III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
XI.2 Những nguyên tắc cơ bản
Năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (nhiệt trị):
Nhiệt trị của một loại nhiên liệu được định nghĩa bằng tổng lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một lượng nhiên liệu trong một nhiệt lượng kế.
Hơi nước là một sản phẩm của quá trình đốt cháy. Trong một nhiệt lượng kế, các sản phẩm của quá trình đốt cháy được làm lạnh với nhiệt độ môi trường xung quanh, điều này làm hơi nước ngưng tụ, cho ra giá trị nhiệt ẩn.
Năng suất tỏa nhiệt cao (năng suất tỏa nhiệt tổng thể hay năng lượng tổng thể hay nhiệt trị cao) là số đơn vị nhiệt được giải phóng ra khi một đơn vị trọng lượng của nhiên liệu (hay một đơn vị thể tích nếu nhiên liệu là khí) bị đốt cháy (bao gồm cả giá trị nhiệt ẩn).
Năng suất tỏa nhiệt thấp (năng suất tỏa nhiệt thực hay nhiệt trị thực) là số đơn vị nhiệt sinh ra từ sự cháy khi đã trừ đi nhiệt ẩn ra khỏi nhiệt trị cao.
Bảng 11.1 trình bày những giá trị của nhiệt trị thấp và tỷ trọng của các thành phần nhiên liệu đối với một số nhiên liệu tiêu biểu.
XI.3 Nhiên liệu dạng khí
Những nhiên liệu này sau khi cháy sinh ra lượng khí thải có những đặc tính có ích và đang trở nên có tầm quan trọng ngày càng tăng.
Khí đốt tự nhiên, đôi khi được mô tả như khí nén tự nhiên, khi vận chuyển với số lượng lớn phải được hoá lỏng ở nhiệt độ rất thấp.
Nguồn khí thiên nhiên tồn tại như khí tự do hoặc liên kết với dầu thô.
Bảng 11.1: Đặc tính nhiên liệu lỏng:
Nhiệt dung riêng(MJ/kg) Tỷ lệ hòa khí A/F Tỷ trọng(kg/l)
Xăng 43.8 14.6 0.74
Dầu khí 42.5 14.8 0.84
Metan 19.9 6.46 0.729
Etan 27.2 8.9 0.79
Nhiên liệu nhẹ 40.6 0.925
Nhiên liệu trung bình 39.9 14.4 0.95
Nhiên liệu nặng 39.7 0.965
Khí thiên nhiên bao gồm chủ yếu là khí mê-tan, nhưng đã phát triển từ lớp trầm tích của các chất hữu cơ, luôn luôn chứa một số lượng lớn hydrocarbon và một phần nhỏ của N2 và CO2. Thành phần khí có sự thay đổi đáng kể từ dạng này đến dạng khác và người nghiên cứu khi làm việc với khí đốt tự nhiên cần phải thiết lập các đặc tính của chất khí có liên quan.
Khí ở vùng biển phía Bắc đã trở thành một tiêu chuẩn nhiên liệu khí ở Vương quốc Anh và các thuộc tính gần đúng của nó được thể hiện trong Bảng 11.2.
Bảng 11.2: Bảng thuộc tính gần đúng của chất khí tiêu biểu:
Khí thiên nhiên
Metan CH4 93.3%
Hydrocacbon cao 4.6%
N2, CO2 2.1%
Nhiệt trị thấp* 48.0 MJ/Kg
Tỉ lệ hòa khí A/F 14.5:1
Tỷ trọng gần đúng (khí ở 0oC) 0.79 Kg/m3 Khí hóa lỏng (LPG)
Propane C3H8 90%
Butan C4H10 5%
Không bão hòa 5%
Nhiệt trị thấp 46.3 MJ/Kg
Tỉ lệ hòa khí A/F 15.7:1
Tỷ trọng gần đúng (khí ở 0oC) 2.0 Kg/m3
*Cần lưu ý rằng một số nhà cung cấp khí đốt thường được trích dẫn cao hơn để đối lập với nhiệt trị thấp. Trong trường hợp của mê-tan, với tỷ lệ H/C cao, sự khác biệt là gần 10%.
XI.3.1. Khí hóa lỏng(LPG)
LPG là một sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô hoặc là ngưng tụ từ khí ẩm tự nhiên. Nó bao gồm chủ yếu là propane và, không giống như khí tự nhiên, khí hóa lỏng có thể được lưu trữ dưới dạng lỏng ở áp suất vừa phải. Theo quan điểm bảo vệ môi trường (khí thải phải có lượng hydrocarbon không cháy thấp, nồng độ CO thấp, hầu như không có khí thải dạng hạt và không có lưu huỳnh) thì việc tìm ra khí hóa lỏng thực sự là nhiên liệu tốt cho động cơ xe. Nồng độ của NOx trong khí thải thường có xu hướng cao, do nhiệt độ đốt cháy của nó khá cao. LPG có chỉ số octan cao, RON 110, cho phép tỷ số nén cao hơn. Các đặc tính gần đúng được thể hiện trong Bảng 11.2.
XI.3.2. Chu trình lý tưởng: ảnh hưởng của tỉ số nén
Nhiều chu trình lý thuyết cho động cơ đốt trong đã được xây dựng, một trong số đó có tính đến các yếu tố như: diễn biến chính xác của quá trình cháy, sự biến đổi nhiệt dung
riêng của không khí với nhiệt độ và ảnh hưởng của sự phân ly các sản phẩm của quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, tất cả các chu trình này chỉ đơn thuần là sự cải biên của chu kỳ được dự đoán trước.
Chu trình khí lý tưởng, còn được gọi là chu kỳ Otto, được thể hiện trong hình 11.1.
Nó bao gồm bốn quá trình, tạo thành một chu trình khép kín, và được xây dựng dựa trên các giả định sau đây:
• Lưu chất làm việc trong suốt chu trình là chất khí và được coi là khí lý tưởng .
• Quá trình nén 1-2 và quá trình giãn nở 3-4 được xem như không có ma sát và đoạn nhiệt (không tổn thất nhiệt).
• Trong quá trình 2-3 nhiệt được thêm vào quá trình cháy của chu trình nhờ việc gia nhiệt từ nguồn nhiệt bên ngoài, thể tích còn lại không thay đổi.
• Quá trình xả thì được thay bởi việc làm lạnh đẳng tích đến nhiệt độ ban đầu.
Hiển nhiên các trạng thái này khác biệt đáng kể với những chu trình thực tế bên trong động cơ, do đó sự phân tích nhiệt động học thì khá đơn giản. Nó hữu ích trong việc tìm hiểu các thông số để xem xét một quá trình cháy bên trong động cơ, đặc biệt về mặt ảnh hưởng của tỷ số nén.
Hiệu suất chu trình khí lý tưởng được tính theo công thức:
ηas = 1 - 1 1
γ−
R (1)
Hình 11.1: Chu trình khí lý tưởng
Quá trình diễn biến trong một xi-lanh động cơ bắt nguồn từ mô hình lý thuyết trong các khía cạnh chủ yếu sau đây:
• Sự tổn thất nhiệt theo thành xylanh, sự giảm công cần thiết để nén khí, sự tăng nhiệt độ và áp suất trong suốt quá trình cháy và sự sinh công có ích trong quá trình giãn nở.
• Quá trình cháy, đặc biệt trong động cơ diesel không diễn ra lúc đẳng tích, mà diễn ra một phần lúc đẳng áp. Hiệu suất của chu trình đẳng áp (dùng cho động cơ diesel) được diễn đạt trên hình 11.2.
• Hiệu suất được tính bởi:
η = 1 - 1 1
γ−
R
− +
−
− 1 )
1 (
1 α β
α αβ
γ γ
(2) Trong đó:
khi β = 1 biểu thức trở về biểu thức (1)
Hình 11.2: Chu trình áp suất giới hạn
• Đặc tính của không khí và sản phẩm cháy không tương ứng với những thuộc tính của khí lý tưởng, kết quả tạo ra năng lượng nhỏ hơn so với dự đoán.
• Quá trình trao đổi khí bị bỏ qua trong chu trình lý tưởng.
(Hình 11.3) chỉ ra sự thay đổi của hiệu suất nhiệt so với tỷ số nén của động cơ sử dụng chu trình khí lý tưởng. Trên đó còn thể hiện khoảng giới hạn của tỉ số này trên động cơ xăng và động cơ diesel. Rõ ràng có thể đạt tỷ số nén cao hơn. Đồng thời chỉ ra hiệu suất nhiệt cao nhất có thể đạt được của động cơ xăng và động cơ diesel có dung tích 2-5 (l). Những động cơ lớn hơn và đặc biệt là động cơ diesel lớn-tốc độ thấp, có thể đạt đươc hiệu suất cao hơn đáng kể, chủ yếu bởi vì sự mất nhiệt từ bên trong xylanh trở nên ít đi khi kích thước của xy lanh tăng lên.
Động cơ thực tế
Dung tích 2-5 l
Hiệu suất nhiệt
Tỉ số nén
otto Diesel