Chương 9 : TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
9.1. Các thơng số đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ
9.1.1. Thơng số chỉ thị
9.1.1.1. Áp suất chỉ thị trung bình Pi
Áp suất chỉ thị trung bình của chu trình cơng tác là cơng chỉ thị của một đơn vị thể
tích cơng tác của xilanh trong một chu trình.
3 3 j / m N / m i i h L p hay V (9-1)
Trong đĩ: Li- Cơng chỉ thị của chu trình (J hoặc N/m3); Vh- Thể tích cơng tác của xilanh (m3).
Trong thời gian hoạt động, ngồi áp suất p của mơi chất trong xilanh cịn cĩ áp suất khí thể dưới cacte cũng luơn luơn tác dụng lên piston theo hướng ngược chiều so với p. Phần lớn các động cơ, cacte đều được nối thơng với khí trời hoặc với đường nạp qua hệ thống thơng giĩ cacte, vì vậy cĩ thể coi áp suất khí thể trong cacte bằng áp suất khí trời po.
Diện tích đồ thị cơng của động cơ bốn kỳ gồm 2 phần:
- Phần diện tích của kỳ nén và kỳ cháy – giãn nở. - Phần diện tích của kỳ hút và kỳ xả.
Phần thứ nhất là phần chính, tạo nên cơng dương của mơi chất. Phần thứ hai là phần phụ, được gọi là hành trình “ bơm” của piston vì chức năng của phần này là chức
năng của một bơm piston, làm nhiệm vụ thay đổi mơi chất của chu trình. Cơng của mơi
chất ở phần hai cĩ thể “âm” (động cơ khơng tăng áp hoặc tăng áp thấp) hoặc “dương”
(với động cơ tăng áp cao).
Nhìn chung, cơng của hành trình bơm thường khơng lớn (trừtrường hợp tăng áp
cao) và rất khĩ xác định theo đồ thịcơng vì đường nạp và đường xảtrên đồ thị gần như
trùng nhau. Muốn xác định phần cơng “bơm” của đồ thị, ngồi đồ thị cơng kểtrên, người ta phải xác định đồ thị cơng của các hành trình “bơm” với tỷ lệ xích tung độ lớn hơn,
làm cho cơng việc thực nghiệm trở nên phức tạp hơn. Vì vậy khi xác định áp suất chỉ thị trung bình pi người ta thường bỏ qua phần cơng này, coi nĩ là một phần trong các tổn thất cơ giới của động cơ.
Hình 9.1. Đồ thị cơng P – V của chu trình thực tế.
a) Động cơ bốn kỳ; b) Động cơ hai kỳ;c) Đồ thị quá trình nạp thải của động cơ
132 9.1.1.2. Cơng suất chỉ thị Ni
Cơng do mơi chất trong xilanh tạo ra trong mỗi chu trình được xác định qua đồ thị
quan hệ giữa áp suất và thể tích (P – V), vì thếđồ thị P –V được gọi là đồ thị cơng và
cơng đĩ được gọi là cơng chỉ thị của chu trình Li, xác định qua biểu thức sau:
Li = pi.Vh (9-2)
Trong đĩ: Vh- Tính theo m3; pi – N/m2
Gọi i là số xilanh của động cơ, cơng suất chỉ thị Ni của động cơ sẽtính được như sau:
2 . . . . i i i n N m i L i L
Trong đĩ: n – Số vịng quay của trục khuỷu trong 1 giây (vịng/s); τ – Số kỳ trong 1 chu trình (số hành trình của piston trong một chu trình); m – Số chu trình trong 1 giây của 1 xilanh.
9.1.1.3. Hiệusuất chỉ thị ηi
Tính kinh tế của chu trình thực tế được thể hiện qua hai thơng số: hiệu suất chỉ thị
ηi và suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi.
Hiệu suất chỉ thị là tỷ số giữa phần nhiệt lượng được chuyển thành cơng chỉ thị với nhiệt lượng cấp cho động cơ do nhiên liệu đốt cháy trong xilanh tạo ra trong một thời gian. 1 . i nl tk G Q (9-4)
Trong đĩ: Gnl - Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây (kg/s; Qtk - Nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu (1/kg).
9.1.1.4. Hiệu suất chỉ thị gi
Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi: là lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây ứng với
1 đơn vị cơng suất chỉ thị. nl i i G g N (kg/W.s) (9-5) Trong đĩ: Ni – cơng suất chỉ thị (W). 9.1.2. Thơng số cĩ ích Ne, Me, ηe, ge 9.1.2.1. Cơng suất cĩ ích Ne
Cơng suất cĩ ích của động cơ được phát ra tại đuơi trục khuỷu để từđĩ truyền năng lượng tới những nơi cần năng lượng (máy cơng tác hoặc hộp số). Cơng suất cĩ ích Ne của động cơ nhỏhơn cơng suất chỉ thị Ni một trị số bằng cơng của tất cả các lực cản tác dụng trong cơ cấu của động cơ, gồm:
- Cơng tiêu hao cho ma sát.
- Dẫn động các cơ cấu phụ(bơm nước, bơm dầu, bơm nhiên liệu.v.v...) - Dẫn động các cơ cấu phân phối khí.
- Tổn thất bơm tức là những lực cản ở hành trình bơm của piston trong
động cơ bốn kỳ (hành trình nạp và thải) và quay máy nén khi tăng áp động cơ.
Tổng số cơng trong một giây của tất cả các loại trở lực đĩ hợp thành cơng suất cơ
giới Nm (kW). Do đĩ cơng suất cĩ ích của động cơ bằng:
Ne = Ni - Nm (kW) (9-6)
Tỷ số giữa cơng suất cĩ ích chia cho cơng suất chỉ thị gọi là hiệu suất cơ giới của
động cơ: e m i N N (9-7)
133 Hiệu suất cơ giới của động cơ đốt trong thường nằm trong khoảng:
ηm = 0,63 ÷ 0,93 (9-8)
Gọi Pe là áp suất cĩ ích trung bình, thì giữa Pe và Pi cĩ mối liên hệ sau:
Pe = Pi.i (9-9) Từ (9-9) ta được: . . . . ( ) 30 e h e e i P V i n N N kW (9-10)
Cơng suất cĩ ích Ne phụ thuộc vào tải Pe và tốc độ n của động cơ. Tốc độ n của
động cơ khơng được vượt quá giá trịquy định cho từng động cơ để tránh ảnh hưởng xấu tới sức bền, độ tin cậy và tuổi thọ các chi tiết của động cơ. Số vịng quay quy định nqđ
(vịng/phút), được chọn theo điều kiện sử dụng và hiệu suất động cơ. Khi hoạt động,
động cơ cĩ thể chạy ở các tốc độ trong phạm vi từnmin đến nqđ tuỳ thuộc vào vị trí của
cơ cấu điều khiển.
Ở sốvịng quay quy định cơng suất cĩ ích Ne của động cơ cĩ thểthay đổi từ Ne =
0 đến Neqđ. Cơng suất quy định Neqđ phụ thuộc vào điều kiện sử dụng.
Tỷ số giữa cơng suất của động cơ so với cơng suất quy định (được chọn là 100%)
được gọi là cơng suất tương đối và được tính theo phần trăm của cơng suất quy định. Nếu cơng suất tương đối vượt quá 100% thì chếđộ làm việc ấy được gọi là chếđộ quá tải. Thơng thường chế độ quá tải khơng được vượt quá 110% (tức phần quá tải khơng quá 10%). Nếu sử dụng lâu dài ở tải lớn thì càng khơng được phép quá tải.
9.1.2.2. Mơmen cĩ ích Me
Mơmem Me ở đầu ra của trục khuỷu động cơ được xác định trên băng thử. Giữa mơmem Me và cơng suất cĩ ích Ne cĩ mối liên hệ sau:
.60 9, 55 N.m 2 e e e e N N N M n n (9-11)
Trong đĩ: Ne - Cơng suất cĩ ích (W) ; n - Sốvịng quay động cơ (vịng/phút).
9.1.2.3. Hiệu suất cĩ ích ηe và suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích ge
Hiệu suất cĩ ích ηe là tỷ số giữa nhiệt lượng chuyển thành cơng cĩ 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.
. e e nl tk N G Q (9-12)
Trong đĩ: Gnl –Lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây (kg/s); Qtk – Nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu (J/kg).
Trong thực tế thí nghiệm động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu (Gnl) thường đo bằng số kilơgam trong 1 giờ và cơng suất theo kilơốt (kW). Do đĩ suất tiêu hao nhiên liệu
thường xác định theo gam: 3 10 (g / kW.h) nl e e G g N (9-13)