Phần 2
TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC
2.1. Mục đích tính toán.
+ Mục đích của việc tính toán chu trình công tác là xác định các chỉ tiêu
về kinh tế, hiệu quả của chu trình công tác và sự làm việc của động cơ.
+ Kết quả tính toán cho phép xây dựng đồ thị công chỉ thị của chu trình
để làm cơ sở cho việc tính toán động lực học, tính toán sức bền và sự mài mòn các chi
tiết của động cơ.
+ Phương pháp chung của việc tính toán chu trình công tác có thể áp
dụng để kiểm nghiệm động cơ sẵn có, động cơ được cải tiến hoặc thiết kế mới.
+ Việc tính toán kiểm nghiệm động cơ sẵn có cho ta các thông số để kiểm
tra tính kinh tế và hiệu qủa của động cơ khi môi trường sử dụng hoặc chủng loại nhiên
liệu thay đổi. Đối với trường hợp này ta phải dựa vào kết cấu cụ thể của động cơ và
môi trường sử dụng thực tế để chọn các số liệu ban đầu.
+ Đối với động cơ được cải tiến hoặc được thiết kế mới, kết quả tính toán
cho phép xác định số lượng và kích thước của xy lanh động cơ cũng như mức độ ảnh
hưởng của sự thay đổi về mặt kết cấu để quyết định phương pháp hoàn thiện các cơ
cấu và hệ thống của động cơ theo hướng có lợi. Khi đó phải dựa vào kết quả của việc
phân tích thực nghiệm đối với các động cơ có kết cấu tương tự để chọn các số liệu ban
đầu.
+ Việc tính toán chu trình công tác còn được áp dụng khi cường hoá động
cơ và xây dựng đặc tính tốc độ bằng phương pháp phân tích lý thuyết nếu các chế độ
tốc độ khác nhau được khảo sát.
2.2. Chọn các số liệu ban đầu.
1-Công suất có ích định mức:
Ne=176,6 [kW]
2- Số vòng quay trong một phút của trục khuỷu n:
n = 1800 [vg/p].
3- Tốc độ trung bình của pít tông CTB:
S .n


Hệ số nạp phụ thuộc vào nhiều vào các yếu tố như : thành phần nhiên
liệu, kết cấu hệ thống nạp khí, chế độ sử dụng. [η]= 0,79..0,80. Chọn ηv= 0,8
11- Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức pr:
Pr phụ thuộc chủ yếu vào số vòng quay trục khuỷu và sức cản của hệ
thống thải:
[Pr] =[1,06..1,15] .105 N/m2. ở đây ta chọn Pr =1,1.105 [N/m2].
12- Nhiệt độ cuối quá trình thải Tr.
Tr phụ thuộc vào ε, n, thành phần khí hỗn hợp α, góc phun sớm.
[Tr] =680..750[0k] ,ta chọn Tr = 800 [0k].
13- Độ sấy nóng khí nạp ∆T.
Giá trị ∆T phụ thuộc vào kết cấu thiết bị sấy nóng, kết cấu và cách bố trí
của đường nạp và cách bố trí của đường thải, số vòng quay n, hệ số dư lượng không
khí α.
[∆T] =14..160 K . Ta chọn ∆T = 140K.
14- Chỉ số nén đa biến trung bình n1.
n1 phụ thuộc vào số vòng quay, kích thước xy lanh, kiểu làm mát, mức
độ cường hoá động cơ.[ n1] =1,32..1,34. Chọn n1=1,32
15- Hệ số sử dụng nhiệt ξz.
ξz là tỷ số giữa lượng nhiệt biến thành công và tổng lượng nhiệt cung cấp
ban đầu.
[ξz] = 0,83..0,85. Ta chọn ξz = 0,84
16- Áp suất cuối quá trình cháy ở động cơ diesel pz.
Chọn Pz phụ thuộc phương pháp tạo hổn hợp, mức độ cường hoá của động
cơ.
2


[Pz] = 7,0..7,5 [MN/m2]. Ta chọn Pz = 7 [MN/m2].
17- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QT.
QT Là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối lượng hoặc

1 + 0,036
⇒Ta =
K.

[ [Ta] = 310..3400k.]

∗áp suất cuối quá trình nạp Pa:
T
(ε − 1)
η v .P0 (1 + γ r ). a
T0
Pa = ε

[Mpa]
Theo các số liệu đã cho ở trên ,thay vào ta có:
15 − 1
328,038
.0,8.0,101.(1 + 0,036).
= 0,086[ MPa ]
15
297
Pa=

[Pa] = [0,085...0,092] MPa
2.3.2. Tính toán cuối quá trình nén:
a) Mục đích của việc tính toán quá trình nén là xác định các thông số như
áp suất pc và nhiệt độ Tc ở cuối quá trình nén.
b) Thứ tự tính toán:
∗ Áp suất cuối quá trình nén:
3

32   kgnl 

- Trong đó: gC, gH và g0: là thành phần nguyên tố tính theo khối lượng của
cácbon, hyđrô và ôxy tương ứng chứa trong 1 kg nhiên liệu. Trị số các thành phần
ấyđối với nhiên liệu diesel.
Có thể lấy gần đúng theo các giá trị sau:
gc = 0,86; gH = 0,13; g0 = 0,01.
 Kmol 
1  0,86 0,13 0,01 
+
+

=


4
32  0,495  kgnl 
⇒M0= 0,21  12

- Lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ ứng với 1 kg nhiên liệu M t:
 Kmol 
 kgnl 



Mt = αMo = 1,8 .0,495 = 0,890
- N hư vậy lượng hỗn hợp cháy M1 tương ứng với lượng không khí thực
tế
 Kmol 
 kgnl 

β= 0
1 + γ r = 1 + 0,036
∗ Tính toán tương quan nhiệt động.
Thứ tự tính các thông số như sau:
- Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác ở cuối quá
trình nén µcvc.
- Để xác định µcvc ta có thể tra bảng, xác lập quan hệ giải tích giữa nhiệt
dung riêng và nhiệt độ đối với các chất khí khác nhau trong hỗn hợp hoặc tính theo
công thức gần đúng. Công thức tính toán gần đúng có dạng sau:
µcvc = 20,223 + 1,742.10-3 Tc

 KJ 
 Kmol. dé 



 KJ 


=20,233 + 1,742 . 10-3 . 780,322 = 21,592  Kmol. dé 

- Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của khí thể tại điểm z.
Phương pháp tính toán chung tương tự như đối với µcvc. Nếu tính gần
đúng, ta dùng công thức sau:
µcvz

= 20,098 +

0,921 
1,38  −3

- Nhiệt dung mol đẳng áp trung bình tại điểm z:
 KJ 


µcpz = µcvz + 8,314  Kmol dé 

- Chỉ số tăng áp λp:
Pz
7
=
= 2,273
λp = Pc 3,079
[λp = 1,2…2,4].

- Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz được xác định theo phương trình nhiệt
động của quá trình cháy sau:
QT ξ Z
+ ( 8,314λ p + µ cv c )TC = βµ cpzTZ
M 1 (1 + γ r )

⇔ 2,399085 . 10-3.T2z + 29,952 .Tz- 70,303 . 103 = 0.
Sau khi giải phương trình bậc 2 ta được 2 nghiệm là:
Tz1= -14505 ; Tz2= 2020,25
5


Vậy nhiệt độ cuối quá trình cháy là Tz = 2020,20 0K
Ở động cơ diesel có buồng cháy không phân chia:
[Tz ]= 1950 ÷2100 [0K]
- Tỷ số dãn nở sớm ρ:

δ
N/m2
[ Trong đó:
]
p
7
= 0,331
p b = nz
1, 2
δ = 12,718
[Mpa]
2

- Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở:
Tb =

Tz
δ

n 2 −1

2020
= 1214,848
1, 2 −1
12
,
718
=
[0K]


2.4.1. Các thông số chỉ thị.
+ Đó là những thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ.
Khi xác định các thông số chỉ thị, ta chưa kể đến các dạng tổn thất về công mà chỉ xét
các tổn thất về nhiệt. Các thông số cần tính bao gồm:
a) Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết pi':
+ Đối với động cơ diesel:
=

p'i

ρλ p 
pc 
1 
1 
1 
1 − n 2−1  −
1 − n1−1 
λ p ( ρ − 1) +
ε −1 
n 2 −1  δ
 n1 − 1  ε


[MPa]
=


3,079 
1,179.2,273 
1

=
= 155,355 
M 1 pi To
0,890 .0,832 .297
 KWh 

 g 


[gi ] = 170..200  KWh 

d) Hiệu suất chỉ thị.
ηi =

3600
3600
= 0,54
Q T g i = 42500.0,15535

Trong đó: QT được tính bằng [KJ/kgnl ] và gi [kg/KWh ].
[ηi ] = 0,43..0,5
2.4.2. Các thông số có ích.
7


+ Các thông có ích là những thông số đặc trưng cho sự làm việc của động
cơ. Để xác định các thông số đó, ta sử dụng kết quả tính toán các thông số chỉ thị ở
mục trên và xác định giá trị của áp suất tổn hao cơ khí trung bình pcơ.
+ Áp suất tổn hao cơ khí trung bình là áp suất giả định, không đổi, tác
động lên pít tông trong một hành trình và gây ra công tổn hao bằng công tổn hao của

 KWh 

 g 


[ge ] = 220..285  KWh 

+ Hiệu suất có ích:
ηe = ηi ηcơ = 0,54 . 0,736 = 0,401
[ηe] = 0,29÷0,38
+ Công suất có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán:
Ne =

P e Vh i n
30τ

0,613.3,203.6.1800
= 175,269
30.4
=
[KW]

Ở đây i.Vh = 6 . 3,203 [dm3]
Sai số: ∆Ne = 0,759 % < 3%
+ Mô men xoắn có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán :
Me =

3.10 4 N e 3.10 4.175,269
=
= 937,367

n1 = 1,32
pc = 3,079 [MPa]
n2 = 1,2
pz = 7,0 [MPa]
ε = 15
pb = 0,331[MPa]
Vh = 3,203 [dm3]
ρ = 1,179
Vc =

Vh
3,203
= 0,229[dm 3 ]
ε − 1 = 15 − 1

Vz = ρ.Vc = 1,179 . 0,229 = 0,270 [dm3 ]
Va = Vh +Vc = 3,432 [dm3 ]
+ Dựng hệ toạ độ p-V với gốc toạ độ 0 trên giấy kẻ ly [hình 1] và theo
một tỷ lệ xích được chọn trước của thể tích và áp suất, ta xác định các điểm a [p a, Va],
c [pc, Vc], y [py, Vy], z [pz, Vz] và b [pb, Va] trên hệ toạ độ đó.
+ Nối các điểm c và y, y và z, b và a bằng các đoạn thẳng, ta được các
đường biểu diễn quá trình cấp nhiệt và rút nhiệt.
+ Dựng các đường nén đa biến a-c và dãn nở đa biến z-b. Để dựng các
đường ấy, ta có thể dùng phương pháp lập bảng .
+ Phương pháp lập bảng dựa vào phương trình của quá trình nén và dãn
nở đa biến.
Với quá trình nén đa biến, ta có:
p nVnn1 = p aVan1
9


7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

ε

V[dm3]

1
1,055
1,116
1,184
1,262
1,350
1,452
1,570
1,709
1,875
2,077


[ Bảng 1 ]

OB’=OB/ε[mm] Pn = Pa.εn1[MPa] Pd = pb. εn2[MPa]
192,857
0,086
0,331
182,857
0,093
0,353
172,857
0,100
0,377
162,857
0,108
0,405
152,857
0,117
0,437
142,857
0,128
0,474
132,857
0,141
0,518
122,857
0,157
0,569
112,857
0,175

7,000
12,857
3,079

10


Hình 1. Đồ thị công chỉ thị của động cơ diesel bốn kỳ
c) Hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị lý thuyết hành thành đồ thị công chỉ thị thực tế.
+ Để được đồ thị công chỉ thị thực tế a' - c' - c" - z' - z" - b' - b" - b"’ - a' ,
ta gạch bỏ các diện tích I, II, III, IV trong đồ thị lý thuyết.
+ Diện tích I xuất hiện do góc phun sớm nhiên liệu gây ra. Khi đó một
phần nhiên liệu được cháy trước trên đường nén nên áp suất cuối quá trình nén thực tế
p c' cao hơn áp suất cuối quá trình nén thuần tuý pc.
+ Điểm c' nằm trên đường nén thuần tuý. Vị trí của nó được xác định bởi
góc phun sớm nhiên liệu và được dựng theo vòng tròn Brích.
Điểm c" được xác định bằng cách lượn đều từ điểm c' cho đến khi cắt trục
tung ứng với thể tích Vc.
+ Diện tích II tồn tại là do quá trình cháy diễn ra với thể tích luôn luôn
thay đổi. Quá trình cháy thực tế diễn ra không theo lý thuyết và theo đường cong c' '
c" - z' - z". ở động cơ diesel, áp suất lớn nhất p z đạt giá trị của pz, vì trong quá trình
cháy thì nhiên liệu vẫn được phun tiếp vào xi lanh động cơ.
+ Khi vẽ đồ thị, ta lấy điểm z' ở giữa đoạn thẳng yz, còn điểm z" được
chọn trên đường dãn nở sao cho đường cong z' z" b" không bị gãy khúc ở điểm z".
+ Diện tích III biểu diễn tổn hao của công dãn nở do xu páp thải mở sớm.
Khi đó áp suất trong xi lanh giảm nhanh và quá trình dãn nở diễn ra theo đường cong
thực tế. Thời điểm bắt đầu mở xu páp thải được chọn sao cho diện tích III không lớn
mà vẫn bảo đảm thải sạch sản vật cháy và tổn hao ít công cho quá trình thải chính. Đối
với động cơ được kiểm nghiệm, giá trị của góc mở sớm xu páp thải đã được cho trước
và vị trí của điểm b' trên đường dãn nở được xác định theo vòng tròn Brích.