Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong 2.1 Những khái niệm cơ bản Chu trình thực tế của động cơ bao gồm các quá trình lý hoá rất phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau..
Trang 1Chương II Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong 2.1 Những khái niệm cơ bản
Chu trình thực tế của động cơ bao gồm các quá trình lý hoá rất phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau Về thực chất, chu trình thực tế của động cơ là chu trình hở, không thuận nghịch và không thể tính toán hoàn toàn chính xác được Chu trình thực tế được đơn giản hoá bằng một số giả thiết nhằm những mục đích cụ thể (sẽ xét dưới
đây) được gọi là chu trình lý tưởng
2.1.1 Những đặc điểm của chu trình lý tưởng và mục đích nghiên cứu
- Lượng môi chất không thay đổi tức là không có quá trình thay đổi khí (quá trình nạp thải)
- Nhiệt lượng cấp cho chu trình từ bên ngoài, như vậy không có quá trình cháy và toả nhiệt của nhiên liệu cũng như tổn thất cho các quá trình này Đồng thời, thành phần môi chất cũng không đổi
- Quá trình nén và giPn nở là đoạn nhiệt và không có tổn thất nhiệt do lọt khí
- Tỷ nhiệt của môi chất trong suốt chu trình không đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ
Với những đặc điểm nêu trên, chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong sẽ là chu trình kín, thuận nghịch và không có tổn thất nào khác ngoài tổn thất nhiệt cho nguồn lạnh theo định luật nhiệt động II
Nghiên cứu chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong nhằm các mục đích sau:
- Thấy rõ ảnh hưởng của những thông số chủ yếu đến sự hoàn thiện của việc biến
đổi nhiệt thành công
- Tạo điều kiện so sánh các chu trình khác nhau một cách dễ dàng
- Xác định được giới hạn cao nhất của chu trình thực tế của động cơ
2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chu trình lý tưởng
2.1.2.1 Hiệu suất nhiệt
chu trình lý tưởng Theo định nghĩa:
1 2
1
2 1
1
t
t
Q
Q 1 Q
Q Q Q
L
ư
=
ư
=
=
với Lt là công của chu trình, Q1 là nhiệt cấp từ nguồn nóng và Q2 là nhiệt nhả cho nguồn lạnh Lt có thể tính theo công thức sau:
∫
= pdV
Theo định nghĩa:
Trang 2t
t
V
L
Cụ thể, pt càng lớn tức là tính hiệu quả
càng cao Từ (2-3) có thể dễ dàng tìm
áp suất (N/m2)
Về ý nghĩa vật lý, pt là áp suất giả
định không đổi tác dụng lên piston dịch
chuyển một hành trình từ ĐCT và sinh ra
về ý nghĩa hình học, pt chính là chiều cao
của hình chữ nhật có cạnh đáy là Vh và
diện tích biểu thị công của chu trình Lt,
hình 2-1
2.2 Các chu trình lý tưởng thông dụng
Động cơ đốt trong kiểu piston có
hai chu trình lý tưởng ứng với động cơ
cháy cưỡng bức và cháy do nén là chu
trình đẳng tích và chu trình hỗn hợp Sau
đây, ta sẽ tính toán các thông số cơ bản là
ηt và pt của mỗi chu trình và phân tích các
nhân tố ảnh hưởng của chúng Thực chất, chu trình đẳng tích là một trường hợp riêng của chu trình hỗn hợp Vì vậy để thuận tiện, trước hết ta khảo sát chu trình hỗn hợp, hình 2-2 2.2.1 Chu trình hỗn hợp
Trước hết, ta gọi:
c
a
V
V
=
c z
c
y
p
p p
p
=
=
c
z
V
V
=
z
b
V
V
=
Từ (2-4), (2-6) và (2-7) dễ dàng suy ra:
δ
ρ
=
Hình 2-1 Xác định áp suất trung bình pt
trên đồ thị công
Vh
V p
Lt
Trang 3Với những đại l−ợng này, sau đây ta sẽ xác định các thông số cơ bản của chu trình
2.2.1.1 Hiệu suất nhiệt ηηt,h
Theo (2-1)
1
2 t
Q
Q
=
và của quá trình đẳng áp Q1,p:
Q1 = Q1,v + Q1,p = mCv (Ty - Tc) + mCp(Tz - Ty) = mCv[(Ty - Tc) + k(Tz - Ty)] (2-10)
Trong đó, m là khối l−ợng và
v
p
C
C
và (2-11) vào (2-9) ta đ−ợc:
) T T ( k T T
T T 1
y z c
y
a b h
,
− +
−
−
−
=
phát của chu trình Từ đây, ta sẽ tính các nhiệt độ các điểm khác của chu trình theo Ta
Từ quá trình nén đoạn nhiệt a-c:
1 k a
c T
Từ quá trình gia nhiệt đẳng tích c-y:
1 k a c
Hình 2-2 Chu trình hỗn hợp trên đồ thị p-V và T-S
Lt p
V
T
S
Q1v
Q1p
Q2 a
c
b
Q = 0
Q = 0
a
c
y
z
b
p = ct
v = ct
v = ct
Q = 0
Q = 0
Trang 4Từ quá trình gia nhiệt đẳng áp y-z:
1 k a y
Từ quá trình giPn nở đoạn nhiệt z-b:
a k z
1 k
1 k
z
ε
ρ
= δ
=
ư
Thay Tc, Ty, Tz và Tb vào (2-12) và rút gọn, cuối cùng ta được:
) 1 ( k 1
1 1
1
k
1 k h
,
ư ρ λ +
ư λ
ư λρ ε
ư
=
Từ (2-3), ta có:
h
h , h
,
V
L
• Công của chu trình Lt,h có thể xác định như sau:
Lt,h = ηt,hQ1 = mCv[(Ty - Tc) + k(Tz - Ty)]ηt,h = mCvεk - 1Ta[λ - 1 + kλ(ρ - 1)]ηt,h
thay
1 k
R
Cv
ư
cuối cùng ta có:
a 1 k h
1 k
R m
ư
• Từ định nghĩa Vh và phương trình trạng thái, ta tìm được:
ε
ư ε
=
ε
ε
ư
=
ư
=
ư
=
ư
1 p
T mR p
p
1 mRT p
T p
T mR V V
V
a
a k
a
1 k
a a c
c
a
a c
a
Thay (2-19), (2-20) vào (2-18) và rút gọn, ta được:
k a h
) 1 k )(
1 (
p
ư
ư ε
ε
2.2.2 Chu trình đẵng tích
Như đP nói ở trên, chu trình đẳng tích là một trường hợp riêng của chu trình hỗn hợp có ρ = 1 Vì vậy, khi thay ρ = 1 vào các công thức (2 - 17) và (2 - 21) ta có thể dễ dàng tính được hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình của chu trình đẳng tích
1 k v
,
1
ε
ư
=
Trang 5a v , k v
) 1 k )(
1 (
1
ư
ư ε
ư λ
2.3 Khảo sát ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình của chu trình lý tưởng
Để thuận lợi, ta xét chu trình đẳng tích là chu trình đơn giản trước
2.3.1 Chu trình đẳng tích
2.3.1.1 ηηt,v
Từ (2-22), ta thấy ηt,v chỉ phụ thuộc
chỉ số đoạn nhiệt k của môi chất công tác
và tỷ số nén ε của động cơ
• Rõ ràng là, khi tăng k thì ηt,v
tăng Tuy nhiên, k là một thông số vật lý
của môi chất phụ thuộc vào số nguyên tử
chứa trong một phân tử Đối với khí 1
nguyên tử, k = 1,6; khí 2 nguyên tử (có
thể coi không khí gần đúng là khí 2
nguyên tử) k = 1,41 và khí 3 nguyên tử
có k = 1,3
• Khi tăng ε thì ηt,v tăng Vì vậy,
một trong những phương hướng chủ yếu
để tăng hiệu suất của động cơ khi thiết
kế là sử dụng các biện pháp sao cho có
thể có tỷ số nén cao
Tổng hợp ảnh hưởng của k và ε
được thể hiện trên hình 2-4 Ta có thể
Hình 2-3 Chu trình đẳng tích trên đồ thị p-V và T-S
Q = 0
z
c
Q1
Q = 0 L p
v = ct
V
S
b
c
T
Q = 0
v = ct
b z
k=1,41
k=1,30
ηv
0,6
0,5 0,7
10 12 ε
0,4 0,3
Trang 6nhận thấy tốc độ tăng ηt,v giảm dần khi tăng ε Mặt khác cần lưu ý rằng, càng tăng ε động cơ càng dễ bị kích nổ (sẽ đề cập ở chương III và IV), do đó ε bị giới hạn
nhiệt cấp cho chu trình Q1
2.3.1.2 pt,v
Từ công thức (2-23) ta thấy, pt,v phụ thuộc vào ε, k và pa, trong đó ảnh hưởng của ε
và pa là rõ nét và có ý nghĩa thực tế hơn cả
• pt,v tăng tỷ lệ với pa Vì vậy trong thực tế cần áp dụng các biện pháp để tăng áp suất quá trình nạp để nạp được nhiều khí nạp mới, do đó đốt được nhiều nhiên liệu dẫn tới tăng áp suất trung bình và tăng công suất động cơ
• Khi tăng ε,
1
k
ư ε
ε tăng do k > 1, do đó pt,v tăng Ngoài ra, pt,v còn tăng là do ηt,v như đP xét ở trên Rõ ràng là tỷ số nén ε là một thông số ảnh hưởng rất quan trọng của
động cơ
• Ngoài ra, khác với ηt,v, khi tăng lượng nhiệt cấp cho chu trình Q1 sẽ làm cho pt,v tăng và do đó tăng mô men và công suất động cơ
2.3.2 Chu trình hỗn hợp
2.3.2.1 ηηt,h
Từ (2-21) tính η ta thấy: ,h
• ε tăng thì η tăng ,h
• Đối với λ và ρ thì ta phải xét ảnh hưởng tổng hợp Giả sử Q1, ε, k, Ta, m, CV không thay đổi, ta có:
Q1 = mCv[(Ty - Tc) + k(Tz - Ty)] = mCvεk - 1Ta[λ - 1 + kλ(ρ - 1)] = const
Như vậy, εk - 1Ta[λ - 1 + kλ(ρ - 1)] = const, ta đặt bằng A chẳng hạn
Do đó, [λ - 1 + kλ(ρ - 1)] cũng không đổi Điều đó có nghĩa là, khi λ tăng (Q1V tăng) thì ρ giảm (Q1p giảm) và ngược lại η nay có dạng đơn giản như sau: ,h
A
1 1
k
h
,
ư λρ
ư
=
và chỉ phụ thuộc vào λρ mà thôi Ta hPy khảo sát k λρ : k
λ
ρ λρ + ρ
= λ
d
d k
d
)
(
k
(2-25) Như đP trình bày ở trên
Lấy vi phân toàn phần hai vế của (2-26) ta có:
dλ + k(ρ - 1)dλ + kλdρ = 0
Trang 7Rút gọn ta có:
[1 k( 1)]
d
d
λ
ρ
Thay (2-27) vào (2-25) ta được:
[1 k( 1)] ( 1)(k 1) d
)
(
k
ư
ư ρ ρ
ư
=
ư ρ + ρ
ư ρ
= λ
< 0
Như vậy, khi λ tăng thì λρk
giảm, theo (2-24) thì ηt,h tăng
Tổng hợp ảnh hưởng của ρ và λ
được thể hiện trên hình 2-5
Từ đây ta có thể rút ra ý
λ tăng (tức ρ giảm, Q1V tăng và Q1p
giảm) hiệu suất nhiệt của chu trình
hỗn hợp tăng Từ đó suy ra, ηt,h đạt
max khi ρ = 1 (chu trình đẳng
tích) Nói cách khác, hiệu suất của
chu trình đẳng tích cao hơn của
chu trình hỗn hợp nếu như cùng
Q1, ε, k, Ta, m, CV Chúng ta sẽ trở
lại vấn đề này ở mục 2.4 dưới đây
Tuy nhiên, tăng λ (tăng cường cho
ϕ
∆
∆p dẫn tới tải trọng tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền tăng lên
•••• pt,h
Từ (2-21) ta có thể kết luận:
- pa, ε tăng sẽ làm cho pt,h
tăng
- λ tăng nếu Q1 = const thì ρ
giảm và ηt,h tăng như đP xét xét ở
trên Tuy nhiên, ηt,h tăng chậm
Mặt khác, tăng λ sẽ làm tăng áp
suất cực đại pz tác dụng lên cơ cấu
trục khuỷu thanh truyền
2.4 So sánh hiệu suất chu trình
hỗn hợp và đẳng tích
Để so sánh các chu trình hỗn
hợp và đẳng tích đP xét ở trên một
cách thuận tiện, ta sử dụng đồ thị
Hình 2-5 ảnh hưởng tổng hợp của λ vàρ đến tt,h
λ ρ
ρ
ηt,h
3
2
1
0,7
0,65
0,6 4
3 2
1
zh
zv
bh
bv
p = c onst
y T
c
a v =
con st
v = con
st
S B
Trang 8T-S, cụ thể cho hai trường hợp sau
2.4.1 Cùng Q1 và εεεε
Từ đồ thị trên hình 2-6 ta thấy
Do cùng Q1 nên diện tích của các hình giới hạn bởi các đường gia nhiệt và trục hoành S(AaczVbB) = S(A,acyzhbhC)
của đường thải nhiệt và trục hoành
Do đó:
Một lần nữa chúng ta lại chứng minh được kết luận đP rút ra ở mục 2.3.2
2.4.2 Cùng Q1 và pz
Cùng pz có thể coi là cùng
điều kiện về tải trọng tác dụng lên
cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
Tương tự như trên, qua đồ thị T-S
(hình 2-7), ta có:
Q2,h ∼ S(AabhC) < S(A,abVB)
∼ Q2,V
Do đó:
ηt,h > ηt,V
Điều này hoàn toàn phù hợp
với thực tế Do động có diesel có
tỷ số nén cao hơn nên đạt hiệu
1 và pz
zv
bh y
bv
a v =
st
ch
st
zh
S B C
A T
