ĐẶT VẤN ĐỀ
NHIỆM VỤ CỦA QUÁ TRÌNH :
Quá trình thay đổi khí có nhiệm vụ là làm cho quá trình công tác
trong động cơ, “Thải sạch khí thải khỏi xilanh và nạp đầy hỗn
hợp hoặc không khí mới vào xilanh động cơ”.
YÊU CẦU LÀM VIỆC:
Hệ thống phải làm việc êm dịu, tin cậy, công chi phí thấp.
Đảm bảo thải sạch và nạp đầy
Các xupap phải kín khít, tránh để lọt khí trong quá trình nén và
giản nở, độ mở phải lớn để dòng khí dễ lưu thông
Các xupap phải đóng mở phải đúng thời điểm quy định .
ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC :
Trong quá trình làm việc, mặt nấm xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn.
Lực khí thể tác dụng trên diện tích mặt nấm xupap có thể lên đến 10.000
đến20.000 N, trong động cơ cường hóa và tăng áp, lực này có thể tăng đến 30.000
N.Hơn nữa mặt nấm xupap luôn luôn va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ biến
dạng. Do xupap trực tiếp tiêp xúc với khí cháy nên xupap còn phải chịu nhiệt độ
rất cao. Nhiệt độ của xupap thải trong động cơ xăng thường đạt 800850 0C, trong
động cơ diezel là 500600 0C. Nhất là trong kỳ thải, nấm và thân xupap phải tiếp
xúc với dòng khí thải có nhiệt độ rất cao, vào khoảng 700900 0C đối với động cơ
diezel còn ở động cơ xăng thì cao hơn 11001200 0C. hơn nữa tốc độ dòng khí thải
rất lớn, mới bắt đầu thải cơ thể đạt được 400600 m/s nên khiến cho xupap nhất
là xupap xả thường dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn.
Ngoài ra trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo axit ăn mòn mặt nấm
xupap. Vì vậy vật liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu
nhiệt tốt, chống được ăn mòn hóa học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải có
nhiệt độ cao.
* ĐỊNH HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ TRÊN
TÌM HIỂU CẤU TẠO HỆ THỐNG TRAO ĐỔI KHÍ .
TÌM HIỂU HẾ THỐNG QUÉT THẢI VÀ HỆ THỐNG ÁP DỤNG
NHIỀU
TÌM HIỂU HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC CÁC CỬA QUÉT VÀ
THẢI
TÌM HIỂU DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH
KẾT LUẬN
GIẢI QUYẾT VẦN ĐỀ
TÌM HIỂU CẤU TẠO HỆ THỐNG TRAO ĐỔI KHÍ :
Trong động cơ hai kỳ, quá trình và nạp đầy môi chất mới vào xilanh chỉ
chiếm khoảng 1200 đến 1500 góc quay trục khuỷu. Quá trình thải trong động cơ
hai kỳ chủ yếu dùng không khí quét có áp suất lớn hơn áp suất khí trời để đẩy
sản vật cháy ra ngoài. Ở quá trình này sẽ xảy ra sự hòa trộn giữa không khí quét
với sản vật cháy, đồng thời cũng có các khu vực chết trong xilanh không có khí
quét tới. Chất lượng các quá trình thải sạch sản vất cháy và nạp đầy môi chất
mới trong động cơ hai kỳ chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống quét
thải.
Theo hướng vận động của dòng khí quét trong động cơ hai kỳ phân
thành hai loại:
+ Hệ thống trao đổi khí quét vòng :
Quét vòng: là hệ thống quét và thải vận hành theo nguyên lý dòng không khí
quét đi đường vòng lúc đầu từ phía dưới men theo thành xilanh đi lên, tới nắp
xilanh dòng khí quay đổi chiều 1800 và đi xuống ngược với chiều cũ. Các cửa
thải và cửa quét của hệ thống quét vòng đều đặt ở phần dưới của xilanh và việc
đóng, mở các cửa này đều do piston đảm nhiệm
GIẢI QUYẾT VẦN ĐỀ
Quét thẳng: dòng khí quét đi theo đường thẳng từ dưới lên, vì vậy hành trình của
nó trong xilanh chỉ bằng một nửa so với quét vòng. Các cơ cấu quét và thải của
hệ thống quét thẳng được đặt ở hai đầu xylanh. Điều khiển đóng mở cửa khí là
do piston hoặc xupáp dùng trục cam.
Ngoài ra hệ thống quét thải của động cơ hai kỳ còn được phân loại như
Dựa vào các cửa khí quanh chu vi có:
Quét vòng quét. đặt ngang: Các cửa thải của hệ thống này được đặt ngang đối diện
với cửa
GIẢI QUYẾT VẦN ĐỀ
Quét vòng đặt hỗn hợp: Là dạng hỗn hợp của các hệ thống quét vòng đặt ngang,
quét vòng đặt một bên, quét vòng đặt xung quanh.
Quét vòng đặt xung quanh: Các cửa thải và cửa quét đều được đặt khắp chu vi
xylanh của động cơ
GIẢI QUYẾT VẦN ĐỀ
Quét vòng đặt hỗn hợp: Là dạng hỗn hợp của các hệ thống quét vòng đặt ngang,
quét vòng đặt một bên, quét vòng đặt xung quanh.
Dựa vào chiều cao tương đối giữa cửa thải và cửa quét dọc theo đường tâm
xylanh trong hệ thống quét có ba trường hợp sau :
Mép cửa thải cao hơn so với cửa quét :
GIẢI QUYẾT VẦN ĐỀ
Hướng tiếp tuyến : đường tâm của các cửa khí là những đường tiếp tuyến của một vòng
tròn có đường kính nhỏ hơn đường xilanh, thường dungc cho cửa quét cảu phương án quét
thẳng
Hướng lệch tâm :đường tâm của các cửa thải hoặc cửa quét tập trung vào tại một vài điểm
lệch tâm so với tâm xilanh nằm bên trong hơặc bên ngoài xi lanh
*TÌM HIỂU CÁC HỆ THỐNG QUÉT THẢI THƯỜNG DÙNG
+ Hệ thống trao đổi khí quét vòng :
Dựa vào dòng khí chuyển động trong xylanh, sơ đồ thay đổi khí được phân ra quét thẳng và
quét vòng. Với phương án quét vòng, dòng khí chuyển động từ cửa quét lên nắp xylanh, sau
đó theo hướng ngược lại từ nắp xylanh xuống cửa xả, các cửa quét và cửa xả người ta
phân ra sơ đồ trao đổi khí quét vòng ngang và quét vòng về một phía.
+ Sơ đồ trao đổi khí quét vòng ngang :
Phương án này dùng cho nhiều loại động cơ, các cửa quét a được bố trí đối diện với các
cửa xả, được chế tạo có góc nghiêng với trục tâm và đường kính xylanh, chiều cao cửa xả
lớn hơn chiều cao cửa quét.
Sơ đồ hệ thống được thể hiện trên hình 7.2:
Khi piston đi xuống, đến cuối hành trình giãn nở, các cửa xả mở, từ thời điểm này đến lúc
mở cửa quét, sản vật cháy tự do xả ra khỏi xylanh. .
Piston tiếp tục đi xuống, và khi đỉnh của nó đi qua mép của cửa quét, khí nạp mới đã được
nén tới áp suất lớn hơn áp suất khí quyển tràn vào xylanh qua cửa quét, đẩy phần khí cháy
còn lại ra khỏi xylanh động cơ, đồng thời nạp đầy không gian công tác của xylanh. Khi
piston đến gần điểm chết dưới, một phần không khí thổi trực tiếp từ cửa quét sang cửa xả,
vì thế chất lượng làm sạch xylanh kém.
Sơ đồ thay đổi khí kiểu này có nhược điểm là : từ lúc đóng cửa quét đến lúc đóng cửa xả
thì một phần không khí bị rò lọt ra ngoài.
Do làm sạch xylanh không hoàn thiện và tổn thất khí nạp, nên đối với hệ thống thay đổi
khí quét vòng ngang, lượng khí sót tăng lên.
Ở động cơ 2 kỳ, quá trình nén bắt đầu khi kết thúc quá trình thay đổi khí. Một phần hành
trình không tham gia vào quá trình nén. Trong quá trình tính toán, phần hành trình tổn thất
được đánh giá bằng tỷ số giữa chiều cao các cửa, sau khi đóng các cửa thì quá trình nén
mới bắt đầu.
+ Sơ đồ trao đổi khí quét vòng ngang có nạp thêm :
Sơ đồ hệ thống được thể hiện trên hình 7.3 :
Các cửa quét và cửa xả được bố trí đối diện nhau, các cửa quét cao hơn các cửa xả. Trong
bình chứa của cửa quét có đặt van lá một chiều. Khi piston dịch chuyển về phía dưới đến
cuối hành trình giản nở, cửa quét mở sớm hơn cửa xả nhưng không có hiện tượng xả sản
vật cháy vào bình chứa nhờ các van một chiều đóng cửa quét.
Khi piston mở cửa xả thì bắt đầu quá trình xả tự do, quá trình này diển ra cho đến lúc áp
suất khí quyển xả thấp hơn áp suất khí trong bình nén. Tính theo góc quay trục khuỷu, thời
gian của thời kỳ này khác nhau phụ thuộc vào tải, tải càng cao thì thời kỳ xả tự do càng
dài.
Ap suất của sản vật cháy giảm đến giá trị PH, các lá van được mở ra và không khí bắt đầu
nạp vào xylanh. Từ thời điểm này đến lúc đóng cửa xả, đồng thời diễn ra các quá trình quét
và xả cưỡng bức.
Sơ đồ này có ưu điểm là :
+Không có thời kỳ tổn thất khí nạp.
+Trước thời điểm đóng cửa xả, áp suất trong xylanh gần bằng áp không khí tăng áp.
Tuy nhiên, bố trí các lá van trước cửa nạp làm kết cấu phức tạp, giảm tính tin
Sơ đồ trao đổi khí quét vòng về một phía :
Sơ đồ hệ thống được thể hiện trên hình:
Ở sơ đồ này, các cửa quét và cửa xả được bố trí về một phía, đường ống xả, bình chứa khí
quét bố trí về một bên, làm giảm chiều rộng động cơ. Các cửa xả được bố cao hơn các cửa
quét.
Khi piston dịch chuyển xuống phía dưới, các cửa xả được mở ra, lúc này diễn ra quá trình
xả tự do. Piston tiếp tục dịch chuyển và mở cửa quét, lúc này diễn ra các quá trình quét và
xả cưỡng bức cho đến khi đóng cửa quét. Độ nghiêng xuống của các cửa quét và độ lõm
của đỉnh piston tạo nên hướng chuyển động của dòng khí về phía đỉnh, sau đó quét dọc lên
nắp xylanh và quay trở lại về cửa xả.
Như vậy không khí nạp qua các cửa quét chuyển động còng theo xylanh. Phần lớn thời gian
của thời kỳ này, không khí nạp vào xylanh đẩy sản vật cháy ra ngoài. Gần cuối thời kỳ
diễn ra sự hòa trộn không khí với khí xả và tổn thất qua cửa xả. Trong các động cơ có sơ
đồ thay đổi khí quét vòng về một phía, chất lượng làm
sạch xylanh tốt hơn ( r = 0,05 0,09 ). Nhưng suất tiêu hao không khí quét không lớn ( ϕa =
1,6 ).
Sau khi đóng các cửa quét, các cửa xả còn mở nên piston dịch chuyển đi lên sẽ gây ra tổn
thất khí nạp. Để rút ngắn thời kỳ này, các cửa quét được chế tạo cao dần từ tâm ra ngoài,
còn các cửa xả thì ngược lại. Phần tổn thất hành trình đối với
sơ đồ này là : s = 0,23 0,26.
+ Hệ thống trao đổi khí quét thẳng :
Dòng không khí chuyển động dọc theo tâm xylanh và đẩy sản vật cháy ra
ngoài, không khí ít hòa trộn với khí cháy. Nhờ trao đổi khí tốt, các động cơ tàu
thủy
2 kỳ quét thẳng có hệ số khí sót thấp ( r = 0,05 0,09 ). Dựa vào kết cấu
của cơ cấu điều khiển xả, sơ đồ hệ thống thay đổi khí quét thẳng được phân ra :
quét thẳng qua xupap và quét thẳng qua cửa.
Sơ đồ trao đổi khí quét thẳng qua xupap : .
Các cửa quét 2 trong tất cả các trường hợp đều nằm phía dưới lót xylanh và bố trí đều
theo chu vi. Nhờ vậy đảm bảo tiết diện lưu thông khi chiều cao các cửa quét không lớn, đồng
thời phân bố đều không khí theo tiết diện ngang của xylanh. Tất cả các cửa sổ được chế tạo
đều nhau về hình dáng và chiều cao.
Phân bố các cửa kiểu tiếp tuyến ( hình cắt AA ) đảm bảo xoáy dòng khí nạp vào
xylanh và chuyển động hình vít từ cửa quét đến cửa xả 1. Vận động xoáy kiểu tiếp tuyến
của không khí được giữ nguyên cho đến cuối hành trình nén sẽ tạo điều kiện hòa trộn môi
chất công tác tốt.
Sản vật cháy từ xylanh xả qua các xupap bố trí ở nắp xylanh. Đối với các đông cơ khác
nhau, số xupap thay đổi từ 1 đến 4. Các xupap được đẫn động bằng trục phối khí thông qua cơ
cấu cam hoặc dẫn động thủy lực.
Khi piston dịch chuyển xuống điểm chết dưới, các xupap xả được mở ra trước, từ thời
điểm này đến thời điểm mở cửa quét diễn ra xả tự do. Trong thời kỳ mở cửa, diễn ra đồng thời
quét xylanh và xả cưỡng bức. Các xupap xả được đóng muộn hơn các cửa quét, nhưng tổn thất
khí nạp không đáng kể, do đó có thể coi kết thúc quá trình trao đổi khí và bắt đầu quá trình nén
tương ứng với thời điểm đóng các cửa quét.
Các động cơ tàu thủy có sơ đồ trao đổi khí quét thẳng qua xupap có tổn thất
hành trình là : s = 1,45 1,55.
+ Sơ đồ trao đổi khí quét thẳng qua cửa :
Sơ đồ hệ thống được thể hiện trên hình 1.8 :
Sơ đồ trao đổi khí kiểu này có cửa xả 1 và cửa quét 2 được bố trí ở 2 phía của xylanh. Một
piston đóng mở cửa xả, một piston đóng mở cửa quét.
Để đảm bảo mở sớm các cửa xả và xả khí tự do thì cơ cấu trục khuỷuthanh truyềnpiston
đóng mở cửa xả được đặt sớm hơn 6 12° góc quay trục khuỷu so với cửa quét, theo chiều
quay của trục khuỷu. Nhờ vây lúc bắt đầu trao đổi khí, các cửa xả mở sớm hơn các cửa quét,
đảm bảo xả tự do.
Cuối thời kỳ thay đổi khí, các cửa quét đóng muộn hơn các cửa xả nên có thể nạp thêm. Các
cửa được bố trí đều xung quanh lót xy lanh, các cửa quét được bố trí theo hướng tiếp tuyến,
đảm bảo vận tốc xoáy lốc dòng khí trong xylanh giống như ở sơ đồ thay đổi khí quét thẳng
qua xupap. Hệ thống này có nhược điểm là kết cấu phức tạp, ứng suất nhiệt của piston đóng
mở cửa xả cao, làm xấu quá trình thay đổi
khí đối với động cơ tự đảo chiều khi làm việc ở hành trình lùi.
Để hướng dòng khí theo hướng xác định khi nạp vào xylanh thì các cửa quét được chế
tạo có góc nghiêng với trục và tâm của nó.
GIẢI QUYẾT VẦN ĐỀ
TÌM HIỂU HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC CÁC CỬA QUÉT VÀ THẢI :
Các cửa quét cần có đủ tiết kiệm lưu thong để đưa không khí quét vào xi lanh.phương
hướng của đường thong trong cửa quét phải giúp không khí quét gạt hết sản vật cháy ra
ngoài và trong điều kiện có thể phải tạo được chuyển động xoáy tiếp tuyến của dòng khí
trong xi lanh để hoàn thiện hình thành hòa khí và nâng cao chất lượng của động cơ. Một số
cửa khí :
Thường dùng các cửa quét hình chữ nhật và hình chữ nhật lệch vì với chiều cao và chiều
rộng như nhau thì tiết kiệm lưu thông của các cửa quét hình chữ nhật sữ lớn nhát.Cửa quét
hình ôvan không có ưu điểm gì nổi bật nên ít dung. Hình tròn được dùng làm cửa quét của
động ơ hai kỳ quét thẳng với đường kính không lớn nên được xếp thành nhiều hang ( 3 4
hàng) và bố trí khắp quanh chu vi xilanh.các cửa hình tròn thường đặt theo hướng tiếp
tuyến (xem hình ), lệch với bán kính trung bình của xilanh một góc α, từ hang dưới đi lên α
tăng dần. Cách làm trên đã tạo chuyển động xoáy tiếp tuyến của khí quýet, cải thiện chất
lượng hình thành hòa khí và quá trình cháy của động cơ, mặt khác òcn tạo lớp đệm ngăn
cách sản phẩm cháy với khí quét.Tuy nhiên khi dung các lỗ tròn nhỏ do tỉ số giữa các chu vi
và diện tích tương đối lơn nên dễ kết keo, kết muội than hơn các loại khác.
Khi chọn kích thước và bố trí các cửa thải thì cần chú ý tăng tổng chiều rộng bằng cách
tăng số lượng cửa khí và giảm chiều rộng phần thịt giữa các cửa.Cách làm trên làm cho khí
quét được phân bố đều, đồng thời giảm được chiều cao, qua đó tránh khí thải lộn và bình
chứa khí quét, tăng chất lượng khí quét.
Trên cơ sở nguyên cứu thực nghiệm sự biến thiên của áp suất trong xy lanh và
diện tích lưu thông của cửa thải f1 và quét fq theo góc quay trục khuỷu b ( hình dưới),
người ta chia quá trình thải quét khí trong động cơ hai kỳ thành ba thời kỳ sau :
1. Thời kỳ thải tự do, bắt đầu từ lúc mở của thải b ( áp suất trong xy lanh pb)
tới lúc không khí quét đi vào xilanh thực hiện quét sản vật cháy N (áp suất trong xy
lanh N bằng áp suất trung bình suốt thời kỳ quét và thải cưỡng bức). Trong thời kỳ
thải tự do áp suất trong xylanh lớn hơn nhiều so với pth (áp suất trung bình trong ống
thải) nên dòng khí thải thoát qua cửa thải với tốc độ lớn.
Từ lúc cảu thải (điểm B ởb) tới lúc mở của quét (điểm H ở h ) với áp suất trong
xylanh H được gọi là giai đoạn thải sớm ( BH hoặc bh). Trong động cơ cao qua cửa
quét qua bình chứa khí quét gây tăng nhiệt độ và làm bẩn khí quét, ngoài ra còn gây ra
tổn thất một phần trị số “ thời gian tiết diện” của cửa quét cho số sản vật chấy trên
trowr lại xilanh giai đoạn đầu thời kỳ quét khí. Trên thực tế không thể tránh hiện
tượng trên trong động cơ cao tốc vì muốn vậy phải mở của thải sớm hơn làm giảm
hành trình có ích và gây mất một phần công suất động cơ. Trong động cơ hai kỳ tàu
thủy và tĩnh tại cỡ lớn thường có van một chiều trong cửa quét, đảm bảo ph <= pk nên
hoàn toàn tránh khải khí thải đi vào bình chứa khí quét
Trong thời kỳ thải tự do (bN hoặc BN) có hai giai đoạn lưu động : trên giới hạn
(BE) với tốc độ dòng khí bằng tốc độ truyền âm và dưới hạn (EN) với tốc độ dòng
khí nhỏ hơn tốc độ truyền âm, phụ thuộc tỉ số (px áp suất trong xylanh, thay đổi
theo ). Tại E : px = pE , nếu đường thải trực tiếp thông với khí trời thì pE ≈ 0,2 MPa.
2. Thời kỳ thứ hai – thải cưỡng bức và quét khí. Trong thời kỳ này các cơ cấu
thải và quét đều mở và đồng thời xảy ra hai quá trình có quan hệ mật thiết với nhau :
khí quét từ bình chứa đi vào xylanh và sản vật cháy bị không khí quét đẩy ra đường
thải.
Thời kỳ thải cưỡng bức và quét khí bắt đầu lúc khí quét đi vào xilanh ( giả
thiết tại N – N, hình bên) và kết thúc tại điểm đóng kín cửa quét ( điểm D và d ,hình a
và b) hoặc điểm đóng kín cơ cấu thải ( điểm A1 và a1 hình a và c) tùy theo cơ cấu nào
đóng trước.
Đầu thời kỳ này, mặc dầu khí quét đã bắt đầu vào xilanh nhưng do ảnh hưởng
hút của dòng khí qua cửa thải, nên áp suất x vẫn tiếp tục giảm, với động cơ cao tốcx
có thể xuống thấp hơn áp suất khí trời po (điểm K trên hình a). tiếp theo fq mở rộng
hơn, làm tăng lưu lượng khí quét và tăng px tới pN rồi quá pN sau đó dao dộng quanh
giá trị pN với biên độ ngày một giảm.
Trong thời kỳ hai có khoảng 3050% sản vật cháy bị đẩy ra ngoài. Nếu là hệ
thống quét thẳng thì số khí quét đi vào đầu tiên sẽ tạo nên lớp điệm ngăn sản vật cháy
với khí khối khí quét để sản vật cháy qua ống thải, nếu quét vòng thì khí quét và sản
vật cháy thường hòa trộn với nhau và một phần lưư lại trong xilanh còn một phần đi
qua đường thải.
Trong thời kỳ hai có khoảng 3050% sản vật cháy bị đẩy ra ngoài. Nếu là hệ
thống quét thẳng thì số khí quét đi vào đầu tiên sẽ tạo nên lớp điệm ngăn sản vật cháy
với khí khối khí quét để sản vật cháy qua ống thải, nếu quét vòng thì khí quét và sản
vật cháy thường hòa trộn với nhau và một phần lưư lại trong xilanh còn một phần đi
qua đường thải.
BHH1 - trị số “ thời gian thiết diện hình học “ của
giai đoạn thải sớm,
NN2MD - trị số “ thời gian thiết diện hình học “ thời
kỳ quét khí,
BNN1 - trị số “ thời gian thiết diện hình học “ thời kỳ
thải tự do,
NN1CD1D và NN1CA1- trị số “ thời gian thiết diện
hình học “ thời kỳ thải cưỡng bức,
DA2D1 - trị số “ thời gian thiết diện hình học “ của
thời kỳ lọt khí,
A1DA3 - trị số “ thời gian thiết diện hình học “ của thời kỳ nạp thêm,
KẾT LUẬN
Như vậy chúng ta đã tìm hiểu gần như cụ thể về quá trình thay đổi khí trong
động cơ hai kỳ.Để đảm bảo được sự hoạt động tốt thì cần phải tìm hiểu cụ thể
chức năng nhiệm vụ và cấu tạo của động cơ từ đó rút ra cánh hoạt động để làm
cho động cơ chạy một cách tốt nhất, ít tốn nhiên liệu khi hoạt động với công
suất cao, chịu được nhiết độ lớn và nhiếu tính nang có lợi khác.
Ngoài ra ta cần chú ý làm động cơ hai kỳ để phát huy ưu điểm nhiều nhất :
Chọn cửa quét thẳng là tốt nhất để làm ít sản vật cháy vòng lại qua cửa quét.
Chọn kiểu cửa quét phải là cửa hình chữ nhật không nen dung ô van để tận dụng
quá trinh nạp và thải khí tốt nhất.
Phải thiết kế cửa quét làm sao để quá trình quét tự do sẽ không còn khí bẩn vào
trong cửa quét.
Chú ý đến hiệu suất làm ảnh hưởng đến quá trình thay đổi khí :
Phương thúc (hệ thống) quét thải .
Áp suất khí quét.
Tỉ số hành trình.
Tốc độ động cơ và hệ thống đường ống quét, thải.