Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 63

CHƯƠNG 4
CÁC THÔNG SỐ CHỈ THỊ VÀ CÓ ÍCH CỦA
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

4.1 Đồ thị công chỉ thị.
Đồ thị công chỉ thị được vẽ trong hệ tọa độ P-V. Đó là mối quan hệ giữa
áp suất và thể tích của xy lanh trong một chu trình công tác. Đồ thị công chỉ thị
có thể được xây dựng bằng tính toán hay đo trực tiếp trên động cơ. Nếu đồ thị
công chỉ thị được đo trực tiếp trên động cơ bằng thiết bị
đo đồ thị công thì được
gọi là đồ thị công chỉ thị thực tế.
Hình (4-1) là đồ thị công chỉ thị của động cơ diesel 4 kỳ. Đặc điểm của đồ
thị này là nó được giới hạn bởi hai điểm là điểm chết trên và điểm chết dưới của
piston. Đối với động cơ diesel 2 kỳ (Hình 4-2) có một phần hành trình bị tổn th
ất.

Hình 4.1 Đồ thị công chỉ thị của động cơ Diesel 4 kỳ.
Hình 4.2 Đồ thị công chỉ thị của động cơ Diesel 2 kỳ.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 64

Sau đây chúng ta sẽ trình bày phương pháp xây dựng đồ thị công chỉ thị
bằng tính toán:
Để xây dựng đồ thị công chỉ thị bằng tính toán, trước hết ta xác định các
điểm đặc biệt của chu trình: a(P

z.
Đường đẳng tích: ba.
Để xây dựng đường cong nén và đường cong giãn nở, ta tiến hành như sau:
Chọn một giá trị V
X1
nằm trong khoảng công tác của xy lanh.
Áp suất P
X1
tương ứng trên đường cong nén được tính như sau:

1
1
1
.
n
x
a
ax
V
V
PP
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=

nhau bằng một đường cong trơn ta sẽ được đường cong nén và đường cong giãn
nở của chu trình công tác.

Hình 4.3 Xây dựng đồ thị công chỉ thị của động cơ Diesel.

Để cho tiện, thường chọn tỷ lệ xích trên trục tung là mp (kG/cm
2
/mm).
Còn tỷ lệ xích trên trục hoành là m
v
(cm
3
/mm).
Việc xây dựng đồ thị công chỉ thị cho động cơ 2 kỳ và 4 kỳ là như nhau.
Nhưng với động cơ 2 kỳ thì thể tích V
a
được tính là:

(
)
ssca
VVV
ψ
−
+
= 1.Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 65


d
ϕ
được định nghĩa là:

c
d
F
F
1
=
ϕ

Trong đó: F
1
: Diện tích đồ thị công sau khi lượn góc.
F
c
: Diện tích đồ thị công khi chưa lượn góc.
4.2. Áp suất chỉ thị và có ích bình quân
Khi xem xét một chu trình công tác thực tế, chúng ta có thể đánh giá sự hoàn
thiện của chu trình về mặt lợi dụng nhiệt, liên quan đến mức độ hoàn thiện của các
qúa trình riêng biệt trong đó thông qua các thông số như áp suất chỉ thị trung bình,
công suất chỉ thị và hiệu suất chỉ thị.
4.2.1 Áp suất chỉ thị bình quân
Áp suất chỉ thị bình quân đượ
c xác định bằng công chỉ thị trên một đơn vị
thể tích công tác của xy lanh.
Trên đồ thị công chỉ thị, áp suất chỉ thị bình quân được xác định bằng bình
quân tung độ diện tích đồ thị công chỉ thị chia theo hành trình có ích của piston.
(Hình 4-4).

ip
F
p
m
l
= (4-2)
Trong đó: F: là diện tích đồ thị công chỉ thị tính toán sau khi đã lượn góc (mm
2
)
m
p
: là tỷ lệ xích trên trục tung (kG/cm
2
/mm)
l: là chiều dài đồ thị trên trục hoành (mm)
Để cho tiện sau khi xây dựng xong đồ thị công chỉ thị tính toán ta tiến hành
đo diện tích đồ thị và xác định được giá trị
'
i
p
gọi là áp suất chỉ thị bình quân của
chu trình sau khi lượn góc.
Áp suất chỉ thị bình quân của chu trình sau khi lượn góc được tính:
Đối với động cơ 4 kỳ:
'
.
idi
pp
ϕ
=


z
c
a’
a
P
V
z’
b
k
V
c
V
s

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 67

Trong thực tế, đồ thị công chỉ thị của động cơ thấp tốc có thể được xác định
bằng một thiết bị đo đồ thị công gọi là indicator. Khi đó ta sẽ có áp suất chỉ thị
trung bình thực tế.
Phương pháp tính toán bằng lý thuyết để xác định áp suất chỉ thị trung
bình được áp dụng như sau:
Gọi L
i
là công thực hiện của chất khí trong một chu trình công tác. Ở đây
cần lưu ý là các công trong hành trình bơm của động cơ 4 kỳ được tính vào
công tiêu hao cho cơ giới. Khi đó ta có:
L
i
= L

2
−
−
=

Công trên đoạn ac là công của qúa trình nén đa biến, do đó được tính:

()
aaccac
VPVP
n
L
1
1
1
−
−
=

Do đó:

21
()
11
Z
Zbb CCaa
iZZC
PV PV PV PV
LpVV
nn

PP .
λ
=
;
22
.
n
c
n
z
b
P
P
P
δ
λ
δ
==
1
n
c
a
P
P
ε
=

ρ
=
c

εδε
=−+−−−
−
−−−−
(kG/cm
2
) (4-5)
Áp suất chỉ thị trung bình (bình quân) của chu trình là một trong những
thông số quan trọng để kiểm tra qúa trình sinh công và phụ tải của động cơ.
Trong khi động cơ làm việc bình thường, việc xác định P
i
cho phép đánh giá
chất lượng làm việc cũng như sự đồng đều trong qúa trình công tác của các xy
lanh. Ngoài ra các xy lanh làm việc không bình thường, hay sau khi điều chỉnh,
thay thế bơm cao áp, sau sửa chữa và thay thế các chi tiết nhóm piston-xy lanh,
sau khi chuyển sang sử dụng loại nhiên liệu khác, hay tải động cơ thay đổi v.v…
thì cần phải xác định lại giá trị P
i
. Giá trị áp suất chỉ thị bình quân của các xy

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 68

lanh động cơ bình thường không được vượt qúa 2,5% giá trị áp suất trung bình
bình quân của toàn bộ động cơ được tính như sau:

n
PPP
P
inii
itb

i
được tính như sau:

p
t
t
i
m
L
F
P
.=

Trong công thức trên:
F
t
: là diện tích đồ thị công khai triển (mm
2
)
L
t:
là chiều dài đồ thị công khai triển (mm)
m
p
là tỷ lệ xích (kG/cm
2
/mm)
Giữa áp suất trung bình theo thời gian và áp suất chỉ thị bình quân P
i
có sự

là áp suất có ích bình quân.
Các tổn thất cơ giới của động cơ bao gồm:
- Các tổn thất cho lai dẫn: Lai dẫn trục cam, các bơm phụ, máy nén tăng
áp v.v…
- Các tổn thất cho ma sát.
- Các tổn thất cho hành trình bơm ở các động cơ 4 kỳ.
Sự khác biệt giữa P
e
và P
i
còn có thể được đánh giá thông qua một thông số
khác, đó là hiệu suất cơ giới
m
η
:

i
e
m
P
P
=
η

Vậy:
.
eim
pp
η
=

2
π
=

D: Đường kính xy lanh (m)
S: Hành trình piston (m)
Khi đó công chỉ thị của một vòng quay là:

m
VP
L
si
vq
i
4
10
=

Trong đó: m là hệ số kỳ: Với động cơ 4 kỳ: m = 2
Với động cơ 2 kỳ: m = 1
Công của n vòng quay sẽ là:

m
nVP
L
si
n
i
4
10

D
NS
m
π
= (mã lực chỉ thị)
Trong đó: 60 là hệ số quy đổi thời gian từ (vòng/phút) sang (vòng/giây)
75 là hệ số chuyển đổi sang mã lực.
Vậy:
2

0,785.
0,45.
i
i
DSnip
N
m
=
(mã lực chỉ thị) (4-7)
Trong công thức trên
D: Đường kính xy lanh (m)
S: Hành trình piston (m)
n: Tốc độ quay của động cơ (vòng/phút)
i: Số xy lanh của động cơ
m: Hệ số kỳ:
+ Động cơ 4 kỳ: m = 2
+ Động cơ 2 kỳ: m = 1
p
i
: Áp suất chỉ thị bình quân (kG/cm


Trong đó: N
m
là công suất tiêu hao cho các tổn thất cơ giới.
Hoặc là:
.
eim
NN
η
=

Trong đó
m
η
là hiệu suất cơ giới.
Chú ý rằng:
.
eim
PP
η
=
Vậy:
m
PinSD
N
e
e
.45,0

.785,0

- Động cơ thấp tốc: β = 1,2 ÷ 1,2
4.4 Các hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
4.4.1 Hiệu suất nhiệt
- Hiệu suất nhiệt η
i
là hiệu suất chỉ tính đến nhiệt lượng cấp vào Q
cap
và
nhiệt lượng thải Q
thai
tất yếu cho nguồn lạnh mà không tính đến bất kỳ một tổn
thất nhiệt nào khác

cap
t
cap
thai
cap
thaicap
t
Q
Q
Q
Q
Q
QQ
=−=
−
= 1
η

NQ .3,632=
Trong đó: N
i
là công suất chỉ thị [mã lực]
632,3 là hệ số quy đổi từ mã lực thành kcal.

Hnlcap
QGQ .=
Trong đó : G
nl
là lượng nhiên liệu cung cấp. [kg]
Q
H
là nhiệt trị thấp nhất của nhiên liệu [kcal/kg]
Khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu có nhiệt trị thấp là Q
H
[kcal/kg], hiệu suất chỉ
thị được tính là:
H
i
Hnl
i
i
Q
N
QG
N .3,632
.
.3,632
==


Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 http://www.ebook.edu.vn 72

Khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu có nhiệt trị thấp là Q
H
[kcal/kg], hiệu suất có
ích được tính là :

H
e
Hnl
e
e
Q
N
QG
N .3,632
.
.3,632
==
η
(4-14)
Trong đó : N
e
là công suất có ích [mã lực]
632,3 là hệ số quy đổi giữa mã lực và kcal.
4.4.4 Hiệu suất cơ giới
Quan hệ giữa hiệu suất có ích và hiệu suất chỉ thị được xác định thông qua
một đại lượng được gọi là hiệu suất cơ giới η
m

P
P
P
P
−== 1
η

Trong đó P
m
là áp suất quy ước chi phí cho các tổn thất cơ giới.
4.4.5 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g
i

i
nl
i
N
G
g =
[kg/(mlct.h)] hoặc [g/(mlct.h)]
Trong đó: G
nl
[kg/h] là lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ để sinh ra
công suất chỉ thị N
i
[mã lực]
Mặt khác,
HiHnl
i
i

e
N
G
g =
[kg/(mlci.h)] hoặc [g/(mlci.h)]
Trong đó: G
m
[kg/h] là lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ để sinh ra
công suất có ích N
e
[mã lực]
Mặt khác, trong một giờ ta lại có:

HeHnl
e
e
QgQG
N
.
3,632
.
.3,632
==
η

Do đó có thể tính g
e
thông qua η
e
như sau:

3,632
=
η
(4-18)
Và:
cap
i
i
Q
Q
=
η
(4-19)
Xét trong trường hợp đốt 1 kg nhiên liệu ở hệ số dư lượng không khí α đã
cho, ta có:

ii
LAQ .=
Trong đó A là đương lượng nhiệt của công:
427
1
=A

Mà công chỉ thị của một chu trình:
4
10
sii
VPL =

Nhưng để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu thì phải thực hiện qua nhiều chu trình

s
o
n
V
V
V
V
η

ta có:
∑
∑
=
n
o
s
V
V
η

Do đó:
n
oisi
i
VPVP
Q
η
.427
10
427

η

Suy ra :
∑∑
==
oi
n
oi
n
i
VPVP
g
.
.27
10
3,632 427
4
η
η
(4-20)
Chú ý rằng ΣV
s
là thể tích không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu.
Viết phương trình trạng thái cho không khí với thông số tạo cửa nạp (P
0
, T
0
),
ta có :


V =

Thay ΣV
s
= V
0
ở trên vào công thức (4-20) ta được :

oi
on
i
TLP
P
g
.848
10 27
4
η
=
Vậy:
oi
on
i
TLP
P
g
.848
10 4,318
4
η

chưa hẳn đã giảm.
Khi xem xét trên đặc tính phụ tải, khi tăng p
i
giai đoạn đầu thì g
i
giảm. Tiếp
theo do hệ số dư lượng không khí α giảm, tổn thất nhiệt giảm, chất lượng quá
trình cháy tốt dẫn tới g
i
đạt giá trị cực tiểu. Nếu tiếp tục tăng p
i
thì hiệu quả quá
trình cháy giảm do hệ số dư lượng không khí α giảm nhiều gây thiếu không khí.
Trong giai đoạn này suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g
i
tăng.
4.6 Cân bằng nhiệt động cơ diesel
4.6.1 Khái niệm chung
Khi động cơ diesel hoạt động, nhiên liệu cung cấp vào xy lanh động cơ và
được đốt cháy trong đó. Phần nhiệt lượng do nhiên liệu cháy toả ra không được
chuyển hoàn toàn thành công mà người ta phải tính toán, đánh giá chính xác
thành phần năng lượng bị tổn thất và những nguyên nhân nào đó.
Vấn đề nghiên cứu và đánh giá các thành phần tổn thất giúp cho chúng ta có
những biện pháp để hạn chế
hoặc để lợi dụng chính những tổn thất đó. Việc hạn
chế hoặc lợi dụng các tổn thất nhiệt trong diesel thường kèm thao các thiết bị
hoặc hệ thống thiết bị, do đó khi đánh giá chính xác tổn thất người ta mới có
những cơ sở để đặt những thiết bị hoặc hệ thống đó. Cân bằng nhiệt động cơ còn
giúp cho chúng ta kiểm tra l
ại các tính toán trong bài toán thuận nói trên.

: Nhiệt lượng do khí xả mang ra
Q
ck
: Nhiệt lượng do cháy khơng hồn tồn nhiên liệu
Q
cl
: Tổng cộng các thành phần mất mát còn lại khơng tính tốn cụ thể được.
Viết phương trình dưới dạng phần trăm:

%100
=
+
+
++
clckktlme
qqqqq (4-24)
Các thành phần được tính tốn:
Q
o
= G
nl
.Q
H
p

Trong đó:
G
nl
là lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ của động cơ (kg/h)
Q

kxkx
pkx
TCG ,, : lưu lượng, nhiệt dung riêng và nhiệt độ khí cháy sau tổ hợp tua
bin khí máy nén hoặc ở ống xả với động cơ khơng tăng áp.
kkkk
pkk
tCG ,, : lưu lượng, nhiệt dung riêng và nhiệt độ của khơng khí sạch trước
máy nén tăng áp hoặc ống hút của động cơ khơng tăng áp.
Thơng thường:
q
e
: 29 ÷ 42%
q
lm
: 15 ÷ 35%
q
kx
: 25 ÷ 45%
q
ck
: 0 ÷ 5%
Q
cl
: 2 ÷ 5% Câu hỏi ơn tập chương:
1. Nêu tên gọi, công thức tính toán các thông số sau và mối quan hệ giữa
chúng:
N