Phơng pháp tính tăng áp động cơ đốt trong
Nguyễn Văn ánh
Khoa S phạm Kĩ thuật Trờng ĐHSP Hà Nội
I. mở đầu

Trong chơng trình đào tạo cử nhân tại Khoa S phạm Kĩ
thuật Trờng Đại học S phạm Hà Nội cũng nh ở các trờng kĩ thuật
khác, sinh viên đã đợc làm quen với một số sơ đồ tăng áp động cơ
đốt trong (ĐCĐT). Thông qua các sơ đồ này sinh viên đã hiểu đợc
cấu tạo chung và nguyên lý làm việc của chúng. Song kiến thức
này cha đáp ứng đợc yêu cầu của một cử nhân tơng lai, nhất là
những ngời công tác trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo ĐCĐT.
Cho đến nay cha có công trình nào trình bày có hệ thống
phơng pháp tính toán tăng áp ĐCĐT. Đây là vấn đề thiết thực,
giúp ta hiểu sâu hơn động cơ tăng áp, đồng thời ứng dụng phơng pháp tính cho các nhà thiết kế chế tạo ĐCĐT.
II. phơng pháp tính toán tăng áp động cơ đốt trong

Biện pháp hữu hiệu và có tiềm năng lớn là tăng áp để tăng
áp suất hữu ích trung bình trong xi lanh và tăng công suất ĐCĐT.
Tuy nhiên còn thiếu phơng pháp tính tổng quát cho nhiều cách
tăng áp khác nhau. Phơng pháp tính toán trình bày dới đây với
độ chính xác, cho phép xác định đợc giá trị áp suất tăng áp
không khí nạp vào xi lanh PK để đạt đợc công suất định trớc của
động cơ.
Phơng pháp tính áp dụng cho hệ thống tăng áp cơ khí,
tuabin máy nén tăng áp và hệ thống tăng áp hỗn hợp.
1. Động cơ với hệ thống tăng áp cơ khí
Sơ đồ hệ thống này thể hiện trên hình 1

Hình 1: Sơ đồ hệ thống tăng áp
cơ khí

1


Công thức tính cơ sở:
Pe = Pi Pm Pn

KG/cm2

(1)

Từ công thức tính công suất hữu ích động cơ ta có:
Pe =

0,45.N e .Z
Vh .n.i

KG/cm2

(2)

Và áp suất chỉ thị trung bình
Pi = 427

Qt .PK . v . i
.Lo .R.TK

KG/cm2

(3)


áp suất thất thoát cơ khí
Pm = a + b. cm

KG/cm2

(4)

a, b là các hằng số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ.
Theo số liệu thực nghiệm:
Động cơ bốn kì :

a = 0,4 ữ 1,0

;

b = 0,09 ữ 0,15

Động cơ hai kì :
a = 0,3 ữ 0,7
;
b = 0,06 ữ 0,12
áp suất cơ khí tính đếm đến thất thoát cơ khí thuần tuý,
thất thoát ở hành trình bơm và năng lợng cấp cho các thiết bị
phục vụ cho động cơ.
ở động cơ với buồng cháy ngăn cách, cần thiết phải tính
thêm thất thoát khí động của khí qua lỗ thông giữa các buồng
cháy.
Để xác định thất thoát cơ khí cho động cơ tăng áp có thể
sử dụng công thức của Giáo s D.A. Portnov

Pm = Pm' (

PK 0,1
)
P0

KG/cm2

(5)

trong đó Pm' là áp suất cơ khí của động cơ không tăng áp.
áp suất trung bình sử dụng để dẫn động cho máy nén
trong hệ thống tăng áp cơ khí Pn
Pn =

P K 1 1
K PK
. . v T0 ( K ) K 1
;
K 1 TK
P0
n

KG/cm2

Đặt phơng trình 3,4, 5, vào phơng trình 1, ta có:

2

(6)



Pe = 427

P K 1 1
Qt PK
K PK
.
. v . i (a + bc m )
v T0 ( K ) K 1
; KG/cm2
L0 RTK
K 1 TK
P

0
n

(7)
Nhiệt độ không khí nạp khi tăng áp
TK = T0 (

PK
)
P0

m 1
m

0


K

Nếu sử dụng các đại lợng:
P0 = 1,0 KG/cm2

;

T0 = 2880K ;

K = 1,4

L00 = 14,3 kg không khí/ kg nhiên liệu ; R = 29,3

10200

kg , mol
; Qt =
kg 0C

Kcal
Kg

Ta có:
1


1
Pe = PKm v 35,2 i 3,54( PK0, 286 1) (a + b.c m ) ;


n


KG/cm2

(8)

Bớc đầu xác định giá trị P K dựa vào giá trị thực nghiệm của
các thông số v ; i ; , ; n ; Pm' , sau đó chính xác hoá bằng cách sử
dụng kết quả tính toán nhiệt đợc các thông số này.
Kiểm tra sử dụng đúng đắn lựa chọn hệ số quét thải đối
với động cơ bốn kì có thể thực hiện theo công thức sau:
= 1+ 0,9 à

F
n. v

. TK

(9)

Trong đó:
à - hệ số lu lợng không khí nạp
n tôc độ quay của động cơ vòng / phút
v hệ số nạp
Hệ số có thể tính:
= 2g

K +1
K PK 2 / K PK K

(
)

)


K 1 Pr
Pr


3


F diện tích tơng đối pha quét thải (tỉ số thời gian tiết
diện của thời kì trùng điệp với thời gian tiết diện của quá trình
nạp). Đại lợng này có thể xác định theo đồ thị trên hình 2.

Hình 2: Mối quan hệ F và góc quay trục khuỷu
Giá trị nhận đợc sau tính toán thờng sai lệch so với giá trị
lựa chọn không lớn hơn 5%. Trờng hợp ngợc lại, cần thiết phải tính
toán lại tăng áp cho động cơ
2. Động cơ với tuabin máy nén tăng áp
Trên hình 3 biểu thị sơ đồ tăng áp động cơ bằng tuabin máy
nén. Để tiến hành tính toán, ta giả định áp suất và nhiệt độ khí
cháy trớc khi vào tuabin không đổi.
Công thức tính cơ sở:
Ne = Ni Nm

(ml)


(10)

Pe = Pi Pm

(KG/cm2)

(11)

NT = Nn

(ml)

(12)

4


Hình 3: Sơ đồ hệ thống tuabin máy nén tăng áp
Hay
K 3 1

P K 1 1
K3
P0' K 3
K
.T =
Rr .Gr .Tr 1 ( )
R.G K .T0 ( K ) K 1
K3 1
Pr

K 1


P0
n

(13)

Trong đó:
GK, Gr lu lợng không khí qua động cơ và khí cháy vào tuabin
(Kg/s)
Tr, Pr Nhiệt độ 0K và áp suất KG/cm2 khí cháy trớc khi vào
tuabin
P0' - áp suất khí thải sau tua bin KG/cm 2

T0, P0 Nhiệt độ, -0K và áp suất KG/cm2 môi trờng
Khi tính toán tăng áp bằng tuabin máy nén cần giải quyết
hai bài toán: xác định áp suất tăng áp cần thiết để đạt đợc công
suất dự kiến và xác định các phơng án tính toán PK.
Để xác định PK có thể sử dụng phơng trình (11)
Pe = Pi Pm

;

KG/cm2

Trong đó:
Pi = 427

1

Qt

P
. K . v . i = 36,2.PKm . v . i
.L0 R.TK


Pe = 0,45.

N e .Z
Vh .n.i

Pm = a + b.cm

5


Phơng trình (11) có thể viết dới dạng khác:
1
m
K

36,2.P . v .

i
N .Z
(a + b.c m ) = 0,45. e

Vh .n.i


(14)

Theo phơng trình (14), bằng phơng pháp thử có thể tính
đợc giá trị PK. Ta xem xét ở PK/Pr nào sẽ thoả mãn điều kiện ở phơng trình (12).
Đặt:
và

K 3 1 K Rr
.
.
=a
K3 K 1 R
Gr Tr
. .T . n =
G K T0

Hệ số a tính đến ảnh hởng của nhiệt độ và thành phần
của khí cháy, khi tính có thể chấp nhận K 3 = 1,35 ; K = 1,4 và a
= 0,91
Để xác định cần thiết phải xác định T và n bằng phơng
pháp thực nghiệm; còn lu lợng không khí GK, lu lợng khí cháy cũng
nh nhiệt độ của khí cháy trớc khi vào tuabin đợc tính nh sau:
Lu lợng không khí:
G K = Vh .i

hay

n 10 4 PK
.
v

60.Z RTK
4

kg/s
m 1
m
0

n 10 .P
G K = Vh .i
.
60 Z
RT0

1
m
K

.P . v

kg/s

Khi tính GK, bớc đầu tự chọn v và , sau khi tính đợc Pr, đại
lợng đợc chỉnh lại theo công thức (9). Trong trờng hợp không tính
đếm đến góc trùng điệp, có thể coi = 1.
Lu lợng khí cháy qua tuabin G r sẽ nhiều hơn so với G b một lợng
bằng khối lợng nhiên liệu phun vào trong xi lanh trong 1 giây và
gần bằng 3ữ 4% của lu lợng không khí
Tỉ số Gr/ GK có thể tính hoặc chấp nhận
=


Gr
= 1,03 ữ 1,04
GK

Nhiệt độ khí cháy có thể tính

6


L0 C P' TK + Qt (1 i w +
Tr =

L0 ( + 0 1)C

632,3N m
.x
GT
0

"
P

K

(15)

Trong đó:
C P' - Nhiệt dung trung bình theo khối lợng không khí Kcal/


kg0C
w Phần nhiệt theo nớc làm mát, theo thực nghiệm
w = 0,2 ữ 0,25
- Phần nhiệt bức xạ từ bề mặt nóng của động cơ vào môi
trờng xung quanh

= 0,03 ữ 0,05

Nm Công suất cơ khí tính theo công thức (4)
phần nhiệt tơng đơng với công ma sát truyền vào nớc

làm mát
= 0,5 ữ 0,6
C P" - Nhiệt dung trung bình khí cháy Kcal/ Kg 0C

GT Lợng nhiên liệu trong một giờ Kg/h
Giá trị số hạng cuối cùng trong công thức (16) thờng không
lớn, nên khi tính toán có thể bỏ qua
Phơng trình (14) có thể viết dới dạng :
K 3 1

P0' K3
PK KK1
a 1 ( )
1
=( )
Pr
P0




hay





K 1
1

= ( PK ) K
a 1
K 3 1
P0
( P0 . PK . Pr ) K 3


P0' P0 P0
K3

Khi đó:

K 1

K 3 1
PK K
(
)

1



P0
'

Pr = P0 1


a.





(16)

Sử dụng công thức (16) có thể tìm đợc PK/Pr khi chấp nhận
các giá trị T, n, Tr và GK.

7


3. Động cơ với hệ thống tăng áp hỗn hợp
Sơ đồ động cơ với hệ thống tăng áp hỗn hợp thể hiện trên
hình 4

Hình 4: Sơ đồ động cơ tăng áp hỗn hợp bằng tuabin máy
nén
Công thức cơ sở phục vụ cho tính toán
Pe = Pi Pm + Pr Pn


KG/cm2

(17)

Giá trị Pi và Pm xác định theo công thức trên, còn P T tính đợc khi sử dụng công thức tính công suất tuabin.
NT =

Vh .i.n.Pr
60.75.Z

(18)
NT =

Gr .L'T
.T
75

Từ các công thức này, sau khi biến đổi ta nhận đợc
K 3 1
K 3 Rr Tr
P0' K3
Pr = .P . v .
. . 1 ( )
.T
K 3 1 R T0
Pr

1
K

K

KG/cm2

(19)

KG/cm2

(20)

Và áp suất khí nén tăng áp
1
m
K

Pn = 3,5.P . v . ( PK0, 286 1)

1
n

Khi đó công thức (17) có thể viết dới dạng:

8


K 3 1
1
i
K 3 Rr Tr
P0' K 3

m
Pe = 36,2.P . v . (a + b.c m ) + PK . v . .
1 ( )
.T

K 3 1 R 288
Pr

1
m
K

1

3,5 PKm . . v ( PK0, 286 1)

1
; KG / cm 2
n

(21)
Theo công thức (21) bằng cách thử sẽ tính đợc PK
4. Động cơ với hai cấp tăng áp
Trên hình 5 mô tả hai cấp tăng áp ĐCĐT. Cấp thứ I đợc sử
dụng là tua bin máy nén, còn cấp thứ II là máy nén dẫn động từ
ĐCĐT.
Phơng trình công suất và áp suất hữu ích trung bình nh
sau:
Ne = Ni Nm - N nII


ml

(22)
Pe = Pi Pm - PnII

KG/cm2

(23)

Trong đó N nII ; PnII - công suất và áp suất trung bình sử dụng
cho máy nén tăng áp cấp thứ II.
Tơng tự nh công thức (7) ta có:
PKII KK1 1
Qt PNII
K PKII
I
Pe = 427
. v .i (a + b.cm )
vTK ( I ) 1 II
L0 RTKII
K 1 TKII
PK
n

KG/cm2

(24)

Để xác định PKI sử dụng đẳng thức
NT = N nI

Khi đó:

K 3 1

P0' K3
PKI KK1
a 1 ( )
1
=( )
Pr
P0



9

(25)


Hình 5: Sơ đồ tăng áp hai cấp
Nếu nh chấp nhận Pr = PKII P trong đó P = 0,2 ữ 0,3
KG/cm2 thì từ phơng trình (25) có thể tính điện PKI .
K 3 1



P0'
I
PK = 1 + a 1 ( II
) K3

PK P




3, 5

KG/cm2

(26)

Thay giá trị PKI vào phơng trình (24) và bằng phơng pháp
thử có thể tính đợc Pe
Thông thờng, sau cấp tăng áp thứ I không khí đợc làm mát,
khi đó các thông số trong phơng trình (24) sẽ là:
TKI = TKI 1 . MI ;

PKI = PKI1 PMI

Khi làm mát sau cấp tăng áp thứ II:
TKII = TKII1 . MII ;

PKII = PKII1 PMII

Kết quả nhận đợc PK, TK dùng làm thông số đầu vào để tính
toán nhiệt động cơ tăng áp.
III. Kết luận

Thực tiễn cho thấy còn thiếu phơng pháp tính tăng áp cho
ĐCĐT, cho nên việc xây dựng hệ thống phơng trình tính toán

tăng áp nhiều phơng án khác nhau là cần thiết. Trên cơ sở đó có
thể xác định đợc áp suất PK, TK dùng làm thông số đầu vào của
quá trình tính toán nhiệt động cơ.
Hệ thống phơng trình có thể bổ sung cho giáo trình đào
tạo tại trờng Đại học Kĩ thuật chuyên ngành động cơ đốt trong.
Tài liệu tham khảo

10


1. Nguyễn Tất Tiến Nguyên lí động cơ đốt trong, NXB Giáo dục
Hà Nội, 2000.
2. Nguyễn Tất Tiến Giáo trình kĩ thuật sửa chữa ô tô, máy
nổ, NXB Giáo dục Hà Nội, 2000.
3. Nguyễn Văn ánh Máy nhiệt, NXB Giáo dục Hà Nội, 2005

Tóm tắt
Trong bài báo đã xây dựng phơng pháp tính tăng áp động
cơ đốt trong với các cách tăng áp khác nhau: tăng áp cơ khí,
tuabin máy nén tăng áp, tăng áp hỗn hợp một tầng và hai tầng. ứng
dụng hệ thống phơng trình tính có thể xác định đợc áp suất PK
và nhiệt độ TK dùng làm thông số đầu vào của quá trình tính
toán nhiệt trong giai đoạn thiết kế động cơ.
SUMMARY

11