Chương V: Những thông số chỉ thị, có ích và cân bằng nhiệt

http://www.ebook.edu.vn 72 Chơng V. những thông số chỉ thị, có ích và cân bằng nhiệt Sau khi khảo sát chu trình thực tế trong chơng IV, ta có toàn bộ các thông số nhiệt động cần thiết để từ đó tính toán các thông số kỹ thuật và kinh tế của chu trình. Không làm giảm tính tổng quát, chúng ta xét cho một trờng hợp cụ thể là động cơ 4 kỳ không tăng áp. Trên hình 5-1, chu trình thực tế đợc biểu thị bằng những đờng cong trơn tru khép kín chia thành hai phần rõ rệt với công dơng thu đợc và công âm (còn gọi là công bơm) tiêu tốn cho quá trình nạp thải. Chu trình đợc xây dựng trên cơ sở những thông số trạng thái tại các điểm đặc biệt nh a, c, y, z và b đ đợc xác định trong chơng IV gọi là chu trình tính toán, hình 5-1. Chu trình hỗn hợp acyzb dùng cho động cơ diesel và chu trình đẳng tích aczb dùng cho động cơ xăng. Chu trình tính toán sẽ đợc dùng để tính toán các thông số chỉ thị và có ích của động cơ. 5.1 Những thông số chỉ thị Là những thông số nhận đợc dựa trên đồ thị công p-V (indicating diagram) của chu trình thực tế. 5.1.1 áp suất chỉ thị Theo định nghĩa, áp suất chỉ thị: V L p h i i = (5-1) Trong đó L i là công chỉ thị của chu trình thực tế, đó là tổng đại số của công dơng và công âm của chu trình. Nếu đo đợc đồ thị công, ta có thể xác định chính xác p i theo (5-1). Khi thực nghiệm lấy đồ thị công, áp suất của đờng nạp thải thờng khác nhau ít và rất thấp so với đờng nén và cháy gin nở nên phần công bơm khá nhỏ, khó xác định Hình 5-1. Chu trình thực tế và chu trình tính toán a. Động cơ xăng b. Động cơ diesel c' c z a) b) c' c y z - + p V V p b a r b' p k + - b b" b" a p k r 0,85p z http://www.ebook.edu.vn 73 chính xác. Vì thế, khi xác định p i ngời ta thờng bỏ qua phần công bơm này và coi nó là một phần trong các tổn thất cơ khí của động cơ. Khi tính toán dựa trên cơ sở chu trình tính toán, công bơm khi đó cũng đợc tính vào tổn thất cơ giới sau này. áp suất chỉ thị tính toán đợc xác định tơng tự nh (5-1): h i i V L p = (5-2) với i L là công của chu trình tính toán. 5.1.1.1 Chu trình hỗn hợp Theo hình 5-1 a, ta có: i L = L yz + L zb - L ac với: L yz = p z (V z V y ) = p c V c ( - 1) L zb = ( ) = = 1n 2 cc 1n 2 zz bbzz 2 22 1 1n Vp 1 1n Vp VpVp 1n 1 L ac = ( ) = 1n 1 cc aacc 1 1 1 1 1n Vp VpVp 1n 1 Thay tất cả vào (5-2) với lu ý rằng: 1 1 V V h c = và 1n ac 1 pp = cuối cùng ta đợc: a 1n 1 1n 2 n i p 1 1 1n 1 1 1n )1( 1 p 1 2 1 + = (5-3) 5.1.1.2 Chu trình đẳng tích Thay = 1 vào (5-3) ta đợc: a 1n 1 1n 2 n i p 1 1 1n 11 1 1n1 p 12 1 = (5-4) Trong thực tế, đồ thị của chu trình tính toán không trơn tru so với chu trình thực tế, rõ nhất là ở quá trình cháy và cuối gin nở. Vì vậy công của chu trình thực tế thờng lớn hơn của chu trình tính toán nên áp suất chỉ thị thực tế cũng lớn hơn. Để kể đến sai khác này khi tính p i ngời ta dùng hệ số điền đầy đồ thị d : idi pp = (5-5) Hệ số hiệu đính đồ thị đợc lựa chọn theo kinh nghiệm. d = 0,92 ữ 0,97. Giá trị nhỏ dùng cho động cơ động cơ diesel và giá trị lớn cho động cơ xăng do sự khác biệt giữa chu trình tính toán và chu trình thực tế của động cơ xăng nhỏ hơn. http://www.ebook.edu.vn 74 Ngoài ra, khi hiệu đính áp suất cực đại của động cơ xăng, hình 5-1, ngời ta thờng chọn áp suất cực đại bằng 0,85p z . 5.1.2 Công suất chỉ thị Đó là công suất nhiệt động của động cơ. N i = fL i (5-6) Trong đó f là số chu trình trong một giây. Tính cho 1 xy lanh, động cơ 4 kỳ có f = n/120 và động cơ 2 kỳ có f = n/60. Có thể viết: = 30 in f (5-7) với i là số xy lanh và gọi là hệ số kỳ, = 4 đối với động cơ 4 kỳ và = 2 đối với động cơ 2 kỳ. Từ (5-1) và thay (5-7) vào (5-6) ta đợc: = 30 inVp N hi i (5-8) 5.1.3 Hiệu suất và suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị Hiệu suất chỉ thị chính là hiệu suất nhiệt của chu trình thực, đợc xác định nh sau: Hnl i i QG N = (5-9) Gọi i nl i N G g = (5-10) là suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị (kg/Ws), (g/mlh) hoặc (g/kWh), ta đợc: Hi i Qg 1 = (5-11) Trong thực tế, i và g i nằm trong khoảng sau: i g i (g/kWh) Động cơ xăng: 0,25 ữ 0,40 230 ữ 340 Động cơ diesel 4 kỳ: 0,43 ữ 0,50 170 ữ 200 Động cơ diesel 2 kỳ: 0,40 ữ 0,48 180 ữ 220 5.2 Những thông số có ích 5.2.1 Tổn thất cơ khí Đó là các tổn thất cho ma sát giữa các mối ghép động, công suất dẫn động các cơ cấu phụ của động cơ nh bơm dầu, bơm nớc, quạt gió và công bơm của quá trình nạp thải. Nếu gọi p m là áp suất tổn thất cơ khí, xác định nh p i theo (5-1), có thể tính đợc công suất tổn thất cơ khí tơng tự nh (5-8): http://www.ebook.edu.vn 75 = 30 inVp N hm m (5-12) Trong thực tế, tổn thất do ma sát của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền chiếm đến 70% tổn thất cơ khí. áp suất tổn thất cơ khí p m thông thờng đợc xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc bậc nhất vào tốc độ trung bình của piston c m : p m = a + b.c m (5-13) với a và b là các hằng số thực nghiệm, tuỳ thuộc vào loại động cơ. Ngoài ra, p m còn phụ thuộc vào trạng thái nhiệt của động cơ nh nhiệt độ nớc làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn. 5.2.2 áp suất và công suất có ích Công suất có ích để kéo máy công tác là hiệu của công suất chỉ thị và công suất tổn thất cơ khí: N e = N i - N m (5-14) Nếu gọi p e là áp suất có ích (effective) trung bình xác định tơng tự nh (5-1), có thể tính N e tơng tự nh (5-8): = 30 inVp N he e (5-15) Từ (5-12), (5-13) và (5-14) có thể dễ dàng rút ra: p e = p i p m (5-16) 5.2.3 Hiệu suất cơ khí i m i e i m i mi i e m p p 1 p p N N 1 N NN N N === == (5-17) Trong thực tế, m = 0,70 ữ 0,90. 5.3.4 Hiệu suất và suất tiêu thụ nhiên liệu có ích im Hnl i i e Hnl e e QG N N N QG N === (5-18) Tơng tự nh (5-10) gọi: e nl e N G g = (5-19) là suất tiêu thụ nhiên liệu có ích với thứ nguyên nh g i , ta có: He e Q 1 g = (5-20) Vậy g e và e đề là các thông số đặc trng cho tính kinh tế của động cơ. 5.3 Cân bằng nhiệt http://www.ebook.edu.vn 76 Tính cân bằng nhiệt là giai đoạn cuối của tính toán nhiệt đối với động cơ nhằm những mục đích sau: Tính những tổn thất nhiệt, trên cơ sở đó tìm các biện pháp giảm các tổn thất để dùng nhiệt vào việc có ích. Kết quả cân bằng nhiệt làm cơ sở tính và thiết kế các hệ thống phụ trợ nh hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn và hệ thống tăng áp dùng tuốc bin khí thải. Cân bằng nhiệt đợc xác định bằng thực nghiệm, đo trực tiếp trên băng thử công suất động cơ. Tại mỗi chế độ làm việc ổn định và tính trong một đơn vị thời gian, cân bằng nhiệt có dạng: Q 0 = Q e + Q lm + Q th + Q d + Q ch + Q cl (5-21) Trong đó: Q 0 : Nhiệt lợng của nhiên liệu Q 0 = Q H G nl (5-22) Q e : Nhiệt lợng tơng ứng với công suất có ích của động cơ Q e = N e Q lm : nhiệt lợng truyền cho môi chất làm mát. Đối với hệ thống làm mát bằng nớc: Q lm = G n C n (t nr t nv ) (5-23) Với G n là lu lợng nớc làm mát (kg/s); C n là nhiệt dung riêng của nớc, có thể lấy C n = 4,186 J/kg o C; t nr là nhiệt độ nớc ra khỏi động cơ và t nv là nhiệt độ nớc vào động cơ. Q th : Nhiệt lợng do khí thải mang đi. Nếu bỏ qua entanpi của nhiên liệu trong M 1 : )TCMTCM(GQ kpk1thpth2nlth àà = (5-24) Q d : nhiệt lợng do dầu bôi trơn mang đi, tính tơng tự nh Q lm : Q d = G d C d (t dr t dv ) (5-25) Với G d là lu lợng dầu làm mát; C d là nhiệt dung riêng của dầu; t dr là nhiệt độ dầu ra khỏi động cơ và t dv là nhiệt độ dầu vào động cơ. Q ch : Nhiệt lợng trong phần nhiên liệu cha cháy, thực chất là không cháy đợc khi cháy không hoàn toàn. Khi 1 thì Q ch đợc tính vào Q cl còn khi < 1 thì Q ch tính nh sau: Q ch = G nl Q H (5-26) với Q H tính theo (4-53). Q cl : Nhiệt lợng còn lại bao gồm nhiệt trao đổi bằng đối lu và bức xạ với môi trờng và lợng nhiệt tơng ứng với động năng của khí thải. Sau khi đo và tính tất cả các thành phần ở trên, Q cl có thể tính nh sau: Q cl = Q 0 (Q e + Q lm + Q th + Q d + Q ch ) (5-27) Thông thờng, cân bằng nhiệt đợc thể hiện dới dạng không thứ nguyên bằng cách chia hai vế của (5-21) cho Q 0 : http://www.ebook.edu.vn 77 q e + q lm + q th + q d + q ch + q cl = 100% (5-28) Hình 5-2 thể hiện cân bằng nhiệt của một loại động cơ theo tải trọng (p e ) ở tốc độ định mức. Bảng sau đây thể hiện các thành phần trong cân bằng nhiệt tuỳ thuộc loại động cơ. Loại động cơ q e (%) q lm + q d (%) q th (%) q ch (%) q cl (%) Động cơ xăng 21 ữ 33 12 ữ 27 30 ữ 50 0 ữ 45 3 ữ 10 Động cơ diesel 26 ữ 47 15 ữ 35 25 ữ 40 0 ữ 5 2 ữ 5 Động cơ gas 23 ữ 35 20 ữ 25 35 ữ 45 0 ữ 5 2 ữ 10 Hình 5-2. Cân bằng nhiệt ở các chế độ tải khác nhau q e q th q cl q lm (%) 100 80 60 40 20 0 p e (MN/m 2 ) 0,6 0,40,2 . 72 Chơng V. những thông số chỉ thị, có ích và cân bằng nhiệt Sau khi khảo sát chu trình thực tế trong chơng IV, ta có toàn bộ các thông số nhiệt động cần. và chu trình đẳng tích aczb dùng cho động cơ xăng. Chu trình tính toán sẽ đợc dùng để tính toán các thông số chỉ thị và có ích của động cơ. 5.1 Những thông