11

Chơng II. Chu trình lý tởng của động cơ đốt trong

2.1 Những khái niệm cơ bản
Chu trình thực tế của động cơ bao gồm các quá trình lý hoá rất phức tạp và chịu ảnh
hởng của nhiều yếu tố khác nhau. Về thực chất, chu trình thực tế của động cơ là chu
trình hở, không thuận nghịch và không thể tính toán hoàn toàn chính xác đợc. Chu trình
thực tế đợc đơn giản hoá bằng một số giả thiết nhằm những mục đích cụ thể (sẽ xét dới
đây) đợc gọi là chu trình lý tởng.
2.1.1 Những đặc điểm của chu trình lý tởng và mục đích nghiên cứu
- Lợng môi chất không thay đổi tức là không có quá trình thay đổi khí (quá trình
nạp thải).
- Nhiệt lợng cấp cho chu trình từ bên ngoài, nh vậy không có quá trình cháy và
toả nhiệt của nhiên liệu cũng nh tổn thất cho các quá trình này. Đồng thời, thành phần
môi chất cũng không đổi.
- Quá trình nén và gin nở là đoạn nhiệt và không có tổn thất nhiệt do lọt khí.
- Tỷ nhiệt của môi chất trong suốt chu trình không đổi và không phụ thuộc vào
nhiệt độ.
Với những đặc điểm nêu trên, chu trình lý tởng của động cơ đốt trong sẽ là chu
trình kín, thuận nghịch và không có tổn thất nào khác ngoài tổn thất nhiệt cho nguồn lạnh
theo định luật nhiệt động II.
Nghiên cứu chu trình lý tởng của động cơ đốt trong nhằm các mục đích sau:
- Thấy rõ ảnh hởng của những thông số chủ yếu đến sự hoàn thiện của việc biến
đổi nhiệt thành công.
- Tạo điều kiện so sánh các chu trình khác nhau một cách dễ dàng.
- Xác định đợc giới hạn cao nhất của chu trình thực tế của động cơ.
2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chu trình lý tởng
2.1.2.1 Hiệu suất nhiệt
Hiệu suất nhiệt

có thể tính theo công thức sau:

= pdVL
t
(2-2)
2.1.2.2 áp suất trung bình p
t

Theo định nghĩa:

12

h
t
t
V
L
p =
(2-3)
Về thực chất, p
t
là công riêng của chu trình tính cho một đơn vị thể tích công tác
của xy lanh. Do đó, p
t
đặc trng cho tính hiệu quả sử dụng thể tích công tác của chu trình.
Cụ thể, p
t
càng lớn tức là tính hiệu quả
càng cao. Từ (2-3) có thể dễ dàng tìm
đợc thứ nguyên của p

t
và p
t
của mỗi chu trình và phân tích các
nhân tố ảnh hởng của chúng. Thực chất, chu trình đẳng tích là một trờng hợp riêng của
chu trình hỗn hợp. Vì vậy để thuận tiện, trớc hết ta khảo sát chu trình hỗn hợp, hình 2-2.
2.2.1 Chu trình hỗn hợp
Trớc hết, ta gọi:
c
a
V
V
=
là tỷ số nén (2-4)
c
z
c
y
p
p
p
p
==
là tỷ số tăng áp suất (2-5)
c
z
V
V
=
là tỷ số gin nở sớm (2-6)


Với những đại lợng này, sau đây ta sẽ xác định các thông số cơ bản của chu trình.
2.2.1.1 Hiệu suất nhiệt



t,h

Theo (2-1)
1
2
t
Q
Q
1 =
(2-9)
Nhiệt lợng cấp bởi nguồn nóng Q
1
là tổng nhiệt lợng của quá trình đẳng tích Q
1,v

và của quá trình đẳng áp Q
1,p
:
Q
1
= Q
1,v
+ Q
1,p

a
) (2-11)
Trong đó, m là khối lợng và
v
p
C
C
k =
là hệ số đoạn nhiệt của môi chất. Thay (2-10)
và (2-11) vào (2-9) ta đợc:

)TT(kTT
TT
1
yzcy
ab
h,t
+

=
(2-12)
Điểm a với các thông số nhiệt động p
a
, T
a
, và V
a
đợc qui ớc chọn là điểm xuất
phát của chu trình. Từ đây, ta sẽ tính các nhiệt độ các điểm khác của chu trình theo T
a

2
a
c
y
z
b
Q

=

0
Q

=

0
a
c
y
z
b
p

=

c
t
v

=

T
T =








=

=


(2-16)
Thay T
c
, T
y
, T
z
và T
b
vào (2-12) và rút gọn, cuối cùng ta đợc:
)1(k1
11
1
k
1k

v
[(T
y
- T
c
) + k(T
z
- T
y
)]

t,h
= mC
v

k - 1
T
a
[

- 1 + k

(

- 1)]

t,h

thay
1k


=










=








==

1
p
T
mR
pp
1
mRT

= (2-21)
2.2.2 Chu trình đẵng tích
Nh đ nói ở trên, chu trình đẳng tích là một trờng hợp riêng của chu trình hỗn
hợp có = 1. Vì vậy, khi thay = 1 vào các công thức (2 - 17) và (2 - 21) ta có thể dễ
dàng tính đợc hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình của chu trình đẳng tích.
1k
v,t
1
1


=
(2-22)

15

av,t
k
v,t
p
)1k)(1(
1
p



=
(2-23)
2.3 Khảo sát ảnh hởng đến hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình của chu trình lý
tởng

đợc thể hiện trên hình 2-4. Ta có thể
Hình 2
-
3.
Chu trình đẳng tích trên đồ thị p-V và T-S

Q

=

0
z
c
Q
1
Q

=

0
L
p
v

=

c
t
V
a


0,4
0,3
6
8

16

nhận thấy tốc độ tăng
t,v
giảm dần khi tăng . Mặt khác cần lu ý rằng, càng tăng động
cơ càng dễ bị kích nổ (sẽ đề cập ở chơng III và IV), do đó bị giới hạn.
Cần phải lu ý rằng,
t,v
chỉ phụ thuộc vào và k mà không phụ thuộc vào lợng
nhiệt cấp cho chu trình Q
1
.
2.3.1.2 p
t,v

Từ công thức (2-23) ta thấy, p
t,v
phụ thuộc vào , k và p
a
, trong đó ảnh hởng của
và p
a
là rõ nét và có ý nghĩa thực tế hơn cả.
p



t,h
Từ (2-21) tính
h,t
ta thấy:


tăng thì
h,t
tăng.
Đối với

và

thì ta phải xét ảnh hởng tổng hợp. Giả sử Q
1
, , k, T
a
, m, C
V

không thay đổi, ta có:
Q
1
= mC
v
[(T
y
- T


=
(2-24)
và chỉ phụ thuộc vào
k

mà thôi. Ta hy khảo sát
k

:


+=



d
d
k
d
)(d
1kk
k
(2-25)
Nh đ trình bày ở trên
[ - 1 + k( - 1)] = const (2-26)
Lấy vi phân toàn phần hai vế của (2-26) ta có:
d + k( - 1)d + kd = 0

17

Từ đây ta có thể rút ra ý
nghĩa thực tế sau. Khi Q
1
= const,
tăng (tức giảm, Q
1V
tăng và Q
1p

giảm) hiệu suất nhiệt của chu trình
hỗn hợp tăng. Từ đó suy ra,
t,h
đạt
max khi = 1 (chu trình đẳng
tích). Nói cách khác, hiệu suất của
chu trình đẳng tích cao hơn của
chu trình hỗn hợp nếu nh cùng
Q
1
, , k, T
a
, m, C
V
. Chúng ta sẽ trở
lại vấn đề này ở mục 2.4 dới đây.
Tuy nhiên, tăng (tăng cờng cho
cháy đẳng tích) sẽ làm tăng áp suất cực đại p
z
và tốc độ tăng áp suất


hỗn hợp và đẳng tích
Để so sánh các chu trình hỗn
hợp và đẳng tích đ xét ở trên một
cách thuận tiện, ta sử dụng đồ thị
Hình 2-5.
ả
nh hởng tổng hợp của

và

đến t
t,h



t,h
3
2
1
0,7
0,65
0,6
4
3
2
1
Hình 2-6. So sánh các chu trình khi cùng Q

o
n
s
t
v

=

c
o
n
s
t
S
B
A
C

18

T-S, cụ thể cho hai trờng hợp sau.
2.4.1 Cùng Q
1
và


Từ đồ thị trên hình 2-6 ta thấy
Do cùng Q
1
nên diện tích của các hình giới hạn bởi các đờng gia nhiệt và trục

Cùng p
z
có thể coi là cùng
điều kiện về tải trọng tác dụng lên
cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
Tơng tự nh trên, qua đồ thị T-S
(hình 2-7), ta có:
Q
2,h
S(Aab
h
C) < S(A,ab
V
B)
Q
2,V

Do đó:

t,h
>
t,V

Điều này hoàn toàn phù hợp
với thực tế. Do động có diesel có
tỷ số nén cao hơn nên đạt hiệu
suất cao hơn so với động cơ xăng.

Hình 2
-

s
t
v

=

c
o
n
s
t
c
h
v

=

c
o
n
s
t
z
h
S
B
C
A
T