Tìm hiểu về Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong

Chia sẻ: Tai Tieu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

708
lượt xem 82
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Những kiến thức cơ bản quan trọng của nhiệt kỹ thhuật dùng trong nguyên lý động cơ ü2.2. Khái niệm ü2.3. Các chu trình lý tưởng ü2.4. Phân tích các chu trình lý tưởng ü2.5. So sánh các chu trình Mục đích • Nghiên cứu quá trình nhiệt xảy ra trong động cơ, xây dựng mối quan hệ toán học tương đối đơn giản giữa các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ: hiệu suất, công suất,... với những nhân tố chủ yếu của chu trình công tác. • Đánh giá mức độ hoàn thiện của những quá trình ấy, trên...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tìm hiểu về Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong

CHƯƠNG 2 Mục đích TƯỞ CỦ CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỐ • Nghiên cứu quá trình nhiệt xảy ra trong động cơ, xây dựng mối quan hệ toán ü2.1. Những kiến thức cơ bản học tương đối đơn giản giữa các chỉ quan trọng của nhiệt kỹ thhuật tiêu kỹ thuật của động cơ: hiệu suất, dùng trong nguyên lý động cơ công suất,... với những nhân tố chủ ü2.2. Khái niệm yếu của chu trình công tác. ü2.3. Các chu trình lý tưởng • Đánh giá mức độ hoàn thiện của những ü2.4. Phân tích các chu trình lý quá trình ấy, trên cơ sở đó xác định tưởng phương hướng chủ yếu nâng cao chất lượng làm việc của động cơ. ü2.5. So sánh các chu trình 2.1. Những kiến thức cơ bản Nhữ kiế thứ Nội dung quang trọng của nhiệt kỹ thuật trọ nhiệ thuậ 1. Những kiến thức cơ bản quan trọng dùng trong động cơ đốt trong. trong. của nhiệt kỹ thuật dùng trong nguyên lý động cơ 2. Khái niệm. 2.1.1. Các thông số trạng thái 3. Các chu trình lý tưởng của động cơ 2.1.2. Phương trình trạng thái đốt trong. 2.1.3. Tỷ nhiệt 4. Phân tích các chu trình lý tưởng. 2.1.4. Định luật động học thứ nhất 5. So sánh các chu trình. 2.1.5. Các quá trình 2.1.1. Các thông số trạng thái: trạ thá trì trạ thá 2.1.2. Phương trình trạng thái: • Áp suất môi chất. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng: PV=GRT • Nhiệt độ T: T=t0C + 273 0K PV=MmRT • Thể tích V V G: Khối lượng • Thể tích của một đơn vị khối lượng: v= M: Số Kmol G • Khối lượng riêng: γ = G m: Số phân tử lượng V • Khối lượng: G R: Hằng số khí mR = 8314 KJ/Kmol.độ 1 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
2.1.3. Tỷ nhiệt: nhiệ 2.1.4. Định luật nhiệt động thứ luậ nhiệ thứ C= dq nhấ nhất: dt ∆Q = ∆U + L Tỷ nhiệt của môi chất là tỷ số giữa vi lượng biến ∆Q: biến đổi về nhiệt lượng thiên nhiệt lượng với vi lượng biến thiên về nhiệt độ. ∆U: biến đổi về nôị năng Ta có: dq=Cdt C: tỷ nhiệt trung bình L: công của chu trình mCp – mCv=mR=8314 KJ/Kmol. độ hay dq=Cvdt + pdv mCv, mCp: tỷ nhiệt mol đẳng tích và đẳng áp k=mCv/mCp : Chỉ số đoạn nhiệt Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình dùng để sinh công và biến đổi nội năng mCp 8314 8314 của môi chât. K= = 8314 mCv = mCp = .K mCv k −1 K −1 2.1.5. Các quá trình: quá trì nh: 2.1.5.2. Quá trình đẳng áp: P=const Quá trì 2.1.5.1. Quá trình đẳng tích: V=const PV1 = RT1 PV2 = RT2 P1V=RT1 P2V=RT2 V2 T2 P T = 2 = 2 V1 T1 P T 1 1 ∆Q = ∆U + L L = P (V2 – V1) ∆Q = ∆U + L vì L = PdV = 0 ∆U = Cv(T2 – T1) ∆Q = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) dq = CvdT + pdV = CvdT + RdT ∆Q = ∆U = Cv (T2 – T1) = dT (Cv + R) = CpdT dq = CvdT dq CvdT dq dT ds = = ds = = Cp T T T T T2 P T2 V ∆S = Cv ln = Cv ln 2 ∆S = Cp ln = = Cp ln 2 T1 P1 T1 V1 Khá niệ 2.2. Khái niệm: Giả thiế 2.2.1. Giả thiết 2.2.1. Giả thuyết. 1. Môi chất công tác hoàn toàn ở thể 2.2.2. Các chỉ tiêu cần nghiên cứu. khí. 2. Quá trình nén và giãn nở môi chất công tác biến đổi đoạn nhiệt 3. Không có trở lực nạp và thải khí, sự thay đổi thể tích ở điều kiện khí trời 4. Quá trình cháy được thay thế bằng việc cấp một lượng nhiệt Q1 và lượng nhiệt do quá trình thải lấy đi được thay bằng Q2. 5. Tỉ nhiệt của môi chất không thay đổi 2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
2.2.2. Các chỉ tiêu cần nghiên chỉ hiệ quả 2.Tính hiệu quả 2.Tí cứu: 1.Tính kinh tế: Tính kinh tế của chu 1.Tí tế Tí tế Tính hiệu quả đặc trưng bởi công đơn vị trình được đặc trưng bởi hiệu suất trì đượ đặ bở hiệ suấ của chu trình, à công tương ứng với một nhiệt à là tỉ số giữa lượng nhiệt nhiệ giữ lượ nhiệ đơn vị thể tích công tác của xi lanh chuyển biến thành công chia cho chuyể biế thà Pt còn gọi là áp suất bình quân, à là áp lượng nhiệt cấp cho môi chấtL lượ nhiệ c− Q Q ấ Qchấ công tác tá suất tưởng tượng, không đổi, sau một ηt = 1 2 = 1− 2 = t hành trình của piston thì phát sinh một Q1 Q1 Q1 công bằng công của chu trình. Q1: nhiệt lượng cấp cho chu trình nhiệ lượ cấ trì Lt Q2: nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh nhiệ lượ nhả nguồ lạ Pt = Nm/m3 hay N/m2 Vh Lt: công của chu trình củ trì • Chu trình hỗn hợp (Sabathes) tưởng: 2.2.3. Các chu trình lý tưởng: trì P T üChu trình hỗn hợp. y Q1” z z V=Ct y üChu trình đẳng tích. c c üChu trình đẳng áp b b a Q2 V=Ct a V S Chu trình hỗn hợp là chu trình lý tưởng của động cơ Diesel, động cơ có cầu giữ nhiệt Định nghĩa nghĩ Va Đặc trưng bởi sự cấp nhiệt ban đầu ở thể ε= tích không đổi cy sau đó với áp suất không Tỷ số nén Vc đổi yz. Số lượng nhiệt đưa vào: Tỷ số tăng áp suất λ= Pz Pc Q1 = Q’1 + Q’’1 Vz Vz Tỷ số giãn nở sớm ρ= = Nhiệt thải ra ở trạng thái thể tích không đổi Vy Vc Là chu trình lý tưởng của động cơ Diesel δ= Vb hiện đại. Tỷ số giãn nở sau Vz Vz Va Va ρδ = = =ε Vc Vz Vc 3 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Hiệ suấ nhiệ 1. Hiệu suất nhiệt - Nén đoạn nhiệt ac : đoạ nhiệ Q1 − Q2 Q PVk = const : Pc Vck = Pa Vak = const ηt = = 1- 2 Q1 Q1 hay Pc VcVck-1 = Pa VaVak-1 Q1 = Q1 + Q1'' ' k−1  Va  = mC (Ty – Tc) + mC(Tz – Ty) v p ⇒ mRT Vck-1 = mRT Vak-1 ⇒ c a Tc = Ta      Vc  Q2 = mC (Tb – Ta) v mCvTb − Ta ) ( Tc = Ta ε k−1 ηt = 1- mCvTy − Tc )+ mCpTz − Ty ) ( ( ηt (Tb − Ta ) = 1- (T − T )+ k(T − T ) y c z y • yz: Cấp nhiệt đẳng áp - Cấp nhiệt đẳng : nhiệ tich yc PzVz = mRTz PV = mRT PzVy = mRTy Vz = Tz ⇒ = Vz = ρ Tz Ty Ty PV = mRT c c Vy Ty Vy Tz = Ta ε ρλ PV = mRT k−1 y y • zb: tương tự như trên ta có P T P = c ⇒T =T y =Tλ k−1 c Tb = Tz  V  = δT = Ta ε ρλ δ1   y c c   z z k−1 k −1 k −1 P T P V b  y y c T = T εk−1 y aλ 1 Ta ε k −1λρ − Ta k −1 suấ bì 2. Áp suất bình quân: ηt = 1 − δ ( Ta ε k −1 − Ta ε k −1 + k Ta ρλε k −1 − Ta ε k −1λ ) Pt = Lt L t = Q1 η t Vh ε k −1λρ 1 Q1 = Q + Q = Cv (Ty – Tc) + Cp (Tz – Ty)= k −1 −1 ε ηt =1− δ δ= k  ρλε k −1 −ε k −1λ    ρ = CvTc[λ-1+k λ(ρ-1) ]=CvTa εk-1[λ-1+ kλ(ρ-1) ]+   Cv{[Ta εk-1 λ-Ta εk-1]+k[Ta εk-1 ρ λ-Ta εk-1 λ] } λρ − 1 k ηt = 1 − Q1=CvTa εk-1[λ-1+k λ(ρ-1) ] ε k −1 [λ − 1 + kλ(ρ − 1)] Vh =V b−Vc = Vzδ − Vc = ρVcδ − Vc 4 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
suấ Áp suất bình quân Pt Vc (ρδ − 1) = (ρδ − 1) = Va (ε − 1) Va ε ε Pa ε k −1 [λ − 1 + kλ(ρ − 1)]εηt R Pt = L t Q1η t C v Ta ε = = k −1 [λ − 1 + kλ(ρ − 1)]εηt Pt = k −1 Vh Vh Va (ρδ − 1) R (ε − 1) Pa ε k R Ta Pa ρδ = ε Pt = [λ − 1 + kλ(ρ − 1)]η t Cv = k −1 = Va R Vb =Va (k − 1)(ε − 1) 2.3.2 Chu trình đẳng tích (Chu trình Otto) trì đẳ tí trì V=Const à ρ=1, δ = ε P T z lHiệu suất nhiệt và Ap suất bình quân z V= Ct Q1 1 c η tv = 1 − c b ε k −1 V= Ct b a Q2 a Pa ε k V S Pt = (λ − 1)η t lĐặc trưng bởi sự cấp nhiệt Q1 trong nhiệ k −1 ε −1 điều kiện thể tích không đổi, còn lại điề kiệ thể giống chu trình hỗn hợp giố trì 2.3.3. Chu trình đẳng áp trì đẳ λ= Pz =1 P T Pc Q1 c z z • Hiệu suất nhiệt và áp suất bình quân P= Ct c 1 ρk − 1 b ηt = 1 − ε k −1 k(ρ − 1) b Q2 a V= Ct a S Pa ε k Chu trình đặc trưng bằng sự cấp nhiệt trì nhiệ Pt = k (ρ − 1)η t Q1 đẳng áp, còn các phần khác giống phầ khá giố k −1 ε −1 chu trình hỗn hợp. Là chu trình lý trì trì tưởng của động cơ Diesel phun nhiên tưở liệu bằng không khí nén liệ khí 5 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ηtv chỉ phụ thuộc vào 1 đại lượng tỷ số chỉ phụ thuộ 2 lượ tưở 2.4. Phân tích các chu trình lý tưởng tí cá trì nén ε (thông số kế= 1 ấu) −và chỉ số nén đoạn η tv t c − k 1 chỉ ε đoạ nhiệt K, tức là phụ thuộc vào tình chất của nhiệ phụ thuộ chấ 2.4.1. Chu trình đẳng tích môi chất công tác. chấ 1. Ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt: hưở hiệ suấ nhiệ Hiệu suất nhiệt của chu trình không phụ Hiệ suấ nhiệ trì phụ thuộc vào lượng nhiệt cấp vào và phụ tải thuộ lượ nhiệ phụ của động cơ. cơ. Va Cp ε= k= với k>1 Vc Cv Nên nếu ε càng tăng thì ηt càng lớn. Tỉ số thì nén càng cao máy càng it tốn xăng. xăng. Cp Cv + R R k= = = 1+ Cv Cv Cv suấ 2. Áp suất bình quân Pt: •Vì là chất khí nên R=const, à muốn k chấ khí muố tăng thì phải giảm Cv. Việc thay đổi k thực thì phả giả Việ thự tế không làm được, tăng k chỉ còn cách là đượ chỉ tăng α •Với những giá trị của ε và k đã cho thì ηt nhữ giá trị thì không thay đổi tức là không phụ thuộc và phụ thuộ công của chu trình. trình. •Khi tăng ε thì áp suất cuối quá trình giãn thì suấ cuố quá trì nở giảm và vì vậy nhiệt cũng giảm. Điều giả nhiệ giả Điề đó dẫn đến làm giảm lượng nhiệt truyền giả lượ nhiệ truyề cho nguồn lạnh tức là giảm mát mất nguồ giả ε kη t Pt = Pa . (λ − 1) (2) • Khi giữ nguyên ε nếu λ thì Pt tăng, Pt tăng (k − 1)(ε − 1) nhanh hơn so với mức tăng của λ. •Pt tỷ lệ thuận với áp suất đầu quá trình thuậ suấ quá trì • KẾT LUẬN: nén Pa. Pa có ảnh hưởng đến công của chu hưở • Như vậy tăng tỷ số nén ε là biện pháp tốt trình và công suất động cơ. trì suấ cơ. nhất để tăng ηt và Pt nhưng tỷ số nén trong động cơ xăng và động cơ ga bị han chế do •Khi Q1=const, tăng ε thì Pt tăng mặc dù thì λ hiện tượng cháy sớm và kích nổ có giảm đôi chút vì từ (2) 1⇒ giả chú Q λ= +1 εxăng= 7 ÷ 12; εga = 7 ÷ 12 ; εdầu hoả = 4,5 ÷ 5,2 C v Ta ε k −1 Thực tế: • - Đốt nhiều nhiên liệu xăng tức λ tăng thì Pt - Khi ε tăng thì Pt tăng nhưng tăng chậm chậ tăng. hơn so với ηt. • - Pa tăng thì Pt tăng nghĩa là điều khiển bộ chế hoà khí cho phù hợp. 6 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
2.4.2. Chu trình đẳng áp: trì üTừ công thức (b) ta thấy rằng ηt không thứ thấ những phụ thuộc và tỷ số nén ε và chỉ số k nhữ phụ thuộ chỉ mà còn phụ thuộc vào tỷ số giản nở sớm ρ. phụ thuộ giả Ảnh hưởng của ε, k đến ηt giống như trong hưở giố chu trình đẳng tích. Còn ảnh hưởng của ρ trì ch. hưở thì khi ρ tăng, ηt giảm, ρ có quan hệ trực thì tăng, giả trự tiếp tới số nhiên liệu cấp vào Q1, tức là có tiế liệ quan hệ trực tiếp tới trị số công của chu trự tiế trị trình, cho nên công của chu trình có quan trình, trì hệ tới ηt. Công của chu trình tăng lên (tức ρ trì tăng) thì ηt giảm. ηt cực đại khi mà số nhiên tăng) thì giả liệu Q1 cấp trên phần cz nhỏ nhất. - liệ phầ nhỏ nhấ 2.4.3. Chu trình hỗn hợp: trì 1. Ảnh hưởng đến ηt: Trên thực tế hiệu suất nhiệt của động cơ thự hiệ suấ nhiệ Nhiệt lượng Q1 đưa vào được phân cực đại khi động cơ ấy làm việc không tải việ bố trên 2 phần đẳng tích và đẳng áp. tức là sự chuyển biến nhiệt thành công xãy chuyể biế nhiệ thà Nếu Q1=const thì tuỳ theo sự phân bố ra kinh tế nhất. nhấ trên mà λ và ρ có những gía trị khác - Ảnh hưởng đến Pt tương tự như chu trình hưở trì nhau. đẳng tích. ch. Ta có: : Q1 = Q’1 + Q’’1 = const Q1 = C v Ta ε k −1 [λ − 1 + kλ (ρ − 1)] =const Khi cho ε,k,Ta,mCv không đổi thì: thì Đặt B = λ − 1 + kλ (ρ − 1) = const ta có [λ − 1 + kλ(ρ − 1)]ε k−1 = Q1 = A = const C v Ta dB = dλ + k (ρ − 1)dλ + kλdρ = 0 Cho những gía trị λ khác nhau suy ra ρ nhữ trị khá dρ kλ = −[1 + k (ρ − 1)] tương ứng và ngược lại. ngượ dλ ηt = 1 − λρ k − 1 = 1− λρ k −1 Thay kλ dρ vào trên ta được đượ ε k −1 [λ − 1 + kλ(ρ − 1)] A dλ ( d λρ k ) ( ) d λρ k = ρ k + kρ k −1λ dρ dλ = ρ k + ρ k −1 [1 + k (ρ − 1)] dλ dλ 7 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Khi Q1=const, nếu tăng λ thì do k>1 và ρ≥ 1 2. Áp suất bình quân Pt: suấ nên ρk-1 > 0, ρ -1 ≥ 0, 1-k < 0, nghĩa là vi phân εk theo λ thì bao giờ cũng âm. à trong điều kiện Pt = Pa [(λ − 1) + kλ(ρ − 1)]η t Q1=const nếu ta tăng λ thì ρ giảm và λρk cũng (ε − 1) (k − 1) giảm, suy ra λρ k − 1 giảm, do vậy ηt •Khi ηt tăng thì Pt tăng. thì tăng. A - Khi ρ=const, tăng λ thì Pt tăng thì tăng. d (λρ k ) = ρ k −1 (ρ − 1)(1 − k ) = − ρ k −1 (ρ − 1)(k − 1) dλ - Nếu ρ ≠ const, mà λ = const nếu tăng ρ thì áp suất bình quân Pt sẽ tăng. thì suấ tăng. Khi λmax thì ρ=1 tăng cấp nhiệt đẳng tích thì hiệu suất lớn, ηtmin khi ρmax, λ=1 - Tăng Q1 nghĩa là tăng B, tăng Pa thì Pt nghĩ thì sẽ tăng. Tăng Q1 cũng có nghĩa là làm cháy tăng. nghĩ chá hết nhiên liệu, cần đưa nhiều không khí vào liệ nhiề khí Trạng thái ở điểm a của chu trình như Trạ thá điể trì loạ 2.5. So sánh các loại chu trình: trì nh: sau •Với chu trình đẳng tích V=const trì 2.5.1. Cùng ε, Q1: dq ds = ⇒ dq = Tds T 2 2 Q 12 = ∫ dq = ∫ Tds = Fa 12 •ac : nén đoạn nhiệt đoạ nhiệ 1 1 •Czv: cấp nhiệt đẳng tích Q1=F1czv2v nhiệ •zvbv: giản nở đoạn nhiệt Q=0 giả đoạ nhiệ •bva: Nhã nhiệt đẳng tích Q2v=F1abv2v nhiệ •Đối với chu trình đẳng áp P=const trì • Đối với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp trì nhiệ • Điểm a và c trùng nhau với cùng ε Điể trù - Điểm a,c trùng nhau từ c theo czv • Đường cấp nhiệt đẳng áp thoải hơn Đườ nhiệ thoả đến z’ đi song song với czp thoả đường cấp nhiệt đẳng tích mà Q1 như đườ nhiệ mãn Q1=F1acz’z2, đường z2 gặp abp nhau buộc điểm zp nằm ngoài zvbv để buộ điể ngoà tại: Q − Q2 Q F ηt = 1 = 1 − 2 = 1 − 1ab 2 • Q1=F1czv2v + F1czp2p Q1 Q1 F1cz 'z 2 •Nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh của Nhiệ lượ nhả nguồ chu trình đẳng áp Q2p=F1abp2p trì - So sánh F1abv2v ηt > ηtp 8 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
2.5.2. Cùng Q1, Pz Nên ηtp > ηtvp > ηtv - Trên quan điểm thực tế phải tiến hành so sánh các chu trình trong điều kiện cùng một trị số về áp suất cực đại Pz = Pcλ và cùng một lượng nhiệt đưa vào Q1. - Đẳng tích: acvzvbv - Đẳng áp : acpzpbp. - Hỗn hợp : acz'zb. - Q1p = F1cpzp2p Do đó ở cùng một trị số áp suất cực đại Pz trị suấ - Q1v = F1cvzv2v như nhau nhưng với tỷ số nén ε khác khá - Q2p = F1cvzv2v nhau, chu trình đẳng áp kinh tế hơn so nhau, trì - Q2v = F1abv2v với chu trình đẳng tích có tỷ số nén nhỏ. trì nhỏ - Ta thấy Q2p < Q2vp < Q2v Chu trình hỗn hợp có trị số trung gian do trì trị các λ và ρ quyết định quyế Trong thực tế động cơ Diesel hiệu suất thự hiệ suấ cao hơn động cơ xăng mặc dù nó làm việc với chu trình ít kinh tế hơn vì tỷ số việ trì nén của nó lớn hơn rất nhiều so với động nhiề cơ xăng. xăng. T P z3 z2 z1 Z3 Z2 Z1 c3 c2 c1 b1 C3 b1 b2 C2 b3 b2 C1 b3 a a V S 9 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com