phân tích cơ sở lý thuyết xác định hiệu xuất, xuất tiêu hao nhiên liệu động cơ Điezen

Tài liệu tham khảo phân tích cơ sở lý thuyết xác định hiệu xuất, xuất tiêu hao nhiên liệu động cơ Điezen

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 GS TS NGUYỄN TẤT TIẾN

Nguyên lý động cơ đốt trong

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC

2 PTS QUÁCH ĐÌNH LIÊN

Thiết kế nguyên lý động cơ diezel

NHÀ XUẤT BẢN NÔNG NGHIỆP 1993

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay trên thế giới khoa học và công nghệ phát triển rất mạnh

mẽ Định hướng phát triển của nước ta đến năm 2020 cơ bản trở thành nước công nghiệp Với yêu cầu cấp bách hiện nay là phải phát triển nhanh chóng các trang thiết bị máy móc hiện đại để phục vụ cho phát triển kinh tế Bên cạnh việc phát triển thiết bị máy móc đảm bảo được chất lượng và năng suất để phát triển sản xuất, thì cần phải có trang thiết

bị máy móc để bảo vệ môi trường, để đảm bảo cho đất nước phát triển ổn định

Với mục đích nâng cao chất lượng và tính kinh tế của động cơ điêzen Bộ môn Động lực, khoa Cơ khí, trường đại học Nha Trang giao

cho tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Phân tích cơ sở lý thuyết xác định

hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ điêzen”

Nội dung của luận văn gồm bốn phần:

1 Giới thiệu các thông số tính năng động cơ điêzen

2 Phân tích cơ sở lý thuyết xác định hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ điêzen

3 Thực nghiệm xác định suất tiêu hao nhiên liệu động cơ điêzen tại phòng thí nghiệm động cơ bộ môn động lực, khoa cơ khí

4 Thảo luận

Do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế, thời gian và điều kiện làm

đề tài có hạn Cho nên, đề tài không chánh khỏi những sai sót Do đó, em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô cùng toàn thể các bạn sinh viên quan tâm đến đề tài này

Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Phùng Minh Lộc

và thầy TS Lê Bá Khang đã tận tình giúp đỡ em thực hiện đề tài này

Nha trang, ngày 26 tháng 11 năm 2007 Sinh viên thực hiện

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LVTN

Họ tên SV: Lê Ngọc Tân Lớp: 43DLTT

Nghành: Cơ khí Động Lực Mã nghành

Tên đề tài: “Phân tích cơ sở lý thuyết xác định hiệu suất, suất tiêu hao

nhiên liệu động cơ điêzen”

Số trang: Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Kết luận: ………

………

………

………

……… Nha trang, ngày tháng năm 2007 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LVTN

Nghành: Cơ khí Động Lực Mã nghành

Họ tên SV: Lê Ngọc Tân Lớp: 43DLTT

Tên đề tài: “Phân tích cơ sở lý thuyết xác định hiệu suất, suất tiêu hao

nhiên liệu động cơ điêzen”

Số trang: Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 4

NHẬNN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

Kết luận: ………

………

………

……… Nha trang, ngày tháng năm 2007

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

(ký và ghi rõ họ tên)

Nha trang, ngày tháng năm 2007 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(ký và ghi rõ họ tên) ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

1.1 Tốc độ động cơ:

1.1.1 Tốc độ quay (n):

Là số vòng quay của trục khuỷu trong một đơn vị thời gian Đơn vị

thường dùng của tốc độ quay là vòng/ phút, viết tắt là (vg/ph) hoặc (rpm)

Tốc độ quay của động cơ thường thay đổi trong quá trình hoạt động, tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc hoặc yêu cầu của người vận hành động cơ Cần phân biệt một số khái niệm liên quan đến tốc độ quay sau đây:

a Tốc độ quay danh nghĩa nn:

Tốc độ quay do nhà chế tạo định ra và là cơ sở để xác định công suất danh nghĩa, để tính toán các kích thước cơ bản của động cơ để lựa chọn chế độ làm việc hợp lý, v.v

b Tốc độ quay cực đại nmax:

Tốc độ quay lớn nhất mà nhà chế tạo cho phép sử dụng trong một khoảng thời gian xác định mà động cơ không bị quá tải

c Tốc độ quay cực tiểu nmin:

Tốc độ quay nhỏ nhất, tại đó động cơ vẫn có thể hoạt động ổn định

d Tốc độ quay ứng với công suất cực đại nN:

e Tốc độ quay ứng với mômen quay cực đại nM:

f Tốc độ quay ứng với suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất ng:

g Tốc độ quay khởi động nk:

Tốc độ quay nhỏ nhất tại đó có thể khởi động được động cơ

h Tốc độ quay sử dụng ns:

Tốc độ quay được người thiết kế tổ hợp động cơ máy công tác khuyến cáo sử dụng để vừa phát huy hết tính năng của động cơ, vừa đảm bảo độ tin cậy và tuổi bền cần thiết

Bảng 1-1.Tốc độ quay của động cơ điêzen thường gặp:

Tốc độ quay (vg/ph) Động cơ điêzen

N n g M min

Hình 1-1.Các đặc điểm đặc trưng đặc tính tốc độ của động cơ điezen

1.1.2 Vận tốc trung bình của piston Cm:

Cm=

30

.n S

Đối với động cơ thuỷ có thể phân loại như sau:

yếu bằng động cơ cao tốc Động cơ trung tốc thường được sử dụng làm nguồn động lực cho tàu kéo, phà, tàu cá xa bờ, máy phát điện, máy nén lạnh, v.v…phần lớn động cơ ôtô thuộc loại cao tốc và xu hướng chung trong công nghiệp ôtô là tăng tốc của động cơ

Trong khi tốc độ danh nghĩa nn của động cơ điêzen do nhà chế tạo định ra thì tốc độ quay cực tiểu nmin lại không chỉ tuỳ thuộc vào mong muốn chủ quan của người thiết kế, chế tạo hoặc người khai thác kỹ thuật động cơ Ở tốc độ quay quá thấp, chất lượng quá trình hình thành hỗn hợp cháy sẽ rất kém, áp suất và nhiệt độ môi chất công tác trong xilanh sẽ không đủ cao do nhiệt độ, lượng khí sót qua khe hở giữa piston-xilanh-segment và lượng nhiệt truyền qua vách xilanh lớn Kết quả là nhiên liệu không bốc cháy được hoặc cháy không ổn định Tóm lại, tốc độ quay cực tiểu của động cơ được quyết định bởi điều kiện đảm bảo cho quá trình cháy diễn ra một cách ổn định ở tốc độ quay thấp Điều đó phụ thuộc vào chất lượng thiết kế, chế tạo, lắp giáp động cơ điezen tốc độ quay thấp và tình trạng kỹ thuật của nó Ngoài ra, động cơ tăng áp bằng tuabin khí thải

- máy nén khí, trị số tốc độ quay cực tiểu còn bị giới hạn bởi "hiện tượng bơm" xuất hiện khi tốc độ quay của động cơ giảm xuống quá thấp so với tốc độ quay thiết kế Động cơ xe cơ giới đường bộ có nmin nhỏ sẽ có tuổi bền cao hơn và tiêu hao ít nhiên liệu hơn vì thời gian hoạt động ở chế độ quay cực tiểu của loại động cơ này chiếm tỉ lệ quay đáng kể trong tổng thời gian vận hành động cơ Động cơ thuỷ có nmin nhỏ sẽ đảm bảo tính an toàn và tin cậy cao hơn khi vận hành tàu thuỷ trong điều kiện không thuận lợi, như: trong khu vực cảng, trên các đoạn sông chật hẹp,v.v…

1.2 Tải của động cơ:

Tải là đại lượng đặc trưng cho số cơ năng mà động cơ phát ra trong một chu trình công tác hoặc trong một đơn vị thời gian các đại lượng được dùng để đánh giá tải của động cơ điêzen bao gồm: áp suất trung bình, công suất, momen quay

1.2.1 Áp suất trung bình của pittong:

Áp suất trung bình của chu trình là đại lượng được xác định bằng tỉ

số giữa công sinh ra trong một chu trình gọi tắt là công chu trình và dung tích công tác của xilanh, có:

Vh - dung tích công tác của xilanh (m3)

Tuỳ thuộc vào công chu trình được xác định như thế nào có thể xác định, có thể phân biệt:

- Áp suất lý thuyết trung bình:

Lt - công lý thuyết của chu trình (J);

Li - công chỉ thị của chu trình (J);

Le - công có ích của chu trình (J);

Vh - dung tích công tác của xilanh (m3 )

Le= Li- Lm ; (J) (1.6)

Lm - công tổn thất của chu trình (J)

a Công lý thuyết Lt:

Là công của chu trình lý thuyết, khi xây dựng chu trình lý thuyết,

người ta đã chọn đơn giản hoá các quá trình nhiệt động thực tế, trong đó

có việc bỏ qua mọi dạng tổn thất năng lượng có thể tồn tại trong một chu trình thực tế, như: tổn thất do nhiên liệu cháy không hoàn toàn, tổn thất

do nhiệt truyền từ môi chất công tác qua vách xilanh, tổn thất do ma sát,v.v…nhằm mục đích thiết lập được các đặc tính và mức độ ảnh hưởng của các thông số và của các quá trình nhiệt động chủ yếu đến các chỉ tiêu của chu trình bằng con đường lý thuyết qua đó có thể định ra được phương hướng nâng cao công suất và hiệu suất của động cơ thực tế Như vậy, với chu trình lý thuyết chỉ tồn tại một dạng tổn thất năng lượng duy nhất, đó là lượng nhiệt phải truyền cho nguồn lạnh theo quy định của định luật nhiệt động II và công lý thuyết chính là hiệu của số nhiệt năng cấp cho môi chất công tác Q1 và nhiệt năng truyền từ môi chất công tác cho nguồn Q2

Lt = Q1 - Q2 ; (J) (1.7)

b Công chỉ thị Li:

Là công do môi chất công tác sinh ra trong một chu trình thực tế, trong đó chưa xét đến phần tổn thất cơ học Có thể xác định công chỉ thị như sau:

Li = Q1 – ΔQi = Q1 – (Qm + Qx + Qkh + Qcl) ; (J) (1.8)

trong đó:

Q1 - lượng nhiệt cấp cho chu trình (lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu đưa vào buồng cháy trong một chu trình công tác);

ΔQi - tổng nhiệt năng bị tổn thất trong một chu trình nhiệt động thực tế;

Qm - tổn thất do làm mát (phần nhiệt năng truyền từ môi chất công tác qua vách xilanh cho môi chất làm);

Qx - tổn thất theo khí thải (phần nhiệt theo khí thải ra khỏi không gian công tác do sự khác biệt về nhiệt độ, nhiệt dung riêng và lưu lượng khí thải so với khí mới);

Qcl - phần nhiệt tổn thất không tính chính xác được vào các dạng tổn thất kể trên, ví dụ: tổn thất do lọt khí qua khe hở giữa piston và xilanh, lọt khí do xupáp không kín, tổn thất do bức xạ nhiệt từ các chi tiết nóng của động cơ

c Công tổn thất cơ học Lm:

Là công tiêu hao cho các hoạt động mang tính chất cơ học khi thực hiện một chu trình công tác Các dạng tổn thất năng lượng sau đây thường được tính vào công tổn thất cơ học:

- Tổn thất do ma sát giữa các chi tiết của chuyển động tương đối với nhau

- Phần năng lượng tiêu hao cho việc dẫn động các thiết bị và cơ cấu của bản thân động cơ, như: bơm nhiên liệu, bơm dầu bôi trơn, bơm nước làm mát, cơ cấu phân phối khí,v.v…

- "Tổn thất bơm" phần cơ năng tiêu hao cho quá trình thay đổi khí

d Công có ích Le:

Là công thu được ở đầu ra của trục khuỷu đó là phần cơ năng thực

tế có thể dẫn động được hộ tiêu thụ công suất

Le = Q1 - ΔQe = Li - Lm ; (J) (1.9)

trong đó:

ΔQe - là tổng của tất cả các dạng tổn thất năng lượng khi thực hiện một chu trình công tác thực tế

Ý nghĩa vật lý của "áp suất chỉ thị trung bình":

Tên gọi “áp suất chỉ thị trung bình” không những bao hàm ý nghĩa

về thứ nguyên và cả ý nghĩa vật lý của khái niệm Tuy nhiên công thức (1.4) chỉ là cách định nghĩa theo kiểu toán học, nó chưa thể hiện rõ bản

chất của khái niệm áp suất trung bình của chu trình Có thể giải thích ý nghĩa vật lý của khái niệm áp suất chỉ thị trung bình trên cơ sở đồ thị công chỉ thị của động cơ như sau:

P

ba

cc'z

Ai=Azb-Aac tương ứng với công chỉ thị của chu trình Nếu ta thay diện tích

Ai bằng diện tích hình chữ nhật có đáy bằng chiều dài đoạn c’a’ và chiều cao bằng pi chính là áp suất chỉ thị trung bình của chu trình Như vậy, nếu tác động lên piston trên một hành trình thì sinh ra một công bằng công chỉ thị của chu trình

Bảng 1-2 Tổn thất cơ học của động cơ điêzen

Loại tổn thất cơ học Trị số tương đối, (%) Tổn thất do ma sát:

- Ma sát gữa piston - xilanh - segment

1.2.2 Công suất động cơ:

Công suất là tốc độ thực hiện công Trị số công suất của động cơ cho ta biết động cơ đó mạnh hay yếu Công suất của động cơ điêzen thường được đo bằng đơn vị kilowatt (kW) hoặc mã lực (HP)

1HP = 0,735 kW

Cần phân biệt khái niệm công suất sau đây của động cơ điêzen

a Công suất chỉ thị Ni:

Là tốc độ thực hiện công chỉ thị của động cơ Nói cách khác, công

suất chỉ thị là công suất của động cơ, trong đó bao gồm các phần tổn thất

cơ học

b Công suất có ích Ne:

Công suất của động cơ được đo ở đầu ra của trục khuỷu

Từ định nghĩa của áp suất, công suất trung bình của chu trình và tốc độ quay, ta có: các công thức xác định công suất chỉ thị và công suất

có ích dưới đây:

; (kW) (1.10)

; (kW) (1.11)



30

n i V

Vh- thể tích công tác của xilanh (m3);

i - số xilanh của động cơ;

n - số vòng quay của trục khuỷu (vg/ ph);

Ni - công suất chỉ thị ( kW);

Ne - công suất có ích (kW);

pe - áp suất có ích (N/m2) ;

τ - số kỳ của chu kỳ

c Công suất danh nghĩa Nen:

Công suất có ích lớn nhất mà động cơ có thể phát ra một cách liên

tục mà không bị quá tải trong những điều kiện quy ước

Các điều kiện cơ bản được quy ước khi xác định công suất danh

nghĩa của động cơ điêzen bao gồm:

- Điều kiện khí quyển tiêu chuẩn

- Tốc độ quay danh nghĩa

- Loại nhiên liệu và chất bôi trơn xác định

- Trang thiết bị phụ trợ cho động cơ khi đo công suất,v.v…

Vấn đề trang bị cho động cơ điêzen khi đo công suất cũng được

quy định không hoàn toàn giống nhau Ví dụ: tiêu chuẩn của Đức (DIN),

của Ba Lan (PN) và nhiều nước châu Âu khác quy định khi đo công suất

động cơ phải được trang bị đầy đủ các bộ phận phụ, như lọc không khí,



30

.V i n

p

N i h

i

bình tiêu âm, quạt gió,v.v… giống như khi nó làm việc trong thực tế Trong khi đó, tiêu chuẩn của Liên Xô (ΓOCT), của Mỹ (SAE) cho phép

đo công suất của động cơ với các bộ phận phụ kể trên là trang thiết bị tiêu chuẩn của phòng thí nghiệm Chính vì điều kiện thí nghiệm không hoàn toàn giống nhau nên công suất danh nghĩa của cùng một loại động cơ cũng khác nhau Ví dụ: công suất động cơ được đo theo SEA lớn hơn khoảng 10 – 25 % so với công suất đo theo (DIN) nếu đo theo tiêu chuẩn (CUNA) của Italia thì lớn hơn 5 – 10 %

d Công suất quy đổi Neq:

Công suất của động cơ đã được hiệu chỉnh theo các điều kiện tiêu chuẩn

Chúng ta đã biết rằng, công suất và một số chỉ tiêu khác của động

cơ diesel, như momen quay, suất tiêu hao nhiên liệu, lượng tiêu hao nhiên liệu giờ, v.v chịu ảnh hưởng đáng kể của môi trường xung quanh, đặc biệt là áp suất và nhiệt độ Để có thế so sánh kết quả thí nghiệm được tiến hành trong những môi trường khác nhau, cần phải quy đổi kết quả đo thực tế theo các điều kiện tiêu chuẩn

TCVN 1685 – 75 quy định cách quy đổi công suất của động cơ diesel không tăng áp như sau:

293

273 746

.

P B N

N

n e

Neq - công suất quy đổi (kW);

Ne - công suất đo được khi thí nghiệm (kW);

B - áp suất khí quyển trong khi thí nghiệm (mmHg);

Pn - phần áp suất của hơi nước trong không khí ẩm trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí tại phòng thí nghiệm (mmHg);

t - nhiệt độ của không khí trong phòng thí nghiệm được đo ở khoảng cách 1,5 m từ miệng hút không khí của động cơ (oC)

Tiêu chuẩn PN – 78/S – 02005 của Ba Lan khuyến nghị cách quy đổi các kết quả thí nghiệm như sau:

Neq - công suất quy đổi (kW);

Meq - mô men quay (N.m);

geq - suất tiêu hao nhên liệu giờ quy đổi (g/kW.h);

Geq - lượng tiêu hao nhiên liệu giờ quy đổi (kg/h);

Ne - công suất đo trong phòng thí nghiệm (kW);

Me - momen quay đo trong phòng thí nghiệm (N.m);

geq - suất tiêu hao nhiên liệu giờ đo trong phòng thí nghiệm (g/kW.h);

Ge - lượng tiêu hao nhiên liệu giờ đo được trong phòng thí nghiệm (kg/h);

Ko - hệ số quy đổi;

B - áp suất khí quyển trong phòng thí nghiệm (kPa);

T - nhiệt độ không khí trong phòng thí nghiệm

e Công suất cực đại Nemax:

Công suất có ích lớn nhất mà động cơ có thể phát ra trong một thời gian nhất định mà không bị qúa tải

TCVN 1684 – 75 quy định công suất cực đại của động cơ phải đạt 110% Nen trong khoảng thời gian một giờ Tổng số thời gian làm việc ở chế độ công suất cực đại không quá 10% tổng thời gian làm việc của động cơ Khoảng thời gian lặp lại chế độ công suất cực đại không được nhỏ hơn 6 giờ

f Công suất sử dụng N es:

Công suất có ích do người thiết kế tổ hợp động cơ, hộ tiêu thụ khuyến cáo sử dụng để vừa phát huy hết tính năng của động cơ vừa đảm bảo tuổi bền, độ tin cậy cần thiết

để đánh giá hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của động cơ Để đánh giá mức độ tổn thất trong từng công đoạn của quá trình biến đổi năng lượng, người ta đưa ra các khái niệm hiệu suất sau đây: hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị, hiệu suất cơ học, hiệu suất có ích

1.3.1 Hiệu suất lý thuyết ηt:

Là hiệu suất của chu trình lý thuyết Chu trình lý thuyết hay chu trình lý tưởng của động cơ điêzen là chu trình nhiệt động được xây dựng

trên cơ sở hàng loạt quá trình đơn giản hoá các quá trình nhiệt động diễn

ra trong không gian công tác của động cơ điêzen Mức độ đơn giản hoá được lựa chọn tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu Ví dụ: có thể giả định môi chất công tác là khí lý tưởng với nhiệt dung riêng hằng số hoặc là không khí với nhiệt dung riêng phụ thuộc vào thành phần của sản phẩm cháy; quá trình cháy thực tế có thể thay bằng quá trình cấp nhiệt từ một nguồn nóng bên ngoài động cơ hoặc thay bằng quá trình cháy được thực hiện trong những điều kiện lý tưởng hoá

Nếu giả định như sau:

- Môi chất công tác là không khí

- Quá trình nén và dãn nở là những quá trình đoạn nhiệt

- Quá trình cháy ở động cơ điêzen - một quá trình cháy diễn ra trong điều kiện đẳng tích và phần còn lại diễn ra trong điều kiện đẳng áp

- Qúa trình xả diễn ra trong điều kiện đẳng tích

Lt - công do môi chất tạo ra trong một chu trình (J/chu trình);

Q1- nhiệt do nguồn nóng cấp cho môi chất trong một chu trình (J/chu trình);

Q2 - nhiệt do môi chất nhả ra cho nguồn lạnh trong một chu trình ( J/chu trình)

1.3.2 Hiệu suất chỉ thị ηi:

Là hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động thực tế

t

t i

1 = t.ti (1.17)

Đại lượng t-1 =

L

L

t

i được gọi là hệ số diện tích đồ thị công, nó đặc

trưng cho mức độ khác nhau giữa đồ thị công chỉ thị và đồ thị công lý thuyết

1.3.3 Hiệu suất cơ học ηm:

Là đại lượng đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, tức là đánh giá mức độ hoàn thiện động cơ về mặt cơ học Nó được xác định bằng công thức

L

L L

L

i m i

- Chất lượng thiết kế, chế tạo và lắp ráp

- Chất bôi trơn và chế độ bôi trơn

- Tỷ số nén, tốc độ, tải,v.v…

1.3.4 Hiệu suất có ích ηe:

Hiệu suất có ích là tỷ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công có ích chia cho nhiệt lượng cấp cho động cơ, do nhiên liệu đốt cháy bên trong xilanh tạo ra Hai loại nhiệt lượng trên cần được xác định trong cùng một khoảng thời gian Ví dụ: một giây Nhiệt lượng chuyển thành công có ích, chính là công suất có ích Ne Còn nhiệt lượng cấp cho động cơ do nhiên liệu đốt cháy bên trong xilanh tạo ra là: Gnl, Qtk, ta có: e =

Q G

N

tk nl

e

. (1.19) trong đó:

Ne - công suất có ích (kW);

Gnl - lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giây (kg/s);

Qtk - nhiệt trị thấp của một kg nhiên liệu (J/kg)

1.4 Suất tiêu thụ nhiên liệu ge:

Hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của động cơ điêzen cũng đồng nghĩa với khái niệm "tính tiết kiệm nhiên liệu" của nó Trong thực tế khai thác, người ta ít dùng hiệu suất mà thường dùng đại lượng thể hiện lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để đánh giá tính tiết kiệm nhiên liệu Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ Ge Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để sinh ra một đơn vị công suất có ích trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng tiêu thụ nhiên liệu riêng có ích (gọi tắt là suất tiêu thụ nhiên liệu)

ge - suất tiêu thụ nhiên liệu (kg/W.s);

Gnl - lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giây (kg/s);

Ne - công suất có ích (kW)

1.5 Cường độ làm việc của động cơ điêzen:

Cường độ làm việc của động cơ điêzen có thể đánh giá bằng nhiều

thông số khác nhau Dùng đại lượng công suất lít để đánh giá cường độ

làm việc của động cơ

Công suất lít NL là tỷ số giữa công suất quy định của động cơ và

tổng thể tích công tác i.Vh đo bằng lít của động cơ:

NL =

V i

Trong bốn chỉ tiêu động lực của động cơ: Ne, Me, NL, pe thì Ne và

Me thể hiện công suất và momen quay của động cơ điêzen, còn Ne ,pe

phản ánh công suất và momen quy về một lít thể tích công tác của xilanh

Do đó, Pe phản ánh mức độ cường hoá về tải lượng (lượng nhiên liệu cấp

cho chu trình), còn NL phản ánh mức độ cường hoá cả về tải và về tốc độ

quay (n) của động cơ

CHƯƠNG 2 :

PHÂN TÍCH CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT

VÀ SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐIÊZEN

A Hiệu suất của động cơ điêzen

2.1 Hiệu suất lý thuyết

1

1

1  = 1-

Lt - công do môi chất tạo ra trong một chu trình (J/chu trình);

Q1- nhiệt do nguồn nóng cấp cho môi chất trong một chu trình (J/chu trình);

Q2 - nhiệt do môi chất nhả cho nguồn lạnh trong một chu trình (J/chu trình)

Chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ điêzen

Chu trình lý thuyết tổng quát của động cơ điêzen được thể hiện trên đồ thị (p - V):

Vh - thể tích công tác của xilanh (m3)

- Tỷ số tăng áp khi cháy

pz - áp suất cực đại khi cháy (N/m2);

pc - áp suất cuối quá trình nén (N/m2)

- Tỷ số giãn nở khi cháy:

Vz - thể tích cuối quá trình cấp nhiệt (m3);

Vc - thể tích đầu quá trình cấp nhiệt, cuối quá trình nén (m3)

- Tỷ số giãn nở sau khi cháy:

Vd - thể tích cuối quá trình giãn nở (m3);

Vz - thể tích cuối quá trình cấp nhiệt (m3)

- Tỷ số giảm áp khi nhả nhiệt:

pd - áp suất cuối quá trình giãn nở (N/m2);

pf - áp suất cuối quá trình nhả nhiệt cho nguồn lạnh (N/m2) Nếu gọi M là số kmol môi chất có trong mỗi chu trình, sẽ được:

Q1 = Q1v +Q1p = [mCv(Ty – Tc) + mCp(Tz – Ty)].M

Q2 = Q2v + Q2p = [mCv(Td – Tf) + mCp(Tf – To) ].M

y v

o f p f

d v

1

T T k T T

y z c

y

o f f

- Quá trình nén đoạn nhiệt:

V

V T

p

p T

T (2.9)

- Quá trình đẳng áp:

    1

.

V

V T

o

o

k k

k o

k k

z

p

p T

T

1

1 1

.

   k

k k

o d

d

f d

p

p T

T

1 1

T T T

T

y z o

y

o f f

1 1

1 1

o k

o k

o

o k k

o k

k o k k k

o t

T T

T T

T T

T T

1 1

1 1

k k

k k k

z

d

k k

z d

1

sau khi rút gọn sẽ được:

.

1

1 1 1

1

1 1

k

trong đó:

ε- tỷ số nén;

σ - tỷ số giảm áp khi nhả nhiệt;

ηt - hiệu suất lý thuyết;

λ - tỷ số tăng áp khi cháy;

ρ - tỷ số giãn nở khi cháy

Động cơ điêzen các thông số có giá trị sau:

- Hệ số tăng áp khi cháy: λ = 3 – 4

- Hệ số giãn nở khi cháy: ρ = 1,2 – 1,7

- Tỷ số nén của động cơ điêzen: ε = 14 – 23

2.2 Hiệu suất chỉ thị ηi:

Hiệu suất chỉ thị là tỷ số giữa nhiệt lượng được chuyển thành công chỉ thị với nhiệt lượng cấp cho động cơ trong cùng một thời gian Nếu lấy thời gian của một chu trình ta sẽ được biểu thức:

Q g

L

tk ct

i

 (2.14)

trong đó:

Li - công chỉ thị của một chu trình (J);

Qtk - nhiệt trị thấp của một kg nhiên liệu (J/kg);

gct - khối lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình (kg/chu trình)

Trong i ngoài phần tổn thất nhiệt phải nhả cho nguồn lạnh còn thêm những tổn thất nhiệt khác như: nhiệt truyền qua vách xilanh, tổn thất nhiệt do nhiên liệu cháy không kiệt, không kịp thời, do phân giải sản

vật cháy,v.v… tức là tất cả những tổn thất nhiệt khác, khi thực hiện chu trình làm việc của động cơ

Công chỉ thị của chu trình Li:

Là do môi chất công tác sinh ra trong một chu trình thực tế, trong

đó chưa xét đến phần tổn thất cơ học, ta có thể xác định công chỉ thị theo công thức sau:

pi - áp suất chỉ thị của chu trình làm việc (N/m2);

Vh - thể tích công tác của xilanh (m3)

Thể tích công tác của xilanh Vh:

Để xác định được thể tích công tác của xilanh ta dựa vào phương trình trạng thái sau:

T

V

p M

g

k

h v k ct

8314

h

p

T M

i i

p

T M

g p

L  8314 1 (2.17) Thay (2.17) vào (2.14), sẽ được:

p Q

p T M Q

g T p

T M g p

k v tk

i k

tk ct v k

k i ct i

p T

Đối với động cơ diesel có thể thay:







k o

L o - lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy nhiên liệu

k- phân tử lượng của không khí và





k

k k

k i i

i i

 - hệ số dư lượng không khí;

L o - lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt 1kg nhiên liệu

Nhiệt trị là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy một kg nhiên liệu, (hoặc 1m3 tiêu chuẩn nhiên liệu) nhiên liệu (điều kiện tiêu chuẩn p = 760 mmHg và t = 0oC)

Khi đo nhiệt trị, người ta đốt nhiên liệu ở nhiệt độ nào đó (nhiệt độ môi trường), nhiệt lượng được sản ra do nhiên liệu bốc cháy sẽ được nước (hoặc vật khác) hấp thụ, nước làm lạnh sản vật cháy tới nhiệt độ môi trường trước khi đốt, sau đó dựa vào lượng nhiên liệu tiêu hao, lưu lượng và mức tăng nhiệt độ của nước sẽ tính đựơc nhiệt trị của nhiên liệu

Cần phân biệt nhiệt trị thấp với nhiệt trị cao

Nhiệt trị cao Qc: là toàn bộ số nhiệt lượng thu được khi đốt cháy một kg (hoặc 1m3 tiêu chuẩn) nhiên liệu, trong đó có cả số nhiệt lượng do hơi nước được tạo ra trong sản vật cháy ngưng tụ lại thành nước nhả ra, khi sản vật cháy được làm lạnh tới bằng nhiệt độ trước khi cháy được gọi

là nhiệt ẩn trong hơi nước Trên thực tế, khí xả từ động cơ thải ra ngoài trời ở nhiệt độ rất cao do đó hơi nước trong khí xả chưa kịp ngưng tụ đã

bị thải mất, vì vậy chu trình công tác của động cơ không thể sử dụng số nhiệt ẩn này để tính công Do đó, khi tính chu trình công tác của một động cơ người ta dùng nhiệt trị thấp Qtk, nhỏ hơn Qc một số nhiệt lượng vừa bằng nhiệt ẩn của hơi nước được tạo ra khi cháy

Có thể xác định nhiệt trị thấp Qtk của nhiên liệu theo công thức meldeleep sau đây, nếu biết thành phần khối lượng của nhiên liệu lỏng

Qtk 33 , 915 C 126 h 10 , 39  OnlS 2 , 512  9 h w  (MJ/kg) (2.20)

Trong đó:

w - thành phần khối lượng của nước trong nhiên liệu;

h - thành phần khối lượng của H trong nhiên liệu

b.Hệ số nạp v:

Hệ số nạp là tỉ số giữa lượng môi chất mới nạp vào xilanh ở đầu quá trình nén khi đã đóng các cửa nạp và cửa xả m1 kmol hoặc Gk kg so với lượng môi chất mới lý thuyết Mh có thể nạp đầy vào thể tích công tác của xilanh Vh ở điều kiện nhiệt độ và áp suất ở phía trước xupáp nạp (Pk

và Tk) Môi chất mới của động cơ điêzen là không khí

Từ định nghĩa về hệ số nạp, ta có:

V

V V

G M

M g

h k h h

k h

gct - lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình (kg/chu trình);

M1 - lượng môi chất thực tế để đi vào xilanh để đốt 1kg (hoặc 1kmol/kg) nhiên liệu;

Vk - thể tích khí nạp mới chứa trong xilanh sau khi quy về điều kiện pk và Tk (m3);

Gk - khối lượng không khí nạp vào xilanh mỗi chu trình (kg/chu trình)

- Phương trình tổng quát của hệ số nạp:

Theo định nghĩa về hệ số nạp ta có:

gctM1vMh (2.21) Nhờ phương trình trạng thái xác định được lượng môi chất Mh

chứa đầy thể tích Vh có áp suất và nhiệt độ là Pk và Tk

T

V

p M

k

h k h

g

k

h v k ct

pk - áp suất phía trước xupáp nạp (N/m2);

Vh - thể tích công tác của xilanh (m3);

Tk - nhiệt độ phía trước xupáp nạp (oK);

R = 8314kJ/kmol.độ

Lượng môi chất mới gct.M1 được chia làm hai phần

- Phần thứ nhất gct.M1a được nạp từ đầu cho đến khi pittong đến điểm chết dưới

- Phần thứ hai gct.(M1 – M1a) là phần nạp thêm tính từ điểm chết dưới để khi xupáp nạp đóng

Phần thứ nhất gct.M1a cùng với lượng khí sót của chu trình gct.Mr

tạo nên Ma với áp suất nhiệt độ Ta, Pa và Va

T

V

p M

M g

M

a

a a r

a ct a

g

M M g

r a ct

r ct

là hệ số nạp thêm, sẽ có:

g  M M  g  M a Mr

ct r

ct 1 1 1  (2.25) trị số đối với động cơ nằm trong khoảng 1,02 - 1,07, thay (2.24) vào (2.25), sẽ được:

 

T

V

p M

M

g

a

a a r

a ct

g

a

a a r

ct

8314

1

1 1  

  T

V p

T T p

a r h k

k a a

V V

h h

c h

p T

h a

k

a k v

T p

a k

k a

c Hệ số dư lượng không khí ( ):

Do hạn chế thời gian tạo hỗn hợp trong động cơ nên việc hòa trộn nguyên liệu với không khí không đảm bảo hoàn toàn bởi thế hỗn hợp không khí nhiên liệu trong buồng cháy không đều Nếu chỉ số nạp vào xilanh lượng không khí lý thuyết thì nhiên liệu không thể cháy hoàn toàn Bởi thế trong các động cơ, lượng không khí thực tế cấp vào để đốt cháy nhiên liệu lớn hơn lượng không khí lý thuyết Lượng không khí thực tế được tính theo hệ số dư lượng không khí

T

V p T

V p

a

a a k

k

h v k

8314

8314  1  1

Nếu gọi L(G) là lượng không khí thực tế để đốt cháy 1 kg nhiên liệu, kmol/kg (kg/kg ), thì hệ số dư lượng của không khí  tính theo công thức:

G

G L

L

o o





 (2.27) Hay cụ thể hơn, có thể phát biểu hệ số dư lượng không khí là tỷ số giữa không khí thực tế trong xilanh trước khi bắt đầu đốt cháy nhiên liệu với lượng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy nhiên liệu phun vào trong xi lanh trong một chu trình:

G h

f

V G

G

o nl a a a

s n s Bct

GBVsvs - lượng không khí nạp mới còn lại trong xilanh cho đến khi bắt đầu hòa trộn hỗn hợp (kg);

Vs - thể tích công tác của xilanh (m3);

v- hệ số nạp;

s- khối lượng riêng không khí nạp (m3/kg);

GBct f ahaanlG - lượng nhiên liệu cấp vào xilanh trong một chu trình (kg);

fa - tiết diện của pittong bơm cao áp;

ha - hành trình có ích của pittong bơm cao áp;

a- hệ số nạp;

nl - khối lượng riêng của nhiên liệu (m3/kg)

Như vậy, hệ số dư lượng không khí  có thể viết:

L

L G

G G

G L

L

Bct Bct

B o

LB - lượng không khí thực tế nạp vào xi lanh trong một chu trình ( kmol/kg);

LBct - lượng không khí lý thuyết nạp vào xilanh trong một chu trình (kmol/kg);

Hệ số dư lượng không khí phụ thuộc vào phương pháp tạo hỗn hợp, kết cấu buồng cháy, phương pháp tăng áp và chế độ làm việc của động cơ Theo tài liệu thực nghiệm hệ số dư lượng không khí ở chể độ định mức đối với động cơ điêzen:

Bảng 2-2 Hệ số dư lượng không khí α

Động cơ điêzen Hệ số dư lượng không khí,  

- Thấp tốc

- Trung tốc

- Cao tốc

1.8 – 2.2 1.6 - 2.0 1.4 - 1.80

Sau đó thử nghiệm hệ số dư lượng không khí   tối ưu được nhà chế tạo lựa chọn cho chế độ định mức (chế độ động cơ thường xuyên hoạt động) Trong quá trình khai thác, ứng với các chế độ khác nhau,   thay đổi do thay đổi lượng không khí và lượng nhiên liệu cấp vào xilanh trong một chu trình

Khi hoạt động trong vùng nhiệt đới ẩm lượng hơi ẩm tăng lên làm giảm oxy có trong không khí Khi đó, muốn giữ hệ số dư lượng không khí   không đổi thì phải tăng lượng không khí nạp, ngược lại nếu giữ nguyên lượng không khí nạp thì hệ só dư lượng không khí   giảm xuống

Lượng không khí ẩm nạp vào xilanh trong một chu trình được tính theo công thức:

n

 - hàm lượng ẩm, là tỷ số giữa lượng hơi nước và lượng

không khí khô nạp vào trong xilanh trong một chu trình

Bảng 2 - 3 Hàm lượng ẩm của không khí d

Hàm lượng ẩm khi nhiệt độ ẩm tương đối khác ()Nhiệt độ

0.006 0.012 0.022 0.039

0.007 0.013 0.025 0.045

0.008 0.015 0.028 0.050

Trong trường hợp này hệ số dư lượng không khí   được tính:

G G

g

G

o ct

B o

ct

B

.  1 1 , 6



 (2.31)

Với động cơ có trong trạng thái kỹ thuật và điều chỉnh tốt, khi thiết

bị nhiên liệu làm việc ở chế độ định mức, thì ứng với các giá trị hệ số dư lượng không khí   nói trên đảm bảo cháy hoàn toàn, khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu và độc tố trong khí xả nhỏ nhất

Hệ số dư lượng không khí thực nghiệm cũng được xác định theo kết quả phân tích thử nghiệm khí xả trong quá trình thử nghiệm động cơ nhờ van thử nghiệm khí xả chuyên dùng, nó được mở ra trong khoảng

thời gian ngắn ở cuối quá trình giãn nở của mỗi chu trình trước thời điểm

mở cửa hay xupáp xả, khi đó hệ số dư lượng không khí   được tính

1

 (2.32)

trong đó:

O2 - thể tích phần oxy khi thử nghiệm khí;

N2 - thể tích phần nitơ khi thử nghiệm khí

Công thức trên chỉ đúng với trường hợp cháy hoàn toàn nhiên liệu

d Lượng không khí lý thuyết cần thiết khi đốt cháy một kg nhiên

liệu L0

Cháy nhiên liệu là quá trình oxy hóa các nguyên tố cháy được của nhiên liệu bởi oxy không khí và tỏa nhiệt Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy một đơn vị nhiên liệu trong hỗn hợp khí có trong xilanh động cơ phụ thuộc hai yếu tố:

Lượng và thành phần nguyên tố của nhiên liệu sử dụng cấp vào xilanh động cơ

Điều kiện hòa trộn chùm tia nhiên liệu với không khí trong xilanh Thành phần nguyên tố hóa học là hàm lượng phần trăm theo thể tích hay hàm lượng phần trăm của các nguyên tố hóa học chủ yếu có trong thành phần nhiên liệu

Khi tính quá trình công tác, khối lượng các nguyên tố hóa học giả thiết ứng với 1kg nhiên liệu Trong thành phần của nhiên liệu lỏng được chưng cất từ dầu mỏ dùng cho động cơ điêzen, chủ yếu là các bon, hydro, oxy và lưu huỳnh Phần khối lượng các nguyên tố này phụ thuộc vào thành phần của dầu mỏ ban đầu và công nghệ điều chế chúng, thường nằm trong giới hạn sau:

Các bon: C = 0.84 – 0.87

Hydro: H = 0.1 - 0.14

Lưu huỳnh: S = 0.0001 – 0.05

Khi tính quá trình công tác của động cơ điêzen thường sử dụng thành phần nguyên tố hóa học trung bình của nhiên liệu: C = 0.87; H = 0.126; O = 0.004, giả thiết trong 1kg nhiên liệu có C (kg ) các bon, H (kg) hydro, O (kg) oxy và S (kg) lưu huỳnh

C + H + O + S = 1kg (1)

Để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu cần phải có đủ lượng oxy cần thiết với các nguyên tố trên, lượng oxy này có trong không khí nạp vào xilanh động cơ Giả thiết điều kiện đảm bảo để phản ứng cháy hoàn toàn C, H, S với oxy không khí tạo thành CO2, H2O, SO2 Trong trường hợp đó, sự oxy hóa cacbon, hydro và lưu huỳnh của nhiên liệu được tiến hành theo các phàn ứng

O S H C

O    (5)

O/32 - số kmol oxy có trong nhiên liệu

Đối với không khí khô, lượng oxy chiếm khoảng 23% (tính theo phần trăm khối lượng), khoảng 21% (tính theo phần trăm thể tích) nên lượng không khí khô lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu (kmol/kg) được tính:

1 21

O S H C O

Lo (2.33)

Để đốt cháy 1kg nhiên liệu có thành phần nguyên tố hóa học trung bình cần lượng không khí lý thuyết L0 = 0,495 kmol/kg Khối lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu:

G

nl

o S

o  28 95 0 , 495 14 , 3 (2.34)

s= 28,95 kg/kmol khối lượng mol của không khí

Để đốt cháy lượng nhiên liệu phun vào xilanh trong một chu trình

gct, cần lượng không khí khô lý thuyết là:

GBct gct.Go (kg) hay LBctgct.Lo ; (kmol) (2.35)

e Áp suất chỉ thị trung bình pi:

Áp suất chỉ thị trung bình của chu trình công tác là công chỉ thị của một đơn vị thể tích công tác của xilanh trong một chu trình được thể hiện qua biểu thức:

V

L p

h

i

i ; (N/m2) (2.36) trong đó:

Li - công chỉ thị của chu trình (J);

Vh - thể tích công tác của xilanh (m3)

Trong thời gian động cơ hoạt động, ngoài áp suất P của môi chất trong xilanh còn có áp suất khí thể dưới cácte cũng luôn luôn tác dụng với pittong theo hướng ngược chiều so với P Phần lớn các động cơ, cácte đều được nối thông với khí trời hoặc với đường nạp qua hệ thống thông

gió cácte, vì vậy có thể coi áp suất khí thể trong cácte bằng áp suất khí trời Po

Như vậy khi pittong chuyển động trong xilanh, hợp lực khí thể Fp

tác dụng đẩy pittong trong xilanh sẽ là:

4

2

D p p

Hợp lực khí thể Fp đẩy pittong chuyển dịch một vi lượng hành trình

dS, sẽ tạo ra vi lượng công dLi theo biểu thức:

dV - vi lượng biến thiên của thể tích công tác

Tích phân biểu thức trên theo một chu trình sẽ tìm được công chỉ thị của chu trình Li

L dL p p dV

chutrinh

o chutrinh