Giáo trình nguyên lý động cơ đốt trong

- Tổn thất “ bơm” , tức là những lực cản ở hành trình “bơm” của piston hành trình nạp và thải trong động cơ 4 kỳ và quay máy nén khí tăng áp cho động cơ.Tổn thất công trong một giây của

CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Những khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong

 Quá trình công tác: Là tổng hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra trong xy

lanh của động cơ: sự thay đổi về thành phần hóa học, thể tích, áp suất, nhiệt độ và trọng lượng

Quá trình công tác bao gồm nhiều bộ phận riêng rẽ kế tiếp nhau theo một trật tự nhất

định và lặp đi lặp lại có tính chu kỳ

 Chu trình công tác: Là tập hợp tất cả những phần của quá trình công tác trong

một xy lanh của động cơ Sau một chu trình công tác, môi chất công tác trong xy lanh thay đổi

Chu trình công tác có tính chất chu kỳ và được đặc trưng bằng số hành trình của piston cần

thiết để thực hiện chu trình đó Vì vậy đông cơ đốt trong chia làm 2 loại:

- Bốn kỳ: Phải cần 4 hành trình của piston mới hoàn thành một chu trình công tác của

Điểm chết: Là vị trí của piston mà ở đó dù ta có tác dụng một lực nào lên piston

cũng không làm cho trục khuỷu của động cơ quay Tức là không sinh ra mômen quay

Trong động cơ có 2 điểm chết gọi là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD)

Hành trình của piston: Là khoảng cách giữa 2 điểm chết, ký hiệu là S

Thể tích buồng nén: Thể tích nhỏ nhất của xy lanh đối với một chu trình công tác, ký

S: Hành trình của piston (m)

D: Đường kính của xy lanh (m)

Tỉ số nén: Là tỉ số giữa thể tích lớn nhất của xy lanh và thể tích buồng nén, ký hiệu 

Vậy:

 =

c h c

h c

V V

V V V

2

Tỉ số nén có ý nghĩa rất quan trọng đối với quá trình làm việc của động cơ Nó có ảnh

hưởng rất nhiều đến các thông số khác việc của động cơ, đặc biệt là vấn đề lợi dụng nhiệt

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ xăng và diesel 4 kỳ không tăng áp

Hình 1.1 biểu thị sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp Một chu

trình công tác được tiến hành như sau:

* Hành trình thứ nhất: Hành trình nạp, piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới,

lúc đó toàn bộ thể tích buồng nén chứa đầy khí sót của chu trình trước còn lại (điểm r) Áp suất

khí sót cao hơn áp suất khí trời Khi trục khuỷu quay piston đi xuống, trong lòng xy lanh hình

thành chân không, không khí (hòa khí) được hút vào qua supap nạp, thời gian này supap thải

đóng Thông thường supap nạp mở sớm trước ĐCT một góc 1 (điểm d1)- gọi là góc mở sớm

supap nạp, mở sớm như vậy để đảm bảo nạp được nhiều hơn Supap nạp cũng đóng trễ sau

ĐCD một góc 2 (điểm d2)- gọi là góc đóng trễ supap nạp Mục đích là lợi dụng quán tính của

dòng khí lưu động trong ống nạp để tăng thêm lượng khí nạp Như vậy, thời gian thực tế của

quá trình nạp lớn hơn thời gian của hành trình nạp

* Hành trình thứ hai: Hành trình nén được thực hiện khi piston đi từ ĐCD đến ĐCT Thể

tích xy lanh nhỏ dần, hòa khí bị nén lại làm cho nhiệt độ và áp suất tăng - đường c’c”

Quá trình nén thực sự chỉ bắt đầu khi các supap đều đóng hoàn toàn Như vậy, thời gian

của quá trình nén nhỏ hơn thời gian 1 hành trình nén

Gần cuối hành trình nén (điểm 3’), động cơ được đánh lửa (ở động cơ xăng ) – gọi là góc

đánh lửa sớm hoặc được phun nhiên liệu (ở động cơ diesel) - gọi là góc phun sớm

Việc đánh lửa sớm và phun sớm rất cần thiết vì nhiên liệu cần có một thời gian để chuẩn

bị bốc cháy Thời gian chuẩn bị dài hay ngắn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: chất lượng hỗn

hợp, nhiệt độ, áp suất, chuyển động xoáy lốc của dòng khí trong xy lanh…

* Hành trình thứ ba: Hành trình cháy và giãn nở xảy ra khi piston đi từ ĐCT đến ĐCD

Đầu giai đoạn này số nhiên liệu trong xy lanh được cháy nhanh, áp suất tăng lên mãnh liệt (

đoạn C”z’ ) sau đó sự cháy diễn ra đều hơn do số nhiên liệu đưa vào sau bốc cháy nhanh hơn vì

áp suất và nhiệt độ môi chất trong xy lanh đã cao hơn ( đoạn z,z) Quá trình cháy được kết thúc

hoàn toàn khi áp suất giảm (điểm x) và tiếp đó là quá trình giãn nở của sản vật cháy Áp suất

khí sinh ra truyền trực tiếp lên đỉnh piston để sinh công có ích, vì vậy hành trình thứ 3 này còn

gọi là hành trình công tác ( đường C”Z’Zb”)

* Hành trình thứ tư: Hành trình thải piston đi từ ĐCD lên ĐCT để đẩy sản vật cháy ra

ngoài qua supap thải Trước khi piston xuống ĐCD, supap thải mở sớm (điểm b’) Góc ứng với

đoạn b’b” hoặc góc 5 trên đồ thị gọi là góc mở sớm supap thải Mở sớm supap thải nhằm mục

đích giảm áp suất Pr của khí thải, do đó giảm được công tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngoài

của piston Ngoài ra khi giảm áp suất Pr thì lượng khí sót trong xy lanh cũng giảm nên tăng

được lượng khí nạp mới vào xy lanh

Supap thải được đóng trễ sau ĐCT (điểm r’ hoặc góc 6) gọi là góc đóng trễ supap thải

Do có sự mở sớm đóng trễ supap thải nên thời gian của quá trình thải lớn hơn thời gian của

hành trình thải Trên đồ thị công, từ điểm d1 đến r’ cả hai supap nạp và thải đều mở - gọi là

góc trùng điệp của hai supap nạp và thải

Sau 4 hành trình của piston, động cơ đã hoàn thành một chu trình công tác và một chu

trình công tác mới lại tiếp tục

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp

* Kết luận: Qua một chu trình công tác của động cơ 4 kỳ không tăng áp ta thấy:

- Toàn bộ chu trình công tác được thực hiện trong 2 vòng quay của trục khuỷu Trong 4

hành trình chỉ có hành trình thứ 3 là sinh công Còn các hành trình khác là quá trình chuẩn bị

được thực hiện nhờ động năng của các khối lượng quay (trục khuỷu bánh đà) và công của các

xy lanh khác

- Thời điểm đóng, mở supap, phun sớm nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm không trùng với

ĐCT hay ĐCD - được gọi là thời điểm phối khí

- Việc lựa chọn thời gian phối khí có ảnh hưởng rất lớn đến công suất động cơ

Thông thường góc phối khí được xác định bằng phương pháp thực nghiệm

- Đối với động cơ tăng áp, các quá trình công tác giống như động cơ không tăng áp

Điểm khác nhau cơ bản là khí nạp mới trong động cơ tăng áp được nén tới áp suất nhất định

(qua máy nén) sau đó mới nạp cho động cơ Vì vậy áp suất khí nạp mới lớn hơn áp suất trong

lòng xy lanh cuối quá trình thải, nên khi khí nạp đi vào qua supap nạp thì áp suất trong xy lanh

giảm đi nhưng vẫn lớn hơn áp suất khí trời

1.3 So sánh động cơ xăng và động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp

Giống nhau: Quá trình giãn nở và thải tương tự nhau

Khác nhau: Khí hỗn hợp trên động cơ xăng được hình thành từ bên ngòai gồm không

khí và hơi nhiên liệu nhẹ

Do yêu cầu nhiên liệu phải bốc hơi nhanh trước khi vào supap nạp để tránh tiêu hao

nhiên liệu và làm xấu chất lượng dầu nhờn nên động cơ xăng phải sử dụng nhiên liệu dễ bốc

hơi như xăng, dầu hỏa,…

Tỷ số nén của động cơ xăng nhỏ hơn động cơ diesel nên hiệu suất của động cơ xăng

nhỏ hơn động cơ diesel

 Do không dùng tính tự cháy để làm bốc cháy nhiên liệu nên động cơ xăng phải dùng

phương pháp đốt cháy cưỡng bức (bằng tia lửa điện)

1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ

4

Động cơ 2 kỳ là động cơ trong đó chu trình công tác được thực hiện trong 2 hành trình

của piston (hay một vòng quay trục khuỷu) Có nhiều phương pháp nạp và thải khí khác

nhau nhưng sau đây là phương án đơn giản nhất (phương án quét khí ngang) nhằm nêu bật

nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ Chu trình công tác của động cơ được tiến hành như sau:

 Hành trình thứ nhất: Hành trình giãn nở, piston đi từ ĐCT đến ĐCD để thực hiện quá

trình cháy, giãn nở và thải sản vật cháy ra ngoài (hành trình sinh công hay hành trình công tác)

Ở cuối hành trình giãn nở, khi đỉnh trên

piston đi qua mép của cửa thải (các cửa thải bố

trí về một phía vách và chiếm gần 1/2 chu vi xy

lanh) xy lanh được thông với bên ngoài, sản vật

cháy được thải ra khỏi xy lanh vì áp suất của khí

lớn hơn bên ngoài - đó là thời kỳ thải tự do - làm

áp suất trong xy lanh giảm xuống bằng hoặc lớn

hơn một chút so với áp suất không khí

Piston tiếp tục chuyển động đến khi đỉnh trên

của nó đi qua mép của cửa quét (các cửa quét bố

trí phía bên kia vách xy lanh), khí quét có áp

suất cao hơn áp suất không khí sẽ đi vào xy lanh

để đẩy nốt khí thải ra ngoài và nạp đầy vào xy

lanh Giai đoạn tiến hành đồng thời việc nạp và

thải khí gọi là giai đoạn quét khí

Khi piston tiếp tục đi lên thì một chu trình

công tác mới lại được bắt đầu

Hành trình thứ 2: Hành trình nén, piston

đi từ ĐCD đến ĐCT thực hiện các quá trình thải

và quét khí thải ra khỏi xy lanh đồng thời nạp và

nén khí nạp mới vào xy lanh Lúc đầu quá trình

quét khí và nạp khí mới còn tiếp tục cho đến khi cửa quét bị piston đóng lại Từ lúc đóng cửa

quét đến lúc đóng cửa thải, trong xy lanh xảy ra hiện tượng lọt khí nạp mới

Sau khi cửa thải được đóng (điểm a), quá trình nén bắt đầu, piston tiếp tục đi tới ĐCT

làm áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp cháy và khí sót tăng lên rõ rệt Đến cuối quá trình nén, tại

điểm c’ tiến hành phun nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm

Do đó, ở hành trình thứ 2, trong xy lanh của động cơ đã xảy ra các quá trình sau: kết thúc

quét và thải khí, nạp khí nạp mới, nén và bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu Khi piston tiếp tục

chuyển động đi xuống thì một quá trình công tác mới lại được bắt đầu theo thứ tự như đã nói ở

trên

* Kết luận: Qua một chu trình công tác của động cơ 2 kỳ ta thấy:

- Một chu trình công tác được thực hiện trong một vòng quay của trục khuỷu

- Trong 2 hành trình có 1 hành trình sinh công

- Áp suất khí quét phải lớn hơn áp suất khí trời, muốn vậy phải có bơm quét (hoặc máy

nén) do trục khuỷu dẫn động Công suất tiêu hao cho việc dẫn động này chiếm khoảng

6%-12% công suất động cơ

- Có một phần hành trình của piston dùng vào việc thải và quét khí (đoạn oa)

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ 2 kỳ quét ngang

- Khi quét khí có một bộ phận khí nạp mới bị hao hụt do lẫn trong sản vật cháy ra ngoài

Vì trong khí nạp mới của động cơ xăng có chứa hơi xăng nên chu trình 2 kỳ chỉ dùng cho

động cơ xăng có công suất nhỏ

1.5 So sánh động cơ 2 kỳ và 4 kỳ

- Nếu các kích thước đường kính xy lanh (D), hành trình piston (S) và số vòng quay

bằng nhau thì về lý thuyết động cơ 2 kỳ có công suất lớn gấp 2 lần động cơ 4 kỳ Nhưng thực

tế chỉ lớn hơn từ 1,6 – 1,8 lần vì một phần công suất phải dùng để thực hiện quá trình quét và

thải khí Ngoài ra còn trích một phần công suất để dẫn động hệ thống tăng áp (thường khoảng

6% - 12% công suất của động cơ)

- Momen quay ở động cơ 2 kỳ đều hơn vì thời gian giữa các chu trình ngắn

- Quá trình nạp và thải ở động cơ 4 kỳ hoàn hảo hơn, thời gian dài hơn, việc lựa chọn

góc phối khí tốt nhất thuận lợi hơn tuy kết cấu phức tạp hơn động cơ 2 thì

- Ở động cơ 4 kỳ có thể dùng phương pháp tăng áp để tăng công suất động cơ dễ dàng

hơn vì ứng suất nhiệt của động cơ nhỏ, bố trí hệ thống tăng áp cũng đơn giản hơn

-

CHƯƠNG 2 CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ

2.1 Các loại chỉ tiêu kinh tế – Kỹ thuật

Để đánh giá chất lượng động cơ, người ta dùng các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật sau:

- Công suất

- Giá thành một đơn vị công

- Hiệu suất động cơ

- Tuổi thọ

- Trọng lượng

- Kích thước bề ngoài,…

Tùy thuộc vào công dụng và điều kiện sử dụng động cơ mà các chỉ tiêu trên giữ những

vai trò chủ yếu khác nhau Để hiểu rõ sự ảnh hưởng của chất lượng động cơ tới các loại chỉ

tiêu của thiết bị động lực hoặc phương tiện vận tải, chúng ta cần nghiên cứu khái niệm và nội

dung của các loại chỉ tiêu nói trên

2.2 Công suất của động cơ

Công suất của động cơ nói lên yêu cầu của thiết bị động lực mà ta sử dụng Công suất có

ích của động cơ là công suất thu được trên trục khủyu của động cơ Đó là chỉ tiêu rất quan

6

trọng, nó không phụ thuộc vào công dụng và loại động cơ, việc nâng cao công suất có ích là

mục tiêu của công tác chế tạo và thiết kế bất kỳ một loại động cơ nào

2.3 Giá thành một đơn vị công của động cơ

Được thể hiện bằng đồng (đ) trên một kw có ích giờ (hoặc mã lực có ích trong một giờ)

Nó bao gồm các chi phí dưới đây hợp thành:

- Chi phí về nhiên liệu

- Chi phí về chế tạo động cơ

- Chi phí cho việc sửa chữa và bảo dưỡng động cơ

Mỗi loại chi phí trên đều phụ thuộc vào các thông số của động cơ

Ví dụ: Chi phí về nhiên liệu chủ yếu phụ thuộc vào hiệu suất của động cơ, loại nhiên liệu

và thời gian làm việc của động cơ ở các chế độ công tác khác nhau Chi phí về chế tạo động cơ

phụ thuộc vào kích thước, cấu tạo động cơ, phương thức sản xuất (hàng loạt hay đơn chiếc),

cường độ sử dụng Chi phí cho sửa chữa động cơ phụ thuộc vào tuổi thọ và tính chất phức tạp

về mặt cấu tạo của động cơ

2.4 Hiệu suất có ích của động cơ

Có liên quan tới chi phí về nhiên liệu, do đó có ảnh hưởng tới giá thành một đơn vị công

Ngoài ra thời gian làm việc của động cơ mà không cần bổ sung nhiên liệu dự trữ cũng phụ

thuộc vào hiệu suất - Điều này rất quan trọng đối với loại động cơ dùng cho vận tải

2.5 Tuổi thọ của động cơ là thời gian sử dụng động cơ giữa hai kỳ đại tu Trị số này ảnh

hưởng tới giá thành một đơn vị công thông qua chi phí cho sửa chữa (quy về một đơn vị công)

2.6 Trọng lượng của động cơ

Có liên quan tới chi phí kim loại dùng để chế tạo động cơ nên người ta thường tìm cách

giảm trọng lượng trong những điều kiện gần giống nhau, do đó giảm được gíá thành một đơn

vị công thông qua giảm chi phí chế tạo động cơ Trong một vài trường hợp, đặc biệt ở một vài

loại thiết bị vận tải, việc giảm trọng lượng động cơ là một yêu cầu quan trọng vì dù động cơ có

tính kinh tế cao nhưng trọng lượng vẫn còn nặng thì nhìn chung cũng không có lợi

2.7 Kích thước bề ngoài động cơ

Được xác định bằng ba kích thước dài, cao và rộng giữa các điểm ngoài cùng Kích thước

bề ngoài của động cơ có ảnh hưởng quyết định tới việc chọn cấu thành động cơ, số lượng và

cách bố trí xy lanh, tỷ số giữa hành trình và đường kính xy lanh Ngoài ra người ta còn dùng

các chỉ tiêu khác như tính thích ứng của động cơ, hiệu suất đối với mỗi một chế độ làm việc

khác nhau của động cơ (ngoài chế độ quy định) , chiều cao trọng tâm,… để đánh giá chất

lượng làm việc của động cơ, và trong một vài trường hợp đặc biệt những chỉ tiêu này có thể

quan trọng hơn những chi tiêu đã nói ở trên

Qua sáu chỉ tiêu đã nói ở trên, công suất là chỉ tiêu quan trọng bậc nhất, sau đó là giá

thành một đơn vị công Đối với loại động cơ tĩnh tại chỉ tiêu này (công suất) có tính chất quyết

định nếu tính cả giá thành xây dựng cơ bản Trong một vài trường hợp khác thì chỉ tiêu về giá

thành có khi mâu thuẫn với một vài chỉ tiêu khác trong việc đánh giá động cơ

Ví dụ: Trong việc lựa chọn động cơ cho xe ôtô vận tải, động cơ A cho ta giá thành một

đơn vị công thấp do có hiệu suất và tuổi thọ cao hơn so với động cơ B Nhưng động cơ A lại

có kích thước và trọng lượng bề ngoài lớn hơn B Do vậy, khi dùng động cơ A thì lượng chứa

hàng của xe sẽ giảm đi và kết quả là số tấn cây số (t.km) trên công có ích của xe đối với một

đơn vị thời gian cũng bị giảm Do đó chi phí cho một tấn cây số ở động cơ A có thể cao hơn so

với động cơ B Như vậy việc lựa chọn động cơ phải tiến hành theo chi phí đối với một đơn vị

công của thiết bị vận tải chứ không chỉ đối với động cơ

Tương tự như vậy ta cũng có thể đưa ra những ví dụ về việc lựa chọn động cơ dùng cho

các lĩnh vực khác Các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của động cơ luôn luôn phụ thuộc vào đặc tính

của quá trình công tác Đặc trưng một cách đầy đủ nhất cho chất lượng của quá trình công tác

của động cơ là hai thông số: Áp suất chỉ thị trung bình và hiệu suất chỉ thị của động cơ cùng

với các thông số phụ thuộc vào chúng như công suất và hiệu suất có ích của động cơ

2.8 Áp suất chỉ thị trung bình

Áp suất chỉ thị trung bình là công của khí ứng với một đơn vị thể tích công tác trong xy

lanh cho một chu trình Thứ nguyên (đơn vị) của áp suất chỉ thị trung bình là thứ nguyên của

áp suất, thí dụ nếu công của chu trình Li biểu thị bằng Nm hoặc Jun, thể tích công tác Vh biểu

lanh.Các định nghĩa có tính chất công thức hóa như trên về khái niệm áp suất chỉ thị trung bình

không những bao hàm ý nghĩa vật lý mà còn bao hàm thứ nguyên của nó nữa Thông thường Pi

thức ở nhiệt kỹ thuật bằng:

L i =  pdV (Nm, J) (2-2)

Trong đó: p – Áp suất thay đổi của khí trong xy lanh

V – Thể tích xy lanh biến đổi theo góc quay của trục khuỷu, tích phân là tính

trong thời gian một chu trình (bốn kỳ hoặc hai kỳ)

Thay công thức (2-2) vào (2-1) ta được:

P i =

h

V pdV

Từ công thức (2-3) ta thấy để xác định Pi cần phải biết mối quan hệ giữa P và V, quan hệ

này ở dạng đồ thị chính là đồ thị công trong tọa độ P-V

Người ta đo đồ thị công bằng máy đo công trong khi thí nghiệm Máy đo công có loại

trực tiếp cho ta đồ thị công trên tọa độ P-V, có loại cho ta đồ thị công triển khai trên tọa độ P-

, trong đó  là góc quay của trục khuỷu

Tích phân trong công thức (2-3) được xác định bằng cách giải đồ thị ta được:

8

P i =  pdV pdV

ht c/tác ht.nén

Tích phân đầu trong ngoặc luôn lớn hơn không vì p>0, dv>0; Tích phân thứ hai nhỏ hơn

0 vì khi nén dv<0 Từ công thức (2-4) ta có thể viết đơn giản hơn như sau:

Công thức này cho ta định nghĩa khái quát thứ ba về áp suất chỉ thị trung bình Pi: Áp suất

chỉ thị trung bình của chu trình là hiệu số giữa áp suất trung bình của hành trình công tác với

áp suất trung bình của hành trình nén

Định nghĩa về khái niệm Pi tương đối đầy đủ nhất và có ứng dụng thực tế là định nghĩa

trong đó có tính đến cả công của hành trình “bơm“ Để tránh nhầm lẫn, các chương sau chỉ

dùng định nghĩa về Pi theo công thức ( 2-4) và (2-6)

Trị số của Pi đối với các loại động cơ không tăng áp thường trong khoảng Pi = 0,3 – 1,0

MN/m2 Còn đối với động cơ tăng áp có thể đạt tới 2,0 MN/m2

2.9 Công suất của động cơ

2.9.1 Công chỉ thị của chu trình: Là công do khí sinh ra trong xy lanh đối với một chu

trình và được xác định bằng đồ thị công

L i = P i V h (Nm) (2-7)

Trong đó: Li là công chỉ thị của chu trình, Nm

Vh là thể tích công tác của xy lanh, m3

Pi là áp suất chỉ thị trung bình, N/m2

Trong công thức (2-7) nếu Pi tính theo công thức (2-6) thì Li là công chỉ thị của chu

trình trong đó không tính đến công của hành trình “bơm” Nếu Pi tính theo công thức (2-3) thì

Li là công chỉ thị của chu trình trong đó có tính đến công của hành trình “bơm”

2.9.2 Công suất chỉ thị của động cơ: Là công suất ứng với công chỉ thị của chu trình

N i = L i m ( Nm/s)

Trong đó: m = 2n /  (chu trình / s) là số chu trình trong một giây của xy lanh

Với: n là số vòng quay trong một giây của trục khuỷu

2



Và công suất chỉ thị ứng với i xy lanh bằng: N i =



 i i h

V niP

ni V

P i h

( kW) (2-9)

2.9.3 Công suất có ích: Là công đo được tại đầu ra của trục khuỷu, ở đó công củađộng

cơ được truyền đến những nơi cần năng lượng (hộp số hoặc máy công tác) Công suất có ích

của động cơ nhỏ hơn công suất chỉ thị một trị số bằng công của tất cả các lực cản tác dụng

trong cơ cấu của động cơ, gồm:

- Công tiêu hao cho ma sát

- Công dùng để dẫn động các cơ cấu phụ ( bơm nước, bơm nhớt, bơm nhiên liệu,…)

- Công dùng để dẫn động các cơ cấu phân phối khí

- Tổn thất “ bơm” , tức là những lực cản ở hành trình “bơm” của piston (hành trình

nạp và thải trong động cơ 4 kỳ) và quay máy nén khí tăng áp cho động cơ.Tổn thất công trong

một giây của tất cả các loại trở lực đó hợp thành công suất cơ giới (Nm), do đó công suất có

Hiệu suất cơ giới của động cơ đốt trong thường nằm trong khoảng m = 0,65 – 0,93 Tích

số giữa áp suất chỉ thị trung bình với hiệu suất cơ giới gọi là áp suất có ích trung bình của động

ni V

P e h

(KW) (2-13) Qua công thức (2-13) ta thấy mối quan hệ giữa Ne và Pe giống như mối quan hệ giữa Ni

và Pi Từ đó ta có thể rút ra một định nghĩa có tính khái quát với Pe là: áp suất có ích trung bình

là công có ích cho một chu trình ứng với một đơn vị thể tích công tác của động cơ và được

biểu thị bằng N/m2 ( hoặc kG/cm2 )

Về mặt sức bền, độ tin cậy khi làm việc và tuổi thọ của mỗi động cơ thường được tính ở

số vòng quay quy định n (v/p) - được chọn căn cứ vào điều kiện làm việc của động cơ Ở số

vòng quay quy định, động cơ có thể phát ra công suất từ Ne = 0 (không tải) đến công suất quy

định Neqđ – Công suất mà nhà chế tạo cam đoan, trong đó có tính đến các điều kiện sử dụng

(ổn định và liên tục, không ổn định và công suất luôn luôn thay đổi– Ví dụ)

10

Có thể tăng công suất động cơ lớn hơn công suất quy định trong một thời gian ngắn

Công suất cực đại trong quá trình sử dụng động cơ có khi trùng với công suất quy định, có khi

cao hơn công suất quy định Tỉ số giữa công suất động cơ và công suất quy định, chọn là 100%

- gọi là phụ tải tương đối của động cơ biểu thị theo phần trăm Phụ tải tương đối lớn hơn 100%

gọi là động cơ quá tải Thông thường quá tải không cho phép đến 10%, thậm chí ở một số

động cơ không cho phép quá tải (tùy thuộc vào điều kiện sử dụng)

2.10 Hiệu suất của động cơ

Trong nguyên lý động cơ thường sử dụng các khái niệm về hiệu suất như:

- Hiệu suất có ích  e: Là tỉ số giữa nhiệt lượng tương đương với công có ích chia cho số

nhiệt lượng do nhiên liệu phát ra

e =

H nl

e

Q G

N

(2-14) Trong đó : Gnl – Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giây tính theo Kg/s hoặc m3/s

QH - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu tính theo J/ kg hoặc J/m3

Ne - Công suất có ích tính theo W hoặc J/s

Hoặc tính theo suất tiêu hao nhiên liệu:

Trong thực tế thí nghiệm động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu Gnl thường được tính theo

số kg trong một giờ và công suất có ích đo bằng KW Do đó:

g e = 3

10

3

10.6,3

(2-16a)

- Hiệu suất chỉ thị i của động cơ: Là tỉ số giữa lượng nhiệt tương đương với công

chỉ thị của động cơ so với nhiệt lượng do nhiên liệu phát ra:

i =

H nl

i

Q G

Nếu xét cả công thức (2-11) ta được: g i = e m

i

e e

g N

Hiệu suất chỉ thị của các loại động cơ thường trong khoảng i = 0,22 – 0,5

2.11 Giá thành một đơn vị công:

Giá thành một đơn vị công là một chỉ tiêu kinh tế quan trọng đặc trưng cho chất lượng sử

dụng động cơ Nó gồm một số bộ phận như: giá thành nhiên liệu, giá thành bản thân động cơ,

giá thành sử dụng, giá thành sửa chữa tính cho một đơn vị công (một Kw có ích giờ)

Gọi giá tiền một đơn vị nhiên liệu là Xnl, ta có thể tính giá thành nhiên liệu dùng cho một

động cơ:

Xnl ge =

H e

(đồng/ Kw có ích giờ)

Gọi giá tiền động cơ là Xđ và thời gian phục vụ của nó là Tđ (tính theo giờ) ta có thể tính

được giá thành động cơ ứng với một đơn vị công là:

e đ

đ

N T

X

(đồng / Kw có ích giờ)

Gọi giá thành sử dụng động cơ (lương thợ máy, vật liệu bôi trơn,…) trong một năm là

Xsd và số giờ làm việc của động cơ trong một năm là Tg Thì giá thành sử dụng cho một đơn vị

công tương ứng là:

e g

sd

N T

X

(đồng / Kw có ích giờ)

Gọi giá thành sửa chữa động cơ (đại tu, trung tu, bảo dưỡng và kiểm tu) là Xsc trong toàn

bộ thời gian phục vụ Tđ của động cơ, ta có thể tính được giá thành một đơn vị công tương ứng

là:

e đ

sc

N T

X

(đồng / Kw có ích giờ) Tổng cộng, ta có giá thành toàn bộ cho một đơn vị công của động cơ là:

sc đ e H

e

nl

T

X T

X X N Q

10 6 ,

Qua công thức tính X ta thấy:

- Tăng e sẽ giảm được X Vì vậy một trong những phương hướng chủ yếu của công

nghiệp chế tạo ôtô là tăng hiệu suất có ích của động cơ

- Tăng Ne và Tđ cũng có ý nghĩa lớn trong việc giảm giá thành X

12

-

Chương 3 CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

3.1 Khái niệm chung:

Trong động cơ đốt trong sự biến đổi từ nhiệt năng sang cơ năng là một quá trình phức

tạp Các quá trình này hợp thành một chu trính kín, hở và không thuận nghịch Nó xảy ra phụ

thuộc vào nhiều yếu tố như phương pháp hình thành hỗn hợp, kết cấu của động cơ (tỉ số nén,

góc phối khí,…) và chế độ làm việc của động cơ Nghên cứu một chu trình như vậy gặp rất

nhiều khó khăn, rất khó đánh giá mức độ tốt xấu chung

Để nghiên cứu được dễ dàng, người ta thay thế các quá trình phức tạp trên bằng các quá

trình đơn giản và lược bỏ các tổn thất về năng lượng do ảnh hưởng của các quá trình thực tế

Ta có chu trình lý tưởng

Để đánh gíá mức độ hoàn thiện của các quá trình riêng biệt và toàn bộ chu trình trong các

loại động cơ Chúng ta cần phải tìm hiểu khả năng sử dụng nhiệt đặc biệt của chu trình lý

tưởng, là ngoài tổn thất cho nguồn lạnh không có mất mát nào khác So sánh hiệu suất nhiệt

của chu trình lý tưởng và thực tế để xác định mức độ hoàn thiện của chu trình và đề ra phương

pháp nâng cao tính kinh tế và công suất của động cơ

Khi nghiên cứu chu trình lý tưởng người ta giả thiết rằng:

1 Số lượng môi chất công tác trong xy lanh động cơ hoàn toàn không thay

đổi.Như vậy không có quá trình thải và nạp khí vào xy lanh

2 Nhiệt lượng được cấp từ bên ngoài vào chu trình - như vậy không có phản ứng hóa học

xảy ra giữa nhiên liệu và ôxy của không khí (thành phần hóa học của môi chất công tác không

thay đổi trong suốt chu trình Không tính đến những tổn thất nhiệt phát sinh khi nhiện liệu

cháy) Như vậy việc chuyển nhiệt sang công trong chu trình lý tưởng là lớn nhất

3-Tỉ nhiệt của môi chất công tác không thay đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ (thực tế

nó phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần môi chất công tác)

4-Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt – không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung

quanh Do đó không tính đến tổn thất nhiệt trong quá trình nén và giãn nở Chỉ tiêu chủ yếu

của bất kỳ một chu trình nào cũng được đánh giá trên 2 mặt:

1- Tính kinh tế: Được đặc trưng bởi hiệu suất nhiệt của chu trình t – Là tỉ số giữa

lượng nhiệt đã chuyển biến thành công với lượng nhiệt cung cấp cho môi chất công tác

t =

1 1 2 1

2 1

1

Q

L Q

Q Q

L t : Công sinh ra của 1Kmol môi chất công tác trong một chu trình (J/kmol )

Q 1: Số nhiệt lượng cung cấp cho môi chất công tác (J/kmol )

Q 2: Số nhiệt lượng thải ra (j/kmol )

Q 1 – Q 2: Số nhiệt lượng được lợi dụng có ích (chuyển sang công)

2 Tính hiệu quả: Được đặc trưng bởi công đơn vị của chu trình tức là công tương

ứng Với một đơn vị thể tích công tác của xy lanh

P t = L t / V h ( Nm/m3 hoặc N/m2 ) (3-2)

Trong đó Lt: Công của một chu trình (J hoặc Nm)

Vh = Vmax – Vmin: Thể tích công tác của xy lanh tức là hiệu số giữa thể tích lớn nhất và

nhỏ nhất của môi chất công tác trong chu trình (m3)

Pt : Công đơn vị hay áp suất bình quân của chu trình

Qua công thức (3-2) cho thấy về mặt số trị thì công đơn vị bằng áp suất giả thiết

không đổi pt, tác dụng lên piston trong khoảng thời gian ứng với sự thay đổi thể tích từ Vmax

đến Vmin Vì vậy trị số pt còn được gọi là áp suất bình quân của chu trình

Công đơn vị của chu trình càng lớn thì kích thước xy lanh công tác của động cơ cần có để

thu được công suất đã cho sẽ càng nhỏ

Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong có thể chia làm 4 loại chủ yếu dưới đây:

1- Chu trình lý tưởng tổng quát: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra cả ở trạng

thái thể tích không đổi (V = const) và trạng thái áp suất không đổi (p = const)

2-Chu trình đẳng tích: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra ở trạng thái thể tích

không đổi (V = const)

3-Chu trình đẳng áp: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra ở trạng thái áp suất

không đổi (p = const)

4- Chu trình hỗn hợp: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt có một bộ phận tiến hành ở thể

tích không đổi (V = const) và một bộ phận tiến hành ở áp suất không đổi (p = const)

3.2 Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong

3.2.1 Chu trình lý tưởng tổng quát ( H.3.1a)

Trên hình vẽ ta có:

- Các quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt (ac và zb) nên không có sự trao đổi nhiệt

- Q’1 nhiệt lượng cấp vào ở trạng thái đẳng tích, Q’’1 nhiệt lượng cấp vào ở trạng thái

đẳng áp

- Q’2 nhiệt lượng nhả ra ở trạng thái đẳng tích, Q’’2 nhiệt lượng nhả ra ở trạng thái đẳng

áp

14

a chu trình lý tưởng tổng quát b chu trình lý tưởng đẳng tích

Hình 3.1: Đồ thị của chu trình lý tưởng trên đồ thị p-v

Số lượng nhiệt cấp vào ở một chu trình (KJ/kg): Q1= Q’1 + Q’’1

Q 1 = mC v (T y -T c ) + mC p (T z -T y ) (3-3)

Ở đây: mCp và mCv là tỉ nhiệt mol đẳng áp và đẳng tích, (KJ/KgS)

Tz, Tz’, Tc là nhiệt độ của chu trình tại các điểm Z,Z’ và C

Nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh: q2 = q’2 + q’’2

Q 2 = mC v (T b -T f ) + mC p (T f -T a ) (3-4)

Ở đây: Tb, Tf, Ta là nhiệt độ của chu trình ứng với các điểm b,f,a

Khi đó hiệu suất của chu trình:

Trong đó: k = mCp/mCv gọi là chỉ số đa biến

Theo hình (3-1) ta quy định:

t

)(

)(

)(

)(

11

1 2

y z c

y

a f f

b

T T mCp T

T mCv

T T mCp T

T mCv Q

)(

)(

)(

1

y z c

y

a f f

b

T T k T T

T T k T T

 = Pz/Pc: Tỉ số tăng áp suất khi cấp nhiệt trong quá trình đẳng tích (v =const)

 = Vz/Vc :Tỉ số giãn nở ban đầu khi nhiệt lượng cấp vào trong quá trình đẳng áp

Để có được biểu thúc cuối cùng tính toán hiệu suất nhiệt cuối cùng của chu trình theo các

giá trị từ phương trình nhiệt động, từ các quá trình riêng biệt, từ các biểu thức nhiệt độ trong

công thức (3-5) ta đưa về nhiệt độ ban đầu của quá trình nén Ta

'

'1

11

V

k mCvT

(3-12) Theo giáo trình nhiệt kỹ thuật: mCv = R/k-1 và Pa = RTa/Va

Trong đó R là hằng số chất khí, thế vào phương trình trên và cuối cùng mà ta nhận

được:

)1'(

P

t

k

a ( N/m2.) (3-13)

Từ công thức trên ta thấy tỉ số nén  , hiệu suất nhiệt của chu trình t và áp suất nén ban

đầu Pa càng cao thì áp suất bình quân của chu trình càng lớn Sự ảnh hưởng của các thông số

còn lại như , ,  và k tới Pt sẽ được nghiên cứu trong các phần của chu trình riêng biệt

3.2.2 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích

16

a chu trình lý tưởng đẳng áp b chu trình lý tưởng hỗn hợp

Hình 3.2: Đồ thị của chu trình lý tưởng trên đồ thị p-v

Hình (3.1b) trên tọa độ P-V và T-S cho thấy nhiệt lượng cấp vào q1 và nhiệt lượng

nhả ra q2 xảy ra khi thể tích công tác của xy lanh không đổi

Vh = Va-Vc = Vmax-Vmin = (.D2).S/4 (mm3)

Trong đó: D, S là đường kính và hành trình piston (m)

S = 2R (R: bán kính quay của trục khuỷu)

Quan sát chu trình ta thấy nó khác với chu trình tổng quát là không có quá trình nhả nhiệt

k

P

(3-14) 3.2.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp

Hình (3.2a) trên tọa độ P-V và T-S cho thấy nhiệt lượng cấp vào q1 trong điều kiện

đẳng áp và nhiệt lượng nhả ra cho nguồn lạnh q2 trong quá trình đẳng tích Đối với trường hợp

này  =1 và  =1, thay các giá trị này vào biểu thức (3-8) và (3-13) ta được:

)1(

11

P

t

k a

(3-15)

3.2.4 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp

Hình (3.2b) trên tọa độ P-V và T-S cho thấy một phần nhiệt lượng q’1 cấp vào ở trạng

thái đẳng tích, còn một phần của nó q’’1 được cấp vào ở trạng thái đẳng áp Nhiệt lượng nhả

cho nguồn lạnh q2 ở trạng thái đẳng tích

Quan sát chu trình ta thấy nó khác với chu trình tổng quát là không có quá trình nhả nhiệt

đẳng áp Fa Bởi vậy trong trường hợp này ’=1 Thế các giá trị của ’ vào công thức (3-8) và

(3.13) ta được:

)1()1(

11

P

t

k a

(3-16)

3.3 Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp

Động cơ tăng áp là một tổ hợp thiết bị bao gồm: bản thân động cơ, tuốc bin khí làm việc

bằng khí thải và máy nén dùng để cung cấp không khí (hoặc hỗn hợp công tác) có áp suất cao

hơn áp suất khí trời và xy lanh (Pk >Po)

Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp xảy ra trong cả phần động cơ piston và cả phần

tuộc bin máy nén

Những động cơ hiện đại người ta sử dụng rộng rãi phương pháp dùng tuộc bin khí thải để

dẫn động máy nén Khí thải của động cơ có áp suất và nhiệt độ tương đối cao, chứa một phần

nhiệt năng chưa sinh công khá lớn Người ta tận dụng năng lượng đó để sinh công bằng cách

cho khí thải tiếp tục giãn nở đến áp suất khí trời trong các cánh tuốc bin Công thu được từ

tuốc bin cung cấp cho máy nén khí nạp vào động cơ và thực hiện tăng áp

Tùy theo áp suất trước tuốc bin người ta chia thành tuốc bin biến áp và tuốc bin đẳng áp

3.3.1 Tuốc bin biến áp:

Khi súp páp thải mở, sản vật cháy của động cơ được dẫn thẳng đến tuốc bin Như vậy,

việc giãn nở tiếp tục của khí thải được tiến hành đồng thời trong xy lanh và trong cánh tuốc

bin Vì vậy tuốc bin làm việc ở áp suất biến đổi giảm dần với sự lợi dụng động năng của dòng

khí đi từ xy lanh đến các cánh công tác của tuốc bin Để thực hiện được quá trình giãn nở thêm

của khí thải trong tuốc bin, người ta bố trí tuốc bin rất gần xy lanh động cơ để sao cho dung

tích đường ống nối từ xy lanh đến tuốc bin là nhỏ nhất

Như vậy tỷ số nén của toàn bộ thiết bị:

o = k. =Vo/Vc

Quan sát hình ta thấy chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp là trường hợp đặc biệt của

chu trình lý tưởng tổng quát không có quá trình nhả nhiệt đẳng tích ( =1 ) Vì vậy muốn tính

t(y) và Pt(y) của chu trình chỉ cần biến đổi để tìm giá trị của (/’)k để thay vào công thức và

18

Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích khi v = const và  = 1 thì:

ty(v)  

)1(

1'

ty(p)  

) 1 (

1 '

P

t

k o

o (3-21) Đối với trường hợp  = 1 thì :

P t(v)  1

)1(

k o o

k

P

(3-22) Đối với trường hợp  = 1 thì:

P t(p)   1 

)1(

P

p t

k o

o (3-23)

3.3.2 Tuốc bin đẳng áp

Khi khí thải từ xy lanh đi ra được tích vào một thùng chứa, sẽ tạo được áp suất không đổi

trước khi dẫn vào tuốc bin và trong trường hợp này không lợi dụng được động năng của dòng

khí lưu động từ xy lanh vào cánh tuốc bin Nhưng khí thải trong thùng chứa có dung tích lớn

hơn của xy lanh, nên áp suất khí thải giảm đi, tốc độ của dòng khí cũng giảm xuống Động

năng lúc đó biến thành nhiệt năng Do vậy nhiệt độ của khí trước khi vào tuốc bin tăng lên

Nếu toàn bộ nhiệt lượng cấp vào trong chu trình hỗn hợp bằng Q1 (J/Kmol) thì lượng

nhiệt thải ra của chu trình đó cũng chính là nhiệt lượng cấp vào của chu trình và bằng:

k k

k k

Q Q



Từ biểu thức (3-23) và (3-8) ta thấy hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ tăng áp bằng

tuốc bin đẳng áp chính bằng hiệu suất nhiệt của chu trình hỗn hợp của động cơ không tăng áp

t có tỷ số nén , mà tỷ số nén của nó là tỷ số nén của toàn bộ thiết bị o = .k

Từ các biểu thức (3-24) và (3-12) ta cũng thấy khi tăng áp bằng tuốc bin thì hiệu suất

nhiệt của chu trình cũng tăng, rõ nhất là trong chu trình cấp nhiệt đẳng áp thì mức độ tăng của

t càng cao Áp suất bình quân Pt(y) tăng rất nhanh do tỷ số nén, áp suất nạp vào động cơ và t

đều tăng

3.4 Chu trình lý tưởng động cơ tăng áp dẫn động bằng cơ khí

Hiệu suất nhiệt ty của chu trình toàn bộ thiết bị – Có tính đến công tiêu hao để dẫn động

máy nén được biểu thị như sau:

ty

1

L Q

L

tđ tk

L

   1  (3-26) Trong đó: k = Ltk/Ltđ là công tương đối của máy nén

Q1: Lượng nhiệt cấp vào cho chu trình

tđ: Hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng hỗn hợp của động cơ tăng áp

Công của bản thân động cơ được tính (dựa vào hình vẽ và các công thức tính Q1, Q2):

Ltđ = mcvTkok-1-1+ k( - 1)tđ

Trong đó: o là tỷ số nén của cả thiết bị, o= Vo/Vc = k

 là tỷ số nén của bản thân động cơ, = Vk/Vc

20

k là tỷ số nén ban đầu của máy nén, k=Vo/Vk

Theo giáo trình nhiệt kỹ thuật, công chu trình lý tưởng của máy nén bằng:

1

1 1

1 0 1

k k

k

k P

P RT k

k k

k T

mc

RT k

1 1

1 1 0

1 0

1

1 0

tđ (3-27)

Qua công thức trên ta thấy hiệu suất nhiệt của động cơ dẫn động bằng cơ khí nhỏ hơn

hiệu suất nhiệt của bản thân động cơ khi chưa tăng áp do tiêu hao một phần để dẫn động máy

nén Phần tổn thất công để dẫn động máy nén càng lớn nếu như tỉ số nén của động cơ và lượng

nhiệt cấp vào càng nhỏ (lượng nhiệt cấp vào Q1 = mcvTkk-1-1+ k( - 1)

Áp suất bình quân của chu trình lý tưởng hỗn hợp được tính theo công thức:

h tđ tđ tđ h

tk tđ

P V

L L

Ltk P

k k tđ

k

k P

)1()1

1 1

k k

Hình 3.4 Quan hệ giữa

ty , P td , P ty và k của chu trình

lý tưởng động cơ tăng áp

truyền động bằng cơ khí với

Trên hình 3.4 biểu thị mối quan hệ của hiệu suất ty, áp suất bình quân (công đơn vị) ptd,

pty của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp truyền đối với máy nén Kvới áp suất (tỷ số)

Qua các đường cong ta thấy, hiệu sấut

nhiệt tygiảm, khi tăng áp suất tăng áp pK, đó là do tiêu hao một phần công có ích vào việc dẫn

động máy nén Đối với điều kiện đã cho (hình 3.4) khi tăng áp suất tăng pK lên 100% (từ 0,1

MN/m2 đến 0,2 MN/m2) tygiảm đi 6,6% (từ 0,637 đến 0,595)

Mức độ tăng của áp suất pty chậm hơn so với ptd khi tăng pK Thí dụ cùng tăng pK lên

100% (từ 0,1 MN/m2 đến 0,2 MN/m2) áp suất bình quân pty chỉ tăng 89% (từ 1,1 đến 2,08

MN/m2), công thương đối của máy x tương ứng tăng từ 0 đến 0,062

Mặc dầu có tiêu hao một phần công hữu ích để dẫn động (quay) máy nén dùng vào việc

tăng áp, nhưng sử dụng tăng áp sẽ cho phép tăng áp suất bình quân pty lên rất nhiều, làm tăng

công suất của động cơ, không làm giảm nhiều hiệu suất có ích ecủa động cơ

Sở dĩ như vậy là vì trong động cơ thực tế hiệu sấut của chu trình e giảm đi nhưng hiệu

suất cơ giới mrkhi tăng áp lại được tăng lên, vì công tuyệt đối của các tổn thất cơ giới trong

động cơ khí chuyển sang tăng áp giữ gần như không đổi của các tổn thất cơ giới torng động cơ

truyền khi chuyển sang tăng áp giữ gần như không đổi, đồng thời trong lúc đó chỉ công chỉ thị

tại tăng lên rất nhiều

Nên chú ý là khi nghiên cứu chu trình công tác của động cơ tăng áp truyền động bằng cơ

giới, công tiêu hao để dẫn động máy nén thông thường quy về tổn thất cơ giới

Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp truyền động bằng cơ giới mà ta nghiên cứu trên là

chu trình hỗn hợp Tất cả những điều trình bày ở trên cũng hoàn toàn đúng cho hai trường hợp

khác: chu trình cấp nhiệt bằng áp p = coust ( 1) và chu trình cấp nhiệt đẳng tích V = cost

(=1)

Các biểu thức về  ty, td,p td, Ltd, và Kcủa những chu trình này có thể rút ra từ các

phương trình tương ứng đã trình bày ở trên của chu trình hỗn hợp bằng cách thay vào chúng

1

 hoặc  = 1

3.5 Chu trình lý tưởng động cơ tăng áp dẫn động bằng tuốcbin

Trong tất cả những chu trình lý tưởng đã nghiên cứu của động cơ hoặc không tăng áp,

hoặc tăng áp truyền động bằng cơ giới đều có một đặc điểm là khi thải từ các xylanh thải thẳng

22

Hình 3.5 Đồ thị của chu trình lý tưởng của động cơ tăng

áp bằng tuốcbin có giãn nở thêm

và thay đổi áp suất trước tuốcbin

ra khí trời được biểu thị bằng sự nhà nhiệt ở thể tích không đổi V =const Biểu thức của thông

số xác định quá trình nhả nhiệt có dạng ơ =k

Đối với động cơ hiện đại, người ta sử dụng rộng rãi phương pháp tăng áp dùng tuốc bin

khí để dẫn dòng máy nén, tuốc binhkhí chạy bằng năng lượng của khí thải động cơ Khi sản

vật cháy sau khi giãn nở trong xylanh của động cơ, hoặc là trực tiếp đi vào tuốcbin khí, hoặc là

lúc đầu đi vào ống góp chung (thùng chứa) sau đó đi vào tuốc binh khí, ở đó khí được giãn nở

thêm trong các cánh công tác và cuối cùng thải ra ngoài trời Trong trường hợp đầu, sau khi

supap thải mở, việc giãn nở tiếp tục của sản vật cháy được tiến hành đồng thời trong xylanh

của động cơ và trong tuốc binh khí, vì vậy tuốcbin

làm việc ở áp suất biến đổi giảm dần với sự

lợi dụng động năng của dòng khí đi từ xy lanh

vào tuốcbin trong các cánh công tác Để thực

hiện quá trình giãn nở thêm của khí thải trong

tuốc binh người ta bố trí tuốcbin rất gần với

xylanh hoặc một nhóm xylanh của động cơ

để sao cho dung tích đường ống khí nối giữa

xylanh động cơ và tuốcbin là nhỏ nhất

Trong trường hợp khí thải từ xylanh của

động cơ trước tiên thải vào thùng chứa thì sẽ

tạo nên áp suất không đổi trước tuốcbin và động

cơ cũng không lợi dụng được động năng của

dòng khi từ xylanh lưu động trược tiếp vào cánh

của tuốcbin

Nhưng do khí đi vào thùng chứa có dung tích lớn hơn dung tích của xylanh nên áp suất

của khí có giảm đi, tốc độ của khí cũng giảm và động năng lúc đó biến thành nhiệt năng, do

vậy nhiệt độ của khí trước tuốc binh tăng lên đôi chút

Đồ thị của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin được biểu thị trên hai tọa

độ p-V và T-s của hình 3.5, trong đó Ok- đường nén đoạn nhiệt của không khí trong máy nén,

kc –nén đoạn nhiệt trong xylanh của động cơ, cyz –cấp nhiệt hỗn hợp, zb giãn nở đoạn nhiệt

của khí xy lanh của động cơ, br-giãn nở đồng thời của khí trong xy lanh động cơ và trong

tuốcbinh xung lực có lợi dụng động năng của dòng khí, rf-giãn nở sau của khí tuốc binh đẳng

áp, fO-thải nhiệt ở p =const được thay cho quá trình thải khí từ tuốc binh ra ngoài khí trường

quá trình rk và kr tương ứng với quá trình thải nhiệt ở p = const được thay cho quá trình thải

khí từ tuốcbin xung lực vào thùng chứa chung và quá trình cấp cùng một lượng nhiệt như vậy

ở p = const trong tuốcbin đẳng áp

Công của chu trình lý tưởng hỗn hợp toàn thiết bị động cơ tăng áp bằng tuốc bin khí có

sự giãn nở thêm của khí trong cánh tuốcbin, có thể biểu thị dưới dạng tổng số đại số các công:

công của chu trình lý tưởng bản thân động cơ, công của tuốc bin xung lực, tuốcbin đẳng áp và

của máy nén

lty = ltd + ltTx + lrtp- ltK (J/kmol)

Trong đó: lt đ công chu trình của động cơ

lrTx công chu trình của tuốc binh xung lực

ltK công chu trình của máy nén

lrtp công chu trình của tuốc bin đẳng áp

Trên hình 3.5 biểu thị tổng số các công nói trên dưới dạng các diện tích của chu trình

thiết bị tổ hợp Chú ý là trên đồ thị T-s diện tích okrfo bằng hiệu số công của chu trình tuốc bin

đẳng áp ltTp (bằng diện tích rfnm) trừ đi công của chu trình máy nén ltk bằng diện tích sekls So

sánh các đồ thị công biểu thị trên hình (3.1a) và hình (3.5), thấy rằng ở động cơ tăng áp bằng

tuốcbin khí, do có sự giãn nở thêm của khí trong cánh tuốcbin, áp suất cuối quá trình giãn nở pf

và áp suất bắt đầu quá trình nén p0 như nhau và sự thải nhiệt chỉ được tiến hành ở p =const

Phương trình về hiệu suất nhiệt tycủa chu trình lý tưởng toàn bộ thiết bị (động cơ diêsel

tăng áp bằng tuốc binh khi cấp nhiệt hỗn hợp có giãn nở thêm) có thể rút ra từ phương trình

(3.8) sau khi thay ' = 1

ty

 =

)1(1

11

V V

Cũng vậy từ phương trình (3.13) sau khi thay ' = 1 ta được phương trình về áp suất

bình quân của chu trình pty

pty=  1 ( 1)

11

P

ty

k

(N/m2) (3.31)

Cũng như đối với chu trình lý tưởng hỗn hợp chỉ có thải nhiệt ở V=const có thể có hai

trường hợp giới hạn xảy ra đối với chu trình chỉ có thải nhiệt ở p =const mà ta đang nghiên

cứu

Nếu toàn bộ nhiệt cấp vào chỉ tiến hành ở V=const (=1) thì ta sẽ có chu trình lý tưởng

của động cơ tăng áp bằng tuốcbin khí cấp nhiệt đẳng tích có giãn nở thêm đó là chu trình lý

tưởng của thiết bị (động cơ xăng hoặc động cơ ga tăng áp bằng tuốc bin xung lực ở thời kỳ thải

và làm việc bằng động năng của dòng khí thải)

Sau khi thay  = 1 vào các phương trình (3.30) (3.31) sẽ được các phương trình về hiệu

suất nhiệt của chu trình đó tyvà áp suất bình quân Pty như sau:

k

p

(N/m2) (3.33)

Nếu toàn bộ nhiệt cấp vào chỉ tiến hành ở p = const (=1) thì ta sẽ được chu trình lý

tưởng của thiết bị động cơ tăng áp bằng tuốcbin khí cấp nhiệt đẳng áp có giãn nở thêm Cũng

như chu trình trên, sau khi thay (=1) vào các phương trình (3-30) (3.31) ta sẽ có các phương

trình về hiệu suất nhiệt ty và áp suất bình quân pty của chu trình đó

24

Hình 3.6 Đồ thị của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin

có giãn nở thêm và với áp suất không đổi trước tuốcbin

Pty= ( 1)

)1)(

p

ty K k

(N/m2) (3.35) Hoặc:

Pty= ( 1)

)1)(

p

ty K k

(N/m2)

Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp

có giãn nở thêm (thải nhiệt cũng ở áp suất

không đổi p = const) là chu trình lý tưởng

của thiết bị - động cơ diêsel phun nhiên

liệu lẫn với không khí nén, tăng áp bằng

tuốcbin xung lực ở thời kỳ thải và làm việc

bằng động năng của dòng khí thải của

xylanh động cơ Chu trình này cũng là chu

trình lý tưởng của thiết bị tuốcbin khí đẳng

áp đốt cháy nhiên liệu ở áp suất không đổi

(p =const)

Trong những động cơ tăng áp bằng

tuốcbin khí có sự giãn nở thêm của khí

đến áp suất khí trời thuộc vào những chu

trình lý tưởng đã nghiên cứu trên với ba

cách cấp nhiệt thì áp suất tăng áp pK

thường không vượt quá 1,6 -1,7 kG/cm2

hoặc 0,16-0,17 MN/m2 Sở dĩ như vậy là

vì hiệu suất của tuốcbin khí loại áp suất thay đổi chỉ ưu việt đối với một trị số tính toán của áp

suất khí mà thôi Vì vậy dùng tuôcbin xung lực chỉ có lợi đối với mức độ giảm áp của khí

không lớn lắm

Phương pháp tăng áp bằng tuốcbin kiểu thứ hai, thì áp suất khí trước tuốcbin trong thùng

chứa giữ gần như không đổi, dược sử dụng rất có kết quả đối với độ giảm áp lớn và cả đối với

độ giảm áp nhỏ

Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin khí không lợi dụng động năng của

dòng khí đi ra từ xilanh, tức là sử dụng loại tuốcbin đẳng áp được biểu thị trên hình 33, trong

đó ok- nén lúc đầu trong máy nén, kc- nén trong xilanh của động cơ, cyz- cấp nhiệt hỗn hợp,

zb- giãn nở của khí trong xilanh, bk- nhiệt thải ở V=const, thay cho quá trình thải khí từ trong

xilanh, kr- cấp cùng một số nhiệt lượng(nhiệt thải ở V= const) cho tuốcbin đẳng áp (p= const),

rf- giãn nở của khí trong cánh tuốcbin và fo- thải nhiệt ở p= const

Biểu thức về hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng của tổ hợp động cơ tuốcbin có thể rút

ra từ những công thức đã nói ở trên Nếu toàn bộ nhiêt lượng cấp vào trong chu trình hỗn hợp

bằng Q1 (J/kmol) thì lượng nhiệt thải ra của chu trình đó kcyzbk và nhiệt lượng cấp vào của

chu trình okrfo sẽ bằng:

Q = Q1 (1-td) = Q1       

)1(1

11



k k

Hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng của hệ tuốc bin máy nén okfo, theo hương trình

(3-34), được biểu thị bằng công thức sau:

Lúc đó nhiệt lượng thải ra trong chu trình okrfo, tức là của toàn thiết bị được xác định

bằng phương trình:

Q2= Q (1-tTN) = 1 1 1

)(

1.)1(1

11

2

)(

1)1(1

11

k Q

Trong đó: 0= K là tỷ số nén tổng cộng toàn thiết bị

So sánh công thức (3-36) và công thức(3-16) cho thấy rằng hiệu suất nhiệt ty của chu

trình động cơ tăng áp bằng tuốc bin không có lợi dụng động năng của dòng khí đi từ xilanh ra,

tức là sử dụng tuốcbin đẳng áp, bằng hiệu suất của chu trình hỗn hợp động cơ không tăng áp có

trị số nén, mà tỷ số của nó bằng tỷ số nén tổng cộng toàn thiết bị 0

Nếu áp suất bình quân của chu trình phức tạp cũng như của các chu trình nói trên ứng với

một đơn vị thể tích công tác của xy lanh Vh thì ta sẽ có các biểu thức sau:

P’ty =

)(

).(.)(

)(

0

c c

ty c

K ty h

ty

V V

V V V V

l V

V

l V

K k

k k

P’ty = [ 1 ( 1)]

)1)(

p

ty K k

Trong trường hợp tăng áp bằng tuốcbin như vậy, áp suất tăng áp Pk (hoặc K) mà càng

lớn thì áp suất bình quân của chu trình sẽ càng lớn

Việc sử dụng tăng áp bằng tuốcbin sẽ nâng cao được tính kinh tế và tính hiệu quả của chu

trình động cơ có tăng áp

Tất cả những điều trình bày ở trên và ứng với động cơ tăng áp bằng tuốcbin có sự liên hệ

cơ giới (giữa trục khuỷn và trục của hệ tuốc bin máy nén)

Trong trường hợp không có sự liên hệ cơ giới mà chỉ có sự liên hệ về mặt khí thể giữa

động cơ với hệ tuốc bin máy nén thì hiệu suất nhiệt ty và áp suất bình quân Pty sẽ chỉ được

xác định bằng công của chu trình bản thân động cơ có tỉ số nén  và áp suất tăng áp Pk tương

ứng

Tất cả những công thức và kết luận đã trình bày ở trên của những chu trình không có sự

giãn nở thêm đều đúng đối với trường hợp tăng áp tuốcbin này

Trên hình 33 biểu thị sự so sánh giữa hai chu trình lý tưởng tăng áp bằng tuốc bin đã

nghiên cứu ở trên, trong đó điều kiện cấp nhiệt, tỷ số nén và lượng nhiệt cấp vào hai chu trình

đều như nhau Qua đồ thị ta thấy nhiệt lượng thải ra trong chu trình có lợi dụng động năng của

dòng khí từ xilanh đi ra (với tuốc bin xung lực) nhỏ hơn số nhiệt lượng thải ra trong chu trình

tuốc bin đẳng áp (diện tích dưới đường đẳng áp of) một trị số bằng diện tích gạch chéo

26

Do đó, hiệu suất nhiệt ty trong trường hợp thứ nhất lớn hơn trường hợp thứ hai

Với tỷ số nén =14-18 (trong động cơ diesel) việc sử dụng tuốc binh xung lực có thể làm

tăng hiệu suất khỏang 5-6% đối với động cơ có tỷ số nén thấp = 5-7 (trong động cơ xăng và

động cơ ga) hiệu suất nhiệt có thể tăng đến 10-12%

-

CHƯƠNG 4 CHU TRÌNH THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chúng ta đã nghiên cứu chu trình lý tưởng, nó là một chu trình kín, không thay đổi môi

chất để tiến hành chu trình Nhưng trong thực tế động cơ muốn công tác liên tục cần phải thay

đổi môi chất công tác - nghĩa là sản vật cháy sau khi đã sinh công, cần được thải ra ngoài, phải

nạp khí nạp mới vào để thực hiện chu trình tiếp theo Như vậy chu trình thực tế là chu trình hở

- Nghĩa là ngoài tổn thất tất yếu cho nguồn lạnh còn có nhiều tổn thất do điều kiện thực tế gây

ra

- Có sự thay đổi môi chất nên tổn thất một phần năng lượng

- Có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh nên quá trình nén và giãn nở không

phải là đoạn nhiệt tức là có tổn thất nhiệt

- Nhiên liệu cháy trong xy lanh làm thay đổi tính chất hóa lý của môi chất công tác nên

có tổn thất nhiệt do nhiên liệu cháy không hết và do sự phân giã sản vật cháy

Công suất động cơ, tính kinh tế, độ tin cậy khi làm việc và tuổi thọ phụ thuộc vào mức độ

hoàn thiện của chu trình công tác của động cơ Vì vậy, qua nghiên cứu các quá trình tạo nên

chu trình công tác của động cơ để tìm ra quy luật diễn biến của chúng, phát hiện những yếu tố

ảnh hưởng tới các quá trình, trên cơ sở đó tìm ra được:

- Phương hướng nâng cao tính kinh tế và tính hiệu quả của động cơ

- Những phương pháp tính toán các thông số để thiết kế động cơ khi đã biết các chỉ tiêu

kinh tế kỹ thuật và điều kiện làm việc của động cơ

Các thông số của chu trình công tác được thực hiện từ đồ thị công do máy đo công vẽ ra

Đồ thị công phản ánh một cách cơ bản nhất chất lượng của chu trình công tác

Thông thường hay dùng phương pháp tính chu trình lý thuyết để từ đó xác định chu trình

thực tế Chu trình lý thuyết cho ta số liệu ban đầu để tính toán, cải tiến động cơ hoặc đánh giá

các động cơ đã sản xuất Nếu phương pháp tính toán các thông số của chu trình càng hoàn hảo

thì sự khác nhau giữa chu trình lý thuyết và chu trình thực tế càng ít

4.1- Quá trình nạp

Để thực hiện chu trình tiếp theo cần phải thải hết ra khỏi xy lanh sản vật cháy đã giãn nở

của chu trình trước và nạp vào xy lanh khí nạp mới - Đó là quá trình thay đổi khí trong chu

trình thực tế

Quá trình nạp và thải có liên hệ mật thiết với nhau Vì vậy khi nghiên cứu quá trình nạp

phải xét đến các thông số đặc trưng cho quá trình thải

4.1.1 Diễn biến của quá trình nạp

Quá trình nạp của động cơ 4 kỳ không tăng áp

Cuối hành trình thải (điểm r khí sót chiếm toàn bộ thể tích buồng cháy với áp suất Pr và

nhiệt độ Tr Hành trình nạp về mặt lý thuyết được xảy ra từ khi piston đi từ DCT-DCD Nhưng

thực tế thì tại điểm r, áp suất trong xy lanh là Pr Pk = P0 (áp suất khí trời) nên trong xy lanh

khí sót có áp suất Pr tiếp tục giãn nở đến điểm r0, và chỉ sau khi khắc phục được các trở lực khí

động trong hệ thống nạp thì lượng khí nạp mới mới bắt đầu đi vào xy lanh Áp suất đầu quá

trình nạp phụ thuộc vào góc mở sớm súpáp thải Do tổn thất khí động, áp suất trong xy lanh ở

cuối hành trình nạp nhỏ hơn áp suất Pk một lượng Pk Tại điểm a (cuối quá trình nạp) Pa = Pk -

Pk (Pk là sức cản của bầu lọc khí và đường ống nạp) Ở động cơ không tăng áp, nhiệt độ

khí nạp mới Tk T0

28

Hình 4.1: Diễn biến quá trình nạp của động cơ 4 kỳ không tăng áp

Hình 4.3: Diễn biến quá trình nạp của động cơ 4 kỳ tăng áp

4.1.2 Các thông số cơ bản của quá trình nạp

 Áp suất cuối quá trình nạp Pa

Khi khí nạp mới đi qua supap nạp, áp suất và nhiệt độ của nó thay đổi rất ít, do đó

Hình 4.2: Quá trình nạp của động cơ 2 kỳ

có thể giả thiết dòng khí nạp mới đi vào xy lanh có khối lượng riêng k (mật độ) không

đổi tại tất cả các tiết diện (Pk = hằng số)

Đồng thời nó chuyển động liên tục và ổn định, thì có thể dùng phương trình Bernuli viết

cho hai tiết diện: bình lọc khí và điểm chết dưới trong lòng xilanh (điểm a)

Ta có:

k

a k k

k

k

gz w

w P

gz w

2

2 0 2

Wx = (50 – 130) m/s và (2 + 0 ) = 2,5 – 4, khối lượng riêng của không khí k

(Kg/m3) tính bằng công thức:

k =  

k k

k

T R P

Ở đây : Rk = R / k = 8315 / 28,96 = 287 j/kgđộ

Nếu dòng chảy là liên tục và ổn định thì phương trình lưu lượng viết ở tiết diện thông

qua của xu páp và tiết diện ngang của xy lanh là:

f x W x = F p C m (4-4)

Ở đây:

fx: tiết diện lưu thông của xu páp nạp (m2)

Cm: tốc độ trung bình của piston (m/s)

Cm = ns / 30

Trong đó:

D R

2

41

(4 – 6) Thay biểu thức (4-6) vào (4-3) ta có:

1

x x

k

f

n A f

n A

+ động cơ diesel không tăng áp (0,03 – 0,18) P0

+ động cơ diesel tăng áp (0,03 – 0,10) P0

Qua biểu thức (4 – 7) cho thấy tổn thất áp suất cuối quá trình nạp tỉ lệ thuận với bình

phương số vòng quay n của trục khuỷu tỷ lệ nghịch với bình phương tiết diện lưu thông của xu

páp phụ thuộc vào 0 và 

Vì vậy, khi lựa chọn kết cấu hệ thống nạp cần tìm cách giảm 0 bằng cách chọn tiết

diện ống có hình dạng theo thủy khí động học, giảm bớt những chỗ ngoặt đột ngột và nối trên

đường ống nạp

Tăng fx là một biện pháp để giảm Pk, việc tăng fx phụ thuộc nhiều vào cách bố trí xu

páp Động cơ dùng hệ thống xu páp treo, thì khả năng tăng diện tích fx bị hạn chế bởi điều kiện

phân bố xu páp trên nắp xi lanh Thông thường người ta tăng fx bằng cách giảm tỷ số S/D

Khi Vb = (D2/4).S = hằng số, nếu giảm S thì D sẽ tăng lên, như vậy có thể bố trí được

nhiều xu páp hoặc có thể tăng đường kính xu páp

Theo thực nghiệm, người ta chọn tỉ số Fp/ifx (trong đó i là số xu páp nạp) theo tính

chất cao tốc của động cơ như sau:

Động cơ tốc độ thấp, Cm< 6m/S Fp / ifx = 12  8

Động cơ tốc độ cao trung bình, Cm= 6 - 9m/S Fp / ifx = 9  6

Động cơ cao tốc, Cm> 9m/S Fp / ifx = 6 4,5

Có thể tăng fx bằng cách sử dụng buồng cháy có xu páp đặt nghiêng Đối với động cơ

diesel muốn điều chỉnh công suất động cơ, chỉ tiến hành bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu

cung cấp cho xy lanh (gọi là điều chỉnh theo chất) cho nên n đặc trưng cho yếu tố vận hành

(sử dụng) duy nhất ảnh hưởng tới Pk Còn các thông số khác như: fx, 0,  đối với mỗi động

cơ đã cho là không thay đổi trong mọi chế độ làm việc của động cơ

Đối với động cơ xăng và động cơ gaz, muốn điều chỉnh công suất động cơ, ta thay đổi

vị trí cánh bướm ga (bướm tiết lưu) như vậy là hệ cản 0 thay đổi làm cho Pk thay đổi theo,

khi động cơ làm việc ở chế độ phụ tải nhỏ, bướm tiết lưu mở nhỏ trở lực trên đường ống tăng

(0 tăng), do đó tăng trị số Pk

Đối với động cơ 2 kỳ trị số Pa phụ thuộc vào áp suất không khí quét Pk và tương quan

giữa cửa nạp và cửa thải, đồng thời còn phụ thuộc vào thời gian đưa không khí vào dài hay

ngắn Kết quả đưa đến khi giảm n thì sẽ làm Pk giảm, nếu như tăng số vòng quay n thì Pk

tăng thì Pa sẽ giảm xuống

Đối với động cơ 2 kỳ:

Sản vật cháy không bao giờ được đẩy hết ra khỏi xi lanh của động cơ mà luôn chiếm một

thể tích có áp suất Pr và nhiệt độ Tr , 3 quá trình nạp khí sót này sẽ giãm nở và trộn lẫn với khí

nạp mới, làm giảm lượng khí nạp mới của xilanh, lượng khí sót Mr phụ thuộc vào phương pháp

làm sạch khí trong xilanh

Đánh giá mức độ thải sạch người ta dùng hệ số khí sót i đó là tỉ số giữa số mol khí Mr

chia cho số mol khí nạp mới M1

Ở động cơ 4 kỳ có góc trùng điệp không quá 300 – 400, không có quét khí thì có thể cho

rằng đến cuối quá trình thải, khí sót chiếm toàn bộ thể tích buồng nén Vc

Vr = Vc = 1

h

V

Và do đó:

32

M r =

r

c r

RT

V P

Nên: r =

l r

r r

M RT

V P

Nếu có quét khí thì hệ số quét khí 2 =

c

r

V V

Từ phương trình trên ta có thể viết lại như sau:

r =

c l r

c r r l r

r r

V M RT

V V P M

RT

V P

r

M RT

V P

Nếu không có quét khí thì: 2 = 1

Trị số Pr được xác định bằng áp suất của môi trường thải, trường hợp có lắp ống tiêu âm,

thùng chứa khí tăng áp bằng tuốc bin đẳng áp thì Pr = Pth, trường hợp thải thẳng ra môi trường

ngoài thì áp suất môi trường thải là P0

Cũng có thể dùng phương trình Becnuli viết cho hai tiết diện của hệ thống thải, với giả

thiết như đã tính Pa và rút ra Pr cũng phụ thuộc vào chế độ tốc độ của động cơ, tiết diện lưu

thông qua xu páp thải và hệ số cản của dòng ống thải Theo hình (4 – 1) ta có:

Pr = Pth + Pr

Trong đó:

Pr = 2

2 2

x

f

n K

Trong tính toán có thể chọn áp suất Pr theo các số liệu thực nghiệm sau:

- Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp và trên đường ống thải không lắp thêm các chi tiết

đặc biệt (bình tiêu âm, bình chứa khí thải ,…), áp suất khí sót của chúng phụ thuộc vào số

vòng quay và thay đổi trong các phạm vi sau đây:

- Đối vớI động cơ tốc độ thấp: Pr = (1,03 – 1,06)P0

- Đối vớI động cơ cao tốc: Pr = (1,05 – 1,20)P0

Trong trường hợp động cơ tăng áp hoặc động cơ có gắn thêm bộ tiêu âm thì phải thay P0

của 2 công thức trên bằng Pth Đối với động cơ tăng áp Pth xác định bằng cách tính toán đặc

biệt, đối với động cơ lắp bộ tiêu âm thì lấy Pth lớn hơn vài phần trăm áp suất khí trời

Nhiệt độ Tr phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp, sự trao đổi nhiệt trong quá trình

giãn nở và thải, mức độ giãn nở của sản vật cháy

Ở động cơ xăng thành phần hỗn hợp khí thay đổi trong phạm vi nhỏ, cho nên khi giảm

tải, Tr thay đổi ít Còn ở động cơ diesel, muốn thay đổi phụ tải phải thay đổi trực tiếp thành

phần của  cho nên khi giảm tải nhiệt độ Tr giảm đi nhiều

Động cơ diesel có tỉ số nén cao hơn, mức độ giãn nở khí thải lớn, nhiệt độ trong quá trình

giãn nở tương đối thấp, nên trị số Tr của động cơ diesel thấp hơn Tr động cơ xăng khoảng (200

– 300)0K

Giá trị nhiệt độ khi sót Tr thường nằm trong phạm vi:

- Đối với động cơ xăng: (900 – 1100)0K

- Đối với động cơ diesel: (700 – 900)0K

- Đối với động cơ gaz: (750 – 1000)0K

Thể tích buồng nén Vc phụ thuộc vào tỉ số nén:  (Vc =

Số mol khí nạp mới được xác định bằng điều kiện nạp và phương pháp điều chỉnh phụ

tải, ở động cơ xăng điều chỉnh phụ tải bằng cách thay đổi vị trí bướm ga – khi đóng bướm ga

thì M1 giảm (giảm tải – M1 giảm), ở động cơ diesel điều chỉnh phụ tải bằng cách thay đổi vị trí

lượng nhiên liệu phun vào động cơ, cho nên khi giảm tải (giảm nhiệt độ Ta, M1 tăng lên đôi

chút Do nhiệt độ xi lanh giảm

Từ các phân tích trên ta rút ra nhận xét:

- Ở động cơ xăng hệ số khí sót lớn hơn ở động cơ diesel vì tỉ số nén động cơ xăng nhỏ

hơn

- Khi giảm tải, trị số k của động cơ xăng tăng lên còn ở động cơ diesel thì không đổi

(khi giảm tải  tăng lên dẫn đến Tr giảm làm cho r tăng Đồng thời khi Tr giảm đến Ta giảm và

làm cho M1 tăng và r giảm Hai ảnh hưởng này bù trừ cho nhau làm cho r hầu như không

đổi)

- Khi thực hiện tăng áp r giảm, trừ trường hợp tăng áp bằng tuốc bin khí:

Khi toàn tải hệ số r:

- Của động cơ xăng và ga: 0,04 – 0,10

- Của động cơ diesel không tăng áp: 0,02 – 0,05

- Đối với động cơ 2 kỳ nằm trong phạm vi sau:

* quét quanh: 0,08 – 0,25

* quét thẳng: 0,06 – 0,15

* quét bằng hộp trục khuỷu: 0,25 – 0,4

Ở động cơ hai kỳ trong một số trường hợp đặc biệt, chất lượng quét sạch khí thải ra khỏi

xy lanh còn được đánh giá bằng hệ số thải sạch:

s =

r r

l

l

M M

 Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới T

Mức độ sấy nóng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu động của dòng khí, mức độ

chênh lệch nhiệt độ giữa vách xy lanh và dòng khí, thời gian nạp dài hay ngắn Mức độ chênh

lệch nhiệt độ do phụ tải quyết định

34

Phụ tải động cơ càng lớn – nghĩa là phun càng nhiều nhiên liệu, hoặc mở càng lớn cánh

bướm ga, thì nhiệt độ các chi tiết động cơ nâng cao, lượng khí nạp mới được sấy nóng càng

nhiều Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ khí nạp mới thì mật độ không khí sẽ giảm, cho nên việc

dùng phương pháp đặc biệt để sấy nóng khí nạp mới trong động cơ xăng chỉ có lợi trong phạm

vi mà nhiệt lượng cung cấp cho nó được lợi dụng để bốc hơi nhiên liệu Sấy nóng quá sẽ ảnh

hưởng không tốt đến lượng khí nạp vào xy lanh Do đó trị số tăng nhiệt độ của khí nạp mới

được biểu thị theo công thức : T = Tt - Tbh

Tt: Độ tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt

Tbh: Mức giảm nhiệt độ của khí nạp mới do bốc hơi nhiên liệu, ở động cơ diesel Tbh

= 0

Cần lưu ý đến đặc điểm cấu tạo động cơ Vị trí tương đối của hệ thống nạp và hệ thống

thải Trong đa số các động cơ xăng, để cải thiện sự hình thành hỗn hợp để tránh hiện tượng

giọt nhiên liệu lỏng đọng lại trên đường ống nạp Người ta thường hâm nóng khí nạp mới bằng

khí thải

Việc tính toán T gặp nhiều khó khăn do không có đầy đủ các số liệu để chọn hệ số

truyền nhiệt, nhiệt độ trung bình của các bề mặt tiếp xúc Do đó trong quá trình tính toán nhiệt

động của động cơ người ta chọn T theo các số liệu thực nghiệm và tính toán gián tiếp

Ở động cơ diesel không tăng áp có kết cấu hợp lý về hệ thống truyền nhiệt thì T = 10 –

400C Ở động cơ tăng áp, không làm mát không gian khí nạp và động cơ 2 kỳ có sơ đồ quét khí

tốt thì T = 5 - 100 C

Ở động cơ xăng có lợi dụng nhiệt độ khí thỉ để sấy nóng khí nạp mới T= 0 – 200C

Xét sự thay đổi của trị số T phụ thuộc vào chế độ tốc độ của động cơ, có thể dùng công

 Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a

Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta được quyết định bởi mức độ sấy nóng khí nạp mới T,

nhiệt độ của khí nạp mới Tk và lượng khí sót còn lại trong xilanh có nhiệt độ Tr

Nhiệt độ Ta có thể xác định trên cơ sở cân bằng nhiệt của khí nạp mới và khí sót, trước và

sau khi chúng được hòa trộn tiến hành trong điều kiện đẳng áp Với áp suất không đổi Pa

Phương trình cân bằng nhiệt:

Q n + Q h + Q k = Q a (4 – 10)

Qh : số lượng nhiệt được hâm nóng khi khí nạp

tiếp xúc với chi tiết động cơ

Vì thành phần và nhiệt độ của khí nạp mới và hỗn hợp công tác khác nhau không nhiều

nên có thể coi tỉ nhiệt của chúng bằng nhau mCp = mC’p ; Còn tỉ nhiệt của khí sót mC’’p ở nhiệt

độ Tr có thể xem bằng mC’’p = T mCp

Trong đó: t là hệ số hiệu đính tỉ nhiệt nó phụ thuộc vào nhiệt độ Tr và thành phần hỗn

hợp  Nếu coi lượng khí sót là nhỏ thì:

l

r r k

l

r l

r r k

l

M

M M

M

M T T T M M

M

T T T M

Với động cơ 4 kỳ nhiệt độ Ta nằm trong phạm vi:

- Đối với động cơ xăng: (320 – 370)0K

- Đối với động cơ diesel không tăng áp: (310 – 350)0K

36

- Đối với động cơ diesel tăng áp: 4000K

Cần chú ý rằng khi nhiệt độ cuối quá trình nạp tăng thì mật độ khí nạp mới sẽ giảm dần

 Hệ số nạp

Để đánh giá mức độ hoàn thiện của quá trình nạp người ta dùng hệ số nạp Hệ số nạp là tỷ

số giữa lượng khí nạp mới có trong xy lanh ở đầu quá trình nén Ml (kmol) hay Gk (kg), tức là

lúc đóng cơ cấu thay đổi khí chia cho số lượng khí nạp mới có thể nạp đầy vào thể tích công

tác Vh của xy lanh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ trước suapap nạp (PK và TK ) - Gọi là lượng

nạp lý thuyết Mh Đối với động cơ xăng lượng khí nạp mới là hỗn hợp không khí nhiên liệu,

đối với động cơ diesel lượng khí nạp mới là không khí

Tính toán cho thấy rằng, đối với động cơ xăng hệ số nạp tính theo điều kiện khí nạp là

không khí hay hỗn hợp không khí nhiên liệu có sai biệt không lớn lắm Vì vậy đối với động cơ

xăng cũng như động cơ Diesel, hệ số nạp n đều được xác định theo không khí Căn cứ vào

định nghĩa trên ta có:

n =

H K H K h

l

V

V G

G M

M



 (4.13) Trong đó: Ml – Số mol khí nạp mới có trong xy lanh đầu quá trình nén

GK – Số kg khí nạp mới có trong xy lanh đầu quá trình nén

VK – Thể tích mà khí nạp mới chiếm được, quy dẫn về điều kiện trước

l

V

V V

G M

M

''

 (4.14)

Trong đó: n là hệ số nạp lý thuyết , ’n là hệ số nạp thực tế Nếu V’h = ( 1-)Vh, thì n

và ’n liên hệ với nhau theo quan hệ:

’n = ' 1 1

n h K h

K

V

V V

Từ đó:

n = ( 1-)’n (4.15)

Trong đó:  Phần thể tích (hành trình) tổn thất để thực hiện quá trình trao đổi khí, phụ

thuộc vào sơ đồ quét khí Đối với sơ đồ quét thẳng có supap  = 0,12 – 0,14; Quét thẳng có

cửa thải:  = 0,25

* Phương trình hệ số nạp tổng quát:

Để xây dựng được phương trình hệ số nạp tổng quát ta cần xây dựng được phương

trình xác định lượng khí nạp mới Ml và lượng khí nạp thực tế sau khi đã đóng cơ cấu phối khí

Mh =

k

h k

RT

V p

RT V



k

P

(4.16) Lượng khí nạp sau khi đóng cơ cấu phối khí:

 Xét tại điểm a (cuối hành trình nạp): Trong xy lanh bao gồm khí nạp mới và khí sót

có áp suất Pa và nhiệt độ Ta Phương trình trạng thái tại điểm a:

PaVa = ( Mla + Mr ) RTa

Trong đó: Mla + Mr = Ma là số mol khí tại điểm a

Hay Ma = PaVa / RTa

 Xét tại điểm đóng hoàn toàn cơ cấu phối khí: Từ khi kết thúc hành trình nạp

(điểm a) đến khi đóng hòan toàn cơ cấu phối khí sẽ có thêm một lượng khí mới được nạp vào

xy lanh, thể hiện qua hệ số nạp thêm l Như vậy tổng lượng khí nạp mới trong xy lanh lúc này

là:

Ml + Mr = lMa = l( Mla + Mr )

Vậy phương trình trạng thái chất khí tại điểm đóng trễ supáp viết theo các giá trị áp suất

và nhiệt độ tại điểm a là:

Ml + Mr =

a

a a

RT

V P

1



( 4.17) Chia 2 vế của 2 phương trình (4.16) và (4.17) ta có:

n a h k

k a a l

r l

T V P

T V P M

M M

a

T

T P

1 (4.19) Thay giá trị của Ta(1 +r) trong biểu thức (4.12) vào ta có:

n =

r r r k

k k

a

T T

T

T P

Biểu thức (4.20) dùng đúng cho bất cứ loại động cơ nào, nó không phụ thuộc vào số kỳ,

phương pháp hình thành hỗn hợp và phương pháp đưa khí nạp vào xy lanh

Trong trường hợp không bổ sung khí nạp thì l = 1

4.1.3 Phân tích những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nạp:

 Tỷ số nén

ít, nhưng ảnh hưởng của tỷ số nén thông qua hệ số khí sót đến hệ số nạp lại rất lớn (xem công

thức tính hệ số khí sót) Hơn nữa khi tăng tỷ số nén, nhiệt độ các chi tiết động cơ càng nhỏ do

sản vật cháy giãn nở triệt để hơn làm cho nhiệt độ bề mặt công tác của xy lanh nhỏ (Tr), điều

này làm cho hệ số nạp tăng

Thực nghiệm cho thấy, ở động cơ 4 kỳ có thực hiện quét khí thải ở buồng cháy, khi tăng

hệ số khí sót từ 0 lên 0,3 trong những điều kiện như nhau sẽ làm hệ số nạp giảm tới 43% so với

trị số cực đại của nó Tóm lại tỷ số nén có ảnh hưởng rất ít tới hệ số nạp

 Nhiệt độ khí sót

Từ phương trình (4.20) ta thấy tìch số rr T r có ảnh hưởng tới hệ số nạp n Khi giả thiết

tỷ nhiệt của khí sót và tỷ nhiệt của không khí bằng nhau r 1 thì có thể cho rằng nhiệt độ Tr

không ảnh hưởng tới hệ số nạp, vì khi trộn lẫn với khí nạp mới với khí sót, thể tích khí sót sẽ

giảm (do giảm nhiệt độ để tỏa nhiệt cho không khí hoặc hỗn hợp khí mới) tới mức độ thể tích

của khí nạp mới tăng lên (nhiệt độ khí nạp mới tăng do được sấy nóng)

 Áp suất cuối quá trình nạp Pa

Áp suất cuối quá trình nạp Pa có ảnh hưởng rất lớn đến hệ số nạp Qua các công thức ta

nhận thấy Pa phụ thuộc vào PK, việc giảm PK phụ thuộc vào trở lực trên đường ống nạp và tốc

độ lưu động của dòng khí nạp qua supap nạp Vì vậy vấn đề quan trọng là làm sao cho tổn thất

trên đường ống nạp là nhỏ nhất

Ở động cơ 2 kỳ áp suất cuối quá trình nạp Pa phụ thuộc vào tri số của áp suất khí quét PK

ở cửa quét, cửa thải và góc phối khí giữa cửa quét và thải

 Áp suất và nhiệt độ trong đường ống nạp PK, TK

Áp suất của khí nạp có ảnh hưởng tới hệ số nạp, khi tăng PK trong trường hợp giữ

nguyên tỷ số Pa/PK thì sẽ làm tăng hệ số nạp

Ở động cơ 2 kỳ, ảnh hưởng của PK tương đối lớn, theo thực nghiệm đối với động cơ 2 kỳ

quét thẳng qua supap:

- Khi n = 1.600 v/p, nếu tăng PK từ 0,13 MN/m2 đến 0,19 MN/m2, sẽ làm cho tỷ số Pa/PK

tăng từ 0,88 lên 0,93

- Khi tăng TK thì sự chênh lệch nhiệt độ giữa chi tiết động cơ và khí nạp mới giảm (PK

giảm) làm cho hệ số nạp tăng Nhưng nên nhớ rằng tăng hệ số khí nạp ở nhiệt độ TK lớn không

có nghĩa là tăng lượng khí nạp mới chứa trong xy lanh Vì khi tăng TK thì mật độ không khí

lúc đó sẽ giảm

 Áp suất và nhiệt độ khí sót Pr , Tr

Khi nhiệt độ Tr không thay đổi, nếu áp suất Pr lớn thì khí sót trong xy lanh sẽ nhiều

Trong trường hợp đó, khi piston chuyển động từ ĐCT xuống, phần lớn hành trình của piston sẽ

tiêu hao cho việc giãn nở của khí sót, vì vậy quá trình nạp sẽ bắt đầu chậm hơn do đó hệ số nạp

giảm

Cũng như trong hệ thống nạp, trở lực hệ thống thải tỷ lệ thuận với bình phương của tốc

độ lưu động khí tại tiết diện nhỏ nhất, do đó tỷ lệ thuận với bình phương số vòng quay của trục

khuỷu Tăng trở lực hệ thống thải sẽ làm tăng áp suất trong xy lanh ở thời kỳ thải và khi không

Hình 4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

số nạp

có quét buồng cháy sẽ đưa đến làm tăng công tiêu hao cho việc đẩy khí ra khỏi xy lanh, làm

giảm hệ số nạp và làm tăng hệ số khí sót

Tất cả những yếu tố đó sẽ làm giảm công suất và hiệu suất của động cơ Trên hình (4.8)

biểu thị sự ảnh hưởng của việc lắp bộ tiêu âm tới đường thải, rõ ràng là khi tăng áp suất ngược

trong đường thải (đường chấm chấm) sẽ làm tăng phần diện tích âm của đồ thị bao hàm giữa

đường nạp và đường thải (tiêu hao công), và giảm phần diện tích dương giới hạn giữa đường

nén, cháy, giãn nở và bắt đầu thải (thu công) Ảnh hưởng của hệ thống thải tới hệ số nạp và hệ

số khí sót biểu hiện ở các điểm sau đây:

- Hệ số nạp giảm do tăng phần hành trình tổn thất cho việc giãn nở trước của khí sót

khi nạp

- Hệ số khí sót tăng do giảm lượng hỗn hợp khí nạp mới đi vào xy lanh (giảm Ml) và

cũng vì tăng Mr

- Nhiệt độ cuối quá trình nạp tăng vì áp suất khí sót quá lớn, số lượng khí sót tăng

Ảnh hưởng của áp suất ngược trong hệ thống thải tới hệ số nạp và công suất của động cơ

còn phụ thuộc vào tỷ số nén Tỷ số nén tăng thì ảnh hưởng của áp suất ngược sẽ giảm

Nhiệt độ khí sót: Từ phương trình (4.20) ta thấy rằng tích số rTr ảnh hưởng tới hệ số

nạp Khi giả thiết tỷ nhiệt của khí sót và không

khí bằng nhau (t = 1) thì có thể cho rằng nhiệt

độ Tr không ảnh hưởng đến hệ số nạp, vì khi trộn

lẫn khí nạp mới với khí sót, thể tích khí sót sẽ

giảm (do giảm nhiệt độ để tỏa nhiệt cho không

khí hoặc hỗn hợp khí mới) tới mức độ thể tích

của khí nạp mới tăng lên

 Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới: Ảnh

hưởng của việc sấy nóng khí nạp mới tới hệ số

nạp trong các phương trình (4.20) và các phương

trình khác được thể hiện qua trị số T Hình (4.4)

biểu thị quan hệ của n với T của động cơ 4 kỳ

(xăng và diesel) khi TK= 2880K và PK = 0,1MN/m2

Ở động cơ xăng một phần nhiệt lượng do không khí mang theo được dùng để sấy nóng và

bốc hơi xăng Nhưng lượng nhiệt đó hoàn toàn không đủ, do đó với loại động cơ hình thành

hỗn hợp từ bên ngoài cần phải sấy nóng hỗn hợp khí trong đường ống nạp Tuy nhiên khi sấy

nóng đường ống nạp quá mức sẽ đưa đến tăng trị số T và tương ứng sẽ làm giảm hệ số nạp và

trọng lượng khí nạp mới

Ở động cơ diesel việc đưa nhiên liệu vào xy lanh và tiến hành bốc hơi xẩy ra ở cuối quá

trình nén, việc sấy nóng không khí nạp sẽ không có lợi vì sẽ làm tăng T dẫn đến làm giảm n

Do đó, với động cơ diesel phải luôn luôn tìm cách giảm bớt nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới khi

nạp, có thể làm mát tốt đường ống nạp hoặc cách nhiệt chúng để làm giảm T Tuy nhiên,

trong một số trường hợp, khi khởi động động cơ diesel ở môi trường không khí xung quanh có

nhiệt độ thấp thì phải sấy nóng đặc biệt không khí nạp để đạt nhiệt độ cuối quá trình nén cao

tạo điều kiện bốc cháy nhiên liệu

Cuối cùng, sự xoáy lốc của không khí trong quá trình nạp hoặc quét cũng ảnh hưởng

nhiều đến trị số T Nếu không khí ở thời kỳ nạp hoặc quét được tiến hành ở trạng thái vận

động xoáy lốc mạnh thì nhiệt độ sấy nóng không khí nạp có thể tăng

40

Nhìn chung, ảnh hưởng của T tới n nhỏ vì trị số của nó nhỏ so với TK

 Ảnh hưởng của phụ tải động cơ: ( Khi số vòng quay n = const)

Ảnh hưởng của phụ tải động cơ ( Mômen quay) tới n phụ thuộc vào từng loại động cơ

* Động cơ Diesel: Việc thay đổi phụ tải phụ thuộc việc đưa nhiên liệu vào xy lanh cho

một chu trình khi giữ lượng không khí không đổi, khi n=const , trở lực trong đường ống nạp

không phụ thuộc phụ tải Do đó, ở tất cả chế độ phụ tải PK = const và n chỉ phụ thuộc vào

mức độ sấy nóng không khí nạp Vì vậy, khi tăng tải thì nhiệt độ chi tiết cao, mức sấy nóng

T tăng làm cho hệ số nạp có giảm đi đôi chút

* Động cơ xăng: Việc thay đổi phụ tải động cơ phụ thuộc vào sự thay đổi vị trí bướm ga

làm thay đổi lượng hỗn hợp khí nạp vào xy lanh

Để giảm tải (khi số vòng quay không đổi) - đóng nhỏ bướm ga - trở lực trên đường

ống nạp tăng làm n sẽ giảm, lúc này ảnh hưởng của T không đáng kể

 Ảnh hưởng của số vòng quay n:

Khi tăng n, trở lực trên đường ống nạp tăng tỷ lệ thuận với bình phương của n làm áp suất

Pa giảm Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới T giảm (do thời gian tiếp xúc ngắn) và hệ số khí sót

tăng lên một chút

Nếu không kể đến ảnh hưởng của góc phối khí và sự lọt khí qua xéc măng thì rõ ràng khi

n tăng sẽ làm n giảm

 Ảnh hưởng của góc phối khí: (Hình 4.5)

Góc mở sớm, đóng trễ của supap nạp ảnh hưởng rất lớn đến n

Góc phối khí tăng, nghĩa là tăng tiết diện lưu thông trung bình của supap, vì vậy tổn thất

áp suất PKtăng, Pr giảm và dẫn đến n tăng

(a) (b) Hình 4.5: Sự thay đổi góc mở sớm (a) và đóng trễ (b) của súppáp nạp