Chương 5 chu trình thực tế động cơ đốt trong

Chương 5: CHU TRÌNH THỰC TẾ CỦA
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

5.1. Mục đích nghiên cứu.
5.2. Quá trình nạp.
5.3. Quá trình nén.
5.4. Quá trình cháy và giãn nở.
5.4.1. Quá trình cháy.
5.4.2. Quá trình giãn nở.
5.5. Quá trình thải.


5.1 Mục đích nghiên cứu

Phân tích đánh giá các nhân tố ảnh hưởng tới các quá trình trong chu trình thực.
Nâng cao tính hiệu quả (Ne), tính kinh tế (ηe), đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ.
Xây dựng phương pháp tính toán nhiệt cho động cơ (trên cơ sở chu trình lý thuyết kết hợp với các hệ số
hiệu chỉnh).

Xây dựng đồ thị công trên cơ sở tính các thông số trạng thái của chu trình ... , kết quả là cơ sở tính toán
thiết kế động cơ mới hoặc cải tiến động cơ.


5.2. Quá trình nạp

Quá trình thải và nạp còn gọi là quá trình thay MCCT.
 Quá trình nạp có liên hệ trực tiếp với quá trình thải: thải càng sạch, nạp càng đầy, cho phép tăng lượng
nhiên cung cấp cho mỗi chu trình → nhiệt phát sinh do cháy tăng → công giãn nở tăng → Ne tăng.

 Quá trình thải và nạp động cơ 4 kỳ và 2 kỳ không hoàn toàn giống nhau.
 Chất lượng nạp thải 4 kỳ hơn hẳn 2 kỳ vì thời gian nạp thải của 4 kỳ dài hơn (góc quay trục khuỷu dành cho

o
o
nạp thải động cơ 4 kỳ khoảng 400 ÷ 450 GQTK ; 2 kỳ khoảng 120 ÷ 150 GQTK)


5.2.1. Diễn biến quá trình thải và nạp của động cơ 4 kỳ và 2 kỳ
Diễn biến quá trình thải động cơ 4 kỳ chia làm 3 giai đoạn:

•Thải tự do: tại điểm vừa mở xupáp thải tốc độ khí xả rất lớn
V = 600 ÷ 700 m/s, lớn hơn tốc độ tới hạn, gây ồn.
th

•Thải cưỡng bức: piston đẩy sản vật cháy thát ra đường thải,
Vận tốc khí ở đầu thải cưỡng bức: V

•

th

= 200 ÷ 250 m/s

o
Thải thêm: φ = 10 ÷ 50 GQTK sau ĐCT.
4
Tận dụng tiếp quán tính dòng khí thải và độ chênh áp ∆p = p – p
r
r
th
Vận tốc trung bình của khí thải trong suốt quá trình thải ở chế độ định mức: V

th

= 80 ÷ 150 m/s


Diễn biến quá trình nạp động cơ 4 kỳ chia làm 3 giai đoạn:

Chuẩn bị nạp (φ1 = 10 ÷35oGQTK): tạo tiết diện lưu thông xupáp
nạp đủ lớn, giảm tổn thất cục bộ.

 Nạp chính: (Piston từ ĐCT → ĐCD), nạp tự nhiên do có chân
không trong xy lanh.

 Nạp thêm nhờ: (φ2 = 40÷65oGQTK) sau ĐCD quán tính của dòng
khí nạp làm tăng khối lượng và áp suất khí cuối quá trình nạp.
< pk

pa


Chọn hợp lý φ2 có thể tăng lượng khí nạp mới từ 10 ÷ 15%.
Tuy nhiên ở số vòng quay thấp: n < n đm nạp thêm giảm dần, ở nmin có thể xảy ra hiện tượng thải ngược vào
đường nạp.
Để đánh giá lượng khí nạp thêm dùng hệ số nạp thêm λ

1

λ = 1,00 ÷ 1,07 (thậm chí λ = 1,15 ở động cơ tăng áp),
1
1

λ = 0,88 ÷ 0,95 khi có hiện tượng thải ngược vào đường nạp
1


Đặc điểm quá trình thải nạp trong động cơ 2 kỳ:

-Không có cả một hành trình dành cho nạp hoặc thải MCCT như ở ĐC 4 kỳ.
- Quá trình thải và nạp chỉ chiếm một phần cuối hành trình giãn nở và một phần đấu hành trình nén.
- Phần lớn quá trình thải diễn ra đồng thời với nạp khí nạp mới.
Do thời gian mở cửa nạp quá ngắn phải:
- Tăng tiết diện lưu thông qua cửa nạp và cửa thải
- Phải tăng áp khí nạp mới (áp suất khí nạp trước cửa nạp phải lớn hơn áp suất sản vật cháy sau cửa thải).


Thể tích công tác xy lanh thực tế của động cơ 2 kỳ V’ nhỏ hơn thể tích công tác V của động cơ 4 kỳ một
h
h
lượng (V . ψ)
h
V’h = Vh (1 - ψ)
ψ - Phần tổn thất hành trình của piston dùng để thải nạp

ψ= 0,12÷ 0,25 đối với động cơ 2 kỳ cao tốc, giá trị thấp dùng cho động cơ quét thẳng qua cửa hoặc qua xupáp,
giá trị cao dùng cho động cơ quét vòng.

hth
Ψ=
s

hth - chiều cao từ mép trên cửa thải đến đỉnh piston khi nó nằm ở ĐCD.

S – hành trình của piston


Diễn biến quá trình thải - thay MCCT của động cơ 2 kỳ chia thành 3 giai đoạn:

•Thải tự do
•Thải cưỡng bức (quét vòng và nạp đồng thời)
•Tổn thất khí nạp hoặc nạp thêm


5.2.2. Xác định các thông số đặc trưng quá trình nạp

 Áp suất và nhiệt độ khí sót (pr và Tr): thường chọn theo thực nghiệm: pr = (1,05 ÷ 1,15)po - động cơ nạp tự
nhiên và động cơ tăng áp cơ khí. pr = (0,75 ÷ 0,98)pt.áp – động cơ tăng áp tua-bin khí

 Nhiệt độ Tr chọn theo kinh nghiệm phụ thuộc vào loại động cơ, ε, n, α.
Động cơ xăng

0
Tr = 900 ÷ 1100 K

Động cơ diesel Tr = 700 ÷ 9000K
Động cơ khí

o
Tr = 750 ÷ 1000 K

Áp suất và nhiệt độ khí quyển:
0
0

p0 = 0,09 ÷ 0,106 MN/m2, T0 = (27 ÷ 29) C + 273 k


Áp suất trước xupáp nạp:
Động cơ 4 kỳ không tăng áp :

pK = p0 - ∆p0

∆ p0 : Tổn thất áp suất do cản lọc không khí và tổn thất thủy lực trên đường nạp, chọn gần đúng
2
÷ 0,04) kG/cm

Khi tính gần đúng có thể chọn pk ≅ p0; TK ≅ T0
Động cơ 4 kỳ tăng áp và động cơ 2 kỳ:
p

t. áp

=

1,5p

= (1,5 ÷ 2,2)p
= (2,2 ÷2,5)p
∆p

mát

0

0

0

p K = pt. Áp - ∆pmát

– tăng áp thấp

– tăng áp trung bình

– tăng áp cao

- tổn thất áp suất qua két làm mát khí sau máy nén tăng áp

∆p0 = (0,02


•Nhiệt độ trước xupáp nạp (Tk):
T phụ thuộc vào tỷ số tăng áp của máy nén p
/p và chỉ số nén đa biến của không khí trong máy nén n
k
t.áp 0
k

 pt .ap 

Tk = To 
 p0 
n = 1,4 ÷ 1,6
k

- Đối với máy nén tại piston

n = 1,55 ÷ 1,75 - Đối với máy nén thể tích
k
n = 1,4 ÷ 2,0
k

- Đối với máy nén ly tâm

n −1
n


Áp suất cuối quá trình nạp (pa): Là thông số cơ bản đánh giá khối lượng khí nạp mới: p a = pK - ∆pa hoặc pa =
p0 - ∆pa, ∆pa - tổn thất áp suất trong quá trình nạp, giá trị này thường chọn từ thực nghiệm.
Đối với động cơ không tăng áp 4 kỳ ∆pa nằm trong phạm vi :
Động cơ xăng

∆pa = (0,05 ÷ 0,20)po

Động cơ diesel

∆pa = (0,03 ÷ 0,18)po

Đối với động cơ tăng áp : ∆pa = (0,03 ÷ 0,10)pK
Nhiệt độ cuối quá trình nạp (Ta):
∆T, Nhiệt độ sấy nóng khí nạp (∆T)
Động cơ xăng:

o
∆T = 0 ÷ 20 C

o
Diesel không tăng áp: ∆T = 10 ÷ 40 C
Động cơ tăng áp:

o
∆T = -5 ÷ +10 C (có làm mát trung gian)

Tk + ∆T + γ r Tr
Ta =
1+ γ r


5.2.3 Các thông số đánh giá chất lượng thải sạch và nạp đầy
Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh ở cuối quá trình nạp thường nhỏ hơn lượng khí nạp đầy lý thuyết vào
Vh do :
- Trong xylanh còn lại một lượng khí sót của chu trình trước có nhiệt độ T r và áp suất pr
- Khối lượng riêng khí nạp mới giảm do bị sấy nóng khi tiếp xúc với vách xy lanh nóng và trộn với khí sót có
nhiệt độ cao.
- Tổn thất thuỷ lực trên đường nạp và qua xupáp nạp p a < po
Để đánh giá lượng thải sạch và nạp đầy khí nạp mới vào xylanh người ta dùng: Hệ số khí sót γr và hệ số khí nạp
ηv


Hệ số khí sót γr: là tỉ số giữa số mol khí sót và số mol khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh ở cuối quá trình nạp.

Trong đó :

mr

g ct .M r M r
γr =
=
=
m1
g ct .M 1 M 1

mr , m1: khối lượng khí sót và khí nạp mới thực tế của mỗi chu trình công tác
Mr , M1: Số kmol khí sót và khí nạp mới thực tế tính trên 1kg nhiên liệu.
gct: khối lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình (kg/chu trình)


o
Ở động cơ 4 kỳ với góc trùng điệp (xupáp nạp và thải cùng mở) không quá 30 ÷ 40 GQTK thường không
có quét buồng cháy nên có thể tính:

mr =

pr .Vc
R.Tr

Động cơ 4 kỳ: - Động cơ xăng γr = 0,04 ÷ 0,06
- Động cơ diesel tăng áp γr = 0,02 ÷ 0,04

Vc =

Vh
ε −1

Hệ số nạp: Là tỷ số giữa lượng khí nạp thực tế vào xylanh (M1) so với lượng khí nạp lý thuyết (Mh) có thể nạp đầy
vào thể tích công tác Vh ở điều kiện pk và Tk.

g ct .M 1
Vk
GK
ηv =
=
=
Mh
ρ K .Vh Vh
Gk: Khối lượng không khí nạp thực tế vào xylanh của một chu trình
ρk: Khối lượng riêng của không khí
Vh: Thể tích khí nạp chứa trong xylanh quy dẫn về pk, Tk.

ηv =

TK
p 
1  pa
.
. ε .
− r 
TK + ∆T ε − 1  p K p K 


- Đối với động cơ xăng thông thường (chế hoà khí): ηv = 0,7 ÷ 0,9
- Đối với động cơ phun xăng điện tử:

ηv = 0,8 ÷ 0,96

- Đối với động cơ diesel không tăng áp: ηv = 0,8 ÷ 0,94
- Đối với động cơ diesel tăng áp:

ηv = 0,85 ÷ 0,97

Với động cơ 2 kỳ ngoài η tính cho toàn bộ V còn có hệ số nạp thực tế η’ tính cho thể tíchV’ của hành trình có ích.
v
h
v
h
η

v

= (1 - ψ ) η’
v

ψ = 0,12÷ 0,25 đối với động cơ 2 kỳ cao tốcgiá trị thấp dùng cho động cơ quét thẳng qua cửa hoặc qua xupáp, giá
trị cao dùng cho động cơ quét vòng qua cửa thải.


η v cao hay thấp phụ thuộc vào:
- Loại nhiên liệu , A/F, khả năng hoá hơi của nhiên liệu (fraction of fuel vaporized) và nhiệt ẩn hoá hơi nhiên liệu.
- Mức độ sấy nóng khí nạp mới trên đường nạp.
- Tỷ số áp suất tại đường ống thải và nạp.
- Tỷ số nén.
- Tốc độ động cơ (số vòng quay trục khuỷu).

- Kết cấu đường ống nạp v à thải.
- Kết cấu van nạp và thải, kích thước hình học và độ nâng của van.
- Thời gian đóng mở xupáp nạp và thải.


5.3. Quá trình nén
Có tác dung:
Tạo điều kiện tốt nhất cho hỗn hợp công tác bốc cháy nhanh và cháy kiệt.
Đảm bảo cho MCCT (sản vật cháy) được giãn nở sinh công triệt để hơn.
Kết quả làm tăng hiệu năng của động cơ: Tăng hiệu suất có ích (ηe↑), Tăng công suất (Ne↑), Giảm suất tiêu
hao nhiên liệu (ge↓).


Trong điều kiện thực tế quá trình nén diễn ra theo một quy luật phức tạp và không thể tính bằng các quan hệ
nhiệt động học như ở chu trình lý tưởng vì:
Môi chất công tác là hỗn hợp khí đa phân tử
Nên tỉ nhiệt của nó phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Có sự lọt khí qua khe hở giữa séc măng và xy lanh.
Có sự nạp thêm do xú páp nạp đóng muộn.
Có sự trao đổi nhiệt giữa MCCT và vách xylanh và ngược lại.
Có sự bốc hơi nhiên liệu (động cơ xăng).
Quá trình nén thực tế chấm dứt trước khi piston lên tới điểm chết trên.


Diễn biến quá trình nén:
Tại đầu quá trình nén: Nhiệt độ MCCT < nhiệt độ vách xy lanh: n1 > k1 (n1 là chỉ số mũ đoạn nhiệt của
MCCT)
Tại cuối quá trình nén: Nhiệt độ
p MCCT > nhiệt độ vách xy lanh: n1 < k1

k1 > n1 = f (Q)

c ''

k1 = n1

c
c'

k1 < n1 = f (Q)

d
a

po

a''

0

Vc

Vh
Va

V


Kết luận:
Quá trình nén thực tế của động cơ là một quá trình đa biến với chỉ số nén đa biến n 1 giảm dần từ đầu đến cuối quá

trình. Để đơn giản trong tính toán dùng chỉ số nén đa biến trung bình n 1 = 1,34 ÷1,39 với điều kiện n1 phải đảm bảo
cho các thông số pc, Tc và công nén Ln tính toán được phải sát với các giá trị thu được từ chu trình thực tế.


(1) Tuy nhiên, n1 có thể chọn theo kết quả thực nghiệm sau:
Động cơ xăng:

n1 = 1,35 – 1,39

Động cơ Diesel: n1 = 1,34 – 1,385
Động cơ khí:

n1 = 1,32 – 1,38

(2) Hoặc, Xác định n1 theo phương trình cân bằng nhiệt của quá trình nén:

Qac
b
8,314
n1 −1
= a 'v + Ta (ε
+ 1) −
n1 −1
2
n1 − 1
g ct .M 1 (1 + γ r )Ta (ε )
Khi giả thiết Qac = 0 và n1 = k1.

k1 −1 =

8,314
b
a'v + Ta (ε k1 −1 + 1)
2


Xác định tỉ nhiệt của MCCT theo công thức kinh nghiệm ta có:

b
a + .Ta = 19 ,806 + 0,002095.Ta
2
'
v

Chọn trước một giá trị của k1 trong phạm vi: n 1 = 1,34 ÷ 1,39 thay vào phương trình trên sao cho 02 vế bằng
nhau kết quả ta nhận được n1 = k1.
(3) Hoặc xác định n1 gần đúng nhờ đồ thị khi biết ε và Ta.

Các thông số của quá trình nén:
p c:

n
n
n
paVa 1 = pcVc 1 → pc = pa. ε 1

1
Tc = Ta ε . = Ta .ε n1 −1
ε
n1

Tc:

Coâng neùn:

Lac =

vc

∫

va

p.dv = −

8314g ct M 1 (1 + γ r )
Ta (ε n1 −1 − 1).
n1 − 1