Giáo trình Động cơ Diesel tàu thuỷ - Trương Thanh Dũng

113 trang hapham 90

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Động cơ Diesel tàu thuỷ - Trương Thanh Dũng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dong_co_diesel_tau_thuy_truong_thanh_dung.pdf

Nội dung text: Giáo trình Động cơ Diesel tàu thuỷ - Trương Thanh Dũng

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 Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 1
PHẦN THỨ HAI LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 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 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. 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 Q1 + Q2 − Q3 Q3 Hiệu suất nhiệt chu trình : ηt = ;ηt = 1− Q + Q Q + Q 1 2 1 2 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 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 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 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 Q + Q − Q Q Hiệu suất chu trình lý tưởng: 1 2 3 3 ηt = = 1− ; 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: k k Pc .Vc = Pa .Va ; P = P .ε k ;T .V k −1 = T .V k −1 ;T = T .ε k −1. c a c c a a c a Điểm z1: P T P z1 = λ; P = λ.P = λ.P .ε k ; z1 = z1 = λ;T = λ.T = λ.T .ε k −1. z1 c a z1 c a Pc Tc Pc Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 6
Điểm z: T V P = P = λ.P ; P = λ.P .ε k ; z = z = ρ;T = ρ.T = ρ.λ.T .ε k −1. z z1 c z a T V z z1 a z1 z1 Điểm b: 1 1 P .V k = P .V k ; P = P . = P .λ.ε k . = P .λ.ρ k ;T .V k −1 = T .V k −1; b b z z b z δ k a δ k a b b z z Do đó: 1 k Tb = Tz . = Ta .λ.ρ δ k −i Mặt khác ta lại có: Q = C .(T −T ) = C .(T .λ.ε k−1 −T .ε k−1 ) 1 v z1 c v a a Q = C .(T − T ) = C .(T .ρ.λ.ε k −1 − T .λ.ε k−1 ) 2 p z z1 p a a Q C .(T T ) C .(T . k . T ) 3 = v b − a = v a ρ λ − a Thay vào công thức định nghĩa ηt , ta có: 1 ρ k .λ −1 ηt = 1− k −1 . ε (λ −1) + k.λ.(ρ −1) Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ρ =1, ε = δ ta có: 1 ηt = 1− k −1 ε Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp λ =1 ta có: 1 ρ k −1 η = 1− k−1 . ε k.(ρ −1) 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 số nén ε và nhiệt lượng thải Q3 nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 7
T zV z zp c b a 12S 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 v > η > η p t t t 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. 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) ηt > ηt 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 Pmax và nhiệt lượng thải 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 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: p v ηt > ηt > ηt 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 v cV bp b a 1S2p 22v 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) <Sv(1abv2v) Do đó, từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 10
η p > η > η v t t t 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? Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 11
CHƯƠNG 2 CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Quá trình nạp 2.1.1 Hệ số nạp Trong động cơ đốt trong, sau mỗi chu kỳ công tác, động cơ cần phải thải một lượng khí cháy và nạp một lượng không khí mới vào xy lanh động cơ. Chất lượng của quá trình nạp và lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu sau này. Thông thường, khi đánh giá lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp, người ta sử dụng các thông số trước cửa hút của xy lanh Po, To (hoặc Ps, Ts đối với động cơ hai kỳ và động cơ tăng áp). Thực tế lượng không khí nạp có trong xy lanh ở đầu quá trình nén nhỏ hơn lượng không khí tính toán theo lý thuyết, bởi vì trong quá trình nạp, lượng không khí nạp vào xy lanh còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau: Sức cản thủy lực của đường ống không khí nạp, các xupáp nạp và các cửa nạp (trong động cơ hai kỳ). Do tồn tại sức cản thủy lực này nên áp suất của không khí trong xy lanh động cơ khi bắt đầu quá trình nén (cuối quá trình nạp) sẽ nhỏ hơn áp suất không khí nạp trước cửa nạp. Sự giảm áp suất do sức cản thủy lực này sẽ làm cho mật độ không khí trong xy lanh động cơ của quá trình nạp sẽ bị giảm theo, và do vậy, trong cùng một thể tích, trọng lượng của không khí sẽ giảm. Sự sấy nóng không khí nạp do thành vách xy lanh, đỉnh piston, các xupáp hay các cửa làm cho nhiệt độ không khí nạp tăng, trọng lượng riêng của nó giảm xuống, làm giảm lượng không khí nạp thực tế vào xy lanh động cơ. Ngoài ra trong thực tế, cuối quá trình xả chúng ta không thể làm sạch hoàn toàn xy lanh công tác. Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xy lanh bao giờ cũng còn sót lại một lượng khí cháy. Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm một phần thể tích xy lanh công tác, làm giảm lượng không khí sạch nạp vào xy lanh. Lượng khí cháy cón sót lại trong xy lanh động cơ được đánh giá bằng một đại lượng tương đối gọi là hệ số khí sót, kí hiệu là γr; M γ = r r L (2-1) Trong đó Mr: số lượng khí cháy còn sót lại trong xy lanh động cơ ở cuối kỳ xả (kmol); L: số lượng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp (kmol). Do lượng khí sót trong xy lanh động cơ có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt cho không khí sạch mới nạp vào làm nhiệt độ của nó tăng lên. Kết quả là trọng lượng Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 12
riêng của không khí nạp giảm xuống, làm giảm lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ. Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ ở các giá trị Pa, Ta thực tế nhỏ hơn lượng không khí lý thuyết tính toán theo các thông số Po, To hay Ps, Ts. Để đánh giá hiệu quả của quá trình nạp, người ta đưa ra khái niệm hệ số nạp được định nghĩa như sau: Hệ số nạp là tỷ số giữa lượng không khí có trong xy lanh động cơ ở đầu hành trình nén và lượng không khí có thể chứa trong thể tích công tác của xy lanh động cơ, có thông số là thông số trạng thái của không khí trước cửa hút của xy lanh. 3 Nếu kí hiệu ηn là hệ số nạp; Go (kg); Vo (m ); Lo (kmol) là lượng không khí 3 thực tế nạp vào thể tích Va của xy lanh công tác; Gs (kg); Vs (m ); Ls (kmol) là lượng không khí có thể chứa trong thể tích Vs của xy lanh công tác có các thông số của không khí trước cửa nạp Po, To (hay Ps,Ts) thì: Vo Go Lo (2.2) η n = = = Vs Gs Ls Cần chú ý là theo định nghĩa Va > Vs, do đó trong trường hợp lý tưởng nếu quá trình xả là sạch hoàn toàn thì khi đó ηn có thể lớn hơn 1. Để lập công thức tính toán hệ số nạp, trước hết là môt số giả thiết sau: Quá trình nạp kết thúc tại điểm a của đồ thị công chỉ thị. Công do khí cháy sinh ra trong quá trình nạp và năng lượng động học của nó là như nhau. Nhiệt dung riêng của khí sạch và khí sót ở nhiệt độ đầu quá trình nén là như nhau. Số lượng không khí sạch và khí sót ở đầu quá trình nén được tính như sau: Ma=L+Mr = L.(1+γr) (2.3) Trong đó, L: lượng không khí sạch (kmol); Mr: lượng khí sót còn sót lại trong xy lanh của cuối quá trình nạp (kmol). Giá trị của Ma và L trong phương trình trên có thể xác định từ phương trình trạng thái của chất khí: P .V M = a a .104 848.T a 2 o Trong đó, Pa, Ta là áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nén (kG/cm ; K); Và là 3 thể tích xy lanh đầu quá trình nén (m ); Po, To là áp suất và nhiệt độ không khí nạp trước cửa nạp (kG/cm2, oK). Từ công thức V η = o → V = η .V n o n s Vs Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 13
P .η .V Khi đó: L = o n s .104 848.To Thay L, Ma vào công thức (2.3) và rút gọn ta có: P .V P .η .V a a = o n o .(1+ γ ) r Ta To Từ đó: P .T V η = a o . a .(1+ γ ) n P .T V r o a s Va Ta đã có: = ε ; Do đó: Va = ε.Vc ; Vc Vs +Vc V = (ε −1).V = ε; s c Hay Vc Do đó: V ε.V ε a = c = V (ε −1).V ε −1 Khi đó: s c Thay vào công thức ηn ta có: ε P .T 1 η = . a o . n ε −1 P .T 1+ γ o a r Trường hợp động cơ bốn kỳ tăng áp hay động cơ hai kỳ, thông(2-4) số trước cửa nạp là Ps, Ts. Khi đó công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ có tăng áp có dạng như sau: ε Pa .Ts 1 η n = . . ε −1 Ps .Ta 1+ γ r (2-5) Đối với động cơ hai kỳ quá trình nén thực tế là khi piston đóng kín các cửa. Vì thế, trong tính toán quá trình nạp cho động cơ hai kỳ ta phải lấy tỷ số nén thực tế εt V ' V +V ' ε = a = c s t V V c c Vs’: thể tích công tác của xy lanh khi đóng kín các cửa. h Gọi ψ = là hệ số tổn thất hành trình, trong đó h là khoảng cách từ mép S S trên của cửa cao nhất đến điểm chết dưới của piston. Khi đó có thể tích: V ' = V .(1−ψ ) s s s εts−ψ Thay vào công thức tính εt , khi đó ta sẽ có: ε = 1−ψ s Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 14
Vì vậy: ε =−+εψψtss(1 ) Trong động cơ bốn kỳ, bỏ qua sự đóng muộn của xupáp, khi đó ta có thể xem quá trình nén bắt đầu khi piston từ điểm chết dưới đi lên điểm chết trên và V Khi đó ta có: ε = a V c Từ phương trình: V + V ( 1 − ψ ) ε = c s s t Vc ta có: (ε −1)V V = t c s 1−ψ s V V +V Thay vào công thức tính hệ số nạp và chú ý là: ε = a = c s V V c c Khi đó ta có công thức tổng quát tính hệ số nạp: ε P .T 1 η = t . a s . .(1−ψ ) n ε −1 P .T 1+ γ s t s a r Động cơ bốn kỳ không tăng áp thay Ps, Ts bằng Po, To, còn hệ số ψs đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và không tăng áp đều bằng không. Khi đó, công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp lại quay về dạng: ε P .T 1 η = t . a o . n ε −1 P .T 1+ γ t o a r Có thể biểu diễn công thức tính hệ số nạp dưới một dạng khác như sau: Từ phương trình trạng thái của 1kg chất khí P.V = R.T Viết cho chất khí có thông số Po, Vo, To ta có: Po.Vo = R.To T Từ đó: o và 1 P Vo = R. γ o = = Po Vo R.To Tương tự, viết cho chất khí có thông số trạng thái ở đầu quá trình nén ta có: P γ = a a R.T a γ P R.T P .T Từ đó: a = a . o = a o γ o R.Ta P Po .Ta Khi đó công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp có thể viết dưới dạng: ε γ 1 η = t . a . n ε −1 γ 1+ γ t o r Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ được thay bằng γs p T γ và khi đó biểu thức as được thay bằng a psTa γ s Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 15
Bây giờ ta sẽ phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào những yếu tố nào? Từ công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp: ε P .T 1 η = t . a o . n ε −1 P .T 1+ γ t o a r Ta thấy biểu thức ε là một thông số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ. ε −1 Như vậy với mỗi động cơ cụ thể thì biểu thức này là một hằng số. Còn biểu thức 1 thì ở đây γr là một thông số phụ thuộc vào hệ thống quét thải của động 1+ γ r cơ và chế độ công tác đã cho. Chất lượng làm sạch xy lanh và do đó giá trị của γr thay đổi phụ thuộc rất nhiều vào việc hoàn thiện hệ thống quét thải và hệ thống tăng áp. Ngoài ra việc làm vệ sinh sạch các cửa quét thải trong động cơ hai kỳ, các đường ống xả và tuabin khí tăng áp cũng làm cho hệ số γr thay đổi. Khi γr tăng, hệ số nạp giảm xuống và ngược lại. Môi trường nơi động cơ làm việc có ảnh hưởng đến hệ số nạp thông qua giá trị Po, To và ϕ. Thực tế giữa áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường ảnh hường đến hệ số nạp như thế nào? Khi Po, To thay đổi sẽ làm cho mật độ không khí trước cơ cấu nạp (γo) thay đổi nhưng đồng thời nó cũng làm cho γa thay đổi theo. Nói cách khác, khi mật độ không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm) theo. γ Do vậy, tỷ số a thực tế thay đổi rất ít và hầu như không đáng kể. Như vậy γ 0 đối với một động cơ cụ thể ở một chế độ khai thác đã chọn thì có thể xem hệ số nạp không chịu ảnh hưởng của môi trường nơi động cơ làm việc nếu hê số khí sót cũng không thay đổi. Tuy nhiên dù ηn không thay đổi nhưng do trọng lượng riêng của không khí nạp thay đổi nên lượng không khí sạch nạp vào xy lanh động cơ cũng thay đổi theo. Nếu chuyển động cơ từ vùng có nhiệt độ thấp (hàn đới) sang khai thác ở vùng có nhiệt độ cao (nhiệt đới) thì do nhiệt độ môi trường To tăng làm γo giảm và vì vậy số lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ cũng giảm theo. Nếu các điều kiện khác là như nhau thì trong trường hợp này để giữ nguyên hệ số dư lượng không khí α thì bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, tức là giảm công suất của động cơ. Ngoài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ ẩm môi trường cũng có ảnh hưởng đáng kể đến lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ. Lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ khi không khí là không khí khô có thể tính theo công thức: Gv10= s γ ηn Khi không khí nạp là không khí ẩm thì lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ được tính như sau: 1 G2 = η n .Vs .γ o . 1+1,61.d Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 16
Trong đó động cơ là độ ẩm riêng của hơi nước trong không khí ẩm (kg hơi nước/kg không khí khô) Như vậy khi động cơ tăng, lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ sẽ giảm. Như đã nói ở trên, đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, thông số trước cửa nạp không phải là Po, To mà là Ps, Ts. Hai thông số này ngoài ảnh hưởng của môi trường còn chịu ảnh hưởng của quá trình nén trong máy nén ϕ tăng áp và chế độ làmm mát không khí tăng áp. Điều này có nghĩa là Po, To và là các thông số gián tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng không khí nạp. Do vậy có thể nói đối với các động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, ảnh hưởng của môi trường sẽ nhỏ hơn so với động cơ không tăng áp. p Sức cản thủy lực trên đường ống hút được biểu thị thông qua biểu thức a p0 pa pa hoặc . Khi sức cản trên đường ống hút càng tăng thì sẽ càng nhỏ và do đó ηn ps p0 sẽ càng giảm. Các giá trị của hệ số nạp phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong khoảng sau: Động cơ thấp tốc tăng áp: ηn =0,8 ÷ 0,9 Động cơ trung tốc và cao tốc không tăng áp: ηn =0,75 ÷ 0,85 Động cơ tăng áp: ηn =0,8 ÷ 0,95 2.1.2 Xác định các thông số của quá trình nạp v Giá trị ε là một thông số kết cấu: ε = a vc Đối với các động cơ đốt trong, việc lựa chọn ε khi thiết kế động cơ dựa yêu cầu là nhiệt độ cuối quá trình nén phải đảm bảo nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy, nhưng đồng thời phải giữ cho các giá trị ứng suất 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 không 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 không tăng áp: γr = 0,04 ÷ 0,055 Động cơ bốn kỳ có tăng áp: γr = 0,02 ÷ 0,044 Động cơ hai kỳ quét thẳng: γr = 0,02 ÷ 0,07 Động cơ hai kỳ quét vòng: γr = 0,08 ÷ 0,11 Các giá trị trên cho ta một nhận xét rằng, động cơ bốn kỳ có giá trị γr 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 17
hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xy lanh tốt hơn. Còn động cơ hai kỳ quét thẳng do quỹ đạo chuyển động của dòng khí không phải đổi chiều, do đó nó có khả năng quét sạch các góc của xy lanh hơn động cơ hai kỳ quét vòng nên giá trị γr của nó nhỏ. Ngoài hai thông số phụ thuộc kết cấu trên, các thông số khác của quá trình nạp đều là những thông số phụ thuộc trạng thái của khí nạp. Sau đây chúng ta sẽ đi tìm phương pháp xác định các thông số này. Áp suất và nhiệt độ điều khiển cuối quá trình nạp là hai thông số quan trọng của quá trình trao đổi khí. Các thông số này có thể được xác định bằng tính toán hay thực nghiệm. Đặc tính thay đổi của áp suất và nhiệt độ khí nạp và các giá trị khác của nó phụ thuộc rất nhiều vào cường độ trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xy lanh, các xu páp và các cửa, cũng như sự trao đổi nhiệt giữa khí nạp và khí sót trong xy lanh. Để xác định nhiệt độ chất khí trong xy lanh ở cuối kỳ nạp, ta xuất phát từ phương trình năng lượng. Gọi Ma là số lượng mol của hỗn hợp khí sạch và khí sót trong xy lanh ở cuối kỳ nạp. L: Số lượng mol khí sạch nạp vào xy lanh trong quá trình nạp. Mr: Là số lượng mol khí sót. C t v : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của không khí sạch C n v : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót C m v : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp. Ta giả thiết công của chất khí sinh ra trong quá trình nạp bằng không, khi đó ta có thể viết: M .C m .T = L.C ' .T ' + M .C n .T a v a v o r v r Trong công thức trên, ta giả thiết rằng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ có nhiệt độ tại cửa hút của xy lanh là To (động cơ bốn kỳ không tăng áp). Sau khi đi ' ' qua cơ cấu nạp nó nhận nhiệt và nhiệt độ tăng từ To lên: T0 : TT00=+Δ Tsn Trong đó ΔTsn là độ gia tăng nhiệt độ do sự sấy nóng của các cửa, cơ cấu nạp, đỉnh piston và thành vách xy lanh. t n m Sự khác nhau của các giá trị Cv , Cv , Cv rất nhỏ và ta có thể xem chúng là như nhau. Khi đó, trở lại phương trình trên ta có thể viết: M .T = L.T ' + M .T a a o r r ' Từ đó: L.To + M r .Tr Ta = M a M r Thay: Ma = L + Mr và chú ý = γ , khi đó ta có: L Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 18
T ' + γ .T T = o r r o 1+ γ r (2.8) o Thông thường giá trị ΔTsn nằm trong khoảng 10 ÷ 20 C, còn giá trị nhiệt độ của khí sót phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và nằm trong khoảng 700 ÷ 800oK. Công thức tính nhiệt độ cuối quá trình nạp trên đây là của động cơ bốn kỳ không tăng áp. Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ thì phải chú ý là nhiệt độ trước cơ cấu nạp là : Ts = Tk − ΔTlm Nhiệt độ Tk của không khí sau máy nén tăng áp có thể tính như sau: m−1 ⎛ P ⎞ m T = T ⎜ k ⎟ k o ⎜ P ⎟ ⎝ o ⎠ Trong đó, m: chỉ số nén đa biến của máy nén: Với máy nén ly tâm: m = 1,5 – 2. Với máy nén piston : m = 1,5 – 1,6. Với máy nén rotor : m = 1,7 – 1,8. ΔT lm : độ giảm nhiệt độ của không khí khi đi qua sinh hàn khí tăng áp. Và khi đó, tương tự như trong động cơ bốn kỳ: ' ' TTs + γ rr. TTSs=+Δ T sn và Ta = (2.9) 1+ γ r o Thông thường với các động cơ diesel: Ta = 315 ÷ 340 K Áp suất của khí nạp sau khi đi qua các cơ cấu nạp sẽ giảm đi một lượng bằng sức cản trên đường ống nạp. Vì vậy chúng ta có thể tính: Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: pah= pp0 −Δ Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp và động cơ hai kỳ: pas= pp−Δ h Trong đó; Δph là độ giảm áp suất khi đi qua các cơ cấu hút. Thông thường đối với các động cơ diesel tàu thủy, giá trị Pa nằm trong khoảng sau: Động cơ bốn kỳ không 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 quét thẳng qua xupáp : Pa = (0,96 ÷ 1,04)Po. Động cơ hai kỳ quét vòng: Pa = (0,96 ÷ 1,1)Po. ' TTs + γ rr. Cuối cùng nếu thay:Ta = vào công thức tính hệ số nạp ta sẽ có 1+ γ r công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp là: ε pTa 0 ηn = ' (2.10) εγ−+1.p00TTrr Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 19
Trở lại công thức tính: pah= pp0 −Δ hay pas= pp−Δ h Trong đó Δph có thể được xác định từ phương trình Becnuli với giả thiết là: khi chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xy lanh công tác, trạng thái của chất khí không thay đổi. Khi đó ta có thể cho γo = γa hay γa = γs. Ta lại giả thiết vận tốc của dòng khí tại cửa vào là bằng không, khi đó có thể viết: γ o 2 ΔPh = Po − Pa = .(1+ ξ ).W 2.g Trong đó ξ là hệ số cản trên đường ống hút, thường bằng 0,03 ; W : vận tốc của dòng khí nạp. Với động cơ bốn kỳ ta có thể tính như sau : S.n D 2 W = . 30 i.d 2 (m/s) k Trong đó, S : hành trình của piston (m); D: đường kính xy lanh; dk: đường kính tiết diện lưu thông của xu páp hút (m); i: số xu páp hút trên một xy lanh. Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp, trong công thức trên ta phải thay γo bằng γs Sau đây chúng ta ký hiệu Δph của động cơ bốn kỳ không tăng áp là Δp0 , còn đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ là ΔpS . Trị số Δp0 , ΔpS biểu thị sức cản trên đường ống hút. Làm sạch đường ống hút sẽ làm giảm Δp0 hay ΔpS trong khai thác, làm tăng Pa và do vậy tăng lượng khí nạp vào xy lanh động cơ. Phân tích tương tự như vậy chúng ta thấy khi giảm Ta cũng làm cho mật độ không khí nạp tăng. Tăng cường chế độ làm mát khí tăng áp làm giảm Ta Nhiệt độ môi trường tăng, phụ tải động cơ tăng sẽ làm tăng Ta và do vậy giảm lượng không khí nạp. Các giá trị áp suất và nhiệt độ khí sót ảnh hưởng không nhiều đến hệ số nạp nhưng giá trị γr thì có ảnh hưởng lớn. Khi tăng γr làm cho nhiệt độ không khí trong xy lanh ở cuối quá trình nạp tăng, mật độ không khí nạp giảm làm giảm lượng không khí nạp. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng khi γr tăng từ 0,05 lên 0,15 thì hệ số nạp giảm từ 0,86 xuống còn 0,69. Giá trị ảnh hưởng ít đến hệ số nạp và khi tính toán có thể bỏ qua. Pha phân phối khí tức là góc mở sớm, đóng muộn của các xu páp hay các cửa có ảnh hưởng đến quá trình nạp và lượng không khí nạp.Việc lựa chọn các pha phân phối khí một cách hợp lý sẽ làm tăng lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ. Cuối cùng, vòng quay động cơ cũng là một thông số ảnh hưởng đến hệ số nạp, khi vòng quay động cơ tăng làm tăng sức cản thủy lực của dòng không 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 không khí nạp là rất đáng kể. Khi đó lượng không khí nạp vào Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 20
xy lanh động cơ bị giảm xuống, ảnh hưởng tốt đến chế độ làm việc bình thường của động cơ. 2.2 Quá trình nén 2.2.1 Sự trao đổi nhiệt trong quá trình nén Nhiệm vụ của quá trình nén là nâng nhiệt độ của không khí trong xy lanh ở cuối kỳ nén đến nhiệt độ có khả năng tự bốc cháy nhiên liệu một cách bình thường. Trong tính toán, quá trình nén bắt đầu khi piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên và tất cả các cơ cấu phân phối khí đều đóng lại. Nếu quá trình nén diễn ra không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy lanh thì quá trình nén là đoạn nhiệt và được miêu tả bằng phương trình: P.Vk =const. Thực tế quá trình nén trong xy lanh động cơ là một quá trình đa biến phức tạp với chỉ số nén đa biến luôn luôn biến đổi do giữa chất khí và thành vách xy lanh có sự trao đổi nhiệt. Sự trao đổi này luôn luôn thay đổi cả về trị số và hướng trao đổi nhiệt. Ngoài ra, trong thực tế cần phải tính đến rò lọt của không khí nén qua xéc măng và các xu páp. Ở đầu quá trình nén, do nhiệt độ chất khí còn thấp hơn nhiệt độ thành vách xy lanh, nên thành vách xy lanh trao đổi nhiệt ’ cho chất khí. Nói cách khác, chất khí nhận nhiệt, do đó n1 > k (hình 2.1). Hình 2.1 Diễn biến quá trình nén Piston tiếp tục đi lên, chất khí bị nén, nhiệt độ tăng dần do đó cường độ trao đổi nhiệt giữa thành vách xy lanh cũng giảm đi đến một lúc nào đó khi nhiệt độ chất khí bằng nhiệt độ thành vách xy lanh, thì quá trình trao đổi nhiệt tức thời ’ bằng không. Quá trình đó là quá trình đoạn nhiệt tức thời, khi đó n1 = k. Tiếp tục Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 21
quá trình nén, nhiệt độ chất khí tăng lên và lớn hơn nhiệt độ thành vách xy lanh. ’ Lúc này quá trình trao đổi nhiệt từ khí đến vách , chất khí nhả nhiệt và n1 <k. Do có sự trao đổi nhiệt này mà điểm C trong quá trình nén thực tế sẽ nằm thấp hơn điểm C trong quá trình nén đoạn nhiệt. 2.2.2 Chỉ số nén đa biến n1 ’ Thực tế đã chứng tỏ rằng giá trị n1 biến đổi từ 1,50 ÷ 1,53 ở đầu kỳ nén xuống đến 1,1 ÷ 1,2 ở cuối kỳ nén. Khi nhiệt độ thành vách xy lanh càng nguội lạnh, điểm c trong quá trình nén thực tế càng thấp hơn điểm c trong quá trình nén đoạn nhiệt. Khi Tc càng thấp, thời gian trì hoãn sự cháy τi càng kéo dài, động cơ làm việc càng cứng. Trong trường hợp đặc biệt khi Tc càng thấp có khả năng nhiên liệu sẽ không tự bốc cháy được. Trong tính toán chu trình công tác, để đơn giản người ta lấy giá trị n1 bình ’ quân với điều kiện là công trong quá trình nén đa biến với n1 thay đổi bằng công trong quá trình nén đa biến với n1 không đổi. Giá trị của n1 thường nằm trong khoảng sau: Động cơ thấp tốc có làm mát piston : n1 = 1,34 – 1,38 Động cơ trung và cao tốc: n1 = 1,38 – 1,42 Khi tăng n1 công chi phí cho quá trình nén sẽ tăng, tổn thất cơ giới lớn, nhưng giảm n1 sẽ bị hạn chế bởi nhiệt độ. Các yếu tố ảnh hưởng đến n1 là số vòng quay của động cơ, phụ tải, kích thước xy lanh, cường độ làm mát và tỷ số nén. Tăng số vòng quay của động cơ làm giảm thời gian trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xy lanh, quá trình nén càng gần giống với quá trình nén đoạn nhiệt, do đó n1 tăng lên. Ngược lại, giảm số vòng quay của động cơ sẽ làm cho n1 giảm xuống. Giảm phụ tải của động cơ làm cho nhiệt độ thành vách xy lanh giảm đi trong khi đó lượng nhiệt mà chất khí trao cho thành vách xy lanh tăng lên, kết quả là n1 giảm xuống. Trường hợp khi giảm cả phụ tải và số vòng quay của động cơ thì n1 giảm nhiều. Việc giảm n1 nhiều có thể dẫn đến là nhiệt độ cuối kỳ nén không đủ để bốc cháy nhiên liệu, động cơ sẽ bị dừng. Vì vậy động cơ lai chân vịt tàu thủy nhất thiết phải giới hạn vòng quay nhỏ nhất để đảm bảo động cơ làm việc được ở chế độ ma nơ và khởi động. Khi tốc độ trung bình của piston không đổi thì tăng đường kính xy lanh (D) sẽ làm cho n1 tăng lên. Điều này được giải thích là khi tăng đường kính xy lanh, khả năng trao đổi nhiệt giữa chất khí bên trong xy lanh với thành vách sẽ kém đi. Ngoài ra cần tính đến khi tăng đường kính xy lanh, bề mặt làm mát tương đối sẽ giảm xuống. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 22
F Bề mặt làm mát tương đối được tính bằng lm V Trong đó: Flm là diện tích bề mặt được làm mát của xy lanh; V: thể tích của xy lanh. F aD. 2 c Có thể thấy rằng lm tỷ lệ với = V bD. 3 D Như vậy khi động cơ tăng, bề mặt làm mát tương đối giảm, khả năng trao đổi nhiệt giữa chất khí và vách giảm xuống, n1 tăng lên. Trong động cơ diesel, việc tăng cường chế độ làm mát nhằm đảm bảo độ bền của các chi tiết nhóm piston - xy lanh, nhưng cần lưu ý khi nhiệt độ thành vách xy lanh càng nguội thì n1 càng giảm xuống. Ngoài các yếu tố chính nêu trên thì tình trạnh kỹ thuật của động cơ cũng có ảnh hưởng đến chỉ số nén n1. Khi nhóm piston - xy lanh mòn nhiều thì hiện tượng lọt khí nạp sẽ tăng lên, chỉ số nén đa biến sẽ giảm. Và cuối cùng khi tăng tỷ số nén ε, nhiệt độ và áp suất của không khí nén sẽ tăng làm tăng lượng nhiệt mà chất khí truyền cho thành vách xy lanh, đồng thời quá trình rò lọt khí qua xéc măng cũng tăng lên. Vì vậy tăng tỷ số nén ε, chỉ số nén đa biến trung bình n1 sẽ giảm xuống. Giá trị n1 thay đổi liên tục trên đường cong nén nhưng giá trị n1 tại mỗi điểm có thể tính như sau: lg P − lg P n = 2 1 1 lgV − lgV 1 2 Giá trị n1 bình quân của quá trình nén được tính như sau: ⎛⎞p lg ⎜⎟c lgppca− lg ⎝⎠pa n1 == (2.11) lgvvac− lg ⎛⎞v lg ⎜⎟a ⎝⎠vc Giá trị Pc và Pa được xác định từ đồ thị công chỉ thị. Khi thí nghiệm giá trị Pc được xác định bằng cách cắt không cấp nhiên liệu vào xy lanh cần đo Pc. 2.2.3 Các thông số chất khí ở cuối kỳ nén 1. Áp suất cuối kỳ nén Quá trình nén đa biến được đặc trưng bằng phương trình cơ bản: PVn1 = const; n1 n1 Áp dụng cho điểm a và điểm c ta có: Pa.Va = Pc.Vc n1 Do đó: Pc = Pa.ε 2. Nhiệt độ kỳ cuối nén Từ phương trình trạng thái của môi chất tại điểm a và điểm c: Pa.Va = Ga.R.Ta; Chia hai phương trình trên cho nhau và coi Ga = Gc (bỏ qua sự rò lọt khí), ta có: Pc .Vc n1 1 Tc = Ta . = Ta .ε . Pa .Va ε Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 23
n−1 Vậy Tc=Ta.ε (2.13) Như vậy Pc và Tc tỷ lệ với các thông số đầu quá trình nạp. Tăng Pa, Ta sẽ làm cho Pc, Tc tăng và ngược lại. Đồng thời Pc, Tc còn chịu ảnh hưởng rất lớn của chỉ số nén đa biến n1. Giá trị Pc, Tc quyết định khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu. Để nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy thì nhiệt độ cuối kỳ nén phải lớn hơn nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu từ 200÷250oC, nhiệt độ này vào khoảng 750 – 800oK.Trong thực tế ở một số động cơ tăng áp, do áp suất Pa tăng tỷ lệ với Ps mà Pc có thể đạt đến giá trị 80 – 100kG/cm2. Tăng ε sẽ làm cho Tc tăng nhưng đồng thời cũng làm cho ứng suất cơ và ứng suất nhiệt của động cơ tăng. Các động cơ diesel tàu thuỷ tỷ số nén thấp nhất để cho nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy là 10 ÷ 10,5. Về lý thuyết khi tăng tỷ số nén ε thì tính kinh tế của động cơ sẽ tăng. Điều này đã được thực tế áp dụng trong những động cơ hiện đại cỡ lớn có hành trình siêu dài. Tỷ số nén trong động cơ thực tế là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong khoảng từ 10,5 đến 18. Ở các động cơ cao tốc, do thời gian của quá trình hoà trộn ngắn, do đó khó đảm bảo điều kiện cho sự tự bốc cháy của nhiên liệu. Mặt khác, ở những động cơ này, F bề mặt làm mát tương đối lm khá lớn. Vì vậy để đảm bảo khả năng khởi động V động cơ tỷ số nén ε thường chọn cao hơn. Trong những động cơ diesel tăng áp có tỷ số nén ε = 12 – 13 giá trị Pc có thể biến động trong một phạm vi rất rộng từ 40 – 50kG/cm2 trong các động cơ trung tốc và 50 – 75kG/cm2 ở các động cơ cao tốc hoặc có thể cao hơn. Trong những động cơ lớn có hành trình siêu dài, áp suất cuối kỳ nén Pc có thể đạt đến khoảng 2 80 – 100kG/cm . Do tăng Pc mà áp suất cháy cực đại Pz cũng tăng theo có thể đạt giá trị 75 – 130kG/cm2 hoặc cao hơn. Những động cơ cao tốc thế hệ mới áp suất cháy cực đại có thể đạt 180 – 200 KG/cm2. 3. Chỉ số nén đa biến n1 Trong tính toán chu trình công tác, ta xem chỉ số nén đa biến n1 là không đổi, thực tế giá trị n1 thay đổi trong suốt quá trình nén và phụ thuộc rất nhiều vào sự trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xy lanh. Để đơn giản trong quá trình tính toán ta xem không khí trong xy lanh động cơ đầu quá trình nén là không khí sạch hoàn toàn và quá trình nén không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy lanh. Nghĩa là ta xem quá trình nén là đoạn nhiệt. 1 C p Với giả thiết như vậy, ta có thể viết : n1 = K = 1 Cv ' ' Trong đó C p , Cv là nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích của không khí sạch. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 24
Biến đổi : C ' C ' + C ' − C ' n = P = P V V 1 C ' C ' V V 848 Thay CC''−=848 A = = 1,99 pv 427 1.99 Khi đó: n1 =+' 1 Cv Giá trị nhiệt dung riêng của không khí là một giá trị biến đổi phụ thuộc vào nhiệt độ. Tuy nhiên sự thay đổi của nó là không lớn lắm ta có thể bỏ qua. Giả thiết như vậy khi đó ta có thể lấy giá trị của nhiệt dung riêng trung bình để tính toán. n1 −1 1.99 Từ phương trình: TTca= .ε ; Kết hợp với phương trình: n1 −=1 ' ; Cv ' ' Mà Cv = 4,6 + 0.0006.(Ta+Tc); Vậy: Cv = 4.6+0.0006.Ta. 1.99 Thay vào phương trình: n1 −=1 ' ta có: Cv 1, 99 n −=1 (2.14) 1 n1 −1 4,6++ 0,0006Ta (1ε ) Ta tìm n1 theo phương pháp tính chọn gần đúng dần bằng cách như sau: Chọn một giá trị n1 bất kỳ thay vào phương trình trên. Sau khi tính toán vế phải và vế trái của phương trình bằng nhau thì giá trị n1 ta vừa chọn là đúng. Còn nếu phương trình chưa cân bằng thì chọn lại và tính lại cho đến khi hai vế của phương trình (2.14) bằng nhau. Thực nghiệm đã xác định rằng: Động cơ thấp tốc có làm mát piston: n1 = 1,33 ÷ 1,37 Động cơ trung tốc không làm mát piston: n1 = 1,36 ÷ 1,38 Động cơ cao tốc: n1 = 1,39 ÷ 1,42 2.3 Quá trình cháy 2.3.1 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu. 2.3.1.1. Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu. Trong chu trình thực tế, thành phần và tính chất của công chất luôn luôn thay đổi. Thành phần và tính chất của công chất có ảnh hưởng đến các thông số của chu trình công tác và do đó đến tính kinh tế, an toàn và tin cậy của động cơ . Thực chất của quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh động cơ là một quá trình hết sức phức tạp. Để xác định các thông số của quá trình cháy trước hết cần phải xác định lượng không 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 25
Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel tàu thuỷ là sản phẩm của dầu mỏ, có các thành phần cơ bản như : C = 84 ÷ 87% ; H = 10 ÷ 14% ; O = 0,1 ÷ 1% ; S = 0,01 ÷ 5% Ngoài ra còn một vài thành phần khác chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. Để đơn giản cho tính toán chúng ta quy ước : gọi C ,H, O, S là khối lượng (kg) các thành phần cacbon, hydro, ôxy, lưu huỳnh có trong 1kg nhiên liệu. C + H + O + S = 1 kg nhiên liệu Tức là trong nhiên liệu không có các thành phần khác nữa. Để tính lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu ta đi tính lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá các thành phần có trong nhiên liệu. Ta có phản ứng : C + O2 = CO2 Như vậy: Cứ 12 kg Cacbon cần 1 kmol oxy và tạo ra 1 kmol CO2. Vậy C kg cacbon cần xupáp kmol oxy và tạo ra y kmol CO2 C C Suy ra: x = v à y = 12 12 C C Như vậy để đốt cháy hết C kg cacbon cần kmol O2 và tạo thành kmol 12 12 CO2 trong phản ứng cháy. Bằng cách viết các phản ứng cháy tương tự cho hydrô và lưu huỳnh, lưu ý rằng trong bản thân nhiên liệu có chứa một lượng oxy là O kg, qui thành O 32 kmol. Lượng O2 cần thiết này cũng tham gia phản ứng oxy hoá với các nguyên tố khác. Do vậy lượng oxy cần thiết thực tế cũng giảm đi một lượng bằng lượng oxy có trong nhiên liệu . Ngoài ra, chúng ta cho rằng trong không khí oxy chiếm 21% thể tích, còn 79% là N2. Khi đó ta có công thức tính lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu sẽ là: 1 CH S O L =++−() kmol/kg nhiên liệu (2.15) 0 0,21 12 4 32 32 O ở đây là thành phần ôxy có trong nhiên liệu. 32 Nếu nhiên liệu có các thành phần nguyên tố theo tỷ lệ: C = 87%; H = 12,6%; C = 0,4% thì Lo = 0,495 kg/kg nh.l Nếu tính theo trọng lượng thì: GL00= μ.== 28,97.0,495 14,3 kmol/kg nh.l Trong đó μ là khối lượng phân tử của không khí lấy bằng 28,97 Trong công thức tính toán lượng không khí lý thuyết, ta giả thiết không khí là không khí khô hoàn toàn. Trong trường hợp không khí là không khí khô, hàm lượng ôxy tính theo thể tích là 21%. Còn trong trường hợp là không khí ẩm cần phải xác định lại hàm lượng ôxy có trong không khí. muốn vậy ta dựa vào quan hệ cơ bản sau: OV + N V + H OV = 1 2 2 2 Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 26
v Trong đó : O2 là hàm lượng oxy có trong không khí ẩm tính theo thể tích; v v N2 là hàm lượng nitơ có trong không khí ẩm tính theo thể tích ; HO2 là hàm lượng hơi nước trong không khí ẩm tính theo thể tích. Hàm lượng hơi nước có trong không khí ẩm tính theo thể tích có thể xác định theo công thức sau : v ϕ.pH 3 3 HO2 = mm /m không khí (2.16) p0 Trong đó : P0 là áp suất khí quyển ; ϕ là độ ẩm tương đối của không khí ; PH là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí đang xét. Ta biết rằng trong không khí giữa ôxy và nitơ có quan hệ theo thể tích sau: v O2 0,209 v ==0,264 (2.17) N2 0,791 Kết hợp hai điều kiện (2-15) ; (2-16) chúng ta sẽ xác định được lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu trong điều kiện không khí ẩm như sau : 1 CH S O L' =++−.( ) kmol/kg nh.l (2.18) 0 p 0,21.(1−ϕ .h ) 12 4 32 32 p0 Do lượng oxy trong không khí ẩm ít hơn lượng oxy trong không khí khô nên lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt hết 1kg nhiên liệu khi không khí là không khí ẩm sẽ lớn hơn trong trường hợp không khí khô. Nếu ta gọi L0 là lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu khi không khí là không khí ẩm thì đương nhiên là có : L' > L 0 0 2. Lượng không khí thực tế để đốt cháy 1 kg nhiên liệu Thực tế do quá trình hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu xảy ra bên trong xy lanh công tác trong một thời gian rất ngắn, do đó để đảm bảo cho quá trình hoà trộn và cháy tốt, lượng không khí thực tế đưa vào trong xy lanh động cơ trong quá trình nạp bao giờ lớn hơn trọng lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu. Lượng không khí dư thừa so với lượng không khí lý thuyết được đánh giá bằng hệ số dư lượng không khí L α = L o Trong đó: L là lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh công tác để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu. 1 CH S O LL==α () ++− Kmol/kg nh.l (2.19) 0 0,21 12 4 32 32 Giá trị α của các động cơ nằm trong khoảng sau: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 27
Động cơ không tăng áp thấp tốc: α =1,8 – 2,1 Động cơ không tăng áp cao tốc: α =1,3 – 1,7 Động cơ tăng áp thấp tốc: α =2,0 – 2,3 Động cơ tăng áp cao tốc: α =1,5 – 1,9 Trong một chu trình công tác, hệ số dư lượng không khí α được tính như sau: L α =− ct (2.20) qLct . 0 Trong đó: Lct là lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ trong một chu trình công tác (kmol); qct là lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình. Trong điều kiện không khí ẩm, lượng không khí thực tế để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu sẽ là : 1 CH S O L' =++−.( ) kmol/kg nh.l (2.21) 0 p 0,21.(1−ϕ .h ) 12 4 32 32 p0 Từ công thức (2.21) ta thấy: Khi φ tăng, lượng hơi nước chiếm chỗ trong không khí cũng nhiều do vậy lượng oxy càng ít. Nếu lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ không đổi thì hệ số dư lượng không khí α trong trường hợp này sẽ giảm, quá trình cháy sẽ kém đi. Nếu để giữ nguyên hệ số lượng không khí α thì cần thiết phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, làm giảm công suất động cơ. Ngoài ra khi trong không khí nạp có chứa hơi nước sẽ làm giảm chỉ số nén đa biến. Điều này dẫn đến là các thông số cuối quá trình nén sẽ thấp. Do ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố trên thời gian chuẩn bị cháyτ i sẽ kéo dài, quá trình cháy chuyển sang đường giãn nở, nhiệt độ khí xả tăng, tính kinh tế của chu trình sẽ giảm xuống. 2.3.2 Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu 1. Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (M’) Để tính số lượng mol sản phẩm cháy, ta giả thiết quá trình cháy diễn ra hoàn hoàn và hệ số dư lượng không khí α >1. Thành phần sản phẩm cháy bao gồm CO2, SO2, hơi nước, lượng O2 dư thừa và lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy. Lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ để đốt cháy 1kg nhiên liệu là L (kmol). Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu là Lo (kmol). Như vậy lượng không khí không tham gia vào phản ứng cháy là L - Lo. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 28
Ta xem là trong không khí O2 chiếm 21% về thể tích và N2 là 79%. Vậy lượng O2 dư thừa là (L - Lo).0,21 = (α.Lo - Lo).0,21 = (α - 1).Lo.0,21 (kmol/kg.n.l). Lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy là 0,79.L = 0,79α Lo (kmol/kg.n.l). Các thành phần CO2, H2O, SO2, được xác định từ các phản ứng cháy. Trong đó: C Lượng CO2 là (kmol/kgnh.l) 12 H Lượng H2O là ( kmol/kgnh.l) 2 S Lượng SO2 là ( kmol/kgnh.l) 32 Gọi M’ là số mol sản phẩm cháy, khi đó: M '= M + M + M + M CO2 H 2O SO2 N2 C H S M '= + + + 0,21.(α −1).Lo + 0,79.α.Lo (kmol/kg nh.l) 12 2 32 C H S M '= + + + (α −1) (kmol/kg nh.l) 12 2 32 2.3.2.2. Số gia sản phẩm cháy ( ΔM ' ) Khi cháy nhiên liệu làm cho khối lượng mol chất khí thay đổi. Giả sử sau khi cháy khối lượng mol chất khí tăng lên một lượng là ΔM ' . ΔM '= M '−L = M '−α.L o Thay các giá trị M’ và α.L0 vào phương trình ta được C H S ΔM '= + + + (α − 0,21).Lo −α.Lo 12 2 32 1 CH S O Tiếp tục thay LL==α () ++− (kmol/kg nh.l) 0 0,21 12 4 32 32 và biến đổi ta được : 8HO+ Δ=M ' (kmol/kg nh.l) (2.23) 32 Từ công thức này chúng ta thấy rằng số gia sản phẩm cháy không phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí α mà xác định bằng hàm lượng H2 và O2 có trong nhiên liệu. Có nghĩa là nó chỉ phụ thuộc thành phần hoá học của nhiên liệu. 2.3.3 Hệ số thay đổi phân tử 2.3.3.1.Hệ số thay đổi phân tử hóa học ( β0 ) Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 29
Trong phản ứng đốt cháy 1kg nhiên liệu, giả sử có L kmol không khí tham gia. Sau phản ứng cháy, số lượng sản phẩm cháy sẽ không còn bằng L nữa mà có trị số là M’, đồng thời thể tích của sản phẩm cháy cũng thay đổi. M ' Khi đó tỷ số được gọi là hệ số thay đổi phân tử hoá học. L Gọi βo là hệ số thay đổi phân tử hóa học. M ' L + ΔM ' 8H + O β = = = 1+ o L L 32.α.L o Đối với nhiên liệu nhẹ có hàm lượng C = 0,87, H = 0,126 và O = 0,004 ta có: 0,0639 β = 1+ o α Như vậy hệ số thay đổi phân tử hóa học luôn luôn lớn hơn 1 và nó chỉ phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí α. Khi α tăng βo giảm. 2. Hệ số thay đổi phân tử thực tế ( β ) Thực tế khí tham gia phản ứng cháy, trong xy lanh không chỉ chứa không khí sạch hoàn toàn mà còn có một lượng khí cháy còn sót lại của chu trình công tác trước. Gọi Ma là lượng mol khí sạch và khí sót có trong xy lanh ở thời điểm bắt đầu nén: Ma = L + Mr Gọi M là số lượng mol khí sau phản ứng cháy. Phản ứng cháy làm cho số lượng mol tăng lên một lượng là ΔM ' , và trong khí cháy thì lượng khí sót không tham gia phản ứng cháy, nghĩa là số lượng mol khí sót không thay đổi. Khi đó ta có : M = M’ + Mr Do vậy hệ số thay đổi phân tử thực tế sẽ là : M M '+M β = = r M L + M a r M Chia cả tử và mẫu cho L với chú ý là γ = r , khi đó ta có: r L β + γ β = 0 r (2.26) 1+ γ r Hệ số thay đổi phân tử thực tế β cũng có thể được xác định tại một thời điểm bất kỳ cùa quá trình cháy như sau: Gọi x là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm đang xét, khi đó số gia sản phẩm cháy sẽ là x.ΔM ' và số lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đó sẽ là: M = L + x.ΔM ' x L + x.ΔM '+M x.ΔM ' Và: β = r = 1+ x L + M L + M r r Chia cả tử và mẫu cho L ta được: x.ΔM ' L β x = 1+ 1+ γ r Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 30
' ' Từ: L + Δ M ΔM ta có Δ M ' β o = = 1+ = β −1 L L L o β0 −1 Do đó: βx =+1.x (2.27) 1+ γ r Khi x = 0 thì βx = 1: nhiên liệu chưa cháy. Khi x = 1 thì βx = β: nhiên liệu cháy hết. Trong tính toán của các quá trình cháy về sau, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta coi quá trình cháy là cháy hoàn toàn (βx = β). Nhưng trong thực tế quá trình cháy nhiên liệu động cơ diesel có một phần nhiên liệu cháy không hoàn toàn. Sự cháy không hoàn toàn sẽ sinh ra các oxit cácbon. Ngoài ra trong sản phẩm cháy còn có một phần các bon chưa cháy. Thành phần của các chất trong sản phẩm cháy được xác định bằng các thiết bị phân tích khói. 2.3.4 Phương trình nhiệt động của quá trình cháy 2.3.4.1. Khái niệm về hệ số sử dụng nhiệt Trong tính toán nhiệt động, quá trình cháy trong động cơ diesel được xem là bao gồm hai quá trình: Quá trình cháy đẳng tích CZ1 Quá trình cháy đẳng áp Z1Z Điểm C được xem là điểm bắt đầu cháy, còn điểm Z là điểm kết thúc quá trình cháy. Trong thực tế, năng lượng của nhiên liệu khi cháy không thể được sử dụng một cách hoàn toàn để nâng cao nộ năng của chất khí và sinh công. Một phần nhiệt bị mất mát do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu. Quá trình cháy không hoàn toàn được thể hiện bằng các sản phẩm cháy trung gian. Một phần nhiệt khác bị mất mát do sự trao đổi nhiệt của khí cháy cho thành vách xy lanh. Ngoài ra ở nhiệt độ cao (hơn 2000oK) sẽ xuất hiện sự phân hủy sản phẩm cháy. Quá trình phân hủy này thu nhiệt, khi nhiệt độ chu trình giảm xuống (trên đường giãn nở) quá trình xảy ra ngược lại, tức là các phân tử lại kết hợp với nhau, quá trình này tỏa nhiệt. Tuy nhiên lượng nhiệt toả ra nhỏ hơn lượng nhiệt thu vào trong quá trình phân hủy, tức là đã có tổn thất nhiệt độ phân hủy. Trong động cơ diesel, lượng nhiệt mất mát này không đáng kể (khoảng 2%) vì nhiệt độ khí cháy thấp, còn trong động cơ xăng, giá trị này lớn hơn. Trong trường hợp đốt 1 kg nhiên liệu, nếu gọi nhiệt trị thấp của nhiên liệu là QH, phần nhiệt mất mát do cháy không hoàn toàn là QKC, phần nhiệt mất mát do sản phẩm cháy là QPH, lượng nhiệt chất khí trao đổi cho thành vách xy lanh là QQQHKCPH−+() QXL, khi đó ta có: x = QH χ : được gọi là hệ số tỏa nhiệt của nhiên liệu khi cháy. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 31
Nếu tính đến phần nhiệt mà khí cháy trao cho thành vách xy lanh thì khi đó ta có: Q − (Q + Q + Q ) ξ = H KC PH XL Q H ξ được gọi là hệ số sử dụng nhiệt. Như vậy hệ số sử dụng nhiệt có tính đến tất cả các tổn thất nhiệt khi nhiên liệu cháy sinh ra. Sự thay đổi hệ số sử dụng nhiệt được biểu thị trên hình 2.2. Từ hình vẽ ta thấy giá trị hệ số sử dụng nhiệt có thể không đạt giá trị cực đại tại khởi động mà sau điểm z. Khi điểm đạt cực đại của ξ càng xa z , quá trình cháy rớt càng phát triển, mất mát nhiệt do khí xả càng tăng và do đó tính kinh tế của chu trình cũng giảm xuống. Hình 2.2 Sự thay đổi của hệ số sử dụng nhiệt ξ Trong tính toán và nghiên cứu chu trình công tác, chúng ta quan tâm đến hai ξ giá trị ξ . Đó là ξ tại z kí hiệu ξz , tại b:ξb . Giá trị đánh giá lượng nhiệt sử dụng được để biến đổi nội năng để sinh công. Do vậy (1-ξ) sẽ đánh giá phần nhiệt mất mát trong quá trình cháy. Các giá trị ξz và ξb của các loại động cơ nằm trong khoảng sau: Động cơ thấp tốc và trung tốc: ξz = 0,75 – 0.85, ξb = 0,86 – 0,95 Động cơ cao tốc: ξz = 0,7 – 0,84 ; ξb = 0,85 – 0,90 Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 32
Giá trị ξz càng lớn, lượng nhiệt mà chất khí sử dụng được trong quá trình cháy để biến đổi nội năng chất khí và sinh công càng lớn, hiệu quả của quá trình cháy nhiên liệu càng cao. Nhưng đồng thời cũng sẽ làm cho các thông số tại z cao, một trong những vấn đề cần được quan tâm để đảm bảo động cơ làm việc an toàn và tin cậy. 2.3.4.2. Phương trình nhiêt động của quá trình cháy Cơ sở để thành lập phương trình nhiệt động của quá trình cháy là định luật nhiệt động học thứ nhất đươc viết dưới dạng sau: ΔQ = ΔU + A.L CZ1Z CZ1Z Z1Z Giả sử trong quá trình cháy có 1kg nhiên liệu tham gia có nhiệt trị thấp là QH. Quá trình cháy làm thay đổi nội năng chất khí từ điểm C đến Z1 và sinh công trên đoạn Z1Z (hình 2.3) Hình 2.3 Đồ thị công chỉ thị Lượng nhiệt mà chất khí hấp thụ được để biến đổi nội năng trên đoạn cZ1Z ξ và sinh công trên đoạn Z1Z là Z .QH Như vậy phương trình (2.29) có thể được viết: ξ .Q +U − A.L +U Z H C Z1Z Z Trong đó: ξ Z là hệ số sử dụng nhiệt tại điểm Z ; UC là nội năng của chất khí tại điểm c; 1 A là đương lượng nhiệt của công: A = ; 427 L là công dịch chuyển trên đoạn Z Z; Z1Z 1 UZ là nội năng của chất khí tại điểm Z. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 33
Tại điểm Z ta xem số lượng mol của chất khí là M. Khi đó nội năng chất khí " tại điểm Z có thể tính: UMCTzvz= " Nội năng chất khí tại điểm c: UMCTcavc= Dựa theo phương trình nhiệt động học thứ nhất ta có: ξ .Q + M .C ''' .T = A.L + M.C '' .T z H a v c z1z v z (2.31) " Trong đó: Cv : là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí cháy; "' Cv : là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp (không khí và khí sót). Bây giờ trước hết ta tính L (công do chất khí sinh ra đẩy piston chuyển Z1Z L =−pv p v =− pvλ pv. động trên đoạn Z1Z): Z11Zzzzzzzcc 1. Viết phương trình trạng thái cho chất khí tại điểm c và điểm Z ta có: Tại c: pcc.VM= a.848. T c (coi Ma = M0: bỏ qua sự rò lọt khí) Tại Z: pzz.VM= .848. T z (2.32) Thay L vào (2.31) với chú ý (2.32) ta có: Z1Z ''' '' 848 ξ z .QH + M a .C v .Tc = M .C v .Tz + .()M .Tz − λ.M a .Tc 427 ξ .Q + M .C ''' .T +1,99.λ.M .T = M.C '' .T +1,99.M.T Hay: z H a v c a c v z z M = β Chia hai vế của phương trình cho Ma và chú ý rằng M a z ta được: ξ .Q z H + ()()C ''' + 1,99 .λ .T = β . C '' + 1,99 .T M v c z v z a (2.33) "" Thay CCvp+=1, 99 khi đó ta có: ξ .Q z H + ()C ''' + 1,99 .λ .T = β .C '' .T M v c z p z a (2.34) Để có thể phân tích rõ hơn các thông số trong phương trình trên, ta tiếp tục biến đổi các thông số của hỗn hợp khí (không khí và khí sót ở điểm c) theo những thông số riêng rẽ như sau: Số mol khí tại điểm a (bằng số mol khí tại điểm c) được tính: M = L + M = L. 1+ γ a r ()r Thay vào phương trình (2.34) ta được: ξ .Q ZH++(CTCT"' 1,99.λγ ).(1 + ). = βγ .(1 + ). " . (2.35) L vrcZrpz Viết phương trình cân bằng nhiệt cho hỗn hợp không khí và khí sót trên cơ sở nhiệt lượng của hỗn hợp khí bằng tổng nhiệt lượng của các khí thành phần: M .C ''' .T = L.C ' .T + M .C '' .T a v c v c r v c L.C ' + M .C '' C ' + γ .C '' ''' v r v v r v (2.36) Cv = = Động cơ Diesel tàu thủy - Đại Lhọ+c MGTVTr TP.HCM1+ -γ 2008r 34
Suy ra; (2.36) Thay (2.36) vào phương trình (2.35) và biến đổi ta được: ξ .Q ZH++(CTCT"' 1,99.λλγβγ ). ++ ( " 1,99 ). . = .(1 + ). CT " . (2.37) L vcvrcZrpz Phương trình (2.37) là phương trình nhiệt động học của qúa trình cháy, trong đó nhiệt lượng của sản phẩm cháy tạo thành cân bằng với tổng nhiệt lượng của các thành phần tham gia. Phân tích phương trình chúng ta thấy: nhiệt độ khí cháy tại điểm Z (Tz) phụ thuộc chủ yếu vào ξz , Tc và L còn các thông số khác ảnh hưởng không đáng kể. Khi nhiệt độ cuối qúa trình nén Tc tăng, hệ số sử dụng nhiệt tại Z tăng thì nhiệt độ Tz tăng. Còn việc tăng số lượng mol không khí nạp vào xy lanh động cơ tại thời điểm bắt đầu nén thì ngược lại làm cho Tz giảm xuống. Như chúng ta đã biết khi Tz càng cao ứng suất nhiệt nhóm piston xy lanh càng lớn ảnh hưởng đến độ bền các chi tiết, đồng thời làm tăng hàm lượng NOx trong khí xả gây tác động xấu đến môi trường và sức khỏe người khai thác vận hành o động cơ. Các động cơ diesel tàu thủy có nhiệt độ Tz giới hạn từ 1700 ÷ 2000 K . Như vậy, vấn đề đặt ra là cần giảm Tz xuống. Giảm Tz có nghĩa là phải đưa qúa trình cháy sang đường giãn nở. Về kết cấu điều này được thực hiện bằng cách giảm góc phun sớm. Song khi đưa qúa trình cháy sang đường giãn nở làm cho mất nát nhiệt cho nước làm mát tăng và tăng nhiệt lượng do khí xả mang ra ngoài. Kết qủa là hiệu suất chỉ thị của động cơ giảm xuống, tính kinh tế của chu trình giảm. Ngoài ra, khi quá trình cháy trên đường giãn nở phát triển, trạng thái nhiệt của nhóm piston xy lanh cũng xấu đi. Trong các động cơ cao tốc biện pháp này được áp dụng để giảm giá trị Tz. Còn trong động cơ thấp tốc công suất lớn việc giảm ξz nhằm làm giảm Pz. Giảm Tc để giảm Tz không có lợi vì như vậy làm xấu đi qúa trình cháy nhiên liệu. Đặc biệt ở chế độ khởi động, giá trị Tc thấp sẽ không đảm bảo cho qúa trình cháy diễn ra bình thường. Từ (2.37) chúng ta thấy tăng lượng không khí có trong xy lanh ở đầu hành trình nén có thể làm cho Tz giảm xuống. Nói một cách chính xác là để giảm Tz cần phải tăng hệ số dư lượng không khí α. Khi lượng không khí dư thừa càng nhiều, nó sẽ thu một phần nhiệt lượng lớn hơn để mang ra ngoài theo khí xả làm cho nhiệt độ bình quân của chu trình giảm xuống. Điều này đặc biệt có ý nghĩa với những động cơ có tăng áp, khi mà với cùng một thể tích công tác, nhưng lượng nhiên liệu đốt cháy nhiều hơn. Trong phương trình cân bằng nhiệt tại điểm Z (2.37), ta cần lưu ý: ' Cv là nhiệt dung riêng đẳng tích của không khí khô, có thể được tính: ' CTvc=+4,6 0,0006. (2.38) " Cv là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót: Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 35
4,89+− (α 1).4,6 86 +− (α 1).60 CT" =+. (2.39) vcαα.105 " C p : là nhiệt dung riêng đẳng áp của khí cháy (có thành phần giống khí sót): 4,89+ (α −+− 1).4,6 86 (α 1).60 CT" =+1, 99 + . (2.40) pzαα.105 Sau khi thay các giá trị nhiệt dung riêng ở trên vào phương trình (2.37) ta sẽ được một phương trình bậc hai với Tz có dạng: A.T 2 + B.T + C = 0 z z Giải phương trình bậc hai sẽ tìm được nhiệt độ cháy cực đại của khí cháy Tz. 2.3.4.3. Các thông số của qúa trình cháy. p Tỷ số tăng áp suất λ = z pc Giá trị λ là một trong những thông số đặc trưng cho ứng suất cơ của chu trình công tác. Ở chế độ định mức giá trị λ của các động cơ diesel tàu thủy thường nằm trong khoảng từ 1,30 ÷ 2,2. Áp suất cực đại ppzc= λ. Nhiệt độ cháy cực đại Tz: Giải phương trình cân bằng nhiệt tại điểm Z. v Tỷ số giãn nở sớm ρ = z vc Từ phương trình trạng thái: pzz.VM= .848. T z và pcc.VM= a.848. T c P .V M.T Chia hai vế của phương trình trên cho nhau ta được z z = z Pc .Vc M a .Tc pz M vTzz Thay = λ và: = βz ; Khi đó ta có: λβ= z pc M a vTcc v β T Mà z = ρ ; Vậy: ρ = zz. vc λ Tc Thể tích vvzc= ρ. Tỷ số giãn nở sớm trong các động cơ nằm trong khoảng 1,2 ÷ 1,7. Giá trị ξz trong phương trình cháy là một thông số cơ bản để xem xét một qúa trình cháy trong động cơ diesel. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ξz và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này với các kiểu, loại động cơ khác nhau cũng khác nhau. Trước hết khi tăng số vòng quay thì ξz giảm vì qúa trình cháy rớt sẽ phát triển. Việc phân hủy sản phẩm cháy tăng thì ξ z giảm. Thông thường trong động cơ diesel do nhiệt độ cháy không cao lắm nên giá trị này tương đối nhỏ. Thành phần khí hỗn hợp hay hệ số dư lượng không khí α cũng có ảnh hưởng ξ đến z . Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 36
Tốc độ cháy nhiên liệu, góc phun sớm, sẽ làm cho qúa trình cháy thay đổi. Qúa trình cháy càng muộn, tốc độ cháy chậm sẽ làm cho cháy rớt phát triển dẫn ξ đến giảm z . 2.4 Qúa trình giãn nở. 2.4.1 Diễn biến của qúa trình giãn nở Việc giãn nở sản phẩm cháy trong xy lanh động cơ diễn ra khi piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Trong các qúa trình của một chu trình công tác chỉ có qúa trình này sinh công. Trong tính toán chu trình công tác, đoạn Z1Z được xem là áp suất không đổi, bởi vì mặc dù piston chuyển động xuống, thể tích xy lanh của động cơ tăng lên nhưng do nhiên liệu vẫn còn cháy mãnh liệt nên cho phép duy trì áp suất không đổi trong xy lanh động cơ. Tuy nhiên khi miêu tả các qúa trình nhiệt động của động cơ đốt trong, chúng ta giả định rằng qúa trình giãn nở bắt đầu từ điểm z và kết thúc ở điểm b trên đồ thị công chỉ thị. Trong thực tế, qúa trình giãn nở kết thúc khi mở các cửa (trong động cơ 2 kỳ) hay là các xu páp xả (trong động cơ 4 kỳ). Hình 2.4 Diễn biến qúa trình giãn nở Nghiên cứu chu trình thực tế của động cơ đốt trong có thể nhận thấy rằng ’ qúa trình giãn nở là một qúa trình đa biến phức tạp với chỉ số giãn nở đa biến n2 luôn luôn thay đổi. Ở đầu qúa trình giãn nở, do nhiên liệu còn tiếp tục cháy Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 37
’ nên chất khí trong xy lanh nhận nhiệt (dQ > 0) nên chỉ số giãn nở đa biến n2 nhỏ hơn k và nằm trong khoảng 1,1 ÷ 1,2 (hình 2.4). Do sự chuyển động của piston xuống dưới nên bề mặt làm mát xy lanh tăng dần, trong khi đó, qúa trình cháy rớt giảm dần nên lượng nhiệt mà công chất hấp thụ được giảm theo, còn lượng nhiệt mà nó truyền cho nước làm mát tăng lên, do đó n2 tăng dần. Khi lượng nhiệt mà công chất hấp thụ được bằng lượng nhiệt mà nó truyền cho nước ’ làm mát thì qúa trình giãn nở đoạn nhiệt xảy ra tức thời (dQ = 0), khi đó n2 = k. Piston tiếp tục chuyển động xuống phía dưới, qúa trình cháy rớt giảm dần và kết thúc, bề mặt làm mát tăng dần đến giá trị lớn nhất. Do lượng nhiệt mà công chất truyền chu nước làm mát lớn hơn lượng nhiệt do nó hấp thụ, tức là môi ’ chất mất nhiệt (dQ k. Điều này có thể được chứng minh qua phương trình: n' − k dQ = C '' . 2 .dT v n' −1 2 ’ Lưu ý rằng trong qúa trình giãn nở, dT < 0. Cuối qúa trình giãn nở, n2 nằm trong khoảng 1,5 ÷ 1,6. Qua phân tích trên có thể thấy rằng giữa n2 và ξ có mối liên quan mật thiết với nhau. Khi ξ tăng n2 < k, khi có sự cân bằng về nhiệt tại đó ξ đạt giá trị lớn ’ ’ ’ nhất thì n2 = k. Tiếp theo ξ giảm thì n2 tăng dần. Như vậy, n2 chủ yếu phụ thuộc hệ số sử dụng nhiệt ξ. Trong chu trình công tác, khi nhiên liệu bắt đầu cháy ξ bắt đầu tăng nhưng có thể nó chưa đạt giá trị cực đại tại z mà sau điểm z (xem hình 3.4). Trường hợp đặc biệt ξ có thể đạt giá trị cực đại ngoài điểm b tức là trong ống xả. Khi ξmax càng gần điểm z hiệu suất nhiệt của chu trình càng tăng, do đó lượng nhiệt mất mát cho khí xả giảm. Giá trị ξb nằm trong khoảng 0,8 ÷ 0,9. Ngoài ξ, chỉ số giãn nở đa biến còn phụ thuộc vào các yếu tố khác đó là: các yếu tố khai thác và kết cấu. Tăng số vòng quay của động cơ qúa trình cháy rớt sẽ phát triển trên một đoạn dài của qúa trình giãn nở. Lượng nhiệt mà công chất hấp thụ trên đường giãn nở tăng còn lượng nhiệt mà nó truyền cho nước làm mát giảm xuống do thời ’ gian trao đổi nhiệt ngắn lại, vì vậy n2 giảm xuống. Nếu số vòng quay của động cơ không đổi, tăng phụ tải của động cơ đòi hỏi phải đưa thêm nhiên liệu vào xy lanh động cơ. Ngoài ra tăng qct sẽ làm cho hệ số dư lượng không khí α giảm, cháy rớt phát triển dẫn đến n2 giảm. Các yếu tố làm thay đổi tốc độ cháy và qúa trình cháy đều là những nguyên ’ nhân làm cho n2 thay đổi, chất lượng phun sương kém, loại nhiên liệu, hệ số dư lượng không khí α, v.v là những nhân tố tác động trực tiếp đến qúa trình cháy ’ và cũng là đến chỉ số giãn nở đa biến n2 . Các yếu tố về kết cấu cũng có ảnh hưởng đến chỉ số giãn nở đa biến n2. Tăng hành trình của piston S làm cho bề mặt làm mát tăng lên. Do vậy khả năng ’ trao nhiệt của công chất cho thành vách xy lanh tăng lên dẫn đến n2 tăng lên. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 38
’ Như vậy, giá trị n2 là một giá trị biến đổi liên tục trên đường giãn nở và phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố. Trong tính toán, để xác định các thông số khí và công của qúa trình giãn nở người ta không dùng qúa trình giãn nở đa biến với chỉ số giãn nở đa biến biến đổi vì gặp rất nhiều khó khăn, mà thay bằng một qúa ’ trình giả định, trong dó dùng chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 . Giá trị n2 trung bình được xác định với giả thiết là công của qúa trình giãn ’ nở khi n2 biến đổi bằng công trong qúa trình giãn nở giả định với n2 không đổi. Giá trị bình quân của chỉ số giãn nở đa biến được ký hiệu là n2 và có các giá trị nằm trong khoảng sau: Động cơ cao tốc không làm mát đỉnh piston n2 = 1,15 ÷ 1,25. Động cơ thấp tốc công suất trung bình không làm mát đỉnh piston n2 = 1,25 ÷ 1,28; Động cơ thấp tốc công suất lớn có làm mát đỉnh piston n2 = 1,27 ÷ 1,32. 2.4.2 Các thông số của qúa trình giãn nở: Áp suất cuối kỳ giãn nở Pb Áp suất cuối kỳ giãn nở được xác định từ phương trình đặc trưng: P.V n2 = Const P .V n2 = P .V n2 Tức là: z z b b Do đó: Pz Pz Pb = n = n ⎛V ⎞ 2 δ 2 vv Trong đó: ⎜ b ⎟ δ = ba= là tỷ số giãn nở sau. ⎜ ⎟ vv ⎝Vz ⎠ zz 2 Giá trị Pb của các động cơ diesel nằm trong khoảng 3,5 ÷ 8 kG/cm Nhiệt độ cuối qúa trình giãn nở Tb Viết phương trình trạng thái cho chất khí tại điểm z và điểm b, coi số lượng mol khí ở điểm z và điểm b là bằng nhau, ta có: pzz.VM= .848. T z và P .V = M.848.T b b b p .vT Chia hai phương trình trên cho nhau ta được: zz= z pbb.vT b pv. 1 Suy ra: TT== bb T δ bz zn2 pvzz. δ 1 Vậy: TTbz= . (2.42) δ n2 −1 o Giá trị nhiệt độ Tb nằm trong khoảng 900 ÷ 1200 K. Nếu nhiệt độ Tb qúa cao có thể gây ra cháy supáp xả cũng như xécmăng của động cơ. Để giảm Tb xuống thấp trong trường hợp Tz không đổi phải tăng thể tích Vs của xy lanh công tác. Điều này đã được giải quyết trong những động cơ hiện đại có hành Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 39
trình siêu dài. Mặt khác hiện nay các động cơ diesel tàu thủy có trang bị các thiết bị tận dụng nhiệt khí xả, nên giảm thấp Tb hơn nữa là không cần thiết. Tỷ số giãn nở sau δ Va Vb ε.Vc Từ công thức ε = ; do Va = Vb nên: δ = = Vc Vz ρ.Vc ε Vậy: δ = (2.43) ρ Từ các công thức (2.41); (2.42); (2.43) chúng ta thấy rằng khi tăng chỉ số giãn nở sau δ làm cho Pb, Tb giảm. Trong thực tế tăng δ tức giảm qúa trình cháy rớt nhiên liệu trên đường giãn nở, tính kinh tế của động cơ tăng. 2.4.3 Tính chỉ số giãn nở đa biến n2 Việc xác định chỉ số giãn nở đa biến n2 trung bình dựa trên phương trình nhiệt động I. Phương trình định luật nhiệt động I viết cho qúa trình giãn nở có dạng sau: ΔQ = ΔU + A.L zb zb zb (2.44) trong đó: ΔQZb : lượng nhiệt truyền cho công chất trong qúa trình giãn nở; ΔU Zb : biến thiên nội năng của chất khí trong qúa trình giãn nở; AL. Zb : lượng nhiệt tương đương với công chất khí thực hiện trên đường giãn nở. Trong qúa trình giãn nở đồng thời với việc cấp nhiệt cho công chất do sự cháy rớt nhiên liệu là sự thải nhiệt ngoài thành vách xy lanh cho nước làm mát. Giả sử có 1kg nhiên liệu cháy tham gia vào trong chu trình có nhiệt trụ thấp là QH. Khi đó ΔQZb có thể tính như sau: ΔQ = Q . ξ −ξ zb H ()b z (2.45) Giá trị thay đổi nội năng được tính như sau: ΔU = U −U = M .C ''.T − M .C ''.T zb b z b v b z v z Trong đó Mb, Mz là số mol khí cháy tại b và z. Coi Mb = Mz = M " Khi đó: UMCTTZbvbz=−.( ) (2.46) " Thay MM==+β arβγ.(1 L ) và CabTTvZb=+() + vào (2.46) ta được Δ=−+ULTTabTTZbβγ.(1 r ).( Z − b ).[ + ( z + b )] (2.47) Lượng nhiệt biến thành công trên đường giãn nở được tính như sau: A A.L = .()P .V − P .V zb n −1 z z b b 2 Với chú ý là: Pz .Vz = M.848.Tz = β.M a .848.Tz P .V = M.848.T = β.M .848.T b b b a b Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 40
1, 99 Khi đó ta có: AL (1).()Zbrzb=+−βγ L T T (2.48) n2 −1 Thay (2.47); (2.48) vào (2.44) và so sánh với (2.45) ta có: 1,99 Q .()ξ −ξ = −β.L. ()()()1+ γ . T −T .[]a + b. T +T + .β.L.()()1+γ . T −T H b z r z b z b n −1 r z b 2 Từ đó: 1,99 Q .()()()()ξ −ξ + β.L. 1+ γ . T −T .[]a + b. T +T = .β.L.()()1+ γ . T −T H b z r z b z b n −1 r z b 2 Cuối cùng: 1,99 n −1 = 2 Q .()ξ −ξ H b z + a + b.()T + T β.L. 1+γ . T −T z b ()()r z b Tz QHb()ξ −ξ Z Thay: T = và L = α.L0 rồi đặt: = A ta được: b n2 −1 δ βγ (1L + r ) 1, 99 n −=1 (2.49) 2 A 1 ++abT.(1z + ) 1 δ n2 −1 Tz (1− ) δ n2 −1 Trong công thức trên a, b là các hệ số tính toán nhiệt dung riêng đẳng tích của sản phẩm cháy: 4,89 + ()α −1 .4,6 86 + (α −1).60 a = ;b = α α.105 Việc giải phương trình (2.49) được thực hiện bằng phương pháp chọn gần đúng dần: chọn n2 một giá trị thay vào hai vế phải của phương trình (2.49). Nếu sau khi chọn n2 và thay vào phương trình mà hai vế của phương trình cân bằng thì giá trị ta chọn là chỉ số giãn nở đa biến bình quân n2 cần tìm. Phân tích phương trình (2.49) chúng ta thấy rằng: khi qúa trình cháy rớt càng phát triển thì ξZ càng giảm đi và do vậy ξbZ−ξ tăng, do đó n2 giảm xuống. Kết qủa dẫn đến làm tăng Pb, Tb, nhiệt mất mát cho khí xả và nước làm mát tăng lên làm giảm hiệu suất có ích của động cơ. Khi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình không đổi, giảm lượng nhiên liệu cháy rớt trên đường giãn nở tức là tăng lượng nhiên liệu cháy trên đoạn CZ1Z điều này làm cho hiệu suất có ích của động cơ tăng lên. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 41
Câu hỏi ôn tập chương: 1. Cho bieát aûnh höôûng cuûa vieäc taêng söùc caûn treân ñöôøng naïp vaø phaûn aùp treân ñöôøng oáng xaû? 2. Taïi sao khi cheá taïo ñöôøng naïp vaø xaû coù khuynh höôùng caøng lôùn caøng toát? 3. Vieát phöông trình chaùy taïi ñieåm Z vaø phaân tích caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán Tz? 4. Trình baøy dieãn bieán quaù trình neùn, caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán chæ soá neùn ña bieán trung bình n1? 5. Trình baøy caùc giai ñoaïn cuûa quaù trình chaùy, theá naøo laø chaùy rôùt, taïi sao noùi khi chaùy rôùt taêng thì hieäu suaát nhieät cuûa ñoäng cô giaûm? 6. Trình baøy dieãn bieán quaù trình giaõn nôû, caùc yeáu toá aûnh höôûûng ñeán chæ soá giaõn nôû ña bieán trung bình n2.? 7. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình chaùy, taïi sao phaûi haâm saáy ñoäng cô truôùc khi khôûi ñoäng? 8. Vieát phöông trình chaùy (phöông trình caân baèng nhieät taïi ñieåm z), giaûi thích caùc thoâng soá. 9. Giai ñoaïn chaùy rôùt laø gì? aûnh höôûng cuûa giai ñoaïn naøy ñeán tính kinh teá cuûa ñoäng cô, caùc bieän phaùp haïn cheá? 10. Trình baøy veà quaù trình neùn, caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa quaù trình neùn? 11. Trình baøy veà quaù trình naïp cuûa ñoäng cô, caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán heä soá naïp η n, caùc thoâng soá ñaëc tröng cho quaù trình naïp? 12. Heä soá khí soùt laø gì? AÛnh höôûûng cuûa noù ñoái vôùi quaù trình laøm vieäc cuûa ñoäng cô? 13. Trình baøy dieãn bieán quaù trình neùn, caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán chæ soá neùn ña bieán trung bình n1, YÙ nghóa cuûa vieäc taêng, giaûm n1? 14. Khái niệm về hệ số dư lượng không khí α ? Làm thế nào để có thể cải thiện nó trong khai thác động cơ Diesel? Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 42
CHƯƠNG 3 QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ TẠO HỖN HỢP TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 3.1 Giai đoạn của quá trình cháy Quá trình cháy trong động cơ Diesel thực chất là quá trình ôxy hoá các thành phần hóa học có trong nhiên liệu kèm theo sự tỏa nhiệt mãnh liệt. Quá trình cháy bao gồm hàng loạt các biến đổi về lý hóa, cái nọ kế tiếp cái kia và kéo dài cho đến cả sau khi hỗn hợp đã bốc cháy. Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xy lanh động cơ dưới dạng sương, nhờ nhiệt độ cao trong xy lanh, các hạt nhiên liệu sẽ nhanh chóng bay hơi kèm theo những biến đổi về vật lý, hình thành khí hỗn hợp và chuẩn bị cho nó bốc cháy. Quá trình này chiếm một khoảng thời gian nhất định và được gọi là thời gian chuẩn bị cháy, ký hiệu là τi (giây), tương ứng với một khoảng góc quayϕi (độ) của trục khuỷu. Hình 3.1 Diễn biến quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh Quá trình cháy trong động cơ Diesel bao gồm nhiều quá trình trung gian kế tiếp nhau nhưng để cho việc nghiên cứu được dễ dàng, người ta chia quá trình cháy thành 4 giai đoạn trên cơ sở căn cứ vào bản chất các quá trình xảy ra trong xy lanh động cơ. 3.1.1 Giai đoạn chuẩn bị cháy Giai đoạn chuẩn bị cháy được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc nhiên liệu bắt đầu phun vào xy lanh động cơ (điểm b hình 3.1) đến khi áp suất trong xy lanh động cơ bắt đầu tăng đột ngột, tức là đường cong áp suất biểu thị quá trình cháy tách khỏi đường cong nén (điểm a). Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 43
Giai đoạn này trong xy lanh động cơ diễn ra hàng loạt các quá trình phức tạp: sấy nóng nhiên liệu, bay hơi, phân hủy các phần tử có liên kết dài thành các phần tử có liên kết ngắn, ôxy hóa. Nhiên liệu đưa vào trong xy lanh động cơ ở giai đoạn thứ nhất chiếm 30% ÷ 40% lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình. Giai đoạn này được đặc trưng bằng thời gian chuẩn bị cháy τi (giây) hay góc chuẩn bị cháy ϕi (độ góc quay trục khuỷu). Giữa thời gian chuẩn bị cháy và góc chuẩn bị cháy có quan hệ với nhau theo công thức: ϕ τ = i (s) i 6.n Trong đó: n là vòng quay động cơ (vòng/ phút) Trong các độngcơ diesel: τi = 0,005 ÷ 0,001 (giây), còn ϕi biến thiên từ 3 ÷ 50 (ogqtk) Thời gian τi càng dài, lượng nhiên liệu tích lũy trong giai đoạn này càng lớn, nó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính quá trình cháy. Đặc biệt trong các động cơ cao tốc, lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này khá cao. Cá biệt có những động cơ lượng nhiên liệu cấp trong giai đoạn này bằng 100% lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình (qct). 3.1.2 Giai đoạn tăng áp suất Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nổ, được xác định bằng khoảng thời gian từ lúc bắt đầu sự bốc cháy nhiên liệu (điểm a) đến thời điểm áp suất trong xy lanh động cơ đạt giá trị lớn nhất (điểm z1). Ở giai đoạn này, tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu rất lớn, đồng thời áp suất chất khí trong xy lanh động cơ cũng tăng lên một cách đáng kể. Để đánh giá chất lượng và mức độ cháy mãnh liệt của giai đoạn này, người ta dùng hai thông số là: Tốc độ tăng áp suất trung bình: dp ⎛⎞dp W = => ωmax = ⎜⎟ (3.1) dϕ ⎝⎠dϕ max Hoặc tốc độ tăng áp suất trung bình: Δp pz − pc Wtb = = (3.2) Δϕ ϕ z −ϕc Hai thông số trên đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy của động cơ. Trị số W, Wtb lớn, động cơ làm việc cứng có tiếng gõ. Khi tốc độ tăng áp suất qúa cao có thể dẫn đến hư hỏng bệ đỡ, trục khuỷu của động cơ và các chi tiết khác. Khi động cơ làm việc bình thường, giá trị của W nằm trong khoảng 1 ÷ 6 (kG/ cm2. độ góc quay trục khuỷu). (tốt nhất là 4 ÷ 6 kG/ cm2) Sở dĩ trong giai đoạn này có sự tỏa nhiệt mạnh là vì phần nhiên liệu phun vào trong giai đoạn chuẩn bị cháy đã bắt đầu bốc cháy. Nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn này chiếm khoảng 1/3 số nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 44
3.1.3 Giai đoạn tăng nhiệt độ Giai đoạn này được tính từ lúc áp suất trong xy lanh động cơ đạt giá trị cực đại (điểm z1) đến khi nhiệt độ chất khí trong xy lanh động cơ đạt giá trị cực đại (điểm z). Trong giai đoạn này, việc cung cấp nhiên liệu vào xy lanh động cơ cơ bản là chấm dứt. Cường độ tỏa nhiệt ở giai đoạn này bắt đầu giảm xuống do nồng độ oxy giảm. Ở đầu giai đoạn này, mặc dù piston đã đi xuống, thể tích xy lanh tăng dần nhưng do nhiên liệu còn tiếp tục cháy mãnh liệt nên áp suất trong xy lanh động cơ thay đổi không lớn lắm. Đây là giai đoạn phát nhiệt chủ yếu, nhiệt lượng tỏa ra trong giai đoạn này chiếm khoảng 40% ÷ 50% toàn bộ nhiệt lượng do nhiên liệu cháy. Sự thay đổi áp suất trong xy lanh động cơ ở giai đoạn này phụ thuộc vào mối tương quan giữa tốc độ cấp nhiên liệu và việc tăng thể tích của xy lanh công tác. Mặc dù qúa trình cấp nhiên liệu thường kết thúc ở đầu giai đoạn này nhưng qúa trình cháy có thể còn tiếp diễn sau điểm z vì qúa trình cháy đã bị chậm lại do số lượng ôxy tự do trong xy lanh động cơ giảm xuống. 3.1.4 Giai đoạn cháy rớt Giai đoạn này tương ứng với thời kỳ cháy rớt của nhiên liệu, được tính từ lúc nhiệt độ chất khí trong xy lanh động cơ đạt giá trị cực đại đến khi kết thúc qúa trình cháy nhiên liệu (điểm z’). Trong giai đoạn này, tốc độ tỏa nhiệt giảm và tốc độ cháy nhiên liệu diễn ra chậm. Trong tất cả các độngcơ diesel hầu như đều tồn tại giai đoạn cháy rớt này. Do tốc độ quay cao, các động cơ cao tốc có qúa trình cháy rớt dài sẽ làm cho tổn thất nhiệt khí xả tăng, tính kinh tế của động cơ giảm xuống, làm xấu đi chế độ nhiệt của các chi tiết, đặc biệt là nhóm piston và cơ cấu phân phối khí. Giảm hệ số dư lượng không khí α (đặc biệt ở chế độ qúa tải), giảm góc phun sớm, chất lượng phun nhiên liệu kém, thay đổi loại nhiên liệu sử dụng, tăng số vòng quay và hàng loạt các yếu tố khác thay dổi là nguyên nhân làm cho qúa trình cháy rớt phát triển. Để rút ngắn thời gian cháy rớt cần đảm bảo chất lượng tạo hỗn hợp, tăng hệ số dư lượng không khí α và rút ngắn thời gian cấp nhiên liệu ở giai đoạn 3. 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn của qúa trình cháy 3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy Thời gian của giai đoạn chuẩn bị cháy rất ngắn τi = 0,005 ÷ 0,001 (giây). Thời gian chuẩn bị cháy và quy luật cấp nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp trong thời gian chuẩn bị cháy có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ tăng áp suất và độ cứng của động cơ làm việc êm, tránh được các hư hỏng do ứng suất cơ gây ra. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy bao gồm các yếu tố hóa học, các yếu tố vật lý, các yếu tố cấu tạo và các yếu tố về khai thác. Các yếu tố về hóa học bao gồm thành phần, tính chất và cấu trúc của nhiên liệu, nồng độ ôxy trong buồng đốt, lượng khí sót còn sót lại từ chu trình trước và các chất phụ gia kích thích qúa trình cháy khi pha thêm vào nhiên liệu. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 45
Trong các yếu tố về hóa học thì thành phần và tính chất của nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Trị số xêtan của nhiên liệu sử dụng càng lớn càng rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy và do vậy tốc độ tăng áp suất sẽ giản đi. Tăng nồng dộ ôxy, giảm lượng khí sót trong buồng đốt hay pha thêm các chất phụ gia kích thích qúa trình cháy vào trong nhiên liệu đều có thể làm rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy. Ảnh hưởng của loại nhiên liệu sử dụng đến qúa trình cháy trong xy lanh động cơ được chỉ ra trên hình 3.2. Hình 3.2 Ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến qúa trình cháy trong xy lanh động cơ (từ 4 đến 5 ứng với sự giảm dần của TSXT có trong nhiên liệu). Các yếu tố vật lý bao gồm áp suất, nhiệt độ cuối qúa trình nén và mật độ không khí trong buồng đốt. Trong các yếu tố vật lý thì áp suất và nhiệt độ cuối kỳ nén có ảnh hưởng nhiều nhất đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Tăng áp suất và nhiệt độ cuối qúa trình nén sẽ rút ngắn được τi . Tuy nhiên, người ta cũng chứng tỏ được rằng khi nhiệt độ cuối kỳ nén nhỏ hơn 400oC thì ảnh hưởng của Tc đến τi mới thấy rõ. o Còn khi Tc lớn hơn 400 C thì ảnh hưởng của nó đến thời gian chuẩn bị cháy là không đáng kể. Các yếu tố kết cấu bao gồm tỷ số nén, kết cấu buồng cháy, số vòng quay động cơ, góc phun sớm nhiên liệu, tính dẫn nhiệt của piston, xy lanh, cường độ làm mát piston là các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy. Các yếu tố kết cấu ảnh hưởng đến thông số cuối kỳ nén và chất lượng hòa trộn của hỗn hợp. Tăng ε sẽ làm cho thông số cuối kỳ nén tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuẩn bị cháy nhiên liệu. Đối với động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau thì ảnh hưởng của tỷ số nén đến thời gian chuẩn bị cháy cũng khác nhau. Tăng số vòng quay của động cơ làm cho thời gian chuẩn bị cháy τi giảm xuống còn góc tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy ϕi ngược lại lại tăng lên. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 46
Ảnh hưởng của tỷ số nén ε và số vòng quay động cơ đến thời gian chuẩn bị cháy được thể hiện trên hình 3-3. ϕ o Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỷ số nén ε và tốc độ quay đến góc chuẩn bị cháy i ( gqtk) 1. TSXT = 40 2. TSXT = 60 Còn ảnh hưởng của góc phun sớm được giải thích như sau: mỗi động cơ, khi làm việc ở tốc độ quay định mức đều có một góc phun sớm có lợi nhất gọi là góc phun sớm tối ưu. Tăng góc phun sớm lớn hơn góc phun sớm tối ưu tức là nhiên liệu được phun vào trong xy lanh động cơ khi nhiệt độ và áp suất trong xy lanh còn thấp dẫn đến thời gian chuẩn bị cháy qúa lớn sẽ làm cho qúa trình cháy cứng, ứng suất cơ tăng. Còn giảm góc phun sớm so với góc phun sớm tối ưu sẽ làm cho qúa trình cháy rớt phát triển, tính kinh tế của động cơ giảm xuống. Chất lượng tạo hỗn hợp sẽ làm thay đổi qúa trình ôxy hóa các hạt nhiên liệu trong thời gian chuẩn bị cháy và do đó thời gian chuẩn bị cháy sẽ dài ra hay ngắn đi. Chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng phun sương nhiên liệu và chuyển động xoáy lốc của dòng không khí cuối kỳ nén. Động cơ có buồng cháy xoáy lốc có khả năng tạo hỗn hợp tốt hơn động cơ có buồng cháy thống nhất. Vật liệu chế tạo piston cũng có ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chuẩn bị cháy, đặc biệt là ở chế độ khởi động. Những động cơ có piston chế tạo bằng nhôm khi ở chế độ khởi động sẽ khó khởi động hơn hoặc dễ bị nhảy van an toàn do thời gian chuẩn bị cháy kéo dài. Ở những động cơ này, thời gian chuẩn bị cháy bị kéo dài chủ yếu do khả năng truyền nhiệt tốt của piston và khe hở giữa piston và xy lanh lớn do hệ số giãn nở nhiệt lớn, điều này làm giảm chỉ số nén đa biến và dẫn đến làm giảm áp suất và nhiệt độ cuối kỳ nén. Các yếu tố về khai thác bao gồm các điều kiện về môi trường như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm không khí môi trường, nhiệt độ nước làm mát, phụ tải và trạng Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 47
thái nhiệt của động cơ. Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến các thông số vật lý, hóa học và do đó ảnh hưởng đến thời gian chuẩn bị cháy trong xy lanh động cơ. 3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn còn lại của qúa trình cháy Giai đoạn 2 tức là giai đoạn cháy nổ phụ thuộc rất nhiều vào thời gian chuẩn bị cháy. Trong cùng một điều kiện khai thác, khi rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy dp τi sẽ làm cho tốc độ tăng áp suất và áp suất cháy lớn nhất Pz giảm xuống, dϕ động cơ làm việc êm, nhẹ nhàng hơn. Ngoài yếu tố τi thì lượng nhiên liệu cấp vào trong thời gian chuẩn bị cháy qi dp cũng là yếu tố đáng kể ảnh hưởng đến sự thay đổi Pz và . Vì vậy: dϕ dP = f ()τ i ,qi dϕ Thay đổi quy luật cấp nhiên liệu sẽ làm qi thay đổi, vì vậy trong những động cơ diesel tàu thủy hiện đại, người ta chế tạo cam nhiên liệu có biên dạng thay đổi nhằm thay đổi vận tốc của piston bơm cao áp. Áp suất phun nhiên liệu ở giai đoạn đầu của những bơm cao áp loại này có thể nhỏ hơn 2-3 lần so với giai đoạn cuối cấp (Hình 3-4). Giai đoạn cháy thứ 3 là giai đoạn cháy khi piston đã đi từ ĐCT xuống ĐCD. Thời gian của giai đoạn 3 phụ thuộc vào thời gian của giai đoạn 1, giai đoạn 2 và góc cấp nhiên liệu toàn bộ. Thay đổi góc cấp nhiên liệu toàn bộ sẽ làm cho thời gian của giai đoạn 3 thay đổi. Khi góc cấp nhiên liệu toàn bộ không đổi việc kéo dài hay rút ngắn thời gian của giai đoạn 1 sẽ làm thay đổi giai đoạn 3. Hình 3-4 Ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu tới qúa trình cháy Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 48
1: Biên dạng cam nhiên liệu dốc (qi lớn). 2: Biên dạng cam nhiên liệu thoải (qi nhỏ). Có thể dùng thông số sau để phân tích đường cong của qúa trình cháy đó là: ϕ y =−1 i (3-5) ϕtb Ở đây: ϕi : là góc quay trục khuỷu tương ứng với thời gian chuẩn bị cháy. ϕtb : là góc cấp nhiên liệu toàn bộ. Thông số trên còn được gọi là tiêu chuẩn khống chế qúa trình do D.Travropski đưa ra. Từ (3-5) có thể nhận thấy: Khi ϕi = ϕtb → y = 0 trường hợp này ϕi = ϕtb , qúa trình cháy diễn ra không khống chế được. Khi y tăng dần đến 1 tức là ϕi giản dần dến 0, việc khống chế qúa trình cháy tăng lên.Khi y = 1 (ϕi = 0) qúa trình cháy khống chế được hoàn toàn. Thực tế điều này không thể xảy ra được với các động cơ diesel. Khi y < 0 thời gian chuẩn bị cháy dài hơn thời gian cấp nhiên liệu toàn bộ. Trong thực tế, trường hợp này có thể xảy ra trong qúa trình khởi động động cơ diesel ở trạng thái nguội lạnh. Khi ϕi giảm xuống, y tăng lên, qúa trình cháy tiến dần đến qúa trình cháy nhanh, hiệu suất chỉ thị của động cơ tăng và đồng thời các thông số động của chu trình cũng tăng theo. Các động cơ diesel tàu thủy công suất lớn, giá trị của y nằm trong khoảng 0,55 ÷ 0,80. Giai đoạn 4 của qúa trình cháy là hậu qủa của tất cả các giai đoạn trước. Càng rút ngắn được thời gian của giai đoạn 4 thì tính kinh tế của động cơ càng tăng, trạng thái nhiệt của các chi tiết nhóm piston xy lanh càng đảm bảo. Giảm tốc độ quay của động cơ, tăng hệ số dư lượng không khí α hoặc cải thiện chất lượng phun sương và tạo hỗn hợp là những biện pháp hữu hiệu nhằm rút ngắn giai đoạn cháy rớt này. Tuy nhiên giai đoạn 4 này vẫn tồn tại trong tất cả các động cơ diesel. 3.3 Qúa trình tạo hỗn hợp Qúa trình hình thành khí hỗn hợp trong động cơ Diesel được diễn ra ngay trong buồng đốt của động cơ. Ở cuối kỳ nén, nhiên liệu được phun vào trong xy lanh động cơ dưới dạng các hạt sương mịn, có kích thước nhỏ và đồng đều, đồng thời các hạt nhiên liệu cần phải được phân bố đều trong toàn bộ thể tích buồn cháy. Mỗi tia nhiên liệu cần đảm bảo độ xa xác định để xuyên qua không khí nén tới gần bề mặt của buồng cháy và đồng thời không đọng lên các bề mặt của buồng cháy. Các chùm tia nhiên liệu phải có hình dạng, hướng và số lượng các tia phù hợp với hình dạng và thể tích buồng cháy. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 49
3.3.1 Tia nhiên liệu Sự phân hủy tia nhiên liệu thành những hạt sương nhỏ trong buồng cháy phụ thuộc vào các yếu tố như sức cản khí động của không khí trong buồng đốt, sức kéo bề mặt của tia nhiên liệu, lực hấp dẫn của nhiên liệu và nội lực xuất hiện khi nhiên liệu cháy. Sức cản khí động của không khí phụ thuộc vào vận tốc tương đối của nhiên liệu và không khí, đồng thời vào mật độ của không khí. Lực cản của môi trường cố tách các phần tử nhiên liệu nằm trên bề mặt tia ở mọi phía, còn các lực kéo bề mặt và lực hấp dẫn bên trong của nhiên liệu đối kháng với lực cản của không khí nhằm giữ cho tia nhiên liệu được nguyên vẹn. Sự kích động ban đầu trên bề mặt của tia nhiên liệu xuất hiện do kết qủa của hàng loạt các nguyên nhân: sự chảy rối của nhiên liệu trong lỗ phun, hình dạng mép đầu và cuối của lỗ phun, độ nhẵn bề mặt lỗ phun, sự có mặt của các bóng hơi trong nhiên liệu. Ngoài những yếu tố trên còn phải kể đến tác dụng bổ sung nhiên liệu liên tục, tức là tia nhiên liệu liên tục được bổ sung những phần tử nhiên liệu mới có động năng lớn, gây chèn ép lên nhau của các phần tử nhiên liệu. Như vậy lực kích động ban đầu và lực cản khí động của không khí nén trong buồng cháy có khuynh hướng xé tia nhiên liệu thành những giọt sương. Độ mịn của các hạt nhiên liệu được thể hiện qua đường kính trung bình của các hạt trong tia nhiên liệu. Động cơ có tốc độ quay càng cao, thời gian tạo hỗn hợp ngắn thì càng yêu cầu phải phun mịn, đặc biệt là trong các động cơ có buồng cháy thống nhất. Theo các số liệu thực nghiệm, đưòng kính trung bình của các hạt nhiên liệu thông thường khoảng 20 ÷ 25 μm. Để qúa trình phun sương tốt cần phải đảm bảo tốc độ của nhiên liệu đi qua các lỗ phun đạt giá trị tương đối lớn. Tốc độ này có thể được tính như sau pppc− 4 wg= ϕv .2. .10 (m/s) (3-6) γ nl Trong đó: ϕv : là hệ số dòng chảy 2 pp: Áp suất phun nhiên liệu (kG/cm ) 2 pc: Áp suất trong xy lanh cuối kỳ nén (kG/cm ) 3 γ nl : Trọng lượng riêng của nhiên liệu (kg/m ) Từ đó áp suất phun được tính: W 2 .γ P = nl + P p ϕ 2 .2g.104 c v Thông thường, tốc độ của nhiên liệu đi qua các lỗ phun nằm trong khoảng 250 ÷ 400 (m/s), còn hệ số dòng chảy ϕv = 0,7 ÷ 0,8. Để xác định chất lượng phun nhiên liệu thông thường phải dùng phương pháp thực nghiệm. Trên cơ sở thực nghiệm người ta sẽ xây dựng đường đặc tính Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 50
phun nhiên liệu. Dùng đường đặc tính phun nhiên liệu, ta có thể đánh giá được chất lượng phun nhiên liệu. Hình 3-5 cho phép ta đánh giá chất lượng phun sương trong 3 trường hợp: Đường 1: Chất lượng phun sương tốt, các hạt sương nhiên liệu nhỏ và đều. Đường 2: Chất lượng phun không tốt, các hạt có đường kính lớn và không đều nhau. Đường 3: Chất lượng phun đều nhưng đường kính hạt lớn, sương nhiên liệu thô. Như vậy khi các nhánh của đường đặc tính càng dốc thì độ phun càng đều, các hạt có kích thước càng gần nhau. Nếu đỉnh của đường cong càng sát trục tung thì độ phun sương càng mịn. Hình 3-5: Các đường đặc tính phun nhiên liệu Trong một tia nhiên liệu, đường kính, mật độ và vận tốc của các hạt nhiên liệu cũng khác nhau. Khi nhiên liệu được phun vào trong xy lanh của động cơ, vận động của các hạt nhiên liệu thường cuốn theo cả lớp không khí bao quanh làm giảm tốc độ tương đối của các hạt so với không khí, làm giảm sức cản khí động của không khí, mặt khác còn làm cho các phần tử không khí thâm nhập vào trong tia dồn cả ra mặt ngoài của tia. Phần nhiên liệu phun trước gặp sức cản của khí động lớn nên tốc độ bị giảm xuống, còn các phần nhiên liệu phun sau được phun vào môi trường mà tia nhiên liệu đang vận động nên tốc độ của nó giảm ít hơn. Vì vậy các hạt nhiên liệu phun sau thường đuổi kịp các hạt nhiên liệu phun trước và gạt số nhiên liệu phía trước ra ngoài rồi đi vào khu vực của mũi tia. Chính vì vậy, tia nhiên liệu gồm có hai phần là phần lõi tia và phần vỏ tia (Hình 3-6). Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 51
Hình 3-6 Tia nhiên liệu 1: Lõi tia 2: Vỏ tia 3: Mật độ hạt 4:Tốc độ các hạt Ở phần lõi tia, mật độ và kích thước các hạt nhiên liệu lớn. Do gặp sức cản khí động nhỏ nên ở phần này nhiên liệu liên kết với nhau thành những hạt lớn chứa nhiều năng lượng nên vận tốc các hạt nhiên liệu ở phần lõi tia là lớn nhất. Ở phần lõi tia, mật độ và kích thước các hạt nhiên liệu lớn. Do gặp sức cản khí động nhỏ nên ở phần này nhiên liệu liên kết với nhau thành những hạt lớn chứa nhiều năng lượng nên vận tốc các hạt nhiên liệu ở phần lõi tia là lớn nhất. Ở phần vỏ tia, mật độ các hạt nhiên liệu thưa, kích thước nhỏ mịn, chịu sức cản khí động lớn của không khí nên tốc độ chậm, không khí thâm nhập vào và cuốn theo làm tăng khả năng hóa hơi của các hạt nhiên liệu này và các phản ứng cháy đầu tiên xảy ra ở đó. 3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới hình dạng tia nhiên liệu Hình dạng tia nhiên liệu và tốc độ vận động của nó có vai trò quan trọng trong qúa trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu. Tia nhiên liệu phải xuyên qua không khí nén đến những phần xa nhất của buồng cháy nhưng không được bám lên thành xy lanh và đỉnh piston để tránh việc cháy không hoàn toàn và tạo thành muội than trong qúa trình công tác. Bằng thực nghiệm người ta đã thấy được sự ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố đến chiều dài L, chiều rộng B và vận tốc W của tia nhiên liệu. Các yếu tố chính phải kể đến là đối áp môi trường, góc quay trục cam nhiên liệu, thời gian phun và áp suất phun nhiên liệu, đường kính lỗ phun, trọng lượng riêng của nhiên liệu và cấu tạo đầu vòi phun. Hình 3-7 thể hiện sự ảnh hưởng của đối áp môi trường tới hình dạng tia nhiên liệu. Khi đối áp môi trường tăng lên (áp suất cuối kỳ nén tăng lên) thì chiều dài và vận tốc của tia nhiên liệu giảm. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 52
Hình 3.7 Ảnh hưởng của đối áp không khí đến chiều dài L, chiều rộng B và vận tốc W của tia nhiên liệu. Ảnh hưởng của thời gian và áp suất phun nhiên liệu tới chiều dài tia nhiên liệu được thể hiện trên hình 3-8. Nếu thời gian phun như nhau, càng tăng áp suất phun thì chiều dài tia nhiên liệu càng tăng, đồng thời tốc độ lưu động của nhiên liệu qua lỗ phun tăng lên làm giảm kích thước của các hạt trong tia nhiên liệu. Mặt khác, nếu áp suất phun như nhau, càng tăng thời gian phun thì chiều dài tia nhiên liệu cũng càng tăng. Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian phun và áp suất phun tới chiều dài tia nhiên liệu. Đường kính lỗ phun cũng ảnh hưởng đáng kể tới chiều dài, chiều rộng và vận tốc tia nhiên liệu. Trong trường hợp áp suất phun nhiên liệu và đối áp môi trường không thay đổi, nếu tăng đường kính lỗ phun thì chiều dài, chiều rộng và vận tốc của tia nhiên liệu đều tăng lên nhưng trong trường hợp này sẽ làm tăng kích thước các hạt sương nhiên liệu. (Hình 3-9) Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 53
Hình 3.9 Ảnh hưởng của đường kính lỗ phun tới chiều dài L, chiều rộng B và vận tốc W của tia nhiên liệu. Trọng lượng riêng của nhiên liệu cũng ảnh hưởng rõ rệt tới hình dạng tia nhiên liệu. Khi trọng lượng riêng của nhiên liệu tăng lên, chiều dài tia nhiên liệu tăng nhưng kích thước hạt sương nhiên liệu cũng tăng theo. Khi thay đổi nhiệt độ của nhiên liệu phun vào buồng đốt động cơ, tức là trọng lượng riêng của nhiên liệu cũng đã bị thay đối, thì kết qủa thu được cũng hoàn toàn tương tự. (Hình 3- 10) Hình 3-10: Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiên liệu tới chiều dài tia Ngoài các yếu tố kể trên, hình dạng tia nhiên liệu còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như tốc độ quay của động cơ, cấu tạo kim phun, hình dạng lỗ phun, tình trạng bề mặt và mép của lỗ phun. Tăng tốc độ quay của động cơ sẽ làm tăng tốc độ chuyển động của piston bơm cao áp, do đó làm tăng áp suất phun và tốc độ tia nhiên liệu qua lỗ phun, độ phun nhỏ và đều hơn. Cấu tạo của đầu vòi phun nói chung cũng như tình trạng kỹ thuật của kim phun, bề mặt và mép lỗ phun kém đều ảnh hưởng đến hình dạng tia nhiên liệu và do đó ảnh hưởng xấu đến chất lượng tạo hỗn hợp trong động cơ diesel. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 54
3.4 Các dạng buồng cháy Chất lượng hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí trong động cơ diesel phụ thuộc rất lớn vào tổ chức của dòng khí trong buồng cháy, tức là phụ thuộc vào kết cấu và hình dạng của buồng cháy. Căn cứ vào đặc điểm kết cấu, người ta chia buồng cháy thành hai loại là buồng liền và buồng ghép. 3.4.1 Buồng cháy liền Buồng cháy liền, còn được gọi là buồng cháy thống nhất, mà toàn bộ thể tích của buồng cháy đều nằm trong một không gian thống nhất. Buồng cháy thống nhất là buồng cháy giới hạn bởi đỉnh piston, nắp xy lanh và vách sơmi xy lanh. Để đảm bảo cho nhiên liệu được phân bố đều trong thể tích buồng cháy, vòi phun được lắp đặt là vòi phun nhiều lỗ. Do sự chuyển động của piston tạo thành vận động xoáy lốc của dòng khí trong các xy lanh mà hỗn hợp không khí và nhiên liệu được hòa trộn với nhau. Trong các động cơ 2 kỳ, để tăng cường sự vận động xoáy lốc, người ta lựa chọn hướng của các cửa quét thích hợp mà nhờ đó nó sẽ tạo ra các vận động xoáy lốc của dòng không khí nạp khi nạp khí vào xy lanh động cơ. Trong các động cơ diesel có buồng cháy thống nhất, dạng của buồng cháy được phân thành 4 nhóm như sau: Nhóm 1: Trong nhóm này buồng cháy được giới hạn bởi đỉnh piston, nắp xy lanh và thành sơmi xy lanh. Đỉnh piston thường được làm lõm xuống hay lồi lên để tạo sự vận động xoáy lốc của dòng khí. Loại buồng cháy này thường sử dụng cho động cơ diesel 4 kỳ và 2 kỳ quét thẳng qua xu páp. Nhóm 2: Loại này buồng cháy được đặt hoàn toàn trên nắp xy lanh, dùng cho động cơ diesel 2 kỳ quét vòng. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 55
Hình 3.11 Các dạng buồng cháy thống nhất. Nhóm 3: Buồng cháy đặt một nửa trên nắp xy lanh, một nửa trên đỉnh piston, rất thích hợp cho động cơ diesel 2 kỳ. Nhóm 4: Buồng cháy phân bố giữa hai piston, dùng cho động cơ 2 kỳ piston đối đỉnh (Xem hình 3-11). Buồng cháy thống nhất được áp dụng phổ biến cho các động cơ cỡ trung bình và lớn, có tốc độ quay thấp. Đôi khi loại buồng cháy này cũng được dùng trong một số động cơ cỡ nhỏ cao tốc. Đặc điểm của loại động cơ có buồng cháy thống nhất là: Nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy với áp suất cao. Áp suất phun nhiên liệu thông thường khoảng 200 ÷ 800 kG/cm2. Chất lượng phun sương tốt. Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 56
Việc hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí trong buồng cháy được thực hiện nhờ sự phối hợp chặt chẽ giữa hình dạng, kích thước, số lượng và hướng các tia nhiên liệu với hình dạng và kích thước buồng cháy, hoặc khả năng tạo ra sự chuyển động xoáy lốc của không khí trong buồng cháy. Chuyển động xoáy lốc của không khí nạp có thể được tạo ra bằng các biện pháp sau đây: + Khoét lõm đỉnh piston hoặc nắp xy lanh. + Chọn hướng cửa quét hợp lý trong các động cơ 2 kỳ. + Dùng đường ống nạp tiếp tuyến hoặc xu páp nạp có tấm chắn để hướng dòng không khí nạp đi vào tiếp tuyến với chu vi của xy lanh động cơ, tạo ra các chuyển động xoáy lốc của dòng không khí nạp. Chuyển động xoáy lốc của không khí nạp vẫn có thể được duy trì trong suốt qúa trình nén. Ưu điểm của loại động cơ có buồng cháy thống nhất là kết cấu đơn giản, dễ dàng quét sạch buồng cháy, bề mặt làm mát tương đối không lớn lắm, do đó giảm mất mát nhiệt cho nước làm mát, động cơ dễ khởi động và giảm được suất tiêu hao nhiên liệu cho động cơ. Nhược điểm cơ bản của loại động cơ có buồng cháy thống nhất là hệ số dư lượng không khí α ở chế độ thiết kế thường cao (α = 1,8 ÷ 2,2), tốc độ tăng áp suất W lớn, hệ thống nhiên liệu làm việc nặng nề vì áp suất phun cao và chất lượng tạo hỗn hợp phụ thuộc nhiều vào tốc độ quay của động cơ. 3.4.2 Buồng cháy ghép Buồng cháy ghép, hay còn được gọi là buồng cháy phân cách, thường được áp dụng cho những động cơ diesel cao tốc kích thước nhỏ, bao gồm các loại: buồng cháy xoáy lốc, buồng cháy dự bị, buồng tích nhiệt và buồng tích không khí. Dưới đây chúng ta xem xét kết cấu và đặc điểm của một số loại buồng cháy phân cách thường gặp trong thực tế: Buồng cháy xoáy lốc: Trong các động cơ diesel cao tốc kích thước nhỏ, nếu sử dụng phương pháp hình thành khí hỗn hợp trong buồng cháy thống nhất sẽ gặp nhiều khó khăn; trước hết phải tăng áp suất phun lên cao và giảm đường kính lỗ phun để tăng độ nhỏ mịn của hạt sương nhiên liệu và giảm độ xa của chùm tia nhiên liệu, tránh không cho các hạt sương nhiên liệu bám lên vách buồng đốt. Vì vậy, lỗ phun dễ bị kết cốc và tắc, cặp bộ đôi piston-xy lanh bơm cao áp, kim phun và đầu vòi phun rất chóng mòn. Mặt khác, trong qúa trình sử dụng, nếu giảm số vòng quay của động cơ nhỏ hơn định mức sẽ làm cho chất lượng hình thành khí hỗn hợp và qúa trình cháy giảm nhanh. Vì vậy, để giải quyết vấn đề này, người ta áp dụng cho động cơ với kiểu buồng cháy xoáy lốc. Trong những động cơ có buồng cháy xoáy lốc, buồng cháy của động cơ được chia làm hai phần: buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy chính. Buồng cháy xoáy lốc thường có dạng hình trụ hoặc hình cầu nằm trên nắp xy lanh hoặc trong thân động cơ, được nối với buồng cháy chính bằng một đường ống có tiết diện lưu thông tương đối lớn (khoảng 1 ÷ 3% diện tích đỉnh piston) đặt tiếp tuyến với Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 57