Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 12

L
M
r
r
=
γ
CHƯƠNG 2
CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1 Quá trình nạp
2.1.1 Hệ số nạp
Trong 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, ngườ
i ta sử dụng các thông số trước cửa hút của xy lanh P
o
, T
o
(hoặc P
s
, T
s
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:

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

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 13

s
o
s
o
s
o
n
L
L
G
G
V
V
===
η
sno
s
o
n
VV
V
V
.
ηη
=→=

3
); L
o
(kmol) là lượng không khí
thực tế nạp vào thể tích V
a
của xy lanh công tác; G
s
(kg); V
s
(m
3
); L
s
(kmol) là
lượng không khí có thể chứa trong thể tích V
s
của xy lanh công tác có các thông
số của không khí trước cửa nạp P
o
, T
o
(hay P
s
,T
s
) thì:

(2.2)


trạng thái của chất khí:

4
10.
.848
.
a
aa
T
VP
M =

Trong đó, P
a
, T
a
là áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nén (kG/cm
2
;
o
K); Và là
thể tích xy lanh đầu quá trình nén (m
3
); P
o
, T
o
là áp suất và nhiệt độ không khí
nạp trước cửa nạp (kG/cm
2

T
VP
γ
η
+=
)1.(.
.
.
r
s
a
ao
oa
n
V
V
TP
TP
γη
+=
;
ε
=
c
a
V
V
;.
ca
VV

V
V
V
Khi đó:

Thay L, M
a
vào công thức (2.3) và rút gọn ta có:
Từ đó:
Ta đã có:
Do đó:

Hay Do đó: Khi đó:
Thay vào công thức
η
n
ta có:

rao
oa
n

η
+−
=
1
1
.
.
.
.
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 ε
tc
sc
c
a
t
V
VV
V
V
''
+
==
ε

=
−

(2-4)
(2-5)

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 15

c
a
V
V
=
ε
c
ssc
t
V
VV
)1(
ψ
ε
−
+
=
s
ct
s
V
V

==
γ
ao
oao
a
a
o
a
TP
TP
P
TR
TR
P
.

.
.
==
γ
γ

Vì vậy:
(1 )
tss
ε
εψψ
=−+
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

−
+−
=

Động cơ bốn kỳ không tăng áp thay P
s
, T
s
bằng P
o
, T
o
, còn hệ số ψ
s
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:

rao
oa
t
t
n
TP
TP
γε
ε
η
+−
=

a
a
TR
P
.
=
γ

Từ đó:

Khi đó công thức tính hệ số nạp của động cơ bốn kỳ không tăng áp có thể viết
dưới dạng:

ro
a
t
t
n
γγ
γ
ε
ε
η
+−
=
1
1

1



Bây 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:

rao
oa
t
t
n
TP
TP
γε
ε
η
+−
=
1
1
.
.
.
.
1

Ta thấy biểu thức
1
ε
ε
−
là một thông số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ.

thay đổi sẽ làm cho mật độ không khí
trước cơ cấu nạp (γ
o
) thay đổi nhưng đồng thời nó cũng làm cho γ
a
thay đổi
theo. Nói cách khác, khi mật độ không khí cuối quá trình nạp cũng tăng (giảm)
theo.
Do vậy, tỷ số
0
a
γ
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.

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

hoặc
a
s
p
p
. Khi sức cản trên đường ống hút càng tăng thì
0

ứng suất cơ nằm trong giới hạn cho phép.
Các động cơ diesel tàu thủy giá trị ε =10 ÷ 19; động cơ kích th
ước 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 γ
r

nhỏ hơn động cơ hai kỳ. Sở dĩ như vậy là do trong động cơ bốn kỳ tồn tại một

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 18

a
rro
a
M
TMTL

: Là số lượng mol khí sót.
t
v
C
: Là nhiệt dung riêng đẳng tích của không khí sạch
n
v
C
: Là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót
m
v
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
vrova
m
va
TCMTCLTCM
''
+=

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

+=

Từ đó:

Thay: M
a
= L + M
r
và chú ý
r
M
L
γ
=
, khi đó ta có:

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 19 r
rro
o
TT
T
γ
γ
+
+
=
1

P
P
TT
1−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=

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
TΔ
: 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:

'
Ss sn
TT T=+Δ và
'
.
1
s

−Δ

Trong đó;
h
p
Δ 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:

rr
pT
p
TT
ε
η
εγ
=
−+
(2.10)

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 20

Trở lại công thức tính:
0ah
p
pp
=
−Δ
hay
as h
p
pp
=
−Δ

Trong đó
h
p
Δ có thể được xác định từ phương trình Becnuli với giả thiết là:


2
2
.
.
30
.
k
di
DnS
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 γ
o
bằng γ
s

Sau đây chúng ta ký hiệu
h
p
Δ
của động cơ bốn kỳ không tăng áp là
0
p

T
a
Nhiệt độ môi trường tăng, phụ tải động cơ tăng sẽ làm tăng T
a
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 γ
r
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 γ
r
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 m
ột 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
η
n
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

’
> 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
n
1
’

= k. Tiếp tục

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 22

quá 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
n
1
’
<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


n
1
không đổi.
Giá trị của
n
1
thường nằm trong khoảng sau:
Động cơ thấp tốc có làm mát piston :
n
1
= 1,34 – 1,38
Động cơ trung và cao tốc:
n
1
= 1,38 – 1,42
Khi tăng n
1
công chi phí cho quá trình nén sẽ tăng, tổn thất cơ giới lớn,
nhưng giảm n
1
sẽ bị hạn chế bởi nhiệt độ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến n
1
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 n
1
tăng lên. Ngược lại, giảm số vòng quay của động cơ sẽ làm cho n

1

.
.
.
1n
a
aa
cc
ac
T
VP
VP
TT ==
Bề mặt làm mát tương đối được tính bằng
lm
F
V

Trong đó:
F
lm
là diện tích bề mặt được làm mát của xy lanh; V: thể tích của
xy lanh.
Có thể thấy rằng
lm
F
V
tỷ lệ với
2

n
1
thay đổi liên tục trên đường cong nén nhưng giá trị n
1
tại mỗi điểm
có thể tính như sau:

21
12
1
lglg
lglg
VV
PP
n
−
−
=

Giá trị n
1
bình quân của quá trình nén được tính như sau:

1
lg
lg lg
lg lg
lg
c
a

c
.
2.2.3 Các thông số chất khí ở cuối kỳ nén
1. Áp suất cuối kỳ nén
Quá trình nén đa biến được đặc trưng bằng phương trình cơ bản:

PV
n1
= const;
Áp dụng cho điểm a và điểm c ta có:
P
a
.V
a
n1
= P
c
.V
c
n1

Do đó:
P
c
= P
a
.
1n
ε


Vậy
T
c
=T
a
.
1−n
ε
(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
P
c
, T
c
tăng và ngược lại. Đồng thời P
c
, T
c
còn chịu ảnh hưởng rất lớn của
chỉ số nén đa biến

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
lm
F
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 P
c
có thể
biến động trong một phạm vi rất rộng từ 40 – 50kG/cm
2
trong các động cơ trung
tốc và 50 – 75kG/cm
2
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 P
c
có thể đạt đến khoảng

p
C ,
'
v
C là nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích của không khí sạch.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 25

'
'''
'
'
1
V
VVP
V
P
C
CCC
C
C
n
−+
==
Biến đổi : Thay
''
848

1
'
1.99
1
v
n
C
−= ;
Mà
'
v
C
= 4,6 + 0.0006.(T
a
+T
c
); Vậy:
'
v
C
= 4.6+0.0006.T
a
.
Thay vào phương trình:
1
'
1.99
1
v
n

Động cơ thấp tốc có làm mát piston:
n
1
= 1,33 ÷ 1,37
Động cơ trung tốc không làm mát piston: n
1
= 1,36 ÷ 1,38
Động cơ cao tốc:
n
1
= 1,39 ÷ 1,42
2.3 Quá trình cháy
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 t
ạp. 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.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 26

Nhiên 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

và tạo thành
12
C
kmol
CO
2
trong phản ứng cháy.
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
32
O
kmol. Lượng O
2
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 N
2
. Khi đó ta có công thức tính lượng
không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu sẽ là:

0
1
()
0,21 12 4 32 32
CH S O
L =++−
kmol/kg nhiên liệu (2.15)
ở đây
32

Trong đó :
2
v
O là hàm lượng oxy có trong không khí ẩm tính theo thể tích;
2
v
N là hàm lượng nitơ có trong không khí ẩm tính theo thể tích ;
2
v
HO là hàm
lượng hơi nước trong không khí ẩm tính theo thể tích.
Hàm lượng hơi nước có trong không khí ẩm tính theo thể tích có thể xác
định theo công thức sau :

2
0
.
v
H
p
HO
p
ϕ
= mm
3
/m
3
không khí (2.16)
Trong đó :
P

0,21.(1 . )
h
CH S O
L
p
p
ϕ
=++−
−
kmol/kg nh.l (2.18)
Do lượng oxy trong không khí ẩm ít hơn lượng oxy trong không khí
khô nên lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt hết 1kg nhiên liệu khi không
khí là không khí ẩm sẽ lớn hơn trong trường hợp không khí khô. Nếu ta gọi L
0
là
lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu khi không khí là
không khí ẩm thì đương nhiên là có :

0
'
0
LL >

2. Lượng không khí thực tế để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
Thực tế do quá trình hoà trộn giữa không khí và nhiên liệu xảy ra bên
trong xy lanh công tác trong một thời gian rất ngắn, do đó để đảm bảo cho quá
trình hoà trộn và cháy tốt, lượng không khí thực tế đưa vào trong xy lanh động cơ
trong quá trình nạp bao giờ lớn hơn trọng lượng không khí lý thuyết cần thiết để
đốt cháy hết 1kg nhiên liệu.
Lượng không khí dư thừa so với lượng không khí lý thuyế

Trong một chu trình công tác, hệ số dư lượng không khí α được tính như
sau:

0
.
ct
ct
L
qL
α
=−
(2.20)
Trong đó:
L
ct
là lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ trong một chu trình
công tác (kmol);
q
ct
là lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình.
Trong điều kiện không khí ẩm, lượng không khí thực tế để đốt cháy hết 1kg
nhiên liệu sẽ là :

'
0
0
1
.( )
12 4 32 32
0,21.(1 . )

2
, SO
2
, hơi nước, lượng O
2
dư thừa
và lượng nitơ không tham gia vào phản ứng cháy.
Lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ để đốt cháy 1kg nhiên
liệu là L (kmol).
Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu là L
o

(kmol).
Như vậy lượng không khí không tham gia vào phản ứng cháy là L - L
o
.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 29

Ta xem là trong không khí O
2
chiếm 21% về thể tích và N
2
là 79%. Vậy
lượng O
2
dư thừa là
(L - L
o
).0,21 = (α.L

( kmol/kgnh.l)
Lượng SO
2
là
32
S
( kmol/kgnh.l)
Gọi M’ là số mol sản phẩm cháy, khi đó:

2222
'
NSOOHCO
MMMMM
+
+
+
=LoLo
SHC
M 79,0).1.(21,0
32212
'
αα
+−+++=
(kmol/kg nh.l)

)1(
32212


oo
LL
SHC
M .).21,0(
32212
'
αα
−−+++=Δ

Tiếp tục thay
0
1
( )
0,21 12 4 32 32
CH S O
LL
α
== ++− (kmol/kg nh.l)
và biến đổi ta được :

'
8
32
HO
M
+
Δ=
(kmol/kg nh.l) (2.23)
Từ công thức này chúng ta thấy rằng số gia sản phẩm cháy không phụ thuộc

'.
β
r
x
L
Mx
γ
β
+
Δ
+=
1
'.
1
Trong phản ứng đốt cháy 1kg nhiên liệu, giả sử có L kmol không khí
tham gia. Sau phản ứng cháy, số lượng sản phẩm cháy sẽ không còn bằng L nữa
mà có trị số là M’, đồng thời thể tích của sản phẩm cháy cũng thay đổi.
Khi đó tỷ số
'
M
L
được gọi là hệ số thay đổi phân tử hoá học.
Gọi β
o
là hệ số thay đổi phân tử hóa học.
o
o
L
OH
L

)
Thực tế khí tham gia phản ứng cháy, trong xy lanh không chỉ chứa không
khí sạch hoàn toàn mà còn có một lượng khí cháy còn sót lại của chu trình công
tác trước.
Gọi M
a
là lượng mol khí sạch và khí sót có trong xy lanh ở thời điểm bắt đầu
nén: M
a
= L + M
r

Gọi M là số lượng mol khí sau phản ứng cháy. Phản ứng cháy làm cho số
lượng mol tăng lên một lượng là
'
M
Δ
, và trong khí cháy thì lượng khí sót không
tham gia phản ứng cháy, nghĩa là số lượng mol khí sót không thay đổi.
Khi đó ta có : M = M’ + M
r

Do vậy hệ số thay đổi phân tử thực tế sẽ là :

r
r
a
ML
MM
M

cháy sẽ là
'. Mx Δ
và số lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đó sẽ là:

'. MxLM
x
Δ+=

Và:

Chia cả tử và mẫu cho L ta được:

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 31

L
M
L
ML
o
''
1
Δ
+=
Δ+
=
β
1
'
−=
Δ

= β: nhiên liệu cháy hết.
Trong tính toán của các quá trình cháy về sau, để đơn giản cho việc tính
toán, chúng ta coi quá trình cháy là cháy hoàn toàn (β
x
= β). Nhưng trong thực tế
quá trình cháy nhiên liệu động cơ diesel có một phần nhiên liệu cháy không hoàn
toàn. Sự cháy không hoàn toàn sẽ sinh ra các oxit cácbon. Ngoài ra trong sản
phẩm cháy còn có một phần các bon chưa cháy. Thành phần của các chất trong
sản phẩm cháy được xác định bằng các thiết bị phân tích khói.
2.3.4 Phương trình nhiệt động của quá trình cháy
2.3.4.1. Khái niệm về hệ số sử dụng nhiệt
Trong tính toán nhiệt động, quá trình cháy trong động cơ diesel được xem là
bao gồm hai quá trình:
Quá trình cháy đẳng tích CZ
1

Quá trình cháy đẳng áp Z
1
Z
Điểm C được xem là điểm bắt đầu cháy, còn điểm Z là điểm kết thúc quá
trình cháy.
Trong thực tế, năng lượng của nhiên liệu khi cháy không thể được sử dụng
một cách hoàn toàn để nâng cao nộ năng của chất khí và sinh công. Một phần
nhiệt bị mất mát do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu. Quá trình cháy
không hoàn toàn được thể hiện bằng các sản phẩm cháy trung gian. Một phần
nhiệt khác bị mất mát do s
ự trao đổi nhiệt của khí cháy cho thành vách xy lanh.
Ngoài ra ở nhiệt độ cao (hơn 2000
o
K) sẽ xuất hiện sự phân hủy sản phẩm


Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 32

Nếu tính đến phần nhiệt mà khí cháy trao cho thành vách xy lanh thì khi đó
ta có:

H
XLPHKCH
Q
QQQQ )(
+
+
−
=
ξ

ξ
được gọi là hệ số sử dụng nhiệt. Như vậy hệ số sử dụng nhiệt có tính đến
tất cả các tổn thất nhiệt khi nhiên liệu cháy sinh ra.
Sự thay đổi hệ số sử dụng nhiệt được biểu thị trên hình 2.2. Từ hình vẽ ta
thấy giá trị hệ số sử dụng nhiệt có thể không đạt giá trị cực đại tại khởi động mà
sau
điểm z. Khi điểm đạt cực đại của
ξ
càng xa z , quá trình cháy rớt càng phát
triển, mất mát nhiệt do khí xả càng tăng và do đó tính kinh tế của chu trình cũng
giảm xuống.

ξ
= 0,75 – 0.85,
b
ξ
= 0,86 – 0,95
Động cơ cao tốc:
z
ξ
= 0,7 – 0,84 ;
b
ξ
= 0,85 – 0,90

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 33

Giá trị
z
ξ
càng lớn, lượng nhiệt mà chất khí sử dụng được trong quá trình
cháy để biến đổi nội năng chất khí và sinh công càng lớn, hiệu quả của quá trình
cháy nhiên liệu càng cao. Nhưng đồng thời cũng sẽ làm cho các thông số tại z
cao, một trong những vấn đề cần được quan tâm để đảm bảo động cơ làm việc an
toàn và tin cậy.
2.3.4.2. Phương trình nhiêt động của quá trình cháy
Cơ sở để thành lập phương trình nhiệt
động của quá trình cháy là định luật
nhiệt động học thứ nhất đươc viết dưới dạng sau:

ZZZCZZCZ
LAUQ


ZZZCHZ
ULAUQ
+
−+
1

ξ

Trong đó:
Z
ξ
là hệ số sử dụng nhiệt tại điểm Z ;
U
C
là nội năng của chất khí tại điểm c;
A là đương lượng nhiệt của công:
1
427
A =
;
1
Z
Z
L
là công dịch chuyển trên đoạn Z
1
Z;
U
Z

zvz
UMCT=
Nội năng chất khí tại điểm c:
"

cavc
UMCT=
Dựa theo phương trình nhiệt động học thứ nhất ta có:

zvzzcvaHz
TCMLATCMQ
'''''
1
+=+
ξ
(2.31)
Trong đó:
"
v
C
: là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí cháy;

"'
v
C : là nhiệt dung riêng đẳng tích của hỗn hợp (không khí và khí sót).
Bây giờ trước hết ta tính
1
Z
Z
L (công do chất khí sinh ra đẩy piston chuyển

Thay
1
Z
Z
L vào (2.31) với chú ý (2.32) ta có:

()
cazzvcvaHz
TMTMTCMTCMQ
427
848

'''''
λξ
−+=+

Hay:
zzvcacvaHz
TMTCMTMTCMQ 99,1 99,1
'''''
+=++
λξ

Chia hai vế của phương trình cho Ma và chú ý rằng
a
M
z
M
β
=

.
'''''
βλ
ξ
=++
(2.34)
Để có thể phân tích rõ hơn các thông số trong phương trình trên, ta tiếp tục
biến đổi các thông số của hỗn hợp khí (không khí và khí sót ở điểm c) theo những
thông số riêng rẽ như sau:
Số mol khí tại điểm a (bằng số mol khí tại điểm c) được tính:

()
rra
LMLM
γ
+
=+= 1.

Thay vào phương trình (2.34) ta được:

"' "
.
( 1,99. ).(1 ). .(1 ). .
ZH
vrcZrpz
Q
CTCT
L
ξ
λγ βγ

Phương trình (2.37) là phương trình nhiệt động học của qúa trình cháy,
trong đó nhiệt lượng của sản phẩm cháy tạo thành cân bằng với tổng nhiệt lượng
của các thành phần tham gia.
Phân tích phương trình chúng ta thấy: nhiệt độ khí cháy tại điểm Z (T
z
)
phụ thuộc chủ yếu vào
ξz , T
c
và L còn các thông số khác ảnh hưởng không đáng
kể.
Khi nhiệt độ cuối qúa trình nén T
c
tăng, hệ số sử dụng nhiệt tại Z tăng thì nhiệt
độ T
z
tăng. Còn việc tăng số lượng mol không khí nạp vào xy lanh động cơ tại
thời điểm bắt đầu nén thì ngược lại làm cho T
z
giảm xuống.
Như chúng ta đã biết khi T
z
càng cao ứng suất nhiệt nhóm piston xy lanh càng
lớn ảnh hưởng đến độ bền các chi tiết, đồng thời làm tăng hàm lượng NO
x
trong
khí xả gây tác động xấu đến môi trường và sức khỏe người khai thác vận hành
động cơ. Các động cơ diesel tàu thủy có nhiệt độ T
z
giới hạn từ

liệu. Đặc biệt ở chế độ khởi động, giá trị T
c
thấp sẽ không đảm bảo cho qúa trình
cháy diễn ra bình thường.
Từ (2.37) chúng ta thấy tăng lượng không khí có trong xy lanh ở đầu hành
trình nén có thể làm cho T
z
giảm xuống. Nói một cách chính xác là để giảm
T
z
cần phải tăng hệ số dư lượng không khí α. Khi lượng không khí dư thừa
càng nhiều, nó sẽ thu một phần nhiệt lượng lớn hơn để mang ra ngoài theo khí
xả làm cho nhiệt độ bình quân của chu trình giảm xuống. Điều này đặc biệt có ý
nghĩa với những động cơ có tăng áp, khi mà với cùng một thể tích công tác,
nhưng lượng nhiên liệu đốt cháy nhiều hơn.
Trong phương trình cân bằng nhiệ
t tại điểm Z (2.37), ta cần lưu ý:
'
v
C là nhiệt dung riêng đẳng tích của không khí khô, có thể được tính:

'
4,6 0,0006.
vc
CT=+ (2.38)
"
v
C là nhiệt dung riêng đẳng tích của khí sót:

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 36

C
: là nhiệt dung riêng đẳng áp của khí cháy (có thành phần giống khí sót):

"
5
4,89 ( 1).4,6 86 ( 1).60
1, 99 .
.10
pz
CT
α
α
αα
+
−+−
=+ +
(2.40)
Sau khi thay các giá trị nhiệt dung riêng ở trên vào phương trình (2.37) ta sẽ
được một phương trình bậc hai với T
z
có dạng:

0
2
=++ CTBTA
zz

Giải phương trình bậc hai sẽ tìm được nhiệt độ cháy cực đại của khí cháy T
z
.

ρ
=
Từ phương trình trạng thái:
.
.848.
zz z
p
VM T
=
và
.
.848.
cc a c
p
VM T
=

Chia hai vế của phương trình trên cho nhau ta được

Thay
z
c
p
p
λ
= và:
z
a
M
M


Tỷ số giãn nở sớm trong các động cơ nằm trong khoảng 1,2
÷ 1,7. Giá trị
z
ξ

trong phương trình cháy là một thông số cơ bản để xem xét một qúa trình cháy
trong động cơ diesel. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến
z
ξ
và mức độ ảnh hưởng
của các yếu tố này với các kiểu, loại động cơ khác nhau cũng khác nhau.
Trước hết khi tăng số vòng quay thì
z
ξ
giảm vì qúa trình cháy rớt sẽ phát
triển.
Việc phân hủy sản phẩm cháy tăng thì
z
ξ
giảm. Thông thường trong động
cơ diesel do nhiệt độ cháy không cao lắm nên giá trị này tương đối nhỏ.
Thành phần khí hỗn hợp hay hệ số dư lượng không khí
α cũng có ảnh hưởng
đến
z
ξ
.