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 kh
Trang 1TS MT.TRƯƠNG THANH DŨNG
ThS LÊ VĂN VANG
KS HÒANG VĂN SĨ
BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH
Trang 2
PHẦN THỨ HAI
LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC
Trang 3CHƯƠNG 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 để biến thành công
1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt trong
Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong biểu diễn trên đồ thị P-V( đồ thị công )
và T-S Diesel (đồ thị nhiệt), bao gồm các quá trình nhiệt động cơ bản sau đây
(hình 1.1):
Hình 1.1 Chu trình lý tưởng trên đồ thị P-V và T-S
Trong đó:
ac: quá trình nén đoạn nhiệt
cz1: quá trình cấp nhiệt đẳng tích
z1z: quá trình cấp nhiệt đẳng áp
zb: quá trình giãn nở đoạn nhiệt
ba: quá trình thải nhiệt đẳng tích
Trang 4
2 1
3 2
1
3 2
Q Q
Q Q
Q
Q Q Q
t
− +
η
1.1.2 Các thông số đặc trưng của chu trình
Tỷ số nén: ε = Va/Vc
Tỷ số áp suất : λ = Pz/Pc
Tỷ số giãn nở sớm: ρ = Vz/Vc
Tỷ số giãn nở sau: δ = Vb/Vz
Hiệu suất nhiệt chu trình :
Trong đó :
Q1 : Nhiệt lượng cung cấp đẳng tích ;
Q2 ; Nhiệt lượng cung cấp đẳng áp ;
Q3 : Nhiệt lượng thải đẳng tính ;
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 xy lanh 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 treên dđaây 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 nén và giãn nở là do piston chuyển động trong xy lanh thực hiện
nhưng thông số trên đồ thị là do thể tích (hoặc thể tích riêng) của môi chất
1.2 Chu trình lý tưởng
Tuỳ theo lượng nhiệt cung cấp Q1, Q2 từ nguồn nóng, chu trình lý tưởng có
thể được chia thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp hay cấp nhiệt
hỗn hợp
1.2.1 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích
Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích (hình1.2), trong đó nhiệt lượng Q1
(hoặc Qv) chỉ cấp theo chu trình trong quá trình đẳng tích c-z Các động cơ đốt
trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có quá trình cháy diễn
Trang 5ra 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: ε = δ và ρ = 1
Hình 1.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S
1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp
Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp (hình 1.3), trong đó nhiệt lượng Q2
(hoặc Qp) chỉ cấp cho chu trình trong qúa trình đẳng áp c-z Các động cơ đốt
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
Hình 1.3: Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị P-V và T-S
Trang 6
; 1
2 1
3 2
1
3 2 1
Q Q
Q Q
Q
Q Q Q
− +
=
η
;
a a
k c
c V P V
P =
.
;
;
a c
k a a
k c c
k a
c P T V T V T T
;
;
1 1
1 1
a c
z c
z c
z k a c
z c
z
T T
T P
P T
T P
P P
P
P
ε λ λ
λ ε
λ λ
λ
Xem hình 1.3 trong chu trình này, nhiệt lượng cung cấp trong qúa trình đẳng
tích Q1 = 0, nhiệt lượng cung cấp cho chu trình chỉ còn lại là Q2, khi đó λ = 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
qúa trình đẳng áp, đẳng tích đều tồn tại khác không: Q 1 K 0, Q 2 K 0. Chu trình lý
tưởng cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1.4), trong đó nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp cho
công chất trong qúa trình c-z1 còn nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho công chất
trong qúa trình z1-z của chu trình Động cơ diesel thông thường (cấp nhiên liệu
bằng bơm cao áp và vòi phun) được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng
cấp nhiệt hỗn hợp
Hình 1.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp trên đồ thị P-V và T-S
1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng
Trong 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:
Điểm z1:
Trang 7;
;
1
1
;
z z
k b b
k a k
k a k z b
k z z
k b
δ ε λ δ
k a i k z
1
Điểm z:
.
;
;
;
1 1
1 1
−
=
=
=
=
=
=
a z
z z
z
z
z k a z
c z
V
V T
T P
P P P
Điểm b:
Do đó:
Mặt khác ta lại có:
)
.(
)
−
=
−
a
k a v c
z
C
)
.(
) (
)
.(
) (
3
1 1
a
k a v a
b v
k a
k a
p z
z p
T T
C T
T C Q
T T
C T
T C Q
−
=
−
=
−
=
−
λ ρ
ε λ ε
λ ρ
Thay vào công thức định nghĩaηt , ta có:
) 1 (
) 1 (
1
1
− +
−
−
−
ρ λ λ
λ
ρ ε
η
k
k k
t
Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ρ =1, ε = δ ta có:
1
1
1 − −
η Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp λ =1 ta có:
) 1 (
1
1
−
−
−
ρ
ρ ε
η
k
k k
1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng
Khi so sánh hiệu suất nhiệt của chu trình, người ta sử dụng đồ thị T-S và
trên đó lượng nhiệt cấp và thải đều được thể hiện bằng các phần tử 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
1.4.1 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ
nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp:
Trang 8
T
c
a
b
z V
z
z p
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
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 :
S(1czv21) > S(1cz1z21) > S(czp21)
Từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận:
p t t
v
η > >
1.4.2 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ số nén ε và
nhiệt lượng cung cấp (Q 1 +Q 2 ) nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt
đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp
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 thấydiện 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
Trang 9p t t
v
t η η
η > >
p
Q3 < 3 < 3
Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng
Từ đồ thị ta nhận thấy: S(1abv2v1) < S(1ab21) < S(1abp2p1)
Hay là:
Do đó:
1.4.3 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 P max và nhiệt lượng thải Q 3
Với điều kiện lượng nhiệt thải Q3 như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu
trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, chúng phải cùng chung nhau qúa 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 z v , z, z p phải cùng nằm trên một
đường p = const Mặt khác, vì điểm b cùng chung cho cả ba chu trình nên các
điểm z v , z, z p phải trùng nhau
Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích ac v zb; hỗn hợp acz 1 zb; đẳng áp ac p zb
lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.7
Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng
Trang 10
v t t
p
η > >
Các điểm c trong chu trình cấp nhiệt đẳng tích là c v , hỗn hợp c, đẳng áp là
c p , đồng thời các điểm đó phân bố từ trên xuống dưới là c p , c, c v Nhiệt lượng thải
cho nguồn lạnh của cả ba chu trình là bằng nhau, do đó:
Sv(1ab21) = S(1ab21) = Sp(1ab21) =Q3
Nhiệt lượng cấp phân bố như sau: S(1cpz21) >S(1cz1z21) > S(1cvz21)
Do đó:
1.4.4 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 P max và
nhiệt lượng cấp Q 1 +Q 2
T
a
z 1
c p
c
z p
z zv
2 p 2 2 v
b p b
Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng
Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích ac v z v b v ; hỗn hợp acz 1 zb; đẳng áp
ac p z p b p lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.8
Với điều kiện lượng nhiệt cấp Q2+Q3 như nhau cho nên khi biểu diễn cả
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:
Sv(1cvzv2v) = S(1cz1z21) = Sp(1cpzp2p) =Q1+Q2 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 z v , z, z p phải cùng nằm trên một
đường p=const
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:
Trang 11v t t
p
t η η
η > >
Qua sự 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 cĩ tỷ số nén ε
như nhau thì dù nhiệt lượng cấp khơng đổi hay nhiệt thải khơng đổi, hiệu suất
nhiệt của động cơ làm việc theo chu trình đẳng tích sẽ cĩ hiệu suất cao hơn,
nhưng nếu các động cơ đốt trong cĩ áp suất cháy cực đại Pmax như nhau thì những
động cơ làm việc theo chu trình đẳng áp lại cĩ hiệu suất cao hơn cả Trên quan
điểm chế tạo động cơ, người ta cần quan tâm đến áp suất cháy cực đại Pmax
(thể hiện ứng suất cơ), 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 khĩ khăn
(động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng khí nén), cho nên những động cơ này thực tế
đã khơng được chế tạo mà thay vào đĩ, người ta chế tạo các động cơ diesel ngày
nay làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
Câu hỏi ơn tập chương:
1 Phân tích sự thay đổi hiệu suất nhiệt trong các điều kiện:
- Thay đổi tỷ số nén
- Thay đổi góc phun sớm 3.Trình bày các chu trình lý tưởûng, đẳng áp, đẳng tích, hỗn hợp So sánh hiệu suất nhiệt của chúng khi :
- Cùng tỷ số nén và nhiệt lượng cấp
- Cùng áp suất cực đại và nhiệt lượïng cấp 4.So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng bằng đồ thị trong các trường hợp sau:
- Cùng Q 1 +Q 2 và ε
- Cùng Q 3 và T z
5.Các chu trình lý tưởng và hiệu suất nhiệt của chúng, vẽ đồ thị, giải thích?
