Thông thường, khi đánh giá lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp, người ta sử dụng các thông số trước cửa hút của xy lanh Po, To hoặc Ps, Ts đối với động cơ hai kỳ
Trang 1Trong động cơ đốt trong, sau mỗi chu kỳ công tác, động cơ cần phải thải
một lượng khí cháy và nạp một lượng không khí mới vào xy lanh động cơ Chất
lượng của quá trình nạp và lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ có ảnh
hưởng rất nhiều đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy nhiên liệu sau này Thông
thường, khi đánh giá lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình
nạp, người ta sử dụng các thông số trước cửa hút của xy lanh Po, To (hoặc Ps, Ts
đối với động cơ hai kỳ và động cơ tăng áp) Thực tế lượng không khí nạp có
trong xy lanh ở đầu quá trình nén nhỏ hơn lượng không khí tính toán theo lý
thuyết, bởi vì trong quá trình nạp, lượng không khí nạp vào xy lanh còn chịu ảnh
hưởng của các yếu tố sau:
Sức cản thủy lực của đường ống không khí nạp, các xupáp nạp và các
cửa nạp (trong động cơ hai kỳ) Do tồn tại sức cản thủy lực này nên áp suất của
không khí trong xy lanh động cơ khi bắt đầu quá trình nén (cuối quá trình nạp) sẽ
nhỏ hơn áp suất không khí nạp trước cửa nạp Sự giảm áp suất do sức cản thủy lực
này sẽ làm cho mật độ không khí trong xy lanh động cơ của quá trình nạp sẽ bị
giảm theo, và do vậy, trong cùng một thể tích, trọng lượng của không khí sẽ
giảm
Sự sấy nóng không khí nạp do thành vách xy lanh, đỉnh piston, các xupáp
hay các cửa làm cho nhiệt độ không khí nạp tăng, trọng lượng riêng của nó giảm
xuống, làm giảm lượng không khí nạp thực tế vào xy lanh động cơ
Ngoài ra trong thực tế, cuối quá trình xả chúng ta không thể làm sạch hoàn
toàn xy lanh công tác Có nghĩa là khi bắt đầu quá trình nạp, trong xy lanh bao
giờ cũng còn sót lại một lượng khí cháy Lượng khí cháy cón sót lại này sẽ chiếm
một phần thể tích xy lanh công tác, làm giảm lượng không khí sạch nạp vào xy
lanh
Lượng khí cháy cón sót lại trong xy lanh động cơ được đánh giá bằng một
đại lượng tương đối gọi là hệ số khí sót, kí hiệu là γr;
(2-1)
Trong đó Mr: số lượng khí cháy còn sót lại trong xy lanh động cơ ở cuối
kỳ xả (kmol);
L: số lượng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ trong quá trình nạp (kmol)
Do lượng khí sót trong xy lanh động cơ có nhiệt độ cao sẽ trao đổi nhiệt cho
không khí sạch mới nạp vào làm nhiệt độ của nó tăng lên Kết quả là trọng lượng
Trang 2
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 13
s
o s
o s
o n
L
L G
G V
Ảnh hưởng của tất cả các yếu tố trên làm cho lượng không khí thực tế nạp
vào xy lanh động cơ ở các giá trị Pa, Ta thực tế nhỏ hơn lượng không khí lý
thuyết tính toán theo các thông số Po, To hay Ps, Ts
Để đánh giá hiệu quả của quá trình nạp, người ta đưa ra khái niệm hệ số nạp
được định nghĩa như sau:
Hệ số nạp là tỷ số giữa lượng không khí có trong xy lanh động cơ ở đầu
hành trình nén và lượng không khí có thể chứa trong thể tích công tác của xy
lanh động cơ, có thông số là thông số trạng thái của không khí trước cửa hút của
xy lanh
Nếu kí hiệu ηn là hệ số nạp; Go (kg); Vo (m3); Lo (kmol) là lượng không khí
thực tế nạp vào thể tích Va của xy lanh công tác; Gs (kg); Vs (m3); Ls (kmol) là
lượng không khí có thể chứa trong thể tích Vs của xy lanh công tác có các thông
số của không khí trước cửa nạp Po, To (hay Ps,Ts) thì:
Cần chú ý là theo định nghĩa Va > Vs, do đó trong trường hợp lý tưởng nếu
quá trình xả là sạch hoàn toàn thì khi đó ηn có thể lớn hơn 1
Để lập công thức tính toán hệ số nạp, trước hết là môt số giả thiết sau:
Quá trình nạp kết thúc tại điểm a của đồ thị công chỉ thị
Công do khí cháy sinh ra trong quá trình nạp và năng lượng động học của nó
Trong đó, L: lượng không khí sạch (kmol); Mr: lượng khí sót còn sót lại
trong xy lanh của cuối quá trình nạp (kmol)
Giá trị của Ma và L trong phương trình trên có thể xác định từ phương trình
trạng thái của chất khí:
4
10 848
a
a a T
V P
Trong đó, Pa, Ta là áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nén (kG/cm2; oK); Và là
thể tích xy lanh đầu quá trình nén (m3); Po, To là áp suất và nhiệt độ không khí
nạp trước cửa nạp (kG/cm2, oK)
Từ công thức
Trang 3
10 848
o
s n o
T
V P
=
)1.(
r o
o n o a
a a
T
V P T
V
)1.(
r s
a a o
o a n
V
V T P
T P
;
ε
= +
c
c s V
V
1 ).
1 (
ε
c
c s
a
V
V V
T P
T P
γε
εη
.
Trường hợp động cơ bốn kỳ tăng áp hay động cơ hai kỳ, thông số trước cửa
nạp là Ps, Ts Khi đó công thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ có tăng áp có
dạng như sau:
r a s
s a n
T P
T P
γε
εη
1
Đối với động cơ hai kỳ quá trình nén thực tế là khi piston đóng kín các cửa
Vì thế, trong tính toán quá trình nạp cho động cơ hai kỳ ta phải lấy tỷ số nén thực
tế εt
s c c
a t
V
V V V
'
s s
ε ψε
Trang 4
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 15
c
a V
V V
) 1 (
c
s c c
a V
V V V
P
T R
V =
o o
o
T R
o a o a
a o
a
T P
T P P
T R T R
P
.
.
.
=
γγ
Vì vậy: ε ε= t(1 −ψs) +ψs
Trong động cơ bốn kỳ, bỏ qua sự đóng muộn của xupáp, khi đó ta có thể
xem quá trình nén bắt đầu khi piston từ điểm chết dưới đi lên điểm chết trên và
Khi đó ta có:
Từ phương trình:
ta có:
Thay vào công thức tính hệ số nạp và chú ý là:
Khi đó ta có công thức tổng quát tính hệ số nạp:
)1.(
1
1
s a
t
t n
T P
T
γε
Động cơ bốn kỳ không tăng áp thay Ps, Ts bằng Po, To, còn hệ số ψs đối với
động cơ bốn kỳ có tăng áp và không tăng áp đều bằng không Khi đó, công
thức tính hệ số nạp cho động cơ bốn kỳ không tăng áp lại quay về dạng:
o a
t
t n
T P
T P
γε
εη
1
Có thể biểu diễn công thức tính hệ số nạp dưới một dạng khác như sau:
Từ phương trình trạng thái của 1kg chất khí P.V = R.T
Viết cho chất khí có thông số P o , V o , T o ta có: P o V o = R.T o
Từ đó: và
Tương tự, viết cho chất khí có thông số trạng thái ở đầu quá trình nén ta có:
a
a a T R
εη
Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ được thay bằng γs
Trang 5Bây giờ ta sẽ phân tích xem hệ số nạp phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Từ công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp:
r a o
o a t
t
n
T P
T P
γε
.
1
Ta thấy biểu thức
1
ε
ε− là một thông số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ
Như vậy với mỗi động cơ cụ thể thì biểu thức này là một hằng số Còn biểu thức
1
1 +γr thì ở đây γr là một thông số phụ thuộc vào hệ thống quét thải của động
cơ và chế độ công tác đã cho Chất lượng làm sạch xy lanh và do đó giá trị của
γr thay đổi phụ thuộc rất nhiều vào việc hoàn thiện hệ thống quét thải và hệ
thống tăng áp Ngoài ra việc làm vệ sinh sạch các cửa quét thải trong động cơ hai
kỳ, các đường ống xả và tuabin khí tăng áp cũng làm cho hệ số γr thay đổi Khi
γr tăng, hệ số nạp giảm xuống và ngược lại
Môi trường nơi động cơ làm việc có ảnh hưởng đến hệ số nạp thông qua giá
trị P o , T o và ϕ Thực tế giữa áp suất, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường ảnh hường
đến hệ số nạp như thế nào? Khi P o , T o thay đổi sẽ làm cho mật độ không khí
trước cơ cấu nạp (γo) thay đổi nhưng đồng thời nó cũng làm cho γa thay đổi
theo Nói cách khác, khi mật độ không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm)
γ thực tế thay đổi rất ít và hầu như không đáng kể Như vậy
đối với một động cơ cụ thể ở một chế độ khai thác đã chọn thì có thể xem hệ số
nạp không chịu ảnh hưởng của môi trường nơi động cơ làm việc nếu hê số khí sót
cũng không thay đổi Tuy nhiên dù η n không thay đổi nhưng do trọng lượng riêng
của không khí nạp thay đổi nên lượng không khí sạch nạp vào xy lanh động cơ
cũng thay đổi theo Nếu chuyển động cơ từ vùng có nhiệt độ thấp (hàn đới) sang
khai thác ở vùng có nhiệt độ cao (nhiệt đới) thì do nhiệt độ môi trường T o tăng
làm γ o giảm và vì vậy số lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ cũng giảm
theo Nếu các điều kiện khác là như nhau thì trong trường hợp này để giữ
nguyên hệ số dư lượng không khí α thì bắt buộc phải giảm lượng nhiên liệu
cung cấp cho chu trình, tức là giảm công suất của động cơ
Ngoài hai yếu tố áp suất và nhiệt độ thì độ ẩm môi trường cũng có ảnh
hưởng đáng kể đến lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ
Lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ khi không khí là không khí khô
có thể tính theo công thức: G1 =v s .γ η0 n
Khi không khí nạp là không khí ẩm thì lượng không khí thực tế nạp vào xy
lanh động cơ được tính như sau:
Trang 6
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 17
Trong đó động cơ là độ ẩm riêng của hơi nước trong không khí ẩm (kg hơi
nước/kg không khí khô)
Như vậy khi động cơ tăng, lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ
sẽ giảm
Như đã nói ở trên, đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ,
thông số trước cửa nạp không phải là P o , T o mà là P s , T s Hai thông số này ngoài
ảnh hưởng của môi trường còn chịu ảnh hưởng của quá trình nén trong máy nén
tăng áp và chế độ làmm mát không khí tăng áp Điều này có nghĩa là P o , T o và ϕ
là các thông số gián tiếp ảnh hưởng đến trọng lượng không khí nạp Do vậy có
thể nói đối với các động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ, ảnh hưởng của
môi trường sẽ nhỏ hơn so với động cơ không tăng áp
Sức cản thủy lực trên đường ống hút được biểu thị thông qua biểu thức
0
a p p
2.1.2 Xác định các thông số của quá trình nạp
Giá trị ε là một thông số kết cấu: a
c
v v
ε =
Đối với các động cơ đốt trong, việc lựa chọn ε khi thiết kế động cơ dựa
yêu cầu là nhiệt độ cuối quá trình nén phải đảm bảo nhiên liệu có khả
năng tự bốc cháy, nhưng đồng thời phải giữ cho các giá trị ứng suất nhiệt và
ứng suất cơ nằm trong giới hạn cho phép
Các động cơ diesel tàu thủy giá trị ε =10 ÷ 19; động cơ kích thước nhỏ
chọn ε cao; động cơ không tăng áp có ε cao hơn động cơ tăng áp
Hệ số khí sót cũng là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường
nằm trong các khoảng sau:
Động cơ bốn kỳ không tăng áp: γ r = 0,04 ÷ 0,055
Động cơ bốn kỳ có tăng áp: γ r = 0,02 ÷ 0,044
Động cơ hai kỳ quét thẳng: γ r = 0,02 ÷ 0,07
Động cơ hai kỳ quét vòng: γ r = 0,08 ÷ 0,11
Các giá trị trên cho ta một nhận xét rằng, động cơ bốn kỳ có giá trị γr
nhỏ hơn động cơ hai kỳ Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một
Trang 7r r o a
M
T M T L
' +
=
hành trình xả riêng biệt, vì vậy nó có khả năng làm sạch xy lanh tốt hơn Còn
động cơ hai kỳ quét thẳng do quỹ đạo chuyển động của dòng khí không phải
đổi chiều, do đó nó có khả năng quét sạch các góc của xy lanh hơn động cơ hai
kỳ quét vòng nên giá trị γr của nó nhỏ
Ngoài hai thông số phụ thuộc kết cấu trên, các thông số khác của quá trình
nạp đều là những thông số phụ thuộc trạng thái của khí nạp Sau đây chúng ta sẽ
đi tìm phương pháp xác định các thông số này
Áp suất và nhiệt độ điều khiển cuối quá trình nạp là hai thông số quan
trọng của quá trình trao đổi khí Các thông số này có thể được xác định bằng tính
toán hay thực nghiệm Đặc tính thay đổi của áp suất và nhiệt độ khí nạp và
các giá trị khác của nó phụ thuộc rất nhiều vào cường độ trao đổi nhiệt giữa
chất khí và thành vách xy lanh, các xu páp và các cửa, cũng như sự trao đổi
nhiệt giữa khí nạp và khí sót trong xy lanh
Để xác định nhiệt độ chất khí trong xy lanh ở cuối kỳ nạp, ta xuất phát từ
phương trình năng lượng
Gọi M a là số lượng mol của hỗn hợp khí sạch và khí sót trong xy lanh ở cuối
C : Là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp
Ta giả thiết công của chất khí sinh ra trong quá trình nạp bằng không, khi đó ta
có thể viết:
r
n v r o v a
m v
a C T L C T M C T
M = ' ' +
Trong công thức trên, ta giả thiết rằng khí sạch nạp vào xy lanh động cơ có
nhiệt độ tại cửa hút của xy lanh là T o (động cơ bốn kỳ không tăng áp) Sau khi đi
qua cơ cấu nạp nó nhận nhiệt và nhiệt độ tăng từ T o lên: '
0
T : '
0 0 sn
T = + ΔT T
Trong đó ΔT sn là độ gia tăng nhiệt độ do sự sấy nóng của các cửa, cơ
cấu nạp, đỉnh piston và thành vách xy lanh
Sự khác nhau của các giá trị t,
M a.T a =L.T o' +M r.T r
Từ đó:
Thay: M a = L + M r và chú ý M r
L =γ , khi đó ta có:
Trang 8
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 19
r r o o
T T
'
(2.8) Thông thường giá trị ΔT sn nằm trong khoảng 10 ÷ 20oC, còn giá trị nhiệt độ
của khí sót phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và nằm trong khoảng 700 ÷ 800oK
Công thức tính nhiệt độ cuối quá trình nạp trên đây là của động cơ bốn kỳ
không tăng áp Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ thì phải chú
ý là nhiệt độ trước cơ cấu nạp là : T s =T k − ΔT lm
Nhiệt độ Tk của không khí sau máy nén tăng áp có thể tính như sau:
m m
o
k o k
P
P T T
Trong đó, m: chỉ số nén đa biến của máy nén:
Với máy nén ly tâm: m = 1,5 – 2
Với máy nén piston : m = 1,5 – 1,6
Với máy nén rotor : m = 1,7 – 1,8
lm
T
Δ : độ giảm nhiệt độ của không khí khi đi qua sinh hàn khí tăng áp
Và khi đó, tương tự như trong động cơ bốn kỳ:
Thông thường với các động cơ diesel: Ta = 315 ÷ 340oK
Áp suất của khí nạp sau khi đi qua các cơ cấu nạp sẽ giảm đi một lượng
bằng sức cản trên đường ống nạp Vì vậy chúng ta có thể tính:
Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: p a = p0 − Δ p h
Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp và động cơ hai kỳ: p a = p s − Δp h
Trong đó; Δp h là độ giảm áp suất khi đi qua các cơ cấu hút
Thông thường đối với các động cơ diesel tàu thủy, giá trị P a nằm trong
khoảng sau:
Động cơ bốn kỳ không tăng áp: P a = (0,85 ÷ 0,90)P o
Động cơ hai kỳ có tăng áp: P a = (0,90 ÷ 0,96)P o
Động cơ hai kỳ quét thẳng qua xupáp : P a = (0,96 ÷ 1,04)P o
Động cơ hai kỳ quét vòng: P a = (0,96 ÷ 1,1)P o
Cuối cùng nếu thay:
'
a
.T
r r
ε η
=
Trang 9Trở lại công thức tính: p a = p0 − Δ hay p h p a = p s − Δp h
Trong đó Δp h có thể được xác định từ phương trình Becnuli với giả thiết là:
khi chất khí chuyển động từ ống dẫn đến xy lanh công tác, trạng thái của chất
khí không thay đổi
Khi đó ta có thể cho γo = γa hay γa = γs Ta lại giả thiết vận tốc của dòng khí
tại cửa vào là bằng không, khi đó có thể viết:
2 ).
1 (
.
P P
a o
30
.
k d i
D n S
W =
Trong đó, S : hành trình của piston (m); D: đường kính xy lanh; d k: đường
kính tiết diện lưu thông của xu páp hút (m); i: số xu páp hút trên một xy lanh
Đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp, trong công thức trên ta phải thay γo bằng γs
Sau đây chúng ta ký hiệu Δp hcủa động cơ bốn kỳ không tăng áp là Δp0, còn
đối với động cơ bốn kỳ có tăng áp và động cơ hai kỳ là Δp S
Trị số Δp0, Δp S biểu thị sức cản trên đường ống hút Làm sạch đường ống
hút sẽ làm giảm Δp0 hay Δp S trong khai thác, làm tăng P a và do vậy tăng lượng
khí nạp vào xy lanh động cơ Phân tích tương tự như vậy chúng ta thấy khi giảm
T a cũng làm cho mật độ không khí nạp tăng Tăng cường chế độ làm mát khí tăng
áp làm giảm Ta Nhiệt độ môi trường tăng, phụ tải động cơ tăng sẽ làm tăng Ta và
do vậy giảm lượng không khí nạp
Các giá trị áp suất và nhiệt độ khí sót ảnh hưởng không nhiều đến hệ số nạp
nhưng giá trị γ r thì có ảnh hưởng lớn Khi tăng γr làm cho nhiệt độ không khí
trong xy lanh ở cuối quá trình nạp tăng, mật độ không khí nạp giảm làm giảm
lượng không khí nạp Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng khi γr tăng từ 0,05 lên 0,15
thì hệ số nạp giảm từ 0,86 xuống còn 0,69
Giá trị ảnh hưởng ít đến hệ số nạp và khi tính toán có thể bỏ qua Pha phân
phối khí tức là góc mở sớm, đóng muộn của các xu páp hay các cửa có ảnh
hưởng đến quá trình nạp và lượng không khí nạp.Việc lựa chọn các pha phân
phối khí một cách hợp lý sẽ làm tăng lượng không khí nạp vào xy lanh động cơ
Cuối cùng, vòng quay động cơ cũng là một thông số ảnh hưởng đến hệ số
nạp, khi vòng quay động cơ tăng làm tăng sức cản thủy lực của dòng không khí
nạp, làm cho ηn giảm Đặc biệt ở chế độ khai thác động cơ khi mà cả vòng quay
và phụ tải đều tăng thì ảnh hưởng đồng thời của cả hai yếu tố này đến hệ số
nạp và lượng không khí nạp là rất đáng kể Khi đó lượng không khí nạp vào
(m/s)
Trang 10
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 21
xy lanh động cơ bị giảm xuống, ảnh hưởng tốt đến chế độ làm việc bình thường
của động cơ
2.2 Quá trình nén
2.2.1 Sự trao đổi nhiệt trong quá trình nén
Nhiệm vụ của quá trình nén là nâng nhiệt độ của không khí trong xy lanh ở
cuối kỳ nén đến nhiệt độ có khả năng tự bốc cháy nhiên liệu một cách bình
thường Trong tính toán, quá trình nén bắt đầu khi piston đi từ điểm chết dưới
lên điểm chết trên và tất cả các cơ cấu phân phối khí đều đóng lại
Nếu quá trình nén diễn ra không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy lanh thì
quá trình nén là đoạn nhiệt và được miêu tả bằng phương trình: P.Vk =const
Thực tế quá trình nén trong xy lanh động cơ là một quá trình đa biến phức
tạp với chỉ số nén đa biến luôn luôn biến đổi do giữa chất khí và thành vách xy
lanh có sự trao đổi nhiệt Sự trao đổi này luôn luôn thay đổi cả về trị số và
hướng trao đổi nhiệt Ngoài ra, trong thực tế cần phải tính đến rò lọt của không
khí nén qua xéc măng và các xu páp Ở đầu quá trình nén, do nhiệt độ chất khí
còn thấp hơn nhiệt độ thành vách xy lanh, nên thành vách xy lanh trao đổi nhiệt
cho chất khí Nói cách khác, chất khí nhận nhiệt, do đó n1 ’ > k (hình 2.1)
Hình 2.1 Diễn biến quá trình nén
Piston tiếp tục đi lên, chất khí bị nén, nhiệt độ tăng dần do đó cường độ trao
đổi nhiệt giữa thành vách xy lanh cũng giảm đi đến một lúc nào đó khi nhiệt độ
chất khí bằng nhiệt độ thành vách xy lanh, thì quá trình trao đổi nhiệt tức thời
bằng không Quá trình đó là quá trình đoạn nhiệt tức thời, khi đó n1 ’ = k Tiếp tục
Trang 11quá trình nén, nhiệt độ chất khí tăng lên và lớn hơn nhiệt độ thành vách xy lanh
Lúc này quá trình trao đổi nhiệt từ khí đến vách , chất khí nhả nhiệt và n1 ’ <k
Do có sự trao đổi nhiệt này mà điểm C trong quá trình nén thực tế sẽ nằm
thấp hơn điểm C trong quá trình nén đoạn nhiệt
2.2.2 Chỉ số nén đa biến n 1
Thực tế đã chứng tỏ rằng giá trị n 1 ’ biến đổi từ 1,50 ÷ 1,53 ở đầu kỳ nén
xuống đến 1,1 ÷ 1,2 ở cuối kỳ nén
Khi nhiệt độ thành vách xy lanh càng nguội lạnh, điểm c trong quá trình nén
thực tế càng thấp hơn điểm c trong quá trình nén đoạn nhiệt Khi Tc càng thấp,
thời gian trì hoãn sự cháy τi càng kéo dài, động cơ làm việc càng cứng Trong
trường hợp đặc biệt khi Tc càng thấp có khả năng nhiên liệu sẽ không tự bốc cháy
được
Trong tính toán chu trình công tác, để đơn giản người ta lấy giá trị n 1 bình
quân với điều kiện là công trong quá trình nén đa biến với n1 ’ thay đổi bằng công
trong quá trình nén đa biến với n1 không đổi
Giá trị của n1 thường nằm trong khoảng sau:
Động cơ thấp tốc có làm mát piston : n 1 = 1,34 – 1,38
Khi tăng n1 công chi phí cho quá trình nén sẽ tăng, tổn thất cơ giới lớn,
nhưng giảm n1 sẽ bị hạn chế bởi nhiệt độ
Các yếu tố ảnh hưởng đến n1 là số vòng quay của động cơ, phụ tải, kích
thước xy lanh, cường độ làm mát và tỷ số nén
Tăng số vòng quay của động cơ làm giảm thời gian trao đổi nhiệt giữa chất
khí và thành vách xy lanh, quá trình nén càng gần giống với quá trình nén đoạn
nhiệt, do đó n1 tăng lên Ngược lại, giảm số vòng quay của động cơ sẽ làm cho n1
giảm xuống
Giảm phụ tải của động cơ làm cho nhiệt độ thành vách xy lanh giảm đi trong
khi đó lượng nhiệt mà chất khí trao cho thành vách xy lanh tăng lên, kết quả là n1
giảm xuống
Trường hợp khi giảm cả phụ tải và số vòng quay của động cơ thì n1 giảm
nhiều Việc giảm n1 nhiều có thể dẫn đến là nhiệt độ cuối kỳ nén không đủ để
bốc cháy nhiên liệu, động cơ sẽ bị dừng Vì vậy động cơ lai chân vịt tàu thủy
nhất thiết phải giới hạn vòng quay nhỏ nhất để đảm bảo động cơ làm việc được
ở chế độ ma nơ và khởi động
Khi tốc độ trung bình của piston không đổi thì tăng đường kính xy lanh
(D) sẽ làm cho n1 tăng lên Điều này được giải thích là khi tăng đường kính xy
lanh, khả năng trao đổi nhiệt giữa chất khí bên trong xy lanh với thành vách sẽ
kém đi Ngoài ra cần tính đến khi tăng đường kính xy lanh, bề mặt làm mát tương
đối sẽ giảm xuống
Trang 12
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 ε ε http://www.ebook.edu.vn 23
1
.
a a a
c c a
V P
V P T
Bề mặt làm mát tương đối được tính bằng F lm
V Trong đó: Flm là diện tích bề mặt được làm mát của xy lanh; V: thể tích của
Như vậy khi động cơ tăng, bề mặt làm mát tương đối giảm, khả năng trao
đổi nhiệt giữa chất khí và vách giảm xuống, n1 tăng lên Trong động cơ diesel,
việc tăng cường chế độ làm mát nhằm đảm bảo độ bền của các chi tiết nhóm
piston - xy lanh, nhưng cần lưu ý khi nhiệt độ thành vách xy lanh càng nguội thì
n1 càng giảm xuống
Ngoài các yếu tố chính nêu trên thì tình trạnh kỹ thuật của động cơ cũng có
ảnh hưởng đến chỉ số nén n1 Khi nhóm piston - xy lanh mòn nhiều thì hiện tượng
lọt khí nạp sẽ tăng lên, chỉ số nén đa biến sẽ giảm Và cuối cùng khi tăng tỷ số
nén ε, nhiệt độ và áp suất của không khí nén sẽ tăng làm tăng lượng nhiệt mà
chất khí truyền cho thành vách xy lanh, đồng thời quá trình rò lọt khí qua xéc
măng cũng tăng lên Vì vậy tăng tỷ số nén ε, chỉ số nén đa biến trung bình n1 sẽ
lg lg
lg lg
V V
P P n
c
p p
Giá trị Pc và Pa được xác định từ đồ thị công chỉ thị Khi thí nghiệm giá trị
P c được xác định bằng cách cắt không cấp nhiên liệu vào xy lanh cần đo Pc
Từ phương trình trạng thái của môi chất tại điểm a và điểm c:
P a V a = G a R.T a; Chia hai phương trình trên cho nhau và coi Ga = G c (bỏ qua
sự rò lọt khí), ta có:
Trang 131 1
v
p C
C K
Vậy Tc =T a εn−1 (2.13)
Như vậy P c và T c tỷ lệ với các thông số đầu quá trình nạp Tăng P a , T a sẽ
làm cho Pc , T c tăng và ngược lại Đồng thời Pc , T c còn chịu ảnh hưởng rất lớn của
chỉ số nén đa biến n1
Giá trị P c , T c quyết định khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu Để nhiên liệu
có khả năng tự bốc cháy thì nhiệt độ cuối kỳ nén phải lớn hơn nhiệt độ tự bốc
cháy của nhiên liệu từ 200÷250oC, nhiệt độ này vào khoảng 750 – 800oK.Trong
thực tế ở một số động cơ tăng áp, do áp suất Pa tăng tỷ lệ với Ps mà Pc có thể đạt
đến giá trị 80 – 100kG/cm2
Tăng ε sẽ làm cho Tc tăng nhưng đồng thời cũng làm cho ứng suất cơ và ứng
suất nhiệt của động cơ tăng Các động cơ diesel tàu thuỷ tỷ số nén thấp nhất để
cho nhiên liệu có khả năng tự bốc cháy là 10 ÷ 10,5 Về lý thuyết khi tăng tỷ số
nén ε thì tính kinh tế của động cơ sẽ tăng Điều này đã được thực tế áp dụng
trong những động cơ hiện đại cỡ lớn có hành trình siêu dài Tỷ số nén trong động
cơ thực tế là một giá trị phụ thuộc vào kiểu loại động cơ và thường nằm trong
khoảng từ 10,5 đến 18
Ở các động cơ cao tốc, do thời gian của quá trình hoà trộn ngắn, do đó khó đảm
bảo điều kiện cho sự tự bốc cháy của nhiên liệu Mặt khác, ở những động cơ này,
bề mặt làm mát tương đối F lm
V khá lớn Vì vậy để đảm bảo khả năng khởi động động cơ tỷ số nén ε thường chọn cao hơn
Trong những động cơ diesel tăng áp có tỷ số nén ε = 12 – 13 giá trị Pc có thể
biến động trong một phạm vi rất rộng từ 40 – 50kG/cm2 trong các động cơ trung
tốc và 50 – 75kG/cm2 ở các động cơ cao tốc hoặc có thể cao hơn Trong những
động cơ lớn có hành trình siêu dài, áp suất cuối kỳ nén Pc có thể đạt đến khoảng
80 – 100kG/cm2 Do tăng Pc mà áp suất cháy cực đại Pz cũng tăng theo có thể đạt
giá trị 75 – 130kG/cm2 hoặc cao hơn Những động cơ cao tốc thế hệ mới áp suất
cháy cực đại có thể đạt 180 – 200 KG/cm2
3 Chỉ số nén đa biến n 1
Trong tính toán chu trình công tác, ta xem chỉ số nén đa biến n1 là không
đổi, thực tế giá trị n1 thay đổi trong suốt quá trình nén và phụ thuộc rất nhiều vào
sự trao đổi nhiệt giữa chất khí và thành vách xy lanh Để đơn giản trong quá trình
tính toán ta xem không khí trong xy lanh động cơ đầu quá trình nén là không khí
sạch hoàn toàn và quá trình nén không có sự trao đổi nhiệt với thành vách xy
lanh Nghĩa là ta xem quá trình nén là đoạn nhiệt
Với giả thiết như vậy, ta có thể viết :
Trang 14
Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 25
'
' ' ' '
' 1
V
V V P V
P
C
C C C C
Giá trị nhiệt dung riêng của không khí là một giá trị biến đổi phụ thuộc vào
nhiệt độ Tuy nhiên sự thay đổi của nó là không lớn lắm ta có thể bỏ qua Giả
thiết như vậy khi đó ta có thể lấy giá trị của nhiệt dung riêng trung bình để tính
Ta tìm n1 theo phương pháp tính chọn gần đúng dần bằng cách như sau:
Chọn một giá trị n1 bất kỳ thay vào phương trình trên Sau khi tính toán vế phải
và vế trái của phương trình bằng nhau thì giá trị n1 ta vừa chọn là đúng Còn
nếu phương trình chưa cân bằng thì chọn lại và tính lại cho đến khi hai vế của
2.3.1 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
2.3.1.1 Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
Trong chu trình thực tế, thành phần và tính chất của công chất luôn luôn
thay đổi Thành phần và tính chất của công chất có ảnh hưởng đến các thông số
của chu trình công tác và do đó đến tính kinh tế, an toàn và tin cậy của động cơ
Thực chất của quá trình cháy nhiên liệu trong xy lanh động cơ là một quá
trình hết sức phức tạp Để xác định các thông số của quá trình cháy trước hết cần
phải xác định lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu trong xy
lanh động cơ
Trang 15Nhiên liệu dùng trong động cơ diesel tàu thuỷ là sản phẩm của dầu mỏ,
có các thành phần cơ bản như : C = 84 ÷ 87% ; H = 10 ÷ 14% ; O = 0,1 ÷ 1% ; S
= 0,01 ÷ 5%
Ngoài ra còn một vài thành phần khác chiếm một tỷ lệ rất nhỏ Để đơn
giản cho tính toán chúng ta quy ước : gọi C ,H, O, S là khối lượng (kg) các thành
phần cacbon, hydro, ôxy, lưu huỳnh có trong 1kg nhiên liệu
C + H + O + S = 1 kg nhiên liệu
Tức là trong nhiên liệu không có các thành phần khác nữa Để tính lượng
không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu ta đi tính
lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá các thành phần có trong nhiên liệu
Ta có phản ứng : C + O2 = CO2
Như vậy: Cứ 12 kg Cacbon cần 1 kmol oxy và tạo ra 1 kmol CO2
Vậy C kg cacbon cần xupáp kmol oxy và tạo ra y kmol CO2Suy ra:
Bằng cách viết các phản ứng cháy tương tự cho hydrô và lưu huỳnh, lưu ý
rằng trong bản thân nhiên liệu có chứa một lượng oxy là O kg, qui thành
32O kmol Lượng O2 cần thiết này cũng tham gia phản ứng oxy hoá với các
nguyên tố khác Do vậy lượng oxy cần thiết thực tế cũng giảm đi một lượng
bằng lượng oxy có trong nhiên liệu Ngoài ra, chúng ta cho rằng trong không
khí oxy chiếm 21% thể tích, còn 79% là N2 Khi đó ta có công thức tính lượng
không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu sẽ là:
O là thành phần ôxy có trong nhiên liệu
Nếu nhiên liệu có các thành phần nguyên tố theo tỷ lệ:
C = 87%; H = 12,6%; C = 0,4% thì L o = 0,495 kg/kg nh.l
Nếu tính theo trọng lượng thì: G0 =μ.L0 = 28,97.0, 495 14,3 = kmol/kg nh.l
Trong đó μ là khối lượng phân tử của không khí lấy bằng 28,97
Trong công thức tính toán lượng không khí lý thuyết, ta giả thiết không khí
là không khí khô hoàn toàn Trong trường hợp không khí là không khí khô,
hàm lượng ôxy tính theo thể tích là 21% Còn trong trường hợp là không khí ẩm
cần phải xác định lại hàm lượng ôxy có trong không khí muốn vậy ta dựa vào
quan hệ cơ bản sau:
1 2
2
2V +N V +H O V =
O
