Đề cương môn học lý thuyết động cơ đốt trong - Chương VIII: Đặc tính động cơ

Nội dung text: Đề cương môn học lý thuyết động cơ đốt trong - Chương VIII: Đặc tính động cơ

1. Ch−ơng VIII. Đặc tính động cơ 8.1 Chế độ làm việc và các đặc tính của động cơ đốt trong 8.1.1 Chế độ làm việc Chế độ làm việc của động cơ đ−ợc thể hiện bằng tổ hợp các thông số làm việc của nó nh− công suất N e hay mô men M e và tốc độ vòng quay n. Trong miền làm việc của động cơ, tốc độ n thay đổi từ n ứng với giới hạn ổn định của min động cơ đến n max ứng với giới hạn ứng suất cơ, ứng suất nhiệt và diễn biến bình th−ờng của chu trình công tác. Tại mỗi vị trí n = const trong miền làm Hình 8-1. Chế độ làm việc ổn định việc, công suất N e của động cơ thay đổi từ 0 của cụm động cơ- máy công tác (chế độ không tải) đến N max tại tốc độ vòng quay đó. Chế độ làm việc đ−ợc coi là ổn định khi các thông số làm việc nh− M e, n không đổi trong thời gian khảo sát. Khi đó mô men của động cơ cân bằng với mô men cản của máy công tác M e = M c, hình 8-1. Chế độ làm việc của cụm thiết bị động cơ - máy công tác ổn định khi: (d M − M ) e c < 0 (8-1) dn và càng ổn định khi vế trái của (8-1) càng âm tức là độ dốc tại điểm cắt nhau của hai đ−ờng mô men càng lớn. Chế độ làm việc có các thông số làm việc thay đổi trong thời gian khảo sát gọi là chế độ làm việc không ổn định , ví dụ khi động cơ khởi động, tắt máy hay tăng giảm tốc độ Trong ch−ơng này chúng ta chỉ khảo sát các chế độ làm việc ổn định của động cơ trong miền làm việc của nó khi kéo máy công tác cụ thể. Do đặc tính của các máy công tác khác nhau nên miền làm việc của cụm động cơ- máy công tác cũng khác nhau. • Đối với động cơ tàu thuỷ , khi động cơ Hình 8-2. Chế độ làm việc của động dẫn động trực tiếp chân vịt, hình 8-2, công cơ dẫn động trực tiếp chân vịt suất cản của chân vịt thông th−ờng phụ thuộc bậc 3 vào tốc độ vòng quay. 3 Nc = kn (8-2) 93
2. Miền làm việc của động cơ- máy công tác nằm trên đ−ờng đặc tính cản (8-2). Các đ−ờng 1, 2 và 3 t−ơng ứng với các vị trí khác nhau của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu. Tốc độ động cơ thay đổi từ n min đến nmax . • Động cơ kéo máy phát điện đòi hỏi n = const. Chức năng này do điều tốc (một chế độ) đảm nhận. Miền làm việc của động cơ - máy phát nằm trên đ−ờng AB, hình 8-3. Tại A ứng với chế độ định mức N e = N đm và tại B ứng với chế độ không tải N = 0. Hình 8-3. Chế độ làm việc của động cơ e kéo máy phát điện • Động cơ trên các ph−ơng tiện cơ giới nh− ô-tô, xe máy, máy kéo công suất và tốc độ động cơ thay đổi trong một phạm vi rất rộng. Miền làm việc của cụm thiết bị, hình 8-4, nằm là diện tích giới hạn bởi đ−ờng công suất lớn nhất ứng với vị trí cực đại của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu (đó là đặc tính ngoài sử dụng, xem 8.2.1.2) và các đ−ờng giới hạn n min và n max . 8.1.2 Các loại đặc tính động cơ đốt trong Quan hệ giữa các thông số làm việc của động cơ nh− M e, N e, n, g e, G nl trong miền làm việc gọi là đặc tính của động cơ. Đặc tính của động cơ đ−ợc xây dựng bằng thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ để có thể thay đổi dễ dàng chế độ làm việc của động cơ nh− tốc độ vòng quay, vị trí cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn v.v Hình 8-4. Chế độ làm việc của động cơ Trên cơ sở đặc tính có thể đánh giá các chỉ trên các ph−ơng tiện cơ giới tiêu của động cơ trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Động cơ đốt trong có các loại đặc tính sau: • Đặc tính tốc độ: với tốc độ vòng quay n là biến số. • Đặc tính chân vịt: là đặc tính tốc độ khi động cơ dẫn động chân vịt tàu thuỷ • Đặc tính tải: với công suất động cơ N e (hay p e) là biến số khi n = const • Đặc tính tổng hợp: đặc tính của nhiều biến số • Đặc tính điều chỉnh • Đặc tính không tải • Đặc tính điều tốc 8.1.3 Cơ sở phân tích đặc tính động cơ 94
3. Tr−ớc khi khảo sát các đặc tính nêu trên, ta hgy tìm hiểu cơ sở chung để giải thích và phân tích các đặc tính. Cụ thể, hgy tìm các công thức xác định các thông số kinh tế, kỹ thuật của động cơ nh− p e, M e, N e, g e, và G nl . Qua đó tìm đ−ợc các biến số chung để khảo sát tiến tới xây dựng và phân tích đặc tính. 8.1.3.1 Theo l−ợng hỗn hợp nạp vào xy lanh Ta bắt đầu từ công thức: Li pe = piηm = ηm (8-3) Vh với L i = g ct QHηi (8-4) 8314 MhTk và Vh = gct (8-5) pk trong đó g ct là l−ợng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình (kg/chu trình). Từ định nghĩa hệ số nạp ta có: M1 Mh = ηv 1 Bỏ qua trong thành phần khí nạp mới M 1 trong tr−ờng hợp động cơ xăng, ta có ànl thể viết tổng quát cho cả động cơ diesel và xăng: M1 = λM0 T v 1 và l−u ý từ ph−ơng trình trạng thái: k = k = , cuối cùng ta đ−ợc: pk R Rρk 8314 λM0 Vh = gct (8-6) ηvRρk Thay (8-4) và (8-6) vào (8-3): QHRρk ηi ηi pe = ηvηm = k1 ηvηm (8-7) 8314 M0 λ λ Để tìm công suất N e ta sử dụng công thức sau: p V in η N = e h = k i η η n (8-8) e 30 τ 2 λ v m Mô men M e đ−ợc xác định từ N e: η k i η η n N N 2 v m M = e = e = λ = k p (8-9) e ω πn πn 3 e 30 30 95
4. Nh− vậy, p e và M e chỉ khác nhau về tỷ lệ xích nên ta chỉ cần xác định 1 đại l−ợng là đủ. Ta qui −ớc sau đây chỉ xét M e. Suất tiêu thụ nhiên liệu g e đ−ợc xác định theo công thức: 1 1 k4 ge = = = (8-10) QHηe QHηiηm ηiηm Tốc độ tiêu thụ (l−u l−ợng) nhiên liệu G nl xác định theo định nghĩa g e: k4 ηi ηv G nl = ge Ne = k. 2 ηvηmn = k5 n (8-11) ηiηm λ λ Các hệ số k 1, k 2, k 3, k 4 và k 5 trong các công thức từ (8-7) đến (8-11) là các hằng số. η Nh− vậy các biến số chung khi khảo sát các đặc tính động cơ là i , η và η . λ v m Hiệu suất cơ khí còn có thể xác định theo công thức sau: p p p η = 1 − m = 1 − m = 1 − m (8-12) m p η pi e i k1 ηv ηm λ 8.1.3.2 Theo l−ợng nhiên liệu chu trình Từ định nghĩa hệ số d− l−ợng không khí λ (3-19): L η V ρ λ = thay L = v h k ta đ−ợc: L0 gct η V ρ λ = v h k . Từ đây rút ra: gct L0 ηv gct L0 = = kg ct (8-13) λ Vhρk với k là một hằng số. Thay (8-13) lần l−ợt vào (8-7), (8-8), (8-11) và (8-12) ta đ−ợc: pe = k1′gct ηiηm (8-14) Ne = k′2gct ηiηmn (8-15) G nl = k′5gct n (8-16) pm ηm = 1 − (8-17) k1′gct ηi Trong đó k1′, k′2 , k′5 là các hằng số. Các công thức xây dựng đ−ợc trong mục 8.1.3.1 và 8.1.3.2 về nguyên tắc đúng cho mọi loại động cơ. Tuy nhiên, đối với những động cơ điều chỉnh tải bằng điều chỉnh l−ợng hỗn hợp thông qua van tiết l−u nh− động cơ xăng và động cơ khí thì nên dùng các công thức phụ thuộc vào l−ợng hỗn hợp nạp từ (8-7) đến (8-12). Còn đối với động cơ diesel là 96
5. động cơ điều chỉnh tải bằng điều chỉnh l−ợng nhiên liệu phun vào xy lanh thì nên dùng các công thức từ (8-14) đến (8-17). 8.2 Đặc tính tốc độ Đặc tính tốc độ là đặc tính p e (M e) N e, g e và G nl phụ thuộc vào tốc độ vòng quay n với những điều kiện nhất định về vị trí của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu. Những điều kiện đó sẽ đ−ợc trình bày khi khảo sát từng đặc tính tốc độ cụ thể. 8.2.1 Các đặc tính tốc độ Có thể chia đặc tính tốc độ thành hai loại chính là đặc tính ngoài và đặc tính bộ phận. Ngoài ra, động cơ diesel còn có một số đặc tính đặc thù. 8.2.1.1 Đặc tính ngoài Đặc tính ngoài là đặc tính tốc độ ứng với vị trí cung cấp nhiên liệu cực đại (để động cơ phát ra công suất lớn nhất). Đặc tính ngoài có các dạng sau. a. Đặc tính ngoài tuyệt đối Là đặc tính tốc độ với công suất có ích N e luôn đạt giá trị giới hạn lớn nhất mà động cơ có thể đạt đ−ợc ứng với mỗi chế độ tốc độ n. Điều kiện xác lập đặc tính ngoài tuyệt đối nh− sau. Từ (8-7) và (8-12) ta có:     η p p = k i η  1 − m  (8-18) e 1 v  η  λ  k i η   1 λ v  Tại mỗi n xác định, N e đạt max khi p e max. Khi đó, theo (8-13) thì phải thoả mgn ηi đồng thời các điều kiện , ηv max λ và p m min. Sau đây ta sẽ phân tích những điều kiện này một cách chi tiết hơn. • ηηη max v Để đạt hệ số nạp lớn nhất có thể, động cơ phải có pha phối khí tốt nhất tại mọi tốc độ vòng quay n. Hiện nay đg có một số hgng ô-tô nh− BMW hay TOYOTA đg sử dụng cơ cấu phối khí thay đổi pha phối khí tuỳ thuộc chế độ tốc độ của động cơ. Ngoài ra, đối với động cơ xăng, để đạt điều kiện này thì van tiết l−u phải mở hoàn toàn. η ηi • i max Hình 8-5. Các giá trị λ ứng với max λ λ 97
6. η Sự phụ thuộc của η và i vào λ đ−ợc trình bày kỹ hơn ở mục 8.6.1. D−ới đây chỉ i λ trình bày tóm tắt các quan hệ này. - Động cơ xăng thông th−ờng (trừ động cơ phun xăng trực tiếp GDI) hình thành hỗn hợp bên ngoài xy lanh có hỗn hợp đồng nhất với giới hạn cháy hẹp, hình 8-5. Quá trình cháy đ−ợc coi là kinh tế nhất khi ηi đạt max với hệ số d− l−ợng không khí λ = 1,15 ữ η 1,20. Trên cơ sở η = f( λ) ng−ời ta tìm đ−ợc i max với λ = 0,80 ữ 0,90. i λ - Động cơ diesel có hỗn hợp không đồng nhất với λ trong một giới hạn rất rộng η (0,4-0,5 đến 10), hình 8-5, η đạt max tại λ = 3,5 - 4 và i max tại λ = 1,05 - 1,10. i λ Các giá trị λ nêu trên chính là các giá trị yêu cầu đối với hệ thống cung cấp nhiên η liệu của động cơ để đạt i max. λ • pm min Các bề mặt ma sát của động cơ phải đ−ợc chế tạo sao cho ma sát là nhỏ nhất và chế độ bôi trơn tốt nhất. • Các yếu tố khác Góc đánh lửa sớm hay góc phun sớm, nhiệt độ n−ớc làm mát đạt giá trị tối −u. Từ phân tích nêu trên ta đi đến nhận xét sau đây. Đặc tính ngoài tuyệt đối đối với động cơ xăng là đặc tính có thể gặp trong thực tế vì nếu thoả mgn các điều kiện nói trên, động cơ vẫn làm việc bình th−ờng. Ng−ợc lại, đối với động cơ diesel, khi λ = 1.05-1,10 trong khí thải có quá nhiều khói đen vì khói đen bắt đầu xuất hiện rõ rệt ngay khi λ = 1,3 ữ 1,5 tuỳ loại động cơ. Về nguyên tắc, động cơ không đ−ợc phép làm việc trong vùng có khói đen. Vì vậy, đặc tính ngoài tuyệt đối của động cơ diesel không có ý nghĩa đối với thực tế sử dụng. Về thực chất, đặc tính ngoài tuyệt đối là đặc tính giới hạn những chế độ làm việc có thể có của động cơ. b. Đặc tính ngoài sử dụng Đặc tính ngoài sử dụng là đặc tính tốc độ của động cơ trong điều kiện sử dụng khi cơ cấu điều khiển nhiên liệu ở vị trí sao cho động cơ phát ra công suất định mức N eđm ứng với tốc độ vòng quay định mức n đm . Trong quá trình lấy đặc tính, cơ cấu điều khiển nhiên liệu luôn ở vị trí giới hạn lớn nhất. Các thông số không nhất thiết phải đạt tối −u tại mọi tốc độ vòng quay n nh− ở đặc tính ngoài. Riêng với động cơ diesel, λ ≥ 1,3 ữ 1,5 (tuỳ từng loại động cơ) để bảo đảm không phát thải khói đen. Vậy đặc tính ngoài sử dụng là đặc tính giới hạn các chế độ làm việc bình th−ờng trong thực tế sử dụng của động cơ, từ đây về sau ta gọi vắn tắt là đặc tính ngoài. Đây là đặc tính quan trọng nhất của động cơ. Thông th−ờng, nhà chế tạo động cơ cho đặc tính ngoài trong các tài liệu kỹ thuật đi kèm theo động cơ ở dạng đồ thị p e(Me), N e và g e = f(n). 98
7. 8.2.1.2 Đặc tính bộ phận Đặc tính bộ phận là đặc tính tốc độ ứng với các vị trí trung gian của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu. Các điều kiện khác khi xác lập đặc tính cũng giống nh− đối với đặc tính ngoài sử dụng. Nh− vậy sẽ có vô số đặc tính bộ phận. 8.2.1.3 Các đặc tính tốc độ đặc thù của động cơ diesel Ngoài những đặc tính nêu trên, trong động cơ diesel còn có một số đặc tính tốc độ đặc biệt sau đây. a. Đặc tính giới hạn khói đen Là đặc tính tốc độ khi cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên nhiên liệu ở vị trí ứng với bắt đầu xuất hiện khói đen tại mọi tốc độ vòng quay n. Nh− vậy, cơ cấu điều khiển nhiên liệu không cố định trong quá trình xây dựng đặc tính. Điều kiện xác lập đặc tính nh− đối với Hình 8-6. Các loại đặc tính tốc độ đặc tính ngoài tuyệt đối, chỉ khác điều kiện về λ. Cụ thể là λ = λkhói đen . Trong thực tế động cơ không đ−ợc phép làm việc với đặc tính khói đen. Đặc tính khói đen vì vậy chỉ có ý nghĩa là đặc tính giới hạn về λ của động cơ diesel. Đặc tính ngoài càng bám sát đặc tính khói đen thì càng tận dụng đ−ợc khả năng nâng cao tính hiệu quả (p e) của động cơ. b. Đặc tính giới hạn bơm cao áp Là đặc tính tốc độ khi cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên nhiên liệu ở vị trí cực đại và không bị hạn chế. Nh− vậy, động cơ đ−ợc cung cấp l−ợng nhiên liệu chu trình với khả năng lớn nhất của hệ thống cung cấp nhiên liệu. Thông th−ờng khi đó đặc tính của động cơ v−ợt quá giới hạn khói đen. Nh− vậy, đặc tính giới hạn bơm cao áp cho ta biết khả năng quá tải về công suất và mô men ở từng chế độ tốc độ của động cơ. Các loại đặc tính tốc độ đ−ợc thể hiện tổng hợp trên hình 8-6. Sau đây ta sẽ khảo sát tỷ mỷ các đặc tính tốc độ chủ yếu là đặc tính ngoài và đặc tính cục bộ cho động cơ xăng và động cơ diesel. 8.2.2 Đặc tính tốc độ động cơ xăng Hình 8-7. Các biến số thay đổi theo n 8.2.2.1 Đặc tính ngoài trên đặc tính ngoài động cơ xăng 99
8. Khi lấy đặc tính ngoài, van tiết l−u hỗn hợp mở hoàn toàn. Để thay đổi tốc độ động cơ phải thay đổi sức cản của băng thử. Khi tăng tốc độ vòng quay n, các biến số chung trong các ph−ơng trình từ (8-7) đến (8-12) thay đổi cụ thể nh− sau. • λ: Hệ số d− l−ợng không khí thay đổi ít vì động cơ xăng chủ yếu dùng ph−ơng pháp điều chỉnh l−ợng để điều chỉnh tải. • ηi: Do c−ờng độ rối của môi chất tăng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cháy η nên tăng một chút. Vì vậy có thể coi i ít thay đổi. λ • ηv: Hệ số nạp đạt giá trị lớn nhất t−ơng ứng với pha phối khí tối −u (xem 4.1.3.8). • ηm: xác định theo (8-12) với p m tăng bậc nhất theo n (xem 5.2.1). Dạng của ηm sẽ có dạng của ηv nh−ng cực đại chuyển dịch về bên trái. Toàn bộ những biến số trên đ−ợc thể hiện trên hình 8-7. Trên cơ sở đó ta có thể phán đoán và phân tích hình dạng cụ thể của các đặc tính nh− sau. • M e: theo (8-9) và (8-7), M e sẽ có dạng của ηv và ηm với cực đại nằm trung gian giữa hai cực đại của chúng, hình 8- 8. M e đạt max tại n M. Gọi: M k = e max (8-19) Medm gọi là hệ số thích ứng và: n k = M (8-20) c n dm là hệ số tốc độ. Nhánh phải của đ−ờng mô men càng dốc thì hệ số thích ứng càng lớn, tính ổn định của động cơ khi kéo máy Hình 8-8. Đặc tính ngoài động cơ xăng công tác càng cao. Hệ số thích ứng của động cơ xăng khá lớn nằm trong khoảng 1,4 ữ 1,45 nên tính ổn định rất cao nên nói chung không cần bộ điều tốc trong dải tốc độ làm việc hoặc chỉ cần điều tốc hai chế độ cho các chế độ biên n min và n max mà thôi (xem mục 8.8). Hệ số tốc độ cho ta biết vùng làm việc ổn định của động cơ. Hệ số tốc độ càng nhỏ thì vùng tốc độ làm việc càng rộng, điều khiển càng dễ dàng; ví dụ, nếu dùng trên các ph−ơng tiện vận tải thì hộp số chỉ cần ít cấp thôi. Động cơ xăng có k c = 0,45 ữ 0,55. 100
9. • N e: Từ M e ta có thể dễ dàng xây dựng đ−ợc đặc tính N e = kM en với k là hằng số, hình 8-8, đạt max tại n N và tại điểm trên đ−ờng N e ứng với n M ta có N tg α = e = kM nên tại đó α đạt max. n e max η Hình 8-10. i trên đặc tính bộ phận? Hình 8-9. Hệ số nạp trên đặc tính bộ λ phận? động cơ xăng động cơ xăng • g e: xác định theo (8-10). Ban đầu tích ηiηm tăng nên g e giảm, đạt min tại n ge sau đó tăng vì tích ηiηm giảm do ηm giảm nhanh hơn, hình 8-8. η • G : xác định theo (8-11) có dạng quyết định bởi v , hình 8-8. nl λ 8.2.2.2 Đặc tính bộ phận Từ đặc tính ngoài giảm tải để chuyển về chế độ tải bộ phận phải đóng nhỏ dần van tiết l−u. Tại mỗi một tốc độ vòng quay xác định, các biến số thay đổi nh− sau. • ηv: giảm rất nhanh khi càng đóng nhỏ van tiết l−u, hình 8-9. Đ−ờng 1 là đ−ờng đặc tính ngoài ứng với toàn tải, đ−ờng 2 ứng với tải trung bình, đ−ờng 3 ứng với tải nhỏ. Các đ−ờng đều hội tụ về một điểm chung trên trục tung, vì khi tốc độ n bằng không thì tiết l−u không còn tác dụng nữa. Hình 8-11. ηm trên đặc tính bộ phận? η • i : do γ tăng nhanh khi đóng dần động cơ xăng λ r η van tiết l−u nên η giảm, trong khi λ thay đổi ít nên i giảm, hình 8-10. i λ η • η : xác định theo (8-12). Khi đóng dần van tiết l−u, p tăng, i và η giảm nên n m m λ v m cũng giảm và càng giảm nhanh khi tải càng nhỏ, hình 8-11. 101
10. Trên cơ sở phân tích trên, diễn biến các đặc tính bộ phận của động cơ xăng cụ thể nh− sau. • M e: xác định theo (8-7) và (8-9). Mô men M e giảm nhanh khi càng đóng nhỏ van tiết l−u nên các đ−ờng mô men càng dốc, chế độ làm việc càng ổn định, hình 8-12. • N e: xây dựng từ M e, hình 8-13. Hình 8-12. Đặc tính bộ phận Hình 8-13. Đặc tính bộ phận động cơ xăng M e động cơ xăng N e • g e: xác định theo (8-10). Do ηi giảm và ηm giảm nhanh khi càng đóng nhỏ van tiết l−u nên các đặc tính bộ phận cao lên và có độ võng càng lớn, hình 8-14. • G nl : xác định theo (8-11). Do λ thay đổi ít nh−ng ηv giảm nhanh khi giảm tải nên các đ−ờng bộ phận càng hạ xuống d−ới so với đặc tính ngoài (đ−ờng 1), hình 8-15. Hình 8-14. Đặc tính bộ phận Hình 8-15. Đặc tính bộ phận động cơ xăng g e động cơ xăng G nl 8.2.3 Đặc tính tốc độ động cơ diesel 8.2.2.1 Đặc tính ngoài 102
11. T−ơng tự nh− ở động cơ xăng, khi lấy đặc tính ngoài thì cơ cấu điều khiển nhiên liệu đ−ợc cố định ở vị trí giới hạn lớn nhất và thay đổi tốc độ vòng quay bằng cách điều chỉnh sức cản của băng thử. Khi tăng tốc độ vòng quay n, các biến số đặc tính trong các ph−ơng trình (8-14) đến (8-17) thay đổi nh− sau, hình 8-16. • g ct : Xét một ví dụ là bơm cao áp kiểu Bosch - loại bơm hiện còn đang sử dụng khá phổ biến cho động cơ diesel - nếu không có kết cấu đặc biệt thì g ct có đặc tính th−ờng tăng một chút theo tốc độ vòng quay do ảnh h−ởng của tiết l−u, mặc dù cơ cấu điều khiển nhiên liệu ở vị trí cố định (xem giáo trình Hệ thống nhiên liệu và tự động điều chỉnh). Hình 8-17. Đặc tính ngoài động cơ Hình 8-16. Các biến số trên đặc tính diesel ngoài động cơ diesel • ηi: Khi tăng tốc độ vòng quay (trong vùng làm việc của động cơ n min - n max ) thì chuyển động rối của môi chất trong quá trình nén và hình thành hỗn hợp tăng lên, đồng thời nhiệt mất mát trong quá trình nén giảm. Tất cả những ảnh h−ởng đó dẫn tới quá trình cháy đ−ợc cải thiện nên ηi tăng một chút. Tuy nhiên tốc độ tăng ηi giảm dần vì thời gian giành cho quá trình hình thành hỗn hợp và cháy giảm, cháy rớt tăng nên hiệu quả sinh công giảm dần. p • η : T−ơng tự nh− η theo công thức (8-12) η = 1 − m áp dụng cho động m m m η k i η 1 λ v pm cơ xăng đg xét ở mục 8.2.2.1, nay ta dùng công thức (8-17) ηm = 1 − áp dụng cho k1′gct ηi η động cơ diesel. So sánh hai tr−ờng hợp ta có thể thấy i và η có vai trò t−ơng tự nh− λ i nhau vì cùng thay đổi ít. Sự khác biệt chính là ở ηv và g ct : trong khi ηv tăng rồi đạt cực đại ở tốc độ vòng quay ứng với góc phối khí tốt nhất rồi giảm đáng kể (xem 4.1.3.8) thì g ct lại có thể tăng một chút theo tốc độ vòng quay. Vì vậy, đặc tính của ηm của động cơ diesel thoải hơn của động cơ xăng. Từ đó ta đi xây dựng và phân tích đặc tính ngoài của động cơ diesel nh− sau. 103
12. • M e: Theo công thức (8-14) và (8- 9), M e ban đầu tăng do cả g ct , ηi và ηm đều tăng, sau khi đạt cực đại thì giảm dần do ηm giảm nh−ng chậm hơn so với Me của động cơ xăng chủ yếu do ηm thoải hơn, hình 8-17. Hệ số thích ứng k theo công thức (8-19) do đó nhỏ hơn, chỉ khoảng 1,10-1,15 nên tính ổn định của động cơ với máy công tác kém hơn. Còn hệ số tốc độ tính theo công thức (8-20) nằm trong khoảng 0,55 - 0,70 tức là vùng làm việc ổn định cũng hẹp hơn. • N e: Theo công thức (8-15) ta dễ Hình 8-18. gct trên đặc tính bộ phận? động dàng suy ra dạng của N e. Do M e rất thoải cơ diesel nên N e tăng nhanh trong vùng tốc độ làm việc tức là không đạt cực đại tại đây mà 1: Toàn tải, 2: Tải trung bình, 3: Tải nhỏ trong vùng khói đen cách khá xa tốc độ nđm , hình 8-17. • g e: Theo công thức (8-10) g e cũng có dạng giống nh− ở động cơ xăng, tuy nhiên ít võng hơn (thoải hơn) chủ yếu vì ηm thoải hơn, hình 8-17. • G nl : Theo công thức (8-16) ta có thể dễ dàng xác định đ−ợc dạng của G nl , hình 8- 17. 8.2.2.2 Đặc tính bộ phận Từ chế độ toàn tải (đặc tính ngoài) giảm tải để chuyển về chế độ tải bộ phận phải dịch chuyển cơ cấu điều khiển nhiên liệu về vị trí giảm cung cấp nhiên liệu và giữ cố định ứng với mỗi đặc tính bộ phận. Tại mỗi một tốc độ vòng quay xác định, các biến số thay đổi nh− sau. • g ct : Dạng của g ct giống nh− ở đặc tính ngoài nh−ng giảm khi giảm tải, hình 8-18. • ηi: Khi giảm tải, hệ số d− l−ợng không khí λ tăng (vì g ct giảm). Theo đặc tính ηi(λ), hình 8-5, thì ηi tăng một chút rồi giảm nh−ng thay đổi không nhiều. • ηm: Theo công thức (8-17) pm ηm = 1 − thì khi giảm tải g ct k1′gct ηi giảm là nhân tố quyết định làm giảm ηm nh−ng giữ dạng giống đặc tính ngoài, Hình 8-19. ηm trên đặc tính bộ phận? động hình 8-19. cơ diesel Trên cơ sở đó ta đi xây dựng và 1: Toàn tải, 2: Tải trung bình, 3: Tải nhỏ phân tích đặc tính bộ phận của động cơ 104
13. diesel nh− sau. • M e: Theo công thức (8-14) và (8-9) thì M e giảm khi giảm tải chủ yếu do g ct và ηm giảm còn ηi thay đổi ít. Ngoài ra, do dạng của g ct và ηm khi thay đổi tải giống nhau nên dạng M e ở đặc tính bộ phận giống dạng M e ở đặc tính ngoài, hình 8-20. Nói cách khác, đặc tính bộ phận M e của động cơ diesel đều rất thoải nên tính ổn định với máy công tác kém ở mọi chế độ tải trọng. Vì vậy động cơ diesel phải có điều tốc để giữ ổn định tốc độ vòng quay n. • N e: Theo công thức (8-15) có thể dễ dàng suy ra dạng của N e. Do M e ở chế độ bộ phận cũng rất thoải nên N e đều tăng nhanh trong vùng tốc độ làm việc và cực đại trong vùng khói đen cách khá xa tốc độ n đm , hình 8-21. Hình 8-20. Đặc tính bộ phận? M e Hình 8-21. Đặc tính bộ phận? N e động cơ diesel động cơ diesel 1: Toàn tải, 2: Tải trung bình, 3: Tải nhỏ • g e: Theo công thức (8-10) g e ở chế độ bộ phận nhỏ lớn hơn so với ở chế độ đặc tính ngoài vì ηi thay đổi ít và ηm giảm. Dạng của g e cũng giống với đặc tính ngoài, hình 8- 22. Cần l−u ý là khi giảm tải từ toàn tải, λ tăng và ban đầu ηi tăng một chút, hình 8-5, nên có một vị trí cơ cấu điều khiển nhiên liệu t−ơng ứng với tải nhỏ hơn toàn tải một chút mà tại đó tích ηiηm max nên g e thực sự nhỏ nhất, đ−ờng 1’ trên hình 8-22. Hình 8-22. Đặc tính bộ phận? g e Hình 8-23. Đặc tính bộ phận? G nl động cơ diesel động cơ diesel 1: Toàn tải, 2: Tải trung bình, 3: Tải nhỏ, 1’: Tải ứng với g e nhỏ nhất 105
14. • G nl : Theo công thức (8-16) có thể dễ dàng xác định đặc tính của G nl , hình 8-23. 8.3 Đặc tính chân vịt 8.3.1 Khái niệm chung Đặc tính chân vịt của động cơ là đặc tính tốc độ khi động cơ kéo chân vịt tàu thuỷ, bao gồm các đặc tính N e, M e, g e và G nl phụ thuộc vào tốc độ vòng quay n. Khi động cơ kéo chân vịt ở chế độ ổn định, công suất của động cơ cân bằng với công suất cản của chân vịt. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, khi chân vịt quay trong n−ớc, công suất cản của chân vịt có thể coi là một hàm bậc ba của tốc độ chân vịt: 3 Nc = kn = N e (8-21) với k là một hằng số. Chế độ làm việc của động cơ với chân vịt khi đó là các điểm cắt nhau giữa các đ−ờng đặc tính công suất động cơ và công suất cản của chân vịt, hình 8-24. Tập hợp các điểm làm việc của hệ thống động cơ - chân vịt nằm trên đ−ờng công suất cản theo công thức (8-21). Để thay đổi tốc độ của hệ thống (nhằm thay đổi tốc độ của tàu) phải thay đổi vị trí của cơ cấu điều khiển nhiên liệu. Nh− vậy, trừ ở tốc độ định mức động cơ làm việc ở 1 điểm trên đặc tính ngoài (đ−ờng 1), còn lại động cơ đều làm việc ở đặc tính bộ phận (các Hình 8-24. Chế độ làm việc của động cơ đ−ờng 2, 3) với tính kinh tế không cao kéo chân vịt (suất tiêu hao nhiên liệu lớn), hình 8-14 và hình 8-22. Để khắc phục nh−ợc điểm này, ng−ời ta sử dụng những biện pháp sau đây. • Dùng bộ truyền để thay đổi tốc độ của chân vịt. Ví dụ, hình 8-24, theo yêu cầu của tàu, chân vịt cần phải làm việc ở điểm A với tốc độ n . Với bộ truyền, động A cơ làm việc ở điểm B với tốc độ n B trên đ−ờng đặc tính ngoài với tính kinh tế cao. • Dùng chân vịt có b−ớc xoắn thay đổi. Với kết cấu này đặc tính cản của chân vịt sẽ thay đổi (k trong công thức 8-21 thay đổi) phụ thuộc vào b−ớc xoắn của nó. Tập hợp các điểm làm việc của hệ thống Hình 8-25. Chế độ làm việc của động cơ động cơ- chân vịt sẽ nằm trên đặc tính kéo chân vịt có b−ớc xoắn thay đổi ngoài của động cơ với tính kinh tế cao, đ−ờng 1, hình 8-25. 106
15. • Dùng nhiều động cơ kéo chân vịt. Khi tốc độ của tàu nhỏ có thể chỉ cần một động cơ làm việc. Chỉ khi cần chạy hết tốc lực mới cần toàn bộ số động cơ cùng kéo chân vịt. Nh− vậy, các động cơ luôn làm việc ở chế độ tải lớn với tính kinh tế cao. Sau đây ta sẽ xét đặc tính chân vịt cụ thế của động cơ xăng và diesel. Để đơn giản, ta chỉ xét tr−ờng hợp động cơ kéo trực tiếp chân vịt có b−ớc xoắn cố định. 8.3.2 Đặc tính chân vịt động cơ xăng Nh− trên đg trình bày, khi thay đổi tốc độ vòng quay chân vịt phải thay đổi vị trí van tiết l−u điều chỉnh l−ợng hỗn hợp nạp vào xy lanh. Khi đó các biến số của các đặc tính biến đổi nh− sau. • ηv: khi tăng n phải mở rộng van tiết l−u nên sức cản đ−ờng nạp giảm nhanh chóng, hệ số nạp tăng, hình 8- 26. Hình 8-26. Các biến số trên đặc tính chân vịt động cơ xăng • ηi: do mở rộng van tiết l−u nên hệ số khí sót giảm (hỗn hợp sạch hơn), quá trình cháy đ−ợc cải thiện nên ηi tăng. Tuy nhiên, trong vùng làm việc của động cơ thì ηi thay đổi không nhiều. Đối với động cơ xăng điều chỉnh l−ợng nên hệ số λ thay đổi ít. η Vì vậy có thể coi nh− i không đổi, λ hình 8-26. • ηm: Theo công thức (8-12) pm ηm = 1 − , một mặt p m tăng ηi k1 ηv λ theo tốc độ tr−ợt của piston, mặt khác do mở rộng van tiết l−u nên sức cản giảm nên p thay đổi không nhiều. m Vậy chỉ còn ηv đóng vai trò quyết định làm tăng ηm, hình 8-26. Trên cơ sở đó ta đi khảo sát đặc tính chân vịt động cơ xăng nh− sau. Hình 8-27. Đặc tính chân vịt động cơ xăng • N e: Công suất có ích N e đ−ợc thể hiện là một parabol bậc 3 theo công thức (8-21) trên hình 8-27. • M e: Từ công thức (8-21) ta dễ dàng suy ra mô men M e, hình 8-27, là một hàm bậc 2 của tốc độ vòng quay: 2 Me = k Mn (8-22) 107
16. k 4 • g e: Theo công thức (8-10) ge = , do cả ηi và ηm đều tăng nên g e giảm liên tục ηiηm khi tăng tốc độ n, hình 8-27. η • G : Theo công thức (8-11) G = k v n , dễ dàng suy G tăng tốc độ vòng quay nl nl 5 λ nl n và có dạng nh− trình bày trên hình 8-27. Nếu nh− hệ thống nhiên liệu của động cơ có hệ thống làm đậm để động cơ phát ra công suất cao ở chế độ tải lớn và toàn tải (Xem giáo trình Hệ thống nhiên liệu và tự động điều chỉnh), do hỗn hợp đậm hơn (hệ số d− l−ợng không khí λ giảm) nên ηi giảm đôi chút kéo theo cả ηm cũng giảm. Kết quả là g e và G nl tăng một chút, hình 8-27 (đ−ờng - - -). 8.3.3 Đặc tính chân vịt động cơ diesel Khi tăng tốc độ vòng quay n, các biến số đặc tính thay đổi nh− sau. • g : Để tăng n đòi hỏi phải cung ct cấp thêm nhiên liệu nên g ct tăng nhanh, hình 8-28. • ηi: Do g ct tăng trong khi l−ợng không khí nạp - tỷ lệ với hệ số nạp- nói chung giảm theo tốc độ vòng quay n (xem hình 4-7) nên hệ số d− l−ợng không khí λ giảm, hỗn hợp đậm nên cháy rớt tăng dẫn tới ηi giảm một chút, hình 8-28. Hình 8-28. Các biến số trên đặc tính chân vịt • ηm: Theo công thức (8-17) động cơ diesel pm ηm = 1 − qua thực nghiệm k1′gct ηi p ng−ời ta thấy rằng m có tăng (p tăng g m ct bậc nhất với n và ηi tăng một chút nh− nói ở trên) nh−ng do g ct tăng nhanh hơn nên ηm cũng tăng, hình 8-28. Từ đó ta có thể phân tích đặc tính chân vịt của động cơ diesel. • N e và M e t−ơng tự nh− đg trình bày ở động cơ xăng, mục 8.3.2, và để cho thống nhất cũng thể hiện trên hình 8-29. Hình 8-29. Đặc tính chân vịt động cơ diesel • g e: Theo công thức (8-10) 108
17. k 4 ge = , do ηi tăng và ηm giảm nên g e sẽ đạt cực tiểu g emin ứng với ( ηiηm)max tại n ge < ηiηm nđm , hình 8-29. Điều này khác với ở động cơ xăng. • G nl : Theo công thức (8-16) G nl = k′5gct n ta có thể dễ dàng suy ra đặc tính của G nl , hình 8-29. 8.4 Đặc tính tải Đặc tính tải biểu thị mối quan hệ của g e, G nl theo N e, M e hay p e khi giữ tốc độ vòng quay n bằng hằng số. Khi lấy đặc tính tải phải thay đổi cơ cấu điều chỉnh cung cấp nhiên liệu để động cơ phát ra công suất khác nhau nh−ng phải điều chỉnh sức cản của băng thử để giữ tốc độ động cơ khôn đổi. Đặc tính tải cũng là một đặc tính quan trọng của động cơ, đặc biệt là đối với những động cơ làm việc với miền tốc độ vòng quay hẹp hoặc không đổi ví dụ nh− máy phát điện. 8.4.1 Đặc tính tải động cơ xăng Để tăng tải phải mở rộng van tiết l−u, khi đó các biến số đặc tính thay đổi nh− sau. • ηv: Hệ số nạp tăng vì sức cản đ−ờng nạp giảm, hình 8-30. • λ: Hệ số d− l−ợng λ thay đổi ít trong động cơ xăng là động cơ dùng ph−ơng pháp điều chỉnh l−ợng, hình 8- 30. Hình 8-30. Các biến số trên đặc tính tải • η : Khi mở rộng van tiết l−u, hệ i động cơ xăng số khí sót γr giảm, hỗn hợp sạch hơn nên quá trình cháy đ−ợc cải thiện, ηv tăng. Nếu ở chế độ tải lớn có làm đậm, đ−ờng - - - trên hình 8-30, để động cơ phát ra công suất cao thì quá trình cháy kéo dài, ηi giảm. Tuy nhiên trong vùng làm việc của động cơ với vùng hệ số d− l−ợng không khí λ đg đ−ợc lựa chọn cẩn thận thì ηi thay đổi ít. Tổng η hợp lại có thể coi rằng i thay đổi ít, hình 8-30. λ p • η : Hiệu suất cơ khí xác định theo công thức (8-12) η = 1 − m , do n = m m η k i η 1 λ v η const và mở rộng van tiết l−u khi tăng tải nên p giảm, trong khi i thay đổi ít và η tăng m λ v dẫn tới ηm tăng. Trên cơ sở đó chúng ta phân tích đặc tính tải động cơ xăng d−ới đây. 109
18. • g e: Theo công thức (8-10) k g = 4 , tại chế độ không tải N = e e ηiηm 0 nên g = ∞. Khi tăng tải, tích η η e i m tăng nên g giảm dần và nếu có làm e đậm thì g tăng một chút, đ−ờng - - - e trên hình 8-31. • G nl : Theo công thức (8-11) ηv Gnl = k5 n có thể dễ dàng suy ra λ dạng của G , hình 8-31. nl 8.4.2 Đặc tính tải động cơ diesel Hình 8-31. Đặc tính tải động cơ xăng Khi tăng tải trong điều kiện n = const, các biến số đặc tính thay đổi nh− sau. • g ct : Để tăng tải phải tác động lên cơ cấu điều khiển nhiên liệu để tăng g , hình 8-32. Tuy nhiên, N ct e không tăng mgi theo g ct vì hỗn hợp ngày càng đậm, quá trình cháy thiếu không khí nên động cơ xả ra khói đen ngày một trầm trọng. Từ một giá trị g ct nào đó ứng với N emax trở đi, khi tăng g thì N giảm, hình 8-32. ct e • ηi Khi g ct tăng, hệ số d− Hình 8-32. Các biến số trên đặc tính tải l−ợng không khí λ giảm (điều chỉnh động cơ diesel chất) ban đầu từ rất nhạt (không tải) trở về bớt nhạt nên ηi tăng, đạt cực đại rồi giảm vì hỗn hợp đậm (phun và cháy kéo dài), hình 8-32. Điều này đg trình bày ở mục 8.2.1.1 và thể hiện trên hình 8-5. pm • ηm: Theo công thức (8-17) ηm = 1 − . Do n = const nên có thể coi nh− p m = k1′gct ηi const (xem mục 5.2.1 và công thức 5-13) nếu bỏ qua ảnh h−ởng của các thông số khác nh− nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn. Nh− vậy sự thay đổi của ηm chỉ phụ thuộc vào tích g ct ηi. Ban đầu ηm tăng nhanh do g ct và ηi đều tăng nh−ng sau đó tăng chậm dần dần vì ηi giảm. Sau khi đạt cực đại ηm sẽ giảm dần vì ηi giảm mạnh do hỗn hợp quá đậm, thậm chí λ rơi vào vùng khói đen, hình 8-32. Trên cơ sở diễn biến của các biến số, đặc tính tải của động cơ diesel có dạng nh− sau. 110
19. k 4 • g e: Theo công thức (8-10) ge = . Tại chế độ không tải ge = ∞. Khi tăng tải, ηiηm ban đầu ge giảm do ηiηm tăng, sau đó đạt cực tiểu tại ( ηiηm)max rồi tăng do ηiηm giảm, hình 8-33. Gnl : Theo công thức (8-16) G nl = k′5gct n với n = const nên G nl có dạng của g ct , hình 8-33. • Vấn đề chọn chế độ định mức cho động cơ diesel . Trong quá trình khảo sát đặc tính tải ở trên đg thể hiện rõ g ct là biến độc lập đặc tr−ng cho tải trọng. Tuy nhiên, sau khi tiến hành thực nghiệm để có đặc tính tải ở tốc độ định mức n đm chọn tr−ớc, một vấn đề đặt ra đối với nhà chế tạo động cơ là trên cơ sở đặc tính đó chọn chế độ định mức ở đâu cho phù hợp, từ đó điều chỉnh hệ thống nhiên liệu với một l−ợng g ct nhất định. Công suất động cơ phát ra tại chế độ lựa chọn đ−ợc gọi là Hình 8-33. Đặc tính tải động cơ diesel công suất định mức N eđm . Thông th−ờng, tiêu chí để chọn chế độ định mức là chế độ có tính kinh tế cao (g e nhỏ) và tính hiệu quả lớn (p e hay N e lớn). Tuy nhiên, không có chế độ nào mà tại đó hai thông số trên đồng thời đạt cực trị, hình 8-33. Vì thế ng−ời ta phải lựa chọn chế độ định g mức một cách thoả hiệp sao cho tại đó tỷ số e nhỏ nhất. Xuất phát từ quan điểm này, ta Ne chọn chế độ định mức cho động cơ diesel nh− sau. Trên hình 8-33, xét một điểm bất kỳ X trên đồ thị ge = f(N e), gọi ψ là góc của OX ge với trục hoành ta có tg Ψ = . Từ O tìm đ−ợc tiếp tuyến với đồ thị g e tại A. Rõ ràng là Ne g tại đây góc ψ nhỏ nhất nên ta cũng có tg ψ = e nhỏ nhất. Vì vậy ta chọn giá trị tung độ Ne của điểm A là N eđm . Từ giá trị N eđm vừa chọn ta sẽ quay trở lại xác định g ct cho chế độ định mức dựa vào đồ thị g ct trên hình 8-32. Sau khi khảo sát đặc tính tải ta đi thấy giữa đặc tính tốc độ và đặc tính tải có mối liên hệ mật thiết với nhau. Nếu nh− đg có đặc tính tốc độ bao gồm đặc tính ngoài và đặc tính bộ phận trình bày trong các mục 8.2.2 và 8.2.3, ta hoàn toàn có thể xây dựng các đặc tính tải ở các chế độ tốc độ vòng quay n = const một cách dễ dàng và ng−ợc lại. 8.5 Đặc tính tổng hợp Đặc tính tổng hợp là đặc tính thể hiện đồng thời quan hệ của nhiều thông số làm việc của động cơ trong miền làm việc của nó. Dựa trên các đặc tính tốc độ hoặc đặc tính tải ta có thể xây dựng đặc tính tổng hợp với các đ−ờng đẳng trị. Đặc tính tổng hợp nh− một bức tranh toàn cảnh mô tả toàn bộ các chế độ làm việc của động cơ với các thông số 111
20. cụ thể. Hình 8-34 trình bày đặc tính tổng hợp của một loại động cơ cụ thể???. Trên đặc tính tổng hợp, tại một điểm ta có thể xác định đồng thời nhiều thông số của động cơ nh− n, p e, Ne, g e. Ngoài ra, ta có thể xác định vùng làm việc thích hợp cho động cơ tuỳ theo mục đích sử dụng. Ví dụ vùng làm việc kinh tế nhất của động cơ trên hình 8-34 là vùng có g e khoảng ???? g/kWh???. 8.6 Đặc tính điều chỉnh Đó là đặc tính thể hiện mối quan Hình 8-34. Đặc tính tổng hợp hệ của các thông số làm việc nh− N e (hay M e, p e) và g e (hay G nl ) phụ thuộc vào các thông số điều chỉnh nh− hệ số d− l−ợng không khí λ, góc đánh lửa sớm hay góc phun sớm ϕs, nhiệt độ làm mát t lm , nhiệt độ dầu bôi trơn, áp suất phun nhiên liệu Nh− vậy có rất nhiều đặc tính điều chỉnh, nh−ng quan trọng nhất là đặc tính điều chỉnh theo λ và ϕs vì đây là hai thông số ảnh h−ởng rất lớn đến tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ. Sau đây ta sẽ chỉ xét hai đặc tính điều chỉnh này. 8.6.1 Đặc tính điều chỉnh λλλ Đó là các quan hệ N e và g e = f( λ). Đặc tính điều chỉnh λ đ−ợc xây dựng trong phòng thí nghiệm trên động cơ mẫu (th−ờng là động cơ nghiên cứu một xy lanh dùng để nghiên cứu phát triển động cơ) để đ−a ra những dữ liệu nhằm thiết kế và điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ. 8.6.1.1 Động cơ xăng Khi lấy đặc tính điều chỉnh λ, Hình 8-35. Các biến số của đặc tính điều các thông số làm việc nh− tốc độ vòng chỉnh λ trong động cơ xăng quay và độ mở van tiết l−u và tất cả các thông số điều chỉnh khác nh− góc đánh lửa sớm, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn phải giữ không đổi ở các giá trị phù hợp (ví dụ nhiệt độ n−ớc làm mát 80-90 0C, nhiệt độ dầu bôi trơn 95 -100 0C ). Để thay đổi λ phải thay đổi l−ợng nhiên liệu cung cấp cho động cơ bằng cách thay đổi sức cản của gíc-lơ (đối với động cơ dùng bộ chế hoà khí) hoặc thay đổi l−ợng nhiên liệu phun (đối với động cơ phun xăng). Khi thay đổi λ, các biến số đặc tính thay đổi nh− sau. Tất cả các giá trị kinh nghiệm của λ trình bày d−ới đây ứng với tr−ờng hợp van tiết l−u mở hoàn toàn và tốc độ vòng quay n ở chế độ định mức (chọn tr−ớc theo kinh nghiệm). • ηi: Giới hạn cháy hỗn hợp đồng nhất xăng- không khí đ−ợc xác định trong phòng thí nghiệm hoá nhiên liệu có giá trị khá hẹp: 0,4 - 0,5 < λ < 1,5 - 1,6. Trong thực tế, để 112
21. động cơ làm việc ổn định, vùng giá trị của λ còn hẹp hơn nữa (trong phạm vi đ−ờng liền trên hình 8-35). Khi tăng λ, ban đầu ηi tăng do hỗn hợp nhạt dần từ chế độ rất đậm và đậm rồi đạt cực đại với λ = 1,15 - 1,20, tại đây hỗn hợp cháy nhanh và kiệt nhất. Sau đó ηi η giảm vì hỗn hợp tiến dần đến quá nhạt. Từ đồ thị η dễ dàng xác định đ−ợc đồ thị i , i λ  η  hình 8-35, với  i  tại λ = 0,80 - 0,90.  λ max • ηv: Nh− đg xét trong mục 4.1.2.5 hệ số nạp ηv phụ thuộc rất nhiều yếu tố, nh−ng ảnh h−ởng lớn nhất là độ mở van tiết l−u và tốc độ vòng quay. Hai thông số này khi lấy đặc tính điều chỉnh λ đ−ợc giữ cố định. Vì thế có thể coi ηv không thay đổi. p • η : Theo công thức (8-12) η = 1 − m . Do tốc độ vòng quay n, độ mở van m m η k i η 1 λ v tiết l−u, nhiệt độ làm mát và nhiệt độ dầu bôi trơn không đổi nên p m = const. Vì vậy ηm sẽ η có dạng của i và cũng đạt cực đại tại λ = 0,80- 0,90. λ Từ đó ta có thể phân tích đặc tính điều chỉnh nh− sau. • N e: Theo công thức (8-8) η N = k i η η n . Do n = const và η e 2 λ v m v ηi nên Ne chỉ phụ thuộc và ηm và sẽ có λ dạng nh− trên hình 4-36 với λNemax = 0,80 - 0,90. • g : Theo công thức (8-10) e k 4 ge = và với diễn biến của ηi và ηv ηiηm nói trên thì ge đạt các tiểu trong khoảng giữa của các giá trị ứng với ηimax và ηmmax , hình 4-36. Trong thực tế λgemin = Hình 8-36. Đặc tính điều chỉnh λ của động 1,05 - 1,10. cơ xăng Khi thay đổi chế độ tốc độ và vị trí van tiết l−u sẽ đ−ợc họ các đặc tính điều chỉnh λ khác nhau. Càng đóng nhỏ van tiết l−u thì hệ số khí sót γr tăng nên tốc độ cháy giảm và giới hạn cháy càng bị thu hẹp. Điều đó dẫn tới λNemax và λgemin càng giảm và càng sát nhau hơn. Càng tăng tốc độ vòng quay thì thời gian giành cho một chu trình giảm, đồng thời hệ số nạp ηv càng giảm và, hệ số khí sót γr tăng cũng dẫn tới kết quả t−ơng tự. Bộ dữ liệu thu đ−ợc về λNemax và λgemin dùng để thiết kế và điều chỉnh bộ chế hoà khí hoặc hệ thống phun xăng cho động cơ xăng. 8.6.1.2 Động cơ diesel 113
22. Đối với động cơ diesel, khi lấy đặc tính điều chỉnh λ phải giữ tốc độ vòng quay và tất cả các thông số điều chỉnh khác nh− góc phun sớm, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn không đổi ở các giá trị hợp lý. Để thay đổi λ phải thay đổi l−ợng nhiên liệu cung cấp cho động cơ bằng cách thay đổi l−ợng nhiên liệu chu trình g ct . Vì đang xét đặc tính điều chỉnh λ ta nên sử dụng các công thức từ (8-7) đến (8-12) thì thuận lợi cho việc khảo Hình 8-37. Các biến số của đặc tính điều sát hơn (xem mục 8.2.1.1, a). Khi thay chỉnh λ trong động cơ diesel đổi λ, các biến số đặc tính thay đổi nh− sau. Tất cả các giá trị kinh nghiệm của λ trình bày d−ới đây ứng với tr−ờng hợp tốc độ vòng quay n ở chế độ định mức (chọn tr−ớc theo kinh nghiệm). • ηi: Hỗn hợp nhiên liệu diesel- không khí là hỗn hợp không đồng nhất có giới hạn cháy rất rộng: 0,4 - 0,5 < λ < 10. Khi tăng λ, ban đầu ηi tăng do hỗn hợp nhạt dần từ chế độ rất đậm và đạt cực đại với λ = 3,5 - 4, tại đây hỗn hợp cháy rất nhanh và cháy kiệt. Sau đó ηi giảm vì hỗn hợp tiến dần đến quá nhạt. Từ đồ thị ηi dễ dàng xác định đ−ợc đồ thị η  η  i , hình 8-37, với  i  tại λ = 1,05 λ  λ  max - 1,10. • ηv: T−ơng tự nh− đg xét ở động cơ xăng do tốc độ vòng quay n = const nên có thể coi ηv không thay đổi. • ηm: Theo công thức (8-12) p η = 1 − m . T−ơng tự nh− ở m η k i η 1 λ v động cơ xăng có thể coi p m = const. Do η Hình 8-38. Đặc tính điều chỉnh λ của động đó η có dạng t−ơng tự nh− i , hình m λ cơ diesel 8-37, đạt cực đại tại λ = 1,05 -1,10. Với các biến thay đổi nh− đg trình bày, đặc tính điều chỉnh theo λ của động cơ diesel có dạng nh− sau. η • N : Theo công thức (8-8) N = k i η η n . Do η và n không đổi nên N có dạng e e 2 λ v m v e η giống nh− i và η , đạt N tại λ = 1,05 - 1,10, hình 8-38. λ m emax 114
23. k 4 • g e: Theo công thức (8-10) ge = . Với những diễn biến của ηi và ηm nh− trên ηiηm thì ge có dạng nh− trên hình 8-38, đạt gemin tại λ = 1,8 - 2,0. Khi thay đổi tốc độ vòng quay ta sẽ đ−ợc họ đặc tính điều chỉnh λ. Khi giảm tốc độ vòng quay (từ chế độ định mức) thời gian chu trình tăng nên thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp và cháy. Tuy nhiên khi đó c−ờng độ xoáy lốc của không khí trong xy lanh giảm nên có tác dụng ng−ợc lại. Vì vậy rất khó xác định qui luật về ảnh h−ởng của tốc độ vòng quay n đến đặc tính điều chỉnh λ trong động cơ diesel nói chung mà phải tuỳ thuộc vào từng loại động cơ cụ thể. T−ơng tự nh− ở động cơ xăng, các dữ liệu về λNemax và λgemin thu đ−ợc khi thí nghiệm lấy đặc tính điều chỉnh trên động cơ mẫu sẽ đ−ợc dùng để thiết kế và điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu của động cơ. 8.6.2 Đặc tính điều chỉnh ϕϕϕs Đó là các quan hệ N e và g e phụ thuộc vào góc đánh lửa sớm hay góc phun sớm ϕs. Đặc tính điều chỉnh theo ϕs đ−ợc xây dựng trong phòng thí nghiệm trên động cơ mẫu dùng để để đ−a ra số liệu cụ thể nhằm thiết kế và điều chỉnh hệ thống đánh lửa cho động cơ. 8.6.2.1 Động cơ xăng Khi lấy đặc tính điều chỉnh góc đánh lửa sớm ϕs phải giữ tốc độ vòng Hình 8-39. Các biến số của đặc tính điều quay, vị trí van tiết l−u, và tất cả các chỉnh ϕs trong động cơ xăng thông số điều chỉnh khác nh− hệ số d− l−ợng không khí λ, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn không đổi tại các giá trị phù hợp (xem 8.6.1.1). Các biến số của đặc tính thay đổi nh− sau. • ηv: Hệ số nạp phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ vòng quay n và độ mở của van tiết l−u nên có thể coi nh− không đổi. • η : Khi ϕ lớn thì quá trình i s cháy xảy ra sớm nên vừa cháy vừa nén sẽ làm tăng công nén. Ng−ợc lại, nếu ϕs nhỏ thì quá trình cháy kéo dài (tăng cấp nhiệt đẳng tích) nên ηi giảm. Tại ϕstn tốt nhất ηi đạt max, hình 8-39. • η : Theo công thức (8-12) m p η = 1 − m . Với n và vị trí van m η i k1 ηv λ tiết l−u, nhiệt độ làm mát và bôi trơn Hình 8-40. Đặc tính điều chỉnh ϕs của động không đổi thì p m = const. Nh− vậy ηm cơ xăng có dạng giống nh− ηi tức là cũng cực 115
24. đại tại ϕstn , hình 8-39. Các đặc tính điều chỉnh theo góc đánh lửa sớm sẽ có dạng sau đây. η • N : Theo công thức (8-8) N = k i η η n . Với những điều kiện và sự thay đổi e e 2 λ v m các biến đặc tính nh− trên dễ dàng suy ra Ne đạt cực đại tại ϕstn , hình 8-40. k 4 • g e: Theo công thức (8-10) ge = . Với những diễn biến của ηi và ηm nh− trên ηiηm thì ge cũng đạt gemin tại ϕstn , hình 8-40. Nh− đg trình bày trong mục 4.3.3.2.e, khi tăng tốc độ vòng quay n thì phải tăng góc đánh lửa sớm ϕs. và ng−ợc lại, khi giảm n phải giảm ϕs. Khi thay đổi tải, xem mục 4.3.3.2.f, cụ thể đóng bớt van tiết l−u phải tăng góc đánh lửa sớm ϕs và ng−ợc lại, phải giảm ϕs khi mở rộng van tiết l−u. 8.6.2.2 Động cơ diesel T−ơng tự nh− ở động cơ xăng, khi lấy đặc tính điều chỉnh góc phun sớm ϕs trong động cơ diesel phải giữ tốc độ vòng quay n và tất cả các thông số điều chỉnh khác nh− hệ số d− l−ợng không khí λ, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn không đổi tại các giá trị phù hợp. Các biến số của đặc tính thay đổi nh− sau. • g ct : Để giữ λ = const ta phải thay đổi g ct cho phù hợp với hệ số nạp. Tuy nhiên hệ số nạp (xem mục 4.1.2.5) phụ thuộc vào tốc độ vòng quay n, nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới ∆T nh−ng ảnh h−ởng lớn nhất là tốc độ vòng quay n. Vì n = const nên có thể coi nh− g ct không đổi. • ηi: T−ơng tự nh− khi thay đổi góc đánh lửa trong động cơ xăng, khi góc phun sớm ϕs lớn thì quá trình cháy xảy ra sớm nên vừa cháy vừa nén sẽ làm tăng công nén. Ng−ợc lại, nếu ϕs nhỏ thì quá trình cháy kéo dài trên đ−ờng gign nở nên ηi giảm. Tại ϕstn tốt Hình 8-41. Các biến số của đặc tính điều nhất ηi đạt max, hình 8-41. chỉnh ϕs trong động cơ diesel • ηm: Theo công thức (8-17) pm ηm = 1 − . Với tốc độ vòng quay n, nhiệt độ làm mát và bôi trơn không đổi thì p m k1′gct ηi = const. Nh− vậy ηm có dạng giống nh− ηi tức là cũng cực đại tại ϕstn , hình 8-41. Các đặc tính điều chỉnh theo góc phun sớm sẽ có dạng sau đây. • N e: Theo công thức (8-15) Ne = k′2gct ηiηmn . Với những điều kiện và sự thay đổi các biến đặc tính nh− trên dễ dàng suy ra Ne đạt cực đại tại ϕstn , hình 8-42. 116
25. • g e: Theo công thức (8-10) k g = 4 . Với những diễn biến của e ηiηm η và η nh− trên thì g cũng đạt g i m e emin tại ϕstn , hình 8-42. Nh− đg trình bày trong mục 4.3.4.2.g, khi tăng tốc độ vòng quay n thì phải tăng góc phun sớm ϕs. Ng−ợc lại, khi giảm n phải giảm ϕ . s Khi giảm g ct (giảm tải), xem mục 4.3.4.2.f, phải giảm góc phun sớm ϕs. Hình 8-42. Đặc tính điều chỉnh ϕs trong Ng−ợc lại, khi tăng g ct phải tăng ϕs. động cơ diesel 8.7 Đặc tính không tải Đặc tính không tải là đặc tính tốc độ ở chế độ không tải, biểu thị quan hệ Gnl = f(n) khi Ne (p e, M e) = const. 8.7.1 Động cơ xăng Khi tăng tốc độ không tải n kt phải mở rộng van tiết l−u. Hệ số nạp ηv tăng nhanh trong khi đó λ cũng cần tăng (vì hệ số khí sót γr giảm, hỗn hợp sạch hơn) để đạt tính kinh tế cao hơn. Tuy nhiên trong hầu hết các tr−ờng hợp ηv tăng nhanh hơn. Theo công thức η (8-11) G = k v n thì G sẽ có dạng nh− trên hình 8-43. nl 5 λ nl 8.7.2 Động cơ diesel Để tăng tốc độ không tải n kt phải tăng l−ợng nhiên liệu chu trình gct . Theo công thức (8-16) G nl = k′5gct n và cũng có dạng t−ơng tự nh− ở động cơ xăng, hình 8-43. ý nghĩa của đặc tính không tải: - Xác định tốc độ vòng quay không tải ổn định nhỏ nhất n ktmin , tốc độ vòng quay không tải lớn nhất n ktmax Hình 8-43. Đặc tính không tải và Gnl trong vùng tốc độ này. - Đánh giá mức độ chạy rà. Trong quá trình chạy rà, ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc giảm dần nên Gnl cũng giảm theo. Quá trình chạy rà đ−ợc coi là kết thúc khi ma sát ổn định nên Gnl cũng ổn định và đạt giá trị nhỏ nhất. 117
26. - Xác định tổn thất cơ khí p m. Nếu coi p m chỉ phụ thuộc tốc độ vòng quay n mà không phụ thuộc tải trọng theo công thức (5-13) p m = a + b.c m thì có thể dựa vào đặc tính không tải để xác định gần đúng p m (giả thiết này đối với động cơ diesel sát thực hơn so với động cơ xăng vì ở động cơ xăng ảnh h−ởng của van tiết l−u khi thay đổi tải đến p m thông qua “công bơm” là rất đáng kể). Tại chế độ không tải ta có N m = N i. Từ các công thức (5-9) và (5-12) ta có: p V in N = G Q η = N = m h . Từ đây ta rút ra: i nl H i m 30 τ 30 τG nl QHηi pm = (8-23) inV h Trong đó ηi đ−ợc lấy theo số liệu kinh nghiệm hoặc tính toán từ đồ thị công (xem ch−ơng V) nếu nh− có thiết bị indicator để đo áp suất trong xy lanh (sẽ xét ở môn học Thí nghiệm động cơ). 8.8. Đặc tính điều tốc Đặc tính điều tốc là đặc tính tốc độ khi động cơ làm việc với điều tốc thông qua các quan hệ M e (p e), N e, g e, Gnl = f(n). Tuỳ thuộc vào kiểu điều tốc (sẽ xét ở môn học Hệ thống nhiên liệu và tự động điều chỉnh động cơ) mà Hình 8-44. Đặc tính điều tốc một chế độ ở động cơ có các đặc tính điều tốc khác động cơ diesel nhau. Trên hình 8-44 miêu tả đặc tính của động cơ diesel có điều tốc một chế độ, ví dụ động cơ kéo máy phát điện. Khi n > n đm thì điều tốc hoạt động có tác dụng làm giảm gct nên Me và N e giảm và bằng 0 ở tốc độ vòng quay không tải n kt . Trong khi đó G nl cũng giảm dần còn g e ban đầu giảm một chút, đạt cực tiểu rồi tăng (xem mục 8.2.2.2 và hình 8-22). Tại n kt thì Gnl đạt giá trị t−ơng ứng trên đặc tính không tải còn ge = ∞. Vùng làm việc của động cơ là (n đm , n kt ). D−ới n đm chỉ là chế độ chuyển tiếp của động cơ sau khi khởi động. Hình 8-45 biểu diễn đặc tính công suất động cơ với điều tốc đa chế th−ờng đ−ợc dùng phổ biến trên ô-tô. Động cơ xăng do có đặc tính mô Hình 8-45. Đặc tính điều tốc đa chế ở động men dốc nên có thể không cần điều cơ diesel tốc. Tuy nhiên, động cơ xăng ô-tô hiện 118
27. đại th−ờng có điều tốc ở chế độ không tải và chế độ tốc độ cực đại (điều tốc hai chế độ), hình 8-46. Tại chế độ không tải khi ng−ời lái nhả chân ga, điều tốc giữ cho n kt ổn định kể cả khi chạy điều hoà, quạt thông gió hay các thiết bị khác có tiêu thụ năng l−ợng từ động cơ. Tại chế độ tốc độ cực đại điều tốc giữ cho tốc độ không v−ợt quá n max nhằm tránh những h− hỏng có thể xảy ra vì lực quán tính quá lớn. 8.9 Cải thiện đặc tính tốc độ động cơ ph−ơng tiện vận tải Hình 8-45. Đặc tính điều tốc hai chế độ ở động cơ xăng 8.9.1 Yêu cầu Nh− đg xét trong mục 8.2.2.1 đặc tính tốc độ có hệ số thích ứng k càng lớn và hệ số tốc độ k c càng nhỏ càng tốt. Tùy theo điều kiện làm việc hay công dụng của động cơ, dù là động cơ xăng hay diesel, mà áp dụng những biện pháp cải thiện đặc tính cho phù hợp. Tuy nhiên, động cơ diesel có đặc tính tốc độ thoải hơn so với động cơ xăng nên tính ổn định với máy công tác kém hơn (k = 1,10 - 1,15 so với 1,40 - 1,45). Mặt khác, vùng tốc độ ổn định cũng hẹp hơn (k c = 0,55 - 0,70 so với 0,45 - 0,55) nên sử dụng và vận hành khó khăn hơn. Vì vậy cải thiện đặc tính đối với động cơ diesel là phổ biến và có ý nghĩa rất quan trọng. Nguyên tắc: p e (M e) = ???? nên tác động vào gì??? 8.9.2 Các ph−ơng pháp 8.9.2.1 Chọn góc phối khí thích hợp 8.9.2.2 Lợi dụng hiện t−ợng khí động 8.9.2.3 Hiệu chỉnh bơm cao áp 8.9.2.4 Tăng cung cấp nhiên liệu ở n nhỏ 119