CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ
2.5. PHAÂN TÍCH CHU TRÌNH KHOÂNG KHÍ - NHIEÂN LIEÄU
Biểu diễn chính xác hơn những đặc tính của môi chất công tác bên trong xy-lanh động cơ là xử lý hỗn hợp khí chưa cháy như khí trơ trong thành phần và hỗn hợp đã cháy như ở trạng thái cân bằng. Giá trị của những đặc tính nhiệt động học cho những mô hình môi chất công tác có thể có được bằng những đồ thị cho hỗn hợp chưa cháy và đã cháy trong phần 2.5 trước, hoặc bảng tổng kết mã hóa máy tính ở phần 2.7. Khi những mô hình môi chất công tác này được kết hợp với mô hình quá trình động cơ thật trong bảng 2-1, những chu trình kết quả gọi là những chu trình không khí-nhiên liệu. Chuỗi những quá trình và những giả thiết là (với những chú ý trong hình 2-2):
1-2 nén đoạn nhiệt thuận nghịch của hỗn hợp không khí, hơi nhiên liệu, và khí sót mà không có thay đổi thành phần hóa học.
2-3 nén hoàn tất (đẳng tích hay áp suất tới hạn hay đẳng áp), mà không có mất nhiệt, để khí cháy trong điều kiện cân bằng hóa học.
3-4 giãn nở đoạn nhiệt thuận nghịch của hỗn hợp đã cháy trong điều kiện cân bằng hóa học.
4-5-6 xả khí thải thuận nghịch lý tưởng và quá trình thay thế bằng khí cháy đã cố định thành phần hóa học.
6-7-1 quá trình hút lý tưởng với hòa trộn giữa khí sót và hỗn hợp mới, cả hai đều cố định thành phần hóa học.
Những phương trình cơ bản cho mỗi quá trình đã giới thiệu trong phần 3.3. việc sử dụng những đồ thị này cho tính toán chu trình động cơ hoàn chỉnh sẽ được trình bày sau ủaõy.
2.5.1. Mô phỏng chu trình động cơ SI:
Điều kiện hỗn hợp tại điểm 1 phải biết được hay phải
Ở đây Tr = 1400 K và ( - 1)/ = 0,24 là giá trị trung bình phù hợp để dùng cho ước lượng ban đầu.
Cho hệ số tương đương và những điều kiện đầu T1
(K), p1 = pi (Pa), v1(m3/kg không khí), trạng thái tại điểm 2 vào cuối nén thông qua tỉ số v1 / v2 =rc được xác định theo biểu thức (2-25a) và sơ đồ nén đẳng entropi (hình 2-4). Công nén Wc (J / kg không khí) xác định theo phương trình (3-6) với sự thay đổi nội năng từ đồ thị hỗn hợp chưa cháy (hình 2-3).
Việc dùng các sơ đồ quan hệ trạng thái của hỗn hợp cháy với trạng thái của hỗn hợp chưa cháy trước khi cháy, cho cháy đẳng tích đoạn nhiệt và đẳng áp được mô tả ở phaàn 2.5.3.
Với chu trình đẳng tích:
u f 2 s
3 u u
u , J/ kg khoâng khí (2-49)
Ở đây us2 là nội năng biết được của hỗn hợp chưa cháy tại điểm T2 có từ hình 2-3 và uf,u là nội năng của sự thành lập hỗn hợp chưa cháy [cho bởi biểu thức (2-32)].
Vì v3 = v2 , trạng thái khí cháy tại điểm 3 có thể định trên đồ thị khí cháy tương ứng (hình 2-5 tới 2-9).
Với chu trình đẳng áp:
u f 2 s
3 h h
h , J/ kg khoâng khí (2-50)
Vì p3 = p2 , trạng thái khí cháy tại điểm 3 có thể xác định (lặp) trên đồ thị khí cháy nhiệt độ cao.
Với chu trình áp suất tới hạn, ứng dụng định luật 1 cho hỗn hợp giữa trạng thái 2 và 3b ta có:
2 3 u f 2 s 2 3 2 b 3 3 b 3 b
3 u pv u p v u u p v
h , J/ kg khoâng khí (2-51) Vì p3 của chu trình áp suất tới hạn đã cho, điểm 3b có thể xác định trên đồ thị khí cháy tương ứng.
Quá trình giãn nở 3-4 theo đường đẳng entropi từ v3
tới v4 (v4 = v1) trên đồ thị khí cháy. Phương trình (2-9) [hay (2- 11) hay (2-13)] bây giờ sẽ cho công giãn nở WE. Trạng thái của khí sót tại điểm 5 và 6 trong chu trình có được bằng cách tiếp tục quá trình giãn nở đẳng entropi từ trạng thái 4 tới p = pe . Nhiệt độ khí sót có thể biết từ đồ thị khí cháy cân bằng; lượng khí cháy có được từ phương trình (2- 17). Nếu giá trị của Tr và xr được giả định vào lúc bắt đầu tính toán chu trình xác định T1 , giá trị giả định có thể kiểm tra khác với giá trị tính và một tính toán chu trình bổ sung được thực hiện với giá trị mới nếu yêu cầu. Độ hội tụ khá nhanh.
Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị có được từ
r 1
v
x 1 r
c i a 1
r c
v
,
(2-52)
Ở đây a,i là mật độ không khí đi vào (kg/m3) và v1 là thể tích của hỗn hợp trên đồ thị (m3/ kg không khí trong hỗn hợp gốc).
2.5.2. Các kết quả của tính toán chu trình:
Các kết quả mở rộng của tính toán chu trình không khí - nhiên liệu đẳng tích là có thể tính được.
Hiệu suất thì ảnh hưởng ít bởi những biến khác hơn là tỉ số nén rc và hệ số tương đương . Hình 2-9 và 2-10 chỉ ra ảnh hưởng của sự thay đổi trong hai thông số này trên hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị và áp suất hiệu dụng. Từ các kết quả có được, có thể đưa ra những kết luận sau:
1. Hiệu quả của tăng tỉ số nén lên hiệu suất với hệ số tương đương là hằng thì như nhau để chứng tỏ bởi hằng số phân tích chu trình đẳng tích (cung cấp giá trị thích hợp của được dùng, xem hình 2-13).
2. Khi hệ số tương đương giảm dưới một đơn vị (ví dụ hỗn hợp không khí - nhiên liệu được tạo nghèo dần hơn là cháy hoàn toàn lý thuyết), hiệu suất tăng. Điều này xảy ra vì nhiệt độ khí cháy sau khi cháy tăng lên, giảm nhiệt riêng khí cháy và do đó tăng giá trị ảnh hưởng của trong kỳ giãn nở. Hiệu suất tăng bởi vì, với một tỉ số giãn nở thể tích cho trước, những khí đã cháy giãn nở qua một hệ số nhiệt độ lớn hơn trước khi xả; vì thế, với một đơn vị khối lượng nhiên liệu, công kỳ giãn nở sẽ tăng.
3. Khi hệ số tương đương tăng lên một đơn vị (ví dụ hỗn hợp không khí - nhiên liệu được tạo giàu dần hơn là cháy hoàn toàn lý thuyết), hiệu suất giảm vì thiếu không khí cần thiết để oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu nhiều hơn sự bù đắp lại ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ khí cháy mà giảm nhiệt riêng của hỗn hợp.
4. Áp suất hiệu dụng từ phương trình (2-2) thì tỉ lệ với
f , i. Những biểu thị này tối đa giữa 1,0 và 1,1; ví
5. Những thay đổi áp suất ban đầu, nhiệt độ đầu vào, lượng khí sót, và độ ẩm không khí chỉ có ảnh hưởng vừa phải lên hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu. Tuy nhiên, những ảnh hưởng của sự thay đổi trong các biến này lên imep thì đáng kể hơn, bởi vì imep phụ thuộc trực tiếp lên mật độ nạp ban đầu.
6. So sánh các kết quả từ những chu trình áp suất tới hạn và đẳng tích chỉ rằng đặt một giới hạn thực tế trên áp suất cực đại làm giảm những ưu điểm của tăng tỉ số nén trên cả hiệu suất và imep.
Hình 2-9. Kết quả chu trình không khí-nhiên liệu cho áp suất hiệu dụng chỉ thị là hàm của tỉ số nén và hệ số tương
ủửụng.
Nhieõn lieọu : octene; p1 = 1atm; T1 = 388 K; xr = 0,05.
Heọ soỏ tửụng ủửụng nhieõn lieọu / khoâng khí