Kiến thức Cơ bản về Động cơ Đốt trong - Pulkrabek, University of Wisconsin

• Tác giả: Pulkrabek
• Trường học: Đại học Wisconsin-Platteville
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Cơ sở kỹ thuật của động cơ đốt trong
• Loại tài liệu: Giáo trình

Tóm tắt

I. Tổng quan về engineering fundamentals of the internal combustion engine

Engineering fundamentals of the internal combustion engine là ngành kỹ thuật nghiên cứu nguyên lý hoạt động, thiết kế và hiệu suất của động cơ đốt trong. Động cơ đốt trong chuyển đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu thành cơ năng thông qua quá trình đốt cháy trong buồng kín. Có hai loại động cơ chính: động cơ đánh lửa bằng bugi (SI) và động cơ đánh lửa bằng nén (CI). Động cơ SI sử dụng bugi để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-khí, trong khi động cơ CI tự cháy khi nhiệt độ tăng do nén cao. Các tham số quan trọng bao gồm áp suất hiệu dụng trung bình (MEP), mô-men xoắn, công suất và hiệu suất thể tích. Động cơ hoạt động theo chu trình bốn kỳ: nạp, nén, cháy-nở và xả. Mỗi kỳ đóng vai trò riêng biệt trong chuỗi chuyển đổi năng lượng. Hiểu biết sâu về các nguyên lý cơ bản này là nền tảng để tối ưu hóa thiết kế, giảm phát thải và nâng cao hiệu suất vận hành của động cơ hiện đại.

1.1. Phân loại động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Theo phương pháp đánh lửa, gồm động cơ SI (Spark Ignition) và động cơ CI (Compression Ignition). Theo chu trình hoạt động, có động cơ bốn kỳ và hai kỳ. Theo cách bố trí xi-lanh, gồm loại thẳng hàng, hình chữ V, đối xứng và dạng radial. Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về công suất, độ rung và kích thước. Động cơ V8 thường dùng trong xe tải hạng nặng nhờ mô-men xoắn cao. Động cơ thẳng hàng sáu xi-lanh cân bằng tốt và vận hành mượt mà.

1.2. Các thông số kỹ thuật cơ bản

Các thông số kỹ thuật cốt lõi bao gồm dung tích xi-lanh, tỷ số nén, đường kính và hành trình piston. Áp suất hiệu dụng trung bình (MEP) phản ánh khả năng sinh công của động cơ. Mô-men xoắn và công suất là hai chỉ tiêu đánh giá hiệu suất hoạt động. Hiệu suất thể tích đo lường khả năng nạp đầy xi-lanh. Tỷ lệ nhiên liệu-khí quyết định chất lượng quá trình đốt cháy. Các thông số này liên kết chặt chẽ với nhau và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tổng thể của động cơ.

II. Phân tích chu trình và hiệu suất động cơ đốt trong

Phân tích chu trình là phần cốt lõi trong engineering fundamentals of the internal combustion engine. Chu trình Otto mô tả hoạt động của động cơ SI, trong đó quá trình cháy xảy ra ở thể tích không đổi. Chu trình Diesel áp dụng cho động cơ CI với quá trình cháy ở áp suất không đổi. Chu trình Dual kết hợp đặc điểm của cả hai chu trình trên. Chu trình Miller cải tiến hiệu suất bằng cách thay đổi thời điểm đóng mở van nạp. Mỗi chu trình được phân tích bằng chu trình chuẩn khí lý tưởng, sử dụng các phương trình nhiệt động học. Hiệu suất nhiệt của chu trình Otto phụ thuộc vào tỷ số nén và tỷ lệ nhiệt. Chu trình Diesel có hiệu suất cao hơn ở tỷ số nén lớn nhưng sinh ra nhiều hạt bụi hơn. Chu trình Stirling và Lenoir cũng được nghiên cứu cho các ứng dụng đặc biệt. So sánh các chu trình giúp kỹ sư lựa chọn thiết kế phù hợp cho từng mục đích sử dụng cụ thể.

2.1. Chu trình Otto và động cơ đánh lửa bằng bugi

Chu trình Otto gồm bốn quá trình đẳng entropy: nén, cháy đẳng tích, giãn nở và thải nhiệt đẳng tích. Hiệu suất nhiệt lý thuyết phụ thuộc hoàn toàn vào tỷ số nén. Tỷ số nén càng cao, hiệu suất càng lớn. Trong thực tế, động cơ SI hoạt động ở tải từng phần với bướm ga điều tiết lượng khí nạp. Quá trình xả tiêu hao một phần công suất do áp suất ngược. Chu trình Otto lý tưởng là cơ sở để đánh giá tổn hao thực tế trong động cơ.

2.2. Chu trình Diesel và chu trình Dual

Chu trình Diesel đốt cháy nhiên liệu ở áp suất không đổi, cho hiệu suất cao hơn ở tỷ số nén lớn. Động cơ CI không cần bugi vì hỗn hợp tự cháy do nhiệt độ nén cao. Chu trình Dual kết hợp đốt cháy đẳng tích và đẳng áp, mô phỏng chính xác hơn động cơ thực. So sánh ba chu trình Otto, Diesel và Dual ở cùng tỷ số nén và tổng nhiệt lượng nạp cho thấy mỗi chu trình có ưu thế riêng tùy điều kiện vận hành và thiết kế.

III. Nhiên liệu đốt cháy và kiểm soát phát thải

Nhiên liệu và quá trình đốt cháy là yếu tố quyết định trong engineering fundamentals of the internal combustion engine. Nhiên liệu hydrocarbon như xăng và diesel được phân tích dựa trên thành phần hóa học, trị số octane và nhiệt trị. Quá trình đốt cháy trong động cơ SI diễn ra qua ba giai đoạn: đánh lửa, lan truyền ngọn lửa và kết thúc cháy. Trong động cơ CI, quá trình phun và trộn nhiên liệu với khí nóng quyết định chất lượng cháy. Các loại nhiên liệu thay thế như ethanol, methanol và khí tự nhiên được nghiên cứu để giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Kiểm soát phát thải là thách thức lớn, bao gồm giảm hydrocarbon chưa cháy (HC), carbon monoxide (CO) và oxit nitơ (NOx). Bộ chuyển đổi xúc tác, tuần hoàn khí xả (EGR) và công nghệ phun nhiên liệu tiên tiến là các giải pháp then chốt. Nhiệt hóa học cung cấp nền tảng tính toán nhiệt lượng, nhiệt độ ngọn lửa và thành phần khí xả.

3.1. Đặc tính nhiên liệu và đánh giá chống kích nổ

Trị số octane đo lường khả năng chống kích nổ của nhiên liệu xăng. Kích nổ xảy ra khi hỗn hợp cháy trước do nhiệt độ và áp suất cao. Nhiên liệu có trị số octane cao cho phép tỷ số nén lớn hơn, cải thiện hiệu suất. Nhiên liệu diesel được đánh giá bằng trị số cetane, phản ánh khả năng tự cháy. Thành phần hydrocarbon như iso-octane, n-heptan và toluene ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính cháy. Lựa chọn nhiên liệu phù hợp là yếu tố quan trọng trong thiết kế động cơ.

3.2. Quá trình đốt cháy và kiểm soát khí thải

Quá trình đốt cháy trong động cơ SI bắt đầu bằng tia lửa bugi, ngọn lửa lan truyền qua buồng cháy. Tốc độ cháy phụ thuộc vào nhiễu loạn, tỷ lệ swirl và squish. Động cơ CI phun nhiên liệu trực tiếp vào khí nóng, cháy theo cơ chế khuếch tán. Các biện pháp kiểm soát khí thải bao gồm bộ xúc tác ba đường, hệ thống EGR và bộ lọc hạt. Công nghệ đốt cháy lean-burn và phun trực tiếp giúp giảm phát thải hiệu quả.

IV. Ứng dụng và xu hướng phát triển động cơ đốt trong

Kiến thức engineering fundamentals of the internal combustion engine được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ngành công nghiệp ô tô sử dụng các nguyên lý này để phát triển động cơ hiệu suất cao, tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện môi trường. Động cơ diesel công suất lớn phục vụ xe tải, tàu thủy và máy phát điện. Động cơ hai kỳ được dùng trong thiết bị cầm tay như cưa máy và xe máy nhỏ. Xu hướng phát triển hiện nay tập trung vào tăng áp (turbocharging), phun nhiên liệu trực tiếp và hệ thống hybrid. Mô phỏng bằng máy tính cho phép tối ưu hóa thiết kế buồng cháy, hệ thống van và luồng khí mà không cần thử nghiệm vật lý tốn kém. Công nghệ khí nén biến thiên và van biến thiên đang mở rộng giới hạn hiệu suất. Động cơ đốt trong vẫn đóng vai trò quan trọng trong giao thông toàn cầu, đặc biệt khi kết hợp với nhiên liệu sinh học và công nghệ thu hồi năng lượng thải. Nghiên cứu liên tục hướng tới giảm phát thải carbon và cải thiện hiệu suất năng lượng.

4.1. Mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế động cơ

Mô phỏng toán học và mô phỏng máy tính là công cụ mạnh mẽ trong thiết kế động cơ. Các mô hình nhiệt động học zero-dimensional tính toán chu trình tổng thể. Mô hình CFD phân tích luồng khí bên trong buồng cháy, bao gồm nhiễu loạn, swirl và tumble. Mô phỏng cho phép đánh giá ảnh hưởng của hình dạng piston, vị trí van và góc phun nhiên liệu trước khi chế tạo mẫu thử. Điều này rút ngắn thời gian phát triển và giảm chi phí đáng kể.

4.2. Xu hướng công nghệ và tương lai động cơ

Công nghệ tăng áp và siêu nạp cải thiện công suất động cơ nhỏ gọn. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp áp suất cao tối ưu hóa quá trình trộn. Động cơ Miller với van biến thiên đạt hiệu suất nhiệt vượt trội. Công nghệ hybrid kết hợp động cơ đốt trong với mô-tơ điện giảm tiêu hao nhiên liệu. Nhiên liệu sinh học và hydro được nghiên cứu như giải pháp bền vững. Động cơ đốt trong tiếp tục tiến hóa để đáp ứng tiêu chuẩn phát thải ngày càng khắt khe.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine www. Pulkrabek University of Wisconsin-· .net vi Contents 2-3 Mean Effective Pressure, 49 2-4 Torque and Power, 50 2-5 Dynamometers, 53 2-6 Air-Fuel Ratio and Fuel-Air Ratio, 55 2-7 Specific Fuel Consumption, 56 2-8 Engine Efficiencies, 59 2-9 Volumetric Efficiency, 60 , 2-10 Emissions, 62 2-11 Noise Abatement, 62 2-12 Conclusions-Working Equations, 63 Problems, 65 Design Problems, 67 3 ENGINE CYCLES 68 www.net 3-1 Air-Standard Cycles, 68 3-2 Otto Cycle, 72 3-3 Real Air-Fuel Engine Cycles, 81 3-4 SI Engine Cycle at Part Throttle, 83 3-5 Exhaust Process, 86 3-6 Diesel Cycle, 91 3-7 Dual Cycle, 94 3-8 Comparison of Otto, Diesel, and Dual Cycles, 97 3-9 Miller Cycle, 103 3-10 Comparison of Miller Cycle and Otto Cycle, 108 3-11 Two-Stroke Cycles, 109 3-12 Stirling Cycle, 111 3-13 Lenoir Cycle, 113 3-14 Summary, 115 Problems, 116 Design Problems, 120 4 THERMOCHEMISTRY AND FUELS 121 4-1 Thermochemistry, 121 4-2 Hydrocarbon Fuels-Gasoline, 131 4-3 Some Common Hydrocarbon Components, 134 4-4 Self-Ignition and Octane Number, 139 4-5 Diesel Fuel, 148 4-6 Alternate Fuels, 150 4-7 Conclusions, 162 Problems, 162 Design Problems, 165 www.net Contents vii 5 AIR AND FUEL INDUCTION 166 5-1 Intake Manifold, 166 5-2 Volumetric Efficiency of SI Engines, 168 5-3 Intake Valves, 173 5-4 Fuel Injectors, 178 5-5 Carburetors, 181 5-6 Supercharging and Turbocharging, 190 5-7 Stratified Charge Engines and Dual Fuel Engines, 195 5-8 Intake for Two-Stroke Cycle Engines, 196 5-9 Intake for CI Engines, 199 5-10 Conclusions, 201 Problems, 202 Design Problems, 204 www.net 6 FLUID MOTION WITHIN COMBUSTION CHAMBER 206 6-1 Turbulence, 206 6-2 Swirl, 208 6-3 Squish and Tumble, 213 6-4 Divided Combustion Chambers, 214 6-5 Crevice Flow and Blowby, 215 6-6 Mathematical Models and Computer Simulation, 219 6-7 Internal Combustion Engine Simulation Program, 221 6-8 Conclusions, 225 Problems, 226 Design Problems, 228 7 COMBUSTION 229 7-1 Combustion in SI Engines, 229 7-2 Combustion in Divided Chamber Engines and Stratified Charge Engines, 243 7-3 Engine o?Itrating Characteristics, 246 7-4 Modern Fast Burn Combustion Chambers, 248 7-5 Combustion in CI Engines, 251 7-6 Summary, 259 Problems, 260 Design Problems, 261 www.net Contents viii EXHAUST FLOW 262 8 8-1 Blowdown, 262 8-2 Exhaust Stroke, 265 8-3 Exhaust Valves, 268 8-4 Exhaust Temperature, 269 8-5 Exhaust Manifold, 270 8-6 Turbochargers, 272 8-7 Exhaust Gas Recycle-EGR, 273 8-8 Tailpipe and Muffler, 273 8-9 Two-Stroke Cycle Engines, 274 8-10 Summary and Conclusions, 274 Problems, 275 Design Problems, 276 www.net 9 EMISSIONS AND AIR POLLUTION 277 9-1 Air Pollution, 277 9-2 Hydrocarbons (He), 278 9-3 Carbon Monoxide (CO), 285 9-4 Oxides of Nitrogen (NOx), 285 9-5 Particulates, 287 9-6 Other Emissions, 290 9-7 Aftertreatment, 292 9-8 Catalytic Converters, 293 9-9 CI Engines, 301 9-10 Chemical Methods to Reduce Emissions, 303 9-11 Exhaust Gas Recycle-EGR, 304 9-12 Non-Exhaust Emissions, 307 Problems, 308 Design Problems, 311 10 HEAT TRANSFER IN ENGINES 312 10-1 Energy Distribution, 313 10-2 Engine Temperatures, 314 10-3 Heat Transfer in Intake System, 317 10-4 Heat Transfer in Combustion Chambers, 318 10-5 Heat Transfer in Exhaust System, 324 10-6 Effect of Engine Operating Variables on Heat Transfer, 327 10-7 Air Cooled Engines, 334 10-8 Liquid Cooled Engines, 335 www.net ~ ~ 10-9 Oil as a Coolant, 340 10-10 Adiabatic Engines, 341 10-11 Some Modern Trends in Engine Cooling, 342 10-12 Thermal Storage, 343 10-13 Summary, 345 Problems, 345 Design Problems, 348 11 FRICTION AND LUBRICATION 349 11-1 Mechanical Friction and Lubrication, 349 11-2 Engine Friction, 351 11-3 Forces on Piston, 360 11-4 Engine Lubrication Systems, 364 www.net 11-5 Two-Stroke Cycle Engines, 366 11-6 Lubricating Oil, 367 11-7 Oil Filters, 373 11-8 Summary and Conclusions, 375 Problems, 376 Design Problems, 377 APPENDIX 378 A-I Thermodynamic Properties of Air, 379 A-2 Properties of Fuels, 380 A-3 Chemical Equilibrium Constants, 381 A-4 Conversion Factors for Engine Parameters, 382 REFERENCES 384 ANSWERS TO SELECTEDREVIEW PROBLEMS 392 INDEX 395 www.net This book was written to be used as an applied thermoscience textbook in a one- semester, college-level, undergraduate engineering course on internal combustion engines. It provides the material needed for a basic understanding of the operation of internal combustion engines. Students are assumed to have knowledge of funda- mental thermodynamics, heat transfer, and fluid mechanics as a prerequisite to get maximum benefit from the text. This book can also be used for self-study and/or as a reference book in the field of engines. Contents include the fundamentals of most types of internal combustion engines, with a major emphasis on reciprocating engines. Both spark ignition and compression ignition engines are covered, as are those operating on four-stroke and two-stroke cycles, and ranging in size from small model airplane engines to the largest stationary engines. Rocket engines and jet engines are not included. Because of the large number of engines that are used in automobiles and other vehicles, a major emphasis is placed on these. The book is divided into eleven chapters. Chapters 1 and 2 give an introduc- tion, terminology, definitions, and basic operating characteristics. This is followed in Chapter 3 with a detailed analysis of basic engine cycles. Chapter 4 reviews fun- damental thermochemistry as applied to engine operation and engine fuels. Chapters 5 through 9 follow the air-fuel charge as it passes sequentially through an engine, including intake, motion within a cylinder, combustion, exhaust, and emis- xi www.net xii Preface sions. Engine heat transfer, friction, and lubrication are covered in Chapters 10 and 11. Each chapter includes solved example problems and historical notes followed by a set of unsolved review problems. Also included at the end of each chapter are open-ended problems that require limited design application. This is in keeping with the modern engineering education trend of emphasizing design. These design prob- lems can be used as a minor weekly exercise or as a major group project. Included in the Appendix is a table of solutions to selected review problems. Fueled by intensive commercial competition and stricter government regula- tions on emissions and safety, the field of engine technology is forever changing. It is difficult to stay knowledgeable of all advancements in engine design, materials, con- trols, and fuel development that are experienced at an ever-increasing rate. As the outline for this text evolved over the past few years, continuous changes were required as new developments occurred. Those advancements, which are covered in this book, include Miller cycle, lean burn engines, two-stroke cycle automobile engines, variable valve timing, and thermal storage. Advancements and technologi- www.net cal changes will continue to occur, and periodic updating of this text will be required. Information in this book represents an accumulation of general material col- lected by the author over a period of years while teaching courses and working in research and development in the field of internal combustion engines at the Mechanical Engineering Department of the University of Wisconsin-Platteville. During this time, information has been collected from many sources: conferences, newspapers, personal communication, books, technical periodicals, research, prod- uct literature, television, etc. This information became the basis for the outline and notes used in the teaching of a class about internal combustion engines. These class notes, in turn, have evolved into the general outline for this textbook. A list of ref- erences from the technical literature from which specific information for this book was taken is included in the Appendix in the back of the book. This list will be referred to at various points throughout the text. A reference number in brackets will refer to that numbered reference in the Appendix list. Several references were of special importance in the development of these notes and are suggested for additional reading and more in-depth study. For keeping up with information about the latest research and development in automobile and internal combustion engine technology at about the right technical level, publica- tions by SAE (Society of Automotive Engineers) are highly recommended; Reference [11] is particularly appropriate for this. For general information about most engine subjects, [40,58,100,116] are recommended. On certain subjects, some of these go into much greater depth than what is manageable in a one-semester course. Some of the information is slightly out of date but, overall, these are very informative references. For historical information about engines and automobiles in general, [29, 45, 97, 102] are suggested. General data, formulas, and principles of engineering thermodynamics and heat transfer are used at various places through- out this text. Most undergraduate textbooks on these subjects would supply the needed information. References [63] and [90] were used by the author.net Preface xiii Keeping with the trend of the world, SI units are used throughout the book, often supplemented with English units. Most research and development of engines is done using SI units, and this is found in the technical literature. However, in the non-technical consumer market, English units are still common, especially with automobiles. Horsepower, miles per gallon, and cubic inch displacement are some of the English terminology still used. Some example problems and some review prob- lems are done with English units. A conversion table of SI and English units of common parameters used in engine work is induded in the Appendix at the back of the book. I would like to express my gratitude to the many people who have influenced me and helped in the writing of this book. First I thank Dorothy with love for always being there, along with John, Tim, and Becky. I thank my Mechanical Engineering Department colleagues Ross Fiedler and Jerry Lolwing for their assistance on many occasions. I thank engineering students Pat Horihan and Jason Marcott for many of the computer drawings that appear in the book. I thank the people who reviewed the original book manuscript and offered helpful suggestions for additions and www. Although I have never met them, I am indebted to authors J. The books these men have written about internal combustion engines have certainly influenced the content of this textbook. I thank my father, who many years ago introduced me to the field of automobiles and generated a lifelong interest. I thank Earl of Capital City Auto Electric for carrying on the tradition. ACKNOWLEDGMENTS The author wishes to thank and acknowledge the following organizations for per- mission to reproduce photographs, drawings, and tables from their publications in this text: Carnot Press, Fairbanks Morse Engine Division of Coltec Industries, Ford Motor Company, General Motors, Harley Davidson, Prentice-Hall Inc., SAE Inter- national, Th~. Combustion Institute, and Tuescher Photography.net Notation xvi CDt Discharge coefficient of carburetor throat CI Cetane index CN Cetane number EGR Exhaust gas recycle [%] F Force [N] [lbf] Ff Friction force [N] [lbf] Fr Force of connecting rod [N] [lbf] Fx Forces in the X direction [N] [lbf] Fy Forces in the Y direction [N] [lbf] Fl-2 View factor FA Fuel-air ratio [kgf/kga] [lbmf/lbma] FS Fuel sensitivity I Moment of inertia [kg-m2 ] [lbm-ft2 ] ID Ignition delay [sec] Ke Chemical equilibrium constant Molecular weight (molar mass) [kg/kgmole] [lbm/lbmmole] www.net M MON Motor octane number N Engine speed [RPM] N Number of moles Nc Number of cylinders Nv Moles of vapor Nu Nusselt number ON Octane number P Pressure [kPa] [atm] [psi] Pa Air pressure [kPa] [atm] [psi] Pex Exhaust pressure [kPa] [atm] [psi] PEVO Pressure when the exhaust valve opens [kPa] [psi] Pf Fuel pressure [kPa] [atm] [psi] Pi Intake pressure [kPa] [atm] [psi] Pinj Injection pressure [kPa] [atm] [psi] Po Standard pressure [kPa] [atm] [psi] PI Pressure in carburetor throat [kPa] [atm] [psi] Pv Vapor pressure [kPa] [atm] [psi] Q Heat transfer [kJ] [BTU] Q Heat transfer rate [kW] [hp] [BTU/sec] QHHV Higher heating value [kJ/kg] [BTU/lbm] QHV Heating value of fuel [kJ/kg] [BTU/lbm] QLHV Lower heating value [kJ/kg] [BTU/lbm] R Ratio of connecting rod length to crank offset R Gas constant [kJ/kg-K] [ft-Ibf/lbm-OR] [BTU/lbm-OR] Re Reynolds number RON Research octane number S Stroke length [cm] [in.] Sg Specific gravity www.net Notation xix W Specific work [kJ/kg] [ft-Ibf/lbm] [BTU/lbm] Wb Brake-specific work [kJ/kg] [ft-Ibf/lbm] [BTU/lbm] wf Friction-specific work [kJ/kg] [ft-Ibf/lbm] [BTU/lbm] Wi Indicated-specific work [kJ/kg] [ft-Ibf/lbm] [BTU/lbm] x Distance [em] [m] [in.