Đặng Tiến Hòa

- 47-
Chơng 3
Chu trình lý tởng của động cơ đốt trong
3.1. Những khái niệm cơ bản
3.1.1.Đặc điểm của chu trình lý tởng
Để cho việc nghiên cứu các quá trình làm việc của động cơ đốt trong đợc thuận tiện
dễ dàng, ngời ta thay các quá trình phức tạp bằng các quá trình có dạng đơn giản hơn nhng
vẫn sát với các quá trình thực tế, bằng cách bỏ qua những hiện tợng và tổn thất thứ yếu xuất
hiện trong các chu trình thực tế. Cách làm nh vậy ta sẽ đợc chu trình lý tởng của động cơ.
Nh vậy, chu trình lý tởng của động cơ là một chu trình kín, thuận nghịch trong đó
không có sự tổn thất năng lợng nào ngoài sự tổn thất do nhả nhiệt cho nguồn lạnh.
Đặc điểm chủ yếu của chu trình lý tởng là:
- Môi chất công tác trong chu trình là khí lý tởng, nhiệt dung riêng là hằng số, không
phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
- Lợng môi chất cho một chu trình là không thay đổi, trong chu trình không có chu
trình quét sạch khí thải ra khỏi xi lanh và nạp khí mới vào xilanh.
- Không có sự tổn thất về nhiệt đối với môi trờng xung quanh, quá trình nén và giãn
nở là quá trình đoạn nhiệt.
- Các quá trình đốt cháy nhiên liệu, toả nhiệt và quét sạch khí trong xilanh đợc thay
thế tơng ứng bằng cách cung cấp bằng một lợng nhiệt Q
1
từ nguồn nóng và nhả nhiệt cho
nguồn lạnh Q
2
trong điều kiện đẳng tích và đẳng áp.
- Việc chuyển hoá từ nhiệt sang công trong chu trình về mặt lý thuyết là lớn nhất, tức
là hiệu suất nhiệt của chu trình so với hiệu suất nhiệt chỉ thị của động cơ có trị số lớn nhất.
3.1.2. Các chỉ tiêu chủ yếu của chu trình
3.1.2.1.Tính kinh tế của chu trình

2
- Lợng nhiệt nhả ra cho nguồn lạnh trong chu trình( J/chu trình).
3.1.2.2.Tính hiệu quả của chu trình.
Đựoc thể hiện qua áp suất trung bình P
t
của chu trình, về thực chất nó là tỉ số giữa
công của chu trình và thể tích công tác của chu trình.
Công thức xác định:
h
t
t
V
L
p =
(Nm/m
3
hay N/m
2
) (3-2)
Trong đó:
Đặng Tiến Hòa

- 48-
V
h
= V
max
- V
min
( m

tởng, đó cũng là mục tiêu của động cơ vơn tới.
3.2. Chu trình lý tởng tổng quát của động cơ đốt trong.
3.2.1. Diễn biến
Đợc thể hiện trên đồ thị P- V và T- S ( Hình 2.1)
Gồm các quá trình sau:
- Đoạn oc: Nén đoạn
nhiệt, đặc trng cho động cơ
đốt trong và máy nén khí.
- Đoạn cy: Cấp nhiệt
đẳng tích, đặc trng cho động
cơ xăng và một phần của
động cơ điêzen hiện đại.
- Đoạn yz: Cấp nhiệt
đẳng áp, đặc trng cho động
cơ tăng áp và tua bin khí.
- Đoạn zd: Giãn nở
đoạn nhiệt, đặc trng cho
động cơ đốt trong và tua bin khí.
- Đoạn đf: Nhả nhiệt đẳng tích, đặc trng cho đông cơ đốt trong piston.
- Đoạn fo: nhả nhiệt đẳng áp, đặc trng cho tua bin khí.
3.2.2. Các định nghĩa theo chu trình lý tởng
- Tỷ số nén :
c
o
V
V
=


V


- 49-
- Tỷ số giãn nở sau khi cháy:
z
d
V
V
=

. V
d
- Thể tích cuối quá trình giãn nở.
- Tỷ số giảm áp khi nhả nhiệt:
f
d
P
P
=


P
d
- áp suất cuối quá trình giãn nở. P
f
- áp suất cuối quá trình nhả nhiệt cho nguồn
lạnh
3.2.3. Hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình.
3.2.3.1. Hiệu suất nhiệt (
t
)

1
yzcy
0ffd
1
2
t
+

+

== (3-3)
Trong đó:
v
p
mc
mc
k =

là chỉ số đoạn nhiệt.
Dựa vào mối quan hệ của các quá trình nhiệt động để tính nhiệt độ tại các điểm cuối
các quá trình của chu trình trong biểu thức (2-3) theo T
0
sẽ đợc:
- Quá trình nén đoạn nhiệt : T
c
=
;.T
V
V
T

- Quá trình đẳng áp :
===

T.T
V
V
TT
1k
0y
y
z
yz

- Quá trình đoạn nhiệt :
=










=





1k
o
T
.
T



=










=

- Quá trình đẳng tích:
Đặng Tiến Hòa

- 50-

k
1
k
1

t
+
+

=

(3-4)
Từ (2-4) thấy rằng: hiệu suất
t
phụ thuộc vào tỉ số nén , cách cấp nhiệt cho môi chất
từ nguồn nóng thể hiện qua và cách nhả nhiệt từ môi chất cho nguồn lạnh thể hiện qua
và chỉ số đoạn nhiệt k, thể hiện thành phần và tính chất của môi chất,. Tăng tỉ số nén sẽ làm
tăng
t
. ảnh hởng của những thông số còn lại tới
t
sẽ đợc chỉ rõ trong từng trờng hợp cụ
thể sau này.
3.2.3.3. áp suất trung bình
áp suất trung bình p
t
tính theo (2-2), trong trờng hợp của chu trình tổng quát sẽ đợc
viết nh sau:
cf
t
t
VV
L
P


= [mC
v
(T
y
- T
c
) + mC
p
(T
z
-T
y
)] M-
-M[mC
v
(T
d
-T
f
)] + mC
p
(T
f
- T
0
)],(J/ chu trình)
Thay các giá trị nhiệt độ có vào, sau khi ớc lợng và chỉnh lý sẽ đợc:




0vt
(3-6)
Thể tích công tác của chu trình đợc xác định thep phơng trình trạng thái









===
c
c
f
f
c
c
f
f
cfh
P
T
P
T
MR
P
MRT
P


Thay L
t
và (V
f
- V
c
) tìm đợc vào (2-5) và rút gọn ta đợc:
k
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k1
k
1
v
0
t

).(k)1(.)]1(k)1[(
.C.m.
R
P.
P


= V
d
= V
0
= V
f
và V
h
= V
0
-
V
c

Trong điều kiện ấy
giá trị đợc xác định nh
sau:
- Quá trình đẳng tích:

k
1k
k
1
0
b
0
b

T

k1k
0vt
+=

(3-10)
hoặc

)]1(k1[ M.T.C.mL
t
1k
0vt
+=

(3-11)
và
{
}
)1()]1(k1[
1k
P
.
1
P
k1k
0
t
+ơ


=

=
+
=


kMTCm
TTmCTTmCMQQQ
k
v
yzpcyvpv
(3-14)
3.4. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (V=const hoặc S =1)
3.4.1. Diễn biến
Chu trình cấp nhiệt đẳng tích đợc thể hiện trên đồ thi P - V.
Đặng Tiến Hòa

- 52-
Chu trình đẳng tích là một trờng hợp riêng của chu trình hỗn hợp, trong đó chỉ
cấp nhiệt đẳng tích mà không có cấp nhiệt đẳng áp. Đó là chu trình lý tởng của động cơ hình
thành hoà khí bên ngoài và đốt cháy cỡng bức bằng tia lửa điện
3.4.2. Hiệu suất nhiệt và áp suất trung bình
Thay =1 vào (2-9) sẽ đợc hiệu suất
nhiệt
t
của chu trình đẳng tích:
k
1
t
1
1

vt
MTCmL

)(
.
1
1
0
=

(3-17)
)1)(1(
1k
P
.
1
P
1k
0
t



=

(3-18)
Hoặc )1(
1
.
1

chỉ tăng 14%.
Nếu tăng
(tức là tăng nhiệt lợng Q
1
) thì L
t
và p
t
sẽ tăng nhanh hơn so với mức tăng
của .
3.5. Chu trình cấp nhiệt đẳng áp (p = const)
3.5.1. Diễn biến
Chu trình cấp nhiệt đẳng áp cũng là trờng
hợp riêng của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, trong
đó không có cấp nhiệt đẳng tích mà chỉ có cấp
nhiệt đẳng áp, đợc thể hiện trên đồ thị P - V
(Hình 3.4)
Trong điều kiện áp suất
Điểm C của chu trình hỗn hợp trùng với
điểm y và
=
c
y
p
p
= 1
Đặng Tiến Hòa

- 53-
Chu trình đẳng áp là chu trình lý tởng của động cơ điêden phun nhiên liệu bằng khí

M
[
]
)1p()1p(k.
k1k


(3-21)
Hoặc L
t
= mC
v
.T
0
.M
k-1
(

)1

p
t
(3-22)
p
t
=
[]
)1()1(
1
.


(3 - 24)
Biểu thức (3 - 20) chỉ rằng
t
của chu trình đẳng áp, chẳng những phụ phuộc vào và k
mà còn phụ thuộc vào tỉ số giãn nở
p
khi cháy (tức Q
1
). ảnh hởng của và k tới
t
cũng
tơng tự nh các chu trình hỗn hợp và chu trình đẳng tích. Hình 3.3 giới thiệu quan hệ
t
và
p
theo các giá trị và k khác nhau.
Tăng
p
tức là tăng lợng nhiệt cấp cho chu trình Q
1
(tăng tải động cơ) thì L
t
và p
t
sẽ
tăng, còn
t
thì giảm chút ít.
Cũng tơng tự nh chu trình đẳng tích, trong chu trình đẳng áp nếu tăng

= 1 (chu trình
đẳng áp) với mỗi A (hoặc ) sẽ có giá trị nhỏ nhất của
t

. Chu trình hỗn hợp sẽ có
t

nằm ở vị
trí trung gian tuỳ thuộc vào

và

.
Hình 3.5 giới thiệu đồ thị T-S nhằm so sánh
t

của các chu trình đẳng tích và đẳng áp trong
các trờng hợp sau đây :
- Có cùng các giá trị T
O
,

và Q
1
.
- Có cùng các giá trị T
O
, p
Z
và Q
Hãy xét trờng hợp thứ nhất (H. 3.5), do T
O
và

nh nhau nên đờng nén OC của hai
chu trình trùng nhau. Xuất phát từ C đờng cấp nhiệt đẳng tích (V = const) sẽ dốc hơn đờng
cấp nhiệt đẳng áp (p = const). Để đảm bảo Q
1
nh nhau, tức là đảm bảo cho diện tích mCzn
bằng diện tích mCzn và bằng Q
1
thì đờng zn phải nằm bên phải đờng zn. Ta gọi Q
ZP
, Q
ZV

là nhiệt nhả cho nguồn lạnh của chu trình đẳng áp và chu trình đẳng tích. Sau khi nhả nhiệt
trạng thái môi chất của cả hai chu trình trên đều trở về điểm 0, vì cậy hai đờng nhả nhiệt bo
và bo chồng lên nhau. Do đó ta có : Q
2P
= diện tích mobn và Q
2V
= diện tích mobn.
Do đó : Q
2P

ở tỉ số nén

thấp (

= 4,5
ữ
12), trong khi đó động cơ điêden làm việc ở tỉ số nén cao (

=
14 ữ 20). Vì vậy mặc dù động cơ điêden làm việc theo chu trình kém hơn về kinh tế nhng
nó vẫn cho hiệu suất cao hơn so với động cơ xăng.
Vì vậy, trên quan điểm thực tiễn, cần so sánh các chu tình theo trờng hợp hai (H.
3.5b). Do đờng cấp nhiệt đẳng tích sốc hơn so với đờng cấp nhiệt đẳng áp nên để đạt đợc
p
Z
giống nhau, thì điểm c cuối quá trình nén của chu tình đẳng tích phải nằm thấp hơn điểm c
(điểm cuối quá trình nén của chu tình đẳng áp). Trong tình huống ấy để đảm bảo Q
1
nh nhau
thì điểm z (cuối quá trình cấp nhiệt của chu trình đẳng tích) phải nằm trên đờng p = p
Z
=
const và nằm bên phải điểm z (điểm cuối quá trình cấp nhiệt của chu tình đẳng áp). Ta biết :
Q
1P
= diện tích mczn và Q
1V
= diện tích mczn với điều kiện Q
1P
= Q

áp suất đầu quá trình nén, vì vậy làm tăng tính hiệu quả của chu trình, tức tăng áp suất p
t
theo
(3 -7), (3 - 12) hoặc (3 - 13).
Trên động cơ tăng áp, ngoài bản thân động cơ còn có máy nén khí. Dẫn động máy nén
khí dùng năng lợng của trục khuỷu động cơ (qua hệ thống truyền động) hoặc dùng năng
lợng của khí xả nhờ sinh công trong tua bin khí. Nh vậy ta chia động cơ tăng áp thành các
loại sau:
- Động cơ tăng áp truyền động cơ khí.
- Động cơ tăng áp tua bin khí.
Do đó chu trình lý tởng của động cơ tăng áp sẽ lần lợt đợc giới thiệu theo các dạng
động cơ tăng áp kể trên.
3.6.1. Chu trình lý tởng của động cơ tăng áp truyền động cơ khí.
Chu trình gồm hai bộ phận (Hình3.5) Chu trình lý tởng của bản thân động cơ kcyzb;
chu trình lý tởng của máy nén nokm. Trớc tiên trong máy nén môi chất đợc nén đoạn nhiệt
từ áp suất p
0
lên p
k
, tiếp theo môi chất đợc nén tiếp theo quá trình đoạn nhiệt từ p
k
lên p
c
.
Hiệu suất nhiệt toàn thiết bị
t
của chu trình đợc tăng áp truyền động cơ khí sẽ
là:
td
td

v
. T
k
.M
[
]
)1()1(1(
1
+
kk
ppk


hoặc L
tđ
= mC
v
. T
k
.M .
k-1

[
]
td
pk



)1(1














k
k
k
k
k
MRT
k
k
p
p
MRT
k
k




pk
p
k
k



;
td
tN
N
L
L
=

- công tơng đối của máy nén;

k
=
k
V
V
0
- Tỉ số nén trong máy nén; =
k
V
V
0

L
L
+


=



Trong đó:
;1k
mC
mCmC
mC
R
v
cp
v
=

=

k
. =
0
=
c
V
V
0

k0
1k
k
)1p(k1
p
p
1k
n)1p(k1
)1(k
+



















=



















Nh vậy hiệu suất nhiệt toàn thiết bị của động cơ tăng áp cơ khí
tđ
nhỏ hơn hiệu suất
nhiệt bản thân động cơ

tđ
vì động cơ phải tiêu hao cho máy nén càng lớn, ngoài ra nếu tỉ số
nén
của động cơ và lợng nhiệt cấp cho chu trình Q
1
càng nhỏ thì
N

tN
td
h
tNtd
t
==

=
hoặc:



















+



td
1k
k
td
)]1p(k1[.
1k
P
.
1
P +


=


Thay giá trị của p
tđ
vào biểu thức (3-25) đợc












p
P
kpk
k
p
P
1
0
1
1])1(1[
1
.
1



(3.26)
Hình 3.6 giới thiệu mối quan hệ giữa
t

,
t
p ,
td
p và
N

với tỉ số tăng áp .
o
k

td
p , ví
dụ : tăng p
K
từ 0,1 MPa đến
0,2MPa (100%)
t
p tăng từ 1,1
lên 2,08 MPa (89%), lúc ấy công
tơng đối của máy nén tăng từ 0 đến 0,062.
Mặc dù tiêu hao một phần công của chu trình động cơ để dẫn động máy nén tăng áp,
nhng dùng biện pháp tăng áp vẫn làm tăng áp suât chu trình của toàn thiết bị
t
p lên nhiều,
nhờ đó làm tăng công suất động cơ, Nhng lại không gây ảnh hởng lớn tới hiệu suất có ích
e

của toàn bộ thiết bị động cơ tăng áp. Trong động cơ tăng áp cơ khí thực tế
t

có bị giảm
nhng hiệu suất cơ giới
m

của thiết bị lại tăng khi tăng áp, vì khi tăng áp các phần tổn thất
cơ giới trong động cơ gần nh giữ nguyên không thay đổi, trong lúc đó công chỉ thị của chu
trình lại tăng lên nhiều.
Các giá trị của
t


- 58-
Những động cơ đốt trong ngày nay sử dụng rộng rãi phơng pháp tăng áp tua bin khí,
trong đó dùng tua bin khí chạy năng lợng khí thải động cơ để dẫn động máy nén tăng áp. Có
hai loại tua bin khí chạy bằng năng lợng của khí thải.
a) Tua bin đẳng áp
Trong hệ thống tua bin đẳng áp trên đờng ống thải từ động cơ đến tua bin có một bình
ổn áp. Tác dụng chính của bình là giữ cho áp suất của khí thải từ động cơ ra đợc ổn định
không đổi trớc khi tới các lỗ phun của tua bin đạt hiệu suất cao. Tuy nhiên trong hệ thống
này động năng của dòng khí từ động cơ đi ra bị hãm trong bình qua các lỗ phun vào sinh công
trong cánh tua bin. Các quá trình chuyển đổi đó gây ra tổn thất nhất định về năng lợng.
b) Tua bin biến áp
Trong hệ thống turbin biến áp, trên đờng ống thải không có bình ổn áp, dòng khí từ
xilanh đi ra đờng ống thải rồi đi thẳng tới các lỗ phun vào cánh tua bin để sinh công. Nh
vậy động năng của dòng khí thải đợc duy trì , tránh đợc tổn thất năng lợng nh trờng hợp
có bình ổn áp. Tuy nhiên áp suất dòng khí đi vào thải biến động liên tục, khiến tốc độ dòng
khí đi vào cánh tua bin không ổn định, ảnh hởng xấu tới hiệu xuất tua bin. Trong hệ thống
H
ình
3
.7
Đặng Tiến Hòa

- 59-
tua bin biến áp, cần bố trí ống thải sao cho tổn thất động năng của dòng khí thải trên suốt
đờng ống là ít nhất, muốn vậy phải giữ cho tiết diện lu thông của đờng ống ít thay đổi và
chiều dài đờng ống ngắn nhất.
3.6.2.1. Chu kỳ lý tởng của động cơ tăng áp dùng tua bin biến áp (Hình3.7a)
gồm các quá trình sau:
ok - nén đoạn nhiệt của không khí trong máy nén kc - nén đoạn nhiệt trong xi lanh
động cơ cyz - cấp nhiệt hỗn hợp ; z.b - giãn nở đoạn nhiệt trong động cơ ; brf- giãn nở của khí

t
pk
pk




(3-27)
trong đó:
0
- tỉ số nén của chu trình ,
0



0
0
k
c
k
kc
V
V
V
V
V
V
===

+

=

k
k
k
t
p
pkpk
k
p
P




hoặc
1
)]1(1[
.1
.
1
0
0
0

+



ck
t
h
t
t
VV
L
V
L
P


=

=
'

Mặt khác ta có:

1
1
;;

=

===
kmCmC
mC
R

)1.().1(
1
1
0
1
'
+

=


k
k
k
k
k
t
pkpk
k
P
P




hoặc:
]1(1[
)1).(1(
'
+




=
k
o
k
t
k




(3-31)
)]1()1([
1
1
00
=

k
k
vt
kMTmCL


)1(
)1)(1(
'


MpkTmCL
k
vt
=



)1(.
)1)(1(
'


= pk
k
p
P
t
k
k
t



(3-34)
So sánh (3-15) và (3-33) thấy rằng nếu có cùng một tỷ số nén thì hiệu suất chu trình
đẳng áp của động cơ tăng áp dùng tua bin biến áp vừa bằng hiệu suất của chi trình cấp nhiệt
đẳng tích của động cơ không tăng áp.
Biểu thức (3-33) cũng là biểu thức của tua bin khi cấp nhiệt và nhả nhiệt đẳng áp.
Phơng án tua bin biến áp chỉ dùng cho trờng hợp tăng áp thấp, nghĩa là giá trị p
k

Q
Q
II
từ đó có
Q
II
= Q
1
(1-
tđ
)= Q
1
.
1
1
.
)1(1
1

+

k
k
pk
p




Đặng Tiến Hòa



Do Q
II
= Q
I
nên:

1
12
)(
1
.
)1(1
1
.

+

=
k
k
k
pk
p
QQ






(3-35)
Trong đó :

0
= .
0
- tỉ số nén tổng hợp của chu trình
Từ (3-35) sẽ suy ra

t


của các chu trình lý tởng cấp nhiệt đẳng tích (p=1) hoặc cấp
nhiệt đẳng áp (=1) vào biểu thức ấy.
So sánh (3-35) với (3-9) cho thấy , biểu thức tính hiệu suất nhiệt của chu trình lý tởng
cấp nhiệt hỗn hợp của động cơ tăng áp dùng tua bin đẳng áp hoàn toàn giống biểu thức tính
hiệu suất nhiệt của chu trình hỗn hợp của động cơ không tăng áp khi tỉ số nén của chúng bằng
nhau (thay bằng
0
). Kết luận trên cho phép suy ra tất cả các biểu thức về
t

, L
t

, P
t

của các



==

k
k
t
c
c
ck
t
h
t
t
ppk
k
P
P
VV
VV
VV
L
V
L
P






không có liên hệ cơ khí mà chỉ liên hệ khí thể với động cơ, nghĩa là công suất do tua bin sản ra
chỉ đủ dùng để quay máy nén khí, thì hiệu suất
t

và áp suất trung bình P
t
sẽ chỉ đợc xác
định bằng công của chu trình bản thân động cơ và áp suất tăng áp p
k
tơng ứng.
Với tỷ số nén = 14ữ18 (động cơ điêden), sử dụng tăng áp nhờ tua bin đẳng áp sẽ làm
tăng hiệu suất 5 ữ 6%. Với động cơ có tỉ số nén thấp = 5ữ7% (động cơ xăng và động cơ ga)
phơng án trên có thể làm hiệu suất tăng 10ữ12%.