Hiệu suất thể tích của động cơ đốt trong

Đối với động cơ nhiệt, quá trình cháy phụ thuộc vào tỷ lệ không khí-nhiên liệu bên trong xi lanh. Càng có nhiều không khí vào bên trong buồng đốt, chúng ta càng đốt được nhiều nhiên liệu, mô-men xoắn và công suất động cơ đầu ra càng cao.

Vì không khí có khối lượng nên nó có quán tính. Ngoài ra, đường ống nạp, các van và van tiết lưu cũng đóng vai trò hạn chế luồng không khí vào xi lanh. Bằng hiệu suất thể tích, chúng ta đo lường được khả năng của động cơ lấp đầy thể tích hình học có sẵn của động cơ bằng không khí. Nó có thể được coi là tỷ số giữa thể tích không khí được hút vào xilanh (thực) và thể tích hình học của xilanh (lý thuyết).

Hiệu suất thể tích (VE) trong kỹ thuật động cơ đốt trong được định nghĩa là tỷ lệ giữa thể tích tương đương của không khí trong lành được hút vào xi lanh trong hành trình nạp (nếu khí ở điều kiện tham chiếu về mật độ) với thể tích của chính xi lanh.

Công thức tính toán hiệu suất thể tích

Hầu hết các động cơ đốt trong được sử dụng ngày nay trên các phương tiện giao thông đường bộ đều có dung tích thể tích (chuyển vị) cố định, được xác định bởi hình dạng của xi lanh và cơ cấu khuỷu trục. Nói một cách chính xác, thể tích tổng của một động cơ V_t [m³] là hàm số được tính toán của tổng số xi lanh n_c [-] và thể tích một xi lanh V_cyl [m³].

V_t = n_c · V_cyl (1)

Thể tích tổng cộng của xilanh là tổng giữa thể tích công tác (thể tích quét của piston) V_d [m³] và thể tích cháy V_c [m3].

V_cyl = V_d + V_c (2)

Thể tích cháy rất nhỏ so với thể tích công tác (ví dụ: tỷ lệ 1:12) nên có thể bỏ qua khi tính hiệu suất thể tích của động cơ.

Hiệu suất thể tích η_v [-] được định nghĩa là tỷ số giữa thể tích thực tế (đo được) của không khí nạp V_a [m³] được hút vào xi lanh/động cơ và thể tích lý thuyết của động cơ/xi lanh V_d [m³], trong chu kỳ động cơ nạp.

η_v = V_a / V_d (3)

Hiệu suất thể tích cũng có thể được coi là hiệu suất của động cơ đốt trong để nạp khí nạp vào xi lanh. Hiệu suất thể tích càng cao thì lượng khí nạp vào động cơ càng cao.

Trong trường hợp động cơ phun nhiên liệu gián tiếp (chủ yếu là xăng) thì không khí nạp được trộn với nhiên liệu. Vì lượng nhiên liệu tương đối nhỏ (tỷ lệ 1:14,7) so với lượng không khí nên chúng ta có thể bỏ qua khối lượng nhiên liệu để tính hiệu suất thể tích.

Thể tích không khí nạp thực tế có thể được tính bằng hàm số của khối lượng không khí m_a [kg] và mật độ không khí ρ_a [kg/m³]:

V_a = m_a / ρ_a (4)

Thay (4) vào (3) ta có hiệu suất thể tích bằng:

η_v = m_a / (ρ_a · V_d) (5)

Thông thường, trên lực kế động cơ, lưu lượng khối không khí nạp được đo [kg/s] thay vì khối lượng không khí [kg]. Vì vậy, chúng ta cần sử dụng lưu lượng khối không khí để tính hiệu suất thể tích.

m_af = (m_a · N_e) / n_r (6)

• N_e [rot/s] – tốc độ động cơ
• n_r – số vòng quay trục khuỷu trong một chu trình đầy đủ của động cơ (đối với động cơ 4 kỳ n_r = 2)

Từ phương trình (6), chúng ta có thể viết khối lượng khí nạp như sau:

m_a = (m_af · n_r) / N_e (7)

Thay (7) vào (5) ta có hiệu suất thể tích bằng:

η_v = (m_af · n_r) / (ρ_a · V_d · N_e) (8)

Hiệu suất thể tích tối đa là 1 (hoặc 100%). Ở giá trị này, động cơ có khả năng hút toàn bộ thể tích không khí lý thuyết có sẵn vào động cơ. Có những trường hợp đặc biệt trong đó động cơ được thiết kế đặc biệt cho một điểm vận hành mà hiệu suất thể tích có thể cao hơn 100% một chút.

Nếu áp suất không khí nạp p_a [Pa] và nhiệt độ T_a [K] được đo trong đường ống nạp, thì mật độ không khí nạp có thể được tính như sau:

ρ_a = p_a / (R_a · T_a) (9)

• ρ_a [kg/m³] – mật độ không khí nạp
• p_a [Pa] – áp suất khí nạp
• T_a [K] – nhiệt độ không khí nạp
• R_a [J/kgK] – hằng số khí đối với không khí khô (bằng 286,9 J/kgK)