III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
XI.4 Sự cân bằng năng lượng của động cơ đốt trong
Sự phân bố năng lượng trong động cơ đốt trong được cho là tốt nhất khi xem xét trong điều kiện của phương trình cân bằng năng lượng, kết hợp với các yếu tố khác trong một không gian điều khiển. (Hình 11.4), thể hiện một động cơ được bao quanh bởi một không gian điều khiển, đồng thời bao gồm các dòng năng lượng vào và ra khác nhau sau:
Vào:
• Nhiên liệu, nhiệt sinh ra của quá trình cháy.
• Lượng không khí tiêu thụ bởi động cơ.
Ra:
• Công suất phát ra bởi động cơ.
• Khí thải.
• Nhiệt độ nước làm mát hoặc không khí.
• Sự đối lưu và bức xạ ra môi trường xung quanh.
Hình 11.4: Không gian điều khiển các dòng năng lượng của băng thử động cơ điện i.c
Phương trình cân bằng năng lượng trình bày mối quan hệ giữa các thông số:
H1 = Ps + (H2 – H3) + Q1 + Q2 (3) H1 =năng lượng của nhiên liệu đốt cháy = 3
. f CL×10 m
Ps =công suất động cơ phát ra
H2 =hệ số enthalpy của khí thải = (mf ma)CpTe
.
. +
H3 =hệ số enthalpy của khí nạp = ma
.
CpTa
Q1 =nhiệt lượng nước làm mát+ =
.
mw Cw(T2w – T1w) Q2 =đối lưu và bức xạ nhiệt
Điều này thừa nhận rằng nhiệt dung riêng của khí thải (bao gồm khối lượng không khí và nhiên liệu cung cấp cho động cơ) phải bằng với nhiệt dung riêng của không khí.
Điều này không hoàn toàn đúng, nhưng cho phép sự tính toán gần đúng bởi vì để đo được chính xác nhiệt độ của khí thải là vấn đề rất khó khăn.
Nước làm mát vào
Nước làm mát ra
Khí vào Khí ra
Chú ý rằng phương trình cân bằng năng lượng này không thể hiện công suất chỉ thị trực tiếp bởi vì có sự khác nhau giữa công suất phát ra (Ps) và công suất chỉ thị trực tiếp, hình dung rằng ma sát và những tổn thất xuất hiện ở bất cứ đâu như một phần nhiệt làm mát nước Q1 và những tổn thất khác Q2.
+Điều này cũng bao gồm việc nhiệt được truyền tới dầu bôi trơn và về sau tới nước làm mát thông qua bộ làm mát dầu.
XI.4.1 Đo tổn thất nhiệt: nhiệt độ khí thải
Nếu ta biết các thông số về lượng nhiên liệu và không khí cũng như nhiệt độ khí thải, ta có thể tính gần đúng theo H2 ở trên. Để đo chính xác nhiệt độ khí thải ta sử dụng nhiệt lượng kế đo khí thải. Đây là thiết bị mà nhiệt được hấp thụ khi cho không khí đi qua nước, khí thải được làm mát đến nhiệt độ vừa phải và lượng nhiệt được xác định qua việctheo dõi sự gia tăng nhiệt độ của nước làm mát.
Hình 11.5: dụng cụ đo nhiệt độ khí thải Biểu thức H2 trở thành:
H2 =
.
mc Cw(T2c – T1c) + ( )
. .
a
f m
m + CpTco (4)
Tỉ lệ lưu lượng nước làm mát được điều chỉnh thông qua dụng cụ đo để nhiệt độ của khí ra khỏi dụng cụ đo, Tco không được thấp hơn 60oC (333K). lúc này nhiệt độ khí thải xấp xỉ điểm sương, nhiệt độ thấp hơn nữa thì hơi nước trong khí thải sẽ bắt đầu ngưng tụ lại dẫn đến sự ẩm nhiệt.
XI.4.2 Phân tích quá trình thử nghiệm của một động cơ
Bảng 11.3: Sự cân bằng năng lượng đối với xăng hay dầu của động cơ khi bướm ga mở hoàn toàn. (động cơ 4 xylanh, 4 kỳ, dung tích 1.7 l)
Tốc độ động cơ 3125 rev/min
Công suất sinh ra Ps = 36.8 W
Lượng tiêu thụ nhiên liệu mf
.
= 0.00287 kg/s
Lượng tiêu thụ không khí ma
.
= 0.04176 kg/s Giá trị nhiệt dưới của nhiên liệu CL = 41.87×106 J/kg
Nhiệt độ khí thải Te = 1066 K (793oC)
Lưu lượng nước làm mát
.
mw = 0.123 kg/s Nhiệt độ nước làm mát vào T1w = 9.2oC Nhiệt độ nước làm mát ra T2w = 72.8oC
Nhiệt độ khí nạp Ta = 292K (19oC)
Chú ý rằng:
Nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí Cp = 1.00 kJ/kgK Nhiệt dung riêng của nước Cw = 4.18 kJ/kgK H1 = 0.00287×41.87×103 =120.2 kW
Ps = =36.8 kW
H2 = (0.00287+0.04176)×1.00×1066 =47.6 kW
H3= (0.04176×1.00×292 =12.2 kW
H2 – H3 =35.4 kW
Q1 = 0.123×4.18(72.8−9.2) =32.7 kW
Q2 = 15.3 Kw
Chúng ta có thể chỉ ra sự cân bằng năng lượng:
Nhiệt của quá trình cháy H1 Công suất tiêu thụ p′s 36.8 (30.6%) Khí thải (H2 – H3) 35.4 (29.5%) Nước làm mát Q1 32.7 (27.2%) Tổn thất khác Q 15.3 (12.7%) Hiệu suất nhiệt của động cơ:
ηth = H1 ps
= 0.306 Tỉ số nén của động cơ R = 8.5:
ηas = 8.5 0.575 1− 11.4−1 =
Hiệu suất chỉ thị động cơ khi mở hết ga khoảng 0.80, hiệu suất nhiệt chỉ thị là 3825
. 80 0 . 0
306 .
0 =
khoảng 2/3 của hiệu suất khí lý tưởng.
XI.4.3. Nhiệt lượng kế đo khí thải
Trong phân tích kiểm tra trong bảng 11.3, nhiệt khí thải được đo bằng một nhiệt lượng kế với kết quả sau đây:
Lưu lượng khí thải =
.
mc = 0.139 kg/s
Nhiệt độ nước làm mát vào =T1c = 9.2oC
Nhiệt độ nước làm mát ra = T2c = 63.4oC
Nhiệt độ khí thải qua dụng cụ do nhiệt lượng= Tco = 355K (82 oC) Từ (4) ta có:
H2 = 0.139×4.18(63.4−9.2)+(0.00287+0.04176)×1.00×355 =47.3kW
H3 = 12.2 kW, chỉ ra hơi nóng khí thải H2 – H3 = 35.1 kW. Điều này thích hợp với khoảng giá trị gần đúng xuất phát từ nhiệt độ khí thải, không khí và tỷ lệ lưu lượng nhiên liệu.
Hình 11.6 cho thấy sự cân bằng năng lượng toàn bộ công suất của một vài động cơ điển hình. Kết quả cho động cơ xăng được phân tích ở trên được thể hiện ở (a).
Hình 11.6: Sự cân bằng năng lượng toàn bộ công suất: (a) động cơ xăng 1.7l: (b) động cơ diesel 2.5l; (c) động cơ diesel tăng áp tốc độ trung bình 2.5l; (d) 7.6 MW kết hợp giữa
nhiệt và đơn vị công suất
Bảng 11.4 trình bày sự cân bằng năng lượng của các tổn thất nhiệt cho mỗi đơn vị công suất sinh ra cho các loại động cơ khác nhau. Điều này sẽ hữu ích khi thiết kế các hệ thống dịch vụ trong phòng thử nghiệm chẳng hạn như hệ thống nước làm mát và thông gió. Chúng được thể hiện trong mối quan hệ công suất đầu ra kW/kW.
Bảng 11.4: Cân bằng năng lượng
Xăng diesel Diesel tốc độ trung bình, tải nặng
Công suất sinh ra 1.0 1.0 1.0
Hơi nóng tới nước làm mát 0.9 0.7 0.4
Hơi nóng tới dầu làm mát 0.05
Hơi nóng tới khí thải 0.9 0.7 0.65
Sự đối lưu và bức xạ 0.2 0.2 0.15
Tổng số 3.0 2.6 2.2
XI.4.4. Vai trò của công suất chỉ thị trong sự cân bằng năng lượng
Ta thấy rằng công suất chỉ thị của động cơ không xuất hiện trong bất kỳ công thức nào về cân bằng năng lượng. Lý do cho việc này là: sự khác biệt giữa công suất chỉ thị và công suất phanh về những tổn thất ma sát trong động cơ và công suất cần thiết để điều khiển các thiết bị truyền động phụ, và nó không thể để phân bổ những điều này giữa các tổn thất nhiệt khác nhau trong sự cân bằng.
Hầu hết những tổn thất ma sát giữa piston và xi lanh sẽ xuất hiện trong nước làm mát, tổn thất ở bạc lót và công suất cần thiết để vận hành bơm dầu sẽ xuất hiện chủ yếu trong dầu làm mát, trong khi tổn thất ở bơm nước sẽ xuất hiện trực tiếp trong nước làm mát. Vì vậy sự phân tích chính xác sự tổn thất nhiệt là điều không thể.
Lấy ví dụ về một động cơ 250 kW động cơ diesel tăng áp tại toàn bộ công suất. Giả sử tiêu thụ nhiên liệu cụ thể = 0.21 kg / kWh (LCV 40.6MJ/kg; hiệu suất nhiệt 0.42). Sau đó, theo các khuyến nghị chung của Bảng 11.4, ta có thể ước tính và trình bày tóm tắt qua bảng 11.5.
Hệ thống nhiệt động lực học tương ứng được hiển thị trong hình 11.7. Điều này cũng cho thấy tỷ lệ lưu lượng nhiên liệu, không khí và làm mát nước, dựa vào cách tính sau:
• Lưu lượng nhiên liệu:
Giả định rằng tỷ trọng nhiên liệu là 0,9 kg/litre
Đối lưu và bức xạ 40kW
Khí thải 1365kg/h
177kW Động cơ
Nhiên liệu 52kg/h 592kW
Không khí 1312kg/h
Nước làm mát 9500kg/h
110kW
Dầu làm mát
Công suất 250kW
15Kw 1300kg/h
Nước làm mát
Lưu lượng nhiên liệu = 0.9 21 . 0 250×
= 581 l/h = 52.5 kg/h Bảng 11.5: Cân bằng năng lượng ở động cơ diesel 250 kW, tăng áp
Vào Ra
Nhiên liệu 592 kW công suất 250 kW (42.2%)
Nhiệt làm mát nước 110 kW (18.6%) Nhiệt tới bộ làm mát dầu 15 kW (2.5%) Đối lưu và bức xạ 177 kW (29.9%)
Nhiệt thoát ra 40 kW (6.8%)
592 kW 592 kW
Hình 11.7: Sơ đồ các dòng năng lượng và chất lỏng, động cơ diesel 250kW
• Không khí nạp:
Tỉ lệ A/F = 25:1
Lưu lượng không khí = 250 x 0.21 x 25 = 1312.5 kg/h Lấy tỉ trọng không khí 1.2 kg/m3
Lưu lượng không khí = 1094 m3/h (0.30 m3/s, 10.7 ft3/s)
• Lưu lượng nước làm mát:
Giả định rằng nhiệt độ tăng lên 10oC đi qua áo nước và dầu làm mát.
Nhiệt dung riêng của nước là 4.18 kJ/kgoC và 1 kW/h = 3600 kJ:
Lưu lượng đến áo nước và dầu làm mát:
× =
× 10 18 . 4
60 125
180 kg/min
• Lưu lượng khí thải:
Bằng tổng lượng nhiên liệu + lượng khí nạp = 1312.5 + 52.5 = 1365 kg/h.
XI.5. Cân bằng năng lượng động cơ tăng áp
Trong trường hợp động cơ tăng áp, nó rất hữu ích để tách các dòng năng lượng đến và đi từ các turbo tăng áp và được kết hợp với sự làm mát không khí từ những liên quan với động cơ hoàn chỉnh. Bằng cách này, một sự cân bằng năng lượng có thể được rút ra bao gồm những điều sau đây:
• Khí thải vào tuabin từ xi-lanh động cơ
• Không khí nạp vào máy nén
• Nước làm mát vào làm mát không khí
• Khí thải thoát khỏi tuabin
• Không khí thoát khỏi bộ làm mát
• Nước làm mát thoát khỏi bộ làm mát XI.6. Tóm tắt
Các giai đoạn trong tính toán cân bằng năng lượng từ một thử nghiệm động cơ:
- Có được thông tin về giá trị nhiệt dưới của nhiên liệu.
- Từ kiến thức về tỉ số nén của động cơ tính toán ảnh hưởng chu trình khí lý tưởng như một thước đo về hiệu suất.
- Đưa ra một hoặc một số điểm đo thử nghiệm:
• Thông số lượng nhiên liệu tiêu thụ;
• Không khí nạp;
• Nhiệt độ khí thải;
• Công suất phát ra;
• Thông số về lưu lượng và nhiệt độ nước làm mát đi vào và ra.
-Tính toán các khía cạnh khác nhau của sự cân bằng năng lượng và hiệu suất nhiệt từ dữ liệu này.
Dự đoán sự cân bằng năng lượng cho một động cơ:
• Loại động cơ và mức công suất đầu ra.
• Tính toán tốc độ lưu lượng nhiên liệu khi mức tiêu hao nhiên liệu cụ thể đã cho hay do giả thiết ban đầu.
• Lập cân bằng năng lượng sử dụng các hướng dẫn cho trong bảng 11.4.