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

CHƯƠNG CÁC Q TRÌNH CƠNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Quá trình nạp 2.1.1 Hệ số nạp Trong động đốt trong, sau chu kỳ công tác, động cần phải thải lượng khí cháy nạp lượng khơng khí vào xy lanh động Chất lượng q trình nạp lượng khơng khí nạp vào xy lanh động có ảnh hưởng nhiều đến trình tạo hỗn hợp cháy nhiên liệu sau Thông thường, đánh giá lượng khơng khí nạp vào xy lanh động q trình nạp, người ta sử dụng thơng số trước cửa hút xy lanh Po, To (hoặc Ps, Ts động hai kỳ động tăng áp) Thực tế lượng khơng khí nạp có xy lanh đầu q trình nén nhỏ lượng khơng khí tính tốn theo lý thuyết, q trình nạp, lượng khơng khí nạp vào xy lanh cịn chịu ảnh hưởng yếu tố sau: Sức cản thủy lực đường ống khơng khí nạp, xupáp nạp cửa nạp (trong động hai kỳ) Do tồn sức cản thủy lực nên áp suất khơng khí xy lanh động bắt đầu trình nén (cuối trình nạp) nhỏ áp suất khơng khí nạp trước cửa nạp Sự giảm áp suất sức cản thủy lực làm cho mật độ khơng khí xy lanh động trình nạp bị giảm theo, vậy, thể tích, trọng lượng khơng khí giảm Sự sấy nóng khơng khí nạp thành vách xy lanh, đỉnh piston, xupáp hay cửa làm cho nhiệt độ khơng khí nạp tăng, trọng lượng riêng giảm xuống, làm giảm lượng khơng khí nạp thực tế vào xy lanh động Ngồi thực tế, cuối q trình xả khơng thể làm hồn tồn xy lanh cơng tác Có nghĩa bắt đầu q trình nạp, xy lanh cịn sót lại lượng khí cháy Lượng khí cháy cón sót lại chiếm phần thể tích xy lanh cơng tác, làm giảm lượng khơng khí nạp vào xy lanh Lượng khí cháy cón sót lại xy lanh động đánh giá đại lượng tương đối gọi hệ số khí sót, kí hiệu γr; γr = Mr L (2-1) Trong Mr: số lượng khí cháy cịn sót lại xy lanh động cuối kỳ xả (kmol); L: số lượng khí nạp vào xy lanh động trình nạp (kmol) Do lượng khí sót xy lanh động có nhiệt độ cao trao đổi nhiệt cho khơng khí nạp vào làm nhiệt độ tăng lên Kết trọng lượng Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 12 riêng khơng khí nạp giảm xuống, làm giảm lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động Ảnh hưởng tất yếu tố làm cho lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động giá trị Pa, Ta thực tế nhỏ lượng khơng khí lý thuyết tính tốn theo thơng số Po, To hay Ps, Ts Để đánh giá hiệu trình nạp, người ta đưa khái niệm hệ số nạp định nghĩa sau: Hệ số nạp tỷ số lượng khơng khí có xy lanh động đầu hành trình nén lượng khơng khí chứa thể tích cơng tác xy lanh động cơ, có thơng số thơng số trạng thái khơng khí trước cửa hút xy lanh Nếu kí hiệu ηn hệ số nạp; Go (kg); Vo (m3); Lo (kmol) lượng khơng khí thực tế nạp vào thể tích Va xy lanh cơng tác; Gs (kg); Vs (m3); Ls (kmol) lượng khơng khí chứa thể tích Vs xy lanh cơng tác có thơng số khơng khí trước cửa nạp Po, To (hay Ps,Ts) thì: V G L (2.2) η = o = o = o n Vs Gs Ls Cần ý theo định nghĩa Va > Vs, trường hợp lý tưởng q trình xả hồn tồn ηn lớn Để lập cơng thức tính tốn hệ số nạp, trước hết môt số giả thiết sau: Quá trình nạp kết thúc điểm a đồ thị cơng thị Cơng khí cháy sinh trình nạp lượng động học Nhiệt dung riêng khí khí sót nhiệt độ đầu q trình nén Số lượng khơng khí khí sót đầu q trình nén tính sau: Ma=L+Mr = L.(1+γr) (2.3) Trong đó, L: lượng khơng khí (kmol); Mr: lượng khí sót cịn sót lại xy lanh cuối trình nạp (kmol) Giá trị Ma L phương trình xác định từ phương trình trạng thái chất khí: P V M = a a 10 848.Ta Trong đó, Pa, Ta áp suất nhiệt độ đầu q trình nén (kG/cm2; oK); Và thể tích xy lanh đầu trình nén (m3); Po, To áp suất nhiệt độ khơng khí nạp trước cửa nạp (kG/cm2, oK) Từ công thức ηn = Vo → Vo = η n Vs Vs Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 13 Po η n Vs 10 848.To L= Khi đó: Thay L, Ma vào công thức (2.3) rút gọn ta có: Pa Va Po η n Vo = (1 + γ r ) Ta To Từ đó: ηn = Pa To Va (1 + γ r ) Po Ta Vs Ta có: Va = ε ; Do đó: Vc Hay Vs + Vc = ε; Vc Va = ε Vc ; Vs = (ε − 1).Vc Do đó: ε Vc Va ε = = Vs (ε − 1).Vc ε − Khi đó: Thay vào cơng thức ηn ta có: ηn = ε Pa To ε − Po Ta + γ r (2-4) Trường hợp động bốn kỳ tăng áp hay động hai kỳ, thông số trước cửa nạp Ps, Ts Khi cơng thức tính hệ số nạp cho động bốn kỳ có tăng áp có dạng sau: ηn = ε Pa Ts ε − Ps Ta + γ r (2-5) Đối với động hai kỳ trình nén thực tế piston đóng kín cửa Vì thế, tính tốn q trình nạp cho động hai kỳ ta phải lấy tỷ số nén thực tế εt εt = Va' Vc + Vs' = Vc Vc Vs’: thể tích cơng tác xy lanh đóng kín cửa Gọi ψ S = h hệ số tổn thất hành trình, h khoảng cách từ mép S cửa cao đến điểm chết piston Khi tích: Vs' = Vs (1 − ψ s ) Thay vào công thức tính ε t , ta có: ε = Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 ε t −ψ s −ψ s http://www.ebook.edu.vn 14 ε = ε t (1 −ψ s ) +ψ s Vì vậy: Trong động bốn kỳ, bỏ qua đóng muộn xupáp, ta xem q trình nén bắt đầu piston từ điểm chết lên điểm chết V Khi ta có: ε= a Vc Từ phương trình: Vc + Vs (1 − ψ s ) Vc Vs = ta có: εt = (ε t − 1)Vc −ψ s Thay vào cơng thức tính hệ số nạp ý là: ε= Va Vc + Vs = Vc Vc Khi ta có cơng thức tổng quát tính hệ số nạp: ε P T ηn = t a s (1 − ψ s ) ε t − Ps Ta + γ r Động bốn kỳ không tăng áp thay Ps, Ts Po, To, hệ số ψs động bốn kỳ có tăng áp khơng tăng áp khơng Khi đó, cơng thức tính hệ số nạp cho động bốn kỳ không tăng áp lại quay dạng: ε P T ηn = t a o ε t − Po Ta + γ r Có thể biểu diễn cơng thức tính hệ số nạp dạng khác sau: Từ phương trình trạng thái 1kg chất khí P.V = R.T Viết cho chất khí có thơng số Po, Vo, To ta có: Po.Vo = R.To Từ đó: Vo = R To Po γo = P = Vo R.To Tương tự, viết cho chất khí có thơng số trạng thái đầu q trình nén ta có: γa = Từ đó: Pa R.Ta P R.T P T γa = a o = a o γ o R.Ta P Po Ta Khi cơng thức tính hệ số nạp động bốn kỳ không tăng áp viết dạng: ε γ ηn = t a εt −1 γ o 1+ γ r Đối với động bốn kỳ có tăng áp động hai kỳ thay γs biểu thức paTs γ thay a psTa γs Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 15 Bây ta phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào yếu tố nào? Từ cơng thức tính hệ số nạp động bốn kỳ không tăng áp: ηn = εt Pa To ε t − Po Ta + γ r Ta thấy biểu thức ε ε −1 thông số phụ thuộc vào kết cấu động Như với động cụ thể biểu thức số Cịn biểu thức 1+ γ r γr thông số phụ thuộc vào hệ thống quét thải động chế độ công tác cho Chất lượng làm xy lanh giá trị γr thay đổi phụ thuộc nhiều vào việc hoàn thiện hệ thống quét thải hệ thống tăng áp Ngoài việc làm vệ sinh cửa quét thải động hai kỳ, đường ống xả tuabin khí tăng áp làm cho hệ số γr thay đổi Khi γr tăng, hệ số nạp giảm xuống ngược lại Mơi trường nơi động làm việc có ảnh hưởng đến hệ số nạp thông qua giá trị Po, To ϕ Thực tế áp suất, nhiệt độ độ ẩm môi trường ảnh hường đến hệ số nạp nào? Khi Po, To thay đổi làm cho mật độ khơng khí trước cấu nạp (γo) thay đổi đồng thời làm cho γa thay đổi theo Nói cách khác, mật độ khơng khí cuối q trình nạp tăng (giảm) theo Do vậy, tỷ số γa thực tế thay đổi không đáng kể Như γ0 động cụ thể chế độ khai thác chọn xem hệ số nạp không chịu ảnh hưởng môi trường nơi động làm việc số khí sót không thay đổi Tuy nhiên dù ηn không thay đổi trọng lượng riêng khơng khí nạp thay đổi nên lượng khơng khí nạp vào xy lanh động thay đổi theo Nếu chuyển động từ vùng có nhiệt độ thấp (hàn đới) sang khai thác vùng có nhiệt độ cao (nhiệt đới) nhiệt độ môi trường To tăng làm γo giảm số lượng khơng khí nạp vào xy lanh động giảm theo Nếu điều kiện khác trường hợp để giữ ngun hệ số dư lượng khơng khí α bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, tức giảm cơng suất động Ngồi hai yếu tố áp suất nhiệt độ độ ẩm mơi trường có ảnh hưởng đáng kể đến lượng khơng khí nạp vào xy lanh động Lượng khơng khí nạp vào xy lanh động khơng khí khơng khí khơ tính theo công thức: G1 = vs γ ηn Khi không khí nạp khơng khí ẩm lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động tính sau: G2 = η n Vs γ o 1 + 1,61.d Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 16 Trong động độ ẩm riêng nước khơng khí ẩm (kg nước/kg khơng khí khơ) Như động tăng, lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động giảm Như nói trên, động bốn kỳ có tăng áp động hai kỳ, thông số trước cửa nạp Po, To mà Ps, Ts Hai thơng số ngồi ảnh hưởng mơi trường cịn chịu ảnh hưởng q trình nén máy nén tăng áp chế độ làmm mát không khí tăng áp Điều có nghĩa Po, To ϕ thông số gián tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng khơng khí nạp Do nói động bốn kỳ có tăng áp động hai kỳ, ảnh hưởng môi trường nhỏ so với động không tăng áp Sức cản thủy lực đường ống hút biểu thị thông qua biểu thức pa p0 pa p Khi sức cản đường ống hút tăng a nhỏ ηn ps p0 giảm Các giá trị hệ số nạp phụ thuộc vào kiểu loại động thường nằm khoảng sau: Động thấp tốc tăng áp: ηn =0,8 ÷ 0,9 Động trung tốc cao tốc khơng tăng áp: ηn =0,75 ÷ 0,85 Động tăng áp: ηn =0,8 ÷ 0,95 2.1.2 Xác định thơng số q trình nạp Giá trị ε thông số kết cấu: ε = va vc Đối với động đốt trong, việc lựa chọn ε thiết kế động dựa yêu cầu nhiệt độ cuối trình nén phải đảm bảo nhiên liệu có khả tự bốc cháy, đồng thời phải giữ cho giá trị ứng suất nhiệt ứng suất nằm giới hạn cho phép Các động diesel tàu thủy giá trị ε =10 ÷ 19; động kích thước nhỏ chọn ε cao; động khơng tăng áp có ε cao động tăng áp Hệ số khí sót giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động thường nằm khoảng sau: Động bốn kỳ không tăng áp: γr = 0,04 ÷ 0,055 Động bốn kỳ có tăng áp: γr = 0,02 ÷ 0,044 Động hai kỳ quét thẳng: γr = 0,02 ÷ 0,07 Động hai kỳ qt vịng: γr = 0,08 ÷ 0,11 Các giá trị cho ta nhận xét rằng, động bốn kỳ có giá trị γ r nhỏ động hai kỳ Sở dĩ động bốn kỳ tồn Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 17 hành trình xả riêng biệt, có khả làm xy lanh tốt Còn động hai kỳ quét thẳng quỹ đạo chuyển động dịng khí khơng phải đổi chiều, có khả quét góc xy lanh động hai kỳ quét vòng nên giá trị γr nhỏ Ngồi hai thơng số phụ thuộc kết cấu trên, thông số khác q trình nạp thơng số phụ thuộc trạng thái khí nạp Sau tìm phương pháp xác định thơng số Áp suất nhiệt độ điều khiển cuối trình nạp hai thơng số quan trọng q trình trao đổi khí Các thơng số xác định tính tốn hay thực nghiệm Đặc tính thay đổi áp suất nhiệt độ khí nạp giá trị khác phụ thuộc nhiều vào cường độ trao đổi nhiệt chất khí thành vách xy lanh, xu páp cửa, trao đổi nhiệt khí nạp khí sót xy lanh Để xác định nhiệt độ chất khí xy lanh cuối kỳ nạp, ta xuất phát từ phương trình lượng Gọi Ma số lượng mol hỗn hợp khí khí sót xy lanh cuối kỳ nạp L: Số lượng mol khí nạp vào xy lanh q trình nạp Mr: Là số lượng mol khí sót C vt : Là nhiệt dung riêng đẳng tích khơng khí C : Là nhiệt dung riêng đẳng tích khí sót C vm : Là nhiệt dung riêng đẳng tích hỗn hợp Ta giả thiết cơng chất khí sinh q trình nạp khơng, ta viết: M a C vm Ta = L.C v' To' + M r C Tr Trong công thức trên, ta giả thiết khí nạp vào xy lanh động có nhiệt độ cửa hút xy lanh To (động bốn kỳ không tăng áp) Sau qua cấu nạp nhận nhiệt nhiệt độ tăng từ To lên: T0' : T0' = T0 + ΔTsn Trong ΔTsn độ gia tăng nhiệt độ sấy nóng cửa, cấu nạp, đỉnh piston thành vách xy lanh Sự khác giá trị Cvt , Cvn , Cvm nhỏ ta xem chúng Khi đó, trở lại phương trình ta viết: M a Ta = L.To' + M r Tr Từ đó: Ta = L.To' + M r Tr Ma Thay: Ma = L + Mr ý Mr = γ , ta có: L Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 18 To = To' + γ r Tr 1+ γ r (2.8) Thông thường giá trị ΔTsn nằm khoảng 10 ÷ 20 C, cịn giá trị nhiệt độ khí sót phụ thuộc vào kiểu loại động nằm khoảng 700 ÷ 800oK Cơng thức tính nhiệt độ cuối q trình nạp động bốn kỳ không tăng áp Đối với động bốn kỳ có tăng áp động hai kỳ phải ý nhiệt độ trước cấu nạp : Ts = Tk − ΔTlm o Nhiệt độ Tk khơng khí sau máy nén tăng áp tính sau: ⎛P Tk = To ⎜ k ⎜P ⎝ o ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ m −1 m Trong đó, m: số nén đa biến máy nén: Với máy nén ly tâm: m = 1,5 – Với máy nén piston : m = 1,5 – 1,6 Với máy nén rotor : m = 1,7 – 1,8 ΔTlm : độ giảm nhiệt độ khơng khí qua sinh hàn khí tăng áp Và đó, tương tự động bốn kỳ: Ta = TS' = Ts + ΔTsn Ts' + γ r Tr 1+ γ r (2.9) Thông thường với động diesel: Ta = 315 ÷ 340oK Áp suất khí nạp sau qua cấu nạp giảm lượng sức cản đường ống nạp Vì tính: Đối với động bốn kỳ khơng tăng áp: pa = p0 − Δph Đối với động bốn kỳ tăng áp động hai kỳ: pa = ps − Δph Trong đó; Δph độ giảm áp suất qua cấu hút Thông thường động diesel tàu thủy, giá trị Pa nằm khoảng sau: Động bốn kỳ khơng tăng áp: Pa = (0,85 ÷ 0,90)Po Động hai kỳ có tăng áp: Pa = (0,90 ÷ 0,96)Po Động hai kỳ quét thẳng qua xupáp : Pa = (0,96 ÷ 1,04)Po Động hai kỳ quét vịng: Pa = (0,96 ÷ 1,1)Po Ts' + γ r Tr Cuối thay: Ta = vào công thức tính hệ số nạp ta có 1+ γ r cơng thức tính hệ số nạp cho động bốn kỳ không tăng áp là: ηn = ε pa T ' ε − p0 T0 + γ r Tr Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 (2.10) http://www.ebook.edu.vn 19 Trở lại cơng thức tính: pa = p0 − Δph hay pa = ps − Δph Trong Δph xác định từ phương trình Becnuli với giả thiết là: chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xy lanh cơng tác, trạng thái chất khí khơng thay đổi Khi ta cho γo = γa hay γa = γs Ta lại giả thiết vận tốc dịng khí cửa vào khơng, viết: ΔPh = Po − Pa = γo 2.g (1 + ξ ).W Trong ξ hệ số cản đường ống hút, thường 0,03 ; W : vận tốc dịng khí nạp Với động bốn kỳ ta tính sau : W= S n D 30 i.d k2 (m/s) Trong đó, S : hành trình piston (m); D: đường kính xy lanh; dk: đường kính tiết diện lưu thông xu páp hút (m); i: số xu páp hút xy lanh Đối với động bốn kỳ có tăng áp, cơng thức ta phải thay γo γs Sau ký hiệu Δph động bốn kỳ không tăng áp Δp0 , động bốn kỳ có tăng áp động hai kỳ ΔpS Trị số Δp0 , ΔpS biểu thị sức cản đường ống hút Làm đường ống hút làm giảm Δp0 hay ΔpS khai thác, làm tăng Pa tăng lượng khí nạp vào xy lanh động Phân tích tương tự thấy giảm Ta làm cho mật độ khơng khí nạp tăng Tăng cường chế độ làm mát khí tăng áp làm giảm Ta Nhiệt độ mơi trường tăng, phụ tải động tăng làm tăng Ta giảm lượng khơng khí nạp Các giá trị áp suất nhiệt độ khí sót ảnh hưởng không nhiều đến hệ số nạp giá trị γr có ảnh hưởng lớn Khi tăng γr làm cho nhiệt độ khơng khí xy lanh cuối q trình nạp tăng, mật độ khơng khí nạp giảm làm giảm lượng khơng khí nạp Thực nghiệm chứng tỏ γr tăng từ 0,05 lên 0,15 hệ số nạp giảm từ 0,86 xuống 0,69 Giá trị ảnh hưởng đến hệ số nạp tính tốn bỏ qua Pha phân phối khí tức góc mở sớm, đóng muộn xu páp hay cửa có ảnh hưởng đến q trình nạp lượng khơng khí nạp.Việc lựa chọn pha phân phối khí cách hợp lý làm tăng lượng khơng khí nạp vào xy lanh động Cuối cùng, vịng quay động thơng số ảnh hưởng đến hệ số nạp, vòng quay động tăng làm tăng sức cản thủy lực dòng khơng khí nạp, làm cho ηn giảm Đặc biệt chế độ khai thác động mà vòng quay phụ tải tăng ảnh hưởng đồng thời hai yếu tố đến hệ số nạp lượng khơng khí nạp đáng kể Khi lượng khơng khí nạp vào Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 20 xy lanh động bị giảm xuống, ảnh hưởng tốt đến chế độ làm việc bình thường động 2.2 Quá trình nén 2.2.1 Sự trao đổi nhiệt trình nén Nhiệm vụ trình nén nâng nhiệt độ khơng khí xy lanh cuối kỳ nén đến nhiệt độ có khả tự bốc cháy nhiên liệu cách bình thường Trong tính tốn, q trình nén bắt đầu piston từ điểm chết lên điểm chết tất cấu phân phối khí đóng lại Nếu q trình nén diễn khơng có trao đổi nhiệt với thành vách xy lanh trình nén đoạn nhiệt miêu tả phương trình: P.Vk =const Thực tế trình nén xy lanh động trình đa biến phức tạp với số nén đa biến luôn biến đổi chất khí thành vách xy lanh có trao đổi nhiệt Sự trao đổi ln thay đổi trị số hướng trao đổi nhiệt Ngồi ra, thực tế cần phải tính đến rị lọt khơng khí nén qua xéc măng xu páp Ở đầu trình nén, nhiệt độ chất khí cịn thấp nhiệt độ thành vách xy lanh, nên thành vách xy lanh trao đổi nhiệt cho chất khí Nói cách khác, chất khí nhận nhiệt, n1’ > k (hình 2.1) Hình 2.1 Diễn biến trình nén Piston tiếp tục lên, chất khí bị nén, nhiệt độ tăng dần cường độ trao đổi nhiệt thành vách xy lanh giảm đến lúc nhiệt độ chất khí nhiệt độ thành vách xy lanh, q trình trao đổi nhiệt tức thời khơng Q trình q trình đoạn nhiệt tức thời, n1’ = k Tiếp tục Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 21 Động không tăng áp thấp tốc: Động không tăng áp cao tốc: Động tăng áp thấp tốc: Động tăng áp cao tốc: Trong chu trình cơng tác, hệ α =1,8 – 2,1 α =1,3 – 1,7 α =2,0 – 2,3 α =1,5 – 1,9 số dư lượng khơng khí α tính sau: α =− Lct qct L0 (2.20) Trong đó: Lct lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động chu trình cơng tác (kmol); qct lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Trong điều kiện khơng khí ẩm, lượng khơng khí thực tế để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu : L'0 = C H S O ( + + − ) p 0, 21.(1 − ϕ h ) 12 32 32 p0 kmol/kg nh.l (2.21) Từ công thức (2.21) ta thấy: Khi φ tăng, lượng nước chiếm chỗ khơng khí nhiều lượng oxy Nếu lượng khơng khí nạp vào xy lanh động khơng đổi hệ số dư lượng khơng khí α trường hợp giảm, q trình cháy Nếu để giữ nguyên hệ số lượng khơng khí α cần thiết phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, làm giảm cơng suất động Ngồi khơng khí nạp có chứa nước làm giảm số nén đa biến Điều dẫn đến thông số cuối trình nén thấp Do ảnh hưởng đồng thời yếu tố thời gian chuẩn bị cháy τ i kéo dài, trình cháy chuyển sang đường giãn nở, nhiệt độ khí xả tăng, tính kinh tế chu trình giảm xuống 2.3.2 Số lượng mol sản phẩm cháy cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu Số lượng mol sản phẩm cháy cháy hoàn toàn kg nhiên liệu (M’) Để tính số lượng mol sản phẩm cháy, ta giả thiết q trình cháy diễn hồn hồn hệ số dư lượng khơng khí α >1 Thành phần sản phẩm cháy bao gồm CO2, SO2, nước, lượng O2 dư thừa lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy Lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động để đốt cháy 1kg nhiên liệu L (kmol) Lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn kg nhiên liệu Lo (kmol) Như lượng khơng khí khơng tham gia vào phản ứng cháy L - Lo Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 28 Ta xem khơng khí O2 chiếm 21% thể tích N2 79% Vậy lượng O2 dư thừa (L - Lo).0,21 = (α.Lo - Lo).0,21 = (α - 1).Lo.0,21 (kmol/kg.n.l) Lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy 0,79.L = 0,79 α Lo (kmol/kg.n.l) Các thành phần CO2, H2O, SO2, xác định từ phản ứng cháy Trong đó: Lượng CO2 C (kmol/kgnh.l) 12 Lượng H2O H Lượng SO2 S ( kmol/kgnh.l) 32 ( kmol/kgnh.l) Gọi M’ số mol sản phẩm cháy, đó: M ' = M CO2 + M H 2O + M SO2 + M N C H S + + + 0,21.(α − 1).Lo + 0,79.α Lo 12 32 C H S + + + (α − 1) M '= 12 32 M '= (kmol/kg nh.l) (kmol/kg nh.l) 2.3.2.2 Số gia sản phẩm cháy ( ΔM ' ) Khi cháy nhiên liệu làm cho khối lượng mol chất khí thay đổi Giả sử sau cháy khối lượng mol chất khí tăng lên lượng ΔM ' ΔM ' = M '− L = M '−α Lo Thay giá trị M’ α L0 vào phương trình ta C H S + + + (α − 0,21).Lo − α Lo 12 32 C H S O ( + + − ) Tiếp tục thay L = α L0 = (kmol/kg nh.l) 0, 21 12 32 32 ΔM ' = biến đổi ta : ΔM ' = 8H + O 32 (kmol/kg nh.l) (2.23) Từ công thức thấy số gia sản phẩm cháy không phụ thuộc vào hệ số dư lượng khơng khí α mà xác định hàm lượng H2 O2 có nhiên liệu Có nghĩa phụ thuộc thành phần hố học nhiên liệu 2.3.3 Hệ số thay đổi phân tử 2.3.3.1.Hệ số thay đổi phân tử hóa học ( β ) Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 29 Trong phản ứng đốt cháy 1kg nhiên liệu, giả sử có L kmol khơng khí tham gia Sau phản ứng cháy, số lượng sản phẩm cháy khơng cịn L mà có trị số M’, đồng thời thể tích sản phẩm cháy thay đổi Khi tỷ số M' gọi hệ số thay đổi phân tử hoá học L Gọi βo hệ số thay đổi phân tử hóa học βo = M ' L + ΔM ' 8H + O = = 1+ L L 32.α Lo Đối với nhiên liệu nhẹ có hàm lượng C = 0,87, H = 0,126 O = 0,004 ta có: βo = 1+ 0,0639 α Như hệ số thay đổi phân tử hóa học ln ln lớn phụ thuộc vào hệ số dư lượng khơng khí α Khi α tăng βo giảm Hệ số thay đổi phân tử thực tế ( β ) Thực tế khí tham gia phản ứng cháy, xy lanh khơng chứa khơng khí hồn tồn mà cịn có lượng khí cháy cịn sót lại chu trình cơng tác trước Gọi Ma lượng mol khí khí sót có xy lanh thời điểm bắt đầu nén: Ma = L + Mr Gọi M số lượng mol khí sau phản ứng cháy Phản ứng cháy làm cho số lượng mol tăng lên lượng ΔM ' , khí cháy lượng khí sót khơng tham gia phản ứng cháy, nghĩa số lượng mol khí sót khơng thay đổi Khi ta có : M = M’ + Mr Do hệ số thay đổi phân tử thực tế : β= M '+ M r M = Ma L + Mr Chia tử mẫu cho L với ý γ r = β= Mr , ta có: L β0 + γ r 1+ γ r (2.26) Hệ số thay đổi phân tử thực tế β xác định thời điểm cùa trình cháy sau: Gọi x phần nhiên liệu cháy điểm xét, số gia sản phẩm cháy x.ΔM ' số lượng sản phẩm cháy tạo thành là: Và: M x = L + x.ΔM ' L + x.ΔM '+ M r x.ΔM ' βx = = 1+ L + Mr L + Mr Chia tử mẫu cho L ta được: βx = 1+ Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 x.ΔM ' 1+ γ r L http://www.ebook.edu.vn 30 Từ: Do đó: βo = L + ΔM ' ΔM ' = 1+ L L β x = + x ta có ΔM ' = βo −1 L β0 − 1+ γ r (2.27) Khi x = βx = 1: nhiên liệu chưa cháy Khi x = βx = β: nhiên liệu cháy hết Trong tính tốn q trình cháy sau, để đơn giản cho việc tính tốn, coi q trình cháy cháy hồn tồn (βx = β) Nhưng thực tế q trình cháy nhiên liệu động diesel có phần nhiên liệu cháy khơng hồn tồn Sự cháy khơng hồn tồn sinh oxit cácbon Ngoài sản phẩm cháy cịn có phần bon chưa cháy Thành phần chất sản phẩm cháy xác định thiết bị phân tích khói 2.3.4 Phương trình nhiệt động trình cháy 2.3.4.1 Khái niệm hệ số sử dụng nhiệt Trong tính tốn nhiệt động, trình cháy động diesel xem bao gồm hai trình: Quá trình cháy đẳng tích CZ1 Q trình cháy đẳng áp Z1Z Điểm C xem điểm bắt đầu cháy, điểm Z điểm kết thúc trình cháy Trong thực tế, lượng nhiên liệu cháy sử dụng cách hoàn toàn để nâng cao nộ chất khí sinh cơng Một phần nhiệt bị mát cháy khơng hồn tồn nhiên liệu Q trình cháy khơng hồn tồn thể sản phẩm cháy trung gian Một phần nhiệt khác bị mát trao đổi nhiệt khí cháy cho thành vách xy lanh Ngồi nhiệt độ cao (hơn 2000oK) xuất phân hủy sản phẩm cháy Quá trình phân hủy thu nhiệt, nhiệt độ chu trình giảm xuống (trên đường giãn nở) trình xảy ngược lại, tức phân tử lại kết hợp với nhau, trình tỏa nhiệt Tuy nhiên lượng nhiệt toả nhỏ lượng nhiệt thu vào trình phân hủy, tức có tổn thất nhiệt độ phân hủy Trong động diesel, lượng nhiệt mát khơng đáng kể (khoảng 2%) nhiệt độ khí cháy thấp, động xăng, giá trị lớn Trong trường hợp đốt kg nhiên liệu, gọi nhiệt trị thấp nhiên liệu QH, phần nhiệt mát cháy khơng hồn tồn QKC, phần nhiệt mát sản phẩm cháy QPH, lượng nhiệt chất khí trao đổi cho thành vách xy lanh QXL, ta có: x= QH − (QKC + QPH ) QH χ : gọi hệ số tỏa nhiệt nhiên liệu cháy Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 31 Nếu tính đến phần nhiệt mà khí cháy trao cho thành vách xy lanh ta có: ξ= QH − (QKC + QPH + Q XL ) QH ξ gọi hệ số sử dụng nhiệt Như hệ số sử dụng nhiệt có tính đến tất tổn thất nhiệt nhiên liệu cháy sinh Sự thay đổi hệ số sử dụng nhiệt biểu thị hình 2.2 Từ hình vẽ ta thấy giá trị hệ số sử dụng nhiệt khơng đạt giá trị cực đại khởi động mà sau điểm z Khi điểm đạt cực đại ξ xa z , trình cháy rớt phát triển, mát nhiệt khí xả tăng tính kinh tế chu trình giảm xuống Hình 2.2 Sự thay đổi hệ số sử dụng nhiệt ξ Trong tính tốn nghiên cứu chu trình cơng tác, quan tâm đến hai giá trị ξ Đó ξ z kí hiệu ξ z , b: ξb Giá trị ξ đánh giá lượng nhiệt sử dụng để biến đổi nội để sinh công Do (1-ξ) đánh giá phần nhiệt mát trình cháy Các giá trị ξ z ξb loại động nằm khoảng sau: Động thấp tốc trung tốc: ξ z = 0,75 – 0.85, ξb = 0,86 – 0,95 Động cao tốc: ξ z = 0,7 – 0,84 ; ξb = 0,85 – 0,90 Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 32 Giá trị ξ z lớn, lượng nhiệt mà chất khí sử dụng trình cháy để biến đổi nội chất khí sinh cơng lớn, hiệu q trình cháy nhiên liệu cao Nhưng đồng thời làm cho thông số z cao, vấn đề cần quan tâm để đảm bảo động làm việc an toàn tin cậy 2.3.4.2 Phương trình nhiêt động trình cháy Cơ sở để thành lập phương trình nhiệt động trình cháy định luật nhiệt động học thứ đươc viết dạng sau: ΔQCZ1Z = ΔU CZ1Z + A.LZ1Z Giả sử q trình cháy có 1kg nhiên liệu tham gia có nhiệt trị thấp QH Quá trình cháy làm thay đổi nội chất khí từ điểm C đến Z1 sinh công đoạn Z1Z (hình 2.3) Hình 2.3 Đồ thị cơng thị Lượng nhiệt mà chất khí hấp thụ để biến đổi nội đoạn cZ1Z sinh công đoạn Z1Z ξ Z QH Như phương trình (2.29) viết: ξ Z QH + U C − A.LZ Z + U Z Trong đó: ξ Z hệ số sử dụng nhiệt điểm Z ; UC nội chất khí điểm c; A đương lượng nhiệt công: A = ; 427 LZ1Z công dịch chuyển đoạn Z Z; UZ nội chất khí điểm Z Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 33 Tại điểm Z ta xem số lượng mol chất khí M Khi nội chất khí " điểm Z tính: U z = M Cv Tz Nội chất khí điểm c: " U c = M a Cv Tc Dựa theo phương trình nhiệt động học thứ ta có: ξ z QH + M a C v''' Tc = A.L z z + M C v'' Tz (2.31) Trong đó: C : nhiệt dung riêng đẳng tích khí cháy; " v "' Cv : nhiệt dung riêng đẳng tích hỗn hợp (khơng khí khí sót) Bây trước hết ta tính LZ Z (cơng chất khí sinh đẩy piston chuyển động đoạn Z1Z): LZ1Z = pz vz − pz1 vz1 = pz vz − λ pc vc Viết phương trình trạng thái cho chất khí điểm c điểm Z ta có: Tại c: pc.Vc = M a 848.Tc (coi Ma = M0: bỏ qua rị lọt khí) (2.32) Tại Z: pz.Vz = M 848.Tz Thay LZ Z vào (2.31) với ý (2.32) ta có: 848 (M T z − λ M a Tc ) 427 ''' '' Hay: ξ z QH + M a C v Tc + 1,99.λ.M a Tc = M C v Tz + 1,99.M Tz ξ z Q H + M a C v''' Tc = M C v'' T z + M Ma Chia hai vế phương trình cho Ma ý ξ z Q H M ( ) ( = β z ta được: ) + C v''' + 1, 99 λ T c = β z C v'' + 1, 99 T z a (2.33) Thay Cv" + 1,99 = C "p ta có: ξ z Q M H ( + C ''' v ) + , 99 λ T c = β z C '' p T z (2.34) Để phân tích rõ thơng số phương trình trên, ta tiếp tục biến đổi thông số hỗn hợp khí (khơng khí khí sót điểm c) theo thông số riêng rẽ sau: Số mol khí điểm a (bằng số mol khí điểm c) tính: a M a = L + M r = L.(1 + γ r ) Thay vào phương trình (2.34) ta được: ξ Z QH L + (Cv"' + 1,99.λ ).(1 + γ r ).Tc = β Z (1 + γ r ).C " Tz p (2.35) Viết phương trình cân nhiệt cho hỗn hợp khơng khí khí sót sở nhiệt lượng hỗn hợp khí tổng nhiệt lượng khí thành phần: M a C v''' Tc = L.C v' Tc + M r C v'' Tc L.C v' + M r C v'' C v' + γ r C v'' C v''' = = 1+ γ r Động Diesel tàu thủy - Đại L + M r TP.HCM - 2008 học GTVT http://www.ebook.edu.vn (2.36) 34 Suy ra; (2.36) Thay (2.36) vào phương trình (2.35) biến đổi ta được: ξ Z QH L " + (Cv"' + 1,99.λ ).Tc + (Cv + 1,99λ ).γ r Tc = β Z (1 + γ r ).C " Tz p (2.37) Phương trình (2.37) phương trình nhiệt động học qúa trình cháy, nhiệt lượng sản phẩm cháy tạo thành cân với tổng nhiệt lượng thành phần tham gia Phân tích phương trình thấy: nhiệt độ khí cháy điểm Z (Tz) phụ thuộc chủ yếu vào ξz , Tc L thông số khác ảnh hưởng không đáng kể Khi nhiệt độ cuối qúa trình nén Tc tăng, hệ số sử dụng nhiệt Z tăng nhiệt độ Tz tăng Cịn việc tăng số lượng mol khơng khí nạp vào xy lanh động thời điểm bắt đầu nén ngược lại làm cho Tz giảm xuống Như biết Tz cao ứng suất nhiệt nhóm piston xy lanh lớn ảnh hưởng đến độ bền chi tiết, đồng thời làm tăng hàm lượng NOx khí xả gây tác động xấu đến môi trường sức khỏe người khai thác vận hành o động Các động diesel tàu thủy có nhiệt độ Tz giới hạn từ 1700 ÷ 2000 K Như vậy, vấn đề đặt cần giảm Tz xuống Giảm Tz có nghĩa phải đưa qúa trình cháy sang đường giãn nở Về kết cấu điều thực cách giảm góc phun sớm Song đưa qúa trình cháy sang đường giãn nở làm cho nát nhiệt cho nước làm mát tăng tăng nhiệt lượng khí xả mang ngồi Kết qủa hiệu suất thị động giảm xuống, tính kinh tế chu trình giảm Ngồi ra, trình cháy đường giãn nở phát triển, trạng thái nhiệt nhóm piston xy lanh xấu Trong động cao tốc biện pháp áp dụng để giảm giá trị Tz Còn động thấp tốc công suất lớn việc giảm ξz nhằm làm giảm Pz Giảm Tc để giảm Tz khơng có lợi làm xấu qúa trình cháy nhiên liệu Đặc biệt chế độ khởi động, giá trị Tc thấp không đảm bảo cho qúa trình cháy diễn bình thường Từ (2.37) thấy tăng lượng khơng khí có xy lanh đầu hành trình nén làm cho Tz giảm xuống Nói cách xác để giảm Tz cần phải tăng hệ số dư lượng khơng khí α Khi lượng khơng khí dư thừa nhiều, thu phần nhiệt lượng lớn để mang ngồi theo khí xả làm cho nhiệt độ bình quân chu trình giảm xuống Điều đặc biệt có ý nghĩa với động có tăng áp, mà với thể tích cơng tác, lượng nhiên liệu đốt cháy nhiều Trong phương trình cân nhiệt điểm Z (2.37), ta cần lưu ý: Cv' nhiệt dung riêng đẳng tích khơng khí khơ, tính: (2.38) Cv' = 4, + 0, 0006.Tc " Cv nhiệt dung riêng đẳng tích khí sót: Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 35 " Cv = 4,89 + (α − 1).4, 86 + (α − 1).60 + Tc α α 105 (2.39) C " : nhiệt dung riêng đẳng áp khí cháy (có thành phần giống khí sót): p C " = 1,99 + p 4,89 + (α − 1).4, 86 + (α − 1).60 + Tz α α 105 (2.40) Sau thay giá trị nhiệt dung riêng vào phương trình (2.37) ta phương trình bậc hai với Tz có dạng: A.Tz2 + B.Tz + C = Giải phương trình bậc hai tìm nhiệt độ cháy cực đại khí cháy Tz 2.3.4.3 Các thơng số qúa trình cháy Tỷ số tăng áp suất λ = pz pc Giá trị λ thông số đặc trưng cho ứng suất chu trình cơng tác Ở chế độ định mức giá trị λ động diesel tàu thủy thường nằm khoảng từ 1,30 ÷ 2,2 Áp suất cực đại pz = λ pc Nhiệt độ cháy cực đại Tz: Giải phương trình cân nhiệt điểm Z Tỷ số giãn nở sớm ρ = vz vc Từ phương trình trạng thái: pz Vz = M 848.Tz pc.Vc = M a 848.Tc Chia hai vế phương trình cho ta Thay Mà Pz V z M Tz = Pc Vc M a Tc pz v T M = λ và: = β z ; Khi ta có: λ z = β z z pc vc Tc Ma vz β T = ρ ; Vậy: ρ = z z vc λ Tc Thể tích vz = ρ vc Tỷ số giãn nở sớm động nằm khoảng 1,2 ÷ 1,7 Giá trị ξ z phương trình cháy thơng số để xem xét qúa trình cháy động diesel Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ξz mức độ ảnh hưởng yếu tố với kiểu, loại động khác khác Trước hết tăng số vịng quay ξz giảm qúa trình cháy rớt phát triển Việc phân hủy sản phẩm cháy tăng ξ z giảm Thơng thường động diesel nhiệt độ cháy không cao nên giá trị tương đối nhỏ Thành phần khí hỗn hợp hay hệ số dư lượng khơng khí α có ảnh hưởng đến ξ z Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 36 Tốc độ cháy nhiên liệu, góc phun sớm, làm cho qúa trình cháy thay đổi Qúa trình cháy muộn, tốc độ cháy chậm làm cho cháy rớt phát triển dẫn đến giảm ξ z 2.4 Qúa trình giãn nở 2.4.1 Diễn biến qúa trình giãn nở Việc giãn nở sản phẩm cháy xy lanh động diễn piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD Trong qúa trình chu trình cơng tác có qúa trình sinh cơng Trong tính tốn chu trình cơng tác, đoạn Z1Z xem áp suất không đổi, piston chuyển động xuống, thể tích xy lanh động tăng lên nhiên liệu cịn cháy mãnh liệt nên cho phép trì áp suất không đổi xy lanh động Tuy nhiên miêu tả qúa trình nhiệt động động đốt trong, giả định qúa trình giãn nở điểm z kết thúc điểm b đồ thị công thị Trong thực tế, qúa trình giãn nở kết thúc mở cửa (trong động kỳ) xu páp xả (trong động kỳ) Hình 2.4 Diễn biến qúa trình giãn nở Nghiên cứu chu trình thực tế động đốt nhận thấy qúa trình giãn nở qúa trình đa biến phức tạp với số giãn nở đa biến n2’ luôn thay đổi Ở đầu qúa trình giãn nở, nhiên liệu cịn tiếp tục cháy Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 37 nên chất khí xy lanh nhận nhiệt (dQ > 0) nên số giãn nở đa biến n2’ nhỏ k nằm khoảng 1,1 ÷ 1,2 (hình 2.4) Do chuyển động piston xuống nên bề mặt làm mát xy lanh tăng dần, đó, qúa trình cháy rớt giảm dần nên lượng nhiệt mà công chất hấp thụ giảm theo, cịn lượng nhiệt mà truyền cho nước làm mát tăng lên, n2 tăng dần Khi lượng nhiệt mà công chất hấp thụ lượng nhiệt mà truyền cho nước làm mát qúa trình giãn nở đoạn nhiệt xảy tức thời (dQ = 0), n2’ = k Piston tiếp tục chuyển động xuống phía dưới, qúa trình cháy rớt giảm dần kết thúc, bề mặt làm mát tăng dần đến giá trị lớn Do lượng nhiệt mà công chất truyền chu nước làm mát lớn lượng nhiệt hấp thụ, tức mơi chất nhiệt (dQ < 0) nên cuối qúa trình giãn nở n2’ > k Điều chứng minh qua phương trình: dQ = C v'' ' n2 − k dT ' n2 − Lưu ý qúa trình giãn nở, dT < Cuối qúa trình giãn nở, n2’ nằm khoảng 1,5 ÷ 1,6 Qua phân tích thấy n2 ξ có mối liên quan mật thiết với Khi ξ tăng n2 < k, có cân nhiệt ξ đạt giá trị lớn n2’ = k Tiếp theo ξ giảm n2’ tăng dần Như vậy, n2’ chủ yếu phụ thuộc hệ số sử dụng nhiệt ξ Trong chu trình cơng tác, nhiên liệu bắt đầu cháy ξ bắt đầu tăng chưa đạt giá trị cực đại z mà sau điểm z (xem hình 3.4) Trường hợp đặc biệt ξ đạt giá trị cực đại điểm b tức ống xả Khi ξmax gần điểm z hiệu suất nhiệt chu trình tăng, lượng nhiệt mát cho khí xả giảm Giá trị ξb nằm khoảng 0,8 ÷ 0,9 Ngồi ξ, số giãn nở đa biến cịn phụ thuộc vào yếu tố khác là: yếu tố khai thác kết cấu Tăng số vịng quay động qúa trình cháy rớt phát triển đoạn dài qúa trình giãn nở Lượng nhiệt mà công chất hấp thụ đường giãn nở tăng cịn lượng nhiệt mà truyền cho nước làm mát giảm xuống thời gian trao đổi nhiệt ngắn lại, n2’ giảm xuống Nếu số vịng quay động khơng đổi, tăng phụ tải động đòi hỏi phải đưa thêm nhiên liệu vào xy lanh động Ngoài tăng qct làm cho hệ số dư lượng khơng khí α giảm, cháy rớt phát triển dẫn đến n2 giảm Các yếu tố làm thay đổi tốc độ cháy qúa trình cháy nguyên nhân làm cho n2’ thay đổi, chất lượng phun sương kém, loại nhiên liệu, hệ số dư lượng khơng khí α, v.v…là nhân tố tác động trực tiếp đến qúa trình cháy đến số giãn nở đa biến n2’ Các yếu tố kết cấu có ảnh hưởng đến số giãn nở đa biến n2 Tăng hành trình piston S làm cho bề mặt làm mát tăng lên Do khả trao nhiệt công chất cho thành vách xy lanh tăng lên dẫn đến n2’ tăng lên Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 38 Như vậy, giá trị n2’ giá trị biến đổi liên tục đường giãn nở phụ thuộc nhiều vào yếu tố Trong tính tốn, để xác định thơng số khí cơng qúa trình giãn nở người ta khơng dùng qúa trình giãn nở đa biến với số giãn nở đa biến biến đổi gặp nhiều khó khăn, mà thay qúa trình giả định, dó dùng số giãn nở đa biến trung bình n2’ Giá trị n2 trung bình xác định với giả thiết công qúa trình giãn nở n2’ biến đổi cơng qúa trình giãn nở giả định với n2 khơng đổi Giá trị bình quân số giãn nở đa biến ký hiệu n2 có giá trị nằm khoảng sau: Động cao tốc không làm mát đỉnh piston n2 = 1,15 ÷ 1,25 Động thấp tốc cơng suất trung bình khơng làm mát đỉnh piston n2 = 1,25 ÷ 1,28; Động thấp tốc cơng suất lớn có làm mát đỉnh piston n2 = 1,27 ÷ 1,32 2.4.2 Các thơng số qúa trình giãn nở: Áp suất cuối kỳ giãn nở Pb Áp suất cuối kỳ giãn nở xác định từ phương trình đặc trưng: P.V n2 = Const Tức là: Do đó: Trong đó: Pz V zn2 = Pb Vbn2 Pb = Pz ⎛ Vb ⎞ ⎜ ⎟ ⎜V ⎟ ⎝ z⎠ n2 = Pz δn δ= vb va = tỷ số giãn nở sau v z vz Giá trị Pb động diesel nằm khoảng 3,5 ÷ kG/cm2 Nhiệt độ cuối qúa trình giãn nở Tb Viết phương trình trạng thái cho chất khí điểm z điểm b, coi số lượng mol khí điểm z điểm b nhau, ta có: pz Vz = M 848.Tz Pb Vb = M 848.Tb Chia hai phương trình cho ta được: Suy ra: Tb = Tz Vậy: Tb = Tz pz vz Tz = pb vb Tb pb vb = Tz n2 δ pz vz δ δ (2.42) n2 −1 Giá trị nhiệt độ Tb nằm khoảng 900 ÷ 1200oK Nếu nhiệt độ Tb qúa cao gây cháy supáp xả xécmăng động Để giảm Tb xuống thấp trường hợp Tz không đổi phải tăng thể tích Vs xy lanh cơng tác Điều giải động đại có hành Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 39 trình siêu dài Mặt khác động diesel tàu thủy có trang bị thiết bị tận dụng nhiệt khí xả, nên giảm thấp Tb không cần thiết Tỷ số giãn nở sau δ ε V Va V ; Va = Vb nên: δ = b = c Vc V z ρ Vc Từ công thức ε = δ= Vậy: ε ρ (2.43) Từ công thức (2.41); (2.42); (2.43) thấy tăng số giãn nở sau δ làm cho Pb, Tb giảm Trong thực tế tăng δ tức giảm qúa trình cháy rớt nhiên liệu đường giãn nở, tính kinh tế động tăng 2.4.3 Tính số giãn nở đa biến n2 Việc xác định số giãn nở đa biến n2 trung bình dựa phương trình nhiệt động I Phương trình định luật nhiệt động I viết cho qúa trình giãn nở có dạng sau: ΔQ zb = ΔU zb + A.L zb (2.44) đó: ΔQZb : lượng nhiệt truyền cho cơng chất qúa trình giãn nở; ΔU Zb : biến thiên nội chất khí qúa trình giãn nở; A.LZb : lượng nhiệt tương đương với cơng chất khí thực đường giãn nở Trong qúa trình giãn nở đồng thời với việc cấp nhiệt cho công chất cháy rớt nhiên liệu thải nhiệt thành vách xy lanh cho nước làm mát Giả sử có 1kg nhiên liệu cháy tham gia vào chu trình có nhiệt trụ thấp QH Khi ΔQZb tính sau: ΔQzb = QH (ξ b − ξ z ) (2.45) Giá trị thay đổi nội tính sau: ΔU zb = U b − U z = M b Cv'' Tb − M z Cv'' Tz Trong Mb, Mz số mol khí cháy b z Coi Mb = Mz = M (2.46) Khi đó: U Zb = M Cv" (Tb − Tz ) Thay M = β M a = β L(1 + γ r ) Cv" = a + b(TZ + Tb ) vào (2.46) ta ΔU Zb = − β L(1 + γ r ).(TZ − Tb ).[ a + b(Tz + Tb )] (2.47) Lượng nhiệt biến thành cơng đường giãn nở tính sau: A.Lzb = Với ý là: A (Pz Vz − Pb Vb ) n2 − Pz Vz = M 848.Tz = β M a 848.Tz Pb Vb = M 848.Tb = β M a 848.Tb Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 40 Khi ta có: A.LZb = 1,99 β L.(1 + γ r ).(Tz − Tb ) n2 − (2.48) Thay (2.47); (2.48) vào (2.44) so sánh với (2.45) ta có: QH (ξ b − ξ z ) = − β L.(1 + γ r )(Tz − Tb ).[a + b.(Tz + Tb )] + 1,99 β L.(1 + γ r )(Tz − Tb ) n2 − Từ đó: QH (ξ b − ξ z ) + β L.(1 + γ r )(Tz − Tb ).[a + b.(Tz + Tb )] = 1,99 β L.(1 + γ r )(Tz − Tb ) n2 − Cuối cùng: n2 − = Thay: Tb = δ Tz n2 −1 1,99 QH (ξ b − ξ z ) + a + b.(Tz + Tb ) β L.(1 + γ r )(Tz − Tb ) L = α.L0 đặt: QH (ξb − ξ Z ) = A ta được: β L.(1 + γ r ) 1,99 n2 − = A Tz (1 − δ ) n2 −1 + a + b.Tz (1 + δ n −1 (2.49) ) Trong cơng thức a, b hệ số tính tốn nhiệt dung riêng đẳng tích sản phẩm cháy: 4,89 + (α − 1).4,6 86 + (α − 1).60 a= α ;b = α 10 Việc giải phương trình (2.49) thực phương pháp chọn gần dần: chọn n2 giá trị thay vào hai vế phải phương trình (2.49) Nếu sau chọn n2 thay vào phương trình mà hai vế phương trình cân giá trị ta chọn số giãn nở đa biến bình quân n2 cần tìm Phân tích phương trình (2.49) thấy rằng: qúa trình cháy rớt phát triển ξ Z giảm ξb − ξ Z tăng, n2 giảm xuống Kết qủa dẫn đến làm tăng Pb, Tb, nhiệt mát cho khí xả nước làm mát tăng lên làm giảm hiệu suất có ích động Khi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình khơng đổi, giảm lượng nhiên liệu cháy rớt đường giãn nở tức tăng lượng nhiên liệu cháy đoạn CZ1Z điều làm cho hiệu suất có ích động tăng lên Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 41 Câu hỏi ôn tập chương: Cho biết ảnh hưởng việc tăng sức cản đường nạp phản áp đường ống xả? Tại chế tạo đường nạp xả có khuynh hướng lớn tốt? Viết phương trình cháy điểm Z phân tích yếu tố ảnh hưởng đến Tz? Trình bày diễn biến trình nén, yếu tố ảnh hưởng đến số nén đa biến trung bình n1? Trình bày giai đoạn trình cháy, cháy rớt, nói cháy rớt tăng hiệu suất nhiệt động giảm? Trình bày diễn biến trình giãn nở, yếu tố ảnh hưởûng đến số giãn nở đa biến trung bình n2.? Các yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy, phải hâm sấy động trùc khởi động? Viết phương trình cháy (phương trình cân nhiệt điểm z), giải thích thông số Giai đoạn cháy rớt gì? ảnh hưởng giai đoạn đến tính kinh tế động cơ, biện pháp hạn chế? 10.Trình bày trình nén, thông số đặc trưng trình nén? 11.Trình bày trình nạp động cơ, yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp η n, thông số đặc trưng cho trình nạp? 12.Hệ số khí sót gì? Ảnh hưởûng trình làm việc động cơ? 13.Trình bày diễn biến trình nén, yếu tố ảnh hưởng đến số nén đa biến trung bình n1, Ý nghóa việc tăng, giảm n1? 14 Khái niệm hệ số dư lượng khơng khí α ? Làm để cải thiện khai thác động Diesel? Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 42 ... Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 20 08 http://www.ebook.edu.vn 28 Ta xem khơng khí O2 chiếm 21 % thể tích N2 79% Vậy lượng O2 dư thừa (L - Lo).0 ,21 = (α.Lo - Lo).0 ,21 = (α - 1).Lo.0 ,21 (kmol/kg.n.l)... Kmol/kg nh.l (2. 19) Giá trị α động nằm khoảng sau: Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 20 08 http://www.ebook.edu.vn 27 Động không tăng áp thấp tốc: Động không tăng áp cao tốc: Động tăng... phương trình ta C H S + + + (α − 0 ,21 ).Lo − α Lo 12 32 C H S O ( + + − ) Tiếp tục thay L = α L0 = (kmol/kg nh.l) 0, 21 12 32 32 ΔM '' = biến đổi ta : ΔM '' = 8H + O 32 (kmol/kg nh.l) (2. 23) Từ công