Mục lục:
Thể tích nạp
Thể tích nạp được hiểu là khối lượng của hoà khí (hỗn hợp nhiên liệu và không khí hay đôi khi là chỉ riêng không khí) tràn vào xi lanh trong kỳ nạp.
Nâng cao thể tích nạp. Để nâng cao thể tích nạp và qua đó nâng cao công suất, thời gian mở của xú páp nạp được kéo dài thêm, từ 180° góc quay trục khuỷu (tương đương với một lần đẩy của piston) lên đến 315° góc quay trục khuỷu. Trong kỳ thải, khí thải thoát ra với tốc độ rất cao tạo nên một sức hút trong buồng đốt. Khi xu-páp nạp được mở trước điểm chết trên, nhờ áp suất chân không trong xi lanh, hòa khí hay không khí nạp vào có thể ngược với chuyển động đi lên của piston và tràn vào xi lanh.
Góc trùng lặp xu-páp
Trong giai đoạn chuyển tiếp từ thì thải sang thì nạp, cả xú páp nạp lẫn xú páp thải đều được mở.
Nếu xu-páp nạp vẫn được mở đến tận kỳ nén, thí dụ ở động cơ Otto, luồng hỗn hợp nhiên liệu và không khí với tốc độ hút lên đến 100 m/s (360 km/h) do lực quán tính có thể tiếp tục tràn vào xi lanh. Hiệu quả tăng áp này chấm dứt khi áp suất tạo ra, do sự di chuyển lên của piston, chặn đứng luồng hòa khí. Xu-páp nạp phải được đóng lại trễ nhất là vào thời điểm này.
Dù có kéo dài thời gian nạp, thể tích nạp của xi lanh cũng chỉ đạt được cao nhất là 90% ở những động cơ không tăng áp.
Hệ số nạp
Hệ số nạp là tỷ lệ của hỗn hợp nhiên liệu và không khí thực sự được hút vào trên thể tích hỗn hợp nhiên liệu và không khí theo lý thuyết có thể nạp được (trọn vẹn), tính theo kg.
Trong trường hợp hình thành hòa khí bên trong, hệ số nạp là tỷ lệ của khối lượng không khí hút vào trên thể tích không khí có thể nạp được theo lý thuyết, tính theo kg.
Hệ số nạp ở động cơ không tăng áp lúc đầy tải vào khoảng giữa 0,6 và 0,9 (thể tích nạp 60% đến 90%), trong khi ở động cơ tăng áp, hệ số nạp có thể đạt từ 1,2 đến 1,6 (thể tích nạp 120% đến 160%).
λL = mz/mth
λL : Hệ số nạp
mz : Khối lượng không khí trong lành hay hỗn hợp nhiên liệu không khí hút vào, tính theo kg Khối lượng, về mặt lý thuyết, có thể có được của không khí trong lành hay hỗn hợp nhiên liệu-không khí, tính theo kg
mth : Thể tích nạp có thể được tăng lên nếu sức cản của dòng chảy khí chưa cháy giảm đi hoặc nếu nhiệt độ bên trong xi lanh thấp hơn.
Điều này có thể đạt được qua:
- Cấu tạo tối ưu của đường ống nạp,
- Hình dạng buồng cháy thuận lợi,
- Tiết diện nạp lớn,
- Nhiều xu-páp nạp cho mỗi xi lanh,
- Làm mát tốt.
Thể tích nạp giảm đi vì:
- Sức cản dòng chảy không khí của van bướm tiết lưu (bướm ga)
- Thời gian mở xu-páp giảm đi khi số vòng quay tăng lên
- Áp suất không khí thấp, lên cao thêm 100 m thì công suất động cơ giảm đi khoảng 1%.
Tỷ số nén
Buồng cháy : Là khoảng không gian được bao quanh bởi xi lanh, đầu xi lanh và đỉnh piston. Thể tích của buồng cháy thay đổi liên tục theo hành trình piston. Buồng cháy lớn nhất khi piston ở điểm chết dưới, và nhỏ nhất khi piston ở điểm chết trên. Buồng cháy lớn nhất bao gồm thể tích công tác và thể tích buồng nén (buồng cháy nhỏ nhất).
Thể tích buồng nén Vc : Là thể tích buồng cháy nhỏ nhất.
Thể tích công tác Vh : Là khoảng không gian giữa điểm chết trên và điểm chết dưới của piston.
Tổng thể tích công tác VH : Là tổng thể tích công tác của từng xi lanh trong một động cơ.
So sánh khoảng không gian trên piston trước khi nén (thể tích công tác Vh + thể tích buồng nén Vc) với khoảng không gian trên piston sau khi nén (thể tích buồng nén Vc), ta được tỷ số nén ɛ (Hình dưới).
Tỉ số nén = (Thể tích công tác + Thể tích buồng cháy) / Thể tích buồng cháy
| So sánh tỷ số nén | ||
|---|---|---|
| Tỷ số nén | 7 | 9 |
| Áp suất nén cuối cùng | ~10 bar | ~16 bar |
| Áp suất cháy nén cao nhất | ~30 bar | ~42 bar |
| Áp suất khi xú páp thải mở | ~4 bar | ~3 bar |
| Nhiệt độ nén cuối cùng | 400 °C | 500 °C |
Tỷ số nén càng cao, thí dụ ở động cơ Otto, thì việc tận dụng năng lượng nhiên liệu và qua đó tận dụng hiệu suất của động cơ càng tốt.
Bất chấp việc công nén được tăng cao với = 9, với cùng một lượng hòa khí, việc khai thác độ chênh lệch áp suất tăng lên đáng kể giúp tăng năng suất lên hơn 10% và giảm tiêu thụ nhiên liệu khoảng 10%.
Nguyên nhân của sự tăng công suất:
- Thải khí đã đốt tốt hơn từ một buồng đốt nhỏ hơn.
- Nhiệt độ cao hơn trong thì nạp, việc bay hơi tốt hơn và triệt để hơn.
- Nhờ vào việc bị nén dưới áp suất cao, khí đã đốt có thể giãn nở với thể tích lớn hơn, nhiệt độ của khí thải xuống thấp, do đó nhiệt năng bị thất thoát qua khí thải ít đi.
Gia tăng tỷ số nén thì nhiệt độ nén cũng tăng lên (Bảng trên). Vì thế, tỷ lệ nén bị giới hạn bởi nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu.
Độ nén ở những động cơ tăng áp nhỏ hơn vì không khí đã được nén cao tràn vào xi lanh.
Định luật Boyle-Mariotte
Do chuyển động lên xuống của piston trong xi lanh, áp suất và nhiệt độ cũng thay đổi theo thể tích.
Vào thế kỷ 17, hai nhà vật lý Boyle và Mariotte đã nhận ra rằng ở nhiệt độ cố định thì thể tích và áp suất trong xi lanh sẽ thay đổi tỷ lệ nghịch với nhau.
Thí dụ khi thể tích giảm xuống còn 1/8 thì áp suất sẽ tăng lên tám lần.
Tích số của áp suất và thể tích là một hằng số.
Định luật Gay-Lussac
Khi tính đến nhiệt độ trong mối tương quan giữa thể tích và áp suất, nhà vật lý người Pháp Gay-Lussac đã tìm ra định luật sau:
Khi nhiệt độ của khí ở một áp suất cố định được tăng lên thêm 1 K (1 °C), khí sẽ giãn nở thêm 1/273 thể tích của nó.
Khi nhiệt độ của không khí tăng thêm 273 K, thể tích của khí sẽ giãn nở gấp đôi.
Nếu việc giãn nở bị ngăn chặn, thí dụ trong thì nén, áp suất sẽ tăng lên gấp đôi. Tuy nhiên, do nhiệt lượng thoát qua thành xi lanh nên áp suất cuối cùng thấp hơn.
