Giáo trình nguyên lý động cơ đốt trong nguyễn chi hùng

Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC


GIÁO TRÌNH

NGUYÊN LÝ
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
(HỆ CAO ĐẲNG – ĐẠI HỌC)

Lưu hành nội bộ
8-2009

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

1


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

CHƯƠNG 1
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Những khái niệm cơ bản về động cơ đốt trong.
 Quá trình công tác: Là tổng hợp những biến đổi của môi chất công tác xảy ra trong xy

lanh của động cơ: sự thay đổi về thành phần hóa học, thể tích, áp suất, nhiệt độ và trọng
lượng.
Quá trình công tác bao gồm nhiều bộ phận riêng rẽ kế tiếp nhau theo một trật tự nhất
định và lặp đi lặp lại có tính chu kỳ.
 Chu trình công tác: Là tập hợp tất cả những phần của quá trình công tác trong một xy
lanh của động cơ. Sau một chu trình công tác, môi chất công tác trong xy lanh thay đổi. Chu
trình công tác có tính chất chu kỳ và được đặc trưng bằng số hành trình của piston cần thiết
để thực hiện chu trình đó. Vì vậy đông cơ đốt trong chia làm 2 loại:
- Bốn kỳ: Phải cần 4 hành trình của piston mới hoàn thành một chu trình công tác của
động cơ.
- Hai kỳ: Phải cần 2 hành trình của piston mới hoàn thành một chu trình công tác của
động cơ.
 Kỳ: Là một phần của chu trình công tác xảy ra trong thời gian piston dịch chuyển một
hành trình ký hiệu là .
 Điểm chết: Là vị trí của piston mà ở đó dù ta có tác dụng một lực nào lên piston cũng
không làm cho trục khuỷu của động cơ quay. Tức là không sinh ra mômen quay. Trong động
cơ có 2 điểm chết gọi là điểm chết trên (ĐCT) và điểm chết dưới (ĐCD).
 Hành trình của piston: Là khoảng cách giữa 2 điểm chết, ký hiệu là S.
 Thể tích buồng nén: Thể tích nhỏ nhất của xy lanh đối với một chu trình công tác, ký
hiệu Vc
Vc = Vmin
 Thể tích công tác: Là hiệu số giữa thể tích lớn nhất của xy lanh và thể tích buồng nén,
ký hiệu Vh .
Vh = Vmax – Vc = Vmax – Vmin .

(1-1)

Thường tính:
Vh 

D 2
4

S (m 3 )

(1-2)

Trong đó:
S: Hành trình của piston (m).
D: Đường kính của xy lanh (m).
 Tỉ số nén: Là tỉ số giữa thể tích lớn nhất của xy lanh và thể tích buồng nén, ký hiệu .

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

2


Nguyễn Chí Hùng



Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Vmax Vc  Vh
V

 1 h
Vc
Vc
Vc

(1-3)
Tỉ số nén có ý nghĩa rất quan trọng đối với quá trình làm việc của động cơ. Nó có ảnh
hưởng rất nhiều đến các thông số khác việc của động cơ, đặc biệt là vấn đề lợi dụng nhiệt.
1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ xăng và diesel 4 kỳ không tăng áp
Hình 1.1 biểu thị sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp. Một chu
trình công tác được tiến hành như sau:

1:trục khuỷu; 2: thanh truyền; 3: pittông; 4: xilanh; 5: đường ống nạp; 6: xupáp nạp;
8: dường thoát; 9: xupap thải.
Hình 1.1: Nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp kiểu xupap treo
* Hành trình thứ nhất.
Hành trình nạp, piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, lúc đó toàn bộ thể
tích buồng nén chứa đầy khí sót của chu trình trước còn lại (điểm r). Áp suất khí sót cao hơn
áp suất khí trời. Khi trục khuỷu quay piston đi xuống, trong lòng xy lanh hình thành chân
không, không khí (hòa khí) được hút vào qua supap nạp, thời gian này supap thải đóng.
Thông thường supap nạp mở sớm trước ĐCT một góc 1 (điểm d1) - gọi là góc mở sớm
supap nạp, mở sớm như vậy để đảm bảo nạp được nhiều hơn. Supap nạp cũng đóng trễ sau
ĐCD một góc 2 (điểm d2) - gọi là góc đóng trễ supap nạp. Mục đích là lợi dụng quán tính
của dòng khí lưu động trong ống nạp để tăng thêm lượng khí nạp. Như vậy, thời gian thực tế
của quá trình nạp lớn hơn thời gian của hành trình nạp.
 Hành trình thứ hai:
Hành trình nén được thực hiện khi piston đi từ ĐCD đến ĐCT. Thể tích xy lanh nhỏ
dần, hòa khí bị nén lại làm cho nhiệt độ và áp suất tăng - đường c’c”.
Quá trình nén thực sự chỉ bắt đầu khi các supap đều đóng hoàn toàn. Như vậy, thời gian
của quá trình nén nhỏ hơn thời gian 1 hành trình nén.
Gần cuối hành trình nén (điểm 3’), động cơ được đánh lửa (ở động cơ xăng ) – gọi là
góc đánh lửa sớm hoặc được phun nhiên liệu (ở động cơ diesel) - gọi là góc phun sớm.
Việc đánh lửa sớm và phun sớm rất cần thiết vì nhiên liệu cần có một thời gian để
chuẩn bị bốc cháy. Thời gian chuẩn bị dài hay ngắn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: chất

lượng hỗn hợp, nhiệt độ, áp suất, chuyển động xoáy lốc của dòng khí trong xy lanh…
* Hành trình thứ ba.
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

3


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Hành trình cháy và giãn nở xảy ra khi piston đi từ ĐCT đến ĐCD. Đầu giai đoạn này số
nhiên liệu trong xy lanh được cháy nhanh, áp suất tăng lên mãnh liệt ( đoạn C”z ’ ) sau đó sự
cháy diễn ra đều hơn do số nhiên liệu đưa vào sau bốc cháy nhanh hơn vì áp suất và nhiệt độ
môi chất trong xy lanh đã cao hơn ( đoạn z,z). Quá trình cháy được kết thúc hoàn toàn khi áp
suất giảm (điểm x) và tiếp đó là quá trình giãn nở của sản vật cháy. Áp suất khí sinh ra truyền
trực tiếp lên đỉnh piston để sinh công có ích, vì vậy hành trình thứ 3 này còn gọi là hành trình
công tác ( đường C”Z’Zb”).
 Hành trình thứ tư:
Hành trình thải piston đi từ ĐCD lên ĐCT để đẩy sản vật cháy ra ngoài qua supap thải.
Trước khi piston xuống ĐCD, supap thải mở sớm (điểm b’). Góc ứng với đoạn b’b” hoặc góc
5 trên đồ thị gọi là góc mở sớm supap thải. Mở sớm supap thải nhằm mục đích giảm áp suất
Pr của khí thải, do đó giảm được công tiêu hao cho việc đẩy khí thải ra ngoài của piston.
Ngoài ra khi giảm áp suất Pr thì lượng khí sót trong xy lanh cũng giảm nên tăng được lượng
khí nạp mới vào xy lanh.
Supap thải được đóng trễ sau ĐCT (điểm r’ hoặc góc 6) gọi là góc đóng trễ supap thải.
Do có sự mở sớm đóng trễ supap thải nên thời gian của quá trình thải lớn hơn thời gian của
hành trình thải. Trên đồ thị công, từ điểm d1 đến r’ cả hai supap nạp và thải đều mở - gọi là
góc trùng điệp của hai supap nạp và thải.
Sau 4 hành trình của piston, động cơ đã hoàn thành một chu trình công tác và một chu

trình công tác mới lại tiếp tục.

Hình 1.3: Đồ thị củ a chu trình thự c tế đ ộ ng cơ xă ng 4 kì trên trụ c toạ đ ộ
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ 4 kỳ không tăng áp
p- φ
 Kết
luận:
I: điểm
mở
sớm
van
nạp;
II:
điểm
đóng
muộn
lửa
xupap
1,2: đ iể m mở và đ óng xupap nạ p; C’: đvan
iể mnạp;
bugic’:
bậđánh
t tia lử
a đsớm;
iệ n;5:
3,4:
nạp;Qua một
trình
tác củathả
động

cơbắ
4 kỳ
đ iể chu
m mở
và đcông
óng xupap
i; 5:
t đ không
ầ u nạtăng
p; 6:ápkếtat thấy:
thúc nạ p; 7: bắ t đ ầ u
6: Xupap
xả;
7:
bugi;
8
Nắp
xilanh;
9:
Cam
nạp;
10:
Cam
thải;
11: Bộ chế hoà khí;
thả i; 8: kế t thúc thả i
12: Đường không khí; 13: Đường nhiên liệu; 14: đường khí thải; 15: nửa trên của
I: nạ p; II: nén ép; III: cháy và giãn nở ; IV: Thả i.
cacte; 16: nửa dưới của cacte.
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

4


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Hình 1.3: Đồ thị chỉ thị của chu trình thực tế động cơ xăng 4 kì trên trục toạ
độ p- φ
1,2: điểm mở và đóng xupap nạp;C’: điểm bugi bật tia lửa điện; 3,4: điểm mở
và đóng xupap thải; 5: bắt đầu nạp; 6: kết thúc nạp; 7: bắt đầu thải; 8: kết
thúc thải
I: nạp; II: nén ép; III: cháy và giãn nở; IV: Thải.
* Kết luận:
- Toàn bộ chu trình công tác được thực hiện trong 2 vòng quay của trục khuỷu. Trong 4
hành trình chỉ có hành trình thứ 3 là sinh công. Còn các hành trình khác là quá trình chuẩn bị
được thực hiện nhờ động năng của các khối lượng quay (trục khuỷu bánh đà) và công của các
xy lanh khác.
- Thời điểm đóng, mở supap, phun sớm nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm không trùng với
ĐCT hay ĐCD - được gọi là thời điểm phối khí.
- Việc lựa chọn thời gian phối khí có ảnh hưởng rất lớn đến công suất động cơ.
Thông thường góc phối khí được xác định bằng phương pháp thực nghiệm.
- Đối với động cơ tăng áp, các quá trình công tác giống như động cơ không tăng áp.
Điểm khác nhau cơ bản là khí nạp mới trong động cơ tăng áp được nén tới áp suất nhất định
(qua máy nén) sau đó mới nạp cho động cơ. Vì vậy áp suất khí nạp mới lớn hơn áp suất trong
lòng xy lanh cuối quá trình thải, nên khi khí nạp đi vào qua supap nạp thì áp suất trong xy
lanh giảm đi nhưng vẫn lớn hơn áp suất khí trời.
1.3 So sánh động cơ xăng và động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp
 Giống nhau: Quá trình giãn nở và thải tương tự nhau.

 Khác nhau: Khí hỗn hợp trên động cơ xăng được hình thành từ bên ngòai gồm không
khí và hơi nhiên liệu nhẹ.
 Do yêu cầu nhiên liệu phải bốc hơi nhanh trước khi vào supap nạp để tránh tiêu hao
nhiên liệu và làm xấu chất lượng dầu nhờn nên động cơ xăng phải sử dụng nhiên liệu dễ bốc
hơi như xăng, dầu hỏa,…

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

5


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

 Tỷ số nén của động cơ xăng nhỏ hơn động cơ diesel nên hiệu suất của động cơ xăng
nhỏ hơn động cơ diesel.
 Do không dùng tính tự cháy để làm bốc
cháy nhiên liệu nên động cơ xăng phải dùng
phương pháp đốt cháy cưỡng bức (bằng tia lửa
điện).
1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ
Động cơ 2 kỳ là động cơ trong đó chu trình
công tác được thực hiện trong 2 hành trình của
piston (hay một vòng quay trục khuỷu). Có nhiều
phương pháp nạp và thải khí khác
nhau nhưng sau đây là phương án đơn giản
nhất (phương án quét khí ngang) nhằm nêu bật
nguyên lý làm việc của động cơ 2 kỳ. Chu trình
công tác của động cơ được tiến hành như sau:

 Hành trình thứ nhất.
Hành trình giãn nở, piston đi từ ĐCT đến
ĐCD để thực hiện quá trình cháy, giãn nở và thải
sản vật cháy ra ngoài (hành trình sinh công hay
hành trình công tác).

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý
động cơ 2 kỳ quét ngang

Ở cuối hành trình giãn nở, khi đỉnh trên piston đi qua mép của cửa thải (các cửa thải
bố trí về một phía vách và chiếm gần 1/2 chu vi xy lanh) xy lanh được thông với bên ngoài,
sản vật cháy được thải ra khỏi xy lanh vì áp suất của khí lớn hơn bên ngoài - đó là thời kỳ
thải tự do - làm áp suất trong xy lanh giảm xuống bằng hoặc lớn hơn một chút so với áp suất
không khí.
Piston tiếp tục chuyển động đến khi đỉnh trên của nó đi qua mép của cửa quét (các cửa
quét bố trí phía bên kia vách xy lanh), khí quét có áp suất cao hơn áp suất không khí sẽ đi
vào xy lanh để đẩy nốt khí thải ra ngoài và nạp đầy vào xy lanh. Giai đoạn tiến hành đồng
thời việc nạp và thải khí gọi là giai đoạn quét khí.
Khi piston tiếp tục đi lên thì một chu trình công tác mới lại được bắt đầu.
 Hành trình thứ 2.
Hành trình nén, piston đi từ ĐCD đến ĐCT thực hiện các quá trình thải và quét khí
thải ra khỏi xy lanh đồng thời nạp và nén khí nạp mới vào xy lanh. Lúc đầu quá trình quét
khí và nạp khí mới còn tiếp tục cho đến khi cửa quét bị piston đóng lại. Từ lúc đóng cửa quét
đến lúc đóng cửa thải, trong xy lanh xảy ra hiện tượng lọt khí nạp mới.
Sau khi cửa thải được đóng (điểm a), quá trình nén bắt đầu, piston tiếp tục đi tới ĐCT
làm áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp cháy và khí sót tăng lên rõ rệt. Đến cuối quá trình nén,
tại điểm c’ tiến hành phun nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm.
Do đó, ở hành trình thứ 2, trong xy lanh của động cơ đã xảy ra các quá trình sau: kết
thúc quét và thải khí, nạp khí nạp mới, nén và bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu. Khi piston
tiếp tục chuyển động đi xuống thì một quá trình công tác mới lại được bắt đầu theo thứ tự

như đã nói ở trên.
* Kết luận: Qua một chu trình công tác của động cơ 2 kỳ ta thấy:
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

6


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

- Một chu trình công tác được thực hiện trong một vòng quay của trục khuỷu.
- Trong 2 hành trình có 1 hành trình sinh công.
- Áp suất khí quét phải lớn hơn áp suất khí trời, muốn vậy phải có bơm quét (hoặc máy
nén) do trục khuỷu dẫn động. Công suất tiêu hao cho việc dẫn động này chiếm khoảng 6%12% công suất động cơ.
- Có một phần hành trình của piston dùng vào việc thải và quét khí (đoạn oa).
- Khi quét khí có một bộ phận khí nạp mới bị hao hụt do lẫn trong sản vật cháy ra
ngoài.
Vì trong khí nạp mới của động cơ xăng có chứa hơi xăng nên chu trình 2 kỳ chỉ dùng
cho động cơ xăng có công suất nhỏ.
1.5 So sánh động cơ 2 kỳ và 4 kỳ
- Nếu các kích thước đường kính xy lanh (D), hành trình piston (S) và số vòng quay
bằng nhau thì về lý thuyết động cơ 2 kỳ có công suất lớn gấp 2 lần động cơ 4 kỳ. Nhưng thực
tế chỉ lớn hơn từ 1,6 – 1,8 lần vì một phần công suất phải dùng để thực hiện quá trình quét và
thải khí. Ngoài ra còn trích một phần công suất để dẫn động hệ thống tăng áp (thường khoảng
6% - 12% công suất của động cơ).
- Momen quay ở động cơ 2 kỳ đều hơn vì thời gian giữa các chu trình ngắn.
- Quá trình nạp và thải ở động cơ 4 kỳ hoàn hảo hơn, thời gian dài hơn, việc lựa chọn
góc phối khí tốt nhất thuận lợi hơn tuy kết cấu phức tạp hơn động cơ 2 thì.
- Ở động cơ 4 kỳ có thể dùng phương pháp tăng áp để tăng công suất động cơ dễ dàng

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

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

7


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

CHƯƠNG 2
CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ
2.1 Các loại chỉ tiêu kinh tế – Kỹ thuật
Để đánh giá chất lượng động cơ, người ta dùng các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật sau:
- Công suất .
- Giá thành một đơn vị công.
- Hiệu suất động cơ.
- Tuổi thọ.
- Trọng lượng.
- Kích thước bề ngoài,….
Tùy thuộc vào công dụng và điều kiện sử dụng động cơ mà các chỉ tiêu trên giữ những
vai trò chủ yếu khác nhau. Để hiểu rõ sự ảnh hưởng của chất lượng động cơ tới các loại chỉ
tiêu của thiết bị động lực hoặc phương tiện vận tải, chúng ta cần nghiên cứu khái niệm và nội
dung của các loại chỉ tiêu nói trên.
2.2 Công suất của động cơ
Công suất của động cơ nói lên yêu cầu của thiết bị động lực mà ta sử dụng. Công suất
có ích của động cơ là công suất thu được trên trục khủyu của động cơ. Đó là chỉ tiêu rất quan
trọng, nó không phụ thuộc vào công dụng và loại động cơ, việc nâng cao công suất có ích là
mục tiêu của công tác chế tạo và thiết kế bất kỳ một loại động cơ nào.

2.3 Giá thành một đơn vị công của động cơ
Được thể hiện bằng đồng (đ) trên một kw có ích giờ (hoặc mã lực có ích trong một
giờ). Nó bao gồm các chi phí dưới đây hợp thành:
-Chi phí về nhiên liệu.
-Chi phí về chế tạo động cơ.
-Chi phí cho việc sửa chữa và bảo dưỡng động cơ.
Mỗi loại chi phí trên đều phụ thuộc vào các thông số của động cơ.
Ví dụ: Chi phí về nhiên liệu chủ yếu phụ thuộc vào hiệu suất của động cơ, loại nhiên
liệu và thời gian làm việc của động cơ ở các chế độ công tác khác nhau. Chi phí về chế tạo
động cơ phụ thuộc vào kích thước, cấu tạo động cơ, phương thức sản xuất (hàng loạt hay đơn
chiếc), cường độ sử dụng. Chi phí cho sửa chữa động cơ phụ thuộc vào tuổi thọ và tính chất
phức tạp về mặt cấu tạo của động cơ.
2.4 Hiệu suất có ích của động cơ
Hiệu suất có ích của động cơ có liên quan tới chi phí về nhiên liệu, do đó có ảnh
hưởng tới giá thành một đơn vị công. Ngoài ra thời gian làm việc của động cơ mà không cần
bổ sung nhiên liệu dự trữ cũng phụ thuộc vào hiệu suất - Điều này rất quan trọng đối với loại
động cơ dùng cho vận tải.
2.5 Tuổi thọ của động cơ

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

8


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Tuổi thọ của động cơ là thời gian sử dụng động cơ giữa hai kỳ đại tu. Trị số này ảnh
hưởng tới giá thành một đơn vị công thông qua chi phí cho sửa chữa (quy về một đơn vị

công).
2.6 Trọng lượng của động cơ
Có liên quan tới chi phí kim loại dùng để chế tạo động cơ nên người ta thường tìm
cách giảm trọng lượng trong những điều kiện gần giống nhau, do đó giảm được gíá thành
một đơn vị công thông qua giảm chi phí chế tạo động cơ. Trong một vài trường hợp, đặc biệt
ở một vài loại thiết bị vận tải, việc giảm trọng lượng động cơ là một yêu cầu quan trọng vì dù
động cơ có tính kinh tế cao nhưng trọng lượng vẫn còn nặng thì nhìn chung cũng không có
lợi.
2.7 Kích thước bề ngoài động cơ
Kích thước bề ngoài của động cơ được xác định bằng ba kích thước dài, cao và rộng
giữa các điểm ngoài cùng. Kích thước bề ngoài của động cơ có ảnh hưởng quyết định tới việc
chọn cấu thành động cơ, số lượng và cách bố trí xy lanh, tỷ số giữa hành trình và đường kính
xy lanh. Ngoài ra người ta còn dùng các chỉ tiêu khác như tính thích ứng của động cơ, hiệu
suất đối với mỗi một chế độ làm việc khác nhau của động cơ (ngoài chế độ quy định) , chiều
cao trọng tâm,… để đánh giá chất lượng làm việc của động cơ, và trong một vài trường hợp
đặc biệt những chỉ tiêu này có thể quan trọng hơn những chi tiêu đã nói ở trên.
Qua sáu chỉ tiêu đã nói ở trên, công suất là chỉ tiêu quan trọng bậc nhất, sau đó là giá
thành một đơn vị công. Đối với loại động cơ tĩnh tại chỉ tiêu này (công suất) có tính chất
quyết định nếu tính cả giá thành xây dựng cơ bản. Trong một vài trường hợp khác thì chỉ tiêu
về giá thành có khi mâu thuẫn với một vài chỉ tiêu khác trong việc đánh giá động cơ.
Ví dụ: trong việc lựa chọn động cơ cho xe ôtô vận tải, động cơ A cho ta giá thành một
đơn vị công thấp do có hiệu suất và tuổi thọ cao hơn so với động cơ B. Nhưng động cơ A lại
có kích thước và trọng lượng bề ngoài lớn hơn B. Do vậy, khi dùng động cơ A thì lượng
chứa hàng của xe sẽ giảm đi và kết quả là số tấn cây số (t.km) trên công có ích của xe đối với
một đơn vị thời gian cũng bị giảm. Do đó chi phí cho một tấn cây số ở động cơ A có thể cao
hơn so với động cơ B. Như vậy việc lựa chọn động cơ phải tiến hành theo chi phí đối với một
đơn vị công của thiết bị vận tải chứ không chỉ đối với động cơ.
Tương tự như vậy ta cũng có thể đưa ra những ví dụ về việc lựa chọn động cơ dùng
cho các lĩnh vực khác. Các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của động cơ luôn luôn phụ thuộc vào
đặc tính của quá trình công tác. Đặc trưng một cách đầy đủ nhất cho chất lượng của quá trình

công tác của động cơ là hai thông số: Áp suất chỉ thị trung bình và hiệu suất chỉ thị của động
cơ cùng với các thông số phụ thuộc vào chúng như công suất và hiệu suất có ích của động cơ.
2.8 Áp suất chỉ thị trung bình
Áp suất chỉ thị trung bình là công của khí ứng với một đơn vị thể tích công tác trong
xy lanh cho một chu trình. Thứ nguyên (đơn vị) của áp suất chỉ thị trung bình là thứ nguyên
của áp suất, thí dụ nếu công của chu trình Li biểu thị bằng Nm hoặc Jun, thể tích công tác V h
biểu thị bằng m3, thì áp suất chỉ thị trung bình Pi bằng:
Từ công thức: Li = Pi .Vh
Ta có:

Pi =

Li
Vh

(Jun hoặn Nm)
(J/m3 hoặc N/m2)

(2-1)

Như vậy Pi là công của chu trình tính bằng Nm của 1m3 thể tích công tác của xy
lanh.Các định nghĩa có tính chất công thức hóa như trên về khái niệm áp suất chỉ thị trung
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

9


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

bình không những bao hàm ý nghĩa vật lý mà còn bao hàm thứ nguyên của nó nữa. Thông
thường Pi còn dùng đơn vị MN/m2 để biểu thị, lúc đó:
Pi =

Li
.10-6
Vh

(MN/m2)

(2-1a)

Thể tích công tác nói chung được xác định theo công thức (1-2), công của chu trình –
theo công thức ở nhiệt kỹ thuật bằng:
Li =  pdV

(Nm, J)

(2-2)

Trong đó: p – Áp suất thay đổi của khí trong xy lanh.
V – Thể tích xy lanh biến đổi theo góc quay của trục khuỷu, tích phân là
tính trong thời gian một chu trình (bốn kỳ hoặc hai kỳ).
Thay công thức (2-2) vào (2-1) ta được:
Pi =
Hay

Pi =

 pdV
(N/m2)
Vh

10 6
 pdV (MN/m2)
Vh

(2-3)
(2-3a)

Từ công thức (2-3) ta thấy để xác định Pi cần phải biết mối quan hệ giữa P và V, quan
hệ này ở dạng đồ thị chính là đồ thị công trong tọa độ P-V. Người ta đo đồ thị công bằng
máy đo công trong khi thí nghiệm. Máy đo công có loại trực tiếp cho ta đồ thị công trên tọa
độ P-V, có loại cho ta đồ thị công triển khai trên tọa độ P- , trong đó  là góc quay của trục
khuỷu. Tích phân trong công thức (2-3) được xác định bằng cách giải đồ thị ta được:



1
 pdV   pdV
Vh

Pi =

ht c/tác



(2-4)

ht.nén

Tích phân đầu trong ngoặc luôn lớn hơn không vì p>0, dv>0; Tích phân thứ hai nhỏ
hơn 0 vì khi nén dv<0. Từ công thức (2-4) ta có thể viết đơn giản hơn như sau:
 pdv

/ Vh

= Pct

(2-5a)

= Pn

(2-5b)

ht công tác
-  pdv

/ Vh

ht nén
Trong đó: Pct và Pn – Áp suất trung bình ở hành trình công tác và hành trình nén.
Công thức (2-4) cuối cùng có dạng:
Pi = Pct - Pn

(2-6)

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

suất chỉ thị trung bình của chu trình là hiệu số giữa áp suất trung bình của hành trình công tác
với áp suất trung bình của hành trình nén.
Định nghĩa về khái niệm Pi tương đối đầy đủ nhất và có ứng dụng thực tế là định nghĩa
trong đó có tính đến cả công của hành trình “bơm“. Để tránh nhầm lẫn, các chương sau chỉ
dùng định nghĩa về Pi theo công thức ( 2-4) và (2-6).
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

10


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Trị số của Pi đối với các loại động cơ không tăng áp thường trong khoảng Pi = 0,3 – 1,0
MN/m2. Còn đối với động cơ tăng áp có thể đạt tới 2,0 MN/m2.
2.9 Công suất của động cơ
2.9.1 Công chỉ thị của chu trình: là công do khí sinh ra trong xy lanh đối với một chu
trình và được xác định bằng đồ thị công.
Li = Pi.Vh (Nm)

(2-7)

Trong đó: Li là công chỉ thị của chu trình, Nm.
Vh là thể tích công tác của xy lanh, m3.
Pi là áp suất chỉ thị trung bình, N/m2.
Trong công thức (2-7) nếu Pi tính theo công thức (2-6) thì Li là công chỉ thị của chu
trình trong đó không tính đến công của hành trình “bơm”. Nếu Pi tính theo công thức (2-3)
thì Li là công chỉ thị của chu trình trong đó có tính đến công của hành trình “bơm”.
2.9.2 Công suất chỉ thị của động cơ: là công suất ứng với công chỉ thị của chu trình.

Ni = Li.m

( Nm/s)

Trong đó: m = 2n /  (chu trình / s) là số chu trình trong một giây của xy lanh.
Với: n là số vòng quay trong một giây của trục khuỷu.
 là số kỳ trong một chu trình.
Do đó công suất chỉ thị của một xy lanh bằng: Ni =
Và công suất chỉ thị ứng với i xy lanh bằng: Ni =

2nLi



2niLi







2nPiVh



2niPiVh



( W)

(2-8)

Trong trường hợp các xy lanh có thể tích không giống nhau thì:
Ni = 2n(Li + Li + … ) / 

(2-8a)

Nếu tính Pi = MN/m2; Vh = lít ( dm3) và n = v/phút , thì công suất chỉ thị của động cơ
bằng:
Ni =

PiVh ni
( kW)
30

(2-9)

2.9.3 Công suất có ích: là công đo được tại đầu ra của trục khuỷu, ở đó công củađộng
cơ được truyền đến nững nơi cần năng lượng (hộp số hoặc máy công tác). Công suất có ích
của động cơ nhỏ hơn công suất chỉ thị một trị số bằng công của tất cả các lực cản tác dụng
trong cơ cấu của động cơ, gồm:
-Công tiêu hao cho ma sát.
-Công dùng để dẫn động các cơ cấu phụ ( bơm nước, bơm nhớt, bơm nhiên liệu,…)
-Công dùng để dẫn động các cơ cấu phân phối khí.
-Tổn thất “ bơm” , tức là những lực cản ở hành trình “bơm” của piston (hành trình nạp
và thải trong động cơ 4 kỳ) và quay máy nén khí tăng áp cho động cơ.Tổn thất công trong
một giây của tất cả các loại trở lực đó hợp thành công suất cơ giới (Nm), do đó công suất có
ích của động cơ bằng:

Ne = N i – Nm
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

(KW)

(2-10)
11


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Tỷ số giữa công suất có ích chia cho công suất chỉ thị gọi là hiệu suất cơ giới của động
cơ:
m =

Ne
Ni

(2-11)

Hiệu suất cơ giới của động cơ đốt trong thường nằm trong khoảng m = 0,65 – 0,93.
Tích số giữa áp suất chỉ thị trung bình với hiệu suất cơ giới gọi là áp suất có ích trung bình
của động cơ.
Pe = Pi. m (N/m2 hoặc MN/m2)

(2-12)

Như vậy, nếu Pe tính theo MN/m2 thì ta có:

N e = Ni .  m =

PiVh ni
P V ni
m = e h (KW)
30
30

(2-13)

Qua công thức (2-13) ta thấy mối quan hệ giữa Ne và Pe giống như mối quan hệ giữa Ni
và Pi. Từ đó ta có thể rút ra một định nghĩa có tính khái quát với Pe là: áp suất có ích trung
bình là công có ích cho một chu trình ứng với một đơn vị thể tích công tác của động cơ và
được biểu thị bằng N/m2 ( hoặc kG/cm2 ).
Về mặt sức bền, độ tin cậy khi làm việc và tuổi thọ của mỗi động cơ thường được tính ở
số vòng quay quy định n (v/p) - được chọn căn cứ vào điều kiện làm việc của động cơ. Ở số
vòng quay quy định, động cơ có thể phát ra công suất từ Ne = 0 (không tải) đến công suất quy
định Neqđ – Công suất mà nhà chế tạo cam đoan, trong đó có tính đến các điều kiện sử dụng
(ổn định và liên tục, không ổn định và công suất luôn luôn thay đổi– Ví dụ).
Có thể tăng công suất động cơ lớn hơn công suất quy định trong một thời gian ngắn.
Công suất cực đại trong quá trình sử dụng động cơ có khi trùng với công suất quy định, có
khi cao hơn công suất quy định. Tỉ số giữa công suất động cơ và công suất quy định, chọn là
100% - gọi là phụ tải tương đối của động cơ biểu thị theo phần trăm. Phụ tải tương đối lớn
hơn 100% gọi là động cơ quá tải. Thông thường quá tải không cho phép đến 10%, thậm chí ở
một số động cơ không cho phép quá tải (tùy thuộc vào điều kiện sử dụng).
2.10 Hiệu suất của động cơ
Trong nguyên lý động cơ thường sử dụng các khái niệm về hiệu suất như:
- Hiệu suất có ích e: Là tỉ số giữa nhiệt lượng tương đương với công có ích chia cho số
nhiệt lượng do nhiên liệu phát ra.
e =

Ne
Gnl QH

(2-14)

Trong đó : Gnl – Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giây tính theo Kg/s hoặc m3/s
QH - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu tính theo J/ kg hoặc J/m3.
Ne - Công suất có ích tính theo W hoặc J/s
Hoặc tính theo suất tiêu hao nhiên liệu:
ge =

G nl
( kg/ws hoặc m3/ws)
Ne

Còn hiệu suất có ích được tính bằng: e =
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

1
g e QH

(2-15)
(2-16)
12


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Trong thực tế thí nghiệm động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu G nl thường được tính theo
số kg trong một giờ và công suất có ích đo bằng KW. Do đó:
Gnl
.10 3 (g/Kwh)
Ne

ge =

(2-15a)

3,6.10 3
e =
g e QH

Khi đó:

(2-16a)

-Hiệu suất chỉ thị i của động cơ: Là tỉ số giữa lượng nhiệt tương đương với công chỉ
thị của động cơ so với nhiệt lượng do nhiên liệu phát ra:
i =

Ni
Gnl QH

i =

Hoặc:

(2-17)

1
g i QH

Trong đó: gi – Là hiệu suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị, tính bằng:
gi =

G nl
Ni

(Kg/ws hoặc m3/ws)

(2-18)

Từ các công thức (2-15) và (2-18) ta được: geNe = giNi = Gnl
Nếu xét cả công thức (2-11) ta được: gi =

ge Ne
 g e m
Ni

(2-19)

Từ các công thức (2-19), (2-17) và (2-16) ta có:
i =
Hoặc:


1

1

 e
g i QH g e m QH  m

(2-20)

 e =  i.  m

Hiệu suất chỉ thị của các loại động cơ thường trong khoảng i = 0,22 – 0,5
2.11 Giá thành một đơn vị công:
Giá thành một đơn vị công là một chỉ tiêu kinh tế quan trọng đặc trưng cho chất lượng
sử dụng động cơ. Nó gồm một số bộ phận như: giá thành nhiên liệu, giá thành bản thân động
cơ, giá thành sử dụng, giá thành sửa chữa tính cho một đơn vị công (một Kw có ích giờ).
Gọi giá tiền một đơn vị nhiên liệu là Xnl, ta có thể tính giá thành nhiên liệu dùng cho
một động cơ:
Xnl. ge =

3,6.10 3 X nl
(đồng/ Kw có ích giờ)
 e QH

Gọi giá tiền động cơ là Xđ và thời gian phục vụ của nó là Tđ (tính theo giờ) ta có thể
tính được giá thành động cơ ứng với một đơn vị công là:
Xđ
Tđ N e

(đồng / Kw có ích giờ)

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

Xsd và số giờ làm việc của động cơ trong một năm là Tg. Thì giá thành sử dụng cho một đơn
vị công tương ứng là:
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

13


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

X sd
(đồng / Kw có ích giờ)
Tg N e

Gọi giá thành sửa chữa động cơ (đại tu, trung tu, bảo dưỡng và kiểm tu) là X sc trong
toàn bộ thời gian phục vụ Tđ của động cơ, ta có thể tính được giá thành một đơn vị công
tương ứng là:
X sc
(đồng / Kw có ích giờ)
Tđ N e

Tổng cộng, ta có giá thành toàn bộ cho một đơn vị công của động cơ là:
3,6.10 3 X nl
1  X đ  X sc X sd 
X=
(đồng/Kw có ích giờ )


 e QH

N e 
Tđ
Tg 

Qua công thức tính X ta thấy:
-Tăng e sẽ giảm được X. Vì vậy một trong những phương hướng chủ yếu của công
nghiệp chế tạo ôtô là tăng hiệu suất có ích của động cơ.
-Tăng Ne và Tđ cũng có ý nghĩa lớn trong việc giảm giá thành X.

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

14


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Chương 3
CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
3.1 Khái niệm chung:
Trong động cơ đốt trong sự biến đổi từ nhiệt năng sang cơ năng là một quá trình phức
tạp. Các quá trình này hợp thành một chu trính kín, hở và không thuận nghịch. Nó xảy ra phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như phương pháp hình thành hỗn hợp, kết cấu của động cơ (tỉ số nén,
góc phối khí,…) và chế độ làm việc của động cơ. Nghên cứu một chu trình như vậy gặp rất
nhiều khó khăn, rất khó đánh giá mức độ tốt xấu chung.
Để nghiên cứu được dễ dàng, người ta thay thế các quá trình phức tạp trên bằng các
quá trình đơn giản và lược bỏ các tổn thất về năng lượng do ảnh hưởng của các quá trình
thực tế. Ta có chu trình lý tưởng.
Để đánh gíá mức độ hoàn thiện của các quá trình riêng biệt và toàn bộ chu trình trong

các loại động cơ. Chúng ta cần phải tìm hiểu khả năng sử dụng nhiệt đặc biệt của chu trình lý
tưởng, là ngoài tổn thất cho nguồn lạnh không có mất mát nào khác. So sánh hiệu suất nhiệt
của chu trình lý tưởng và thực tế để xác định mức độ hoàn thiện của chu trình và đề ra
phương pháp nâng cao tính kinh tế và công suất của động cơ.
Khi nghiên cứu chu trình lý tưởng người ta giả thiết rằng:
Số lượng môi chất công tác trong xy lanh động cơ hoàn toàn không thay đổi.Như vậy
không có quá trình thải và nạp khí vào xy lanh.
Nhiệt lượng được cấp từ bên ngoài vào chu trình - như vậy không có phản ứng hóa học
xảy ra giữa nhiên liệu và ôxy của không khí (thành phần hóa học của môi chất công tác
không thay đổi trong suốt chu trình. Không tính đến những tổn thất nhiệt phát sinh khi nhiện
liệu cháy). Như vậy việc chuyển nhiệt sang công trong chu trình lý tưởng là lớn nhất.
3-Tỉ nhiệt của môi chất công tác không thay đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ (thực
tế nó phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần môi chất công tác).
4-Quá trình nén và giãn nở là đoạn nhiệt – không có sự trao đổi nhiệt với môi trường
xung quanh. Do đó không tính đến tổn thất nhiệt trong quá trình nén và giãn nở. Chỉ tiêu chủ
yếu của bất kỳ một chu trình nào cũng được đánh giá trên 2 mặt:
3.1.1

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

lượng nhiệt đã chuyển biến thành công với lượng nhiệt cung cấp cho môi chất công tác.
t =

Q1  Q2
Q L
1 2  T
Q1
Q1 Q1

( 3-1)

Trong đó:
Lt: Công sinh ra của 1Kmol môi chất công tác trong một chu trình (J/kmol ).
Q1: Số nhiệt lượng cung cấp cho môi chất công tác (J/kmol ).
Q2: Số nhiệt lượng thải ra (j/kmol ).
Q1 – Q2: Số nhiệt lượng được lợi dụng có ích (chuyển sang công).
3.1.2 Tính hiệu quả: Được đặc trưng bởi công đơn vị của chu trình tức là công tương
ứng Với một đơn vị thể tích công tác của xy lanh.
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

15


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Pt = Lt/ Vh ( Nm/m hoặc N/m2 )
3

(3-2)

Trong đó Lt: Công của một chu trình (J hoặc Nm)
Vh = Vmax – Vmin: Thể tích công tác của xy lanh tức là hiệu số giữa thể tích lớn nhất
và nhỏ nhất của môi chất công tác trong chu trình (m3).
Pt : Công đơn vị hay áp suất bình quân của chu trình.
Qua công thức (3-2) cho thấy về mặt số trị thì công đơn vị bằng áp suất giả thiết
không đổi pt, tác dụng lên piston trong khoảng thời gian ứng với sự thay đổi thể tích từ
Vmax đến Vmin. Vì vậy trị số pt còn được gọi là áp suất bình quân của chu trình.
Công đơn vị của chu trình càng lớn thì kích thước xy lanh công tác của động cơ cần có

để thu được công suất đã cho sẽ càng nhỏ.
Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong có thể chia làm 4 loại chủ yếu dưới đây:
1- Chu trình lý tưởng tổng quát: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra cả ở
trạng thái thể tích không đổi (V = const) và trạng thái áp suất không đổi (p = const).
2-Chu trình đẳng tích: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra ở trạng thái thể tích
không đổi (V = const).
3-Chu trình đẳng áp: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt diễn ra ở trạng thái áp suất
không đổi (p = const).
4- Chu trình hỗn hợp: Là chu trình mà quá trình cấp nhiệt có một bộ phận tiến hành ở
thể tích không đổi (V = const) và một bộ phận tiến hành ở áp suất không đổi (p = const).
3.2 Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong
3.2.1 Chu trình lý tưởng tổng quát ( H.3.1a)
Trên hình vẽ ta có:
- Các quá trình nén và giãn nở đoạn nhiệt (ac và zb) nên không có sự trao đổi nhiệt.
- Q’1 nhiệt lượng cấp vào ở trạng thái đẳng tích, Q’’1 nhiệt lượng cấp vào ở trạng thái
đẳng áp.
- Q’2 nhiệt lượng nhả ra ở trạng thái đẳng tích, Q’’2 nhiệt lượng nhả ra ở trạng thái
đẳng áp.
Số lượng nhiệt cấp vào ở một chu trình (KJ/kg): Q1= Q’1 + Q’’1
Q1 = mCv(Ty-Tc) + mCp(Tz-Ty)

(3-3)

Ở đây: mCp và mCv là tỉ nhiệt mol đẳng áp và đẳng tích, (KJ/KgS)
Tz, Tz’, Tc là nhiệt độ của chu trình tại các điểm Z,Z’ và C.
Nhiệt lượng nhả cho nguồn lạnh: q2 = q’2 + q’’2.
Q2 = mCv(Tb-Tf) + mCp(Tf-Ta)

(3-4)

Ở đây: Tb, Tf, Ta là nhiệt độ của chu trình ứng với các điểm b,f,a.
Khi đó hiệu suất của chu trình:
Trong đó: k = mCp/mCv gọi là chỉ số đa biến.
Theo hình (3-1) ta quy định:
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

16


Nguyễn Chí Hùng
Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong
(Tb  T f )  k (T f  Ta )
mCv(Tb  T f )  mCp(T f  Ta )
Q
t  1  2  1 
(3-5)
1
Q1
(T y  Tc )  k (Tz  T y )
mCv(T y  Tc )  mCp(Tz  T y )

p

z'

z

q1v

c

pV=const
lt

Pt

lt
a
Vc
Va
Vf=Vb

b q2v
f

V

a. chu trình lý tưởng tổng quát

b. chu trình lý tưởng đẳng tích

Hình 3.1: Đồ thị của chu trình lý tưởng trên đồ thị p-v
Giải thích các thông số:
 =Va/Vc :Tỉ số nén
 = Pz/Pc: Tỉ số tăng áp suất khi cấp nhiệt trong quá trình đẳng tích (v =const).
 = Vz/Vc :Tỉ số giãn nở ban đầu khi nhiệt lượng cấp vào trong quá trình đẳng áp
(p=const).
 = Vb/Vz :Tỉ số giãn nở sau.
’= Vb/Va = Vf/Va: Tỉ số nén trước khi nhả nhiệt cho nguồn lạnh trong quá trình
đẳng áp.
Ta rút ra hệ thức:  / = /’.

Để có được biểu thúc cuối cùng tính toán hiệu suất nhiệt cuối cùng của chu trình theo
các giá trị từ phương trình nhiệt động, từ các quá trình riêng biệt, từ các biểu thức nhiệt độ
trong công thức (3-5) ta đưa về nhiệt độ ban đầu của quá trình nén Ta.
Tc = Ta(Va/Vc)k-1 = Ta.(k-1)

Trong đó k là chỉ số đoạn nhiệt

Ty = Tc(Py/Pc) = Tc  = Ta.(k-1)  (Vì Py = Pc )
Tz = Ty(Vz/Vy) = Ty. = Ta.(k-1) 
Tb = Tz(Vz/Vb)k-1 = Ta. .(k-1)(1/)k-1= Ta.’(/’)k-1
Tf = Ta.’
Ta tính được Q1 và Q2 bằng cách thế các giá trị của nhiệt độ tại các điểm tương ứng vào
công thức (3-3) và (3-4).
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

17


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Q1 = mCv(Ta.  + K(Ta.. ) – (Ta.k-1)
k-1

k-1

= mCv.Ta.k-1. -1+ K( -1)

(3-6)

Q2 = mCv Ta.(/’)k-1 -Ta.’  + K(Ta.’–Ta)
= mCvTa’ (/’)k - 1 + K(’– 1)

(3-7)

Thế kết quả (3-6),(3-7) vào (3-5) ta có:
   k 
 '     1  k  '1
  ' 

1
 t  1  k 1 
  1  k   1


(3-8)

Áp lực trung bình của chu trình tổng quát:
Pi = Lt/Vh = Lt/ (Vf – Vc)

(3-9)

Trong đó:
Vf – Vc = Vc(Vf/Vc – 1) = Vc ( VfVa/VaVc – 1)
= Va/ (’ – 1)
Từ công thức (3-1) ta có:

(3-10)
Lt = Q1.t

(3-11)

Thế (3-10) và (3-11) vào (3-9):
Pt 

mCvTa k 1t   1  k (   1)
Va ( '1)

(3-12)

Theo giáo trình nhiệt kỹ thuật: mCv = R/k-1 và Pa = RTa/Va
Trong đó R là hằng số chất khí, thế vào phương trình trên và cuối cùng mà ta nhận
được:
Pa
k
Pt 
t   1  k (   1)( N / m 2 )
k  1 ( '1)

(3-13)

Từ công thức trên ta thấy tỉ số nén  , hiệu suất nhiệt của chu trình t và áp suất nén ban
đầu Pa càng cao thì áp suất bình quân của chu trình càng lớn. Sự ảnh hưởng của các thông số
còn lại như , ,  và k tới Pt sẽ được nghiên cứu trong các phần của chu trình riêng biệt.
3.2.2. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích
Hình (3.1b) trên tọa độ P-V và T-S cho thấy nhiệt lượng cấp vào q1 và nhiệt lượng
nhả ra q2 xảy ra khi thể tích công tác của xy lanh không đổi.
Vh = Va-Vc = Vmax-Vmin = (.D2).S/4

(mm3)

Trong đó: D, S là đường kính và hành trình piston (m).
S = 2R (R: bán kính quay của trục khuỷu)
Quan sát chu trình ta thấy nó khác với chu trình tổng quát là không có quá trình nhả
nhiệt đẳng áp Fa và cấp nhiệt đẳng áp Z’Z (H.3-1).
Bởi vậy trong trường hợp này =1 và ’=1. Thế các giá trị của  và ’ vào công thức
(3-8) và (3.13) ta được:
t  1 

1

 k 1

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

18


Nguyễn Chí Hùng

Pt 

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

pa 
t (  1)
k  1 (  1)
k

(3-14)

3.2.3 Chu trình cấp nhiệt đẳng áp
Hình (3.2a) trên tọa độ P-V và T-S cho thấy nhiệt lượng cấp vào q1 trong điều kiện
đẳng áp và nhiệt lượng nhả ra cho nguồn lạnh q2 trong quá trình đẳng tích. Đối với trường
hợp này  =1 và  =1, thay các giá trị này vào biểu thức (3-8) và (3-13) ta được:
t  1 

1

 k 1

 k 1 k (   1)

và Pt 

Pa  k
t k (   1)
k  1 (  1)

a. chu trình lý tưởng đẳng áp

(3-15)

b. chu trình lý tưởng hỗn hợp

Hình 3.2: Đồ thị của chu trình lý tưởng trên đồ thị p-v
3.2.4 Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
Hình (3.2b) trên tọa độ P-V và T-S cho thấy một phần nhiệt lượng q’1 cấp vào ở trạng
thái đẳng tích, còn một phần của nó q’’1 được cấp vào ở trạng thái đẳng áp. Nhiệt lượng nhả

cho nguồn lạnh q2 ở trạng thái đẳng tích.
Quan sát chu trình ta thấy nó khác với chu trình tổng quát là không có quá trình nhả
nhiệt đẳng áp Fa. Bởi vậy trong trường hợp này ’=1. Thế các giá trị của ’ vào công thức
(3-8) và (3.13) ta được:
t  1 

1

 k  1

 k 1 (  1)  k (   1)

Pt 

Pa
k
t   1  k (   1)
k  1 (  1)

(3-16)

3.3. Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp.
Động cơ tăng áp là một tổ hợp thiết bị bao gồm: bản thân động cơ, tuốc bin khí làm
việc bằng khí thải và máy nén dùng để cung cấp không khí (hoặc hỗn hợp công tác) có áp
suất cao hơn áp suất khí trời và xy lanh (Pk >Po).
Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp xảy ra trong cả phần động cơ piston và cả phần
tuộc bin máy nén.
Những động cơ hiện đại người ta sử dụng rộng rãi phương pháp dùng tuộc bin khí thải
để dẫn động máy nén. Khí thải của động cơ có áp suất và nhiệt độ tương đối cao, chứa một
phần nhiệt năng chưa sinh công khá lớn. Người ta tận dụng năng lượng đó để sinh công bằng

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

19


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

cách cho khí thải tiếp tục giãn nở đến áp suất khí trời trong các cánh tuốc bin. Công thu được
từ tuốc bin cung cấp cho máy nén khí nạp vào động cơ và thực hiện tăng áp.
Tùy theo áp suất trước tuốc bin người ta chia thành tuốc bin biến áp và tuốc bin đẳng
áp.
3.3.1 Tuốc bin biến áp:
Khi súp páp thải mở, sản vật cháy của động cơ được dẫn thẳng đến tuốc bin. Như vậy,
việc giãn nở tiếp tục của khí thải được tiến hành đồng thời trong xy lanh và trong cánh tuốc
bin. Vì vậy tuốc bin làm việc ở áp suất biến đổi giảm dần với sự lợi dụng động năng của
dòng khí đi từ xy lanh đến các cánh công tác của tuốc bin. Để thực hiện được quá trình giãn
nở thêm của khí thải trong tuốc bin, người ta bố trí tuốc bin rất gần xy lanh động cơ để sao
cho dung tích đường ống nối từ xy lanh đến tuốc bin là nhỏ nhất.
Như vậy tỷ số nén của toàn bộ thiết bị:
o = k. =Vo/Vc .
Quan sát hình ta thấy chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp là trường hợp đặc biệt của
chu trình lý tưởng tổng quát không có quá trình nhả nhiệt đẳng tích ( =1 ). Vì vậy muốn tính
t(y) và Pt(y) của chu trình chỉ cần biến đổi để tìm giá trị của (/’)k để thay vào công thức
và ta có:
Tf = To. ’ = Tz/  k-1 = Tk()k-1 / (’)k-1
Trong đó:  = Vf / Vz = ’/
Vì: To = Tk/  k-1
Do đó:

To’ = ’( Tk/  k-1 ) = Tk()k-1 / (o’)k-1

Từ đó rút ra: ’ =

k / (’)k-1

(/’)k = 1

Hay:

(3-17)

Ta thay kết quả này vào công thức (3-8) và chú ý rằng:
0 = k. và (’) k = k
ty  1 

1

0

k 1

k  '1
  1  k   1

(3-18)

Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích khi v = const và  = 1 thì:
ty(v)  1 



k

 '1

k 1
0

(  1)

(3-19)

Đối với chu trình cấp nhiệt đẳng áp khi p = const và  = 1 thì:
ty(p)  1 

k



k 1
0

 '1
k (   1)

(3-20)

Từ công thức (3-12) ta tính Pt:

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

20


Nguyễn Chí Hùng

Pt 

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Po 
t   1  k   1
k  1 (  1)
k
o

(3-21)

Đối với trường hợp  = 1 thì :
Po  ok
t (v )   1
k  1 (  1)

Pt(v) 

(3-22)

Đối với trường hợp  = 1 thì:

Pt(p) 

Po  ok
 t ( p ) k   1
k  1 (  1)

(3-23)

3.3.2 Tuốc bin đẳng áp
Khi khí thải từ xy lanh đi ra được tích vào một thùng chứa, sẽ tạo được áp suất không
đổi trước khi dẫn vào tuốc bin và trong trường hợp này không lợi dụng được động năng của
dòng khí lưu động từ xy lanh vào cánh tuốc bin. Nhưng khí thải trong thùng chứa có dung
tích lớn hơn của xy lanh, nên áp suất khí thải giảm đi, tốc độ của dòng khí cũng giảm xuống.
Động năng lúc đó biến thành nhiệt năng. Do vậy nhiệt độ của khí trước khi vào tuốc bin tăng
lên.
Nếu toàn bộ nhiệt lượng cấp vào trong chu trình hỗn hợp bằng Q1 (J/Kmol) thì lượng
nhiệt thải ra của chu trình đó cũng chính là nhiệt lượng cấp vào của chu trình và bằng:
Q = Q1( 1- t(v) ) 





Q1  k  1
 k 1   1  k   1

Hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng của tuốc bin máy nén, theo công thức (3-14):
t(v) = 1 

1

 k k 1

Lúc đó lượng nhiệt thải ra trong chu trình, tức là của toàn bộ thiết bị sẽ bằng:
Q2 = Q( 1- t(v) ) =

Q

k



k 1





Q1  k  1

 k    1  k   1
k 1

Hiệu suất nhiệt của chu trình toàn bộ thiết bị dùng Q1 và Q2 để biểu thị sẽ có dạng sau:
t(v) = 1 
= 1

Q2
Q1

 k 

k 1





1
  1  k   1
k

(3-24)

Trong đó: o = .k là tỷ số nén tổng cộng thiết bị.
Và áp suất trung bình cho bản thân động cơ là:
Pt(v) 

Pk  k ty   1  k   1

k  1  1

(3-25)

Từ biểu thức (3-23) và (3-8) ta thấy hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ tăng áp bằng
tuốc bin đẳng áp chính bằng hiệu suất nhiệt của chu trình hỗn hợp của động cơ không tăng áp
t có tỷ số nén , mà tỷ số nén của nó là tỷ số nén của toàn bộ thiết bị o = .k.
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

21

Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Từ các biểu thức (3-24) và (3-12) ta cũng thấy khi tăng áp bằng tuốc bin thì hiệu suất
nhiệt của chu trình cũng tăng, rõ nhất là trong chu trình cấp nhiệt đẳng áp thì mức độ tăng
của t càng cao. Áp suất bình quân Pt(y) tăng rất nhanh do tỷ số nén, áp suất nạp vào động cơ
và t đều tăng.
3.4. Chu trình lý tưởng động cơ tăng áp dẫn động bằng cơ khí
Hiệu suất nhiệt ty của chu trình toàn bộ thiết bị – Có tính đến công tiêu hao để dẫn
động máy nén được biểu thị như sau:
ty  Ltđ 
=  tđ 

Ltk
L
  tđ  tk
Q1
Q1

Ltk
 tđ   tđ 1   k 
Ltđ

Trong đó: k =

(3-26)

Ltk
: là công tương đối của máy nén.
Ltđ

Q1: Lượng nhiệt cấp vào cho chu trình.
tđ: Hiệu suất nhiệt của chu trình lý tưởng hỗn hợp của động cơ tăng áp.
Hình 3.3 Đồ thị chu
trình lý tưởng của
động cơ tăng áp
truyền động bằng cơ
khí trên tọa độ P-V
và T-S

Công của bản thân động cơ được tính (dựa vào hình vẽ và các công thức tính Q1, Q2):
Ltđ = mcvTk ok-1 -1+ k( - 1)tđ
Trong đó: o là tỷ số nén của cả thiết bị, o= Vo/Vc = k
 là tỷ số nén của bản thân động cơ, = Vk/Vc
k là tỷ số nén ban đầu của máy nén, k=Vo/Vk
Theo giáo trình nhiệt kỹ thuật, công chu trình lý tưởng của máy nén bằng:

k
 P
Ltk 
RT0  k
k 1
 P0


Với:

R
mcv

 k 1 


k 






k

 1 
RT0  k k 1  1
 k 1






 k 1

Ta tính được công tương đối của máy nén:
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

22

Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong





 k

k 1
 k  1 RT0  k  1 
Ltk
k =
=
Ltđ mcvT0 k k 1 k 1   1  k   1 tđ

k =

k 

0

k 1

k 1
k



1

  1  k   1 tđ

Sau khi thay giá trị của k vào phương trình (3-26) ta được:
ty   tđ 

k 

0

k 1

k 1
k



1

(3-27)

  1  k   1

Qua công thức trên ta thấy hiệu suất nhiệt của động cơ dẫn động bằng cơ khí nhỏ hơn
hiệu suất nhiệt của bản thân động cơ khi chưa tăng áp do tiêu hao một phần để dẫn động máy
nén. Phần tổn thất công để dẫn động máy nén càng lớn nếu như tỉ số nén của động cơ và
lượng nhiệt cấp vào càng nhỏ (lượng nhiệt cấp vào Q1 = mcvTkk-1-1+ k( - 1)

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

Ltđ  Ltk
Ltk Ltđ
 Ptđ 
 Ptđ 1   k 
Vh
Ltđ Vh

k 



Pt = Ptđ 1 


0

k 1




2
 (N/m )
  1  k   1 tđ 
k 1

k

1

(3-28)

Trong đó Ptđ là áp suất bình quân của chu trình lý tưởng hỗn hợp của động cơ khi chưa
tăng áp (công thức 3.16).
Ptđ 

Pk
k
  1  k   1 tđ (N/m2 )
(k  1) (  1)

Thay biểu thức ptđ vào phương trình (2-28), ta được áp suất bình quân của chu trình
toàn thiết bị pty:
Pty 



 





Pk
 0 k 1   1  k   1 tđ 1  k  k k 1  1
  1 k  1

(3-29)

Hình 3.4 Quan hệ
giữa ty, Ptd, Pty và k của
chu trình lý tưởng động cơ
tăng áp truyền động bằng
cơ khí với chỉ số tăng áp
Pk
P0

(

=14;

A=2,25;

=2,1; =1,4)
Trên hình 3.4 biểu thị mối quan hệ của hiệu
suất ty,
áp suất bình quân (công đơn vị) ptd, pty của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp truyền đối
với máy nén  K với áp suất (tỷ số) tăng áp
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

pK
.
p0
23


Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

Qua các đường cong ta thấy, hiệu sấut nhiệt ty giảm, khi tăng áp suất tăng áp pK, đó là
do tiêu hao một phần công có ích vào việc dẫn động máy nén. Đối với điều kiện đã cho (hình
3.4) khi tăng áp suất tăng pK lên 100% (từ 0,1 MN/m2 đến 0,2 MN/m2) ty giảm đi 6,6% (từ
0,637 đến 0,595).
Mức độ tăng của áp suất pty chậm hơn so với ptd khi tăng pK. Thí dụ cùng tăng pK lên
100% (từ 0,1 MN/m2 đến 0,2 MN/m2) áp suất bình quân pty chỉ tăng 89% (từ 1,1 đến 2,08
MN/m2), công thương đối của máy  x tương ứng tăng từ 0 đến 0,062.
Mặc dầu có tiêu hao một phần công hữu ích để dẫn động (quay) máy nén dùng vào việc
tăng áp, nhưng sử dụng tăng áp sẽ cho phép tăng áp suất bình quân pty lên rất nhiều, làm tăng
công suất của động cơ, không làm giảm nhiều hiệu suất có ích  e của động cơ.
Sở dĩ như vậy là vì trong động cơ thực tế hiệu sấut của chu trình  e giảm đi nhưng hiệu
suất cơ giới mr khi tăng áp lại được tăng lên, vì công tuyệt đối của các tổn thất cơ giới trong
động cơ khí chuyển sang tăng áp giữ gần như không đổi của các tổn thất cơ giới torng động
cơ truyền khi chuyển sang tăng áp giữ gần như không đổi, đồng thời trong lúc đó chỉ công
chỉ thị tại tăng lên rất nhiều.
Nên chú ý là khi nghiên cứu chu trình công tác của động cơ tăng áp truyền động bằng
cơ giới, công tiêu hao để dẫn động máy nén thông thường quy về tổn thất cơ giới.
Chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp truyền động bằng cơ giới mà ta nghiên cứu trên
là chu trình hỗn hợp. Tất cả những điều trình bày ở trên cũng hoàn toàn đúng cho hai trường
hợp khác: chu trình cấp nhiệt bằng áp p = coust (  1) và chu trình cấp nhiệt đẳng tích V =
cost (  =1)
Các biểu thức về ty ,td , ptd , Ltd, và  K của những chu trình này có thể rút ra từ các
phương trình tương ứng đã trình bày ở trên của chu trình hỗn hợp bằng cách thay vào chúng
  1 hoặc  = 1.
3.5. Chu trình lý tưởng động cơ tăng áp dẫn động bằng tuốcbin
Trong tất cả những chu trình lý tưởng đã
nghiên cứu của động cơ hoặc không tăng áp,

hoặc tăng áp truyền động bằng cơ giới đều có
một đặc điểm là khi thải từ các xylanh thải
thẳng ra khí trời được biểu thị bằng sự nhà
nhiệt ở thể tích không đổi V =const. Biểu
thức của thông số xác định quá trình nhả
nhiệt có dạng ơ =  k .
Đối với động cơ hiện đại, người ta sử
dụng rộng rãi phương pháp tăng áp dùng tuốc
bin khí để dẫn dòng máy nén, tuốc binhkhí chạy
Hình 3.5 Đồ thị của chu
bằng năng lượng của khí thải động cơ. Khi sản
trình lý tưởng của động cơ
vật cháy sau khi giãn nở trong xylanh của động
tăng áp bằng tuốcbin có giãn
cơ, hoặc là trực tiếp đi vào tuốcbin khí, hoặc là
nở thêm và thay đổi áp suất
lúc đầu đi vào ống góp chung (thùng chứa) sau
trướ
c tuố
đó đi vào tuốc binh khí, ở đó khí được giãn nở thêm
trong
các cbin
cánh công tác và cuối cùng
thải ra ngoài trời. Trong trường hợp đầu, sau khi supap thải mở, việc giãn nở tiếp tục của sản
vật cháy được tiến hành đồng thời trong xylanh của động cơ và trong tuốc binh khí, vì vậy
Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

24

Nguyễn Chí Hùng

Giáo trình Nguyên lý tính toán động cơ đốt trong

tuốcbin làm việc ở áp suất biến đổi giảm dần với sự lợi dụng động năng của dòng khí đi từ xy
lanh vào tuốcbin trong các cánh công tác. Để thực hiện quá trình giãn nở thêm của khí thải
trong tuốc binh người ta bố trí tuốcbin rất gần với xylanh hoặc một nhóm xylanh của động cơ
để sao cho dung tích đường ống khí nối giữa xylanh động cơ và tuốcbin là nhỏ nhất.
Trong trường hợp khí thải từ xylanh của động cơ trước tiên thải vào thùng chứa thì sẽ
tạo nên áp suất không đổi trước tuốcbin và động cơ cũng không lợi dụng được động năng của
dòng khi từ xylanh lưu động trược tiếp vào cánh của tuốcbin.
Nhưng do khí đi vào thùng chứa có dung tích lớn hơn dung tích của xylanh nên áp suất
của khí có giảm đi, tốc độ của khí cũng giảm và động năng lúc đó biến thành nhiệt năng, do
vậy nhiệt độ của khí trước tuốc binh tăng lên đôi chút.
Đồ thị của chu trình lý tưởng của động cơ tăng áp bằng tuốcbin được biểu thị trên hai
tọa độ p-V và T-s của hình 3.5, trong đó Ok- đường nén đoạn nhiệt của không khí trong máy
nén, kc –nén đoạn nhiệt trong xylanh của động cơ, cyz –cấp nhiệt hỗn hợp, zb giãn nở đoạn
nhiệt của khí xy lanh của động cơ, br-giãn nở đồng thời của khí trong xy lanh động cơ và
trong tuốcbinh xung lực có lợi dụng động năng của dòng khí, rf-giãn nở sau của khí tuốc
binh đẳng áp, fO-thải nhiệt ở p =const được thay cho quá trình thải khí từ tuốc binh ra ngoài
khí trường. quá trình rk và kr tương ứng với quá trình thải nhiệt ở p = const được thay cho
quá trình thải khí từ tuốcbin xung lực vào thùng chứa chung và quá trình cấp cùng một lượng
nhiệt như vậy ở p = const trong tuốcbin đẳng áp.
Công của chu trình lý tưởng hỗn hợp toàn thiết bị động cơ tăng áp bằng tuốc bin khí có
sự giãn nở thêm của khí trong cánh tuốcbin, có thể biểu thị dưới dạng tổng số đại số các
công: công của chu trình lý tưởng bản thân động cơ, công của tuốc bin xung lực, tuốcbin
đẳng áp và của máy nén.
lty = ltd + ltTx + lrtp- ltK (J/kmol)
Trong đó: lt đ công chu trình của động cơ
lrTx công chu trình của tuốc binh xung lực

ltK công chu trình của máy nén.
lrtp công chu trình của tuốc bin đẳng áp.
Trên hình 3.5 biểu thị tổng số các công nói trên dưới dạng các diện tích của chu trình
thiết bị tổ hợp. Chú ý là trên đồ thị T-s diện tích okrfo bằng hiệu số công của chu trình tuốc
bin đẳng áp ltTp (bằng diện tích rfnm) trừ đi công của chu trình máy nén ltk bằng diện tích
sekls. So sánh các đồ thị công biểu thị trên hình (3.1a) và hình (3.5), thấy rằng ở động cơ
tăng áp bằng tuốcbin khí, do có sự giãn nở thêm của khí trong cánh tuốcbin, áp suất cuối quá
trình giãn nở pf và áp suất bắt đầu quá trình nén p0 như nhau và sự thải nhiệt chỉ được tiến
hành ở p =const.
Phương trình về hiệu suất nhiệt  ty của chu trình lý tưởng toàn bộ thiết bị (động cơ
diêsel tăng áp bằng tuốc bin khi cấp nhiệt hỗn hợp có giãn nở thêm) có thể rút ra từ phương
trình (3.8) sau khi thay  ' = 1
 ty = 1 

1

 0k 1

Trong đó:

 k  1
  1  k (   1)

0 

(3.30)

V0 Vk
.   k  - Tỷ số nén chung toàn thiết bị
Vk Vc

Khoa Công nghệ Động lực – Bộ môn Động cơ

25