Bài giảng động cơ disel tàu thủy (phần 2) đh giao thông vận tải TP HCM

v t tp t η η η > > Qua sự so sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng trên đây, chúng ta nhận thấy rằng: Trong thực tế, nếu chế tạo các động cơ đốt trong cĩ tỷ số nén ε như nhau

TS MT.TRƯƠNG THANH DŨNG

ThS LÊ VĂN VANG

KS HÒANG VĂN SĨ

BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 2

PHẦN THỨ HAI

LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

CHƯƠNG 1 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Khái niệm cơ bản

Trong các động cơ đốt trong, việc nghiên cứu chu trình thực tế rất phức tạp

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới diễn biến của các quá trình trong chu trình

công tác như các thông số về kết cấu ( tỷ số nén, phương pháp quét khí và thải khí,

phương pháp hình thành khí hỗn hợp…), các thông số về điều chỉnh (góc phân

phối khí, góc phun sớm, thành phần hỗn hợp), các thông số về khai thác

(chế độ làm việc của động cơ, điều kiện về môi trường).Vì vậy khi nghiên

cứu cơ sở lý thuyết của động cơ diesel, người ta phải xem xét sơ đồ đơn giản

hoá các quá trình công tác đó, hay còn được gọi là chu trình lý tưởng

Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong là chu trình công tác mà trong đó

không tính đến tổn thất nhiệt nào khác ngoài tổn thất nhiệt truyền cho nguồn lạnh

được quy định theo luật nhiệt động học 2

Chu trình lý tưởng của động cơ diesel cho phép dễ dàng đánh giá tính

hoàn thiện và khả năng sử dụng nhiệt lượng của nhiên liệu để biến thành công

1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt trong

Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong biểu diễn trên đồ thị P-V( đồ thị công )

và T-S Diesel (đồ thị nhiệt), bao gồm các quá trình nhiệt động cơ bản sau đây

zb: quá trình giãn nở đoạn nhiệt

ba: quá trình thải nhiệt đẳng tích

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 4

2 1

3 2

1

3 2

Q Q

Q Q

Q

Q Q Q

t

− +

1.1.3 Các giả thiết khi nghiên cứu chu trình lý tưởng:

Chu trình lý tưởng nêu trên khi nghiên cứu có kèm theo các giả thuyết sau

đây :

- Chu trình diễn ra với một đơn vị khí lý tưởng; các quá trình xảy ra chỉ

làm môi chất thay đổi về trạng thái vật lý và thành phần hoá học và khối lượng

không thay đổi

- Không có các quá trình cháy trong xy lanh động cơ, môi chất nhận

nhiệt là do tiếp xúc lý tưởng với nguồn nóng

- Các quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt, sự chuyển động là không có

ma sát

- Quá trình thải nhiệt là do môi chất tiếp xúc lý tưởng với nguồn lạnh mà

không phải là quá trình trao đổi khí

- Nhiệt dung riêng của môi chất là hằng số

- Nguồn nóng và nguồn lạnh là vô cùng lớn để quá trình truyền nhiệt là

ổn định

Chu trình lý tưởng với các giả thuyết treên dđaây được lấy làm cơ sở lý

thuyết nghiên cứu cho động cơ đốt trong Các yếu tố về khai thác, kết cấu, kiểu

loại động cơ… không ảnh hưởng đến chu trình Sự thay đổi thể tích khi thực hiện

các quá trình nén và giãn nở là do piston chuyển động trong xy lanh thực hiện

nhưng thông số trên đồ thị là do thể tích (hoặc thể tích riêng) của môi chất

1.2 Chu trình lý tưởng

thể được 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

trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có quá trình cháy diễn

ra rất nhanh (gần như tức thời tại điểm z) Các động cơ xăng, động cơ ga thường

được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích

Hình 1.2 thể hiện các quá trình công tác của chu trình lý tưởng cấp nhiệt

đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S Trong chu trình này nhiệt lượng cung cấp trong

Hình 1.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S

1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp

trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có quá trình cháy diễn

ra chậm hơn nhiều (sau điểm z) các động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng

không khí nén được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt

đẳng áp

Hình 1.3: Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị P-V và T-S

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 6

; 1

2 1

3 2

1

3 2 1

Q Q

Q Q

Q

Q Q Q

− +

=η

;

a a

k c

c V P V

.

;

;

a c

k a a

k c c

k a

c P T V T V T T

;

;

1 1

1 1

a c

z c

z

c

z k a c

z c

z

T T

T P

P T

T P

P P

P

P

ε λ λ

λ ε

λ λ

λ

Xem hình 1.3 trong chu trình này, nhiệt lượng cung cấp trong qúa trình đẳng

1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp

Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng cung cấp trong các

bằng bơm cao áp và vòi phun) được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng

cấp nhiệt hỗn hợp

Hình 1.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp trên đồ thị P-V và T-S

1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng

Mối liên hệ giữa các thông số tại các điểm đặc biệt của chu trình như điểm a,

Điểm c:

Điểm z1:

;

1

1

;

z z

k b b

k a k

k a k z b

k z z

k b

δ ε λ δ

k a i k z

1 =

= −

Điểm z:

.

;

;

;

1 1

1 1

z z

z z

z k a z

c z

V

V T

T P

P P P

.(

.(

) (

)

.(

) (

3

1 1

a

k a v a

b v

k a

k a

p z

z p

T T

C T

T C Q

T T

C T

T C Q

ε λ ε

λ ρ

) 1 (

) 1 (

1

1

− +

λ

ρ ε

η

k

k k

1

η

k

k k

1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng

Khi so sánh hiệu suất nhiệt của chu trình, người ta sử dụng đồ thị T-S và

trên đó lượng nhiệt cấp và thải đều được thể hiện bằng các phần tử diện tích của

1.4.1 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ

số nén ε và nhiệt lượng thải Q 3 nhưng thực hiện theo các phương án cấp

nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp:

z p

Hình 1.5 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng

Khi giữ nguyên ε, các điểm a và c phải trùng nhau đối với cả ba chu trình

phương án trên phải như nhau, có nghĩa là diện tích (1ab21) là chung cho cả ba

chu trình

lên cùng một đồ thị T-S như hình vẽ 1.5

So sánh nhiệt lượng cấp, mà nhiệt lượng cấp này biểu thị bằng các diện tích

dưới các đường cong cấp nhiêt, ta thấy :

S(1czv21) > S(1cz1z21) > S(czp21)

Từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận:

p t t

v

η > >

1.4.2 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ số nén ε và

nhiệt lượng cung cấp (Q 1 +Q 2 ) nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt

đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp

Khi giữ nguyên ε, các điểm a và c trùng nhau đối với cả ba chu trình

phương trên phải như nhau, có nghĩa là:

S(1czv2v1) = S(cz1z21) = S(1czp2p1)

p t t

Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng

Từ đồ thị ta nhận thấy: S(1abv2v1) < S(1ab21) < S(1abp2p1)

Hay là:

Do đó:

1.4.3 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án

cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực

đại P max và nhiệt lượng thải Q 3

trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, chúng phải cùng chung nhau qúa trình thải

nhiệt đẳng tích b-a

Với điều kiện áp suất cực đại Pmax như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba

đường p = const Mặt khác, vì điểm b cùng chung cho cả ba chu trình nên các

điểm z v , z, z p phải trùng nhau

lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.7

Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 10

v t t

p

cho nguồn lạnh của cả ba chu trình là bằng nhau, do đó:

Nhiệt lượng cấp phân bố như sau: S(1cpz21) >S(1cz1z21) > S(1cvz21)

Do đó:

1.4.4 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án

cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực đại P max và

Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng

ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T -S, các diện tích dưới đường cong cấp

nhiệt biểu thị cho lượng nhiệt cấp của cả ba chu trình phải bằng nhau, tức là:

Sv(1cvzv2v) = S(1cz1z21) = Sp(1cpzp2p) =Q1+Q2

đường p=const

So sánh nhiệt lượng thải biểu thị bằng các diện tích tương ứng ta thấy:

Sp(1abp2p) < S(1ab2) <Sv(1abv2v)

Do đó, từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận:

v t t

p

t η η

η > >

Qua sự so sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng trên đây, chúng ta

nhận thấy rằng: Trong thực tế, nếu chế tạo các động cơ đốt trong cĩ tỷ số nén ε

như nhau thì dù nhiệt lượng cấp khơng đổi hay nhiệt thải khơng đổi, hiệu suất

nhiệt của động cơ làm việc theo chu trình đẳng tích sẽ cĩ hiệu suất cao hơn,

động cơ làm việc theo chu trình đẳng áp lại cĩ hiệu suất cao hơn cả Trên quan

(thể hiện ứng suất cơ), vì vậy nên chế tạo động cơ làm việc theo chu trình cấp

nhiệt đẳng áp, nhưng việc chế tạo và vận hành những động cơ này gặp khĩ khăn

(động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng khí nén), cho nên những động cơ này thực tế

đã khơng được chế tạo mà thay vào đĩ, người ta chế tạo các động cơ diesel ngày

nay làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

Câu hỏi ơn tập chương:

1 Phân tích sự thay đổi hiệu suất nhiệt trong các điều kiện:

- Thay đổi tỷ số nén

- Thay đổi góc phun sớm 3.Trình bày các chu trình lý tưởûng, đẳng áp, đẳng tích, hỗn hợp So sánh hiệu suất nhiệt của chúng khi :

- Cùng tỷ số nén và nhiệt lượng cấp

- Cùng áp suất cực đại và nhiệt lượïng cấp 4.So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng bằng đồ thị trong các trường hợp sau:

- Cùng Q 1 +Q 2 và ε

- Cùng Q 3 và T z

5.Các chu trình lý tưởng và hiệu suất nhiệt của chúng, vẽ đồ thị, giải thích?

CHƯƠNG 2

CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.1 Quá trình nạp

2.1.1 Hệ số nạp

Trong động cơ đốt trong, sau mỗi chu kỳ công tác, động cơ cần phải thải

một lượng khí cháy và nạp một lượng không khí mới vào xy lanh động cơ Chất

lượng của quá trình nạp và lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ có ảnh

hưởng rất nhiều đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu sau này Thông

thường, khi đánh giá lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình

đối với động cơ hai kỳ và động cơ tăng áp) Thực tế lượng không khí nạp có

trong xy lanh ở đầu quá trình nén nhỏ hơn lượng không khí tính toán theo lý

thuyết, bởi vì trong quá trình nạp, lượng không khí nạp vào xy lanh còn chịu ảnh

hưởng của các yếu tố sau:

Sức cản thủy lực của đường ống không khí nạp, các xupáp nạp và các

cửa nạp (trong động cơ hai kỳ) Do tồn tại sức cản thủy lực này nên áp suất của

không khí trong xy lanh động cơ khi bắt đầu quá trình nén (cuối quá trình nạp) sẽ

nhỏ hơn áp suất không khí nạp trước cửa nạp Sự giảm áp suất do sức cản thủy lực

này sẽ làm cho mật độ không khí trong xy lanh động cơ của quá trình nạp sẽ bị

giảm theo, và do vậy, trong cùng một thể tích, trọng lượng của không khí sẽ

giảm

Sự sấy nóng không khí nạp do thành vách xy lanh, đỉnh piston, các xupáp

hay các cửa làm cho nhiệt độ không khí nạp tăng, trọng lượng riêng của nó giảm

xuống, làm giảm lượng không khí nạp thực tế vào xy lanh động cơ

Ngoài ra trong thực tế, cuối quá trình xả chúng ta không thể làm sạch hoàn

toàn xy lanh công tác Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xy lanh bao

giờ cũng còn sót lại một lượng khí cháy Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm

một phần thể tích xy lanh công tác, làm giảm lượng không khí sạch nạp vào xy

lanh

Lượng khí cháy cón sót lại trong xy lanh động cơ được đánh giá bằng một

(2-1)

kỳ xả (kmol);

L: số lượng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp (kmol)

Do lượng khí sót trong xy lanh động cơ có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt cho

không khí sạch mới nạp vào làm nhiệt độ của nó tăng lên Kết quả là trọng lượng

o s

o s

o n

L

L G

G V

V

=

=

=η

s n o s

Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng không khí thực tế nạp

thuyết tính toán theo các thông số Po, To hay Ps, Ts

Để đánh giá hiệu quả của quá trình nạp, người ta đưa ra khái niệm hệ số nạp

được định nghĩa như sau:

Hệ số nạp là tỷ số giữa lượng không khí có trong xy lanh động cơ ở đầu

hành trình nén và lượng không khí có thể chứa trong thể tích công tác của xy

lanh động cơ, có thông số là thông số trạng thái của không khí trước cửa hút của

xy lanh

số của không khí trước cửa nạp Po, To (hay Ps,Ts) thì:

Để lập công thức tính toán hệ số nạp, trước hết là môt số giả thiết sau:

Quá trình nạp kết thúc tại điểm a của đồ thị công chỉ thị

Công do khí cháy sinh ra trong quá trình nạp và năng lượng động học của nó

trong xy lanh của cuối quá trình nạp (kmol)

trạng thái của chất khí:

4

10 848

a

a a

T

V P

Trong đó, Pa, Ta là áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nén (kG/cm2; oK); Và là

Từ công thức

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 14

4

10 848

o

s n o

T

V P

=

)1.(

r o

o n o a

a a

T

V P T

V

)1.(

r s

a a o

o a n

V

V T P

T P

γ

;ε

= +

c

c s

V

V

1 ).

1 (

ε

c

c s

a

V

V V

T P

T P

γε

εη

.

Trường hợp động cơ bốn kỳ tăng áp hay động cơ hai kỳ, thông số trước cửa

dạng như sau:

r a s

s a n

T P

T P

γε

εη

1

Đối với động cơ hai kỳ quá trình nén thực tế là khi piston đóng kín các cửa

Vì thế, trong tính toán quá trình nạp cho động cơ hai kỳ ta phải lấy tỷ số nén thực

tế εt

s c c

a t

V

V V V

V' + '

=

=ε

'

s s

s s c t

V V

) 1 (

c

s c c

a

V

V V V

=

=ε

o

o o

P

T R

V =

o o

o

T R

P

V1 =

=γ

a o

o a o a

a o

a

T P

T P P

T R T R

P

.

.

.

=γγ

Vì vậy: ε ε= t(1 −ψs) +ψs

Trong động cơ bốn kỳ, bỏ qua sự đóng muộn của xupáp, khi đó ta có thể

xem quá trình nén bắt đầu khi piston từ điểm chết dưới đi lên điểm chết trên và

Khi đó ta có:

Từ phương trình:

ta có:

Thay vào công thức tính hệ số nạp và chú ý là:

Khi đó ta có công thức tổng quát tính hệ số nạp:

)1.(

1

1

s a t

t n

T P

T

γε

động cơ bốn kỳ có tăng áp và không tăng áp đều bằng không Khi đó, công

thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp lại quay về dạng:

o a t

t n

T P

T P

γε

εη

1

Có thể biểu diễn công thức tính hệ số nạp dưới một dạng khác như sau:

Từ phương trình trạng thái của 1kg chất khí P.V = R.T

Viết cho chất khí có thông số P o , V o , T o ta có: P o V o = R.T o

Từ đó: và

Tương tự, viết cho chất khí có thông số trạng thái ở đầu quá trình nén ta có:

a a

T R

P

.

=γ

Từ đó:

Khi đó công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp có thể viết

dưới dạng:

r o

a t

t

γε

εη

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 G n V s o 1 1,61.d http://www.ebook.edu.vn 16

1

2 =η γ +

Bây giờ ta sẽ phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Từ công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp:

r a o

o a t

t

n

T P

T P

γε

.

1

Ta thấy biểu thức

1

ε

Như vậy với mỗi động cơ cụ thể thì biểu thức này là một hằng số Còn biểu thức

1

cơ và chế độ công tác đã cho Chất lượng làm sạch xy lanh và do đó giá trị của

thống tăng áp Ngoài ra việc làm vệ sinh sạch các cửa quét thải trong động cơ hai

Môi trường nơi động cơ làm việc có ảnh hưởng đến hệ số nạp thông qua giá

theo Nói cách khác, khi mật độ không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm)

đối với một động cơ cụ thể ở một chế độ khai thác đã chọn thì có thể xem hệ số

nạp không chịu ảnh hưởng của môi trường nơi động cơ làm việc nếu hê số khí sót

của không khí nạp thay đổi nên lượng không khí sạch nạp vào xy lanh động cơ

cũng thay đổi theo Nếu chuyển động cơ từ vùng có nhiệt độ thấp (hàn đới) sang

theo Nếu các điều kiện khác là như nhau thì trong trường hợp này để giữ

nguyên hệ số dư lượng không khí α thì bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu

cung cấp cho chu trình, tức là giảm công suất của động cơ

Ngoài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ ẩm môi trường cũng có ảnh

hưởng đáng kể đến lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ

Lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ khi không khí là không khí khô

có thể tính theo công thức: G1 =v s .γ η0 n

Khi không khí nạp là không khí ẩm thì lượng không khí thực tế nạp vào xy

lanh động cơ được tính như sau:

Trong đó động cơ là độ ẩm riêng của hơi nước trong không khí ẩm (kg hơi

nước/kg không khí khô)

Như vậy khi động cơ tăng, lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ

sẽ giảm

Như đã nói ở trên, đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ,

ảnh hưởng của môi trường còn chịu ảnh hưởng của quá trình nén trong máy nén

là các thông số gián tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng không khí nạp Do vậy có

thể nói đối với các động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, ảnh hưởng của

môi trường sẽ nhỏ hơn so với động cơ không tăng áp

Sức cản thủy lực trên đường ống hút được biểu thị thông qua biểu thức

0

a

p p

2.1.2 Xác định các thông số của quá trình nạp

c

v v

ε =

Đối với các động cơ đốt trong, việc lựa chọn ε khi thiết kế động cơ dựa

yêu cầu là nhiệt độ cuối quá trình nén phải đảm bảo nhiên liệu có khả

năng tự bốc cháy, nhưng đồng thời phải giữ cho các giá trị ứng suất nhiệt và

ứng suất cơ nằm trong giới hạn cho phép

Các động cơ diesel tàu thủy giá trị ε =10 ÷ 19; động cơ kích thước nhỏ

chọn ε cao; động cơ không tăng áp có ε cao hơn động cơ tăng áp

Hệ số khí sót cũng là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường

nằm trong các khoảng sau:

nhỏ hơn động cơ hai kỳ Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 18

a

r r o a

M

T M T L

=

hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xy lanh tốt hơn Còn

động cơ hai kỳ quét thẳng do quỹ đạo chuyển động của dòng khí không phải

đổi chiều, do đó nó có khả năng quét sạch các góc của xy lanh hơn động cơ hai

Ngoài hai thông số phụ thuộc kết cấu trên, các thông số khác của quá trình

nạp đều là những thông số phụ thuộc trạng thái của khí nạp Sau đây chúng ta sẽ

đi tìm phương pháp xác định các thông số này

Áp suất và nhiệt độ điều khiển cuối quá trình nạp là hai thông số quan

trọng của quá trình trao đổi khí Các thông số này có thể được xác định bằng tính

toán hay thực nghiệm Đặc tính thay đổi của áp suất và nhiệt độ khí nạp và

các giá trị khác của nó phụ thuộc rất nhiều vào cường độ trao đổi nhiệt giữa

chất khí và thành vách xy lanh, các xu páp và các cửa, cũng như sự trao đổi

nhiệt giữa khí nạp và khí sót trong xy lanh

Để xác định nhiệt độ chất khí trong xy lanh ở cuối kỳ nạp, ta xuất phát từ

phương trình năng lượng

Ta giả thiết công của chất khí sinh ra trong quá trình nạp bằng không, khi đó ta

có thể viết:

r

n v r o v a

m v

M = ' ' +

Trong công thức trên, ta giả thiết rằng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ có

0

T : '

T = + ΔT T

cấu nạp, đỉnh piston và thành vách xy lanh

r

r r o o

T T

T

γ

γ+

+

= 1

.

'

(2.8)

Công thức tính nhiệt độ cuối quá trình nạp trên đây là của động cơ bốn kỳ

không tăng áp Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ thì phải chú

ý là nhiệt độ trước cơ cấu nạp là : T s =T k − ΔT lm

m m

o

k o k

P

P T T

Trong đó, m: chỉ số nén đa biến của máy nén:

lm

T

Và khi đó, tương tự như trong động cơ bốn kỳ:

Áp suất của khí nạp sau khi đi qua các cơ cấu nạp sẽ giảm đi một lượng

bằng sức cản trên đường ống nạp Vì vậy chúng ta có thể tính:

khoảng sau:

Cuối cùng nếu thay:

' a

.T

1

s r r r

r r

ε η

=

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 20

Trở lại công thức tính: p a = p0 − Δ hay p h p a = p s − Δp h

khi chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xy lanh công tác, trạng thái của chất

khí không thay đổi

Khi đó ta có thể cho γo = γa hay γa = γs Ta lại giả thiết vận tốc của dòng khí

tại cửa vào là bằng không, khi đó có thể viết:

2

).

1 (

.

P P

a o

.

k

d i

D n S

W =

khí nạp vào xy lanh động cơ Phân tích tương tự như vậy chúng ta thấy khi giảm

do vậy giảm lượng không khí nạp

Các giá trị áp suất và nhiệt độ khí sót ảnh hưởng không nhiều đến hệ số nạp

trong xy lanh ở cuối quá trình nạp tăng, mật độ không khí nạp giảm làm giảm

thì hệ số nạp giảm từ 0,86 xuống còn 0,69

Giá trị ảnh hưởng ít đến hệ số nạp và khi tính toán có thể bỏ qua Pha phân

phối khí tức là góc mở sớm, đóng muộn của các xu páp hay các cửa có ảnh

hưởng đến quá trình nạp và lượng không khí nạp.Việc lựa chọn các pha phân

phối khí một cách hợp lý sẽ làm tăng lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ

Cuối cùng, vòng quay động cơ cũng là một thông số ảnh hưởng đến hệ số

nạp, khi vòng quay động cơ tăng làm tăng sức cản thủy lực của dòng không khí

và phụ tải đều tăng thì ảnh hưởng đồng thời của cả hai yếu tố này đến hệ số

nạp và lượng không khí nạp là rất đáng kể Khi đó lượng không khí nạp vào

(m/s)

xy lanh động cơ bị giảm xuống, ảnh hưởng tốt đến chế độ làm việc bình thường

của động cơ

2.2 Quá trình nén

2.2.1 Sự trao đổi nhiệt trong quá trình nén

Nhiệm vụ của quá trình nén là nâng nhiệt độ của không khí trong xy lanh ở

cuối kỳ nén đến nhiệt độ có khả năng tự bốc cháy nhiên liệu một cách bình

thường Trong tính toán, quá trình nén bắt đầu khi piston đi từ điểm chết dưới

lên điểm chết trên và tất cả các cơ cấu phân phối khí đều đóng lại

Nếu quá trình nén diễn ra không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy lanh thì

Thực tế quá trình nén trong xy lanh động cơ là một quá trình đa biến phức

tạp với chỉ số nén đa biến luôn luôn biến đổi do giữa chất khí và thành vách xy

lanh có sự trao đổi nhiệt Sự trao đổi này luôn luôn thay đổi cả về trị số và

hướng trao đổi nhiệt Ngoài ra, trong thực tế cần phải tính đến rò lọt của không

khí nén qua xéc măng và các xu páp Ở đầu quá trình nén, do nhiệt độ chất khí

còn thấp hơn nhiệt độ thành vách xy lanh, nên thành vách xy lanh trao đổi nhiệt

cho chất khí Nói cách khác, chất khí nhận nhiệt, do đó n 1 ’ > k (hình 2.1)

Hình 2.1 Diễn biến quá trình nén

Piston tiếp tục đi lên, chất khí bị nén, nhiệt độ tăng dần do đó cường độ trao

đổi nhiệt giữa thành vách xy lanh cũng giảm đi đến một lúc nào đó khi nhiệt độ

chất khí bằng nhiệt độ thành vách xy lanh, thì quá trình trao đổi nhiệt tức thời

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 22

quá trình nén, nhiệt độ chất khí tăng lên và lớn hơn nhiệt độ thành vách xy lanh

Lúc này quá trình trao đổi nhiệt từ khí đến vách , chất khí nhả nhiệt và n 1 ’ <k

Do có sự trao đổi nhiệt này mà điểm C trong quá trình nén thực tế sẽ nằm

thấp hơn điểm C trong quá trình nén đoạn nhiệt

2.2.2 Chỉ số nén đa biến n 1

xuống đến 1,1 ÷ 1,2 ở cuối kỳ nén

được

thước xy lanh, cường độ làm mát và tỷ số nén

Tăng số vòng quay của động cơ làm giảm thời gian trao đổi nhiệt giữa chất

khí và thành vách xy lanh, quá trình nén càng gần giống với quá trình nén đoạn

giảm xuống

Giảm phụ tải của động cơ làm cho nhiệt độ thành vách xy lanh giảm đi trong

giảm xuống

bốc cháy nhiên liệu, động cơ sẽ bị dừng Vì vậy động cơ lai chân vịt tàu thủy

nhất thiết phải giới hạn vòng quay nhỏ nhất để đảm bảo động cơ làm việc được

ở chế độ ma nơ và khởi động

Khi tốc độ trung bình của piston không đổi thì tăng đường kính xy lanh

lanh, khả năng trao đổi nhiệt giữa chất khí bên trong xy lanh với thành vách sẽ

kém đi Ngoài ra cần tính đến khi tăng đường kính xy lanh, bề mặt làm mát tương

đối sẽ giảm xuống

ε .1.

.P c V c T 1

Như vậy khi động cơ tăng, bề mặt làm mát tương đối giảm, khả năng trao

việc tăng cường chế độ làm mát nhằm đảm bảo độ bền của các chi tiết nhóm

piston - xy lanh, nhưng cần lưu ý khi nhiệt độ thành vách xy lanh càng nguội thì

Ngoài các yếu tố chính nêu trên thì tình trạnh kỹ thuật của động cơ cũng có

lọt khí nạp sẽ tăng lên, chỉ số nén đa biến sẽ giảm Và cuối cùng khi tăng tỷ số

nén ε, nhiệt độ và áp suất của không khí nén sẽ tăng làm tăng lượng nhiệt mà

chất khí truyền cho thành vách xy lanh, đồng thời quá trình rò lọt khí qua xéc

lg lg

lg lg

V V

P P n

c

p p

p p n

P a V a = G a R.T a; Chia hai phương trình trên cho nhau và coi G a = G c (bỏ qua

sự rò lọt khí), ta có:

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 24

1

1 1

v

p

C

C K

Vậy T c =T a εn−1 (2.13)

chỉ số nén đa biến n 1

có khả năng tự bốc cháy thì nhiệt độ cuối kỳ nén phải lớn hơn nhiệt độ tự bốc

suất nhiệt của động cơ tăng Các động cơ diesel tàu thuỷ tỷ số nén thấp nhất để

cho nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy là 10 ÷ 10,5 Về lý thuyết khi tăng tỷ số

nén ε thì tính kinh tế của động cơ sẽ tăng Điều này đã được thực tế áp dụng

trong những động cơ hiện đại cỡ lớn có hành trình siêu dài Tỷ số nén trong động

cơ thực tế là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong

khoảng từ 10,5 đến 18

Ở các động cơ cao tốc, do thời gian của quá trình hoà trộn ngắn, do đó khó đảm

bảo điều kiện cho sự tự bốc cháy của nhiên liệu Mặt khác, ở những động cơ này,

3 Chỉ số nén đa biến n 1

sự trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xy lanh Để đơn giản trong quá trình

tính toán ta xem không khí trong xy lanh động cơ đầu quá trình nén là không khí

sạch hoàn toàn và quá trình nén không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy

lanh Nghĩa là ta xem quá trình nén là đoạn nhiệt

Với giả thiết như vậy, ta có thể viết :

' ' ' '

' 1

V

V V P V

P

C

C C C C

Giá trị nhiệt dung riêng của không khí là một giá trị biến đổi phụ thuộc vào

nhiệt độ Tuy nhiên sự thay đổi của nó là không lớn lắm ta có thể bỏ qua Giả

thiết như vậy khi đó ta có thể lấy giá trị của nhiệt dung riêng trung bình để tính

nếu phương trình chưa cân bằng thì chọn lại và tính lại cho đến khi hai vế của

2.3.1 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu

2.3.1.1 Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu

Trong chu trình thực tế, thành phần và tính chất của công chất luôn luôn

thay đổi Thành phần và tính chất của công chất có ảnh hưởng đến các thông số

của chu trình công tác và do đó đến tính kinh tế, an toàn và tin cậy của động cơ

Thực chất của quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh động cơ là một quá

trình hết sức phức tạp Để xác định các thông số của quá trình cháy trước hết cần

phải xác định lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu trong xy

lanh động cơ

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 26

Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel tàu thuỷ là sản phẩm của dầu mỏ,

có các thành phần cơ bản như : C = 84 ÷ 87% ; H = 10 ÷ 14% ; O = 0,1 ÷ 1% ; S

= 0,01 ÷ 5%

Ngoài ra còn một vài thành phần khác chiếm một tỷ lệ rất nhỏ Để đơn

giản cho tính toán chúng ta quy ước : gọi C ,H, O, S là khối lượng (kg) các thành

phần cacbon, hydro, ôxy, lưu huỳnh có trong 1kg nhiên liệu

C + H + O + S = 1 kg nhiên liệu

Tức là trong nhiên liệu không có các thành phần khác nữa Để tính lượng

không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu ta đi tính

lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá các thành phần có trong nhiên liệu

Bằng cách viết các phản ứng cháy tương tự cho hydrô và lưu huỳnh, lưu ý

rằng trong bản thân nhiên liệu có chứa một lượng oxy là O kg, qui thành

nguyên tố khác Do vậy lượng oxy cần thiết thực tế cũng giảm đi một lượng

bằng lượng oxy có trong nhiên liệu Ngoài ra, chúng ta cho rằng trong không

không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu sẽ là:

Nếu nhiên liệu có các thành phần nguyên tố theo tỷ lệ:

C = 87%; H = 12,6%; C = 0,4% thì L o = 0,495 kg/kg nh.l

Nếu tính theo trọng lượng thì: G0 =μ.L0 = 28,97.0, 495 14,3 = kmol/kg nh.l

Trong công thức tính toán lượng không khí lý thuyết, ta giả thiết không khí

là không khí khô hoàn toàn Trong trường hợp không khí là không khí khô,

hàm lượng ôxy tính theo thể tích là 21% Còn trong trường hợp là không khí ẩm

cần phải xác định lại hàm lượng ôxy có trong không khí muốn vậy ta dựa vào

quan hệ cơ bản sau:

1

2 2

O

Trong đó : O2v là hàm lượng oxy có trong không khí ẩm tính theo thể tích;

2

v

lượng hơi nước trong không khí ẩm tính theo thể tích

Hàm lượng hơi nước có trong không khí ẩm tính theo thể tích có thể xác

định theo công thức sau :

là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí đang xét

Ta biết rằng trong không khí giữa ôxy và nitơ có quan hệ theo thể tích sau:

2

2

0, 209

0, 264 0,791

v v

O

Kết hợp hai điều kiện (2-15) ; (2-16) chúng ta sẽ xác định được lượng

không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu trong điều kiện

không khí ẩm như sau :

' 0

ϕ

−

kmol/kg nh.l (2.18)

Do lượng oxy trong không khí ẩm ít hơn lượng oxy trong không khí

khô nên lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt hết 1kg nhiên liệu khi không

lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu khi không khí là

không khí ẩm thì đương nhiên là có :

L'0 >L0

2 Lượng không khí thực tế để đốt cháy 1 kg nhiên liệu

Thực tế do quá trình hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu xảy ra bên

trong xy lanh công tác trong một thời gian rất ngắn, do đó để đảm bảo cho quá

trình hoà trộn và cháy tốt, lượng không khí thực tế đưa vào trong xy lanh động cơ

trong quá trình nạp bao giờ lớn hơn trọng lượng không khí lý thuyết cần thiết để

đốt cháy hết 1kg nhiên liệu

Lượng không khí dư thừa so với lượng không khí lý thuyết được đánh giá

bằng hệ số dư lượng không khí…

o

L

L

=α

Trong đó: L là lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh công tác để đốt cháy

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 28

Trong một chu trình công tác, hệ số dư lượng không khí α được tính như

Trong điều kiện không khí ẩm, lượng không khí thực tế để đốt cháy hết 1kg

ϕ

Từ công thức (2.21) ta thấy: Khi φ tăng, lượng hơi nước chiếm chỗ trong

không khí cũng nhiều do vậy lượng oxy càng ít Nếu lượng không khí nạp vào xy

lanh động cơ không đổi thì hệ số dư lượng không khí α trong trường hợp này sẽ

giảm, quá trình cháy sẽ kém đi Nếu để giữ nguyên hệ số lượng không khí α thì

cần thiết phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, làm giảm công suất

động cơ

Ngoài ra khi trong không khí nạp có chứa hơi nước sẽ làm giảm chỉ số nén

đa biến Điều này dẫn đến là các thông số cuối quá trình nén sẽ thấp Do ảnh

trình cháy chuyển sang đường giãn nở, nhiệt độ khí xả tăng, tính kinh tế của chu

trình sẽ giảm xuống

2.3.2 Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

1 Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (M’)

Để tính số lượng mol sản phẩm cháy, ta giả thiết quá trình cháy diễn ra hoàn

hoàn và hệ số dư lượng không khí α >1

và lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy

Lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ để đốt cháy 1kg nhiên

Ta xem là trong không khí O2 chiếm 21% về thể tích và N2 là 79% Vậy

32 2 12 ' = C + H + S + α −

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

ΔM'= M'−L = M'−α.L o

S H C

32 2 12

Từ công thức này chúng ta thấy rằng số gia sản phẩm cháy không phụ thuộc

nhiên liệu Có nghĩa là nó chỉ phụ thuộc thành phần hoá học của nhiên liệu

2.3.3 Hệ số thay đổi phân tử

2.3.3.1.Hệ số thay đổi phân tử hóa học (β0)

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 30

r r

r x

M L

M x M

L

M M x L

+

Δ +

= +

+ Δ +

= 1

' 1

Trong phản ứng đốt cháy 1kg nhiên liệu, giả sử có L kmol không khí

tham gia Sau phản ứng cháy, số lượng sản phẩm cháy sẽ không còn bằng L nữa

mà có trị số là M’, đồng thời thể tích của sản phẩm cháy cũng thay đổi

o o

L

O H L

M L L

M

32

8 1 ' '

1 +

=

o

Như vậy hệ số thay đổi phân tử hóa học luôn luôn lớn hơn 1 và nó chỉ phụ

2 Hệ số thay đổi phân tử thực tế (β)

Thực tế khí tham gia phản ứng cháy, trong xy lanh không chỉ chứa không

khí sạch hoàn toàn mà còn có một lượng khí cháy còn sót lại của chu trình công

tác trước

Gọi M là số lượng mol khí sau phản ứng cháy Phản ứng cháy làm cho số

tham gia phản ứng cháy, nghĩa là số lượng mol khí sót không thay đổi

0

1

r r

β γβ

γ

+

=

Hệ số thay đổi phân tử thực tế β cũng có thể được xác định tại một thời điểm

bất kỳ cùa quá trình cháy như sau:

Gọi x là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm đang xét, khi đó số gia sản phẩm

M x =L+x MΔ '

Và:

Chia cả tử và mẫu cho L ta được:

M L

M L

o

' '

1+ Δ

= Δ +

x

r

x ββ

γ

−

= +

+ (2.27) Khi x = 0 thì β x = 1: nhiên liệu chưa cháy

Khi x = 1 thì β x = β: nhiên liệu cháy hết

Trong tính toán của các quá trình cháy về sau, để đơn giản cho việc tính

quá trình cháy nhiên liệu động cơ diesel có một phần nhiên liệu cháy không hoàn

toàn Sự cháy không hoàn toàn sẽ sinh ra các oxit cácbon Ngoài ra trong sản

phẩm cháy còn có một phần các bon chưa cháy Thành phần của các chất trong

sản phẩm cháy được xác định bằng các thiết bị phân tích khói

2.3.4 Phương trình nhiệt động của quá trình cháy

2.3.4.1 Khái niệm về hệ số sử dụng nhiệt

Trong tính toán nhiệt động, quá trình cháy trong động cơ diesel được xem là

bao gồm hai quá trình:

Điểm C được xem là điểm bắt đầu cháy, còn điểm Z là điểm kết thúc quá

trình cháy

Trong thực tế, năng lượng của nhiên liệu khi cháy không thể được sử dụng

một cách hoàn toàn để nâng cao nộ năng của chất khí và sinh công Một phần

nhiệt bị mất mát do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu Quá trình cháy

không hoàn toàn được thể hiện bằng các sản phẩm cháy trung gian Một phần

nhiệt khác bị mất mát do sự trao đổi nhiệt của khí cháy cho thành vách xy lanh

cháy Quá trình phân hủy này thu nhiệt, khi nhiệt độ chu trình giảm xuống

(trên đường giãn nở) quá trình xảy ra ngược lại, tức là các phân tử lại kết hợp

với nhau, quá trình này tỏa nhiệt Tuy nhiên lượng nhiệt toả ra nhỏ hơn lượng

nhiệt thu vào trong quá trình phân hủy, tức là đã có tổn thất nhiệt độ phân

hủy Trong động cơ diesel, lượng nhiệt mất mát này không đáng kể (khoảng

2%) vì nhiệt độ khí cháy thấp, còn trong động cơ xăng, giá trị này lớn hơn

Trong trường hợp đốt 1 kg nhiên liệu, nếu gọi nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 32

Nếu tính đến phần nhiệt mà khí cháy trao cho thành vách xy lanh thì khi đó

ta có:

XL PH KC H

Q

Q Q Q

Q − ( + + )

=

ξ

tất cả các tổn thất nhiệt khi nhiên liệu cháy sinh ra

Sự thay đổi hệ số sử dụng nhiệt được biểu thị trên hình 2.2 Từ hình vẽ ta

thấy giá trị hệ số sử dụng nhiệt có thể không đạt giá trị cực đại tại khởi động mà

triển, mất mát nhiệt do khí xả càng tăng và do đó tính kinh tế của chu trình cũng

giảm xuống

Hình 2.2 Sự thay đổi của hệ số sử dụng nhiệt ξ

Trong tính toán và nghiên cứu chu trình công tác, chúng ta quan tâm đến hai

giá trị ξ Đó là ξ tại z kí hiệu ξz, tại b:ξb Giá trị ξ đánh giá lượng nhiệt sử dụng

được để biến đổi nội năng để sinh công Do vậy (1-ξ) sẽ đánh giá phần nhiệt mất

mát trong quá trình cháy

Động cơ cao tốc: ξz = 0,7 – 0,84 ; ξb = 0,85 – 0,90

Giá trị ξzcàng lớn, lượng nhiệt mà chất khí sử dụng được trong quá trình

cháy để biến đổi nội năng chất khí và sinh công càng lớn, hiệu quả của quá trình

cháy nhiên liệu càng cao Nhưng đồng thời cũng sẽ làm cho các thông số tại z

cao, một trong những vấn đề cần được quan tâm để đảm bảo động cơ làm việc an

toàn và tin cậy

2.3.4.2 Phương trình nhiêt động của quá trình cháy

Cơ sở để thành lập phương trình nhiệt động của quá trình cháy là định luật

nhiệt động học thứ nhất đươc viết dưới dạng sau:

Z Z Z

CZ Z

Q 1 = Δ 1 + 1Δ

Hình 2.3 Đồ thị công chỉ thị

và sinh công trên đoạn Z1Z là ξZ.Q

ξ

Trong đó:

Z

427

A= ;

1

Z Z

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 r http://www.ebook.edu.vn 34

v r v r

v r v v

C C

M L

C M C L C

γ

γ+

+

= +

+

=

1

.

'''

Tại điểm Z ta xem số lượng mol của chất khí là M Khi đó nội năng chất khí

Nội năng chất khí tại điểm c: U c =M C T a .v" c

Dựa theo phương trình nhiệt động học thứ nhất ta có:

z.Q H M a.C v''' T c A.L z M.C v'' T z

= +

Bây giờ trước hết ta tính

1

Z Z

động trên đoạn Z1Z): LZ Z1 = p vz. z − p vz1. z1 = p vz. z − λ p vc. c

Viết phương trình trạng thái cho chất khí tại điểm c và điểm Z ta có:

Tại c: p V c. c =M a.848.T c (coi Ma = M0: bỏ qua sự rò lọt khí)

99 , 1

+

= +

ξ

(2.33) Thay C v" + 1,99 =C"p khi đó ta có:

99 , 1

βλ

(2.34)

Để có thể phân tích rõ hơn các thông số trong phương trình trên, ta tiếp tục

biến đổi các thông số của hỗn hợp khí (không khí và khí sót ở điểm c) theo những

thông số riêng rẽ như sau:

Số mol khí tại điểm a (bằng số mol khí tại điểm c) được tính:

Viết phương trình cân bằng nhiệt cho hỗn hợp không khí và khí sót trên

cơ sở nhiệt lượng của hỗn hợp khí bằng tổng nhiệt lượng của các khí thành

phần:

M a.C v''' T c =L.C v' T c +M r.C v'' T c

(2.36)

Phương trình (2.37) là phương trình nhiệt động học của qúa trình cháy,

trong đó nhiệt lượng của sản phẩm cháy tạo thành cân bằng với tổng nhiệt lượng

của các thành phần tham gia

kể

khí xả gây tác động xấu đến môi trường và sức khỏe người khai thác vận hành

qúa trình cháy sang đường giãn nở Về kết cấu điều này được thực hiện bằng

cách giảm góc phun sớm Song khi đưa qúa trình cháy sang đường giãn nở làm

cho mất nát nhiệt cho nước làm mát tăng và tăng nhiệt lượng do khí xả mang ra

ngoài Kết qủa là hiệu suất chỉ thị của động cơ giảm xuống, tính kinh tế của chu

trình giảm Ngoài ra, khi quá trình cháy trên đường giãn nở phát triển, trạng thái

nhiệt của nhóm piston xy lanh cũng xấu đi Trong các động cơ cao tốc biện pháp

cháy diễn ra bình thường

Từ (2.37) chúng ta thấy tăng lượng không khí có trong xy lanh ở đầu hành

càng nhiều, nó sẽ thu một phần nhiệt lượng lớn hơn để mang ra ngoài theo khí

xả làm cho nhiệt độ bình quân của chu trình giảm xuống Điều này đặc biệt có ý

nghĩa với những động cơ có tăng áp, khi mà với cùng một thể tích công tác,

nhưng lượng nhiên liệu đốt cháy nhiều hơn

Trong phương trình cân bằng nhiệt tại điểm Z (2.37), ta cần lưu ý:

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 36

c a

z c

c

z z

T M

T M V P

V P

.

.

Sau khi thay các giá trị nhiệt dung riêng ở trên vào phương trình (2.37) ta sẽ

A.T z2 +B.T z +C =0

2.3.4.3 Các thông số của qúa trình cháy

c

p p

βρλ

=

Thể tích v z = ρ.v c

trong phương trình cháy là một thông số cơ bản để xem xét một qúa trình cháy

của các yếu tố này với các kiểu, loại động cơ khác nhau cũng khác nhau

triển

cơ diesel do nhiệt độ cháy không cao lắm nên giá trị này tương đối nhỏ

Thành phần khí hỗn hợp hay hệ số dư lượng không khí α cũng có ảnh hưởng

đến ξz

Tốc độ cháy nhiên liệu, góc phun sớm, sẽ làm cho qúa trình cháy thay đổi

Qúa trình cháy càng muộn, tốc độ cháy chậm sẽ làm cho cháy rớt phát triển dẫn

đến giảm ξz

2.4 Qúa trình giãn nở

2.4.1 Diễn biến của qúa trình giãn nở

Việc giãn nở sản phẩm cháy trong xy lanh động cơ diễn ra khi piston chuyển

động từ ĐCT xuống ĐCD Trong các qúa trình của một chu trình công tác chỉ có

áp suất không đổi, bởi vì mặc dù piston chuyển động xuống, thể tích xy lanh của

động cơ tăng lên nhưng do nhiên liệu vẫn còn cháy mãnh liệt nên cho phép duy

trì áp suất không đổi trong xy lanh động cơ

Tuy nhiên khi miêu tả các qúa trình nhiệt động của động cơ đốt trong, chúng

ta giả định rằng qúa trình giãn nở bắt đầu từ điểm z và kết thúc ở điểm b trên

đồ thị công chỉ thị Trong thực tế, qúa trình giãn nở kết thúc khi mở các cửa

(trong động cơ 2 kỳ) hay là các xu páp xả (trong động cơ 4 kỳ)

Hình 2.4 Diễn biến qúa trình giãn nở

Nghiên cứu chu trình thực tế của động cơ đốt trong có thể nhận thấy rằng

luôn luôn thay đổi Ở đầu qúa trình giãn nở, do nhiên liệu còn tiếp tục cháy

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 38

nhỏ hơn k và nằm trong khoảng 1,1 ÷ 1,2 (hình 2.4) Do sự chuyển động của

piston xuống dưới nên bề mặt làm mát xy lanh tăng dần, trong khi đó, qúa trình

cháy rớt giảm dần nên lượng nhiệt mà công chất hấp thụ được giảm theo,

lượng nhiệt mà công chất hấp thụ được bằng lượng nhiệt mà nó truyền cho nước

Piston tiếp tục chuyển động xuống phía dưới, qúa trình cháy rớt giảm dần và kết

thúc, bề mặt làm mát tăng dần đến giá trị lớn nhất Do lượng nhiệt mà công

chất truyền chu nước làm mát lớn hơn lượng nhiệt do nó hấp thụ, tức là môi

được chứng minh qua phương trình:

k n C

nhất thì n2’ = k Tiếp theo ξ giảm thì n2’ tăng dần Như vậy, n2’ chủ yếu phụ thuộc

hệ số sử dụng nhiệt ξ Trong chu trình công tác, khi nhiên liệu bắt đầu cháy ξ bắt

đầu tăng nhưng có thể nó chưa đạt giá trị cực đại tại z mà sau điểm z (xem hình

3.4) Trường hợp đặc biệt ξ có thể đạt giá trị cực đại ngoài điểm b tức là trong

lượng nhiệt mất mát cho khí xả giảm

Ngoài ξ, chỉ số giãn nở đa biến còn phụ thuộc vào các yếu tố khác đó là:

các yếu tố khai thác và kết cấu

Tăng số vòng quay của động cơ qúa trình cháy rớt sẽ phát triển trên một

đoạn dài của qúa trình giãn nở Lượng nhiệt mà công chất hấp thụ trên đường

giãn nở tăng còn lượng nhiệt mà nó truyền cho nước làm mát giảm xuống do thời

Nếu số vòng quay của động cơ không đổi, tăng phụ tải của động cơ đòi hỏi

Các yếu tố làm thay đổi tốc độ cháy và qúa trình cháy đều là những nguyên

lượng không khí α, v.v…là những nhân tố tác động trực tiếp đến qúa trình cháy

Tăng hành trình của piston S làm cho bề mặt làm mát tăng lên Do vậy khả năng

z n

z b

z b

P V

V

P P

thuộc rất nhiều vào các yếu tố Trong tính toán, để xác định các thông số khí và

công của qúa trình giãn nở người ta không dùng qúa trình giãn nở đa biến với

chỉ số giãn nở đa biến biến đổi vì gặp rất nhiều khó khăn, mà thay bằng một qúa

nằm trong khoảng sau:

Động cơ thấp tốc công suất trung bình không làm mát đỉnh piston

n2 = 1,25 ÷ 1,28;

2.4.2 Các thông số của qúa trình giãn nở:

Áp suất cuối kỳ giãn nở được xác định từ phương trình đặc trưng:

Const V

P. n2 =

Tức là: 2 n2

b b

n z

Viết phương trình trạng thái cho chất khí tại điểm z và điểm b, coi số lượng

b b

T T

δ −

công tác Điều này đã được giải quyết trong những động cơ hiện đại có hành

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 40

b a

b b

b V M T M T

P = 848 = β .848

z a

z z

z V M T M T

P = 848 =β .848

trình siêu dài Mặt khác hiện nay các động cơ diesel tàu thủy có trang bị các

b

V

V V

Từ các công thức (2.41); (2.42); (2.43) chúng ta thấy rằng khi tăng chỉ số

rớt nhiên liệu trên đường giãn nở, tính kinh tế của động cơ tăng

2.4.3 Tính chỉ số giãn nở đa biến n 2

nhiệt động I Phương trình định luật nhiệt động I viết cho qúa trình giãn nở có

Trong qúa trình giãn nở đồng thời với việc cấp nhiệt cho công chất do sự

cháy rớt nhiên liệu là sự thải nhiệt ngoài thành vách xy lanh cho nước làm mát

Giả sử có 1kg nhiên liệu cháy tham gia vào trong chu trình có nhiệt trụ thấp là

QH Khi đó ΔQ Zbcó thể tính như sau:

Giá trị thay đổi nội năng được tính như sau:

z v z b v b z b