BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 4 pot

Sau đây chúng ta sẽ trình bày phương pháp xây dựng đồ thị công chỉ thị bằng tính toán: Để xây dựng đồ thị công chỉ thị bằng tính toán, trước hết ta xác định các điểm đặc biệt của chu trì

CHƯƠNG 4

CÁC THÔNG SỐ CHỈ THỊ VÀ CÓ ÍCH CỦA

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

4.1 Đồ thị công chỉ thị

Đồ thị công chỉ thị được vẽ trong hệ tọa độ P-V Đó là mối quan hệ giữa

áp suất và thể tích của xy lanh trong một chu trình công tác Đồ thị công chỉ thị

có thể được xây dựng bằng tính toán hay đo trực tiếp trên động cơ Nếu đồ thị

công chỉ thị được đo trực tiếp trên động cơ bằng thiết bị đo đồ thị công thì được

gọi là đồ thị công chỉ thị thực tế

Hình (4-1) là đồ thị công chỉ thị của động cơ diesel 4 kỳ Đặc điểm của đồ

thị này là nó được giới hạn bởi hai điểm là điểm chết trên và điểm chết dưới của

piston Đối với động cơ diesel 2 kỳ (Hình 4-2) có một phần hành trình bị tổn thất

Hình 4.1 Đồ thị công chỉ thị của động cơ Diesel 4 kỳ

Hình 4.2 Đồ thị công chỉ thị của động cơ Diesel 2 kỳ

Sau đây chúng ta sẽ trình bày phương pháp xây dựng đồ thị công chỉ thị

bằng tính toán:

Để xây dựng đồ thị công chỉ thị bằng tính toán, trước hết ta xác định các

điểm đặc biệt của 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 nhau bằng các đoạn thẳng ta được:

Đường đẳng tích: cz1

Đường đẳng áp: z1z

Đường đẳng tích: ba

Để xây dựng đường cong nén và đường cong giãn nở, ta tiến hành như sau:

Chọn một giá trị VX1 nằm trong khoảng công tác của xy lanh

Áp suất PX1 tương ứng trên đường cong nén được tính như sau:

1

1

n

x

a a x

V

V P

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

= Giá trị áp suất PX2 nằm trên đường giãn nở bằng:

b a

n

x

b b

V

V P

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

2

2

Bằng cách chọn giá trị Vx và tiến hành tính toán tương tự ta sẽ xác định được

các điểm trên đường cong nén và đường cong giãn nở Nối các điểm này với

nhau bằng một đường cong trơn ta sẽ được đường cong nén và đường cong giãn

nở của chu trình công tác

Hình 4.3 Xây dựng đồ thị công chỉ thị của động cơ Diesel

Để cho tiện, thường chọn tỷ lệ xích trên trục tung là mp (kG/cm2/mm)

Còn tỷ lệ xích trên trục hoành là mv (cm3/mm)

Việc xây dựng đồ thị công chỉ thị cho động cơ 2 kỳ và 4 kỳ là như nhau

Nhưng với động cơ 2 kỳ thì thể tích Va được tính là:

V a =V c +V s.(1 −ψs)

ψ : là hệ số tổn thất hành trình, S h

S

ψ =

So với đồ thị công chỉ thị thực tế, đồ thị công chỉ thị tính toán có những

điểm khác biệt như sau:

Do trong tính toán ta chọn giá trị n1, n2 là không đổi do đó đường cong

nén và đường cong giãn nở sẽ khác với đường cong nén và đường cong giãn nở

có n1, n2 thay đổi

Tại các điểm đặc biệt a, b, c, z1, z của đồ thị công chỉ thị thực tế là những

đường cong liên tục Vì vậy sau khi xây dựng đồ thị theo phương pháp trên ta

phải lượn góc các điểm này bằng những đường cong Như vậy giữa đồ thị công

trước và sau lượn góc sẽ có diện tích khác nhau được đánh giá bằng hệ số lượn

góc

Hệ số lượn góc là ϕdđược định nghĩa là:

c

d

F

F1

=

ϕ Trong đó: F1: Diện tích đồ thị công sau khi lượn góc

Fc: Diện tích đồ thị công khi chưa lượn góc

4.2 Áp suất chỉ thị và có ích bình quân

Khi xem xét một chu trình công tác thực tế, chúng ta có thể đánh giá sự hoàn

thiện của chu trình về mặt lợi dụng nhiệt, liên quan đến mức độ hoàn thiện của các

qúa trình riêng biệt trong đó thông qua các thông số như áp suất chỉ thị trung bình,

công suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị

4.2.1 Áp suất chỉ thị bình quân

Áp suất chỉ thị bình quân được xác định bằng công chỉ thị trên một đơn vị

thể tích công tác của xy lanh

Trên đồ thị công chỉ thị, áp suất chỉ thị bình quân được xác định bằng bình

quân tung độ diện tích đồ thị công chỉ thị chia theo hành trình có ích của piston

(Hình 4-4)

Hình 4-4 Đồ thị công chỉ thị và áp suất chỉ thị bình quân

Nếu gọi công mà chất khí thực hiện được trong một chu trình là Li thì áp

suất chỉ thị bình quân được tính:

4

.10

i i S

L p

V

= (kG/cm2) (4-1)

Áp suất chỉ thị bình quân có thể được xác định bằng tính toán hay đo trực

tiếp trên động cơ làm việc Trong tính toán, sau khi xây dựng được đồ thị công

chỉ thị và tiến hành lượn góc các điểm đặc biệt ta xác định được Pi khi tính toán:

p i F.m p

l

Trong đó: F: là diện tích đồ thị công chỉ thị tính toán sau khi đã lượn góc (mm2)

mp: là tỷ lệ xích trên trục tung (kG/cm2/mm)

l: là chiều dài đồ thị trên trục hoành (mm)

Để cho tiện sau khi xây dựng xong đồ thị công chỉ thị tính toán ta tiến hành

đo diện tích đồ thị và xác định được giá trị '

i

p gọi là áp suất chỉ thị bình quân của chu trình sau khi lượn góc

Áp suất chỉ thị bình quân của chu trình sau khi lượn góc được tính:

Đối với động cơ 4 kỳ: p i =ϕd.p i'

Trong đó ϕd là hệ số lượn góc (hay hệ số điền đầy đồ thức):

Động cơ 4 kỳ: ϕd = 0,95 ÷ 0,97

Đối với động cơ 2 kỳ: p i =ϕd (1p i' −ψS)

Ở đây: đối với động cơ 2 kỳ quét thẳng: ϕd = 0,94 ÷ 0,96

Trong động cơ diesel 2 kỳ quét vòng, do phần diện tích baa’ không được

tính vào diện tích của đồ thị công chỉ thị (Hình 4-5) Vì vậy phần diện tích này đủ

bù cho các phần diện tích bị mất đi do lượn góc tại các điểm đặc biệt Do đó với

loại động cơ này ta chọn ϕd= 1

Hình 4.5 Đồ thị công chỉ thị tính toán của động cơ Diesel 2 kỳ

z

c

a’

a

P

V

z’

b

k

Trong thực tế, đồ thị công chỉ thị của động cơ thấp tốc có thể được xác định

bằng một thiết bị đo đồ thị công gọi là indicator Khi đó ta sẽ có áp suất chỉ thị

trung bình thực tế

Phương pháp tính toán bằng lý thuyết để xác định áp suất chỉ thị trung

bình được áp dụng như sau:

Gọi Li là công thực hiện của chất khí trong một chu trình công tác Ở đây

cần lưu ý là các công trong hành trình bơm của động cơ 4 kỳ được tính vào

công tiêu hao cho cơ giới Khi đó ta có:

Li = Lz1z + Lzb - Lac (4-3)

Công của chất khí thực hiện trên đoạn z1z được tính:

L 1z = P z.V z − P z1.V z1 = P z.(V z1 −V z)

Công mà chất khí thực hiện trên đoạn zb là công của qúa trình đa biến và

được tính:

zb (P z V z P b V b)

n

1

1

2

−

−

= Công trên đoạn ac là công của qúa trình nén đa biến, do đó được tính:

ac (P c V c P a V a)

n

1

1

1

−

−

=

Do đó:

Z Z b b C C a a

− − (4-4)

Áp suất chỉ thị trung bình của chu trình chưa lượn góc sẽ là:

4

.10

i i S

L p V

= (kG/cm2) Trong công thức này: Li được đo bằng kg.m

Vs được đo bằng m3

Thay các giá trị sau vào công thức (4-4):

P z =λ.P c;

2 2

.

n

c n

z b

P P

P

δ

λ

δ =

=

1

n

c a

P P

ε

=

c = ρ

z

V

V = ε

c

a

V V

Ta có:

c

p p

λ ρ

λ ρ

Áp suất chỉ thị trung bình (bình quân) của chu trình là một trong những

thông số quan trọng để kiểm tra qúa trình sinh công và phụ tải của động cơ

Trong khi động cơ làm việc bình thường, việc xác định Pi cho phép đánh giá

chất lượng làm việc cũng như sự đồng đều trong qúa trình công tác của các xy

lanh Ngoài ra các xy lanh làm việc không bình thường, hay sau khi điều chỉnh,

thay thế bơm cao áp, sau sửa chữa và thay thế các chi tiết nhóm piston-xy lanh,

sau khi chuyển sang sử dụng loại nhiên liệu khác, hay tải động cơ thay đổi v.v…

thì cần phải xác định lại giá trị Pi Giá trị áp suất chỉ thị bình quân của các xy

lanh động cơ bình thường không được vượt qúa 2,5% giá trị áp suất trung bình

bình quân của toàn bộ động cơ được tính như sau:

n

P P

P

itb

+ + +

= 1 2

Trong đó: Pi1, Pi2…Pin là áp suất chỉ thị bình quân của xy lanh số 1, số 2,…,số n

n là số xy lanh của động cơ

Việc xác định áp suất chỉ thị bình quân của chu trình bằng việc đo đồ thị

công chỉ thị thực hiện đối với các động cơ thấp tốc Đối với các động cơ trung tốc

và cao tốc do tốc độ vòng quay cao nên khó có thể đo được đồ thị công Do vậy

đối với các loại động cơ này, để đánh giá phụ tải của các xy lanh và sự làm việc

đồng đều của nó, người ta sử dụng một thông số khác, đó là: áp suất trung bình

theo thời gian, áp suất cháy cực đại Pz và nhiệt độ của khí xả của các xy lanh

Hình 4-6 Đồ thị công khai triển

Áp suất trung bình theo thời gian Pi được tính như sau:

t p

t

L

F

P =

Trong công thức trên:

Ft: là diện tích đồ thị công khai triển (mm2)

Lt: là chiều dài đồ thị công khai triển (mm)

mp là tỷ lệ xích (kG/cm2/mm)

Giữa áp suất trung bình theo thời gian và áp suất chỉ thị bình quân Pi có sự

khác nhau Đối với động cơ diesel 2 kỳ thì Pt > Pi, còn đối với động cơ diesel 4

kỳ thì do hành trình bơm nên Pt < Pi

4.2.2 Áp suất có ích bình quân

Áp suất chỉ thị bình quân là một thông số được đo (hoặc tính toán) ở trong

xy lanh động cơ nhưng nếu quy về vị trí tại đầu ra của trục khuỷu động cơ thì ta

phải tính đến phần tổn hao cho các tổn thất cơ giới

Nếu gọi Pm là áp suất quy ước nhằm để khắc phục các tổn thất cơ giới thì khi

đó áp suất có ích bình quân được tính:

Pe = Pi – Pm

Trong đó Pe là áp suất có ích bình quân

Các tổn thất cơ giới của động cơ bao gồm:

- Các tổn thất cho lai dẫn: Lai dẫn trục cam, các bơm phụ, máy nén tăng

áp v.v…

- Các tổn thất cho ma sát

- Các tổn thất cho hành trình bơm ở các động cơ 4 kỳ

Sự khác biệt giữa Pe và Pi còn có thể được đánh giá thông qua một thông số

khác, đó là hiệu suất cơ giới ηm:

i

e m

P

P

=

η Vậy: pe = pi ηm (4-6)

4.3 Công suất chỉ thị và có ích của động cơ:

Công suất chỉ thị là công suất được xác định trong xy lanh của động cơ

Công suất là công sinh ra trong một đơn vị thời gian Do đó, để xác định

công suất chỉ thị, ta cần phải bắt đầu từ công chỉ thị của động cơ

Biết được áp suất chỉ thị trung bình Pi ta có thể tính được công chỉ thị của

một chu trình

L i = p V i .10S 4 (Kg.m) Trong đó: Vs là thể tích công tác của xy lanh (m3)

S

D

4

2 π

= D: Đường kính xy lanh (m)

S: Hành trình piston (m)

Khi đó công chỉ thị của một vòng quay là:

m

V P

i

4 10

= Trong đó: m là hệ số kỳ: Với động cơ 4 kỳ: m = 2

Với động cơ 2 kỳ: m = 1 Công của n vòng quay sẽ là:

m

n V P

i

4

10

=

, trong đó n là số vòng quay (vòng)

Với động cơ có số xy lanh là i, khi đó ta có công chỉ thị của động cơ với n vòng

quay sẽ là:

m

i n V P

i

4

10

= Nếu n ở trên được tính trong một đơn vị thời gian (vòng/phút), ta có công

thức tính công suất của động cơ như sau:

. 2 . .104

4 60.75.

i i

p n i D

m

π

Trong đó: 60 là hệ số quy đổi thời gian từ (vòng/phút) sang (vòng/giây)

75 là hệ số chuyển đổi sang mã lực

Vậy: 0, 785. 2 .

0, 45.

i i

D S n i p N

m

= (mã lực chỉ thị) (4-7) Trong công thức trên

D: Đường kính xy lanh (m)

S: Hành trình piston (m)

n: Tốc độ quay của động cơ (vòng/phút)

i: Số xy lanh của động cơ

m: Hệ số kỳ:

+ Động cơ 4 kỳ: m = 2

+ Động cơ 2 kỳ: m = 1

pi: Áp suất chỉ thị bình quân (kG/cm2)

Với động cơ cụ thể các giá trị D, S, i là hằng số Do đó ta có thể viết:

Ni = K.pi.n Trong đó: 0, 785. 2 .

0, 45.

D S i K

m

Công suất có ích: Ne

Công suất có ích là công suất được xác định tại mặt bích đầu ra của trục khuỷu

của động cơ Công suất có ích bằng công suất chỉ thị trừ đi các tổn thất cho cơ

giới và được tính như sau:

Ne = Ni – Nm

Trong đó: Nm là công suất tiêu hao cho các tổn thất cơ giới

Hoặc là: N e=N i.ηm

Trong đó ηmlà hiệu suất cơ giới

Chú ý rằng: P e =P i.ηm

Vậy:

m

P i n S D

e

45 , 0

785 , 0

2

= (mã lực có ích ) (4-8) Hay: Ne = K.pe.n (mã lực có ích) (4-9)

4.3.3 Công suất tiêu hao cho các tổn thất cơ giới

N m =N i −N e

Công suất tiêu hao cho các tổn thất cơ giới bao gồm:

- Công suất tiêu hao cho ma sát

- Công suất tiêu hao để dẫn động các cơ cấu phụ

- Công suất tiêu hao trong các hành trình bơm trong các động cơ bốn kỳ

Với một động cơ cụ thể, công suất tiêu hao cho các tổn thất cơ giới phụ

thuộc vào tốc độ quay của động cơ theo quan hệ sau:

N m = A.nβ Trong đó: A, β là các hệ số kinh nghiệm phụ thuộc vào loại động cơ

Giá trị của β thường năm trong khoảng sau:

- Động cơ cao tốc: β = 1,5 ÷ 2,0

- Động cơ thấp tốc: β = 1,2 ÷ 1,2

4.4 Các hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ

4.4.1 Hiệu suất nhiệt

- Hiệu suất nhiệt ηi là hiệu suất chỉ tính đến nhiệt lượng cấp vào Qcap và

nhiệt lượng thải Qthai tất yếu cho nguồn lạnh mà không tính đến bất kỳ một tổn

thất nhiệt nào khác

cap

t cap

thai cap

thai cap t

Q

Q Q

Q Q

Q Q

=

−

=

−

4.4.2 Hiệu suất chỉ thị

- Hiệu suất chỉ thị ηi tính đến cả tổn thất nhiệt cho nguồn lạnh (tổn thất

nhiệt cho khí xả) và các tổn thất khác như cháy không hoàn toàn, tổn thất cho

nước làm mát, môi trường: Qmat

cap

i cap

mat thai cap t

Q

Q Q

Q Q Q

=

−

−

=

Trong đó Qi là phần nhiệt lượng biến thành công suất chỉ thị

Q i = 632 , 3 N i

Trong đó: Ni là công suất chỉ thị [mã lực]

632,3 là hệ số quy đổi từ mã lực thành kcal

Q cap =G nl.Q H

Trong đó : Gnl là lượng nhiên liệu cung cấp [kg]

QH là nhiệt trị thấp nhất của nhiên liệu [kcal/kg]

Khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu có nhiệt trị thấp là QH [kcal/kg], hiệu suất chỉ

thị được tính là:

H

i H

nl

i i

Q

N Q

G

.

3 ,

=

4.4.3 Hiệu suất có ích

- Hiệu suất có ích ηe tính đến tất cả tổn thất trong hiệu suất chỉ thị và tổn

thất cơ giới trong động cơ

cap

e cap

cogioi mat

thai cap

Q Q

Q Q Q Q

=

−

−

−

=

Trong đó Qe là phần nhiệt lượng biến thành công suất có ích

Q e = 632 , 3 N e

Khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu có nhiệt trị thấp là QH [kcal/kg], hiệu suất có

ích được tính là :

H

e H

nl

e e

Q

N Q

G

.

3 ,

=

Trong đó : Ne là công suất có ích [mã lực]

632,3 là hệ số quy đổi giữa mã lực và kcal

4.4.4 Hiệu suất cơ giới

Quan hệ giữa hiệu suất có ích và hiệu suất chỉ thị được xác định thông qua

một đại lượng được gọi là hiệu suất cơ giới ηm

m i

e η η

η =

Do đó :

i

m i

e i

e

N N

=

η

η

hoặc :

i

m i

e m

P

P P

P

−

=

η Trong đó Pm là áp suất quy ước chi phí cho các tổn thất cơ giới

4.4.5 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i

i

nl

i N

G

g = [kg/(mlct.h)] hoặc [g/(mlct.h)]

Trong đó: Gnl [kg/h] là lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ để sinh ra

công suất chỉ thị Ni [mã lực]

Mặt khác,

H i H nl

i i

Q g Q G

N

.

3 , 632

3 ,

= η

Do đó có thể tính gi thông qua ηi như sau:

H i

g

.

3 , 632 η

4.4.6 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e

e

m

e N

G

g = [kg/(mlci.h)] hoặc [g/(mlci.h)]

Trong đó: Gm [kg/h] là lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ để sinh ra

công suất có ích Ne [mã lực]

Mặt khác, trong một giờ ta lại có:

H e H

nl

e

e G Q g Q

N

3 , 632

3 , 632

=

=

η

Do đó có thể tính ge thông qua ηe như sau:

H e

e

Q

g

.

3 ,

632

η

4.5 Quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị và áp suất chỉ thị bình quân

Để đánh giá tính kinh tế của động cơ cần phải căn cứ vào suất tiêu hao nhiên

liệu chỉ thị gi, giá trị gi biến đổi phụ thuộc vào nhiều thông số Một trong những

thông số cơ bản đó là phụ tải của động cơ, được đánh giá thông qua áp suất chỉ

thị bình quân pi

Việc xác lập mối quan hệ giữa hai thông số này cần dựa trên hai mối quan

hệ sau đây:

H i

i g Q

3 , 632

=

Và:

cap

i i

Q

Q

=

Xét trong trường hợp đốt 1 kg nhiên liệu ở hệ số dư lượng không khí α đã

cho, ta có:

Q i =A.L i

Trong đó A là đương lượng nhiệt của công:

427

1

=

A

Mà công chỉ thị của một chu trình: L i =P i.V s 10 4

Nhưng để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu thì phải thực hiện qua nhiều chu trình

công tác

Gọi ΣVs là tổng thể tích công tác của xy lanh do piston tạo ra sau nhiều hành

trình để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu

Khi đó: L i =P i.∑V s 10 4

Do đó:

427

10

4

∑

=

i i

V P L A Q

Từ công thức:

∑

∑

=

=

s

o

s

o n

V

V V

V

η

ta có: ∑ =∑

n

o s

V V

η

Do đó:

n

o i s

i i

V P V

P Q

η 427

10 427

10

=

Ta lại có : Q cap =G nl.Q H =Q H (vì Gnl = 1kg)

Vậy :

H i H n

o i

H

i i

Q g Q

V P Q

Q

.

3 , 632

427

10

=

=

η

Suy ra :

∑

=

o i

n o

i

n i

V P V

P

g

.

27 10

.

3 , 632 427

4

η

Chú ý rằng ΣVs là thể tích không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu

Viết phương trình trạng thái cho không khí với thông số tạo cửa nạp (P0, T0),

ta có :

P o.V o =L 848 T o