8. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN
2.1. Các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ diesel
Các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ gồm: Cơng suất, hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích và phát thải khí xả. Trong đĩ, áp suất cháy cực đại (pz) và nhiệt độ khí xả (Tx) đại diện cho tải trọng cơ và nhiệt của động cơ, phản ánh đặc tính q trình cháy và liên quan đến các thơng số vừa nêu. Khi quá trình cháy xảy ra trong động cơ, sự tỏa nhiệt được thể hiện ở các giai đoạn như trên hình 2.1. Ở giai đoạn đầu, tốc độ cháy thường rất cao và kéo dài khoảng vài độ gĩc quay trục khuỷu. Giai đoạn này tương ứng với việc gia tăng nhanh chĩng áp suất trong xi lanh và đạt độ lớn của đỉnh đầu tiên trên đồ thị tốc độ cháy. Giai đoạn 2 tương ứng với việc giảm đều đặn tốc độ
tỏa nhiệt. Đây là giai đoạn tỏa nhiệt chính và kéo dài khoảng 400 gĩc quay trục khuỷu (gqtk). Giai đoạn 3 tương ứng với phần đuơi của đồ thị tỏa nhiệt, kéo dài trong phần lớn kỳ giãn nở [22].
Hình 2.1. Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn
Các thơng số trên sẽ được làm rõ hơn trong chương 3 và chương 4, trong phần này chủ yếu giới thiệu về cơng suất, hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ.
2.1.1. Cơng suất của động cơ
Cơng suất là tốc độ thực hiện cơng. Trị số cơng suất của động cơ cho ta biết động cơ đĩ "mạnh" hay "yếu". Cơng suất của ĐCĐT thường được đo bằng đơn vị Kilowatt (kW) hoặc mã lực (HP, HP - Horse power; CV - Chevaux; PS - Pferdestarke).
1 kW = 1 kJ/s; 1 HP = 75 kG.m/s 1 CV = 1 HP = 0,735 kW; 1 HP = 1,014 PS Cần phân biệt các khái niệm cơng suất sau đây của ĐCĐT:
- Cơng suất chỉ thị (Ni)
Là tốc độ thực hiện cơng chỉ thị của động cơ. Nĩi cách khác, cơng suất chỉ thị là cơng suất của động cơ bao gồm cả phần tổn thất cơ học.
- Cơng suất cĩ ích (Ne)
Cơng suất của động cơ được đo ở đầu ra của trục khuỷu. Từ định nghĩa của cơng suất, áp suất trung bình của chu trình và tốc độ quay ta cĩ các cơng thức xác định cơng suất chỉ thị và cơng suất cĩ ích dưới đây:
i s i p .V .n.i N z (2.1) e s e p .V .n.i N z (2.2) Trong đĩ:
Vs , thể tích cơng tác của xi lanh; i, số xi lanh của động cơ; z, hệ số kỳ: z = 1 đối
với động cơ 2 kỳ, z = 2 đối với động cơ 4 kỳ; i i s W p V , áp suất chỉ thị trung bình; e e s W p V
, áp suất cĩ ích trung bình; Wi và We, cơng chỉ thị và cơng cĩ ích.
- Cơng suất danh nghĩa (Nen)
Cơng suất cĩ ích lớn nhất mà động cơ cĩ thể phát ra một cách liên tục mà khơng bị quá tải trong những điều kiện quy ước. Các điều kiện cơ bản được quy ước khi xác định cơng suất danh nghĩa của ĐCĐT bao gồm:
+ Điều kiện khí quyển tiêu chuẩn; + Tốc độ quay danh nghĩa;
+ Loại nhiên liệu và chất bơi trơn xác định;
+ Trang thiết bị phụ trợ cho động cơ khi đo cơng suất,…
2.1.2. Hiệu suất
Trong tổng số nhiệt năng đưa vào động cơ, chỉ cĩ một phần được "biến đổi" thành cơ năng cĩ ích, phần cịn lại bị tổn thất ở những cơng đoạn khác nhau trong quá trình biến đổi. Hiệu suất là đại lượng được sử dụng để đánh giá hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của động cơ. Để đánh giá mức độ tổn thất trong từng cơng đoạn của cả quá trình biến đổi năng lượng, sẽ bao gồm các khái niệm hiệu suất sau đây: Hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị, hiệu suất cơ học, hiệu suất cĩ ích.
- Hiệu suất chỉ thị (i)
Là hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động thực tế.
m x kh cl i i i 1 1 1 Q Q +Q +Q w Q 1 1 Q Q Q (2.3) Cả hiệu suất lý thuyết (t) và hiệu suất chỉ thị (i) đều là hiệu suất nhiệt - đại
lượng đánh giá mức độ hồn thiện của động cơ về phương diện nhiệt động. Chúng khác nhau ở chỗ, trong hiệu suất chỉ thị người ta tính đến tất cả các dạng tổn thất nhiệt
năng cĩ thể cĩ khi thực hiện một chu trình nhiệt động ở động cơ thực; cịn hiệu suất lý thuyết chỉ bao hàm một dạng tổn thất nhiệt năng theo quy định của định luật nhiệt động II - nhiệt năng phải truyền cho nguồn lạnh để cĩ thể thực hiện một chu trình nhiệt động lực. Ta cĩ: i i t i t t i 1 1 t w w w Q Q w (2.4)
- Hiệu suất cơ học (m)
Là đại lượng đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, tức là đánh giá mức độ hồn thiện của động cơ về phương diện cơ học. Nĩ được xác định bằng cơng thức:
e m m i i w w 1 w w (2.5) Hiệu suất cơ học chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành khác
nhau như:
+ Vật liệu chế tạo;
+ Chất lượng thiết kế, chế tạo và lắp ráp; + Chất bơi trơn và chế độ bơi trơn; + Tỷ số nén, tốc độ, tải, …
- Hiệu suất cĩ ích (e)
Là đại lượng đánh giá tất cả các dạng tổn thất năng lượng trong quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng cĩ ích ở động cơ.
e e i m t t 1 m 1 w Q (2.6)
2.1.3. Tiêu hao nhiên liệu
- Tiêu hao nhiên liệu giờ
Là lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ: Đơn vị Ge là [kg/h] hoặc [lít/h]
- Suất tiêu hao nhiên liệu riêng cĩ ích
Trong thực tế khai thác, ngưịi 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 để sinh ra một đơn vị cơng suất cĩ ích trong một đơn vị thời gian được gọi là suất tiêu hao nhiên liệu riêng cĩ ích (ge).
e e e G g N [ g/kW.h ] hoặc [ g/HP.h ] (2.7)
Trong đĩ:
ge- suất tiêu hao nhiên liệu riêng cĩ ích; Ge- lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ; Ne- cơng suất cĩ ích của động cơ.
2.1.4. Phát thải khí xả
Khí thải được hình thành từ kết quả của quá trình cháy của hỗn hợp khơng khí/nhiên liệu khơng đồng nhất. Các q trình hịa trộn nhiên liệu trước khi cháy như thời gian cháy trễ, chất lượng tia phun, thời gian lưu trú của nhiên liệu trong các vùng nhiệt độ khác nhau, thời gian giãn nở và đặc điểm thiết kế của động cơ đĩng vai trị quan trọng trong việc tạo thành khí thải. Trong động cơ diesel, hai thành phần khí thải quan trọng để đánh giá quá trình cháy là bồ hĩng và NOx:
- Phát thải bồ hĩng
Bồ hĩng là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Nĩ tồn tại dưới dạng những hạt rắn và rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hĩng ngồi việc gây trở ngại cho cơ quan hơ hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác cĩ mặt trong khơng khí, bồ hĩng cịn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các Hydrocarbure thơm mạch vịng hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành. Các hạt bồ hĩng này cấu thành từ ba nhĩm chính:
+ Nhĩm các hạt rắn (Solid fraction - SOL): Các hạt carbon, tro;
+ Nhĩm các chất hữu cơ cĩ thể hịa tan (Soluble Organic Fraction - SOF): Gồm vật liệu hữu cơ cĩ nguồn gốc từ dầu bơi trơn và dầu diesel;
+ Nhĩm các hạt sunphát (Sulfate particulates - SO4): Gồm Acid sulfuric và nước.
- Phát thải NOx
Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với khơng khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự khơng đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lý hĩa diễn ra trong q trình cháy, nên trong khí xả động cơ diesel luơn cĩ chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại Oxyde nitơ (NO, NO2, N2O) gọi chung là NOx. Trong đĩ, NO chiếm đại bộ phận, là khí khơng màu, khơng mùi, khơng tan trong nước. NO cĩ thể gây nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển ơ xy gây bệnh thiếu máu [28].