Bài giảng động cơ diesel tàu thủy ii phần 1 ts lê văn vang

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 21.1.2 Các thông số đặc trưng của chu trình ?1: Nhiệt lượng cung cấp đẳng tích; ?2: Nhiệt lượng cung cấp đẳng áp; ?3: Nhiệt lượn

TS LÊ VĂN VANG

BÀI GIẢNG

ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ II

ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 1

CHƯƠNG 1 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT

TRONG

1.1 Khái niệm cơ bản

Trong các động cơ đốt trong, việc nghiên cứu chu trình thực tế rất phức tạp

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới diễn biến của các quá trình trong chu trình công tác như các thông số về kết cấu (tỷ số nén, phương pháp quét khí và thải khí, phương pháp hình thành khí hỗn hợp…), các thông số về điều chỉnh (góc phân phối khí, góc phun sớm, thành phần hỗn hợp), các thông số về khai thác (chế độ làm việc của động cơ, điều kiện về môi trường) Vì vậy khi nghiên cứu cơ sở lý thuyết của động cơ diesel, người ta phải xem xét sơ đồ đơn giản hoá các quá trình công tác đó, hay còn được gọi là chu trình lý tưởng

Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong là chu trình công tác mà trong đó không tính đến tổn thất nhiệt nào khác ngoài tổn thất nhiệt truyền cho nguồn lạnh được quy định theo luật nhiệt động học 2 Chu trình lý tưởng của động cơ diesel cho phép

dễ dàng đánh giá tính hoàn thiện và khả năng sử dụng nhiệt lượng của nhiên liệu

Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong biểu diễn trên đồ thị 𝑃 − 𝑉 (đồ thị công)

(hình 1.1):

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 2

1.1.2 Các thông số đặc trưng của chu trình

𝑄1: Nhiệt lượng cung cấp đẳng tích;

𝑄2: Nhiệt lượng cung cấp đẳng áp;

𝑄3: Nhiệt lượng thải đẳng tích;

1.1.3 Các giả thiết khi nghiên cứu chu trình lý tưởng:

Chu trình lý tưởng nêu trên khi nghiên cứu có kèm theo các giả thuyết sau đây:

- Chu trình diễn ra với một đơn vị khí lý tưởng ; các quá trình xảy ra chỉ làm môi chất thay đổi về trạng thái vật lý và thành phần hoá học và khối lượng không thay đổi

- Không có các quá trình cháy trong xilanh động cơ, môi chất nhận nhiệt là

do tiếp xúc lý tưởng với nguồn nóng

- Các quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt, sự chuyển động là không có

ma sát

- Quá trình thải nhiệt là do môi chất tiếp xúc lý tưởng với nguồn lạnh mà không phải là quá trình trao đổi khí

- Nhiệt dung riêng của môi chất là hằng số

- Nguồn nóng và nguồn lạnh là vô cùng lớn để quá trình truyền nhiệt là ổn định

Chu trình lý tưởng với các giả thuyết trên đây được lấy làm cơ sở lý thuyết nghiên cứu cho động cơ đốt trong Các yếu tố về khai thác, kết cấu, kiểu loại động cơ… không ảnh hưởng đến chu trình Sự thay đổi thể tích khi thực hiện các quá trình

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 3

nén và giãn nở là do piston chuyển động trong xilanh thực hiện nhưng thông số trên

đồ thị là do thể tích (hoặc thể tích riêng) của môi chất

trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có quá trình cháy diễn ra rất nhanh (gần như tức thời tại điểm 𝑧) Các động cơ xăng, động cơ ga thường được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích

Hình 1.2 thể hiện các quá trình công tác của chu trình lý tưởng cấp nhiệt

đẳng tích trên đồ thị 𝑃 − 𝑉 và 𝑇 − 𝑆 Trong chu trình này nhiệt lượng cung cấp trong quy trình đẳng áp 𝑄2 = 0 Trong đó ta có thể thấy:  = và = 1

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 4

1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp

V

V a

V c

Hình 1.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị P-V và T-S

Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp (hình 1.3), trong đó nhiệt lượng 𝑄2

trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có quá trình cháy diễn ra

chậm hơn nhiều (sau điểm z) Các động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng không

khí nén được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp

nhiệt lượng cung cấp cho chu trình chỉ còn lại là 𝑄2, khi đó = 1

1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp

Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng cung cấp trong các quá trình đẳng áp, đẳng tích đều khác không (𝑄1, 𝑄2 khác 0) Chu trình lý tưởng

cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1.4), trong đó nhiệt lượng 𝑄1 (hoặc 𝑄𝑣) cấp cho công chất trong quá trình 𝑐 − 𝑧1 còn nhiệt lượng 𝑄2 (hoặc 𝑄𝑝) cấp cho công chất trong quá

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 5

cao áp và vòi phun) được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp

1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng

Hiệu suất chu trình lý tưởng:

𝜂𝑡 =𝑄1+ 𝑄2− 𝑄3

𝑄3

𝑄1+ 𝑄2Trong đó: 𝑄1, 𝑄2 là nhiệt cấp đẳng tích và đẳng áp, còn 𝑄3 là nhiệt thải Mối liên hệ giữa các thông số tại các điểm đặc biệt của chu trình như điểm

𝑎, 𝑐, 𝑧1, 𝑧, 𝑏 theo thông số trạng thái ban đầu áp suất được tính toán như sau:

Điểm 𝑐:

𝑃𝑐 𝑉𝑐𝑘 = 𝑃𝑎 𝑉𝑎𝑘 ⇒ 𝑃𝑐 = 𝑃𝑎 𝜀𝑘

𝑇𝑐 𝑉𝑐𝑘−1 = 𝑇𝑎 𝑉𝑎𝑘−1 ⇒ 𝑇𝑐 = 𝑇𝑎 𝜀𝑘−1Điểm 𝑧1:

𝑄1 = 𝐶𝑣 (𝑇𝑧1 − 𝑇𝑐) = 𝐶𝑣 (𝑇𝑎 𝜆 𝜀𝑘−1− 𝑇𝑎 𝜀𝑘−1)

𝑄2 = 𝐶𝑝 (𝑇𝑧− 𝑇𝑧1) = 𝐶𝑝 (𝑇𝑎 𝜌 𝜆 𝜀𝑘−1 − 𝑇𝑎 𝜆 𝜀𝑘−1)

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 6

𝑄3 = 𝐶𝑣 (𝑇𝑏− 𝑇𝑎) = 𝐶𝑣 (𝑇𝑎 𝜌𝑘 𝜆 − 𝑇𝑎) Thay vào công thức định nghĩa 𝑡, ta có:

𝑘 𝜆 − 1(𝜆 − 1) + 𝑘 𝜆 (𝜌 − 1)Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích = 1,= ta có:

𝜀𝑘−1Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp = 1 ta có:

𝑘 − 1

𝑘 (𝜌 − 1)

1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng

Khi so sánh hiệu suất nhiệt của chu trình, ta sử dụng đồ thị 𝑇 − 𝑆 và trên

đó lượng nhiệt cấp và thải đều được thể hiện bằng diện tích của đồ thị Trên cơ sở công thức định nghĩa, hiệu suất nhiệt 𝜂𝑡 sẽ thay đổi tùy thuộc vào nhiệt lượng cung cấp cho chu trình (𝑄1+ 𝑄2) hoặc nhiệt lượng thải 𝑄3

1 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỉ số nén 𝜺 và nhiệt lượng thải 𝑸𝟑 nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp:

Hình 1.5 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng

Với điều kiện cố định 𝜀 và 𝑄3 ta thấy:

- Khi giữ nguyên 𝜀, các điểm 𝑎 và 𝑐 phải trùng nhau đối với cả ba chu trình

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 7

- Khi giữ nguyên 𝑄3, ta thấy diện tích các hình biểu thị nhiệt thải với ba phương án trên phải như nhau, có nghĩa là diện tích (1𝑎𝑏21) là chung cho cả ba chu trình

Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích 𝑎𝑐𝑧𝑣𝑏; hỗn hợp 𝑎𝑐𝑧1𝑧𝑏; đẳng áp 𝑎𝑐𝑧𝑝𝑏 lên cùng một đồ thị 𝑇 − 𝑆 như hình vẽ 1.5 So sánh nhiệt lượng cấp, mà nhiệt lượng cấp này biểu thị bằng các diện tích dưới các đường cong cấp nhiêt, ta thấy:

Với điều kiện giữ cố định 𝜀 và 𝑄1+ 𝑄2 ta thấy:

- Khi giữ nguyên 𝜀, các điểm 𝑎 và 𝑐 trùng nhau đối với cả ba chu trình

- Khi giữ nguyên 𝑄1+ 𝑄2, ta thấy diện tích các hình biểu thị nhiệt cấp với

ba phương trên phải như nhau, có nghĩa là:

𝑆(1𝑐𝑧𝑣2𝑣1) = 𝑆(𝑐𝑧1𝑧21) = 𝑆(1𝑐𝑧𝑝2𝑝1) Như thế, các điểm 2𝑣 phải phân bố về phía trái, còn điểm 2𝑝 thì phân bố về phía phải của điểm 2 Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích 𝑎𝑐𝑧𝑣𝑏𝑣; hỗn hợp 𝑎𝑐𝑧1𝑧𝑏; đẳng áp 𝑎𝑐𝑧𝑝𝑏𝑝 lên cùng một hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆 như hình vẽ 1.6

Từ đồ thị ta nhận thấy:

𝑆(1𝑎𝑏𝑣2𝑣1) < 𝑆(1𝑎𝑏21) < 𝑆(1𝑎𝑏𝑝2𝑝1) Hay là: 𝑄3𝑣 < 𝑄3 < 𝑄3𝑝

Do đó:

𝜂𝑡𝑣 > 𝜂𝑡 > 𝜂𝑡𝑝

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 8

Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng

3 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực đại 𝑷𝒎𝒂𝒙

và nhiệt lượng thải 𝑸𝟑

trình trên cùng một hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆, chúng phải cùng chung nhau quá trình thải nhiệt đẳng tích 𝑏 − 𝑎

Với điều kiện áp suất cực đại 𝑃𝑚𝑎𝑥 như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆, các điểm 𝑧𝑣, 𝑧, 𝑧𝑝 phải cùng nằm trên một đường

𝑝 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Mặt khác, vì điểm 𝑏 cùng chung cho cả ba chu trình nên các điểm

𝑧𝑣, 𝑧, 𝑧𝑝 phải trùng nhau

Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích 𝑎𝑐𝑣𝑧𝑏; hỗn hợp 𝑎𝑐𝑧1𝑧𝑏; đẳng áp 𝑎𝑐𝑝𝑧𝑏 lên cùng một hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆 như hình vẽ 1.7

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 9

Các điểm 𝑐 trong chu trình cấp nhiệt đẳng tích là 𝑐𝑣, hỗn hợp 𝑐, đẳng áp là

𝑐𝑝, đồng thời các điểm đó phân bố từ trên xuống dưới là 𝑐𝑝, 𝑐, 𝑐𝑣

Nhiệt lượng thải cho nguồn lạnh của cả ba chu trình là bằng nhau, do đó:

Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích 𝑎𝑐𝑣𝑧𝑣𝑏𝑣; hỗn hợp 𝑎𝑐𝑧1𝑧𝑏; đẳng áp

𝑎𝑐𝑝𝑧𝑝𝑏𝑝 lên cùng một hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆 như hình vẽ 1.8

ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆, các diện tích dưới đường cong cấp nhiệt biểu thị cho lượng nhiệt cấp của cả ba chu trình phải bằng nhau, tức là:

Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng

Với điều kiện áp suất cực đại 𝑃𝑚𝑎𝑥 như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ 𝑇 − 𝑆, các điểm 𝑧𝑣, 𝑧, 𝑧𝑝 phải cùng nằm trên một đường 𝑝 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 10

So sánh nhiệt lượng thải biểu thị bằng các diện tích tương ứng ta thấy:

𝑆𝑝(1𝑎𝑏𝑝2𝑝) < 𝑆(1𝑎𝑏2) < 𝑆𝑣(1𝑎𝑏𝑣2𝑣)

Do đó, từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận:

𝜂𝑡𝑝 > 𝜂𝑡 > 𝜂𝑡𝑣Qua việc so sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng trên đây, chúng

ta nhận thấy rằng: Trong thực tế, nếu chế tạo các động cơ đốt trong có tỉ số nén

𝜀 như nhau thì dù nhiệt lượng cấp không đổi hay nhiệt thải không đổi, hiệu suất nhiệt của động cơ làm việc theo chu trình đẳng tích sẽ có hiệu suất cao hơn, nhưng nếu

việc theo chu trình đẳng áp lại có hiệu suất cao hơn cả Trên quan điểm chế tạo động

vì vậy nên chế tạo động cơ làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng áp, nhưng việc chế tạo và vận hành những động cơ này gặp khó khăn (động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng khí nén), cho nên những động cơ này thực tế đã không được chế tạo mà thay vào đó, người ta chế tạo các động cơ diesel ngày nay làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 11

CHƯƠNG 2 CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ

cơ tăng áp) Thực tế lượng không khí nạp có trong xilanh ở đầu quá trình nén nhỏ hơn lượng không khí tính toán theo lý thuyết, bởi vì trong quá trình nạp, lượng không khí nạp vào xi lanh còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

- Sức cản thủy lực của đường ống không khí nạp, các xupáp nạp và các cửa nạp (trong động cơ hai kỳ) Do tồn tại sức cản thủy lực này nên áp suất của không khí trong xilanh động cơ khi bắt đầu quá trình nén (cuối quá trình nạp) sẽ nhỏ hơn áp suất không khí nạp trước cửa nạp Sự giảm áp suất do sức cản thủy lực này sẽ làm cho mật độ không khí trong xilanh động cơ của quá trình nạp sẽ bị giảm theo, và do vậy, trong cùng một thể tích, trọng lượng của không khí sẽ giảm

- Sự sấy nóng không khí nạp do thành vách xilanh, đỉnh piston, các xupáp hay các cửa làm cho nhiệt độ không khí nạp tăng, trọng lượng riêng của nó giảm xuống, làm giảm lượng không khí nạp thực tế vào xilanh động cơ

- Ngoài ra trong thực tế, cuối quá trình xả chúng ta không thể làm sạch hoàn toàn xi lanh công tác Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xilanh bao giờ cũng còn sót lại một lượng khí cháy Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm một phần thể tích xilanh công tác, làm giảm lượng không khí sạch nạp vào xilanh Lượng khí cháy còn sót lại trong xilanh động cơ được đánh giá bằng một đại lượng tương đối gọi là hệ số khí sót, kí hiệu là 𝛾𝑟

𝛾𝑟 =𝑀𝑟𝐿

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 12

riêng của không khí nạp giảm xuống, làm giảm lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ

Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ ở các giá trị 𝑃𝑎, 𝑇𝑎 thực tế nhỏ hơn lượng không khí lý thuyết tính toán theo các thông số 𝑃0, 𝑇0 hay 𝑃𝑠, 𝑇𝑠

Để đánh giá hiệu quả của quá trình nạp, người ta đưa ra khái niệm hệ số nạp được định nghĩa như sau:

Hệ số nạp là tỉ số giữa lượng không khí có trong xilanh động cơ ở đầu hành trình nén và lượng không khí có thể chứa trong thể tích công tác của xilanh động cơ,

có thông số là thông số trạng thái của không khí trước cửa hút của xilanh

Nghĩa là: nếu kí hiệu 𝜂𝑛 là hệ số nạp; 𝐺(𝑘𝑔); 𝑉(𝑚3); 𝐿(𝑘𝑚𝑜𝑙) là lượng không khí thực tế nạp vào thể tích 𝑉𝑎 của xilanh công tác; 𝐺𝑠(𝑘𝑔); 𝑉𝑠(𝑚3); 𝐿𝑠(𝑘𝑚𝑜𝑙)

là lượng không khí có thể chứa trong thể tích 𝑉𝑠 của xilanh công tác có các thông số

của không khí trước cửa nạp 𝑃0, 𝑇0 (hay 𝑃𝑠, 𝑇𝑠) thì:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 13

Trong đó: 𝑃𝑎, 𝑇𝑎 là áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nén (𝑘𝐺/𝑐𝑚2; °𝐾); Và

𝑉𝑎 là thể tích xilanh đầu quá trình nén (𝑚3); 𝑃0, 𝑇0 là áp suất và nhiệt độ không khí nạp trước cửa nạp (𝑘𝐺/𝑐𝑚2; °𝐾)

Từ công thức:

𝜂𝑛 =𝑉0

𝑉𝑠 ⇒ 𝑉0 = 𝜂𝑛 𝑉𝑠Khi đó:

𝜀(𝜀 − 1)Thay vào công thức 𝑛 ta có:

𝑛 = 𝜀(𝜀 − 1).

𝑃𝑎 𝑇0

𝑃0 𝑇𝑎.

1

Trường hợp động cơ bốn kỳ tăng áp hay động cơ hai kỳ, thông số trước cửa nạp

như sau:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 14

𝑛 = 𝜀(𝜀 − 1).

𝑃𝑎 𝑇𝑠

𝑃𝑠 𝑇𝑎.

1

Đối với động cơ hai kỳ quá trình nén thực tế là khi piston đóng kín các cửa

Vì thế, trong tính toán quá trình nạp cho động cơ hai kỳ ta phải lấy tỉ số nén thực tế

𝑉𝑠′: thể tích công tác của xilanh khi đóng kín các cửa

Gọi 𝜓𝑠 = ℎ 𝑠⁄ là hệ số tổn thất hành trình, trong đó ℎ là khoảng cách từ mép trên của cửa cao nhất đến điểm chết dưới của piston Khi đó có thể tích:

𝑉𝑠′ = 𝑉𝑠 (1 − 𝜓𝑠)

Thay vào công thức tính 𝜀𝑡, khi đó ta sẽ có:

1 − 𝜓𝑠 ⇒ 𝜀𝑡 = 𝜀 (1 − 𝜓𝑠) + 𝜓𝑠Trong động cơ bốn kỳ, bỏ qua sự đóng muộn của xupáp, khi đó ta có thể xem quá trình nén bắt đầu khi piston từ điểm chết dưới đi lên điểm chết trên (𝜓𝑠 = 0) và khi đó ta có:

𝑉𝑐 =

𝑉𝑐 + 𝑉𝑠

𝑉𝑐Thay vào phương trình trên ta có:

𝑉𝑐 (1 − 𝜓𝑠) ⇒ 𝑉𝑠 =(𝜀𝑡− 1) 𝑉𝑐

(1 − 𝜓𝑠)Thay vào công thức tính hệ số nạp ta có:

Có thể biểu diễn công thức tính hệ số nạp dưới một dạng khác như sau:

Từ phương trình trạng thái của 1𝑘𝑔 chất khí: 𝑃 𝑉 = 𝑅 𝑇

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 15

Viết cho chất khí có thông số 𝑃0, 𝑉0, 𝑇0 ta có: 𝑃0 𝑉0 = 𝑅 𝑇0

khi đó biểu thức 𝑃𝑎 𝑇 𝑠

𝑃 𝑠 𝑇 𝑎 được thay bằng 𝛾𝑎

𝛾 𝑠 Bây giờ ta sẽ phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Từ công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp:

(𝜀−1) là một thông số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ Như vậy với mỗi động cơ cụ thể thì biểu thức này là một hằng số Còn biểu thức 1

(1+𝛾𝑟) thì ở đây 𝛾𝑟 là một thông số phụ thuộc vào hệ thống quét thải của động cơ

thay đổi phụ thuộc rất nhiều vào việc hoàn thiện hệ thống quét thải và hệ thống tăng áp Ngoài ra việc làm vệ sinh sạch các cửa quét thải trong động cơ hai kỳ, các

hệ số nạp giảm xuống và ngược lại

Môi trường nơi động cơ làm việc có ảnh hưởng đến hệ số nạp thông qua giá trị 𝑃0, 𝑇0 và  Thực tế giữa áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường ảnh hường

cách khác, khi đó mật độ không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm) theo

Do vậy, tỉ số 𝛾𝑎

𝛾0 thực tế thay đổi rất ít và hầu như không đáng kể Như vậy đối với một động cơ cụ thể ở một chế độ khai thác đã chọn thì có thể xem hệ số nạp không chịu ảnh hưởng của môi trường nơi động cơ làm việc nếu hê số khí sót cũng

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 16

không khí nạp thay đổi nên lượng không khí sạch nạp vào xilanh động cơ cũng thay đổi theo Nếu chuyển động cơ từ vùng có nhiệt độ thấp (hàn đới) sang khai thác ở

và vì vậy số lượng không khí nạp vào xilanh động cơ cũng giảm theo Nếu các điều kiện khác là như nhau thì trong trường hợp này để giữ nguyên hệ số dư lượng không khí 𝛼 thì bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, tức là giảm công suất của động cơ

Ngoài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ ẩm môi trường cũng có ảnh hưởng đáng kể đến lượng không khí nạp vào xilanh động cơ

Lượng không khí nạp vào xilanh động cơ khi không khí là không khí khô có thể tính theo công thức: 𝐺1 = 𝑉𝑠 𝛾0.𝑛

Khi không khí nạp là không khí ẩm thì lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ được tính như sau:

1 + 1,61 𝑑Trong đó (𝑑) là độ ẩm riêng của hơi nước trong không khí ẩm

Như vậy khi độ ẩm tăng, lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ sẽ giảm

Như đã nói ở trên, đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, thông

số trước cửa nạp không phải là 𝑃0, 𝑇0 mà là 𝑃𝑠, 𝑇𝑠 Hai thông số này ngoài ảnh hưởng của môi trường còn chịu ảnh hưởng của quá trình nén trong máy nén tăng áp và chế

độ làm mát không khí tăng áp Điều này có nghĩa là 𝑃0, 𝑇0 và  là các thông số gián

tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng không khí nạp Do vậy có thể nói đối với các động

cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, ảnh hưởng của môi trường sẽ nhỏ hơn so với động cơ không tăng áp

𝑃0hoặc 𝑃𝑎

𝑃𝑠 Khi sức cản trên đường ống hút càng tăng thì 𝑃𝑎

𝑃0 sẽ càng nhỏ và do đó 𝑛 sẽ càng giảm

Các giá trị của hệ số nạp phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong khoảng sau:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 17

2.1.2 Xác định các thông số của quá trình nạp

Giá trị 𝜀 là một thông số kết cấu:

𝑉𝑐Đối với các động cơ đốt trong, việc lựa chọn ε khi thiết kế động cơ dựa yêu cầu là nhiệt độ cuối quá trình nén phải đảm bảo nhiên liệu có khả năng

tự bốc cháy, nhưng đồng thời phải giữ cho các giá trị ứng suất nhiệt và ứng suất

cơ nằm trong giới hạn cho phép

Các động cơ diesel tàu thủy giá trị 𝜀 = 10 ÷ 19; động cơ kích thước nhỏ chọn 𝜀 cao; động cơ không tăng áp có 𝜀 cao hơn động cơ tăng áp

Hệ số khí sót cũng là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong các khoảng sau:

nhỏ hơn động cơ hai kỳ Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xilanh tốt hơn Còn động cơ hai kỳ quét thẳng do quỹ đạo chuyển động của dòng khí không phải đổi chiều, do

đó nó có khả năng quét sạch các góc của xilanh hơn động cơ hai kỳ quét vòng nên giá trị 𝛾𝑟 của nó nhỏ

Ngoài hai thông số phụ thuộc kết cấu trên, các thông số khác của quá trình nạp đều là những thông số phụ thuộc trạng thái của khí nạp Sau đây chúng ta sẽ đi tìm phương pháp xác định các thông số này

Áp suất và nhiệt độ điều khiển cuối quá trình nạp là hai thông số quan trọng của quá trình trao đổi khí Các thông số này có thể được xác định bằng tính toàn hay thực nghiệm Đặc tính thay đổi của áp suất và nhiệt độ khí nạp và các giá trị khác của nó phụ thuộc rất nhiều vào cường độ trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xilanh, các xupáp và các cửa, cũng như sự trao đổi nhiệt giữa khí nạp và khí sót trong xilanh

Để xác định nhiệt độ chất khí trong xilanh ở cuối kỳ nạp, ta xuất phát từ phương trình năng lượng

Gọi:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 18

ở cuối kỳ nạp

𝑀𝑟: Số lượng mol khí sót

𝐶𝑣′: Nhiệt dung riêng đẳng tích của không khí sạch

𝐶𝑣′′: Nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót

𝐶𝑣′′′: Nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp

Ta giả thiết công của chất khí sinh ra trong quá trình nạp bằng không, khi đó ta

có thể viết:

𝑀𝑎 𝐶𝑣′′′ 𝑇𝑎 = 𝐿 𝐶𝑣′ 𝑇0′+ 𝑀𝑟 𝐶𝑣′′ 𝑇𝑟

Trong công thức trên, ta giả thiết rằng khí sạch nạp vào xilanh động cơ có nhiệt độ tại cửa hút của xilanh là 𝑇0(động cơ bốn kỳ không tăng áp) Sau khi đi qua

cơ cấu nạp nó nhận nhiệt và nhiệt độ tăng từ 𝑇0 lên 𝑇0′ = 𝑇0+ ∆𝑇𝑠𝑛

Trong đó ∆𝑇𝑠𝑛 là độ gia tăng nhiệt độ do sự sấy nóng của các cửa, cơ cấu nạp, đỉnh piston và thành vách xilanh

Sự khác nhau của các giá trị 𝐶𝑣′, 𝐶𝑣′′, 𝐶𝑣′′′ rất nhỏ và ta có thể xem chúng là như nhau Khi đó, trở lại phương trình trên ta có thể viết:

𝐿 = 𝛾𝑟, khi đó ta có:

𝑇𝑎 =𝑇0

′+ 𝛾𝑟 𝑇𝑟

của khí sót phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và nằm trong khoảng 700 ÷ 800°𝐾

Công thức tính nhiệt độ cuối quá trình nạp trên đây là của động cơ bốn kỳ không tăng áp Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ thì phải chú ý

là nhiệt độ trước cơ cấu nạp là: 𝑇𝑠 = 𝑇𝑘 − ∆𝑇𝑙𝑚

Nhiệt độ 𝑇𝑘 của không khí sau máy nén tăng áp có thể tính như sau:

𝑃0)𝑚−1 𝑚

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 19

Trong đó,

𝑚: chỉ số nén đa biến của máy nén:

∆𝑇𝑙𝑚: độ giảm nhiệt độ của không khí khi qua sinh hàn khí tăng áp

Và khi đó, tương tự như trong động cơ bốn kỳ:

𝑇𝑠′ = 𝑇𝑠+ ∆𝑇𝑠𝑛 𝑣à 𝑇𝑎 =𝑇𝑠

′+ 𝛾𝑟 𝑇𝑟

Áp suất của khí nạp sau khi đi qua các cơ cấu nạp sẽ giảm đi một lượng bằng sức cản trên đường ống nạp Vì vậy chúng ta có thể tính:

Cuối cùng nếu thay 𝑇𝑎 =𝑇𝑠′+𝛾 𝑟 𝑇 𝑟

thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp là:

𝑛 = 𝜀(𝜀 − 1).

𝑃𝑎

𝑃0.

𝑇0

Trở lại công thức tính: 𝑃𝑎 = 𝑃0− ∆𝑃ℎ hay 𝑃𝑎 = 𝑃𝑠− ∆𝑃ℎ

khi chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xilanh công tác, trạng thái của chất khí không thay đổi

Khi đó ta có thể cho 𝛾0 = 𝛾𝑎 hay 𝛾𝑎 = 𝛾𝑠 Ta lại giả thiết vận tốc của dòng khí tại cửa vào là bằng không, khi đó có thể viết:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 20

kính tiết diện lưu thông của xupáp hút (𝑚); 𝑖: số xupáp hút trên một xilanh

Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp, trong công thức trên ta phải thay 𝛾0 bằng

𝛾𝑠

Sau đây chúng ta kí hiệu ∆𝑃ℎ của động cơ bốn kỳ không tăng áp là ∆𝑃0, còn đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ là ∆𝑃𝑠

Trị số ∆𝑃0, ∆𝑃𝑠 biểu thị sức cản trên đường ống hút Làm sạch đường ống hút

sẽ làm giảm ∆𝑃0 hay ∆𝑃𝑠 trong khai thác, làm tăng 𝑃𝑎 và do vậy tăng lượng khí nạp

cho mật độ không khí nạp tăng Tăng cường chế độ làm mát khí tăng áp làm giảm

lượng không khí nạp

Các giá trị áp suất và nhiệt độ khí sót ảnh hưởng không nhiều đến hệ số nạp nhưng giá trị 𝛾𝑟 thì có ảnh hưởng lớn Khi tăng 𝛾𝑟 làm cho nhiệt độ không khí trong xilanh ở cuối quá trình nạp tăng, mật độ không khí nạp giảm làm giảm lượng không

giảm từ 0,86 xuống còn 0,69

Giá trị ảnh hưởng ít đến hệ số nạp và khi tính toán có thể bỏ qua Pha phân phối khí tức là gó mở sớm, đóng muộn của càc xupáp hay các cửa có ảnh hưởng đến quá trình nạp và lượng không khí nạp Việc lựa chọn các pha phân phối khí một cách hợp lí sẽ làm tăng lượng không khí ạp vào xilanh động cơ

Cuối cùng, vòng quay động cơ cũng là một thông số ảnh hưởng đến hệ số nạp, khi vòng quay động cơ tăng làm tăng sức cản thủy lực của dòng không khí

phụ tải đều tăng thì ảnh hưởng đồng thời của cả hai yếu tố này đến hệ số nạp và lượng không khí nạp là rất đáng kể Khi đó lượng không khí nạp vào xilanh động

cơ bị giảm xuống, ảnh hưởng không tốt đến chế độ làm việc bình thường của động

cơ

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 21

2.2 Quá trình nén

2.2.1 Diễn biến quá trình nén

Nhiệm vụ của quá trình nén là nâng nhiệt độ của không khí trong xilanh ở cuối kỳ nén đến nhiệt độ có khả năng tự bốc cháy nhiên liệu một cách bình thường Trong tính toán, quá trình nén bắt đầu khi piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên và tất cả các cơ cấu phân phối khí đều đóng lại

Nếu quá trình nén diễn ra không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xilanh thì quá trình nén là đoạn nhiệt và được miêu tả bằng phương trình:

c’

n1<k

n1=k

n1>k

Hình 2.1 Diễn biến quá trình nén

Piston tiếp tục đi lên, chất khí bị nén, nhiệt độ tăng dần do đó cường độ trao đổi nhiệt giữa thành vách xilanh cũng giảm đi đến một lúc nào đó khi nhiệt độ chất khí bằng nhiệt độ thành vách xilanh, thì quá trình trao đổi nhiệt tức thời bằng không

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 22

Quá trình đó là quá trình đoạn nhiệt tức thời, khi đó 𝑛1 = 𝑘 Tiếp tục quá trình nén, nhiệt độ chất khí tăng lên và lớn hơn nhiệt độ thành vách xilanh Lúcnày quá trình trao đổi nhiệt từ khí đến vách tức là chất khí nhả nhiệt và 𝑛1 < 𝑘

Do có sự trao đổi nhiệt này mà điểm 𝐶 trong quá trình nén thực tế sẽ nằm thấp hơn điểm 𝐶 trong quá trình nén đoạn nhiệt

hợp đặc biệt khi 𝑇𝑐 càng thấp có khả năng nhiên liệu sẽ không tự bốc cháy được

Trong tính toán chu trình công tác, để đơn giản người ta lấy giá trị 𝑛1 bình

trong quá trình nén đa biến với 𝑛1 không đổi

Giá trị của n 1 thường nằm trong khoảng sau:

Khi tăng 𝑛1 công chi phí cho quá trình nén sẽ tăng, tổn thất cơ giới lớn, nhưng giảm 𝑛1 sẽ bị hạn chế bởi nhiệt độ 𝑇𝑐

Các yếu tố ảnh hưởng đến 𝑛1 là số vòng quay của động cơ, phụ tải, kích thước xilanh, cường độ làm mát và tỉ số nén

Tăng số vòng quay của động cơ làm giảm thời gian trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xilanh, quá trình nén càng gần giống với quá trình nén đoạn nhiệt,

xuống

Giảm phụ tải của động cơ làm cho nhiệt độ thành vách xilanh giảm đi trong

giảm xuống

cháy nhiên liệu, động cơ sẽ bị dừng Vì vậy động cơ lai chân vịt tàu thủy nhất thiết phải giới hạn vòng quay nhỏ nhất để đảm bảo động cơ làm việc được ở chế độ

ma nơ và khởi động Khi tốc độ trung bình của piston không đổi thi tăng đường

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 23

cơ, khả năng trao đổi nhiệt giữa phân tử vật chất bên trong xilanh với thành vách sẽ kém đi Ngoài ra cần tính đến khi tăng đường kính xilanh, bề mặt làm mát tương đối

tăng cường chế độ làm mát nhằm đảm bảo độ bền của các chi tiết nhóm piston

xuống

Ngoài các yếu tố chính nêu trên thì tình trạnh kỹ thuật của động cơ cũng có

khí nạp sẽ tăng lên, chỉ số nén đa biến sẽ giảm Và cuối cùng khi tăng tỉ số nén 𝜀, nhiệt độ và áp suất của không khí nén sẽ tăng làm tăng lượng nhiệt mà chất khí truyền cho thành vách xilanh, đồng thời quá trình lọt khí qua xéc măng cũng tăng lên Vì vậy tăng tỉ số nén 𝜀, chỉ số nén đa biến trung bình 𝑛1 sẽ giảm xuống

Giá trị 𝑛1 thay đổi liên tục trên đường cong nén nhưng giá trị 𝑛1 tại mỗi điểm

có thể tính như sau:

𝑙𝑔𝑉1− 𝑙𝑔𝑉2Giá trị 𝑛1 bình quân của quá trình nén được tính như sau:

𝑛1 =𝑙𝑔𝑃𝑐− 𝑙𝑔𝑃𝑎𝑙𝑔𝑉𝑎− 𝑙𝑔𝑉𝑐 =

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 24

Áp dụng cho điểm 𝑎 và điểm 𝑐 ta có: 𝑃𝑎 𝑉𝑎𝑛1 = 𝑃𝑐 𝑉𝑐𝑛1

Như vậy, 𝑃𝑐 và 𝑇𝑐 tỷ lệ với các thông số đầu quá trình nạp Tăng 𝑃𝑎, 𝑇𝑎 sẽ làm

cho 𝑃𝑐, 𝑇𝑐 tăng và ngược lại Đồng thời 𝑃𝑐, 𝑇𝑐 còn chịu ảnh hưởng rất lớn của chỉ số nén đa biến 𝑛1

Giá trị 𝑃𝑐, 𝑇𝑐 quyết định khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu Để nhiên liệu

có khả năng tự bốc cháy thì nhiệt độ cuối kỳ nén phải lớn hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu từ 200 ÷ 250℃, nhiệt độ này vào khoảng 750 ÷ 800°𝐾 Trong thực

tế ở một số động cơ tăng áp, do áp suất 𝑃𝑎 tăng tỉ lệ với 𝑃𝑠 mà 𝑃𝑐 có thể đạt đến giá trị 80 ÷ 100 𝑘𝐺 𝑐𝑚⁄ 2

suất nhiệt của động cơ tăng Các động cơ diesel tàu thuỷ tỷ số nén thấp nhất để cho nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy là 10 ÷ 10,5 Về lý thuyết khi tăng tỷ số nén 𝜀 thì tính kinh tế của động cơ sẽ tăng Điều này đã được thực tế áp dụng trong những động cơ hiện đại cỡ lớn có hành trình siêu dài Tỷ số nén trong động cơ thực tế là một giá trị trước hết phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong khoảng

từ 10,5 đến 18

Các động cơ tốc độ quay cao do thời gian của quá trình hoà trộn ngắn do đó khó đảm bảo điều kiện cho sự tự bốc cháy của nhiên liệu Mặt khác ở những động cơ

động cơ tỷ số nén 𝜀 thường chọn cao hơn

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 25

những động cơ lớn có hành trình siêu dài, áp suất cuối kỳ nén 𝑃𝑐 có thể đạt đến khoảng 80 ÷ 100 𝑘𝐺 𝑐𝑚⁄ 2 Do tăng 𝑃𝑐 mà áp suất cháy cực đại 𝑃𝑧 cũng tăng theo

có thể đạt giá trị 75 ÷ 130 𝑘𝐺 𝑐𝑚⁄ 2 hoặc cao hơn

2.2.3.3 3 Chỉ số nén đa biến 𝒏𝟏

đổi Thực tế giá trị 𝑛1 thay đổi trong suốt quá trình nén và phụ thuộc rất nhiều vào

sự trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xilanh Để đơn giản trong quá trình tính toán ta xem không khí trong xilanh động cơ ở đầu quá trình nén là không khí sạch hoàn toàn và quá trình nén không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xilanh Nghĩa

là ta xem quá trình nén là đoạn nhiệt

Với giả thiết như vậy, ta có thể viết:

′

𝐶𝑣′Trong đó 𝐶𝑝′, 𝐶𝑣′ là nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích của không khí sạch Biến đổi:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 26

Chọn một giá trị 𝑛1 bất kỳ thay vào phương trình trên Sau khi tính toán vế phải

phương trình chưa cân bằng thì chọn lại và tính lại cho đến khi hai vế của phương trình (2.11) bằng nhau

2.3.1 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 𝟏 𝒌𝒈 nhiên liệu

2.3.1.1 Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 𝟏 𝒌𝒈 nhiên liệu

Trong chu trình thực tế thành phần và tính chất của công suất luôn luôn thay đổi Thành phần và tính chất của công chất có ảnh hưởng đến các thông số của chu trình công tác và do đó đến tính kinh tế, an toàn và tin cậy cho động cơ

Thực chất của quá trình cháy nhiên liệu trong xilanh động cơ là một quá trình hết sức phức tạp Để xác định các thông số của quá trình cháy trước hết cần phải xác định lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1 𝑘𝑔 nhiên liệu trong xilanh động

cơ

Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel tàu thuỷ là sản phẩm của dầu mỏ,

có các thành phần cơ bản như: 𝐶 = 84 ÷ 87%; 𝐻 = 10 ÷ 14%; 𝑂 = 0,1 ÷ 1%;

𝑆 = 0,01 ÷ 5%

Ngoài ra còn một vài thành phần khác chiếm một tỷ lệ rất nhỏ Để đơn

phần cacbon, hyđrô, ôxy, lưu huỳnh có trong 1𝑘𝑔 nhiên liệu

Tức là trong nhiên liệu không có các thành phần khác nữa Để tính lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 𝑘𝑔 nhiên liệu ta đi tính lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá các thành phần có trong nhiên liệu

Ta có phản ứng: 𝐶 + 𝑂2 = 𝐶𝑂2 ; 𝐻 + 𝑂2 = 𝐻2𝑂; 𝑆 + 𝑂2 = 𝑆𝑂2

Suy ra:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 27

𝐶12

12 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑂2 và tạo thành 𝐶

𝐶𝑂2 trong phản ứng cháy

Bằng cách viết các phản ứng cháy tương tự cho hyđrô và lưu huỳnh và lưu ý

32 𝑘𝑚𝑜𝑙

Do vậy lượng ôxy cần thiết thực tế cũng giảm đi một lượng bằng lượng ôxy có trong nhiên liệu Ngoài ra, chúng ta cho rằng trong không khí ôxy chiếm 21% thể

đốt cháy 1 𝑘𝑔 nhiên liệu sẽ là:

32 là thành phần ôxy có trong nhiên liệu

Nếu nhiên liệu có các thành phần nguyên tố theo tỷ lệ: 𝐶 = 87%; 𝐻 =

Nếu tính theo trọng lượng thì:

Trong đó 𝜇 là khối lượng phân tử của không khí lấy bằng 28,97

Trong công thức tính toán lượng không khí lý thuyết, ta giả thiết không khí

là không khí khô hoàn toàn Trong trường hợp không khí là không khí khô, hàm lượng ôxy tính theo thể tích là 21% Còn trong trường hợp là không khí ẩm cần phải xác định lại hàm lượng ôxy có trong không khí Muốn vậy ta dựa vào quan hệ

cơ bản sau:

𝑁2𝑉 là hàm lượng nitơ có trong không khí ẩm tính theo thể tích ; 𝐻2𝑂𝑉 là hàm lượng hơi nước trong không khí ẩm tính theo thể tích

Hàm lượng hơi nước có trong không khí ẩm tính theo thể tích có thể xác định theo công thức sau:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 28

Trong đó: 𝑃0 là áp suất khí quyển ; 𝜑 là độ ẩm tương đối của không khí ; 𝑃ℎ

là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí đang xét

Ta biết rằng trong không khí giữa ôxy và nitơ có quan hệ theo thể tích sau:

không khí lý thuyết cần để đốt cháy hết 1 𝑘𝑔 nhiên liệu khi không khí là không khí

ẩm thì đương nhiên là có:

2.3.1.2 Lượng không khí thực tế để đốt cháy 𝟏 𝒌𝒈 nhiên liệu

Thực tế do quá trình hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu xảy ra bên trong xilanh công tác trong một thời gian rất ngắn, do đó để đảm bảo cho quá trình hoà trộn và cháy tốt, lượng không khí thực tế đưa vào trong xilanh động cơ trong quá trình nạp bao giờ lớn hơn trọng lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 𝑘𝑔 nhiên liệu Lượng không khí dư thừa so với lượng không khí lý thuyết được đánh giá bằng hệ số dư lượng không khí…

𝐿0Trong đó: 𝐿 là lượng không khí thực tế nạp vào xilanh công tác để đốt cháy hết 1 𝑘𝑔 nhiên liệu

Giá trị 𝛼 của các động cơ nằm trong khoảng sau:

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 29

Trong một chu trình công tác, hệ số dư lượng không khí α được tính như sau:

chu trình công tác (𝑘𝑚𝑜𝑙); 𝑞𝑐𝑡 là lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình

Trong điều kiện không khí ẩm, lượng không khí thực tế để đốt cháy hết 1 𝑘𝑔 nhiên liệu sẽ là:

không khí cũng nhiều do vậy lượng ôxy càng ít Nếu lượng không khí nạp vào xilanh động cơ không đổi thì hệ số dư lượng không khí 𝛼 Trong trường hợp này sẽ giảm

𝛼, quá trình cháy sẽ kém đi Nếu để giữ nguyên hệ số lượng không khí 𝛼 thì cần

thiết phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, làm giảm công suất động

cơ

Ngoài ra khi trong không khí nạp có chứa hơi nước thì hằng số khí Chu trình

lý tưởng giảmxuống làm giảm chỉ số nén đa biến Điều này dẫn đến là các thông số cuối quá trình nén sẽ thấp Do ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố trên thời gian chuẩn bị cháy 𝜏𝑖 sẽ kéo dài, quá trình cháy chuyển sang đường giãn nở, nhiệt độ khí

xả tăng, tính kinh tế của chu trình sẽ giảm xuống

2.3.2 Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 𝟏𝒌𝒈 nhiên liệu

2.3.2.1 Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 𝟏 𝒌𝒈 nhiên liệu (𝑴′)

Để tính số lượng mol sản phẩm cháy, ta giả thiết quá trình cháy diễn ra hoàn

và hệ số dư lượng không khí 𝛼 > 1

và lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy

Lượng không khí thực tế nạp vào xilanh động cơ để đốt cháy 1kg nhiên liệu

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 30

79% Vậy lượng 𝑂2 dư thừa là (𝐿 − 𝐿0) 0,21 = (𝛼 𝐿0− 𝐿0) 0,21 = (𝛼 −1) 𝐿0 0,21 (𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑔 𝑛 𝑙⁄ ):

Lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy là 0,79 𝐿 =0,79 𝛼 𝐿0 (𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑔 𝑛 𝑙⁄ )

Các thành phần 𝐶𝑂2, 𝐻2𝑂, 𝑆𝑂2, được xác định từ các phản ứng cháy Trong đó:

Từ công thức này chúng ta thấy rằng số gia sản phẩm cháy không phụ thuộc

nhiên liệu Có nghĩa là nó chỉ phụ thuộc thành phần hoá học của nhiên liệu

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 31

2.3.3 Hệ số thay đổi phân tử

2.3.3.1 Hệ số thay đổi phân tử hóa học (𝜷𝟎)

tham gia Sau phản ứng cháy, số lượng sản phẩm cháy sẽ không còn bằng 𝐿 nữa

mà có trị số là 𝑀’, đồng thời thể tích của sản phẩm cháy cũng thay đổi

Khi đó tỉ số 𝑀′

𝐿 được gọi là hệ số thay đổi phân tử hoá học

Gọi 𝛽0 là hệ số thay đổi phân tử hóa học:

𝛼Như vậy hệ số thay đổi phân tử hóa học luôn luôn lớn hơn 1 và nó chỉ phụ

2.3.3.2 Hệ số thay đổi phân tử thực tế ( 𝜷)

Thực tế khí tham gia phản ứng cháy, trong xilanh không chỉ chứa không khí sạch hoàn toàn mà còn có một lượng khí cháy còn sót lại của chu trình công tác trước

Gọi 𝑀𝑎 là lượng mol khí sạch và khí sót có trong xilanh ở thời điểm bắt đầu nén:

lượng mol tăng lên một lượng là ∆𝑀′, và trong khí cháy thì lượng khí sót không tham gia phản ứng cháy, nghĩa là số lượng mol khí sót không thay đổi

Động cơ diesel tàu thủy II – Đại học GTVT TP.HCM – 2017 32

Hệ số thay đổi phân tử thực tế 𝛽 cũng có thể được xác định tại một thời điểm bất kì cùa quá trình cháy như sau:

Gọi 𝑥 là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm đang xét, khi đó số gia sản phẩm cháy sẽ là 𝑥 ∆𝑀′ và số lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đó sẽ là:

- Khi 𝑥 = 1 thì 𝛽𝑥 = 𝛽: nhiên liệu cháy hết

Trong tính toán của các quá trình cháy về sau, để đơn giản cho việc tính toán,

trình cháy nhiên liệu động cơ diesel có một phần nhiên liệu cháy không hoàn toàn

Sự cháy không hoàn toàn sẽ sinh ra các oxit cácbon Ngoài ra trong sản phẩm cháy còn có một phần cácbon chưa cháy Thành phần của các chất trong sản phẩm cháy được xác định bằng các thiết bị phân tích khói

2.3.4 Phương trình nhiệt động của quá trình cháy

2.3.4.1 Khái niệm về hệ số sử dụng nhiệt

Trong tính toán nhiệt động, quá trình cháy trong động cơ diesel được xem là bao gồm hai quá trình:

- Quá trình cháy đẳng áp 𝒛𝟏𝒛

Điểm 𝑐 được xem là điểm bắt đầu cháy, còn điểm 𝑧 là điểm kết thúc quá trình cháy