Tính toán mô phỏng chu trình công tác động cơ diesel theo phương pháp cân bằng năng lượng

a ®éng c¬, thÓ tÝch xi lanh cña ®éng c¬ thay ®æi theo gãc quay j cña trôc khuûu. ThÓ tÝch ®ã ®­îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: (2.2) Trong ®ã: Vc - ThÓ tÝch buång ch¸y cña ®éng c¬ (m3). D - §­êng kÝnh xi lanh (m). S(j) - Gi¸ trÞ chuyÓn vÞ cña pÝt t«ng, tÝnh tõ thêi ®iÓm pÝt t«ng ë vÞ trÝ ®iÓm chÕt trªn (m). Gi¸ trÞ chuyÓn vÞ cña pÝt t«ng tÝnh tõ diÓm chÕt trªn ®­îc x¸c ®Þnh theo quy luËt ®éng häc cña c¬ cÊu khuûu trôc - thanh truyÒn theo c«ng thøc [2]: (2.3) Trong ®ã: R - B¸n kÝnh quay cña trôc khuûu (m). - Tû sè kÕt cÊu, lµ tû sè gi÷a b¸n kÝnh quay R cña trôc khuûu vµ chiÒu dµi thanh truyÒn L. Do , trong ®ã S lµ hµnh tr×nh cña pÝt t«ng, nªn sau khi thay ph­¬ng tr×nh (2.3) vµo ph­¬ng tr×nh (2.2), ta cã: (2.4) Hay: (2.5) Trong ®ã Vh lµ thÓ tÝch c«ng t¸c cña xi lanh (m3). §¹o hµm ph­¬ng tr×nh (2.5) theo gãc quay j cña trôc khuûu, ta cã biÓu thøc vi ph©n biÓu diÔn tèc ®é biÕn thiªn cña thÓ tÝch xi lanh ®éng c¬ theo gãc quay j cña trôc khuûu. (2.6) 2.2.2. X¸c ®Þnh sù thay ®æi diÖn tÝch cña c¸c bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt C¸c diÖn tÝch bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt trong qu¸ tr×nh lµm viÖc cña ®éng c¬ bao gåm: diÖn tÝch bÒ mÆt ®Ønh pÝt t«ng, diÖn tÝch bÒ mÆt nãng cña n¾p m¸y vµ c¸c mÆt nÊm xu p¸p, diÖn tÝch bÒ mÆt xung quanh èng lãt xi lanh vµ diÖn tÝch bÒ mÆt cña ®­êng èng th¶i. Riªng ®èi víi ®­êng èng n¹p do sù chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a khÝ n¹p vµ ®­êng èng kh«ng lín nªn cã thÓ bá qua sù trao ®æi nhiÖt. C¸c diÖn tÝch ®ã ®­îc x¸c ®Þnh theo c¸c c«ng thøc nh­ sau: DiÖn tÝch bÒ mÆt ®Ønh pÝt t«ng Fpt (m2): (2.7) DiÖn tÝch bÒ mÆt nãng cña n¾p m¸y vµ c¸c mÆt nÊm xu p¸p n¹p, xu p¸p th¶i chän b»ng diÖn tÝch ®Ønh pÝt t«ng. DiÖn tÝch bÒ mÆt xung quanh cña èng lãt xi lanh Folxl (m2): Folxl = pD[H + S(j)] (2.8) } (2.9) Trong ®ã H lµ chiÒu cao cña buång ch¸y (m), th«ng th­êng chiÒu cao huång ch¸y cã thÓ chän b»ng chiÒu cao tõ mÆt nãng cña n¾p m¸y ®Õn bÒ mÆt ®Ønh pÝt t«ng khi pÝt t«ng ë vÞ trÝ ®iÓm chÕt trªn. DiÖn tÝch bÒ mÆt ®­êng èng th¶i F0 (m2): F0 = pd0.L0 (2.10) Trong ®ã d0, L0 lµ ®­êng kÝnh vµ chiÒu dµi ®­êng èng th¶i (m). 2.2.3. X¸c ®Þnh sù thay ®æi diÖn tÝch l­u th«ng cã Ých cña c¸c xu p¸p n¹p vµ th¶i Quan hÖ thay ®æi cña c¸c thiÕt diÖn l­u th«ng cã Ých cña c¸c xu p¸p n¹p vµ th¶i mnFn, mtFt theo gãc quay j cña trôc khuûu ®éng c¬ ®­îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ. C¸c quan hÖ nµy cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh khi biÕt kÝch th­íc h×nh häc vµ biªn d¹ng cña cam vµ kÝch th­íc h×nh häc cña xu p¸p hoÆc khi biÕt ®å thÞ “tiÕt diÖn - thêi gian” cña c¸c xu p¸p cô thÓ. Trong tr­êng hîp biÕt kÝch th­íc h×nh häc cô thÓ cña cam vµ xu p¸p th× theo [2] c¸c thiÕt diÖn l­u th«ng cña xu p¸p n¹p vµ th¶i ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: Fn = p.h(q)[dhcosa +h(q)sinacos2a].ip (2.11) Trong ®ã: a - Gãc nghiªng cña t¸n nÊm xu p¸p (®é) q - Gãc quay cña trôc cam (®é) dh - §­êng kÝnh häng ®Õ xu p¸p (m) ip - Tû sè truyÒn cß mæ h(q) - Hµnh tr×nh n©ng cña xu p¸p (m). Hµnh tr×nh n©ng cña xu p¸p h(q) ®­îc x¸c ®Þnh theo hµnh tr×nh cña con ®éi trªn biªn d¹ng cña cam. Trong c¬ cÊu phèi khÝ cña ®éng c¬ ng­êi ta cã thÓ sö dông mét trong c¸c d¹ng nh­ sau: - Cam tiÕp tuyÕn vµ con ®éi con l¨n - Cam låi vµ con ®éi h×nh trô hoÆc h×nh nÊm - Cam låi vµ con ®éi con l¨n. Tuú theo tõng biªn d¹ng cam vµ lo¹i con ®éi cô thÓ, c¸c biÓu thøc x¸c ®Þnh hµnh tr×nh n©ng cña xu p¸p (chuyÓn vÞ cña con ®éi) h(q) còng kh¸c nhau. Trong ph¹m vi nghiªn cøu cña luËn v¨n chØ ®Ò cËp ®Õn d¹ng cam tiÕp tuyÕn vµ con ®éi con l¨n. Khi ®ã biÓu thøc x¸c ®Þnh h(q) ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau [2]: - Giai ®o¹n 1: L¨n trªn mÆt ph¼ng tiÕp tuyÕn cña cam: (2.12) Trong ®ã: R - B¸n kÝnh con l¨n cña con ®éi (m) R1 - B¸n kÝnh l­ng cam (cung chuÈn)(m) - Giai ®o¹n 2: L¨n trªn phÇn mÆt trô cña ®Ønh cam: (2.13) Trong ®ã: r - B¸n kÝnh cung ®Ønh cam (m) D - Kho¶ng c¸ch t©m cña hai ®­êng trßn l­ng cam vµ ®Ønh cam (m). Trong tr­êng hîp biÕt ®å thÞ “tiÕt diÖn - thêi gian” më cña c¸c xu p¸p n¹p, th¶i ®èi víi ®éng c¬ cô thÓ th× quan hÖ cña Fn, Ft theo gãc quay trôc khuûu j ®­îc x¸c ®Þnh trùc tiÕp tõ ®å thÞ. 2.3. C¸c quan hÖ x¸c ®Þnh sù thay ®æi cña c¸c th«ng sè ®Æc tr­ng cho m«i chÊt c«ng t¸c trong xi lanh §Ó tÝnh to¸n c¸c qu¸ tr×nh c«ng t¸c trong xi lanh cña ®éng c¬ vµ còng nh­ trong ®­êng èng n¹p, th¶i, chóng ta cÇn ph¶i x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ thay ®æi néi n¨ng, entanpi cña kh«ng khÝ n¹p vµ cña khÝ th¶i, còng nh­ entanpi, néi n¨ng vµ nhiÖt dung riªng cv cña m«i chÊt c«ng t¸c trong xi lanh. Tuú theo tr¹ng th¸i cña tõng qu¸ tr×nh cô thÓ lµ n¹p, nÐn, ch¸y - gi·n në vµ th¶i trong chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬, m«i chÊt c«ng t¸c khi ®ã cã thÓ lµ kh«ng khÝ, hçn hîp kh«ng khÝ vµ s¶n vËt ch¸y, s¶n vËt ch¸y hoµn toµn. Mét c¸ch tæng qu¸t c¸c gi¸ trÞ entanpi, néi n¨ng vµ nhiÖt dung riªng ®¼ng tÝch ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc [10]: (2.14) rk - Sè phÇn tr¨m cña kh«ng khÝ hoÆc s¶n vËt ch¸y n - Sè thµnh phÇn khÝ cã trong hçn hîp. Cô thÓ trong tr­êng hîp nµy chän n = 2 v× coi trong hçn hîp chØ cã kh«ng khÝ vµ s¶n vËt ch¸y. Sù thay ®æi cña nhiÖt dung riªng, néi n¨ng vµ entanpi thµnh phÇn chñ yÕu phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ ®­îc x¸c ®Þnh theo quan hÖ: {cck, uk, ik} = aT2 + bT + c (2.15) Trong ®ã c¸c hÖ sè a, b, c ®èi víi kh«ng khÝ n¹p vµ s¶n phÈm ch¸y “s¹ch” cña nhiªn liÖu láng ®­îc x¸c ®Þnh theo ph­¬ng ph¸p b×nh ph­¬ng nhá nhÊt khi xö lý c¸c sè liÖu thùc nghiÖm, trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ 0 ¸ 20000c vµ ®­îc cho trong b¶ng 2.3: B¶ng 2.1: C¸c gi¸ trÞ cña h»ng sè a, b, c ®èi víi kh«ng khÝ n¹p vµ s¶n phÈm ch¸y “s¹ch” cña nhiªn liÖu láng Ký hiÖu a b c kk spcs kk spcs kk spcs cvk -5,5601.10-8 -8,2769.10-8 2,8058.10-4 4,049.10-4 0,62614 0,64732 uk 7,419.10-5 10,215.10-5 0,69329 0,75086 -5,272 -18,45 ik 7,4194.10-5 10,216.10-5 0,98059 1,0328 -5,2669 -18,455 kk - Kh«ng khÝ spcs - S¶n phÈm ch¸y s¹ch Sè phÇn tr¨m cña kh«ng khÝ hoÆc cña s¶n vËt ch¸y rk cña tõng qu¸ tr×nh ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: Qu¸ tr×nh tÝnh sÏ ®­îc b¾t ®Çu tõ thêi ®iÓm xu p¸p ®ãng hoµn toµn (thêi ®iÓm b¾t ®Çu nÐn thùc tÕ j = jdn), do vËy ®Çu tiªn cÇn x¸c ®Þnh rk trong qu¸ tr×nh nµy tr­íc. Hçn hîp khÝ trong xi lanh gåm kh«ng khÝ vµ s¶n phÈm ch¸y cßn sãt l¹i trong xi lanh do th¶i kh«ng s¹ch cña chu tr×nh tr­íc. Gi¶ thiÕt r»ng l­îng s¶n phÈm ch¸y nµy (l­îng khÝ sãt) chiÕm toµn bé thÓ tÝch buång ch¸y Vc (thùc tÕ nhá h¬n do cã gãc më sím vµ ®ãng muén cña xu p¸p th¶i vµ n¹p). NÕu coi l­îng kh«ng khÝ n¹p míi vµo chiÕm toµn bé thÓ tÝch c«ng t¸c Vh, l­îng m«i chÊt c«ng t¸c gåm kh«ng khÝ vµ s¶n vËt ch¸y cßn sãt l¹i chiÕm toµn bé thÓ tÝch xi lanh Va = Vh + Vc. Nh­ vËy ta cã: (2.16) Trong qu¸ tr×nh ch¸y, do x¶y ra sù ch¸y cña nhiªn liÖu trong c¶ qu¸ tr×nh nªn l­îng kh«ng khÝ trong xi lanh gi¶m, l­îng s¶n phÈm ch¸y t¨ng lªn phô thuéc vµo quy luËt ch¸y x cña nhiªn liÖu: (2.17) Trong qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ, ®©y lµ qu¸ tr×nh th¶i s¹ch s¶n vËt ch¸y ra khái xi lanh vµ n¹p ®Çy khÝ n¹p míi vµo xi lanh cña ®éng c¬. Sè phÇn tr¨m cña kh«ng khÝ rkk vµ cña s¶n vËt ch¸y rspcs ®­îc x¸c ®Þnh qua l­îng kh«ng khÝ n¹p ®Çy Gkk vµ l­îng s¶n vËt ch¸y cßn sãt l¹i trong xi lanh Gspcs, c¸c gi¸ trÞ Gkk vµ Gspcs ®­îc x¸c ®Þnh tõ nghiÖm cña hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬: (2.18) Muèn tÝnh to¸n sù thay ®æi ¸p suÊt cña c¸c qu¸ tr×nh trong trong chu tr×nh theo ph­¬ng tr×nh tr¹ng th¸i (1.3) cÇn ph¶i x¸c ®Þnh sù thay ®æi h»ng sè chÊt khÝ cña m«i chÊt c«ng t¸c Rmc. Gi¸ trÞ cña Rmc ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: (2.19) Trong ®ã: Rkk - H»ng sè chÊt khÝ cña kh«ng khÝ (J/kg.0K) Rspcs - H»ng sè chÊt khÝ cña s¶n vËt ch¸y s¹ch (J/kg.0K). 2.4. X¸c ®Þnh thêi gian ch¸y trÔ, quy luËt ch¸y vµ tèc ®é to¶ nhiÖt khi ch¸y 2.4.1. X¸c ®Þnh thêi gian ch¸y trÔ cña nhiªn liÖu §èi víi mçi ®éng c¬ cô thÓ thêi ®iÓm phun nhiªn liÖu vµo xi lanh cña ®éng c¬ (th«ng qua gi¸ trÞ gãc phun sím nhiªn liÖu) coi nh­ ®· biÕt tr­íc. Tuy nhiªn nhiªn liÖu sau khi ®­îc phun vµo trong xi lanh ®éng c¬ kh«ng thÓ ch¸y ngay tøc thêi ®­îc mµ ph¶i cã mét kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt ®Ó bay h¬i mét l­îng nhiªn liÖu nhÊt ®Þnh nµo ®ã, hoµ trén l­îng h¬i nhiªn liÖu víi kh«ng khÝ vµ t¹o thµnh trung t©m ch¸y ®Çu tiªn. Thêi gian cÇn thiÕt ®ã ®­îc gäi lµ thêi gian ch¸y trÔ cña nhiªn liÖu. Thêi gian ch¸y trÔ tt cã thÓ ®­îc tÝnh theo c«ng thøc cña Semonov nh­ sau [9]: (2.20) C¸c hÖ sè B, C ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: (2.21) (2.22) Trong ®ã: Vht - ThÓ tÝch c«ng t¸c thùc cña xi lanh øng víi hµnh tr×nh cña pÝt t«ng sau khi xu p¸p n¹p ®· ®ãng (m3) E - N¨ng l­îng ho¹t ho¸, lµ n¨ng l­îng cÇn thiÕt ®Ó kÝch ho¹t ph¶n øng ch¸y cña nhiªn liÖu. E = (21¸25).103J/mol Tk, pk - NhiÖt ®é trong xi lanh t¹i thêi ®iÓm phun nhiªn liÖu (0K) pk - ¸p suÊt trong xi lanh t¹i thêi ®iÓm phun nhiªn liÖu (N/m2). HÖ sè d ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: (2.23) Trong ®ã: l - Tû sè kÕt cÊu cña ®éng c¬ q - Gãc phun sím nhiªn liÖu (®é). Trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n c¸c th«ng sè thay ®æi theo gãc quay cña trôc khuûu, ®Ó thuËn tiÖn th× thêi gian ch¸y trÔ cña nhiªn liÖu tt trong c«ng thøc (2.20) tÝnh theo gi©y (s) còng ph¶i ®­îc x¸c ®Þnh theo gãc quay cña trôc khuûu theo quan hÖ: jt = tt. 6n (®é gãc quay trôc khuûu) (2.24) Trong ®ã n lµ sè vßng quay trôc khuûu (v/ph). 2.4.2. X¸c ®Þnh quy luËt ch¸y vµ tèc ®é ch¸y cña nhiªn liÖu Qu¸ tr×nh ch¸y cña hçn hîp nhiªn liÖu víi « xy cña kh«ng khÝ mang ®Æc tÝnh ch¸y d©y chuyÒn, cã nghÜa lµ sù biÕn ®æi cña hçn hîp ®ã trong c¸c ph¶n øng ch¸y tiÕn hµnh th«ng qua nhiÒu giai ®o¹n, trong ®ã c¸c chÊt ho¹t tÝnh vÒ mÆt ho¸ häc ®­îc t¹o thµnh vµ t¸c dông liªn tôc víi nh÷ng chÊt ban ®Çu vµ còng nh­ víi chÝnh b¶n th©n chóng. Quy luËt ch¸y x vµ tèc ®é ch¸y cña nhiªn liÖu lµ nh÷ng quy luËt quan träng trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu ®éng häc vµ c¸c qu¸ tr×nh ph¸t triÓn nhiÖt ®é T vµ ¸p suÊt p trong xi lanh. Trong tÝnh to¸n m« pháng, ng­êi ta th­êng chän c«ng thøc tÝnh cña Vibe v× nã ®¬n gi¶n nh­ng cã ®é chÝnh x¸c t­¬ng ®èi cao. Dùa trªn nh÷ng nghiªn cøu ®éng häc cña c¸c ph¶n øng d©y chuyÒn, Vibe ®· ®­a ra c¸c c«ng thøc tÝnh quy luËt ch¸y vµ tèc ®é ch¸y cña nhiªn liÖu nh­ sau [11]: (2.25) Trong ®ã: j - VÞ trÝ gãc quay trôc khuûu tÝnh tõ thêi ®iÓm b¾t ®Çu ch¸y (®é) Djz - Thêi gian ch¸y cña cña toµn bé qu¸ tr×nh ch¸y tÝnh theo gãc quay trôc khuûu vµ ®­îc tÝnh tõ thêi ®iÓm b¾t ®Çu ch¸y (®é) m - Th«ng sè ®Æc tr­ng ch¸y. Th«ng sè ch¸y m m« t¶ ®éng häc cña c¬ chÕ ph¶n øng, lµ th«ng sè ph¶n ¸nh sù thay ®æi theo thêi gian cña mËt ®é t­¬ng ®èi cña c¸c trung t©m ho¹t tÝnh trong qu¸ tr×nh ch¸y hay nãi c¸ch kh¸c m lµ th«ng sè ph¶n ¸nh diÔn biÕn qu¸ tr×nh ch¸y. Th«ng sè ®Æc tr­ng ch¸y cho phÐp ®¸nh gi¸ mét c¸ch chÝnh x¸c qu¸ tr×nh ch¸y vÒ mÆt l­îng. Gi¸ trÞ cña Djz vµ m th­êng phô thuéc vµo kiÓu buång ch¸y vµ ph­¬ng ph¸p h×nh thµnh hçn hîp khÝ, chÕ ®é t¶i cña ®éng c¬. Trong tÝnh to¸n c¸c gi¸ trÞ jc vµ m cã thÓ chän theo sè liÖu cho trong b¶ng (2.4)[8]. B¶ng 2.2: C¸c gi¸ trÞ lùa chän cña m vµ Djz phô thuéc vµo d¹ng ®éng c¬ vµ chÕ ®é lµm viÖc cña chóng Lo¹i ®éng c¬ ChÕ ®é lµm viÖc Djz m 1. §éng c¬ diesel phun gi¸n tiÕp trªn xe ca - Kh«ng t¨ng ¸p - Cã t¨ng ¸p - T¨ng ¸p cã lµm m¸t trung gian Tèc ®é ®Þnh møc 30%Tèc ®é ®Þnh møc Tèc ®é ®Þnh møc 30%Tèc ®é ®Þnh møc Tèc ®é ®Þnh møc 30%Tèc ®é ®Þnh møc 90 65 90 65 75 55 0,5 0,5 1,0 0,8 1,0 0,7 2. §éng c¬ diesel phun trùc tiÕp trªn xe ca - Kh«ng t¨ng ¸p - Cã t¨ng ¸p - T¨ng ¸p cã lµm m¸t trung gian Tèc ®é ®Þnh møc 30%Tèc ®é ®Þnh møc Tèc ®é ®Þnh møc 30%Tèc ®é ®Þnh møc Tèc ®é ®Þnh møc 30%Tèc ®é ®Þnh møc 80 55 75 55 75 55 0,4 0,4 0,9 0,7 1,0 0,7 3. §éng c¬ x¨ng - Qu¸ tr×nh ch¸y b×nh th­êng (®éng c¬ 2 xu p¸p) - Qu¸ tr×nh ch¸y b×nh th­êng (®éng c¬ 4 xu p¸p) - Qu¸ tr×nh ch¸y nhanh 1500V/ph 5000v/ph 1500V/ph 5000v/ph 60 65 60 65 45 50 2,3 1,9 2,5 2,1 2,6 2,6 ViÖc ¸p dông c«ng thøc cña Vibe ®Ó tÝnh to¸n quy luËt ch¸y vµ tèc ®é ch¸y cña nhiªn liÖu lµ hoµn toµn cã c¬ së v× nã tho¶ m·n c¸c ®iÒu kiÖn ch¸y b×nh th­êng sau: - T¹i thêi ®iÓm b¾t ®Çu qu¸ tr×nh ch¸y khi j = 0 th× x = 0 vµ = 0. - C¸c hµm x vµ lµ c¸c hµm liªn tôc kh«ng bÞ gi¸n ®o¹n theo j. - Trong qu¸ tr×nh ch¸y, gi¸ trÞ x sÏ t¨ng ®¬n ®iÖu tõ 0 ®Õn 100%. - T¹i th× ®iÓm cuèi qu¸ tr×nh ch¸y khi j = jc, c¸c ph¶n øng t¾t, dÇn tèc ®é ch¸y gi¶m dÇn vµ tiÕn ®Õn kh«ng. - Hµm lµ liªn tôc, cã gi¸ trÞ cùc ®¹i, gi¸ trÞ cùc ®¹i nµy sÏ kh«ng cè ®Þnh mµ phô thuéc vµo quy luËt ch¸y cña nhiªn liÖu, nghÜa lµ phô thuéc vµo c¸c gi¸ trÞ cña th«ng sè m vµ Djz. 2.4.3. X¸c ®Þnh quy luËt to¶ nhiÖt vµ tèc ®é to¶ nhiÖt khi ch¸y Quy luËt táa nhiÖt khi ch¸y lµ l­îng nhiÖt ®­îc gi¶i phãng th«ng qua qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu víi kh«ng khÝ vµ ph¸t triÓn theo thêi gian cña qu¸ tr×nh ch¸y. Quy luËt táa nhiÖt khi ch¸y rÊt quan träng quyÕt ®Þnh tíi c«ng suÊt vµ tÝnh kinh tÕ cña ®éng c¬ vµ phô thuéc vµo quy luËt ch¸y cña nhiªn liÖu. Quy luËt to¶ nhiÖt vµ tèc ®é to¶ nhiÖt khi ch¸y ®­îc x¸c ®Þnh theo quan hÖ sau [10]: (2.26) Trong ®ã: gct - L­îng nhiªn liÖu cÊp cho mçi chu tr×nh (kg/chu tr×nh). Hu - NhiÖt trÞ thÊp cña nhiªn liÖu (J/kg). Thay gi¸ trÞ cña tõ biÓu thøc (2.25) vµo (2.26) ta cã thÓ tÝnh ®­îc tèc ®é to¶ nhiÖt khi ch¸y theo gãc quay trôc khuûu: (2.27) 2.5. X¸c ®Þnh hÖ sè táa nhiÖt vµ tèc ®é trao ®æi nhiÖt ®èi l­u gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c vµ c¸c bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt 2.5.1. X¸c ®Þnh hÖ sè táa nhiÖt Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc cña ®éng c¬, gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c vµ thµnh buång ch¸y, bao gåm thµnh xi lanh, n¾p m¸y vµ ®Ønh pÝt t«ng cã sù trao ®æi nhiÖt. Qu¸ tr×nh nµy chñ yÕu gåm trao ®æi nhiÖt ®èi l­u vµ trao ®æi nhiÖt bøc x¹. Tuy nhiªn trong qu¸ tr×nh ch¸y l­îng nhiÖt trao ®æi b»ng bøc x¹ chØ chiÕm kho¶ng 3 - 5% so víi l­îng nhiÖt trao ®æi ®èi l­u [10]. Cßn c¸c qu¸ tr×nh cßn l¹i nh­ nÐn, gi·n në, trao ®æi khÝ còng nh­ qu¸ tr×nh l­u ®éng cña dßng khÝ th¶i trong ®­êng èng th¶i chñ yÕu lµ trao ®æi nhiÖt ®èi l­u. V× vËy, ®Ó x¸c ®Þnh l­îng nhiÖt trao ®æi gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c víi c¸c bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt ng­êi ta chØ xÐt ®Õn hiÖn t­îng trao ®æi nhiÖt ®èi l­u, cßn hiÖn t­îng trao ®æi nhiÖt bøc x¹ ®­îc xÐt ®Õn th«ng qua hÖ sè trong c«ng thøc tÝnh to¸n cña t¸c gi¶. PhÇn nhiÖt l­îng truyÒn tõ m«i chÊt c«ng t¸c cho c¸c bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt nãi trªn ®­îc gäi lµ phÇn tæn thÊt nhiÖt l­îng cña chu tr×nh do cã sù trao ®æi nhiÖt nãi trªn. §Æc tr­ng cho c­êng ®é trao ®æi nhiÖt gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c vµ c¸c bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt lµ hÖ sè táa nhiÖt. HÖ sè táa nhiÖt a ®­îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh øng suÊt nhiÖt cña ®éng c¬. Song song víi lÞch sö ph¸t triÓn ®éng c¬ th× viÖc nghiªn cøu x¸c ®Þnh hÖ sè to¶ nhiÖt còng ®­îc tiÕn hµnh. C¸c c«ng thøc ®iÓn h×nh cña nhiÒu t¸c gi¶ ®Ó x¸c ®Þnh hÖ sè táa nhiÖt a cã thÓ nãi ®Õn nh­ cña Nussel, Briling, Brisgop, Eichenberg, Wosni.., trong ®ã, b»ng nh÷ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ so s¸nh thÊy r»ng c«ng thøc cña Wosni cho kÕt qu¶ s¸t thùc tÕ h¬n. Do ®ã, trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n trao ®æi nhiÖt th­êng sö dông c«ng thøc tÝnh hÖ sè táa nhiÖt theo Wosni. C«ng thøc x¸c ®Þnh a cña Wosni (1978) [8]: (W/m2 0K) (2.28) Trong ®ã: C1 = 6,18 + 0,417 - §èi víi qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ C1 = 2,128 + 0,308 - §èi víi qu¸ tr×nh nÐn vµ d·n në C2 = 3,24.10-3 - §èi víi ®éng c¬ cã buång ch¸y thèng nhÊt C2 = 6,22.10-3 - §èi víi ®éng c¬ cã buång ch¸y ph©n chia pn - ¸p suÊt nÐn thuÇn tóy trong xi lanh khi kh«ng cã ch¸y (N/m2) Cm - Tèc ®é trung b×nh cña pÝt t«ng (m), (Cm = ) Cu - Tèc ®é quay (Cu =; nd = 8,5n) p - ¸p suÊt cña khÝ trong xi lanh (N/m2) T - NhiÖt ®é cña khÝ trong xi lanh (0K) pa - ¸p suÊt cuèi qu¸ tr×nh n¹p (N/m2) Ta - NhiÖt ®é cuèi qu¸ tr×nh n¹p (0K) Vh, Va - ThÓ tÝch c«ng t¸c vµ thÓ tÝch toµn phÇn cña xi lanh (m3) D - §­êng kÝnh cña xi lanh (m). 2.5.2. X¸c ®Þnh nhiÖt l­îng trao ®æi gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c víi c¸c bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt Theo lý thuyÕt vÒ truyÒn nhiÖt th× l­îng nhiÖt trao ®æi gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c víi thµnh buång ch¸y ®­îc x¸c ®Þnh theo ph­¬ng tr×nh to¶ nhiÖt cña Newton - Rixman nh­ sau [1]: , (J) (2.29) Hay: Trong ®ã: F - DiÖn tÝch bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt (m2). Ttd - NhiÖt ®é æn ®Þnh trung b×nh cña bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt (0K). T - NhiÖt ®é cña m«i chÊt trong xi lanh (0K). a - HÖ sè táa nhiÖt (W/m2 0K). t - Thêi gian x¶y ra qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt (s) j - Sè thø tù bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt riªng biÖt Ftdj - DiÖn tÝch bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt thø j (m2) Ttdj - NhiÖt ®é trung b×nh cña bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt thø j (0K). Do thêi gian x¶y ra qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt vµ gãc quay cña trôc khuûu j cã mèi quan hÖ cho nªn l­îng nhiÖt trao ®æi gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c víi c¸c bÒ mÆt thµnh buång ch¸y ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: (J/®é) (2.30) Trong ®ã n lµ tèc ®é quay cña trôc khuûu ®éng c¬ (vßng/phót) Theo ph­¬ng tr×nh (2.30) th× l­îng nhiÖt trao ®æi øng víi mét ®¬n vÞ thêi gian tÝnh theo gãc quay j cña trôc khuûu phô thuéc vµo hÖ sèto¶ nhiÖt a, diÖn tÝch bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt vµ ®é chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c vµ thµnh buång ch¸y, do hÖ sè to¶ nhiÖt vµ hai yÕu tè sau ®Òu thay ®æi theo gãc quay cña trôc khuûu nªn l­îng nhiÖt trao ®æi còng nh­ tèc ®é trao ®æi nhiÖt còng thay ®æi theo gãc quay j cña trôc khuûu ®éng c¬. T­¬ng øng víi mçi ph¹m vi nhá bÊt kú cña gãc quay trôc khuûu trong qu¸ tr×nh ®éng c¬ lµm viÖc Dji - i+1 = ji+1 - ji, ph­¬ng tr×nh (2.30) cã thÓ viÕt nh­ sau: Trong tÝnh to¸n, ng­êi ta th­êng sö dông dßng nhiÖt riªng trao ®æi (mËt ®é dßng nhiÖt) øng víi mét ®¬n vÞ thêi gian vµ øng víi mét ®¬n vÞ cña m«i chÊt c«ng t¸c, nªn c«ng thøc trªn cã thÓ viÕt tiÕp nh­ sau: (J/kg) Hay: (J/kg) 2.6. X¸c ®Þnh l­îng khÝ vµo, ra qua häng xu p¸p n¹p, th¶i trong qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ Khi thÓ tÝch xi lanh ®­îc th«ng víi c¸c ®­êng èng n¹p, èng th¶i th× qu¸ tr×nh l­u ®éng cña dßng khÝ sÏ ®i qua häng c¸c xu p¸p. H­íng l­u ®éng cña dßng khÝ khi vµo hoÆc ra khái xi lanh phô thuéc vµo ®é chªnh ¸p suÊt trong c¸c khoang thÓ tÝch nèi th«ng ®ã. L­u l­îng khÝ l­u ®éng qua l¹i c¸c xu p¸p n¹p, th¶i ®­îc x¸c ®Þnh tõ ph­¬ng tr×nh liªn tôc: dG = mFrCdt (kg/s) (2.31) Trong ®ã: m - HÖ sè l­u l­îng F - DiÖn tÝch l­u th«ng (m2) r - MËt ®é cña khÝ t¹i tiÕt diÖn l­u th«ng (kg/m3) C - VËn tèc cña dßng khÝ (m/s) t - Thêi gian (s). Tèc ®é l­u ®éng cña dßng khÝ hoÆc khÝ ch¸y qua tiÕt diÖn häng c¸c xu p¸p phô thuéc vµo ®é chªnh ¸p suÊt. NÕu trong qu¸ tr×nh l­u ®éng ®ã gi¶ thiÕt kh«ng cã sù trao ®æi nhiÖt víi m«i tr­êng (xem qu¸ tr×nh nµy lµ ®o¹n nhiÖt) th× ta cã: vµ (2.32) (2.33) Trong ®ã: T1, T2 - NhiÖt ®é ®Çu vµ cuèi qu¸ tr×nh (0K) p1, p2, - ¸p suÊt ®Çu vµ cuèi qu¸ tr×nh(N/m2) i1, i2, - Entanpi ®Çu vµ cuèi qu¸ tr×nh (J) K - HÖ sè mò ®o¹n nhiÖt cv, cp - NhiÖt dung riªng ®¼ng tÝch, ®¼ng ¸p cña khÝ (J/kg0K). KÕt hîp c¸c ph­¬ng tr×nh (2.32) vµ (2.33) víi ph­¬ng tr×nh (2.31), l­îng khÝ n¹p vµo vµ th¶i ra khái xi lanh qua häng c¸c xu p¸p n¹p vµ th¶i: (2.34) NÕu tÝnh theo sè vßng quay j cña trôc khuûu th× l­u l­îng ®ã ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: (2.35) T¹i thêi ®iÓm ®Çu cña qu¸ tr×nh th¶i khÝ lµ giai ®o¹n th¶i tù do, sau khi xu p¸p th¶i më nÕu tû sè gi÷a ¸p suÊt trªn ®­êng èng th¶i vµ ¸p suÊt khÝ trong xi lanh nhá h¬n hoÆc b»ng gi¸ trÞ giíi h¹n, nghÜa lµ: Khi ®ã ph¶i ¸p dông c«ng thøc v­ît ©m ®Ó tÝnh l­îng khÝ th¶i qua häng xu p¸p th¶i: (2.36) Trong ®ã: p - ¸p suÊt m«i chÊt c«ng t¸c trong xi lanh (N/m2) T - NhiÖt ®é m«i chÊt c«ng t¸c trong xi lanh (0K). Qu¸ tr×nh l­u ®éng cña dßng khÝ qua häng c¸c xu p¸p n¹p vµ th¶i, ®Æc biÖt trong giai ®o¹n trïng ®iÖp cña pha phèi khÝ lµ rÊt phøc t¹p. Do vËy ph¶i c¨n cø vµo ®é chªnh ¸p suÊt tr­íc vµ sau häng xu p¸p ®Ó cã ®­îc nh÷ng kÕt qu¶ tÝnh chÝnh x¸c l­îng khÝ n¹p, th¶i qua c¸c häng xu p¸p. D­íi ®©y chØ ®­a ra d¹ng c«ng thøc tæng qu¸t: (2.37) 2.7. X¸c ®Þnh khèi l­îng kh«ng khÝ vµ s¶n vËt ch¸y “s¹ch” trong thÓ tÝch xi lanh cña ®éng c¬ Khèi l­îng cña kh«ng khÝ vµ s¶n vËt ch¸y “s¹ch” trong thÓ tÝch xi lanh cña ®éng c¬ ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: (2.38) (2.39) Trong ®ã: Gkk, Gsvcs - Khèi l­îng kh«ng khÝ vµ s¶n phÈm ch¸y "s¹ch" trong thÓ tÝch xi lanh ®éng c¬ (kg) - Sè phÇn tr¨m s¶n phÈm ch¸y "s¹ch" trong thÓ tÝch xi lanh ®éng c¬ ry - Sè phÇn tr¨m s¶n phÈm ch¸y "s¹ch" trong ®­êng èng n¹p. NÕu kh«ng khÝ tõ ®­êng èng n¹p ®­îc n¹p vµo xi lanh th× ry = 0, cßn khi cã khÝ th¶i tõ ®­êng èng n¹p vµo xi lanh th× rx = ry. Sè 14,3kg/kg lµ l­îng kh«ng khÝ cÇn thiÕt lý thuyÕt ®Ó ®èt ch¸y hoµn toµn 1kg nhiªn liÖu theo khèi l­îng. 2.8. HÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n c¸c qu¸ tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ Trªn c¬ së ph­¬ng tr×nh (1.4) vµ c¸c ph­¬ng tr×nh m« t¶ tõng th«ng sè riªng biÖt thay ®æi theo gãc quay j cña trôc khuûu nh­ ®· tr×nh bµy trªn th× hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n m« t¶ m« h×nh tÝnh to¸n c¸c qu¸ tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ ®­îc thiÕt lËp nh­ sau: Tõ ph­¬ng tr×nh tr¹ng th¸i (1.1), ta cã: ®Ó tÝnh to¸n ¸p suÊt trong xi lanh ®éng c¬. Tõ hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n (2.40) ký hiÖu c¸c gi¸ trÞ th«ng sè lµ yi, cßn ®¹o hµm cña chóng lµ Yi ta cã b¶ng thø tù ký hiÖu nh­ sau (b¶ng 2.5): B¶ng 2.3: B¶ng ký hiÖu thø tù c¸c gi¸ trÞ th«ng sè vµ ®¹o hµm cña chóng trong hÖ ph­¬ng tr×nh (2.40) TT C¸c gi¸ trÞ vµ ®¹o hµm Ký hiÖu TT C¸c gi¸ trÞ vµ ®¹o hµm Ký hiÖu 1 T, y1,Y1 6 Gn, y6,Y6 2 Qnl, y2,Y2 7 Grn, y7,Y7 3 Qtd, y3,Y3 8 Gt, y8,Y8 4 Gkk, y4,Y4 9 Gtv, y9,Y9 5 Gspcs, y5,Y5 10 Gnl, y10,Y10 Mét c¸ch trùc quan vµ ®Ó thÓ hiÖn râ c¸c gi¸ trÞ trong hÖ ph­¬ng tr×nh (2.40) phô thuéc vµo gãc quay j cña trôc khuûu ®éng c¬, ta biÓu diÔn c¸c gi¸ trÞ ®¹o cña c¸c th«ng sè d­íi d¹ng s¬ ®å ngang (h×nh 2.2). C¸c ký hiÖu Yi nh­ trong b¶ng 2.5, trôc hoµnh biÓu diÔn c¸c vÞ trÝ gãc quay cña trôc khuûu t­¬ng øng víi pha phèi khÝ cña ®éng c¬ (jn, jdn, jt, jdt, jfs), trôc tung thÓ hiÖn c¸c gi¸ trÞ trong hÖ ph­¬ng tr×nh (2.40). PhÇn kh«ng t« ®Ëm cã gi¸ trÞ Yi = 0. 0 Y1 Y2 Y3 N¹p N¹p NÐn Ch¸y, gi·n në Th¶i Trïng ®iÖp §CD §CT jdn jfs jc jt jn jdt j Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 Y H×nh 2.2: Sù thay ®æi c¸c gi¸ trÞ Yi phô thuéc vµo gãc quay j cña trôc khuûu ®éng c¬ Trªn trôc hoµnh cña h×nh 2.2 biÓu diÔn c¸c vÞ trÝ theo gãc quay cña trôc khuûu t­¬ng øng: jdn - VÞ trÝ xu p¸p n¹p ®ãng jfs - VÞ trÝ b¾t ®Çu phun nhiªn liÖu vµo xi lanh jc - VÞ trÝ b¾t ®Çu ch¸y jt - VÞ trÝ xu p¸p th¶i më jn - VÞ trÝ xu p¸p n¹p më jdt - VÞ trÝ xu p¸p th¶i ®ãng §CT, §CD - §iÓm chÕt trªn, ®iÓm chÕt d­íi. §Ó thuËn tiÖn cho qu¸ tr×nh tÝnh to¸n chu tr×nh c«ng t¸c vµ x©y dùng thuËt to¸n ®Ó lËp ch­¬ng tr×nh tÝnh, c¨n cø vµo hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n (2.40) vµ h×nh 2.2 ta cã thÓ x©y dùng hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n cho tõng qu¸ tr×nh c«ng t¸c cô thÓ nh­ sau. 2.8.1. HÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n qu¸ tr×nh nÐn Qu¸ tr×nh nÐn thùc tÕ trong ®éng c¬ diesel ®­îc b¾t ®Çu tõ thêi ®iÓm ®ãng kÝn hoµn toµn xu p¸p n¹p cña c¬ cÊu phèi khÝ. Qu¸ tr×nh nÐn trong xi lanh ®éng c¬ cho phÐp më réng ph¹m vi nhiÖt ®é cña chu tr×nh c«ng t¸c, nh»m t¹o ra chÊt l­îng qu¸ tr×nh ch¸y tèt h¬n, nhiÖt ®é ch¸y cao vµ nhiÖt ®é cuèi qu¸ tr×nh gi·n në thÊp nh»m n©ng cao hiÖu suÊt nhiÖt cña chu tr×nh, ®¶m b¶o cho viÖc chuyÓn n¨ng l­îng tõ nhiÖt n¨ng sang c«ng cã Ých mét c¸ch cã hiÖu qu¶ nhÊt vµ tõ ®ã n©ng cao tÝnh kinh tÕ cña chu tr×nh c«ng t¸c ®éng c¬. DiÔn biÕn cña qu¸ tr×nh nÐn thùc tÕ trong ®éng c¬ v« cïng phøc t¹p v× trong ®ã cã sù thay ®æi vÒ trÞ sè vµ chiÒu h­íng truyÒn nhiÖt gi÷a m«i chÊt c«ng t¸c vµ thµnh buång ®èt. Cuèi qu¸ tr×nh nÐn t¹i thêi ®iÓm b¾t ®Çu phun nhiªn liÖu ph¶i t¹o ®­îc ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao trong xi lanh, b¶o ®¶m cho hçn hîp tù bèc ch¸y nµ kh«ng cÇn nguån löa tõ bªn ngoµi ë tÊt c¶ c¸c chÕ ®é c«ng t¸c cña ®éng c¬ còng nh­ løc b¾t ®Çu khëi ®éng ®éng c¬. C¨n cø vµo hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n (2.40) vµ viÖc ph©n tÝch c¸c th«ng sè t¸c ®éng vµo qu¸ tr×nh nÐn ta cã hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n qu¸ tr×nh nÐn nh­ sau: (2.41) 2.8.2. HÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n qu¸ tr×nh ch¸y – gi·n në Qu¸ tr×nh ch¸y trong ®éng c¬ lµ mét qu¸ tr×nh ho¸ lý v« cïng phøc t¹p. L­îng nhiÖt to¶ ra do cã qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu víi « xy cña kh«ng khÝ nÐn th«ng qua c¸c ph¶n øng « xy ho¸ cña c¸c cacbuahy®r« chøa trong nhiªn liÖu d­íi t¸c dông cña nhiÖt ®é, lóc ®Çu qu¸ tr×nh ch¸y ph¸t triÓn rÊt nhanh sau ®ã chËm l¹i. Toµn bé qu¸ tr×nh ch¸y trong ®éng c¬ diesel lµ qu¸ tr×nh ch¸y hçn hîp kh«ng ®ång nhÊt vµ phô thuéc vµo quy luËt cung cÊp nhiªn liÖu, cã thÓ chia thµnh hai giai ®o¹n lµ h×nh thµnh mµng löa vµ lan truyÒn mµng löa. Tèc ®é lan truyÒn mµng löa cïng víi tèc ®é ph¶n øng « xy ho¸ cña c¸c ph©n tö nhiªn liÖu sÏ quyÕt ®Þnh ®Õn thêi gian ®èt ch¸y khèi l­îng hçn hîp m«i chÊt c«ng t¸c cã trong thÓ tÝch buång ch¸y. C¨n cø vµo ®Æc ®iÓm cña qu¸ tr×nh ch¸y trong ®éng c¬ diesel vµ nh÷ng ph©n tÝch trªn, tõ hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n (2.40) ta cã hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n cña qu¸ tr×nh ch¸y nh­ sau: (2.42) 2.8.3. HÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ Qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ lµ tËp hîp hai qu¸ tr×nh th¶i s¶n vËt ch¸y ra khái xi lanh ®éng c¬ vµ n¹p khÝ n¹p míi vµo xi lanh. Qu¸ tr×nh nµy ®ãng mét vai trß rÊt quan träng ®èi víi chÊt l­îng cña qu¸ tr×nh ch¸y gi·n në v× qu¸ tr×nh biÕn ®æi tõ nhiÖt n¨ng thµnh c¬ n¨ng cña nhiªn liÖu trong qu¸ tr×nh ch¸y gi·n në phô thuéc rÊt nhiÒu vµo chÊt l­îng cña qu¸ tr×nh n¹p khÝ n¹p míi vµo xi lanh vµ quÐt s¹ch s¶n vËt ch¸y cña chu tr×nh tr­íc ®ã ra khái xi lanh. Tõ nh÷ng ®Æc ®iÓm cña qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ kÕt hîp víi ph­¬ng tr×nh (2.40) ta cã hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n cña qu¸ tr×nh nµy nh­ sau: §èi víi qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ, khi tÝnh to¸n ta cßn ph¶i ph©n chia thµnh nh÷ng kho¶ng nhá h¬n t­¬ng øng víi vÞ trÝ gãc quay trôc khuûu kh¸c nhau. Ch­¬ng 3 - LËp ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n vµ ¸p dông tÝnh to¸n kh¶o s¸t cho ®éng c¬ M503a 3.1. ThuËt to¸n vµ lËp tr×nh tÝnh to¸n. 3.1.1. Giíi thiÖu ch­¬ng tr×nh MATLAB. HiÖn nay cã rÊt nhiÒu c¸ch kh¸c nhau ®Ó gi¶i mét bµi to¸n kü thuËt trªn m¸y tÝnh, tuú theo tÝnh chÊt, yªu cÇu vµ ph­¬ng ph¸p gi¶i cña bµi to¸n cã thÓ sö dông phÇn mÒm tiÖn Ých hay c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh ®Ó gi¶i c¸c bµi to¸n ®ã sao cho ®¹t hiÖu qu¶ cao nhÊt. Trong c¸c bµi to¸n kü thuËt cã sö dông ph­¬ng ph¸p sè ®Ó gi¶i th× ch­¬ng tr×nh Matlab tá ra ®Æc biÖt hiÖu qu¶. Khi míi xuÊt hiÖn, ch­¬ng tr×nh Matlab ®­îc sö dông víi môc ®Ých gi¶ng d¹y lý thuyÕt ma trËn, ®¹i sè tuyÕn tÝnh vµ gi¶i tÝch sè. HiÖn nay, Matlab ®· v­ît ra khái khu«n khæ ®ã vµ trë thµnh mét c«ng cô lËp tr×nh vµ tÝnh to¸n c¸c bµi to¸n khoa häc kü thuËt. Nã cung cÊp c¸c ®Æc tÝnh quen thuéc víi c¸c gi¶i ph¸p øng dông ®Æc biÖt. Matlab lµ mét ng«n ng÷ kü thuËt bËc cao, lµ m«i tr­êng tÝnh to¸n ®a øng dông, Matlab cã kh¶ n¨ng rÊt to lín, nã tÝch hîp c¸c phÐp tÝnh, hiÓn thÞ, tr×nh bµy vµ thiÕt lËp ng«n ng÷ lËp tr×nh trong mét m«i tr­êng dÔ sö dông ë ®ã c¸c vÊn ®Ò vµ thuËt to¸n ®­îc biÓu diÔn b»ng c¸c ký hiÖu to¸n häc quen thuéc. Khi gi¶i c¸c bµi to¸n kü thuËt trªn Matlab cã nh÷ng ­u ®iÓm næi bËt nh­ sau: - §èi víi c¸c bµi to¸n kü thuËt liªn quan ®Õn ph­¬ng tr×nh vi ph©n vµ hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n b»ng ph­¬ng ph¸p sè, trong Matlab ®· x©y dùng s½n c¸c hµm ®Ó tÝnh víi b­íc tÝnh tèi ­u vµ cho phÐp b­íc tÝnh nhá tíi 10-16, sè b­íc gi¶i kh«ng h¹n chÕ do c¬ chÕ sö dông bé nhí ®éng tèi ­u ®¶m b¶o ®é héi tô khi gi¶i. - Matlab cho phÐp tÝnh to¸n c¸c biÓu thøc ký t­îng vµ cho gi¸ trÞ d­íi d¹ng nguyªn hµm. - Xö lý c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm mét c¸ch nhanh chãng, chÝnh x¸c th«ng qua c¸c ph­¬ng ph¸p b×nh ph­¬ng nhá nhÊt, xÊp xØ hµm, néi suy hµm... - Ngoµi ra Malab cßn cã rÊt nhiÒu c¸c hµm cho phÐp gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh vµ hÖ ph­¬ng tr×nh phøc t¹p rÊt dÔ dµng vµ thuËn tiÖn nh­ng cho kÕt qu¶ tin cËy vµ chÝnh x¸c. - Matlab cßn cho phÐp chóng ta kh¶o s¸t c¸c hÖ ®éng häc nhê khèi chøc n¨ng m« h×nh hãa vµ m« pháng cã s½n trong th­ viÖn Simulink trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ. Do cã rÊt nhiÒu ­u ®iÓm nªn Malab ®· ®­îc øng dông réng r·i trªn thÕ giíi còng nh­ ë ViÖt Nam. Trong c¸c tr­êng ®¹i häc, Matlab ®­îc sö dông nh­ mét c«ng cô ®Ó tÝnh to¸n, thiÕt kÕ trong häc tËp vµ nghiªn cøu..cßn trong s¶n suÊt, Matlab còng ®­îc dïng nh­ mét c«ng cô m¹nh ®Ó tÝnh to¸n thiÕt kÕ, nghiªn cøu ph¸t triÓn vµ ph©n tÝch.. ë n­íc ta hiÖn nay ®· cã rÊt nhiÒu c¸c nhµ khoa häc, c¸c c¸n bé kü thuËt,gi¸o viªn c¸c tr­êng sö dông Matlab lµm c«ng cô tÝnh to¸n chÝnh. ChÝnh v× thÕ ®Ó gi¶i quyÕt nhiÖm vô cña luËn v¨n nµy t«i ¸p dông Matlab ®Ó x©y dùng ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n m« pháng vµ kh¶o s¸t chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ diesel. 3.1.2. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè t¹i thêi ®iÓm b¾t ®Çu tÝnh cña chu tr×nh §Ó thuËn tiÖn khi nghiªn cøu riªng biÖt c¸c qu¸ tr×nh vµ toµn bé chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ khi sö dông ph­¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l­îng, viÖc tÝnh m« pháng chu tr×nh c«ng t¸c ®­îc chia thµnh hai phÇn: phÇn tÝnh trong xi lanh ®éng c¬ bao gåm c¸c qu¸ tr×nh nÐn, ch¸y - gi·n në tõ thêi ®iÓm xu p¸p n¹p ®· ®ãng kÝn jdn ®Õn thêi ®iÓm xu p¸p th¶i b¾t ®Çu më jt vµ phÇn cßn l¹i øng víi qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ gåm qu¸ tr×nh n¹p vµ th¶i. KÕt qu¶ tÝnh c¸c gi¸ trÞ ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é t¹i ®Çu qu¸ tr×nh nÐn vµ cuèi qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn sau: - ¸p suÊt ®Çu qu¸ tr×nh nÐn vµ cuèi qu¸ tr×nh gi·n në (N/m2) - NhiÖt ®é ®Çu qu¸ tr×nh nÐn vµ cuèi qu¸ tr×nh gi·n në (0K) ep, eT - ph¹m vi sai sè cho phÐp. Theo s¬ ®å h×nh 2.2, t¹i thêi ®iÓm b¾t ®Çu tÝnh c¸c qu¸ tr×nh, ®ång thêi còng lµ cña chu tr×nh c«ng t¸c ®­îc lùa chän t¹i thêi ®iÓm xu p¸p n¹p ®ãng jdn. C¸c th«ng sè t¹i thêi ®iÓm b¾t ®Çu tÝnh lµ pdn, Tdn, Vdn(edn), Gdn ®­îc ký hiÖu lµ yidn cÇn ph¶i x¸c ®Þnh tr­íc: (3.1) (3.2) Trong ®ã: pa - ¸p suÊt cña khÝ trong xi lanh cuèi qu¸ tr×nh n¹p t¹i vÞ trÝ ®iÓm chÕt d­íi (N/m2) Ta - NhiÖt ®é cña khÝ trong xi lanh cuèi qu¸ tr×nh n¹p t¹i vÞ trÝ ®iÓm chÕt d­íi (0K) edn - Tû sè nÐn cña ®éng c¬ khi pÝt t«ng n»m ë vÞ trÝ xu p¸p n¹p ®ãng n1 - ChØ sè nÐn ®a biÕn trung b×nh. NhiÖt ®é cña m«i chÊt c«ng t¸c trong xi lanh ë cuèi qu¸ tr×nh n¹p t¹i vÞ trÝ ®iÓm chÕt d­íi Ta, thÓ tÝch xi lanh t¹i thêi ®iÓm xu p¸p n¹p ®ãng Vdn vµ tû sè nÐn t­¬ng øng víi ®o¹n nÐn tõ ®iÓm chÕt d­íi ®Õn thêi ®iÓm xu p¸p n¹p ®ãng edn, ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: (3.3) (3.4) (3.5) (3.6) (3.7) Trong ®ã: e - Tû sè nÐn cña ®éng c¬ Tk - NhiÖt ®é khÝ n¹p sau m¸y nÐn (0K) (nÕu ®éng c¬ kh«ng t¨ng ¸p th× ®ã lµ nhiÖt ®é cña m«i tr­êng T0) p0, pk - ¸p suÊt khÝ n¹p t­¬ng øng víi ®iÒu kiÖn ¸p suÊt m«i tr­êng vµ sau m¸y nÐn (N/m2) DT - §é sÊy nãng khÝ n¹p míi (0K) gr - HÖ sè khÝ sãt Tr - NhiÖt ®é khÝ sãt (0K) c - ChØ sè nÐn cña m¸y nÐn. L­îng khÝ trong xi lanh t¹i thêi ®iÓm xu p¸p n¹p ®ãng: Gdn = Gkk + Gspcs Gkk - L­îng khÝ n¹p ®Çy vµo xi lanh t¹i thêi ®iÓm xu p¸p n¹p ®ãng (kg) Gspcs - L­îng khÝ sãt cßn l¹i xi lanh t¹i thêi ®iÓm xu p¸p n¹p ®ãng (kg) Trong ®ã Rkk =287,3 J/kg.0K vµ Rspcs =286 J/kg.0K. 3.1.3. L­u ®å thuËt to¸n tÝnh m« pháng chu tr×nh c«ng t¸c Dùa vµo c¸c th«ng sè ®Æc tr­ng cho chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ diesel ®· tr×nh bµy ë phÇn trªn tiÕn hµnh lËp s¬ ®å khèi. L­u ®å thuËt to¸n cña ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n m« pháng chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ diesel ¸p dông ph­¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l­îng ®­îc tr×nh bµy trªn h×nh 3.1. B¾t ®Çu NhËp sè liÖu ®Çu vµo X¸c ®Þnh c¸c hÖ sè, th«ng sè thay ®æi NhËp c¸c th«ng sè b¾t ®Çu tÝnh jdn £ j £ jfs jfs £ j £ jt jt £ j £ jdt jdt £ j £ jdn HÖ PTVP qu¸ tr×nh nÐn HÖ PTVP qu¸ tr×nh ch¸y, gi·n në HÖ PTVP qu¸ tr×nh n¹p HÖ PTVP qu¸ tr×nh th¶i, trïng ®iÖp VÏ ®å thÞ, in kÕt qu¶ KÕt thóc S § § § § S S S H×nh 3.1: L­u ®å thuËt to¸n tÝnh m« pháng c¸c qu¸ tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ 3.1.4. C¸c th«ng sè ®Çu vµo 1. C¸c th«ng sè vÒ kÕt cÊu vµ chÕ ®é lµm viÖc cña ®éng c¬ STT Tªn c¸c th«ng sè Ký hiÖu §¬n vÞ tÝnh 1 §­êng kÝnh xi lanh D m 2 Hµnh tr×nh pÝt t«ng S m 3 ChiÒu dµi thanh truyÒn L m 4 B¸n kÝnh quay cña trôc khuûu R m 5 ChiÒu cao buång ch¸y H m 6 ThÓ tÝch c«ng t¸c cña xi lanh Vh m3 7 ThÓ tÝch buång ch¸y Vc m3 8 HÖ sè kÕt cÊu l - 9 Tû sè nÐn cña ®éng c¬ e - 10 Sè vßng quay trôc khuûu ë chÕ ®é tÝnh n v/ph 11 HÖ sè n¹p cña ®éng c¬ hv - 12 Sè xi lanh cña ®éng c¬ - 13 Thêi ®iÓm më sím cña xu p¸p n¹p jn ®é 14 Thêi ®iÓm ®ãng muén cña xu p¸p n¹p jdn ®é 15 Thêi ®iÓm më sím cña xu p¸p th¶i jt ®é 16 Thêi ®iÓm ®ãng muén cña xu p¸p th¶i jdt ®é 17 Thêi ®iÓm phun sím nhiªn liÖu jfs ®é 18 Tèc ®é chuyÓn ®éng trung b×nh cña pÝt t«ng Cm m/s 19 HÖ sè l­u l­îng khÝ qua c¸c xu p¸p n¹p, th¶i mn, mt - 20 NhiÖt ®é trung b×nh æn ®Þnh cña ®Ønh pÝt t«ng Tpt 0K 21 NhiÖt ®é trung b×nh æn ®Þnh cña n¾p m¸y Tpt 0K 22 NhiÖt ®é trung b×nh æn ®Þnh cña thµnh xi lanh Txl 0K 23 NhiÖt ®é trung b×nh cña khÝ sãt Tr 0K 24 NhiÖt ®é ®Çu qu¸ tr×nh nÐn Tn 0K 25 ¸p suÊt ®Çu qu¸ tr×nh nÐn Pn N/m2 26 ¸p suÊt ®Çu qu¸ tr×nh n¹p Pk N/m2 27 ¸p suÊt khÝ sãt pr N/m2 28 HÖ sè d­ l­îng kh«ng khÝ a - 29 L­îng nhiªn liÖu cÊp cho chu tr×nh gct kg/ct 30 HÖ sè khÝ sãt gr - 2. C¸c th«ng sè vÒ kh«ng khÝ, nhiªn liÖu vµ c¸c h»ng sè kh¸c STT Tªn th«ng sè Ký hiÖu §¬n vÞ tÝnh 1 ¸p suÊt m«i tr­êng p0 N/m2 2 NhiÖt ®é m«i tr­êng T0 0K 3 H»ng sè chÊt khÝ cña s¶n vËt ch¸y Rspcs J/kg.0K 4 H»ng sè chÊt khÝ cña kh«ng khÝ Rkk J/kg.0K 5 NhiÖt trÞ thÊp cña nhiªn liÖu Hu J/kgnl 6 Khèi l­îng riªng cña kh«ng khÝ r kg/m3 7 Thêi gian ch¸y cña nhiªn liÖu Djz ®é 8 Th«ng sè ®Æc tr­ng ch¸y m - 3.1.5. Ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n: (Phô lôc 1) Ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n m« pháng chu tr×nh c«ng t¸c ®éng c¬ diesel theo ph­¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l­îng trªn phÇn mÒm Matlab ®­îc viÕt riªng cho tõng qu¸ tr×nh c«ng t¸c cña chu tr×nh ®éng c¬ diesel, viÖc tÝnh to¸n t¸ch biÖt nh­ vËy víi môc ®Ých lµ thuËn tiÖn cho ng­êi sö dông vµ còng dÔ dµng kiÓm tra møc ®é sai sè cña tõng qu¸ tr×nh ®Ó cã thÓ hiÖu chØnh c¸c th«ng sè ®Çu vµo cho hîp lý. VÒ mÆt lý thuyÕt ch­¬ng tr×nh nµy thÓ sö dông ®Ó tÝnh cho c¸c lo¹i ®éng c¬ diesel kh¸c nhau. PhÇn ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n ®­îc tr×nh bµy trong phô lôc 1, d­íi ®©y lµ cöa sæ lÖnh cña ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n: 3.2. ¸p dông tÝnh to¸n kh¶o s¸t chu tr×nh c«ng t¸c ®éng c¬ M503A 3.2.1. Giíi thiÖu chung vÒ ®éng c¬ M503A §éng c¬ M503 lµ lo¹i ®éng c¬ diesel cao tèc, h×nh sao, bèn kú, cã sö dông hÖ thèng t¨ng ¸p b»ng tua bin - m¸y nÐn. §éng c¬ M503A ®­îc sö dông ®Ó lai ch©n vÞt b­íc cè ®Þnh cña tµu phãng l«i líp 206M cña qu©n chñng H¶i qu©n vµ sau nµy ®­îc chuyÓn giao cho lùc l­îng C¶nh s¸t biÓn lµm nhiÖm vô tuÇn tiÔu b¶o vÖ bê biÓn. C¸c th«ng sè kü chiÕn thuËt chñ yÕu cña lo¹i tµu nµy vµ c¸c ®Æc ®iÓm kÕt cÊu cña lo¹i ®éng c¬ nµy ®­îc giíi thiÖu trong phô lôc 2. 3.2.2. ¸p dông ph­¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l­îng ®Ó tÝnh to¸n kh¶o s¸t chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ M503A. 1. C¸c th«ng sè ®Çu vµo a. C¸c th«ng sè vÒ kÕt cÊu vµ chÕ ®é lµm viÖc cña ®éng c¬ STT Tªn c¸c th«ng sè Ký hiÖu Gi¸ trÞ §¬n vÞ 1 §­êng kÝnh xi lanh D 0,16 m 2 Hµnh tr×nh pÝt t«ng S 0,17 m 3 ChiÒu dµi thanh truyÒn L 0,36 m 4 B¸n kÝnh quay cña trôc khuûu R 0,085 m 5 HÖ sè kÕt cÊu l 0,236 - 6 ChiÒu cao buång ch¸y H 0,015 m 7 ThÓ tÝch c«ng t¸c cña xi lanh Vh 0,0034 m3 8 ThÓ tÝch buång ch¸y Vc 0,0003 m3 9 Tû sè nÐn cña ®éng c¬ e 13 - 10 Gãc më sím cña xu p¸p n¹p jns 20 ®é 11 Gãc ®ãng muén cña xu p¸p n¹p jdnm 40 ®é 12 Gãc më sím cña xu p¸p th¶i jts 40 ®é 13 Gãc ®ãng muén cña xu p¸p th¶i jdtm 20 ®é 14 Gãc phun sím nhiªn liÖu jfsnl 23 ®é 15 Vßng quay trôc khuûu ë chÕ ®é tÝnh n 2000 v/ph 16 HÖ sè n¹p cña ®éng c¬ hv 0,95 - 17 VËn tèc trung b×nh cña pÝt t«ng Cm 11,33 m/s 18 HÖ sè l­u l­îng khÝ qua c¸c xu p¸p n¹p, th¶i mn, mt 0,8 - 19 NhiÖt ®é trung b×nh æn ®Þnh cña ®Ønh pÝt t«ng Tpt 600 0K 20 NhiÖt ®é trung b×nh æn ®Þnh cña n¾p m¸y Tnm 560 0K 21 NhiÖt ®é trung b×nh æn ®Þnh cña thµnh xi lanh Txl 550 0K 22 NhiÖt ®é trung b×nh cña khÝ sãt Tr 820 0K 23 NhiÖt ®é ®Çu qu¸ tr×nh n¹p Tk 398 0K 24 ¸p suÊt khÝ sãt pr 1,4.105 N/m2 25 NhiÖt ®é ®Çu qu¸ tr×nh nÐn Tn 413 0K 26 ¸p suÊt ®Çu qu¸ tr×nh n¹p Pk 2,1.105 N/m2 27 ¸p suÊt cuèi qu¸ tr×nh n¹p pn 2,5.105 N/m2 28 NhiÖt ®é khÝ th¶i trong ®­êng th¶i Tt 800 0K 29 ¸p suÊt khÝ th¶i trong ®­êng th¶i Pt 2.105 N/m2 30 HÖ sè d­ l­îng kh«ng khÝ a 1,8 - 31 L­îng nhiªn liÖu cÊp cho chu tr×nh gct 29.10-5 kg/ct 32 HÖ sè khÝ sãt gr 0,04 - b. C¸c th«ng sè vÒ kh«ng khÝ, nhiªn liÖu vµ c¸c h»ng sè kh¸c STT Tªn th«ng sè Ký hiÖu §¬n vÞ §¬n vÞ tÝnh 1 ¸p suÊt m«i tr­êng p0 105 N/m2 2 NhiÖt ®é m«i tr­êng T0 298 0K 3 H»ng sè chÊt khÝ cña s¶n vËt ch¸y Rspcs 286 J/kg.0K 4 H»ng sè chÊt khÝ cña kh«ng khÝ Rkk 287,3 J/kg.0K 5 NhiÖt trÞ thÊp cña nhiªn liÖu Hu 42,5.106 J/kgnl 6 N¨ng l­îng kÝch ho¹t ch¸y E 23.103 J/mol 6 Khèi l­îng riªng cña kh«ng khÝ r 3,9 kg/m3 7 Thêi gian ch¸y cña nhiªn liÖu Djz 75 ®é 8 Th«ng sè ®Æc tr­ng ch¸y m 0,7 - 2. KÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ ®¸nh gi¸: C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n m« pháng cã thÓ ®­îc tr×nh bµy d­íi d¹ng b¶ng hoÆc ®å thÞ. Trong phÇn thuyÕt minh chØ tr×nh bµy nh÷ng kÕt qu¶ d­íi d¹ng ®å thÞ trùc quan, cßn kÕt qu¶ d­íi d¹ng b¶ng ®­îc ®­a ra trong phô lôc 3. Tõ nh÷ng kÕt qu¶ ®· tr×nh bµy ë trªn cho thÊy víi c¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu ®· cã, ®èi víi ®éng c¬ M503A khi lµm viÖc ë chÕ ®é ®Þnh møc diÔn biÕn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é trong xi lanh ®éng c¬ trong c¸c qu¸ tr×nh c«ng t¸c lµ phï hîp (pmax = 9,6.106N/m2; Tmax = 17690K). Trªn c¸c h×nh 3.1; 3.2; 3.3; 3.4 giíi thiÖu c¸c ®­êng cong nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cña m«i chÊt c«ng t¸c trong xi lanh ®éng c¬ øng víi c¸c qu¸ tr×nh nÐn, ch¸y - gi·n në vµ qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ. 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 1800 j T(0K) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 H×nh 3.2. §å thÞ biÕn thiªn nhiÖt ®é trong xi lanh ®éng c¬ M503A cña qu¸ tr×nh nÐn - ch¸y - gi·n në. 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 j 100 p.105(N/m2) 80 60 40 20 0 1000 800 600 400 200 0 T(0K) j 500 550 600 650 700 750 800 850 900 940 H×nh 3.3. §å thÞ biÕn thiªn ¸p suÊt trong xi lanh ®éng c¬ M503A cña qu¸ tr×nh nÐn - ch¸y - gi·n në. H×nh 3.4. §å thÞ biÕn thiªn nhiÖt ®é trong xi lanh ®éng c¬ M503A cña qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ. 500 550 600 650 700 750 800 850 900 940 j p.105(N/m2) 7 6 5 4 3 2 1 0 H×nh 3.5. §å thÞ biÕn thiªn ¸p suÊt trong xi lanh ®éng c¬ M503A cña qu¸ tr×nh trao ®æi khÝ. 3. Kh¶o s¸t mét sè ¶nh h­ëng ®Õn ®Æc tÝnh ph¸t triÓn nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt trong qu¸ tr×nh ch¸y cña ®éng c¬ M503A. §èi víi ®éng c¬ diesel nãi chung cã rÊt nhiÒu yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh ch¸y bao gåm c¸c yÕu tè vÒ kÕt cÊu còng nh­ c¸c yÕu tè khai th¸c nh­ tû sè nÐn, kÕt cÊu buång ch¸y, chÊt l­îng phun t¬i, ¸p suÊt t¨ng ¸p cho ®éng c¬, tÝnh chÊt cña nhiªn liÖu sö dông, gãc phun sím nhiªn liÖu, thµnh phÇn cña hçn hîp khÝ,… Trong tr­êng hîp cô thÓ ®èi víi ®éng c¬ M503A, ta chØ xÐt hai yÕu tè cã liªn quan ®Õn khai th¸c sö dông lµ gãc phun sím nhiªn liÖu vµ vÞ trÝ tay ®iÒu khiÓn theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt, cßn c¸c yÕu tè kh¸c trong thùc tÕ lµ kh«ng thay ®æi ®­îc: a. Gãc phun sím nhiªn liÖu Gãc phun sím nhiªn liÖu cã ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh ch¸y cña ®éng c¬, th­êng khi gãc phun sím nhiªn liÖu lín th× giai ®o¹n ch¸y trÔ sÏ t¨ng v× ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cña kh«ng khÝ lóc b¾t ®Çu phun nhiªn liÖu cßn thÊp. Tèc ®é t¨ng trung b×nh cña ¸p suÊt t¨ng do phÇn lín nhiªn liÖu ch¸y khi thÓ tÝch xi lanh lµ nhá nhÊt. Gãc phun sím nhiªn liÖu nhá th× giai ®o¹n ch¸y trÔ gi¶m, ®éng c¬ lµm viÖc ªm h¬n nh­ng c«ng suÊt cña ®éng c¬ gi¶m, qu¸ tr×nh ch¸y cña ®éng c¬ sÏ kh«ng kiÖt v× mét phÇn nhiªn liÖu sÏ ch¸y trªn ®­êng gi·n në. §èi víi ®éng c¬ M503A, th«ng th­êng theo thiÕt kÕ khi ®éng c¬ lµm viÖc ë chÕ ®é ®Þnh møc gãc phun sím nhiªn liÖu lµ 230, tuy nhiªn trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng cña c¸c tµu cã l¾p ®Æt ®éng c¬ nµy ngoµi gi¸ trÞ nãi trªn th­êng sö dông gãc phun sím nhiªn liÖu ë hai gi¸ trÞ 200 vµ 280 (c¸c gi¸ trÞ nµy do nhµ m¸y X50 cña Qu©n chñng H¶i qu©n tiÕn hµnh ®iÒu chØnh khi c¸c tµu ®­a vµo nhµ m¸y ®Ó söa ch÷a, sù ®iÒu chØnh nµy ®­îc thùc hiÖn th«ng qua c¬ cÊu tù ®éng thay ®æi gãc phun sím nhiªn liÖu). T(0K) jfs = 280 jfs = 230 jfs = 200 j Tõ c¸c gi¸ trÞ nµy thay vµo ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n ®Ó thÊy râ ¶nh h­ëng cña gãc phun sím nhiªn liÖu ®Õn qu¸ tr×nh ch¸y cña ®éng c¬ M503A. Trªn h×nh 3.6; 3.7 giíi thiÖu kÕt qu¶ kh¶o s¸t ¶nh h­ëng cña gãc phun sím nhiªn liÖu tíi ®Æc tÝnh ph¸t triÓn nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cña qu¸ tr×nh ch¸y - gi·n në trong xi lanh ®éng c¬ M503A. H×nh 3.6: ¶nh h­ëng cña gãc phun sím nhiªn liÖu tíi sù thay ®æi nhiÖt ®é trong qu¸ tr×nh ch¸y - gi·n në p.105(N/m2) 100 80 60 40 20 0 jfs = 280 jfs = 230 jfs = 200 j 320 340 360 460 480 500 380 400 440 420 H×nh 3.7: ¶nh h­ëng cña gãc phun sím nhiªn liÖu tíi sù thay ®æi ¸p suÊt trong qu¸ tr×nh ch¸y - gi·n në C¸c gi¸ trÞ cùc ®¹i cña nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ vÞ trÝ cña chóng khi thay ®æi gãc phun sím nhiªn liÖu ®­îc giíi trong b¶ng 3.1. B¶ng 3.1: Gi¸ trÞ cùc ®¹i cña nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt trong xi lanh khi thay ®æi gãc phun sím nhiªn liÖu (n = 2000v/ph; gct = 0,29g) STT jfs(®é) Tmax(0K) pmax(N/m2) jTmax(®é) jpmax (®é) 1 20 1693 9,14.106 376 359 2 23 1769 9,4.106 372 360 3 28 1833 9,45.106 367 361 Tõ c¸c kÕt qu¶ trªn c¸c h×nh 3.6; 3.7 vµ b¶ng 3.1 thÊy r»ng khi t¨ng gãc phun sím nhiªn liÖu th× c¸c gi¸ trÞ cùc ®¹i cña nhiÖt ®é, ¸p suÊt ®Òu t¨ng lªn nghÜa lµ ®éng c¬ lµm viÖc ®anh h¬n, tr¹ng th¸i nhiÖt cao h¬n so víi khi lµm viÖc víi gi¸ trÞ gãc phun sím nhiªn liÖu nhá h¬n. Song khi t¨ng gãc phun sím nhiªn liÖu th× thêi ®iÓm ®¹t Tmax gÇn ®iÓm chÕt trªn h¬n, cô thÓ vÞ trÝ ®ã gi¶m tõ 3760 xuèng cßn 3670 ®iÒu nµy chøng tá nhiªn liÖu ®­îc ch¸y trong ®iÒu kiÖn thÓ tÝch xi lanh nhá, tæn thÊt nhiÖt Ýt do vËy tÝnh kinh tÕ t¨ng lªn. b. ChÕ ®é t¶i theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt ChÕ ®é t¶i cña ®éng c¬ diesel trong ho¹t ®éng thùc tÕ rÊt phøc t¹p vµ rÊt khã cã thÓ x¸c ®Þnh chÝnh x¸c ®­îc, do ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña ®éng c¬ rÊt ®a d¹ng phong phó. §èi víi c¸c ®éng c¬ diesel chÝnh ®­îc l¾p ®Æt trªn tµu dïng ®Ó lai ch©n vÞt, ®éng c¬ ph¶i lµm viÖc theo ®­êng ®Æc tÝnh ch©n vÞt. ChÝnh v× thÕ viÖc x¸c ®Þnh chÕ ®é t¶i cho ®éng c¬ l¹i cµng khã kh¨n h¬n nhiÒu, bëi ¶nh h­ëng cña c¸c ®iÒu kiÖn lµm viÖc trªn m«i tr­êng biÓn cã nhiÒu yÕu tè bÊt æn h¬n so víi c¸c ®éng c¬ tÜnh t¹i. Tuy nhiªn, chÕ ®é phô t¶i cña ®éng c¬ cã thÓ ®­îc ph¶n ¸nh th«ng qua sù thay ®æi vÞ trÝ tay ®iÒu khiÓn l­îng cung cÊp nhiªn liÖu cho chu tr×nh cña ®éng c¬ gct, cã nghÜa lµ khi t¶i t¨ng th× l­îng nhiªn liÖu cung cÊp cho chu tr×nh t¨ng lªn vµ ng­îc l¹i khi t¶i gi¶m th× l­îng nhiªn liÖu cung cÊp cho chu tr×nh còng gi¶m ®i. Riªng víi ®éng c¬ diesel lai ch©n vÞt th× khi t¶i t¨ng th× ®ång thêi l­îng nhiªn liÖu cung cÊp cho chu tr×nh vµ sè vßng quay t¨ng lªn vµ ng­îc l¹i khi t¶i gi¶m th× ®ång thêi l­îng nhiªn liÖu cung cÊp cho chu tr×nh vµ sè vßng quay còng gi¶m ®i §èi víi ®éng c¬ M503A l¾p trªn tµu, theo kÕt qu¶ ®o ®¹c cô thÓ l­îng cung cÊp nhiªn liÖu cña b¬m cao ¸p theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt t¹i nhµ m¸y X50 - Qu©n chñng H¶i qu©n ®­îc cho theo b¶ng 3.2 nh­ sau: B¶ng 3.2: §Æc tÝnh cÊp nhiªn liÖu cña b¬m cao ¸p ®éng c¬ M503A theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt Vßng quay (V/ph) Thêi gian ®o (s) Sè chu tr×nh L­îng nhiªn liÖu (ml) L­îng nhiªn liÖu/ chu tr×nh (ml) (g) 2000 113 1883.3 633 0,336 0,29 1750 186 2712.5 633 0,233 0,201 1500 80 1000 216 0,216 0.187 500 300 1250 113 0,090 0,078 C¨n cø vµo b¶ng sè liÖu trªn ®Ó xÐt ¶nh h­ëng cña l­îng cung cÊp nhiªn liÖu cho chu tr×nh ®éng c¬ M503A, ta xÐt c¸c gi¸ trÞ sau: + gct1 = 0,29g/ct øng víi n = 2000 v/ph. + gct2 = 0,201 g/ct øng víi n = 1750 v/ph. + gct3 = 0,187 g/ct øng víi n = 1500 v/ph. Thay c¸c gi¸ trÞ vµo ch­¬ng tr×nh tÝnh to¸n ®Ó kh¶o s¸t ¶nh h­ëng cña phô t¶i. Trªn c¸c h×nh 3.8; 3.9 giíi thiÖu kÕt qu¶ kh¶o s¸t ¶nh h­ëng cña phô t¶i theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt tíi ®Æc tÝnh ph¸t triÓn ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cña qu¸ tr×nh ch¸y trong xi lanh ®éng c¬ M503A. j gct3 gct2 gct1 T(0K) H×nh 3.8: ¶nh h­ëng cña chÕ ®é phô t¶i theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt tíi sù thay ®æi nhiÖt ®é ch¸y trong xi lanh ®éng c¬ M503A. j gct3 gct1 gct2 p.105(N/m2) 320 340 360 380 400 420 80 40 20 0 60 100 440 460 480 500 H×nh 3.9: ¶nh h­ëng cña chÕ ®é phô t¶i theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt tíi sù thay ®æi ¸p suÊt ch¸y trong xi lanh ®éng c¬ M503A. gct1 gct2 gct3 1000 2000 1500 0 500 H×nh 3.10: ¶nh h­ëng cña chÕ ®é phô t¶i theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt tíi ®Æc tÝnh ph¸t triÓn tèc ®é to¶ nhiÖt khi ch¸y trong xi lanh ®éng c¬ M503A. Trªn h×nh 3.10 giíi thiÖu kÕt qu¶ kh¶o s¸t ¶nh h­ëng cña phô t¶i theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt tíi ®Æc tÝnh ph¸t triÓn tèc ®é to¶ nhÞªt cña ®éng c¬ M503A. C¸c gi¸ trÞ cùc ®¹i cña nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ tèc ®é to¶ nhiÖt khi ch¸y vµ vÞ trÝ ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i cña chóng ®­îc giíi thiÖu trong b¶ng 3.3 B¶ng 3.3: Gi¸ trÞ cùc ®¹i cña nhiÖt ®é, ¸p suÊt trong xi lanh khi thay ®æi chÕ ®é t¶i theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt cña ®éng c¬ M503A. TT gct (g) Tmax (0K) pmax (N/m2) ()max (J/®é) jTmax (®é) jpmax (®é) j()max 1 0,29 1769 9,4.106 16606 372 360 351,5 2 0,201 1451 8,5.106 15843 370 357 351 3 0,187 1366 8,23.106 13443 369 356 350,5 Tõ kÕt qu¶ kh¶o s¸t trªn ®©y, ta thÊy khi phô t¶i t¨ng lªn hay nãi c¸ch kh¸c khi gct t¨ng ®ång thêi cïng víi viÖc t¨ng sè vßng quay theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt th× c¸c gi¸ trÞ Tmax, pmax, ()max còng t¨ng theo, ®ång thêi cßn lµm cho qui luËt ph¸t triÓn nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt trªn ®­êng gi·n në cao h¬n. Nh­ vËy, khi gct t¨ng ®ång thêi cïng víi viÖc t¨ng sè vßng quay theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt lµm c«ng cña chu tr×nh t¨ng lªn, nghÜa lµ lµm t¨ng c«ng suÊt chØ thÞ vµ c«ng cã Ých còng t¨ng theo. Nh­ng khi gct t¨ng th× c¸c vÞ trÝ gãc quay trôc khuûu ®Ó nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i cã xu h­íng dÞch chuyÓn sang phÝa sau ®iÓm chÕt trªn. Tuy sù dÞch chuyÓn kh«ng nhiÒu nh­ng ®iÒu ®ã còng gi¶i thÝch ®­îc v× sao khi gct t¨ng ®ång thêi cïng víi viÖc t¨ng sè vßng quay theo ®Æc tÝnh ch©n vÞt th× tÝnh kinh tÕ cña ®éng c¬ l¹i gi¶m v× qu¸ tr×nh ch¸y cã xu h­íng dÞch chuyÓn sang ®­êng gi·n në, nghÜa lµ kÐo dµi qu¸ tr×nh ch¸y cña nhiªn liÖu ®©y lµ ®iÒu kh«ng mong muèn trong qu¸ tr×nh khai th¸c ®éng c¬. 3.3. KÕt luËn ch­¬ng 3 Tõ m« h×nh tÝnh to¸n m« pháng chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ diesel, tõ hÖ ph­¬ng tr×nh tæng qu¸t (2.40) vµ hÖ ph­¬ng tr×nh cña tõng qu¸ tr×nh (2.41), (2.42), (2.43) cña ch­¬ng 2, trong ch­¬ng 3 nµy ®· tiÕn hµnh lËp tr×nh b»ng Matlab vµ tiÕn hµnh tÝnh to¸n m« pháng chu tr×n c«ng t¸c cña ®éng c¬ M503A lµ lo¹i ®éng c¬ diesel 4 kú t¨ng ¸p ®­îc l¾p trªn c¸c tµu chiÕn cña H¶i qu©n vµ C¶nh s¸t biÓn ViÖt Nam. C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n m« pháng vµ kh¶o s¸t cho kÕt qu¶ vÒ c¸c quy luËt nhiÖt ®éng cña chu tr×nh c«ng t¸c nh­ nhiÖt ®é, ¸p suÊt ®Òu n»m trong miÒn giíi h¹n vµ ®óng quy luËt. KÕt luËn Trong qu¸ tr×nh lµm luËn v¨n, qua kÕt qu¶ ®¹t ®­îc tõ néi dung cña luËn v¨n c¬ b¶n gi¶i quyÕt ®­îc mét sè vÊn ®Ò sau: 1. §· ph©n tÝch râ ®­îc b¶n chÊt cña ph­¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l­îng dïng ®Ó tÝnh to¸n m« pháng chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ diesel. Trªn c¬ së ®ã x©y dùng hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n tæng qu¸t còng nh­ hÖ ph­¬ng tr×nh vi ph©n cho tõng qu¸ tr×nh c«ng t¸c cña chu tr×nh, rÊt thuËn tiÖn cho viÖc tÝnh to¸n m« pháng vµ kh¶o s¸t. 2. Víi m« h×nh ®Ó x©y dùng theo ph­¬ng ph¸p c©n b»ng n¨ng l­îng, c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n m« pháng rÊt phong phó, võa x¸c ®Þnh ®­îc c¸c quy luËt nhiÖt ®éng theo gãc quay cña trôc khuûu (p, T, Qnl, Qtd, Gkk, Gspcs.. = f(j)), võa x¸c ®Þnh ®­îc vÞ trÝ ®¹t ®­îc c¸c gi¸ trÞ cùc ®¹i cña chóng nªn rÊt thuËn tiÖn cho viÖc kh¶o s¸t ®¸nh gi¸ chu tr×nh. 3. Víi m« h×nh tÝnh to¸n ®· ®­îc thiÕt lËp vµ sö dông ng«n ng÷ lËp tr×nh Matlab ®Ó gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh vi ph©n, nhê c¸c c«ng cô gi¶i m¹nh cña nã gióp cho qu¸ tr×nh tÝnh to¸n ®­îc thùc hiÖn nhanh chãng, thuËn tiÖn vµ cho kÕt qu¶ chÝnh x¸c cã ®é tin cËy cao v× c¸c b­íc tÝnh ®· ®­îc tèi ­u ho¸. 4. §éng c¬ M503A lµ lo¹i ®éng c¬ diesel 4 kú t¨ng ¸p, ®­îc sö dông réng r·i trªn c¸c tµu chiÕn cña Qu©n chñng H¶i qu©n vµ mét sè tµu cña C¶nh s¸t biÓn ViÖt Nam. Do vËy viÖc ¸p dông m« h×nh tÝnh to¸n nãi trªn cho ®éng c¬ M503A cã ý nghÜa thùc tiÔn trong qu¸ tr×nh khai th¸c, sö dông ®éng c¬ nhÊt lµ ®ßi hái vÒ ¶nh h­ëng cña gãc phun sím nhiªn liÖu tíi diÔn biÕn cña chu tr×nh do phßng kü thuËt ®Ò ra. Nã gióp cho ng­êi khai th¸c n¾m b¾t ®­îc tr¹ng th¸i lµm viÖc cña ®éng c¬ trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng, gióp kÐo dµi tuæi thä vµ t¨ng tÝnh kinh tÕ cña ®éng c¬. 5. Víi viÖc ¸p dông m« h×nh tÝnh to¸n trªn, ®èi víi ®éng c¬ M503A cho ra kÕt qu¶ phï hîp. Tõ m« h×nh trªn cã thÓ ¸p dông cho c¸c lo¹i ®éng c¬ diesel kh¸c khi cã ®Çy ®ñ c¸c th«ng sè ®Çu vµo cÇn thiÕt. Tuy nhiªn viÖc ¸p dông tÝnh cho mét ®éng c¬ cô thÓ M503A cßn mang tÝnh lý thuyÕt, ch­a cã ®iÒu kiÖn thùc nghiÖm ®Ó ®o diÔn biÕn ¸p suÊt trong xi lanh ®éng c¬, do vËy nÕu cã ®iÒu kiÖn cÇn tÝnh cho mét ®éng c¬ kh¸c mµ ®· cã kÕt qu¶ ®o thùc nghiÖm ®Ó ®¸nh gi¸ hoµn thiÖn m« h×nh tÝnh. Cßn trong luËn v¨n t¸c gi¶ tÝnh cho ®éng c¬ M503A lµ do yªu cÇu thùc tÕ ®ßi hái. Tµi liÖu tham kh¶o TiÕng ViÖt 1. Ph¹m Lª DÇn, Bïi H¶i (2000), NhiÖt ®éng kü thuËt, Nxb Khoa häc kü thuËt. 2. L¹i V¨n §Þnh, Vy H÷u Thµnh (2003), KÕt cÊu tÝnh to¸n ®éng c¬ ®èt trong, phÇn II, Häc viÖn Kü thuËt qu©n sù. 3. Bïi V¨n Ga vµ c¸c t¸c gi¶ (1997), M« h×nh ho¸ qu¸ tr×nh ch¸y cña ®éng c¬ ®èt trong, Nhµ xuÊt b¶n Gi¸o dôc, Hµ néi. 4. Hµ Quang Minh (2002), Lý thuyÕt ®éng c¬ ®èt trong, Nhµ xuÊt b¶n Qu©n ®éi nh©n d©n, Hµ néi. 5. Hµ Quang Minh(1992), Nh÷ng néi dung chÝnh trong nghiªn cøu vµ tÝnh to¸n chu tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬, Häc viÖn Kü thuËt qu©n sù. 6. TrÇn V¨n TÕ (1997), “Bµi gi¶ng sau §¹i häc: Trao ®æi nhiÖt cña ®éng c¬ ®èt trong”, §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi. 7. Lª §×nh Vò (2000), Nghiªn cøu m« h×nh tÝnh c¸c qu¸ tr×nh c«ng t¸c cña ®éng c¬ khi sö dông hÖ thèng t¨ng ¸p kiÓu tua bin xung, LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt, Häc viÖn kü thuËt qu©n sù, Hµ néi. TiÕng Anh 8. AVL (1998), Thermodynamic cycle simulation Boost, Boost users guide, version 3.2. TiÕng Nga 9. Балакин В.И и др(1974), Топливная аппаратура быстроходых дизелей, Машиностроениеб Лениград. 10. Володин А.Н (1985), Моделирование на ЭВМ работы тепловозных дизелей, Транспорт Москва. 11. Вибе И.И (1962), Новое о рабочем цикле двигателей, Москва свердловск машгиз. 12. Глаголев Н.М (1950), Рабочие проссесы двигателей внутреннего сгорания, Машгиз.