CHU TRÌNH CÔNG TÁC VÀ CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT
I- CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐCĐT
1.1. Chu trình lý tưởng (lý thuyết)
1.1.1. Các giả thuyết của chu trình lý tưởng động cơ đốt trong:
Chu trình lý tưởng là chu trình nhiệt tuân thủ đúng định luật II nhiệt động, nghĩa là chu trình không có tổn thất nhiệt nào ngoài nguồn nhiệt cấp cho nguồn lạnh. Sự đơn giản hoá này của chu trình lý tưởng nhằm mục đích phân tích và nghiên cứu các chu trình nhiệt động dễ dàng hơn.
Chu trình lý tưởng không xét đến các tổn thất nhiệt, đó là chu trình lý tưởng ch ung của động cơ 2 kỳ, 4 kỳ. Để phân tích chu trình lý thuyết cần phải giả thuyết:
Trong chu trình lý tưởng, khối lượng không khí, thành phần hoá học và nhiệt dung riêng không thay đổi. Không có quá trình thay đổi khí vì vậy không có những tổn thất do quá trình này gây ra.
Quá trình nén và giãn nở khí ký tưởng diễn ra không có sự trao đổi nhiệt (quá trình đoạn nhiệt).
Các quá trình cháy nhiên liệu và thải sản vật cháy trong chu trình lý thuyết được thay thế bằng qúa trình cấp nhiệt và nhả nhiệt khi thể tíc h và áp suất không đổi.
1.1.2. Các chỉ tiêu chủ yếu của chu trình:
Các chỉ tiêu chủ yếu của chu trình được thể hiện trên hai mặt: tính kinh tế vàtính hiệu quả.
Tính kinh tế được thể hiện qua hiệu suất nhiệt ηt , đó là tỷ số giữa lượng nhiệt đã được chuyển thành công và số nhiệt cấp cho môi chất trong chu trình
Trong đó: Lt(J / chu trình) - công do môi chất tao ra trong một chu trình;
Q1(J / chu trình) - nhiệt do nguồn nóng cấp cho môi chất trong một chu trình;
Q2(J / chu trình) - nhiệt do môi chất nhả cho nguồn lạnh trong một chu trình;
Tính hiệu quả của chu trình được thể hiện qua áp suất trung bình pt của chu trình, về thực chất đó là tỷ số giữa công của chu trình và thể tích công tác của chu trình:
Trong đó: Vh= Vmax- Vmin(m3) - thể tích công tác của chu trình;
Vmax (m3) - thể tích lớn nhất của chu trình (thể tích toàn phần) hoặc thể tích lớn nhất của kỳ nén;
Vmin(m3) - thể tích nhỏ nhất của chu trình (thể tích buồng cháy);
Qua biểu thức (2-2) ta thấy rằng: áp suất pt còn bằng diện tích của đồ thị công thể hiện qua Lt, chia cho hoành độ của đồ thị Vh, về thực chất đó là áp suất trung bình của chu trình.
Với kích thước xilanh và số vòng quay đã cho của động cơ thì áp suất trung bình p t càng lớn sẽ cho ta công suất càng cao.
Chu trình lý thuyết là chu trình có hiệu suất nhiệt cao nhất. Các giá trị của chỉ tiêu ηt và pt của chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong được coi là giới hạn trên của tất cả động cơ thực tế có cùng thông số chu trình như chu trình lý tưởng, đó là mục tiêu để các động cơ thực vươn tới.
1.1.3. Các dạng chu trình lý tưởng:
Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong được phân thành các dạng chủ yếu:
Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích, V = const;
Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp, p = const;
Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp là chu trình lý tưởng cho tất cả động cơ đốt trong diesel.
Từ phần nhiệt kỹ thuật đã biết, để nâng cao tính kinh tế và hiệu quả chu trình cần phải tăng giới hạn các thông số của môi chất công tác trong chu trình. Tăng hiệu số ∆T = Tmax - Tmin , ∆p = pmax - pmin , ∆V = Vmax - Vmin, tính kinh tế và tính hiệu quả của chu trình tăng lên. Tuy nhiên, tăng các thông số trên sẽ gặp khó khăn về mặt kỹ thuật, vì các trị số ∆T, ∆p bị hạn chế do tăng ứng suất nhiệt, ứng suất cơ, còn ∆V hạn chế do tăng kích thước và khối lượng thiết bị.
a/ Chu trình lý tưởng tổng quát
Chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ đốt trong được thể hiện trên hai đồ thị: p - V (hình 2-1a) và T-S (hình 2-1b), gồm các quá trình sau:
Nén đoạn nhiệt o-c- đặc trưng cho các loại động cơ đốt trong, máy nén khí.
Cấp nhiệt đẳng tích c-y - đặc trưng cho động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, và đốt nhiên liệu cưỡng bức bằng tia lửa điện, một phần cấp nhiệt trong động cơ diesel hiện đại.
Cấp nhiệt đẳng áp y-z - một phần cấp nhiệt đặc trưng cho động cơ diesel hiện đại, toàn quá trình đặc trưng cho động cơ diesel phun nhiên liệu nhờ khí nén và tuabin khí.
Giãn nở đoạn nhiệt z-d- đặc trưng cho các loại động cơ đốt trong và tuabin khí.
Hình 2-1: Chu trình lý tưởng tổng quát của ĐCĐT a) Đồ thị p-V; b) Đồ thị T-S
Nhả nhiệt đẳng tích d-f- đặc trưng cho động cơ đốt trong kiểu piston.
Nhả nhiệt đẳng áp f-o- đặc trưng cho tuabin khí.
Tỷ số giữa áp suất hoặc giữa thể tích trên hai điểm đặc trưng của đồ thị được thể hiện qua các giá trị sau:
Tỷ số nén:
(V0 và VC- thể tích bắt đầu và cuối quá trình nén)
Tỷ số tăng áp khi cháy:
(pz- áp suất cực đại khi cháy; pc- áp suất cuối quá trình nén)
Tỷ số giãn nở khi cháy:
(VZ- thể tích cuối quá trình cấp nhiệt; Vc- thể tích đầu quá trình cấp nhiệt hoặc cuối quá trình nén)
Tỷ số giãn nở sau khi cháy:
(Vd- thể tích cuối quá trình giãn nở)
Tỷ số giảm áp khi nhả nhiệt:
(pd - áp suất cuối quá trình giãn nở; pf = p0 - áp suất cuối quá trình nhả nhiệt cho nguồn lạnh)
Hiệu suất nhiệt ht
Nếu gọi M là kmol môi chất có trong chu trình, sẽ được:
Q1= Q1V+ Q1p= [mCv(Ty- Tc) + mCp(Tz- Ty)].M Q2= Q2V+ Q2p= [mCv(Td- Tf) + mCp(Tf- T0)].M
trong đó: mCV , mCP (J / kmol.độ) - nhiệt dung riêng đẳng tích và đẳng áp của một kmol môi chất.
Thay giá trị của Q1và Q2 vào (2-1), qua ước lược sẽ được:
trong đó: - là chỉ số đoạn nhiệt.
Dựa vào mối quan hệ của các quá trình nhiệt động để tính nhiệt độ tại các điểm cuối các quá trình của chu trình trong biểu thức (2 -3) theo T0 , sẽ được:
Quá trình nén đoạn nhiệt:
Quá trình đẳng tích:
Quá trình đẳng áp:
Quá trình đoạn nhiệt:
Quá trình đẳng tích:
Thu kết quả trên vào biểu thức (2 -3), sau khi chỉnh lý ta được:
Từ (2-4) ta thấy rằng: hiệu suất ηt phụ thuộc vào tỷ số nén ε, cách cấp nhiệt cho môi chất từ nguồn nóng thể hiện qua l và r , cách nhả nhiệt từ môi chất ch o nguồn lạnh thể hiện qua r và chỉ số đoạn nhiệt k, thể hiện thành phần và tính chất của môi chất. tăng tỷ số nén ε sẽ làm tăng ηt. Ảnh hưởng của những thông số còn lại tới ηtsẽ được chỉ rõ trong từng trường hợp cụ thể sau này.
áp suất trung bình pttính theo công thức (2-2), trong trường hợp của chu trình tổng quát, sẽ được viết như sau:
hoặc (N / m2) (2-5)
Trong đó: Vf, VC, V0 tính theo m3. Ltđược xác định như sau :
Lt= Q1 - Q2 = [mCv(Ty - Tc) + mCp(Tz- Ty)]M - M[mCv(Td - Tf) + mCp(Tf - T0)]; (J / chu trình)
Thay các giá trị nhiệt độ đã có ở trên, sau khi chỉnh lý ta sẽ được:
Thể tích công tác của chu trình được xác định theo phương trình trạng thái:
Trong đó R - hằng số khí của 1 kmol môi chất (R=8314 j /kmol.độ)
Do: pf= p0và pC= p0εk, thay các giá trị đã biết và biểu thức trên ta được:
Thay Ltvà (Vf- Vc) tìm được vào (2 -5), sau đó chỉnh lý ta được:
Do: nên:
Từ (2-4), ta được:
Thay vào (2-7), ta sẽ được biểu thức thứ hai ptnhư sau :
từ (2-8) ta thấy rằng, ptcàng cao nếu ε , ηt, p0 càng lớn.
b/ Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
Đồ thị p-V và T-S dùng cho chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp của động cơ đốt trong được giới thiệu trên hình 2-2.
Trong động cơ đốt trong kiểu piston, chỉ có quá trình nhả nhiệt đẳng tích mà không có quá trình nhả nhiệt đẳng áp. Như vậy đây là trường hợp riêng củ a chu trình tổng quát, trong điều kiện Tf = T0; Tb = Td; Vb = Vd = V0=Vf và Vh= V0- VC.
Trong điều kiện ấy gía trị s được xác định như sau:
Quá trình đẳng tích:
Hình 2-2: Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp a)Đồ thị P-V ; b) Đồ thị T-S
hoặc: s = l r k (2-9)
Thay (2-9) vào (2-4) sẽ được:
Thay (2-9) vào (2-6), (2-7) và (2-8) sẽ tìm được:
hoặc:
và
hoặc
Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp chiệt lượng Qt, do nguồn nóng cấp cho chu trình là:
Q1= Q1V+ Q1p= M[mCV(Ty– TC) +mCp(Tz– Ty)
= mCV.T0ek-1M[l -1+kl (r -1)] (2-15)
Khi giữ Q1= const và T0 = const, các giá trị mCV, ε , k, M đều không đổi, vì vậy:
Các giá trị l và r trong (2-16) đặc trưng cho giá trị các phần nhiệt lượng Q1Vvà Q1p. Nếu gọi A’ = A.εk-1 = const, thay vào (2-10) ta sẽ được:
Từ biểu thức (2-16) tìm được:
Biểu thức (2-18) chỉ ra rằng nếu Q1 và A là không đổi, thì sự thay đổi của l sẽ làm r thay đổi theo. Ví dụ: tăng l sẽ làm giảm r , nhưng khi đó hiệu suất của chu trình sẽ thay đổi, phụ thuộc vào biểu thức B = l r k, nếu B tăng thì ηtgiảm và ngược lại. Để biết B tăng hay giảm cần xét dấu của B = l rk:
Vi phân toàn phần (2-16), Từ đó tìm được:
Thay vào (2-9), ta sẽ được:
= - rk-1( k - 1) ( r - 1 ) (2-20)
Trong biểu thức (2-20), các giá trị K > 1, r ³ 1 nên dấu của các thừa số: r k-1 > 0;
( k - 1) > 0; ( r - 1 ) ³ 0 nên B = l rkcó dấu âm, nghĩa là B = l r klà nghịch biến theo l. Nếu tăng l sẽ làm cho B giảm và theo (2-7) sẽ làm tăng ηtvà ngược lại.
Như vậy trong điều kiện không thay đổi nhiệt lượng Qtcấp cho chu trình hỗn hợp, càng tăng l, càng làm tăng ηtvà ngược lại. Tuy nhiên, càng tăng l sẽ làm cho áp suất cực đại của chu trình tăng lên, làm tăng ứng suất các chi tiết trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền và các chi tiết bao kín buồng cháy động cơ.
Nếu đốt cháy kiệt 1kg nhiên liệu trong một chu trình, lúc ấy Q1 = Qh (nhiệt trị thấp của nhiên liệu diesel Qh= 42.500 kJ / kg) và M = φ M0 (φ - hệ số dư không khí; M0 – số kmol không khí lý thuyết dùng để đốt cháy 1 kg nhiên liệu, nhiên liệu diesel M 0 ằ 0,496 kmol / kg. Môi chất chất là khí lý tưởng nên mCv = 20,9 kJ/kmol.độ; nhiệt độ môi trường T0 = 2930K, theo biểu thức (2-16) giá trị của A phụ thuộc vào φ . Hình 2-3 giới thiệu mối quan hệ giữa l và r với các giá trị khác nhau của A (tức là của a ), với ε = 14 và k = 1,4. Hình 2- 4 giới thiệu mối quan hệ giữa l với ε (tức là TC= T0εk-1) với các giá trị r khác nhau.
Hình 2-3: Mối quan hệ giữa l và r với các giá trị khác nhau của A khi ε =14; k=1,4; T0=2930K
Hình 2-4: Quan hệ giữa l và εvới các giá trị khác nhau của r khi A=2,25 Từ những đồ thị trên thấy rằng: khi A =
const thì h t sẽ tăng, khi tăng l (tăng phần cấp nhiệt đẳng áp); h t = h max khi l = l max và r = 1 và ht= hminkhi l = 1 và r = rmax. Với r = const, nếu l tăng do A tăng gây ra, cũng làm cho h t tăng lên chút ít, vì lúc ấy đã làm tăng tương đối lượng nhiệt cấp cho quá trình đẳng tích.
Hình 2-6 giới thiệu mối quan hệ giữa ηtcủa chu trình hỗn hợp và e với các giá trị khác nhau của l và r khi A = 2,25.
Từ những mối quan hệ trên thấy r ằng: ηt
của chu trình hỗn hợp sẽ tăng khi tăng ε nhưng mức độ tăng h tở động cơ diesel (có ε = 12 - 20) không nhanh như máy ga và động cơ xăng (có ε = 5,5 - 12).
Hình 2-5: Quan hệ của ηtvà l với các giá trị khác nhau của A(φ) và r khiε=14; k=1,4 và
T0=2930K
Hình 2-6: Quan hệ giữa htvà e với các mạng đồng mức r và l khi A=2,25
Hình 2-7: Quan hệ giữa htvà l với các mạng đồng mức r và e khi A=2,25
c/ Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp
Tăng áp cho động cơ bằng cách tăng áp suất môi chất trên đường nạp, qua đó làm tăng áp suất đầu quá trình nén, vì vậy làm tăng tính hiệu quả của chu trình công tác.
Trên động cơ có hai loại tăng áp chính: Tăng áp bằng truyền động cơ khí và tăng áp bằng tuabin khí. Dưới đây, chỉ trình bày chu trình lý thuyết của động cơ tăng áp bằng tuabin khí xả.
Tuabin khí xả có hai loại: Tuabin đẳng áp và tuabin biến áp.
Tuabin đẳng áp: Khí thải trước khi đến tuabin có một bình ổn áp để giữ cho áp suất của khí thải từ động cơ ra được ổn định, nhờ đó tạo ổn định cho tốc độ dòng khí đi vào cánh tuabin, đảm bảo cho tuabin đạt hiêu suất cao. Tuy nhiên, trong hệ thống này động năng của dòng khí từ động cơ bị hãm lại trong bình ổn áp và chuyển thành thế năng, sau đó mới chuyển thành động năng của dòng khí qua lỗ phun vào tuabin, nên quá trình này gây ra những tổn thất nhất định về năng lượng.
Tuabin biến áp: Hệ thống này không có bình ổn áp, dòng khí thải từ động cơ đi thẳng vào cánh tuabin để sinh công. Do đó, hệ thống này không bị tổn thất như hệ thống đẳng áp.
Tuy nhiên, áp suất dòng khí thải biến đổi liên tục từ lúc mở đến lúc đóng cửa thải, khiến tốc độ dòng không khí đi vào cánh t uabin không ổn định, ảnh hưởng xấu đến hiệu suất tuabin. Măt khác bố trí các đường ống thải trên hệ thống này để tránh ttổn thất động năng của dòng khí rất phức tạp.
Chu trình lý thuyết của động cơ tăng áp bằng tuabin biến áp: (Hình 2-8)
ok - nén đoạn nhiệt của không khí trong máy nén. Q2 - nhả nhiệt của động cơ không tăng áp.
kc - nén đoạn nhiệt trong xilanh động cơ. Q'2 - nhả nhiệt của đông cơ tăng áp (từ tuabin khí).
cyz - cấp nhiệt hỗn hợp. Q'''1 - cấp nhiệt đẳng áp trong tuabin khí.
zb - giãn nở đoạn nhiệt trong động cơ
brf - giãn nở khí thải trong xilanh và trong tuabin biến áp.
fo - nhả nhiệt đẳng áp.
Giả thiết lượng nhiệt Q2 từ xilanh nhả trên đoạn bk bằng nhiệt lượng cấp Q'''1 trong tuabin khí.
Năng lượng của tuabin khí xả gồm:
E1= Sbrk: năng lượng giãn nở của môi chất công tác từ áp suất pbđến pr. E2= Srfii': năng lượng giãn nở của khí trong tuabin.
Sii'i''i''': công của không khí quét trong tuabin Srr'fgr: do động năng chuyển thành nhiệt năng
Công của chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp của động cơ dùng tuabin khí xả biến áp được thể hiện qua diện tích okcyzbfo trên đồ thị. So với chu trình lý thuyết tổng quá ở đay không có phần nhả nhiệt đẳng tích, vì vậy điểm d trùng với điểm f, do đó:
pd= pf = p0 và s = pd/ pf= 1, thay vào phương trình tổng quát ta có:
Hình 2-8: Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp tuabin khí a) Đồ thị p- V b) Đồ thị T- S
Phương án tuabin biến áp chỉ dùng cho trường hợp tăng áp thấp, nghĩa là giá trị pk không quá 0,16 = 0,17 MPa, vượt quá giới hạn đó sẽ gây ảnh hưởng xấu tới hiệu suất tuabin. Khi đó phải dùng tuabin đẳng áp.
Chu trình lý thuyết của động cơ tăng áp bằng tuabin đẳng áp:(Hình 2-8)
ok - nén đoạn nhiệt trong máy nén. kr' - cấp nhiệt đẳng áp QItrong tuabin đẳng áp.
kc - nén đoạn nhiệt trong xilanh. r'g - giãn nở đoạn nhiệt trong tuabin.
cyz - cấp nhiệt hỗn hợp Q1 go - nhả nhiệt từ tuabin cho môi trường Q2. zb - giãn nở đoạn nhiệt trong xilanh. bk - nhả nhiệt đẳng tích QII.của xilanh Trong quá trình trên có ràng buộc sau: QII = QI
Hiệu suất nhiệt của tuabin được xác định
trong đó: ε0= ε .εk - tỉ số nén tổng hợp của chu trình
Với động cơ diesel có tỷ số nén ε = 14 - 18, sử dụng tăng áp nhờ tuabin khí xả đẳng áp sẽ làm tăng hiệu suất (5 - 6)%. Với động cơ có tỷ số nén thấp ε = 5 -7 trên các động cơ xăng và ga phương án trên có thể làm tăng hiệu suất từ (10 - 12)%.