Bài giảng động cơ diesel tàu thủy ii phần 2 ts lê văn vang

CHƯƠNG CÁC THƠNG SỐ CHỈ THỊ VÀ CĨ ÍCH CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 4.1 Đồ thị công thị Đồ thị công thị vẽ hệ tọa độ 𝑃 − 𝑉 Đó mối quan hệ áp suất thể tích xilanh chu trình cơng tác Đồ thị cơng thị xây dựng tính tốn hay đo trực tiếp động Nếu đồ thị công thị đo trực tiếp động thiết bị đo dồ thị cơng gọi đồ thị cơng thị thực tế Hình 4.1 đồ thị cơng thị động diesel kỳ Đặc điểm đồ thị giới hạn hai điểm: Điểm chết điểm chết piston Đối với động diesel kỳ (hình 4.2) có phần hành trình bị tổn thất Hình 4.1 Đồ thị công thị động Diesel kỳ Hình 4.2 Đồ thị cơng thị động Diesel kỳ Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 67 Sau trình bày phương pháp xây dựng đồ thị cơng thị tính tốn: - Để xây dựng đồ thị cơng thị tính tốn, trước hết ta xác định điểm đặc biệt chu trình: 𝑎(𝑃𝑎 , 𝑉𝑎 ); 𝑏(𝑃𝑏 , 𝑉𝑏 ); 𝑐 (𝑃𝑐 , 𝑉𝑐 ); 𝑧1 (𝑃𝑧1 , 𝑉𝑐 ); 𝑧(𝑃𝑧 , 𝑉𝑧 ) - Nối điểm 𝑎, 𝑏, 𝑐, 𝑧1 , 𝑧 lại với đoạn thẳng ta được: - - Đường đẳng tích: - Đường đẳng áp: 𝑧1 𝑧 - Đường đẳng tích: 𝑐𝑧1 𝑏𝑎 Để xây dựng đường cong nén đường cong giãn nở, ta tiến hành sau: - Chọn giá trị VX1 nằm khoảng công tác xilanh - Áp suất 𝑃𝑥1 tương ứng đường cong nén tính sau: 𝑉𝑎 𝑃𝑥1 = 𝑃𝑎 ( ) 𝑉𝑥1 - 𝑛1 Giá trị áp suất 𝑃𝑥2 nằm đường giãn nở bằng: 𝑉𝑏 𝑃𝑥2 = 𝑃𝑏 ( ) 𝑉𝑥2 𝑛2 ; 𝑉𝑏 = 𝑉𝑎 - Bằng cách chọn giá trị 𝑉𝑥 tiến hành tính tốn tương tự ta xác định điểm đường cong nén đường cong giãn nở Nối điểm với đường cong trơn ta đường cong nén đường cong giãn nở chu trình cơng tác - Để cho tiện, thường chọn tỷ lệ xích trục tung 𝑚𝑝 (𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ⁄𝑚𝑚) Cịn tỷ lệ xích trục hồnh 𝑚𝑣 (𝑐𝑚3 ⁄𝑚𝑚) Việc xây dựng đồ thị công thị cho động kỳ kỳ Nhưng với động kỳ thể tích 𝑉𝑎 tính là: 𝑉𝑎 = 𝑉𝑐 + 𝑉𝑠 (1 − 𝜓𝑠 ) Trong đó, 𝜓𝑠 hệ số tổn thất hành trình: 𝜓𝑠 = Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 ℎ 𝑠 68 Hình 4.3 Xây dựng đồ thị cơng thị động Diesel So với đồ thị công thị thực tế, đồ thị cơng thị tính tốn có điểm khác biệt sau: - Do tính tốn ta chọn giá trị 𝑛1 , 𝑛2 khơng đổi đường cong nén đường cong giãn nở khác với đường cong nén đường cong giãn nở có 𝑛1 , 𝑛2 thay đổi - Tại điểm đặc biệt 𝑎, 𝑏, 𝑐, 𝑧1 , 𝑧 đồ thị công thị thực tế đường cong liên tục Vì sau xây dựng đồ thị theo phương pháp ta phải lượn góc điểm đường cong Như đồ thị cơng trước sau lượn góc có diện tích khác đánh giá hệ số lượn góc Hệ số lượn góc 𝜑𝑑 định nghĩa sau: 𝜑𝑑 = Trong đó: 𝐹𝑙 𝐹𝑐 𝐹𝑙 : Diện tích đồ thị cơng sau lượn góc 𝐹𝑐 : Diện tích đồ thị cơng chưa lượn góc 4.2 Áp suất thị có ích bình qn Khi xem xét chu trình cơng tác thực tế, đánh giá hồn thiện chu trình mặt lợi dụng nhiệt, có liên quan đến mức độ hoàn thiện trình riêng biệt thơng qua thơng số: áp suất thị trung bình, cơng suất thị hiệu suất thị Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 69 4.2.1 Áp suất thị bình quân Áp suất thị bình qn xác định cơng thị đơn vị thể tích cơng tác xilanh Trên đồ thị cơng thị, áp suất thị bình quân xác định bình quân tung độ diện tích đồ thị cơng thị chia theo hành trình có ích piston (hình 4.4) Hình 4.4 Đồ thị cơng thị áp suất thị bình qn Nếu gọi cơng mà chất khí thực chu trình 𝐿𝑖 áp suất thị bình qn tính: 𝑃𝑖 = 𝐿𝑖 (𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ) 𝑉𝑠 10 (4-1) Áp suất thị bình qn xác định tính tốn hay đo trực tiếp động làm việc Trong tính tốn, sau xây dựng đồ thị cơng thị tiến hành lượn góc điểm đặc biệt ta xác định 𝑃𝑖 tính tốn: 𝑃𝑖 = 𝐹𝑙 𝑚𝑝 𝑙 (4-2) Trong đó: 𝐹𝑙 : diện tích đồ thị cơng thị tính tốn lượn góc (𝑚𝑚2 ) 𝑚𝑝 : tỷ lệ xích trục tung 𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ⁄𝑚𝑚 𝑙: chiều dài đồ thị trục hoành (𝑚𝑚) Để cho tiện sau xây dựng xong đồ thị cơng thị tính tốn ta tiến hành đo diện tích đồ thị xác định giá trị 𝑃𝑖′ gọi áp suất thị bình quân chu trình sau lượn góc Áp suất thị bình qn chu trình sau lượn góc tính: - Đối với động kỳ: 𝑃𝑖 = 𝜑𝑑 𝑃𝑖′ Trong 𝜑𝑑 hệ số lượn góc (hay hệ số điền đầy đồ thức), 𝜑𝑑 = 0,95 ÷ 0,97 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 70 - Đối với động kỳ: 𝑃𝑖 = 𝜑𝑑 𝑃𝑖′ (1 − 𝜓𝑠 ) Đối với động kỳ quét thẳng 𝜑𝑑 = 0,94 ÷ 0,96 Cịn với động diesel kỳ qt vịng, phần diện tích 𝑏𝑎𝑎′ khơng tính vào diện tích đồ thị cơng thị (hình 4.5) Vì phần diện tích đủ bù cho phần diện tích bị lượn góc điểm đặc biệt Do với loại động ta chọn 𝜑𝑑 = P z’ z c e a Vc k b Vs V Va Hình 4.5 Đồ thị cơng thị tính tốn động Diesel kỳ Trong thực tế, đồ thị cơng thị động thấp tốc xác định thiết bị đo đồ thị cơng gọi Indicator Khi ta có áp suất thị trung bình thực tế Phương pháp tính toán lý thuyết để xác định áp suất thị trung bình áp dụng sau: Gọi Li cơng thực chất khí chu trình cơng tác Ở cần lưu ý cơng hành trình bơm động kỳ tính vào cơng tiêu hao cho giới Khi ta có: 𝐿𝑖 = 𝐿𝑧1𝑧 + 𝐿𝑧𝑏 − 𝐿𝑎𝑐 (4-3) Cơng chất khí thực đoạn 𝑧1 𝑧 tính: 𝐿𝑧1𝑧 = 𝑃𝑧 𝑉𝑧 − 𝑃𝑧1 𝑉𝑧1 = 𝑃𝑧 (𝑉𝑧 − 𝑉𝑐 ) Công mà chất khí thực đoạn 𝑧𝑏 cơng q trình đa biến tính: 𝐿𝑧𝑏 = (𝑃 𝑉 − 𝑃𝑏 𝑉𝑏 ) 𝑛2 − 𝑧 𝑧 Công đoạn 𝑎𝑐 cơng q trình nén đa biến, tính: Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 71 𝐿𝑎𝑐 = (𝑃 𝑉 − 𝑃𝑎 𝑉𝑎 ) 𝑛1 − 𝑐 𝑐 Do đó: 𝐿𝑖 = 𝑃𝑧 (𝑉𝑧 − 𝑉𝑐 ) + (𝑃𝑧 𝑉𝑧 − 𝑃𝑏 𝑉𝑏 ) (𝑃𝑐 𝑉𝑐 − 𝑃𝑎 𝑉𝑎 ) − 𝑛2 − 𝑛1 − (4-4) Áp suất thị trung bình chu trình chưa lượn góc là: 𝑃𝑖 = 𝐿𝑖 (𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ) 𝑉𝑠 104 Trong đó: 𝐿𝑖 đo (𝑘𝑔 𝑚) 𝑉𝑠 đo (𝑚3 ) Thay giá trị sau vào công thức (4-4): 𝑃𝑧 = 𝜆 𝑃𝑐 ; 𝑃𝑏 = 𝑃𝑧 𝜆 𝑃𝑐 𝑃𝑐 = ; 𝑃 = 𝑎 𝛿 𝑛2 𝛿 𝑛2 𝜀 𝑛1 𝑉𝑧 𝑉𝑎 = 𝜌; =𝜀 𝑉𝑐 𝑉𝑐 Ta có: 𝑃𝑖′ = 𝑃𝑐 𝜆 𝜌 [𝜆 (𝜌 − 1) + (1 − 𝑛 ) 𝜀−1 𝑛2 − 𝛿 2−1 1 − (1 − 𝑛 )] (𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ) 𝑛1 − 𝜀 −1 (4-5) Áp suất thị trung bình (bình quân) chu trình thơng số quan trọng để kiểm tra q trình sinh công phụ tải động Trong động làm việc bình thường, việc xác định 𝑃𝑖 cho phép đánh giá chất lượng làm việc đồng q trình cơng tác xilanh Ngồi xilanh làm việc khơng bình thường, hay sau điều chỉnh, thay bơm cao áp, sau sửa chữa thay chi tiết nhóm piston-xilanh, sau chuyển sang sử dụng loại nhiên liệu khác, hay tải động thay đổi v.v… cần phải xác định lại giá trị 𝑃𝑖 Giá trị áp suất thị bình quân xilanh động bình thường khơng vượt q 2,5% giá trị áp suất trung bình bình qn tồn động tính sau: 𝑃𝑖𝑡𝑏 = 𝑃𝑖1 + 𝑃𝑖2 + ⋯ + 𝑃𝑖𝑛 𝑛 Trong đó: 𝑃𝑖1 , 𝑃𝑖2 , … , 𝑃𝑖𝑛 áp suất thị bình quân xilanh số ÷ 𝑛 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 72 𝑛 số xilanh động Việc xác định áp suất thị bình quân chu trình việc đo đồ thị công thị thực động thấp tốc Đối với động trung tốc cao tốc tốc độ vòng quay cao nên khó đo đồ thị công Do loại động này, để đánh giá phụ tải xilanh làm việc đồng nó, người ta sử dụng thơng số khác, là: áp suất trung bình theo thời gian, áp suất cháy cực đại 𝑃𝑧 nhiệt độ khí xả xilanh Hình 4.6 Đồ thị cơng khai triển Áp suất trung bình theo thời gian 𝑃𝑖 tính sau: 𝑃𝑡 = 𝐹𝑡 𝑚 𝐿𝑡 𝑝 Trong công thức trên: 𝐹𝑡 : diện tích đồ thị cơng khai triển (𝑚𝑚2 ) 𝐿𝑡 : chiều dài đồ thị công khai triển (𝑚𝑚) mp: tỷ lệ xích (𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ⁄𝑚𝑚) Giữa áp suất trung bình theo thời gian 𝑃𝑡 áp suất thị bình qn 𝑃𝑖 có khác Đối với động diesel kỳ 𝑃𝑡 > 𝑃𝑖 , cịn động diesel kỳ hành trình bơm nên 𝑃𝑡 < 𝑃𝑖 4.2.2 Áp suất có ích bình qn Áp suất thị bình qn thơng số đo (hoặc tính toán) xilanh động quy vị trí đầu trục khuỷu động ta phải tính đến phần tổn hao cho tổn thất giới Nếu gọi 𝑃𝑚 áp suất quy ước nhằm để khắc phục tổn thất giới áp suất có ích bình qn tính: 𝑃𝑒 = 𝑃𝑖 − 𝑃𝑚 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 73 Trong 𝑃𝑒 áp suất có ích bình quân Các tổn thất giới động bao gồm: - Các tổn thất cho lai dẫn: trục cam, bơm phụ, máy nén tăng áp v.v… - Các tổn thất cho ma sát - Các tổn thất cho hành trình bơm động kỳ Sự khác biệt 𝑃𝑒 𝑃𝑖 cịn đánh giá thơng qua thơng số khác, hiệu suất giới 𝜂𝑚 : 𝜂𝑚 = Vậy: 4.3 𝑃𝑒 𝑃𝑖 (4-6) 𝑃𝑒 = 𝑃𝑖 𝜂𝑚 Công suất thị có ích động 4.3.1 Cơng suất thị (𝑵𝒊 ) Công suất thị công suất xác định xilanh động Công suất công sinh đơn vị thời gian Do đó, để xác định cơng suất thị, ta cần phải công thị động Biết áp suất thị trung bình 𝑃𝑖 ta tính cơng thị chu trình 𝐿𝑖 = 𝑃𝑖 𝑉𝑠 104 (𝐾𝑔 𝑚) Trong đó: 𝑉𝑠 thể tích cơng tác xilanh (𝑚3 ) 𝜋 𝐷 𝑉𝑠 = 𝐷: Đường kính xilanh (𝑚) 𝑆: Hành trình piston (𝑚) Khi cơng thị vịng quay là: 𝑣𝑞 𝐿𝑖 = 𝑃𝑖 𝑉𝑠 104 𝑚 Trong đó, 𝑚 hệ số kỳ: Với động kỳ: 𝑚 = Với động kỳ: 𝑚 = Cơng 𝑛 vịng quay là: 𝐿𝑛𝑖 𝑃𝑖 𝑉𝑠 𝑛 104 = 𝑚 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 74 Trong 𝑛 số vịng quay (𝑣ị𝑛𝑔) Với động có số xilanh 𝑖, ta có cơng thị động với 𝑛 vòng quay là: 𝐿𝑛𝑖 𝑃𝑖 𝑉𝑠 𝑛 𝑖 104 = 𝑚 Nếu 𝑛 tính đơn vị thời gian (𝑣ị𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡), ta có cơng thức tính cơng suất động sau: 𝑁𝑖 = 𝜋 𝐷 𝑃𝑖 𝑛 𝑖 104 (𝑚ã 𝑙ự𝑐 𝑐ℎỉ 𝑡ℎị) 𝑆 60.75 𝑚 Trong đó: 60 hệ số quy đổi thời gian từ (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) sang (𝑣ò𝑛𝑔/𝑔𝑖â𝑦) 75 hệ số chuyển đổi sang mã lực Vậy 𝑁𝑖 = 0,785 𝐷 𝑆 𝑛 𝑖 𝑃𝑖 (𝑚ã 𝑙ự𝑐 𝑐ℎỉ 𝑡ℎị) 0,45 𝑚 (4-7) Trong cơng thức trên: 𝐷: Đường kính xilanh (𝑚) 𝑆: Hành trình piston (𝑚) 𝑛: Tốc độ quay động (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) 𝑖: Số xilanh động 𝑚: Hệ số kỳ: + Động kỳ: 𝑚 = + Động kỳ: 𝑚 = 𝑃𝑖 : Áp suất thị bình quân (𝑘𝐺 ⁄𝑐𝑚2 ) Với động cụ thể giá trị 𝐷, 𝑆, 𝑖 số Do ta viết: 𝑁𝑖 = 𝐾 𝑃𝑖 𝑛 Trong đó: 𝐾 = 0,785 𝐷 𝑆.𝑖 0,45.𝑚 4.3.2 Cơng suất có ích (𝑵𝒆 ) Cơng suất có ích cơng suất xác định mặt bích đầu trục khuỷu động Cơng suất có ích cơng suất thị trừ tổn thất cho giới tính sau: Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 75 𝑁𝑒 = 𝑁𝑖 − 𝑁𝑚 Trong đó: 𝑁𝑚 cơng suất tiêu hao cho tổn thất giới Hoặc là: 𝑁𝑒 = 𝑁𝑖 𝜂𝑚 Với 𝜂𝑚 hiệu suất giới Chú ý rằng: 𝑃𝑒 = 𝑃𝑖 𝜂𝑚 Vậy 𝐷 𝑆 𝑛 𝑖 𝑃𝑒 (𝑚ã 𝑙ự𝑐 𝑐ó í𝑐ℎ) 𝑁𝑒 = 0,785 0,45 𝑚 (4-8) Hay 𝑁𝑒 = 𝐾 𝑃𝑒 𝑛 (4-9) 4.3.3 Công suất tiêu hao cho tổn thất giới 𝑁𝑚 = 𝑁𝑖 − 𝑁𝑒 Công suất tiêu hao cho tổn thất giới bao gồm: - Công suất tiêu hao cho ma sát - Công suất tiêu hao để dẫn động cấu phụ - Công suất tiêu hao hành trình bơm động kỳ Với động cụ thể, công suất tiêu hao cho tổn thất giới phụ thuộc vào tốc độ quay động theo quan hệ sau: 𝑁𝑚 = 𝐴 𝑛𝛽 Trong đó: 𝐴, 𝛽 hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vào loại động Giá trị 𝛽 thường năm khoảng sau: 4.4 - Động cao tốc: 𝛽 = 1,5 ÷ 2,0 - Động thấp tốc: 𝛽 = 1,2 ÷ 1,2 Các hiệu suất suất tiêu hao nhiên liệu động 4.4.1 Hiệu suất nhiệt Hiệu suất nhiệt 𝜂𝑡 hiệu suất tính đến nhiệt lượng cấp vào 𝑄𝑐ấ𝑝 nhiệt lượng thải 𝑄𝑡ℎả𝑖 tất yếu cho nguồn lạnh mà khơng tính đến tổn thất nhiệt khác: 𝜂𝑡 = 𝑄𝑐ấ𝑝 − 𝑄𝑡ℎả𝑖 𝑄𝑡ℎả𝑖 𝑄𝑡 =1− = 𝑄𝑐ấ𝑝 𝑄𝑐ấ𝑝 𝑄𝑐ấ𝑝 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 (4-10) 76 𝜂𝑒 , tức suất tiêu hao nhiên liệu thị có ích đường cong có cực tiểu Trong đặc tính phụ tải giá trị 𝑔𝑒 đạt giá trị cực tiểu khoảng 60 ÷ 80% định mức Quy luật biến thiên thông số đặc tính phụ tải thể hình 6.1 Đặc tính phụ tải động đặc trưng chế độ: 7.3 - Chế độ không tải: 𝑃𝑒 = 0; 𝑔𝑒 = ∞ - Chế độ kinh tế: 𝑔𝑒 đạt giá trị nhỏ 𝑔𝑒𝑚𝑖𝑛 - Chế độ định mức: ( 𝑒 ) 𝑚𝑖𝑛 𝑔 𝑁𝑒 Đặc tính ngồi 7.3.1 Khái niệm Đặc tính động mối quan hệ thông số động cơ: công suất, mômen, suất tiêu hao nhiên liệu…với tốc độ quay động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp chu chu trình khơng đổi Từ khái niệm đường đặc tính ngồi, ứng với vị trí tay ga có đường đặc tính ngồi Như động có nhiều đường đặc tính ngồi, người tăng áp chia đường đặc tính ngồi động thành năm loại đặc tính ngồi sau: Đặc tính ngồi giới hạn (đường 1) đường đặc tính tương ứng với tay ga đặt vị trí lớn nhất, bị giới hạn chốt giới hạn bơm cao áp (ℎ𝑎 = ℎ𝑚𝑎𝑥 ) Đặc tính ngồi nhả khói đen (đường 2) đường đặc tính tương ứng với tay ga đặt vị trí mà khí xả bắt đầu có màu đen (ℎ𝑎 > 100%) Đặc tính định mức (đường 3) đường đặc tính tương ứng với tay ga mà động phát 100% cơng suất (ℎ𝑎 = 100%) Đặc tính khai thác (đường 4) đường đặc tính tương ứng với tay ga mà động phát từ 80 ÷ 85% cơng suất Đặc tính phận (đường 5) đường đặc tính nằm đường đặc tính Các biểu thức dùng để phân tích đặc tính ngồi cơng thức cơng suất, mơ men, áp suất có ích bình qn: Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 121 𝑁𝑒 = 𝑄𝐻 𝑉𝑠 𝜌 𝜂 𝜂 𝜂 𝑛 𝑖 30𝑍 𝛼 𝐿0 𝑘 𝑛 𝑖 𝑚 (7-8) 𝑀𝑒 = 𝑄𝐻 𝑉𝑠 𝜌 𝜂 𝜂 𝜂 𝑖 𝜋 𝑍 𝛼 𝐿0 𝑘 𝑛 𝑖 𝑚 (7-9) 𝑃𝑒 = 𝑄𝐻 𝜌 𝜂 𝜂 𝜂 𝑖 𝛼 𝐿0 𝑘 𝑛 𝑖 𝑚 (7-10) Ne Ne 1.Đường lý thuyết Đường thực tế nmin nmax nmin n nmax n Hình 7.2 Các đường đặc tính ngịai động Đặc tính ngồi giới hạn (ℎ𝑎 = ℎ𝑚𝑎𝑥 ) Đặc tính ngồi nhả khói đen (ℎ𝑎 > 100%) Đặc tính ngồi định mức (ℎ𝑎 = 100%) Đặc tính ngồi khai thác (ℎ𝑎 = 85%) Đặc tính ngồi phận (ℎ𝑎 < 85%) Đối với loại động dùng loại nhiên liệu thì: 𝑉𝑠 , 𝜌𝑘 , 𝑄𝐻 , 𝐿0 , 𝑖, 𝑍 số, cơng thức viết dạng sau: 𝜂𝑖 (7-11) 𝑁𝑒 = 𝐴1 𝜂𝑛 𝜂𝑚 𝑛 𝜌𝑘 𝛼 𝜂𝑖 (7-12) 𝑁𝑒 = 𝐴2 𝜂𝑛 𝜂𝑚 𝜌𝑘 𝛼 𝜂𝑖 (7-13) 𝑃𝑒 = 𝐴3 𝜂𝑛 𝜂𝑚 𝜌𝑘 𝛼 Đối với động Diesel ta có: 𝛼 = 𝑉𝑠 𝜂𝑛 𝜌𝑘 𝑔𝑐𝑡 𝜂𝑐 𝐿0 biểu thức viết sau: 𝑁𝑒 = 𝐶1 𝑔𝑐𝑡 𝜂𝑖 𝜂𝑚 𝑛 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 (7-14) 122 𝑀𝑒 = 𝐶2 𝑔𝑐𝑡 𝜂𝑖 𝜂𝑚 (7-15) 𝑃𝑒 = 𝐶3 𝑔𝑐𝑡 𝜂𝑖 𝜂𝑚 (7-16) Từ công thức tăng áp thấy: 𝑁𝑒 hàm bậc 𝑛, 𝑀𝑒 , 𝑃𝑒 không phụ thuộc vào 𝑛 Nhưng thực tế thông số: 𝜂𝑛 , 𝛼, 𝜂𝑖 , 𝜂𝑚 , 𝜌𝑘 phụ thuộc vào tốc độ quay động cơ, đặc tính cơng suất, momen, áp suất có ích trung bình thực tế đường cong (hình 7-2) Sau phân tích thay đổi thông số (𝜂𝑛 , 𝛼, 𝜂𝑖 , 𝜂𝑚 , 𝜌𝑘 ) theo tốc độ quay động 7.3.2 Quy luật biến thiên thông số Sự biến thiên tiêu kinh tế, lượng động tăng áp không tăng áp có khác 7.3.2.1 Động bốn kỳ không tăng áp Hệ số nạp: Hệ số nạp động tính biểu thức: 𝜂𝑛 = 𝑉 𝑉𝑠 (7-17) Khi tốc độ động tăng, tốc độ dịng khí nạp tiết diện xupáp nạp tăng theo, làm cho tổn thất cục 𝛥𝑃 = 𝑓(𝑣 ) tăng Do lượng khơng khí nạp vào xi lanh giảm Kết hệ số nạp động 𝜂𝑛 giảm tăng tốc độ quay động Hệ số dư lượng khơng khí: 𝛼= 𝑉𝑠 𝜂𝑛 𝜌𝑘 𝑔𝑐𝑡 𝜂𝑐 𝐿0 (7-18) Trong trường hợp 𝑔𝑐𝑡 , 𝐿0 , 𝑉𝑠 khơng thay đổi đặc tính ngồi, cơng thức viết thành: 𝜂𝑛 𝜌𝑘 (7-179) 𝛼 = 𝐾 𝜂𝑐 Khi tốc độ quay động tăng 𝜌𝑘 , 𝜂𝑛 , 𝜂𝑐 giảm 𝜂𝑐 giảm nhanh Do tốc độ động tăng 𝛼 gần khơng thay đổi Hiệu suất thị: Hiệu suất thị thông số đánh giá chất lượng trình cháy động cơ, trình cháy động diễn gần ĐCT, khơng cháy rớt hiệu suất thị động tăng Ngược lại trình cháy kéo dài đường giãn nở hiệu suất thị động giảm Khi tốc độ quay động tăng chất lượng Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 123 phun sương nhiên liệu tăng (do áp suất phun tăng), góc phun sớm khơng thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào xi lanh chu trình khơng thay đổi, hệ số dư lượng khơng khí 𝛼 gần khơng thay đổi, thời gian để thực q trình cháy giảm Vì tốc độ quay động tăng 𝜂𝑖 thay đổi Hiệu suất giới Hiệu suất giới tính công thức: 𝜂𝑚 = 𝑃𝑒 𝑃𝑖 − 𝑃𝑚 𝑃𝑚 = =1− 𝑃𝑖 𝑃𝑖 𝑃𝑖 (7-20) Khi tốc độ quay động tăng áp suất giới trung bình 𝑃𝑚 động tăng, áp suất thị trung bình 𝑃𝑖 động khơng tăng, tốc độ quay động tăng hiệu suất giới động giảm Suất tiêu hao nhiên liệu thị Suất tiêu hao nhiên liệu thị động tính cơng thức: 𝑔𝑖 = Hay 𝐺𝑛𝑙 [𝑔⁄(𝑚𝑙 ℎ)] 𝑁𝑖 𝐺𝑛𝑙 = 𝑔𝑖 𝑁𝑖 (7-21) (7-22) Thay 𝐺𝑛𝑙 = 𝑔𝑖 𝑁𝑖 vào cơng thức tính hiệu suất thị động 𝜂𝑖 = 632,3 𝑁𝑖 𝐺𝑛𝑙 𝑄𝐻 (7-23) 𝜂𝑖 = 632,3 𝑁𝑖 = 𝐴 𝑔𝑖 𝑁𝑖 𝑄𝐻 𝑔𝑖 (7-24) Ta có: Như 𝑔𝑖 biến đổi tỷ lệ nghịch với 𝜂𝑖 Tương tự ta có kết luận biến đổi 𝑔𝑒 tỷ lệ nghịch với 𝜂𝑒 7.3.2.2 Động có tăng áp Hệ số nạp Sự thay đổi thơng số biểu thức tính hệ số nạp tương tự động bốn kỳ không tăng áp, khác trường hợp tốc độ quay tuabin tăng động khí xả tăng Do lượng khơng khí nạp vào xi lanh giảm so với động khơng tăng áp, kết hệ số nạp động có tăng áp giảm so với động không tăng áp tăng tốc độ quay động Hệ số dư lượng khơng khí Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 124 Tương tự hệ số nạp 𝜂𝑛 thơng số biểu thức tính hệ số dư lượng khơng khí động tăng áp thay đổi giống động không tăng áp, 𝜌𝑘 tăng tăng tốc độ quay động cơ, tốc độ tuabin tăng Điều cho phép 𝛼 tăng nhẹ tăng tốc độ quay động Hiệu suất thị Khi tốc độ quay động tăng dẫn đến hệ số dư lượng khơng khí tăng, nên kết qủa hiệu suất thị động giảm so với động khơng tăng áp Các thơng số khác có thay đổi giống động không tăng áp 7.4 Đặc tính chân vịt Đặc tính chân vịt mối quan hệ thông số động với vòng quay động làm việc trực tiếp với chân vịt Chân vịt tiếp nhận công suất, momen động sản trừ phần tổn thất lượng truyền từ động đến chân vịt Sự thay đổi công suất, momen tiêu thụ chân vịt phụ thuộc vào số vòng quay coi tổn thất lượng truyền động không đáng kể cơng suất, momen tiêu thụ chân vịt xác định theo công thức sau: 𝑁𝑒 = 𝐶 𝑛 𝑥 𝑀𝑒 = 𝐶 ′ 𝑛 𝑥−1 (7-2518) (7-196) Trong đó: 𝑥 = 2,5 ÷ 3,2 tuỳ thuộc vào hình dạng vỏ tàu Ví dụ: tàu lướt 𝑥 = 2,5; cịn tàu hàng 𝑥 = 𝐶, 𝐶 ′ : hệ số sức cản phụ thuộc vào lượng nước chiếm tàu, tình trạng biển, tình trạng chân vịt, vỏ tàu, chiều sâu vùng biển, tình trạng luồng lạch… Do cơng suất động phát tỷ lệ thuận với 𝑛3 nên tốc độ quay động 𝑛 = 103% 𝑛đ𝑚 cơng suất động q tải 10% Khi khai thác động vòng quay nhỏ (20 ÷ 30%) cơng suất động nhỏ Từ kết luận khơng nên khai thác động chế độ vòng quay lớn 103% 𝑛đ𝑚 , mặt khác làm việc chế độ nhỏ tải, tốc độ quay động dao động lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình bé, chất lượng phun sương kém, nhiên liệu phân bố không đồng thể tích cơng tác xi lanh Khi hệ số 𝐶 tăng đường đặc tính chân vịt tương ứng dịch chuyển phía trục tung, lúc động khai thác chế độ nặng nề Khi hệ số 𝐶 giảm Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 125 đường đặc tính chân vịt tương ứng dịch chuyển phía ngược lại, lúc động khai thác chế độ nhẹ nhàng (hình 7-3) Sự thay đổi hiệu suất giới đặc tính chân vịt phụ thuộc vào công suất tổn hao cho giới công suất thị động Giống đặc tính ngồi, cơng suất thị động tăng lên hiệu suất giới tăng 𝜂𝑚 = − 𝑁𝑚 𝑁𝑖 (7-207) Trong đặc tính chân vịt, tăng vòng quay động bắt đầu tăng từ vòng quay tối thiểu, hiệu suất giới tăng lên nhanh Càng gần đặt đến vòng quay định mức (khoảng 70 ÷ 100% 𝑛đ𝑚 ), hiệu suất giới tăng lên không đáng kể C1 Ne (a) C2 C3 n Hình 7.3 Các đường đặc tính động lai chân vịt Quy luật biến thiên thông số 𝑔𝑖 , 𝑔𝑒 , 𝜂𝑖 , 𝜂𝑒 động đặc tính chân vịt gần tương tự đặc tính ngồi đặc tính chân vịt, giá trị 𝑔𝑒 đạt cực tiểu khoảng 85 ÷ 90% vịng quay định mức Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 126 Engine output [%] 110 110 Torque [%] BMEP [%] 100 MCR 100 90 80 90 80 Load Limit Range II Load Limit Range I Theorectical Propeller Curve Design of Propeller (FP) 70 70 60 4(FP) Range I 60 50 50 40 40 Range I 30 30 20 20 10 10 103.5 106 30 40 50 60 70 80 90 110 100 Engine speed [%] Hình 7.4 Đặc tính động MAN L58/64 lai chân vịt định bước 1.Giới hạn phụ tải cấp 1; 2.Giới hạn phụ tải cấp 2; 3.Đặc tính chân vịt lý thuyết; 4.Đặc tính chân vịt thiết kế Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Nguyễn Trung Cương (2010), Động diesel tàu thuỷ, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội [2] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động đốt trong, Nxb Giáo dục, Hà Nội [3] Lê Viết Lượng (2000), Lý thuyết động diesel, Nxb Giáo dục, Hà Nội [4] Trần Hữu Nghị (1993), Động diesel tàu thuỷ, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội [5] Phạm Minh Tuấn (2013), Lý thuyết động đốt trong, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] GS Iu Ia Pho-min, GS Trần Hữu Nghị (1990), Các đặc tính động diesel tàu thủy, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội [7] John B.Heywood (1988), Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Co [8] DA Taylor (2001), Introduction to Marine Engineering, Butterworth Heinemann [10] Khristen Knak (1990) Diesel Motor Ship’s Engines and Machinary , Marine Managentmen(Holdings)Ltd [11].Doug Woodyard (2009) Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines – Ninth Editions , Butterworth Heinemann [12] A.J Wharton (2005) Diesel Engines - Third Edition, Butterworth Heinemann [13] John B.Woodward (1988) Low speed Marine Diesel , Robert E.Krieger Publishing Company [14] Kees Kuiken (2008) Diesel Engines for ship propulsions and power plants I, Target Global Energy Training, The Netherland [15] Kees Kuiken (2008) Diesel Engines for ship propulsions and power plants II , Target Global Energy Training, The Netherland [16] Bernard Challen, Rodica Baranescu (1999) Diesel Engine Reference Book , Second Edition, Butterworth Heinemann [17] Willard W.Pullabek- University of Wisconsin- Plateville, Engineering fundamentals of the internal combustion engine, Prence Hall- Upper Seddle River, New Jersey 07458 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 128 MỤC LỤC CHƯƠNG CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Khái niệm 1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt 1.1.2 Các thơng số đặc trưng chu trình 1.1.3 Các giả thiết nghiên cứu chu trình lý tưởng: 1.2 Chu trình lý tưởng 1.2.1 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích 1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp 1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp 1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng CHƯƠNG CÁC Q TRÌNH CƠNG TÁC ĐỘNG CƠ DIESEL 11 2.1 Quá trình nạp 11 2.1.1 Hệ số nạp 11 2.1.2 Xác định thơng số q trình nạp 17 2.2 Quá trình nén 21 2.2.1 Diễn biến trình nén 21 2.2.2 Chỉ số nén đa biến 𝒏𝟏 22 2.2.3 Các thông số chất khí cuối kỳ nén 23 2.3 Quá trình cháy 26 2.3.1 Lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy 𝟏 𝒌𝒈 nhiên liệu 26 2.3.2 Số lượng mol sản phẩm cháy cháy hoàn toàn 𝟏𝒌𝒈 nhiên liệu 29 2.3.3 Hệ số thay đổi phân tử 31 2.3.4 Phương trình nhiệt động trình cháy 32 2.4 Quá trình giãn nở 39 2.4.1 Diễn biến trình giãn nở 39 2.4.2 Các thơng số q trình giãn nở: 42 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 129 2.4.3 Tính số giãn nở đa biến 𝒏𝟐 43 2.5 Quá trình thải 45 2.5.1 Diễn biến trình thải 45 2.5.2 Vấn đề giảm độc hại khí thải động 45 CHƯƠNG QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ TẠO HỖN HỢP Ở ĐỘNG CƠ DIESEL 46 3.1 Các giai đoạn trình cháy 46 3.1.2 Giai đoạn chuẩn bị cháy 46 3.1.3 Giai đoạn tăng áp suất 47 3.1.4 Giai đoạn tăng nhiệt độ 48 3.1.5 Giai đoạn cháy rớt 48 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn trình cháy 49 3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy 49 3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn cịn lại 51 3.3 Q trình tạo hỗn hợp 53 3.3.1 Tia nhiên liệu 53 3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới hình dạng tia nhiên liệu 56 3.4 Các dạng buồng cháy 58 3.4.1 Buồng cháy thống 58 3.4.2 Buồng ghép 61 CHƯƠNG CÁC THÔNG SỐ CHỈ THỊ VÀ CĨ ÍCH CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 67 4.1 Đồ thị công thị 67 4.2 Áp suất thị có ích bình qn 69 4.2.1 Áp suất thị bình quân 70 4.2.2 Áp suất có ích bình qn 73 4.3 Công suất thị có ích động 74 4.3.1 Công suất thị (𝑵𝒊 ) 74 4.3.2 Cơng suất có ích (𝑵𝒆 ) 75 4.3.3 Công suất tiêu hao cho tổn thất giới 76 4.4 Các hiệu suất suất tiêu hao nhiên liệu động 76 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 130 4.4.1 Hiệu suất nhiệt 76 4.4.2 Hiệu suất thị 77 4.4.3 Hiệu suất có ích 77 4.4.4 Hiệu suất giới 78 4.4.5 Suất tiêu hao nhiên liệu thị 𝒈𝒊 78 4.4.6 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 𝒈𝒆 78 4.4.7 Quan hệ suất tiêu hao nhiên liệu thị áp suất thị bình quân 79 4.5 Cân nhiệt động Diesel 80 4.5.1 Khái niệm chung 80 4.5.2 Phương trình cân nhiệt 81 CHƯƠNG Q TRÌNH TRAO ĐỔI KHÍ Ở ĐỘNG CƠ HAI KỲ 83 5.1 Các đặc điểm trình 83 5.2 Các giai đoạn q trình trao đổi khí 83 5.3 Thời gian tiết diện trao đổi khí 84 5.3.1 Khái niệm đồ thị thời gian tiết diện 84 5.3.2 Xây dựng đồ thị thời gian tiết diện 85 5.3.3 Các pha trao đổi khí đồ thị thời gian tiết diện 85 5.3.4 Đánh giá chất lượng q trình trao đổi khí 86 5.4 Ảnh hưởng phương pháp sử dụng tăng áp đến trình trao đổi khí động hai kỳ 89 5.4.1 Trao đổi khí tăng áp xung 89 5.4.2 Trao đổi khí tăng áp đẳng áp 91 5.5 Một số hệ thống trao đổi khí động hai kỳ 92 5.5.2 Quét vòng đặt ngang (hình 5.6a) 93 5.5.3 Qt vịng đặt bên (hình 5.6b) 93 5.5.4 Quét thẳng qua cửa quét (hình 5.6c) 93 5.5.5 Quét thẳng qua xupáp (hình 5.6 d) 94 CHƯƠNG TĂNG ÁP CHO DIESEL TÀU THUỶ 95 6.1 Mục đích tăng áp cho động diesel tàu thuỷ 95 6.1.1 Các phương pháp tăng công suất động diesel tàu thuỷ 95 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 131 6.1.2 Các phương pháp tăng áp 97 6.2 Sử dụng lượng khí xả cho tăng áp diesel tàu thuỷ 100 6.2.1 Phân bố lượng khí xả động diesel 100 6.2.2 Tăng áp xung 101 6.2.3 Tăng áp đẳng áp 101 6.2.4 Ưu nhược điểm tăng áp xung tăng áp đẳng áp 102 6.3 Sự thay đổi tiêu kinh tế kỹ thuật động tăng áp 103 6.3.1 Sự thay đổi hiệu suất giới động tăng áp 103 6.3.2 Sự thay đổi tỷ số tăng áp suất 𝝀 tăng áp 104 6.4 Tăng áp động diesel bốn kỳ 104 6.5 Tăng áp động diesel hai kỳ 105 6.6 Làm mát khơng khí tăng áp 107 6.7 Kết cấu tổ hợp tuabin khí máy nén tăng áp diesel tàu thuỷ 108 6.7.1 Nguyên lý hoạt động 108 6.7.2 Kết cấu tuabin khí máy nén 109 6.7.3 Các loại tua bin tăng áp cho Diesel tàu thủy 113 6.8 Khai thác tổ hợp tuabin khí máy nén tăng áp 115 6.8.1 Các thiết bị đo báo 115 6.8.2 Vận hành, khai thác tuabin khí máy nén tăng áp 115 CHƯƠNG CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 118 7.1 Tầm quan trọng đặc tính động 118 7.2 Đặc tính phụ tải 118 7.2.1 Khái niệm 118 7.2.2 Quy luật biến thiên thông số 118 7.3 Đặc tính ngồi 121 7.3.1 Khái niệm 121 7.3.2 Quy luật biến thiên thông số 123 7.4 Đặc tính chân vịt 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 MỤC LỤC 129 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 132 Động diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 133