BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 2

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

331
lượt xem 88
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 xy lanh động cơ. Chất lượng của quá trình nạp và lượng không khí nạp vào xy lanh 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 xy lanh động cơ trong quá trình nạp,...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 2

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 xy lanh động cơ. Chất lượng của quá trình nạp và lượng không khí nạp vào xy lanh 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 xy lanh động cơ trong quá trình nạp, người ta sử dụng các thông số trước cửa hút của xy lanh Po, To (hoặc Ps, Ts đối với động cơ hai kỳ và động cơ tăng áp). Thực tế lượng không khí nạp có trong xy lanh 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 xy 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 xy lanh 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 xy lanh 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 xy lanh, 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 xy lanh động cơ. Ngoài ra trong thực tế, cuối quá trình xả chúng ta không thể làm sạch hoàn toàn xy lanh công tác. Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xy lanh bao giờ cũng còn sót lại một lượng khí cháy. Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm một phần thể tích xy lanh công tác, làm giảm lượng không khí sạch nạp vào xy lanh. Lượng khí cháy cón sót lại trong xy lanh 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 xy lanh động cơ ở cuối kỳ xả (kmol); L: số lượng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp (kmol). Do lượng khí sót trong xy lanh động cơ có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt cho không khí sạch mới nạp vào làm nhiệt độ của nó tăng lên. Kết quả là trọng lượng http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 12
riêng của không khí nạp giảm xuống, làm giảm lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ. Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh 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 tỷ số giữa lượng không khí có trong xy lanh động cơ ở đầu hành trình nén và lượng không khí có thể chứa trong thể tích công tác của xy lanh động cơ, có thông số là thông số trạng thái của không khí trước cửa hút của xy lanh. 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 xy lanh công tác; Gs (kg); Vs (m3); Ls (kmol) là lượng không khí có thể chứa trong thể tích Vs của xy lanh công tác có các thông số của không khí trước cửa nạp Po, To (hay Ps,Ts) thì: (2.2) V G L η = o= o= o n Vs Gs 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 xy lanh của cuối quá trình nạp (kmol). Giá trị của Ma 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 xy lanh 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 http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 13
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 = ε; Vc Hay Do đó: ε .Vc ε Va = = Vs (ε − 1).Vc ε − 1 Khi đó: 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 tỷ số nén thực tế ε t Va' Vc + Vs' εt = = Vc Vc Vs’: thể tích công tác của xy lanh khi đóng kín các cửa. h Gọi ψ S = là hệ số tổn thất hành trình, trong đó h là khoảng cách từ mép S trên 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 http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 14
ε = ε t (1 −ψ s ) +ψ s Vì vậy: 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 V Khi đó ta có: ε= a Vc Từ phương trình: Vc + Vs (1 − ψ s ) εt = Vc (ε t − 1)Vc ta có: Vs = 1 −ψ s Va Vc + Vs ε= = Thay vào công thức tính hệ số nạp và chú ý là: 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 To và Từ đó: P 1 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 γa P R.T P .T Từ đó: = 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: εγ 1 ηn = t . a . εt −1 γ o 1+ γ r Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ được thay bằng γs γ paTs và khi đó biểu thức được thay bằng a γs psTa http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 15
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: εt Pa .To 1 ηn = . . 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 1+ γ r cơ và chế độ công tác đã cho. Chất lượng làm sạch xy lanh 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 ẩm 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. Nói cách khác, khi mật độ không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm) theo. γa Do vậy, tỷ số thực tế thay đổi rất ít và hầu như không đáng kể. Như vậy γ0 đối 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 xy lanh động cơ cũng thay đổi theo. Nếu 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 xy lanh động cơ cũng gi ảm theo. Nếu các đ i ều ki ện khác là như n hau thì trong trường h ợp này đ ể g i ữ n guyên hệ s ố 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. Ngoài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ ẩm môi trường cũng có ảnh hưởng đáng kể đến lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ. Lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ khi không khí là không khí khô có thể tính theo công thức: G1 = vs .γ 0 .ηn Khi không khí nạp là không khí ẩm thì lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ được tính như sau: 1 G2 = η n .Vs .γ o . 1 + 1,61.d http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 16
Trong đó động cơ là độ ẩm riêng của hơi nước trong không khí ẩm (kg hơi nước/kg không khí khô) Như vậy khi động cơ tăng, lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ sẽ giảm. Như 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 ps p0 sẽ 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 nhi ệ t đ ộ c u ố i quá trình nén ph ả i đ ả m b ả o nhiên li ệ u có kh ả n ă ng t ự b ố c cháy, nh ư ng đ ồ ng 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 thước 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 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 mộ t nh ận xét r ằng, động cơ b ốn k ỳ có giá trị γ r n hỏ h ơn đ ộng cơ hai kỳ. Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 17
hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xy lanh tốt hơn. Còn động cơ hai kỳ quét thẳng do quỹ đ ạo chuy ển động của dòng khí không phải đổi chiều, do đó nó có khả năng quét sạch các góc của xy lanh hơn động cơ hai kỳ quét vòng nên giá trị γr của nó nhỏ. Ngoài 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 toán 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 xy lanh, các xu páp và các cửa, cũng như sự trao đổi nhiệt giữa khí nạp và khí sót trong xy lanh. Để xác định nhiệt độ chất khí trong xy lanh 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 xy lanh ở cuối kỳ nạp. L: Số lượng mol khí sạch nạp vào xy lanh 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 xy lanh động cơ có nhiệt độ tại cửa hút của xy lanh 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 T rong đ ó ΔTsn là đ ộ g ia t ăng nhi ệt độ d o s ự s ấy nóng củ a các cửa, cơ cấu n ạp, đỉ nh piston và thành vách xy lanh. 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: M a .Ta = L.To' + M r .Tr Từ đó: L.To' + M r .Tr Ta = Ma Mr = γ , khi đó ta có: Thay: Ma = L + Mr và chú ý L http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 18
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 Nhiệt 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 và Ta = (2.9) TS' = Ts + ΔTsn 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. 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 1+ γ r công 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 http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 19
Trở lại công thức tính: pa = p0 − Δph hay pa = ps − Δph Trong đó Δph có thể được xác định từ phương trình Becnuli với giả thiết là: khi chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xy lanh công tác, trạng thái của chất khí không 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 .(1 + ξ ).W 2 ΔPh = Po − Pa = 2.g Trong đó ξ là 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 xy lanh; dk: đường kính tiết diện lưu thông của xu páp hút (m); i: số xu páp hút trên một xy lanh. Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp, trong công thức trên ta phải thay γo bằng γs Sau đây chúng ta ký hiệu Δph của động cơ bốn kỳ 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 xy lanh 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 Nhiệt 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 xy lanh 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. Giá trị ảnh hưởng ít đến hệ số nạp và khi tính toán có thể bỏ qua. Pha phân phối khí tức là góc mở sớm, đóng muộn của các xu páp 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 lý sẽ làm tăng lượng không khí nạp vào xy lanh 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 nạp, 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 đ ồng th ời củ a cả h ai y ếu t ố này đ ến h ệ số n ạp và lượ ng không khí nạp là r ất đ áng k ể. Khi đó lượng không khí nạp vào http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 20
xy lanh 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 Nhiệm vụ của quá trình nén là nâng nhiệt độ của không khí trong xy lanh 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. Nếu quá trình nén diễn ra không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy lanh thì quá trình nén là đoạn nhiệt và được miêu tả bằng phương trình: P.Vk =const. Thực tế quá trình nén trong xy lanh động cơ là một quá trình đa biến phức tạp với chỉ số nén đa biến luôn luôn biến đổi do giữa chất khí và thành vách xy lanh có sự trao đổi nhiệt. Sự trao đổi này luôn luôn thay đổi cả về trị số và hướng trao đổi nhiệt. Ngoài ra, trong thực tế cần phải tính đến rò lọt của không khí nén qua xéc măng và các xu páp. Ở đầu quá trình nén, do nhiệt độ chất khí còn thấp hơn nhiệt độ thành vách xy lanh, nên thành vách xy lanh trao đổi nhiệt cho chất khí. Nói cách khác, chất khí nhận nhiệt, do đó n1’ > k (hình 2.1). Hình 2.1 Diễn biến quá trình nén Piston tiếp tục đi lên, chất khí bị nén, nhiệt độ tăng dần do đó cường độ trao đổi nhiệt giữa thành vách xy lanh cũng giảm đi đến một lúc nào đó khi nhiệt độ chất khí bằng nhiệt độ thành vách xy lanh, thì quá trình trao đổi nhiệt tức thời bằng không. Quá trình đó là quá trình đoạn nhiệt tức thời, khi đó n1’ = k. Tiếp tục http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 21
quá trình nén, nhiệt độ chất khí tăng lên và lớn hơn nhiệt độ thành vách xy lanh. Lúc này quá trình trao đổi nhiệt từ khí đến vách , chất khí nhả nhiệt và n1’
Flm Bề mặt làm mát tương đối được tính bằng V Trong đó: Flm là diện tích bề mặt được làm mát của xy lanh; V: thể tích của xy lanh. a.D 2 c Flm Có thể thấy rằng tỷ lệ với = b.D 3 D V Như vậy khi động cơ tăng, bề mặt làm mát tương đối giảm, khả năng trao đổi nhiệt giữa chất khí và vách giảm xuống, n1 tăng lên. Trong động cơ diesel, việc tăng cường chế độ làm mát nhằm đảm bảo độ bền của các chi tiết nhóm piston - xy lanh, nhưng cần lưu ý khi nhiệt độ thành vách xy lanh càng nguội thì n1 càng giảm xuống. Ngoài các yếu tố chính nêu trên thì tình trạnh kỹ thuật của động cơ cũng có ảnh hưởng đến chỉ số nén n1. Khi nhóm piston - xy lanh mòn nhiều thì hiện tượng lọt khí nạp sẽ tăng lên, chỉ số nén đa biến sẽ giảm. Và cuối cùng khi tăng tỷ số nén ε, nhiệt độ và áp suất của không khí nén sẽ tăng làm tăng lượng nhiệt mà chất khí truyền cho thành vách xy lanh, đồng thời quá trình rò lọt khí qua xéc măng cũng tăng lên. Vì vậy tăng tỷ số nén ε, chỉ số nén đa biến trung bình n1 sẽ giảm xuống. Giá trị n1 thay đổi liên tục trên đường cong nén nhưng giá trị n1 tại mỗi điểm có thể tính như sau: lg P2 − lg P1 n1 = lg V1 − lg V2 Giá trị n1 bình quân của quá trình nén được tính như sau: ⎛p ⎞ lg ⎜ c ⎟ lg pc − lg pa p = ⎝ a⎠ (2.11) n1 = lg va − lg vc ⎛v ⎞ lg ⎜ a ⎟ ⎝ vc ⎠ Giá trị Pc và Pa được xác định từ đồ thị công chỉ thị. Khi thí nghiệm giá trị Pc được xác định bằng cách cắt không cấp nhiên liệu vào xy lanh cần đo Pc. 2.2.3 Các thông số chất khí ở cuối kỳ nén 1. Áp suất cuối kỳ nén Quá trình nén đa biến được đặc trưng bằng phương trình cơ bản: PVn1 = const; Áp dụng cho điểm a và điểm c ta có: Pa.Van1 = Pc.Vcn1 Pc = Pa. ε n1 Do đó: 2. Nhiệt độ kỳ cuối nén Từ phương trình trạng thái của môi chất tại điểm a và điểm c: Pa.Va = Ga.R.Ta; Chia hai phương trình trên cho nhau và coi Ga = Gc (bỏ qua sự rò lọt khí), ta có: Pc .Vc 1 = Ta .ε n1 . Tc = Ta . ε Pa .Va http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 23
Tc=Ta. ε n −1 Vậy (2.13) Như vậy Pc và Tc tỷ lệ với các thông số đầu quá trình nạp. Tăng Pa, Ta sẽ làm cho Pc, Tc tăng và ngược lại. Đồng thời Pc, Tc còn chịu ảnh hưởng rất lớn của chỉ số nén đa biến n1. Giá trị Pc, Tc quyết định khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu. Để nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy thì nhiệt độ cuối kỳ nén phải lớn hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu từ 200÷250oC, nhiệt độ này vào khoảng 750 – 800oK.Trong thực tế ở một số động cơ tăng áp, do áp suất Pa tăng tỷ lệ với Ps mà Pc có thể đạt đến giá trị 80 – 100kG/cm2. Tăng ε sẽ làm cho Tc tăng nhưng đồng thời cũng làm cho ứng suất cơ và ứng suất nhiệt của động cơ tăng. Các động cơ diesel tàu thuỷ tỷ số nén thấp nhất để cho nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy là 10 ÷ 10,5. Về lý thuyết khi tăng tỷ số nén ε thì tính kinh tế của động cơ sẽ tăng. Điều này đã được thực tế áp dụng trong những động cơ hiện đại cỡ lớn có hành trình siêu dài. Tỷ số nén trong động cơ thực tế là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong khoảng từ 10,5 đến 18. Ở các động cơ cao tốc, do thời gian của quá trình hoà trộn ngắn, do đó khó đảm bảo điều kiện cho sự tự bốc cháy của nhiên liệu. Mặt khác, ở những động cơ này, Flm bề mặt làm mát tương đối khá lớn. Vì vậy để đảm bảo khả năng khởi động V động cơ tỷ số nén ε thường chọn cao hơn. Trong những động cơ diesel tăng áp có tỷ số nén ε = 12 – 13 giá trị Pc có thể biến động trong một phạm vi rất rộng từ 40 – 50kG/cm2 trong các động cơ trung tốc và 50 – 75kG/cm2 ở các động cơ cao tốc hoặc có thể cao hơn. Trong những động cơ lớn có hành trình siêu dài, áp suất cuối kỳ nén Pc có thể đạt đến khoảng 80 – 100kG/cm2. Do tăng Pc mà áp suất cháy cực đại Pz cũng tăng theo có thể đạt giá trị 75 – 130kG/cm2 hoặc cao hơn. Những động cơ cao tốc thế hệ mới áp suất cháy cực đại có thể đạt 180 – 200 KG/cm2. 3. Chỉ số nén đa biến n1 Trong tính toán chu trình công tác, ta xem chỉ số nén đa biến n1 là không đổi, thực tế giá trị n1 thay đổi trong suốt quá trình nén và phụ thuộc rất nhiều vào sự trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xy lanh. Để đơn giản trong quá trình tính toán ta xem không khí trong xy lanh động cơ đầu quá trình nén là không khí sạch hoàn toàn và quá trình nén không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy lanh. Nghĩa là ta xem quá trình nén là đoạn nhiệt. C1 p n1 = K = Với giả thiết như vậy, ta có thể viết : 1 Cv Trong đó C p , Cv' là nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích của không khí sạch. ' http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 24
Biến đổi : C P C P + CV − CV ' ' ' ' n1 = ' = ' CV CV 848 Thay C p − Cv' = 848 A = = 1,99 ' 427 1.99 Khi đó: n1 = +1 Cv' Giá trị nhiệt dung riêng của không khí là một giá trị biến đổi phụ thuộc vào nhiệt độ. Tuy nhiên sự thay đổi của nó là không lớn lắm ta có thể bỏ qua. Giả thiết như vậy khi đó ta có thể lấy giá trị của nhiệt dung riêng trung bình để tính toán. 1.99 Từ phương trình: Tc = Ta .ε n −1 ; Kết hợp với phương trình: n1 − 1 = ; 1 Cv' Mà Cv' = 4,6 + 0.0006.(Ta+Tc); Vậy: Cv' = 4.6+0.0006.Ta. 1.99 Thay vào phương trình: n1 − 1 = ta có: Cv' 1,99 (2.14) n1 − 1 = 4, 6 + 0, 0006Ta (1 + ε n1 −1 ) Ta tìm n1 theo phương pháp tính chọn gần đúng dần bằng cách như sau: Chọn một giá trị n1 bất kỳ thay vào phương trình trên. Sau khi tính toán vế phải và vế trái của phương trình bằng nhau thì giá trị n1 ta vừa chọn là đúng. Còn nếu phương trình chưa cân bằng thì chọn lại và tính lại cho đến khi hai vế của phương trình (2.14) bằng nhau. Thực nghiệm đã xác định rằng: Động cơ thấp tốc có làm mát piston: n1 = 1,33 ÷ 1,37 Động cơ trung tốc không làm mát piston: n1 = 1,36 ÷ 1,38 Động cơ cao tốc: n1 = 1,39 ÷ 1,42 2.3 Quá trình cháy 2.3.1 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu. 2.3.1.1. Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu. Trong chu trình thực tế, thành phần và tính chất của công chất luôn luôn thay đổi. Thành phần và tính chất của công chất có ảnh hưởng đến các thông số của chu trình công tác và do đó đến tính kinh tế, an toàn và tin cậy của động cơ . Thực chất của quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh động cơ là một quá trình hết sức phức tạp. Để xác định các thông số của quá trình cháy trước hết cần phải xác định lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu trong xy lanh động cơ. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 25
Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel tàu thuỷ là sản phẩm của dầu mỏ, có các thành phần cơ bản như : C = 84 ÷ 87% ; H = 10 ÷ 14% ; O = 0,1 ÷ 1% ; S = 0,01 ÷ 5% Ngoài ra còn một vài thành phần khác chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. Để đơn giản cho tính toán chúng ta quy ước : gọi C ,H, O, S là khối lượng (kg) các thành phần cacbon, hydro, ôxy, lưu huỳnh có trong 1kg nhiên liệu. C + H + O + S = 1 kg nhiên liệu Tức là trong nhiên liệu không có các thành phần khác nữa. Để tính lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu ta đi tính lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá các thành phần có trong nhiên liệu. Ta có phản ứng : C + O2 = CO2 Như vậy: Cứ 12 kg Cacbon cần 1 kmol oxy và tạo ra 1 kmol CO2. Vậy C kg cacbon cần xupáp kmol oxy và tạo ra y kmol CO2 C C Suy ra: x = và y= 12 12 C C Như vậy để đốt cháy hết C kg cacbon cần kmol O2 và tạo thành kmol 12 12 CO2 trong phản ứng cháy. Bằng cách viết các phản ứng cháy tương tự cho hydrô và lưu huỳnh, lưu ý rằng trong bản thân nhiên liệu có chứa một lượng oxy là O kg, qui thành O kmol. Lượng O2 cần thiết này cũng tham gia phản ứng oxy hoá với các 32 nguyên tố khác. Do vậy lượng oxy cần thiết thực tế cũng giảm đi một lượng bằng lượng oxy có trong nhiên liệu . Ngoài ra, chúng ta cho rằng trong không khí oxy chiếm 21% thể tích, còn 79% là N2. Khi đó ta có công thức tính lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu sẽ là: 1CHSO kmol/kg nhiên liệu (2.15) L0 = (++−) 0, 21 12 4 32 32 O ở đây là thành phần ôxy có trong nhiên liệu. 32 Nếu nhiên liệu có các thành phần nguyên tố theo tỷ lệ: C = 87%; H = 12,6%; C = 0,4% thì Lo = 0,495 kg/kg nh.l Nếu tính theo trọng lượng thì: G0 = μ.L0 = 28,97.0, 495 = 14,3 kmol/kg nh.l Trong đó μ là khối lượng phân tử của không khí lấy bằng 28,97 Trong công thức tính toán lượng không khí lý thuyết, ta giả thiết không khí là không khí khô hoàn toàn. Trong trường hợp không khí là không khí khô, hàm lượng ôxy tính theo thể tích là 21%. Còn trong trường hợp là không khí ẩm cần phải xác định lại hàm lượng ôxy có trong không khí. muốn vậy ta dựa vào quan hệ cơ bản sau: O2 + N 2 + H 2 O V = 1 V V http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 26
Trong đó : O2v là hàm lượng oxy có trong không khí ẩm tính theo thể tích; N 2 là hàm lượng nitơ có trong không khí ẩm tính theo thể tích ; H 2 O v là hàm v lượng hơi nước trong không khí ẩm tính theo thể tích. Hàm lượng hơi nước có trong không khí ẩm tính theo thể tích có thể xác định theo công thức sau : ϕ . pH mm3/m3 không khí (2.16) H 2O v = p0 Trong đó : P0 là áp suất khí quyển ; ϕ là độ ẩm tương đối của không khí ; PH là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí đang xét. Ta biết rằng trong không khí giữa ôxy và nitơ có quan hệ theo thể tích sau: v O2 0, 209 (2.17) = = 0, 264 v N 2 0, 791 Kết h ợp hai đ i ều kiện (2-15) ; (2-16) chúng ta sẽ xác đ ị nh đ ượ c l ượ ng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu trong điều kiện không khí ẩm như sau : 1 CHSO kmol/kg nh.l (2.18) L'0 = .( + + − ) p 0, 21.(1 − ϕ . h ) 12 4 32 32 p0 Do l ượ ng oxy trong không khí ẩm ít h ơn l ượng oxy trong không khí khô nên lượ ng không khí lý thuyết cần thiết để đốt hết 1kg nhiên liệu khi không khí là không khí ẩm sẽ lớn hơn trong trường hợp không khí khô. Nếu ta gọi L0 là lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu khi không khí là không khí ẩm thì đương nhiên là có : L'0 > L0 2. Lượng không khí thực tế để đốt cháy 1 kg nhiên liệu Thực tế do quá trình hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu xảy ra bên trong xy lanh công tác trong một thời gian rất ngắn, do đó để đảm bảo cho quá trình hoà trộn và cháy tốt, lượng không khí thực tế đưa vào trong xy lanh động cơ trong quá trình nạp bao giờ lớn hơn trọng lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu. Lượng không khí dư thừa so với lượng không khí lý thuyết được đánh giá bằng hệ số dư lượng không khí….. L α= Lo Trong đó: L là lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh công tác để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu. 1 CHSO L = α .L0 = Kmol/kg nh.l (2.19) .( + + − ) 0, 21 12 4 32 32 Giá trị α của các động cơ nằm trong khoảng sau: http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 27
Động cơ không tăng áp thấp tốc: α =1,8 – 2,1 Động cơ không tăng áp cao tốc: α =1,3 – 1,7 Động cơ tăng áp thấp tốc: α =2,0 – 2,3 Động cơ tăng áp cao tốc: α =1,5 – 1,9 Trong một chu trình công tác, hệ số dư lượng không khí α được tính như sau: Lct α =− (2.20) qct .L0 Trong đó: Lct là lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ trong một chu trình công tác (kmol); qct là lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình. Trong điều kiện không khí ẩm, lượng không khí thực tế để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu sẽ là : 1 CHSO kmol/kg nh.l (2.21) L'0 = .( + + − ) p 0, 21.(1 − ϕ . h ) 12 4 32 32 p0 Từ công thức (2.21) ta thấy: Khi φ tăng, lượng hơi nước chiếm chỗ trong không khí cũng nhiều do vậy lượng oxy càng ít. Nếu lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ không đổi thì hệ số dư lượng không khí α trong trường hợp này sẽ giảm, quá trình cháy sẽ kém đi. Nếu để giữ nguyên hệ số lượng không khí α thì cần thiết phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, làm giảm công suất động cơ. Ngoài ra khi trong không khí nạp có chứa hơi nước sẽ làm giảm chỉ số nén đa biến. Điều này dẫn đến là các thông số cuối quá trình nén sẽ thấp. Do ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố trên thời gian chuẩn bị cháy τ i sẽ kéo dài, quá trình cháy chuyển sang đường giãn nở, nhiệt độ khí xả tăng, tính kinh tế của chu trình sẽ giảm xuống. 2.3.2 Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu 1. Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (M’) Để tính số lượng mol sản phẩm cháy, ta giả thiết quá trình cháy diễn ra hoàn hoàn và hệ số dư lượng không khí α >1. Thành phần sản phẩm cháy bao gồm CO2, SO2, hơi nước, lượng O2 dư thừa và lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy. Lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ để đốt cháy 1kg nhiên liệu là L (kmol). Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu là Lo (kmol). Như vậy lượng không khí không tham gia vào phản ứng cháy là L - Lo. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 28
Ta xem là trong không khí O2 chiếm 21% về thể tích và N2 là 79%. Vậy lượng O2 dư thừa là (L - Lo).0,21 = (α.Lo - Lo).0,21 = (α - 1).Lo.0,21 (kmol/kg.n.l). Lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy là 0,79.L = 0,79 α Lo (kmol/kg.n.l). Các thành phần CO2, H2O, SO2, được xác định từ các phản ứng cháy. Trong đó: Lượng CO2 là C (kmol/kgnh.l) 12 H Lượng H2O là ( kmol/kgnh.l) 2 S Lượng SO2 là ( kmol/kgnh.l) 32 Gọi M’ là số mol sản phẩm cháy, khi đó: M ' = M CO2 + M H 2O + M SO2 + M N 2 CHS + 0,21.(α − 1).Lo + 0,79.α .Lo (kmol/kg nh.l) M '= ++ 12 2 32 CHS + (α − 1) (kmol/kg nh.l) M '= ++ 12 2 32 2.3.2.2. Số gia sản phẩm cháy ( ΔM ' ) Khi cháy nhiên liệu làm cho khối lượng mol chất khí thay đổi. Giả sử sau khi cháy khối lượng mol chất khí tăng lên một lượng là ΔM ' . ΔM ' = M '− L = M '−α .Lo Thay các giá trị M’ và α .L0 vào phương trình ta được CHS + (α − 0,21).Lo − α .Lo ΔM ' = ++ 12 2 32 1 CHSO Tiếp tục thay L = α .L0 = (kmol/kg nh.l) .( + + − ) 0, 21 12 4 32 32 và biến đổi ta được : 8H + O (kmol/kg nh.l) (2.23) ΔM ' = 32 Từ công thức này chúng ta thấy rằng số gia sản phẩm cháy không phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí α mà xác định bằng hàm lượng H2 và O2 có trong nhiên liệu. Có nghĩa là nó chỉ phụ thuộc thành phần hoá học của nhiên liệu. 2.3.3 Hệ số thay đổi phân tử 2.3.3.1.Hệ số thay đổi phân tử hóa học ( β 0 ) http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 29
Trong phản ứng đố t cháy 1kg nhiên liệu, gi ả sử có L kmol không khí tham gia. Sau phản ứng cháy, số lượng sản phẩm cháy sẽ không còn bằng L nữa mà có trị số là M’, đồng thời thể tích của sản phẩm cháy cũng thay đổi. M' Khi đó tỷ số được gọi là hệ số thay đổi phân tử hoá học. L Gọi βo là hệ số thay đổi phân tử hóa học. M ' L + ΔM ' 8H + O βo = = = 1+ 32.α .Lo L L Đối với nhiên liệu nhẹ có hàm lượng C = 0,87, H = 0,126 và O = 0,004 ta có: 0,0639 βo = 1+ α Như vậy hệ số thay đổi phân tử hóa học luôn luôn lớn hơn 1 và nó chỉ phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí α. Khi α tăng βo giảm. 2. Hệ số thay đổi phân tử thực tế ( β ) Thực tế khí tham gia phản ứng cháy, trong xy lanh không chỉ chứa không khí sạch hoàn toàn mà còn có một lượng khí cháy còn sót lại của chu trình công tác trước. Gọi Ma là lượng mol khí sạch và khí sót có trong xy lanh ở thời điểm bắt đầu nén: Ma = L + Mr Gọi M là số lượng mol khí sau phản ứng cháy. Phản ứng cháy làm cho số lượng mol tăng lên một lượng là ΔM ' , và trong khí cháy thì lượng khí sót không tham gia phản ứng cháy, nghĩa là số lượng mol khí sót không thay đổi. Khi đó ta có : M = M’ + Mr Do vậy hệ số thay đổi phân tử thực tế sẽ là : M '+ M r M β= = L + Mr Ma Mr Chia cả tử và mẫu cho L với chú ý là γ r = , khi đó ta có: L β0 + γ r β= (2.26) 1+ γ r Hệ số thay đổi phân tử thực tế β cũng có thể được xác định tại một thời điểm bất kỳ cùa quá trình cháy như sau: Gọi x là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm đang xét, khi đó số gia sản phẩm cháy sẽ là x.ΔM ' và số lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đó sẽ là: M x = L + x.ΔM ' L + x.ΔM '+ M r x.ΔM ' Và: βx = = 1+ L + Mr L + Mr x.ΔM ' Chia cả tử và mẫu cho L ta được: L βx = 1+ 1+ γ r http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 30
L + ΔM ' ΔM ' Từ: ta có ΔM ' βo = = 1+ = βo −1 L L L β0 − 1 β x = 1 + x. Do đó: (2.27) 1+ γ r Khi x = 0 thì βx = 1: nhiên liệu chưa cháy. Khi x = 1 thì βx = β: nhiên liệu cháy hết. Trong tính toán của các quá trình cháy về sau, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta coi quá trình cháy là cháy hoàn toàn (βx = β). Nhưng trong thực tế quá trình cháy nhiên liệu động cơ diesel có một phần nhiên liệu cháy không hoàn toàn. Sự cháy không hoàn toàn sẽ sinh ra các oxit cácbon. Ngoài ra trong sản phẩm cháy còn có một phần các bon chưa cháy. Thành phần của các chất trong sản phẩm cháy được xác định bằng các thiết bị phân tích khói. 2.3.4 Phương trình nhiệt động của quá trình cháy 2.3.4.1. Khái niệm về hệ số sử dụng nhiệt Trong tính toán nhiệt động, quá trình cháy trong động cơ diesel được xem là bao gồm hai quá trình: Quá trình cháy đẳng tích CZ1 Quá trình cháy đẳng áp Z1Z Điểm C được xem là điểm bắt đầu cháy, còn điểm Z là điểm kết thúc quá trình cháy. Trong thực tế, năng lượng của nhiên liệu khi cháy không thể được sử dụng một cách hoàn toàn để nâng cao nộ năng của chất khí và sinh công. Một phần nhiệt bị mất mát do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu. Quá trình cháy không hoàn toàn được thể hiện bằng các sản phẩm cháy trung gian. Một phần nhiệt khác bị mất mát do sự trao đổi nhiệt của khí cháy cho thành vách xy lanh. Ngoài ra ở nhiệt độ cao (hơn 2000oK) sẽ xuất hiện sự phân hủy sản phẩm cháy. Quá trình phân hủy này thu nhiệt, khi nhiệt độ chu trình giảm xuống (trên đường giãn nở) quá trình xảy ra ngược lại, tức là các phân tử lại kết hợp với nhau, quá trình này tỏa nhiệt. Tuy nhiên lượng nhiệt toả ra nhỏ hơn lượng nhiệt thu vào trong quá trình phân hủy, t ức là đã có tổ n th ất nhi ệt đ ộ phân h ủy. Trong đ ộng cơ d iesel, lượng nhiệt mất mát này không đáng kể (khoảng 2%) vì nhiệt độ khí cháy thấp, còn trong động cơ xăng, giá trị này lớn hơn. Trong trường hợp đốt 1 kg nhiên liệu, nếu gọi nhiệt trị thấp của nhiên liệu là QH, phần nhiệt mất mát do cháy không hoàn toàn là QKC, phần nhiệt mất mát do sản phẩm cháy là QPH, lượng nhiệt chất khí trao đổi cho thành vách xy lanh là QH − (QKC + QPH ) QXL, khi đó ta có: x= QH χ : được gọi là hệ số tỏa nhiệt của nhiên liệu khi cháy. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 31