu trình
trong một thời gian tăng, trạng thái
nhiệt của động cơ tăng, cấp nhiệt cho
môi chất tăng, do đó n1 tăng.
Mặt khác, khi n tăng sẽ làm cho thời
gian tiếp xúc giửa môi chất công tác với
xi lanh giảm, sự lọt khí giửa khe hở
segments giảm, môi chất ít mất nhiệt, n1
tăng.
Tóm lại: khi n tăng, n1 tăng.
2. Phụ tải của động cơ:
Khi tăng tải, nhiệt độ các chi tiết
tăng, nhiệt lượng cấp cho môi chất công
tác ở đầu quá trình nén tăng và nhiệt
lượng tỏa ra của môi chất công tác ở
cuối quá trình nén giảm, n1 tăng. Tuy
nhiên khi tải tăng, sự lọt khí tăng, lượng
nhiệt ra xi lanh nhiều, môi chất mất
nhiệt tăng, do đó n1 giảm. Tác động
tổng cộng: Khi tăng tải n1 tăng, khi
giảm tải n1 giảm.
3. Tình trạng kỹ thuật của động cơ:
Khi nhóm piston xi lanh bị mòn, sự lọt khí tăng,
làm cho môi chất mất nhiệt, n1 giảm.
Muội than nhiều hoặc cặn trong nước làm mát
bám nhiều xung quanh lòng xi lanh động cơ làm cho
môi chất mất nhiệt ít, n1 tăng.
Tất cả các biện pháp làm giảm nhiệt độ trung bình
của xi lanh động cơ (vd: làm tăng thêm mức độ
tuần hoàn của nước làm mát) sẽ làm n1 giảm.
Khi tăng tỉ số nén sẽ làm cho hiện tượng lọt khí
tăng, n1 giảm.
4.Kích thước xi lanh:
Nếu cùng một dung tích công tác
động cơ, tăng S/D sẽ làm n1 giảm và
ngược lại.
5.Động cơ làm việc không ổn định:
Động cơ làm việc không ổn định,
nếu tăng tải hoặc tăng n sẽ dẫn đến n1
giảm so với trị số tương ứng với chế độ
làm việc ổn định.