Tài liệu kĩ thuật nhiệt - Chu trình động cơ đốt trong

các loại chu trình phổ biến như chu trình Otto và chu trình Diesel, cùng với các ứng dụng thực tế và tiềm năng cải tiến trong công nghệ. 1. Khái niệm chung 2. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích 3. Chu trình cấp nhiệt đẳng áp 4. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

Chương 10:

Chu trình động cơ đốt trong

p.1

¾ 10.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (Chu trình Diesel)

¾ 10.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (Chu trình Otto )

¾ 10.4 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

¾ 10.1 Khái niệm chung

10.1 Khái niệm chung

Động cơ 6 máy chữ V Động cơ 4 máy kiểu 1

Nguồn nóng

Nguồn lạnh

Động cơ nhiệt

Q1

Q2

W

10.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (Chu trình Otto )

Động cơ 4 thì cấp nhiệt đẳng tích

¾ Sơ đồ nguyên lý của chu trình cấp nhiệt đẳng tích

a-1: nạp hỗn hợp

1-2: nén hỗn hợp

2-3: đốt cháy hh

3-4: hh giãn nở

4-1: Thải khí cháy

1-a: Quét khí cháy

* hỗn hợp khí có thể xem như KK, và có thể áp dụng pt khí lý tưởng

p

v

1 a

2

3

4

q1

q2

T

s 1

2

3 4

q1

q2

¾ Các tính chất của quá trình:

1-2: nén đoạn nhiệt p1v1k = p2v2k

2-3: cấp nhiệt đẳng tích

3

3 2

2

T

p

T p =

3-4: giãn nở đoạn nhiệt p3v3k = p4v4k

p.5

4-1: thải nhiệt đẳng tích

1

1 4

4

T

p

T p =

( k = 1.4 :

số mũ đoạn nhiệt của không khí )

- Từ các thông số đã biết trước:

+ Biết thông số trạng thái của 1 trong 4 điểm 1, 2, 3, 4 (ví dụ p 1 , T 1) + Tỉ số nén:

2

1

v

v

=

ε

+ Tỉ số tăng áp:

2

3

p

p

=

λ

- Kết hợp tính chất các quá trình:

+ 1-2 và 3-4: ĐOẠN NHIỆT

+ 2-3 và 4-1: ĐẲNG TÍCH

Thông số trạng thái (p, v, T) của các điểm 1, 2, 3, 4 Nhiệt cấp q 1(kJ/kg) , nhiệt thải q2 (kJ/kg), công chu trình w (kJ/kg) Hiệu suất nhiệt của chu trình η

¾ Tính toán cụ thể (giả sử biết thông số ban đầu p1, T1)

Biết: - Thông số ở trạng thái 1, tỉ số nén ε , tỉ số tăng áp λ

Cần tính thông số trạng thái tại 2, 3, 4, nhiệt lượng, công và hiệu suất của chu trình

1

1

p

RT

v =

1-2 là quá trình đoạn nhiệt

Điểm 2:

2

1

v

v

=

ε

v

ε

=

k

k

p v

v p

2

1 1

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

1 1

1

2

1 1 2

−

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

k

T v

v T

2

3

p

p

=

λ

2-3 là quá trình đẳng tích 1 ( 3 / )

2

v

ε

=

=

1 1

2 2

3 2 3

−

=

=

p

p T

3-4 là quá trình đoạn nhiệt 1

1

2 3 4

3 3

v

v p v

v p p

k k

λ

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

4-1 là quá trình đẳng tích

1

1 1

4

p

RT v

v = =

1 1

1

2 3 1

4

3 3

v

v T v

v T T

k k

λ

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

−

−

* Nhiệt lượng cấp vào chu trình: q1 = q2−3 = c v(T3 −T2) (kJ / kg)

* Nhiệt lượng thải ra của chu trình: q2 = q4−1 = c v(T4 −T1) (kJ /kg)

* Công của chu trình: w = q1 − q2 (kJ / kg)

* Hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích :

1 4

2 3

1 4

1

2 1

1

1

1

T T

T

T T

T c

T T

c q

q q

q

w

v

v

−

−

=

−

−

−

=

−

=

=

η

Động cơ đốt trong làm việc với chu trình cấp nhiệt đẳng tích Các thông số của chu trình như sau: p1= 1 bar, T1 = 320 K, tỉ số nén ε = 4, tỉ số tăng áp λ = 4, môi chất công tác xem gần giống không khí R = 287 J/kg.độ, k = 1.4

a) Xác định thông số tại các điểm, hiệu suất nhiệt và công của chu trình

b) So sánh với chu trình Carno có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh

a) Điểm 1: p1 = 1 bar, T1 = 320 K ( / )

10

* 1

320

*

5 1

1

p

RT

Điểm 2: 1 ( 3 / ) ,

v

ε

= p2 = p1ε k , 1

1 2

−

= T k

Điểm 3: v3 = v2 , p3 = λ p2 , T3 = λT2

Điểm 4: v4 = v1 , p4 = λ p1 , T4 = λT1

Công của chu trình: w = q1 − q2 = c v(T3−T2)− c v(T4 −T1) (kJ /kg)

p.9

Hiệu suất nhiệt của chu trình:

2 3

1 4

1

T T

T

T

−

−

=

η

b) Hiệu suất của chu trình Carno có cùng

nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh: Carno T t

T

η

η = − >

3

1

1

Ví dụ 1: ví dụ 10.1 sách “Nhiệt động lực học kỹ thuật”

10.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (Chu trình Diesel)

Điểm khác biệt

giữa động cơ

Diesel và động cơ

Otto (xăng):

Không khí được nén

đến nhiệt độ

600-800oC cao hơn nhiệt

độ tự bốc cháy của

nhiên liệu Æ nhiên

liệu được phun sương

vào xylanh có sẵn KK

¾ Sơ đồ nguyên lý của chu trình cấp nhiệt đẳng áp

v

q2

p

1 a

2 3

4

s 1

2

3 4

q1

q2

1-2: nén đoạn nhiệt p1v1k = p2v2k

2-3: cấp nhiệt đẳng áp

3

3 2

2

T

v

T v =

3-4: giãn nở đoạn nhiệt p3v3k = p4v4k

4-1: thải nhiệt đẳng tích

1

1 4

4

T

p

T p =

( k = 1.4 :

số mũ đoạn nhiệt của không khí )

p.11

Thông số đặc trưng:

Tỉ số nén:

2

1

v

v

=

ε

Tỉ số giãn

nở sớm:

2

3

v

v

=

ρ

1 1

Biết: - Thông số ở trạng thái 1, tỉ số nén ε = v 1 /v 2 , tỉ số giãn nở sớm ρ = v 3 /v 2

1

1

p

RT

v =

v

1 2

−

= T k

1 2

3

−

=

* Nhiệt lượng cấp vào chu trình: q1 = q2−3 = c p(T3 −T2) (kJ / kg)

* Nhiệt lượng thải ra của chu trình: q2 = q4−1 = c v(T4 −T1) (kJ / kg)

1 2

q

=

−

Hiệu suất nhiệt của

1

−

−

−

=

ρ ε

ρ

k q

w

Ví dụ 2: ví dụ 10.2 sách “Nhiệt động lực học kỹ thuật”

Tính hiệu suất nhiệt ηt và thông số tại các điểm đặc trưng của chu trình cấp

nhiệt đẳng áp với tỉ số nén ε = 10, tỉ số giãn nở sớm ρ = 2, môi chất được xem tương tự không khí Biết thông số trạng thái đầu p1 = 1 bar và T1= 400 K

1

1

p

RT

v =

v

1 2

−

= T k

1 2

3

−

=

* Nhiệt lượng cấp vào chu trình: q1 = q2−3 = c p(T3 −T2) (kJ /kg)

* Nhiệt lượng thải ra của chu trình: q2 = q4−1 = c v(T4 −T1) (kJ / kg)

* Hiệu suất nhiệt của chu trình tính theo 1 trong 2 công thức:

1

2

1

q

q

t = −

η

( 1)

1

−

−

−

ρ ε

ρ

ηt k k

k

hoặc

p

1

2

4

5

q1p

3

q2

q1v

T

s 1

2

q1v

q2

5

q1p

Để tính toán chu trình cấp nhiệt hỗn hợp cần biết thông số trạng thái 1 điểm và

3 thông số đặc trưng của chu trình gồm:

¾ Tỉ số nén :

2

1

v

v

=

ε

¾ Tỉ số tăng áp :

2

3

p

p

=

λ

4

v =

=

ρ

¾ Tính toán cụ thể (giả sử biết thông số ban đầu p1, T1)

Biết: - Thông số ở trạng thái 1, tỉ số nén ε = v 1 /v 2 , tỉ số tăng áp λ = p 3 /p 2 ,

và tỉ số giãn nở sớm ρ = v 4 /v 3

1

1

p

RT

v =

v

1 2

−

= T k

2

v v

1 3

−

= T k

ρ v

v = p4 = p3 = λ p1ε k , 1

1 4

−

= T k

T λρ ε

* Nhiệt lượng cấp vào chu trình: q1 = q1v + q1p = c v(T3 −T2) + c p(T4 −T3) kJ /kg

* Nhiệt lượng thải ra của chu trình:

* Công của chu trình: w = q1 − q2 kJ / kg

* Hiệu suất nhiệt của chu trình:

(T T ) kJ kg c

q2 = v 5 − 1 /

1

− +

−

−

−

=

t

k q

w

ε ρ

λ λ

ρ λ η