bài tập lớn tính toán động cơ đốt trong động cơ xăng HCMUTE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG HONDA CIVIC SPORT TOURING 1,5L (US) 2020 GVHD THẦY LÝ VĨNH ĐẠT SVTH ĐÀO NGỌC QUỐC KHÁNH 19145087 NGUYỄN QUỐC KHÁNH 19145244 NGUYỄN HỒNG CHÂU 19145025 Lớp thứ 6 tiết 9 10 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN MÔN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Số TT Họ và tên SV Mã số sinh viên Phần trăm thực hiện 1 ĐÀO NGỌC QUỐC KHÁNH 19145087 45% 2 NGUYỄN QUỐC KHÁNH 19145244 45% 3 NGUYỄN HỒNG.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

GVHD: THẦY LÝ VĨNH ĐẠT SVTH: ĐÀO NGỌC QUỐC KHÁNH 19145087

NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN MÔN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Số

Phần trăm thực hiện

1 Số liệu ban đầu

Loại động cơ Honda civic sport touring 1,5l (US) 2020: Chương 1

2 Nội dung thuyết minh

- Chọn các thông số tính toán nhiệt: Chương 2

- Tính toán nhiệt: Chương 3

- Tính toán các thông số đặc trưng chu trình: Chương 4

Chương 1 CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ HONDA CIVIC SPORT TOURING 1,5L (US) 2020

Các thông số cho trước của động cơ Honda civic sport touring 1,5l (US) 2020 được lấy từ https://www.carfolio.com/honda-civic-sport-touring-cvt-657602

- Môi trường sử dụng động cơ: Mĩ

- Kiểu, loại động cơ: động cơ xăng tăng áp, số kỳ 𝜏: 4kì

- Số xilanh, i và cách bố trí các xilanh:4 xy lanh, i4 thẳng hàng

- Chiều dài thanh truyền, L (mm): 179mm ( chọn =1/4)

- Khối lượng nhóm piston, 𝑚𝑛𝑝 (kg): 97,3kg/m2

- Khối lượng nhóm thanh truyền, 𝑚𝑡𝑡 (kg): 121,7kg/m2

Chương 2 CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN NHIỆT

2.1 Áp suất không khí nạp (𝐏𝐨) P0 = 0,1013 MN/𝑚2

2.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T 0 )

Miền Nam nước ta thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể

chọn là tkk = 29𝑜C cho khu vực miền Nam, do đó: T0 = 29 + 273 = 302oK

2.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (P K )

Động cơ 4 kỳ, tăng áp Pk = (0,14÷0,4) chọn Pk = 0,14 Mpa

2.4 Nhiệt độ khí nạp trước xuppap nạp (T K )

Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp nếu không có làm mát trung gian Tk được xác định bằng công thức:

𝑇𝐾 = 𝑇0 (𝑃𝐾

𝑃 0)𝑚−1𝑚 = 302 ( 0,14

0,1013)

1,4−1 1,4 = 331oK Trong đó: m - chỉ số nén đa biến trung bình của khí nén, phụ thuộc vào loại máy nén (m = 1,5÷1,65), thông thường hiện nay chọn 1,4

2.5 Áp suất cuối quá trình nạp (𝐏a )

Áp suất cuối quá trình nạp đối với động cơ tăng áp ta có thể chọn trong phạm vi:

Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn λ1 = 1,02 ÷ 1,07 Chọn λ1 = 1.06

2.10 Hệ số quét buồng cháy λ 2

Động cơ tăng áp: λ2 = 0,1÷0,2 Ta chọn λ2 = 0,2

2.11 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót Tr

Thông thường khi tính cho động cơ xăng có α=0,85÷0,92; chọn λt=1,15

2.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξ Z )

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ

Đối với động cơ xăng ξZ trong khoảng 0,75 ÷ 0,92; chọn ξZ = 0,9

2.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξ b )

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến ξb nhỏ

Đối với động cơ xăng ξb trong khoảng 0,85 ÷ 0,95; chọn ξb=0,95

2.14 Hệ số dư lượng không khí α

Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy đối với động cơ xăng α nằm trong khoảng 0,85 ÷ 0,95; chọn α = 0,9

2.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công φ d

Hệ số điền đầy đồ thị công φd đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán Động cơ xăng φd trong khoảng 0,93 ÷ 0,97; chọn

Chương 3 TÍNH TOÁN NHIỆT

] = 0,98

1,5−1 1,5

3.2.2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:

Khi α=0,9 tính cho động cơ xăng theo công thức sau:

mcv ”= (17,997+3,504 α) + 1

2 (360,34+252,4 α) 10-5 T Thay vào ta được

mcv ”= (17,997+3,504.0,9) + 1

2 (360,34+252,4.0,9) 10-5 T

= 21,1506 + 0,002938.T

3.2.4 Tỷ số nén đa biến trung bình n 1 :

{𝐶: 0,855𝑘𝑔𝐻: 0,145𝑘𝑔Thay các số liệu vào công thức trên ta tính được: Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg xăng: Mo = 0,516 (kmol kk)

3.3.2 Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M 1

Đối với động cơ xăng:

1, 08

0, 473

M M

3.3.5 Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β

Trong thực tế do ảnh hưởng khí sót còn lại trong xilanh từ chu trình trước nên hệ

số biến đổi phân tử khí thực tế β được xác định theo công thức sau:

Giá trị của β phụ thuộc chủ yếu vào α mà ít phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu

sự phụ thuộc ấy như sau:

Thay vào ta được: mc vz" 19,809 0,0020998.= + T

3.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy 𝐓z

Đối với động cơ xăng được tính theo công thức:

+mc vc': tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm C của hỗn hợp khí nén

+mc vz": tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm Z của sản vật cháy

Từ công thức trên giải phương trình bặc hai, chọn nghiệm dương để tính toán Trong phương trình này hai trị số chưa biết là Tz và λ, chọn tỷ số tăng áp (mục 2.5.16 trang 12) để xác định được nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz

3.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy 𝐏z

Đối với động cơ xăng:

2

3152.P 1,075 .3,38 13,6

Đối với động cơ xăng: 𝛿 = ℇ = 10,6

3.4.3 Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình

8, 3141

3.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T b

Đối với động cơ xăng:

3.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở P b

Đối với động cơ xăng:

2

2 1,31

0, 617

m m

−

Chương 4 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHU TRÌNH

4.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán:

Trong trường hợp động cơ xăng :

1, 71

e m i

p p

i k i

e k e

Va= 415(cm3) Pa=0.133 (MPa)

- Điểm c: điểm cuối quá trình nén: c (Vc ; Pc) => c (40 ; 3,38)

Chương 6 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC PISTON VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU

TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN

Khai triển nhị thức Newton của 𝑐𝑜𝑠 𝛽 ta được: 𝑐𝑜𝑠 𝛽 = [1 − 𝜆2⋅ (𝑠𝑖𝑛 𝛼 − 𝑘)2]12

Ta thu được Bảng số liệu 7.2

6.2 Động Lực Học Của Cơ Cấu Khuỷu Trục-Thanh Truyền

po = 0,1MPa: áp suất khí quyển

Pkt: áp suất trong xilanh động cơ

D: đường kính xi lanh động cơ

Tuy nhiên trong quá trình tính toán thì Pkt thường được tính theo đơn vị diện tích 𝑀𝑁

𝑚2

⁄ nên:

𝑃𝑘𝑡

𝐹𝑝 = (𝑝𝑘𝑡− 𝑝0)

Đồ thị Pkt có thể chuyển từ đồ thị 𝑃 − 𝛼 với gốc tọa độ lấy tại p0

Lực khí thể Pkt được vẽ lên đồ thị tại các quá trình nạp- nén- giãn nở- thải được xác định bằng các quan hệ sau:

- Quá trình nạp (tính từ 𝛼 = 𝜙3 = 400 đến 𝛼 = 1800 , 𝑝𝑘𝑡 = 𝑝𝑎 = 0,133

- Quá trình nén (tính từ 𝛼 = 1800 đến 𝛼 = 3600− 𝜃𝑠 = 3600− 200 = 3400 )

𝑝𝑘𝑡 = 𝑝𝑎 𝑖𝑛1 = 0,133 𝑖1,37, ta cho giá trị chạy i chạy từ 1 cho đến 𝜀

- Quá trình giãn nở ở động cơ xăng thì ở quá trình này:

6.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động:

Lực quán tính được xác định theo công thức sau: 𝑃𝑞𝑡 = 𝑚 𝐽

Trong đó: m – khối lượng của các chi tiết chuyển động

J – gia tốc chuyển động của các chi tiết đó

* Khối lượng của nhóm piston:

𝑚𝑛𝑝 = 𝑚𝑝 + 𝑚𝑥 = 𝑚𝑐 + ⋯ [𝑘𝑔]

hoặc: 𝑚𝑛𝑝 =𝐺𝑛𝑝

𝑔 = 1

𝑔(𝐺𝑝+ 𝐺𝑥+ 𝐺𝑐+ ⋯ ) trong đó: 𝐺𝑛𝑝 : trọng lượng của nhóm piston[𝑘𝑔]

𝑚𝑛𝑝 : khối lượng của nhóm piston

𝐺𝑝, 𝐺𝑥, 𝐺𝑐, 𝑚𝑝, 𝑚𝑥, 𝑚𝑐 : trọng lượng và khối lượng của piston, xéc măng

* Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay):

Quy dẫn khối lượng má khuỷu 𝑚𝑚 về tâm của chốt khuỷu ta phải thay thế bằng khối lượng tương đương 𝑚𝑐 và xác định bằng phương trình cân bằng lực quán tính sau:

 Khối lượng của thanh truyền:

Tổng các khối lượng thay thế phải bằng khối lượng thực của thanh truyền:

𝑚𝑡𝑡 = 𝑚𝐴+𝑚𝐵+𝑚𝑜Trọng tâm của hệ tương đương phải trùng với trọng tâm của thanh truyền:

𝑚𝐴 𝑙1 = 𝑚𝐵(𝐿 − 𝑙1) Tổng momen quán tính của các khối lượng thay thế đối với trọng tâm phải bằng momen quán tính thức của thanh truyền đối với trọng tâm của nó

𝐽𝑡𝑡 = 𝑚𝐴𝑎2+𝑚𝐵𝑏2 = 𝑚𝐴𝑙12+𝑚𝐵(𝐿 − 𝑙1)2Các khối lượng thay thế phải năm trên một đường thẳng và đi qua trọng tâm thanh truyền thực

𝑚𝐴 = 𝐽𝑡𝑡

𝑙1 𝐿; 𝑚𝐵 =

𝐽𝑡𝑡𝐿(𝐿 − 𝑙1); 𝑚0 = 𝑚𝑡𝑡−

𝐽𝑡𝑡(𝐿 − 𝑙1)𝑙1Khối lượng được thay thế bằng công thức sau:

𝑚𝐴 = 𝑚𝑡𝑡.𝐿 − 𝑙1

𝐿 ; 𝑚𝐵 = 𝑚𝑡𝑡.

𝑙1𝐿Hiện nay đối với các loại động cơ ô tô máy kéo khối lượng quy về đầu nhỏ và đầu to thanh truyền xác định theo công thức kinh nghiệm sau:

𝑚𝐴 = (0,275 ÷ 0,359)𝑚𝑡𝑡

𝑚𝐵 = (0,65 ÷ 0,725)𝑚𝑡𝑡Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền mj

Khối lượng chuyển động quay của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền mr

Trong thiết kế tính toán các khối lượng này thường tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston như sau:

* Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến:

𝑃𝑗 = −𝑚𝑗 𝑗 = −𝑚𝑗𝑅𝜔2(𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝜆𝑐𝑜𝑠 2𝜑)

𝑃𝑗𝐼 = −𝑚𝑗𝑅𝜔2𝑐𝑜𝑠 𝜑 – là lực quán tính tịnh tiến cấp I

𝑃𝑗𝐼𝐼 = −𝑚𝑗𝑅𝜔22𝜑 – là lực quán tính tịnh tiến cấp II

𝑃𝑗 = 𝑃𝑗𝐼 + 𝑃𝑗𝐼𝐼 – là các hàm điều hòa

Đồ thị lực quán tính có dạng giống đồ thị lực gia tốc nhưng có chiều ngược lại

và có tỉ lệ xích: 𝜇𝑝𝑗 = 𝜇𝑗𝑝× 𝑚

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay 𝑃𝐾: 𝑃𝑘 = −𝑚𝑟𝑅𝜔2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền:

𝑃𝑡𝑡 = 𝑃1

𝑐𝑜𝑠 𝛽 N=𝑃1 𝑡𝑎𝑛 𝛽

Lực tiếp tuyến: T= 𝑃𝑡𝑡 𝑠𝑖𝑛 (𝛼 + 𝛽) = 𝑃𝑧𝑠𝑖𝑛 (𝛼+𝛽)

𝑐𝑜𝑠 𝛽 Lực pháp tuyến: Z= Ptt 𝑐𝑜𝑠 (𝛼 + 𝛽) = 𝑃𝑧𝑐𝑜𝑠 (𝛼+𝛽)

𝑐𝑜𝑠 𝛽 Khối lượng của nhóm piston: bao gồm khối lượng của piston, xec-mang và chốt piston

Đơn vị thường dùng là khối lượng trên một đơn vị diện tích piston

Đầu nhỏ thanh truyền chuyển động tịnh tiến, đầu to thanh truyền chuyển động quay & thân chuyển động lắc Vì vậy trong quá trình chuyển động tịnh tiến lực quán tính, khối lượng các chi tiết chuyển động của thanh truyền được quy về đầu nhỏ thanh truyền

Theo công thực thực nghiệm, khối lượng quy về đầu nhỏ thanh truyền được xác định theo công thức sau: 𝑚𝐴 = (0,275 ÷ 0,359) ⋅ 𝑚𝑡𝑡 (g)

Nếu tính theo đơn vị 𝑔⁄𝑐𝑚2 thì 𝑚′

𝑡𝑡 =𝑚𝑡𝑡

𝐹 𝑝 = (10 − 20) ( 𝑔

𝑐𝑚2) nên chọn 𝑚′

𝑡𝑡 = 12,17 ( 𝑔

𝑐𝑚2)

Khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến: bao gồm khối lượng của piston

và đầu nhỏ thanh truyền: 𝑚𝑗 = 𝑚𝑛𝑝+ 𝑚𝐴 = 𝑚𝑛𝑝 + 0,3 ⋅ 𝑚𝑡𝑡

Khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến trên một đơn vị diện tích:

m′j = 𝑚′𝑛𝑝+ 𝑚𝐴 = 𝑚′𝑛𝑝 + 0,3 ⋅ 𝑚′𝑡𝑡 13,381 (g/cm2) Lực quán tính của các chi tiết chuyển động tịnh tiến: (cũng được tính trên một

đơn vị diện tích piston):

Chương 7 CÁC BẢNG SỐ LIỆU ĐỂ VẼ ĐỒ THỊ 7.1 Bảng số liệu cho đồ thị công P-V

BẢNG SỐ LIỆU CHO ĐỒ THỊ CÔNG

Góc quay trục khuỷu α [độ] Thể tích Vh [dm 3 ] Áp suất Pkt sau hiệu chỉnh

7.2 Bảng số liệu cho các đồ thị động học piston

BẢNG SỐ LIỆU CHO CÁC ĐỒ THỊ ĐỘNG HỌC PISTON Góc quay trục

khuỷu α [độ] Chuyển vị X (m) Vận Tốc V (m/s) Gia Tốc J (m/s

2 )

7.3 Bảng số liệu cho các đồ thị động lực học trục khủy-thanh truyền

Lực Pkt [MN/m 2 ]

Lực PƩ [MN/m 2 ]

Lực tiếp tuyến T [MN]

Lực pháp tuyến Z [MN]

Lực ngang N [MN]

Chương 8

ĐỒ THỊ VÀ CODE ĐỒ THỊ 8.1 Đồ thị

8.1.1 Đồ thị công chỉ thị P-V:

8.1.2 Đồ thị công P-a:

8.1.3 Đồ thị biểu diễn lực N:

8.1.4 Đồ thị biểu diễn lực T:

8.1.5 Đồ thị biểu diễn lực Z:

8.1.6 Đồ thị T-Z:

8.1.7 Đồ thị chuyển vị của piston:

8.1.8 Đồ thị vận tốc của piston:

8.1.9 Đồ thị gia tốc của piston:

p1=interp1(ahc,phc,a1,'spline');

%diem r' den a

a2=[45:0.01:180];

x2=r.*(1-cosd(a2)+0.0625.*(1-cosd(2.*a2))); v2=x2.*s+vc;

p2=linspace(0.133,0.133,13501);

%duong nen a den c'

a3= [180:0.01:340];

x3= r.*(1-cosd(a3)+0.0625.*(1-cosd(2.*a3))); v3=s.*x3+vc;

p3=pa.*(va./v3).^1.37;

%diem c' den c''

ahc=[340 345 350 360];

phc=[ 2.17 2.56 2.92 3.38];

a4=[340:0.01:360];

x4=r.*(1-cosd(a4)+0.0625.*(1-cosd(2.*a4))); v4=x4.*s+vc;

p4=interp1(ahc,phc,a4,'spline');

%diem c'’ den z'

a5=[360 360];

x5=r.*(1-cosd(a5)+0.0625.*(1-cosd(2.*a5))); v5=x5.*s+vc;

p6=interp1(ahc,phc,a6,'spline');

%duong chay dan no

a7=[380:0.01:500];

x7=r.*(1-cosd(a7)+0.0625.*(1-cosd(2.*a7))); v7=x7.*s+vc;

%lien ket cac duong

hold on;

% luc tong hop

pt=pj+p;

plot(a,pt, 'black','linewidth',1.8);