BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 1

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

268
lượt xem 85
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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…)

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 1

TS. 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 http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 1
PHẦN THỨ HAI LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 2
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 s ố v ề k hai thác (ch ế đ ộ l àm vi ệ c c ủ a đ ộ ng c ơ , đ i ề u ki ệ n v ề m ôi tr ườ ng).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. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 3
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 Q + Q2 − Q3 Q3 Hiệu suất nhiệt chu trình : η t = 1 ;η t = 1 − Q1 + Q2 Q1 + Q2 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 http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 4
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: 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 đ ộ ng c ơ d iesel c ấ p nhiên li ệ u b ằ ng không khí nén đ ượ c thi ế t k ế h o ạ t đ ộ ng 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 http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 5
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: Q1K 0, Q2K 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 Hiệu suất chu trình lý tưởng: η t = Q1 + Q2 − Q3 = 1 − Q3 ; Q1 + Q2 Q1 + Q2 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: Pc .Vc = Pa .Va ; k k Pc = Pa .ε k ; Tc .Vck −1 = Ta .Vak −1 ; Tc = Ta .ε k −1 . Điểm z1: Pz1 Tz1 Pz1 = λ ; Pz1 = λ .Pc = λ .Pa .ε k ; = λ ; Tz1 = λ .Tc = λ.Ta .ε k −1 . = Pc Tc Pc http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 6
Điểm z: Tz V Pz = Pz1 = λ .Pc ; Pz = λ .Pa .ε k ; = z = ρ ; Tz = ρ .Tz1 = ρ .λ .Ta .ε k −1 . Tz1 V z1 Điểm b: 1 1 = Pa .λ .ε k . = Pa .λ .ρ k ; Tb .Vbk −1 = Tz .V zk −1 ; Pb .Vbk = Pz .V zk ; Pb = Pz . δ δ k k 1 = Ta .λ .ρ k Tb = Tz . Do đó: δ k −i Mặt khác ta lại có: Q1 = Cv .(Tz1 − Tc ) = Cv .(Ta .λ.ε k −1 − Ta .ε k −1 ) Q2 = C p .(Tz − Tz1 ) = C p .(Ta .ρ .λ .ε k −1 − Ta .λ .ε k −1 ) Q3 = C v .(Tb − Ta ) = C v .(Ta .ρ k .λ − Ta ) Thay vào công thức định nghĩa ηt , ta có: ρ k .λ − 1 1 η t = 1 − k −1 . (λ − 1) + k .λ .( ρ − 1) ε Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ρ =1, ε = δ ta có: 1 ηt = 1 − ε k −1 Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp λ =1 ta có: ρ k −1 1 η = 1 − k −1 . k .( ρ − 1) ε 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 hi ệ u su ấ t nhi ệ t chu trình lý t ưở ng khi gi ữ n guyên t ỷ s ố n én ε v à nhiệt lượng thải Q3 nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp và h ỗ n h ợ p: http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 7
T zV z zp c b a 1 2 S 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: η tv > η t > η tp 1.4.2 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ số nén ε và nhiệt lượng cung cấp (Q1+Q2) 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. http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 8
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) Q3v < Q3 < Q3p Hay là: η tv > η t > η tp Do đó: 1 .4.3 So sánh hi ệu suấ t nhi ệt của các chu trình lý tưởng theo ph ươ ng án cấ p nhi ệ t đ ắ ng tích, h ỗ n h ợ p và đ ẳ ng áp khi gi ữ n guyên áp su ấ t c ự c đ ạ i P max v à nhi ệ t lượ ng thả i Q3 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 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. Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 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: Sv(1ab21) = S(1ab21) = Sp(1ab21) =Q3 Nhiệt lượng cấp phân bố như sau: S(1cpz21) >S(1cz1z21) > S(1cvz21) Do đó: ηt > ηt > ηt p v 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 Pmax và nhiệt lượng cấp Q1+Q2 zv T z zp z1 cp c b bv cV bp a 2p 1 2 2v S Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng 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 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 zv, z, zp 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)
η tp > η t > η tv 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 có tỷ 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 các động cơ đốt trong có áp suất cháy cực đại Pmax như nhau thì những động cơ làm việc theo chu trình đẳng áp lại có 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 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. Câu hỏi ôn tập chương: 1. Phaân tích söï thay ñoåi hieäu suaát nhieät trong caùc ñieàu kieän: - Thay ñoåi tyû soá neùn - Thay ñoåi goùc phun sôùm 3.Trình baøy caùc chu trình lyù töôûûng, ñaúng aùp, ñaúng tích, hoãn hôïp. So saùnh hieäu suaát nhieät cuûa chuùng khi : - Cuøng tyû soá neùn vaø nhieät löôïng caáp - Cuøng aùp suaát cöïc ñaïi vaø nhieät löôïïng caáp 4.So saùnh hieäu suaát nhieät cuûa caùc chu trình lyù töôûng baèng ñoà thò trong caùc tröôøng hôïp sau: - Cuøng Q1+Q2 vaø ε - Cuøng Q3 vaø Tz 5.Caùc chu trình lyù töôûng vaø hieäu suaát nhieät cuûa chuùng, veõ ñoà thò, giaûi thích? http://www.ebook.edu.vn Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 11