Bài giảng động cơ disel tàu thủy (phần 2) đh giao thông vận tải TP HCM

TS. MT.TRƯƠNG THANH DŨNG
ThS. LÊ VĂN VANG
KS. HÒANG VĂN SĨ

BÀI GIẢNG

ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



1


PHẦN THỨ HAI

LÝ THUYẾT
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

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



2


CHƯƠNG 1

CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Khái niệm cơ bản
Trong các động cơ đốt trong, việc nghiên cứu chu trình thực tế rất phức tạp.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới diễn biến của các quá trình trong chu trình
công tác như các thông số về kết cấu ( tỷ số nén, phương pháp quét khí và thải khí,
phương pháp hình thành khí hỗn hợp…), các thông số về điều chỉnh (góc phân
phối khí, góc phun sớm, thành phần hỗn hợp), các thông số về khai thác
(chế độ làm việc của động cơ, điều kiện về môi trường).Vì vậy khi nghiên
cứu cơ sở lý thuyết của động cơ diesel, người ta phải xem xét sơ đồ đơn giản
hoá các quá trình công tác đó, hay còn được gọi là chu trình lý tưởng.
Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong là chu trình công tác mà trong đó
không tính đến tổn thất nhiệt nào khác ngoài tổn thất nhiệt truyền cho nguồn lạnh
được quy định theo luật nhiệt động học 2.
Chu trình lý tưởng của động cơ diesel cho phép dễ dàng đánh giá tính
hoàn thiện và khả năng sử dụng nhiệt lượng của nhiên liệu để biến thành công.
1.1.1 Chu trình lý tưởng đốt trong
Chu trình lý tưởng động cơ đốt trong biểu diễn trên đồ thị P-V( đồ thị công )
và T-S Diesel (đồ thị nhiệt), bao gồm các quá trình nhiệt động cơ bản sau đây
(hình 1.1):

Hình 1.1 Chu trình lý tưởng trên đồ thị P-V và T-S

Trong đó:
ac: quá trình nén đoạn nhiệt.
cz1: quá trình cấp nhiệt đẳng tích.
z1z: quá trình cấp nhiệt đẳng áp.
zb: quá trình giãn nở đoạn nhiệt
ba: quá trình thải nhiệt đẳng tích.
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008

3


1.1.2 Các thông số đặc trưng của chu trình
Tỷ số nén: ε = Va/Vc
Tỷ số áp suất : λ = Pz/Pc
Tỷ số giãn nở sớm: ρ = Vz/Vc
Tỷ số giãn nở sau: δ = Vb/Vz
Q + Q2 − Q3
;η t = 1 −
Hiệu suất nhiệt chu trình : η t = 1
Q1 + Q2

Q3
Q1 + Q2

Trong đó :
Q1 : Nhiệt lượng cung cấp đẳng tích ;
Q2 ; Nhiệt lượng cung cấp đẳng áp ;
Q3 : Nhiệt lượng thải đẳng tính ;
1.1.3 Các giả thiết khi nghiên cứu chu trình lý tưởng:
Chu trình lý tưởng nêu trên khi nghiên cứu có kèm theo các giả thuyết sau
đây :
- Chu trình diễn ra với một đơn vị khí lý tưởng; các quá trình xảy ra chỉ
làm môi chất thay đổi về trạng thái vật lý và thành phần hoá học và khối lượng
không thay đổi.
- Không có các quá trình cháy trong xy lanh động cơ, môi chất nhận
nhiệt là do tiếp xúc lý tưởng với nguồn nóng.
- Các quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt, sự chuyển động là không có

ma sát.
- Quá trình thải nhiệt là do môi chất tiếp xúc lý tưởng với nguồn lạnh mà
không phải là quá trình trao đổi khí.
- Nhiệt dung riêng của môi chất là hằng số.
- Nguồn nóng và nguồn lạnh là vô cùng lớn để quá trình truyền nhiệt là
ổn định.
Chu trình lý tưởng với các giả thuyết treên dđaây được lấy làm cơ sở lý
thuyết nghiên cứu cho động cơ đốt trong. Các yếu tố về khai thác, kết cấu, kiểu
loại động cơ… không ảnh hưởng đến chu trình. Sự thay đổi thể tích khi thực hiện
các quá trình nén và giãn nở là do piston chuyển động trong xy lanh thực hiện
nhưng thông số trên đồ thị là do thể tích (hoặc thể tích riêng) của môi chất.
1.2 Chu trình lý tưởng
Tuỳ theo lượng nhiệt cung cấp Q1, Q2 từ nguồn nóng, chu trình lý tưởng có
thể được chia thành chu trình cấp nhiệt đẳng tích, cấp nhiệt đẳng áp hay cấp nhiệt
hỗn hợp.
1.2.1 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích
Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích (hình1.2), trong đó nhiệt lượng Q1
(hoặc Qv) chỉ cấp theo chu trình trong quá trình đẳng tích c-z. Các động cơ đốt
trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích có quá trình cháy diễn

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



4


ra rất nhanh (gần như tức thời tại điểm z). Các động cơ xăng, động cơ ga thường
được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích.
Hình 1.2 thể hiện các quá trình công tác của chu trình lý tưởng cấp nhiệt

đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S. Trong chu trình này nhiệt lượng cung cấp trong
quy trình đẳng áp Q2 = 0. Trong đó ta có thể thấy: ε = δ và ρ = 1.

Hình 1.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng tích trên đồ thị P-V và T-S

1.2.2 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp
Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp (hình 1.3), trong đó nhiệt lượng Q2
(hoặc Qp) chỉ cấp cho chu trình trong qúa trình đẳng áp c-z. Các động cơ đốt
trong thực hiện theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp có quá trình cháy diễn
ra chậm hơn nhiều (sau điểm z). các động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng
không khí nén được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng cấp nhiệt
đẳng áp .

Hình 1.3: Chu trình lý tưởng cấp nhiệt đẳng áp trên đồ thị P-V và T-S

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



5


Xem hình 1.3 trong chu trình này, nhiệt lượng cung cấp trong qúa trình đẳng
tích Q1 = 0, nhiệt lượng cung cấp cho chu trình chỉ còn lại là Q2, khi đó λ = 1.
1.2.3 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp
Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp nhiệt lượng cung cấp trong các
qúa trình đẳng áp, đẳng tích đều tồn tại khác không: Q1K 0, Q2K 0. Chu trình lý
tưởng cấp nhiệt hỗn hợp (hình 1.4), trong đó nhiệt lượng Q1 (hoặc Qv) cấp cho
công chất trong qúa trình c-z1 còn nhiệt lượng Q2 (hoặc Qp) cấp cho công chất
trong qúa trình z1-z của chu trình. Động cơ diesel thông thường (cấp nhiên liệu

bằng bơm cao áp và vòi phun) được thiết kế hoạt động theo chu trình lý tưởng
cấp nhiệt hỗn hợp.

Hình 1.4 Chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp trên đồ thị P-V và T-S

1.3 Hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng
Hiệu suất chu trình lý tưởng: η t = Q1 + Q2 − Q3 = 1 −
Q1 + Q2

Q3
;
Q1 + Q2

Trong đó, Q1, Q2 là nhiệt cấp đẳng tích và đẳng áp, còn Q3 là nhiệt thải.
Mối liên hệ giữa các thông số tại các điểm đặc biệt của chu trình như điểm a,
c, z1, z, b theo thông số trạng thái ban đầu áp suất được tính toán như sau:
Điểm c:
k
k

Pc .Vc = Pa .Va ;

Pc = Pa .ε k ; Tc .Vck −1 = Ta .Vak −1 ; Tc = Ta .ε k −1 .
Điểm z1:

Pz1
Pc

= λ ; Pz1 = λ .Pc = λ .Pa .ε k ;

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

Tz1
Tc

=

Pz1
Pc

= λ ; Tz1 = λ .Tc = λ.Ta .ε k −1 .



6


Điểm z:

Pz = Pz1 = λ .Pc ; Pz = λ .Pa .ε k ;
Điểm b:

Pb .Vbk = Pz .V zk ; Pb = Pz .
Do đó:

Tb = Tz .

1

δ

k −i

1

δ

k

Tz
V
= z = ρ ; Tz = ρ .Tz1 = ρ .λ .Ta .ε k −1 .
Tz1 V z1
= Pa .λ .ε k .

1

δ

k

= Pa .λ .ρ k ; Tb .Vbk −1 = Tz .V zk −1 ;

= Ta .λ .ρ k

Mặt khác ta lại có:

Q1 = Cv .(Tz1 − Tc ) = Cv .(Ta .λ.ε k −1 − Ta .ε k −1 )
Q2 = C p .(Tz − Tz1 ) = C p .(Ta .ρ .λ .ε k −1 − Ta .λ .ε k −1 )
Q3 = C v .(Tb − Ta ) = C v .(Ta .ρ k .λ − Ta )

Thay vào công thức định nghĩa ηt , ta có:

ρ k .λ − 1
η t = 1 − k −1 .
(λ − 1) + k .λ .( ρ − 1)
ε
1

Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích: ρ =1, ε = δ ta có:

ηt = 1 −

1

ε k −1

Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp λ =1 ta có:

ρ k −1
η = 1 − k −1 .
k .( ρ − 1)
ε
1

1.4 So sánh hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng
Khi so sánh hiệu suất nhiệt của chu trình, người ta sử dụng đồ thị T-S và
trên đó lượng nhiệt cấp và thải đều được thể hiện bằng các phần tử diện tích của
đồ thị. Trên cơ sở công thức định nghĩa, hiệu suất nhiệt ηt sẽ thay đổi tùy thuộc
vào nhiệt lượng cung cấp cho chu trình (Q1+Q2) hoặc nhiệt lượng thải Q3.
1.4.1 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ

số nén ε và nhiệt lượng thải Q3 nhưng thực hiện theo các phương án cấp
nhiệt đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp:

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



7


T

zV
z
zp
c

b

a

1

2

S

Hình 1.5 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng

Với điều kiện cố định ε và Q3 ta thấy:

Khi giữ nguyên ε, các điểm a và c phải trùng nhau đối với cả ba chu trình.
Khi giữ nguyên Q3, ta thấy diện tích các hình biểu thị nhiệt thải với ba
phương án trên phải như nhau, có nghĩa là diện tích (1ab21) là chung cho cả ba
chu trình.
Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvb ; hỗn hợp acz1zb ; đẳng áp aczpb
lên cùng một đồ thị T-S như hình vẽ 1.5.
So sánh nhiệt lượng cấp, mà nhiệt lượng cấp này biểu thị bằng các diện tích
dưới các đường cong cấp nhiêt, ta thấy :
S(1czv21) > S(1cz1z21) > S(czp21)
Từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận:

η tv > η t > η tp
1.4.2 So sánh hiệu suất nhiệt chu trình lý tưởng khi giữ nguyên tỷ số nén ε và
nhiệt lượng cung cấp (Q1+Q2) nhưng thực hiện theo các phương án cấp nhiệt
đẳng tích, đẳng áp và hỗn hợp.
Với điều kiện giữ cố định ε và Q1+Q2 ta thấy:
Khi giữ nguyên ε, các điểm a và c trùng nhau đối với cả ba chu trình.
Khi giữ nguyên Q1+Q2, ta thấydiện tích các hình biểu thị nhiệt cấp với ba
phương trên phải như nhau, có nghĩa là:
S(1czv2v1) = S(cz1z21) = S(1czp2p1)
Như thế, các điểm 2v phải phân bố về phía trái, còn điểm 2p thì phân bố về
phía phải của điểm 2. Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích aczvbv; hỗn hợp
acz1zb; đẳng áp aczpbp lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.6.

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



8

Hình 1.6 So sánh hiệu suất nhiệt các chu trình lý tưởng

Từ đồ thị ta nhận thấy: S(1abv2v1) < S(1ab21) < S(1abp2p1)
Q3v < Q3 < Q3p
Hay là:
Do đó:
η tv > η t > η tp
1.4.3 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án
cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực
đại P max và nhiệt lượng thải Q3
Với điều kiện lượng nhiệt thải Q3 như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu
trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, chúng phải cùng chung nhau qúa trình thải
nhiệt đẳng tích b-a.
Với điều kiện áp suất cực đại Pmax như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba
chu trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, các điểm zv, z, zp phải cùng nằm trên một
đường p = const. Mặt khác, vì điểm b cùng chung cho cả ba chu trình nên các
điểm zv, z, zp phải trùng nhau.
Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzb; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp acpzb
lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.7.

Hình 1.7 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng

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



9

Các điểm c trong chu trình cấp nhiệt đẳng tích là cv, hỗn hợp c, đẳng áp là
cp, đồng thời các điểm đó phân bố từ trên xuống dưới là cp, c, cv. Nhiệt lượng thải
cho nguồn lạnh của cả ba chu trình là bằng nhau, do đó:
Sv(1ab21) = S(1ab21) = Sp(1ab21) =Q3
Nhiệt lượng cấp phân bố như sau: S(1cpz21) >S(1cz1z21) > S(1cvz21)
Do đó:
p
v

ηt > ηt > ηt

1.4.4 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng theo phương án
cấp nhiệt đắng tích, hỗn hợp và đẳng áp khi giữ nguyên áp suất cực đại Pmax và
nhiệt lượng cấp Q1+Q2

T
zp

z1

z

zv

cp
c
cV

bp

b

bv

a

1

2p

2

2v

S

Hình 1.8 So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng

Ghép ba chu trình cấp nhiệt đẳng tích acvzvbv; hỗn hợp acz1zb; đẳng áp
acpzpbp lên cùng một hệ tọa độ T-S như hình vẽ 1.8
Với điều kiện lượng nhiệt cấp Q2+Q3 như nhau cho nên khi biểu diễn cả
ba chu trình trên cùng một hệ tọa độ T -S, các diện tích dưới đường cong cấp
nhiệt biểu thị cho lượng nhiệt cấp của cả ba chu trình phải bằng nhau, tức là:
Sv(1cvzv2v) = S(1cz1z21) = Sp(1cpzp2p) =Q1+Q2
Với điều kiện áp suất cực đại Pmax như nhau cho nên khi biểu diễn cả ba chu
trình trên cùng một hệ tọa độ T-S, các điểm zv, z, zp phải cùng nằm trên một
đường p=const.
So sánh nhiệt lượng thải biểu thị bằng các diện tích tương ứng ta thấy:
Sp(1abp2p) < S(1ab2) Do đó, từ công thức tính hiệu suất nhiệt, ta có thể kết luận:

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



10


η tp > η t > η tv
Qua sự so sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng trên đây, chúng ta
nhận thấy rằng: Trong thực tế, nếu chế tạo các động cơ đốt trong có tỷ số nén ε
như nhau thì dù nhiệt lượng cấp khơng đổi hay nhiệt thải khơng đổi, hiệu suất
nhiệt của động cơ làm việc theo chu trình đẳng tích sẽ có hiệu suất cao hơn,
nhưng nếu các động cơ đốt trong có áp suất cháy cực đại Pmax như nhau thì những
động cơ làm việc theo chu trình đẳng áp lại có hiệu suất cao hơn cả. Trên quan
điểm chế tạo động cơ, người ta cần quan tâm đến áp suất cháy cực đại Pmax
(thể hiện ứng suất cơ), vì vậy nên chế tạo động cơ làm việc theo chu trình cấp
nhiệt đẳng áp, nhưng việc chế tạo và vận hành những động cơ này gặp khó khăn
(động cơ diesel cấp nhiên liệu bằng khí nén), cho nên những động cơ này thực tế
đã khơng được chế tạo mà thay vào đó, người ta chế tạo các động cơ diesel ngày
nay làm việc theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.
Câu hỏi ơn tập chương:
1. Phân tích sự thay đổi hiệu suất nhiệt trong các điều kiện:
- Thay đổi tỷ số nén
- Thay đổi góc phun sớm
3.Trình bày các chu trình lý tưởûng, đẳng áp, đẳng tích, hỗn hợp. So
sánh hiệu suất nhiệt của chúng khi :
- Cùng tỷ số nén và nhiệt lượng cấp
- Cùng áp suất cực đại và nhiệt lượïng cấp
4.So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình lý tưởng bằng đồ thò

trong các trường hợp sau:
- Cùng Q1+Q2 và ε
- Cùng Q3 và Tz
5.Các chu trình lý tưởng và hiệu suất nhiệt của chúng, vẽ đồ thò,
giải thích?

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



11


CHƯƠNG 2

CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG 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 không khí mới vào xy lanh động cơ. Chất
lượng của quá trình nạp và lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ có ảnh
hưởng rất nhiều đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu sau này. Thông
thường, khi đánh giá lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình
nạp, người ta sử dụng các thông 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 không khí nạp có
trong xy lanh ở đầu quá trình nén nhỏ hơn lượng không khí tính toán theo lý
thuyết, bởi vì trong quá trình nạp, lượng không khí nạp vào xy lanh còn chịu ảnh
hưởng của các yếu tố sau:
Sức cản thủy lực của đường ống không 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

không khí trong xy lanh động cơ khi bắt đầu quá trình nén (cuối quá trình nạp) sẽ
nhỏ hơn áp suất không khí nạp trước cửa nạp. Sự giảm áp suất do sức cản thủy lực
này sẽ làm cho mật độ không 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 không khí sẽ
giảm.
Sự sấy nóng không khí nạp do thành vách xy lanh, đỉnh piston, các xupáp
hay các cửa làm cho nhiệt độ không khí nạp tăng, trọng lượng riêng của nó giảm
xuống, làm giảm lượng không khí nạp thực tế vào xy lanh động cơ.
Ngoài ra trong thực tế, cuối quá trình xả chúng ta không thể làm sạch hoàn
toàn xy lanh công tác. Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xy lanh bao
giờ cũng còn sót lại một lượng khí cháy. Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm
một phần thể tích xy lanh công tác, làm giảm lượng không 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 còn sót lại trong xy lanh động cơ ở cuối
kỳ xả (kmol);
L: số lượng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp (kmol).
Do lượng khí sót trong xy lanh động cơ có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt cho
không 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 không khí nạp giảm xuống, làm giảm lượng không khí thực tế nạp vào
xy lanh động cơ.
Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng không khí thực tế nạp
vào xy lanh động cơ ở các giá trị Pa, Ta thực tế nhỏ hơn lượng không khí lý
thuyết tính toán theo các thông 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 không khí có trong xy lanh động cơ ở đầu
hành trình nén và lượng không khí có thể chứa trong thể tích công tác của xy
lanh động cơ, có thông số là thông số trạng thái của không khí trước cửa hút của
xy lanh.
Nếu kí hiệu ηn là hệ số nạp; Go (kg); Vo (m3); Lo (kmol) là lượng không khí
thực tế nạp vào thể tích Va của xy lanh công tác; Gs (kg); Vs (m3); Ls (kmol) là
lượng không khí có thể chứa trong thể tích Vs của xy lanh công tác có các thông
số của không 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
quá trình xả là sạch hoàn toàn thì khi đó ηn có thể lớn hơn 1.
Để lập công thức tính toán hệ số nạp, trước hết là môt số giả thiết sau:
Quá trình nạp kết thúc tại điểm a của đồ thị công chỉ thị.
Công 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 quá trình nén là như
nhau.
Số lượng không khí sạch và khí sót ở đầu quá trình nén được tính như sau:
Ma=L+Mr = L.(1+γr)
(2.3)
Trong đó, L: lượng không khí sạch (kmol); Mr: lượng khí sót còn sót lại
trong xy lanh của cuối quá 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 quá trình nén (m3); Po, To là áp suất và nhiệt độ không khí
nạp trước cửa nạp (kG/cm2, oK).
Từ công 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 công 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 công thức ηn ta có:
ηn =

ε

Pa .To
1
.
ε − 1 Po .Ta 1 + γ r
.

(2-4) số trước cửa
Trường hợp động cơ bốn kỳ tăng áp hay động cơ hai kỳ, thông
nạp là Ps, Ts. Khi đó công 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 toán quá 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 công 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 công 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 quá 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:
ta có:

εt =

Vc + Vs (1 − ψ s )
Vc

Vs =

(ε t − 1)Vc
1 −ψ s

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

ε=

Va Vc + Vs
=
Vc
Vc

Khi đó ta có công thức tổng quát 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 không tăng áp đều bằng không. Khi đó, công
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 công 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 thông 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 thông số trạng thái ở đầu quá 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 công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không 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 công 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. Còn 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.
Môi 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 không 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 không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm)
theo.
Do vậy, tỷ số

γa
thực tế thay đổi rất ít và hầu như không 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 không thay đổi. Tuy nhiên dù ηn không thay đổi nhưng do trọng lượng riêng
của không khí nạp thay đổi nên lượng không 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 môi trường To tăng
làm γo giảm và vì vậy số lượng không 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 công suất của động cơ.

Ngoài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ ẩm môi trường cũng có ảnh
hưởng đáng kể đến lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ.
Lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ khi không khí là không khí khô
có thể tính theo công thức: G1 = vs .γ 0 .ηn
Khi không khí nạp là không khí ẩm thì lượng không 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 không khí ẩm (kg hơi
nước/kg không khí khô)
Như vậy khi động cơ tăng, lượng không 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 ngoài
ảnh hưởng của môi trường còn chịu ảnh hưởng của quá trình nén trong máy nén
tăng áp và chế độ làmm mát không khí tăng áp. Điều này có nghĩa là Po, To và ϕ
là các thông số gián tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng không 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 không tăng áp: ηn =0,75 ÷ 0,85
Động cơ tăng áp:
ηn =0,8 ÷ 0,95
2.1.2 Xác định các thông số của quá 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 không 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 không 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 quét vòng:
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 không phải
đổi chiều, do đó nó có khả năng quét sạch các góc của xy lanh hơn động cơ hai
kỳ quét vòng nên giá trị γr của nó nhỏ.
Ngoài hai thông số phụ thuộc kết cấu trên, các thông số khác của quá trình
nạp đều là những thông số phụ thuộc trạng thái của khí nạp. Sau đây chúng ta sẽ
đi tìm phương pháp xác định các thông số này.
Áp suất và nhiệt độ điều khiển cuối quá trình nạp là hai thông số quan
trọng của quá trình trao đổi khí. Các thông số này có thể được xác định bằng tính
toán 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 quá trình nạp.
Mr: Là số lượng mol khí sót.
C vt : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của không 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 công của chất khí sinh ra trong quá trình nạp bằng không, 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, còn giá trị nhiệt độ
của khí sót phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và nằm trong khoảng 700 ÷ 800oK.
Công thức tính nhiệt độ cuối quá 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 không khí sau máy nén tăng áp có thể tính như sau:

⎛P
Tk = To ⎜⎜ k
⎝ Po

⎞
⎟⎟
⎠

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 không 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 không 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 quét vòng:
Pa = (0,96 ÷ 1,1)Po.
Ts' + γ r .Tr
Cuối cùng nếu thay: Ta =
vào công thức tính hệ số nạp ta sẽ có
1+ γ r
công 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 công 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 công tác, trạng thái của chất
khí không 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 không, 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 dòng 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 thông của xu páp hút (m); i: số xu páp hút trên một xy lanh.
Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp, trong công 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 không 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 không khí nạp.
Các giá trị áp suất và nhiệt độ khí sót ảnh hưởng không nhiều đến hệ số nạp
nhưng giá trị γr thì có ảnh hưởng lớn. Khi tăng γr làm cho nhiệt độ không khí
trong xy lanh ở cuối quá trình nạp tăng, mật độ không khí nạp giảm làm giảm
lượng không 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 toán 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 quá trình nạp và lượng không khí nạp.Việc lựa chọn các pha phân
phối khí một cách hợp lý sẽ làm tăng lượng không 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 dòng không khí
nạp, làm cho ηn giảm. Đặc biệt ở chế độ khai thác động cơ khi mà cả vòng quay
và phụ tải đều tăng thì ảnh hưởng đồng thời của cả hai yếu tố này đến hệ số
nạp và lượng không khí nạp là rất đáng kể. Khi đó lượng không 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 không 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 toán, quá 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 quá trình nén diễn ra không 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 rò lọt của không
khí nén qua xéc măng và các xu páp. Ở đầu quá trình nén, do nhiệt độ chất khí
còn 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 quá trình trao đổi nhiệt tức thời

bằng không. Quá trình đó là quá trình đoạn nhiệt tức thời, khi đó n1’ = k. Tiếp tục
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008



21


quá 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 hoãn 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 không tự bốc cháy
được.
Trong tính toán chu trình công tác, để đơn giản người ta lấy giá trị n1 bình
quân với điều kiện là công trong quá trình nén đa biến với n1’ thay đổi bằng công
trong quá trình nén đa biến với n1 không 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 công chi phí cho quá 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 vòng 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 không 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.
Ngoài 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 mòn 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 không khí nén sẽ tăng làm tăng lượng nhiệt mà
chất khí truyền cho thành vách xy lanh, đồng thời quá trình rò 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 quân của quá 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 công 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 thông 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 môi 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 rò 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 thông số đầu quá 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 quá trình hoà 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 toán chu trình công 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 quá trình
tính toán ta xem không khí trong xy lanh động cơ đầu quá trình nén là không khí
sạch hoàn toàn và quá trình nén không 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 =

C 1p
C v1

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

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



24


Biến đổi :

C P' + CV' − CV'
C P'
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 không khí là một giá trị biến đổi phụ thuộc vào
nhiệt độ. Tuy nhiên sự thay đổi của nó là không 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
toán.
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 toán vế phải
và vế trái của phương trình bằng nhau thì giá trị n1 ta vừa chọn là đúng. Còn
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 không làm mát piston:
n1 = 1,36 ÷ 1,38
Động cơ cao tốc:
n1 = 1,39 ÷ 1,42
2.3 Quá trình cháy
2.3.1 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu.
2.3.1.1. Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu.
Trong chu trình thực tế, thành phần và tính chất của công chất luôn luôn
thay đổi. Thành phần và tính chất của công chất có ảnh hưởng đến các thông số
của chu trình công tác và do đó đến tính kinh tế, an toàn 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 không 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