Giáo trình nguyên lý động cơ đốt trong - Chương 3

Chơng III. Môi chất công tác
Môi chất công tác l chất trung gian để thực hiện chu trình công tác, bao gồm chất ô
xy hoá nh không khí hoặc ô-xy (trong những trờng hợp đặc biệt), nhiên liệu v sản vật
cháy. Trong chu trình công tác, môi chất công luôn thay đổi th nh phần v tính chất lý
hoá.
Trong quá trình nạp, môi chất nạp v o xy lanh l không khí đối với động cơ diesel;
l hỗn hợp không khí với nhiên liệu đối với động cơ xăng v động cơ gas, đợc gọi l khí
nạp mới. Trong quá trình nén, môi chất công tác l một hỗn hợp bao gồm khí nạp mới v
khí sót, hỗn hợp khi đó còn đợc gọi l hỗn hợp công tác. Trong quá trình gi n nở v quá
trình thải, môi chất công tác l sản vật cháy.
3.1 Nhiên liệu
Nhiên liệu l th nh phần quan trọng nhất của môi chất công tác, có ảnh hởng
quyết định đến kết cấu cũng nh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Động cơ đốt
trong thông thờng sử dụng chủ yếu nhiên liƯu khÝ v nhiªn liƯu láng.
3.1.1 Nhiªn liƯu khÝ
Nhiªn liƯu khÝ bao gåm khÝ thiªn nhiªn nh− khÝ tõ má dầu hoặc mỏ khí đốt; khí
công nghiệp nh khí do chng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga do khí hoá nhiên liệu
rắn nh gỗ, than; khí sinh vật (biogas).
Bất kỳ loại nhiên liệu khí n o cũng l hỗn hợp cơ học của các khí cháy v khí trơ
với điều kiện bỏ qua các th nh phần tạp chất. Một cách tổng quát có thể coi cấu trúc phân
tử của mỗi khí cháy bao gồm các-bon, hy-drô v ô-xy l CmHnOr. Vì vậy, đối với một đơn
vị nhiªn liƯu khÝ (vÝ dơ nh− 1 kg, kmol hay m3 tiªu chuÈn...) ta cã:
ΣCmHnOr + N2 = 1

(3-1)

Dùa v o nhiệt trị Q (kJ/m3tc) ngời ta phân nhiên liệu khí th nh ba loại sau:
ã Nhiệt trị cao: Q = 23 ữ 28 (kJ/m3tc) ví dụ nh khí thiên nhiên, khí phụ phẩm
chng cất dầu mỏ.
ã Nhiệt trị trung bình: Q = 16 ữ 23 (kJ/m3tc) nh khí lò luyện than cốc.
ã Nhiệt trị thấp: Q = 4 ữ 16 (kJ/m3tc) nh khí lò ga v khí sinh vật.

Động cơ chạy các nhiên liệu khí nh khí thiên nhiên nÐn CNG (Compressed Natural
Gas) hay khÝ ho¸ láng LPG (Liquidfied Petroleum Gas) có u điểm l ít ô nhiễm môi
trờng v tiết kiệm vì giá khí đốt rẻ hơn so với xăng. Nhiều h ng taxi ở Việt Nam đ v
đang chuyển đổi xe chạy xăng sang chạy cả xăng v khí đốt. Tuy nhiên, do giới hạn của
giáo trình nên chúng ta không xét động cơ nhiên liệu khí.
3.1.2 Nhiên liệu lỏng
3.1.2.1 Th nh phần của nhiên liệu lỏng
Phần lớn động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng có nhiều loại
nhng theo nguồn gốc có thĨ chia th nh hai lo¹i. Lo¹i thø nhÊt cã gốc hoá thạch nh
xăng, dầu hoả, diesel... Loại thứ hai có nguồn gốc thực vật nh mê-tha-nôl, ê-tha-nôl, dầu
thực vật nh dầu dừa, dầu hạt cải... Đa số động cơ nhiªn liƯu láng hiƯn nay dïng nhiªn



19


liệu gốc hoá thạch nh xăng v diesel. Chính vì vậy v mặt khác do hạn chế về khuôn khổ
của giáo trình nên sau đây ta chỉ xét hai loại nhiên liệu lỏng l xăng v diesel.
Trong quá trình chng cất dầu mỏ, ngời ta thu đợc lần lợt xăng, dầu hoả, nhiên
liệu diesel, dầu máy v nhựa đờng. Về th nh phần, xăng v nhiên liệu diesel thực chất l
hỗn hợp của các loại các-bua-hy-drô khác nhau chia th nh các nhóm sau đây.
ã Các-bua-hy-drô béo: bao gồm pa-ra-phin còn gọi l an-kan có công thức hoá học
l CnH2n + 2; ô-lê-phin CnH2n v a-xê-ty-len CnH2n - 2. Trong đó, ô-lê-phin v a-xê-ty-len l
những cac-bua-hy-drô không no thờng không chứa trong dầu thô nhng xuất hiện trong
quá trình chng cÊt. Trong nhãm n y, pa-ra-phin l th nh phÇn đóng vai trò chủ yếu.
Pa-ra-phin (an-kan) l các-bua-hy-drô no có hai dạng l an-kan thờng v đồng vị
còn gọi l i-sô-an-kan. An-kan thờng có mạch thẳng hở, ví dụ nh xê-tan C16H34, hình 31.
H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Hình 3-1. Cấu trúc phân tử của xê-tan C16H34

Đặc điểm chung của an-kan thờng l có
tính ổn định hoá học ở nhiệt độ cao kém, do đó dễ
d ng tham gia phản ứng với ô-xy tạo nên quá trình
tự cháy. Vì vậy, nếu nhiên liệu diesel c ng có
nhiều an-kan thờng thì có tính tự cháy c ng cao
(xem mơc 3.1.3).

H
H

C
H

CH3 H
C

C

CH3 H

CH3 H
C

C

H

CH3 H

H×nh 3-2. CÊu trúc phân tử của
An-kan đồng vị có mạch nhánh nên cấu trúc
i-sô-ốc-tan C8H18
phân tử khá bền vững, có tính ổn định hoá học
cao, khó tự cháy hay nói cách khác khó bị kích nổ (xem ...dới đây). Ví dụ điển hình của
an-kan đồng vị l i-sô-ốc-tan C8H18, hình 3-2. Nếu xăng có nhiều th nh phần an-kan đồng
vị thì tính chống kích nổ c ng cao.
H

H

H

C

C

H

H

C

C

H
H

C
H

H

Hình 3-3. Cấu trúc phân
tử xy-clô-pen-tan C5H10


H

C

C

H
H

C

C

C

H

C

H

H

C

H

H

H

Hình 3-4. Cấu trúc phân tử
mê-tyl-ben-zen C6H5CH3
20


ã Náp-ten: CnH2n còn gọi l xy-clan có kết cấu phân tử mạch vòng, ví dụ xy-clôpen-tan C5H10, hình 3-3. Náp-ten do có kết cấu phân tử rất bền vững nên có tính chống
kích nổ rất cao.
ã Các-bua-hy-drô thơm: CnH2n - 6 có cấu trúc phân tử mạch vòng với nhân ben-zen
nên rất bền vững, chống kích nổ rất tốt, ví dụ mê-tyl-ben-zen C6H5CH3, hình 3-4.
Nếu bỏ qua các th nh phần tạp chất, nhiên liệu lỏng nói chung kể cả xăng v diesel
chỉ bao gồm các-bon, hy-drô v ô-xy. Do đó công thức cấu tạo tính cho một đơn vị đo
lờng (ví dụ nh 1 kg, 1 kmol...) nh sau:
C+O+H=1

(3-2)

VÝ dơ, nhiªn liƯu diesel D1 v D2 theo TCVN 5689-92 cã C = 0,84 ÷ 0,88; H = 0,10
÷ 0,14; phần còn lại l O.
Trong xăng v nhiên liệu diesel cã tíi 80 ®Õn 90% l an-kan v xy-clan. Tỷ lệ các
loại các-bua-hy-drô nêu trên phụ thuộc v o loại nhiên liệu cụ thể v quyết định tính chất
lý hoá của nhiên liệu đó. Dới đây sẽ trình b y một số thông số lý hoá cơ bản của nhiªn
liƯu láng.
3.1.2.2 TÝnh chÊt vËt lý cđa nhiªn liƯu láng
a. Khối lợng riêng
Thông thờng, khối lợng riêng của nhiên liệu đợc cho ở nhiệt độ 20oC. Căn cứ
v o khối lợng riêng cũng có thể sơ bộ biết đợc khả năng bay hơi của nhiên liệu. Đối với
nhiên liệu nhẹ, dễ bay hơi nh xăng, = 0,65 ữ 0,8 g/cm3. Còn nhiên liệu nặng, khó bay
hơi nh nhiên liệu diesel, = 0,80 ữ 0,95 g/cm3.
b. Độ nhớt
Độ nhớt của nhiên liệu cũng thờng đợc cho ở 20oC v ở hai dạng:

- Độ nhớt tơng đối: l tỷ số
giữa thời gian chảy của 200ml
nhiên liệu v 200ml nớc cất ở
cùng 20oC qua lỗ đo của thiết bị đo
độ nhớt. Độ nhớt tơng đối còn có
tên gọi l độ nhớt Engle ký hiệu l
Et v thiết bị đo gọi l Engle kế.
Nếu độ nhớt tơng đối lớn hơn 5o Et
thì phải hâm nóng nhiên liệu trớc
khi sử dụng.
Khối lợng riêng v độ nhớt
l hai thông số ảnh hởng quyết

định đến đặc tính cháy của nhiên
liệu.



Tỷ lệ bay hơi

- Độ nhít ®éng häc: ν (m2/s v cm2/s tøc St - Stốc). Đối với xăng, = 0,6 ữ 2,5 cSt
(cSt- xăng ti Stốc bằng 0,01
100
St). Còn nhiên liệu diesel có
2
3
1
(%)
= 2,5 ữ 8,5 cSt.

80

4

60
40
20
0

100

200

300

t (0C)

Hình 3-5. Đờng cong chng cất
của nhiên liệu
1. Xăng, 2. Dầu hoả, 3. Diesel, 4. DÇu má

21


c. Tính bốc hơi
Tính bốc hơi của nhiên liệu quyết định tính chất v thời gian của quá trình hình
th nh hỗn hợp. Tính bốc hơi phụ thuộc th nh phần của nhiên liệu v đợc thể hiện thông
qua đờng cong chng cất, hình 3-5.
d. Nhiệt độ bén lửa
Nhiệt độ bén lửa l nhiệt độ thấp nhất m hỗn hợp nhiên liệu- không khí với tỷ lệ
nhất định bén lửa từ nguồn lửa bên ngo i. Nhiệt độ bén lửa tỷ lệ với th nh phần chng cất
nhẹ trong nhiên liệu v đợc dùng l m chỉ tiêu phòng hoả khi bảo quản. Trong thực tế,
nhiệt độ bén lửa không đợc thấp hơn 650C.
e. Nhiệt độ tự cháy
Nhiệt độ tự cháy l nhiệt độ thấp nhất m hỗn hợp nhiên liệu- không khí (với tỷ lệ
nhất định) tự bốc cháy (không cần nguồn lửa từ bên ngo i). Nhiệt độ tự cháy thờng tỷ lệ
nghịch với khối lợng riêng . Pa-ra-phin có nhiệt độ tự cháy thấp nhất còn các-bua-hydrô thơm có nhiệt độ tự cháy cao nhất.
f. Nhiệt độ đông đặc
Nhiệt độ đông đặc chỉ có ý nghĩa đối với nhiên liệu nặng nh nhiên liệu diesel. Nếu
nhiệt độ đông đặc cao thì phải hâm nóng trớc khi sử dụng. Ngời ta thờng sử dụng phụ
gia để giảm nhiệt độ đông đặc. Đối với nhiên liệu diesel, nhiệt độ đông đặc nằm trong
khoảng -60 ữ +5OC.
g. Tạp chất cơ học

Đối với nhiên liệu thông thờng, tạp chất cơ học không đợc vợt quá 1% trọng
lợng. Còn đối với nhiên liệu cho động cơ cao tốc không cho phép có tạp chất cơ học??.
h. Th nh phần nớc
L một loại tạp chất trong nhiên liệu, nớc gây ăn mòn cơ học v hoá học đối với
các chi tiết của hệ thống nhiên liệu, nhất l đối với bơm cao áp, vòi phun của động cơ
diesel. Ngo i ra, trong quá trình cháy nớc bay hơi thu nhiệt l m giảm nhiệt trị của nhiên
liệu. Vì vậy giới hạn nớc trong nhiên liệu đợc qui định không quá 1% trọng lợng đối
với nhiên liệu động cơ tốc độ thấp. Trong thực tế, động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nặng
thờng trang bị hệ thống hâm nóng kết hợp tách nớc v tạp chất cơ học. Còn đối với
nhiên liệu cho động cơ cao tốc không cho phép có nớc.
3.1.2.2 Tính chất hoá học của nhiên liệu lỏng
a. Nhiệt trị
Nhiệt trị l nhiệt lợng thu đợc khi đốt cháy ho n to n 1 đơn vị đo lờng nhiên
liệu. Trong tính toán, ngời ta phân biệt hai loại nhiệt trị l nhiệt trÞ cao v nhiƯt trÞ thÊp.
NhiƯt trÞ cao Qo l to n bộ nhiệt lợng thu đợc, còn nhiệt trị thấp QH l nhiệt lợng
thu đợc Qo trừ phần nhiệt lợng toả ra khi ngng tụ hơi nớc trong sản phẩm cháy.
Trong tính toán thờng sử dụng nhiệt trị thấp QH vì nhiệt độ khí thải thờng lớn hơn nhiều
so với nhiệt độ ngng tụ hơi nớc ở cùng áp suất. Nhiệt trị thờng cho trong các t i liệu
về nhiên liệu. Đối với nhiên liệu xăng v diesel, trong tÝnh to¸n cã thĨ lÊy QH = 42,5
MJ/kg.



22


b. Tính kết cốc
Tính kết cốc phản ánh khuynh hớng kết muội than khi đốt cháy nhiên liệu. Muội
than có thể gây nên m i mòn v bó kẹt xéc-măng- xy-lanh, xu-páp v đế hoặc l m kẹt tắc
vòi phun.

H m lợng cốc trong nhiên liệu cho phép không vợt quá 0,03 ữ 0,1% cho động cơ
cao tốc v không quá 3 ữ 4% đối với động cơ tốc độ thấp.
c. Th nh phần lu huỳnh v tạp chất
Lu huỳnh có trong nhiên liệu ở dạng tạp chất còn lại khi chng cất dầu mỏ. Lu
huỳnh khi cháy tạo th nh SO2 sẽ kết hợp với hơi nớc (cũng tạo th nh khi cháy nhiên
liệu) tạo th nh a-xít yếu H2SO3 gây ăn mòn các chi tiết v ma a-xít. Hiện tại, các nớc
châu Âu giới hạn tạp chất lu huỳnh trong xăng không quá 0,1% trọng lợng v trong
tơng lai gần không quá 0,01%, còn trong nhiên liệu diesel không quá 0,15%. Hiện nay,
ở nớc ta vẫn dùng nhiên liƯu diesel cã tíi 1% l−u hnh.
d. §é a-xÝt
§é a-xÝt của nhiên liệu đợc biểu thị bằng số mg hy-drô-xyt ka-li KOH cần thiết để
trung ho lợng a-xít có trong 1 g nhiên liệu. Độ a-xít c ng cao c ng gây mòn các chi tiết
nh xéc-măng- xy-lanh, xu-páp v đế xu-páp... v l m tăng kết muội than. Đối với nhiên
liệu diesel, độ a-xít không đợc vợt quá 10mg KOH.
e. Th nh phần tro
Sản phẩm cháy chứa nhiều tro sẽ sinh m i mòn các chi tiết trong buồng cháy. Giới
hạn đối với nhiên liệu động cơ tốc độ thấp l 0,08%, còn đối với động cơ cao tốc l
0,02%.
3.1.3 Đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu diesel
Trong số các thông số vật lý có nhiệt độ tự cháy phần n o nói lên tính tự cháy của
nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, nhiệt độ tự cháy xác định nh trên cha nêu lên bản chất của
quá trình tự cháy trong động cơ diesel, đó l quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệukhông khí trong buồng cháy động cơ tự cháy do nén. Vì thế, ngời ta còn sử dụng những
thông số đặc trng cho tính tự cháy của nhiên liệu diesel sau đây.
a. Tỷ số nén tới h¹n εth
Tû sè nÐn tíi h¹n εth l tû sè nén của
một động cơ có kết cấu đặc biệt (có thể thay
đổi đợc tỷ số nén) dùng l m động cơ thí H
nghiệm, l m việc ở một chế độ nhất định v
có góc phun sớm 13o trớc điểm chết trên
(ĐCT), khi đó hỗn hợp bốc cháy đúng tại

ĐCT. Một trong những loại động cơ thí
nghiệm nh vậy l động cơ BASF (CHLB H
Đức). Rõ r ng l th c ng nhỏ thì tính tự
cháy của nhiên liệu c ng cao.
b. Số xê-tan
Số xê-tan Xe của nhiên liệu l phần



H

H

C

C

H

C

C

C

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

Hình 3-6. α-mª-tyl-naph-ta-lin

23


trăm thể tích của xê-tan (C16H34 mạch thẳng) trong hỗn hợp với -mê-tyl-naph-ta-lin (C10H7CH3, hình 3-6), hỗn hợp n y cã tû sè nÐn tíi h¹n εth gièng nh− εth của nhiên liệu.
Theo định nghĩa trên, xê-tan có Xe = 100, còn -mê-tyl-naph-ta-lin có số Xe = 0.
Nhiên liệu diesel dïng trong thùc tÕ cã Xe = 35 ÷ 55. Số Xe c ng lớn thì tính tự cháy
c ng cao.
c. Chỉ số diesel
Chỉ số diesel D l một đại lợng qui ớc xác định trong phòng thí nghiệm theo
công thøc sau:
D=

1
(141,5 − 131,5γ )(1,8A + 32)
100γ

(3-3)

Trong ®ã:
- γ l trọng lợng riêng (g/cm3) của nhiên liệu ở 15oC.
- A l điểm a-ni-lin của nhiên liệu. Đó l nhiệt độ (oC) kết tủa của hỗn hợp nhiên
liệu cần thí nghiệm v a-ni-lin (C6H5NH2) cã tû lƯ 1:1. Nhiªn liƯu cã D c ng lớn thì tính
tự cháy c ng cao.
3.1.4 Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng
Tính chống kích nổ biểu thị khả năng giữ cho nhiên liệu không tự cháy trớc khi
m ng lửa từ bu-gi lan tr n tíi. Chóng ta sÏ xÐt kü hiƯn tợng kích nổ ở chơng 4. Tính
chống kích nổ l một trong những chỉ tiêu chất lợng của xăng v đợc đánh giá thông
qua những thông số sau đây.
a. Tỷ sè nÐn cã lỵi
Tû sè nÐn cã lỵi εcl l tû sè nÐn lín nhÊt cho phÐp vỊ mỈt kÝch nổ. Tỷ số nén có lợi
cl đợc xác định trên động cơ đặc biệt (có thể thay đổi tỷ số nén) tơng tự nh tỷ số nén
tới hạn th đối với nhiên liệu diesel đ xét ở trên.
b. Số ốc-tan
Số ôc-tan O của nhiên liệu l phần trăm thể tích của i-sô-ốc-tan C8H18 (mạch nhánh,
hình 3-2) với hép-tan C7H16 (mạch thẳng), hỗn hợp n y có tỷ số nén có lợi bằng với tỷ số
nén có lợi của nhiên liệu.
Theo định nghĩa trên, i-sô-ốc tan có O = 100 v hép-tan có O = 0. Các loại xăng
thông dụng có O = 80 ữ 100. Nhiên liệu cho động cơ cờng hoá, ví dụ nh xe đua chẳng
hạn, có thể cã O > 100.
HiƯn nay chóng ta ®ang sư dơng các loại xăng không chì (h m lợng chì khoáng
nhỏ h¬n 0,013 g/l) MOGAS 90, 92 v 95 cã sè èc-tan RON t−¬ng øng l 90, 92 v 95.

(RON - Research Octane Number, ph©n biƯt víi MON - Motor Octane Number. Thông
thờng MON nhỏ hơn RON 5 ữ 10 đơn vị).
Đối với mỗi loại nhiên liệu cụ thể nếu tính tự cháy c ng cao thì tính chống kích nổ
c ng kém v ngợc lại. Quan hệ n y đợc thể hiện qua công thức kinh nghiệm sau đây:
O = 120 - 2 Xe



(3-4)

24


3.2 Phản ứng cháy của nhiên liệu v sản vật cháy
Quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu- không khí diễn ra trong buồng cháy bao
gồm h ng loạt các phản ứng hoá học với các sản phẩm trung gian nối tiếp nhau rất phức
tạp. Để đơn giản, chúng ta chỉ xét phản ứng cháy của các-bon v hy-drô trong nhiên liệu
tạo ra sản phẩm cháy cuối cùng cho hai trờng hợp l cháy ho n to n v cháy không ho n
to n.
3.2.1 Nhiên liệu cháy ho n to n
3.2.1.1 Phản ứng cháy v lợng không khí cần thiết để đốt cháy ho n to n 1 kg
nhiên liệu
Các-bon v hy-drô trong nhiên liệu phản ứng cháy ho n to n với ô-xy theo các phản
ứng sau:
C + O2 = CO2

(3-5)

2H2 + O2 = 2H2O

(3-6)

Để tính lợng không khí cần thiết đốt cháy ho n to n 1 kg nhiªn liƯu (nl), ta sư
dơng (3-5) v (3-6) cho hai trờng hợp l Lo (kg/kgnl) v Mo(kmol/kgnl).

ã Lo
Từ các phơng tr×nh (3-5) v (3-6), ta cã thĨ viÕt:
12 kg cac-bon + 32 kg «-xy → 44 kg cac-bon-nic

(3-7)

4 kg hy-dr« + 32 kg «-xy → 36 kg n−íc

(3-8)

Theo c«ng thøc (3-2), trong 1 kg nhiên liệu có C kg các-bon, H kg hy-drô v O kg
ô-xy. Các quan hệ (3-7) v (3-8) tÝnh cho C kg c¸c-bon v H kg hy-drô sẽ có dạng:
C kg cac-bon +

8
11
C kg ô-xy C kg cac-bon-nic
3
3

H kg hy-dr« + 8H kg «-xy → 9H kg nớc

(3-9)
(3-10)

Lợng ô-xy cần thiết Oo để đốt cháy ho n to n 1 kg nhiªn liƯu sÏ l tổng lợng ô-xy
của (3-9) v (3-10) trừ lợng ô-xy có sẵn trong nhiên liệu O.
Oo =

8
C + 8H O (kg/kgnl)
3

(3-11)

Trong kh«ng khÝ cã thĨ coi «-xy chiÕm 23% khèi lợng (mO2 = 0,23). Do đó lợng
không khí cần thiết Lo để đốt cháy ho n to n 1 kg nhiªn liƯu sÏ l :

Lo =

Oo
1 8

=
 C + 8H O (kg/kgnl)
m o 2 0,23 3


(3-12)

ã Mo
Để tính Mo ta cũng xuất phát từ các phơng trình (3-5) v (3-6).
12 kg cac-bon + 1kmol «-xy → 1 kmol cac-bon-nic

(3-13)

4 kg hy-dr« + 1 kmol «-xy → 2 kmol n−íc

(3-14)



25


Tơng tự tính cho C kg các-bon v H kg hy-dr«:
C kg cac-bon +

C
C
kmol «-xy →
kmol cac-bon-nic
12
12

(3-15)

H kg hy-dr« +

H
H
kmol ô-xy
kmol nớc
4
2

(3-16)

Tơng tự nh trên, lợng ô-xy cần thiết Mo để đốt cháy ho n to n 1 kg nhiên liệu sẽ
l tổng lợng ô-xy của (3-15) v (3-16) trừ lợng ô-xy có sẵn trong nhiên liệu (lu ý rằng
phân tử lợng của ô-xy l 32).

Oo =

C H O
(kmol/kgnl)
+
12 4 32

(3-17)

Th nh phần thể tích của ô-xy trong kh«ng khÝ cã thĨ lÊy b»ng 0,21 (rO2 = 0,21). Do
đó lợng không khí cần thiết Mo để đốt cháy ho n to n 1 kg nhiªn liƯu sÏ l :

Mo =

Oo
1  C H O  (kmol/kgnl)
=
 + − 
rO 2 0,21  12 4 32 

(3-18)

3.2.1.2 HÖ sè d lợng không khí

Tỷ lệ giữa lợng không khí thực tế nạp v o động cơ v lợng không khí lý thuyết để
đốt cháy ho n to n cùng một lợng nhiên liệu l một đại lợng đặc trng cho mức độ đậm
nhạt của hỗn hợp nhiên liệu-không khí (từ đây gọi tắt l hỗn hợp) gọi l hệ số d lợng
không khí .

=

L
M
=
Lo Mo

(3-19)

L v M l lợng không khí thực tế nạp v o động cơ ứng với 1 kg nhiên liệu còn Lo
v Mo l lợng không khí lý thuyết để đốt cháy ho n to n 1 kg nhiên liệu đợc xác định
theo (3-12) v (3-18).
Với định nghĩa hệ số d lợng không khí nh trên ta có thể nói: khi nhiên liệu
cháy ho n to n tức l đủ v thừa không khí thì 1, còn khi nhiên liệu cháy không ho n
to n tức l thiếu không khí thì < 1.
3.2.1.3 Lợng khí nạp mới
liệu.

Lợng khí nạp mới M1 l số kmol môi chất nạp v o động cơ ứng với 1 kg nhiên

Đa số động cơ xăng hiện nay tạo hỗn hợp từ bên ngo i xy lanh động cơ (trừ động cơ
phun xăng trực tiếp, xem chơng VII) nên khí nạp mới bao gồm không khí v nhiên liƯu:

M1 = M +

1
1
= λM o +
µ nl
µ nl

(3-20)

víi µ nl l phân tử lợng của xăng, có thể lấy bằng 114 kg/kmol.
Đối với động cơ diesel, khí nạp mới chỉ có không khí nên:



26


(3-21)

M1 = M = M o
3.2.1.4 Sản vật cháy

Sản vật cháy của quá trình cháy ho n to n nhiên liệu bao gồm các-bon-nic CO2, hơi
nớc H2O, ô-xy thừa O2 v ni-tơ N2. Một cách gần đúng, có thể coi không khí chỉ bao
gồm ô-xy v ni-tơ, do đó th nh phần thể tích của ni-tơ rN2 = 0,79. Xét cho 1 kg nhiªn liƯu,
ta cã:
tõ (3-15)

M CO2 =

C

(kmol/kgnl)
12

tõ (3-16)

M H 2O =

H
(kmol/kgnl)
2

lợng ô-xy thừa

MO2

= 0,21(M - Mo) = 0,21( - 1)Mo

v lợng ni-tơ (trơ)

MN2

= 0,79M = 0,79Mo

Lợng sản vật cháy M2 sẽ l tổng các th nh phần cấu th nh:

M2 = ∑ Mi =

C H
+
+ 0,21(λ − 1)M o + 0,79λM o

12 2

C H
=
+
+ λM o − 0,21M o
12 2

(3-22)

Thay 0,21Mo tõ (3-18) v o (3-22) v rót gọn ta đợc:

M 2 = M o +

H O
+
4 32

(3-23)

3.2.2 Nhiên liệu cháy không ho n to n
Khi nhiên liệu cháy không ho n to n ( < 1) chúng ta coi gần đúng rằng sản phẩm
cháy sẽ gồm các th nh phần sau: các-bon-níc CO2, mô-nô-xit-cac-bon CO, hơi nớc H2O,
hy-drô H2 v ni-tơ N2.
Do cháy thiếu ô-xy, một phần các-bon cháy tạo th nh CO2 v phần còn lại cháy tạo
th nh CO. Tơng tự, một phần hy-drô cháy tạo th nh hơi nớc, phần còn lại ở dạng khí
hy-drô H2.
Thí nghiệm phân tích khí thải động cơ chỉ ra r»ng, tû lƯ th nh phÇn H2 v CO chỉ
H
phụ thuộc loại nhiên liệu (phụ thuộc tỷ lệ

) m không phụ thuộc v o nên có thể đặt
C
bằng mét h»ng sè k:
k=

MH2
= const
M CO

VÝ dơ, khi

(3-24)

H
H
= 0,17 ÷ 0,19 thì k = 0,45 ữ 0,5; còn khi
= 0,13 th× k = 0,3.
C
C



27


Để tính toán các th nh phần trong sản vật cháy, ta sử dụng thêm phơng trình phản
ứng cháy không ho n to n của cac-bon sau đây:
2C + O2 = 2CO

(3-25)

Gọi kC l tỷ lệ các-bon cháy tạo th nh CO. Vậy lợng cac-bon (tính cho 1 kg nl)
cháy tạo th nh CO l kCC, phần còn lại (1- kC)C cháy tạo th nh CO2.
Để tính MCO ta dựa v o (3-25) thiÕt lËp quan hÖ:
24 kg cac-bon + 1 kmol ô-xy 2 kmol mô-nô-xýt-các-bon
kCC kg các-bon +

k CC
k C
kmol ô-xy C kmol mô-nô-xýt-các-bon
24
12

(3-26)
(3-27)

Nh vậy:
k CC
(kmol/kgnl)
12

MCO =

(3-28)

Để tÝnh MCO2 ta ph¶i dùa v o (3-15) víi chó ý thay C b»ng (1-kC)C, ta cã:
(1-kC)C kg c¸c-bon + (1-kC)

C
C

kmol «-xy → (1-kC) kmol cac-bon-nic
12
12

(3-29)

Nh− vËy
MCO2 = (1-kC)

C
(kmol/kgnl)
12

(3-30)

Gäi kH l tỷ lệ hy-drô không cháy v do đó tồn tại ở dạng khí. Lợng hy-drô không
cháy sẽ l kHH (kg/kgnl). Với chú ý rằng phân tử lợng của hy-drô bằng 2, ta có:
MH2 =

k HH
(kmol/kgnl)
2

(3-31)

Phần hy-drô còn lại (1- kH)H (kg/kgnl) cháy tạo th nh H2O. Để tính MH2O ta dùa v o
(3-16) víi chó ý thay H b»ng (1-kH)H:
(1-kH)H kg hy-dr« +

(1 - k H )H

(1 - k H )H
kmol «-xy →
kmol n−íc
4
2

(3-32)

Nh− vËy:
MH2O =

(1 - k H )H
(kmol/kgnl)
2

(3-33)

Th nh phần ni-tơ:
MN2

= 0,79M = 0,79Mo

(3-34)

Tổng sản vật cháy M2 sÏ l :
M 2 = ∑ M i = M CO 2 + M CO + M H 2 + M H 2 O + M N 2
=

C
H

+ + 0,79λM o
12
2



(3-35)

28


Để có thể tính toán từng th nh phần cụ thể, không phụ thuộc v o các tỷ lệ kC v kH
ta thiết lập hệ phơng trình sau:
Từ (3-28) v (3-30) ta đợc:
MCO2 + MCO =

C
12

(3-36)

Từ (3-31) v (3-33) ta đợc:
MH2 + MH2O =

H
2

(3-37)

M H2

= const ) tạo th nh một
M CO
hệ 3 phơng trình với 4 ẩn số l MCO2, MCO, MH2, MH2O. Để tìm các th nh phần, ta phải
thiết lập thêm một phơng trình độc lập xuất phát từ điều kiện tổng lợng ô-xy cho các
phản ứng cháy tạo th nh CO2, CO v H2O bằng tổng lợng ô-xy do không khí v nhiên
liệu cung cấp.

Các phơng tr×nh (3-36), (3-37) cïng víi (3-24) ( k =

H2
M CO 2 + M CO + M O 2 O = 0,21λM o +
O2
O2

O
32

(3-38)

Tõ (3-29) ta cã thÓ viÕt:
(1 − k C )C
= M CO 2
12

M CO 2 =
O2

(3-39)

T−¬ng tù, tõ (3-27)

M CO =
O2

k CC M CO
=
24
2

(3-40)

v tõ (3-32) ta cã:
H2
MO2O =

(1 − k H )H M H 2O
=
4
2

(3-41)

Thay (3-39), (3-40) v (3-41) v o (3-38) ta đợc:
M CO 2 +

M CO M H 2
O
+
= 0,21M o +
2
2

32

(3-42)

Giải hệ phơng trình (3-24), (3-36), (3-37) v (3-42) ta đợc:
M CO = 0,42
M CO 2 =

1− λ
MO
1+ k

(3-43)

C
1− λ
− 0,42
MO
12
1+ k

(3-44)

1− λ
MO
1+ k

(3-45)

M H 2 = 0,42k

29


M H 2O =

H
1− λ
− 0,42k
MO
2
1+ k

(3-46)

KÕt thóc phÇn tÝnh toán sản vật cháy cho cả hai trờng hợp cháy ho n to n v cháy
không ho n to n chúng ta cần lu ý một số điểm sau đây.
Thứ nhất, các phản ứng cháy đ đợc đơn giản hoá l các phản ứng ô-xy hoá thông
thờng v chỉ xét đến sản phẩm cuối cùng, không qua các phản ứng trung gian theo lý
thuyết động học phản ứng. Ngo i ra, phản ứng của ni-tơ với ô-xy trong điều kiện nhiệt độ
cao cũng không đợc xét đến. Trong thực tế, khí thải của động cơ xăng v diesel đều chứa
ô-xýt-ni-tơ NOx l một trong những th nh phần độc hại cần phải khống chế. Vấn đề n y
sẽ đợc khảo sát trong chuyên đề "Khí thải động cơ v vấn đề ô nhiễm môi trờng".
Thứ hai, các phản ứng ô-xy hoá chỉ xảy ra trong một giới hạn nhất định của hệ số
d lợng không khí gọi l giới hạn cháy. Giới hạn trên của max l l giá trị m ngo i
giới hạn n y hỗn hợp quá nhạt không cháy đợc. Đối với nhiên liệu xăng max nằm trong
khoảng 1,2 ữ 1,6 còn đối với nhiên liệu diesel max có thể đến 10. Giới hạn dới min l giá
trị m dới đó hỗn hợp quá đậm (quá thiếu ô-xy) nên không thể cháy đợc. Trong tính

toán khi cháy không ho n to n ( < 1) ứng với trờng hợp động cơ xăng, ngời ta coi min
l giá trị m tại đó to n bộ cac-bon trong nhiên liệu chỉ cháy tạo th nh CO. Nói các kh¸c,
MCO2 = 0. Tõ (3-45):
M CO 2 =

C
1 − λ min
− 0,42
MO = 0
12
1+ k

(3-47)

ta rót ra:
λ min = 1−

C 1+ k
.
12 0,42M o

(3-48)

Ví dụ, với xăng có C = 0,855; H = 0,145 (O = 0) v k = 0,5 thì min 0,5.
3.2.3 Thay đổi thể tích khi cháy
Lợng sản phẩm cháy l M2 nói chung khác với lợng khí nạp mới M1. Do đó có
thể kết luận rằng môi chất có sự thay đổi thể tích khi cháy. Sau đây ta sẽ xét một cách cụ
thể.
3.2.3.1 Lợng biến đổi phân tử
M = M2 - M1

a. Cháy ho n to n ( 1)
Xét hai trờng hợp:
ã

Xăng

M2 tÝnh theo (3-23) cßn M1 theo (3-20)
M 2 − M1 = λM o +



H O
1
+
− λM o −
4 32
µ nl

30


M =

H
O
1
+

4

32 à nl

(3-49)

Diesel

ã

M2 tính theo (3-23) còn M1 theo (3-21)
M =

H
O
+
4
32

(3-50)

b. Cháy không ho n to n (min < < 1)
Trờng hợp n y chỉ có ở động cơ xăng vì của động cơ diesel luôn lớn hơn 1 (xem
phần quá trình cháy, mục 4.3). M2 tính theo (3-35) cßn M1 theo (3-20).
∆M =
=

C
H
1
+
+ 0,79λM o − M o

12
2
à nl
C
H
1
+
0,21M o
12
2
à nl

Ta thêm v o v bớt đi
M =
=

O
rồi biến đổi:
32

C
H
1
O
O
+
0,21M o
+

12

2
à nl 32 32
C
H O H
O
1
+
−
+
− 0,21λM o +
−
12
4 32 4
32 µ nl

Tõ (3-18) ta cã:
C
H O
+ −
= 0,21M o . VËy cuèi cïng ta cã:
12
4 32
∆M = 0,21M o − 0,21λM o +

H
O
1
+
−
4

32 µ nl

H
O
1
= 0,21(1 − λ )M o + +

4
32 à nl

(3-51)

3.2.3.2 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết
Ngời ta định nghĩa hệ số biến đổi phân tử lý thuyết đặc trng cho mức độ thay đổi
thể tích tơng đối khi cháy nh sau:
o =

M 2 M1 + M
M
=
=1+
M1
M1
M1

(3-52)

Để tính o ta phân biệt các trờng hợp cụ thể.
a. Xăng
Đối với xăng, ta phân biệt hai trờng hỵp sau:

31


• Ch¸y ho n to n (λ ≥ 1)
∆M tÝnh theo (3-49) còn M1 theo (3-21)
H O
1
+

4 32 à nl
o = 1 +
1
M o +
à nl

(3-53)

ã Cháy không ho n to n (λmin < λ < 1)
∆M tÝnh theo (3-51) còn M1 theo (3-21)

H
O
1
+

4
32 à nl

1
M o +
à nl

0,21(1 λ )M o +
βo = 1 +

(3-54)

b. Diesel
∆M lÊy tõ (3-50) cßn M1 theo (3-21):

H
O
+
32
βo = 1 + 4
λM o

(3-55)

3.2.3.3 Hệ số biến đổi phân tử thực tế
Thực tế trong động cơ trớc v sau quá trình cháy luôn có một lợng khí sót Mr
trong th nh phần của môi chất công tác. Vì vậy, để tính đến sự thay ®ỉi thĨ tÝch diƠn ra
trong ®éng c¬ cã kĨ ®Õn vai trò của khí sót ngời ta định nghĩa hệ số biến đổi phân tử
thực tế nh sau:

M2 + Mr
M1 + M r

β=

(3-56)

Chia tư v mÉu sè cđa (3-56) cho M1 v gọi:

r =

Mr
M1

(3-57)

l hệ số khí sót, ta đợc:

=

o + r
1 + r

(3-58)

Trong quá trình cháy, tính đến thời điểm khi tỷ lệ nhiên liệu cháy cháy hết l x (-)
thì hệ số biến đổi phân tử lúc đó đợc gọi l hệ số biến đổi phân tử tức thời x . Giả thiết
gần đúng rằng, lợng biến đổi phân tử tức thời tỷ lệ với lợng nhiên liệu đ cháy, ta có thể
viết:



32

βx =

M1 + M r + x∆M
x ( M 2 − M1 )
β −1
=1+
=1+ x o
M1 + M r
M1 + M r
1 + r

(3-59)

Sau khi tính toán sự thay đổi phân tử của quá trình cháy, ta có thể rút ra một số nhận
xét sau đây:

ã M > 0 v βo , β, β x > 1 do ®ã cã thể kết luận rằng khi cháy thể tích tăng dẫn tới
có lợi về công.
ã Khi cháy ho n to n (λ ≥ 1) ∆M chØ phô thuéc v o th nh phần của nhiên liệu (C,
H, O). Còn khi cháy kh«ng ho n to n (λmin < λ < 1) M không những phụ thuộc th nh
phần nhiên liệu m còn phụ thuộc .
3.3 Tỷ nhiệt của môi chất công tác
Tỷ nhiệt của môi chất l một thông số vật lý cần thiết trong tính toán nhiệt động.
Vấn đề n y đ đợc đề cập kỹ lỡng ở trong các giáo trình vật lý hoặc nhiệt kỹ thuật. Sau
đây chúng ta chỉ nhắc lại tóm tắt những ý chính cần thiết cho việc tính toán chu trình
công tác thực tế của động cơ.
3.3.1 Tỷ nhiệt phụ thuộc nhiệt độ
Tỷ nhiệt cđa m«i chÊt nãi chung phơ thc v o nhiƯt độ. Một cách gần đúng chúng

ta có thể coi đây l quan hƯ tun tÝnh:
CµvT = a v + bT

(3-60)

víi CàvT l tỷ nhiệt đẳng tích của một kmol (kJ/kmol.K), Ti (K) l nhiệt độ tuyệt đối
của môi chất, av v b l các hằng số thực nghiệm.
Ví dụ, đối với không khí, N2, O2, CO l các khí có hai nguyên tử có thể sử dụng
công thức:
CàvT = 19,806 + 0,00419T (kJ/kmol.K)

(3-61)

Trong tÝnh to¸n ng−êi ta th−êng sư dơng giá trị tỷ nhiệt trung bình trong khoảng từ
0 đến nhiệt độ T (K) đang khảo sát:
CàvT = a v +

b
T (kJ/kmol.K)
2

(3-62)

Tỷ nhiệt đẳng áp trung bình đợc xác định theo công thức sau:

CàpT = CàvT + 8,314 (kJ/kmol.K)

(3-63)

3.3.2 Tỷ nhiệt của khí nạp mới

Khí nạp mới trong động cơ diesel l không khí còn khí nạp mới trong phần lớn động
cơ xăng l hỗn hợp xăng-không khí. Nói chung tỷ lệ nhiên liệu trong hỗn hợp rất nhỏ nên
có thể bỏ qua khi tính toán tỷ nhiệt. Vì vậy cã thĨ coi tû nhiƯt cđa khÝ n¹p míi nãi chung
cho cả hai loại động cơ l tỷ nhiệt của không khí tính toán theo công thức (3-61).
3.3.3 Tỷ nhiệt của sản vật cháy



33


Sản vật cháy l một hỗn hợp khí phức tạp. Khi tính toán có thể sử dụng những công
thức kinh nghiệm sau:

ã1

CvT = 19,867 +
à


1,634
184,36 5
+  427,38 +
10 T (kJ/kmol.K)
λ  
λ 

(3-64)

• 0,7 ≤ λ < 1

C′′vT = (17,997 + 3,504λ ) + (360,34 + 251,4 )10 5 T (kJ/kmol.K)
à

(3-65)

3.3.4 Tỷ nhiệt của hỗn hợp công tác
Trong quá trình nén, hỗn hợp công tác gồm khí nạp mới v khí sót. Tỷ nhiệt đẳng
tích của hỗn hợp công tác khi đó đợc tính toán theo công thức sau:
n

C vT = ri CàvTi
à

(3-66)

i =1

Trong tr−êng hỵp n y n = 2, ta cã:

C′ vT =
µ

M C + M r C′′vT
C + γ r C′′vT
M1
Mr
µ
µ
CµvT +
C′′vT = 1 µvT

= µvT
(3-67)
µ
M1 + M r
M1 + M r
M1 + M r
1 + γr

Sau khi thay CµvT v CvT v o (3-67) v rút gọn, ta lại đợc C vT có dạng tuyến tính
à
à
nh (3-60):

C vT = a v + bT
à

(3-68)


Tỷ nhiệt đẳng tích trung bình của hỗn hợp CàvT đợc xác định theo (3-62):

CàvT = av +

b
T
2

(3-69)

Tỷ nhiệt đẳng áp trung bình của hỗn hợp CàpT đợc xác định theo (3-63):

CàpT = av +

b
b
T + 8,314 = a ′z + T
2
2

(3-70)

víi:
a′z = a′v + 8,314

(3-71)

Chó ý: C tại z, công thức của thầy Phú.



34