TS MT.TRƯƠNG THANH DŨNG ThS LÊ VĂN VANG KS HỊANG VĂN SĨ BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn PHẦN THỨ HAI LÝ THUYẾT Q TRÌNH CƠNG TÁC Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Khái niệm Trong động đốt trong, việc nghiên cứu chu trình thực tế phức tạp Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới diễn biến q trình chu trình cơng tác thơng số kết cấu ( tỷ số nén, phương pháp qt khí thải khí, phương pháp hình thành khí hỗn hợp…), thơng số điều chỉnh (góc phân phối khí, góc phun sớm, thành phần hỗn hợp), thơng số khai thác (chế độ làm việc động cơ, điều kiện mơi trường).Vì nghiên cứu sở lý thuyết động diesel, người ta phải xem xét sơ đồ đơn giản hố q trình cơng tác đó, hay gọi chu trình lý tưởng Chu trình lý tưởng động đốt chu trình cơng tác mà khơng tính đến tổn thất nhiệt khác ngồi tổn thất nhiệt truyền cho nguồn lạnh quy định theo luật nhiệt động học Chu trình lý tưởng động diesel cho phép dễ dàng đánh giá tính hồn thiện khả sử dụng nhiệt lượng nhiên liệu để biến thành cơng 1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt Chu trình lý tưởng động đốt biểu diễn đồ thị P-V( đồ thị cơng ) T-S Diesel (đồ thị nhiệt), bao gồm q trình nhiệt động sau (hình 1.1): Hình 1.1 Chu trình lý tưởng đồ thị P-V T-S Trong đó: ac: q trình nén đoạn nhiệt cz1: q trình cấp nhiệt đẳng tích z1z: q trình cấp nhiệt đẳng áp zb: q trình giãn nở đoạn nhiệt ba: q trình thải nhiệt đẳng tích Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 1.1.2 Các thơng số đặc trưng 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 ;η t = − Hiệu suất nhiệt chu trình : η t = Q1 + Q2 Q3 Q1 + Q2 Trong : 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 nghiên cứu chu trình lý tưởng: Chu trình lý tưởng nêu nghiên cứu có kèm theo giả thuyết sau : - Chu trình diễn với đơn vị khí lý tưởng; q trình xảy làm mơi chất thay đổi trạng thái vật lý thành phần hố học khối lượng khơng thay đổi - Khơng có q trình cháy xy lanh động cơ, mơi chất nhận nhiệt tiếp xúc lý tưởng với nguồn nóng - Các q trình nén giãn nở đoạn nhiệt, chuyển động khơng có ma sát - Q trình thải nhiệt mơi chất tiếp xúc lý tưởng với nguồn lạnh mà khơng phải q trình trao đổi khí - Nhiệt dung riêng mơi chất số - Nguồn nóng nguồn lạnh vơ lớn để q trình truyền nhiệt ổn định Chu trình lý tưởng với giả thuyết trn dđây lấy làm sở lý thuyết nghiên cứu cho động đốt Các yếu tố khai thác, kết cấu, kiểu loại động cơ… khơng ảnh hưởng đến chu trình Sự thay đổi thể tích thực q trình nén giãn nở piston chuyển động xy lanh thực thơng số đồ thị thể tích (hoặc thể tích riêng) mơi chất 1.2 Chu trình lý tưởng Tuỳ theo lượng nhiệt cung cấp Q1, Q2 từ nguồn nóng, chu trình lý tưởng 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), nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp theo chu trình q trình đẳng tích c-z Các động đốt thực theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có q trình cháy diễn Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn nhanh (gần tức thời điểm z) Các động xăng, động ga thường thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích Hình 1.2 thể q trình cơng tác chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích đồ thị P-V T-S Trong chu trình nhiệt lượng cung cấp quy trình đẳng áp Q2 = Trong ta thấy: ε = δ ρ = Hình 1.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích đồ thị P-V T-S 1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp (hình 1.3), nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho chu trình qúa trình đẳng áp c-z Các động đốt thực theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có q trình cháy diễn chậm nhiều (sau điểm z) động diesel cấp nhiên liệu khơng khí nén thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp Hình 1.3: Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp đồ thị P-V T-S Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn Xem hình 1.3 chu trình này, nhiệt lượng cung cấp qúa trình đẳng tích Q1 = 0, nhiệt lượng cung cấp cho chu trình lại Q2, λ = 1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng cung cấp qúa trình đẳng áp, đẳng tích tồn khác khơng: Q1K 0, Q2K Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1.4), nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp cho cơng chất qúa trình c-z1 nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho cơng chất qúa trình z1-z chu trình Động diesel thơng thường (cấp nhiên liệu bơm cao áp vòi phun) thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp Hình 1.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp đồ thị P-V T-S 1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Hiệu suất chu trình lý tưởng: η t = Q1 + Q2 − Q3 = − Q1 + Q2 Q3 ; Q1 + Q2 Trong đó, Q1, Q2 nhiệt cấp đẳng tích đẳng áp, Q3 nhiệt thải Mối liên hệ thơng số điểm đặc biệt chu trình điểm a, c, z1, z, b theo thơng số trạng thái ban đầu áp suất tính tốn sau: Điểm c: k k Pc Vc = Pa Va ; Pc = Pa ε k ; Tc Vck −1 = Ta Vak −1 ; Tc = Ta ε k −1 Điểm z1: Pz1 Pc = λ ; Pz1 = λ Pc = λ Pa ε k ; Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 Tz1 Tc = Pz1 Pc = λ ; Tz1 = λ Tc = λ.Ta ε k −1 http://www.ebook.edu.vn Điểm z: Pz = Pz1 = λ Pc ; Pz = λ Pa ε k ; Điểm b: Pb Vbk = Pz V zk ; Pb = Pz Do đó: Tb = Tz δ k −i δ k Tz V = z = ρ ; Tz = ρ Tz1 = ρ λ Ta ε k −1 Tz1 V z1 = Pa λ ε k δ k = Pa λ ρ k ; Tb Vbk −1 = Tz V zk −1 ; = Ta λ ρ k 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 cơng thức định nghĩa ηt , ta có: ρ k λ − η t = − k −1 (λ − 1) + k λ ( ρ − 1) ε Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ρ =1, ε = δ ta có: ηt = − ε k −1 Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp λ =1 ta có: ρ k −1 η = − k −1 k ( ρ − 1) ε 1.4 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Khi so sánh hiệu suất nhiệt chu trình, người ta sử dụng đồ thị T-S lượng nhiệt cấp thải thể phần tử diện tích đồ thị Trên sở cơng thức định nghĩa, hiệu suất nhiệt ηt thay đổi tùy thuộc vào nhiệt lượng cung cấp cho chu trình (Q1+Q2) nhiệt lượng thải Q3 1.4.1 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng giữ ngun tỷ số nén ε nhiệt lượng thải Q3 thực theo phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp hỗn hợp: Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn T zV z zp c b a S Hình 1.5 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Với điều kiện cố định ε Q3 ta thấy: Khi giữ ngun ε, điểm a c phải trùng ba chu trình Khi giữ ngun Q3, ta thấy diện tích hình biểu thị nhiệt thải với ba phương án phải nhau, có nghĩa diện tích (1ab21) chung cho ba chu trình Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvb ; hỗn hợp acz1zb ; đẳng áp aczpb lên đồ thị T-S hình vẽ 1.5 So sánh nhiệt lượng cấp, mà nhiệt lượng cấp biểu thị diện tích đường cong cấp nhiêt, ta thấy : S(1czv21) > S(1cz1z21) > S(czp21) Từ cơng thức tính hiệu suất nhiệt, ta kết luận: η tv > η t > η 1.4.2 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng giữ ngun tỷ số nén ε nhiệt lượng cung cấp (Q1+Q2) thực theo phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp hỗn hợp Với điều kiện giữ cố định ε Q1+Q2 ta thấy: Khi giữ ngun ε, điểm a c trùng ba chu trình Khi giữ ngun Q1+Q2, ta thấydiện tích hình biểu thị nhiệt cấp với ba phương phải nhau, có nghĩa là: S(1czv2v1) = S(cz1z21) = S(1czp2p1) Như thế, điểm 2v phải phân bố phía trái, điểm 2p phân bố phía phải điểm Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp aczpbp lên hệ tọa độ T-S hình vẽ 1.6 Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Từ đồ thị ta nhận thấy: S(1abv2v1) < S(1ab21) < S(1abp2p1) Q3v < Q3 < Q3p Hay là: Do đó: η tv > η t > η 1.4.3 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp đẳng áp giữ ngun áp suất cực đại P max nhiệt lượng thải Q3 Với điều kiện lượng nhiệt thải Q3 biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ T-S, chúng phải chung qúa trình thải nhiệt đẳng tích b-a Với điều kiện áp suất cực đại Pmax biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ T-S, điểm zv, z, zp phải nằm đường p = const Mặt khác, điểm b chung cho ba chu trình nên điểm zv, z, zp phải trùng Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzb; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzb lên hệ tọa độ T-S hình vẽ 1.7 Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn Các điểm c chu trình cấp nhiệt đẳng tích cv, hỗn hợp c, đẳng áp cp, đồng thời điểm phân bố từ xuống cp, c, cv Nhiệt lượng thải cho nguồn lạnh ba chu trình nhau, đó: Sv(1ab21) = S(1ab21) = Sp(1ab21) =Q3 Nhiệt lượng cấp phân bố sau: S(1cpz21) >S(1cz1z21) > S(1cvz21) Do đó: p v ηt > ηt > ηt 1.4.4 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng theo phương án cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp đẳng áp giữ ngun áp suất cực đại Pmax nhiệt lượng cấp Q1+Q2 T zp z1 z zv cp c cV bp b bv a 2p 2v S Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzpbp lên hệ tọa độ T-S hình vẽ 1.8 Với điều kiện lượng nhiệt cấp Q2+Q3 biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ T -S, diện tích đường cong cấp nhiệt biểu thị cho lượng nhiệt cấp ba chu trình phải nhau, tức là: Sv(1cvzv2v) = S(1cz1z21) = Sp(1cpzp2p) =Q1+Q2 Với điều kiện áp suất cực đại Pmax biểu diễn ba chu trình hệ tọa độ T-S, điểm zv, z, zp phải nằm đường p=const So sánh nhiệt lượng thải biểu thị diện tích tương ứng ta thấy: Sp(1abp2p) < S(1ab2) 100%) Đặc tính định mức (đường 3) đường đặc tính tương ứng với tay ga mà động phát 100% cơng suất ( = 100%) Đặc tính khai thác (đường 4) đường đặc tính tương ứng với tay ga mà động phát từ 80% ÷ 85% cơng suất Đặc tính phận (đường 5) đường đặc tính nằm đường đặc tính Các biểu thức dùng để phân tích đặc tính ngồi cơng thức cơng suất, mơmen, áp suất có ích bình qn: Q Vs H ρ k η n η i η m n.i 30.m α Lo Q Me = Vs H ρ k η n η i η m n.i π m α Lo Ne = pe = (7-8) (7-9) QH ρ η η η n.i α Lo k n i m (7-10) Hình 7.2 Các đường đặc tính động lai chân vịt Đặc tính ngồi giới hạn (ha = hmax) Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 105 Đặc tính ngồi nhả khói đen (ha>100%) Đặc tính ngồi định mức (ha =100%) Đặc tính ngồi khai thác (ha = 85%) Đặc tính ngồi phận (ha[...]... thò, giải thích? Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 11 CHƯƠNG 2 CÁC Q TRÌNH CƠNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Q trình nạp 2.1.1 Hệ số nạp Trong động cơ đốt trong, sau mỗi chu kỳ cơng tác, động cơ cần phải thải một lượng khí cháy và nạp một lượng khơng khí mới vào xy lanh động cơ Chất lượng của q trình nạp và lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ có ảnh hưởng... 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 khơng 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: Động cơ bốn kỳ khơng tăng áp: γr = 0,04 ÷ 0,055 Động cơ bốn kỳ có tăng áp: γr = 0,02 ÷ 0,044 Động cơ hai kỳ qt thẳng:... nạp vào xy lanh cơng tác để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu L = α L0 = 1 C H S O ( + + − ) 0, 21 12 4 32 32 Kmol/kg nh.l (2.19) Giá trị α của các động cơ nằm trong khoảng sau: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 27 Động cơ khơng tăng áp thấp tốc: Động cơ khơng tăng áp cao tốc: Động cơ tăng áp thấp tốc: Động cơ tăng áp cao tốc: Trong một chu trình cơng tác, hệ α =1,8... ÷ 0,07 Động cơ hai kỳ qt vòng: γr = 0,08 ÷ 0,11 Các giá trị trên cho ta một nhận xét rằng, động cơ bốn kỳ có giá trị γ r nhỏ hơn động cơ hai kỳ Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 17 hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xy lanh tốt hơn Còn động cơ hai kỳ qt thẳng do quỹ đạo chuyển động của... khi đi qua các cơ cấu hút Thơng thường đối với các động cơ diesel tàu thủy, giá trị Pa nằm trong khoảng sau: Động cơ bốn kỳ khơng tăng áp: Pa = (0,85 ÷ 0,90)Po Động cơ hai kỳ có tăng áp: Pa = (0,90 ÷ 0,96)Po Động cơ hai kỳ qt thẳng qua xupáp : Pa = (0,96 ÷ 1,04)Po Động cơ hai kỳ qt vòng: Pa = (0,96 ÷ 1,1)Po Ts' + γ r Tr Cuối cùng nếu thay: Ta = vào cơng thức tính hệ số nạp ta sẽ có 1+ γ r cơng thức tính... dưới dạng: ε γ 1 ηn = t a εt −1 γ o 1+ γ r Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ được thay bằng γs và khi đó biểu thức paTs γ được thay bằng a psTa γs Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 15 Bây giờ ta sẽ phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào những yếu tố nào? Từ cơng thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ khơng tăng áp: ηn = εt Pa To 1 ε t − 1... khí khơ có thể tính theo cơng thức: G1 = vs γ 0 ηn Khi khơng khí nạp là khơng khí ẩm thì lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ được tính như sau: G2 = η n Vs γ o 1 1 + 1,61.d Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 16 Trong đó động cơ là độ ẩm riêng của hơi nước trong khơng khí ẩm (kg hơi nước/kg khơng khí khơ) Như vậy khi động cơ tăng, lượng khơng khí... động cơ Cuối cùng, vòng quay động cơ cũng là một thơng số ảnh hưởng đến hệ số nạp, khi vòng quay động cơ tăng làm tăng sức cản thủy lực của dòng khơng khí nạp, làm cho ηn giảm Đặc biệt ở chế độ khai thác động cơ khi mà cả vòng quay và phụ tải đều tăng thì ảnh hưởng đồng thời của cả hai yếu tố này đến hệ số nạp và lượng khơng khí nạp là rất đáng kể Khi đó lượng khơng khí nạp vào Động cơ Diesel tàu thủy. .. thơng số của chu trình cơng tác và do đó đến tính kinh tế, an tồn và tin cậy của động cơ Thực chất của q trình cháy nhiên liệu trong xy lanh động cơ là một q trình hết sức phức tạp Để xác định các thơng số của q trình cháy trước hết cần phải xác định lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu trong xy lanh động cơ Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn... 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 ... thích? Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 11 CHƯƠNG CÁC Q TRÌNH CƠNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Q trình nạp 2.1.1 Hệ số nạp Trong động đốt trong, sau chu kỳ cơng... HAI LÝ THUYẾT Q TRÌNH CƠNG TÁC Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Khái niệm Trong động đốt trong, việc nghiên... Vs xy lanh cơng tác Điều giải động đại có hành Động Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP. HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 39 trình siêu dài Mặt khác động diesel tàu thủy có trang bị thiết bị tận