BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 2 pdf

CHƯƠNG 2

CÁC Q TRÌNH CƠNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1 Quá trình nạp
2.1.1 Hệ số nạp
Trong động cơ đốt trong, sau mỗi chu kỳ công tác, động cơ cần phải thải
một lượng khí cháy và nạp một lượng khơng khí mới vào xy lanh động cơ. Chất
lượng của quá trình nạp và lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ có ảnh
hưởng rất nhiều đến q trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu sau này. Thông
thường, khi đánh giá lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ trong q trình
nạp, người ta sử dụng các thơng số trước cửa hút của xy lanh Po, To (hoặc Ps, Ts
đối với động cơ hai kỳ và động cơ tăng áp). Thực tế lượng khơng khí nạp có
trong xy lanh ở đầu q trình nén nhỏ hơn lượng khơng khí tính tốn theo lý
thuyết, bởi vì trong q trình nạp, lượng khơng khí nạp vào xy lanh cịn chịu ảnh
hưởng của các yếu tố sau:
Sức cản thủy lực của đường ống khơng khí nạp, các xupáp nạp và các
cửa nạp (trong động cơ hai kỳ). Do tồn tại sức cản thủy lực này nên áp suất của
khơng khí trong xy lanh động cơ khi bắt đầu quá trình nén (cuối q trình nạp) sẽ
nhỏ hơn áp suất khơng khí nạp trước cửa nạp. Sự giảm áp suất do sức cản thủy lực
này sẽ làm cho mật độ khơng khí trong xy lanh động cơ của quá trình nạp sẽ bị
giảm theo, và do vậy, trong cùng một thể tích, trọng lượng của khơng khí sẽ
giảm.
Sự sấy nóng khơng khí nạp do thành vách xy lanh, đỉnh piston, các xupáp
hay các cửa làm cho nhiệt độ khơng khí nạp tăng, trọng lượng riêng của nó giảm
xuống, làm giảm lượng khơng khí nạp thực tế vào xy lanh động cơ.
Ngoài ra trong thực tế, cuối q trình xả chúng ta khơng thể làm sạch hồn
tồn xy lanh cơng tác. Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xy lanh bao
giờ cũng cịn sót lại một lượng khí cháy. Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm
một phần thể tích xy lanh cơng tác, làm giảm lượng khơng khí sạch nạp vào xy
lanh.
Lượng khí cháy cón sót lại trong xy lanh động cơ được đánh giá bằng một

đại lượng tương đối gọi là hệ số khí sót, kí hiệu là γr;
γr =

Mr
L

(2-1)

Trong đó Mr: số lượng khí cháy cịn sót lại trong xy lanh động cơ ở cuối
kỳ xả (kmol);
L: số lượng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ trong q trình nạp (kmol).
Do lượng khí sót trong xy lanh động cơ có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt cho
khơng khí sạch mới nạp vào làm nhiệt độ của nó tăng lên. Kết quả là trọng lượng

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



12


riêng của khơng khí nạp giảm xuống, làm giảm lượng khơng khí thực tế nạp vào
xy lanh động cơ.
Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng khơng khí thực tế nạp
vào xy lanh động cơ ở các giá trị Pa, Ta thực tế nhỏ hơn lượng khơng khí lý
thuyết tính tốn theo các thơng số Po, To hay Ps, Ts.
Để đánh giá hiệu quả của quá trình nạp, người ta đưa ra khái niệm hệ số nạp
được định nghĩa như sau:
Hệ số nạp là tỷ số giữa lượng khơng khí có trong xy lanh động cơ ở đầu
hành trình nén và lượng khơng khí có thể chứa trong thể tích cơng tác của xy

lanh động cơ, có thơng số là thơng số trạng thái của khơng khí trước cửa hút của
xy lanh.
Nếu kí hiệu ηn là hệ số nạp; Go (kg); Vo (m3); Lo (kmol) là lượng khơng khí
thực tế nạp vào thể tích Va của xy lanh công tác; Gs (kg); Vs (m3); Ls (kmol) là
lượng khơng khí có thể chứa trong thể tích Vs của xy lanh cơng tác có các thơng
số của khơng khí trước cửa nạp Po, To (hay Ps,Ts) thì:
V
G
L
(2.2)
η = o = o = o
n

Vs

Gs

Ls

Cần chú ý là theo định nghĩa Va > Vs, do đó trong trường hợp lý tưởng nếu
q trình xả là sạch hồn tồn thì khi đó ηn có thể lớn hơn 1.
Để lập cơng thức tính tốn hệ số nạp, trước hết là mơt số giả thiết sau:
Quá trình nạp kết thúc tại điểm a của đồ thị cơng chỉ thị.
Cơng do khí cháy sinh ra trong quá trình nạp và năng lượng động học của nó
là như nhau.
Nhiệt dung riêng của khí sạch và khí sót ở nhiệt độ đầu q trình nén là như
nhau.
Số lượng khơng khí sạch và khí sót ở đầu q trình nén được tính như sau:
Ma=L+Mr = L.(1+γr)
(2.3)

Trong đó, L: lượng khơng khí sạch (kmol); Mr: lượng khí sót cịn sót lại
trong xy lanh của cuối q trình nạp (kmol).
Giá trị của Ma và L trong phương trình trên có thể xác định từ phương trình
trạng thái của chất khí:
P .V
M = a a .10 4
848.Ta
Trong đó, Pa, Ta là áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nén (kG/cm2; oK); Và là
thể tích xy lanh đầu q trình nén (m3); Po, To là áp suất và nhiệt độ khơng khí
nạp trước cửa nạp (kG/cm2, oK).
Từ cơng thức
ηn =

Vo
→ Vo = η n .Vs
Vs

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



13


Po .η n .Vs
.10 4
848.To

L=

Khi đó:

Thay L, Ma vào cơng thức (2.3) và rút gọn ta có:
Pa .Va Po .η n .Vo
=
.(1 + γ r )
Ta
To
Từ đó:

ηn =

Pa .To Va
. .(1 + γ r )
Po .Ta Vs

Ta đã có: Va = ε ;

Do đó:

Vc

Hay

Vs + Vc
= ε;
Vc

Va = ε .Vc ;
Vs = (ε − 1).Vc

Do đó:

ε .Vc
Va
ε
=
=
Vs (ε − 1).Vc ε − 1

Khi đó:

Thay vào cơng thức ηn ta có:
ηn =

ε

Pa .To
1
.
ε − 1 Po .Ta 1 + γ r
.

(2-4)
Trường hợp động cơ bốn kỳ tăng áp hay động cơ hai kỳ, thông số trước cửa
nạp là Ps, Ts. Khi đó cơng thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ có tăng áp có
dạng như sau:
ηn =

ε

Pa .Ts
1
.
ε − 1 Ps .Ta 1 + γ r
.

(2-5)
Đối với động cơ hai kỳ quá trình nén thực tế là khi piston đóng kín các cửa.
Vì thế, trong tính tốn q trình nạp cho động cơ hai kỳ ta phải lấy tỷ số nén thực
tế εt
εt =

Va' Vc + Vs'
=
Vc
Vc

Vs’: thể tích cơng tác của xy lanh khi đóng kín các cửa.
Gọi ψ S =

h
là hệ số tổn thất hành trình, trong đó h là khoảng cách từ mép
S

trên của cửa cao nhất đến điểm chết dưới của piston. Khi đó có thể tích:
Vs' = Vs .(1 − ψ s )

Thay vào cơng thức tính ε t , khi đó ta sẽ có: ε =

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008

ε t −ψ s
1 −ψ s



14


ε = ε t (1 −ψ s ) +ψ s

Vì vậy:

Trong động cơ bốn kỳ, bỏ qua sự đóng muộn của xupáp, khi đó ta có thể
xem q trình nén bắt đầu khi piston từ điểm chết dưới đi lên điểm chết trên và
V
Khi đó ta có:
ε= a
Vc

Từ phương trình:

Vc + Vs (1 − ψ s )
Vc

Vs =

ta có:

εt =

(ε t − 1)Vc
1 −ψ s

Thay vào cơng thức tính hệ số nạp và chú ý là:

ε=

Va Vc + Vs
=
Vc
Vc

Khi đó ta có cơng thức tổng qt tính hệ số nạp:
ε
P .T
1
ηn = t . a s .
.(1 − ψ s )
ε t − 1 Ps .Ta 1 + γ r
Động cơ bốn kỳ không tăng áp thay Ps, Ts bằng Po, To, còn hệ số ψs đối với
động cơ bốn kỳ có tăng áp và khơng tăng áp đều bằng khơng. Khi đó, cơng
thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp lại quay về dạng:
ε
P .T
1
ηn = t . a o .
ε t − 1 Po .Ta 1 + γ r
Có thể biểu diễn cơng thức tính hệ số nạp dưới một dạng khác như sau:

Từ phương trình trạng thái của 1kg chất khí P.V = R.T
Viết cho chất khí có thơng số Po, Vo, To ta có: Po.Vo = R.To
Từ đó:

Vo = R.

To
Po

và

γo =

P
1
=
Vo R.To

Tương tự, viết cho chất khí có thơng số trạng thái ở đầu q trình nén ta có:
γa =

Từ đó:

Pa
R.Ta

P R.T
P .T
γa
= a . o = a o

γ o R.Ta P
Po .Ta

Khi đó cơng thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ khơng tăng áp có thể viết
dưới dạng:
ε γ
1
ηn = t . a .
εt −1 γ o 1+ γ r
Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ được thay bằng γs
và khi đó biểu thức

paTs
γ
được thay bằng a
psTa
γs

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



15


Bây giờ ta sẽ phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Từ cơng thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp:
ηn =

εt

Pa .To
1
.
ε t − 1 Po .Ta 1 + γ r
.

Ta thấy biểu thức

ε
ε −1

là một thông số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ.

Như vậy với mỗi động cơ cụ thể thì biểu thức này là một hằng số. Cịn biểu thức
1
1+ γ r

thì ở đây γr là một thông số phụ thuộc vào hệ thống quét thải của động

cơ và chế độ công tác đã cho. Chất lượng làm sạch xy lanh và do đó giá trị của
γr thay đổi phụ thuộc rất nhiều vào việc hoàn thiện hệ thống quét thải và hệ
thống tăng áp. Ngoài ra việc làm vệ sinh sạch các cửa quét thải trong động cơ hai
kỳ, các đường ống xả và tuabin khí tăng áp cũng làm cho hệ số γr thay đổi. Khi
γr tăng, hệ số nạp giảm xuống và ngược lại.
Mơi trường nơi động cơ làm việc có ảnh hưởng đến hệ số nạp thông qua giá
trị Po, To và ϕ. Thực tế giữa áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường ảnh hường
đến hệ số nạp như thế nào? Khi Po, To thay đổi sẽ làm cho mật độ khơng khí
trước cơ cấu nạp (γo) thay đổi nhưng đồng thời nó cũng làm cho γa thay đổi
theo. Nói cách khác, khi mật độ khơng khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm)

theo.
Do vậy, tỷ số

γa
thực tế thay đổi rất ít và hầu như khơng đáng kể. Như vậy
γ0

đối với một động cơ cụ thể ở một chế độ khai thác đã chọn thì có thể xem hệ số
nạp không chịu ảnh hưởng của môi trường nơi động cơ làm việc nếu hê số khí sót
cũng khơng thay đổi. Tuy nhiên dù ηn không thay đổi nhưng do trọng lượng riêng
của khơng khí nạp thay đổi nên lượng khơng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ
cũng thay đổi theo. Nếu chuyển động cơ từ vùng có nhiệt độ thấp (hàn đới) sang
khai thác ở vùng có nhiệt độ cao (nhiệt đới) thì do nhiệt độ mơi trường To tăng
làm γo giảm và vì vậy số lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ cũng giảm
theo. Nếu các điều kiện khác là như nhau thì trong trường hợp này để giữ
nguyên hệ số dư lượng không khí α thì bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu
cung cấp cho chu trình, tức là giảm cơng suất của động cơ.
Ngoài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ ẩm mơi trường cũng có ảnh
hưởng đáng kể đến lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ.
Lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ khi khơng khí là khơng khí khơ
có thể tính theo cơng thức: G1 = vs .γ 0 .ηn
Khi khơng khí nạp là khơng khí ẩm thì lượng khơng khí thực tế nạp vào xy
lanh động cơ được tính như sau:
G2 = η n .Vs .γ o .

1
1 + 1,61.d

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008

16


Trong đó động cơ là độ ẩm riêng của hơi nước trong khơng khí ẩm (kg hơi
nước/kg khơng khí khơ)
Như vậy khi động cơ tăng, lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ
sẽ giảm.
Như đã nói ở trên, đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ,
thông số trước cửa nạp không phải là Po, To mà là Ps, Ts. Hai thông số này ngồi
ảnh hưởng của mơi trường cịn chịu ảnh hưởng của quá trình nén trong máy nén
tăng áp và chế độ làmm mát khơng khí tăng áp. Điều này có nghĩa là Po, To và ϕ
là các thơng số gián tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng khơng khí nạp. Do vậy có
thể nói đối với các động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, ảnh hưởng của
môi trường sẽ nhỏ hơn so với động cơ không tăng áp.
Sức cản thủy lực trên đường ống hút được biểu thị thông qua biểu thức
hoặc

pa
p0

pa
p
. Khi sức cản trên đường ống hút càng tăng thì a sẽ càng nhỏ và do đó ηn
ps
p0

sẽ càng giảm.
Các giá trị của hệ số nạp phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong

khoảng sau:
Động cơ thấp tốc tăng áp:
ηn =0,8 ÷ 0,9
Động cơ trung tốc và cao tốc khơng tăng áp: ηn =0,75 ÷ 0,85
Động cơ tăng áp:
ηn =0,8 ÷ 0,95
2.1.2 Xác định các thơng số của q trình nạp
Giá trị ε là một thông số kết cấu: ε =

va
vc

Đối với các động cơ đốt trong, việc lựa chọn ε khi thiết kế động cơ dựa
yêu cầu là nhiệt độ cuối quá trình nén phải đảm bảo nhiên liệu có khả
năng tự bốc cháy, nhưng đồng thời phải giữ cho các giá trị ứng suất nhiệt và
ứng suất cơ nằm trong giới hạn cho phép.
Các động cơ diesel tàu thủy giá trị ε =10 ÷ 19; động cơ kích thước nhỏ
chọn ε cao; động cơ khơng tăng áp có ε cao hơn động cơ tăng áp.
Hệ số khí sót cũng là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường
nằm trong các khoảng sau:
Động cơ bốn kỳ khơng tăng áp:
γr = 0,04 ÷ 0,055
Động cơ bốn kỳ có tăng áp:
γr = 0,02 ÷ 0,044
Động cơ hai kỳ quét thẳng:
γr = 0,02 ÷ 0,07
Động cơ hai kỳ qt vịng:
γr = 0,08 ÷ 0,11
Các giá trị trên cho ta một nhận xét rằng, động cơ bốn kỳ có giá trị γ r
nhỏ hơn động cơ hai kỳ. Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



17


hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xy lanh tốt hơn. Còn
động cơ hai kỳ quét thẳng do quỹ đạo chuyển động của dòng khí khơng phải
đổi chiều, do đó nó có khả năng quét sạch các góc của xy lanh hơn động cơ hai
kỳ qt vịng nên giá trị γr của nó nhỏ.
Ngồi hai thông số phụ thuộc kết cấu trên, các thông số khác của q trình
nạp đều là những thơng số phụ thuộc trạng thái của khí nạp. Sau đây chúng ta sẽ
đi tìm phương pháp xác định các thơng số này.
Áp suất và nhiệt độ điều khiển cuối quá trình nạp là hai thơng số quan
trọng của q trình trao đổi khí. Các thơng số này có thể được xác định bằng tính
tốn hay thực nghiệm. Đặc tính thay đổi của áp suất và nhiệt độ khí nạp và
các giá trị khác của nó phụ thuộc rất nhiều vào cường độ trao đổi nhiệt giữa
chất khí và thành vách xy lanh, các xu páp và các cửa, cũng như sự trao đổi
nhiệt giữa khí nạp và khí sót trong xy lanh.
Để xác định nhiệt độ chất khí trong xy lanh ở cuối kỳ nạp, ta xuất phát từ
phương trình năng lượng.
Gọi Ma là số lượng mol của hỗn hợp khí sạch và khí sót trong xy lanh ở cuối
kỳ nạp.
L: Số lượng mol khí sạch nạp vào xy lanh trong q trình nạp.
Mr: Là số lượng mol khí sót.
C vt : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của khơng khí sạch
C vn : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót
C vm : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp.

Ta giả thiết cơng của chất khí sinh ra trong q trình nạp bằng khơng, khi đó ta
có thể viết:
M a .C vm .Ta = L.C v' .To' + M r .C vn .Tr

Trong công thức trên, ta giả thiết rằng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ có
nhiệt độ tại cửa hút của xy lanh là To (động cơ bốn kỳ không tăng áp). Sau khi đi
qua cơ cấu nạp nó nhận nhiệt và nhiệt độ tăng từ To lên: T0' : T0' = T0 + ΔTsn
Trong đó ΔTsn là độ gia tăng nhiệt độ do sự sấy nóng của các cửa, cơ
cấu nạp, đỉnh piston và thành vách xy lanh.
Sự khác nhau của các giá trị Cvt , Cvn , Cvm rất nhỏ và ta có thể xem chúng là
như nhau. Khi đó, trở lại phương trình trên ta có thể viết:
M a .Ta = L.To' + M r .Tr

Từ đó:

Ta =

L.To' + M r .Tr
Ma

Thay: Ma = L + Mr và chú ý

Mr
= γ , khi đó ta có:
L

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008

18


To =

To' + γ r .Tr
1+ γ r

(2.8)
Thông thường giá trị ΔTsn nằm trong khoảng 10 ÷ 20 C, cịn giá trị nhiệt độ
của khí sót phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và nằm trong khoảng 700 ÷ 800oK.
Cơng thức tính nhiệt độ cuối q trình nạp trên đây là của động cơ bốn kỳ
không tăng áp. Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ thì phải chú
ý là nhiệt độ trước cơ cấu nạp là : Ts = Tk − ΔTlm
o

Nhiệt độ Tk của khơng khí sau máy nén tăng áp có thể tính như sau:
⎛P
Tk = To ⎜ k
⎜P
⎝ o

⎞
⎟
⎟
⎠

m −1
m

Trong đó, m: chỉ số nén đa biến của máy nén:
Với máy nén ly tâm:
m = 1,5 – 2.
Với máy nén piston :
m = 1,5 – 1,6.
Với máy nén rotor :
m = 1,7 – 1,8.
ΔTlm : độ giảm nhiệt độ của khơng khí khi đi qua sinh hàn khí tăng áp.

Và khi đó, tương tự như trong động cơ bốn kỳ:
và Ta =

TS' = Ts + ΔTsn

Ts' + γ r .Tr
1+ γ r

(2.9)

Thông thường với các động cơ diesel: Ta = 315 ÷ 340oK
Áp suất của khí nạp sau khi đi qua các cơ cấu nạp sẽ giảm đi một lượng
bằng sức cản trên đường ống nạp. Vì vậy chúng ta có thể tính:
Đối với động cơ bốn kỳ khơng tăng áp: pa = p0 − Δph
Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp và động cơ hai kỳ: pa = ps − Δph
Trong đó; Δph là độ giảm áp suất khi đi qua các cơ cấu hút.
Thông thường đối với các động cơ diesel tàu thủy, giá trị Pa nằm trong
khoảng sau:
Động cơ bốn kỳ không tăng áp:
Pa = (0,85 ÷ 0,90)Po.
Động cơ hai kỳ có tăng áp:

Pa = (0,90 ÷ 0,96)Po.
Động cơ hai kỳ quét thẳng qua xupáp : Pa = (0,96 ÷ 1,04)Po.
Động cơ hai kỳ qt vịng:
Pa = (0,96 ÷ 1,1)Po.
Ts' + γ r .Tr
Cuối cùng nếu thay: Ta =
vào cơng thức tính hệ số nạp ta sẽ có
1+ γ r
cơng thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp là:

ηn =

ε

pa
T
. ' 0
ε − 1 p0 T0 + γ r .Tr
.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008

(2.10)



19


Trở lại cơng thức tính: pa = p0 − Δph hay pa = ps − Δph

Trong đó Δph có thể được xác định từ phương trình Becnuli với giả thiết là:
khi chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xy lanh cơng tác, trạng thái của chất
khí khơng thay đổi.
Khi đó ta có thể cho γo = γa hay γa = γs. Ta lại giả thiết vận tốc của dòng khí
tại cửa vào là bằng khơng, khi đó có thể viết:
ΔPh = Po − Pa =

γo
2.g

.(1 + ξ ).W 2

Trong đó ξ là hệ số cản trên đường ống hút, thường bằng 0,03 ; W : vận tốc
của dịng khí nạp.
Với động cơ bốn kỳ ta có thể tính như sau :
W=

S .n D 2
.
30 i.d k2

(m/s)

Trong đó, S : hành trình của piston (m); D: đường kính xy lanh; dk: đường
kính tiết diện lưu thơng của xu páp hút (m); i: số xu páp hút trên một xy lanh.
Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp, trong cơng thức trên ta phải thay γo bằng γs
Sau đây chúng ta ký hiệu Δph của động cơ bốn kỳ không tăng áp là Δp0 , còn
đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ là ΔpS .
Trị số Δp0 , ΔpS biểu thị sức cản trên đường ống hút. Làm sạch đường ống
hút sẽ làm giảm Δp0 hay ΔpS trong khai thác, làm tăng Pa và do vậy tăng lượng

khí nạp vào xy lanh động cơ. Phân tích tương tự như vậy chúng ta thấy khi giảm
Ta cũng làm cho mật độ khơng khí nạp tăng. Tăng cường chế độ làm mát khí tăng
áp làm giảm Ta Nhiệt độ môi trường tăng, phụ tải động cơ tăng sẽ làm tăng Ta và
do vậy giảm lượng khơng khí nạp.
Các giá trị áp suất và nhiệt độ khí sót ảnh hưởng khơng nhiều đến hệ số nạp
nhưng giá trị γr thì có ảnh hưởng lớn. Khi tăng γr làm cho nhiệt độ khơng khí
trong xy lanh ở cuối q trình nạp tăng, mật độ khơng khí nạp giảm làm giảm
lượng khơng khí nạp. Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng khi γr tăng từ 0,05 lên 0,15
thì hệ số nạp giảm từ 0,86 xuống còn 0,69.
Giá trị ảnh hưởng ít đến hệ số nạp và khi tính tốn có thể bỏ qua. Pha phân
phối khí tức là góc mở sớm, đóng muộn của các xu páp hay các cửa có ảnh
hưởng đến q trình nạp và lượng khơng khí nạp.Việc lựa chọn các pha phân
phối khí một cách hợp lý sẽ làm tăng lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ.
Cuối cùng, vòng quay động cơ cũng là một thông số ảnh hưởng đến hệ số
nạp, khi vòng quay động cơ tăng làm tăng sức cản thủy lực của dịng khơng khí
nạp, làm cho ηn giảm. Đặc biệt ở chế độ khai thác động cơ khi mà cả vịng quay
và phụ tải đều tăng thì ảnh hưởng đồng thời của cả hai yếu tố này đến hệ số
nạp và lượng khơng khí nạp là rất đáng kể. Khi đó lượng khơng khí nạp vào

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



20


xy lanh động cơ bị giảm xuống, ảnh hưởng tốt đến chế độ làm việc bình thường
của động cơ.
2.2 Quá trình nén
2.2.1 Sự trao đổi nhiệt trong quá trình nén

Nhiệm vụ của quá trình nén là nâng nhiệt độ của khơng khí trong xy lanh ở
cuối kỳ nén đến nhiệt độ có khả năng tự bốc cháy nhiên liệu một cách bình
thường. Trong tính tốn, q trình nén bắt đầu khi piston đi từ điểm chết dưới
lên điểm chết trên và tất cả các cơ cấu phân phối khí đều đóng lại.
Nếu q trình nén diễn ra khơng có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy lanh thì
quá trình nén là đoạn nhiệt và được miêu tả bằng phương trình: P.Vk =const.
Thực tế quá trình nén trong xy lanh động cơ là một quá trình đa biến phức
tạp với chỉ số nén đa biến luôn luôn biến đổi do giữa chất khí và thành vách xy
lanh có sự trao đổi nhiệt. Sự trao đổi này luôn luôn thay đổi cả về trị số và
hướng trao đổi nhiệt. Ngoài ra, trong thực tế cần phải tính đến rị lọt của khơng
khí nén qua xéc măng và các xu páp. Ở đầu q trình nén, do nhiệt độ chất khí
cịn thấp hơn nhiệt độ thành vách xy lanh, nên thành vách xy lanh trao đổi nhiệt
cho chất khí. Nói cách khác, chất khí nhận nhiệt, do đó n1’ > k (hình 2.1).

Hình 2.1 Diễn biến quá trình nén

Piston tiếp tục đi lên, chất khí bị nén, nhiệt độ tăng dần do đó cường độ trao
đổi nhiệt giữa thành vách xy lanh cũng giảm đi đến một lúc nào đó khi nhiệt độ
chất khí bằng nhiệt độ thành vách xy lanh, thì q trình trao đổi nhiệt tức thời
bằng khơng. Q trình đó là q trình đoạn nhiệt tức thời, khi đó n1’ = k. Tiếp tục
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



21


q trình nén, nhiệt độ chất khí tăng lên và lớn hơn nhiệt độ thành vách xy lanh.
Lúc này quá trình trao đổi nhiệt từ khí đến vách , chất khí nhả nhiệt và n1’ Do có sự trao đổi nhiệt này mà điểm C trong quá trình nén thực tế sẽ nằm

thấp hơn điểm C trong quá trình nén đoạn nhiệt.
2.2.2 Chỉ số nén đa biến n1
Thực tế đã chứng tỏ rằng giá trị n1’ biến đổi từ 1,50 ÷ 1,53 ở đầu kỳ nén
xuống đến 1,1 ÷ 1,2 ở cuối kỳ nén.
Khi nhiệt độ thành vách xy lanh càng nguội lạnh, điểm c trong quá trình nén
thực tế càng thấp hơn điểm c trong quá trình nén đoạn nhiệt. Khi Tc càng thấp,
thời gian trì hỗn sự cháy τi càng kéo dài, động cơ làm việc càng cứng. Trong
trường hợp đặc biệt khi Tc càng thấp có khả năng nhiên liệu sẽ khơng tự bốc cháy
được.
Trong tính tốn chu trình cơng tác, để đơn giản người ta lấy giá trị n1 bình
qn với điều kiện là cơng trong quá trình nén đa biến với n1’ thay đổi bằng cơng
trong q trình nén đa biến với n1 khơng đổi.
Giá trị của n1 thường nằm trong khoảng sau:
Động cơ thấp tốc có làm mát piston : n1 = 1,34 – 1,38
Động cơ trung và cao tốc:
n1 = 1,38 – 1,42
Khi tăng n1 cơng chi phí cho q trình nén sẽ tăng, tổn thất cơ giới lớn,
nhưng giảm n1 sẽ bị hạn chế bởi nhiệt độ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến n1 là số vòng quay của động cơ, phụ tải, kích
thước xy lanh, cường độ làm mát và tỷ số nén.
Tăng số vòng quay của động cơ làm giảm thời gian trao đổi nhiệt giữa chất
khí và thành vách xy lanh, quá trình nén càng gần giống với quá trình nén đoạn
nhiệt, do đó n1 tăng lên. Ngược lại, giảm số vòng quay của động cơ sẽ làm cho n1
giảm xuống.
Giảm phụ tải của động cơ làm cho nhiệt độ thành vách xy lanh giảm đi trong
khi đó lượng nhiệt mà chất khí trao cho thành vách xy lanh tăng lên, kết quả là n1
giảm xuống.
Trường hợp khi giảm cả phụ tải và số vịng quay của động cơ thì n1 giảm
nhiều. Việc giảm n1 nhiều có thể dẫn đến là nhiệt độ cuối kỳ nén không đủ để
bốc cháy nhiên liệu, động cơ sẽ bị dừng. Vì vậy động cơ lai chân vịt tàu thủy

nhất thiết phải giới hạn vòng quay nhỏ nhất để đảm bảo động cơ làm việc được
ở chế độ ma nơ và khởi động.
Khi tốc độ trung bình của piston khơng đổi thì tăng đường kính xy lanh
(D) sẽ làm cho n1 tăng lên. Điều này được giải thích là khi tăng đường kính xy
lanh, khả năng trao đổi nhiệt giữa chất khí bên trong xy lanh với thành vách sẽ
kém đi. Ngoài ra cần tính đến khi tăng đường kính xy lanh, bề mặt làm mát tương
đối sẽ giảm xuống.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



22


Bề mặt làm mát tương đối được tính bằng

Flm
V

Trong đó: Flm là diện tích bề mặt được làm mát của xy lanh; V: thể tích của
xy lanh.
Có thể thấy rằng

Flm
tỷ lệ với
V

a.D 2 c
=

b.D 3 D

Như vậy khi động cơ tăng, bề mặt làm mát tương đối giảm, khả năng trao
đổi nhiệt giữa chất khí và vách giảm xuống, n1 tăng lên. Trong động cơ diesel,
việc tăng cường chế độ làm mát nhằm đảm bảo độ bền của các chi tiết nhóm
piston - xy lanh, nhưng cần lưu ý khi nhiệt độ thành vách xy lanh càng nguội thì
n1 càng giảm xuống.
Ngồi các yếu tố chính nêu trên thì tình trạnh kỹ thuật của động cơ cũng có
ảnh hưởng đến chỉ số nén n1. Khi nhóm piston - xy lanh mịn nhiều thì hiện tượng
lọt khí nạp sẽ tăng lên, chỉ số nén đa biến sẽ giảm. Và cuối cùng khi tăng tỷ số
nén ε, nhiệt độ và áp suất của khơng khí nén sẽ tăng làm tăng lượng nhiệt mà
chất khí truyền cho thành vách xy lanh, đồng thời q trình rị lọt khí qua xéc
măng cũng tăng lên. Vì vậy tăng tỷ số nén ε, chỉ số nén đa biến trung bình n1 sẽ
giảm xuống.
Giá trị n1 thay đổi liên tục trên đường cong nén nhưng giá trị n1 tại mỗi điểm
có thể tính như sau:
n1 =

lg P2 − lg P1
lg V1 − lg V2

Giá trị n1 bình qn của q trình nén được tính như sau:
⎛p ⎞
lg ⎜ c ⎟
p
lg pc − lg pa
n1 =
= ⎝ a⎠
lg va − lg vc
⎛v ⎞

lg ⎜ a ⎟
⎝ vc ⎠

(2.11)

Giá trị Pc và Pa được xác định từ đồ thị cơng chỉ thị. Khi thí nghiệm giá trị
Pc được xác định bằng cách cắt không cấp nhiên liệu vào xy lanh cần đo Pc.
2.2.3 Các thơng số chất khí ở cuối kỳ nén
1. Áp suất cuối kỳ nén
Quá trình nén đa biến được đặc trưng bằng phương trình cơ bản:
PVn1 = const;
Áp dụng cho điểm a và điểm c ta có: Pa.Van1 = Pc.Vcn1
Do đó:
Pc = Pa. ε
2. Nhiệt độ kỳ cuối nén
Từ phương trình trạng thái của mơi chất tại điểm a và điểm c:
Pa.Va = Ga.R.Ta; Chia hai phương trình trên cho nhau và coi Ga = Gc (bỏ qua
sự rị lọt khí), ta có:
n1

Tc = Ta .

Pc .Vc
1
= Ta .ε n1 .
Pa .Va
ε

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008

23


Vậy
Tc=Ta. ε
(2.13)
Như vậy Pc và Tc tỷ lệ với các thơng số đầu q trình nạp. Tăng Pa, Ta sẽ
làm cho Pc, Tc tăng và ngược lại. Đồng thời Pc, Tc còn chịu ảnh hưởng rất lớn của
chỉ số nén đa biến n1.
Giá trị Pc, Tc quyết định khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu. Để nhiên liệu
có khả năng tự bốc cháy thì nhiệt độ cuối kỳ nén phải lớn hơn nhiệt độ tự bốc
cháy của nhiên liệu từ 200÷250oC, nhiệt độ này vào khoảng 750 – 800oK.Trong
thực tế ở một số động cơ tăng áp, do áp suất Pa tăng tỷ lệ với Ps mà Pc có thể đạt
đến giá trị 80 – 100kG/cm2.
Tăng ε sẽ làm cho Tc tăng nhưng đồng thời cũng làm cho ứng suất cơ và ứng
suất nhiệt của động cơ tăng. Các động cơ diesel tàu thuỷ tỷ số nén thấp nhất để
cho nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy là 10 ÷ 10,5. Về lý thuyết khi tăng tỷ số
nén ε thì tính kinh tế của động cơ sẽ tăng. Điều này đã được thực tế áp dụng
trong những động cơ hiện đại cỡ lớn có hành trình siêu dài. Tỷ số nén trong động
cơ thực tế là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong
khoảng từ 10,5 đến 18.
Ở các động cơ cao tốc, do thời gian của q trình hồ trộn ngắn, do đó khó đảm
bảo điều kiện cho sự tự bốc cháy của nhiên liệu. Mặt khác, ở những động cơ này,
n −1

bề mặt làm mát tương đối

Flm

khá lớn. Vì vậy để đảm bảo khả năng khởi động
V

động cơ tỷ số nén ε thường chọn cao hơn.
Trong những động cơ diesel tăng áp có tỷ số nén ε = 12 – 13 giá trị Pc có thể
biến động trong một phạm vi rất rộng từ 40 – 50kG/cm2 trong các động cơ trung
tốc và 50 – 75kG/cm2 ở các động cơ cao tốc hoặc có thể cao hơn. Trong những
động cơ lớn có hành trình siêu dài, áp suất cuối kỳ nén Pc có thể đạt đến khoảng
80 – 100kG/cm2. Do tăng Pc mà áp suất cháy cực đại Pz cũng tăng theo có thể đạt
giá trị 75 – 130kG/cm2 hoặc cao hơn. Những động cơ cao tốc thế hệ mới áp suất
cháy cực đại có thể đạt 180 – 200 KG/cm2.
3. Chỉ số nén đa biến n1
Trong tính tốn chu trình cơng tác, ta xem chỉ số nén đa biến n1 là không
đổi, thực tế giá trị n1 thay đổi trong suốt quá trình nén và phụ thuộc rất nhiều vào
sự trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xy lanh. Để đơn giản trong q trình
tính tốn ta xem khơng khí trong xy lanh động cơ đầu q trình nén là khơng khí
sạch hồn tồn và q trình nén khơng có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy
lanh. Nghĩa là ta xem quá trình nén là đoạn nhiệt.
Với giả thiết như vậy, ta có thể viết :

n1 = K =

C1
p
1
Cv

'
Trong đó C p , Cv' là nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích của khơng khí sạch.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



24


Biến đổi :

'
'
'
'
C P C P + CV − CV
n1 = ' =
'
CV
CV

Thay

'
C p − Cv' = 848 A =

Khi đó:

n1 =

848
= 1,99

427

1.99
+1
Cv'

Giá trị nhiệt dung riêng của khơng khí là một giá trị biến đổi phụ thuộc vào
nhiệt độ. Tuy nhiên sự thay đổi của nó là khơng lớn lắm ta có thể bỏ qua. Giả
thiết như vậy khi đó ta có thể lấy giá trị của nhiệt dung riêng trung bình để tính
tốn.
Từ phương trình: Tc = Ta .ε n −1 ; Kết hợp với phương trình: n1 − 1 =
1

1.99
;
Cv'

Mà Cv' = 4,6 + 0.0006.(Ta+Tc); Vậy: Cv' = 4.6+0.0006.Ta.
Thay vào phương trình: n1 − 1 =
n1 − 1 =

1.99
ta có:
Cv'

1,99
4, 6 + 0, 0006Ta (1 + ε n1 −1 )

(2.14)

Ta tìm n1 theo phương pháp tính chọn gần đúng dần bằng cách như sau:
Chọn một giá trị n1 bất kỳ thay vào phương trình trên. Sau khi tính tốn vế phải
và vế trái của phương trình bằng nhau thì giá trị n1 ta vừa chọn là đúng. Cịn
nếu phương trình chưa cân bằng thì chọn lại và tính lại cho đến khi hai vế của
phương trình (2.14) bằng nhau.
Thực nghiệm đã xác định rằng:
Động cơ thấp tốc có làm mát piston:
n1 = 1,33 ÷ 1,37
Động cơ trung tốc khơng làm mát piston:
n1 = 1,36 ÷ 1,38
Động cơ cao tốc:
n1 = 1,39 ÷ 1,42
2.3 Q trình cháy
2.3.1 Lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu.
2.3.1.1. Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu.
Trong chu trình thực tế, thành phần và tính chất của cơng chất ln ln
thay đổi. Thành phần và tính chất của cơng chất có ảnh hưởng đến các thơng số
của chu trình cơng tác và do đó đến tính kinh tế, an tồn và tin cậy của động cơ .
Thực chất của quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh động cơ là một quá
trình hết sức phức tạp. Để xác định các thông số của quá trình cháy trước hết cần
phải xác định lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu trong xy
lanh động cơ.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



25

Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel tàu thuỷ là sản phẩm của dầu mỏ,
có các thành phần cơ bản như : C = 84 ÷ 87% ; H = 10 ÷ 14% ; O = 0,1 ÷ 1% ; S
= 0,01 ÷ 5%
Ngồi ra cịn một vài thành phần khác chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. Để đơn
giản cho tính tốn chúng ta quy ước : gọi C ,H, O, S là khối lượng (kg) các thành
phần cacbon, hydro, ôxy, lưu huỳnh có trong 1kg nhiên liệu.
C + H + O + S = 1 kg nhiên liệu
Tức là trong nhiên liệu khơng có các thành phần khác nữa. Để tính lượng
khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hồn tồn 1kg nhiên liệu ta đi tính
lượng ơxy cần thiết để ơxy hố các thành phần có trong nhiên liệu.
Ta có phản ứng : C + O2 = CO2
Như vậy: Cứ 12 kg Cacbon cần 1 kmol oxy và tạo ra 1 kmol CO2.
Vậy C kg cacbon cần xupáp kmol oxy và tạo ra y kmol CO2
Suy ra: x =

C
C
và y=
12
12

Như vậy để đốt cháy hết C kg cacbon cần

C
C
kmol O2 và tạo thành
kmol
12
12

CO2 trong phản ứng cháy.
Bằng cách viết các phản ứng cháy tương tự cho hydrô và lưu huỳnh, lưu ý
rằng trong bản thân nhiên liệu có chứa một lượng oxy là O kg, qui thành
O
32

kmol. Lượng O2 cần thiết này cũng tham gia phản ứng oxy hoá với các
nguyên tố khác. Do vậy lượng oxy cần thiết thực tế cũng giảm đi một lượng
bằng lượng oxy có trong nhiên liệu . Ngồi ra, chúng ta cho rằng trong khơng
khí oxy chiếm 21% thể tích, cịn 79% là N2. Khi đó ta có cơng thức tính lượng
khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu sẽ là:
L0 =

ở đây

1 C H S O
( + + − )
0, 21 12 4 32 32

kmol/kg nhiên liệu

(2.15)

O
là thành phần ơxy có trong nhiên liệu.
32

Nếu nhiên liệu có các thành phần nguyên tố theo tỷ lệ:
C = 87%; H = 12,6%; C = 0,4% thì Lo = 0,495 kg/kg nh.l
Nếu tính theo trọng lượng thì: G0 = μ.L0 = 28,97.0, 495 = 14,3 kmol/kg nh.l

Trong đó μ là khối lượng phân tử của khơng khí lấy bằng 28,97
Trong cơng thức tính tốn lượng khơng khí lý thuyết, ta giả thiết khơng khí
là khơng khí khơ hồn tồn. Trong trường hợp khơng khí là khơng khí khơ,
hàm lượng ơxy tính theo thể tích là 21%. Cịn trong trường hợp là khơng khí ẩm
cần phải xác định lại hàm lượng ơxy có trong khơng khí. muốn vậy ta dựa vào
quan hệ cơ bản sau:
V
V
O2 + N 2 + H 2 O V = 1

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



26


Trong đó : O2v là hàm lượng oxy có trong khơng khí ẩm tính theo thể tích;
v
N 2 là hàm lượng nitơ có trong khơng khí ẩm tính theo thể tích ; H 2 O v là hàm
lượng hơi nước trong khơng khí ẩm tính theo thể tích.
Hàm lượng hơi nước có trong khơng khí ẩm tính theo thể tích có thể xác
định theo cơng thức sau :
H 2O v =

ϕ . pH
p0

mm3/m3 khơng khí

(2.16)

Trong đó : P0 là áp suất khí quyển ; ϕ là độ ẩm tương đối của khơng khí ; PH
là áp suất riêng phần của hơi nước trong khơng khí đang xét.
Ta biết rằng trong khơng khí giữa ơxy và nitơ có quan hệ theo thể tích sau:
v
O2 0, 209
=
= 0, 264
v
N 2 0, 791

(2.17)

Kết hợp hai điều kiện (2-15) ; (2-16) chúng ta sẽ xác định được lượng
khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu trong điều kiện
không khí ẩm như sau :
L'0 =

1

C H S O
.( + + − )
p
0, 21.(1 − ϕ . h ) 12 4 32 32
p0

kmol/kg nh.l

(2.18)

Do lượng oxy trong khơng khí ẩm ít hơn lượng oxy trong không khí
khô nên lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt hết 1kg nhiên liệu khi khơng
khí là khơng khí ẩm sẽ lớn hơn trong trường hợp khơng khí khơ. Nếu ta gọi L0 là
lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu khi khơng khí là
khơng khí ẩm thì đương nhiên là có :
L'0 > L0

2. Lượng khơng khí thực tế để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
Thực tế do q trình hồ trộn giữa khơng khí và nhiên liệu xảy ra bên
trong xy lanh công tác trong một thời gian rất ngắn, do đó để đảm bảo cho q
trình hồ trộn và cháy tốt, lượng khơng khí thực tế đưa vào trong xy lanh động cơ
trong quá trình nạp bao giờ lớn hơn trọng lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để
đốt cháy hết 1kg nhiên liệu.
Lượng khơng khí dư thừa so với lượng khơng khí lý thuyết được đánh giá
bằng hệ số dư lượng khơng khí…..
α=

L
Lo

Trong đó: L là lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh công tác để đốt cháy
hết 1kg nhiên liệu.
L = α .L0 =

1
C H S O
.( + + − )
0, 21 12 4 32 32

Kmol/kg nh.l

(2.19)

Giá trị α của các động cơ nằm trong khoảng sau:
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



27


Động cơ không tăng áp thấp tốc:
Động cơ không tăng áp cao tốc:
Động cơ tăng áp thấp tốc:
Động cơ tăng áp cao tốc:
Trong một chu trình cơng tác, hệ

α =1,8 – 2,1
α =1,3 – 1,7
α =2,0 – 2,3
α =1,5 – 1,9
số dư lượng khơng khí α được tính như

sau:

α =−

Lct
qct .L0

(2.20)

Trong đó:
Lct là lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ trong một chu trình
cơng tác (kmol);
qct là lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình.
Trong điều kiện khơng khí ẩm, lượng khơng khí thực tế để đốt cháy hết 1kg
nhiên liệu sẽ là :
L'0 =

1

C H S O
.( + + − )
p
0, 21.(1 − ϕ . h ) 12 4 32 32
p0

kmol/kg nh.l

(2.21)

Từ công thức (2.21) ta thấy: Khi φ tăng, lượng hơi nước chiếm chỗ trong
khơng khí cũng nhiều do vậy lượng oxy càng ít. Nếu lượng không khí nạp vào xy
lanh động cơ khơng đổi thì hệ số dư lượng khơng khí α trong trường hợp này sẽ
giảm, quá trình cháy sẽ kém đi. Nếu để giữ ngun hệ số lượng khơng khí α thì
cần thiết phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, làm giảm cơng suất
động cơ.
Ngồi ra khi trong khơng khí nạp có chứa hơi nước sẽ làm giảm chỉ số nén

đa biến. Điều này dẫn đến là các thơng số cuối q trình nén sẽ thấp. Do ảnh
hưởng đồng thời của các yếu tố trên thời gian chuẩn bị cháy τ i sẽ kéo dài, quá
trình cháy chuyển sang đường giãn nở, nhiệt độ khí xả tăng, tính kinh tế của chu
trình sẽ giảm xuống.
2.3.2 Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu
1. Số lượng mol sản phẩm cháy khi cháy hoàn tồn 1 kg nhiên liệu (M’)
Để tính số lượng mol sản phẩm cháy, ta giả thiết quá trình cháy diễn ra hồn
hồn và hệ số dư lượng khơng khí α >1.
Thành phần sản phẩm cháy bao gồm CO2, SO2, hơi nước, lượng O2 dư thừa
và lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy.
Lượng khơng khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ để đốt cháy 1kg nhiên
liệu là L (kmol).
Lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu là Lo
(kmol).
Như vậy lượng khơng khí khơng tham gia vào phản ứng cháy là L - Lo.
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



28


Ta xem là trong khơng khí O2 chiếm 21% về thể tích và N2 là 79%. Vậy
lượng O2 dư thừa là
(L - Lo).0,21 = (α.Lo - Lo).0,21 = (α - 1).Lo.0,21 (kmol/kg.n.l).
Lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy là
0,79.L = 0,79 α Lo (kmol/kg.n.l).
Các thành phần CO2, H2O, SO2, được xác định từ các phản ứng cháy. Trong đó:
Lượng CO2 là C (kmol/kgnh.l)
12

Lượng H2O là

H
2

Lượng SO2 là

S
( kmol/kgnh.l)
32

( kmol/kgnh.l)

Gọi M’ là số mol sản phẩm cháy, khi đó:
M ' = M CO2 + M H 2O + M SO2 + M N 2
C H S
+ +
+ 0,21.(α − 1).Lo + 0,79.α .Lo
12 2 32
C H S
+ +
+ (α − 1)
M '=
12 2 32
M '=

(kmol/kg nh.l)
(kmol/kg nh.l)

2.3.2.2. Số gia sản phẩm cháy ( ΔM ' )
Khi cháy nhiên liệu làm cho khối lượng mol chất khí thay đổi. Giả sử sau
khi cháy khối lượng mol chất khí tăng lên một lượng là ΔM ' .
ΔM ' = M '− L = M '−α .Lo
Thay các giá trị M’ và α .L0 vào phương trình ta được
C H S
+ +
+ (α − 0,21).Lo − α .Lo
12 2 32
C H S O
1
.( + + − )
Tiếp tục thay L = α .L0 =
(kmol/kg nh.l)
0, 21 12 4 32 32
ΔM ' =

và biến đổi ta được :
ΔM ' =

8H + O
32

(kmol/kg nh.l)

(2.23)

Từ công thức này chúng ta thấy rằng số gia sản phẩm cháy không phụ thuộc
vào hệ số dư lượng không khí α mà xác định bằng hàm lượng H2 và O2 có trong
nhiên liệu. Có nghĩa là nó chỉ phụ thuộc thành phần hoá học của nhiên liệu.

2.3.3 Hệ số thay đổi phân tử
2.3.3.1.Hệ số thay đổi phân tử hóa học ( β 0 )

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



29


Trong phản ứng đốt cháy 1kg nhiên liệu, giả sử có L kmol khơng khí
tham gia. Sau phản ứng cháy, số lượng sản phẩm cháy sẽ khơng cịn bằng L nữa
mà có trị số là M’, đồng thời thể tích của sản phẩm cháy cũng thay đổi.
Khi đó tỷ số

M'
được gọi là hệ số thay đổi phân tử hoá học.
L

Gọi βo là hệ số thay đổi phân tử hóa học.
βo =

M ' L + ΔM '
8H + O
=
= 1+
L
L
32.α .Lo

Đối với nhiên liệu nhẹ có hàm lượng C = 0,87, H = 0,126 và O = 0,004 ta có:
βo = 1+

0,0639

α

Như vậy hệ số thay đổi phân tử hóa học ln ln lớn hơn 1 và nó chỉ phụ
thuộc vào hệ số dư lượng khơng khí α. Khi α tăng βo giảm.
2. Hệ số thay đổi phân tử thực tế ( β )
Thực tế khí tham gia phản ứng cháy, trong xy lanh khơng chỉ chứa khơng
khí sạch hồn tồn mà cịn có một lượng khí cháy cịn sót lại của chu trình cơng
tác trước.
Gọi Ma là lượng mol khí sạch và khí sót có trong xy lanh ở thời điểm bắt đầu
nén:
Ma = L + Mr
Gọi M là số lượng mol khí sau phản ứng cháy. Phản ứng cháy làm cho số
lượng mol tăng lên một lượng là ΔM ' , và trong khí cháy thì lượng khí sót không
tham gia phản ứng cháy, nghĩa là số lượng mol khí sót khơng thay đổi.
Khi đó ta có : M = M’ + Mr
Do vậy hệ số thay đổi phân tử thực tế sẽ là :
β=

M '+ M r
M
=
Ma
L + Mr

Chia cả tử và mẫu cho L với chú ý là γ r =

β=

Mr
, khi đó ta có:
L

β0 + γ r
1+ γ r

(2.26)

Hệ số thay đổi phân tử thực tế β cũng có thể được xác định tại một thời điểm
bất kỳ cùa quá trình cháy như sau:
Gọi x là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm đang xét, khi đó số gia sản phẩm
cháy sẽ là x.ΔM ' và số lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đó sẽ là:
Và:

M x = L + x.ΔM '
L + x.ΔM '+ M r
x.ΔM '
βx =
= 1+
L + Mr
L + Mr

Chia cả tử và mẫu cho L ta được:

βx = 1+

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008

x.ΔM '
1+ γ r

L



30


Từ:
Do đó:

βo =

L + ΔM '
ΔM '
= 1+
L
L

β x = 1 + x.

ta có

ΔM '
= βo −1
L

β0 − 1
1+ γ r

(2.27)

Khi x = 0 thì βx = 1: nhiên liệu chưa cháy.
Khi x = 1 thì βx = β: nhiên liệu cháy hết.
Trong tính tốn của các q trình cháy về sau, để đơn giản cho việc tính
tốn, chúng ta coi q trình cháy là cháy hồn tồn (βx = β). Nhưng trong thực tế
quá trình cháy nhiên liệu động cơ diesel có một phần nhiên liệu cháy khơng hồn
tồn. Sự cháy khơng hồn tồn sẽ sinh ra các oxit cácbon. Ngồi ra trong sản
phẩm cháy cịn có một phần các bon chưa cháy. Thành phần của các chất trong
sản phẩm cháy được xác định bằng các thiết bị phân tích khói.
2.3.4 Phương trình nhiệt động của q trình cháy
2.3.4.1. Khái niệm về hệ số sử dụng nhiệt
Trong tính tốn nhiệt động, quá trình cháy trong động cơ diesel được xem là
bao gồm hai q trình:
Q trình cháy đẳng tích CZ1
Quá trình cháy đẳng áp Z1Z
Điểm C được xem là điểm bắt đầu cháy, còn điểm Z là điểm kết thúc quá
trình cháy.
Trong thực tế, năng lượng của nhiên liệu khi cháy khơng thể được sử dụng
một cách hồn tồn để nâng cao nộ năng của chất khí và sinh công. Một phần
nhiệt bị mất mát do sự cháy không hồn tồn của nhiên liệu. Q trình cháy
khơng hồn tồn được thể hiện bằng các sản phẩm cháy trung gian. Một phần
nhiệt khác bị mất mát do sự trao đổi nhiệt của khí cháy cho thành vách xy lanh.
Ngồi ra ở nhiệt độ cao (hơn 2000oK) sẽ xuất hiện sự phân hủy sản phẩm
cháy. Quá trình phân hủy này thu nhiệt, khi nhiệt độ chu trình giảm xuống
(trên đường giãn nở) quá trình xảy ra ngược lại, tức là các phân tử lại kết hợp
với nhau, quá trình này tỏa nhiệt. Tuy nhiên lượng nhiệt toả ra nhỏ hơn lượng

nhiệt thu vào trong quá trình phân hủy, tức là đã có tổn thất nhiệt độ phân
hủy. Trong động cơ diesel, lượng nhiệt mất mát này khơng đáng kể (khoảng
2%) vì nhiệt độ khí cháy thấp, cịn trong động cơ xăng, giá trị này lớn hơn.
Trong trường hợp đốt 1 kg nhiên liệu, nếu gọi nhiệt trị thấp của nhiên liệu
là QH, phần nhiệt mất mát do cháy khơng hồn tồn là QKC, phần nhiệt mất mát do
sản phẩm cháy là QPH, lượng nhiệt chất khí trao đổi cho thành vách xy lanh là
QXL, khi đó ta có:

x=

QH − (QKC + QPH )
QH

χ : được gọi là hệ số tỏa nhiệt của nhiên liệu khi cháy.
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



31


Nếu tính đến phần nhiệt mà khí cháy trao cho thành vách xy lanh thì khi đó
ta có:
ξ=

QH − (QKC + QPH + Q XL )
QH

ξ được gọi là hệ số sử dụng nhiệt. Như vậy hệ số sử dụng nhiệt có tính đến

tất cả các tổn thất nhiệt khi nhiên liệu cháy sinh ra.
Sự thay đổi hệ số sử dụng nhiệt được biểu thị trên hình 2.2. Từ hình vẽ ta
thấy giá trị hệ số sử dụng nhiệt có thể không đạt giá trị cực đại tại khởi động mà
sau điểm z. Khi điểm đạt cực đại của ξ càng xa z , quá trình cháy rớt càng phát
triển, mất mát nhiệt do khí xả càng tăng và do đó tính kinh tế của chu trình cũng
giảm xuống.

Hình 2.2 Sự thay đổi của hệ số sử dụng nhiệt ξ

Trong tính tốn và nghiên cứu chu trình cơng tác, chúng ta quan tâm đến hai
giá trị ξ . Đó là ξ tại z kí hiệu ξ z , tại b: ξb . Giá trị ξ đánh giá lượng nhiệt sử dụng
được để biến đổi nội năng để sinh công. Do vậy (1-ξ) sẽ đánh giá phần nhiệt mất
mát trong quá trình cháy.
Các giá trị ξ z và ξb của các loại động cơ nằm trong khoảng sau:
Động cơ thấp tốc và trung tốc: ξ z = 0,75 – 0.85, ξb = 0,86 – 0,95
Động cơ cao tốc: ξ z = 0,7 – 0,84 ; ξb = 0,85 – 0,90

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



32


Giá trị ξ z càng lớn, lượng nhiệt mà chất khí sử dụng được trong q trình
cháy để biến đổi nội năng chất khí và sinh cơng càng lớn, hiệu quả của quá trình
cháy nhiên liệu càng cao. Nhưng đồng thời cũng sẽ làm cho các thông số tại z
cao, một trong những vấn đề cần được quan tâm để đảm bảo động cơ làm việc an
toàn và tin cậy.
2.3.4.2. Phương trình nhiêt động của quá trình cháy

Cơ sở để thành lập phương trình nhiệt động của quá trình cháy là định luật
nhiệt động học thứ nhất đươc viết dưới dạng sau:
ΔQCZ1Z = ΔU CZ1Z + A.LZ1Z

Giả sử trong quá trình cháy có 1kg nhiên liệu tham gia có nhiệt trị thấp là QH.
Quá trình cháy làm thay đổi nội năng chất khí từ điểm C đến Z1 và sinh cơng trên
đoạn Z1Z (hình 2.3)

Hình 2.3 Đồ thị cơng chỉ thị

Lượng nhiệt mà chất khí hấp thụ được để biến đổi nội năng trên đoạn cZ1Z
và sinh công trên đoạn Z1Z là ξ Z .QH
Như vậy phương trình (2.29) có thể được viết:
ξ Z .QH + U C − A.LZ Z + U Z
1

Trong đó:
ξ Z là hệ số sử dụng nhiệt tại điểm Z ;

UC là nội năng của chất khí tại điểm c;
A là đương lượng nhiệt của công: A =

1
;
427

LZ1Z là công dịch chuyển trên đoạn Z 1 Z;

UZ là nội năng của chất khí tại điểm Z.
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008

33


Tại điểm Z ta xem số lượng mol của chất khí là M. Khi đó nội năng chất khí
"
tại điểm Z có thể tính:
U z = M .Cv .Tz
Nội năng chất khí tại điểm c:

"
U c = M a .Cv .Tc

Dựa theo phương trình nhiệt động học thứ nhất ta có:
ξ z .QH + M a .C v''' .Tc = A.L z z + M .C v'' .Tz

(2.31)

1

Trong đó: C : là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí cháy;
"
v

"'
Cv : là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp (khơng khí và khí sót).

Bây giờ trước hết ta tính LZ Z (cơng do chất khí sinh ra đẩy piston chuyển

1

động trên đoạn Z1Z): LZ1Z = pz .vz − pz1 .vz1 = pz .vz − λ pc .vc
Viết phương trình trạng thái cho chất khí tại điểm c và điểm Z ta có:
Tại c: pc.Vc = M a .848.Tc (coi Ma = M0: bỏ qua sự rị lọt khí)
(2.32)

Tại Z: pz.Vz = M .848.Tz
Thay LZ Z vào (2.31) với chú ý (2.32) ta có:
1

848
.(M .T z − λ .M a .Tc )
427
'''
''
Hay: ξ z .QH + M a .C v .Tc + 1,99.λ.M a .Tc = M .C v .Tz + 1,99.M .Tz

ξ z .Q H + M a .C v''' .Tc = M .C v'' .T z +

M
Ma

Chia hai vế của phương trình cho Ma và chú ý rằng
ξ z .Q H
M

(

)

(

= β z ta được:

)

+ C v''' + 1, 99 .λ .T c = β z . C v'' + 1, 99 .T z

a

(2.33)

Thay Cv" + 1,99 = C "p khi đó ta có:
ξ z .Q
M

H

(

+ C

'''
v

)

+ 1 , 99 . λ .T c = β z .C

''
p

.T z

(2.34)
Để có thể phân tích rõ hơn các thơng số trong phương trình trên, ta tiếp tục
biến đổi các thơng số của hỗn hợp khí (khơng khí và khí sót ở điểm c) theo những
thông số riêng rẽ như sau:
Số mol khí tại điểm a (bằng số mol khí tại điểm c) được tính:
a

M a = L + M r = L.(1 + γ r )

Thay vào phương trình (2.34) ta được:
ξ Z .QH
L

+ (Cv"' + 1,99.λ ).(1 + γ r ).Tc = β Z .(1 + γ r ).C " .Tz
p

(2.35)

Viết phương trình cân bằng nhiệt cho hỗn hợp khơng khí và khí sót trên
cơ sở nhiệt lượng của hỗn hợp khí bằng tổng nhiệt lượng của các khí thành
phần:
M a .C v''' .Tc = L.C v' .Tc + M r .C v'' .Tc
L.C v' + M r .C v'' C v' + γ r .C v''
C v''' =
=

1+ γ r
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại L + M r TP.HCM - 2008
học GTVT



(2.36)

34


Suy ra;

(2.36)

Thay (2.36) vào phương trình (2.35) và biến đổi ta được:
ξ Z .QH
L

"
+ (Cv"' + 1,99.λ ).Tc + (Cv + 1,99λ ).γ r .Tc = β Z .(1 + γ r ).C " .Tz
p

(2.37)

Phương trình (2.37) là phương trình nhiệt động học của qúa trình cháy,
trong đó nhiệt lượng của sản phẩm cháy tạo thành cân bằng với tổng nhiệt lượng
của các thành phần tham gia.
Phân tích phương trình chúng ta thấy: nhiệt độ khí cháy tại điểm Z (Tz)
phụ thuộc chủ yếu vào ξz , Tc và L cịn các thơng số khác ảnh hưởng khơng đáng

kể.
Khi nhiệt độ cuối qúa trình nén Tc tăng, hệ số sử dụng nhiệt tại Z tăng thì nhiệt
độ Tz tăng. Cịn việc tăng số lượng mol khơng khí nạp vào xy lanh động cơ tại
thời điểm bắt đầu nén thì ngược lại làm cho Tz giảm xuống.
Như chúng ta đã biết khi Tz càng cao ứng suất nhiệt nhóm piston xy lanh càng
lớn ảnh hưởng đến độ bền các chi tiết, đồng thời làm tăng hàm lượng NOx trong
khí xả gây tác động xấu đến môi trường và sức khỏe người khai thác vận hành
o
động cơ. Các động cơ diesel tàu thủy có nhiệt độ Tz giới hạn từ 1700 ÷ 2000 K .
Như vậy, vấn đề đặt ra là cần giảm Tz xuống. Giảm Tz có nghĩa là phải đưa
qúa trình cháy sang đường giãn nở. Về kết cấu điều này được thực hiện bằng
cách giảm góc phun sớm. Song khi đưa qúa trình cháy sang đường giãn nở làm
cho mất nát nhiệt cho nước làm mát tăng và tăng nhiệt lượng do khí xả mang ra
ngồi. Kết qủa là hiệu suất chỉ thị của động cơ giảm xuống, tính kinh tế của chu
trình giảm. Ngồi ra, khi q trình cháy trên đường giãn nở phát triển, trạng thái
nhiệt của nhóm piston xy lanh cũng xấu đi. Trong các động cơ cao tốc biện pháp
này được áp dụng để giảm giá trị Tz. Cịn trong động cơ thấp tốc cơng suất lớn
việc giảm ξz nhằm làm giảm Pz.
Giảm Tc để giảm Tz khơng có lợi vì như vậy làm xấu đi qúa trình cháy nhiên
liệu. Đặc biệt ở chế độ khởi động, giá trị Tc thấp sẽ không đảm bảo cho qúa trình
cháy diễn ra bình thường.
Từ (2.37) chúng ta thấy tăng lượng khơng khí có trong xy lanh ở đầu hành
trình nén có thể làm cho Tz giảm xuống. Nói một cách chính xác là để giảm
Tz cần phải tăng hệ số dư lượng khơng khí α. Khi lượng khơng khí dư thừa
càng nhiều, nó sẽ thu một phần nhiệt lượng lớn hơn để mang ra ngồi theo khí
xả làm cho nhiệt độ bình quân của chu trình giảm xuống. Điều này đặc biệt có ý
nghĩa với những động cơ có tăng áp, khi mà với cùng một thể tích cơng tác,
nhưng lượng nhiên liệu đốt cháy nhiều hơn.
Trong phương trình cân bằng nhiệt tại điểm Z (2.37), ta cần lưu ý:
Cv' là nhiệt dung riêng đẳng tích của khơng khí khơ, có thể được tính:

(2.38)

Cv' = 4, 6 + 0, 0006.Tc
"
Cv là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót:

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



35


"
Cv =

4,89 + (α − 1).4, 6 86 + (α − 1).60
+
.Tc
α
α .105

(2.39)

C " : là nhiệt dung riêng đẳng áp của khí cháy (có thành phần giống khí sót):
p

C " = 1,99 +
p

4,89 + (α − 1).4, 6 86 + (α − 1).60
+
.Tz
α
α .105

(2.40)

Sau khi thay các giá trị nhiệt dung riêng ở trên vào phương trình (2.37) ta sẽ
được một phương trình bậc hai với Tz có dạng:
A.Tz2 + B.Tz + C = 0

Giải phương trình bậc hai sẽ tìm được nhiệt độ cháy cực đại của khí cháy Tz.
2.3.4.3. Các thơng số của qúa trình cháy.
Tỷ số tăng áp suất λ =

pz
pc

Giá trị λ là một trong những thông số đặc trưng cho ứng suất cơ của chu
trình cơng tác.
Ở chế độ định mức giá trị λ của các động cơ diesel tàu thủy thường nằm
trong khoảng từ 1,30 ÷ 2,2.
Áp suất cực đại pz = λ. pc
Nhiệt độ cháy cực đại Tz: Giải phương trình cân bằng nhiệt tại điểm Z.
Tỷ số giãn nở sớm ρ =

vz
vc

Từ phương trình trạng thái: pz .Vz = M .848.Tz và pc.Vc = M a .848.Tc
Chia hai vế của phương trình trên cho nhau ta được
Thay
Mà

Pz .V z
M .Tz
=
Pc .Vc M a .Tc

pz
v
T
M
= λ và:
= β z ; Khi đó ta có: λ z = β z z
pc
vc
Tc
Ma

vz
β T
= ρ ; Vậy: ρ = z . z
vc
λ Tc

Thể tích vz = ρ .vc
Tỷ số giãn nở sớm trong các động cơ nằm trong khoảng 1,2 ÷ 1,7. Giá trị ξ z
trong phương trình cháy là một thơng số cơ bản để xem xét một qúa trình cháy

trong động cơ diesel. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ξz và mức độ ảnh hưởng
của các yếu tố này với các kiểu, loại động cơ khác nhau cũng khác nhau.
Trước hết khi tăng số vịng quay thì ξz giảm vì qúa trình cháy rớt sẽ phát
triển.
Việc phân hủy sản phẩm cháy tăng thì ξ z giảm. Thơng thường trong động
cơ diesel do nhiệt độ cháy không cao lắm nên giá trị này tương đối nhỏ.
Thành phần khí hỗn hợp hay hệ số dư lượng khơng khí α cũng có ảnh hưởng
đến ξ z .
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



36