QUAN HỆ NHIỆT ĐỘNG CỦA NHỮNG QUÁ TRÌNH ĐỘNG CƠ

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ

2.3. QUAN HỆ NHIỆT ĐỘNG CỦA NHỮNG QUÁ TRÌNH ĐỘNG CƠ

Toàn bộ các thông số hoạt động của động cơ được quan tâm nhất có thể được xác định từ những phân tích nhiệt động chu trình hoạt động của động cơ là:

Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị f,i:

LHV f

i c i

f m Q

W,

, 

 (2-1)

(vì hiệu suất cháy là đồng nhất, bằng hiệu chuyển đổi nhieọt chổ thũ t,i, xem phaàn I chửụng 1).

Áp suất hiệu dụng trung bình chỉ thị (imep):

d i f LHV f d

i c

V Q m V

imep W,  ,



 (2-2)

Wc,i là công chỉ thị của chu trình, bằng tổng công của kỳ nén và công của kỳ giãn nở:

E C i

c W W

W,   (2-3)

Với chú thích trên hình 3-2 để xác định điểm kết thúc của mỗi quá trình động cơ, các quan hệ sau được xây dựng bằng cách ứng dụng định luật nhiệt động 1 và 2 cho xy lanh công tác của động cơ:

Kyứ neựn:

rc

v v 

2

1 (2-4)

Vì quá trình là đoạn nhiệt và thuận nghịch nên:

2

1 s

s  (2-5)

Công kỳ nén là:

2

3 p

p  h3 h2 (2-7c, d)

Với chu trình áp suất tới hạn:

a b

a v p p

v3  2 3  3 (2-7e, f)

và u3a  u2 0 h3b h3a 0 (2-7g, h) Kỳ giãn nở:

Với chu trình đẳng tích:

3 4 3

4 r s s

v v

c 

 (2-8a, b)

và công giãn nở:

 3 4

4

3 U mu u

U

WE     (2-9)

Với chu trình đẳng áp:

3 4 2

4 2

3 r s s

v p v

p  c  (2-10a, b,

c) và công giãn nở là:

 

   

 

 

 3 4 4 4 2 2

2 3 2 4 3

2 3 2 4 3

v p v p h h m

v v p u u m

V V p U U WE

























(2-11) Với chu trình áp suất giới hạn:

b a

b c

a

s s p

p v r

v

3 4 3

3 3

4    (2-12a, b,

c) và công giãn nở là:

 

   

 

 

 b a

a b b

a b b

E

v p v p h h m

v v p u u m

V V p U U W

3 3 4 4 4 3

3 3 3 4 3

3 3 3 4 3

























(2-13) Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị tìm được bằng cách thay thế vào phương trình (3-3) và (3-1):

Với chu trình đẳng tích:

   

 

LHV f

1 2 4

i 3

f m Q

u u u

u

m   

, 

 (2-14)

Với chu trình đẳng áp:

   

 

LHV f

2 2 4 4 1 2 4

i 3

f m Q

v p v p u u h

h

m     

, 

 (2-15)

Với chu trình áp suất giới hạn:

Trong mô hình quá trình xả lý tưởng, quá trình quét khí xảy ra khi pít-tông đi lên từ điểm chết dưới. Trong suốt quá trình quét khí này, khí còn sót trong lòng xy lanh giãn nở đẳng entropi. Những khí thoát khỏi xy lanh dưới sự giãn nở không kiểm soát được hoặc quá trình đó gọi là không thuận nghịch. Giả thiết rằng động năng đạt được bởi mỗi nguyên tố như nó được tăng nhanh thông qua xú-páp xả thì bị tiêu hao trong quá trình trộn rối ở cổng xả thành nội năng và công của dòng xả. Vì cũng giả thiết rằng không có trao đổi nhiệt xảy ra, entanpi của mỗi nguyên tố khí sau khi thoát khỏi xy-lanh vẫn là hằng số.

Những quá trình này được minh họa trên đồ thị h - s trên hình 2-3. Khí còn lại trong xy-lanh giãn nở đẳng entropi dọc theo đường 4-5. Thành phần đầu tiên của khí cháy thoát khỏi xy-lanh tại điểm 4 đi vào họng xả tại điểm a với áp suất = đường pe. Thành phần mà thoát khỏi xy- lanh ở trạng thái trung bình b trên đường kéo dài 4-5 sẽ đi vào họng xả tại trạng thái c. Vào cuối quá trình xả, khí cháy trong xy-lanh và khí cuối thoát ra có cùng trạng thái -5. Vì vậy, có sự biến thiên nhiệt độ với khí xả. Nhiệt độ Ta của thành phần khí xả đầu tiên không đáng kể hơn T4 ; vànhiệt độ của khí xả cuối là T5 .

Dịch chuyển của khí cháy ra khỏi xy-lanh theo quá trình Hình 2-3: Đồ thị entropi - entanpi của trạng thái khí trong quá

trình xả

s h

khí cháy có trong xy-lanh ở cuối quá trình xả thì giảm bởi tổ soỏ V5 / V6.

Khối lượng khí sót mr trong xy-lanh ở điểm 6 trong chu trình có được bằng cách xác định trạng thái của khí cháy (T5 , v5 ) vào cuối quá trình xả theo sự giãn nở đẳng entropi từ p4 đến pe , và bởi sự giảm thể tích xy-lanh tới thể tích trống V6. Tỉ số khối lượng khí sót cho bởi:

5 2 5 4

v v r

v x v

m m

c r

r   / 

(2-17) Trạng thái trung bình của khí xả có thể định bởi xét hệ thống hở gồm bề mặt pít-tông, thành xy-lanh, và đầu quy-lát, như hình 3-4. Áp dụng định luật nhiệt động thứ nhất cho hệ thống hở, ta có:

  e

e V V H

p U

U6  4  4  6  (2-18a)

Ở đây He là entanpi của khối lượng khí xả từ xy-lanh.

Vì vậy, entanpi khí xả riêng trung bình là:

6 4

6 6 4 4

m m

V p u m u

he m e d





  (2-18b)

trong đó, p = pe là trạng thái khí xả trung bình.

Hình 2-4: Xác định biên của hệ thống cho phân tích

Hút Xả

bieõn cuỷa heọ thoáng

hay m1u1  m6u6   pi V1 V6   m1  m6 hi (2-19b) hay m1h1  m6h6   m1  m6 hi  V2 pi  pe (2-19c)

trong đó, hi là entanpi riêng của hỗn hợp đi vào, và p1

= pi .

Chú ý là khi p1 = pi , phần khí sót trong xy-lanh cuối kỳ xả sẽ đi vào hệ thống hút khi xú-páp hút mở. Điều này sẽ ngưng khi áp suất trong xy-lanh bằng pi . Tuy nhiên, vì không có trao đổi nhiệt xảy ra, sẽ không gây ảnh hưởng đến hệ phương trình (2-19).

Trong động cơ bốn kỳ, công được thực hiện trên pít- tông trong suốt quá trình hút và xả. Công do khí cháy lên pít-tông khi xả là:

 V2 V1

p

We  e  (2-20)

Công do khí cháy lên pít-tông khi hút là:

 V1 V2

p

Wi  i  (2-21)

Công của hệ qua kỳ xả và hút gọi là công quét cho bởi:

 p p  V1 V2

Wp  i  e  (2-22)

trong đó, với hệ thống khí cháy trong xy-lanh, là âm cho pi < pe , và dương cho pi > pe .

Áp suất hiệu dụng chỉ thị trung bình quét (pmep) xác định dương, do đó:

khi pi < pe : pmep = pe  pi (2- 23a)

khi pi > pe : pmep = pi  pe (2- 23b)

Áp suất hiệu dụng trung bình chỉ thị thực và tổng chung có quan hệ như sau:

imepn = imepg  (pe  pi) (2- 24)

Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị thực và hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thị tổng chung có quan hệ nhử sau:

 





 



 





g i e ig

f in

f imep

p 1 p

,

, 

 (2-25)