Phân tích cơ sở lý thuyết xác định hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ điêzen

DCDDCT Hình 2 - 2. Đồ thị công p - V của động cơ điêzen bốn kỳ. DCDDCT vs P z f c c 1n V d b 1xd 1xb Hình 2 - 3. Đồ thị công p - V của động cơ điêzen 2 kỳ. Tích phân chu trình (2.40) là tổng tích phân của các quá trình tạo nên chu trình đó. Vì vậy đối với động cơ 4 kỳ.                               xa o chaygianno o nen o hut o h i ppppdVppdVppVp 1 (N/m2) (2.41) Đối với động cơ 2 kỳ:                     chaygianno o nen o h i ppdVppVp 1 ;(N/m2) (2.42) Giá trị của các số hạng trong hai biểu thức (2.41), (2.42) trên thể hiện qua diện tích đồ thị công (trên đồ thị p - V), giữa đường P của quá trình và đường po, còn dấu của mỗi số hạng lại phụ thuộc vào dấu của hai thừa số (p – po) và dV trong số hạng đó. Nếu hai thừa số trên cùng dấu thì tích phân sẽ có dấu (+), ngược lại khác dấu, thì tích phân sẽ có dấu trừ (p – po) > 0 nếu p > po và ngược lại, còn dV > 0 nếu thể tích xilanh tăng và ngược lại. Mỗi tích phân trong hai biểu thức trên xác định số lượng công của mỗi chu trình (hút, nén, cháy - giãn nở hoặc xả).   xa o hut o dVpdVp và    nen o giannochay o dVpdVp (2.43) Nên hai biểu thức trên được viết thành:              hut nen giannochay xah i pdVpdVpdVpdVVp 1 ; (N/m2) (2.44) Và            nen giannochayh i pdVpdVVp 1 ; (N/m2) (2.45) Đồ thị công p = f(V) hoặc p = f  (trong đó  là góc quay trục khuỷu) là do thiết bị xác định đồ thị vẽ ra khi động cơ hoạt động. Tung độ của đồ thị phản ánh các giá trị của áp suất trong xilanh, còn hoành độ của đồ thị là vị trí của đỉnh pittong hoặc vị trí bán kính quay của trục khuỷu, phản ánh thể tích của xilanh . Khái niệm về áp suất chỉ thị trung bình là một khái niệm quan trọng, thường gặp trong các giáo trình và các tài liệu nghiên cứu về động cơ đốt trong. Do đó cần phải làm sáng tỏ thêm một vài khía cạnh của khái niệm này. Thực hiện tích phân đồ thị theo đồ thị công (Hình 2-2: 2-3) và dựa theo các tích phân trong móc vuông của các biểu thức (2.41), (2.44) sẽ xác định được diện tích f, thể hiện công chỉ thị của chu trình công tác.        fff ; (mm 2) (2.46) trong đó: F(+) - diện tích công dương của chu trình, chiều diễn biến thuận chiều kim đồng hồ. F(-) - diện tích công âm của chu trình, chiều diễn biến ngược chiều kim đồng hồ. Nếu tỷ lệ xích tung độ (áp suất) là: mp (Mpa/mm ) và tỷ lệ xích hoành độ (thể tích V) là mv (m3) thì công chỉ thị của chu trình là: mmfL VPi .. ; (N.m) (2.47) Thể tích công tác Vh (m3) được xác định bằng l (mm) trên đồ thị với tỷ lệ xích mv ( m3/mm) do đó Vh = l.mv (m3) ml f p Pi  ; (N/m 2) (2.48) Nếu gọi h = f/l (mm) là chiều cao trung bình của đồ thị công thì từ (2.48) có thể định nghĩa về Pi như sau: áp suất chỉ thị trung bình Pi là chiều cao trung bình của đồ thị công (đồ thị p - V) nhân với tỷ lệ xích tung độ của đồ thị. Biểu thức (2.48) rất thuận tiện, thường được sử dụng vì nó chỉ rõ phương pháp xác định Pi nhờ đồ thị công. Diện tích đồ thị công của động cơ 4 kỳ gồm 2 phần: Phần diện tích kỳ nén và kỳ công tác (cháy - giãn nở). Phần diện tích của kỳ hút và kỳ xả. Phần thứ nhất là phần chính, tạo nên công dương của môi chất. Phần thứ hai là phần phụ, được gọi là các hành trình bơm của pittong vì chức năng của phần này là chức năng của một pittong, làm nhiệm vụ thay đổi môi chất của chu trình. Công của môi chất ở phần hai có thể “âm” động cơ không tăng áp hoặc tăng áp hoặc “dương”. Nhìn chung, công của hành trình bơm thường không lớn (trừ trường hợp tăng áp cao) và rất khó xác định theo đồ thị công vì đường nạp và đường xả trên đồ thị hầu như trùng nhau. Muốn xác định phần công “bơm” của đồ thị, ngoài đồ thị công kể trên, người ta phải xác định đồ thị công của các hành trình “bơm” với tỷ lệ xích tung độ lớn hơn, làm cho công việc trở nên phức tạp hơn. Vì vậy, khi xác định áp suất chỉ thị trung bình Pi người ta thường bỏ qua phần công này coi nó là một phần trong các tổn thất cơ giới của động cơ. Dựa trên nguyên tắc ấy có thể lược bỏ các tích phân của kỳ hút và kỳ xả của động cơ 4 kỳ (2.41) và (2.44) kết quả sẽ làm cho biểu thức xác định Pi của động cơ 4 kỳ và 2 kỳ có chung một dạng sau: Hình 2 - 4. Áp suất chỉ thị trung bình, mô tả trên đồ thị.            nen giannochayh i pdVpdVVp 1 ; (N/m2) (2.49) Tích phân thứ nhất trong ngoặc có giá trị âm vì p và dV khác dấu (p > 0 và dV < 0) còn tích phân thứ hai luôn dương vì p và dV cùng dấu ( P > 0 và dV > 0). Nếu gọi pct (p2) là áp suất trung bình theo thể tích của kỳ công tác (cháy – giãn nở) và pn ( p1) áp suất trung bình theo thể tích của kỳ nén, sẽ có: pppdVV ctgiannochayh 2 1   (2.50) pppdVV hnenh 1 1  (2.51) Thay (2.50), (2.51), vào (2.49), sẽ được: pi = pct – pn =p2 – p1 ; (N/m2) (2.52) Biểu thức (2.52) cho ta một định nghĩa về áp suất chỉ thị trung bình pi là hiệu số giữa các áp suất trung bình theo thể tích của kỳ cháy – giãn nở p2 và kỳ nén p1. Cần lưu ý trong định nghĩa thứ ba của pi đã được bỏ không tính công của các hành trình bơm. Bảng 2 - 4. Bảng giá trị pi của động cơ điêzen Loại động cơ pi (MN/m2) - Động cơ điêzen không tăng áp - Động cơ điêzen tăng áp có thể đạt pi = 0,7 – 1,2 pi = 3,0 hoặc lớn hơn f. Mật độ môi chất phía trước xupáp nạp  k : Mật độ môi chất phía trước xupáp nạp, về thực chất không gây ảnh hưởng tới ηi vì khi tăng  k thì pi cũng tăng theo. 3. Hiệu suất cơ học ηm: Truyền công suất chỉ thị từ xilanh đến thiết bị tiêu dùng thông qua píttong, thanh truyền, trục khuỷu kèm theo các tổn thất cơ giới. Công suất tổn thất cơ giới càng bé thì phần công suất có ích truyền cho trục càng lớn. Tiêu chuẩn để đánh giá phần công suất chỉ thị biến thành công suất có ích là hiệu suất cơ giới, đó là tỉ số giữa công suất có ích với công suất chỉ thị: N N i e m  (2.53) trong đó: Ne - công suất có ích của động cơ (kW); Ni - công suất chỉ thị của động cơ (kW). a. Công suất có ích của động cơ Ne: Công suất có ích của động cơ được phát ra tại đuôi của trục khuỷu để từ đó truyền năng lượng tới máy công tác. Công suất có ích nhỏ hơn công suất chỉ thị. Hiệu của chúng là công suất tổn hao cơ giới dùng để khắc phục mọi lực cản trong nội bộ động cơ khi máy hoạt động bao gồm: - Công tiêu hao cho ma sát dưới bề mặt của các cặp chi tiết có chuyển động tương đối. - Công dẫn động bơm nước, bơm dầu bơm nhiên liệu, quạt gió,v.v… đảm bảo cho hệ thống phụ hoạt động bình thường. - Công dẫn động cơ cấu phân phối khí. - Tổn thất cho các hành trình “bơm” của chu trình công tác. Từ định nghĩa trên ta có thể suy ra công thức xác định công thức có ích của động cơ: 30 ... niVpN hee  ; (kW) (2.54) trong đó: pe - áp suất có ích của động cơ (N/m2); Vh - thể tích công tác của xilanh (m3); n - tốc độ quay của động cơ (vg/ph); i - số xilanh của động cơ;  - hệ số kỳ của động cơ. Từ biểu thức (2.54) đối với động cơ đã chế tạo, phụ vào tải po tốc độ quay (n) của động cơ. Tốc độ (n) của động cơ không được quá (n) qui định cho từng động cơ, cụ thể là để tránh ảnh hưởng xấu đến sức bền, độ tin cậy và tuổi thọ các chi tiết của động cơ. Số vòng qui định nqđ (vg/ph) được chọn theo điều kiện sử dụng và hiệu suất của động cơ khi hoạt động, động cơ có thể chạy các tốc độ trong phạm vi từ nmin đến nqđ,, tùy thuộc vào vị trí của cơ cấu điều khiển. Ở số vòng quay qui định công suất có ích Ne của động cơ có thể thay đổi từ Ne = 0 đến Nqđ (công suất qui định của nhà máy chế tạo động cơ ) công suất qui định Neqđ lại phụ thuộc vào điều kiện sử dụng. Tỉ số giữa công suất của động cơ với công suất qui định (được chọn là 100%) được gọi công suất tương đối và được tính theo phần trăm của công suất qui định. Nếu công suất tương đối vượt quá 100% thì chế độ làm việc ấy được gọi là chế độ qúa tải. Thông thường chế độ quá tải không được quá 110%. b. Công suất chỉ thị của động cơ Ni: Nếu i là số xilanh của động cơ sẽ tính được công suất chỉ thị Ni (N/m2) của động cơ như sau: LinLimN iii . 2..   ; (kW) (2.55) trong đó: i - số xi lanh của động cơ; n - tốc độ quay của động cơ (vg/ph);  - hệ số kỳ của động cơ; Li - công chỉ thị của động cơ (J). Nếu các xilanh của động cơ có thể tích là Vh khác nhau sẽ có công suất chỉ thị là:  ..... 21 21 2  iLiLnN iii  ; (kW) (2.56) trong đó: VpL hii  ; (N.m)       ..... 21 21 2 iViVpnN hhii  ; (kW) (2.57) Nếu đặt :    n k khkh iVV 1 . ; (m3) (2.58) Sẽ được: nVpN hii ... 2  ; (kW) (2.59) Trong trường hợp thể tích công tác của xilanh đều như nhau thì: ViV hh . ; (m 3) VinpN hii .. . ; (kW) (2.60) Nếu trong các biểu thức trên: pi - tính bằng N/m2; Vh - tính bằng m3; n - tính bằng vg/ph; Ni - tính bằng kW. Ta sẽ được biểu thức sau: 30 ... niVpN hii  ; (k W) (2.61) Công do môi chất trong xilanh tạo ra trong mỗi chu trình được xác định qua đồ thị công (p – V). Vì thế đồ thị (p – V) đươc gọi là đồ thị công và công đó được xác định là công chỉ thị của chu trình Li. Ta có Li nhờ biểu thức sau: VpL hii . ; (N.m) (2.62) trong đó : Vh - thể tích công tác của xilanh (m3); pi - áp suất chỉ thị của động cơ (N/m2). Công suất chỉ thị của động cơ – chính là công suất do các công chỉ thị Li tạo ra trong 1giây. Nếu: n - số vòng quay của trục khuỷu trong 1 giây (v/s);  - hệ số kỳ của chu trình; m - là số chu trình trong một giây của xilanh. Sẽ được hiệu suất cơ giới của các loại động cơ đốt trong hiện nay, khi động cơ làm việc ứng với mỗi công suất định mức, hiệu suất cơ giới nằm trong giới hạn sau đây của động cơ điêzen: Bảng 2 - 5. Giá trị của hiệu suất cơ giới m . Loại động cơ Giá trị, m - Động cơ hai kỳ cao tốc m = 0,88 – 0,93 - Động cơ bán kỳ trung tốc m = 0,89 – 0,91 - Động cơ bốn kỳ cao tốc m = 0,8 – 0,85 4. Hiệu suất có ích  e : Hiệu suất có ích là tỉ số giữa lượng nhiệt được chuyển thành công ích chia cho lượng nhiệt cấp cho động cơ, do nhiên liệu đốt cháy bên trong xilanh tạo ra. Hai loại nhiệt lượng trên cần được định trong cùng một khoảng thời gian.    mie m e i . pQ TpM pQ TpM kvtk ke kvtk mki e    11 83148314  (2.63) trong đó: M1 - lượng môi chất thực tế đi vào xilanh để đốt 1kg nhiên liệu (kmol/kg nhiên liệu); pe - áp suất có trung bình (N/m2); Tk - nhiệt đọ khí nạp; Qtk - nhiệt trị của thấp của nhiên liệu; v - hệ số nạp; pk - mật độ khí nạp. a. Lượng môi chất thực tế đi vào xilanh để đốt cháy 1kg nhiên liệu (kmol/kg): MM o.1  ; (kmol/kg) (2.64) trong đó: Mo - Số kmol không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu;  - hệ số dư lượng không khí. - Số kmol không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu        32 0 3241221,0 1 shcM o ; (kmol/kg) (2.65) Bảng 2 - 6. Đặc tính nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ điêzen. Nhiên liệu Thành phần trong 1kg nhiên liệu, (kg) Khối lượng Khiệt trị thấp Qh, C H O phân tử, (kg/kmol) (kJ/kg) Dầu diesel 0,87 0,126 0,004 180-200 42530 - Hệ số dư lượng không khí α: Do hạn chế thời gian tạo hỗn hợp trong động cơ nên việc hòa trộn nguyên liệu với không khí không đảm bảo hoàn toàn bởi thế hỗn hợp không khí nhiên liệu trong buồng cháy không đều. Nếu chỉ số nạp vào xilanh lượng không khí lý thuyết thì nhiên liệu không thể cháy hoàn toàn. Bởi thế trong các động cơ, lượng không khí thực tế cấp vào để đốt cháy nhiên liệu lớn hơn lượng không khí lý thuyết. Lượng không khí thực tế được tính theo hệ số dư lượng không khí. Nếu gọi L(G) là lượng không khí thực tế để đốt cháy 1kg nhiên liệu, kmol/kg (kg/kg ), thì hệ số dư lượng của không khí  tính theo công thức: G G L L oo  (2.27) Hay cụ thể hơn, có thể phát biểu hệ số dư lượng không khí là tỷ số giữa không khí thực tế trong xilanh trước khi bắt đầu đốt cháy nhiên liệu với lượng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy nhiên liệu phun vào trong xi lanh trong một chu trình: Ghf V G G onlaaa sns Bct B     (2.28) trong đó:  svsB VG  - lượng không khí nạp mới còn lại trong xilanh cho đến khi bắt đầu hòa trộn hỗn hợp (kg); Vs - thể tích công tác của xilanh (m3); v - hệ số nạp;  s - khối lượng riêng không khí nạp (m 3/kg); GhfG nlaaaBct  - lượng nhiên liệu cấp vào xilanh trong một chu trình (kg); fa - tiết diện của pittong bơm cao áp; ha - hành trình có ích của pittong bơm cao áp;  a - hệ số nạp;  nl - khối lượng riêng của nhiên liệu (m3/kg). Như vậy, hệ số dư lượng không khí  có thể viết: L L G G G G L L BctBct B oo  (2.29) trong đó: LB - lượng không khí thực tế nạp vào xi lanh trong một chu trình ( kmol/kg); LBct - lượng không khí lý thuyết nạp vào xilanh trong một chu trình (kmol/kg). Hệ số dư lượng không khí phụ thuộc vào phương pháp tạo hỗn hợp, kết cấu buồng cháy, phương pháp tăng áp và chế độ làm việc của động cơ. Theo tài liệu thực nghiệm hệ số dư lượng không khí ở chể độ định mức đối với động cơ điêzen: Bảng 2 - 7. Hệ số dư lượng không khí α. Động cơ điêzen Hệ số dư lượng không khí,   - Thấp tốc - Trung tốc - Cao tốc 1.8 – 2.2 1.6 - 2.0 1.4 - 1.80 Sau đó thử nghiệm hệ só dư lượng không khí   tối ưu được nhà chế tạo lựa chọn cho chế độ định mức (chế độ động cơ thường xuyên hoạt động). Trong quá trình khai thác, ứng với các chế độ khác nhau,   thay đổi do thay đổi lượng không khí và lượng nhiên liệu cấp vào xilanh trong một chu trình. Khi hoạt động trong vùng nhiệt đới ẩm lượng hơi ẩm tăng lên làm giảm oxy có trong không khí. Khi đó, muốn giữ hệ số dư lượng không khí   không đổi thì phải tăng lượng không khí nạp, ngược lại nếu giữ nguyên lượng không khí nạp thì hệ số dư lượng không khí   giảm xuống. Lượng không khí ẩm nạp vào xilanh trong một chu trình được tính theo công thức: d GG BB 6,11 ,   (2.30) trong đó: G Gd B n - hàm lượng ẩm, là tỷ số giữa lượng hơi nước và lượng không khí khô nạp vào trong xilanh trong một chu trình. Bảng 2 - 8. Hàm lượng ẩm của không khí d. Hàm lượng ẩm khi nhiệt độ ẩm tương đối khác )( Nhiệt độ  = 70  =80  =90  =100 10 20 30 40 0.005 0.010 0.019 0.034 0.006 0.012 0.022 0.039 0.007 0.013 0.025 0.045 0.008 0.015 0.028 0.050 Trong trường hợp này hệ số dư lượng không khí   được tính:   Ggd G Gg G oct B oct B .. 6,11  (2.31) Với động cơ có trong trạng thái kỹ thuật và điều chỉnh tốt, khi thiết bị nhiên liệu làm việc ở chế độ định mức, thì ứng với các giá trị hệ số dư lượng không khí   nói trên đảm bảo cháy hoàn toàn, khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu và độc tố trong khí xả nhỏ nhất. Hệ số dư lượng không khí thực nghiệm cũng được xác định theo kết quả phân tích thử nghiệm khí xả trong quá trình thử nghiệm động cơ nhờ van thử nghiệm khí xả chuyên dùng, nó được mở ra trong khoảng thời gian ngắn ở cuối quá trình giãn nở của mỗi chu trình trước thời điểm mở cửa hay xupáp xả, khi đó hệ số dư lượng không khí   được tính.          N O 2 276,31 1  (2.32) trong đó: O2 - thể tích phần oxy khi thử nghiệm khí; N2 - thể tích phần nitơ khi thử nghiệm khí. Công thức trên chỉ đúng với trường hợp cháy hoàn toàn nhiên liệu. b. Áp suất có ích trung bình pe : Áp suất pe là một chỉ số quan trọng đặc trưng cho tải động cơ, cháy hoàn toàn và kịp thời nhiên liệu, mức độ tăng áp và hoàn thiện kết cấu. Chỉ tiêu này dùng để so sánh mức độ cường hóa theo tải của các động cơ khác nhau hay tải động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau. Áp suất có ích trung bình pe đặc trưng cho công suất trung bình của xilanh sau một chu trình: V Lp h e e  ; (N/m2) (2.65) trong đó: Le - công có ích trung bình của một xilanh sau chu trình công tác (J); Vh - thể tích công tác của một xilanh (m3). Khi đánh giá thông số có ích của động cơ, giá trị Le, Pe được tính theo công suất có ích thu được nhờ thực nghiệm. Công có ích trung bình của xilanh sau một chu trình. inz NL ee .. 60 ; (J) (2.66) trong đó: Ne - công suất động cơ (kW); z - hệ số kỳ; n - tốc độ quay của động cơ (vg/ph); i - số xilanh. Thể tích công tác của xilanh: 4 2 SDV h  ; (m3) (2.67) Trong đó: D - đường kính xilanh (m); S - hành trình pittong (m). Bảng 2 - 9. Giá trị của áp suất có ích pe. Loại động cơ pe, (MN/m2) - Điêzen bốn kỳ không tăng áp - Điêzen bốn kỳ tăng áp 0,65 – 0,85 đến 2,0 - Điêzen hai kỳ cao tốc 0,4 – 0,75 c. Nhiệt độ khí nạp Tk: Nhiệt độ khí nạp Tk là nhiệt độ được xác định tại không gian chứa khí nạp trước khi vào không gian công tác của xilanh. T p p TT m m ok o s         1 1 (2.68) trong đó: po - áp suất khí quyển (N/m2); To - nhiệt độ khí quyển; ps - áp suất khí nạp sau máy nén (N/m2); m - chỉ số đa biến; ΔTm - mức độ làm mát khí tăng áp. Chỉ số nén đa biến trong máy nén tăng áp (m) phụ thuộc vào loại máy nén. Mức hạ nhiệt độ khi qua thiết bị làm mát tăng áp ΔTm phụ thuộc vào mức độ tăng áp, thiết bị và phương pháp làm mát khí tăng áp: T m = 5025 00  m = 1,45 – 1,6 Máy nén pittong m = 1,65 – 1,8 Máy nén roto m = 1,45 – 1,8 Máy nén ly tâm Áp suất sau khi nén ps được quyết định bởi phương pháp tăng áp và mức độ cường hóa động cơ. ps = pk +ΔTm ; (N/m2) (2.69) trong đó: ΔTm - tổn thất áp suất do lực cản của thiết bị làm mát khí tăng áp. d. Áp suất khí nạp pk: Áp suất chỉ thị khí nạp pk là áp suất được xác định tại không gian chứa khí nạp trước khi vào không gian công tác của xilanh, trước xupáp nạp đối với động cơ 4 kỳ và trước cửa nạp đối với động cơ 2 kỳ. Bảng 2- 10. Áp suất khí nạp pk của động cơ đốt trong: Áp suất khí nạp, (pk) Tăng áp bằng tua bin khí thải Tăng áp truyền động cơ khí Loại động cơ (1,3 – 1,7)po (1,5 – 1,3)po (1,5 – 1,7)po 5,0po (1.1 – 1.2 ) po (1.2 – 1.4) po (1.2 – 1.5) po - Động cơ thấp tốc công suất lớn - Động cơ công suất và tốc độ trung bình - Động cơ ô tô, máy kéo - Động cơ cường hóa cao e. Hệ số nạp v : Hệ số nạp được xác định bằng tỷ số giữa lượng khí mới thực tế được nạp vào trong xilanh trong một chu trình m1 và lượng khí mới so sánh chứa đầy dung tích công tác của xilanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước cửa nạp ms. m m s v 1 (2.70) Lượng khí mới so sánh ms có thể xác định theo phương trình trạng thái tại cửa nạp: TR Vpm kk sk s  (2.71) Lượng khí mới thực tế m1 bao gồm: - Lượng khí mới có trong xilanh tại thời điểm cuối hành trình nạp ma. - Lượng khí mới được nạp thêm. Lượng khí hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối hành trình nạp ma bằng tổng lượng khí mới cuối hành trình nạp ma và lượng khí sót ms. Phương trình trạng thái tại thời điểm cuối hành trình nạp có dạng như sau: TR Vpmmm aa aa raa . .,  (2.72) Lượng hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối quá trình nạp ma1 bằng tổng lượng khí mới m1 và lượng khí sót ms:   1111 rra mmmm (2.73) Nếu dùng hệ số nạp thêm λ2 để đánh giá mức độ nạp thêm có thể viết biểu thức trên dưới dạng khác như sau:   mmm ara .211 1    ) 2.74( λ2 có trị số khoảng 1,02 – 1,07 tùy thuộc vào phương pháp nạp và góc độ phối khí. Từ các biểu thức (2.72) và (2.74) ta có: TR Tpmm aa aa rr a . . ... 1 1 1 221    ) 2.75( Thế ms từ (2.71) và m1 từ(2.75), đồng thời thay Ra = Rk và thay: 11        V VVVVV ssscsa Sau khi rút gọn ta được: T T p p a k k a r v .... 11 1 2      (2.77) Bảng 2 - 11. Trị số của hệ nạp v nằm trong phạm vi sau: Loại động cơ Hệ số nạp, (v ) - Động cơ điêzen 4 kỳ - Động cơ điezen 2 kỳ  v = 0.75 - 0.9  v = 0.40 - 0.8 Từ các thông số ta có bảng trị số của hiệu suất có ích trung bình sau: Bảng 2 - 12. Hiệu suất có ích  e của động cơ. Loại động cơ Hiệu suất có ích, ( e) - Động cơ điêzen tăng áp - Động cơ điêzen tăng áp tuốc bin - Động cơ điêzen hai kỳ cao áp 0,35 – 0,42 0,38 – 0,45 0,35 – 0,4 B. Suất tiêu hao nhiên liệu: 2.1. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi: Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi thể hiện lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 1oát trong 1 giây, cũng chính là một thông số đặc trưng cho tính kinh tế của chu trình. Công thức xác định hiệu suất chỉ thị của động cơ điêzen:  itki Q g . 1  ; (kg/ W.s) (2.78) trong đó: Qtk - nhiệt trị của nhiên liệu (J/kg); ηi - hiệu suất chỉ thị. Thay   vktk ki i pQ TpM .. ..8314 1  vào biểu thức (2.78), sẽ được: TpM p TpMQ pQg ki vk kitk vktk i ..... .. 83148314 11   ; (kg/ W.s), (2.79) thực tế gi được tính theo g/kW.h, lúc đó: TpM pg ki vk i .. . 1 432   ; (g/kW.h) (2.80) trong đó: pk - áp suất môi chất trước cửa nạp (N/m2); Tk - nhiệt độ môi chất trước xupáp nạp;  v - Hệ số nạp; pi - áp suất chỉ thị trung bình (N/m2). a. Áp suất khí nạp pk: Áp suất chỉ thị khí nạp pk là áp suất được xác định tại không gian chứa khí nạp trước khi vào không gian công tác của xilanh, trước xupáp nạp đối với động cơ 4 kỳ và trước cửa nạp đối với động cơ 2 kỳ. Bảng 2 - 13. Áp suất khí nạp của động cơ đốt trong pk. Áp suất khí nạp (pk) Tăng áp bằng tua bin khi thải Tăng áp truyền động cơ khí Loại động cơ (1,3 – 1,7)po (1,5 – 1,3)po (1,5 – 1,7)po 5,0po (1.1 – 1.2 ) po (1.2 – 1.4) po (1.2 – 1.5) po - Động cơ thấp tốc công suất lớn - Động cơ công suất và tốc độ trung bình - Động cơ ô tô, máy kéo - Động cơ cường hóa cao b. Nhiệt độ khí nạp Tk: Nhiệt độ khí nạp Tk là nhiệt độ được xác định tại không gian chứa khí nạp trước khi vào không gian công tác của xilanh. T p p TT m m ok o s         1 1 (2.81) trong đó: po - áp suất khí quyển; To - nhiệt độ khí quyển; ps - áp suất khí nạp sau máy nén; m - chỉ số đa biến; ΔTm - mức độ làm mát khí tăng áp. Chỉ số nén đa biến trong máy nén tăng áp (m) phụ thuộc vào loại máy nén. Mức hạ nhiệt độ khi qua thiết bị làm mát tăng áp ΔTm phụ thuộc vào mức độ tăng áp, thiết bị và phương pháp làm mát khí tăng áp: T m = 5025 00  m = 1,45 – 1,6 Máy nén pittong m = 1,65 – 1,8 Máy nén roto m = 1,45 – 1,8 Máy nén ly tâm Áp suất sau khi nén ps được quyết định bởi phương pháp tăng áp và mức độ cường hóa động cơ ps = pk +ΔTm trong đó: ΔTm - tổn thất áp suất do lực cản của thiết bị làm mát khí tăng áp. pk - áp suất khí nạp. c. Hệ số nạp  v : Hệ số nạp được xác định bằn tỷ số giữa lượng khí mới thực tế được nạp vào trong xilanh trong một chu trình m1 và lượng khí mới so sánh chứa đầy dung tích công tác của xilanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước cửa nạp ms. m m s v 1 (2.82) Lượng khí mới so sánh ms có thể xác định theo phương trình trạng thái tại cửa nạp: TR Vpm kk sk s  (2.83) Lượng khí mới thực tế m1 bao gồm: - Lượng khí mới có trong xilanh tại thời điểm cuối hành trình nạp ma. - Lượng khí mới được nạp thêm. Lượng khí hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối hành trình nạp ma bằng tổng lượng khí mới cuối hành trình nạp ma và lượng khí sót ms. Phương trình trạng thái tại thời điểm cuối hành trình nạp có dạng như sau: TR Vpmmm aa aa raa . .,  (2.84) Lượng hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối quá trình nạp ma1 bằng tổng lượng khí mới m1 và lượng khí sót ms:   1111 rra mmmm Nếu dùng hệ số nạp thêm λ2 để đánh giá mức độ nạp thêm có thể viết biểu thức trên dưới dạng khác như sau:   mmm ara .211 1    (2.85) trong đó: λ2 - có trị số khoảng 1,02 – 1,07 tùy thuộc vào phương pháp nạp và góc độ phối khí. Từ các biểu thức (2.84) và (2.85), sẽ được: TR Tpmm aa aa rr a . . ... 1 1 1 221    ) 2.86( Thế ms từ (2.83) và m1 từ (2.86) vào (2.82), đồng thời thay Ra = Rk và thay: 11        V VVVVV ssscsa Sau khi rút gọn ta được: T T p p a k k a r v .... 11 1 2      (2.87) Bảng 2 - 14. Trị số của hệ nạp  v nằm trong phạm vi sau : Loại động cơ Hệ số nạp, ( v ) - Động cơ điêzen 4 kỳ - Động cơ điêzen 2 kỳ  v = 0.75 - 0.9  v = 0.40 - 0.8 d. Áp suất chỉ thị trung bình pi: Hình 2 - 5. Đồ thị công của động cơ diesel bốn kỳ Từ đồ thị công trên tọa độ p – V dựa vào kết quả của lý thuyết các quá trình, nén và cháy giãn nở của chu trình động cơ điêzen, đường acz'zba là đồ thị hiệu đính, còn amfedglxa là đồ thị công đã hiệu đính cho sát với chu trình làm việc. Gọi L'i là công chỉ thị của chu trình theo kết quả tính lý thuyết sẽ tìm được: LLLL aczbzzi  '' (2.88) Công Lzz' của giai đoạn cấp nhiệt đẳng áp sẽ là:    11'    VpVpVpVpL ccczczzzzz Công giãn nở đa biến trên đương zb là:                     V V n VpL b z n zz zb 12 112 Nhân và chia vế phải của biểu thức trên cho Vc rồi thay V V c z , V V z b , pP cz . , sẽ được:               12 1111 nn Vp L cc zb Công quá trình nén đa biến Lac là:  VpVpnL ccaaac  1 1 1 Đưa Pc, Vc làm thừa số chung sau khi chỉnh lý sẽ được:                            1 1 1 1 11111 11 na c n n Vp V V n VpL ccccac Thay các giá trị Lzz, Lzb, Lac vào (2.89), sẽ được:                                    11 12 111 1111 . 1 12 ' nn nnVpL cci (2.89) Gọi pi' là áp suất chỉ thị trung bình tính theo lý thuyết với đồ thi chưa hiệu đính, sẽ được:                                     11 1. 12 1 111 1111 . 1 12 ' ' nn n nnpV Lp a h i i ; (N/m2) (2.90) Trong đó thay  npp ac 1 và 1 1   V V h c Sau khi hiệu đính các đồ thị công, đồ thị sát với thực tế hơn và diện tích bao giờ cũng nhỏ hơn so với tính toán lý thuyết của đồ thị (p - V) chưa hiệu đính, sai lệch giữa hai đồ thị thể hiện qua các diện tích: fce, ezd, dgz, lxb, xma, fck, kzz’. Sự sai lệch trên giữa tính toán lý thuyết và chu trình thực tế là do diễn biến của quá trình cháy thực tế không hoàn toàn phù hợp giả thiết cấp nhiệt đẳng tích và đẳng áp khi tính toán, cũng như do ảnh hưởng của góc mở sớm xupáp thải, đóng muộn xupap nạp, phun sớm nhiên liệu hoặc góc đánh lửa sóm gây ra. Người ta dùng hệ số điền đầy đồ thị công  d để đánh giá sự sai lệch giữa đồ thị công thực tế so với đồ thị công so với tính toán lý thuyết: L L i i d '  trong đó: Li - công chỉ thị của chu trình thực tế (J); Li' - công chỉ thị của chu trình theo tính toán lý thuyết (J). Vì vậy sẽ tính được áp suất chỉ thị trung bình Pi của chu trình thực tế là: pV L V Lp id h i d h i i ' ' ..   ; (N/m2) (2.91) Dựa vào số liệu thực nghiệm  d =0,92 – 0,97 giá trị của động cơ xăng lớn hơn so với động cơ điêzen. Do đó giá trị lớn của dùng cho động cơ xăng, giá trị nhỏ dùng cho động cơ điêzen. Đồ thị công của động cơ 4 kỳ Hình 2 - 6. Công dương và công âm trên đồ thị công với chu trình cháy đẳng tích (V = const). ngoài phần diện tích dương dùng để tính áp suất chỉ thị trung bình pi, còn một phần diện tích mrtam nằm giữa đường thải xmr, đường nạp rta và một phần đường nén am. Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp diện tích ấy thể hiện công âm. Tiêu hao cho các quá trình thải và nạp. Áp suất trung bình, đặc trưng cho phần công tiêu hao đó là chiều cao của hình chữ nhật có diện tích bằng (mrtam) và chiều dài bằng thể tích công tác Vh của xilanh theo tỷ lệ xích của đồ thị công. Người ta xác định gần đúng theo biểu thức:  ppp rabi   ; (N/m2) (2.92) Hình 2 - 7. Phần đồ thị công thải và nạp khí vào xilanh, khi pk < pth. Hệ số  d phụ thuộc vào chế độ và chế độ tải động cơ, với động cơ ô tô máy kéo  d = 0,75 – 0,9, trong đó giá trị lớn dùng cho động cơ máy kéo tốc độ thấp. Động cơ tăng áp, dẫn động cơ khí và thải thẳng ra ngoài trời, đường nạp nằm cao hơn đường thải nên Pa > Pr và Δpi tính theo biểu thức trên có giá trị dương. Hình 2 - 8. Phần đồ thị công thải và nạp khí vào xilanh, khi pk < pth. Nếu tăng áp bằng tuabin khí, trị số pr có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn pa. Vì vậy, trong trường hợp này Δpi có thể âm hoặc có thể dương. Thông thường phần công tiêu hao cho hành trình bơm của các quá trình nạp và thải của động cơ 4 kỳ không tăng áp cũng như tăng áp thường được tính và tổn hao cơ giới trong động cơ. Trong các động cơ hai kỳ áp suất chỉ thị trung bình pi theo kết qủa tính là đối với phần hành trình có ích, nếu tính cho hành trình toàn bộ của pittong hoặc thể tích công tác của xilanh, và để ý đến phần điền đầy đồ thị công  d , sẽ được:    1'pp idi ; (N/m2) (2.93) trong đó: ψ - phần hành trình tổn thất cho quá trình quét và thải của động cơ hai kỳ. Trong các động cơ hai kỳ dùng cửa quét và cửa thải, thì phần công dương sẽ được tạo ra trong quá trình quét và thải, hầu như đã bù trừ cho phần diện tích hiệu đính của đồ thị công trong quá trình cháy, vì vậy thường lấy  d = 1. Bảng 2 - 15. Bảng giá trị pi của động cơ điêzen Loại động cơ pi (MN/m2) - Động cơ điêzen không tăng áp - Động cơ điêzen tăng áp có thể đạt pi = 0,7 – 1,2 pi = 3,0 hoặc lớn hơn 2.2. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge: Công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu có ích: TpM p TpM pg ke vk kmi vk e 1 5 1 5 10.1210.12      ; (kg/W.s); (2.94) hoặc TpM pg ke vk e 1 432   ; (g/kW.h) (2.95) trong đó: ηv - hệ số nạp; pk - áp suất khí nạp (N/m2); M1 - lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu (kg/kmol); pe - áp suất có ích trung bình (N/m2); Tk - nhiệt độ khí nạp. a. Hệ số nạp ηv: Hệ số nạp được xác định bằng tỷ số giữa lượng khí mới thực tế được nạp vào trong xilanh trong một chu trình m1 và lượng khí mới so sánh chứa đầy dung tích công tác của xilanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước cửa nạp ms. m m s v 1 (2.96) Lượng khí mới so sánh ms có thể xác định theo phương trình trạng thái tại cửa nạp: TR Vpm kk sk s  (2.97) Lượng khí mới thực tế m1 bao gồm: - Lượng khí mới có trong xilanh tại thời điểm cuối hành trình nạp ma. - Lượng khí mới được nạp thêm. Lượng khí hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối hành trình nạp ma bằng tổng lượng khí mới cuối hành trình nạp ma và lượng khí sót ms. Phương trình trạng thái tại thời điểm cuối hành trình nạp có dạng như sau: TR Vpmmm aa aa raa . .,  (2.98) Lượng hỗn hợp khí công tác tại thời điểm cuối quá trình nạp ma1 bằng tổng lượng khí mới m1 và lượng khí sót ms:   1111 rra mmmm (2.199) Nếu dùng hệ số nạp thêm λ2 để đánh giá mức độ nạp thêm có thể viết biểu thức trên dưới dạng khác như sau:   mmm ara .211 1    (2.100) λ2 có trị số khoảng 1,02 – 1,07 tùy thuộc vào phương pháp nạp và góc độ phối khí. Từ các biểu thức (2.98) và (2.100) ta có: TR Tpmm aa aa rr a . . ... 1 1 1 221    ) 2.101 ( Thế ms từ (2.97) và m1 từ(2.101), đồng thời thay Ra = Rk và thay: 11        V VVVVV ssscsa Sau khi rút gọn ta được: T T p p a k k a r v .... 11 1 2      (2.102) Bảng 2 - 16. Trị số của hệ nạp v nằm trong phạm vi sau: Loại động cơ Hệ số nạp, (v ) - Động cơ điêzen 4 kỳ - Động cơ điêzen 2 kỳ  v = 0.75 - 0.9  v = 0.40 - 0.8 b. Áp suất khí nạp pk: Là áp suất được xác định tại không gian chứa khí nạp trước khi vào không gian công tác của xilanh (trước xupáp nạp đối với động cơ 4 kỳ hoặc trước cửa nạp với động cơ 2 kỳ). Từ mục (B.2.1. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi), ta có: Bảng 2 - 17. Trị số của áp suất khí nạp pk. Áp suất khí nạp (pk) Tăng áp bằng tua bin khi thải Tăng áp truyền động cơ khí Loại động cơ (1,3 – 1,7)po (1,5 – 1,3)po (1,5 – 1,7)po 5,0po (1.1 – 1.2 ) po (1.2 – 1.4) po (1.2 – 1.5) po - Động cơ thấp tốc công suất lớn - Động cơ công suất và tốc độ trung bình - Động cơ ô tô, máy kéo - Động cơ cường hóa cao c. Nhiệt độ khí nạp Tk: Nhiệt độ khí nạp Tk là nhiệt độ được xác định tại không gian chứa khí nạp trước khi vào không gian công tác của xilanh. T p p TT m m ok o s         1 1 (2.103) trong đó: po - áp suất khí quyển; To - nhiệt độ khí quyển; ps - áp suất khí nạp sau máy nén; m - chỉ số đa biến; ΔTm - mức độ làm mát khí tăng áp. Chỉ số nén đa biến trong máy nén tăng áp (m) phụ thuộc vào loại máy nén. Mức hạ nhiệt độ khi qua thiết bị làm mát tăng áp ΔTm phụ thuộc vào mức độ tăng áp, thiết bị và phương pháp làm mát khí tăng áp: T m = 5025 00  m = 1,45 – 1,6 Máy nén pittong m = 1,65 – 1,8 Máy nén roto m = 1,45 – 1,8 Máy nén ly tâm d. Số kmol hỗn hợp cháy ứng với 1kg hoặc 1kmol nhiên liệu M1: Công thức xác định: MM O1 ; (kmol/kg) (2.104) Trong đó: α - hệ số dư lượng không khí; Mo - lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu M o; - Hệ số dư lượng không khí α: Bảng 2 - 18. Trị số hệ số dư lượng không khí α. Loại động cơ Trị số α - Buồng cháy thống nhất. 1,45 – 1,75 - Buồng cháy xoáy lốc. 1,4 – 1,65 - Buồng cháy dự bị. 1,35 – 1,45 - Tăng áp. 1,7 – 2,2 - Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu Mo:          3241221,0 1 ohcM o ; (kmol/kg) (2.105) Bảng 2 - 19. Đặc tính nhiên lỏng dùng cho động cơ điêzen. Thành phần trong 1kg nhiên liệu (kg) Nhiên liệu C H O Khối lượng phân tử (kg/kmol) Nhiệt trị thấp, Qh (kJ/kg) Dầu điêzen 0,87 0,126 0,004 180 - 120 42530 e. Áp suất có ích trung bình pe: Công thức xác định áp suất có ích trung bình: 30 ... niVpN hee  ; (kW) (2.106) từ công thức (2.106), sẽ được: niV Np h e e . .30 .  ; (N.m2) (2.107) trong đó: τ - hệ số kỳ; i - số xilanh; n - số vòng quay của động cơ (vg/ph); Vh - dung tích công tác của xilanh (m3); Ne - công suất động cơ (kW). Bảng 2 -20. Giá trị áp suất có ích động cơ điêzen. Loại động cơ Giá trị pe (N/m2) - Động cơ điêzen 4 kỳ không tăng áp 0,65 – 0,85 - Động cơ điêzen 4 kỳ tăng áp đến 2,0 - Động cơ điêzen 2 kỳ cao tốc 0,4 – 0,75 Từ các bảng thông số trên,sẽ được: Bảng 2 -21. Trị số suất tiêu hao nhiên liệu động cơ điêzen, ge. Loại động cơ ge (g/kW.h) - Động cơ điêzen 4 kỳ không tăng áp 200 – 260 - Động cơ điêzen 4 kỳ tăng áp 200 – 260 - Động cơ điêzen 2 kỳ cao tốc 200 – 260 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐIÊZEN TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ BỘ MÔN ĐỘNG LỰC, KHOA CƠ KHÍ Tiến hành thực nghiệm xác định suất tiêu hao nhiên liệu động cơ điêzen trên động cơ CHANGCHAI, tại xưởng thực tập của Bộ môn Động lực, khoa cơ khí. Động cơ có các thông số và kích thước cơ bản sau: - Động cơ điêzen bốn kỳ. - Động cơ một xilanh kiểu nằm. - Trọng lượng của động cơ: m = 150 (kg). - Tốc độ quay của động cơ: n = 2000 (vg/ph). Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ điêzen là tỉ số giữa lượng nhiên liệu tiêu hao và công suất của động cơ. N Gg e nl e  ; (kg/W.s) (3.1) Khi tiến hành thực nghiệm với động cơ điêzen CHANGCHAI tại xưởng thực tập động cơ Bộ môn Động lực, khoa Cơ khí, làm thực nghiệm với các thông số sau: - Tải của động cơ: 4,5 (kW). - Nhiên liệu: 0,5 (l). - Thời gian thực hiện: t =960 (s) = 0,26 (h). - Khối lượng riêng của dầu điêzen: d = 0,87 (kg/l). Khối lượng nhiên liệu của dầu điêzen làm thực nghiệm là: m = 0,5.0,87 =0,435 (kg). Lượng nhiên liệu tiêu hao của động cơ CHANGCHAI là: 67,126,0 435,0 Gnl ; (kg/h) (3.2) Suất nhiên liệu tiêu hao của động cơ CHANGCHAI khi tiến hành thực nghiêm là: 371,05,4 67,1  N Gg e nl e ; (kg/kW.h) (3.3) hoặc 371g e ; (g/kW.h) trong đó: Gnl - lượng nhiên liệu tiêu hao (kg/h); Ne - tải của động cơ CHANGCHAI (kW). CHƯƠNG 4 THẢO LUẬN Qua qúa trình nghiên cứu lý thuyết và tiến hành thực nghiệm đối với động cơ CHANGCHAI tại xưởng thực tập tôi rút ra một số nhận xét sau: Động cơ phải hoạt động ở chế độ không quá tải. Quá trình vận hành sử dụng động cơ phải thực hiện theo quy định của nhà chế tạo và người thiết kế động cơ. Để đảm bảo được độ bền thì cần phải thường xuyên kiểm tra chế độ làm việc và thời gian sử dụng theo quy định của hãng sản xuất. Thường xuyên kiểm tra định kỳ và bảo dưỡng động cơ. Do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế cho nên khi thực hiện đề tài còn rất nhiều những thiếu sót. Do đó, em mong được sự góp ý quý thầy cô và toàn thể các bạn sinh viên quan tâm đến đề tài. cũng gây nên mất công gián nở tương tự động cơ 4 kỳ, do đó hệ số hiệu đính của đồ thị công  d trong trường hợp này cũng tương tự như động cơ 4 kỳ. Động cơ diesel dùng buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy dự bị, khi chọn hệ số  d cần tính thêm các tổn thất do lưu động qua lại của môi chất giữa buông cháy chính và buồng cháy phụ gây ra, vì vậy giá trị  d phải nhỏ hơn với động cơ có buồng cháy thống nhất. Các động cơ dùng buồng cháy ngăn cách  d thường nằm trong giá trị giới hạn sau:  d = 0,85 – 0,95 trị số nhỏ dùng cho động cơ có buồng cháy dự bị, còn trị số lớn dùng cho động cơ có buồng cháy lốc. Bảng 2-12. Giá trị pi thống kê của những động cơ điesel hiện có Loại động cơ Áp suất chỉ thị trung bình pi (N/m2) Động cơ trong diesel 4 kỳ - Không tăng áp - Tăng áp Động cơ diesel 2 kỳ - Không tăng áp - Tăng áp 0,75 – 1.05 tới 3.0 0,35 – 0,75 đến 2,0 c.số kmol hỗn hợp cháy ứng với 1kg hoặc 1kmol nhiên liệu (M1): Công thức xác định: MM o.1  (kmol/kg) Trong đó:  - hệ số dư lượng không khí Mo - lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu Mo. Nhiệt độ khí nạp Tăng tk làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa thành xi lanh và môi chất qua đó , làm giảm .Mối quan hệ giữa hệ số nạp va tk thể hiện qua công Áp suất chỉ thị trung bình Áp suất chỉ thị trung bình của chu trình công tác là công chỉ thị của một đơn vị thể tích công tác của xi lanh trong một chu trình được thể hiện qua biểu thức Trong đó Li công chỉ thị của chương trình Vh thể tích công tác của xi lanh Trong thời gian động cơ hoạt động , ngoài áp suất p của môi chất trong xi lanh còn có áp suất khí của xi lanh dưới cacte cũng luôn luôn tác dụng với pittong theo hướng ngược chiều so với p. Phần lớn các động cơ , cacte được nối thông vơi khí trời hoặc với đường nạp qua hệ thống thông gió cacte , vì vậy có thể coi áp suất khí thể trong cacte bằng áp suất khí trời p0. Như vậy khi pittong chuyển động trong xi lanh , hợp lực khí thể fp tác dụng đẩy với pittong trong xi lanh Trong đó d la đường kính xi lanh Hợp lực khí thể fp đẩy pittong chuyển dịch một vi lượng hành trình ds, sẽ tạo ra vi lượng công dli theo biểu thức Trong đó dv làm vi lượng biến thiên của thể tích công tác Tích phân biểu thức trên theo một chu trình sẽ tìm được công chỉ thị của chu trình Muốn xác định pi theo biểu thức trên cần biết hàm (p-p0)=f(v). Đó chính là đồ thị công của động cơ 4 kì hoặc 2 kì mà trục hoành la đường vuông góc với trục tung đi qua giá trị p0 Tích phân chu trình là tổng tích phân của các quá trình tạo lên chu trình đó. Vì vậy đối với động cơ 4 kỳ. Giá trị của các số hạng trong 2 biều thức trên thế hiện qua diện tích độ thị ( Trên đồ thị pv ) giữa đường p của quá trình và đường p0 Của quá trình. Để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu cần phải có đủ lượng oxy cần thiết tác dụng với các nguyên tố trên. Lượng oxy này có trong không khí nạp vào xilanh động cơ. Giả thiết điều kiện đảm bảo để phản ứng cháy hoàn toàn C,H,S với oxy không khí tạo thành CO2, H2O, SO2. Trong trường hợp đó, sự oxy hóa carbon, hydro,và lưu huỳnh của nhiên liệu được tiến hành theo các phản ứng: C + O2 = CO2 2H2 + O2 = 2 H2O S + O2 = SO2 Tính theo đơn vị khối lượng từ phương trình trên có thể viết: 12kg C + 32kg O2 = 44kg CO2 4kg H2 +32kg O2 = 36kg H2O 32kg S + 32kg O2 = 64kg SO2 Từ (4) thấy rõ, để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu cần một lượng oxy, kmol: Đối với không khí khô, lượng oxy chiếm khoảng 23% (tính theo phần trăm khối lượng) , khoảng 21% (tính theo phần trăm thể tích) nên lượng hkông khí khô lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu (kmol/kg) được tính: Để đốt cháy 1 kg nhiên liệu có thành phần nguyên tố hóa học trung bình cần lượng không khí lý thuyết L0 = 0.495 kmol/kg. Khối lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu: Để đốt cháy lượng nhiên liệu phun vào xilanh trong một chu trình gct, cần lượng không khí khô lý thuyết là: Hiện nay giá trị của Pi nằm trong giới hạn sau: )2( Sau khi hiệu đính các đồ thị công đồ thì sát với thực tế hơn và diện tích bao giờ cũng nhỏ hơn so với tính toán lý thuyết của đồ thị P – V chưa hiệu đính, sai lệch giữa hai đồ thị thẻ hiện qua các diện tích: Fce, czd, dgz, lxb, xma, fck, kzz’. Sự sai lệch trên giữa tính toán lý thuyết và chu trình thực tế là do diễn biến của quá trình cháy thực tế không hoàn toàn phù hợp giả thiết cấp nhiệt đẳng tích và đẳng áp khi tính toán, cũng như do ảnh hưởng của góc mở sóm sun pát thải, đóng muộn sun pat nạp, phun sớm nhiên liệu hoặc góc đánh lửa sóm gây ra. người ta dung hệ số điền đầy đồ thị công để đánh giá sự sai lệch giữa đồ thị công thực tế so với đồ thị công so với tính toán lý thuyết ( ) Trong đó: Li: công chỉ thị của chu trình thực tế Li’: công chỉ thị của chu trình theo tính toán lý thuyết Vì vậy sẽ tính được áp suất chỉ thị trung bình Pi của chu trình thực tế là ( ) Dựa vào số liệu thực nghiệm giá trị của động cơ xăng lớn hơn so với động cơ diesel. Do đó giá trị lớn của dung cho động cơ xáng, giá trị nhỏ dung cho động cơ diesel. Đồ thị công của động cơ 4 kỳ ( hình. 63) ngoài phần diện tích dương dung để tính áp suất chỉ thị trung bình Pi, còn một phần diện tích Mrtam nằm giứa đường thải Xmr, đường nạp Rta và một phần đường nén Am. Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp diện tích ấy thể hiện công âm. Tiêu hao cho các quá trình thải và nạp. Áp suất trung bình , đặc trưng cho phần công tiêu hao đó là chiều cao của hình chữ nhật có diện tích bằng mrtam và chiều dài bằng thể tích công tác Vh của xi lanh theo tỷ lệ xích của đồ thị công. Người ta xác định gần đúng theo biểu thức ( hình 6.4) ( ) Hệ số phụ thuộc vào chế độ và chế độ tải động cơ, với động cơ ô tô máy kéo trong đó giá trị lớn dung cho động cơ máy kéo tốc độ thấp. Động cơ tăng áp, dẫn động cơ khí và thải thẳng ra ngoải trời, đường nạp nằm cao hơn đưởng thải nên và tính theo biểu thức trên có giá trị dương. Nếu tăng áp bằng tua bin khí trị số Pl có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn Pa. Vì vậy, trong trường hợp này có thể âm hoặc có thể dương. Thong thường phần công tiêu hao cho hành trình bơm của các quá trình nạp và thải của dộng cơ 4 kỳ không tăng áp cũng như tăng áp thường dược tính và tổn hao cơ giới trong động cơ. Trong các động cơ hai kỳ áp suất chỉ thị trung bình Pi theo kết quá tính là đôi với phần hành trình có ích, nếu tính cho hành trình toàn bộ của pittong hoặc thể tích công tác của xilanh, và để ý đến phần điền đầy đồ thị công sẽ được ( ) Trong đó phần hành trình tổn thất cho quá trình quét và thải của động cơ hai kỳ. Trong các động cơ hai kỳ dung của quét và của thải, thì phán công dương sẽ được tạo ra trong quá trình quét và thải, hầu như đã bù trừ cho phần điện tích hiệu đính của đồ thị công trong quá trình cháy, vì vậy thường lấy Các động cơ có hai kỳ quét thẳng qua sun pát thải, do xu páp thải, do xu pâp thải mở sớm tại b’ (hình 6.7) cũng gây nên mất công gián nở tương tự dộng cơ 4 kỳ, do đó hệ số hiệu đính của đồ thị công trong trường hợp này cũng tương tự như động cơ 4 kỳ. Động cơ diesel cùng buồng cháy xoáy lốc và buồng cháy dự bị, khi chọn hệ sô cần tình them các tổn thất do lưu động quay lại của môi chất giữa buông cháy chính và buồng cháy phụ gây ra, vì vậy giá trị phải nhỏ hơn với động cơ có buồng cháy thống nhất. Các động cơ dung buồng cháy ngăn cách thường nằm trong giá trị giới hạn sau trị số nhỏ dung cho động cơ có buồng cháy dự bị, còn trị số lớn dung cho động cơ có buồng cháy lốc Dưới dây là những giá trị Pi thống kê của những động cơ hiện có Loại động cơ Áp suất chỉ thị trung bình Pi (Mpa) Động cơ trong diesel 4 kỳ - không tăng áp - tăng áp động cơ diesel 2 kỳ - không tăng áp - tăng áp 0,75 – 1.05 Tới 3.0 0,35 – 0,75 Đến 2,0 B. suất tiêu hao nhiên liệu 1. suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị (gi) Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi thể hiện lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 1 W trong 1 giây, cũng chính là một thong số đặc trưng cho tính kinh tế của chu trình Ta có công thức xác định hiệu suất chỉ thị của động cơ diesel: ( ) Trong đó Qhc – nhiệt trị của nhiên liệu (J/kg) Hiệu suất chỉ thị ( ) ( ) ( ) Trong đó: Pk – áp suất môi chất trước cửa nạp Tk: nhiệt độ môi chất trước xu páp nạp Áp suất chỉ thị trung bình ( Pi) Từ đồ thị công trên tọa độ P – V dựa vào kết quả của lý thuyết các quá trình, nén và cháy giãn nở của chu trình động cơ diesel, đường ACz’zba là đồ thị hiệu đính, còn Amfedglxa là đồ thị công đã hiệu đính cho sát với chu trình làm việc. Gọi Li’ là công chỉ thị của chu trình theo kết quả tính lý thuyết sẽ tim được Sau đó thử nghiệm hệ só dư lượng không khí tối ưu được nhà chế tạo lựa chọn cho chế độ định mức ( chế độ động cơ thường xuyên hoạt động). Trong quá trình khai thác, ứng với các chế độ khác nhau thay đổi do thay đổi lượng không khí và lượng nhiên liệu cấp vào xilanh trong một chu trình. Khi hoạt động trong vùng nhiệt đới ẩm lượng hơi ẩm tăng lên làm giảm oxy có trong không khí. Khi đó, muốn giứ hệ sô dư lượng không khí không đổi thì phải tăng lượng không khí nạp, ngược lại nếu giứ nguyên lượng không khí nạp thì hệ só dư lượng không khí giảm xuống Lượng không khí ẩm nạp vào xilanh trong một chu trình được tính theo công thức ( ) Hàm lượng ẩm là tỷ số giữa lượng hơi nước và lượng không khí khô nạp vào trong xilanh trong một chu trình. Bảng hàm lượng ẩm của không khí D Hàm lượng ẩm khi nhiệt độ ẩm tương đối khác Nhiệt độ Φ = 70 Φ =80 Φ =90 Φ =100 10 20 30 40 0.005 0.010 0.019 0.034 0.006 0.012 0.022 0.039 0.007 0.013 0.025 0.045 0.008 0.015 0.028 0.050 Trong trường hợp này hệ số dư lượng không khí được tính ( ) Với động cơ có trong trạng thái kỹ thuật và điều chỉnh tốt khi thiết bị nhiên liệu làm việc ở chế độ định mức thì ứng với các giá trị hệ số dư lượng không khí nói trên đảm bảo trái hoàn toàn, khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu và độc tố trong khí xả nhỏ nhất Hệ số dư lượng không khí thực nghiệm cũng được xác định theo kết quả phân tích thử nghiệm khí xả trong quá trình thì nghiệm động cơ nhờ van thử nghiệm khí xả chuyên dung, nó được mở ra trong khoảng thởi gian ngắn ở cuối quá trình giãn nở của mỗi chu trình trước thời điểm mở cửa hay xu páp xả, khi đó hệ số dư lượng không khí được tính ( ) O2 : thể tích phần oxy khi thử nghiệm khí N2: thẻ tích phần nito khi thử nghiệm khí Công thức trên chỉ đúng với trường hợp cháy hoàn toàn nhiên liệu Lượng không khí lý thuyết cần thiết khi đốt cháy một kg nhiên liệu (L0) Cháy nhiên liệu là quá trình oxy hóa các nguyên tố cháy được của nhiên liệu bởi oxy không khí và tỏa nhiệt. Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy một đơn vị nhiên liệu trong hỗn hợp khí có trong xilanh động cơ phụ thuộc 2 yếu tố: Lượng và thành phần nguyên tố của nhiên liệu sử dụng cấp vào xilanh động cơ. Diều kiện hòa trộn chum tia nhiên liệu với không khi trong xilanh Thành phần nguyên tố hóa học là hàm lượng phần trăm theo thể tich hay hàm lượng phần trăm của các nguyên tố hóa học chủ yếu có trong thành phần nhiên liệu. Khi tinh quá trình công tác, khối lượng các nguyên tố hóa học giả thiết ứng với 1 kg nhiên liệu. Trong thành phần của nhiên liệu lỏng được chưng cất từ dầu mỏ dung cho động cơ diesel, chủ yếu là các bon, hydro, oxy và lưu huỳnh. Phần khối lượng các nguyên tố náy phụ thuộc vào thành phần của dầu mỏ ban đầu và công nghệ điều chế chúng, thường nằm trong giới hạn sau: Các bon, C = 0.84 – 0.87 Hydro, H = 0.1 - 0.14 Lưu huýnh, S = 0.0001 – 0.05 Khi tính quá trình công tác của động cơ diesel thường sử dụng thành phần nguyên tố hóa học trung bình của nhiên liệu: C = 0.87, H = 0.126, O = 0.004, giả thiết trong 1kg nhiên liệu có C (kg )cacsbon, H (kg) hydro, O (kg) oxy và S (kg) lưu huỳnh. C + H + O + S = 1kg (1) Để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu cần phải có đủ lượng oxy cần thiết với các nguyên tố trên, lượng oxy này có trong không khí nạp vào xilanh động cơ. Giả thiết điều kiện đảm bảo để phản ứng cháy hoàn toàn C, H, S với oxy không khí tạo thành CO2, H2O, SO2. Trong trường hợp đó sự oxy hóa cacbon, hydro và lưu huỳnh của nhiên liệu được tiến hành theo các phàn ứng. 1kg C + 1/12 kmol O2 = 1/12 kmol CO2 1kg H2 + 1/4 kmol O2 = 1/12 kmol H2O 1kg S + 1/32 kmol O2 = 1/32 kmol SO2 (3) Từ (3), (1) có thể viết : C kg C + C/12 kmol O2 = C/12 kmol CO2 H kg H2 + H/4 kmol O2 = H/2 kmol H2O S kg S + S/32 kmol O2 = S/32 kmol SO2 O = (4)