Cơ khí chế tạo máy - Diễn biến quá trình nén

DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH NÉN *Mở rộng phạm vi nhiệt độ của quá trình công tác *Đảm bảo thu được trong những điều kiện thực tế một tỉ số giản nở cho phép lớn nhất *Tạo những điều kiện cần thiết tốt nhất cho sự cháy của hổn hợp khí công tác. 1.Qúa trình nén dùng trong động cơ đốt trong dùng để: 2.Diển biến quá trình nén vô cùng phức tạp và không ngừng thay đổi về trị số và chiều hướng truyền nhiệt giữa môi chất công tác và vách xi lanh, giữa bộ phận nhiên liệu đã bốc hơi và bộ phận nhiên liệu chưa bốc hơi hoặc với bộ phận nhiên liệu vừa mới phun vào xi lanh động cơ. *Lúc đầu hành trình nén: T a < t o trb của các chi tiết của nhóm xi lanh – piston  giai đoạn đầu QTNén có sự truyền nhiệt từ vách xi lanh và các chi tiết nóng truyền cho môi chất. Đường cong diển ra tương đối dốc (a -2) và chỉ số đa biến cao hơn chỉ số đoạn nhiệt (a –1) : (n’ 1 >K’ 1 ) *Piston tiếp tục đi lên (ĐCD  ĐCT), t o môi chất công tác tăng lên và sự trao đổi nhiệt giữa khí nạp với vách giảm do hiệu số t o giữa chúng nhỏ và chỉ số đa biến n’ 1 có trị số gần giống trị số chỉ số nén đọan nhiệt (2 3) *Trong một vài thời điểm nào đó, t o môi chất công tác = t o trb của vách xi lanh  xuất hiện quá trình đoạn nhiệt tức thời (điểm 3): n’ 1 = K’ 1 *Tiếp tục nén t o của khí nạp > t o trb của vách xi lanh  môi chất được làm mát, n’ 1 <K’ 1 , (K’ 1 – n’ 1 ) tăng lên khi piston gần ĐCT. Quá trình nén thực tế là một quá trình nén đa biến có chỉ số nén đa biến biến đổi. Tuy nhiên trên thực tế tính toán để quá trình nén không phức tạp thì người ta thay đổi chỉ số nén đa biến biến đổi thành một chỉ số nén đa biến trung bình n 1 . 2. Tính chỉ số nén đa biến trung bình ( n 1 ): 2.1.Tìm n 1 trên đồ thị : ( H.2) 2.2. Tính theo các công thức sau : 2.2.1. n 1 –1= 8314/[ a’ V + (b/2)* T a *(en1-1+1)] (1) [n 1 ] = [1,341,39], hạn hữu: n 1 =1,41. Chọn n 1 , thế vào(1) hai vế phải cân bằng nhau. 2.2.2.Theo giáo sư Petrov: ở(n=3000-3200v/p), mở hoàn toàn cánh bướm ga, ta có: n 1 =1,41-(100/n). Với n=số vòng quay trục khuỷu. 2.2.3. K 1 = 1+[8,314/(mC v ) to tc ] , K 1 = 1+[(log T c – log T a )/(log e)] Xăng: n 1 = K 1 -0,04 , Diesel: +0,02 Chọn T c tính K 1 . n 1 = K 1 - 0,02 Xăng: [T c ]=[600 - 800] 0K . Diesel: [T c ]=[700900] 0K . 3.P C ,T C *Phương trình đa biến: P a V a n1 = P c V c n1 (1) *Phương trình trạng thái tại a : P a V a = 8314 M a T a (2) *Phương trình trạng thái tại c: P c V c = 8314 M c T c (3) Trong đó: * P a ,V a ,T a = Aùp suất (N/m 2 ),thể tích (m 3 ), nhiệt độ ( o K) của MCCT ở đầu QTNén *M a , M c = số Kmole MCCT ở đầu và cuối QTNén (nếu không kể sự rò rỉ của MCCT qua segments, thì M a = M c ) 3. Nhiệt độ cuối quá trình nén T c : T c = T a * en1-1 4. Aùp suất cuối quá trình nén P c : P c = P a *en1 *Xăng:[P c ]=[0,9-2,0]MN/m 2 . *Diesel:[P c ]=[3,5-5,5]MN/m 2 , tăng áp có =12-13 : [P c ]=[4,07,5]MN/m 2 II.CÂN BẰNG NHIỆT CỦA QUÁ TRÌNH NÉN II.1.Công Lac: Công tuyệt đối giửa 02 điểm a & c của quá trình bằng: Lac =(1/n 1 -1).(PaVa - PcVc) (J) Lac =[1/(n 1 -1).T K ].(P K Vh(1+gr).h n .Ta (en1-1 - 1) (J) II.2. Cân bằng nhiệt của quá trình nén: Qac = Lac + Uc - Ua Theo định luật một của nhiệt động học, cân bằng nhiệt của quá trình nén được xác lập theo phương trình: Qac = Lac + Uc – Ua. (1) Trong đó: Qa = Nhiệt lượng truyền cho môi chất công tác trong quá trình nén. Uc và Ua = Nội năng của môi chất công tác tại các điểm c và a tương ứng. Uc = Mc(mCv’)tbc. Tc + Ma(mCv’)tbc. Tc. Giả thuyết Mc = Ma= M1(1+gr). Ua = Ma(mCv’)tbc. Ta. Thay tất cả vào (1) và biến đổi: Qac/[M1(1+gr).Ta(en1-1-1)] = a’v + [(b/2). Ta(en1-1+1) –8314(n1 – 1)]. III. TỶ NHIỆT MOLE TRUNG BÌNH Ở CUỐI QUÁ TRÌNH NÉN. 1. Tỷ nhiệt mole đẳng tích trung bình khí nạp mới: (mCv) to tc (tra bảng 1-6). 2. Tỷ nhiệt mole đẳng tích trung bình khí sót: (mCv”) to tc . Từ a và Tc tra bảng (1-7, 1-8). 3. Tỷ nhiệt mole đẳng tích trung bình ở cuối quá trình nén: (mCv’)tbc = (mCv’) to tc = [1/(1+gr)][ (mCv) to tc + gr (mCv”) to tc ] (KJ/Kmole.độ) IV.1.Theo loại động cơ: Cơ sở chọn phụ thuộc vào động cơ, phụ thuộc vào sự hình thành hỗn hợp. IV.1.1. ĐỘNG CƠ XĂNG: Hình thành hỗn hợp từ bên ngoài bằng một thiết bị gọi là BCHK. Nhiệt độ Tc = (700-750) 0 K. Chọn tỉ số nén sao cho động cơ làm việc êm, đặc trưng bằng tỉ số tăng áp suất: (p/j) = [0,1-0,3} MN/m2.độ. IV.VẤN ĐỀ CHỌN TỶ SỐ NÉN ĐỘNG CƠ Chọn tỉ số nén sao cho: Khi làm việc không xảy ra hiện tượng kích nổ: bố trí bougie tốt. Kết cấu buồng cháy hợp lý: Buồng cháy càng nhỏ càng tốt, không có những ngóc ngách trong buồng cháy, chú ý kích nổ. IV.1.2. ĐỘNG CƠ DIESEL: Tc > (800-900) 0 K (do hỗn hợp tự cháy nên cần nhiệt độ cao). Chọn tỉ số nén sao cho : Động cơ làm việc êm, đặc trưng bằng tỉ số tăng áp suất: (p/j) = [0,2-0,6} MN/m2.độ. Kết cấu buồng cháy hợp lý:Buồng cháy ngăn cách tiếp xúc nước làm mát nhiều hơn, kim phun một lỗ tia, áp suất phun nhỏ vì vậy yêu cầu tỉ số nén lớn để xé nhỏ nhiên liệu. Một số xe du lịch dùng buồng cháy ngăn cách, tỉ số nén phải nhỏ để đảm bảo tính êm dịu và tăng tuổi thọ động cơ. IV.2. Tỉ số nén là một thông số nhiệt động quan trọng, nó ảnh hưởng rất nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất động cơ. Về mặt lý thuyết tăng tỉ số nén sẽ tăng công suất và tính kinh tế của động cơ tăng. Nhưng trong thực tế tăng tỉ số nén sẽ tăng tổn thất cơ giới, vì vậy tăng tỉ số nén cho có lợi phải nằm trong phạm vi nhất định. IV.2.1. Động cơ xăng: giới hạn trên của tỉ số nén được qui định bởi hiện tượng kích nổ và phụ thuộc vào tính chống kích nổ của nhiên liệu mà đặc trưng bằng trị số octanne. Trong những điều kiện như nhau, tỉ số nén tăng một đơn vị thì trị số octanne tăng (10-12) đơn vị. IV.2.2. Tăng n dẫn đến thời gian tác động của nhiệt độ và áp suất tới môi chất công tác càng giãm và tốc độ cháy tăng, lượng khí sót tăng. Kết quả: tăng n kích nổ giảm, tỉ số nén có thể tăng đôi chút. Do đó động cơ cao tốc có tỉ số nén cao hơn động cơ thấp tốc. IV.2.3. Khi giảm tải, lượng khí sót giảm, mức độ sấy nóng khí nạp giảm, kích nổ giảm. Do đó động cơ làm việc ở chế độ phụ tải nhỏ tỉ số nén chọn cao hơn so với động cơ thường làm việc ở chế độ toàn tải. Vì vậy tỉ số nén xe du lịch cao hơn so với xe tải. IV.2.4. Nếu thay bộ chế hòa khí bằng hệ thống phun xăng thì tăng tỉ số nén nhiều hơn. Cách này cho phép tăng tỉ số nén từ 5,8 lên 8,6 mà không cần phải thay đổi loại nhiên liệu. IV.2.5. Nhiệt độ vách xi lanh và đỉnh piston ảnh hưởng rất nhiều đến kích nổ động cơ (tăng nhiệt độ này sẽ làm tăng kích nổ), do đó động cơ làm mát bằng gió có tỉ số nén nhỏ hơn động cơ làm mát bằng nước. Hình dạng và kích thước buồng cháy ảnh hưởng rất lớn đến tỉ số nén. Giảm đường kính xi lanh, giảm hành trình màn lửa đi từ bougie đến những nơi xa nhật trong buồng cháy, giảm thời gian lan tràn màn lửa trong thể tích buồng cháy, giảm kích nổ, tỉ số nén tăng. IV.2.6.Hình dạng và kích thước buồng cháy IV.2.7. Nếu sử dụng vật liệu mới để chế tạo piston, xi lanh, culasse thì có thể cho phép tăng tỉ số nén. IV.2.8.Supap thải bị nóng nhất, giảm nhiệt độ supap thải sẽ tăng tỉ số nén. ĐỘNG CƠ Ô TÔ MÁY KÉO: Xăng: tỉ số nén e = 6 -12. Diesel buồng cháy thống nhất: tỉ số nén e = 13 -16. Diesel buồng cháy phụ: tỉ số nén e = 17 -20. ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU HỎA, TÀU THỦY, TỈNH TẠI: Thấp tốc: tỉ số nén e = 12 -14. Trung bình tốc: tỉ số nén e = 14 -15. Cao tốc: tỉ số nén e = 14 -18. Cao tốc tăng áp: tỉ số nén e = 12 -14. V. NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHỈ SỐ NÉN ĐA BIẾN TRUNG BÌNH n1: 1.Số vòng quay trục khuỷu n: PaVa n1 = Pc Vc n1 . Vậy Pc = Pa. en1 PaVa n’1 = Pc’ Vc’n’1 . Vậy Pc’ = Pa. en’1. Pc’ > Pc, do đó n’1 > n1. Đường cong n1 càng dốc thì n1 càng lớn. Vậy: môi chất mất nhiệt n1 giảm, môi chất nhận nhiệt n1 tăng. Khi n tăng sẽ làm cho số chu trình trong một thời gian tăng, trạng thái nhiệt của động cơ tăng, cấp nhiệt cho môi chất tăng, do đó n1 tăng. Mặt khác, khi n tăng sẽ làm cho thời gian tiếp xúc giửa môi chất công tác với xi lanh giảm, sự lọt khí giửa khe hở segments giảm, môi chất ít mất nhiệt, n1 tăng. Tóm lại: khi n tăng, n1 tăng. 2. Phụ tải của động cơ: Khi tăng tải, nhiệt độ các chi tiết tăng, nhiệt lượng cấp cho môi chất công tác ở đầu quá trình nén tăng và nhiệt lượng tỏa ra của môi chất công tác ở cuối quá trình nén giảm, n1 tăng. Tuy nhiên khi tải tăng, sự lọt khí tăng, lượng nhiệt ra xi lanh nhiều, môi chất mất nhiệt tăng, do đó n1 giảm. Tác động tổng cộng: Khi tăng tải n1 tăng, khi giảm tải n1 giảm. 3. Tình trạng kỹ thuật của động cơ: Khi nhóm piston xi lanh bị mòn, sự lọt khí tăng, làm cho môi chất mất nhiệt, n1 giảm. Muội than nhiều hoặc cặn trong nước làm mát bám nhiều xung quanh lòng xi lanh động cơ làm cho môi chất mất nhiệt ít, n1 tăng. Tất cả các biện pháp làm giảm nhiệt độ trung bình của xi lanh động cơ (vd: làm tăng thêm mức độ tuần hoàn của nước làm mát) sẽ làm n1 giảm. Khi tăng tỉ số nén sẽ làm cho hiện tượng lọt khí tăng, n1 giảm. 4.Kích thước xi lanh: Nếu cùng một dung tích công tác động cơ, tăng S/D sẽ làm n1 giảm và ngược lại. 5.Động cơ làm việc không ổn định: Động cơ làm việc không ổn định, nếu tăng tải hoặc tăng n sẽ dẫn đến n1 giảm so với trị số tương ứng với chế độ làm việc ổn định.