BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 1 pptx

TS MT.TRƯƠNG THANH DŨNG ThS LÊ VĂN VANG KS HÒANG VĂN SĨ BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn PHẦN THỨ HAI LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Khái niệm Trong động đốt trong, việc nghiên cứu chu trình thực tế phức tạp Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới diễn biến q trình chu trình cơng tác thơng số kết cấu ( tỷ số nén, phương pháp qt khí thải khí, phương pháp hình thành khí hỗn hợp…), thơng số điều chỉnh (góc phân phối khí, góc phun sớm, thành phần hỗn hợp), thông số khai thác (chế độ làm việc động cơ, điều kiện mơi trường).Vì nghiên cứu sở lý thuyết động diesel, người ta phải xem xét sơ đồ đơn giản hoá q trình cơng tác đó, hay cịn gọi chu trình lý tưởng Chu trình lý tưởng động đốt chu trình cơng tác mà khơng tính đến tổn thất nhiệt khác ngồi tổn thất nhiệt truyền cho nguồn lạnh quy định theo luật nhiệt động học Chu trình lý tưởng động diesel cho phép dễ dàng đánh giá tính hoàn thiện khả sử dụng nhiệt lượng nhiên liệu để biến thành cơng 1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt Chu trình lý tưởng động đốt biểu diễn đồ thị P-V( đồ thị công ) T-S Diesel (đồ thị nhiệt), bao gồm trình nhiệt động sau (hình 1.1): Hình 1.1 Chu trình lý tưởng đồ thị P-V T-S Trong đó: ac: q trình nén đoạn nhiệt cz1: q trình cấp nhiệt đẳng tích z1z: q trình cấp nhiệt đẳng áp zb: trình giãn nở đoạn nhiệt ba: q trình thải nhiệt đẳng tích Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 1.1.2 Các thông số đặc trưng chu trình Tỷ số nén: ε = Va/Vc Tỷ số áp suất : λ = Pz/Pc Tỷ số giãn nở sớm: ρ = Vz/Vc Tỷ số giãn nở sau: δ = Vb/Vz Q + Q2 − Q3 ;η t = − Hiệu suất nhiệt chu trình : η t = Q1 + Q2 Q3 Q1 + Q2 Trong : Q1 : Nhiệt lượng cung cấp đẳng tích ; Q2 ; Nhiệt lượng cung cấp đẳng áp ; Q3 : Nhiệt lượng thải đẳng tính ; 1.1.3 Các giả thiết nghiên cứu chu trình lý tưởng: Chu trình lý tưởng nêu nghiên cứu có kèm theo giả thuyết sau : - Chu trình diễn với đơn vị khí lý tưởng; trình xảy làm mơi chất thay đổi trạng thái vật lý thành phần hoá học khối lượng khơng thay đổi - Khơng có q trình cháy xy lanh động cơ, mơi chất nhận nhiệt tiếp xúc lý tưởng với nguồn nóng - Các trình nén giãn nở đoạn nhiệt, chuyển động khơng có ma sát - Q trình thải nhiệt mơi chất tiếp xúc lý tưởng với nguồn lạnh mà trình trao đổi khí - Nhiệt dung riêng mơi chất số - Nguồn nóng nguồn lạnh vơ lớn để q trình truyền nhiệt ổn định Chu trình lý tưởng với giả thuyết treên dđaây lấy làm sở lý thuyết nghiên cứu cho động đốt Các yếu tố khai thác, kết cấu, kiểu loại động cơ… không ảnh hưởng đến chu trình Sự thay đổi thể tích thực trình nén giãn nở piston chuyển động xy lanh thực thơng số đồ thị thể tích (hoặc thể tích riêng) mơi chất 1.2 Chu trình lý tưởng Tuỳ theo lượng nhiệt cung cấp Q1, Q2 từ nguồn nóng, chu trình lý tưởng chia thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp hay cấp nhiệt hỗn hợp 1.2.1 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích (hình1.2), nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp theo chu trình trình đẳng tích c-z Các động đốt thực theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có q trình cháy diễn Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn nhanh (gần tức thời điểm z) Các động xăng, động ga thường thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích Hình 1.2 thể q trình cơng tác chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích đồ thị P-V T-S Trong chu trình nhiệt lượng cung cấp quy trình đẳng áp Q2 = Trong ta thấy: ε = δ ρ = Hình 1.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích đồ thị P-V T-S 1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp (hình 1.3), nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho chu trình qúa trình đẳng áp c-z Các động đốt thực theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có q trình cháy diễn chậm nhiều (sau điểm z) động diesel cấp nhiên liệu khơng khí nén thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp Hình 1.3: Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp đồ thị P-V T-S Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn Xem hình 1.3 chu trình này, nhiệt lượng cung cấp qúa trình đẳng tích Q1 = 0, nhiệt lượng cung cấp cho chu trình cịn lại Q2, λ = 1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng cung cấp qúa trình đẳng áp, đẳng tích tồn khác khơng: Q1K 0, Q2K Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1.4), nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp cho cơng chất qúa trình c-z1 cịn nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho công chất qúa trình z1-z chu trình Động diesel thơng thường (cấp nhiên liệu bơm cao áp vòi phun) thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp Hình 1.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp đồ thị P-V T-S 1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Hiệu suất chu trình lý tưởng: η t = Q1 + Q2 − Q3 = − Q1 + Q2 Q3 ; Q1 + Q2 Trong đó, Q1, Q2 nhiệt cấp đẳng tích đẳng áp, cịn Q3 nhiệt thải Mối liên hệ thông số điểm đặc biệt chu trình điểm a, c, z1, z, b theo thông số trạng thái ban đầu áp suất tính tốn sau: Điểm c: k k Pc Vc = Pa Va ; Pc = Pa ε k ; Tc Vck −1 = Ta Vak −1 ; Tc = Ta ε k −1 Điểm z1: Pz1 Pc = λ ; Pz1 = λ Pc = λ Pa ε k ; Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 Tz1 Tc = Pz1 Pc = λ ; Tz1 = λ Tc = λ.Ta ε k −1 http://www.ebook.edu.vn Điểm z: Pz = Pz1 = λ Pc ; Pz = λ Pa ε k ; Điểm b: Pb Vbk = Pz V zk ; Pb = Pz Do đó: Tb = Tz δ k −i δ k Tz V = z = ρ ; Tz = ρ Tz1 = ρ λ Ta ε k −1 Tz1 V z1 = Pa λ ε k δ k = Pa λ ρ k ; Tb Vbk −1 = Tz V zk −1 ; = Ta λ ρ k Mặt khác ta lại có: Q1 = Cv (Tz1 − Tc ) = Cv (Ta λ.ε k −1 − Ta ε k −1 ) Q2 = C p (Tz − Tz1 ) = C p (Ta ρ λ ε k −1 − Ta λ ε k −1 ) Q3 = C v (Tb − Ta ) = C v (Ta ρ k λ − Ta ) Thay vào công thức định nghĩa ηt , ta có: ρ k λ − η t = − k −1 (λ − 1) + k λ ( ρ − 1) ε Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ρ =1, ε = δ ta có: ηt = − ε k −1 Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp λ =1 ta có: ρ k −1 η = − k −1 k ( ρ − 1) ε 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Khi so sánh hiệu suất nhiệt chu trình, người ta sử dụng đồ thị T-S lượng nhiệt cấp thải thể phần tử diện tích đồ thị Trên sở công thức định nghĩa, hiệu suất nhiệt ηt thay đổi tùy thuộc vào nhiệt lượng cung cấp cho chu trình (Q1+Q2) nhiệt lượng thải Q3 1.4.1 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng giữ nguyên tỷ số nén ε nhiệt lượng thải Q3 thực theo phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp hỗn hợp: Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn T zV z zp c b a S Hình 1.5 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Với điều kiện cố định ε Q3 ta thấy: Khi giữ nguyên ε, điểm a c phải trùng ba chu trình Khi giữ nguyên Q3, ta thấy diện tích hình biểu thị nhiệt thải với ba phương án phải nhau, có nghĩa diện tích (1ab21) chung cho ba chu trình Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvb ; hỗn hợp acz1zb ; đẳng áp aczpb lên đồ thị T-S hình vẽ 1.5 So sánh nhiệt lượng cấp, mà nhiệt lượng cấp biểu thị diện tích đường cong cấp nhiêt, ta thấy : S(1czv21) > S(1cz1z21) > S(czp21) Từ cơng thức tính hiệu suất nhiệt, ta kết luận: η tv > η t > η 1.4.2 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng giữ nguyên tỷ số nén ε nhiệt lượng cung cấp (Q1+Q2) thực theo phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp hỗn hợp Với điều kiện giữ cố định ε Q1+Q2 ta thấy: Khi giữ nguyên ε, điểm a c trùng ba chu trình Khi giữ ngun Q1+Q2, ta thấydiện tích hình biểu thị nhiệt cấp với ba phương phải nhau, có nghĩa là: S(1czv2v1) = S(cz1z21) = S(1czp2p1) Như thế, điểm 2v phải phân bố phía trái, cịn điểm 2p phân bố phía phải điểm Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp aczpbp lên hệ tọa độ T-S hình vẽ 1.6 Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Từ đồ thị ta nhận thấy: S(1abv2v1) < S(1ab21) < S(1abp2p1) Q3v < Q3 < Q3p Hay là: Do đó: η tv > η t > η 1.4.3 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp đẳng áp giữ nguyên áp suất cực đại P max nhiệt lượng thải Q3 Với điều kiện lượng nhiệt thải Q3 biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ T-S, chúng phải chung qúa trình thải nhiệt đẳng tích b-a Với điều kiện áp suất cực đại Pmax biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ T-S, điểm zv, z, zp phải nằm đường p = const Mặt khác, điểm b chung cho ba chu trình nên điểm zv, z, zp phải trùng Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzb; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzb lên hệ tọa độ T-S hình vẽ 1.7 Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn Các điểm c chu trình cấp nhiệt đẳng tích cv, hỗn hợp c, đẳng áp cp, đồng thời điểm phân bố từ xuống cp, c, cv Nhiệt lượng thải cho nguồn lạnh ba chu trình nhau, đó: Sv(1ab21) = S(1ab21) = Sp(1ab21) =Q3 Nhiệt lượng cấp phân bố sau: S(1cpz21) >S(1cz1z21) > S(1cvz21) Do đó: p v ηt > ηt > ηt 1.4.4 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp đẳng áp giữ nguyên áp suất cực đại Pmax nhiệt lượng cấp Q1+Q2 T zp z1 z zv cp c cV bp b bv a 2p 2v S Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzpbp lên hệ tọa độ T-S hình vẽ 1.8 Với điều kiện lượng nhiệt cấp Q2+Q3 biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ T -S, diện tích đường cong cấp nhiệt biểu thị cho lượng nhiệt cấp ba chu trình phải nhau, tức là: Sv(1cvzv2v) = S(1cz1z21) = Sp(1cpzp2p) =Q1+Q2 Với điều kiện áp suất cực đại Pmax biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ T-S, điểm zv, z, zp phải nằm đường p=const So sánh nhiệt lượng thải biểu thị diện tích tương ứng ta thấy: Sp(1abp2p) < S(1ab2) η t > η tv Qua so sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng đây, nhận thấy rằng: Trong thực tế, chế tạo động đốt có tỷ số nén ε dù nhiệt lượng cấp không đổi hay nhiệt thải không đổi, hiệu suất nhiệt động làm việc theo chu trình đẳng tích có hiệu suất cao hơn, động đốt có áp suất cháy cực đại Pmax động làm việc theo chu trình đẳng áp lại có hiệu suất cao Trên quan điểm chế tạo động cơ, người ta cần quan tâm đến áp suất cháy cực đại Pmax (thể ứng suất cơ), nên chế tạo động làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng áp, việc chế tạo vận hành động gặp khó khăn (động diesel cấp nhiên liệu khí nén), động thực tế không chế tạo mà thay vào đó, người ta chế tạo động diesel ngày làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Câu hỏi ơn tập chương: Phân tích thay đổi hiệu suất nhiệt điều kiện: - Thay đổi tỷ số nén - Thay đổi góc phun sớm 3.Trình bày chu trình lý tưởûng, đẳng áp, đẳng tích, hỗn hợp So sánh hiệu suất nhiệt chúng : - Cùng tỷ số nén nhiệt lượng cấp - Cùng áp suất cực đại nhiệt lượïng cấp 4.So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng đồ thị trường hợp sau: - Cùng Q1+Q2 ε - Cùng Q3 Tz 5.Các chu trình lý tưởng hiệu suất nhiệt chúng, vẽ đồ thị, giải thích? Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 11 ... ba chu trình nhau, đó: Sv(1ab 21) = S(1ab 21) = Sp(1ab 21) =Q3 Nhiệt lượng cấp phân bố sau: S(1cpz 21) >S(1cz1z 21) > S(1cvz 21) Do đó: p v ηt > ηt > ηt 1. 4.4 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng...PHẦN THỨ HAI LÝ THUYẾT Q TRÌNH CƠNG TÁC Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 20 08 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1. 1 Khái niệm Trong động đốt... Q1K 0, Q2K Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1. 4), nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp cho cơng chất qúa trình c-z1 cịn nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho cơng chất qúa trình z1-z chu trình Động