Giáo trình nguyên lý động cơ đốt trong - Chương 4

Chơng Iv. chu trình thực tế của động cơ đốt trong
Khác với chu trình lý tởng, chu trình thực tế của động cơ đốt trong cũng giống nh
mọi chu trình thực tế của các máy công tác khác l chu trình hở, không thuận nghịch. Cụ
thể, chu trình thực tế có quá trình trao đổi khí v do đó có tổn thất khi nạp thải (ví dụ tổn
thất áp suất); các quá trình nén v gi n nở không phải đoạn nhiệt m có tổn thất nhiệt cho
môi trờng xung quanh; quá trình cháy có tổn thất nh cháy không hết, phân giải sản vật
cháy... Ngo i ra, môi chất công tác thay đổi trong một chu trình nên tỷ nhiệt của môi chất
cũng thay đổi.
Nghiên cứu chu trình thực tế nhằm những mục đích sau:
ã Tìm qui luật diễn biến của các quá trình tạo nên chu trình thực tế v xác định
những nhân tố ảnh hởng. Qua đó tìm ra phơng hớng nâng cao tính kinh tế v hiệu quả
của chu trình.
ã Xác lập những phơng trình tính toán các thông số của động cơ khi thiết kế v
kiểm nghiệm động cơ.
4.1 Quá trình nạp
4.1.1 Diễn biến quá trình nạp v hệ số nạp
Quá trình nạp l một bộ phận của quá trình trao đổi khí, tiếp theo quá trình thải v
có liên hệ mật thiết với quá trình n y. Vì vậy khi nghiên cứu quá trình nạp không thể tách
rời khỏi mối liên hệ với quá trình thải. Đối với mỗi loại động cơ khác nhau, quá trình nạp
diễn ra với những nét đặc trng riêng.
4.1.1.1 Động cơ bốn kỳ không tăng áp
Quá trình nạp bắt đầu ngay sau
quá trình thải. Tại điểm r, hình 4-1, p
trong xy lanh chứa đầy khí sót. Khi
piston đi xuống, khí sót gi n nở, áp
suất trong xy lanh giảm xuống. Xu páp
thải đóng muộn tại điểm r,. Từ thời
điểm áp suất trong xy lanh bằng áp
pth
suất đờng nạp pk trở đi, khí nạp mới
d1

r
thực sự đi v o trong xy lanh v ho
trén víi khÝ sãt t¹o th nh hỗn hợp công
r'
tác. áp suất trong xy lanh phụ thuộc
v o tốc độ v của piston, có giá trị nhỏ
Vc
nhất tại vmax. Tại điểm ĐCD (điểm a),
ĐCT
ta có thể viết:
pa = pk - ∆pk
víi ∆pk l tỉn thÊt ¸p st nạp.
Đối với động cơ không tăng áp, có thể
coi gần đúng pk p0 v Tk T0.



b'
b"
d2

pth pk
pk
a
V

Vh
ĐCD

Hình 4-1. Diễn biến quá trình nạp

động cơ bốn kỳ không tăng ¸p

(4-1)

35


4.1.1.2 Động cơ bốn kỳ tăng áp
Đặc điểm của động cơ tăng áp l
áp suất đờng nạp lớn hơn áp suất
đờng thải pk > pth > p0, hình 4-2. Khi
xu páp nạp mới mở sớm tại điểm d1 thì
khí nạp míi ®i ngay v o xy lanh qt
khÝ ® l m việc qua xu páp thải ra
đờng thải. Từ điểm r, ứng với thời
điểm xu páp thải đóng muộn trở đi thì
chỉ có quá trình nạp khí nạp mới v o xy
lanh. Cũng nh ở động cơ bốn kỳ không
tăng áp, xu páp nạp đóng muộn tại điểm
d2. Từ hình 4-2 ta cịng cã thĨ viÕt:
pa = pk - ∆pk
4.1.1.3 Động cơ hai kỳ

p
b'

pth

d1

d2

r
r'

b" pk
pk
a
pth
V

Vc

Vh
ĐCT

ĐCD

Hình 4-2. Diễn biến quá trình nạp
động cơ bốn kỳ tăng áp

Ta trở lại loại động cơ hai kỳ đơn giản nhất quét thải qua cửa, xem hình 1-5. Từ khi
piston mở cửa quét tại điểm d cho đến khi đến ĐCD, hình 4-3, khí nạp mới có áp suất cao
nạp v o xy lanh đồng thời quét khí đ cháy ra cửa thải. Khi piston đổi chiều chuyển động
đi từ ĐCD đến ĐCT, quá trình quét nạp vẫn tiếp tục cho đến khi piston đóng cửa quét tại
d. Từ đó cho đến khi piston đóng của p
thải tại a, môi chất trong xy lanh bị đẩy
qua cửa thải ra đờng thải (giai đoạn
lọt khí). Nh vậy, quá trình quét (nạp)
- thải trong động cơ 2 kỳ so với động

cơ 4 kỳ phức tạp hơn nhiều do dïng
b
khÝ qt khÝ. Chóng ta sÏ trë l¹i vÊn đề
pk
n y trong chơng VI.
pth
pk
Từ hình 4-3 ta cũng cã thÓ viÕt:
d
a
o
pth
pa = pk - ∆pk
ΨV h
(1 - Ψ)Vh
V
Tõ phân tích diễn biến quá trình
ĐCD
ĐCT
nạp trong các động cơ kh¸c nhau ta cã
Vh
Vc
thĨ rót ra mét v i nhËn xét sau:
- Khí nạp mới đi v o trong xy
lanh phải khắc phục sức cản lu động
nên có tổn thất áp suất pk.

Hình 4-3. Diễn biến quá trình nạp
động cơ hai kỳ

- Trong tất cả các loại động cơ nêu trên không thể quét hết sản vật cháy ra khỏi xy
lanh. Nói cách khác, trong xy lanh vẫn còn một lợng khí sót ho trộn với khí nạp mới.
- Khí nạp mới đi v o xy lanh tiếp xúc với c¸c chi tiÕt trong bng ch¸y v ho trén
víi khÝ sót có nhiệt độ cao nên đợc sấy nóng.
Tất cả những điều đó l m cho lợng khí nạp mới trong xy lanh khi kết thúc quá
trình nạp thông thờng khác so với lợng khí nạp mới lý thuyết có thĨ chøa trong thĨ tÝch
xy lanh Vh qui vỊ ®iỊu kiện ở đờng nạp với nhiệt độ Tk v áp suất pk. Vì vậy, để đánh giá
chất lợng quá trình nạp, ngời ta đa ra thông số hệ số nạp v đợc định nghĩa nh sau:


36


G1 M1 V1
=
=
G h M h Vh

ηv =

(4-2)

G1 (kg/kgnl) v M1(kmol/kgnl) l lợng khí nạp mới thực tế trong xy lanh khi kết
thúc quá trình nạp v V1 l thể tích của lợng khí nạp mới đó qui về điều kiện nhiệt độ Tk
v áp suất pk.
Gh (kg/kgnl) v Mh(kmol/kgnl) l lợng khí nạp mới lý thuyết chứa trong thể tích Vh
trong điều kiện nhiệt độ Tk v áp suất pk.
Với:
(4-3)

G h = k Vh

Hệ số nạp l một thông số đặc trng cho chất lợng quá trình nạp, thông thờng nhỏ
hơn 1 v sẽ đợc khảo sát kỹ lỡng ở các phần sau.
Đối với động cơ hai kỳ hệ sè n¹p tÝnh theo (4-2) l hƯ sè n¹p lý thuyết vì trong động
cơ hai kỳ có tổn thất h nh trình. Thể tích công tác thực tế không phải l Vh m l (1-ψ)Vh
ao
víi ψ l hƯ sè tỉn thÊt h nh tr×nh ψ =
, h×nh 4-3. HƯ sè nạp thực tế đợc tính nh sau:
S

v
V1
V1
=
=
(1 )Vh (1 )
Vh

v =

(4-4)

4.1.2 Những thông số cơ bản của quá trình nạp
4.1.2.1 áp suất cuối quá trình nạp pa

p

,
, k

k

,

k

k

1

1

2

f k, x, 0, k

p, , k

áp suất cuối quá trình nạp pa l một thông số
quan trọng để đánh giá chất lợng quá trình nạp.
Nếu pa c ng lớn thì lợng khí nạp mới c ng nhiều
v ngợc lại. Để tìm hiểu mối quan hệ pa với các
thông số kết cấu v thông số l m việc của động cơ,
ta dựa v o sơ đồ tính toán trên hình 4-4 với những
giả thiết đơn giản hoá.
Trong thực tế, áp suất dọc theo dòng chảy
thay đổi ít nên có thể coi khối lợng riêng của môi
chất k const. Phơng trình Béc-nu-li cho dòng
chảy giữa mặt cắt 1-1 v 2-2 có dạng:

2

p k 2
p
2
2
+ k =
+
+ 0 x
k
2
k
2
2
(4-5)

Hình 4-4. Lợc đồ tính toán
áp suất pa

Trong đó:
pk: áp suất đờng nạp

k: vận tốc môi chất tại mặt cắt 1-1, k 0
: vận tốc môi chất tại mặt cắt 2-2



37

x: vận tốc môi chất tại họng xu páp
p: áp st trong xy lanh

ξ0: hƯ sè tỉn thÊt cơc bé tại họng xu páp.
Gọi =


l hệ số h m dòng khí, phơng trình (4-5) khi đó có dạng:
x

pk
p
2
2
=
+ ( + 0 ) x
k
k
2

(4-6)

Một cách gần đúng có thể coi dòng chuyển động l ổn định, vận tốc của môi chÊt
trong xy lanh b»ng vËn tèc trung b×nh cđa piston cm. Khi đó phơng trình liên tục có
dạng:
Fnx = Fpcm = Fp

Sn
30

(4-7)

víi fn l tiÕt diƯn th«ng qua cđa xu páp nạp v Fp l diện tích tiết diện piston. Tõ ®ã
rót ra:

ωx =

FpSn
30f n

=k

n
fn

(4-8)

víi k l h»ng sè. Tõ (4-6) ta tìm giá trị tổn thất áp suất v chó ý ®Õn (4-8):

∆p′k = p k − p = (β2 + ξ0 )

ρk 2 n 2
n2
′ 2
k 2 =k
2
fn
fn

(4-9)

Trong ®ã k′ l hÖ sè.
Dùa v o (4-9) ta cã thể phân tích những thông số ảnh hởng đến tổn thất áp suất
quá trình nạp. Ta dễ d ng nhận thấy, khi , 0, n giảm v fn tăng thì pk giảm v ngợc
lại.
Tại điểm a cuối h nh trình n¹p ∆p′k = ∆p k = p k − p a v khi đó p cũng có dạng nh
(4-9):

p k = p k − p a = k n

n2
f n2

(4-10)

víi kn l hệ số đờng nạp phụ thuộc chủ yếu v o các thông số kết cấu của động cơ.
Từ (4-10) ta rót ra:

p a = p k − ∆p k = p k − k n

n2
f n2

(4-11)

Trong thùc tÕ, muốn tăng pa ta áp dụng những biện pháp sau:

ã Thiết kế đờng nạp có hình dạng, kích thớc hợp lý v bề mặt ống nạp phải nhẵn
để giảm sức cản khí động.

38


ã Chọn tỷ số

fn
thích hợp để giảm .
Fp

ã Tăng fn bằng cách tăng đờng kính xu páp với những biện pháp sau: giảm S/D tức
tăng D v giảm S; tăng sè xu p¸p nh− dïng 2, thËm chÝ 3 xu páp nạp nhằm tận dụng tối đa
diện tích bố trí xu páp; bố trí xu páp nghiêng so với đờng tâm xy lanh trong buồng cháy
chỏm cầu.
Chú ý rằng trong động cơ xăng, hệ số cản cục bộ trên đờng nạp 0 còn phụ thuộc
rất nhiều v o độ mở cđa van tiÕt l−u tøc l phơ thc t¶i träng. Cụ thể, khi tăng tải, van
tiết lu mở to hơn thì sức cản giảm.
Tính toán pa theo (4-11) ho n to n không đơn giản vì nhiều thông số rất khó xác
định. Vì vậy, trong tính toán ngời ta thờng chọn pa theo các số liệu kinh nghiệm.

ã Động cơ bốn kỳ không tăng áp:
pa = (0,8 ữ 0,9)pk

ã Động cơ bốn kỳ tăng áp:
pa = (0,9 ữ 0,96)pk

ã Động cơ hai kỳ quét vòng:
pa =

p k + p th
2

ã Động cơ hai kỳ quét thẳng:

pa (0,85 ữ 1,05)pk
4.1.2.2 HƯ sè khÝ sãt γr
HƯ sè khÝ sãt γr ® đợc định nghĩa bởi công thức (3-57)
r =

Mr
M1

Nói chung về nguyên tắc có thể xác định r bằng tính toán hoặc bằng thực nghiệm
phân tích khí. Sau đây ta sẽ xÐt cơ thĨ.
a. TÝnh to¸n hƯ sè khÝ sãt
Xt ph¸t từ phơng trình trạng thái đối với khí sót v biÕn ®ỉi, ta cã:

Mr =

p r Vr
p V Vc
pV
= r r
= r c λq
8314Tr 8314Tr Vc 8314Tr

víi λ q =

Vr

Vc

(4-12)
(4-13)

gäi l hƯ sè qt bng ch¸y. 0 ≤ λ q 1. Khi không quét buồng cháy q = 1 còn
khi quét sạch buồng cháy q = 0.



39


Thay Vc =
γ r = λq

Vh
v o (4-12) v sau đó thay Mr v o công thức định nghĩa r, ta cã:
ε −1

p r Vh
8314(ε − 1)M1Tr

(4-14)

C«ng thøc (4-14) l công thức tổng quát để xác định r. Tuy nhiên, để tính đợc r
theo (4-14) ta phải biết M1. Trong phần 4.1.2.5 dới đây sẽ diễn giải tới công thức (4-33)
tính r thờng sử dụng khi tính toán chu trình công tác của động cơ.
b. Xác định hệ số khí sót bằng phân tích khí
Bằng phân tích mẫu hỗn hợp khí trong quá trình nén v mẫu khí thải có thể xác định

th nh phần của CO2 tơng ứng trong c¸c mÉu l rCO 2 v rCO 2 . XuÊt phát từ giả thiết, lợng
CO2 trong hỗn hợp hợp khí của quá trình nén chính l lợng khí CO2 trong khÝ sãt cđa chu
tr×nh tr−íc M CO 2 , r ta cã:
′
rCO 2 =
′′
rCO 2 =

M CO 2 , r
M1 + M r
M CO 2 , r
Mr

(4-15)
(4-16)

Tõ ®ã ta cã:
′′
rCO 2
1
=1+

rCO 2
r

(4-17)

v tìm đợc r:

r =


rCO 2


rCO 2 rCO 2

(4-18)

Về nguyên tắc có thể xác định r bằng tính toán v thực nghiệm cho cả động cơ bốn
kỳ v hai kỳ. Tuy nhiên, trong động cơ hai kỳ có quá trình quét thải phức tạp do dùng khí
quét khí nên rất khó xác định các thông số của to n bộ quá trình nói chung v của khí sót
nói riêng. Do đó r của động cơ 2 kỳ thờng đợc xác định bằng phơng pháp thực
nghiệm nêu trên.
c. Những thông số ảnh hởng đến r
ã áp suất pr

Theo (4-14) khi tăng pr thì r sẽ tăng. Nếu nh thải v o tuốc bin hay bộ xử lý khí
thải thì pr sẽ tăng so với trờng hợp chỉ thải v o bình tiêu âm.
Đối với quá trình thải ta cũng có thể xét tơng tự nh quá trình nạp nên có thể áp
dụng công thức (4-10) v (4-11) với lu ý đến chiều dòng chảy:



40


p r = p th + ∆p r = p th + k th

n2
2
f th

(4-19)

trong ®ã kth hƯ sè phơ thuộc chủ yếu v o các thông số kết cấu đờng thải v fth l
tiết diện thông qua của xu páp thải.
Những thông số ảnh hởng đến p r cũng tơng tự nh những thông số ảnh hởng
đến p k đ xét ở 4.1.2.1.
Tơng tự, khi tính toán thay vì tÝnh theo (4-19) ng−êi ta th−êng chän pr theo kinh
nghiƯm.
§éng cơ tốc độ thấp:

pr = (1,03 ữ 1,06)pth

Động cơ cao tốc:

pr = (1,05 ữ 1,10)pth

Đối với động cơ không có tăng áp tuốc bin, nếu không có bình tiêu âm: pth = p0. Tuy
nhiên, hầu hết động cơ thực tế đều thải qua bình tiêu âm, khi đó: pth = (1,02 ữ 1,04)p0.
Đối với động cơ tăng áp, pth l ¸p st tr−íc tc bin. VÊn ®Ị n y sÏ đợc nghiên
cứu trong giáo trình Tăng áp động cơ.
ã Nhiệt độ Tr

Khi Tr tăng, theo (4-14) thì r sẽ giảm v ngợc lại. Nhng trong thực tế, khi Tr tăng
sẽ l m cho Ta tăng v do đó l m giảm lợng khí nạp mới M1 lại dẫn tới r tăng. Tổng hợp
lại có thể kết luận rằng Tr ít ¶nh h−ëng ®Õn γr.
Tr phơ thc v o nhiỊu u tố. Tải trọng nhỏ v hệ số truyền nhiệt giữa môi chất

công tác qua các chi tiết trong buồng cháy ra môi trờng l m mát lớn thì Tr nhỏ v ngợc
lại.
Khi tính toán thờng lựa chọn Tr trong phạm vi sau:
Động cơ xăng:

Tr = 900 ữ 1000 K

Động cơ diesel:

Tr = 700 ữ 900 K

ã Tỷ số nén

Theo (4-14), khi tăng thì r giảm v ngợc lại. Từ đó suy ra, so với động cơ xăng
thì động cơ diesel có r nhỏ hơn vì có tỷ số nén lớn hơn.
ã Lợng khí nạp mới M1

Theo định nghĩa r v theo (4-14), rõ r ng l M1 tăng thì r giảm v ngợc lại.
ã Tải trọng

Khi xét ảnh hởng của tải trọng, ta xét hai trờng hợp.
Đối với động cơ xăng thông thờng khi giảm tải phải đóng bớt van tiết lu. Khi đó
sức cản tăng nên M1 giảm v r tăng nhanh.
Còn ở động cơ diesel thì r hầu nh không phụ thuộc v o tải trọng.
Khi tính toán có thể so sánh kết quả với các giá trị kinh nghiệm sau:



41

Đối với động cơ bốn kỳ:
Động cơ xăng:

r = 0,06 ữ 0,1

Động cơ diesel

r = 0,03 ữ 0,06.

Đối với động c¬ hai kú, γr phơ thc rÊt lín v o phơng pháp quét thải.
Quét thẳng:

r = 0,06 ữ 0,15

Quét vòng:

r = 0,08 ữ 0,25

Quét vòng bằng hộp các-te hộp trục khuỷu:

r = 0,25 ữ 0,40

4.1.2.3 Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới
Khí nạp mới từ đờng nạp có nhiệt độ Tk đi v o xy lanh sẽ đợc sấy nóng bởi các
chi tiết có nhiệt độ cao trong buồng cháy, đồng thời nhiên liệu trong hỗn hợp đối với động
cơ xăng sẽ bay hơi. Nhiệt độ khí nạp mới khi ®ã sÏ thay ®ỉi mét l−ỵng l ∆T:
∆T = ∆Tt - Tbh

(4-19)

trong đó Tt l độ tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt còn Tbh l độ
giảm nhiệt độ do nhiên liệu trong khí nạp mới bay hơi. Động cơ diesel có Tbh = 0.
Tt phụ thuộc chủ yếu v o các yếu tố sau:
ã Hệ số trao đổi nhiệt giữa môi chất v vách các chi tiết: Tt tăng theo .
ã Thời gian tiếp xúc giữa môi chất v vách các chi tiết: tốc độ n c ng lín, thêi gian
tiÕp xóc gi¶m dÉn tíi Tt c ng nhỏ.

lớn.

ã Tải trọng của động cơ: ở chế độ tải trọng lớn, nhiệt độ các chi tiết TW cao nên Tt

Cần chú ý rằng, nhiều động cơ xăng dùng nhiệt của động cơ (ví dụ từ ống thải) để
sấy nóng đờng nạp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bay hơi v ho trộn của xăng với
không khí nên Tk tăng dẫn đến Tt giảm. Tuy nhiên sấy nóng đờng nạp l m giảm mật
độ của khí nạp mới tức l l m giảm M1. Vì vậy đờng nạp không đợc sấy nóng quá.
Chính vì lý do n y nên đờng nạp ở động cơ diesel không đợc phép sấy nóng.
Trong thực tế đối với động cơ không tăng áp:
T = 20 ữ 40 K đối với động cơ diesel
T = 0 ữ 20 K đối với động cơ xăng.

Còn đối với động cơ tăng áp nhng không l m mát trung gian khí tăng áp thì T
nhỏ hơn một chút.
4.1.2.4 Nhiệt độ cuối quá trình nạp
Để tính toán nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta ta coi r»ng, khÝ n¹p míi v khÝ sãt ho
trén đẳng áp tại áp suất pa.
Lợng khí nạp mới M1 (pk, Tk) đi v o xy lanh đợc sấy nóng tới trạng thái M1 (Tk +
T, pa).

42


L−ỵng khÝ sãt Mr (Tr, pr ) gi n në đến trạng thái mới Mr ( Tr , pa). Coi khÝ sãt gi n në
®a biÕn tõ (pr, Tr) ®Õn (pa, Tr′ ) ta cã:

p 
Tr′ = Tr  a 
p 
 r

m −1
m

(4-20)

víi m l chØ sè gi n nở đa biến của khí sót, trong tính toán có thể chọn m trong
khoảng 1,45 ữ 1,5.
Với điều kiện ho trộn đẳng áp thì entanpi của hệ trớc v sau ho trộn bảo to n, ta
có:



Càp (Tk + T)M1 + Cµ′′ M r Tr = Cµp (M1 + M r )Ta
p

(4-21)

Coi gần đúng Càp Càp v đặt
t =

Cà
p

(4-22)

Càp

l hệ sè hiƯu ®Ýnh tû nhiƯt. Theo kinh nghiƯm λ t phụ thuộc hệ số d lợng không
khí nh sau:

0,8
1,0
1,2
1,4
Đối với động cơ xăng:
t
1,13 1,17 1,14 1,11
Đối với động cơ diesel: khi = 1,5 ữ 1,8 thì có thể lÊy λt = 1,1.
Chia hai vÕ cña (4-21) cho M1 v biến đổi ta đợc:
p
Tk + T + t γ r Tr  a 
p 
 r
Ta =
1 + r

m 1

m

(4-23)

Khi tính toán có thể liệu tham khảo các số liệu đối với Ta nh sau:
Ta = 310 ữ 350 K đối với động cơ không tăng áp,
Ta = 320 ữ 400 K đối với động cơ tăng áp.
4.1.2.5 Hệ số nạp
Hệ số nạp có thể xác định bằng tính toán v bằng thực nghiệm.
Để tính toán hế số nạp, ta dựa v o định nghĩa hệ số nạp (4-2):
v =

M1
Mh

Xét tổng quát cho cả động cơ bốn kỳ v hai kỳ, tại điểm a cuối quá trình nạp, hình
4-1, 4-2 v 4-3, lợng môi chất công tác bao gåm khÝ n¹p míi v khÝ sãt l Ma = M1a +
M r.


43


Trong động cơ bốn kỳ, cho đến khi đóng xu páp nạp tại điểm d2, hình 4-1 v 4-2,
khí nạp mới đợc nạp thêm một lợng, khi đó lợng môi chất công tác mới l M1 + Mr.
Đặt:
nt =

M1 + M r
1 + r

= M1
Ma
Ma

(4-24)

l hệ số nạp thêm, theo kinh nghiệm nằm trong khoảng nt = 1,02 ữ 106.
Trong động cơ hai kỳ, có thể coi nh quá trình quét thải kết thúc khi piston đóng
cửa quét (cửa nạp) nên không có hiện tợng nạp thêm, khi đó λnt = 1.
Mét c¸ch tỉng qu¸t cã thĨ viÕt:
M1 =

pV
λ nt
λ nt
Ma =
. a a
1 + γr
1 + γ r 8314Ta

(4-25)

Từ định nghĩa Mh xuất phát từ (4-2) v áp dụng phơng trình trạng thái ta có:
Mh =

p k Vh
8314Tk

(4-26)

Thay M1 v Mh v o c«ng thøc tÝnh ηv ë trªn, ta cã:
ηv = λ nt

p a Va
Tk
. .
p k Vh Ta (1 + γ r )

(4-27)

víi chó ý r»ng:
Va
Va
ε
=
=
Vh Va − Vc ε − 1

(4-28)

Thay Ta(1 + γr) tõ c«ng thøc (4-23) v o (4-27) råi rót gän ta ®−ỵc:

ηv = λ nt

ε pa
. .
ε − 1 pk

Tk
p 

Tk + ∆T + γ r λ t Tr  a
p
r

m 1
m

(4-29)

Tuy nhiên, để tính v ta cần biết r, nhng theo (4-14) thì r lại phụ thuộc M1. Vì
vậy, để có thể xác định độc lập v v r ta biến đổi nh sau.
Thay M1 từ định nghÜa ηv (4-2):

M1 = ηv M h = ηv

p k Vh
8314Tk

(4-30)

v o r trong phơng trình (4-14) ta đợc:

r =

q p r Tk 1
. . .
(ε − 1) p k Tr v

(4-31)

Giải hệ phơng trình (4-29) v (4-31) ta ®−ỵc:



44


1


 pr  m 
1
Tk
pa 
ηv =
.
.
ελ nt − λ t λ q  
p  
ε − 1 Tk + ∆T p k 
 a 




γ r = λq

Tk + ∆T p r
. .
Tr

pa

(4-32)

1
p 
ελ nt − λ t q r
p
a

(4-33)

1
m

Các công thức (4-32) v (4-33) thờng đợc dùng trong tính toán nhiệt động chu
trình công tác trong khuôn khổ đồ án môn học Động cơ đốt trong.
Hệ số nạp còn có thể xác định bằng thực nghiệm. Trớc hết, lu lợng khí nạp mới
v các thông số trạng thái nh pk v Tk đợc đo trực tiếp trên động cơ. Tiếp theo, từ kết
quả đo tính toán đợc lợng khí nạp mới M1 v Mh rồi thay v o công thức định nghĩa (42) để tìm v. Vấn đề n y sẽ xét trong môn Thí nghiệm động cơ.
4.1.3 Những nhân tố ảnh hởng đến hệ số nạp
Trong số các thông số cơ bản của
quá trình nạp thì hệ số nạp v l thông số
tổng hợp đặc trng cho chất lợng quá
trình nạp. Sau đây ta sẽ khảo sát ảnh
hởng của các yếu tố v qua đó tìm ra
những phơng pháp nhằm nâng cao hƯ
sè n¹p.

ηv

λq = 0

4.1.3.1 Tû sè nÐn ε

λq = 1

Từ công thức (4-32) ta xét hai
trờng hợp.



ã q = 0: quét sạch buồng cháy
v = 1


Tk
p

.
. a =k
1 Tk + T p k
1

Hình 4-5. Khảo sát ảnh hởng của tỷ số
nén đến hệ số nạp
(4-34)

với k = const. Mét c¸ch dƠ d ng nhËn thÊy khi tăng thì v giảm v ngợc lại.

ã q =1: không quét buồng cháy

1


pr m
1
Tk
pa
v =
.
.
nt − λ t  
p  
ε − 1 Tk + ∆T p k 
 a 




(4-35)

Cã thÓ chøng minh đợc (ở đây ta công nhận do hạn chế về khuôn khổ giáo trình):

dv
>0
d



(4-36)

45


tức l tăng sẽ l m tăng v v ngợc lại.
Kết quả tổng hợp hai trờng hợp đợc trình b y trên hình (4-5). Trong thực tế 0 < q
< 1 nên các đờng biểu diễn sẽ l các ®−êng ---. Thùc nghiƯm chøng tá ε ¶nh h−ëng Ýt
®Õn v.
4.1.3.2 áp suất pa
Theo (4-32) áp suất pa ảnh hởng quyết định đến v. Từ quan hệ pa = pk - pk dễ
d ng nhận thấy rằng, những nhân tố l m giảm pk sẽ l m tăng pa v ngợc lại (xem
4.1.3.1).
Tới đây ta có thể suy ra rằng, so với động cơ xăng thì động cơ diesel có tổn thất áp
suất nạp nhỏ hơn (do cản cục bộ đờng nạp v tốc độ vòng quay nhỏ hơn) nên có hệ số
nạp cao hơn: vdiesel > vxăng.
4.1.3.3 Trạng thái nạp (pk, Tk)

ã pk
Khi tăng pk thì pa sẽ tăng, tỷ số
suất tơng đối

p a p k p k
p k
tăng một ít vì tổn thất áp
=
=1
pk
pk
pk

p k

giảm, do đó theo (4-32) v sẽ tăng.
pk

ã Tk
Khi tăng Tk thì T giảm, theo (4-32) thì v tăng. Thực nghiệm chỉ ra rằng v tăng tỷ
lệ với Tk . Tuy nhiên phải lu ý rằng, v tăng do tăng Tk không có nghĩa l l m tăng
lợng khí nạp mới v o xy lanh, vì khi đó mật độ khí nạp mới k giảm.
4.1.3.4 Trạng thái thải (pr, Tr)

ã pr
Theo (4-32), khi pr tăng, v giảm. Điều đó cũng có thể dễ d ng nhận thấy qua suy
luận sau đây: khi pr tăng thì khí sót gi n nở nhiều hơn l m giảm thể tích d nh cho khí nạp
mới nên v giảm.

ã Tr
Theo (4-14) khi tăng Tr sẽ l m cho r giảm (xem 4.1.3.2) nên có thể coi nh rTr
const trong (4-29), tức l Tr hầu nh không ảnh hởng đến v.
4.1.3.5 Nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới T
Theo (4-32) khi tăng T thì v giảm. Điều n y đ phân tích rõ ở mục 4.1.1. Tuy
nhiên, ¶nh h−ëng cđa ∆T tíi ηv kh«ng lín.
4.1.3.6 Pha phèi khí
Khi động cơ l m việc tại chế độ ứng với pha phối khí tối u thì hệ số nạp đạt cực đại
(thải sạch v nạp đầy nhất). Pha phối khÝ tèi −u th−êng lùa chän b»ng thùc nghiƯm. §èi
víi động cơ thông thờng thì pha phối tối u chỉ có tại một chế độ cụ thể đợc lựa chọn



46

bởi ngời thiết kế tuỳ theo tính năng sử dụng của động cơ (xem chơng Đặc tính động
cơ). Một số động cơ ô-tô hiện đại (ví dụ của h ng BMW) có pha phối khí thay đổi sao cho
đạt đợc giá trị tối u cho hầu hết chế độ l m việc của động cơ. Tất nhiên, cấu tạo v ®iỊu
khiĨn c¬ cÊu phèi khÝ khi ®ã sÏ rÊt phøc tạp.
4.1.3.7 Tải trọng

ã Động cơ diesel

v

Khi tăng tải, nhiệt độ các chi
tiết trong buồng cháy tăng nên T
tăng l m cho v giảm đôi chút. Theo
kinh nghiệm, khi tải tăng từ không
tải đến to n tải thì v giảm khoảng 3
ữ 4%.

Diesel

Xăng

ã Động cơ xăng
Khi tăng tải cũng l m cho T
tăng nh trình b y ở trên. Tuy nhiên,
khi tăng tải ở hầu hết động cơ xăng
phải mở rộng van tiết lu, sức cản
đờng nạp giảm đáng kể nên v tăng
mạnh lấn át ảnh hởng của T.

v

hi tăng n thì pk v pth cùng
tăng l m giảm v. Đồng thời do thời
gian sấy nóng khí nạp mới giảm nên
T giảm dẫn tới tăng v nhng ảnh
hởng của T nhỏ. Vì vậy nói chung
v giảm. Tuy nhiên, nếu kể đến ảnh
hởng của pha phối khí tối u thì ban
đầu v tăng cho tới khi đạt cực đại tại
tốc độ ứng với pha phối khí tối u rồi
mới giảm, hình (4-7).
4.2 Quá trình nén
Quá trình nén nhằm mục đích
mở rộng phạm vi nhiệt độ (giữa
nguồn nóng v nguồn lạnh trong chu
trình Các-nô tơng đơng) để nâng
cao hiệu suất của chu trình.

Tải

Hình 4-6. ảnh hởng của tải trọng
đến hệ số nạp

Tổng hợp ảnh hởng của tải
trọng đến hệ số nạp đợc trình b y
trên hình 4-6.
4.1.3.8 Tốc độ vòng quay n

100%

0

vmax ứng với pha phối khí
tốt nhất

0

nmin

nmax

n

Hình 4-7. ảnh hởng của tốc độ vòng quay n
đến hệ số nạp

4.2.1 Diễn biến v các thông số cơ bản



47


Trong quá trình nén, nhiệt độ, áp suất môi chất tăng dần, diện tích trao đổi nhiệt
giữa môi chất v th nh vách các chi tiết trong buồng cháy giảm... cho nên quá trình nén l
quá trình trao đổi nhiệt phức tạp. Một cách tổng quát có thể coi đây l quá trình nén đa
biến với chỉ số đa biến n thay đổi. Nhiệt
lợng trao đổi không những thay đổi trị số p
m còn thay đổi về hớng.
Đầu quá trình nén, hình 4-8, nhiệt độ

môi chất nhỏ hơn nhiệt độ vách các chi tiết
T < TW, môi chất nhận nhiệt, đờng nén
khi đó dốc hơn đờng đoạn nhiệt, n > k
trong đó k l số mũ đoạn nhiệt của môi
chất.
Trong quá trình nén, áp suất v nhiệt
độ của môi chất tăng dần, chênh lệch nhiệt
độ T-TW giảm nên nhiệt lợng nhận giảm
dần dẫn tới n cũng giảm dần. Cho tới khi T
= TW, nhiệt lợng trao đổi bằng 0, lúc đó n
= k.

c

pvk = const
M

n
k

pvk = const
ĐCT

Trong giai đoạn tiếp theo, do T > TW
nên môi chất mất nhiệt cho vách các chi
tiết nên n < k.

a
V
ĐCD

TW
T, p

Hình 4-8. Diễn biến quá trình nén
Để đơn giản khi tính toán, ta thay
quá trình nén đa biến với n thay đổi bằng
quá trình nén với chỉ số nén đa biến n1 = const với điều kiện cùng điểm đầu a v cùng
công nén. Chỉ số n1 đợc gọi l chỉ số nén đa biến trung bình, theo kinh nghiệm nằm
trong khoảng 1,32 ữ 1,39. Nếu coi gần đúng môi chất l không khí với k = 1,41 thì n1 < k
nên có thĨ kÕt ln r»ng tÝnh cho to n bé qu¸ trình nén thì môi chất mất nhiệt cho vách
các chi tiết.
Nếu nh biết đợc n1 ta có thể dễ d ng tìm đợc nhiệt độ v áp suất cuối quá trình
nén (không cháy) tại điểm c.
p c = p a ε n1

(4-36)

Tc = Ta ε n 1 − 1

(4-37)

4.2.2 C©n bằng nhiệt trong quá trình nén
Để xác định n1 ta dựa v o định luật nhiệt động I

Qac = Lac + ∆U = Lac + U c − U a
• Lac = −

(4-38)

1
(pc Vc − pa Va ) = − 8314 (M cTc − M a Ta )
n1 − 1
n1 1

Nếu bỏ qua nạp thêm Ma = Mc = M1(1 + γr) th×:



48


Lac = −

8314M1 (1 + γ r )
(Tc − Ta )
n1 − 1

(4-39)

′
′
′
′
• U c − U a = M c CµvcTc − M a Cµva Ta = M1 (1 + γ r )(CµvcTc − Cµva Ta )


b′ 
b′  


= M1 (1 + γ r )  a′v + Tc Tc −  a′v + Ta Ta 
2 
2  


b′ 2

2 
= M1 (1 + γ r ) a′v (Tc − Ta ) + Tc − Ta 
2



(

)

b′


U c − U a = M1 (1 + γ r )(Tc − Ta )a ′v + (Tc + Ta )
2



(4-40)

Thay (4-39), (4-40) v (4-37) v o (4-38) råi rót gän, ta đợc:

Qac

b
8314
= a v + Ta ( n1 1 + 1) −
n1 − 1
M1 (1 + γ r )Ta (
2
n1 1
1)

(4-41)

Phơng trình cần bằng nhiệt trong quá trình nén (4-41) có những ý nghĩa sau:

ã Nếu biết n1 sẽ tìm đợc Qac l đại lợng rất khó xác định trực tiếp bằng thực
nghiệm. Bằng thiết bị chỉ thị kế (Indicator) có thể lấy đợc đồ thị công p-V sau đó phân
tích đồ thị để tìm đợc n1.
ã Trong tr−êng hỵp ch−a biÕt n1 cã thĨ dïng (4-41) để xác định sơ bộ n1 với giả thiết
rằng Qac = 0 ta rót ra:
n1 − 1 =

8314
b′
a ′v + Ta n1 1 + 1
2

(

)

(4-42)

Đây l biện pháp thờng dùng trong tính toán đồ án môn học Động cơ đốt trong.
Đầu tiên ta chọn một giá trị n1 n o đó. Thay lần lợt giá trị vừa chọn v o vế phải v vế trái
của (4-41) rồi so sánh kết quả. Nếu sai lệch lớn thì chọn giá trị n1 khác rồi tính lại. Cho
đến khi sai lệch giữa hai vế đủ nhỏ thì giá trị chọn chính l n1 cần tìm.
4.2.3 Những nhân tố ảnh hởng đến n1
Nh trên đ trình b y, tính trong to n bộ quá trình nén thì môi chất mất nhiệt. Do
đó những nhân tố n o l m giảm mất nhiệt sẽ l m cho n1 tăng v ngợc lại.
4.2.3.1 Tốc độ vòng quay n
Xét tổng quát, khi tăng tốc độ vòng quay n, thời gian trao đổi nhiệt v lọt khí giảm
nên môi chất mất nhiệt ít hơn l m cho n1 tăng. Theo kinh nghiệm n1 tăng gần nh tỷ lệ với
n. Điều n y đúng cho cả động cơ xăng v diesel.
Riêng với động cơ xăng, còn phải kể đến lợng nhiệt môi chất mất cho bay hơi xăng
trong quá trình nén xét cho hai trờng hợp.
ã ở chế độ tải lớn: Van tiết lu mở to, sức cản nhỏ (hệ số cản 0 nhỏ). Khi tăng n,
tổn thất áp suất (tỷ lệ với 0n2) tăng chậm nên ¸p st sau van tiÕt l−u cịng gi¶m chËm.



49


Do đó điều kiện bay hơi của xăng tại đây không đợc cải thiện l mấy trong khi thời gian
bay hơi giảm. Điều đó l m cho lợng xăng bay hơi trên đờng nạp giảm tức l lợng xăng
còn lại bay hơi trong xy lanh sẽ tăng lên. Môi chất khi đó sẽ mất nhiệt nhiều hơn l m
giảm n1. Tổng hợp lại với ảnh hởng tổng quát, n1 const.
ã ở chế độ tải nhỏ: Van tiết lu mở bÐ, søc c¶n lín (hƯ sè c¶n ξ0 lín). Khi tăng n,
tổn thất áp suất (tỷ lệ với 0n2) tăng nhanh nên áp suất sau van tiết lu cũng giảm nhanh.
Vì vậy, điều kiện bay hơi của xăng tại đây đợc cải thiện đáng kể cho nên mặc dù thời
gian bay hơi giảm nhng lợng xăng bay hơi tại đây không bị ảnh hởng, do đó hầu nh

không l m thay đổi lợng xăng bay hơi trong xy lanh. Khi đó chỉ còn ảnh hởng tổng
quát l m tăng n1.

ảnh hởng của tốc độ vòng quay n đến n1 đợc thể hiện tổng hợp trên hình 4-9.

n1

n1

b)

Tăng tải

a)

n

n
nmin

nmax

nmin

nmax

Hình 4-9. ảnh hởng của tốc độ vòng quay tới n1
a) Động cơ diesel, b) Động cơ xăng
4.2.3.2 Tải trọng
Xét tổng quát, khi tăng tải, nhiệt độ trung bình các chi tiết TW tăng dẫn tới giảm mất

nhiệt cho môi chất. Mặt khác lọt khí tăng nên môi chất mất nhiệt nhiều hơn. Tuy nhiên,
thực nghiệm chứng tỏ ảnh hởng thứ nhất mạnh hơn nên n1 tăng nhng không nhiều. Điều
n y đúng cho cả động cơ xăng v diesel.
Riêng với động cơ xăng, tơng tự nh xét ảnh hởng của tốc độ vòng quay, ta còn
phải kể đến lợng nhiệt môi chất mất cho bay hơi xăng trong quá trình nén. Bằng suy luận
tơng tự với lu ý vai trò của 0 v n2 đổi chỗ cho nhau, ta có thể dễ d ng khảo sát cho hai
trờng hợp sau.
ã ở chế độ tốc độ n lớn: Khi tăng tải phải mở rộng thêm van tiết lu, tổn thất áp
suất giảm nhanh nên áp suất sau van tiết lu tăng nhanh l m cho điều kiện bay hơi của
xăng tại đây kém đi. Điều đó l m cho lợng xăng bay hơi trong xy lanh sẽ tăng lên. Môi
chất khi đó sẽ mất nhiệt nhiều hơn l m giảm n1. Tổng hợp lại với ảnh hởng tổng quát, n1
const.



50


ã ở chế độ tốc độ n nhỏ: Khi tăng tải cũng phải mở rộng thêm van tiết lu, tổn thất
áp suất giảm chậm nên áp suất sau van tiết lu tăng chậm ít ảnh hởng tới lợng xăng bay
hơi tại đây. Vì vậy, lợng xăng bay hơi trong xy lanh cũng ít bị ảnh hởng. Do đó chỉ còn
ảnh hởng tổng quát xét ở trên, tức l n1 tăng.

n1

n1

b)

Tăng n

a)

0

100% tải

0

100% tải

Hình 4-10. ảnh hởng của tải trọng tới n1
Tổng hợp ảnh hởng của tải trọng đến n1 đợc thể hiện trên hình 4-10.
4.2.3.3 Kích thớc xy lanh
Ta xét hai trờng hợp:
Flm
D 2
giảm (vì Vh =
S v nếu
Vh
4
coi gần ®óng Flm = πDS th× Flm/Vh tû lƯ víi 1/D) nên mất nhiệt tăng, n1 giảm. Nh vậy
động cơ nhỏ bất lợi hơn.
ã S/D = const, khi giảm D (giảm Vh) sẽ l m cho

ã Vh = const, khi giảm S/D (tức tăng D, giảm S) cũng l m

Flm
giảm nên n1 tăng.
Vh

Nh vậy động cơ có S/D nhỏ có lợi hơn.
4.2.3.4 Tình trạng kỹ thuật
Nếu các chi tiết nh piston-xylanh, xéc măng, mòn nhiều, xu páp đóng không kín
khít thì lọt khí nhiều sẽ l m giảm n1.
Nếu trạng thái tản nhiệt từ buồng cháy không tốt nh đóng cặn trong hƯ thèng l m
m¸t, kÕt mi than trong bng cháy... sẽ l m giảm mất nhiệt nên n1 tăng.
4.2.4 Vấn đề chọn tỷ số nén
Từ phân tích chu trình lý tởng ta đ thấy rằng, khi tăng tỷ số nén thì hiệu suất t
v áp suất trung bình pt đều tăng. Tuy nhiên trong thực tế thờng bị giới hạn bởi những
điều kiện cụ thể tuỳ thuộc v o loại động cơ.
ã Động cơ đốt cháy c−ìng bøc



51


Trong động cơ đốt cháy cỡng bức nh động cơ xăng v động cơ gas, nhiệt độ cuối
quá trình nén phải nhỏ hơn nhiệt độ giới hạn xảy ra kích næ.
Tc = Ta ε n 1 − 1 < [Tkn ]

(4-43)

Nhiệt độ giới hạn kích nổ [Tkn ] tuỳ thuộc v o số ốc tan của nhiên liệu, cấu tạo v
chế độ l m việc của động cơ. Nhiên liệu có trị số ốc tan O cao, động cơ có buồng cháy
gọn, tải trọng nhỏ thì [Tkn ] lớn v ngợc lại. Từ (4-43) có thể thấy rằng, để không xảy ra
kích nổ thì tỷ số nén phải nhỏ hơn tû sè nÐn giíi h¹n kÝch nỉ:
ε < [ε kn ]

(4-44)

Động cơ xăng có [ kn ] = 11 ữ 12. Trong thực tế, tỷ số nén của động cơ xăng nằm
trong khoảng 6 ữ 12.
ã Động cơ diesel

Trong động cơ diesel, để xảy ra quá trình tự cháy thì nhiệt độ cuối quá trình nén
phải lớn hơn nhiệt độ giới hạn tự cháy.
Tc = Ta n 1 1 > [Ttc ]

(4-45)

Tõ ®ã rót ra:
ε > [ε tc ]

(4-46)

Để khởi động dễ d ng, ngời ta chọn tỷ số nén cao hơn một chút.
Flm
lớn, vật liệu các chi tiết tạo th nh buồng cháy nh piston, xy lanh,
Vh
nắp xy lanh cã hƯ sè dÉn nhiƯt lín, sư dơng nhiên liệu có số xê-tan nhỏ thì phải chọn tỷ số
nén lớn v ngợc lại.

Động cơ có

Trong thực tế, giới hạn dới của tỷ số nén động cơ diesel v o khoảng 12. Còn giới
hạn trên tuỳ thuộc v o giới hạn tải trọng tác dụng (giới hạn về sức bền) lên các chi tiết
p
nh piston, thanh truyền... cũng nh giới hạn tăng áp suất

liên quan đến tính êm dịu

của quá trình cháy. Trong thực tế, tỷ số nén của động cơ diesel nằm trong khoảng 12 ữ
24.
4.3 Quá trình cháy
4.3.1 Khái niệm cơ bản
Quá trình cháy l quá trình ô-xy hoá nhiên liệu, giải phóng hoá năng th nh nhiệt
năng.
Yêu cầu đối với quá trình cháy l nhiên liệu cháy đúng lúc, cháy kiệt để đạt tính
p
hiệu quả v tính kinh tế cao, đồng thời tốc độ tăng áp suất
không quá lớn để động cơ

l m việc ít rung giật v hạn chế tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của cơ cấu trục
khuỷu- thanh truyền. Ngo i ra, các th nh phần độc hại trong khí thải phải nằm trong giới
hạn cho phép theo qui định về bảo vệ môi trờng.


52


Một số thông số đặc trng của quá trình cháy l :
ã Tốc độ cháy w: biểu thị lợng hỗn hợp tham gia phản ứng trong một đơn vị thời
dQ
gian (kg/s hay kmol/s). Tốc độ cháy w quyết định tốc độ toả nhiệt
v qua đó đến
d
p
.

ã Tốc độ phản ứng ô-xy hoá w': biểu thị tốc độ cháy riêng cho một đơn vị thể tích
hỗn hợp (kg/sm3 hay kmol/sm3)
ã Tốc ®é lan tr n m ng löa u (m/s): quyÕt định thời gian cháy hỗn hợp.
4.3.2 Cơ sở lý hoá của quá trình cháy
4.3.2.1 Phản ứng dây chuyền nhiệt
Những phản ứng ô-xy hoá các-bua-hy-drô trong nhiên liệu đ nghiên cứu ở chơng
III chỉ cho ta biết sản phẩm cuối cùng. Ví dụ nh trong phản ứng ô-xy hoá của hép-tan:
C7H16 + 11O2 = 7CO2 + 8H2O

(4-47)

thì sản phẩm cháy l các-bon-nic v nớc. Tuy nhiên, những phơng trình dạng (447) không cho ta biết cơ chế của phản ứng. Nói chung, phản ứng cháy của nhiên liệu
trong buồng cháy động cơ bao gồm các quá trình lý hoá rất phức tạp, nhiều vấn đề còn
cha đợc rõ r ng. Trong số các công trình đ công bố thì lý thuyết về phản ứng dây
chuyền nhiệt của Viện sỹ Xê-mê-nốp đợc sử dụng rộng r i để giải thích cơ chế của quá
trình cháy. Tóm tắt lý thuyết phản ứng dây chuyền-nhiệt nh sau.
Trong quá trình nén, các phân tử của hỗn hợp công tác (trong đó có các phân tử
nhiên liệu v phân tử ô-xy) chuyển động hỗn loạn theo chuyển động Brao v va chạm với
nhau. Khi năng lợng va chạm (bao gồm động năng v năng lợng hoá trị) vợt quá một
giới hạn n o đó gọi l năng lợng kích động thì phản ứng mới xảy ra. Sản phẩm l các
phần tử có ái lực hoá học rất cao gọi l phần tử hoạt tính. Các phần tử hoạt tính mới sinh
ra lại phản ứng với các phân tử khác tạo ra các phần tử hoạt tính mới trong các phản ứng
phân nhánh. Ví dụ, đầu tiên do va chạm, một phân tử hy-drô (của nhiên liệu) phân th nh
hai nguyên tử hy-drô. Các nguyên tử hy-drô lại tiếp tục phản ứng với các phân tử khác tạo
ra các phần tử hoạt tính mới theo chuỗi sau:
H2 → 2H
2H + 2O2 → 2OH + 2O
2OH + 2H2 → 2H2O + 2H
2O + 2H2 → 2OH + 2H

Cø nh vậy, các phần tử hoạt tính tích tụ ng y c ng nhiều trong quá trình phân
nhánh. Tuy nhiên, cũng có những va chạm không sinh ra các phần tử hoạt tính nh va
chạm với th nh bình hay va chạm với khí trơ. Khi đó xảy ra hiện tợng đứt nhánh l m
mất đi số phần tử hoạt tính. Khi số phần tử hoạt tính sinh ra lớn hơn số phần tử mất đi thì
số phần tử hoạt tính tích tụ đợc ng y c ng nhiều v đạt đến một giới hạn n o đó thì phản
ứng tăng tốc tới phát hoả tức l hỗn hợp bốc cháy. Trong trờng hợp ngợc lại, quá trình
cháy không xảy ra.



53


Các phản ứng ô-xy hoá các-bua-hy-drô trong nhiên liệu diễn ra theo cơ chế dây
chuyền v đều l phản ứng toả nhiệt. Vì vậy môi chất trong quá trình phản ứng cũng đợc
tự sấy nóng l m xúc tiến quá trình phát hoả. Do đó lý thuyết của Viện sỹ Xê-mê-nốp trình
b y ở trên đợc gọi l lý thuyết về phản ứng dây chuyền-nhiệt.
4.3.2.2 Thời gian cháy trễ
Thời gian tính từ lúc bật tia lửa điện (động cơ xăng) hoặc phun nhiên liệu (động cơ
diesel) cho đến khi quá trình cháy thực sự diễn ra với sự tăng vọt về áp suất v nhiệt độ
trong xy lanh gọi l thời gian cháy trễ i (s) tơng ứng với góc ϕi (0TK). Thêi gian ch¸y trƠ
phơ thc chđ u v o loại nhiên liệu (số Xe, số O, khối lợng riêng, độ nhớt..) nhiệt độ
v áp suất tại thời điểm đánh lửa hoặc phun, mức độ chuyển động rối của môi chất,
phơng pháp hình th nh hỗn hợp v rất khó xác định bằng tính toán. Trong các t i liệu
chuyên khảo về động cơ có thể tìm thấy các công thức thực nghiệm để tính i cho những
trờng hợp cụ thể.
4.3.2.3 Qui luật cháy v tốc độ toả nhiệt
Một thông số rất quan trọng của quá trình cháy l qui luật cháy. Trong số các qui
luật cháy tìm ra qua thực nghiệm thì qui luật cháy của Vibe đợc c«ng nhËn réng r i.
 τ 

− 6, 908 
τ
g ( )
z
x=
=1 e
g ct

m +1

(4-48)

trong đó:
ã g() l lợng nhiên liệu đ cháy tính cho đến thời điểm
ã gct l lợng nhiên liệu chu trình
ã m: hệ số quá trình cháy, tuỳ thuộc loại động cơ
ã z l thêi gian ch¸y.

Tõ qui lt ch¸y, ta cã thĨ dễ d ng tìm đợc tốc độ cháy

dx
v tốc độ toả nhiệt
d

dQ
:
d
dQ
dx

= g ct Q H
d
d

(4-49)

4.3.3 Quá trình cháy trong động cơ xăng
4.3.3.1 Diễn biến
Do đặc điểm hình th nh hỗn hợp bên ngo i xy lanh (trừ động cơ phun xăng trực
tiếp), quá trình cháy trong động cơ xăng có thể chia ra th nh 3 giai đoạn nh sau, hình 411.
Giai đoạn I: giai đoạn cháy trễ, tính từ lúc bu-gi bật tia lửa điện tại điểm 1 đến khi
đờng cháy tách khỏi đờng nén tại điểm 2. Trong giai đoạn n y hình th nh những nguồn



54


lửa đầu tiên từ bu-gi v bắt đầu dịch chuyển m ng lửa. Lợng hỗn hợp tham gia phản ứng
ít (chỉ tới khoảng 1,5%) nên lợng nhiệt toả ra nhỏ không l m thay đổi áp suất đờng nén.
Các thông số đặc trng của giai đoạn cháy trễ l thời gian ch¸y trƠ τi (s) hay gãc
ch¸y trƠ ϕi (oTK), phơ thc tr−íc hÕt v o th nh phÇn v tính chất của nhiên liệu, mức độ
chuyển động rối của môi chất, nhiệt độ lân cận bu-gi tại thời điểm đánh lửa v năng lợng
tia lửa
Giai đoạn II: giai đoạn
cháy nhanh, diƠn ra tõ ®iĨm 2
®Õn ®iĨm 3, m ng lửa lan tr n với
tốc độ lớn. Do hỗn hợp đ đợc
chuẩn bị rất tốt từ trớc (xăng rất
dễ bay hơi; hơn nữa thời gian

chuẩn bị d i: từ bên ngo i xy lanh
v tiếp tục trong quá trình nạp v
quá trình nén) nên phần lớn bị đốt
cháy trong giai đoạn n y. Do đó,
tốc độ toả nhiệt rất lớn trong khi
thể tích xy lanh thay đổi ít nên
gần với quá trình cấp nhiệt đẳng
tích. Cuối giai đoạn n y m ng lửa
hầu nh lan tr n khắp buồng cháy
v áp suất trong xy lanh đạt cực
đại.
Thông số đặc trng của giai
đoạn cháy nhanh l tốc độ tăng áp
suất:

3'

4'

3

T
4

1' 2'

Nén

1

p

2
2
i
s

3



ĐCT

Hình 4-11. Quá trình cháy trong động cơ xăng

p
p pc
= z

cz

(4-50)

Quá trình cháy diễn ra c ng m nh liệt thì tốc độ tăng áp suất c ng lớn, động cơ l m
p
việc không êm v ngợc lại. Trong thực tế,
của động cơ xăng nằm trong khoảng 0,1

ữ 0,2 MN/m2 0TK.
Tõ lý thut v kinh nghiƯm ng−êi ta rót ra qui luật sau: quá trình cháy có hiệu quả

sinh công tốt nhất nếu nh 2 v 3 đối xứng nhau qua ĐCT. Đây chính l một cơ sở để
lựa chọn góc đánh lửa sớm (s) tối u.
Giai đoạn III: giai đoạn cháy rớt, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Tốc độ cháy giảm
vì chỉ cháy nốt những phần hỗn hợp cha cháy nh lớp sát vách hay ở khe kẽ của buồng
cháy trong điều kiện nồng độ ô-xy đ giảm nhiều nên tốc độ toả nhiệt nhỏ. Ngo i ra,
piston đi c ng xa khỏi ĐCT. Do đó hiệu quả sinh công ít. Nhiệt sinh ra chủ yếu l m nóng
các chi tiết. Để hạn chế cháy rít cã thĨ ¸p dơng c¸c biƯn ph¸p nh− chän góc đánh lửa
sớm, cờng độ xoáy lốc của môi chất thích hợp v sử dụng đúng loại nhiên liệu yêu cầu.
4.3.3.2 Những nhân tố ảnh hởng



55


a. Góc đánh lửa sớm s
Nếu s quá lớn sẽ dẫn đến hiện tợng vừa cháy vừa nén l m tốn công nén v máy
nóng. Ngợc lại s nhỏ quá l m cho quá trình cháy kéo d i trên đờng gi n nở, nhiệt độ
khí thải cao, máy nóng v hiệu quả sinh công kém. Lựa chọn đợc s tèi −u sÏ cho tÝnh
kinh tÕ v tÝnh hiƯu qu¶ cao nhất. Tuy nhiên cần lu ý rằng với s tối u cha thể khẳng
định rằng nồng độ độc hại trong khí thải động cơ thấp nhất.
b. Hệ số d lợng không khí
Hỗn hợp xăng v không khí trong động cơ xăng có giới hạn cháy hẹp 0,4 < λ < 1,68
ë nhiƯt ®é 3000C (xem mơc ®iỊu chØnh chơng VIII. Đặc tính động cơ). Vì vậy, để điều
chỉnh tải trọng phải sử dụng phơng pháp điều chỉnh lợng thông qua một bộ phận tiết
lu trên đờng nạp nh van tiết lu hoặc điều chỉnh lợng kết hợp với điều chỉnh chất
trong động cơ phun xăng trực tiếp (xem chơng VII. Hình th nh hỗn hợp).
Nếu c ng lớn (hỗn hợp c ng nhạt) nhiệt toả ra ít, công suất động cơ giảm. Mặt
khác nếu hỗn hợp c ng nhạt thì cháy rớt c ng kéo d i, hiệu quả sinh công giảm, do đó
l m giảm tính hiệu quả v tính kinh tế của động cơ. Để khắc phục phần n o ảnh hởng do

cháy rớt có thể tăng s.
Ngợc lại, nếu nhỏ quá, hỗn hợp rất đậm, nhiên liệu cháy không hết l m giảm
tính kinh tế của động cơ v tăng ô nhiễm môi trờng.
c. Tỷ số nén
Khi tăng l m cho nhiệt độ v áp suất tại thời điểm đánh lửa p1 v T1 tăng dẫn tới
giảm i v i. Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 nói trên thì phải giảm góc đánh lửa sớm s.
d. Kết cấu buång ch¸y v bè trÝ bu-gi
KÕt cÊu buång ch¸y gän, bu-gi đặt giữa hoặc bố trí nhiều bu-gi l m cho thời gian v
p
góc gi nh cho quá trình cháy nhanh l 2-3 v 2-3 đợc rút ngắn. Đồng thời
tăng v

cháy rớt giảm.
Nếu buồng cháy có xoáy lốc hợp lý thì tốc độ cháy tăng dẫn tới

p
tăng v giảm


cháy rớt.
e. Tốc độ vòng quay n
Khi tăng n, thời gian (tính theo s) gi nh cho to n bộ quá trình cháy giảm. Tuy
nhiên, chuyển động rối tăng dẫn đến tăng tốc độ lan tr n m ng lửa nên góc d nh cho quá
trình cháy nhanh 2-3 gần nh không đổi còn i v cháy rớt có tăng. Thực nghiệm chứng
tỏ i tăng tỷ lệ với n . Để bảo đảm điều kiện 2 = 3 thì phải tăng s. Đây chính l
nguyên tắc điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo tốc độ vòng quay n trong động cơ xăng.
f. Tải trọng
Khi giảm tải trọng phải đóng bớt van tiết lu trên đờng nạp l m tăng hệ số khí sót
r (hỗn hợp bẩn hơn) v l m giảm áp suất v nhiệt độ cuối quá trình nén. Hỗn hợp khi
đó phải đậm hơn (xem phần đặc tính của bộ chế ho khí lý tởng môn Hệ thống nhiên

56


P

liệu). Do đó i tăng v tốc độ cháy giảm
l m cho quá trình cháy kéo d i, tính kinh tế
giảm v tăng ô nhiễm môi trờng. Để hạn
chế ảnh hởng n y thì phải tăng góc đánh
lửa sớm s. Đây chính l nguyên tắc điều
chỉnh góc đánh lửa sớm theo tải trọng trong
động cơ xăng.
4.3.3.3 Các hiện tợng cháy không
bình thờng
a. Kích nổ


Do những yếu tố n o đó nh vận h nh
hay sử dụng nhiên liệu không đúng, nhiệt
CT
độ tại một hay một số vùng trong buồng
cháy đủ lớn để tự cháy với sự xuất hiện
Hình 4-12. áp st trong xy lanh khi cã
ngän lưa cơc bé khi ngän lưa tõ bu-gi ch−a
kÝch nỉ
lan tr n tíi. Ngn lưa n y ph¸t triĨn rÊt
nhanh, lan tr n víi tốc độ lớn v chèn ép với
vùng cháy do ngọn lưa tõ bu-gi, g©y ra sãng va kÌm theo tiÕng gõ rất đanh v áp suất

trong buồng cháy dao động với tần số lớn, hình 4-12. Nhiên liệu không kịp cháy bị phân
huỷ th nh các bon tự do nên khí thải có khói đen. Do kích nổ, động cơ rất nóng v công
suất giảm nên không thể tiếp tục l m việc đợc.
Kích nổ l hiện tợng đặc thù ở động cơ đốt cháy cỡng bức. Những yếu tố n o l m
tăng nhiệt độ cục bộ chính l nguyên nhân gây kích nổ. Đó l tỷ số nén lớn, nhiên liệu
có chỉ số ốc-tan nhỏ, tải lớn, l m mát kém, góc đánh lửa sớm không phù hợp
b. Cháy sớm

p

L hiện tợng cháy xảy ra khi bu-gi
cha bật tia lửa điện. Nguồn lửa có thể l
các chi tiết quá nóng hoặc muội than nóng
đỏ, nên cháy sớm không có qui luật v
không điều khiển đợc. Cháy sớm l m tăng
công nén, hình 4-13, máy rất nóng tới mức
có thể l m chảy piston. Kích nổ v cháy
sớm thờng đi kèm với nhau vì có cùng
nguyên nhân l nhiệt độ cao.
c. Ngắt điện vẫn l m việc
Hiện tợng n y xảy ra khi động cơ
l m việc lâu ở trạng tải lớn, tốc độ vòng
quay thấp. Khi đó nhiệt độ các chi tiết rất
cao v thời gian cháy trễ đủ lớn để hỗn hợp
tự cháy.

V
CT

Hình 4-13. áp suất trong xy lanh khi cã

ch¸y sím

d. Nỉ trong xy lanh
Khi động cơ l m việc lâu ở chế độ không tải, hỗn hợp quá đậm, nhiên liệu cháy
không hết phân huỷ th nh muội than v bị nung nóng đỏ bám lên các chi tiết nh bu-gi,



57


xu páp. Khi động cơ chuyển về chế độ có tải thì đây chính l những nguồn lửa đốt hỗn
hợp hầu nh đồng thời ỏ nhiều điểm trong xy lanh gây ra tiếng nổ.
e. Nổ trong đờng thải
Khi động cơ ®ang l m viƯc ë chÕ ®é t¶i lín ®ét ngột chuyển về chế độ không tải, ví
dụ nh trờng hợp phanh ô tô đột ngột, nếu động cơ dùng bộ chế ho khí thì hỗn hợp khi
đó sẽ quá đậm (do đặc điểm cấu tạo của bộ chế ho khí khi động cơ bị kéo ở chế độ tốc
độ vòng quay cao v van tiết lu hỗn hợp ở vị trí không tải). Quá trình cháy khi đó có thể
kéo d i cho tới tận đờng thải gây ra tiếng nổ.
4.3.4 Quá trình cháy trong động cơ diesel
4.3.4.1 Diễn biến
Tơng tự nh trong động cơ
xăng, trên hình 4-14 thể hiện áp
suất v nhiệt độ trong xy lanh.
Ngo i ra còn thể hiện qui luật phun
thông qua đại lợng l tỷ lệ (%)
lợng nhiên liệu đ phun so với
lợng nhiên liệu chu trình gct, qui
luật cháy x (%) v tốc độ toả nhiệt
dx/d (xem mục 4.3.2.3). Động cơ

diesel l động cơ có quá trình hình
th nh hỗn hợp bên trong xy lanh.
Từ đặc điểm n y có thể chia quá
trình cháy th nh 4 giai đoạn.

4'

3'
3

4

2'

5

1'
Nén



T
p

1 2
i
s

5'

CT

, x=100%
x

Giai đoạn I: cháy trễ, tính từ
dx/d
khi vòi phun phun nhiên liệu tại

điểm 1 đến khi đờng cháy tách
0
khỏi đờng nén 2. Trong giai đoạn
n y xảy ra các quá trình tạo th nh
Hình 4-14. Quá trình cháy trong động cơ diesel
hỗn hợp v chuẩn bị cháy nh xé
nhỏ nhiên liệu, bay hơi v ho trộn
nhiên liệu, phản ứng sơ bộ hình th nh những trung tâm tự cháy đầu tiên v bớc đầu phát
triển những trung tâm n y.
Các thông số đặc trng của giai đoạn cháy trễ l thời gian ch¸y trƠ τi (s) hay gãc
ch¸y trƠ ϕi (oTK), phơ thc tr−íc hÕt v o th nh phÇn v tÝnh chất của nhiên liệu nh số
xe-tan Xe, độ nhớt Ngo i ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hởng của các yếu tố khác
nh nhiệt độ v áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ chuyển
động rối của môi chất
Giai đoạn II: cháy nhanh, diễn ra từ điểm 2 đến điểm 3. Phần hỗn hợp đ đợc
chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ bèc ch¸y rÊt nhanh l m cho ¸p suÊt v nhiệt độ trong xy
lanh tăng vọt. Tốc độ toả nhiệt rÊt lín trong khi thĨ tÝch xy lanh thay ®ỉi ít nên giai đoạn
cháy nhanh gần với quá trình cấp nhiệt đẳng tích.

58


p
, xem (4
p
50). Lợng hỗn hợp đợc chuẩn bị trong giai đoạn cháy trễ c ng nhiều thì
c ng lớn,

động cơ l m việc không êm v ngợc lại.

Thông số đặc trng của giai đoạn cháy nhanh l tốc độ tăng áp suất

p
của động cơ diesel nằm trong khoảng 0,3 ữ 0,6 MN/m2 0TK,

lớn hơn nhiều (khoảng 3 lần) so với của động cơ xăng vì tỷ số nén cao hơn. Chính vì vậy
nên động cơ diesel l m việc không êm nh động cơ xăng.

Trong thực tế,

Giai đoạn III: cháy chính, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Hỗn hợp vừa chuẩn bị vừa
cháy nên quá trình cháy diễn ra từ từ với tốc độ cháy giảm dần. Vì vậy quá trình cháy
diễn ra êm dịu hơn. Có thể coi giai đoạn cháy chính gần với quá trình cấp nhiệt đẳng áp
v to n bộ quá trình cháy trong động cơ diesel gần với chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Tốc
độ cháy đợc quyết định bởi tốc độ ho trộn giữa nhiên liệu v không khí hay tốc độ
chuẩn bị hỗn hợp. Mặt khác, tốc độ cháy giảm còn do nồng độ ô-xy giảm dần. Do đó, tuy
động cơ l m việc êm nhng hiệu quả biến đổi nhiệt th nh công giảm (tính kinh tế giảm)

v tăng khả năng cháy rớt ở giai đoạn sau. Trong thực tế khoảng 40 ữ 50% lợng nhiên
liệu chu trình cháy trong giai đoạn III.
Giai đoạn IV: cháy rớt, cũng nh ở động cơ xăng trong giai đoạn cháy rớt sẽ cháy
nốt những phần hỗn hợp còn lại (lớp sát vách hay ở khe kẽ của buồng cháy). Hiệu quả
sinh công thÊp, nhiƯt sinh ra chđ u l m nãng c¸c chi tiết. Giai đoạn cháy rớt đợc coi l
kết thúc (hay to n bộ quá trình cháy kết thúc) khi cháy hết 95ữ97% lợng nhiên liệu chu
trình. Để hạn chế ch¸y rít cã thĨ ¸p dơng c¸c biƯn ph¸p nh− chän gãc phun sím ϕs,
c−êng ®é vËn ®éng rèi cđa môi chất thích hợp
4.3.4.2 Những nhân tố ảnh hởng
a. Tính chÊt cđa nhiªn liƯu
Nhiªn liƯu cã sè xª-tan Xe lín, (tính tự cháy cao) thì thời gian cháy trễ i giảm,
p
lợng nhiên liệu chuẩn bị trong thời gian cháy trễ giảm nên
v pmax nhỏ, động cơ l m

việc êm.
b. Tỷ số nén
Tăng l m tăng nhiệt độ v áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu, tạo điều kiện
p
thuận lợi cho quá trình chuẩn bị nên i giảm dẫn tới
giảm, động cơ l m việc êm hơn.

c. Góc phun sớm
Góc phun sớm s lớn quá thì điều kiện cho quá trình chuẩn bị không thuận lợi do
nhiệt độ v áp suất tại thời điểm phun nhiên liệu còn nhỏ. Do đó thời gian cháy trễ i d i,
p
lợng hỗn hợp chuẩn bị nhiều nên
lớn, động cơ l m việc không êm. Ngo i ra, s lớn

l m tăng công nén l m giảm hiệu quả sinh công v m¸y nãng.

59