Đang tải... (xem toàn văn)
Trong chương trình đào tạo cử nhân tại Khoa Sư phạm Kĩ thuật – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội cũng như ở các trường kĩ thuật khác, sinh viên đã được làm quen với một số sơ đồ tăng áp động cơ đốt trong (ĐCĐT). Thông qua các sơ đồ này sinh viên đã hiểu được cấu tạo chung và nguyên lý làm việc của chúng. Song kiến thức này chưa đáp ứng được yêu cầu của một cử nhân tương lai, nhất là những người công tác trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo ĐCĐT. Cho đến nay chưa có công trình nào trình bày có hệ thống phương pháp tính toán tăng áp ĐCĐT. Đây là vấn đề thiết thực, giúp ta hiểu sâu hơn động cơ tăng áp, đồng thời ứng dụng phương pháp tính cho các nhà thiết kế chế tạo ĐCĐT.
Phơng pháp tính tăng áp động đốt Nguyễn Văn ánh Khoa S phạm Kĩ thuật Trờng ĐHSP Hà Nội I mở đầu Trong chơng trình đào tạo cử nhân Khoa S phạm Kĩ thuật Trờng Đại học S phạm Hà Nội nh trờng kĩ thuật khác, sinh viên đợc làm quen với số sơ đồ tăng áp động đốt (ĐCĐT) Thông qua sơ đồ sinh viên hiểu đợc cấu tạo chung nguyên lý làm việc chúng Song kiến thức cha đáp ứng đợc yêu cầu cử nhân tơng lai, ngời công tác lĩnh vực thiết kế, chế tạo ĐCĐT Cho đến cha có công trình trình bày có hệ thống phơng pháp tính toán tăng áp ĐCĐT Đây vấn đề thiết thực, giúp ta hiểu sâu động tăng áp, đồng thời ứng dụng phơng pháp tính cho nhà thiết kế chế tạo ĐCĐT II phơng pháp tính toán tăng áp động đốt Biện pháp hữu hiệu có tiềm lớn tăng áp để tăng áp suất hữu ích trung bình xi lanh tăng công suất ĐCĐT Tuy nhiên thiếu phơng pháp tính tổng quát cho nhiều cách tăng áp khác Phơng pháp tính toán trình bày dới với độ xác, cho phép xác định đợc giá trị áp suất tăng áp không khí nạp vào xi lanh PK để đạt đợc công suất định trớc động Phơng pháp tính áp dụng cho hệ thống tăng áp khí, tuabin máy nén tăng áp hệ thống tăng áp hỗn hợp Động với hệ thống tăng áp khí Sơ đồ hệ thống thể hình Hình 1: Sơ đồ hệ thống tăng áp khí Công thức tính sở: Pe = Pi – Pm – Pn KG/cm2 (1) Tõ c«ng thøc tính công suất hữu ích động ta có: Pe = 0,45.N e Z Vh n.i KG/cm2 (2) Và áp suất thị trung bình Pi = 427 Qt PK η v η i α Lo R.TK KG/cm2 (3) ¸p suất thất thoát khí Pm = a + b cm KG/cm2 (4) a, b số phụ thuộc vào kết cấu động Theo số liệu thực nghiệm: Động bốn kì : a = 0,4 ữ 1,0 ; b = 0,09 ữ 0,15 Động hai kì : a = 0,3 ữ 0,7 ; b = 0,06 ữ 0,12 áp suất khí tính đếm đến thất thoát khí tuý, thất thoát hành trình bơm lợng cấp cho thiết bị phục vụ cho động động với buồng cháy ngăn cách, cần thiết phải tính thêm thất thoát khí động khí qua lỗ thông buồng cháy Để xác định thất thoát khí cho động tăng áp sử dụng công thức cđa Gi¸o s D.A Portnov Pm = Pm' ( PK 0,1 ) P0 KG/cm2 (5) Pm' áp suất khí động không tăng áp áp suất trung bình sử dụng để dẫn động cho máy nén hệ thống tăng áp khí Pn Pn = P K −1 K PK ϕ η v T0 ( K ) K − 1 ; K TK P0 n KG/cm2 Đặt phơng trình 3,4, 5, vào phơng trình 1, ta có: (6) Pe = 427 P K −1 Qt PK K PK η v η i − (a + bc m ) − ϕη v − T0 ( K ) K − 1 ; KG/cm2 αL0 RTK K − TK P η n (7) Nhiệt độ không khí nạp tăng áp TK = T0 ( PK ) P0 m −1 m K Nếu sử dụng đại lợng: P0 = 1,0 KG/cm2 ; T0 = 2880K ; K = 1,4 L00 = 14,3 kg không khí/ kg nhiên liệu ; R = 29,3 10200 kg , mol ; Qt = kg 0C Kcal Kg Ta cã: η 1 Pe = PKmη v 35,2 i − 3,54( PK0, 286 − 1) − (a + b.c m ) ; n KG/cm2 (8) Bớc đầu xác định giá trị P K dựa vào giá trị thực nghiệm thông số v ; i ; , ; n ; Pm' , sau xác hoá cách sử dụng kết tính toán nhiệt đợc thông số Kiểm tra sử dụng đắn lựa chọn hệ số quét thải động bốn theo công thøc sau: ϕ = 1+ 0,9 µ Fϕ n.η v TK (9) Trong đó: - hệ số lu lợng không khí nạp n tôc độ quay động vòng / phút v hệ số nạp HƯ sè ψ cã thĨ tÝnh: ψ = 2g K +1 K PK / K PK K ( ) − ) K − Pr Pr F diện tích tơng đối pha qt th¶i (tØ sè thêi gian tiÕt diƯn cđa thêi kì trùng điệp với thời gian tiết diện trình nạp) Đại lợng xác định theo đồ thị hình Hình 2: Mối quan hệ F góc quay trục khuỷu Giá trị nhận đợc sau tính toán thờng sai lệch so với giá trị lựa chọn không lớn 5% Trờng hợp ngợc lại, cần thiết phải tính toán lại tăng áp cho động Động với tuabin máy nén tăng áp Trên hình biểu thị sơ đồ tăng áp động tuabin máy nén Để tiến hành tính toán, ta giả định áp suất nhiệt độ khí cháy trớc vào tuabin không đổi Công thức tính c¬ së: Ne = Ni – Nm (ml) (10) Pe = Pi – Pm (KG/cm2) (11) NT = Nn (ml) (12) Hình 3: Sơ đồ hệ thống tuabin máy nén tăng áp Hay K P K −1 K3 P0' K K .ηT = Rr Gr Tr 1 − ( ) R.G K T0 ( K ) K − 1 K3 −1 Pr K −1 P0 ηn (13) Trong đó: GK, Gr lu lợng không khí qua động khí cháy vào tuabin (Kg/s) Tr, Pr Nhiệt độ 0K áp suất KG/cm2 khí cháy trớc vào tuabin P0' - áp suất khí thải sau tua bin KG/cm T0, P0 – NhiƯt ®é, -0K áp suất KG/cm2 môi trờng Khi tính toán tăng áp tuabin máy nén cần giải hai toán: xác định áp suất tăng áp cần thiết để đạt đợc công suất dự kiến xác định phơng án tính toán PK Để xác định PK sử dụng phơng trình (11) Pe = Pi – Pm ; KG/cm2 Trong ®ã: Pi = 427 Qt η P K η v η i = 36,2.PKm η v i α L0 R.TK α Pe = 0,45 N e Z Vh n.i Pm = a + b.cm Phơng trình (11) viết dới dạng khác: m K 36,2.P v i N Z − (a + b.c m ) = 0,45 e Vh n.i (14) Theo phơng trình (14), phơng pháp thử tính đợc giá trị PK Ta xem xét PK/Pr thoả mãn điều kiện phơng trình (12) Đặt: K K Rr =a K3 K −1 R Gr Tr ηT η n = τ G K T0 Hệ số a tính đến ảnh hởng nhiệt độ thành phần khí cháy, tính có thÓ chÊp nhËn K = 1,35 ; K = 1,4 a = 0,91 Để xác định cần thiết phải xác định T n phơng pháp thực nghiệm; lu lợng không khí GK, lu lợng khí cháy nh nhiệt độ khí cháy trớc vào tuabin đợc tính nh sau: Lu lợng kh«ng khÝ: G K = Vh i hay n 10 PK η vϕ 60.Z RTK kg/s m −1 m n 10 P G K = Vh i 60 Z RT0 m K P η v kg/s Khi tính GK, bớc đầu tự chọn v , sau tính đợc Pr, đại lợng đợc chỉnh lại theo công thức (9) Trong trờng hợp không tính đếm đến góc trùng điệp, coi = Lu lợng khí cháy qua tuabin G r nhiều so với G b lợng khối lợng nhiên liệu phun vào xi lanh giây gần 3ữ 4% lu lợng không khí Tỉ số Gr/ GK tính chấp nhận = Gr = 1,03 ữ 1,04 GK Nhiệt độ khí cháy tính L0 C P' TK + Qt (1 − η i − ξ w − ∆ + Tr = αL0 (ϕ + β − 1)C 632,3N m x GT " P K (15) Trong ®ã: C P' - NhiƯt dung trung bình theo khối lợng không khí Kcal/ kg0C w Phần nhiệt theo nớc làm mát, theo thực nghiệm w = 0,2 ữ 0,25 - Phần nhiệt xạ từ bề mặt nóng động vào môi trờng xung quanh = 0,03 ữ 0,05 Nm Công suất khí tính theo công thức (4) phần nhiệt tơng đơng với công ma sát truyền vào nớc làm mát = 0,5 ữ 0,6 C P" - Nhiệt dung trung bình khí cháy Kcal/ Kg 0C GT Lợng nhiên liệu Kg/h Giá trị số hạng cuối công thức (16) thờng không lớn, nên tính toán bỏ qua Phơng trình (14) viết dới dạng : K −1 P0' K3 PK KK−1 aτ 1 − ( ) −1 =( ) Pr P0 hay K −1 = ( PK ) K aτ 1 − K −1 P0 ( P0 PK Pr ) K P0' P0 P0 K3 Khi ®ã: K −1 K −1 PK K ( ) − P0 ' Pr = P0 − a.τ (16) Sư dơng c«ng thøc (16) cã thĨ tìm đợc PK/Pr chấp nhận giá trị T, n, Tr GK Động với hệ thống tăng áp hỗn hợp Sơ đồ động với hệ thống tăng áp hỗn hợp thể hình Hình 4: Sơ đồ động tăng áp hỗn hợp tuabin máy nén Công thức sở phục vơ cho tÝnh to¸n Pe = Pi – Pm + Pr Pn KG/cm2 (17) Giá trị Pi Pm xác định theo công thức trên, P T tính đợc sử dụng công thức tính công suất tuabin NT = Vh i.n.Pr 60.75.Z (18) NT = Gr L'T T 75 Từ công thức này, sau biến ®ỉi ta nhËn ®ỵc K −1 K Rr Tr P0' K3 Pr = ϑ.P η v ϕ 1 − ( ) .ηT K − R T0 Pr K K KG/cm2 (19) KG/cm2 (20) Và áp suất khí nén tăng ¸p m K Pn = 3,5.P η v ϕ ( PK0, 286 1) n Khi công thøc (17) cã thĨ viÕt díi d¹ng: K −1 ηi K Rr Tr P0' K m Pe = 36,2.P η v − (a + b.c m ) + ϑPK η v ϕ 1 − ( ) .ηT − α K − R 288 Pr m K − 3,5 PKm ϕ η v ( PK0, 286 − 1) ; KG / cm ηn (21) Theo công thức (21) cách thử tính đợc PK Động với hai cấp tăng áp Trên hình mô tả hai cấp tăng áp ĐCĐT Cấp thứ I đợc sử dụng tua bin máy nén, cấp thứ II máy nén dẫn động từ ĐCĐT Phơng trình công suất áp suất hữu ích trung b×nh nh sau: Ne = Ni – Nm - N nII ml (22) Pe = Pi – Pm - PnII KG/cm2 (23) Trong ®ã N nII ; PnII - công suất áp suất trung bình sử dụng cho máy nén tăng áp cấp thứ II Tơng tự nh c«ng thøc (7) ta cã: PKII KK−1 Qt PNII K PKII I Pe = 427 η v ηi − (a + b.cm ) − ϕη vTK ( I ) − 1 II αL0 RTKII K − TKII PK n KG/cm2 (24) Để xác định PKI sử dụng đẳng thức NT = N nI Khi ®ã: K −1 P0' K3 PKI KK−1 aτ 1 − ( ) −1 =( ) Pr P0 (25) Hình 5: Sơ đồ tăng áp hai cÊp NÕu nh chÊp nhËn Pr = PKII − P P = 0,2 ữ 0,3 KG/cm2 từ phơng trình (25) tính điện PKI K −1 P0' I PK = 1 + aτ 1 − ( II ) K3 PK − ∆P 3, KG/cm2 (26) Thay giá trị PKI vào phơng trình (24) phơng pháp thử tính đợc Pe Thông thờng, sau cấp tăng áp thứ I không khí đợc làm mát, thông số phơng trình (24) là: TKI = TKI MI ; PKI = PKI1 PMI Khi làm mát sau cấp tăng áp thứ II: TKII = TKII1 MII ; PKII = PKII1 − ∆PMII KÕt qu¶ nhËn đợc PK, TK dùng làm thông số đầu vào để tính toán nhiệt động tăng áp III Kết luận Thực tiễn cho thấy thiếu phơng pháp tính tăng áp cho ĐCĐT, việc xây dựng hệ thống phơng trình tính toán tăng áp nhiều phơng án khác cần thiết Trên sở xác định đợc áp suất PK, TK dùng làm thông số đầu vào trình tính toán nhiệt động Hệ thống phơng trình bổ sung cho giáo trình đào tạo trờng Đại học Kĩ thuật chuyên ngành động đốt Tài liệu tham khảo 10 Nguyễn Tất Tiến Nguyên lí động đốt trong, NXB Giáo dục Hà Nội, 2000 Nguyễn Tất Tiến Giáo trình kĩ thuật sửa chữa ô tô, máy nổ, NXB Giáo dục Hà Nội, 2000 Nguyễn Văn ánh Máy nhiệt, NXB Giáo dục Hà Nội, 2005 Tóm tắt Trong báo xây dựng phơng pháp tính tăng áp động đốt với cách tăng áp khác nhau: tăng áp khí, tuabin máy nén tăng áp, tăng áp hỗn hợp tầng hai tầng ứng dụng hệ thống phơng trình tính xác định đợc áp suất PK nhiệt độ TK dùng làm thông số đầu vào trình tính toán nhiệt giai đoạn thiết kế ®éng c¬ SUMMARY 11