Chương 6 CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ TUABIN KHÍ

Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 51

Chương 6

CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ TUABIN
KHÍ
6.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Là chu trình của các động cơ nhiệt, trong đó thực hiện quá trình biến đổi nhiệt
năng thành công. Môi chất đầu tiên là nhiên liệu và không khí, sau đó là sản phẩm
cháy. Ở đây thực hiện quá trình cháy nhiên liệu và quá trình thải sản phẩm cháy vào
môi trường.

6.2.CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
6.2.1 Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (Air standard Otto cylce)

Hình 6.1 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ 1 xylanh loại 4 thì
a. Nạp hỗn hợp nhiên liệu và không khí
b. Nén hỗn hợp
c. Buji bật lửa và cháy hỗn hợp
d. Khí trong xy lanh dãn nở
e. Van thải mở và thải khí
g. Quá trình quét khí
Chu trình này thường gặp trong các động cơ đốt trong, sử dụng nhiên liệu là
xăng hoặc khí đốt, (động cơ có Cacbuaratơ hay còn gọi là bộ chế hòa khí) quá trình
cháy xảy ra rất nhanh nên coi là cháy đẳng tích (v = const). Động cơ đầu tiên thuộc
loại này được Otto phát hiện năm 1876 nên còn được gọi là chu trình Otto. Sơ đồ
nguyên lý và đồ thị nhiệt động được thể hiện trên hình 7.1 và 7.2. Về nhiệt động thì
chu trình này gồm 2 quá trình đẳng nhiệt và 2 quá trình kia xem như đoạn nhiệt xen kẽ
nhau (khi xét chu trình lý thuyết).
Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh


Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 52

Hình 6.2: Chu trình cấp nhiệt đẳng tích
Các thông số đặc trưng của chu trình gồm có:
v1
- Tỷ số nén: ε =
v2
- Tỷ số tăng áp: λ =

p3
p2

Đây là các thông số đặc trưng của chu trình, được chọn trước bởi các nhà thiết
kế (phải căn cứ vào điều kiện sức bền, độ bôi trơn, …)
1. Khi tính toán chu trình ta cần thực hiện các điều sau:
- Từ trạng thái hỗn hợp nạp vào đã biết trước p 1, T1 và các thông số đặc trưng
của chu trình là ε và λ sẽ tìm được các thông số trạng thái khác (p, v, T) tại các điểm
đặc trưng 1, 2, 3, 4. Đây cũng là những điều cơ bản khi tính toán thiết kế cụ thể về
động cơ.
- Tính nhiệt lượng cung cấp vào q1 (xác địng mức tiêu hao nhiên liệu), lượng
nhiệt thải q2, công sinh ra của chu trình (để xác định công suất động cơ).
- Tính hiệu suất nhiệt của chu trình ηt (để xác định độ hoàn thiện của chu trình)
2.Trình tự tính toán như sau:
- Trạng thái 1: đã biết p1, T1 → v1 theo phương trình trạng thái khí lý tưởng
v

- Trạng thái 2: v 2 = 1 , mặt khác trạng thái 2 quan hệ với trạng thái 1 theo quá
ε
trình đoạn nhiệt: q = 0
v
p 2 = p1  1
 v2

k


 = p1ε k


T2  v1 
= 
T1  v 2 

k −1

= ε k −1

- Trạng thái 3: Trạng thái 2-3 là quá trình đẳng tích (v = const) →
v1
và p 3 = λp 2 = λp1ε k
v3 = v 2 =
ε
T3 p 3
=
= λ → T3 = λT2 = λε k −1T1
T2 p 2

Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh


Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 53

- Trạng thái 4: Quan hệ với trạng thái 1 theo phương trìng đẳng tích (v = const)
→ v1 = v 4 . Mặt khác trạng thái 4 quan hệ với trạng thái 3 theo quá trình đoạn nhiệt, (q
= const) nên:
v
p 4 = p 3  3
 v4
T4  v 4 
= 
T3  v 3 

k

k

  v2 
p
 =   = k3 = λp1
ε
  v1 

k −1

v
=  2
 v1





k −1

=

1

ε

k −1

→ T4 = T1ε k −1 λ

1

ε k −1

= λT1

Sau khi tính được các thông số p, v, T tại các điểm đặc trương 1, 2, 3, 4 ta tính
được:
- Nhiệt lượng cấp cho quá trình q1:

q1 = C v ( T3 − T2 ) , kJ / kg

- Nhiệt lượng thải của quá trình q2:
q 2 = C v ( T4 − T1 ) , kJ / kg
- Công thực hiện của chu trình l:

l = q1 − q 2 kJ / kg
- Hiệu suất nhiệt của chu trình:
ηt =

q2
l
1
=1−
= 1 − k −1
q1
q1
ε

(6.1)

Trong đó:

ε - là tỉ số nén
k - số mũ đoạn nhiệt
Như vậy ta thấy hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích tăng khi tỷ
số nén ε tăng.

6.2.2. Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (Air standard Diesel cylce)
- Nhiên liệu sử dụng ở đây là dầu mazut, … , quá trình cháy xảy ra chậm nên

coi là cháy đẳng áp (p = const), đây là chu trình cho động cơ diezen ngày xưa.
- Về nguyên lý tính toán hoàn toàn giống như chu trình đẳng tích.
Hiệu suất nhiệt của chu trình:

ηt =

ρ k −1
kε k −1 ( ρ − 1)

(6.2)

Trong đó: ρ - tỉ số giãn nở sớm, (ρ = v2/ v1)

Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh


Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 54

Hình 6.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ Diezel
a) Nạp không khí; b) Nén không khí;
c) Bơm dầu cao áp phun nhiên liệu và cháy (q1v)
d) Bơm dầu tiếp tục phun và cháy (q1p)
e) Dãn nở sinh công (q = 0);
f) Van thải mở (q2 = q2v)
h) Quá trình quét khí trong xy lanh

6.2.3. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp (Air-standard dual cycle)

Nhiên liệu sử dụng ở đây là dầu mazut,
… , được phun vào xy lanh nhờ có bơm cao
áp và vòi phun dưới dạng những hạt rất nhỏ
như sương mù nên quá trình cháy xảy ra
nhanh hơn và coi là cháy hỗn hợp (phần đầu
cháy đăng tích, phần sau cháy đẳng áp), đây là
động cơ diezen ngày nay.
Hình 6.4: Đồ
thị p-v biểu diễn
quá trình cháy hỗn hợp.
1. Về phương pháp tính toán tương tự chu trình cấp nhiệt đẳng tích. Các
thông số gồm có:

Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh


Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 55

- Từ trạng thái hỗn hợp nạp vào đã biết trước p 1, T1 và các thông số đặc trưng
của chu trình là ε và λ sẽ tìm được các thông số trạng thái khác (p, v, T) tại các điểm
đặc trưng 1, 2, 3, 4. Đây cũng là những điều cơ bản khi tính toán thiết kế cụ thể về
động cơ.
- Tính nhiệt lượng cung cấp vào q1 (xác địng mức tiêu hao nhiên liệu), lượng
nhiệt thải q2, công sinh ra của chu trình (để xác định công suất động cơ).
- Tính hiệu suất nhiệt của chu trình ηt (để xác định độ hoàn thiện của chu trình)
v1
+ Tỷ số nén: ε =

v2
+ Tỷ số tăng áp: λ =

p3
p2

2. Khi tính toán chu trình ta cần thực hiện các điều sau:
- Trạng thái 1: đã biết p1, T1 → v1 theo phương trình trạng thái khí lý tưởng
v1
- Trạng thái 2:
,
v2 =
ε
→

p2 v2

k

v
= p1v1 → p 2 = p1  1
 v2

T2  v1 
= 
T1  v 2 

k

k


 = p1ε k


k −1

= ε k −1

- Trạng thái 3: Trạng thái 2-3 là quá trình đẳng tích (v = const) →
v1
v3 = v 2 =
ε
RT3 RT 2
=
Quá trình 2-3 (v = const) ⇒ v 3 =
.
p3
p2
do đó:
p 3 = λε k p1 = λε k −1T1
- Trạng thái 4: Quá trình 3-4 là quá trình p = const nên:
ρv
v 4 = ρ v3 = 1 ; p 4 = p 3 = λεp1
ε
k −1
T4 = λρ T1ε
- Trạng thái 5:
k

p5 v5 = p 4 v 4

k

v 5 = v1

v
⇒ p 5 = p 4  4
 v5

k


 = λp1 ρ k


T5 = λρ k T1

Sau khi tính được thông số p. v. T tại các điểm đặc trương 1, 2, 3, 4, 5 ta tính
được:
- Nhiệt lượng cấp cho quá trình q1:
Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh


Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 56
q1 = q1v + q1 p = C v ( T3 − T2 ) +, C p ( T4 − T3 ) kJ / kg

- Nhiệt luợng thải của chu trình q2:
q 2 = q 2 v = C v ( T5 − T1 ) , kJ / kg

- Công thực hiện của chu trình l:
l = q1 − q 2 kJ / kg

- Hiệu suất nhiệt của chu trình:
q2
C v ( T5 − T4 )
l
λρ k − 1
ηt = = 1 −
=1−
=1−
q1
q1
C v ( T3 − T2 ) + C p ( T4 − T3 )
[ ( λ − 1) + kλ ( ρ − 1) ]ε k −1

(6.3)

Trong đó:
λ - tỉ số tăng áp trong quá trình cấp nhiệt
Như vậy từ biểu thức về hiệu suất nhiệt ta thấy hiệu suất nhiệt của chu trình cấp
nhiệt đẳng tích tăng khi tỷ số nén ε và tỷ số tăng áp λ tăng và tỷ số dãn nở sớm ρ giảm.

6.3. CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ TUABIN KHÍ
6.3.1. Khái niệm chung:
- Động cơ đốt trong thực hiện trên nguyên tắc pittông lên xuống và qua trục
khuỷu – tay biên để biên thành chuyển động quay nên cấu tạo phức tạp, nhiều chi tiết,

mặt khác do độ chấn động lớn và không thể chuyển động với vận tốc cao (biến chuyển
động song phẳng thành chuyển động quay). Đồng thời để làm kín động cơ cần phải có
xéc măng nên độ ma sát cơ khí lớn, nó thích hợp với động cơ có công suất vừa và nhỏ
quay không nhanh.
- Nguyên tắc hoạt động của tuabin khí (hay tuabin hơi):
Chất môi giới (khí hoặc hơi) có áp suất p và nhiệt độ T cao (tức thế năng lớn)
xem hình 6.5, khí chảy qua ống tăng tốc 4 áp suất và nhiệt độ giảm nhưng vận tốc
tăng (động năng lớn). Sau đó dòng khí tốc độ cao được phun vào cánh quạt 3 (cánh
quạt gắn trên đĩa 2 nối với trục 1). Oáng phun 4 thường gắn trên thân máy gọi là cánh
tĩnh, còn cánh công tác 3 được gắm trên đĩa công tác 2 và quay theo đĩa nên được gọi
là cánh động.
Dòng khí ra khỏi ống tăng tốc có tốc độ rất cao và thổi vào tầng cánh động,
dòng khí tốc độ cao chảy qua rãnh cong giữa hai cánh động 3 làm cho đĩa và trục quay
(theo nguyên lý biến đổi xung lượng thành động lượng). Hệ thống tuabin khí phát điện
được thể hiện trên hình 6.5.
1. Máy nén hướng trục
2. Buồng đốt
3.Vòi phun nhiên liệu
4. Tuabin khí
5. Máy phát điện
6. Động cơ khởi động
Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh


Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 57

7. Bơm nhiên liệu

Hình 6.5: Sơ đồ nguyên lý của tua bin khí phát điện
Chu trình động cơ tuabin khí được biểu diễn trên đồ thị p-v (Hình 6.6).
Về nguyên tắc tính toán hoàn toàn tương
tự như tính chu trình động cơ đốt trong.
Công thực hiện của chu trình l:
l = q1 − q 2 kJ / kg

Hiệu suất nhiệt của chu trình:
ηt =

q
l
1
= 1 − 2 = 1 − k −1
q1
q1
β k

Trong đó: β =

p2
là tỉ số tăng áp của máy
p1

nén.
Hình 6.6: Đồ thị p – v của chu trình tuabin khí
Trong công nghiệp hiện đại động cơ tuabin được ứng dụng vào nhiều ngành
công nghiệp cần những động cơ có công suất lớn, kích thước và trọng lượng nhỏ, tốc
độ vòng quay lớn như ngành sản xuất năng lượng, ngành hàng không, tàu thủy, …

Động cơ tuabin khí quay trực tiếp (không phải biến đổi sòng phẳng thành
chuyển động quay như động cơ đốt trong) nên có thể sử dụng số vòng quay rất lớn, ma
sát ít, công suất sản sinh ứng với một đơn vị trọng lượng máy nhỏ nên máy gọn, nhẹ.
Nhược điểm là do phải hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao nên kết cấu vật liệu phải
thật tốt, đắt tiền, yêu cầu chế tạo cao, do đó trong sinh hoạt thường chưa thể áp dụng.
Trên hình 6.7 cho thấy cấu trúc của động cơ tuabin khí ứng dụng trong xe hơi.

Hình6.7: Tuabin khí trong động cơ ôtô.
Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh


Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 58

6.4. CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ PHẢN LỰC
Động cơ phản lực là loại động cơ biến hóa năng của nhiên liệu thành động năng
và đẩy động cơ về phía trước theo nguyên tắc phản lực. Sau đại chiến thế giới thứ hai
động cơ phản lực được sử dụng rất rộng rãi trong ngành hàng không. So với động cơ
đốt trong thì động cơ phản lực có một số ưu điểm sau:
- Máy bay dân dụng sử dụng động cơ đốt trong (máy bay cánh quạt) thường sử
dụng nhiên liệu là xăng chất lượng cao, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 0,4 kg/ mã lực
đẩy, còn động cơ phản lực chỉ khoảng 0,07 kg/ mã lực đẩy, nghĩa là chỉ bằng 1/6 lần.
- Máy bay cánh quạt sử dụng động cơ đốt trong chỉ bay với tốc độ 750 km/ h
còn máy bay phản lực có thể đạt đến 1000 – 3000 km/ h
- Kết cấu động cơ bảo trì tương đối đơn giản
- Đối với động cơ phản lực chất lượng nhiên liệu yêu cầu thấp hơn.
Chu trình động cơ phản lực thể hiện trên hình 6.8
1-a: Quá trình nén khí trong ống tăng áp A (q = 0)

a-2: Quá trình nén khí trong máy nén B (q = 0)
2-3: Quá trình cháy đẳng áp của nhiên liệu trong buồng đốt (p = const)
3-b: Quá trình dãn nở khí trong tuabin (q = 0), nó cung cấp đọng lực cho máy
nén và bơm dầu.
b-4: Quá trình dãn nở đoạn nhiệt qua ống tăng tốc (q = 0) để tạo nên tốc độ ra
theo yêu cầu.

A - Ống tăng áp; B – Máy nén khí; C - Buồng đốt;
D – Tua bin khí; E - Ống tăng tốc
Hình 6.8: Sơ đồ nguyên lý động có phản lực
Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh


Chương 6: Chu Trình Động Cơ Đốt Trong và Tuabin Khí
Trang 59

Việc tính toán chu trình cũng tương tự như động cơ đốt trong.
p2
Gọi β =
là tỉ số tăng áp, ta tìm được:
p1
1

ηt = 1 −
β

k −1
k

(6.4)
Hiệu suất nhiệt tăng khi khi tỷ số tăng áp tăng, do đó việc chế tạo máy nén có
hiệu suất cao là vấn đề quan trọng đối với động cơ tuabin khí và động cơ phản lực.

Trường ĐHCN Tp.HCM

Khoa CN Nhiệt - Lạnh