Bài giảng Diesel tàu thủy II: Phần 1 - Hoàng Văn Sĩ

Chia sẻ: Cố Tiêu Tiêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của tập bài giảng "Diesel tàu thủy II" cung cấp cho sinh viên những nội dung kiến thức về: Chương 1 - Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong; Chương 2 - Các quá trình công tác của động cơ đốt trong; Chương 3 - Quá trình cháy và tạo hỗn hợp trong động cơ Diesel;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Diesel tàu thủy II: Phần 1 - Hoàng Văn Sĩ

BÀI GIẢNG DIESEL TÀU THUỶ II TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 1
CHƯƠNG 1 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Khái niệm cơ bản Trong các động cơ đốt trong, việc nghiên cứu chu trình thực tế rất phức tạp. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới diễn biến của các quá trình trong chu trình công tác như các thông số về kết cấu ( tỷ số nén, phương pháp quét khí và thải khí, phương pháp hình thành khí hỗn hợp…), các thông số về điều chỉnh ( góc phân phối khí, góc phun sớm, thành phần hỗn hợp), các thông số về khai thác (chế độ làm việc của động cơ, điều kiện về môi trường). Vì vậy khi nghiên cứu cơ sở lý thuyết của động cơ diesel, người ta phải xem xét sơ đồ đơn giản hoá các quá trình công tác đó, hay còn được gọi là chu trình lý tưởng. Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong là chu trình công tác mà trong đó không tính đến tổn thất nhiệt nào khác ngoài tổn thất nhiệt truyền cho nguồn lạnh được quy định theo luật nhiệt động học 2. Chu trình lý tưởng của động cơ diesel cho phép dễ dàng đánh giá tính hoàn thiện và khả năng sử dụng nhiệt lượng của nhiên liệu để biến thành công. 1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt trong Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong biểu diễn trên đồ thị P-V( đồ thị cong ) và T-S Diesel (đồ thị nhiệt), bao gồm các quá trình nhiệt động cơ bản sau đây (hình 1.1): Hình 1.1 Chu trình lý tưởng trên đồ thị P-V và T-S Trong đó: ac: quá trình nén đoạn nhiệt. cz1: quá trình cấp nhiệt đẳng tích. z1z: quá trình cấp nhiệt đẳng áp. Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 2
zb: quá trình dãn nở đoạn nhiệt ba: quá trình thải nhiệt đẳng tích. 1.1.2 Các thông số đặc trưng của chu trình Tỷ số nén: ε = Va/Vc Tỷ số áp suất : λ = Pz/Pc Tỷ số dãn nở sớm: ρ = Vz/Vc Tỷ số dãn nở sau: δ = Vb/Vz Q + Q2 − Q3 Q3 Hiệu suất nhiệt chu trình : η t = 1 ;η t = 1 − Q1 + Q2 Q1 + Q2 Trong đó : Q1 : Nhiệt lượng cung cấp đẳng tích ; Q2 ; Nhiệt lượng cung cấp đẳng áp ; Q3 : Nhiệt lượng thải đẳng tính ; 1.1.3 Các giả thiết khi nghiên cứu chu trình lý tưởng: Chu trình lý tưởng nêu trên khi nghiên cứu có kèm theo các giả thuyết sau đây : - Chu trình diễn ra với một đơn vị khí lý tưởng ; các quá trình xảy ra chỉ làm môi chất thay đổi về trạng thái vật lý và thành phần hoá học và khối lượng không thay đổi. - Không có các quá trình cháy trong xilanh động cơ, môi chất nhận nhiệt là do tiếp xúc lý tưởng với nguồn nóng. - Các quá trình nén và dãn nở là đoạn nhiệt, sự chuyển động là không có ma sát. - Quá trình thải nhiệt là do môi chất tiếp xúc lý tưởng với nguồn lạnh mà không phải là quá trình trao đổi khí. - Nhiệt dung riêng của môi chất là hằng số. - Nguồn nóng và nguồn lạnh là vô cùng lớn để quá trình truyền nhiệt là ổn định. Chu trình lý tưởng với các giả thuyết treên dđaây được lấy làm cơ sở lý thuyết nghiên cứu cho động cơ đốt trong. Các yếu tố về khai thác, kết cấu, kiểu loại động cơ … không ảnh hưởng đến chu trình. Sự thay đổi thể tích khi thực hiện các quá trình nén và dãn nở là do piston chuyển động trong xilanh thực hiện nhưng thông số trên đồ thị là do thể tích (hoặc thể tích riêng) của môi chất. 1.2 Chu trình lý tưởng Tuỳ theo lượng nhiệt cung cấp Q1, Q2 từ nguồn nóng, chu trình lý tưởng có thể được chia thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp hay cấp nhiệt hỗn hợp. Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 3
1.2.1 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích (hình1.2), trong đó nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) chỉ cấp theo chu trình trong quá trình đẳng tích c-z. Các động cơ đốt trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có quá trình cháy diễn ra rất nhanh (gần như tức thời tại điểm z). Các động cơ xăng, động cơ ga thường được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích. Hình 1.2 thể hiện các quá trình công tác của chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S. Trong chu trình này nhiệt lượng cung cấp trong quy trình đẳng áp Q2 = 0. Trong đó ta có thể thấy: ε = δ và ρ = 1. Hình 1.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S 1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp (hình 1.3), trong đó nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) chỉ cấp cho chu trình trong qúa trình đẳng áp c-z. Các động cơ đốt trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có quá trình cháy diễn ra chậm hơn nhiều (sau điểm z). các động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng không khí nén được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp . Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 4
Hình 1.3: Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị P-V và T-S Xem hình 1.3 trong chu trình này, nhiệt lượng cung cấp trong qúa trình đẳng tích Q1 = 0, nhiệt lượng cung cấp cho chu trình chỉ còn lại là Q2, khi đó λ = 1. 1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng cung cấp trong các qúa trình đẳng áp, đẳng tích đều tồn tại khác không: Q1K 0, Q2K 0. Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1.4), trong đó nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp cho công chất trong qúa trình c-z1 còn nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho công chất trong qúa trình z1-z của chu trình. Động cơ diesel thông thường (cấp nhiên liệu bằng bơm cao áp và vòi phun) được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp. Hình 1.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp trên đồ thị P-V và T-S Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 5
1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Hiệu suất chu trình lý tưởng: η t = Q1 + Q2 − Q3 = 1 − Q3 ; Q1 + Q2 Q1 + Q2 Trong đó, Q1, Q2 là nhiệt cấp đẳng tích và đẳng áp, còn Q3 là nhiệt thải. Mối liên hệ giữa các thông số tại các điểm đặc biệt của chu trình như điểm a, c, z1, z, b theo thông số trạng thái ban đầu áp suất được tính toán như sau: Điểm c: Pc .Vc = Pa .Va ; k k Pc = Pa .ε k ; Tc .Vck −1 = Ta .Vak −1 ; Tc = Ta .ε k −1 . Điểm z1: Pz1 Tz1 Pz1 = λ ; Pz1 = λ .Pc = λ .Pa .ε k ; = = λ ; Tz1 = λ .Tc = λ.Ta .ε k −1 . Pc Tc Pc Điểm z: Tz V Pz = Pz1 = λ .Pc ; Pz = λ .Pa .ε k ; = z = ρ ; Tz = ρ .Tz1 = ρ .λ .Ta .ε k −1 . Tz1 V z1 Điểm b: 1 1 Pb .Vbk = Pz .V zk ; Pb = Pz . = Pa .λ .ε k . = Pa .λ .ρ k ; Tb .Vbk −1 = Tz .V zk −1 ; δ k δ k 1 Do đó: Tb = Tz . = Ta .λ .ρ k δ k −i Mặt khác ta lại có: Q1 = Cv .(Tz1 − Tc ) = Cv .(Ta .λ.ε k −1 − Ta .ε k −1 ) Q2 = C p .(Tz − Tz1 ) = C p .(Ta .ρ .λ .ε k −1 − Ta .λ .ε k −1 ) Q3 = C v .(Tb − Ta ) = C v .(Ta .ρ k .λ − Ta ) Thay vào công thức định nghĩa ηt , ta có: 1 ρ k .λ − 1 η t = 1 − k −1 . ε (λ − 1) + k .λ .( ρ − 1) Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ρ =1, ε = δ ta có: 1 ηt = 1 − ε k −1 Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 6
Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp λ =1 ta có: 1 ρ k −1 η = 1 − k −1 . ε k .( ρ − 1) 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng Khi so sánh hiệu suất nhiệt của chu trình, người ta sử dụng đồ thị T-S và trên đó lượng nhiệt cấp và thải đều được thể hiện bằng các phần tử diện tích của đồ thị. Trên cơ sở công thức định nghĩa, hiệu suất nhiệt ηt sẽ thay đổi tùy thuộc vào nhiệt lượng cung cấp cho chu trình (Q1+Q2) hoặc nhiệt lượng thải Q3. 1.4.1 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỉ số nén ε và nhiệt lượng thải Q3 nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp: Hình 1.5 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng Với điều kiện cố định ε và Q3 ta thấy : Khi giữ nguyên ε, các điểm a và c phải trùng nhau đối với cả ba chu trình. Khi giữ nguyên Q3, ta thấy diện tích các hình biểu thị nhiệt thải với ba phương án trên phải như nhau, có nghĩa là diện tích (1ab21) là chung cho cả ba chu trình. Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvb ; hỗn hợp acz1zb ; đẳng áp aczpb lên cùng một đồ thị T-S như hình vẽ 1.5. So sánh nhiệt lượng cấp, mà nhiệt lượng cấp này biểu thị bằng các diện tích dưới các đường cong cấp nhiêt, ta thấy : Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 7
S(1czv21) > S(1cz1z21) > S(czp21) Từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận: η tv > η t > η tp 1.4.2 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỉ số nén ε và nhiệt lượng cung cấp (Q1+Q2) nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp. Với điều kiện giữ cố định ε và Q1+Q2 ta thấy: Khi giữ nguyên ε, các điểm a và c trùng nhau đối với cả ba chu trình. Khi giữ nguyên Q1+Q2, ta thấydiện tích các hình biểu thị nhiệt cấp với ba phương trên phải như nhau, có nghĩa là: S(1czv2v1) = S(cz1z21) = S(1czp2p1) Như thế, các điểm 2v phải phân bố về phía trái, còn điểm 2p thì phân bố về phía phải của điểm 2. Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp aczpbp lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.6. Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng Từ đồ thị ta nhận thấy: S(1abv2v1) < S(1ab21) < S(1abp2p1) Hay là: Q3v < Q3 < Q3p Do đó: η tv > η t > η tp 1.4.3 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực đại P max và nhiệt lượng thải Q3 Với điều kiện lượng nhiệt thải Q3 như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, chúng phải cùng chung nhau qúa trình thải nhiệt đẳng tích b-a. Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 8
Với điều kiện áp suất cực đại Pmax như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, các điểm zv, z, zp phải cùng nằm trên một đường p = const. Mặt khác, vì điểm b cùng chung cho cả ba chu trình nên các điểm zv, z, zp phải trùng nhau. Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzb; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzb lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.7 Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng Các điểm c trong chu trình cấp nhiệt đẳng tích là cv, hỗn hợp c, đẳng áp là cp, đồng thời các điểm đó phân bố từ trên xuống dưới là cp, c, cv. Nhiệt lượng thải cho nguồn lạnh của cả ba chu trình là bằng nhau, do đó: Sv(1ab21) = S(1ab21) = Sp(1ab21) =Q3 Nhiệt lượng cấp phân bố như sau: S(1cpz21) >S(1cz1z21) > S(1cvz21) Do đó: ηt > ηt > ηt p v 1.4.4 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực đại Pmax và nhiệt lượng cấp Q1+Q2 Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzpbp lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.8 Với điều kiện lượng nhiệt cấp Q2+Q3 như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T -S, các diện tích dưới đường cong cấp nhiệt biểu thị cho lượng nhiệt cấp của cả ba chu trình phải bằng nhau, tức là: Sv(1cvzv2v) = S(1cz1z21) = Sp(1cpzp2p) =Q1+Q2 Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 9
Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng Với điều kiện áp suất cực đại Pmax như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, các điểm zv, z, zp phải cùng nằm trên một đường p=const. So sánh nhiệt lượng thải biểu thị bằng các diện tích tương ứng ta thấy: Sp(1abp2p) < S(1ab2) η t > η tv Qua sự so sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng trên đây, chúng ta nhận thấy rằng: Trong thực tế, nếu chế tạo các động cơ đốt trong có tỉ số nén ε như nhau thì dù nhiệt lượng cấp không đổi hay nhiệt thải không đổi, hiệu suất nhiệt của động cơ làm việc theo chu trình đẳng tích sẽ có hiệu suất cao hơn, nhưng nếu các động cơ đốt trong có áp suất cháy cực đại Pmax như nhau thì những động cơ làm việc theo chu trình đẳng áp lại có hiệu suất cao hơn cả. Trên quan điểm chế tạo động cơ, người ta cần quan tâm đến áp suất cháy cực đại Pmax (thể hiện ứng suất cơ), vì vậy nên chế tạo động cơ làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng áp, nhưng việc chế tạo và vận hành những động cơ này gặp khó khăn (động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng khí nén), cho nên những động cơ này thực tế đã không được chế tạo mà thay vào đó, người ta chế tạo các động cơ diesel ngày nay làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 10
CHƯƠNG 2 CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Quá trình nạp 2.1.1 Hệ số nạp Trong động cơ đốt trong, sau mỗi chu kỳ công tác, động cơ cần phải thải một lượng khí cháy và nạp một lượng không khí mới vào xi lanh động cơ. Chất lượng của quá trình nạp và lượng không khí nạp vào xilanh động cơ có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu sau này. Thông thường, khi đánh giá lượng không khí nạp vào xilanh động cơ trong quá trình nạp, người ta sử dụng các thông số trước cửa hút của xilanh Po, To (hoặc Ps, Ts đối với động cơ hai kỳ và động cơ tăng áp). Thực tế lượng không khí nạp có trong xilanh ở đầu quá trình nén nhỏ hơn lượng không khí tính toán theo lý thuyết, bởi vì trong quá trình nạp, lượng không khí nạp vào xi lanh còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau: Sức cản thủy lực của đường ống không khí nạp, các xupáp nạp và các cửa nạp (trong động cơ hai kỳ). Do tồn tại sức cản thủy lực này nên áp suất của không khí trong xilanh động cơ khi bắt đầu quá trình nén (cuối quá trình nạp) sẽ nhỏ hơn áp suất không khí nạp trước cửa nạp. Sự giảm áp suất do sức cản thủy lực này sẽ làm cho mật độ không khí trong xilanh động cơ của quá trình nạp sẽ bị giảm theo, và do vậy, trong cùng một thể tích, trọng lượng của không khí sẽ giảm. Sự sấy nóng không khí nạp do thành vách xilanh, đỉnh piston, các xupáp hay các cửa làm cho nhiệt độ không khí nạp tăng, trọng lượng riêng của nó giảm xuống, làm giảm lượng không khí nạp thực tế vào xilanh động cơ. Ngoài ra trong thực tế, cuối quá trình xả chúng ta không thể làm sạch hoàn toàn xi lanh công tác. Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xilanh bao giờ cũng còn sót lại một lượng khí cháy. Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm một phần thể tích xilanh công tác, làm giảm lượng không khí sạch nạp vào xilanh. Lượng khí cháy cón sót lại trong xilanh động cơ được đánh giá bằng một đại lượng tương đối gọi là hệ số khí sót, kí hiệu là γr Mr γr = (2-1) L Trong đó Mr: số lượng khí cháy còn sót lại trong xilanh động cơ ở cuối kỳ xả (kmol); L: số lượng khí sạch nạp vào xilanh động cơ trong quá trình nạp (kmol). Do lượng khí sót trong xilanh động cơ có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt cho không khí sạch mới nạp vào làm chi nhiệt độ của nó tăng lên. Kết quả là trọng lượng riêng của không khí nạp giảm xuống, làm giảm lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ. Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 11
Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ ở các giá trị Pa,Ta thực tế nhỏ hơn lượng không khí lý thuyết tính toán theo các thông số Po, To hay Ps, Ts. Để đánh giá hiệu quả của quá trình nạp, người ta đưa ra khái niệm hệ số nạp được định nghĩa như sau: Hệ số nạp là tỉ số giữa lượng không khí có trong xilanh động cơ ở đầu hành trình nén và lượng không khí có thể chứa trong thể tích công tác của xilanh động cơ, có thông số là thông số trạng thái của không khí trước cửa hút của xilanh. Nghĩa là: nếu kí hiệu ηn là hệ số nạp; Go (kg); Vo (m3); Lo (kmol) là lượng không khí thực tế nạp vào thể tích Va của xilanh công tác; Gs (kg); Vs (m3); Ls (kmol) là lượng không khí có thể chứa trong thể tích Vs của xilanh công tác có các thông số của không khí trước cửa nạp Po, To (hay Ps,Ts) thì: Vo Go Lo ηn = = = (2.2) V s G s Ls Cần chú ý là theo định nghĩa Va > Vs, do đó trong trường hợp lý tưởng nếu quá trình xả là sạch hoàn toàn thì khi đó ηn có thể lớn hơn 1. Để lập công thức tính toán hệ số nạp, trước hết là môt số giả thiết sau: Quá trình nạp kết thúc tại điểm a của đồ thị công chỉ thị. Công do khí cháy sinh ra trong quá trình nạp và năng lượng động học của nó là như nhau. Nhiệt dung riêng của khí sạch và khí sót ở nhiệt độ đầu quá trình nén là như nhau. Số lượng không khí sạch và khí sót ở đầu quá trình nén được tính như sau: Ma=L+Mr = L.(1+γr) (2.3) Trong đó, L: lượng không khí sạch (kmol); Mr: lượng khí sót còn sót lại trong xilanh của cuối quá trình nạp (kmol). Giá trị của Mn và L trong phương trình trên có thể xác định từ phương trình trạng thái của chất khí: P .V M = a a .10 4 848.Ta Trong đó, Pa, Ta là áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nén (kG/cm2; oK); Và là thể tích xilanh đầu quá trình nén (m3); Po, To là áp suất và nhiệt độ không khí nạp trước cửa nạp (kG/cm2, oK). Từ công thức Vo ηn = → Vo = η n .Vs Vs Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 12
Po .η n .Vs Khi đó: L= .10 4 848.To Thay L, Ma vào công thức (2.3) và rút gọn ta có: Pa .Va Po .η n .Vo = .(1 + γ r ) Ta To Từ đó: Pa .To Va ηn = . .(1 + γ r ) Po .Ta Vs Ta đã có: Va = ε ; Do đó: Va = ε .Vc ; Vc Vs + Vc Vs = (ε − 1).Vc Hay = ε; Do đó: Vc Va ε .Vc ε Khi đó: = = Vs (ε − 1).Vc ε − 1 Thay vào công thức ηn ta có: ε Pa .To 1 ηn = . . ε − 1 Po .Ta 1 + γ r (2-4) Trường hợp động cơ bốn kỳ tăng áp hay động cơ hai kỳ, thông số trước cửa nạp là Ps, Ts. Khi đó công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ có tăng áp có dạng như sau: ε Pa .Ts 1 ηn = . . ε − 1 Ps .Ta 1 + γ r (2-5) Đối với động cơ hai kỳ quá trình nén thực tế là khi piston đóng kín các cửa. Vì thế, trong tính toán quá trình nạp cho động cơ hai kỳ ta phải lấy tỉ số nén thực tế εt Va' Vc + Vs' εt = = Vc Vc Vs’: thể tích công tác của xilanh khi đóng kín các cửa. h Gọi ψ S = là hệ số tổn thất hành trình, trong đó h là khoảng cách từ mép trên S của cửa cao nhất đến điểm chết dưới của piston. Khi đó có thể tích: Vs = Vs .(1 − ψ s ) ' ε t −ψ s Thay vào công thức tính ε t , khi đó ta sẽ có: ε = 1 −ψ s Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 13
Vì vậy: ε = ε t (1 −ψ s ) +ψ s Trong động cơ bốn kỳ, bỏ qua sự đóng muộn của xupáp, khi đó ta có thể xem quá trình nén bắt đầu khi piston từ điểm chết dưới đi lên điểm chết trên và Khi đó ta có: V ε= a Vc Từ phương trình: Vc + Vs (1 − ψ s ) εt = Vc ta có: (ε t − 1)Vc Vs = 1 −ψ s Va Vc + Vs Thay vào công thức tính hệ số nạp và chú ý là: ε= = Vc Vc Khi đó ta có công thức tổng quát tính hệ số nạp: ε P .T 1 ηn = t . a s . .(1 − ψ s ) ε t − 1 Ps .Ta 1 + γ r Động cơ bốn kỳ không tăng áp thay Ps, Ts bằng Po, To, còn hệ số ψs đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và không tăng áp đều bằng không. Khi đó, công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp lại quay về dạng: ε P .T 1 ηn = t . a o . ε t − 1 Po .Ta 1 + γ r Có thể biểu diễn công thức tính hệ số nạp dưới một dạng khác như sau: Từ phương trình trạng thái của 1kg chất khí P.V = R.T Viết cho chất khí có thông số Po, Vo, To ta có: Po.Vo = R.To Từ đó: To và 1 P Vo = R. γo = = Po Vo R.To Tương tự, viết cho chất khí có thông số trạng thái ở đầu quá trình nén ta có: Pa γa = R.Ta Từ đó: γa P R.T P .T = a . o = a o γ o R.Ta P Po .Ta Khi đó công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp có thể viết dưới dạng: ε γ 1 ηn = t . a . εt −1 γ o 1+ γ r Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 14
Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ được thay bằng γs và paTs γ khi đó biểu thức được thay bằng a psTa γs Bây giờ ta sẽ phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào những yếu tố nào? Từ công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp: ε P .T 1 ηn = t . a o . ε t − 1 Po .Ta 1 + γ r ε Ta thấy biểu thức là một thông số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ. ε −1 Như vậy với mỗi động cơ cụ thể thì biểu thức này là một hằng số. Còn biểu thức 1 thì ở đây γr là một thông số phụ thuộc vào hệ thống quét thải của động cơ 1+ γ r và chế độ công tác đã cho. Chất lượng làm sạch xilanh và do đó giá trị của γr thay đổi phụ thuộc rất nhiều vào việc hoàn thiện hệ thống quét thải và hệ thống tăng áp. Ngoài ra việc làm vệ sinh sạch các cửa quét thải trong động cơ hai kỳ, các đường ống xả và tuabin khí tăng áp cũng làm cho hệ số γr thay đổi. Khi γr tăng, hệ số nạp giảm xuống và ngược lại. Môi trường nơi động cơ làm việc có ảnh hưởng đến hệ số nạp thông qua giá trị Po, To và ϕ. Thực tế giữa áp suất, nhiệt độ và độ Nm của môi trường ảnh hường đến hệ số nạp như thế nào? Khi Po, To thay đổi sẽ làm cho mật độ không khí trước cơ cấu nạp (γo) thay đổi nhưng đồng thời nó cũng làm cho γa thay đổi theo. N ói cách khác, khi mật độ không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm) theo. γa Do vậy, tỉ số thực tế thay đổi rất ít và hầu như không đáng kể. N hư vậy đối γ0 với một động cơ cụ thể ở một chế độ khai thác đã chọn thì có thể xem hệ số nạp không chịu ảnh hưởng của môi trường nơi động cơ làm việc nếu hê số khí sót cũng không thay đổi. Tuy nhiên dù ηn không thay đổi nhưng do trọng lượng riêng của không khí nạp thay đổi nên lượng không khí sạch nạp vào xilanh động cơ cũng thay đổi theo. N ếu chuyển động cơ từ vùng có nhiệt độ thấp (hàn đới) sang khai thác ở vùng có nhiệt độ cao (nhiệt đới) thì do nhiệt độ môi trường To tăng làm γo giảm và vì vậy số lượng không khí nạp vào xilanh động cơ cũng giảm theo. N ếu các điều kiện khác là như nhau thì trong trường hợp này để giữ nguyên hệ số dư lượng không khí α thì bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, tức là giảm công suất của động cơ. N goài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ Nm môi trường cũng có ảnh hưởng đáng kể đến lượng không khí nạp vào xilanh động cơ. Lượng không khí nạp vào xilanh động cơ khi không khí là không khí khô có thể tính theo công thức: G1 = vs .γ 0 .ηn Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 15
Khi không khí nạp là không khí Nm thì lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ được tính như sau: 1 G2 = η n .Vs .γ o . 1 + 1,61.d Trong đó động cơ là độ Nm riêng của hơi nước trong không khí Nm (kg hơi nước/kg không khí khô) N hư vậy khi động cơ tăng, lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ sẽ giảm. N hư đã nói ở trên, đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, thông số trước cửa nạp không phải là Po, To mà là Ps, Ts. Hai thông số này ngoài ảnh hưởng của môi trường còn chịu ảnh hưởng của quá trình nén trong máy nén tăng áp và chế độ làmm mát không khí tăng áp. Điều này có nghĩa là Po, To và ϕ là các thông số gián tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng không khí nạp. Do vậy có thể nói đối với các động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, ảnh hưởng của môi trường sẽ nhỏ hơn so với động cơ không tăng áp. pa Sức cản thủy lực trên đường ống hút được biểu thị thông qua biểu thức p0 pa p hoặc . Khi sức cản trên đường ống hút càng tăng thì a sẽ càng nhỏ và do đó ηn sẽ ps p0 càng giảm. Các giá trị của hệ số nạp phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong khoảng sau: Động cơ thấp tốc tăng áp: ηn =0,8 ÷ 0,9 Động cơ trung tốc và cao tốc không tăng áp: ηn =0,75 ÷ 0,85 Động cơ tăng áp: ηn =0,8 ÷ 0,95 2.1.2 Xác định các thông số của quá trình nạp va Giá trị ε là một thông số kết cấu: ε = vc Đối với các động cơ đốt trong, việc lựa chọn ε khi thiết kế động cơ dựa yêu cầu là nhiệt độ cuối quá trình nén phải đảm bảo nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy, nhưng đồng thời phải giữ cho các giá trị ứng suất nhiệt và ứng suất cơ nằm trong giới hạn cho phép. Các động cơ diesel tàu thủy giá trị ε =10 ÷ 19; động cơ kích thướt nhỏ chọn ε cao; động cơ không tăng áp có ε cao hơn động cơ tăng áp. Hệ số khí sót cũng là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong các khoảng sau: Động cơ bốn kỳ không tăng áp: γr = 0,04 ÷ 0,055 Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 16
Động cơ bốn kỳ có tăng áp: γr = 0,02 ÷ 0,044 Động cơ hai kỳ quét thẳng: γr = 0,02 ÷ 0,07 Động cơ hai kỳ quét vòng: γr = 0,08 ÷ 0,11 Các giá trị trên cho ta một nhận xét rằng, động cơ bốn kỳ có giá trị γ r nhỏ hơn động cơ hai kỳ. Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xilanh tốt hơn. Còn động cơ hai kỳ quét thẳng do quỹ đạo chuyển động của dòng khí không phải đổi chiều, do đó nó có khả năng quét sạch các góc của xilanh hơn động cơ hai kỳ quét vòng nên giá trị γr của nó nhỏ. N goài hai thông số phụ thuộc kết cấu trên, các thông số khác của quá trình nạp đều là những thông số phụ thuộc trạng thái của khí nạp. Sau đây chúng ta sẽ đi tìm phương pháp xác định các thông số này. Áp suất và nhiệt độ điều khiển cuối quá trình nạp là hai thông số quan trọng của quá trình trao đổi khí. Các thông số này có thể được xác định bằng tính toàn hay thực nghiệm. Đặc tính thay đổi của áp suất và nhiệt độ khí nạp và các giá trị khác của nó phụ thuộc rất nhiều vào cường độ trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xilanh, các xupáp và các cửa, cũng như sự trao đổi nhiệt giữa khí nạp và khí sót trong xilanh. Để xác định nhiệt độ chất khí trong xilanh ở cuối kỳ nạp, ta xuất phát từ phương trình năng lượng. Gọi Ma là số lượng mol của hỗn hợp khí sạch và khí sót trong xilanh ở cuối kỳ nạp. L: Số lượng mol khí sạch nạp vào xilanh trong quá trình nạp. Mr: Là số lượng mol khí sót. C vt : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của không khí sạch C vn : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót C vm : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp. Ta giả thiết công của chất khí sinh ra trong quá trình nạp bằng không, khi đó ta có thể viết: M a .C vm .Ta = L.C v' .To' + M r .C vn .Tr Trong công thức trên, ta giả thiết rằng khí sạch nạp vào xilanh động cơ có nhiệt độ tại cửa hút của xilanh là To (động cơ bốn kỳ không tăng áp). Sau khi đi qua cơ cấu nạp nó nhận nhiệt và nhiệt độ tăng từ To lên: T0' : T0' = T0 + ΔTsn Trong đó ΔTsn là độ gia tăng nhiệt độ do sự sấy nóng của các cửa, cơ cấu nạp, đỉnh piston và thành vách xilanh. Sự khác nhau của các giá trị Cvt , Cvn , Cvm rất nhỏ và ta có thể xem chúng là như nhau. Khi đó, trở lại phương trình trên ta có thể viết: Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 17
M a .Ta = L.To' + M r .Tr Từ đó: L.To' + M r .Tr Ta = Ma Mr Thay: Ma = L + Mr và chú ý = γ , khi đó ta có: L To' + γ r .Tr To = 1+ γ r (2.8) o Thông thường giá trị ΔTsn nằm trong khoảng 10 ÷ 20 C, còn giá trị nhiệt độ của khí sót phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và nằm trong khoảng 700 ÷ 800oK. Công thức tính nhiệt độ cuối quá trình nạp trên đây là của động cơ bốn kỳ không tăng áp. Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ thì phải chú ý là nhiệt độ trước cơ cấu nạp là : Ts = Tk − ΔTlm N hiệt độ Tk của không khí sau máy nén tăng áp có thể tính như sau: m −1 ⎛P ⎞ m Tk = To ⎜ k ⎜P ⎟ ⎟ ⎝ o ⎠ Trong đó, m: chỉ số nén đa biến của máy nén: Với máy nén ly tâm: m = 1,5 – 2. Với máy nén piston : m = 1,5 – 1,6. Với máy nén rotor : m = 1,7 – 1,8. ΔTlm : độ giảm nhiệt độ của không khí khi đi qua sinh hàn khí tăng áp. Và khi đó, tương tự như trong động cơ bốn kỳ: Ts' + γ r .Tr TS' = Ts + ΔTsn và Ta = (2.9) 1+ γ r Thông thường với các động cơ diesel: Ta = 315 ÷ 340oK Áp suất của khí nạp sau khi đi qua các cơ cấu nạp sẽ giảm đi một lượng bằng sức cản trên đường ống nạp. Vì vậy chúng ta có thể tính: Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: pa = p0 − Δph Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp và động cơ hai kỳ: pa = ps − Δph Trong đó; Δph là độ giảm áp suất khi đi qua các cơ cấu hút. Thông thường đối với các động cơ diesel tàu thủy, giá trị Pa nằm trong khoảng sau: Động cơ bốn kỳ không tăng áp: Pa = (0,85 ÷ 0,90)Po. Động cơ hai kỳ có tăng áp: Pa = (0,90 ÷ 0,96)Po. Động cơ hai kỳ quét thẳng qua xupáp : Pa = (0,96 ÷ 1,04)Po. Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 18
Động cơ hai kỳ quét vòng: Pa = (0,96 ÷ 1,1)Po. Ts' + γ r .Tr Cuối cùng nếu thay: Ta = vào công thức tính hệ số nạp ta sẽ có công 1+ γ r thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp là: ε pa T ηn = . . ' 0 (2.10) ε − 1 p0 T0 + γ r .Tr Trở lại công thức tính: pa = p0 − Δph hay pa = ps − Δph Trong đó Δph có thể được xácđịnh từ phương trình Becnuli với giả thiết là: khi chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xilanh công tác, trạng thái của chất khí khong thay đổi. Khi đó ta có thể cho γo = γa hay γa = γs. Ta lại giả thiết vận tốc của dòng khí tại cửa vào là bằng không, khi đó có thể viết: γo ΔPh = Po − Pa = .(1 + ξ ).W 2 2.g Trong đó ξ à hệ số cản trên đường ống hút, thường bằng 0,03 ; W : vận tốc của dòng khí nạp. Với động cơ bốn kỳ ta có thể tính như sau : S .n D 2 W = . (m/s) 30 i.d k2 Trong đó, S : hành trình của piston (m); D: đường kính xilanh; dk: đường kính tiết diện lưu thông của xupáp hút (m); i: số xupáp hút trên một xilanh. Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp, trong công thức trên ta phải thay γo bằng γs Sau đây chúng ta kí hiệu Δph của động cơ bốn ky không tăng áp là Δp0 , còn đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ là ΔpS . Trị số Δp0 , ΔpS biểu thị sức cản trên đường ống hút. Làm sạch đường ống hút sẽ làm giảm Δp0 hay ΔpS trong khai thác, làm tăng Pa và do vậy tăng lượng khí nạp vào xilanh động cơ. Phân tích tương tự như vậy chúng ta thấy khi giảm Ta cũng làm cho mật độ không khí nạp tăng. Tăng cường chế độ làm mát khí tăng áp làm giảm Ta N hiệt độ môi trường tăng, phụ tải động cơ tăng sẽ làm tăng Ta và do vậy giảm lượng không khí nạp. Các giá trị áp suất và nhiệt độ khí sót ảnh hưởng không nhiều đến hệ số nạp nhưng giá trị γr thì có ảnh hưởng lớn. Khi tăng γr làm cho nhiệt độ không khí trong xilanh ở cuối quá trình nạp tăng, mật độ không khí nạp giảm làm giảm lượng không khí nạp. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng khi γr tăng từ 0,05 lên 0,15 thì hệ số nạp giảm từ 0,86 xuống còn 0,69. Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 19
Giá trị ảnh hưởng ít đến hệ số nạp và khi tính toán có thể bỏ qua. Pha phân phối khí tức là gó mở sớm, đóng muộn của càc xupáp hay các cửa có ảnh hưởng đến quá trình nạp và lượng không khí nạp.Việc lựa chọn các pha phân phối khí một cách hợp lí sẽ làm tăng lượng không khí ạp vào xilanh động cơ. Cuối cùng, vòng quay động cơ cũng là một thông số ảnh hưởng đến hệ số nạp, khi vòng quay động cơ tăng làm tăng sức cản thủy lực của dòng không khí nạ, làm cho ηn giảm. Đặc biệt ở chế độ khai thác động cơ khi mà cả vòng quay và phụ tải đều tăng thì ảnh hưởng đồng thời của cả hai yếu tố này đến hệ số nạp và lượng không khí nạp là rất đáng kể. Khi đó lượng không khí nạp vào xilanh động cơ bị giảm xuống, ảnh hưởng tốt đến chế độ làm việc bình thường của động cơ. 2.2 Quá trình nén 2.2.1 Sự trao đổi nhiệt trong quá trình nén N hiệm vụ của quá trình nén là nâng nhiệt độ của không khí trong xilanh ở cuối kỳ nén đến nhiệt độ có khả năng tự bốc cháy nhiên liệu một cách bình thường. Trong tính toán, quá trình nén bắt đầu khi piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên và tất cả các cơ cấu phân phối khí đều đóng lại. N ếu quá trình nén diễn ra không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xilanh thì quá trình nén là đoạn nhiệt và được miêu tả bằng phương trình: P.Vk=const. Hình 2.1 Diễn biến quá trình nén Đại học GTVT TP.HCM/ Khoa Máy Tàu Thủy/ Hoàng Văn Sĩ - 2014 20