Tiểu luận Quá trình cháy động cơ xăng

TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ XĂNG.
1.1. SƠ LƯC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.
1860, J.J. E. Lenoir (1822-1900)(Pháp) đã chế tạo động cơ đốt trong đầu tiên
bằng sự đốt cháy khí đốt ở áp suất môi trường, không có sự nén hỗn hợp trước quá
trình cháy. Công suất lớn nhất đạt được khoảng 5 mã lực và hiệu suất cực đại
khoảng 5%.
1876, Nicolaus A. Otto (1832-1891) và Eugen Langen (1833-1895) tận dụng
sự gia tăng áp suất trong quá trình cháy, để cải tiến dòng khí nạp. Hiệu suất nhiệt
đạt được lên đến 11%. Sau đó, nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm kích thước
động cơ đốt trong, Otto đã gợi ý các chu trình (nạp, nén, cháy dãn nở và thải) cho 4
hành trình piston của động cơ đốt trong.
1884, Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) đã mô tả nguyên lý các chu
trình của ĐCĐT. Ông cũng đưa ra các điều kiện nhằm đạt hiệu suất cực đại của
động cơ đốt trong gồm:
Thể tích xy lanh tối đa ứng với bề mặt biên tối thiểu
Tốc độ làm việc lớn nhất có thể đạt
Tăng tỉ số nén tối đa
p suất tối đa kể từ lúc bắt đầu dãn nở
1886, Hãng Daimler – Maybach xuất xưởng động cơ xăng đầu tiên có công
suất 0,25 mã lực ở số vòng quay 600 vòng/phút.
1892, Rudolf Diesel (1858-1913) đã gợi ý một dạng động cơ đốt trong mới
bằng cách phun nhiên liệu lỏng vào trong không khí sấy nóng. Sau đó, hỗn hợp này
tự bắt cháy và có hiệu suất nhiệt khoảng 26%. Loại động cơ này được biết như
động cơ Diesel ngày nay.
1957, Động cơ đốt trong kiểu piston quay (Động cơ Wankel) được chế tạo
rất gọn nhẹ.
Từ đó đến nay, người ta liên tục cải tiến và phát triển từng bộ phận trong
động cơ đốt trong để loại thiết bò này ngày càng hoàn thiện và đạt năng suất cao
Cùng với sự phát triển của nền khoa học công nghệ và ngành công nghiệp

luyện kim, người ta đã cho ra đời nhiều loại độnng cơ có công suất rất lớn, hiệu
suất nhiệt cao và có tuổi thọ cao đáp ứng được nhu cầu của con người.
Ngày nay động cơ đốt trong kiểu piston sử dụng nhiên liệu chính là xăng và
diesel được dùng rộng rải trong đời sống, nó là nguồn lực không thể thiếu trong
ngành công nghiệp vận tải như ngành hàng hải, hàng không đặc biệt ngành giao
thông đường bộ và một số động cơ tónh tại có công suất lơn trong các khu công
nghiệp, động cơ đốt trong sử dụng xăng có tốc độ cao, công suất lớn, làm việc êm ,
giá thành nhiên liệu cao nên được dùng trên các xe du lòch nhỏ, xe có tốc độ cao,…
đối với động cơ diesel số vòng thấp, công suất lớn, giá thành nhiên liệu thấp
nhưng làm việc có tiếng ồn lớn, cân bằng động khó nên được dùng các xe tải lớn,
xe ôtô buyt và một số động cơ tónh tại.

Trang: 1


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

1.2. Đònh nghóa và các khái niệm cơ bản trên động cơ đốt trong
1.2.1. Điểm chết
Điểm chết là vò trí mà piston không còn khả năng chuyển động và kết thúc
một hành trình trong xylanh. Tại vò trí này vận tốc của piston bằng không (piston
đổi chiều chuyển động được nhờ vào năng lượng của bánh đà), Piston kết thúc một
hành trình công tác trong xylanh thì có hai điểm chết.
Điểm chết trên (ĐCT): là vò trí piston nằm xa tâm trục khuỷu nhất.
Điểm chết dưới (ĐCD): là vò trí piston nằm gần tâm trục khuỷu nhất.
1.2.2. Hành trình của piston (S)
Hành trình của piston là khoảng cách dòch chuyển của piston giữa hai điểm
chết, ký hòệu là S.
S = 2.R

(1.1)

Với R là bán kính quay của trục khuỷu.

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong.
a) Piston ở điểm chết trên; b) Piston ở điểm chết dưới.
1.2.3. Thể tích công tác (Vh)
Thể tích công tác là khoảng cách được giới hạn hai điểm chết, ký hiệu là V h.
Đối với động cơ 1 xylanh thì thể tích công tác được tính như sau:
(1.2)
Đối với động cơ có i xylanh thì

Vh∑ = Vh.i
Trang: 2


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Trong đó:

D – đường kính của xylanh.
S – hành trình của piston.
i – số xylanh của động cơ.

1.2.4. Thể tích buồng cháy (Vc )
Thể tích buồng cháy là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi
đỉnh piston ở điểm chết trên và nắp xylanh, ký hiệu là Vc.
Vc = Va + Vh

(1.3_)

1.2.5. Thể tích toàn bộ (Va )
Thể tích toàn bộ là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh
piston ở điểm chết dưới và nắp xylanh, ký hiệu là Va.

1.2.6. Tỉ số nén (ε)n
Tỷ số nén là tỉ số giữa thể tích toàn bộ và thể tích buồng cháy của động cơ.
ε=

Va Vc + Vh
V
=
= 1+ h
Vc
Vc
Vc

1.2.7. Kỳ (thì)
Kỳ (hay thì) là hành trình thực hiện được của piston giữa hai điểm chết.
Khi động cơ hoạt động, trong xylanh phải diễn ra tuần tự các quá trình: nạp,
nén, cháy giãn nở và thải tạo nên chu trình công tác (làm việc) của động cơ đốt
trong.
Nếu chu trình công tác của động cơ được hoàn thành trong bốn hành trình
của piston, có nghóa là sau hai vòng quay của trục khuỷu thì động cơ đó gọi là động
cơ bốn kỳ. Nếu động cơ hoàn thành một chu trình công tác chỉ trong hai hành trình
của piston, tương ứng với một vòng quay của trục khuỷu thì động cơ đó gọi là động
cơ hai kỳ.
1.2.8. Chu trình công tác (chu trình làm việc)
Chu trình công tác là tập hợp toàn bộ các quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở
và thải được diễn ra trong xylanh lập đi lập lại có tính chu kỳ được gọi là chu trình

công tác hay chu trình làm việc của động cơ đốt trong.
1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ
Đối với động cơ 4 kỳ, để hoàn thành một chu trình công tác piston động cơ
phải thực hiện 4 hành trình tương ứng với các quá trình diễn ra trong xylanh gồm:
nạp, nén, cháy giãn nở và thải. Trong đó công có ích chỉ do quá trình cháy giãn nở
sinh ra.

Trang: 3


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Do các quá trình diễn ra lập đi lập lại có tính chu kỳ nên khi khảo sát
nguyên lý làm việc ta chỉ khảo sát một chu trình công tác trong toàn bộ quá trình
làm việc của động cơ.
Trong một chu trình công tác của động cơ 4 kỳ được thực hiện như sau:
1.3.1. Kỳ một (quá trình nạp)
Là quá trình nạp môi chất mới vào trong lòng xylanh động cơ (hoà khí đối
với động cơ xăng)
Vào đầu kỳ một, piston từ điểm chết trên. Toàn bộ thể tích buồng cháy V c là
sản vật cháy do hành trình trước để lại với áp suất cao hơn áp suất khí trời, áp suất
này còn gọi là áp suất khí sót. Khi trục khuỷu quay theo chiều mũi tên, thông qua
thanh truyền, piston bắt đầu dòch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, cơ cấu phân phối khí
điều khiển suppap thải đóng, suppap nạp mở thông đường ống nạp với không gian
trong xylanh.
Khi piston chuyển động từ ĐCT đi xuống, tạo độ chân không trong xylanh
làm cho áp suất trong lòng xylanh nhỏ hơn áp suất trên đường ống nạp. Mức độ
chênh lệch áp suất này khoảng 0,01 – 0,03 MPa, môi chất mới (hòa khí) từ đường
ống nạp được hút vào xylanh cho đến khi piston tới ĐCD (hình 1.4a).
1.3.2. Kỳ hai (quá trình nén)

Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT, cơ cấu phân phối khí điều khiển làm cho
suppap nạp đóng lại, môi chất được nén trong xylanh. Vào cuối quá trình nạp, khi
piston ở vò trí ĐCD áp suất trong xylanh p a còn nhỏ hơn áp suất trên đường ống nạp
pk. Tận dụng điều này, để hoàn thiện quá trình nạp, cơ cấu phân phối khí điều
khiển supap nạp đóng muộn sau khi piston qua khỏi ĐCD. Việc đóng muộn supap
nạp như trên có tác dụng nạp môi chất mới vào xylanh đầy hơn, điều này có được
là do tác dụng của động năng, chênh lệch áp suất và theo quán tính của dòng môi
chất đi vào.
Sau khi suppap nạp đóng, piston chuyển động lên phía ĐCT làm cho áp suất
và nhiệt độ môi chất trong xylanh tăng dần. Giá trò áp suất cuối quá trình nén phụ
thuộc vào: tỉ số nén ε, độ kín khít của các chi tiết trong động cơ, mức độ tản nhiệt
của thành xylanh và áp suất của môi chất đầu quá trình nén (hình 1.4b).
Để tạo điều kiện tốt cho môi chất cháy một cách kòp thời và nhiệt lượng sinh
ra được tận dụng triệt để thì việc đốt cháy hỗn hợp phải được thực hiện trước khi
piston tới ĐCT. Cụ thể, đối với động cơ xăng bougie phải tạo ra tia lửa trước khi
piston đến ĐCT.
1.3.3. Kỳ ba (quá trình cháy – giản nở)
Vào kỳ ba môi chất bò nén trong xylanh ở cuối kỳ nén được bốc cháy với tốc
độ rất nhanh. Tốc độ gia tăng áp suất và nhiệt độ của môi chất rất cao, tạo áp lực
sinh công đẩy piston dòch chuyển về phía ĐCD thực hiện quá trình giãn nở môi
Trang: 4


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

chất trong xylanh. Chính vì vậy kỳ ba còn gọi là kỳ sinh công, trong quá trình này
cả hai suppap đều đóng (hình 1.4c).
1

2

3

4

a
b
c
d
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ Diesel bốn kỳ
a) quá trình nạp ; b) quá trình nén ;c) quá trình cháy giản nở ;d) quá trình thải.
1 – supap nạp;
2 – supap thải;
3 – piston; 4 – vòi phun.
1.3.4. Kỳ bốn (quá trình thải)
Piston dòch chuyển từ ĐCD lên ĐCT đẩy sản vật cháy ra khỏi xylanh động
cơ qua suppap thải đang mở. Do áp suất môi chất trong xylanh vào cuối kỳ cháy
giãn nở còn khá cao nên supáp xả phải mở sớm trước khi piston xuống đến ĐCD
khoảng 40 ÷ 60o tương ứng với góc quay trục khuỷu. Nhờ đó kiện sản vật cháy
được thải sạch ra khỏi xylanh động cơ.
Khi kỳ bốn kết thúc thì động cơ đã thực hiện được một chu trình công tác,
tiếp theo nhờ quán tính quay của bánh đà giúp động cơ thực hiện chu trình công tác
tiếp theo. Chính vì vậy mà động cơ có thể làm việc được liên tục.
1.4. Các thông số đánh giá tính năng kinh tế – kỹ thuật của động cơ kiểu piston
1.4.1. Thông số chỉ thò
1.4.1.1. Áp suất chỉ thò trung bình Pi
Áp suất chỉ thò trung bình của chu trình công tác là công chỉ thò của một đơn
vò thể tích công tác của xylanh trong một chu trình.
Pi =

Trong đó:

Li
3
2
Vh , (J/m hoặc N/m )

(1.1)

Li – công chỉ thò của chu trình (J hoặc N.m)
Vh – thể tích công tác của xylanh (m³)

Trong thời gian hoạt động, ngoài áp suất P của môi chất trong xylanh còn có
áp suất khí thể dưới cacte cũng luôn luôn tác dụng lên piston theo hướng ngược
chiều so với P. Phần lớn các động cơ, cacte đều được nối thông với khí trời hoặc
với đường nạp qua hệ thống thông gió cacte, vì vậy có thể coi áp suất khí thể trong
cacte bằng áp suất khí trời po.
Trang: 5


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Như vậy khi piston chuyển động trong xylanh, hợp lực khí thể Pkt tác dụng
đẩy piston trong xylanh sẽ là:
Fkt = (P − p o ).

Trong đó:

πD 2
4

(1.2)

D – đường kính xylanh (m)

Hợp lực khí thể Pkt đẩy piston chuyển dòch một vi lượng hành trình dS, sẽ tạo
ra vi lượng công dLi theo biểu thức:
πD 2
dL i = Fkt .dS = (P − p o ).
dS = (P − p o )dV (1.3)
4

Tích phân biểu thức (1.3) theo một chu trình sẽ tìm được công chỉ thò của chu
trình Li:
Li =

∫ dL

i

=

chutrình

∫ (P − p

chutrình

o

)dV

(1.4)

Thay (1.4) vào (1.1) sẽ được:
Pi =

1
Vh

∫ (P − p

o

chu − trình

)dV

(1.5)

Muốn xác đònh Pi theo (1.5) cần biết hàm (P – p0) = f(V). Đó chính là đồ thò
công của động cơ 4 kỳ hoặc động cơ 2 kỳ mà trục hoành là đường vuông góc với
trục tung đi qua giá trò po.

c)

a)

b)
d)

Hình 1.14. Đồ thò công P – V của chu trình thực tế.
a) Động cơ bốn kỳ; b) Động cơ hai kỳ;
c) Đồ thò quá trình nạp thải của động cơ bốn kỳ không tăngáp;
d) Đồ thò quá trình nạp thải của động cơ bốn kỳ tăng áp.

Tích phân chu trình trong biểu thức (1.5) là tổng tích phân của các quá trình
tạo nên chu trình đó. Vì vậy đối với động cơ bốn kỳ, ta có:

Trang: 6


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY
Pi =


1 
. ∫ (P − p o )dV + ∫ ( P − p o )dV +
(
P
−
p
)
dV
+
(
P
−
p
)

dV
 (1.6)
o
o
∫
∫
Vh  hut
nen
chay − gianno
xa


Đối với động cơ hai kỳ:
Pi =


1 
. ∫ (P − p o )dV +
(
P
−
p
)
dV

o
∫
Vh  nen
chay − gianno


(1.7)

Giá trò của các số hạng trong các biểu thức (1.6) và (1.7) thể hiện qua diện
tích trên đồ thò công P – V, giữa đường áp suất (P) của các quá trình và đường áp
suất khí trời po, còn dấu của mỗi số hạng lại phụ thuộc vào dấu của hai thừa số (P –
po) và dV trong số hạng đó. Nếu hai thừa số trên cùng dấu thì tích phân sẽ có dấu
(+), ngược lại khác dấu, tích phân sẽ có dấu (–); (P – p o) > 0 nếu P > p o và ngược
lại, còn dV > 0 nếu thể tích xylanh tăng và ngược lại.
Mỗi tích phân trong biểu thức (1.6) và (1.7) xác đònh số lượng công của mỗi
kỳ (hút, nén, cháy – giãn nở và xả).
Do:

∫ p dV = ∫ − p dV
o

hut

o

xa

và

∫ p dV = ∫ − p dV , nên (1.6) và (1.7) được viết

o
chay − gianno

o

nen

thành:

và

Pi =

1
Vh



PdV
+
PdV
 ∫ PdV + ∫ PdV +
∫
∫ 
 hut
nen
chay − gianno
xa


(1.8)

Pi =

1
Vh



PdV
 ∫ PdV +
∫ 
 nen
chay − gianno 


(1.9)

Đồ thò công P = f(V) hoặc P = f(ϕ) (trong đó ϕ là góc quay trục khuỷu) là do
thiết bò xác đònh đồ thò vẽ ra khi động cơ đang hoạt động. Tung độ của đồ thò phản
ánh các giá trò của áp suất trong xylanh, còn hoành độ của đồ thò là vò trí của đỉnh
piston hoặc vò trí bán kính quay của trục khuỷu phản ánh thể tích của xylanh hoặc
góc quay trục khuỷu ϕ.
Thực hiện tích phân đồ thò dựa theo đồ thò công và dựa theo các tích phân
trong móc vuông của các biểu thức (1.6), (1.8) hoặc (1.7), (1.9) sẽ xác đònh đựơc
diện tích f, thể hiện công chỉ thò của chu trình công tác:
f = Σf(+) – Σf(–)

(1.10)

Trong đó: f(+) – diện tích công dương của chu trình, chiều diễn biến thuận
chiều kim đồng hồ.
f(–) – diện tích công âm của chu trình, chiều diễn biến ngược
chiều kim đồng hồ.

Nếu tỷ lệ xích tung độ (áp suất) là: m p và tỷ lệ xích hoành độ (thể tích V) là
mv thì công chỉ thò Li của chu trình sẽ là:
Li = f.mp.mv, (MN.m)
Trang: 7


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Thể tích công tác Vh được xác đònh bằng l mm trên đồ thò với tỷ lệ xích m v
(m /mm).
3

Vh = l.mv (m3

Do đó:

f
l

Vì vậy, theo (1.6), (1.8) hoặc (1.7), (1.9) sẽ được: Pi = m p (1.11)
Nếu gọi h =

f
(mm) là chiều cao trung bình của đồ thò công, thì từ (9.11) có
l

thể đònh nghóa về Pi như sau: áp suất chỉ thò trung bình Pi là chiều cao trung bình
của đồ thò công (P –V) nhân với tỷ lệ xích tung độ của đồ thò. Biểu thức (1.11) chỉ
rõ phương pháp xác đònh Pi nhờ đồ thò công.
Diện tích đồ thò công của động cơ bốn kỳ gồm 2 phần:

-

Phần diện tích của kỳ nén và kỳ cháy – giãn nở.

-

Phần diện tích của kỳ hút và kỳ xả.

Phần thứ nhất là phần chính, tạo nên công dương của môi chất. Phần thứ hai
là phần phụ, được gọi là hành trình “bơm” của piston vì chức năng của phần này là
chức năng của một bơm piston, làm nhiệm vụ thay đổi môi chất của chu trình.
Công của môi chất ở phần hai có thể “âm” (động cơ không tăng áp hoặc tăng áp
thấp) hoặc “dương” (với động cơ tăng áp cao).
Nhìn chung, công của hành trình bơm thường không lớn (trừ trường hợp tăng
áp cao) và rất khó xác đònh theo đồ thò công vì đường nạp và đường xả trên đồ thò
gần như trùng nhau. Muốn xác đònh phần công “bơm” của đồ thò, ngoài đồ thò công
kể trên, người ta phải xác đònh đồ thò công của các hành trình “bơm” với tỷ lệ xích
tung độ lớn hơn, làm cho công việc thực nghiệm trở nên phức tạp hơn. Vì vậy khi
xác đònh áp suất chỉ thò trung bình Pi người ta thường bỏ qua phần công này, coi nó
là một phần trong các tổn thất cơ giới của động cơ.
Dựa trên nguyên tắc ấy, có thể lược bỏ các tích phân của các kỳ hút và xả
của động cơ 4 kỳ (1.6) và (1.8). Kết quả sẽ
làm cho biểu thức xác đònh Pi của động cơ bốn
kỳ và động cơ hai kỳ có chung một dạng sau:
Pi =


1 
. ∫ PdV +
PdV

∫ 
Vh  nen
chay −gianno 
Pi

(1.12)

Tích phân thứ nhất trong ngoặc có giá
trò âm vì P và dV khác dấu (P > 0 và dV < 0)
còn tích phân thứ hai luôn luôn dương vì P và
dV cùng dấu (P > 0 và dV > 0).

Hình 1.15. Áp suất chỉ thò
trung bình Pi mô tả trên

đồ thò.

Trang: 8


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Nếu gọi Pct (P2) là áp suất trung bình theo thể tích của kỳ cháy – giãn nở và
Pn (P1) là áp suất trung bình theo thể tích của kỳ nén, ta sẽ có:
1
.
PdV = Pct = P2
Vh chay−∫gianno

Và

(1.13)

1
. ∫ PdV = − Pn = − P1
Vh nen

(1.14)

Thay (9.13) và (9.14) vào (9.12), ta được:
Pi = Pct – Pn = P2 – P1

(1.15)

Biểu thức (1.15) cho ta một đònh nghóa thứ ba về áp suất chỉ thò trung bình P i
là hiệu số giữa các áp suất trung bình theo thể tích của kỳ cháy – giãn nở P 2 và kỳ
nén P1.
Các động cơ hiện nay giá trò Pi nằm trong giới hạn sau:
-

Động cơ không tăng áp: Pi = 0,7 ÷ 1,2 MPa

-

Động cơ tăng áp có thể đạt Pi = 3 MPa hoặc lớn hơn.

1.4.1.2. Công suất chỉ thò Ni
Công do môi chất trong xylanh tạo ra trong mỗi chu trình được xác đònh qua
đồ thò quan hệ giữa áp suất và thể tích (P – V), vì thế đồ thò P – V được gọi là đồ
thò công và công đó được gọi là công chỉ thò của chu trình L i, xác đònh qua biểu thức

sau:
Li = Pi.Vh

(1.16)

Gọi i là số xylanh của động cơ, công suất chỉ thò N i của động cơ sẽ tính được
như sau:
N i = m.i.L i =

Trong đó:
một chu trình).

2n
.i.L i
τ

(1.17)

n – là số vòng quay của trục khuỷu trong 1 giây (vòng/s).
τ – là số kỳ của một chu trình (số hành trình của piston trong
m – số chu trình trong 1 giây của 1 xylanh.

Nếu các xylanh động cơ có thể tích công tác V h khác nhau (động cơ chữ V có
thanh truyền phụ hoặc động cơ tác dụng kép) sẽ có công suất chỉ thò Ni là:
Ni =

2n
(L i .i1 + L i .i 2 + ...)
τ

(1.18)

Thay (9.16) vào (9.18), ta sẽ được:

Trang: 9


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY
Ni =

2
Pi .n (Vh .i1 + Vh .i 2 + ...)
τ

Nếu đặt:

Vh

= ∑ Vhk .i k

(1.20)

Sẽ được:

Ni =

2
Pi .VhΣ .n
τ

(1.21)

n

∑

k =1

(1.19)

Trong trường hợp thể tích Vh của các xylanh đều như nhau thì:
VhΣ = i.Vh

(1.22)
2
τ

Do đó: (1.21) có dạng: N i = Pi .Vh .i.n
Nếu trong các biểu thức (1.21) và (1.22): Pi tính bằng MPa (MN/m²), Vh tính
bằng lít (l), n tính bằng vòng/phút, còn công suất N i tính bằng kW, sẽ được
biểu thức sau:
Ni =
Ni =

Pi .VhΣ .n
30τ

Pi Vh .i.n
30τ

1.23)
(1.24)

Trong đó: n – số vòng quay trục khuỷu (vòng/phút).
Vh , VhΣ – thể tích công tác của một xylanh và của cả động cơ (lít).

i – số xylanh của động cơ.
Pi – áp suất chỉ thò trung bình (MPa).
τ – số kỳ của động cơ, động cơ 4 kỳ τ = 4, động cơ 2 kỳ τ = 2.
14.1.3. Hiệu suất chỉ thò ηi
Tính kinh tế của chu trình thực tế được thể hiện qua hai thông số: hiệu suất
chỉ thò ηi và suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thò gi.
Hiệu suất chỉ thò là tỷ số giữa phần nhiệt lượng được chuyển thành công chỉ
thò với nhiệt lượng cấp cho động cơ do nhiên liệu đốt cháy trong xylem tạo ra trong
một thời gian.
ηi =

Trong đó:

Ni
G nl .Q tk

(1.25)

Gnl – lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây (kg/s).
Qtk – nhiệt trò thấp của 1 kg nhiên liệu (J/kg).

1.4.1.4. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thò gi
Là lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây ứng với 1 đơn vò công suất chỉ thò.

Trang: 10


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY
gi =

Trong đó:

G nl
(kg/W.s)
Ni

(1.26)

Ni – công suất chỉ thò (W).

1.4.2. Các thông số có ích
1.4.2.1. Công suất có ích Ne
Công suất có ích của động cơ được phát ra tại đuôi trục khuỷu để từ đó
truyền năng lượng tới máy công tác. Công suất có ích N e nhỏ hơn công suất chỉ thò
Ni. Hiệu của chúng là công suất tổn hao cơ giới Nm dùng để khắc phục mọi lực cản
trong nội bộ động cơ khi máy hoạt động. Mối quan hệ giữa Ne, Ni và Nm như sau:
Ne = Ni – Nm (kW)

(1.28)

Tỷ số giữa Ne và Ni được gọi là hiệu suất cơ giới ηm, thể hiện số phần năng
lượng trong công suất chỉ thò Ni được chuyển thành công có ích Ne:
ηm =

hạn:

Ne
Ni

(1.29)

Hiệu suất cơ giới ηm của các loại động cơ đốt trong hiện nay nằm trong giới
ηm = 0,63 ÷ 0,93
Gọi Pe là áp suất có ích trung bình, thì giữa Pe và Pi có mối liên hệ sau:
Pe = Pi.ηm
Từ (9.29) ta được: N e = η m .N i =

(1.30)
Pe .Vh .i.n
(kW )
30τ

(1.31)

Công suất có ích Ne phụ thuộc vào tải (Pe) và tốc độ (n) của động cơ. Tốc độ
n của động cơ không được vượt quá giá trò quy đònh cho từng động cơ để tránh ảnh
hưởng xấu tới sức bền, độ tin cậy và tuổi thọ các chi tiết của động cơ. Số vòng
quay quy đònh nqđ (vòng/phút), được chọn theo điều kiện sử dụng và hiệu suất động
cơ. Khi hoạt động, động cơ có thể chạy ở các tốc độ trong phạm vi từ n min đến nqđ
tuỳ thuộc vào vò trí của cơ cấu điều khiển.
Ở số vòng quay quy đònh công suất có ích N e của động cơ có thể thay đổi từ
Ne = 0 đến Neqđ. Công suất quy đònh Neqđ phụ thuộc vào điều kiện sử dụng.
Tỷ số giữa công suất của động cơ so với công suất quy đònh (được chọn là
100%) được gọi là công suất tương đối và được tính theo phần trăm của công suất

quy đònh. Nếu công suất tương đối vượt quá 100% thì chế độ làm việc ấy được gọi
là chế độ quá tải. Thông thường chế độ quá tải không được vượt quá 110% (tức
phần quá tải không quá 10%). Nếu sử dụng lâu dài ở tải lớn thì càng không được
phép quá tải.
1.4.2.2. Mômen có ích Me
Trang: 11


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Mômen Me ở đầu ra của trục khuỷu động cơ được xác đònh trên băng thử.
Giữa mômen Me và công suất có ích Me có mối liên hệ sau :
Me =

Trong đó:

N e N e .60
N
=
≈ 9.55 e ( N.m)
ω
2πn
n

(1.32)

Ne – công suất có ích (W).
n – số vòng quay động cơ (vòng/phút).

1.4.2.3. Hiệu suất có ích ηe và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge

Hiệu suất có ích ηe là tỷ số giữa nhiệt lượng chuyển thành công có ích chia
cho nhiệt lượng cấp cho động cơ, do nhiên liệu đốt cháy bên trong xylanh tạo ra,
hai loại nhiệt lượng trên cần được xác đònh trong cùng một khoảng thời gian.
ηe =

Trong đó:

Ne
G nl .Q tk

(1.33)

Gnl – lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giây (kg/s).
Qtk – nhiệt trò thấp của 1 kg nhiên liệu (J/kg).

Trong thực tế thí nghiệm động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu (G nl) thường đo
bằng số kilôgam trong 1 giờ và công suất theo kilôóat (kW). Do đó, suất tiêu hao
nhiên liệu thường xác đònh theo gam:
ge =

G nl 3
10 (g / kW.h )
Ne

(1.34)

1.4.3. Công suất lít của động cơ
Công suất lít NL là tỷ số giữa công suất quy đònh và tổng thể tích công tác
N

e
(VhΣ = Vh.i) của động cơ: N L = V .i (kW/l).
h

Thay (1.31) vào biểu thức trên ta được: N L =

Pe n
(kW/l)
30.τ

Thông số NL và Pe phản ánh công suất và momen quy về 1 lít thể tích công
tác của động cơ. Trong đó Pe phản ánh mức độ cường hoá về tải (lượng nhiên liệu
cấp cho chu trình) còn NL phản ánh mức độ cường hoá cả về tải và về tốc độ n của
động cơ.
Các trò số ηi, ηe, gi và ge của các loại động cơ hiện nay làm việc ở chế độ
đònh mức được thể hiện trên bên dưới.
Các chỉ tiêu kinh tế các loại động cơ
Loại động cơ

ηi

ηe

gi (g/kW.h) ge (g/kW.h)

Động cơ xăng

0,28 ÷ 0,39 0,25 ÷ 0,33

245 ÷ 300

300 ÷ 325

Động cơ Diesel cao tốc

0,42 ÷ 0,55 0,35 ÷ 0,40

175 ÷ 205

217 ÷ 238
Trang: 12


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Động cơ gas

0,28 ÷ 0,38 0,23 ÷ 0,28

--

--

1.4.4. Xác đònh đường kính xylanh, hành trình piston và thể tích công tác trên
động cơ
1.4.4.1. Thể tích công tác
Thể tích công tác của động cơ được xác đònh qua biểu thức:
Vh =

30.N e .τ

(m3)
Pe .i.n

(1.35)

Trong đó: Ne – công suất có ích của động cơ (kW).
τ – số kỳ của động cơ, động cơ 2 kỳ τ = 2 và động cơ 4 kỳ τ = 4.
Pe – áp suất có ích trung bình (MPa).
i – số xylanh của động cơ.
n – tốc độ động cơ (vòng/phút).
1.4.4.2. Đường kính xylanh
D=

Trong đó:

3

4.Vh
S
π. 
D

(1-36)

D – đường kính của xylanh động cơ.
S – hành trình của piston (m).
Tỷ số S/D được xác đònh tuỳ theo loại động cơ.
Loại động cơ

S/D

Động cơ xăng chữ V

0,75 ÷ 1,10

Động cơ xăng thẳng hàng

0,85 ÷ 1,20

Động cơ Diesel chữ V

0,90 ÷ 1,40

Động cơ Diesel thẳng hàng

1,00 ÷ 1,45

1.4.4.3. Hành trình của piston
Hành trình của piston được xác đònh qua biểu thức:
S=

4.Vh
π.D 2

(1.37)

Trang: 13


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ xăng bốn kỳ
a) quá trình nạp ; b) quá trình nén ; c) quá trình cháy – giản nở ; d) quá trình thải.
1.5 Nhiên liệu sử dụng cho động cơ xăng.

Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động cơ đốt trong thường là sản phẩm chưng cất
từ dầu mỏ vì loại này có trữ lượng lớn, nhiệt trò lớn, ít tro, dễ vận chuyển và bảo
quản. Nó là hỗn hợp của nhiều carbua hydro có kết cấu phân tử khác nhau, nó
quyết đònh tính chất lý hóa cơ bản của nhiên liệu và ảnh hưởng rất nhiều tới quá
trình bay hơi và cháy của nhiên liệu. Ngày nay người ta đã tìm ra được một số
nhiên liệu thay thế loại nhiên liệu truyền thống, có tính năng là ít ô nhiểm môi
trường,
Thành phần chủ yếu của dầu mỏ là: Paraphin Cn H 2 n + 2 , hydrocacbon vòng
(xycloankan) (Cn H2 n ) và carbua thơm (aren) C n H 2n − 6 và Cn H 2 n −12 . Ngoài ra trong
dầu mỏ còn chứa rất ít các chất olephin (anken) C nH2n, diolephin (ankandien)CnH2n-2
và acetylen (ankyn) CnH2n-2.
Kết cấu phân tử mạch vòng rất bền vững nên có tính chống kích nổ cao. Vì
vậy trong xăng dùng cho động cơ đốt cháy cưỡng bức thì tốt nhất là thành phần của
nó chứa nhiều CH mạch vòng hay mạch nhánh như benzen, iso-butan hoặc isooctane. Ngược lại đối với nhiên liêu có kết cấu mạch thẳng không bền vững (tự
đứt) nên dễ cháy dùng cho động cơ diesel như butan, octane.
Các loại nhiên liệu lỏng lấy từ dầu mỏ đều có các nguyên tố chính sau: C, H 2
và O2, đôi khi cũng còn một hàm lượng nhỏ S và N 2. Nếu bỏ qua hàm lượng nhỏ
của S và N2 thì thành phần khối lượng c, h, o nl của các nguyên tố C, H, O trong
nhiên liệu được viết như sau:

c + h + onl = 1kg

(1-1)

1.5.1.. Tính chất của nhiên liệu:

a) Nhiệt trò của nhiên liệu: là nhiệt lương sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn một
đơn vò nhiên liệu (1kg hoặc 1m3) ở điều kiện chuẩn (p=760mmHg và t=0 oC). Có
hai loại nhiệt trò:
_ Nhiệt trò cao Q0: là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy một đơn vò nhiên liệu có
tính đến sự ngương tụ của hơi nước chứa trong sản vật cháy khi ta làm lạnh nó đến
nhiệt độ ban đầu
Trang: 14


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

_ Nhiệt trò thấp QH: là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1 đơn vò nhiên liệu khi
không có tính đến sự ngưng tụ của hơi nước
Đối với động cơ đốt trong do khí thải có nhiệt độ rất cao, do đó hơi nước trong
khí thải chưa kòp ngưng tụ đã bò thải mất, nên khi tính chu trình công tác của động
cơ, nên người ta dùng nhiệt trò thấp.
b) Tính bay hơi của nhiên liệu: có ý nghóa rất lớn đối với động cơ nhất là động
cơ xăng có sự hình thành hòa khí từ bên ngoài. Tính bay hơi của nhiên liệu phụ
thuộc vào thành phần chưng cất của nhiên liệu và được xác đònh trong 1 thiết bò
đặc biệt bằng cách đốt nóng nhiên liệu và tách dần những chất chưng cất, sôi trong
1 phạm vi nhiệt độ nhất đònh
c) Nhiệt độ tự bốc cháy: là nhiệt độ thấp nhất mà hòa khí tự bốc cháy được
không cần nguồn lửa bên ngoài. Nhiệt độ tự bốc cháy phụ thuộc vào loại nhiên
liệu và thông thường giảm khi tăng trọng lượng phân tử của nhiên liệu. Đó là 1
trong những nguyên nhân khiến người ta dùng nhiên liệu nặng trong động cơ
diesel, còn đối với động cơ xăng thì ngược lại, nhiên liệu yêu cầu là phải có nhiệt
độ tự bốc cháy lớn.
Trên thực tế, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ tự bốc cháy, vì vậy để
đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu dùng cho các loại động cơ khác nhau, người ta
không dùng nhiệt độ tự bốc cháy. Đối với động cơ diesel, dùng tính tự cháy của

nhiên liệu, còn đối với động cơ xăng dùng tính chống kích nổ của nhiên liệu làm
chỉ tiêu đánh giá chất lượng cháy.
1.5.2. Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng
a) Tỉ số nén có lợi nhất εcl: là ε lớn nhất cho phép về mặt kích nổ. Việc xác
đònh ε có lợi nhất được tiến hành trong 1 động cơ thí nghiệm đặc biệt có thể thay
đổi ε 1 cách tùy ý. Khi thực hiện người ta tăng ε dần dần cho đến khi nào xảy ra
kích nổ
a)
Số octane: là số phần trăm chất iso-octane C 8H18 tính theo thể tích có
trong hỗn hợp với chất heptane C7H16, tương đương về tính kích nổ với nhiên liệu
thí nghiệm. Chất iso-octane coi như có trò số octane là 100, còn chất heptane coi
như có trò số octane là 0
Nếu tính chống kích nổ của nhiên liệu thử nghiệm lớn hơn tính chống kích nổ
của nhiên liệu mẫu (>100) thì nhiên liệu dùng để so sánh sẽ là hỗn hợp của isooctane với tetraetyl chì Pb(C2H5), hoặc dung dòch etyl. Số octane của nhiên liệu
mẫu trong trường hợp này phụ thuộc vào hàm lượng Pb(C 2H5) trong 1kg iso-octane.
Thông thường trò số octane đối với nhiên liệu xăng là
_ Xăng ôtô: 83 – 92
_ Xăng máy bay: 92 – 100 hoặc hơn
*Các thông số của nhiên liệu lỏng dùng cho ĐCĐT
Thông số
Xăng
Diesel
_ Thành phần khối lượng
c
0,855
0,870
h
0,145
0,126
Trang: 15

TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

onl
_ Trọng lượng phân tử µn l
_ Nhiệt trò thấp QH
MJ/kg
(hoặc kcal/kg)
_ Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kgnl
Theo kmol
Theo kg

0
110 - 120
44
(10500)

0,004
170 - 200
42,5
(10150)

0,512
14,8

0,496
14,4

1.5.3.Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu lỏng

Hòa khí dùng cho ĐCĐT có hai thành phần: nhiên liệu và không khí. Muốn
xác đònh lượng hòa khí trên đối với 1kg nhiên liệu lỏng, trước tiên phải xác đònh
lượng không khí cần thiết để đốt kiệt số nhiên liệu đó.
Khi đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng, các thành phần c của C và h của H 2 sẽ
chuyển thành CO2 và H2O theo các phương trình phản ứng sau:
C + O2 = CO2
H2 +

1
O2 = H2O
2

(1-2)

Nếu 1kg nhiên liệu lỏng gồm có: c kg C, h kg H 2 và onl kg O2, từ (2-2) ta có
thể viết:
12kg C + 32kg O2 = 44kg CO2
2kg H2 + 16kg O2 = 18kg H2O
Từ đó có: c kg C +

8
11
c kg O2 = c kg CO2
3
3

h kg H2 + 8h kg O2 = 9h kg H2O
Nếu tính theo đơn vò kmol sẽ được:
c
c

kmol O2 = kmol CO2
12
12
h
h
h kg H2 + kmol O2 = kmol H2O
4
2

c kg C +

(1-3)
(1-4)
(1-5)
(1-6)

Trong hòa khí của động cơ diesel, thành phần C và H2 ở dạng thể lỏng của
nhiên liệu, thể tích rất nhỏ có thể bỏ qua. Các biểu thức (2-5) và (2-6) cho thấy:
phản ứng của C khiến thể tích môi chất trước và sau phản ứng được giữ nguyên
không đổi, còn phản ứng của H 2 khiến thể tích
ϕ*
môi chất tăng gấp hai lần sau khi phản ứng.
6
Nếu gọi O’o (kg/kg) và Oo (kmol/kg) là lượng
4
3
O2 lý thuyết cần thiết để đốt cháy kiệt 1kg nhiên
1
liệu lỏng, theo (2-1), (2-3) và (2-4) sẽ tính được:
O’o =

(1-7)

8
c + 8h – onl
3

0

(kg/kgnl)

Theo (2-1), (2-5) và (2-6) sẽ tính được:

2
5

Trang: 16


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Oo =

c h onl
+ −
12 4 32

(kmol/kgnl)

(1-8)

Lượng O2, dùng để đốt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ, là lượng O2 trong
không khí. Không khí gồm hai thành phần chính là: O 2 và N2. Tính theo thành phần
khối lượng của không khí khô: O 2 chiếm 0,232 (≈23%), còn N2 chiếm ≈77%. Tính
theo thành phần thể tích (thành phần mol) O 2 chiếm 0,209 (≈21%), còn N2 chiếm
≈79%. Do đó lượng không khí lý thuyết cần để đốt kiệt 1kg nhiên liệu lỏng là L o
(kgkk/kgnl) hoặc Mo (kmolkk/kgnl) sẽ là:
Oo'
1 8

=
 c + 8h − onl 
0,23 0,23  3

O
1  c h onl 
Mo = o =
 + −

0,21 0,21  12 4 32 
Nhiên liệu sử dụng cho động cơ xăng.
Lo =

(kgkk/kgnl)

(1-9)

(kmolkk/kgnl)

(1-10)

a. Nhiên liệu thể khí
Nhiên liệu thể khí sử dụng trong động cơ đốt trong bao gồm:
- Khí thiên nhiên lấy từ các mỏ khí.
- Khí hóa lỏng LPG ( C3H8 và C4H10 )
- Khí thiên nhiên nén CNG ( áp suất khỏang 200atm, CH4)
- Khí công nghiệp lấy từ việc tinh luyện dầu mỏ, từ trong các lò luyện cốc và lò
cao.
- Khí lò ga lấy từ việc khí hóa các nhiên liệu rắn trong các thiết bò đặc biệt.
Thành phần chủ yếu của nhiên liệu thể khí bao gồm: xít cacbon (CO), mêtan
(CH4), các lọai cacbuahydrô (CnHm), khí cacbônic (CO2), ôxy (O2), hydrô (H2),
sunfuahydrô (H2S) và các khí trơ ( chủ yếu là nitơ – N2)
Bảng 1-2 biểu thò thành phần của một số nhiên liệu thể khí dùng trong động cơ đốt
trong.
Bảng 1-2. Thành phần của nhiên liệu thể khí
Khí

Thành phần hóa học tính theo % thể tích

QH

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

CnHm

CO

H2

H2 S

N2

CO2

O2

Thiên
nhiên

82,3-

0,17-

0,13-

0,1-

0,04-

-

0,3

-

1-

0,05-

-

98,3

5,8

0,21

1

0,8

9,3

0,89

Khí tổng

52

-

-

-

3,4

11

9

-

24,6

-

-

22,2

Khí thắp

16

-

-

-

8,6

20

27,8

-

22

5

-

18

Than

0,6

-

-

-

27

14

0,2

52

6

0,2

5,2

31,136,2

hợp

ăngtraxit

Trang: 17


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY
Than củi

2

-

-

-

0,3

20

12

-

54,5

11

0,2

4,7

Than bùn

3

-

-

-

0,4

28

15

-

46,4

7

0,2

6,4

b. Nhiên liệu thể lỏng
Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động cơ đốt trong chủ yếu là những lọai sản phẩm
của quá trình chưng cất từ dầu mỏ. Nó là hỗn hợp của nhiều cacbuahydrô có kết
cấu phân tử khác nhau, và được chia làm hai nhóm chính:
- Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel
- Nhiên liệu dùng cho động cơ xăng
Ngòai ra, hiện nay trên động cơ đốt trong người ta còn sử dụng các lọai nhiên
liệu khác như:
- Nhiên liệu có nguồn gốc thực vật như: dầu thực vật, ethanole…
- Nhiên liệu có nguồn gốc động vật như: dầu mỡ động vật.
- Nhiên liệu sinh khối ( Biomass)
Bảng 1-3. Thành phần nguyên tố và đặc tính của xăng và nhiên liệu diesel
Thông số

Nhiên liệu xăng

Nhiên liệu
diesel

C

0,855

0,87

H

0,145

0,126

O

-

0,004

110-120

180-200

44

42,5

Nhiệt trò của hỗn hợp khi α =1 (MJ/kmol)

83,9

86

Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg
nhiên liệu tính theo kmol

0,512

0,496

Độ nhớt động học ớ 20oC tính theo
xăngtixtốc

0,6-0,85

2,5-8,5

Thành phần tính theo
trọng lượng

Trọng lượng phân tử
Nhiệt trò thấp QH (MJ/kg)

Trang: 18


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

CHƯƠNG 2: CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG
2.1. GIỚI THIỆU.
Chu trình hoạt động của động cơ đốt trong có thể được phân tích thành một
chuỗi của các quá trình riêng biệt: nạp, nén, cháy, giãn nở và thải. Với những mô
hình cho mỗi quá trình này, một mô phỏng của chu trình động cơ hoàn chỉnh có thể

được xây dựng để có thể phân tích được và cung cấp thông tin về động cơ. Những
quá trình của các động cơ riêng biệt ở các mức độ xấp xỉ khác nhau sẽ được phát
triển thêm. Trong chương này chúng ta xét một bộ những mô hình đơn giản nhất để
có được những hiểu biết sử dụng sâu sắc về biểu thò và hiệu suất của các động cơ.
Những chu kỳ được phân tích là chu trình đẳng áp, đẳng tích, và chu trình áp suất
tới hạn; mỗi cái mô tả sự xấp xỉ cho qua trình cháy của động cơ. Những mô phỏng
quá trình động cơ một cách chính xác hơn sẽ nói đến trong các chương sau.
Với mỗi một chu trình động cơ, phải chọn mô hình đặc tính nhiệt động cho
môi chất công tác. Những mô hình chu trình lý tưởng của động cơ kết hợp với mô
hình khí lý tưởng đơn giản cung cấp những kết quả phân tích và được sử dụng với
mục đích minh họa. Ta gọi những mô hình này là những chu trình chuẩn của khí lý
tưởng. Những chu trình lý tưởng của động cơ kết hợp với những mô hình thực của
những đặc tính môi chất công tác gọi là những chu trình không khí - nhiên liệu và
cung cấp nhiều thông tin đònh lượng hơn về hoạt động của động cơ.
Một động cơ đốt trong không chỉ là một động cơ nhiệt trong đònh nghóa nhiệt
động lực học của một chu trình. Nó không là một hệ thống kín. Môi chất công tác
thì không thể hiện một chu trình nhiệt động. Sự thay đổi nhiệt độ xảy ra quanh thể
tích nhỏ nhất và lớn nhất của xy lanh vềcơ bản không phải là kết quả chủ yếu của
những tác động truyền nhiệt. Một động cơ có thể phải được phân tích tốt nhất như
là một hệ thống mở với sự thay đổi nhiệt và công tương tác với môi trường xung
quanh (khí quyển). Chất phản ứng (nhiên liệu và không khí) thì nạp vào hệ; và sản
phẩm (khí xả) thải ra khỏi hệ. (Phân tích đinh luật hai của động cơ từ quan điểm
này đã được nói đến ở chương 1). Vì vậy, trong chương này, những chu trình nói
đến không phải là những chu trình nhiệt động. Đúng hơn là, mỗi một chu trình là
một chuỗi liên tục những quá trình mà qua đó ta có thể theo dõi trạng thái của môi
chất giống như là động cơ thực hiện một chu trình hoạt động hoàn chỉnh.
2.2. NHỮNG MÔ HÌNH LÝ TƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH ĐỘNG CƠ.
Để minh họa những quá trình này, những số liệu áp suất (p) và thể tích (V)
trong xy lanh từ một động cơ đánh lửa cưỡng bức SI (spark-ignition) bốn kỳ được
vẽ như là đồ thò p-V thể hiện trên hình 2-1.

Chu trình được chia thành các quá trình riêng biệt: nén, cháy, giãn nở, thải
và nạp.

Trang: 19


Áp suất xy-lanh pi

TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Hình 2-1: Đồ thò thể tích - áp suất của động cơ đánh lửa cưỡng bức
rc = 8,4; 3500 v/ph; pi = 0,4 atm; pe = 1 atm; imepn = 2,9 atm.

Có một số giả thiết được đơn giản hóa cho mỗi quá trình thành những dạng
thuận tiện để phân tích được cho ở bảng 2-1.
Vmaxtrình đẳng tích, đẳng áp và chu
Những đồ thò áp suất-thểThể
tíchtích
choxy-lanh
các chu
trình áp suất tới hạn với hoạt động của động cơ không điều khiển bướm ga được
minh họa từ hình 2-2a đến 2-2c. Hoạt động của động cơ có điều khiển bướm ga (pi
< pe) và hoạt động của động cơ tăng áp (pi > pe) minh họa trên hình 2-2d và 2-2e.
Trong mỗi chu trình, đoạn 1-2 là quá trình nén, 2-3 là quá trình cháy, 3-4
(hoăïc 2-4 trong chu trình đẳng áp) là quá trình giãn nở, đoạn 4-5-6 là quá trình xả,
và đoạn 6-7-1 là quá trình nạp.
Bảng 2-1: Những quá trình động cơ của mô hình khí lý tưởng.
Quá trình

Các giả thiết

- Nén (1-2)
- Cháy (2-3)

1. Đoạn nhiệt và thuận nghòch (vì đẳng entropi)
1. Đoạn nhiệt
2. Quá trình cháy xảy ra ở:
(a) đẳng tích
(b) đẳng áp
(c) một phần đẳng tích và một phần đẳng áp (áp suất tới hạn)
3. Quá trình cháy hoàn tất ( η c = 1 ).
- Giãn nở (3-4) 1. Đoạn nhiệt và thuận nghòch (vì đẳng entropi).
- Xả (4-5-6)
1. Đoạn nhiệt
Trang: 20


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

và
Hút (6-7-1)

(b)

2. Những trường hợp mở van tại trung tâm dưới và trên.
3. Không có sự thay đổi trong thể tích xy lanh như là sự chênh áp
do mở van
4. Áp suất khí xả là hằng số
5. Vận tốc ảnh hưởng không đáng kể

(d)

Hình 2-2: Đồ thò thể tích - áp suất của những chu trình lý tưởng. Vận hành không điều
khiển: (a) cháy đẳng tích; (b) cháy đẳng áp; (c) cháy áp suất tới hạn; (d) chu trình
đẳng tích được điều khiển; (e) chu trình đẳng tích được tăng áp.

Giả thuyết quan trọng nhất để xác đònh sử dụng như thế nào những chu trình
lý tưởng này như để là những chỉ thò của hiệu suất động cơ đó là dạng giả thuyết
của quá trình cháy. Quá trình cháy của một động cơ thực nằm trong chu kỳ góc
quay giới hạn của trục khuỷu (giữa góc quay từ 20 đến 70 độ trục khuỷu), và thời
điểm đánh lửa hoặc phun nhiên liệu có thể sớm hơn điểm chết trên để đạt tối ưu.
Chu trình đẳng tích là trường hợp giới hạn của sự cháy rất nhanh tại điểm
chết trên; chu trình đẳng áp thì tương ứng với sự cháy chậm và trễ; chu trình áp
suất được tới hạn thì nằm ở giữa hai chu trình trên.
2.3. QUAN HỆ NHIỆT ĐỘNG CỦA NHỮNG QUÁ TRÌNH ĐỘNG CƠ.
Toàn bộ các thông số hoạt động của động cơ được quan tâm nhất có thể
được xác đònh từ những phân tích nhiệt động chu trình hoạt động của động cơ là:
Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thò η f ,i :

Trang: 21


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

η f ,i =

Wc,i

(2-1)

m f QLHV

(vì hiệu suất cháy là đồng nhất, bằng hiệu chuyển đổi nhiệt chỉ thò η t,i , xem phần I
chương 1).
Áp suất hiệu dụng trung bình chỉ thò (imep):
Wc,i m f QLHVη f ,i
imep =

Vd

=

Vd

(2-2)

Wc,i là công chỉ thò của chu trình, bằng tổng công của kỳ nén và công của kỳ
giãn nở:
Wc,i = WC + WE
(2-3)
Với chú thích trên hình 3-2 để xác đònh điểm kết thúc của mỗi quá trình
động cơ, các quan hệ sau được xây dựng bằng cách ứng dụng đònh luật nhiệt động 1
và 2 cho xy lanh công tác của động cơ:
Kỳ nén:
v1
= rc
(2-4)
v2
Vì quá trình là đoạn nhiệt và thuận nghòch nên:

s1 = s2

(2-5)

Công kỳ nén là:
WC = U1 − U 2 = m( u1 − u2 )

(2-6)

Quá trình cháy:
Với chu trình đẳng tích:
u3 = u2
v3 = v2

(2-7a, b)

Với chu trình đẳng áp:

p3 = p2

h3 = h2

(2-7c, d)

Với chu trình áp suất tới hạn:
và

v3 a = v2
u3 a − u2 = 0

p3 b = p3 a
h3 b − h3 a = 0

(2-7e, f)
(2-7g, h)

Kỳ giãn nở:
Với chu trình đẳng tích:

v4
= rc
v3

s4 = s3

(2-8a, b)

và công giãn nở:

WE = U 3 − U 4 = m( u3 − u4 )

(2-9)

Với chu trình đẳng áp:

p3 = p2

v4
= rc
v2

s4 = s3

(2-10a, b, c)

và công giãn nở là:
Trang: 22


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

WE = U3 − U4 + p2 ( V3 − V2 )

= m[ ( u3 − u4 ) + p2 ( v3 − v2 ) ]

(2-11)

= m[ ( h3 − h4 ) + p4 v4 − p2 v2 ]
Với chu trình áp suất giới hạn:

v4
= rc
v3 a

p3 b = p3 a

s4 = s3 b

(2-12a, b, c)

và công giãn nở là:

WE = U 3 b − U 4 + p3 ( V3 b − V3 a )

= m[ ( u3 b − u4 ) + p3 ( v3 b − v3 a ) ]
= m[ ( h3 b − h4 ) + p4 v4 − p3 v3 a ]

(2-13)

Hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu chỉ thò tìm được bằng cách thay thế vào
phương trình (3-3) và (3-1):
Với chu trình đẳng tích:
m[ ( u3 − u4 ) − ( u2 − u1 ) ]
η f ,i =
(2-14)
m f QLHV
Với chu trình đẳng áp:
m[ ( h3 − h4 ) − ( u2 − u1 ) + p4 v4 − p2 v2 ]
η f ,i =
m f QLHV
Với chu trình áp suất giới hạn:
m[ ( h3b − h4 ) − ( u2 − u1 ) + p4 v4 − p3v3 a ]
η f ,i =
m f QLHV

(2-15)

(2-16)

Trạng thái của hỗn hợp tại điểm 1 trong chu trình phụ thuộc vào đặc tính hỗn

hợp nạp và đặc tính khí sót tại cuối kỳ xả.
Khi xú-páp xả mở tại điểm 4, áp suất trong xy lanh là áp suất trên đường
ống xả và quá trình quét khí xảy ra. Trong mô hình quá trình xả lý tưởng, quá trình
quét khí xảy ra khi pít-tông đi lên từ điểm chết dưới. Trong suốt quá trình quét khí
này, khí còn sót trong lòng xy lanh giãn nở đẳng entropi. Những khí thoát khỏi xy
lanh dưới sự giãn nở không kiểm soát được hoặc quá trình đó gọi là không thuận
nghòch. Giả thiết rằng động năng đạt được bởi mỗi nguyên tố như nó được tăng
nhanh thông qua xú-páp xả thì bò tiêu hao trong quá trình trộn rối ở cổng xả thành
nội năng và công của dòng xả. Vì cũng giả thiết rằng không có trao đổi nhiệt xảy
ra, entanpi của mỗi nguyên tố khí sau khi thoát khỏi xy-lanh vẫn là hằng số.
Những quá trình này được minh họa trên đồ thò h - s trên hình 2-3. Khí còn
lại trong xy-lanh giãn nở đẳng entropi dọc theo đường 4-5. Thành phần đầu tiên
của khí cháy thoát khỏi xy-lanh tại điểm 4 đi vào họng xả tại điểm a với áp suất =
đường pe. Thành phần mà thoát khỏi xy-lanh ở trạng thái trung bình b trên đường
kéo dài 4-5 sẽ đi vào họng xả tại trạng thái c. Vào cuối quá trình xả, khí cháy
trong xy-lanh và khí cuối thoát ra có cùng trạng thái -5. Vì vậy, có sự biến thiên
nhiệt độ với khí xả. Nhiệt độ Ta của thành phần khí xả đầu tiên không đáng kể hơn
T4 ; và nhiệt độ của khí xả cuối là T5 .
Trang: 23


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY
h

s
Hình 2-3: Đồ thò entropi - entanpi của trạng thái khí trong quá trình xả

Dòch chuyển của khí cháy ra khỏi xy-lanh theo quá trình thoát do pít-tông đi
từ điểm chết dưới tới điểm chết trên. Nếu không kể đến sự truyền nhiệt và hiệu
ứng tiêu hao động năng, thì không có sự thay đổi trạng thái nhiệt động của khí

cháy. Trong quá trình dòch chuyển, khối lượng của khí cháy có trong xy-lanh ở cuối
quá trình xả thì giảm bởi tỉ số V5 / V6.
Khối lượng khí sót mr trong xy-lanh ở điểm 6 trong chu trình có được bằng
cách xác đònh trạng thái của khí cháy (T5 , v5 ) vào cuối quá trình xả theo sự giãn nở
đẳng entropi từ p4 đến pe , và bởi sự giảm thể tích xy-lanh tới thể tích trống V6. Tỉ
số khối lượng khí sót cho bởi:

mr
v /v
v
= xr = 4 5 = 2
m
rc
v5

(2-17)

Trạng thái trung bình của khí xả có thể đònh bởi xét hệ thống hở gồm bề mặt
pít-tông, thành xy-lanh, và đầu quy-lát, như hình 3-4. Áp dụng đònh luật nhiệt động
thứ nhất cho hệ thống hở, ta có:
U6 − U4 = pe ( V4 − V6 ) − H e
(2-18a)
Ở đây He là entanpi của khối lượng khí xả từ xy-lanh. Vì vậy, entanpi khí xả
riêng trung bình là:

he =

m4 u4 − m6 u6 + peVd
m4 − m6

(2-18b)

trong đó, p = pe là trạng thái khí xả trung bình.

Trang: 24


TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH CHÁY

Hút

Xả

biên của hệ thống
Hình 2-4: Xác đònh biên của hệ thống cho phân tích
nhiệt động của quá trình chu trình lý tưởng

Nhiệt độ cuối kỳ hút và đầu kỳ nén (điểm 1 trên đồ thò hình 2-2) bây giờ có
thể xác đònh, ta sử dụng lại hệ thống hở hình 3-4. Áp dụng đònh luật thứ nhất giữa
điểm 6 và 1, ta có:
U1 − U6 = − pi ( V1 − V6 ) + ( m1 − m6 ) hi
(2-19a)
hay

m1u1 − m6 u6 = − pi ( V1 − V6 ) + ( m1 − m6 ) hi
m1h1 = m6 h6 + ( m1 − m6 ) hi + V2 ( pi − pe )

(2-19b)

hay

(2-19c)
trong đó, hi là entanpi riêng của hỗn hợp đi vào, và p1 = pi .
Chú ý là khi p1 = pi , phần khí sót trong xy-lanh cuối kỳ xả sẽ đi vào hệ
thống hút khi xú-páp hút mở. Điều này sẽ ngưng khi áp suất trong xy-lanh bằng pi .
Tuy nhiên, vì không có trao đổi nhiệt xảy ra, sẽ không gây ảnh hưởng đến hệ
phương trình (2-19).
Trong động cơ bốn kỳ, công được thực hiện trên pít-tông trong suốt quá trình
hút và xả. Công do khí cháy lên pít-tông khi xả là:
We = pe ( V2 − V1 )
(2-20)
Công do khí cháy lên pít-tông khi hút là:
Wi = pi ( V1 − V2 )
(2-21)
Công của hệ qua kỳ xả và hút gọi là công quét cho bởi:

Wp = ( pi − pe )( V1 − V2 )

(2-22)

trong đó, với hệ thống khí cháy trong xy-lanh, là âm cho pi < pe , và dương
cho pi > pe .
Áp suất hiệu dụng chỉ thò trung bình quét (pmep) xác đònh dương, do đó:
khi pi < pe :
pmep = pe − pi
(2-23a)
Trang: 25