III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
X.4 Đo nhiệt độ trong động cơ đốt trong
X.4.2. Đo nhiệt độ của piston
Hiểu biết về nhiệt độ của piston cần thiết để người thiết kế xác định khe hở của piston và cho người thí nghiệm có những kết luận về độ bền của động cơ. Đo nhiệt độ của piston là rất khó khăn vì rằng piston ở trong xilanh, tốc độ và gia tốc lớn và có rung động. Người ta có thể đo nhiệt độ bề mặt của piston bằng mẫu nóng chảy hoặc bằng các chất bán dẫn được gọi là nhiệt kế bán dẫn được lắp ở sát với bề mặt của piston.
Đo nhiệt độ bằng mẫu nóng chảy rất nhiều phiền toái và tốn nhiều thời gian vì phải tháo lắp piston nhiều lần. Trước hết phải khoan piston những lỗ nhỏ và đặt mẫu nóng chảy vào những lỗ đã khoan sẵn và tán chắc vào lỗ để nó không bị bong ra trong quá trình đo. Mẫu nóng chảy là những hợp kim mà nhiệt độ nóng chảy đã biết trước.
Các điểm đi được lựa chọn phụ thuộc vào mục đích đo, ví dụ để xác định trường nhiệt độ của đỉnh piston thì cách lắp ghép
của mẫu nóng chảy được giới thiệu ở hình 10.52. Ở đây các điểm đặt mẫu nóng chảy được lựa chọn sao cho nó có được nhiệt độ tương đối gần nhau và đặt vào đó các mẫu nóng chảy có nhiệt độ nóng chảy chênh lệch nhau một ít. Sau đó lắp piston vào động cơ và cho động cơ làm việc. Sau khi động cơ làm việc ở chế độ muốn đo một thời gian thích ứng, tháo nắp xilanh để kiểm tra. Ta có thể có một số mẫu đã bị chảy.
Trên hình 10.52 có thể thấy rằng một số điểm có nhiệt đạt được nhiệt độ nóng chảy làm cho mẫu tan mất, đó là ở vòng trong các lỗ có mẫu 280 và 2900C, các mẫu còn lại chưa nóng chảy. Nhưng những nhiệt độ này là biểu trưng cho một chế độ làm việc mà
thôi. Để cho hàng loạt chế độ làm việc phải lập lại hàng loạt lần đo. Một kết quả đo liên tục nhiệt độ bằng mẫu nóng chảy là không thể.
Để đo nhiệt độ một cách liên tục thì thường sử dụng đầu cảm nhiệt độ bằng chất bán dẫn. Chấn dẫn nhiệt ở đây chính là chất bán dẫn có điện trở giảm dần theo nhiệt độ và được gọi là điện trở nhiệt NTC (Negative Temperature Coefficient). Như tên là chất bán dẫn, khả năng dẫn điện của nó nằm giữa chất dẫn điện (kim loại) và chất không dẫn điện (chất cách điện). Sở dĩ chất bán dẫn dẫn điện kém là do số điện tử tự do ít. Ở kim loại có số lượng lớn điện tử chuyển động tự do ở vòng ngoài của vỏ nguyên tử và ở đó có liên kết rất lỏng lẻo với nhân của nguyên tử, trong lúc đó các điện tử tự do ở chất bán dẫn có liên hệ bền vững hơn giữa điện tử và nhân. Khi nhiệt độ tăng lên, chuyển động dao động của các nguyên tử tăng lên khiến các điện tử tách ra khỏi liên kết với nguyên tử và tạo ra khả năng dẫn điện. Khả năng dẫn điện của chất bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng, quy luật gần với một hàm số mũ.
Chất bán dẫn được sản xuất bằng cách kết dính bột của oxit và muốn kim loại ở nhiệt độ cao. Ở quá trình sản xuất này việc việc bảo đảm tính đồng nhất là rất khó, vì vậy mỗi nhiệt kế phải có đường cong hiệu chỉnh riêng.
Phạm vi làm việc của nhiệt kế bán dẫn nằm trong khoảng -1000C đến 3500C vì vậy nó thích hợp để đo nhiệt độ của piston. Kích thước của một đầu cảm của nhiệt kế bán dẫn chỉ bằng đầu kim. Để bảo vệ đầu cảm nhiệt kế bán dẫn được bọc bởi thủy tinh thạch anh.
Vì đầu cảm nhiệt kế bán dẫn có kích thước rất nhỏ nên lượng nhiệt đầu cảm hấp thụ cũng rất nhỏ, nên trạng thái nhiệt của vật đo quanh đầu cảm không bị phá hoại.
Trên hình 10.53 là sơ đồ thiết bị đo nhiệt độ piston bằng nhiệt kế bán dẫn. Đầu cảm nhiệt kế được dán bằng nhựa chịu nhiệt độ cao trong một lỗ khoan nhỏ. Lỗ được khoan vào đỉnh piston đều có khoảng cách bề mặt đỉnh khoảng 1 mm. Để bảo đảm truyền nhiệt từ piston đến đầu cảm chất dẻo dẫn nhiệt được đổ đầy vào đỉnh của đầu cảm. Hai dây dẫn nói đầu cảm với vòng dây đặt ở phần chân piston. Đầu cảm, dây dẫn và vòng dây được xem là cuộn thứ cấp của một biến áp. Cuộc sơ cấp gồm có thiết bị phát tần số cao để cung cấp tần số khoảng 465 kHz, một điện trở mà điện thế đó tác dụng vào, và cuộn dây được gắn vào thân động cơ. Ở điểm chết dưới thì vòng dây đi vào cuộn dây mà không có sự va chạm, cọ xát nào. Sơ đồ đấu nối trên chính là một biến thế. Ở cuộn dây thứ cấp (có nối với đầu cảm) xuất hiện một dòng điện mà độ lớn phụ thuộc vào điện tử của đầu cảm bán dẫn, tức là vào nhiệt độ của đầu cảm thu được. Một dòng tương tự cũng xuất hiện
Hình 10.53: Sơ đồ nguyên lí thiết bị đo lắp nhiệt kế bán dẫn.
trong cuộn sơ cấp. Dòng điện này được biến đổi thành dòng 1 chiều và được xác định bởi đồng hồ đo.
Ngoài ra dòng điện có thể được nối với oxylograph để quan sát diễn biến của điện thế trên màn ảnh.
Tín hiệu điện xuất hiện ở đồng hồ không biểu thị trực tiếp thành nhiệt độ nhưng vạch chỉ trên đồng hồ được chia từ 0 ÷ 100. Người ta cần đường cong hiệu chỉnh biểu diễn quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ. Ngoài
ra còn phải có đường cong biểu diễn quan hệ giữa điện trở và giá trị chỉ trên đồng hồ gọi là đường cong của thiết bị. Với hai đường cong hiệu chỉnh này cho phép xác định nhiệt độ của điểm đo.
Thiết bị được mô tả cho phép đo một cách liên tục nhiệt độ của piston. Ở đây không có ma sát và mài mòn cũng như sự thay đổi điện trở của thiết bị đo trong quá trình sử dụng như ở phương pháp đo nhờ cặp nhiệt ngẫu. Đầu cảm nhỏ, điểm đo nhỏ nên sức ỳ nhỏ, do đó nó cho phép đo nhiệt độ thay đổi nhanh. Tuy vậy, trong những động cơ có kích thước nhỏ, sự bố trí lắp đặt thiết bị đo gặp nhiều trở ngại.
Chương 11:
HIỆU SUẤT NHIỆT XI.1 Giới thiệu
Phần này liên quan tới các phép đo và những tính toán cần thiết để xác định sự cân bằng năng lượng, hiệu suất nhiệt và những tổn thất cơ học của một động cơ đốt trong.
Các tóm tắt lý thuyết cơ bản đưa ra sẽ làm sáng tỏ những vấn đề này.
Hiệu suất nhiệt của một động cơ đốt trong là tỉ lệ nhiệt của lượng nhiên liệu cháy được chuyển thành công có ích của động cơ. Hiệu suất nhiệt khi đầy tải có phạm vi khoảng 20% ở động cơ xăng cỡ nhỏ và lớn hơn 50% ở động cơ diesel cỡ lớn ở tốc độ thấp. Hiệu suất nhiệt của nhà máy điện chạy bằng hơi nước lớn không quá 35% . Những động cơ diesel của tàu biển có hiệu suất lớn nhất, nghĩa là chuyển gần như toàn bộ phần nhiệt của quá trình cháy thành cơ năng của động cơ .
Những ý tưởng về hiệu suất nhiệt lý thuyết cực đại có thể đạt được, đặt ra một mục tiêu cho sự phát triển của động cơ. Những lý thuyết về nhiệt động lực học sẽ cho phép chúng ta dự đoán trước giá trị cực đại này, trong những giới hạn nhất định.
Tỉ lệ nhiệt của sự cháy thì không chuyển đổi thành công có ích đối với những nơi khác như: trong hệ thống khí thải, trong hệ thống làm mát trung gian, sự đối lưu và bức xạ nhiệt từ các bề mặt nóng của động cơ.
Ngoài ra, ta có thể đánh giá được tổn thất của tình trạng nhiên liệu không cháy hoặc cháy trễ. Điều quan trọng là có thể đánh giá được những tổn thất khác nhau này. Đặc biệt là tổn thất nhiệt của khí nóng trong xilanh đến những bề mặt chịu nén, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến công suất biểu thị của động cơ.
'Động cơ đoạn nhiệt' - phải tìm cách giảm thiểu các tổn thất đặc biệt đối với tình trạng này của động cơ.
Một số nguồn nhiệt của khí thải có thể chuyển thành công có ích trong việc quay tuabin hoặc cho máy phát điện bằng hơi nước và các sản phẩm của nước nóng.