BÀI tập lớn đề tài ĐỘNG cơ TRÊN XE MERCEDES BENZ SPRINTER

Số liệu ban đầu Loại động cơ : Diesel Nhiệt độ không khí nạp mới, To : Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môitrường, nơi xe được sử dụng... Tr = 800

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

Mã môn học: 211ICEC320430Lớp thứ 3 tiết 1-3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ

Họ và tên sinh viên thực hiện :

Trương Ngọc :19145429

Phạm Văn Duy :19145353

Nguyễn Phạm Thanh Tùng :19145505

● Số liệu ban đầu :

Loại động cơ : Diesel Số kỳ,τ : 4

Công suất có ích, Pmax (kW) : 80 Số vòng quay, n(vòng/phút) :3600

Tỉ số nén,ε=18 Số xi lanh : 4

● Nội dung :

2.1 Tính toán nhiệt và xây dựng giản đồ công chỉ thị động cơ

2.2 Tính toán động lực học cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền

● Nội dung bản vẽ :

3.1 Bản vẽ đồ thị công chỉ thị P – V

3.2 Bản vẽ đồ thị P kt ,P j ,P1

3.3 Bản vẽ đồ thị chuyển vị Sp, vận tốc Vp, gia tốc Jp của piston

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ TRÊN MERCEDES BENZ SPRINTER 2008

STT TÊN TS KÝ HIỆU GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ GHI CHÚ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN NHIỆT……… 1

1.1 Trình tự tính toán 1

1.1.1 Số liệu ban đầu 1

1.1.2 Các thông số cần chọn 1

1.2 Tính toán các quá trình công tác 6

1.2.1 Quá trình nạp 6

1.2.2 Quá trình nén 7

1.2.3 Quá trình cháy 9

1.2.4 Quá trình giãn nở 12

1.2.5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình 15

1.2.6 Thông số kết cấu động cơ 17

1.2.7 Vẽ đồ thị công chỉ thị 19

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN………24

2.1 Động học của piston 24

2.1.1 Chuyển vị của piston 24

2.1.2 Tốc độ piston 27

2.1.3 Gia tốc piston 29

2.2 Động lực học của cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền 30

2.2.1 Lực khí thể 30

2.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động 30

BẢNG SỐ LIỆU……….33

CODE MATLAB……… 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….45

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Đồ thị công chỉ thị P – V 24

Hình 2.2: Sơ đồ Động học cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền 25

Hình 2.3: Đồ thị chuyển vị của piston 26

Hình 2.4: Đồ thị vận tốc của piston 27

Hình 2.5: Đồ thị gia tốc của piston 28

Hình 2.6: Đồ thị các lực Pkt , Pj, P1 31

PHỤ LỤC BẢNG

Bảng 1.1: Hệ số dư lượng không khí α 5

Bảng 1.2: Hệ số điền đầy đồ thị công 5

Bảng 1.3: Số liệu tính toán nhiệt động cơ 17

Bảng 2.1: Trị số áp suất của MCCT của quá trình nén và giãn nở tính toán 29

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN NHIỆT 1.1 Trình tự tính toán

1.1.1 Số liệu ban đầu

Loại động cơ : Diesel

Nhiệt độ không khí nạp mới, To :

Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môitrường, nơi xe được sử dụng Nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là: tkk = 30 oC, do đó:

To = tkk + 273 = 30 + 273 = 303 oK

Áp suất khí nạp trước xupap nạp, pk:

Động cơ 4 kỳ tăng áp:

Động cơ 4 kỳ tăng áp, Tk được xác định bằng công thức:

Áp suất cuối quá trình nạp, pa:

Trong quá trình tính toán nhiệt, áp suất cuối quá trình nạp thường được xácđịnh bằng công thức thực nghiệm

Tr = 800 oK

Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới, ΔT:

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xylanh của động

cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔT Mức độ sấy nóng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu thông của khí nạp, thờigian nạp dài hay ngắn, ngoài ra cũng phụ thuộc vào mức độ chênh lệch nhiệt độgiữa bề mặt tiếp xúc của xylanh với khí nạp

∆ T =∆ T t −∆ T bh

trong đó: ∆Tt - tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt

∆Tbh - mức giảm nhiệt độ của khí nạp mới do bốc hơi nhiên liệu

Việc tính toán chính xác ∆ T gặp nhiều khó khăn cho việc tính toán nên khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn chỉ số ∆ T căn cứ vào số liệu thực nghiệm Đối với động cơ diesel ∆ T =10 ÷ 350C

Khi động cơ hoạt động ở chế độ toàn tải nên ta chọn:

ΔT= 20 oC

Hệ số nạp thêm, λ1:

Hệ số nạp thêmλ1 biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối hỗn hợp khí

công tác sau khi nạp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ ở thể tích Va Hệ sốnạp thêm chọn trong giới hạn λ1 = 1,05

Nếu động cơ thiết kế có tốc độ cao, cơ cấu phối khí được thiết kế hiện đại, có

cao

Động cơ tăng áp do không có quét buồng cháy nên ta chọn:

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z, ξz:

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệtcủa quá trình cháy, hay tỷ lệ lượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z Có rất nhiều yếu

tố ảnh hưởng đến trị số ξZ như khi tăng số vòng quay mặc dù truyền nhiệt cho váchxilanh có giảm đi, song do hiện tượng cháy rớt tăng nên trị số ξZ giảm Ngoài ra

tượng này tăng làm cho ξZ giảm

Đối với động cơ diesel, ξZ nhỏ hơn động cơ xăng do hiện tượng cháy rớt nhiềuhơn động cơ xăng Mặt khác, thành phần hỗn hợp công tác của động cơ dieselkhông đồng nhất

Độ bốc hơi của nhiên liệu càng tốt, quá trình tạo hỗn hợp tốt, tốc độ lan trànmàn lửa càng lớn, ξZ càng tăng

Khi tăng tải, ξZ tăng vì lượng nhiên liệu cháy ở giai đoạn cháy chính tăng vàngược lại Khi tăng áp hiện tượng phân giải sản phẩm cháy giảm, trị số ξZ lớn

Trị số thực tế của hệ số lợi dụng nhiệt ξZ được chọn trên cơ sở phân tích tổngthể các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cháy phát nhiệt của động cơ và dựa theo giớihạn các giá trị thực nghiệm chọn:

Loại động cơ Diesel : ξZ = 0,75

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b, ξb:

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 vì thế ta có thể chọn ξb = 0,91

Hệ số dư lượng không khí, α:

Khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu cần Mo (kmol) không khí Tuy nhiênlượng không khí đi vào xilanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo Điều này đượcđánh giá bằng hệ số dư lượng không khí:

α= M1

M o

M1: lượng không khí thực tế nạp vào xilanh (kmol)

Mo: lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy:

Hệ số α nhỏ, hỗn hợp đậm, quá trình cháy diễn ra càng dữ dội, tốc độ cháytăng, áp suất tăng, việc lợi dụng nhiệt càng hoàn hảo, công suất cực đại lớn nhất.Tuy nhiên do hỗn hợp đậm, quá trình chay sạch kém, suất tiêu hao nhiên liệu tănglên, ô nhiễm khí thải tăng

Hệ số α lớn, hỗn hợp nhạt, nhiên liệu cháy sạch, suất tiêu hao nhiên liệu giảm,tính tiết kiệm nhiên liệu tăng Theo kinh nghiệm:

α = 0,85 - 0,9

Động cơ xăng chế hoà khí không có bộ phận làm đậm:

α = 1,05 - 1,15

Đối với ĐCĐT, tính toán nhiệt thường phải tính ở chế độ công suất cực đại, hệ

số dư lượng không khí chọn trong phạm vi cho trong bảng 1.9

Bảng 1.1: Hệ số dư lượng không khí α

Diesel -Buồng cháy thống nhất -Buồng cháy xoáy lốc -Buồng cháy dự bị -Tăng áp

1,45 ÷ 1,75 1,40 ÷ 1,65 1,35 ÷ 1,45 1,70 ÷ 2,20

Động cơ diesel chế hòa khí có bộ phận làm đậm, có buồng cháy thống nhất:

α = 1,8

Hệ số điền đầy đồ thị công, φd:

Hệ số điền đầy đồ thị đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế

so với đồ thị công tính toán

Hệ số điền đầy đồ thị φd cho theo số liệu kinh nghiệm trong bảng 1.10.

Bảng 1.2: Hệ số điền đầy đồ thị công

Diesel

-Buồng cháy thống nhất -Buồng cháy ngăn cách

trong đó: Pz - áp suất cuối quá trình cháy

Pc - áp suất cuối quá trình nén

Tỷ số λ càng lớn, lượng nhiên liệu cháy trong quá trình đẳng tích càng nhiều,

áp suất cực đại càng cao, áp suất có ích trung bình tăng, suất tiêu hao nhiên liệugiảm

- Đối với động cơ cao tốc, nên tăng λ để dảm bảo mức độ đồng đều thành phầncủa MCCT, độ đồng nhất của hỗn hợp

- Đối với động cơ tốc độ thấp, do mức độ đồng đều MCCT tốt hơn nên λ có thểchọn bé

Tuy nhiên, khi λ lớn ảnh hưởng đến độ bền, mòn của chi tiết, λ lớn áp suất cựcđại tăng, lực tác dụng lên các chi tiết tăng Để đảm bảo sự làm việc bình thường,vật liệu chế tạo chi tiết phải thích hợp (bền, tốt, ), công nghệ chế tạo tiên tiến mới

có thể chế tạo được những động cơ có λ lớn

Động cơ diesel có buồng cháy thống nhất: λ = 1,6

1.2 Tính toán các quá trình công tác

Nhiệt độ cuối quá trình nạp (T a)

Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a được tính theo công thức:

T a=

(T k +∆ T)+ λ t γ r T r .(Pa

P r)m−1 m

1.2.2 Quá trình nén

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới

m c v=19,806+ 0,00419

2 T c (kj/kmol° K )

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy

Khi α > 1 tính cho động cơ diesel theo công thức

Tỷ số nén đa biến trung bình (n1)

n1−1= 8,314

2 T a (ε n1 −1

+1)Trong đó:(a v ')c=19,81

12+ H4− O32)= 1

0,21.(0,870

12 + 0,1264 − 0,00432 )

M0=0,4946 (kmol kk/kgnl)

Trong đó: C, H, O là thành phần của carbon, hyđro, ôxy tính theo khối lượng

Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh (M1 )

M1=α ⋅ M0=1,8⋅ 0,495=0,891[kmol kk/kgnl]

Lượng sản vật cháy (M2 )

Với α=1,8, lượng sản vật cháy M2 được tính theo công thức :

M2= O32+ H4+α ⋅ M0= 0,00432 + 0,1264 +1,8⋅0,495

¿0,922[kmol SVC/kg nl]

Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết (β0)

x z=ξ z

ξ b= 0,750,91

Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn

Với động cơ Diesel khi α >1 thì ∆ Q H=0

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điểm Z

Nhiệt độ cuối quá trình cháy (T z)

ξ z Q H

M1(1+γ r)+((mc ' v)c +8,314 λ)⋅ T c =β z ⋅((mc v '')z +8,314)⋅T z

⇒ 0,75.42530

0,891(1+0,004)+(19,81+2,097.10 −3 936,77+8,314.1,6).936,7=1,029.(19,810+2 ,097 10−3.T z +8,314)T z

Giải phương trình bậc 2 ta tìm được : Tz = 2053,2 [0K]

Trong đó : QH là nhiệt trị thấp của diesel, QH = 42530 [kJ/kg]:

Áp suất cuối quá trình cháy (P¿¿z)¿

Tỷ số giãn nở sau (δ )

δ= ε ρ= 181,41=12,77

Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình (n2)

Giải phương trình trên ta tìm được n2 =1,25.

Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở (T¿¿b)¿

1.2.5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình.

Áp suất chỉ thị trung bình tính toán (P i ')

Đường kính của piston: B=88(mm)

Hành trình piston: S=88,3(mm)

Bảng 1.3: Số liệu tính toán nhiệt động cơ

STT Thông số Đơn vị Kết quả tính toán

Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công

 Điểm a (Va;Pa): điểm cuối hành trình hút, có áp suất P avà thể tích:+ Thể tích:V a =V h +V C= 0,555 (l)

+ Áp suất: Pa= 0,108 MPa

+ Nhiệt độ T a =321,5 ° K

 Điểm c (V c, P c): điểm cuối hành trình nén:

+ Áp suất P c = 5,664 MPa

 Điểm z (V z, P z): điểm cuối hành trình cháy:

Trong đó: P a ,V a là áp suất và thể tích khí tại điểm a

P xn ,V xn là áp suất và thể tích tại một điểm bất kì trên đường cong nén

P xn =P a .(V a

V xn)n1

Bằng cách cho các giá trị V xn đi từ V a đến V c ta lần lượt xác định được các giá trị

P xn

Dựng đường cong giãn nở

Trong quá trình giãn nở, khí cháy được giãn nở theo chỉ số đa biến n2.

P z V n z2=P xg .V xg n2=const

P xg =P z .(V z

V xg)n2

P xg ,V xg là áp suất và thể tích tại một điểm bất kì trên đường cong giãn nở

Bằng cách cho các giá trị V xg đi từ V z đến V b ta lần lượt xác định được các giá trị

P xg

Dựng và hiệu chỉnh đồ thị công

Xác định tọa độ các điểm r’ (điểm đóng muộn của supap thải), c’ (điểm phun nhiênliệu sớm), z’ (điểm có áp suất cực đại), b’ (điểm mở sớm của supap thải), c’’, z’’,b’’

Hình 2.1: Đồ thị công chỉ thị P – V

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ

CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN 2.1 Động học của piston

2.1.1 Chuyển vị của piston

Hình 2.2: Sơ đồ Động học cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

của cơ cấu giao tâm

x – chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu

L – chiều dài thanh truyền

R – bán kính quay của khuỷu trục

α – góc quay của khuỷu trục

β – góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xylanhGọi λ= R

L chính là thông số kết cấu (λ=0.25÷ 0.29)

Áp dụng công thức gần đúng đối với cơ cấu giao tâm, ta có:

Khi trục khuỷu quay một góc thì piston dịch chuyển được một khoảng S p so với vịtrí ban đầu (ĐCT)

S p =R [(1−cosα)+ λ4(1−cos2α)]

S p=0,05.[(1−cosα) + 0,25

4 (1−cos 2α)],(m)

Trong đó:

λ: thông số kết cấu của động cơ Chọn λ=0,25

L: là chiều dài thanh truyền L= R

λ= 0,0440,25 =0,176 mR: bán kính quay trục khuỷu trục R= S2= 0,0882 =0,044(m)

Dùng MATLAB ta vẽ được đồ thị chuyển vị piston như sau:

Hình 2.3: Đồ thị chuyển vị của piston

Vận tốc trung bình của piston:

V tb = Sn30= 2π R ω,(m/s): vận tốc trung bình của piston

ω= 2 π n

60 = 2.π 360060 =120 π ,(rad /s): vận tốc góc của trục khuỷu

Dùng MATLAB ta vẽ được đồ thị vận tốc piston như sau:

Hình 2.5: Đồ thị gia tốc của piston

2.2 Động lực học của cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền

p kt = p r

Các đoạn hiệu chỉnh của đồ thị lực khí thể pkt cũng tương tự như trên đồ thị côngchỉ thị P – V nhưng thay vì hiệu chỉnh theo V thì trên đồ thị lực khí thể sẽ hiệuchỉnh theo 

2.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

2.2.2.1 Khối lượng cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền

Khối lượng của nhóm piston (khối lượng của các chi tiết chuyển động tịnh tiến)Dựa vào bảng 2 – 1 giáo trình Động cơ đốt trong 2 trang 23 và đường kính xilanh

ta chọn được: mnp =18(g /cm2 ) (piston hợp kim nhôm)

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

Dựa vào bảng 2 – 1 giáo trình Động cơ đốt trong 2 trang 23 và đường kính xilanh

ta chọn được: mk =18(g/cm2 ) (trục khuỷu gang đúc)

Khối lượng nhóm thanh truyền

Dựa vào bảng 2 – 1 giáo trình Động cơ đốt trong 2 trang 23 và đường kính xilanh

ta chọn được: mtt =28(g /cm2 )

Để đơn giản cho việc tính toán và sai số của nó cũng không đáng kế nên ta chọnphương pháp dùng khối lượng thay thế Khối lượng thay thế được tính theo côngthức:

m r =m k +m B

2.2.2.2 Lực quán tính (văng thẳng) của khối lượng chuyển động tịnh tiến

p j =−m t R ω2.(cos (α)+λ.cos(2α))(MN /m2), với đi theo từng quá trình tương tự như

Dùng MATLAB ta vẽ được đồ thị các lực p kt , p j , p1 như sau:

Hình 2.6: Đồ thị các lực P kt ,P j ,P1

BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1: Trị số áp suất của MCCT của quá trình nén và giãn nở tính toán

Quá trình nén (V a −V c)

Quá trình giãn nở (V z −V b)Thể tích V xn

(lít)

Áp suất P xn

(MN/m2)

Thể tích Vxg(lít)

Áp suất Pxg(MN/m2)

Bảng 3: Bảng kết quả tính toán động học của piston

Góc quay trục

khuỷu (độ)

Chuyển vị SP(m)

Vận tốc VP(m/s)

Gia tốc JP(m/s2)

10,9899 0,001144 4,972532 10645,9221,77778 0,004429 9,574316 9736,31230,76768 0,008673 13,01556 8583,50941,55556 0,015335 16,49218 6828,00250,54545 0,021953 18,74053 5153,02461,33333 0,030826 20,58065 3024,70970,32323 0,038706 21,38105 1258,05881,11111 0,048375 21,49175 -732,92390,10101 0,056338 20,93469 -2208,7100,8889 0,065472 19,59557 -3693,97111,6768 0,073866 17,6656 -4835,25120,6667 0,080126 15,71783 -5526,72131,4545 0,086612 13,09913 -6078,68140,4444 0,091085 10,7668 -6349,72151,2323 0,095276 7,870609 -6512,92171,0101 0,099538 2,464582 -6579,07

190,0606 0,099422 -2,75809 -6578,7200,1212 0,097688 -5,51359 -6563,4210,1818 0,094801 -8,25397 -6499,12211,8586 0,094209 -8,70739 -6480,19220,2424 0,090774 -10,9483 -6334,01

230,303 0,085637 -13,5417 -6007,22240,3636 0,079446 -15,9536 -5458,83250,4242 0,072301 -18,0804 -4640,23260,4848 0,064345 -19,8022 -3523,62280,6061 0,046836 -21,5334 -429,933300,7273 0,029071 -20,3034 3434,519310,7879 0,02092 -18,4471 5409,728320,8485 0,013717 -15,7871 7247,912330,9091 0,007785 -12,4075 8822,599340,9697 0,003397 -8,44314 10020,38350,101 0,000929 -4,48724 10705,98

Bảng 4: Bảng kết quả tính toán động lực học cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền

Góc quay trục

khuỷu (độ)

Lực khí thể P-φ(MN/m2)

Lực quán tính Pj(MN/m2)

Lực tổng hợp PΣ(MN/m2)

240,3636 0,094406 1,822702 1,917108250,4242 0,119021 1,549373 1,668393260,4848 0,153564 1,176538 1,330102270,5455 0,202921 0,704305 0,907227280,6061 0,275355 0,143555 0,41891290,6667 0,385487 -0,48395 -0,09846300,7273 0,560584 -1,14679 -0,5862310,7879 0,854417 -1,80631 -0,95189320,8485 1,378429 -2,42008 -1,04165330,9091 2,365746 -2,94587 -0,58012