Động cơ đốt trong

Khái quát về động cơ đốt trong

 

Động cơ đốt trong là một thiết bị sinh công bằng cách nhận nhiệt và hai quá trình này xẩy ra trong cùng một khoảng không gian. Trái lại, các động cơ thuộc dạng đốt ngoài như máy hơi nước hay tua bin thì hai quá trình ấy được thực hiện ở hai nơi riêng biệt.

Phân loại

Động cơ đốt trong thường được phân loại theo một số cách sau:

  • Theo nhiên liệu sử dụng : động cơ đốt trong có thể sử dụng xăng, diesel, khí hóa lỏng, etanol, ... làm nhiên liệu.
  • Theo số hành trình : động cơ có thể thực hiện một chu trình trong 2 hành trình (động cơ hai kỳ) hay 4 hành trình (động cơ 4 kỳ)
  • Theo cách đốt cháy nhiên liệu : nhiên liệu có thể tự cháy (khi gặp điều kiện về nhiệt độ và áp suất phù hợp) hay cần phải có một tác động từ bên ngoài như tia lửa điện (cháy cưỡng bức)
  • Theo quá trình cháy của nhiên liệu : nhiên liệu có thể hoàn tất quá trình cháy rất nhanh, khi thể tích làm việc chưa kịp thay đổi (quá trình cháy đẳng tích), hay trong điều kiện áp suất không đổi (quá trình cháy đẳng áp), hoặc gồm cả hai giai đoạn (quá trình cháy hỗn hợp).

Cấu tạo

 

Cấu tạo của các loại động cơ đốt trong có khá nhiều điểm giống nhau như được trình bày trên sơ đồ Hình 1.

Khí xảSú pắp xả Không khíSú bắp nạp Xy lanh Pít tông Thanh truyền Trục chính

Hình 1 Cấu tạo động cơ đốt trong

(Nguồn : Wiki Common)

Động cơ gồm một hay nhiều xy lanh hình trụ, trong mỗi xy lanh có 1 pít tông di chuyển dọc theo trục của xy lanh. Một đầu xy lanh được đậy kín bằng nắp máy, trên đó có đặt 2 sú pắp: sú pắp nạp để đưa không khí sạch vào xy lanh, sú pắp xả để đưa khí đã cháy ra khỏi nơi ấy. Trên nắp máy còn đặt một vòi phun để đưa nhiên liệu vào xy lanh (trong động cơ diesel) hay nến điện để đốt cháy cưỡng bức nhiên liệu (trong động cơ xăng hoặc khí hóa lỏng).

Chuyển động tịnh tiến của pít tông được chuyển thành chuyển động quay của trục chính động cơ (trục khuỷu) nhờ thanh truyền. Do cách sắp xếp này mà pít tông sẽ di chuyển giữa hai vị trí giới hạn được gọ là "thế chết trên" và "thế chết dưới". Khoảng không gian giữa xy lanh, píttông, nắp máy hình thành khoảng không gian làm việc (hay thể tích làm việc) của động cơ.


Hoạt động của chu trình hỗn hợp

 

Chu trình hỗn hợp là chu trình làm việc chủ yếu của các động cơ diesel hiện nay, có tốc độ quay khá nhanh, sử dụng bơm cao áp để đưa nhiên liệu vào xy lanh. Loại phổ biến là động cơ 4 kỳ. Hoạt động của các loại động cơ khác có thể suy diễn từ loại động cơ này. Hoạt động của chu trình này được thể hiện trên đồ thị chỉ thị (Hình 2)

pVTCTTCD 0123'34

Hình 2 Hoạt động của chu trình hỗn hợp

Hoạt động của chu trình hỗn hợp lần lượt trải qua những quá trình sau:

  • Nạp : píttông đi từ thế chết trên (TCT) xuống thế chết dưới (TCD), sú pắp nạp mở, không khí từ bên ngoài đi vào xy lanh. Trong quá trình này do xy lanh thông với môi trường bên ngoài nên trạng thái hai nơi như nhau, chỉ có thể tích không khí trong xy lanh tăng lên từ `V_0` đến `V_1`. Quá trình nạp được biểu diễn bằng đoạn o1 nằm ngang,
  • Nén : píttông từ TCD đi lên TCT, cả hai sú pắp đều đóng, không khí bị nén lại. Do tốc độ tương đối nhanh nên ta có thể xem như không có sự truyền nhiệt vào hay ra khối không khí, quá trình là đoạn nhiệt và được biểu diễn bằng đoạn cong 12. Nhiệt độ và áp suất không khí tăng lên.
  • Cháy đẳng tích : khi píttông đến TCT, nhiên liệu được phun vào dưới dạng những hạt có kích thước rất bé. Nhờ vậy khi tiếp xúc với không khí có nhiệt độ cao, một phần nhiên liệu sẽ cháy ngay lập tức theo quá trình đẳng tích và được biểu diễn bằng đoạn thẳng đứng 33’. Áp suất và nhiệt độ tăng mạnh, píttông bị đẩy xuống TCD.
  • Cháy đẳng áp : phần còn lại của nhiên liệu tiếp tục cháy khi píttông đi xuống theo quá trình đẳng áp. Quá trình này được biểu diển bằng đoạn nằm ngang 3’3. Nhiệt độ tiếp tục tăng
  • Giãn nở : không khí có áp suất và nhiệt độ cao sẽ giãn nở. Ta có thể xem quá trình này là đoạn nhiệt và được biểu diễn bằng đoạn cong 34. Áp suất và nhiệt độ giảm xuống.
  • Xả đẳng tích : Khi píttông đến TCD, sú pắp xả mở ra, xy lanh được thông với khí trời, áp suất và nhiệt độ trong xy lanh giảm ngay xuống, cân bằng với môi trường bên ngoài trong điều kiện đẳng tích và được biểu diễn bằng đoạn thẳng đứng 41.
  • Xả đẳng áp : Khi píttông từ TCD lên TCT, sú pắp xả vẫn mở, khí cháy trong xy lanh được pít tông đẩy ra ngoài. Nhiệt độ và áp suất không thay đổi và thể tích giảm từ `V_1` đến `V_0`, quá trình được biểu diễn bằng đoạn nằm ngang 10.

Phần trình bày ở trên là chu trình hỗn hợp lý thuyết. Trong thực tế, người ta thấy có những điểm sau:

  • Sự thay đổi giữa các quá trình kế tiếp nhau không xảy ra đột ngột mà luôn luôn có sự chuyển tiếp. Vì thế trên chu trình thực tế không có những điểm gãy như trên Hình 2.
  • Sau quá trình cháy, trong xy lanh là sản phẩm cháy, nên thành phần có một số khác biệt so với không khí.
  • Luôn có sự truyền nhiệt giữa xy lanh và khối khí trong xy lanh.

Để khảo sát được dễ dàng hơn, chúng ta sẽ bỏ qua những sai biệt trên.


Khảo sát chu trình hỗn hợp

 

Các thông số đặc trưng của chu trình

Người ta đặt :

+ Tỷ số nén :`epsilon=V_1/V_2=v_1/v_2`(1)

+ Hệ số tăng áp`lambda=p_(3')/p_2`(2)

+ Hệ số giãn nở trước :`rho=V_3/V_(3')=v_3/v_(3')`(3)

Đây là các thông số đặc trưng cho chu trình hỗn hợp.

Các thông số trạng thái

Điểm 1

Các thông số trạng thái của điểm 1 chính là các thông số trạng thái của khí trời. Như vậy tùy theo địa điểm hoạt động của động cơ mà các thông số này có thể chênh lệch nhau một ít.

Điểm 2

Dựa vào định nghĩa của tỷ số nén `epsilon` (công thức (1)), ta có:

`v_2=v_1/epsilon`(4)

Do quá trình 12 đoạn nhiệt nên :

`p_2/p_1=(v_2/v_1)^-k=epsilon^k\ \ =>\ \ p_2=epsilon^k p_1`(5)
`T_2/T_1=(v_2/v_1)^(1-k)=epsilon^(k-1)\ \ =>\ \ T_2=epsilon^(k-1) T_1`(6)

Điểm 3'

Quá trình cháy 23' là quá trình đẳng tích nên :

`v_(3')=v_2=epsilon^k v_1`(7)

Từ định nghĩa của tỷ số tăng áp `lambda`, ta có:

`p_(3')/p_2=lambda\ \ =>\ \ p_(3')=lambda epsilon^k p_1`(8)
`T_(3')/T_2=p_(3')/p_2=lambda\ \ =>\ \ T_(3')=lambda epsilon^(k-1) T_1`(9)

Điểm 3

Quá trình cháy 3'3 là quá trình đẳng áp nên:

`p_3=p_(3')=lambda epsilon^k p_1`(10)

Từ định nghĩa của hệ số giãn nở sớm, ta có :

`v_3/v_(3')=rho\ \ =>\ \ v_3=rho epsilon^k v_1`(11)
`T_3/T_(3')=v_3/v_(3')=rho\ \ =>\ \ T_3=rho lambda epsilon^(k-1) T_1`(12)

Điểm 4

Quá trình 41 đẳng tích nên :

`v_4=v_1`(13)

Ngoài ra :

 `T_4/T_3=(v_4/v_3)^(1-k)=(v_4/v_1 v_1/v_2 v_2/v_(3') v_(3')/v_4)^(1-k)=(epsilon/rho)^(1-k)=epsilon^(1-k) rho^(k-1)`

Vậy :

`T_4=epsilon^(1-k) rho^(k-1) rho lambda epsilon^(k-1) T_1=lambda rho^k T_1`(14)

`p_4/p_1=T_4/T_1=lambda rho^k\ \ =>\ \ p_4=lambda rho^k p_1 `(15)

Công và nhiệt trao đổi

Lượng nhiệt nhận được từ sự cháy nhiên liệu :

`q_1 = q_(23') + q_(3'3) = C_V(T_3' - T_2) + C_p(T_3 - T_3')`

`q_1 = C_V epsilon^(k-1) (lambda - 1)T_1 + kC_V lambda epsilon^(k-1)(rho - 1)T_1`

`q_1 = C_V epsilon^(k-1)T_1[(lambda-1) + k lambda(rho-1)]`(16)

Lượng nhiệt thải ra môi trường :

`q_2=C_V(T_1-T_4)=C_V(1-lambda rho^k)T_1`(17)

Công do chu trình sinh ra :   `w=q_1+q_2`

`w = C_VT_1{epsilon^(k-1)[(lambda-1) + k lambda (rho-1)] + 1 - lambda rho^k }`(18)

Hiệu suất nhiệt

`eta_t=1+q_2/q_1=1-(lambda rho^k-1) / (epsilon ^(k-1)[ ( lambda - 1) + k lambda (ρ - 1) ] + 1 - lambda rho^k)`(19)

Khi khảo sát ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của chu trình đến hiệu suất nhiệt. người ta thấy hiệu suất nhiệt tăng khi:

  • tăng tỷ số nén `epsilon`,
  • tăng hệ số tăng áp `lambda` ,
  • giảm hệ số giãn nở trước `rho`.

Chu trình đẳng tích

 

Đây là chu trình của những động cơ xăng. So sánh với chu trình hỗn hợp vừa được khảo sát thì có nhiều điểm giống nhau (Hình 3). Điểm khác biệt của chu trình này là xăng được trộn sẵn với không khí để tạo thành hòa khí rồi nạp vào xy lanh, sau đó trong quá trình nén, nhiệt độ xăng cũng tăng lên và được đốt cháy cưỡng bức ở cuối quá trình nén bằng tia lửa điện nhờ nến điện (bu gi). Ngoài ra xăng bốc cháy nhanh hơn diesel khá nhiều. Vì vậy toàn bộ lượng nhiên liệu được cháy ngay trong quá trình đẳng tích và không có quá trình cháy đẳng áp. Đồ thị chỉ thị của động cơ này được trình bày trong Hình 3.

pVTCTTCD 01234

Hình 3 Hoạt động của chu trình đẳng tích

Cách khảo sát chu trình đẳng tích cũng tương tự như chu trình hỗn hợp ở trên. Ngoài ra ta có nhận xét rằng trong chu trình hỗn hợp, nếu hai điểm 3' và 3 trùng nhau thì ta có chu trình đẳng tích. Như vậy chu trình đẳng tích là một trường hợp đặc biệt của chu trình hỗn hợp với `rho = 1`.

Vậy khi thế `rho = 1` vào công thức (19) ta thu được :

`eta_t=1-1/(epsilon^(k-1))`(20)

Ta cũng nhận xét rằng hiệu suất nhiệt tăng khi tỷ số nén `epsilon` tăng. Tuy vậy trong động cơ xăng, sự tăng tỷ số nén bị giới hạn bởi hiện tượng kích nổ.


Chu trình đẳng áp

 

Là chu trình của các động cơ diesel cổ điển, có tốc độ chậm. Khi ấy, nhiên liệu được đưa vào xy lanh bằng không khí nén có áp suất không cao lắm nên sự chuẩn bị nhiên liệu chưa được tốt, khó cháy và quá trình cháy kéo dài, chỉ có giai đoạn cháy đẳng áp mà không có giai đoạn cháy đẳng tích. Ngoài ra thì không khác mấy so với chu trình hỗn hợp (Hình 4).

pVTCTTCD 01234

Hình 4 Đồ thị chỉ thị của chu trình đẳng áp

Do đều là động cơ diesel nên có rất nhiều điểm tương đồng giữa chu trình đẳng áp và chu trình hỗn hợp. Ngoài ra ta có nhận xét rằng trong chu trình hỗn hợp, nếu hai điểm 2 và 3' trùng nhau thì ta có chu trình đẳng áp. Như vậy chu trình đẳng áp cũng là một trường hợp đặc biệt của chu trình hỗn hợp với `lambda = 1`.

Vậy khi thế `lambda = 1` vào công thức (19) ta có:

`eta_t=1-(rho^k-1)/(k epsilon^(k-1)(rho-1))`(21)

Hiệu suất nhiệt của chu trình đẳng áp tăng khi tỷ số nén `epsilon` tăng và hệ số giãn nở trước `rho` giảm.





Trang web này được cập nhật lần cuối ngày 18/12/2018