+ Theo tính chất quá trình cháy nhiên liệu cấp nhiệt: - Động cơ đốt trong có quá cấp nhiệt đẳng tích: Quá trình cháy xảy ra rất nhanh thường áp dụng cho loại nhiên liệu nhẹ như xăng hoặc
Trang 1Chương 6
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
6.1 Chu trình động cơ đốt trong
6.1.1 Khái niệm
Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt mà quá trình cháy được tiến hành bên trong xy lanh và sản phẩm cháy được thải ra môi trường Đây là chu trình biến đổi nhiệt thành công Hiện nay động cơ đốt trong được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt như dùng lfm động cơ cho ôtô, máy kéo, xe lửa, máy phát điện Môi chất làm việc trong động cơ đốt trong lúc đầu là không khí và nhiên liệu, sau đó là sản phẩm cháy của hỗn hợp không khí và nhiên liệu
6.1.2 Phân loại
+ Theo loại nhiên liệu gồm có: động cơ xăng, động cơ Diezel + Theo cách đốt nhiên liệu:
- Động cơ cháy cưỡng bức: Nhiên liệu được đốt cháy nhờ nguồn lửa phụ từ bên ngoài; các thiết bị đánh lửa như buzi
- Động cơ tự cháy: Hỗn hợp nhiên liệu tự bốc cháy khi nó được nén đến nhiệt độ bằng nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu
+ Theo hành trình của piston để thực hiện một chu trình: Ta phân ra động cơ 2 kỳ và động cơ 4 kỳ Động cơ 2 kỳ là động cơ trong đó chu trình được hoàn thành sau 2 hành trình của piston – ứng với 1 vòng quay của động cơ Động cơ 4 kỳ là động cơ trong đó chu trình được hoàn thành sau 4 hành trình của piston – ứng với 2 vòng quay của động cơ
+ Theo tính chất quá trình cháy nhiên liệu (cấp nhiệt):
- Động cơ đốt trong có quá cấp nhiệt đẳng tích: Quá trình cháy xảy ra rất nhanh thường áp dụng cho loại nhiên liệu nhẹ như xăng hoặc khí
- Động cơ có quá trình cấp nhiệt đẳng áp: Quá trình cháy xảy ra từ từ và khi đó thể tích tăng dần và áp suất hầu như không thay đổi Với chu trình này nhiên liệu được dùng là nhiên liệu nặng như các loại dầu
- Động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp:
Quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ này gồm 2 giai đoạn: Đẳng tích và đẳng áp Các giả thiết khi nghiên cứu chu trình
+ Ta giả thiết có 1 kg chất môi giới là khí lý tưởng thực hiện chu trình + Chu trình là chu trình kín và là chu trình thuận nghịch
- Ta lý tưởng hoá quá trình cháy của nhiên liệu thành quá trình cấp nhiệt
- Lý tưởng hoá quá trình thải sản phẩm cháy của nhiên liệu thành quá trình thải nhiệt đẳng tích
- Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt thuận nghịch
Các đại lượng đặc trưng của chu trình động cơ đốt trong
+ Tỷ số nén: là tỷ số giữa thể tích đầu và thể tích cuối của quá trình nén đoạn nhiệt
Ký hiệu là ε - với quá trình 1-2 là nén đoạn nhiệt thì ta có:
2
1 v
v
=
+ Tỷ số tăng áp: là tỷ số giữa áp suất cuối và áp suất đầu của quá trình cấp nhiệt đẳng tích Ta ký hiệu là λ:
2
3 p
p
=
+ Hệ số giãn nở sớm: là tỷ số giữa thể tích cuối và thể tích đầu của quá trình cấp nhiệt đẳng áp Ta ký hiệu là ρ:
Trang 23 v
v
=
6.1.3 Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng tích
+ Giới thiệu chu trình: Chu trình gồm 4 quá trình, ta đặt tên cho các quá trình như sau:
1-2: Nén đoạn nhiệt 2-3: Cấp nhiệt đẳng tích 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 4-1: Thải nhiệt đẳng tích + Biểu diễn chu trình trên đồ thị p-v và T-s (Hình 6-1)
+ Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình:
Công thức chung:
1 2 1
2 1 1
o t
q
q 1 q
q q q
l
−
=
−
=
= η
Trong đó:
q1- tổng lượng nhiệt chất môi giới nhận từ nguồn có nhiệt độ cao q1 = q23 ; 2-3 là quá trình đẳng tích cho nên; q1 = q23 = Cv(T3 – T2) (6-4)
q2- tổng lượng nhiệt chất môi giới thải ra nguồn có nhiệt độ thấp ; quá trình 4-1 là quá trình thải nhiệt đẳng tích q2 = q41= Cv(T1 – T4) (6-5)
) T T (
) T T ( 1 ) T T ( C
) T T ( C 1
2 3
1 4 2
3 v
1 4 v t
−
−
−
=
−
−
−
=
Xác định hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích theo T1 và các thông số đặc trưng (ε, λ)
- Quá trình 1-2 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v là:
1 k 2 1 1
2 v
v T
1
2 T
- Quá trình 2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng tích, quan hệ T và p như sau:
λ
=
= 2 3 2
3 p
p T
T
ta có T3 = ε λT 1 k 1− (6-8)
- Quá trình 3-4 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v như sau:
1 k 4 3 3
4 v
v T
Quá trình 4 -1: thải nhiệt đẳng tích nên v4 = v1
Quá trình 2-3: cấp nhiệt đẳng tích nên v2=v3
v
1
s
p
T
1
Hình 6-1
2
3
4
3
4
2
Trang 3Thay vào biểu thức
1 k 4 3 3
4 v
v T
1 k 1
k 1 2 1 k 4 3 3
v
v v
v T
ε
=
=
Thay trị số T2, T3 và T4 vào biểu thức hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích, rút gọn ta có:
1 k t
1
ε
−
=
6.1.4 Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt đẳng áp
+ Giới thiệu chu trình:
Chu trình gồm 4 quá trình, ta đặt tên cho các quá trình như sau:
1-2: Nén đoạn nhiệt 2-3: Cấp nhiệt đẳng áp 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 4-1: Thải nhiệt đẳng tích + Biểu diễn chu trình trên đồ thị p -v và T -s (Hình 6-2)
+ Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình:
Từ công thức chung:
1 2 1
2 1 1
o t
q
q 1 q
q q q
= η
Trong đó:
q1- tổng lượng nhiệt chất môi giới nhận từ nguồn có nhiệt độ cao
q1 = q23 ; 2-3 là quá trình đẳng áp cho nên; q1 = q23 = Cp(T3 – T2); (6-12)
q2- tổng lượng nhiệt chất môi giới thải ra nguồn có nhiệt độ thấp; quá trình 4-1 là quá trình thải nhiệt đẳng tích q2 = q41= Cv(T1 – T4) (6-13)
Vậy:
) T T (
k
) T T ( 1 ) T T ( C
) T T ( C 1
2 3
1 4 2
3 p
1 4 v
−
−
=
−
−
−
=
Xác định hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích theo T1 và các thông số đặc trưng (ε, ρ)
- Quá trình 1-2 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v là:
1 k 2 1 1
2 v
v T
- Quá trình 2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, quan hệ giữa T và v như sau:
s
3
2
Hình 6-2
1
v
1
4
3
4
2
Trang 4=
= 2 3 2
3 v
v T
T
nên ta cũng có T3 =T1.εk−1.ρ (6-16)
- Quá trình 3-4 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v như sau:
1 k 4 3 3
4 v
v T
Quá trình 4 -1: thải nhiệt đẳng tích nên v4 = v1
Ta lại có =ρ
2
3 v
v
nên v3 =ρ.v2 Thay vào biểu thức
1 k 4 3 3
4 v
v T
1 k 1
k 1 2 1
k 4 3 3
4
v
v v
v T
ε
ρ
=
ρ
=
= nên ta có T4 = T1.ρk ; (6-18)
Thay trị số T2, T3 và T4 vào biểu thức hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp, rút gọn ta có:
k
1
1 k 1
k t
− ρ ε
− ρ
−
=
6.1.5 Chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp
+ Giới thiệu chu trình: chu trình gồm 5 quá trình; đặc điểm của chu trình là quá trình
cấp nhiệt 2-3 được chia làm hai giai đoạn
Ta đặt tên cho các quá trình như sau:
1-2: Nén đoạn nhiệt 2-2’: Cấp nhiệt đẳng tích v2=v2’
2’-3: Cấp nhiệt đẳng áp p2’=p3 3-4: Giãn nở đoạn nhiệt 4-1: Thải nhiệt đẳng tích + Biểu diễn chu trình trên đồ thị p -v và T -s (Hình 6-3)
+ Xác định hiệu suất nhiệt của chu trình:
Công thức chung:
1 2 1
2 1 1
o t
q
q 1 q
q q q
= η
Trong đó:
q1- tổng lượng nhiệt chất môi giới nhận từ nguồn có nhiệt độ cao q1 = q22’ + q2’3
q1= Cv(T2’ – T2) + Cp(T3 – T2’) (6-19) q2- tổng lượng nhiệt chất môi giới thải ra nguồn có nhiệt độ thấp ; quá trình 4-1 là quá trình thải nhiệt đẳng tích q2 = q41= Cv(T1 – T4) (6-20)
2’
s
3
2
Hình 6-3
1
v
p
T
1
4
3
4 2’
2
Trang 5Vậy:
) T T (
k ) T T (
) T T ( 1
) T T ( C ) T T ( C
) T T ( C 1
' 2 3 2
' 2
1 4 '
2 3 p 2 ' 2 v
1 4 v t
− +
−
−
−
=
− +
−
−
−
=
Thay T2 , T2’ , T3 , T4 theo T1 và các thông số đặc trưng (ε, λ, ρ)
- Quá trình 1-2 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v là:
1 k 2 1 1
2 v
v T
1
2 T
- Quá trình 2-2’ là quá trình cấp nhiệt đẳng tích, quan hệ T và p như sau:
λ
=
= 2
' 2 2
' 2 p
p T
T
ta có T2' =T1.εk−1.λ (6-23)
- Quá trình 2’-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, quan hệ giữa T và v như sau:
ρ
=
= ' 2 3 ' 2
3 v
v T
T
ta cũng có T3 =T1.εk−1.λ.ρ (6-24)
- Quá trình 3-4 là quá trình đoạn nhiệt, quan hệ giữa T và v như sau:
1 k 4 3 3
4 v
v T
Quá trình 4 -1: thải nhiệt đẳng tích nên v4 = v1
Quá trình 2-2’: cấp nhiệt đẳng tích nên v2=v2’
Ta lại có =ρ
' 2
3 v
v
nên v3 =ρv2 ' =ρv2 Thay vào biểu thức k 1
4 3 3
4 v
v T
1 k 1
k 1 2 1
k 4 3 3
4
v
v v
v T
ε
ρ
=
ρ
=
Thay trị số T2, T2’ , T3 và T4 vào biểu thức hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp, rút gọn ta có:
1
1 k 1
k t
− ρ λ +
− λ ε
− λρ
−
=
Nhận xét
+ Hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong có quá trình cấp nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào số mũ đoạn nhiệt k, tỷ số nén ε, tỷ số tăng áp λ, hệ số giãn nở sớm ρ; cụ thể ηt tăng khi k, ε, λ tăng và ρ giảm
+ Khi trạng thái 3 tiến dần và trùng với 2’ thì ta có ρ = 1, khi đó chu trình trở thành chu trình có quá trình cấp nhiệt đẳng tích
+ Khi trạng thái 2 tiến dần và trùng với 2’ thì ta có λ = 1, khi đó chu trình trở thành chu trình có quá trình cấp nhiệt đẳng áp
6.1.6 So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ đốt trong (ηctp, ηct, ηctv)
Để đánh giá hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong làm việc theo các chu trình khác nhau, ta so sánh các chu trình với các điều kiện sau:
a Khi có cùng tỉ số nén ε và nhiệt lượng q 1 cấp vào cho chu trình:
Trên đồ thị T-s hình 6-4 biểu diễn 3 chu trình: 123v4v1 là chu trình cấp nhiệt đẳng tích, 122’341 là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp và 123p4p1 chu trình cấp nhiệt đẳng áp Ba chu trình này có cùng tỷ số nén ε và nhiệt lượng q1, nghĩa là cùng v1, v2 và các diện tích a23vd, a22’3c
và a23pb bằng nhau Từ (6-4) ta thấy: các chu trình có cùng q1, chu trình nào có q2 nhỏ hơn sẽ
có hiệu suất nhiệt cao hơn, q2 của chu trình cấp nhiệt đẳng tích bằng diện tích a14vb là nhỏ nhất, q2 của chu trình cấp nhiệt đẳng áp bằng diện tích a14pd là lớn nhất, q2 của chu trình cấp
Trang 6nhiệt hỗn hợp bằng diện tích a14c có giá trị trung gian so với hai chu trình kia Vậy hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng tích là lớn nhất và hiệu suất của
chu trình cấp nhiệt đẳng áp là nhỏ nhất:
ηctv > ηct > ηctp
b Khí có cùng áp suất và nhiệt độ lớn nhất, nhỏ nhất:
Ở đây ta so sánh hiệu suất nhiệt của chu trình cùng nhả một nhiệt lượng q2 giống nhau, cùng làm việc với ứng suất nhiệt như nhau (cùng Tmax và pmax)
Với cùng điều kiện đó, các chu trình được biểu diễn trên đồ thị T-s hình 6-5 ta có 12p34 là chu trình cấp nhiệt đẳng áp, 122’341 là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp và 12v34 chu trình cấp nhiệt đẳng tích Trên đồ thị, 3 chu trình này có cùng p1, T1 và cùng p3, T3 nghĩa là cùng nhả ra một lượng nhiệt q2 (diện tích 14ab) trong đó: nhiệt lượng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng
áp bằng diện tích a2p3b là lớn nhất, nhiệt lựợng q1 cấp vào cho chu trình cấp nhiệt đẳng tích bằng diện tích a2v3b là nhỏ nhất Ta thấy hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng áp là lớn nhất
và hiệu suất của chu trình cấp nhiệt đẳng tích là nhỏ nhất:
ηctp > ηct > ηctv (6-28) Giới hạn trên của p3, T3 phụ thuộc vào sức bền các chi tiết của động cơ
6.2 Chu trình tuabin khí
Động cơ đốt trong có hiệu suất nhiệt lớn do làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng có khuyết điểm lớn là sinh công không liên tục, pittông chuyển động qua lại phải qua hệ thống biên, maniven và bánh đà để chuyển thành chuyển động quay, nên công suất bị hạn chế
Các nhược điểm này được khắc phục trong loại động cơ đốt trong kiểu quay có tên gọi
là tuabin khí
Tuabin khí có nhiều ưu điểm:
- Thiết bị gọn nhẹ, công suất lớn
- Không có cơ cấu biến chuyển động thẳng thành chuyển động quay
- Số vòng quay đạt được lớn, momen quay đều và liên tục
- Điều khiển đơn giản
Hình 6-4 So sánh các chu trình Hình 6-5 So sánh các chu trình
Trang 7Nhưng việc sử dụng bị hạn chế là do chưa có được những vật liệu làm việc liên tục ở nhiệt độ cao Khó khăn trong việc chế tạo được máy nén có công suất lớn, chỉ làm việc được với nhiên liệu lỏng hoặc khí
Sơ đồ nguyên lý hoạt động:
Sơ đồ tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp được thể hiện trên hình 6-6:
Nhiên liệu và không khí được máy nén I và bơm II đưa vào buồng đốt III, khi cháy tạo thành sản phẩm cháy qua cánh tĩnh có dạng ống tăng tốc IV, tốc độ tăng lên, qua cánh động V của tuabin, động năng giảm sinh công quay máy phát điện VI rồi thải ra ngoài trời
Quá trình cấp nhiệt có thể là:
- Cháy đẳng áp p = const: ở đây môi chất ra vào buồng đốt một cách liên tục, cấu tạo buồng đốt đơn giản, ít tổn thất do các van
- Cháy đẳng tích v = const: buồng đốt phải có các van đóng mở, khi cháy các van phải đóng lại Hơn nữa sản phẩm cháy ra khỏi buồng đốt một cách không liên tục, muốn sản phẩm cháy đi vào tuabin một cách liên tục, phải có nhiều buồng đốt
Để nghiên cứu nhiệt động học của chu trình ta cần giả thiết:
- Thay quá trình cháy không thuận nghịch bằng quá trình cấp nhiệt thuận nghịch
- Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt thuận nghịch
- Thay quá trình thải sản phẩm cháy và quá trình nạp bằng quá trình thải nhiệt đẳng áp thuận nghịch
Với các giả thiết trên ta được chu trình kín
3
1
V
IV
II
I
III
VI
2
4
Hình 6-6 Tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp
Trang 86.2.1 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp
Giới thiệu chu trình
Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị p - v và T - s :
1-2 : quá trình nén đoạn nhiệt môi chất trong máy nén; q12 = 0;
2-3 : quá trình cấp nhiệt đẳng áp trong buồng đốt
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc và trong tuabin; q43 = 0 4-1: quá trình thải nhiệt đẳng áp
Các đại lượng đặc trưng của chu trình:
- Tỷ số tăng áp của quá trình nén: β =
1
2
p p
- Tỷ số giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt): ρ =
2
3
V V
Hiệu suất của chu trình: ηt = 1 -
1
2
q
q
ηt = 1 -
1
2
q
q
= 1 -
2 3
1 4 T T
T T
−
−
(6-31) Vậy ta sẽ tìm T2 , T3 , T4 theo β và ρ:
Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2:
1
2
T
T
=
k k
P P
1
1 2
−
= k
k 1−
β → T2 = T1 k
k 1−
Trong quá trình cấp nhiệt đẳng áp 2-3:
P1
P1
p1 = const
p2 = const
v
1
2
3
4
2
4
3
s1=s2 s3=s4 s
1
Hình 6-7 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp
Trang 93
T
T
= 2
3
V
V
= ρ → T3 = T2 ρ = T1 ρ k
k 1−
Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4:
3
4
T
T
=
k k
P P
1
2 1
−
=
k
k 1
1
−
β
→ T4 =
k k
T
1
3
−
β
= T1 ρ (6-34)
Thay tất cả các giá trị T2 , T3 , T4 vào (6-31) ta được:
ηt = 1 -
1
2
q
q
= 1 -
2 3
1 4
T T
T T
−
− =
k
k 1
1
−
β
Ta thấy hiệu suất của chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp chỉ phụ thuộc vào β và k Khi tăng β và k hiệu suất chu trình sẽ tăng và ngược lại, nếu trong chu trình kín dùng khí một nguyên tử với k = 1,67 có thể nâng cao được hiệu suất
6.2.2 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích
Sơ đồ tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị p-v và T-s:
Các quá trình của chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích:
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén khí; q12 = 0
2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng tích trong buồng đốt
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc và trong tuabin;q34 = 0 4-1: quá trình thải nhiệt đẳng áp
q2 = q41 = Cp.(T1 – T4) (6-37)
Các đại lượng đặc trưng của chu trình:
- Tỷ số tăng áp của quá trình nén: β =
1
2
p p
p = const
v = const
v
1
2
3
4
2
4
3
s1=s2 s3=s4 s
1
Hình 6-8 Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích
Trang 10- Tỷ số tăng áp của quá trình cấp nhiệt: λ =
2
3
P P
Hiệu suất của chu trình: ηt = 1 -
1
2
q
q
ηt = 1 -
1
2
q
q
= 1 - k
2 3
1 4
T T
T T
−
−
Vậy ta sẽ tìm T2 , T3 , T4 theo β và λ:
Trong quá trình nén đoạn nhiệt 1-2:
1
2
T
T
=
k k
P P
1
1 2
−
= k
k 1−
β → T2 = T1 k
k 1−
Trong quá trình cấp nhiệt đẳng tích 2-3:
2
3
T
T
= 2
3
P
P
= λ → T3 = T2 λ = T1 λ k
k 1−
β (6-41) Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt 3-4:
3
4
T
T
=
k k
P P
1
3 1
−
=
k k
P P
1
2 1
−
k k
P P
1
3 2
−
=
k
k 1
1
−
β
k
k 1
1
−
λ
k k k k
T
1 1 3
−
−
λ β
=
k k
T
1
1
−
λ
λ
= T1.
1
k
Thay tất cả các giá trị T2 , T3 , T4 vào (6-39) ta được:
ηt = 1 -
1
2
q
q
= 1 - k
1
1
k
λ
−
−
= 1 - k 1
k
k
β −
1 1 1
k
λ λ
−
− (6-43)
Nhận xét:
Hiệu suất nhiệt của chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích tăng lên khi tăng các đại lượng k, β, λ Ngoài ra để nâng cao hiệu suất của chu trình người ta còn bố trí thêm bộ hồi nhiệt và làm mát đẳng áp giữa quá trình nén đoạn nhiệt
6.3 Chu trình động cơ phản lực và tên lửa
Khi tăng công suất của động cơ đốt trong pittông sẽ kéo theo tăng khối lượng của thiết
bị, điều này sẽ gây khó khăn cho việc tăng tốc độ của máy bay (tên lửa) Nhưng động cơ phản lực lại có công suất lớn, thiết bị gọn nhẹ nên ít gây ảnh hưởng đến việc tăng tốc độ Do đó được sử dụng rộng rãi trong hàng không và vũ trụ
