Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong - Đặng Tiến Hòa

207 trang phuongnguyen 5150

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong - Đặng Tiến Hòa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_nguyen_ly_dong_co_dot_trong_dang_tien_hoa.pdf

Nội dung text: Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong - Đặng Tiến Hòa

Đặng Tiến Hòa Ch−ơng 1 Đại c−ơng về động cơ đốt trong 1.1 Khái quát về động cơ đốt trong Trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt l−ợng do động cơ đốt cháy tạo ra, đ−ợc trở thành công có ích thì động cơ đốt trong đ−ợc dùng rộng rãi nhất với số l−ợng lớn nhất trong mọi lĩnh vực: giao thông vận tải (đ−ờng bộ, đ−ờng sắt, đ−ờng thuỷ, hàng không), nông nghiệp, xây dựng, công nghiệp, quốc phòng Tổng công suất do động cơ đốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất thiết bị động lực do mọi nguồn năng l−ơng tạo ra (nhiệt năng, động năng, năng l−ợng nguyên tử, năng l−ợng mặt trời ) Trong động cơ đốt trong, các quá trình đốt cháy nhiên liệu, và chuyển biến nhiệt năng thành cơ năng đ−ợc th−c hiện bên trong động cơ. Động cơ đốt trong gồm có: động cơ đốt trong pittông, tua bin khí và động cơ phản lực (hình 1.1). Các chi tiết chính của động cơ pittông (hình 1.1a) gồm: xilanh 2, nắp xilanh 3, cácte 1, pittông 4, thanh truyền 5 và trục khuỷu 6. Nhiên liệu và không khí cần cho quá trình cháy đ−ợc đ−a vào thể tích xilanh động cơ, giới hạn bởi nắp xilanh, thành xilanh và đỉnh pittông. - 1 -
Đặng Tiến Hòa Khí thể đ−ợc tạo ra sau khi cháy có nhiệt độ lớn tạo nên áp suất đẩy pittông chuyển dịch trong xilanh. Chuyển động tịnh tiến của pittông thông qua thanh truyền chuyển tới trục khuỷu, lắp trong cácte, tạo thành chuyển động quay của trục khuỷu. Trong tua bin khí (hình 1.1b), việc đốt cháy nhiên liệu đ−ợc thực hiện trong buồng cháy 8. Nhiên liệu vào buồng cháy là nhờ bơm 7 và đ−ợc xé tơi qua vòi phun. Không khí cần cho sự cháy, đ−ợc máy nén 11 (lắp trên đầu trục của tua bin khí 10) cung cấp cho buồng cháy, sản vật cháy qua lỗ phun 9 đi vào các cánh bánh công tác của tua bin 10 để giãn nở và sinh công. Tua bin khí, chỉ có các chi tiết quay tròn, nên có thể chạy ở tốc độ cao. Ngoài ra, các cánh của tua bin có thể lợi dụng triệt để năng l−ợng của khí nóng. Nh−ợc điểm chính của tua bin là hiệu suất thấp và các cánh tua bin phải hoạt động trong môi tr−ờng nhiệt độ cao (giảm nhiệt độ của khí thể để tăng độ tin cậy của các cánh sẽ làm giảm hiệu suất của tua bin). Tua bin khí đ−ợc dùng rộng rãi làm thiết bị phụ của động cơ pittông và động cơ phản lực Trong động cơ phản lực dùng chất ôxy hoá thể lỏng (hình 1.1c), nhiên liệu và chất ôxy hoá thể lỏng từ thùng chứa 12 và 13 đ−ợc bơm 14 cấp cho buồng cháy 8. Sản vật cháy giãn nở trong ống phun 15, và phun ra môi tr−ờng với tốc độ lớn. L−u động của dòng khí ra khỏi các ống phun là nguyên nhân sản sinh phản lực( lực kéo) của động cơ. Hình 1.1d giới thiệu động cơ phản lực dùng chất ôxy hoá thể khí (không khí). Đặc điểm chính của động cơ phản lực là lực kéo hầu nh− không phụ thuộc vào tốc độ của thiết bị phản lực, còn công suất của động cơ tỉ lệ thuận với tốc độ không khí vào máy tức là tốc độ chuyển động của thiết bị phản lực. đặc điểm trên đ−ợc sử dụng trong động cơ tua bin phản lực của máy bay. Nh−ợc điểm chính của động cơ phản lực là hiệu suất t−ơng đối thấp. Động cơ đốt trong pittông có hiệu quả cao nhất vì nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy có thể tới 1800 ữ 2800 K, còn nhiệt độ khí xả thải ra ngoài trời chỉ là 900 ữ 1500 K Tuy nhiệt độ cao nh− vậy nh−ng do quá trình hoạt động của động cơ có tính chu kỳ và các chi tiết tiếp xúc với khí nóng luôn đ−ợc làm mát nên không gây ảnh h−ởng đến độ tin cậy trong hoạt động của động cơ. Nh−ợc điểm chính của động cơ pittông là ở cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền ; cơ cấu này làm cho cấu tạo của động cơ phức tạp và còn hạn chế khả năng tăng tốc độ động cơ. Ngày nay ng−ời ta sử dụng rộng rãi động cơ tăng áp tua bin khí, đó là loại động cơ liên hợp gồm động cơ pittông 1, máy nén khí 3 và tua bin khí 2 (hình 1.2) liên kết với nhau. Khí xả của động cơ pittông có nhiệt độ và áp suất cao, truyền năng l−ợng cho cánh tua bin khí 2để dẫn động cơ máy nén khí 3. Máy nén khí hút không khí từ môi tr−ờng nén tới áp suất nào đó rồi nạp vào xilanh động cơ pittông. Việc tăng l−ợng khí nạp vào xilanh động cơ bằng cách tăng áp suất không khí trên đ−ờng nạp đ−ợc gọi là tăng áp. Khi tăng áp, mật độ không khí sẽ tăng, do đó làm tăng l−ợng môi chất mới nạp vào xilanh động cơ so với tr−ờng hợp không tăng áp. Muốn đốt nhiên liệu phun vào xilanh động cơ, cần có một l−ợng không khí thích hợp (ví dụ muốn đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng về mặt lí thuyết cần có khoảng 15kg không khí). Do đó không khí nạp vào xilanh càng nhiều thì số nhiên liệu có thể đốt cháy càng nhiều tức là đ−ợc công suất càng lớn. Động cơ tăng áp tua bin khí so với động cơ không tăng áp không những có công suất lớn hơn mà hiệu suất cũng cao hơn, vì nó đã sử dụng thêm năng l−ợng của khí xả. - 2 -
Đặng Tiến Hòa Ưu điểm chính của động cơ tăng áp tua bin khí là khối l−ợng và thể tích của động cơ qui về 1kW nhỏ hơn và hiệu suất cao hơn so với động cơ không tăng áp. ở động cơ đốt trong, việc sử dụng hoá năng của nhiên liệu ngay bên trong xilanh động cơ là một trong các ph−ơng pháp tốt nhất, vì nó không cần đến môi chất trung gian (ví dụ hơi n−ớc trong máy hơi và tua bin hơi nhờ đó không có các thiết bị phụ khác (nh− nồi hơi, thùng ng−ng hơi, bộ quá nhiệt ) tránh đ−ợc nhiều tổn thất nhiệt. Động cơ đốt trong pittông, đặc biệt là động cơ tăng áp tua bin khí là loại có hiệu suất cao nhất trong các động cơ nhiệt hiện nay. Ngày nay động cơ đốt trong pittông chiếm số l−ợng lớn nhất và đ−ợc sử dụng rộng rãi nhất. Vì vậy thuật ngữ “động cơ đốt trong” đ−ợc dùng với ý khái quát chung cho các loại động cơ đốt trong, đồng thời cũng có ý dùng ngắn gọn để chỉ động cơ đốt trong pittông. 1.2. Ưu, khuyết điểm và lĩnh vực sử dụng động cơ đốt trong So với các loại động cơ nhiệt khác, −u điểm chính của động cơ đốt trong là: 1. Hiệu suất có ích ηe cao, động cơ điêden tăng áp tua bin khí hiện đại đạt tới ηe =0,4 ữ 0,52 , trong khi đó hiệu suất có ích của máy hơi n−ớcηe = 0,09 ữ 0,14, của tua bin hơi n−ớcηe = 0,22 ữ 0,28 và của tua bin khí ηe không quá 0,3. 2. Kích th−ớc nhỏ gọn, khối l−ợng nhẹ vì toàn bộ chu trình của động cơ đốt trong đ−ợc thực hiện trong một thiết bị duy nhất (ng−ợc lại thiết bị tua bin khí hoặc hơi cần có nhiều trang bị phụ nh−: nồi hơi, buồng cháy, máy nén rất nặng và cồng kềnh). Động cơ pittông hiện đại đạt khối l−ợng trên 1kW là : 0,25 ữ 0,23 (kg/kW) và công suất lít là: 1,2 ữ 38 (kW/l). 3. Khởi động nhanh. Bất kỳ động cơ đốt trong nào trong moị điều kiện chỉ cần từ vài giây đến vài phút là có thể cho máy nổ và chyển đến toàn tải. Động cơ điêden lớn nhất, từ khởi động rồi chuyển đến toàn tải chỉ cần 30 ữ 40 phút, trong khi đó, trang bị động lực hơi n−ớc (máy hơi và tua bin hơi) muốn khởi động rồi chuyển đến chạy toàn tải phải cần tới từ mấy giờ đến mấy ngày đêm. 4. Hao ít n−ớc. Động cơ đốt trong có thể không dùng n−ớc hoặc tiêu hao rất ít n−ớc, trong khi đó trang bị động lực hơi n−ớc phải tiêu thụ một l−ợng lớn kể cả tr−ờng hợp thu hồi hơi n−ớc ng−ng tụ. Ưu điểm này của động cơ đốt trong có giá trị đặc biệt trong một số tr−ờng hợp (ví dụ : trong vùng sa mạc). 5. Bảo d−ỡng đơn giản và thuận tiện hơn hẳn so với trang bị động lực hơi n−ớc. Động cơ đốt trong chỉ cần 1 ng−ời chăm sóc, bảo d−ỡng. Nh−ợc điểm của động cơ đốt trong là: 1.Trong xilanh không thể đốt nhiên liệu rắn, và nhiên liệu kém phẩm chất. Động cơ đốt trong chủ yếu dùng nhiên liệu lỏng hoặc khí sạch không chứa các thành phần kim loại cũng nh− tạp chất cơ học. 2. Công suất thiết bị bị giới hạn. Về mặt này trang bị hơi n−ớc có nhiều −u việt hơn so với động cơ đốt trong. Động cơ điêden không thể v−ợt công suất 37.000kW; với công suất 20.000kW, cấu tạo của động cơ trở nên rất phức tạp hoạt động thiếu linh hoạt, trong khi đó trang bị tua bin hơi n−ớc có thể đạt công suất trên 200.000kW. - 3 -
Đặng Tiến Hòa 3. Trên thiết bị vận tải đ−ờng bộ, không thể nối trực tiếp trục động cơ với trục của máy công tác do hạn chế về đặc tính của động cơ đốt trong. Do đó, trên hệ thống truyền động phải có bộ li hợp và hộp số để thay đổi mômen của trục thụ động trong một phạm vi rộng. 4. Động cơ hoạt động khá ồn, nhất là động cơ cao tốc. Ng−ời ta phải dùng các bộ tiêu âm trên đ−ờng thải và đ−ờng nạp để hạn chế bớt nh−ợc điểm này. Nh−ng nh− vậy sẽ làm ảnh h−ởng xấu tới −u điểm của động cơ nh− hiệu suất và khối l−ợng động cơ qui về một kW/h Do những −u điểm kể trên, nên động cơ đốt trong đã phát triển trên khắp các lĩnh vực công nghiêp, nông lâm ng− nghiệp, giao thông vận tải. Trong lĩnh vực công nghiệp, phát điện, vận tải biển, động cơ đốt trong đ−ợc sử dụng song hành với động cơ nhiệt khác. Một số lĩnh vực, cho tới nay ch−a sử dụng đ−ợc các loại động cơ khác, ví dụ trên ôtô, máy kéo, hàng không, tàu ngầm, các trạm phát điện di động, động cơ đốt trong vẫn là động lực duy nhất đ−ợc sử dụng trong các lĩnh vực này. Ngoài ra toàn bộ tàu sông, tàu ven biển, tầu biển d−ới 10.000 tấn, các máy xây dựng, các trang bị kĩ thuật quân sự đều sử dụng động lực chính là động cơ đốt trong. Chính vì vậy ngành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong đ−ơc coi là bộ phận tất yếu của ngành cơ khí và nền kinh tế quốc dân của hầu hết các n−ớc. Động cơ đốt trong là một ngành cơ khí phức tạp. Bên trong động cơ thực hiện các quá trình khác nhau: biến đổi hoá học, nhiệt động học, các quá trình cơ khí và điện khí, các cơ cấu đảm bảo các quá trình trên đều phức tạp. Khi chế tạo cũng vậy, vì hình dạng của các chi tiết rất phức tạp, kích th−ớc lớn , đòi hỏi nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau, nhiều loại máy công cụ đặc chủng phức tạp để đạt độ chính xác cao Sau cùng, việc bảo d−ỡng, sửa chữa động cơ đốt trong cũng đòi hỏi có hiểu biết về nhiều loại kiến thức phong phú. Vì vậy tất cả các n−ớc đều rất coi trọng đào tạo đội ngũ chuyên gia về động cơ đốt trong có số l−ợng và chất l−ợng nhất định đáp ứng yêu cầu về thiết kế, chế tạo, sử dụng bảo d−ỡng, sửa chữa các loại động cơ đốt trong dùng trong n−ớc mình. 1.3. Phân loại động cơ đốt trong Động cơ đốt trong đ−ợc phân loại theo những đặc tr−ng sau đây: 1. Theo ph−ơng pháp thực hiện chu trình công tác có: - Động cơ bốn kỳ - chu trình đ−ợc thực hiện trong bốn hành trình pittông hoặc hai vòng quay trục khuỷu. - Động cơ hai kỳ - chu trình đ−ợc thực hiện trong hai hành trình pittông hoặc một vòng quay trục khuỷu. 2. Theo loại nhiên liệu dùng cho động cơ có: - Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nhẹ (xăng, benzen, dầu hoả, cồn ) - Động cơ dùng nhiên liệu lỏng, nặng (nhiên liệu điêden, dầu mazút, gazôin ) - Động cơ dùng nhiên liệu khí (khí lò ga, khí thiên nhiên, khí hoá lỏng, nhiên liệu khí nén). - Động cơ dùng nhiên liệu khí cộng với nhiên liệu lỏng (phần chính là nhiên liệu khí, phần mồi là nhiên liệu lỏng). - Động cơ đa nhiên liệu (dùng các nhiên liệu lỏng từ nhẹ đến nặng). 3. Theo ph−ơng pháp nạp của chu trình công tác có: - 4 -
Đặng Tiến Hòa - Động cơ không tăng áp. Quá trình hút không khí hoặc hoà khí vào trong xilanh là do pittông hút trực tiếp từ khí trời (động cơ bốn kỳ) hoặc do không khí quét đ−ợc nén tới áp suất đủ để thực hiện việc thay đổi môi chất và nạp đầy xilanh (động cơ hai kỳ). - Động cơ tăng áp, không khí hoặc hoà khí vào xilanh động cơ có áp suất không khí lớn hơn áp suất khí trời, nhờ thiết bị tăng áp (động cơ bốn kỳ) hoặc việc quét xilanh và nạp không khí hoặc hoà khí đ−ợc không khí thực hiện nhờ không khí có áp suất cao, đảm bảo chẳng những tăng l−ợng môi chất mà còn tăng l−ợng khí nạp vào xilanh. Thuật ngữ “tăng áp” có nghĩa là tăng l−ợng môi chất mới nhờ nâng cao áp suất trên đ−ờng nạp qua đó tăng mật độ khí nạp. 4. Theo ph−ơng pháp hình thành hoà khí (hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu) có: - Động cơ hình thành hoà khí bên ngoài – trong đó hoà khí (còn gọi là hỗn hợp khí cháy) gồm hơi nhiên liệu lỏng nhẹ và không khí hoặc gồm nhiên liệu thể khí và không khí đ−ợc hoà trộn tr−ớc bên ngoài bên ngoài xilanh động cơ (bao gồm toàn bộ động cơ dùng bộ chế hoà khí và động cơ dùng nhiên liệu thể khí) và đ−ợc đốt cháy bằng tia lửa điện. - Động cơ hình thành hoà khí bên trong – trong đó hoà khí đ−ợc hìng thành bên trong xilanh là nhờ bơm cao áp cấp nhiên liệu cao áp để phun tơi vào khối không khí nóng trong xilanh động cơ (động cơ điêden) hoăc nhờ phun nhiên liệu nhẹ trực tiếp vào xilanh động cơ (động cơ phun xăng trực tiếp vào xilanh). Quá trình hình thành hoà khí trong động cơ điêden chủ yếu phụ thuộc vào loại buồng cháy, vì vậy động cơ điêden đ−ợc chia thành ba loại sau: + Động cơ điêden dùng buồng cháy thống nhất, trong đó thể tích buồng cháy là một khối thống nhất các quá trình hình thành hoà khí và quá trình cháy thực hiện ở đây. + Động cơ điêden dùng buồng cháy dự bị, trong đó thể tích buồng cháy đ−ợc ngăn làm hai phần : buồng cháy chính và buồng cháy dự bị, nhiên liệu d−ợc phun vào buồng cháy dự bị, qua đó tạo ra chênh áp giữa hai buồng cháy. Nhờ chênh áp đó sản vật cháy, nhiên liệu và không khí ch−a cháy đ−ợc phun ra buồng cháy chính để tiếp tục hình thành hoà khí và kết thúc quá trình cháy trong buồng cháy chính. + Động cơ điêden dùng buồng cháy xoáy lốc, trong đó thể tích buồng cháy cũng đ−ợc chia làm hai phần : buồng cháy chính và buồng cháy lốc. Giữa hai buồng cháy này có đ−ờng nối thông nằm trên đ−ờng tiếp tuyến với buồng cháy xoáy lốc, nhờ đó tạo ra dòng xoáy lốc của môi chất ở đây vào cuối quá trình nén. Tr−ớc tiên việc hình thành hoà khí là nhờ nhiên liệu đ−ợc phun tơi vào dòng xoáy lốc này, tiếp đó nhiên liệu bốc cháy tạo ra chênh áp giữa hai buồng cháy. Nhờ chênh áp, sản vật cháy, nhiên liệu và không khí ch−a cháy đ−ợc phun ra buồng cháy chính để tiếp tục hình thành hoà khí và kết thúc quá trình cháy trong buồng cháy chính. 5. Theo ph−ơng pháp đốt cháy hoà khí có : - Động cơ nhiên liệu tự cháy (động cơ điêden), trong đó nhiên liệu lỏng đ−ợc phun tơi vào buồng cháy và tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao của môi chất cuối quá trình nén. - Động cơ đốt cháy c−ỡng bức, trong đó hoà khí đ−ợc đốt cháy c−ỡng bức nhờ nguồn nhiệt bên ngoài (tia lửa điện). Loại này gồm toàn bộ động cơ dùng chế hoà khí và máy ga. - Động cơ đốt cháy hỗn hợp, trong đó hoà khí đ−ợc đốt cháy nhờ hai nguồn nhiệt : một nguồn do nhiệt độ môi chất cuối quá trình nén (không đủ tự cháy) và nguồn khác do tác dụng - 5 -
Đặng Tiến Hòa của thành nóng trong buồng cháy hoặc do mồi lửa (cầu nhiệt). Loại này gồm toàn bộ động cơ có cầu nhiệt. - Động cơ đốt cháy tổ hợp (động cơ ga-điêden), trong đó hoà khí của nhiên liệu thể khí hoặc nhiên liệu lỏng đ−ợc đốt cháy c−ỡng bức, nhờ ngọn lửa do tự cháy của nhiên liệu mồi còn nhiên liệu điêden mồi đ−ợc phun vào xilanh cuối quá trình nén tự bốc cháy nhờ nhiệt độ cao của môi chất nén. 6. Theo loại chu trình công tác có: - Động cơ cấp nhiệt đẳng tích (V≈ const ) gồm tất cả động cơ có tỉ số nén thấp (ε ≈ 5 ữ 11) và đốt nhiên liệu c−ỡng bức (động cơ dùng chế hoà khí và máy ga). - Động cơ cấp nhiệt đẳng áp (p ≈ const) gồm các động cơ có tỉ số nén cao (ε ≈ 12 ữ 14), phun tơi nhiên liệu nhờ không khí nén và nhiên liệu tự bốc cháy (hiện nay không sản xuất loại này), ngoài ra còn động cơ đốt trong tăng áp cao. - Đọng cơ cấp nhiệt hỗn hợp, trong đó một phần nhiệt cấp trong điều kiện đẳng tích (V ≈ const) phần còn lại cấp trong điều kiện đẳng áp (p ≈ const) gồm các động cơ có tỉ số nén cao (ε ≈ 12 ữ 16), phun nhiên liệu trực tiếp và nhiên liệu tự bốc cháy. Phần lớn động cơ điêden hoạt động theo chu trình này. 7. Theo đặc điểm cấu tạo động cơ : Theo đặc điểm cơ cấu thanh truyền có : -Động cơ có dạng hòm – trong đó lực ngang bên s−ờn máy mà đầu mỏ thanh truyền tạo ra là do bản thân pittông tiếp nhận (hình 1.1 a) . - Động cơ có guốc tr−ợt, trong đó lực ngang bên s−ờn máy mà đầu mỏ thanh truyền tạo ra đ−ợc guốc tr−ợt tiếp nhận (hình 1.3 a, f). Theo số xilanh có : - Động cơ một xilanh - Động cơ nhiều xilanh (hình 1.3 e, h). Theo cách đặt xilanh có : - Động cơ đặt đứng – xilanh đặt đứng (hình 1.3 a, g). - Động cơ nằm ngang – xilanh nằm ngang (hình 1.3 f). - Động cơ một hàng – xilanh đặt thành một hàng, đ−ờng tâm xilanh song song với nhau và cùng nằm trên một mặt phẳng (hình 1.3 g). - Động cơ hai hàng song song hoặc hai hàng chữ V (hình 1. 3 b, h). - Động cơ nhiều hàng theo dạng chữ X, dạng chữ H, dạng chữ W và các loại động cơ nhẹ cao tốc khác. - Động cơ hình sao, một hàng các đ−ờng tâm xilanh đặt theo h−ớng kính và nằm trên cùng một mặt phẳng - động cơ điêden cao tốc (hình 1.3 c, e). 8. Theo khả năng thay đổi chiều quay của trục khuỷu có : - Động cơ chỉ quay phải – trục khuỷu động cơ quay theo chiều kim đồng hồ nếu nhìn từ bánh đà tới mũi tầu (động cơ tầu thuyền) hặc nhìn từ đầu tự do (các động cơ khác). - Động cơ quay trái – trục khuỷu động cơ quay ng−ợc với chiều kể trên. - Động cơ quay đ−ợc hai chiều – chiều quay của trục khuỷu động cơ có thể thay đổi nhờ cơ cấu đảo chiều (chỉ dùng cho động cơ chính tầu thuỷ). - 6 -
Đặng Tiến Hòa 9. Theo chiều lực khí thể tác dụng trên pittông có : - Động cơ tác dụng đơn – trong đó chỉ có một phía của pittông có chu trình công tác (hình 1.3 b, c, d, e, g, h). - Động cơ tác dụng kép – trong đó cả hai phía pittông (phía trên và phía d−ới) đều có chu trình công tác (hình 1.3 a, f). n 10. Theo tốc độ trung bình của pittông (C = S. ; m/s) có : m 30 - Động cơ tốc độ thấp (C m ≤ 6,5 m/s) - Động cơ cao tốc (C m > 6,5 m/s) ; trong đó : s – hành trình pittông (m); n – số vòng quay trục khuỷu (vg/ph). 11. Theo công dụng của động cơ có: - Động cơ tĩnh tại – hoạt động cố định ở một điểm (trạm bơm, trạm phát điện ). - 7 -
Đặng Tiến Hòa - Động cơ tầu thủy – gồm máy chính dùng để quay chân vịt hoặc máy phát điện để truyền động điện tới chân vịt tầu thủy và máy phụ dùng cho các nhu cầu khác trên tầu (cụm phát điện điêden, cụm điêden máy nén dùng cho các nhu cầu trên tầu. - Động cơ đầu xe lửa. - Động cơ ôtô máy kéo. - Động cơ máy bay. - Động cơ dùng trong máy nông nghiệp, máy xây dựng, máy làm đ−ờng, các máy móc của trang thiết bị quân sự. Ngoài những đặc tr−ng kể trên, cũng có thể dựa vào những đặc tr−ng phụ khác để phân loại động cơ nh− : theo hệ thống làm mát, theo cơ cấu điều chỉnh Về mặt nguyên lý làm việc các loại động cơ đốt trong đều phải thực hiện các quá trình (hình 1.4) ; - Thay đổi môi chất (môi chất là môi giới đ−ợc sử dụng trong động cơ nhiệt, để thực hiện việc chuyển đổi năng l−ợng nhiệt thành công cơ học, môi chất trong động cơ đốt trong gồm không khí, hơi nhiên liệu và sản vật cháy ) Cuối mỗi chu trình, phải thải hết khí thải (sản vật cháy) và nạp đầy môi chất mới (không khí hoặc hoà khí) vào xilanh để thực hiện chu trình mới, thay đổi môi chất gồm hai quá trình : thải và nạp. - Hình thành hoà khí (hoà trộn nhiên liệu với không khí tạo thành hoà khí, làm thuận lợi cho quá trình cháy). - Nén (nhằm làm tăng áp suất và nhiệt độ môi chất tạo điều kiện tốt để thực hiện quá trình cháy đồng thời giúp quá trình giãn nở sinh công đ−ợc triệt để) . - Đốt hoà khí (hoà khí tự cháy nhờ nhiệt độ cao của môi chất hoặc đ−ợc đốt cháy c−ỡng bức nhờ tia lửa điện). - Cháy và giãn nở (nhiên liệu bốc cháy nhờ ngọn lửa đ−ợc hình thành sau khi đốt hoà khí hoặc sau khi tự cháy, tiếp theo môi chất giãn nở sinh công). Bảng 1-1 giới thiệu tóm tắt phân loại động cơ đốt trong đang sử dụng hiện nay theo đặc tr−ng của nguyên lý làm việc. Các loại động cơ ghi trên đều có thể thực hiện các ph−ơng án sau : a) Bốn kỳ hoặc hai kỳ b) Tăng áp hoặc không tăng áp Việc hình thành hoà khí có thể đ−ợc thực hiện bên trong hoặc bên ngoài xilanh. Tr−ờng hợp hoà khí bên ngoài thì nhiên liệu và không khí đ−ợc hoà trộn tr−ớc ở bên ngoài xilanh, trên đ−ờng nạp rồi mới nạp vào xilanh động cơ. Còn tr−ờng hợp hoà khí bên trong thì nhiên liệu đ−ợc phun tơi vào xilanh, cuối quá trình nạp, trong quá trình nén (động cơ xăng) hoặc cuối quá trình nén (điêden), nhờ năng l−ợng của nhiên liệu cao áp đi qua lỗ phun nhỏ (năng l−ợng cơ khí) hoặc nhờ động năng của dòng khí trong buồng cháy (năng l−ợng khí động). Về ph−ơng pháp điều chỉnh trong động cơ, nhằm thay đổi công suất có thể dùng điều chỉnh chất l−ợng tức là điều chỉnh số l−ợng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình hoặc điều chỉnh l−ợng, tức là thay đổi số l−ợng hoà khí đ−a vào xilanh trong mỗi chu trình. 1.4. Đại c−ơng về nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong 1.4.1. Thuật ngữ và định nghĩa cơ bản Điểm chết (ĐC) - Vị trí của cơ cấu khuỷu – trục thanh truyền khiến đ−ờng tâm thanh truyền nằm trong mặt phẳng của khuỷu trục (ϕ = 0 và ϕ = 1800) (hình 1.6 a) đ−ợc gọi là vị trí điểm chết, vì khi - 8 -
Đặng Tiến Hòa nằm ở vị trí ấy thì lực bất kì tác dụng lên pittông theo h−ớng dọc của đ−ờng tâm xilanh sẽ không thể tạo ra chuyển động quay của trục khuỷu (vị trí, khoá chết của cơ cấu). Hình 1.6 a chỉ rõ, các điểm chết t−ơng ứng với các vị trí giới hạn ngoài (pittông nằm xa tâm quay nhất) và vị trí giới hạn trong (pittông nằm gần tâm quay nhất) của pittông. Theo thói quen vị trí giới hạn ngoài của pittông (ϕ = 0) (đ−ợc gọi là điểm chết trên (Đ. C. T), vị trí giới hạn trong của pittông (ϕ = 1800) đ−ợc gọi là điểm chết d−ới (ĐCD). Khoảng cách khi pittông chạy từ vị trí giới hạn này sang vị trí giới hạn kia đ−ợc gọi là hành trình pittông s: s = 2R (R – bán kính quay của trục khuỷu). Quá trình hoạt động trong thời gian một hành trình pittông đ−ợc gọi là kỳ (một phần của chu trình hoạt động). Khi pitông chuyển dịch sẽ làm thay đổi thể tích xilanh. Cần đặc biệt chú ý đến những thể tích sau : Vc- thể tích buồng cháy là thể tích của xilanh khi pittông nằm ở ĐCT. Va- thể tích toàn phần là thể tích của xilanh khi pittông nằm ở ĐCD. Vh- thể tích công tác là thể tích đ−ợc tạo ra hoặc chèn mất của xilanh khi pittông chuyển πD2 dịch một hành trình : V = . s trong đó : D - đ−ờng kính xilanh ; s – hành trình h 4 pittông. Thể tích công tác Vh th−ờng đ−ợc đo bằng lít (l) . Thể tích toàn phần Va sẽ là : Va = Vc + Vh Tỉ số nén ε - là tỉ số giữa thể tích toàn phần Va và thể tích buồng cháy Vc : - 9 -
Đặng Tiến Hòa V V +V V ε = a = c h = 1 + h Vc Vc Vc Tỉ số nén ε chỉ rõ : thể tích xilanh phía trên pittông bị giảm bao nhiêu lần, tức là bị ép nhỏ bao nhiêu lần khi pittông đi từ ĐCD lên ĐCT. Trong quá trình động cơ hoạt động, tỉ số nén ε gây ảnh h−ởng tới các thông số của chu trình, đặc biệt là tới chất l−ợng quá trình cháy giãn nở và hiệu suất của động cơ, vì vậy nó có vị trí quan trọng trong nguyên lý làm việc của động cơ. Khi nghiên cứu quá trình làm việc của động cơ đốt trong ng−ời ta th−ờng dùng các đồ thị công đọc vẽ trên toạ độ p -V hoặc p - ϕ , trong đó : p - là áp suất tuyệt đối của môi chất trong xilanh động cơ ; V – thể tích xilanh ; ϕ - góc quay trục khuỷu. Các đồ thị trên sở dĩ đ−ợc gọi là đồ thị công vì dựa vào nó ng−ời ta tính đ−ợc l−ợng công do môi chất tạo ra trong mỗi chu trình. Đồ thị công đ−ợc thiết bị vẽ đồ thị công vẽ ra, thiết bị trên gồm có hai cơ cấu : một cơ cấu tiếp nhận và ghi áp suất p trong xilanh còn cơ cấu kia, cùng lúc đó ghi vị trí của pittông hoặc vị trí quay của khuỷu trục. Trên các đồ thị công, giá trị của áp suất p đặt ở tung độ, thể tích xilanh V hoặc góc quay khuỷu trục ϕ đặt trên hoành độ, các đ−ờng giới hạn vuông góc với hoành độ thể hiện vị trí giới hạn của pittông (ĐCT hoặc ĐCD). Khi hoạt động, các xilanh động cơ đều phải lặp đi lặp lại thực hiện các quá trình : hút (nạp) , nén , cháy giãn nở và xả. Do đó tập hợp các quá trình trên tạo nên chu trình làm việc (chu trình công tác) của động cơ đốt trong. Chu trình làm việc của động cơ có thể đ−ợc thực hiện nhờ hai vòng quay trục khuỷu, tức là bốn hành trình pittông (động cơ bốn kỳ) hoặc một vòng quay trục khuỷu, tức là hai hành trình pittông (động cơ hai kỳ). 1.4.2. Nguyên lý làm việc của động cơ bốn kỳ Xilanh của động cơ bốn kỳ đ−ợc nắp xilanh bịt kín, trên nắp có các xupáp để hút môi chất mới và xả khí thải. Xupáp ở trạng thái bịt kín xilanh là nhờ lực lò xo 2 và lực do áp suất môi chất trong xilanh tạo ra trong các quá trình nén, cháy và giãn nở. Việc mở thông đ−ờng qua xupáp tại thời điểm thích hợp là nhờ cơ cấu phân phối khí (hình 1.1 a). Cơ cấu phân phối khí (H 1.4) gồm có : cần bẩy 3, đũa đẩy 4, con đội 5 đ−ợc vấu cam 6 của trục cam 1 điều khiển. Trục cam đ−ợc dẫn động từ trục khuỷu. Số vòng 1 quay của trục cam bằng số vòng quay trục khuỷu và các 2 xupáp sẽ mở 1 lần khi trục cam quay 1 vòng (lúc ấy trục khuỷu quay hai vòng). Động cơ đốt trong bốn kỳ các loại (hoà khí hình thành bên ngoài cũng nh− bên trong xilanh động cơ), chu trình làm việc đều gồm các quá trình : hút (nạp), nén, cháy giãn nở và thải, trong đó công có ích chỉ do quá trình cháy giãn nở thực hiện. - 10 -
Đặng Tiến Hòa Chu trình làm việc của động cơ bốn kỳ đ−ợc thực hiện nh− sau (hình 1.3): - Kỳ một – hút : đầu kỳ một, pittông còn nằm ở ĐCT. Lúc ấy trong thể tích Vc của buồng cháy, choán đầy khí sót (sản vật cháy) do chu trình tr−ớc để lại, áp suất khí sót hơi cao hơn áp suất khí trời. Trên đồ thị công, vị trí bắt đầu kỳ một t−ơng ứng với điểm r (hình 1.3 a). Khi trục khuyủ quay (theo chiều mũi tên), thanh truyền làm cho pittông chuyển dịch từ ĐCT xuống ĐCD, cơ cấu phân phối khí mở thông đ−ờng qua xupáp nạp, nối không gian bên trên pittông với đ−ờng ống nạp. Cùng với mức tăng tốc độ của pittông, áp suất môi chất trong xilanh cũng nhỏ dần so với áp suất môi chất trên đ−ờng nạp pk (chênh lệch áp suất giữa đ−ờng nạp và xilanh vào khoảng 0,01 – 0,03Mpa). Chênh lệch áp suất kể trên tạo nên quá trình hút (nạp), môi chất mới (không khí đối với điêden và hoà khí đối với động cơ xăng) từ đ−ờng ống nạp vào xilanh. Trên đồ thị công (hình 1.3 a), kỳ nạp đ−ợc thể hiện qua đ−ờng r-a. áp suất môi chất trên đ−ờng nạp có thể bằng áp suất khí trời pk ≈ 0,1 Mpa (động cơ không tăng áp) hoặc lớn hơn áp suất khí trời tuỳ thuộc ở mức độ tăng áp (pk = 0,13 ữ 0,35 Mpa trong động cơ tăng áp). Sử dụng tăng áp sẽ làm tăng mật độ môi chất trên đ−ờng nạp và nhờ đó làm tăng l−ợng môi chất mới nạp vào động cơ trong quá trình hút so với động cơ không tăng áp. Việc tăng l−ợng môi chất mới nạp vào xilanh động cơ trong quá trình hút sẽ làm tăng công của chu trình và công suất của động cơ, nh−ng sẽ làm tăng áp suất và nhiệt độ môi chất trong chu trình. Kỳ hai – nén : pittông chuyển dịch từ ĐCD lên ĐCT, môi chất bên trong xilanh bị nén. Cuối kỳ một khi pittông ở vị trí ĐCD áp suất môi chất trong xilanh pa còn nhỏ hơn pk. Đầu kỳ hai, pittông từ ĐCD đi lên một đoạn (tới điểm m) áp suất môi chất trong xilanh mới đạt tới giá trị pk. Do đó để hoàn thiện quá trình nạp ng−ời ta vẫn để xupáp nạp tiếp tục mở (mở một thời gian ở đầu kỳ hai phía tr−ớc điểm m). Việc đóng muộn xupáp nạp nh− trên để nạp thêm môi chất mới vào xilanh là nhờ tác dụng của chênh áp giữa xilanh và đ−ờng nạp cùng động năng của dòng khí đang vận động trên đ−ờng nạp. Sau khi đóng xupáp nạp, chuyển động đi lên của pittông sẽ làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh tiếp tục tăng lên. Giá trị của áp suất cuối kỳ nén (áp suất pc tại điểm c) phụ thuộc vào tỉ số nén ε , độ kín khít của không gian, chứa môi chất, mức độ tản nhiệt của thành xilanh và áp suất môi chất đầu kỳ nén pa. Việc đốt cháy và bốc cháy của hoà khí trong động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, cũng nh− loại hình thành hoà khí bên trong xilanh đều cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ít. Muốn tận dụng tốt nhiệt l−ợng do nhiên liệu đ−ợc đốt cháy tạo ra, thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá trình cháy cần nằm ở khu vực sát ĐCT. Do đó việc đốt cháy hoà khí trong động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, nhờ tia lửa điện, cũng nh− việc phun nhiên liệu vào xilanh trong động cơ hình thành hoà khí bên trong đều đ−ợc thực hiện tr−ớc khi pittông tới ĐCT. Nh− vậy trong kỳ hai, bên trong xilanh, chủ yếu thực hiện quá trình nén môi chất. Ngoài ra ở đầu kỳ nén còn thực hiện việc nạp thêm và cuối kỳ thì bắt đầu đốt cháy hoà khí hoặc phun nhiên liệu. Trên đồ thị công (hình 1.3 b) kỳ hai đ−ợc thể hiện qua đ−ờng a-c. - Kỳ ba – cháy và giãn nở, đ−ợc thực hiện khi pittông từ ĐCT xuống ĐCD (hình 1.3 c). Đầu kỳ ba số hoà khí nạp vào xilanh hoặc đ−ợc chuẩn bị ở cuối kỳ ba đ−ợc bốc cháy nhanh. Do đó có một nhiệt l−ợng lớn đ−ợc nhả ra, khiến áp suất và nhiệt độ môi chất tăng mạnh, mặc dù thể tích xilanh đã tăng lên chút ít (đ−ờng c-z trên đồ thị công). D−ới tác dụng - 11 -
Đặng Tiến Hòa đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, pittông tiếp tục đ−ợc đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong xilanh. Trong quá trình giãn nở môi chất đẩy pittông sinh công, do đó kỳ ba còn đ−ợc gọi là hành trình công tác (sinh công). Trên đồ thị công kỳ ba đ−ợc thể hiện qua đ−ờng c-z-b (hình 1.3 c) . - Kỳ bốn – xả : trong kỳ bốn thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh (hình 1.3 d). Pittông chuyển dịch từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí thải từ xilanh qua xupáp xả đang mở vào ống thải. Do áp suất môi chất trong xilanh cuối kỳ cháy giãn nở còn khá cao nên xupáp xả phải bắt đầu mở ở cuối kỳ giãn nở khi pittông còn cách ĐCD khoảng 40 ữ 600 góc quay trục khuỷu. Nhờ đó giảm đ−ợc lực cản đối với chuyển động của pittông trong kỳ xả và cải thiện việc quét sạch khí thải ra khỏi xilanh động cơ. Trên đồ thị công, kỳ bốn đ−ợc thể hiện qua đ−ờng b-r (hình 1.3 d). Kỳ bốn kết thúc chu trình công tác, tiếp theo chuyển động của pittông sẽ lặp lại theo trình tự của chu trình công tác giới thiệu ở trên. Các loại động cơ, mà chu trình công tác đ−ợc thực hiện trong bốn hành trình pittông hoặc hai vòng quay trục khuỷu đ−ợc gọi là động cơ bốn kỳ. Trong bốn kỳ ấy chỉ có kỳ cháy và giãn nở là kỳ công tác (sinh công), còn lại ba kỳ khác của xilanh, là các kỳ cản đ−ợc thực hiện nhờ động năng của bánh đà và của các chi tiết quay hoặc nhờ công của các xilanh khác (động cơ nhiều xilanh). Càng thải sạch sản vật cháy ra khỏi xilanh thì nạp càng nhiều môi chất mới và nhờ đó càng thu đ−ợc nhiều công trong mỗi chu trình. Để thải sạch sản vật cháy ra khỏi xilanh, xupáp xả không đóng tại vị trí ĐCT mà chậm hơn một chút (khi khuỷu trục đã quay quá ĐCT vào khoảng 5 – 300 góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi đã bắt đầu kỳ một). Để giảm cản cho quá trình nạp, có nghĩa là đảm bảo cho đ−ờng thông qua xupáp nạp đã đ−ợc mở rộng dần trong khi pittông đi xuống trong kỳ một, xupáp nạp cũng đ−ợc mở sớm một chút (tr−ớc khi pittông đến ĐCT khoảng 10 - 400góc quay trục khuỷu). Nh− vậy vào cuối kỳ bốn và đầu kỳ một cả xupáp nạp và xả đều mở. Giai đoạn cùng mở của các xupáp nạp và xả đ−ợc gọi là thời kỳ cùng mở (trùng điệp) của các xupáp. Thời kỳ này có tác dụng tốt với sự thải sạch khí xả và nạp đầy môi chất mới vào xilanh nhờ tác dụng hút của dòng khí xả trên đ−ờng ống thải. Giai đoạn từ lúc mở đến lúc đóng các xupáp (tính bằng góc quay trục khuỷu) đ−ợc gọi là pha phân phối khí. Hình 1.5 giới thiệu pha phân phối khí của động cơ bốn kỳ, trong đó : O – là tâm quay của trục khuỷu. Các tia xuất phát từ tâm quay, đánh đấu vị trí của khuỷu trục, - 12 -
Đặng Tiến Hòa ví dụ : 01 – vị trí mở xupáp nạp ; 02 – vị trí đóng xupáp nạp ; 03* - vị trí bật tia lửa điện hoặc phun nhiên liệu ; 03’ – vị trí ĐCT ; 05 – vị trí mở xupáp xả ; 06 – vị trí đóng xupáp xả. Các góc ϕ 1, ϕ 2, ϕ 3. ϕ 4, thể hiện các giá trị : ϕ 1 – góc mở sớm xupáp nạp ; ϕ 2 – góc đóng muộn xupáp nạp ; ϕ 1-2 – thời gian mở xupáp nạp ; ϕ 3 – góc đánh lửa sớm hoặc phun sớm nhiên liệu ; ϕ 2-3 – thời gian quá trình nén ; ϕ 4 – vị trí cuối quá trình cháy ; ϕ 5 – góc mở sớm xupáp xả ; ϕ 3-4-5 – thời gian quá trình cháy, giãn nở ; ϕ 6 – góc đóng muộn xupáp xả ; ϕ 5-6 – thời gian quá trình thải ; ϕ 1 + ϕ 6 – thời kỳ trùng điệp của các xupáp nạp và xả. Trên hình 1.6a giới thiệu đồ thị công khai triển p-ϕ của động cơ bốn kỳ. Hình 1.6b giới thiệu đồ thị khai triển của pha phân phối khí động cơ bốn kỳ. - 13 -
Đặng Tiến Hòa 1.4.3. Nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ Qua khảo sát hoạt động của chu trình động cơ bốn kỳ thấy rằng : động cơ bốn kỳ chỉ sử dụng một nửa thời gian của chu trình làm chức năng chu trình của động cơ nhiệt (kỳ nén và kỳ giãn nở). Thời gian còn lại (kỳ hút và kỳ xả), động cơ làm việc nh− một bơm khí. Thời gian cho chu trình công tác đ−ợc sử dụng triệt để hơn trong động cơ hai kỳ, tức động cơ mà chu trình công tác đ−ợc thực hiện trong một vòng quay trục khuỷu (hoặc hai hành trình pittông). Khác với động cơ bốn kỳ, trong động cơ hai kỳ việc thải sạch sản vật cháy khỏi xilanh và nạp đầy môi chất mới vào xilanh (nói khác đi là quá trình thay đổi môi chất) đ−ợc thực hiện trong khu vực chuyển động của pittông ở gần ĐCD. Lúc đấy việc xả sạch khí thải ra khỏi xilanh đ−ợc thực hiện không phải nhờ pittông đẩy khí thải ra ngoài mà là nhờ không khí hoặc hoà khí đ−ợc nén tr−ớc tới một áp suất nhất định. Việc nén tr−ớc không khí hoặc hoà khí đ−ợc thực hiện trong một bơm khí quét riêng. Trong động cơ hai kỳ cỡ nhỏ ng−ời ta dùng không gian cácte của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền và pittông động cơ làm bơm khí quét. Trong quá trình thay đổi môi chất trong động cơ hai kỳ, một phần môi chất mới (không khí hoặc hoà khí) ch−a tham gia cháy đã cùng khí xả rời khỏi xilanh qua đ−ờng thải gây nên tổn thất môi chất mới. Hình 1.7 giới thiệu sơ đồ hoạt động của động cơ điêden hai kỳ quét thẳng qua xupáp xả. Phần cấu tạo đặc biệt của động cơ có : - 14 -
Đặng Tiến Hòa 1. Cửa quét 8, đặt ở phần d−ới của xilanh, chiều cao của cửa quét chiếm 10 – 15% hành trình pittông. Việc mở hoặc đóng các cửa quét đ−ợc thực hiện nhờ pittông khi chuyển dịch trong xilanh. 2. Xupáp xả 4, đặt trên nắp xilanh, do trục cam của cơ cấu phối khí dẫn động, số vòng quay của trục cam đảm bảo cho xupáp xả đ−ợc mở một lần trong mỗi vòng quay trục khuỷu. 3. Bơm khí quét 2, nén không khí có áp suất vào không gian 7, sau đó vào xilanh quét sạch khí xả ra ống thải và nạp đầy môi chất mới vào xilanh. Chu trình làm việc của động cơ hai kỳ đ−ợc thực hiện nh− sau : - Kỳ một : giãn nở t−ơng ứng với hành trình pittông từ ĐCT xuống ĐCD. Trong xilanh vừa mới thực hiện quá trình cháy (đ−ờng cz của đồ thị công) và bắt đầu thực hiện quá trình giãn nở tức là thực hiện quá trình công tác (sinh công). Khi pittông sắp mở cửa quét thì xupáp xả 4 đ−ợc mở tr−ớc, sản vật cháy bắt đầu từ xilanh thoát ra ống thải; lúc ấy áp suất trong xilanh tụt nhanh (đoạn mn trên đồ thị công). Pittông mở cửa quét muộn hơn khi áp suất môi chất trong xilanh xấp xỉ bằng áp suất khí quét trong không gian 7. Không khí quét qua cửa quét đi vào xilanh, tiếp tục đẩy sản vật cháy còn lại qua xupáp xả ra đ−ờng thải và thay thế khí xả nạp đầy xilanh. Quá trình đó đ−ợc gọi là quá trình thay đổi môi chất (đoạn na trên đồ thị công). Nh− vậy trong thời gian của kỳ một trong xilanh thực hiện quá trình cháy của nhiên liệu và nhả nhiệt, giãn nở của môi chất, xả khí thải, quét và nạp đầy môi chất mới. - Kỳ hai – nén : t−ơng ứng với hành trình pittông từ ĐCD lên ĐCT (hình 1.9b).Đầu kỳ hai, tiếp tục quá trình quét và nạp đầy môi chất mới vào xilanh (đ−ờng ak trên đồ thị công). Thời điểm đóng kín cửa quét và đóng xupáp xả quyết định thời điểm kết thúc quá trình thay đổi môi chất (điểm k trên đồ thị công). Cửa quét có thể đóng đồng thời hoặc muộn hơn so với xupáp xả. áp suất môi chất trong xilanh động cơ cuối thời kỳ thay đổi môi chất th−ờng lớn hơn áp suất khí trời và phụ thuộc vào áp suất khí quét pk. Từ lúc kết thúc quá trình thải và đóng kín cửa quét sẽ bắt đầu quá trình nén. Tr−ớc khi pittông tới ĐCT (tr−ớc ĐCT khoảng 10 - 300 góc quay trục khuỷu) nhiên liệu đ−ợc phun qua vòi phun 5 vào xilanh động cơ. Nh− vậy trong thời gian của kỳ hai, trong xilanh thực hiện các quá trình sau : kết thúc các quá trình thải, quét và nạp đầy môi chất mới vào xilanh ở đầu hành trình, sau đó thực hiện quá trình nén. Khác với động cơ bốn kỳ, trong động cơ hai kỳ không có các kỳ nạp và xả riêng, các kỳ này đòi hỏi một vòng quay trục khuỷu. ở động cơ hai kỳ, quá trình thay đổi môi chất đ−ợc thực hiện trên đoạn nhỏ của các kỳ chính, cuối kỳ giãn nở và đầu kỳ nén. Ph−ơng án quét thẳng qua xupáp xả vừa giới thiệu, không phải là ph−ơng án duy nhất. Trong động cơ hai kỳ còn sử dụng nhiều ph−ơng án khác của sơ đồ thay đổi môi chất (hình 1.8). Ph−ơng án quét vòng, cửa khí đặt ngang theo h−ớng song song (hình 1.8a) đã đơn giản hoá cấu tạo động cơ so với ph−ơng án đã nghiên cứu (không có xupáp và cơ cấu dẫn động xupáp), nh−ng làm giảm chất l−ợng thay đổi môi chất và mất nhiều môi chất mới đi ra đ−ờng thải. Ph−ơng án quét vòng, cửa khí đặt ngang theo h−ớng lệch tâm (hình 1.8b) giảm đ−ợc l−ợng môi chất mới lọt ra đ−ờng thải, ngoài ra còn tạo ra chuyển động quay của môi chất mới vào xilanh làm cho nhiên liệu và không khí đ−ợc hoà trộn tốt hơn. Các ph−ơng án nàu đ−ợc dùng trên động cơ hai kỳ của xe máy hoặc động cơ ôtô. - 15 -
Đặng Tiến Hòa Ph−ơng án quét thẳng dùng trong động cơ pittông đối đỉnh, trong đó một pittông điều chỉnh cửa quét còn pittông kia điều khiển cửa thải, có thể đạt chất l−ợng cao về thay đổi môi chất (hình 1.8d). Trong động cơ hai kỳ có thể dùng không gian cácte làm thiết bị tạo khí quét đ−ợc gọi là động cơ dùng cácte tạo khí quét, trong đó cácte đ−ợc dùng làm bơm tạo khí quét. Khi pittông đi từ ĐCD lên ĐCT sẽ làm tăng không gian bên d−ới pittông khiến áp suất ở đây thấp hơn áp suất khí trời (có độ chân không). Nhờ đó không khí ngoài môi tr−ờng đ−ợc hút trực tiếp (động cơ điêden) hoặc qua bộ chế hoà khí (động cơ xăng) đi vào không gian cácte khi pittông mở cửa hút 12, (hình 1.9). Trong hành trình ng−ợc lại (pittông từ ĐCT xuống ĐCD), pittông nén môi chất mới trong cácte tr−ớc khi mở cửa quét. Sau khi cửa quét mở môi chất mới đ−ợc đẩy vào xilanh thực hiện quá trình quét và nạp đầy xilanh. Hình 1.9 giới thiệu sơ đồ phân phối khí của ph−ơng án quét vòng, vị trí đóng và mở các cửa quét và cửa thải đối xứng qua ĐCD. Ưu điểm chính của động cơ dùng cácte làm bơm khí quét là cấu tạo đơn giản. Nh−ng so với các ph−ơng án có bơm khí quét riêng thì chất l−ợng thay đổi môi chất rất kém, vì vậy gây ảnh h−ởng xấu tới công suất và hiệu suất động cơ. - 16 -
Đặng Tiến Hòa Trong động cơ hai kỳ một phần hành trình Sn dùng để thay đổi môi chất, sẽ không thực hiện quá trình sinh công. Do đó thể tích công tác thực tế của xilanh V’h khi pittông từ k đi lên ĐCT (hình 1.7b) sẽ là : V’h = Vh - Vn (1 – 4) trong đó Vn – thể tích xilanh t−ơng ứng với phần hành trình Sn. Tỉ số nén thực tế của động cơ hai kỳε ’ sẽ là : V ' +V ε ’ = h c Vc Phần hành trình tổn thất ψ , là tỉ lệ giữa Vn và Vh : V ψ = n Vh Trong động cơ hai kỳ ψ = 10 ữ 38%. So sánh động cơ hai kỳ với động cơ bốn kỳ thấy rằng : với cùng kích th−ớc xilanh và số vòng quay n của động cơ, công suất của động cơ hai kỳ về mặt lý thuyết có thể gấp hai lần động cơ bốn kỳ. Trên thực tế chỉ đạt khoảng 1,5 – 1,7 lần do phần hành trình tổn thất ψ cho quá trình thay đổi môi chất, vì chất l−ợng quét thải kém và vì cần tốn một ít công suất dẫn động bơm cấp khí quét. Ưu điểm chính của động cơ hai kỳ là mômen quay đều hơn vì mỗi chu trình chỉ cần hai hành trình pittông hoặc một vòng quay trục khuỷu (thay cho hai vòng quay của động cơ bốn kỳ). Nh−ợc điểm chính của động cơ hai kỳ là thời gian thay đổi môi chất rất ngắn, quá trình quét và thải lại xảy ra đồng thờinên chất l−ợng quét sạch sản vật cháy từ xilanh và nạp đầy môi chất mới vào xilanh không hoàn hảo bằng động cơ bốn kỳ. Trong động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, dùng hoà khí để quét xilanh, không tránh khỏi việc mất mát một phần hoà khí cùng khí xả thoát ra đ−ờng thải, vì vậy chu trình động cơ hai kỳ th−ờng chỉ dùng trong động cơ điêden. Tr−ờng hợp động cơ xe máy, thuyền máy công suất nhỏ do cấu tạo đơn giản và gọn có yêu cầu cao hơn so với tính kinh tế nên ng−ời ta th−ờng dùng động cơ xăng. - 17 -
Ch−ơng 2 Nhiên liệu vμ môi chất công tác của động cơ đốt trong 2.1 Khái niệm môi chất Môi chất công tác là môi chất giới dùng để thực hiện quá trình chuyển hoá từ nhiệt năng sang cơ năng trong chu trình thực tế của động cơ đốt trong. Khác với chu trình lý t−ởng, trong chu trình thực tế môi chất công tác là những khí thực mà tính chất lý hoá luôn biến động trong suốt chu trình, chúng gồm có: không khí, nhiên liệu và sản vật cháy. ở hành trình nạp, tuỳ thuộc vào loại hình thành hoà khí mà ng−ời ta đ−a vào xilanh không khí (động cơ hình thành hoá bên trong) hoặc hoà khí (động cơ hình thành hoà khí bên ngoài). Không khí hoặc hoà khí mới nạp đ−ợc gọi là môi chất mới. Trong hành trình nạp môi chất mới hoà trộn với khí sót còn lại trong xilanh của chu trình tr−ớc, tạo nên môi chất công tác của quá trình, về thực chất khí sót là sản vật cháy của nhiên liệu và không khí. ở hành trình nén, môi chất công tác cuối quá trình nạp đ−ợc dùng làm môi chất của quá trình nén. ở quá trình cháy, môi chất cuối quá trình nén đ−ợc chuyển dần thành sản vật cháy. ở các hành trình giãn nở và thải, môi chất công tác là sản vật cháy. Nhiệt năng đ−ợc dùng để chuyển biến thành cơ năng trong động cơ là do phản ứng cháy của hoà khí (hỗn hợp giữa hơi nhiên liệu và không khí ) tạo ra. Cần tạo mọi điều kiện để phản ứng cháy này đ−ợc diễn ra đúng lúc, kịp thời, triệt để, đồng thời đảm bảo cho máy chạy êm. Tất cả những điều đó lại phụ thuộc vào chất l−ợng hình thành hoà khí và tính chất của nhiên liệu dùng trong động cơ. Đối với động cơ đốt trong, ng−ời ta chỉ sử dụng nhiên liệu dễ hoà trộn với không khí để tạo thành hoà khí, ngoài ra trong sản vật cháy không đ−ợc có tro, vì tro sẽ làm cho vòng găng bị liệt và làm tăng độ mài mòn của xilanh, piston và vòng gãy. Nhiên liệu thể rắn chỉ có thể sử dụng sau khi đã đ−ợc hoá lỏng hoặc đ−ợc khí hoá trong lò ga. Trong ch−ơng này sẽ nghiên cứu tính chất lý hoá của nhiên liệu và môi chất dùng cho động cơ. 2.2 Nhiên liệu thể khí Nhiên liệu thể khí dùng cho động cơ đốt trong gồm có: khí thiên nhiên (sản phẩm của các mỏ khí), khí công nghiệp (sản phẩm xuất hiện trong quá trình luyện cốc, luyện gang (khí lò cao) và tinh luyện dầu mỏ) và khí lò ga (khí hoá nhiên liệu thể rắn trong các lò ga). Một nhiên liệu thể khí đều là hỗn hợp cơ học của các loại khí cháy và khí trơ khác nhau. Thành phần chính của nhiên liệu thể khí gồm có: ôxít cácbon (CO), mêtan (CH4), các loại hydrôcacbon (CmHm), khí cácbônich (CO2), ôxy (O2), hyđrô (H2), hyđrôsunfua (H2S) và các loại khí trơ, chủ yếu là nitơ (N2) với những tỷ lệ khác nhau. Nhìn chung, công thức hỗn hợp của các chất trong nhiên liệu thể khí có chứa cácbon C0, hyđrô H hoặc ôxy O, đều có thể viết d−ới dạng: 3 CnHmOr + N2 = 1 kmol (1m tiêu chuẩn) (2-1) Nhiên liệu khi dùng cho động cơ đốt trong đ−ợc chia làm ba loại ( theo nhiệt trị thấp): Đặng Tiến Hòa - 18 -
3 a. Loại có nhiệt trị lớn ( Qm- nhiệt trị của 1m nhiên liệu khí ), 3 Qm≥23 MJ/m tiêu chuẩn. Loại này gồm khí thiên nhiên và khí thu đ−ợc khi khai thác hoặc tinh luyện dầu mỏ và khí nhân tạo. Thành phần chính của nó là khí mêtan chiếm từ 30 ữ 99%, còn lại là các khí hydrôcacbon khác. b. Loại có nhiệt trị vừa (chiếm vị trí trung gian): 3 Qm = 16 ữ 23 MJ/m tiêu chuẩn Loại này chủ yếu là khí thu đ−ợc từ luyện cốc, thành phần chính có H2 (khoảng 40 ữ 60%) còn lại là CO, CH4 c. Loại có nhiệt trị nhỏ: 3 Qm = 4 ữ 16 MJ/m tiêu chuẩn Loại này bao gồm khí lò hơi và khí lò ga. Thành phần chủ yếu là CO và H2 chiếm tới 40%, còn lại khí trơ N2và CO2. 2.3 Nhiên liệu thể lỏng Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động cơ đốt trong chủ yếu là các sản phẩm đ−ợc tạo ra từ dầu mỏ vì loại này có nhiệt trị lớn, ít tro, dễ vận chuyển và bảo quản. Mỗi loại nhiên liệu lỏng kể trên đều là một hỗn hợp của nhiều loại hyđrôcacbon có cấu tạo hoá học rất khác nhau, chính cấu tạo đó gây ảnh h−ởng lớn tới các tính chất lý - hoá cơ bản, đặc biệt là tới quá trình bay hơi, tạo hoà khí và bốc cháy của nhiên liệu trong động cơ. Trong dầu mỏ có các hyđrô các bon sau : paraphin (anlan) CnH2n+2; hyđrôcacbon vòng xyclôankan CnH2n và hyđrôcacbon thơm (aren), CnH2n - 6 và CnH2n - 12. Ngoài ra trong dầu mỏ còn chứa rất ít chất ôlêphin (anken) CnH2n điôlêphin (ankan đien) CnH2n-2. Trong hyđrôcacbon no (bão hoà) các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo mạch thẳng (ankan chính) hoặc mạch nhánh (izôan kan) chất đồng phân của (ankan chính) hoặc mạch kín vòng (xyclôankan) bằng các mạch đơn, số mạch (hóa trị) còn lại của C đ−ợc bão hoà bằng các nguyên tử H. Trong dầu mỏ ngoài ankan chính trong phân tử đ−ợc liên kết theo mạch thẳng đơn còn có các chất đồng phân. Ví dụ d−ới đây là cấu tạo phân tử của butan chính, 2 - izôbutan, ôctan chính là 2,2,4 - izôôctan. Butan chính 2- izôbutan (số 2 là thứ tự của nguyên tử cacbon có mạch nhánh) Đặng Tiến Hòa - 19 -
Ankan chính, do các nguyên tử C đ−ợc liên kết đơn theo mạch thẳng nên các mạch C (dễ gẫy phản ứng hoá học) làm cho nó dễ tự cháy (Mạch liên kết càng dài càng dễ tự cháy), vì vậy không phải là thành phần lý t−ởng của nhiên liệu dùng trong động cơ xăng đốt cháy c−ỡng bức, nh−ng nó lại rất thích hợp với động cơ điêden. Với izôankan (chất đồng phân của ankan) thì hoàn toàn trái ng−ợc, rất khó bị gãy mạch, tức là khó tự cháy. Trong ankan do tỉ số C/H nhỏ nên tính cất của nó rất ổn định khó biến chất. Nhiên liệu dùng trong động cơ xăng đốt cháy c−ỡng bức, cần có nhiều izôankan để tránh kích nổ. Ng−ời ta đã dùng 2,2,4 - izôôctan làm nhiên liệu chuẩn để đo tính chống kích nổ của các loại xăng. Trong đó động cơ điêden lại dùng thành phần t−ơng đối nặng của sản phẩm dầu mỏ làm nhiên liệu (vì chứa nhiều ankan chính dễ tự cháy). bằng các mạch thẳng đơn tạo nên một vòng kín nh− ví dụ d−ới đây: P araphin vòng có tính cháy tự nằm giữa ankan chính và izoankan, còn khối l−ợng riêng hơi lớn C hơn và nhiệt trị hơi nhỏ hơn so với ankan, vì tỉ lệ lớn. H Hyđrôcacbon thơm (aren) là loại hyđrôcabon không no, các nguyên tử C cũng nối với nhau thành một vòng kín nh−ng bằng các liên kết đôi và liên kết đơn xen kẽ nhau, cấu tạo điển hình là chất benzen và mêtylbenzen: Đặng Tiến Hòa - 20 -
Kết cấu trên giúp hyđrôcabon thơm có tính ổn định cao, khó tự cháy và là thành phần lý t−ởng của xăng dùng trong động cơ đốt cháy c−ỡng bức. Do hàm l−ợng H ít nên chúng có khối l−ợng riêng lớn và nhiệt trị nhỏ. Các loại ôlêphin, điôphin và axêtylen là những hyđrôcácbon không no, các nguyên tử C nối với nhau theo mạch thẳng trong đó có một mạch kép, hai mạch kép hoặc một mạch ba, ví dụ chất pentyl - 1 - C5H10 (số 1 chỉ mạch nối C thứ nhất là mạch kép): Do có mạch kép và mạch ba khiến các chất này khó tự cháy, thích hợp với nhiên liệu động cơ xăng đốt cháy c−ỡng bức, không thích hợp với nhiên liệu của động cơ điêden. Hàm l−ơng các loại hyđrôcacbon không no trong dầu mỏ rất ít, nh−ng lại chiếm tỉ lệ đáng kể trong các loại nhiên liệu qua cracking nhiệt phân. Các mạch C không bão hoà, nên tính chất không ổn định, dễ oxy hoá, biến chất, thành các chất keo đa phân tử. Điểm khác biệt lớn nhất của các loại hyđrôcacbon kể trên là điểm sôi, Vì vậy có thể dùng biện pháp vật lý- phân cất (sôi bay hơi và ng−ng tụ ) để sản xuất xăng, dầu hoả - nhiên liệu điêden, dầu nhờn từ sản phẩm thô của dầu mỏ. Các thành phần chính của các sản phẩm ch−ng cất từ dầu thô là ankan, xyclôankan và aren. Để tăng sản l−ợng xăng từ dầu thô, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp nhiệt phân (cracking), ở nhiệt độ t ≈ 4000C, đối với các thành phần nặng của dầu mỏ nhằm làm gãy các mạch liên kết C của các phân từ lớn để tạo ra các phân tử nhỏ và nhẹ hơn. Do hàm l−ợng t−ơng đối của H trong các phân tử lớn nặng, không đủ nên hyđrôcacbon nhẹ đ−ợc tạo ra sau nhiệt phân phải có các thành phần không bão hoà (không no). Vì vậy sản phẩm sau khi nhiệt phân th−ờng có nhiều ôlêphin, điôlêphin và axêtylen. Trong khi nhiệt phân nếu có thêm các chất xúc tác (nhiệt phân có xúc tác) một mặt sẽ có thể giảm bớt nhiệt độ cracking, nhờ đó giảm đ−ợc hàm l−ợng hyđrôcacbon dạng khí, mặt khác có thể tạo phản ứng tách H2 khỏi các xyclôankan để biến thành aren hoặc tạo phản ứng tách H2 khỏi ankan rồi vòng hoá để thành aren, cũng nh− tạo điều kiện tăng H2 cho ôlêphin, điôlêphin và axêtylen. Nh− vậy, ph−ơng pháp nhiệt phân có xúc tác sẽ làm tăng hàm l−ợng aren, làm giảm hàm l−ợng các loạt hyđrôcacbon mạch thẳng ch−a bão hoà nhờ đó làm tăng chất xăng. Ngoài ra, ng−ời ta còn dùng nhiều giải pháp công nghệ khác đối với dầu mỏ nhằm làm tăng H2, izôankan hoá đối với các ankan, tuyển hợp, aren hoá để sản xuất xăng cao cấp. Xăng và nhiên liệu điêzen ch−ng cất từ dầu mỏ chứa khoảng 80 ữ 90% an kan và xyclôankan. Trong khi đó muốn nâng cao tính năng chống kích nổ, thì trong xăng phải có tối Đặng Tiến Hòa - 21 -
thiểu 40% aren. Vì vậy các loại xăng cao cấp hiện nay đều là các sản phẩm đã qua các giải pháp công nghệ đặc biệt. Tính chất lý hoá của nhiên liệu phụ thuộc vào tỉ lệ thành phần của các nhóm hyđrôcacbon kể trên. Tùy theo ph−ơng pháp hình thành và đốt cháy hoà khí trong chu trình công tác mà có các yêu cầu khác nhau đối với nhiên liệu. Vì vậy ng−ời ta chia nhiên liệu lỏng thành hai nhóm: - Nhiên liệu dùng cho động cơ tạo hoà khí bên ngoài, đốt cháy c−ỡng bức; - Nhiên liệu dùng cho động cơ điêden Các loại nhiên liệu lỏng lấy từ dầu mỏ đều có các nguyên tố chính sau: cácbon (C), hyđrô (H2) và oxy (O2); đôi khi cũng còn một hàm l−ợng nhỏ l−u huỳnh (S) và nitơ (N2). Nếu bỏ qua hàm l−ợng của S và N2 thì thành phần khối l−ợng c,h,onlcủa các nguyên tố C,H,O trong nhiên liệu đ−ợc viết nh− sau: c + h+ onl = 1kg (2-2) 2.4 Những tính chất chính của nhiên liệu 2.4.1 Nhiệt trị Nhiệt trị là nhiêt l−ợng thu đ−ợc khi đốt cháy kiệt 1kg (hoặc 1m3 tiểu chuẩn) nhiên liệu (điều kiện tiêu chuẩn p = 760 mmHg và t = 00C) Khi đo nhiệt trị ng−ời ta đốt nhiên liệu ở nhiệt độ nào đó (nhiệt độ môi tr−ờng), nhiệt l−ợng đ−ợc sản ra do nhiên liệu bốc cháy sẽ đ−ợc n−ớc hấp thụ; n−ớc làm lạnh sản vật cháy tới nhiệt độ môi tr−ờng tr−ớc khi đốt, sau đó dựa vào l−ợng nhiên liệu tiêu hao, l−u l−ợng và mức tăng nhiệt độ của n−ớc sẽ tính đ−ợc nhiệt trị của nhiên liệu. Cần phân biệt : nhiệt trị đẳng áp với nhiệt trị đẳng tích; nhiệt trị thấp với nhiệt trị cao. a. Nhiệt trị đẳng áp Qp 3 Nhiệt trị đẳng áp Qp là nhiệt l−ợng thu đ−ợc sau khi đốt cháy kiệt 1kg (hoặc 1m tiêu chuẩn) nhiên liệu trong điều kiện đảm bảo áp suất môi chất tr−ớc va sau khi đốt bằng nhau. Nhiệt trị đẳng tích Qv đ−ợc xác định trong điều kiện giữ cho thể tích sản vật cháy (môi chất sau khi cháy) bằng thể tích hoà khí (môi chất tr−ớc khi cháy). Mối quan hệ giữa Qp và Qv đ−ợc xác định theo biểu thức: 3 Qv = Qp + p t (Vs - Vt) J/kg (J/m ) (2-3) 2 trong đó: pt (N/m ) - áp suất môi chất tr−ớc khi cháy; 3 Vt, Vs (m ) - Thể tích hoà khí tr−ớc khi cháy và của sản vật cháy đã quy dẫn về áp suất pt và nhiệt độ t0 tr−ớc khi cháy. Đối với nhiên liệu lỏng sản xuất từ dầu mỏ Qp nhỏ hơn Qv khoảng 0,2%, vì Vs > Vt (sau khi cháy thể tích môi chất lớn lên). b. Nhiệt trị cao Qc Nhiệt trị cao Qc là toàn bộ số nhiệt l−ợng thu đ−ợc sau khi đốt cháy kiệt 1kg nhiên liệu, trong đó có cả số nhiệt l−ợng do hơi n−ớc đ−ợc tạo ra trong sản vật cháy ng−ng tụ lại thành n−ớc nhả ra, khi sản vật cháy đ−ợc làm lạnh tới bằng nhiệt độ tr−ớc khi cháy đ−ợc gọi là nhiệt ẩn trong hơi n−ớc trong khi xả ch−a kịp ng−ng tụ đã bị thải mất, vì vậy chu trình công tác của động cơ không thể sử dụng số nhiệt ẩn này để sinh công. Do đó khi tính chu trình công tác của động cơ, ng−ời ta dùng nhiệt trị thấp Qt nhỏ hơn Qc một số nhiệt l−ợng vừa bằng nhiệt ẩn của hơi n−ớc đ−ợc tạo ra khi cháy. Đặng Tiến Hòa - 22 -
Mối quan hệ giữa Qc và Qt đ−ợc xác định theo các biểu thức nh− sau: - Nhiên liệu lỏng: (nhiệt trị của 1kg - Qtk và Qck Qtk = Q ck - 2,512 (9h + w), 1MJ/kg (2-4) Trong đó : 2,512 MJ/kg - nhiệt ẩn của 1 kg hơi n−ớc h - thành phần khối l−ợng của H trong nhiên liệu w - thành phần khối l−ợng của n−ớc trong nhiên liệu 3 Nhiên liệu khí: (nhiệt trị của 1m tiêu chuẩn Qtm và Qcm) 18 m Q =Q − 2,512[ C H O ] (MJ/m3 tiêu chuẩn) (2-5) tm cm 22,4 ∑ 2 n m r trong đó : 18 - phân tử l−ợng của hơi n−ớc ; 22,4(m3) - thể tích phân tử của hơi n−ớc ở điều kiện tiêu chuẩn p = 760 mmHg và t = 00C; m - Thể tích hơi n−ớc khi đốt m.h kg khí H 2 2 Có thể xác định gần đúng nhiệt trị thấp Qtk hoặc Qtm của nhiên liệu theo công thức Menđêlêép sau đây, nếu biết thành phần khối l−ợng của nhiên liệu lỏng hoặc thành phần thể tích của nhiên liệu khí - Nhiên liệu lỏng: Qtk = 33,915C + 126,0.h - 10,89 (Onl - s ) - 2,512 (9h + W), MJ/kg (2-6) - Nhiên liệu thể khí: Qtm = 12,8CO + 10,8H2 + 35,8CH4 + 56,0C2H2 + 59,5C2H4 + 63,4 C2H6+ 3 + 91C3H8 + 120 C4H10 + 144C5H12, (MJ/m tiêu chuẩn) (2-7) Rất dễ cho rằng khi chọn nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ phải dùng loại nhiên liệu có nhiệt trị lớn; nh−ng trên thực tế gây ảnh h−ởng trực tiếp tới công suất động cơ lại là nhiệt trị của 1m3 hoà khí (động cơ xăng) hoặc 1m3 không khí (động cơ điêden). ' 3 Qtm (MJ/m ), tiêu chuẩn đ−ợc xác định theo biểu thức sau: 1' Q tk - Hình thành hoà khí bên ngoài : Q tm = 1 22,4( ) μ + M nl 0 (2-8) 1 Q tk - Hình thành hoà khí bên trong : Q tm = 22,4M 0 trong đó: Qtk (MJ/kg) - nhiệt trị thấp của nhiên liệu lỏng; μnl (kmol) - phân tử l−ợng nhiên liệu 3 M0 (kg/kmol) - l−ợng không khí lý thuyết cần đê đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng; 22,4 (m ) - thể tích phân tử trong điều kiện tiêu chuẩn: p = 760 mmHg, t = 00C. 2.4.2 Tính bay hơi Tính bay hơi (thành phần ch−ng cất ) của nhiên liệu gây ảnh h−ởng lớn tới tính năng hoạt động của cả động cơ xăng lẫn động cơ điêden. Trên thực tế ng−ời ta th−ờng dùng các đ−ờng cong ch−ng cất để đánh giá tính bay hơi của nhiên liệu. Dùng thiết bị ch−ng cất (H.2.1), cứ 100C một lần xác định số l−ợng chất lỏng ch−ng cất đ−ợc, cuối cùng vẽ các đ−ờng cong (H.2.2), đó là các đ−ờng ch−ng cất của các loại nhiên liệu. Cách ch−ng cất nh− trên, Đặng Tiến Hòa - 23 -
nhiên liệu hoàn toàn cách ly với không khí. Trên thực tế, do đó điều kiện bay hơi của nhiên liệu trong động cơ khác xa điều kiện ch−ng cất, mặc dù cách ch−ng cất kể trên có thể đánh giá mức độ khó hoặc dễ hoá hơi của các loại nhiên liệu. Vì vậy còn có cách ch−ng cất cân bằng trong không khí, tức là cho không khí và nhiên liệu hoà trộn tr−ớc với nhau theo tỉ Hình2.1 lệ m=Gk/ Gnl(Gk - khối l−ợng không khí; Gnl - khối l−ợng nhiên liệu (đ−ợc bay hơi trong điều kiện cân bằng ấy). Kết quả xác định số phần trăm nhiên liệu bay hơi ở các nhiệt độ khác nhau với tỉ lệ hoà trộn khác nhau (các đ−ờng đứt (khuất ) trên hình 2.2). Qua thí nghiệm trên thấy rõ, nhiệt độ bay hơi thực tế thấp hơn nhiều so với nhiệt độ ch−ng cất cách li với không khí. ảnh h−ởng tính bay hơi của nhiên liệu tới tính năng họat động của động cơ xăng và động cơ điêden rất khác nhau, Vì vậy cần xét cụ thể cho từng tr−ờng hợp. 2.4.2.1 Mối quan hệ giữa tính bay hơi của xăng và tính năng họat động của động cơ dùng chế hoà khí. a) Tính năng khởi động Khi bật tia lửa điện, hoà khí dễ bén lửa nhất ở tỉ lệ hoà trộn m= 12:1ữ13:1. Khi khởi động tốc độ động cơ rất chậm, không khí và xăng hoà trộn không tốt, nhiệt độ bề mặt thành ống nạp , xilanh, piston vv rất thấp, do đó chỉ có khoảng 1/5 ữ 1/10 xăng đ−ợc bay hơi. Nếu bộ chế hoà khí đã đ−ợc điều chỉnh ở thành phần hoà khí tốt nhất, thì hoà khí thực tế vào động cơ lúc khởi động sẽ rất nhạt (đặc biệt khi trời lạnh), rất khó bén lửa và khởi động. Vì vậy phải đóng b−ớm gió để cung cấp hoà khí có thành phần m ≈ 1:1, làm cho hoà khí thực tế vào xilanh có giá trị sát với hoà khí tốt nhất. Lúc ấy chỉ cần khoảng 8% xăng phun vào đ−ợc bay hơi là đủ. Trên đ−ờng cong ch−ng cất, t−ơng ứng với 10% nhiên liệu bay hơi, toả nút hơi trên đ−ờng từ thùng chứa đến bộ hoà khí khi trời nóng, khiến l−u động của đ−ờng xăng thiếu linh hoạt, có thể Hình2.2 còn gây tắc bơm xăng làm cho động cơ chạy không ổn định, thậm chí làm chết máy. Tình trạng ấy dễ làm cho xe đang Đặng Tiến Hòa - 24 -
chạy nhanh với trọng tải lớn, đột nhiên chậm lại rồi dừng hẳn, không thể khởi động lại đ−ợc. Do đó điểm 10% không thể quá thấp, trong quy phạm về xăng th−ờng quy định áp suất bão hoà của xăng không quá 500mmHg . Tất nhiên nếu thiết kế đ−ờng xăng một cách hợp lý, tăng c−ờng năng lực hoạt động của bơm xăng và có biện pháp cách nhiệt hợp lý cũng có thể làm tăng khả năng tránh nút hơi kể trên. b)Nút hơi Nhiên liệu có điểm 10% càng tháp , càng dễ hình thành bọt hơi tạo ra nút hơi trên đ−ờng từ thùng chứa đến bộ chế hoà khí khi trời nóng, khiến l−u động của đ−ờng xăng thiếu linh hoạt có thể còn gây tắc bơm xăng làm cho động cơ chạy không ổn định, thậm chí làm chết máy. Tình trạng ấy dễ làm cho xe đang chạy nhanh vớ trọng tải lớn, đột nhiên châm lại dồi dừng hẳn, không thể khởi động lại đ−ợc. Do đó điểm 10% không thể quá thấp , trong quy phạm xăng th−ờng quy dịnh áp suất bão hoà của xăng không quá 500mmHg. Tất nhiên nếu thiết kế đ−ờng xăng và có bịên pháp cách nhịêt hợp lí cũng có thể làm tăng khả năng tránh nút hơi kể trên. c) Chạy ấm máy Sau khi khởi động, cần cho động cơ chạy chậm đợi máy ấm dần để nhiên liệu lỏng còn đọng trên thành ống đ−ợc bay hơi, sau đó có thể tăng tải dần cho động cơ. Thời gian từ lúc khởi động đến lúc tăng tải là thời gian chạy ấm máy. Thí nghiệm chỉ rằng, xăng có điểm 20% ữ 50% càng thấp, thì thời gian chạy ấm máy càng ngắn và tính cơ động của động cơ càng tốt. d) Tính tăng tốc Lúc mở b−ớm ga đột ngột làm động cơ tăng tốc, mặc dù cả nhiên liệu và không khí đi vào không gian chế hoà khí đều tăng nh−ng một phần xăng ch−a kịp bay hơi đọng lại trên thành ống là cho hoà khí thực tế đi vào xilanh động cơ trở nên loãng, gây ảnh h−ởng tới tính năng Hình2.3 tốc độ của động cơ. Mức độ gây ảnh h−ởng ấy tuỳ thuộc vào hình dạng của đ−ờng ch−ng cất, nhiệt độ động cơ và tỉ lệ hoà trộn m khi tăng tốc. Ví dụ, nếu nhiệt độ thấp, hoà khí loãng thì phần d−ới của đ−ờng ch−ng cất gây tác dụng lớn, ng−ợc lại thì phần trên sẽ gây tác dụng không lớn. Nếu nhiệt độ đ−ờng ống nạp lớn mà dùng xăng dễ bay hơi trong động cơ có thiết bị tăng tốc, có thể làm cho hoà khí quá đậm, gây tác hại xấu cho tính tăng tốc. Nhìn chung muốn cho động cơ dễ tăng tốc cần dùng loại xăng có điểm 35 ữ 65 % t−ơng đối thấp. Thông th−ờng ng−ời ta lấy điểm 50% làm tiêu chuẩn đánh giá tính năng của xăng. e) Phân phối Đặng Tiến Hòa - 25 -
Thực nghiệm chỉ rằng: khoảng 1/2 xăng kịp bay hơi trên đ−ợc nạp sẽ đảm bảo nhiên liệu phân phối đều vào các xilanh. Do đó điểm 50% có ý nghĩa quan trọng đối với chất l−ợng phân phối xăng khi đi vào các xilanh. g) Cháy Muốn có chất l−ợng cháy tốt trong động cơ xăng cần đảm bảo cho xăng kịp bay hơi hết tr−ớc khi bật tia lửa điện. Do đó điểm hoá s−ơng mù của hoà khí phải rất thấp. Điểm s−ơng mù lại phụ thuộc vào điểm 90%. Nếu điểm 90% cao quá sẽ làm cho nhiên liệu cháy không kiệt, tạo khói đen, trong buồng cháy có nhiều muội than. Nếu điểm 90% thấp quá sẽ làm cho hoà khí vào xilanh quá "khô", gây giảm công suất và làm tăng khuynh h−ớng kích nổ. h) Gây loãng dầu nhờn trang cácte Nếu tính bay hơi chung của xăng không tốt và nếu điểm s−ơng mù của hoà khí quá cao, xăng có thể ng−ng đọng trên thành xilanh và lọt xuống cácte làm loãng và phá hỏng dầu nhờn ở cácte. Tình trạng này càng trầm trọng khi khời động lạnh và khi chạy ấm máy. Vì vậy điểm 90% của đ−ờng ch−ng cất không đ−ợc cao quá. i) L−ợng khí nạp Nếu nhiệt độ đ−ờng nạp thấp, sẽ làm tăng mật độ khí nạp. Do đó tính bay hơi của nhiên liệu càng tốt, lúc ấy do nhiệt độ ẩn của nhiên liệu bay hơi gây ra sẽ làm giảm càng nhiều nhiệt độ và tăng càng nhiều l−ợng khí nạp vào xilanh. 2.4.2.2 Tính bay hơi của nhiên liệu điêden Nhiên liệu phun vào buồng cháy động cơ điêden đ−ợc bốc cháy sau khi hình thành hoà khí. Trong thời gian cháy trễ tốc độ và số l−ợng bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào tính bay hơi của nhiên liệu phun vào động cơ. Tốc độ bay hơi của nhiên liệu ảnh h−ởng tới tốc độ hình thành hoà khí trong buồng cháy. Thời gian hình thành hoà khí của động cơ điêden cao tốc rất ngắn, do đó cần đòi hỏi tính bay hơi cao của nhiên liệu. Nhiên liệu có nhiều thành phần ch−ng cất nặng rất khó bay hơi hết, nên không thể hình thành hoà khí kịp thời , làm tăng cháy rớt, ngoài ra phần nhiên liệu ch−a kịp bay hơi khi hoà khí đã cháy, do tác dụng của nhiệt độ cao dễ bị phân giải (cracking) tạo nên các hạt C khó cháy. Kết quả, làm tăng nhiệt độ khí xả của động cơ, tăng tổn thất nhiệt, tăng muội than trong buồng cháy và trong khi xả làm giảm hiệu suất và độ hoạt động tin cậy của động cơ. Nh−ng nếu thành phần ch−ng cất nhẹ quá, sẽ khiến hoà khí khó tự cháy, làm tăng cháy trễ và khi hoà khí đã bắt đầu tự cháy thì hầu nh− toàn bộ thành phần ch−ng cất nhẹ của nhiên liệu đã phun vào động cơ sẽ bốc cháy tức thời, khiến tốc độ tăng áp suất lớn, gây tiếng nổ thô bạo, không êm. Mỗi loại buồng cháy của động cơ điêden có đòi hỏi khác nhau về tính bay hơi của nhiên liệu. Các buồng cháy dự bị và xoáy lốc có thể dùng nhiên liệu với thành phần ch−ng cất nhẹ. Thực nghiệm chỉ rằng: các buồng cháy ngăn cách có thể dùng nhiên liệu có thành phần ch−ng cất khá rộng từ 150 ữ 1800C đến 360 ữ 4000C, buồng cháy thống nhất dùng nhiên liệu có thành phần ch−ng cất trong khoảng 200 ữ 3300C. Riêng động cơ đa nhiên liệu không có yêu cầu gì đặc biệt đối với tính bay hơi của nhiên liệu. 2.4.3. Tính l−u động ở nhiệt độ thấp và tính phun s−ơng của nhiên liệu điêden 2.4.3.1. Điểm kết tủa Đặng Tiến Hòa - 26 -
ở nhiệt độ thấp hàm l−ợng paraphin (chất ankan cao phân tử) và n−ớc lẫn trong nhiên liệu điêden sẽ kết tinh tạo ra những tinh thể nhỏ khiến nhiên liệu trở thành dịch thể dạng đục. Lúc ấy tính, l−u động của nhiên liệu tuy ch−a mất hẳn, nh−ng các tinh thể trên có thể gây tắc bình lọc và đ−ờng ống làm ng−ng cấp nhiên liệu. Nhiệt độ khiến nhiên liệu bắt đầu xuất hiện các tinh thể kể trên đ−ợc gọi là điểm đục. Tiếp tục hạ thấp nhiệt độ sẽ hình thành các tinh thể dạng l−ới, làm mất dần tính l−u động do bị kết tủa. Nhiệt độ của điểm này đ−ợc gọi là điểm kết tủa, ng−ời ta th−ờng dùng nó để phân loại nhiên liệu điêden. Khi chọn nhiên liệu điêden cần đảm bảo cho điểm kết tủa thấp hơn nhiệt độ cực tiểu của môi tr−ờng khoảng 3 ữ 50C, ngoài ra điểm đục và điểm kết tủa phải sát nhau (th−ờng không quá 70C). Điểm kết tủa của nhiên liệu điêden phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hoá học của nó. Càng nhiều thành phần ankan chính điểm kết tủa càng cao, càng dễ tự cháy, izôankan có điểm kết tủa thấp, khó tự cháy, các loại hyđrôcacbon mạch thẳng không bão hoà có điểm kết tủa thấp, nh−ng rất không ổn định, dễ kết keo, tích than. Thành phần lý t−ởng của nhiên liệu điêden là izôankan phân tử lớn dài có mạch ngang. Nhiên liệu điêden có gốc paraphin th−ờng có điểm kết tủa cao, có thể đ−ợc hạ thấp bằng cách xử lý khử paraphin để khử bớt các phần tử lớn của ankan, nh−ng cách đó làm giảm tính tự cháy của nhiên liệu, có thể làm giảm điểm kết tủa bằng cách pha thêm phụ gia. 2.4.3.2 Độ nhớt Lực cản giữa các phân tử khi chất lỏng chuyển động d−ới tác dụng của ngoại lực đ−ợc gọi là nhớt. Nếu độ nhớt của nhiên liệu điêden quá lớn sẽ gây khó khăn cho l−u động của nhiên liệu từ thùng chứa đến bơm, giảm độ tin cậy cho họat động của bơm, gây khó khăn cho việc xả khí khỏi hệ thống và việc xé tới phun s−ơng nhiên liệu qua vòi phun sẽ kém, khiến nhiên liệu và không khí hoà trộn không đều, làm giảm công suất và hiệu suất động cơ, Nh−ng nếu độ nhớt của nhiên liệu điêden nhỏ quá sẽ gây khó khăn cho việc bôi trơn mặt ma sát của các cặp bộ đôi bơm cao áp và hành trình tia nhiên liệu trong buồng cháy. Nh− vậy cần đảm bảo độ nhớt hợp lý. 2.4.4 Nhiệt độ bén lửa và nhiệt độ tự bốc cháy 2.4.4.1 Nhiệt độ bén lửa Nhiệt độ bén lửa là nhiệt độ thấp nhất để hoà khí bén lửa. Nhiệt độ bén lửa phản ánh số l−ợng thành phần ch−ng cất nhẹ của nhiên liệu, nó đ−ợc dùng làm chỉ tiêu phòng hoả với nhiên liệu dùng trên tàu thuỷ không đ−ợc thấp hơn 65 0C 2.4.4.2 Nhiệt độ tự bốc cháy Nhiệt độ tự bốc cháy là nhiệt độ thấp để hoà khí (hỗn hợp nhiên liệu và không khí ) tự bốc cháy mà không cần nguồn nhiệt bên ngoài châm cháy. Nhiệt độ tự cháy của hoà khí phụ thuộc vào nhiên liệu. Thông th−ờng phân tử l−ợng nhiên liệu càng lớn thì nhiệt độ tự cháy càng thấp và ng−ợc lại. Nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu còn phụ thuộc vào khối l−ợng riêng (mật độ) của hoà khí, mật độ càng lớn thì nhiệt độ tự cháy càng thấp, vì số lần va đập giữa các phân tử tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với mật độ. Đặng Tiến Hòa - 27 -
2.4.5 Đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu điêden Tính tự cháy của hoà khí (nhiên liệu) trong buồng cháy là một chỉ tiêu quan trọng của nhiên liệu điêden. Trong động cơ điêden, nhiên liệu đ−ợc phun vào buồng cháy ở cuối kỳ nén, nó sẽ không bốc cháy ngay mà phải qua một thời gian chuẩn bị làm thay đổi các tính chất vật lý và hoá học (xé tơi tia nhiên liệu thành các hạt nhỏ, các hạt đ−ợc sấy nóng, bay hơi và hoà trộn với không khí tạo nên hoà khí trong buồng cháy, các phân tử O2 và nhiên liệu trong hoà khí va đập với nhau tạo phản ứng chuẩn bị cháy vv ) sau đó mới tự bốc cháy. Thời gian tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu tới lúc hoà khí bốc cháy đ−ợc gọi là thời kỳ cháy trễ và đ−ợc đo bằng thời gian τi (giây) hoặc góc quay trục khuỷu ϕi (độ). Trên thực tế nhiều ta th−ờng dùng các chỉ tiêu sau để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu điêden. 2.4.5.1. Tỷ số nén tới hạn εth Đ−ợc xác định trên các động cơ thử nghiệm. Điều kiện thử nghiệm nh− sau: Tốc độ động cơ n = 900 ± 1 vòng/ phút Góc phun sớm 0 ϕps = 13 góc quay trục khuỷu, tr−ớc ĐCT; Nhiệt độ n−ớc làm mát 0 tn = 100 ± 2 C; Nhiệt độ không khí trên đ−ờng nạp 0 tk = 65 ± 1 C; Nhiệt độ dầu trong cácte 0 td = 50 ữ65 C; áp suất dầu pd = 0,17 ữ 0,21 MPa; áp suất nâng kim phun pph = 10,5 ± 0,4 MPa; L−u l−ợng nhiên liệu Qnl = 10ml/phút; Khe hở xupáp lúc lạnh δnạp = 0,20mm; δxả = 0,25 mm. Cho động cơ hoạt động bằng nhiên liệu cần thử nghiệm, thay đổi tỉ số nén ε sao cho 0 thời gian cháy trễ ϕi = 13 góc quay trục khủyu (thời điểm bắt đầu cháy tại ĐCT). Tỷ số nén thu đ−ợc trong điều kiện đó chính là εth(đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu trong động cơ ). Nhiên liệu nào có εth càng thấp , tính tự cháy của nó càng tốt (dễ tự cháy). 2.4.5.2 Số xêtan. Số xêtan của nhiên liệu điêden đ−ợc xác định theo nhiên liệu mẫu do hỗn hợp của hyđrôcacbon: chất xêtan chính (C16H34) và chất α - Mêtylnaptalin ( α - C10H7CH3) với tính tự cháy rất khác nhau. Tính tự cháy của xêtan đ−ợc lấy là 100 đơn vị, còn α - Mêtylnaptalin là 0 đơn vị. Pha trộn hai chất trên theo tỉ lệ thể tích khác nhau sẽ đ−ợc các nhiên liệu mẫu có tính tự cháy thay đổi từ 0 đến 100 đơn vị. Số xêtan của nhiên liệu điêđen là số phần trăm thể tích của chất xêtan chính (C16H34) có trong hỗn hợp của nhiên liệu mẫu, hỗn hợp này có tính tự cháy bên trong xi lanh động cơ thử nghiệm với các điều kiện thử nghiệm quy định vừa bằng tính tự cháy của nhiên liệu cần thử nghiệm. Ví dụ: Hỗn hợp của nhiên liệu mẫu pha chế theo thể tích gồm 40% chất xêtan chính và 60% chất α - Mêtylnaptalin; trong buồng cháy của động cơ thử nghiệm có tính tự cháy (εth) nh− nhiên liệu cần thử nghiệm. Nh− vậy nhiên liệu cần thử nghiệm có số xêtan là 40. Đặng Tiến Hòa - 28 -
2.4.5.3 Số xêten Đ−ợc xác định t−ơng tự nh− số xêtan, chỉ khác là trong hỗn hợp của nhiên liệu mẫu ng−ời ta thay xêtan bằng xêten (Ghecxađêken) C16H32. Tính tự cháy của xêten kém hơn xêtan, do đó số xêten lớn hơn số xêtan: số xêten ≈ 0,88 số xêtan Nh−ng vì chất xêten có tính ổn định kém, nên hiện nay không dùng xêten làm thành phần của nhiên liệu mẫu. 2.4.5.4 Chỉ số điêden. Chỉ số diêden Đ là đại l−ợng quy −ớc, đ−ợc dùng để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu điêden. Chỉ số điêden Đ đ−ợc xác định theo biểu thức sau: 1 Đ= (141,5 −131,5γ)(1,8A + 32) (2-9) 100γ Trong đó: γ (kg/cm3) - Khối l−ợng riêng của nhiên liệu ở 150C; A(0C) - Điểm anilin, tức là nhiệt độ kết tủa của nhiên liệu cần thí nghiệm pha trong anilin theo tỷ lệ thể tích 1:1; Chỉ số điêden Đ đ−ợc xác định ở phòng thí nghiệm hoá chất t−ơng đối đơn giản, nh−ng kém chính xác. Ngoài ra hằng số độ nhớt - khối l−ợng W cũng là một chỉ tiêu đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu bằng ph−ơng pháp gián tiếp đ−ợc xác định trong phòng thí nghiệm hoá chất. Hiện nay th−ờng dùng số xêtan để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu điêđen. 2.4.6 Đánh giá tính chất chống kích nổ của nhiên liệu động cơ xăng Quá trình cháy của động cơ xăng đ−ợc bắt đầu từ tia lửa điện phóng qua 2 cực nến điện, xuất phát từ đó màng lửa lan rộng dần, đốt hết hoà khí trong buồng cháy. Tr−ờng hợp cháy bình th−ờng, tốc độ lan của màng lửa vào khoảng 20 ữ 40 m/s. Có thể xảy ra tr−ờng hợp số hoà khí ở xa cực nến lửa do bị dồn ép làm tăng nhanh áp suất và nhiệt độ khiến tự nó bốc cháy khi màng lửa ch−a lan tới, đó là hiện t−ợng kích nổ. Nếu xảy ra kích nổ, do phần hoà khí gây ra kích nổ có thể tới 1500 ữ 2000 m/s, khiến áp suất tăng nhanh tạo ra sóng kích nổ với c−ờng độ lớn, va đập lên thành buồng cháy và sinh ra sóng phản hồi, các sóng trên gây rung động thành buồng cháy, gây tiếng gõ kim loại và gây nhiều tác hại nghiêm trọng khác cho động cơ. Vì vậy, ng−ời ta đã tìm mọi giải pháp tránh không để xảy ra kích nổ, tr−ớc tiên là các giải pháp về nhiên liệu. Kích nổ có liên hệ mật thiết với tính tự cháy của nhiên liệu. Nhiên liệu khó tự cháy sẽ khó sinh ra kích nổ. Nh− vậy tính năng chống kích nổ của nhiên liệu gắn liền với tính năng khó tự cháy của nó. Để đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu, ng−ời ta dùng tỉ số nén có lợi nhất ε cl , đó là tỉ số nén lớn nhất cho phép về mặt kích nổ. Xác định ε cl đ−ợc thực hiện trên động cơ khảo nghiệm một xi lanh, có thể thay đổi tỉ số nén với các quy định chặt chẽ về: tốc độ động cơ, góc đánh lửa sớm, nhiệt độ n−ớc, dầu và khí nạp, loại dầu, áp suất dầu, loại nến điện, khe hở xupáp, đ−ờng kính họng bộ chế hoà khí, tải, thành phần hoà khí . Khi làm thực nghiệm ng−ời ta tăng dần tỉ số nén cho tới khi xảy ra kích nổ sẽ tìm đ−ợc ε cl cuả nhiên liệu khảo nghiệm. Nhiên liệu có ε cl càng lớn, tính chống kích nổ càng tốt. Thực tế ng−ời ta th−ờng dùng số ốctan để đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu. Bản chất của việc xác định số ốctan của nhiên liệu trên động cơ khảo nghiệm là so sánh nhiên Đặng Tiến Hòa - 29 -
liệu cần khảo nghiệm với nhiên liệu mẫu, khi động cơ hoạt động trong điều kiện thực nghiệm đ−ợc quy định chặt chẽ. Nhiên liệu mẫu gồm hai thành phần: izôôctan (2,2,4 - Trimêtylpentan C8H18) và heptan chính(C7H17) có tính chất lý hoá t−ơng tự nh−ng lại rất khác nhau về tính tự cháy (tính gây kích nổ ). Izôôctan rất khó tự cháy (khó kích nổ ) còn heptan chính rất dễ tự cháy (dễ kích nổ) . Khả năng chống kích nổ của Izôôctan có giá trị là 100 đơn vị, còn heptan chính là 0 đơn vị. Hoà trộn hai thành phần trên theo tỉ lệ thể tích khác nhau sẽ đ−ợc các hỗn hợp của nhiên liệu mẫu với số ốc tan thay đổi từ 0 đến 100 đơn vị. Nh− vậy số ốctan là chỉ tiêu đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu. Giá trị của số ốctan là số phần trăm (thành phần thể tích) của hàm l−ợng Izôôctan chứa trong hỗn hợp nhiên liệu mẫu pha chế với heptan chính. 2.5 L−ợng không khí cần thiết để đốt cháy hoμn toμn một kilôgam nhiên liệu lỏng hoặc 1 kmol (1 m3) nhiên liệu khí 2.5.1 L−ợng không khí cần thiết để đốt cháy kiệt 1kg nhiên liệu lỏng Hoà khí dùng cho động cơ đốt trong có hai thành phần: Thành phần thứ nhất là nhiên liệu, còn thành phần thứ hai là không khí . Muốn xác định l−ợng hoà khí trên đối với 1 kg nhiên liệu lỏng, tr−ớc tiên phải xác định l−ợng không khí cần thiết để đốt kiệt số nhiên liệu đó. Khi đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng, các thành phần c của C và h của H2 sẽ chuyển thành CO2 và H2O theo ph−ơng trình phản ứng sau: C + O = CO + 406976 kJ ⎫ 2 2 ⎪ (2 - 10) 1 ⎬ H + O = H O (thể n−ớc) + 287000 kJ ⎪ 2 2 2 2 ⎭ Nếu 1 kg nhiên liệu lỏng gồm có: c kg C, h kg H2 và Onl kg O2 , từ (2 - 10) có thể viết: 12kg C + 32kg O2 = 44 kg CO2 2kg H2 + 16kg O2 = 18kg H2O 8 11 Từ đó có: c kg C + kg O = kg CO (2 -11) 3 2 3 2 h kg H2 + 8h kg O2 = 9h kg H2O (2 - 12) Nếu tính số l−ợng O2, CO2 và H2O theo đơn vị kmol sẽ đ−ợc: c c c kg C + kmol O = kmol CO (2 - 13) 12 2 12 2 h h h kg H + kmol O = kmol H O (2 - 14) 2 4 2 2 2 Trong hoà khí của động cơ hình thành hoà khí bên trong, thành phần C và H2 ở các dạng thể lỏng của nhiên liệu, thể tích rất nhỏ có thể l−ợc bỏ (không đáng kể). Các biểu thức (2 - 13) và (2 - 14) chỉ rằng: Phản ứng của C khiến thể tích môi chất tr−ớc và sau phản ứng đ−ợc giữ nguyên không đổi, còn phản ứng của H2 khiến thể tích môi chất tăng gấp hai lần sau khi phản ứng. Nếu O' (kg/kg) và Oct (kmol/kg) là l−ợng O2 lý thuyết cần thiết để đốt cháy kiệt 1 kg nhiên liệu lỏng, theo (2 - 2) và (2 - 12) sẽ tính đ−ợc: 8 O ' = c + 8h − O (kg/kg nhiên liệu) (2 - 15) ct 3 nl Theo (2 - 2 ), (2 - 13) và (2 - 14) sẽ tính đ−ợc: Đặng Tiến Hòa - 30 -
c h O O = + − nl (kmol/kg nhiên liệu ) (2 - 16) ct 12 4 32 L−ợng O2, dùng để đốt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ, là l−ợng O2 trong không khí. Không khí gồm hai thành phần chính là: O2 và N2. Tính theo thành phần khối l−ợng của không khí khô: O2 chiếm 0,232 (23,2%) còn N2 chiếm ≈ 76,8%. Tính theo thành phần thể tích (thành phần mol) O2 chiếm 0,209 ( ≈ 21%) , còn N2 chiếm ≈ 79%. Do đó l−ợng không khí lý thuyết cần để đốt kiệt 1 kg nhiên liệu là L0 (kg không khí /kg nhiên liệu ) hoặc M0 (kmol không khí/ kg nhiên liệu ) sẽ là: O' 1 8 L = ct = ( c + 8h − O ) ; (kg không khí /kg nhiên liệu ) (2 - 17) 0 0,232 0,232 3 nl O 1 c h O c h O M = ct = ( + − nl ) = (1+ 3 − 0,375 nl ) ;(kmol/kg nhiên liệu ) 0 0,21 0,21 12 4 32 0,21x12 3 c (2 - 18) Thông th−ờng để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu lỏng cần phải có xấp xỉ 15 kg không khí khô. 2.5.2. Đối với nhiên liệu thể khí Nếu coi các thành phần nhiên liệu thể khí gồm khí trơ N2 và H2S và những chất khí do các nguyên tử C, H, O tạo nên đ−ợc viết d−ới dạng ∑Cn H mOr và nếu l−ợc bỏ l−ợng rất nhỏ của H2S thì 1mol nhiên liệu thể khí đ−ợc thể hiện qua biểu thức (2-1). Trong một phân tử chất CnHmOr có n nguyên tử C, m/2 phân tử H2 và r/2 phân tử O2. Do đó để đốt kiệt n mol C cần có n mol O2, và thu đ−ợc n mol khí CO2 ; đốt kiệt m/2 mol H2 cần có m/4 mol khí O2 và thu đ−ợc m/2 mol hơi n−ớc (H2O). trong nhiên liệu có r/2 mol khí O2 vì vậy ph−ơng trình phản ứng oxy hoá của một mol CnHmOr sẽ là : m r m CH O + (n + − ) O = nCO + H O (2-19) n m r 4 2 2 2 2 2 Thí dụ : ph−ơng trình phản ứng của C2H4 với O2, theo (3-19) sẽ là : C2H4 + (2 + 4/4 – 0) O2 = 2CO2 +2H2O 3 Do đó l−ợng không khí lý thuyết MO kmol cần để đốt kiệt 1 kmol hoặc VO (m ) để đốt 1m3 nhiên liệu thể khí với thứ nguyên (kmol không khí/kmol nhiên liệu) hoặc(m3 không khí/m3 nhiên liệu) sẽ là : 1 m r M = V = ∑ (n + − ) C H O (2-20) O O 0,21 4 2 n m r trong đó : CnHmOr - thành phần thể tích của mỗi khí thành phần t−ơng ứng trong nhiên liệu khí. Nếu l−ợng không khí thực tế đ−ợc đ−a vào động cơ để đốt một kg nhiên liệu lỏng là M(kmol không khí/kgnhiên liệu) hoặc L(kg không khí/kg nhiên liệu) hoặc (m3 không khí/m3 nhiên liệu) sẽ đ−ợc biểu thức sau : M L V α = = = (2-21) M o Lo Vo Đặng Tiến Hòa - 31 -
Từ (2-21) sẽ xác định đ−ợc l−ợng không khí thực tế để đốt 1kg nhiên liệu lỏng hoặc 1kmol (hay 1 m3) nhiên liệu khí nh− sau : - Đối với nhiên liệu lỏng : M = α MO (kmol không khí /kg nhiên liệu) (2-22) hoặc L = α LO (kg không khí /kg nhiên liệu) (2-23) - Đối với nhiên liệu khí : M = α MO (kmol không khí /kmol nhiên liệu ) (2-24) 3 3 V = α VO (m không khí/m nhiên liệu) Khi dùng đơn vị m3 cần đ−a về điều kiện tiêu chuẩn với p = 760 mmHg và t = 0OC. 2.6. Hoμ khí mới vμ sản vật cháy 2.6.1. Hoà khí mới Hoà khí trong động cơ điêden gồm không khí và nhiên liệu, đ−ợc hình thành bên trong buồng cháy động cơ vào cuối quá trình nén. Thể tích nhiên liệu lỏng so với thể tích không khí trong buồng cháy động cơ là rất nhỏ, nên khi tính số kmol hoà khí mới của động cơ điêden, ng−ời ta th−ờng l−ợc bỏ thể tích này và coi hoà khí chỉ là số kmol (hoặc m3) không khí mới. Vì vậy nếu M1 là hoà khí mới của động cơ quy về 1 kg nhiên liệu lỏng, đối với động cơ điêden sẽ là : M1 = M = α MO (kmol/kg nhiên liệu) (2-25) - Động cơ xăng hình thành hoà khí bben ngoài nên trong hoà khí, ngoài không khí còn có hơi của một kg nhiên liệu, vì vậy M1 sẽ là : 1 1 M1 = M + = α MO + (kmol/kg nhiên liệu) (2-26) μnl μnl trong đó μnl - phân tử l−ợng của xăng ; μnl ≈ 114 - Trong máy ga – hoà khí mới gồm không khí và nhiên liệu thể khí, vì vậy để đốt 1kmol (hoặc 1m3) nhiên liệu khí, hoà khí mới sẽ là : M1 = M + 1 = α MO + 1 ; kmol/kmol nhiên liệu 3 3 V1 = V +1 = α VO + 1 ; m /m nhiên liệu 3 3 Biết số l−ợng hoà khí M1 (kmol) của 1 kg nhiên liệu lỏng hoặc V1 (m ) của 1m nhiên 3 3 liệu khí, sẽ tính đ−ợc nhiệt trị của 1m tiêu chuẩn của hoà khí Q’tm (MJ/m hoà khí) khi α = 1. -Nhiên liệu động cơ điêden : , Qtk 3 Qtm = ; (MJ/m ) 22,4M o - Nhiên liệu xăng, hình thành hòa khí bên ngoài : Q Q, = tk , (MJ/m3) tm 1 22,4( + M o ) μnl - Nhiên liệu khí : , Qtm 3 Qtm = , (MJ/m ) ; Vo +1 trong đó : Qtk (MJ/kg) – nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu lỏng ; Đặng Tiến Hòa - 32 -
, 3 3 Qtm (MJ/m ) – nhiệt trị thấp của 1 m tiêu chuẩn nhiên liệu khí. 2.6.2. Sản vật cháy đối với tr−ờng hợp cháy hoàn toàn (α ≥ 1) 1) Nhiên liệu lỏng Với α ≥ 1 sản vật cháy sẽ gồm CO2, hơi n−ớc H2O, ôxy thừa và N2 (chứa trong không khí đ−a vào động cơ). Số mol các chất khí t−ơng ứng M , M , M và M (dựa vào CO2 H 2 O O2 N 2 (2-13), (2-14) và thành phần thể tích của O2 và N2 trong không khí khô) sẽ là : c h M CO = ; M H O = ; M O = 0,21 (α - 1)MO ; M N = 0,79 α MO 2 12 2 2 2 2 Nếu M2 (kmol/kg nhiên liệu) là sản vật cháy của một kg nhiên liệu sẽ tính M2 nh− sau : c h M2 = M CO + M H O + M O + M N = + + 0,21 (α - 1)MO + 0,79 2 2 2 2 12 2 c h α M = + +α M - 0,21M . O 12 2 O O Thay 0,21MO nhờ (2-18) vào biểu thức trên, rồi chỉnh lý sẽ đ−ợc : h O M = α M + + nl (kmol/kg nhiên liệu) (2-28) 2 O 2 32 2) Nhiên liệu khí Các thành phần trong sản vật cháy của nhiên liệu khí đ−ợc tính theo (kmol/kmol nhiên 3 3 liệu hoặc m /m nhiên liệu) nhờ biểu thức (2-19) và thành phần thể tích O2 và N2 trong không khí khô, sẽ đ−ợc : m M CO = ∑ nCn HmOr ; M H O = ∑ Cn HmOr ; M O = 0,21 (α - 1)MO 2 2 2 2 M = 0,79 α M + N (trong đó N – thành phần thể tích của N trong 1kmol hoặc N 2 O 2 2 2 1m3 nhiên liệu khí). 3 3 Nếu M2 hoặc V2 (kmol/kmol nhiên liệu hoặc m /m nhiên liệu khí, ta sẽ đ−ợc : i=4 m M2 = ∑Mi = ∑(n + )Cn HmOr + α MO - 0,21MO + N2 (2-29) i=1 2 Thay giá trị 0,21MO nhờ (2-20), cộng và trừ vế phải của (2-29) với ∑Cn H mOr sẽ đ−ợc : m m r M 2 = ∑(n + − n − + −1)Cn HmOr + Cn H mOr + N2 + α MO 2 4 2 ∑ Nhờ (2-1) biểu thức trên sẽ có dạng : m r M 2 = ∑( + −1)Cn HmOr + (1 + α MO) ; kmol/kmol nhiên liệu 4 2 T−ơng tự nh− trên sẽ đ−ợc : ⎛ m r ⎞ 3 3 V2 = ∑⎜ + −1⎟Cn HmOr + ()1+ αVo m /m nhiên liệu ⎝ 4 2 ⎠ Đặng Tiến Hòa - 33 -
2.6.3. Sản vật cháy của nhiên liệu lỏng đối với tr−ờng hợp cháy không hoàn toàn (α < 1) Đối với tr−ờng hợp (α < 1), ở động cơ hình thành hoà khí bên ngoài do thiếu O2 (vì thiếu không khí) nên một phần C của nhiên liệu đ−ợc cháy thành CO và một phần H2 của hiên liệu không đ−ợc cháy. Nh− vậy trong tr−ờng hợp α < 1, thành phần của sản vật cháy gồm có M , M , M và M . Phân tích thành phần sản vật cháy trong tr−ờng hợp α < 1 CO2 H 2 O O2 N 2 thấy rằng tỉ số giữa M (ch−a cháy) và M hầu nh− không đổi và không phụ thuộc vào α . H 2 CO Gọi K là giá trị của tỉ số trên ta có : M H K = 2 (2-31) MCO h h Giá trị K chủ yếu phu thuộc vào tỉ số của nhiên liệu. Với = 0,13 thì K = 0,3 ; nếu c c h = 0,17 ữ 0,19 thì K = 0,45 ữ 0,50. Phản ứng của C với O trong điều kiện thiếu O có dạng c 2 2 sau : C + 1/2 O2 = CO + 124019 kJ (2-32) Từ (2-32) sẽ đ−ợc : c c c kg C + kmol O = kmol CO (2-33) 24 2 12 c So sánh (2-13) với (2-33) thấy rằng : nếu đủ O ( kmol) đốt cháy c kg C sẽ thu đ−ợc 2 12 c c c kmol khí CO ; nếu số O là kmol chỉ đủ đốt c kg C thành CO ta cũng sẽ thu đ−ợc 12 2 2 24 12 c c kmol, nh−ng là khí CO. Nh− vậy nếu < M O < , thì một phần C sẽ chuyển thành CO2, 24 2 12 phần còn lại do thiếu O2 chỉ chuyển thành CO, nh−ng bao giờ ta cũng có : c M CO + M CO = kmol (2-34) 2 12 Đối với H2 cũng vậy, do thiếu O2 nên một phần H2 đ−ợc chuyển thành H2O theo (2- 14), còn một phần H2 không đ−ợc cháy vẫn giữ nguyên H2. h h Nếu h kg H có đủ kmol O để cháy hết (3-14), sẽ thu đ−ợc kmol H O, còn nếu h 2 4 2 2 2 h kg H không có O để cháy sẽ có số kmol là kmol H . Cũng lập luận nh− trên, nếu 0 < M 2 2 2 2 O2 h < , khi đốt h kg H ta sẽ thu đ−ợc M và M , luôn thoả mãn : 4 2 H2O H2 h M + M = kmol (2-35) H2O H2 2 Ngoài ra khi cân bằng l−ợng O chứa trong M , M và M với số O chứa 2 CO2 CO H2O 2 trong không khí và nhiên liệu ta đ−ợc : Đặng Tiến Hòa - 34 -
1 1 O M + M + M = 0,21 α M + nl (2-36) CO2 2 CO 2 H2O O 32 Bốn ph−ơng trình (2-31), (2-34), (2-35) và (2-36) cho ta tìm 4 ẩn số M , M , CO CO2 M , M còn giá trị M sẽ tính theo thành phần thể tích của N trong không khí. Cuối H2 H2O N2 2 cùng thu đ−ợc : 1− α M = 0,42 M (2-37) CO 1+ K o c 1− α M = - 0,42 M ; (2-38) CO2 12 1+ K o 1− α M = 0,42K M ; (2-39) H2 1+ K o h 1− α M = - 0,42K M ; (2-40) H2O 2 1+ K o M = 0,79α M (2-41) N2 O c h và : M = M + M + M + M + M = + + 0,79α M 2(α 1, từ (2-26) và (2-28), ta đ−ợc : O h + nl 1 ΔM = 8 - , (kmol/kg nhiên liệu) (2-44) 4 μnl Trong tr−ờng hợp 0,7 < α < 1, từ (2-26) và (2-43), ta đ−ợc : c h 1 ΔM = + + 0,79 α MO – (α MO + ) 12 2 μnl c h 1 Onl Onl = + - 0,21 α MO - + - 12 2 μnl 32 32 Đặng Tiến Hòa - 35 -
O h + nl 8 1 = 0,21 (1- α )MO + - (kmol/kg nhiên liệu) (2-45) 4 μnl Các biểu thức (2-43), (2-44) và (2-45) chỉ rằng : khi đốt nhiên liệu lỏng, só phân tử (kmol) môi chất luôn luôn tăng (ΔM > 0), chính vì trong một phân tử hyđrôcacbon lỏng hầu hết đều chứa từ bốn phân tử H2 trở lên khiến cho các phân tử này chỉ là một phần nhỏ nằm trong thể tích của một phân tử hyđrôcacbon đã hoặc ch−a hoá hơi. Kết quả cuả ΔM > 0 sẽ làm tăng áp suất sau khi cháy (nếu giữ thể tích không đổi), còn trong tr−ờn hợp giữ áp suất p = const sẽ làm tăng thể tích để sinh công. - Đối với nhiên liệu thể khí, trong tr−ờng hợp α ≥ 1, từ (2-20), (2-27) và (2-30) ta đ−ợc : m r ΔM = ( + −1)C H O (kmol/kmol n.l hoặc m3/m3 n.l) (2-46) ∑ 4 2 n m r Từ (2-46) thấy rằng : ΔM phụ thuộc vào hàm l−ợng nguyên tử của các nguyên tố hoá m r học có trong các chất C H O . Nếu ( + ) < 1 thì ΔM < 0 (số môi chất sẽ giảm sau khi n m r 4 2 m r cháy) và nếu ( + ) = 1 thì ΔM = 0. 4 2 Sự thay đổi t−ơng đối của M2 (sản vật cháy) và M1 (môi chất mới tr−ớc khi cháy) đ−ợc gọi là hệ số thay đổi phân tử lý thuyết βo , đ−ợc tính theo biểu thức : M2 M1 + ΔM ΔM βo = = = 1 + (2-47) M1 M1 M1 - Đối với động cơ điêden : h O + nl ΔM 4 32 βo = 1 + = 1 + (2-48) αMo αMo - Đối với động cơ xăng : + Tr−ờng hợp α ≥ 1 O h + nl 1 8 − ΔM 4 μ β = 1 + = 1 + nl (2-39) o 1 1 αMo + αMo + μnl μnl + Tr−ờng hợp α < 0 O h + nl 1 0,21(1− α)M + 8 − o 4 μ β = 1 + nl (2-50) o 1 αMo + μnl - Đối với động cơ ga : Đặng Tiến Hòa - 36 -
ΔM βo = 1 + (2-51) αMo +1 > > Tuỳ thuộc vào dấu của ΔM (ΔM < 0) mà có βo < 1. 2.6.5. Số l−ợng và thành phần môi chất trong xi lanh đầu quá trình nén Trong quá trình nạp, ngoài số môi chất mới đ−ợc đua vào xilanh M1, chu trình tr−ớc còn để lại trong buồng cháy một l−ợng khí sót Mr, vì vậy l−ợng môi chất có trong xilanh tại thời điểm cuối quá trình nạp hoặc đầu quá trình nén Ma sẽ là : Ma = M1 + Mr = M1(1 + γ r ) (2-52) 3 trong đó: Mr – số mol khí sót quy về 1kg nhiên liệu lỏng hoặc 1kmol (hoặc m )nhiên liệu khí; M r γ r = - hệ số khí sót. M1 - Đối với động cơ điêden : Ma = M1(1 + γ r ) = α M O(1 + γ r ); kmol/kg nhiên liệu (2-53) - Đối với động cơ xăng, hình thành hoà khí bên ngoài : 1 Ma = M1(1 + γ r ) =(α MO + ) (1 + γ r ); kmol/kg nhiên liệu (2-54) μnl - Đối với máy ga : Ma = M1(1 + γ r ) = (α MO + 1)(1 + γ r ); kmol/kg nhiên liệu (hoặc m3/m3 nhiên liệu) (2-55) Thành phần của khí sót là thành phần của sản vật cháy M2. Đối với tr−ờng hợp nhiên liệu thể lỏng hoặc thể khí, α ≥ 1, ta có : M = M + M + M + M ; kmol/kg nhiên liệu (2-56) r rCO2 rH2O rO2 rN2 Các l−ợng khí CO2, H2O, O2 và N2 trong khí sót đ−ợc tính nh− sau : M γ M = CO2 . M = M r rCO2 r CO2 M 2 βo M γ M = H2O . M = M r rH2O r H2O M 2 βo M O γ M = 2 . M = r . 0,79 α M rO2 r O M 2 βo Thay các giá trị trên vào (2-56), đ−ợc : γ M = r [ M + M + (α - 0,21)M ] r CO2 H2O O βo Thay giá trị M r vừa thu đ−ợc vào (3-52), đ−ợc : γ M = M + M = M + r [ M + M + (α - 0,21)M ] ; (2-57) a 1 r 1 CO2 H2O O βo kmol/kg nhiên liệu (hoặc m3/m3 nhiên liệu). 2.6.6. Số l−ợng các thành phần của môi chất tại điêm bất kỳ của quá trình cháy Đặng Tiến Hòa - 37 -
Tại một điểm bất kì của quá trình cháy, nếu biết x phần nhiên liệu đã bốc cháy, ta có thể xác định hàm l−ợng các thành phần của môi chất với giả thiết : hàm l−ợng các thành phần trong khí sót giữ nguyên không đổi, còn hàm l−ợng của khí CO2 và H2O mới tạo ra tỉ lệ thuận với x. Trên cơ sơ ấy hàm l−ợng các thành phần của môi chất tại một điểm bất kỳ của quá trình cháy đ−ợc tính nh− sau : γ M = x. M + M = M (x + r ) ; xCO2 CO2 rCO2 CO2 βo γ M = x. M + M = M (x + r ) ; xH2O H2O rH2O H2O βo γ M = M + M = 0,79α M (1 + r ) ; xN2 N2 N2 O βo γ γ M = 0,21(α - x)M + M = 0,21M [α (1 + r ) - (x + r )] ; xO2 O rO2 O βo βo Mx. n. liệu = Mn. liệu(1 – x) = (M1 - α MO)(1-x) γ γ M = ∑ M = [ M + M - 0,21M ] (x + r ) + α M (1 + r ) + (M - x2 xi CO2 H2O O O 1 βo βo α MO)(1-x) , kmol/kg n.l (hoặc kmol/kmol n.l) (2-58) 3 trong đó : Mn. liệu – số kol hoặc m nhiên liệu trong hoà khí mới. 2.6.7. Hệ số thay đổi phân tử thực tế Trong động cơ đốt trong thực tế số môi chất cuối quá trình nạp gồm có môi chất mới M1 và khí sót Mr. Sau khi cháy môi chất mới M1 chuyển thành sản vật cháy M2, còn số khí sót Mr vẫn giữ nguyên không đổi. Nếu lấy tổng số môi chất sau khi cháy chia cho tổng số môi chất tr−ớc khi cháy ta sẽ đ−ợc hệ số thay đổi phân tử thực tế β . Tại thời điểm bất kì của quá trình cháy, biết phần nhiên liệu đã cháy là x (0 < x< 1), thì hệ số thay đổi thực tế β x sẽ là : ΔM x M1 + Mr + ΔM x (1+ γ r )M1 + ΔM x M1 β x = = = 1+ M1 + Mr (1+ γ r )M1 1+ γ r M − M 2 1 x M (β −1)x = 1 + 1 = 1 + o (2-59) 1+ γ r 1+ γ r Nh− vậy khi x = 1 (nhiên liệu đã cháy kiệt) thì β x = β , do đó : β −1 β = 1 + o (2-60) 1+ γr 2.6.8. Ph−ơng pháp xác định thành phần hoà khí và mức độ cháy kiệt nhiên liệu qua phân tích thành phần sản vật cháy Nếu biết thành phần nhiên liệu và phân tách đ−ợc sản vật cháy, ta có thể tính đ−ợc tỉ lệ hoà trọn của hoà khí và mức độ cháy kiệt của nhiên liệu. Nh−ng việc phân tách (xác định qua đo đạc) tất cả các tành phần của sản vật cháy là việc rất khó khăn, phức tạp, do đó trên thực tế ng−ời ta chỉ phân tách những thành phần dễ đo đạc rồi dùng mối quan hệ hoá học tìm ra các Đặng Tiến Hòa - 38 -
thành phần khác nhờ đó vấn đề trở thành đơn giản thuận tiện hơn. D−ới đây là cách giải quyết thực tế. 1) Tr−ờng hợp cháy hoàn toàn Nếu gọi V’ (m3/kg nhiên liệu) là thể tích sản vật cháy (ở điều kiện tiêu chuẩn) khi cháy kiệt 1 kg nhiên liệu ; bao gồm V , V , V , và V là thể tích các khí N , O , CO , H O N2 O2 CO2 H2O 2 2 2 2 quy về một kg nhiên liệu và c, h là thành phần khối l−ợng của nhiên liệu, ta có : V’ = V + V + V + V (2-61) N2 O2 CO2 H2O trong đó : V = 22,4 M = 22,4. 0,79 α M (m3/kg nhiên liệu) N2 N2 O V = 22,4 M = 22,4. 0,21( α - 1) M ; (m3/kg nhiên liệu) O2 O2 O c V = 22,4 M = 22,4. ; (m3/kg nhiên liệu) CO2 CO2 12 h V = 22,4 M = 22,4. ; (m3/kg nhiên liệu) H2O HO2 2 Thay các giá trị thu đ−ợc vào (3-61), sẽ đ−ợc : c h V’ = 22,4 [(α - 0,21)M + + ], (m3/kg nhiên liệu) (2-62) O 12 2 Khi phân tách hoá học l−ợng hơi n−ớc V đã ng−ng tụ thành n−ớc, còn lại thể tích H 2 O sản vật cháy khô sẽ là : c V = V’ - V = 22,4 [(α - 0,21)M + ], (m3/kg nhiên liệu) (2-63) H2O O 12 Gọi r , r , r là thành phần thể tích của các khí CO , O , N t−ơng ứng, trong sản CO2 O2 N 2 2 2 2 vật cháy khô, ta đ−ợc : VCO 1,867c r = 2 = (2-64) CO2 V V V 4,704(α −1)M r = O2 = o (2-65) O2 V V V 17,697α.M r = N2 = o (2-66) N2 V V Nếu phân tách đ−ợc khí CO2 và O2 và nếu biết c, h và MO qua hai biểu thức (2-64) và (2-65) sẽ tính đ−ợc α và V, qua biểu thức (2-66) tính đ−ợc r . N 2 Khi α = 1 sẽ đ−ợc r , lúc ấy V trở thành V , từ (2-63) và (2-18) tìm đ−ợc CO2 max O VO = 22,4. 0,79MO + 1,867c 0,79 22,4 22,4 = ( c + h) + 1,867c 0,21 12 4 = 8,89c + 21,1h ; m3/kg nhiên liệu Đặng Tiến Hòa - 39 -
1,867c 1,867c 0,21 r = = = (2-67) CO2 max V 8,89c + 21,1h h o 1+ 2,37 c r phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu, nếu xăng có c = 0,85 và h = 0,15 thì : CO2 max r = 0,148. CO2 max 2) Tr−ờng hợp cháy không hoàn toàn Trong tr−ờng hợp này thành phần sản vật cháy của nhiên liệu hyđrôcacbon gồm có khí CO, khí H2 và C (muội than), thành phần thể tích của chúng trong sản vật cháy khô gồm : r , r (muội C không chiếm thể tích), ngoài ra một kg nhiên liệu tạo ra số muội C là c.x CO H 2 (x là phần C tạo muội than, 0 < x < 1), nh− vậy hiệu suất cháy ηch đ−ợc tính theo biểu thức : V (Q .r + Q .r ) + Q .c.x CO CO H 2 H 2 C ηch = 1 - (2-68) Qtk trong đó : Q và Q (kJ/m3) – là nhiệt trị thể tích của khí CO và H ; CO H 2 2 Qtk – nhiệt trị của 1kg nhiên liệu lỏng (kJ/kg nhiên liệu). Từ các biểu thức (3-7) sẽ có : 3 QCO = 12800 kJ/m Q = 10800 kJ/m3 H 2 QC (kJ/kg) – nhiệt trị khối l−ợng của C, theo (3-6) tímh đ−ợc : QC = 33915 kJ/kg V (12800r +10800r ) + 33915c.x CO H 2 Do đó : ηch = 1 - (2-69) Qtk Qua biểu thức (3-66), tính đ−ợc : 17,697 c 7,02.c.α.σ V = . . α . σ = (2-70) 2,52 r r N 2 N 2 3 3 Trong 1 kmol (22,4 m tiêu chuẩn) khí CO2 và CO đều có 12 kg C vì vậy 1m của các 12 khí trên sẽ có = 0,536kg C. Nếu cho rằng số C không cháy thành CO và CO sẽ là muội 22,4 2 than, ta sẽ có : c.x = c – 0,536V ( r + r ) (2-71) CO2 CO Thay (3-70) vào (3-71) sẽ đ−ợc : rCO + rCO x = 1 – 3,76. α . σ ( 2 ) (2-72) r N 2 Nếu x = 0, thay vào (3-71) sẽ tìm đ−ợc : 22,4 c 1,876c V = . = (2-73) 12 r + r r + r CO2 CO CO2 CO Đặng Tiến Hòa - 40 -
Nếu gọi g và g là khối l−ợng khí O và N của môi chất mới tham gia cháy, sẽ O2 N 2 2 2 tính đ−ợc : V g = 0,21 . α M . 32 = 0,232α L = (32 r + 32 r + 16 r ) + O2 O O 22,4 O2 O2 CO 2.V.r + 8 ( h - H2 ) ; (kg/kg) (2-74) 22,4 28 và g N = 0,768α LO = V. rN . ; (kg/kg) (2-75) 2 2 22,4 Do đó : V g + g = α M . 28,8 = α L = (28 r + 32 r + 32 r + 16 r - 16 r ) + O2 N2 O O 22,4 N2 O2 CO2 CO H2 8h ; (kg/kg) (2-76) trong đó : 28,8 là phân tử l−ợng của không khí khô ; Thay biểu thức (2-18a) và (2-70) vào (2-76) sẽ đ−ợc : 1 11,49. α . σ . c = 7,02. α . σ . c((28 r + 32 r + 32 r + 16 r - 22,4 N2 O2 CO2 CO 16 r ) + 8h H2 h σ −1 Chia tất cả cho c, từ (2-18c) có = , thay giá trị trên vào biểu thức thu đ−ợc, sau c 3 đó chia tất cả cho σ , sau khi chỉnh lý đ−ợc : 1 α . r = 3,76α ( r + r + 0,5 r - 0,5 r ) + (1 - ) r N2 O2 CO2 CO H2 σ N2 Cuối cùng tìm đ−ợc α : 1 r (1− ) N2 α = σ (2-77) r − 3,76(r + r + 0,5r − 0,5r ) N2 O2 CO2 CO H2 Nếu phân tách đ−ợc tất cả các thành phần r , r , r , r , r sẽ dễ dàng tìm đ−ợc N2 O2 CO2 CO H2 các giá trị α , x, V, ηch v.v , nh−ng phân tách toàn bộ nh− vậy rất khó khăn, phứ tạp, nên ta chỉ phân tách các thành phần dễ tách r và r , các thành phần và các chỉ tiêu khác đ−ợc CO2 O2 tính nhờ các biểu thức kể trên. a) Động cơ điêden Ta có r = 0 và r = 0, pần không cháy của nhiên liệu chủ yếu là muội than c.x. CO H2 Nh− vậy sản vật cháy khô gồm ba loại khí N2, CO2, O2 và muội than c.x. r + r + r = 1. 2-78) N2 CO2 O2 Do đó biểu thức (3-77) trở thành : 1 (1− r − r )(1− ) CO2 O2 α = σ (2-79) 1− 4,76(r + r ) CO2 O2 Đặng Tiến Hòa - 41 -
Thay (2-78) vào (2-72), đ−ợc : r x = 1 – 3,76 CO2 α.σ (2-80) 1− (r + r ) CO2 O2 Theo (2-68), tìm đ−ợc : Qc .c.x ηch = 1 - (2-81) Q tk Nh− vậy chỉ cần phân tách các thành phần r và r qua (2-79), (2-80) và (2-81) sẽ CO2 O2 xác định đ−ợc ba tham số α , x và ηch . b) Động cơ xăng Ta có x = 0, có thể cho rằng các thành phần cháy ch−a hết là CO và H2, còn lại có thể bỏ qua không tính. Viết ph−ơng trình cân bằng tr−ớc và sau phản ứng, ta đ−ợc : - Cân bằng khối l−ợng H : V [2. r + 2. r ] = h 22,4 H2 H2O - Cân bằng thể tích H : V(r + r ) = 11,2h H2 H2O Thể tích O2 còn sót gồm thể tích O2 chứa trong không khí thừa : 22,4 . 0,21(α - 1)MO, do hình thành 1kmol H2 và một kmol CO, mỗi loại đều để d− lại 0,5 kmol O2, do đó : V. r = 22,4 . 0,21(α - 1)M + 0,5V( r + r ) (2-83) O2 O H2 H2O Sản vật cháy khô V do các chất cháy sau hợp thành : số không khí thừa 22,4 . 0,21(α - 1)MO, khí N2 trong số không khí lí thuyết 22,4. 0,79MO, khí CO2 nếu cháy hoàn toàn 1,87C, số thể tích CO tạo ra cùng một l−ợng O so với thể tích khí CO2 đ−ợc tăng lên 0,5V. rCO , nếu hình thành 1kmol H sẽ d− ra 0,5 mol O , kết qủa làm cho thể tích tăng lên 1,5V. r , vì vậy : 2 2 H 2 V = 22,4. 0,21(α - 1)M + 1,867c + 1,5V. r O H2 + 0,5V. rCO (2-84) Hiện đã có 4 biểu thức (2-73), (2-82), (2-83) và (2-84). Nếu đã biết các giá trị c, h, M , r và r thì O CO2 O2 còn lại 5 ẩn số α , r , r , V và r . Thiếu một CO H2 H2O ph−ơng trình để giải, có thể sử dụng biểu thức theo dạng (2-31) : r h K = H2 = f ( ) rCO c (2-85) Ngoài ra dựa vào (2-69), ta có : V(12800r +10800r ) CO H2 ηch = 1 - Q tk (2-86) Đặng Tiến Hòa - 42 -
Nếu phân tách đ−ợc cả CO sẽ không cần biểu thức (2-85), vì vậy chỉ còn 4 ẩn, với 4 ph−ơng trình đã đủ để giải các ẩn ấy. Hình 2.4 giới thiệu biểu thức các thành phần trong sản vật cháy theo m (m=GK/Gnl). Tất nhiên nếu không đủ không khí, hàm l−ợng CO2 sẽ giảm làm tăng khí CO và H2. Khí CO gây độc hại cơ thể, ô nhiễm môi tr−ờng, ảnh h−ởng đến sức khoẻ con ng−ời sống trong môi tr−ờng đó, vì vậy cần tránh hoà khí đậm. 3.7. Tỷ nhiệt (nhiệt dung riêng) của môi chất Những kiến thức chính về tỉ nhiệt đã giới thiệu cơ bản và toàn diện trong các tà liệu về nhiệt kĩ thuật. ở đây giới thiệu các ứng dụng thức tế để tính các quá trình làn việc của động cơ. Môi chất của động cơ đốt trong là khí thực, do đó tỉ nhiệt của nó không còn là hằng số nh− khí lí t−ởng (dùng để nghiên cứu chu trình lí t−ởng của động cơ). Tỉ nhiệt của các loại khí thực là hàm số của nhiệt độ và thành phần của nó. ở động cơ đốt trong nhiệt độ và thành phần môi chất thay đổi liên tục trong suốt chu trình, vì vậy tính toán tỉ nhiệt của môi chất trong chu trình công tác của động cơ đốt trong rất phức tạp. Khi tính toán vế tỉ nhiệt có thể dùng bảng số, hoặc dựa vào các đồ thị tỉ nhiệt (đ−ợc xây dựng theo số liệu của bảng số). Nh−ng dựa vào bảng số rất không tiện vì phải dùng ph−ơng pháp nội suy, còn ph−ơng pháp đồ thị thì thiếu chính xác. Cả hai ph−ơng pháp trên có một thiếu sót chung là rất không thuận tiện khi cần dựa vào kết quả tính tỉ nhiệt để xác định nhiệt độ (vì tỉ nhiệt là hàm của nhiệt độ). Do đó phần lớn là phải dùng ph−ơng pháp mò nghiệm qua việc chọn tr−ớc hoặc tính gần đúng nhiệt độ thích hợp, đặc biệt khó khăn đối với tr−ờng hợp tính tỉ nhiệt của hỗn hợp môi chất phức tạp. Vì vậy ng−ời ta th−ờng xây dựng mối quan hệ giải tích giữa tỉ nhiệt và nhiệt độ theo hàm tuyến tính sát với những giá trị thực tế (hình 2.5). Để đảm bảo độ chính xác cao đối với hàm số tuyến tính đó, cần đặc biệt l−u ý tới các đặc điểm sau của các thành phần trong môi chất công tác của động cơ : O 1. Khí CO2 có nồng độ lớn trong môi chất công tác ở phạn vi nhiệt độ từ 500 C đến 2500OC (quá trình cháy - giãn nở), vì vậy cần đặc biệt l−u ý trong quá trình tuyến tính hoá hàm tỷ nhiệt của CO2 trong phạm vi nhiệt độ này. 2. Có thể không cần xác lập quan hệ giải tích của khí O2, vì khí O2 bao giờ cũng cùng xuất hiện với khí N2 theo tỉ lệ nh− đối với không khí (tr−ớc lúc cháy), còn sau khi cháy thì hàm l−ợng O2 giảm nhiều. Ngoài ra giữa N2 và không khí sự sai lệch về tỉ nhiệt chỉ khoảng Đặng Tiến Hòa - 43 -
1%, vì vậy có thể dùng một đ−ờng thẳng tỉ nhiệt chung cho O2, N2, không khí và khí CO hơi nhích hơn so với tỉ nhiệt của N2 (khoảng 0,5%). 3. Sai số tính tỉ nhiệt theo cách tuyến tính hoá đối với các thành phần môi chất đôi khi đem lại tính bù trừ, vì vậy sai số thực tế tính toán th−ờng rất nhỏ. Hình 2.5 giới thiệu mối quan hệ thực và quan hệ tuyến tính về tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình ( mCv ) biến thiên theo nhiệt độ của các thành phần trong môi chất công tác của động cơ đốt trong. o Giá trị tức thời của tỷ nhiệt mol đẳng tích mCV (theo nhiệt độ t C) hoặc mC’V(theo nhiệt độ tuyệt đối T(K)) có giá trị nh− nhau khi ở cùng nhiệt độ< vì vậy: mCV = av + b.t⎫ ⎬ (2-87) mCv′ = av′ + b.t ⎭ Mối quan hệ giữa a’v và av xác định nh− sau: mCv = mC’v = av + b.t = a’v + b(t + 273) từ đó tính ra đ−ợc a’v = av – 273.b (2-88) tỷ nhiệt trung bình mCv và mCv′ sẽ có giá trị khác nhau: t a + bt dt b ∫ ()v a t + t 2 v b mC = 0 = 2 = a + t (2-89) v t − 0 t v 2 T a′ + bT dT b ∫ ()v a′ T + T 2 v b mC′ = 0 = 2 = a′ + T (2-90) v T − 0 T v 2 = a’v + b/2 (t + 273) = a’v + b/2 .t + 273.b/2 vì vậy mCv′ = av – 273.b + 273.b/2 + b/2.t = mCv - 273 .b/2 (2-91) tỷ nhiệt mol đẳng tích tức thời của môi chất công tác: ∑Vi .mCvi mCv = = ∑ ri .mCvi (2-92) ∑Vi trong đó: Vi – thể tích của thành phần thứ i trong môi chất: mCvi – tỷ nhiệt mol đẳng tích của thành phần thứ i: vi ri = - thành phần thể tích của thành phần thứ i ∑Vi nếu thay mCvi = avi + bit vào (3-92) sẽ đ−ợc: mCv = ∑ riavi + ∑ ribi .t = av + b.t (2-93) 1 đối với mC ta đ−ợc : mC = r a + r b .t (2-94) v v ∑ i vi 2 ∑ i i D−ới đây là tỷ nhiệt tức thời của các thành phần của môi chất công tác rất sát với giá trị thực: - N2, O2. không khí và khí CO Đặng Tiến Hòa - 44 -
mCv = 20,950 + 0,00419.t (kj/kmol.độ) - Khí CO2 mCv = 33,520 + 0,01257.t (kj/kmol.độ) - Hơi n−ớc H2O mCv = 25,140 + 0,01005.t (kj/kmol.độ) (2-95) - Khí H2 mCv = 20,531 + 0,00293.t (kj/kmol.độ) - Khí CH4 mCv = 25,978 + 0,05028.t (kj/kmol.độ) - Khí C2H4 mCv = 33,520 + 0,10056.t (kj/kmol.độ) Đó là những biểu thức để tính tỷ nhiệt tức thời của các thành phần trong môi chất công tác của động cơ. Dựa theo (2-89) ta tính tỷ nhiệt trung bình mCv của chúng từ 0oC đến t0C. Để tính tỷ nhiệt mol đẳng áp tức thời mCp theo (2-95) mCp = mCv + 8,314 = ap + b.t ( kj / kmol.độ) và tỷ nhiệt mol đẳng áp trung bình mC p mC p = mCv + 8,314 = ap + b/2 .t trong đó: ap = av + 8,314 Nếu tính tỉ nhiệt theo nhiệt độ tuyệt đối T (K), dựa theo (2-95) giữ không đổi hệ số b, , còn giá trị av xác định theo (2-88) sẽ đ−ợc giá trị tức thời của mC và theo (2-90) sẽ đ−ợc vi , , mCv . Muốn xác định mCp’ chỉ cần thay ap’ = av’ + 8,314, sau đó mC p cũng theo ph−ơng , pháp tính của mCv . D−ới đây là các biểu thức tính mCv’ của các thành phần trong môi chất công tác. - Khí N2, O2, không khí và khí CO : mCv’ = 19,806 + 0,00419T (kJ/kmol độ) - Khí CO2 : mCv’ = 30,088 + 0,01257T (kJ/kmol độ) - Hơi n−ớc H2O : mCv’ = 22,397 + 0,01005T (kJ/kmol độ) (2-96) - Khí H2 : mCv’ = 19,731 + 0,00293T (kJ/kmol độ) - Khí CH4 : mCv’ = 12,252 + 0,05028T (kJ/kmol độ) - Khí C2H4 mCv’ = 6,6067 + 0,10056T (kJ/kmol độ) Do thành phần khối l−ợng của các loại nhiên liệu lỏng có gốc từ dầu mỏ thay đổi không đáng kể, dựa vào đặc điểm trên ng−ời ta nêu lên công thức đơn giản hơn để tính tỉ nhiệt của sản vật cháy. Đặng Tiến Hòa - 45 -
Đối với nhiên liệu lỏng lấy từ dầu mỏ tỷ nhiệt mol đẳng tích tức thời của sản vật cháy mCv (kJ/kmol độ) khi α > 1 là : 2,137 184,36 mC = (21,034 + ) + (427,38 + ). 10-5t (2-97) v α α và khi 1 > α > 0,7 ; -5 mCv = (18,981 + 4,19α ) + (360,34 +251,4α )10 t (2-98) Các biểu thức trên cho giá trị phù hợp với cách tính tỉ nhiệt hỗn hợp của các thành phần trong sản vật cháy. Nếu tính theo nhiệt độ tuyệt đối T (K) tỷ nhiệt mol đẳng tích tức thời của sản vật cháy có dạng sau : khi α > 1 ; 1,634 184,36 mC’ = (19,867 + ) + ( 427,38 + )10-5T (2-99) v α α khi 0,7 ≤ α < 1 ; -5 mCv’ = (17,997 + 3,504α ) + (360,34 + 252,4. α ). 10 T (2-100) Trong khoảng nhiệt độ từ 00 đến 2500OC và với hệ số thừa không khí α bất kỳ, sai số giữa kết quả tính tỉ nhiệt mol trung bình so với giá trị thực tế nằm trong khoảng ± 3%. Nh−ng nếu loại trừ các tr−ờng hợp không gặp trên thực tế (ví dụ không khí ở t ≥ 1000OC hoặc sản vật cháy với α = 1 và t < 200ÔC) thì sai số không quá ± 2%. ' Sai số đối với tỷ nhiệt trung bình đẳng áp ( mC p )hoặc ( mC p )không quá ± 1,5%. Trong tr−ờng hợp dùng thứ nguyên ( kcal/kmol.độ) mối quan hệ giữa mCp và mCv là : mCp= mCv + 1,985 (kcal/kmol.độ) Đặng Tiến Hòa - 46 -