Nhiệt độ không khí nạp trước xupap nạp T k Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp nếu có két làm mát trung gian Tk được xác định bằng công thức: 5.. Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ∆ T Khí nạ
CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ
- Môi trường sử dụng động cơ: Bụi nhiều
- Loại động cơ xăng: Động cơ Diesel tăng áp xe SUV
- Đường kính xylanh, D (mm): 86 (mm)
- Hành trình piston, S (mm): 93 (mm)
- Công suất thiết kế, Ne (kW): 100 (kW)
- Số vòng quay thiết kế, n (v/ph): 3000 (v/ph)
- Kiểu buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp: Thống nhất và màng
- Kiểu làm mát: Làm mát bằng nước
- Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích ge (g/kWh): 250 (g/kW.h)
- Góc mở sớm, đóng muộn xupap nạp: Mở sớm 10 o & đóng muộn 29 o
- Góc mở sớm, đóng muộn xupap thải: Mở sớm 40 o & đóng muộn 32 o
- Chiều dài thanh truyền, L (mm): 205 (mm)
- Khối lượng nhóm piston, mnp: 1,15 (kg)
- Khối lượng nhóm thanh truyền, mtt: 2,262 (kg)
- Góc phun nhiên liệu sớm: 15 0
CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN NHIỆT
Áp suất khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển P 0
Áp suất không khí nạp được xác định dựa trên áp suất khí quyển P0, và giá trị này phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển Càng lên cao, P0 càng giảm do không khí càng loãng, vì vậy áp suất không khí nạp tại mỗi độ cao so với mực nước biển sẽ giảm tương ứng theo sự giảm của áp suất khí quyển.
Nhiệt độ không khí nạp mới T 0
Nhiệt độ khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường nơi xe được vận hành, vì vậy sự dao động nhiệt độ môi trường sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ khí nạp và hiệu suất động cơ Điều này gây khó khăn đặc biệt cho các xe thiết kế để hoạt động ở những vùng có biên độ biến đổi nhiệt độ trong ngày lớn, nơi nhiệt độ ngoài trời thay đổi mạnh theo ngày đêm và tác động đến lượng khí nạp, tối ưu hóa hiệu suất và tiêu hao nhiên liệu.
Miền Nam nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk) 0 C cho khu vực miền Nam, do đó:
Áp suất khí nạp trước xupap nạp P k
Động cơ bốn kỳ tăng áp Pk: là áp suất khí nạp đã được nén sơ cấp trước trong máy nén tăng áp hoặc trong bơm quét khí P k > P 0
Nhiệt độ không khí nạp trước xupap nạp T k
Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp nếu có két làm mát trung gian Tk được xác định bằng công thức:
Trong đó: m - chỉ số nén đa biến trung bình của khí nén, phụ thuộc vào loại máy nén (m = 1,5÷1,65) , chọn m=1,5
Áp suất cuối quá trình nạp P a
Đối với động cơ tăng áp: Pa = 0,9 Pk = 0,126 MPa
𝑃𝑘: áp suất của không khí sau khi nén
Áp suất khí xót P r
Là một thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh động cơ Đối với động cơ Diesel: Pr= 0,11 MPa
Nhiệt độ khí xót T r
Trong tính toán liên quan đến chu trình thải cưỡng bức, người ta thường lấy giá trị 𝑇r ở thời điểm kết thúc quá trình thải Giá trị 𝑇r phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ số nén ε, thành phần hỗn hợp α và tốc độ quay n, cùng với góc đánh lửa sớm (ở động cơ xăng) hoặc góc phun sớm nhiên liệu (ở động cơ diesel) Việc xác định 𝑇r ở cuối chu trình thải giúp mô phỏng chính xác quá trình cháy và xả, từ đó hỗ trợ tối ưu hiệu suất và kiểm soát khí thải của động cơ.
Giá trị ε càng cao thì khí cháy dãn nở nhiều hơn, làm cho 𝑇r giảm xuống Xilanh với thành phần hỗn hợp tối ưu sẽ làm quá trình cháy diễn ra nhanh hơn và giảm thiểu cháy rớt hay cháy không triệt để Do đó, tối ưu hóa ε cùng với thành phần hỗn hợp trong xilanh là yếu tố then chốt để tăng tốc độ đốt cháy, nâng cao hiệu suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu.
Nếu góc phun sớm nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm quá nhỏ thì quá trình cháy rớt tăng nên 𝑇r cao.
Giá trị của 𝑇r có thể chọn trong phạm vi sau:
Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ∆ T
Khí nạp mới di chuyển trong đường ống nạp vào xylanh của động cơ và do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một mức tăng ΔT Quá trình sấy nóng này làm tăng nhiệt độ khí nạp trước khi vào buồng đốt, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất đốt nhiên liệu và hoạt động của động cơ.
Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn cứ vào số liệu thực nghiệm. Đông cơ diesel: ΔT = 20÷ 40 độ
Hệ số nạp thêm λ 1
Hệ số nạp thêm λ1 là thước đo cho sự tăng lượng khí công tác tương đối sau khi nạp thêm, so với lượng khí công tác đã chiếm chỗ trong thể tích Va Việc xác định λ1 giúp đánh giá hiệu suất làm việc của hỗn hợp khí và phục vụ cho các phân tích thiết kế hệ thống, vì nó cho biết mức tăng của hỗn hợp khí sau quá trình nạp thêm so với chỗ chiếm trong thể tích Va.
Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn λ1 = 1,02 ÷ 1,07.
Hệ số quét buồng cháy λ 2
Đối với động cơ Diesel tăng áp:
Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt λ t
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót Tt Động cơ Diesel có α=1,5÷1,8; chọn λt=1,11
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. ξ z =0,8
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. ξ b =0,85
Hệ số dư lượng không khí α
Hệ số α ảnh hưởng rất lớn tới quá trình cháy trong động cơ đốt trong Khi tính toán nhiệt cho động cơ ở chế độ công suất cực đại, hệ số dư lượng không khí được chọn trong phạm vi quy định ở bảng tham khảo Từ bảng có thể suy ra α ≈ 1,7, cho thấy mức dư khí này đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa quá trình cháy và hiệu suất động cơ.
Hệ số điền đầy đồ thị công φd
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. φ d = 0,92
Chỉ số nén đa biến m
Tỷ số tăng áp
λ là tỷ số giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối quá trình cháy và áp suất trong quá trình nén, λ = PZ/Pc (2.8) Trị số λ thường nằm trong phạm vi từ 1,35 đến 2,40 đối với động cơ diesel.
TÍNH TOÁN NHIỆT
Quá trình nạp
800 =0,00238 c Nhiệt độ cuối quá trình nạp (T a )
Quá trình nén
a Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới: mc v =a v + b
( a v ,806 ; b 2 = 0,00419 2 ¿ b Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
Khi α > 1 tính cho động cơ diesel theo công thức sau mc v '' = ( 19,867 + 1,634 α ) + 1 2 ( 427,38+ 184,36 α ) 10 −5 T
2 = 0,00268¿ c Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén: mc v ' =mc v + γ r mc v }} over {1+ {γ} rsub {r} ¿¿ ¿ 19,806 + 0,0049
1+ 0,00238 ¿ 19,808 +0,0021 T ( a v ' ,808 ; b 2 ' =0,0021 ) d Tỷ số nén đa biến trung bình (n 1 ):
Chỉ số nén đa biến trung bình chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, nổi bật là tỷ lệ hòa khí, loại buồng cháy và các thông số kết cấu của động cơ; đồng thời, các thông số vận hành như tải trọng, vòng quay và trạng thái nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giá trị này Việc phân tích và tối ưu các yếu tố trên giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm tiêu thụ nhiên liệu và kiểm soát phát thải.
Tính gần đúng theo phương trình cân bằng nhiệt của quà trình nén với giả thiết cho vế trái của phương trình bằng 0 và thay k1=n1 n 1 −1= 8,314 a ' v + b '
→n 1 =1,366 e Áp suất quá trình nén 𝑷 C
P c = P a ε n 1 = 0,126.16 1,366 =5,562MN/m 2 f Nhiệt độ cuối quá trình nén T C
3 Tính toán quá trình cháy a Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M O
32 ) (kmolkk/kg nl) Đối với động cơ diesel ta có C=0,87; H=0,126; O=0,004
Thay vào công thức trên ta được M0 =0,4357 (kmol kk) b Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M 1 Đối với động cơ diesel:
M 1 =α M o = 1,7.0,4357=0,741 (kmolkk/kg nl) c Lượng sản vật cháy M 2
Với α > 1 M2 được tính theo công thức sau:
4 + 1,7.0,4357=0,772 (kmolkk / kgnl) d Hệ số thay đổi phân tử khí lý thuyết β O β O = M 2
0,741 =1,042 e Hệ số thay đổi phân tử khí thực tế β
Trong thực tế, khí sót còn lại trong xilanh từ chu trình trước ảnh hưởng đến hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β Vì vậy, β được xác định theo công thức β = 1 + β_O − 1, cho thấy sự đóng góp của phần khí dư vào biến đổi phân tử ở chu trình hiện tại và có thể được rút gọn thành β = β_O Việc xác định đúng β giúp mô hình hóa chính xác hơn quá trình nạp, khuếch tán và vận hành xilanh, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa hiệu suất và an toàn của hệ thống.
1+ 0,00238 =1,042 f Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z (β Z ) β Z =1+ β O −1
0,85 =1,039 (với x z = ξ z ξ b ¿ g Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn ∆ Q H
At point Z, the average isochoric molar heat capacity of the medium for a two‑component mixture is obtained by a weighted blend of the two component contributions, using the fraction x_z and its complement (1 − x_z) together with the factors γ_r and β_0 The expression combines the molar masses M2 and M1 as c_v̄ = [M2 (x_z + γ_r/β_0) c_v2 + M1 (1 − x_z) c_v1] / [M2 (x_z + γ_r/β_0) + M1 (1 − x_z)], where c_v1 and c_v2 are the base isochoric molar heat capacities Substituting the given numerical values yields a temperature‑dependent linear relation, with terms proportional to (19.808 + 0.0021 T) for the first component and (19.806 + 0.00419 T)/2 for the second, weighted and normalized by the corresponding coefficients, resulting in an overall c_v̄ that increases linearly with temperature and depends on the composition x_z The final form indicates an isochoric molar heat capacity near 19.808 at zero temperature, rising by roughly 0.0021 per unit increase in temperature, reflecting how the mixture composition and the individual component heat capacities shape the value at point Z. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
2 =0,0021 j Nhiệt độ cuối quá trình cháy 𝑻 z Đối với động cơ diesel được tính theo công thức: ξ z Q H
+ 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 k Áp suất cuối quá trình cháy P z Đối với động cơ diesel: P z =λ P c =2.5,562,124(MN/m 2 )
Tính toán quá trình giãn nở
a Tỉ số giãn nở đầu Đối với động cơ diesel: ρ= B λ Z T T Z
1018 =1,255 b Tỉ số giãn nở sau Đối với động cơ diesel: δ = ε ρ = 16
1,255 ,749 c Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình (n 2 ) n 2 −1=
Mà T b = T z δ n 2 −1 tính được n 2 =1,28 d Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T b
12,749 1,28−1 06 (K) e Áp suất cuối quá trình giãn nở P b
12,749 1,28 =0,428 (MN/m 2 ) f Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót T r
Ta có sai số khí sót:
Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình
Áp suất chỉ thị trung bình tính toán ( pi')
Áp suất chỉ thị trung bình thực tế Pi
Áp suất tổn thất cơ khí Pm
30 ( m s ) Vận tốctrung bình của pistonvà cáchằng số a,b chọn theo bảng 2.17
Áp suất trung bình có ích Pe
Hiệu suất cơ giới
Hệ số chỉ thị ηi
Hiệu suất nhiệt η_i là tỷ số giữa phần nhiệt lượng chuyển thành công làm và nhiệt lượng được sinh ra khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu dạng lỏng hoặc 1 m3 nhiên liệu ở dạng khí Công thức của η_i được viết là η_i = 8,314 · M1 · Pe · Tk, trong đó 8,314 là hằng số liên quan đến nhiệt động học và M1, Pe, Tk là các tham số liên quan đến đặc tính và điều kiện đốt cháy của nhiên liệu.
Hiệu suất có ích ηe
Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi
Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị ¿
Tính toán thông số kết cấu của động cơ
a Thể tích công tác một xylanh động cơ
Từ momen xoắn yêucầu,tatính được công suất thiết kế N e :
Trong bài viết này, các tham số của động cơ được định nghĩa như sau: τ là số chu kỳ của động cơ, i là số xilanh của động cơ, n_e là số vòng quay của động cơ ở công suất thiết kế, N_e là công suất thiết kế (kW), p_e là áp suất có ích trung bình (MN/m^2); b Thể tích buồng cháy V_c.
16−1 =0,041(dm 3 ) c Thể tích toàn bộ V a
Bảng kết quả tính toán nhiệt động cơ
STT Thông số Đơn vị Giá trị
STT Tên Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú
1 Góc phun nhiên liệu sớm θ s 15 Độ Trước ĐCT
2 Góc mở sớm xupap nạp φ 1 10 Độ Trước ĐCT
3 Góc đóng muộn xupap nạp φ 2 29 Độ Sau ĐCD
4 Góc mở sớm xupap thải φ 3 40 Độ Trước ĐCD
5 Góc đóng muộn xupap thải φ 4 32 Độ Sau ĐCT
Vẽ đồ thị
*Xác định các điểm đặc biệt đồ thị công P-V:
- Điểm a: điểm cuối hành trình hút: Áp suất P a = 0,126 (MPa)
- Điểm c: điểm cuối hành trình nén có: Áp suất Pc= 5,562 (MPa)
- Điểm z: điểm cuối quá trình cháy: Áp suất P z ,124 ( MPa)
Thể tích V z = ρ V c =1,255 0041=0,051455 (lít) Nhiệt độ T z $60 K
- Điểm b: điểm cuối hành trình dãn nở: Áp suất P b =0,428 ( MPa)
Thể tích Vb=Va= 0,615(lít)
- Điểm r: điểm cuối hành trình thải có: Áp suất Pr = 0,11 (MPa)
*Dựng các đường quá trình:
Từ điểm a lên điểm c: là quá trình nén khí trong xilanh bị nén với chỉ số đa biến n1, từ phương trình: p a V a n 1 = p xn V n xn 1=const ⟹ p xn = p a ( V V xn a ) n 1 =0,126 ( 0,656 V xn ) 1,366
Trong đó: pa, Va – áp suất và thể tích khí tại điểm a pxn,Vx – áp suất và thể tích khí tại một điểm bất kỳ trên đường cong nén
Bằng cách cho các giá trị Vx đi từ Va đến Vc ta lần lượt xác định được các giá trị pxn
Từ điểm c lên điểm z’’: xây dựng đường thẳng: có điểm đầu c (Vc; Pc) và điểm cuối z '' ( V Z '' ;P Z '' ) Đường thẳng này sẽ phải đi qua điểm c’’.
Mà điểm z’’ chính là trung điểm đoạn z’z: z ' ( V c ; p z ) =z ' (0,041 ; 11,124 ) z ( V z ; p z ) = z (0,051455 ; 11,124 )
Từ điểm z’’ xuống điểm b’: là quá trình dãn nở khí cháy trong xilanh theo chỉ số dãn nở đa biến n2, từ phương trình: p z V n z 2 = p xg V xg n 2=const
Trong đó: pxg,Vxg – áp suất và thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường cong dỡn nở
Ta cho giá trị Vxg thay đổi từ Vz tăng đến Vb= Va
Từ điểm b’ về điểm b’’: Điểm đầu là b’ và điểm cuối là b '' ( V a ; P b '' ) Điểm b’’ chính là trung điểm đoạn ab : b ( V b ; P b ) =b (0,615 ; 0,428 ) a ( V a ; P a ) =a (0,656 ; 0,126 )
Từ điểm r quay về a: đi qua điểm uốn r ' ( 0,041; 0,11 )
*Hiệu chỉnh đường cong quá trình nén và cháy trên đồ thị công:
- Điểm z” (Vz”,Pz) cz”= 1 2 cz
*Ta thu được bảng số liệu: a (độ) V (cm3) P (MN/m2)
Động học của piston
Sơ đồ Động học cơ cấu Piston – Khuỷu trục – Thanh truyền của cơ cấu giao tâm Chú thích trên hình 1.21:
X: chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu l: chiều dài của thanh truyền
R là bán kính quay của trục khuỷu, α là góc quay của trục khuỷu, β là góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xy lanh; λ = R l = 0.24 là thông số kết cấu Áp dụng công thức gần đúng đối với cơ cấu giao tâm, ta có các mối liên hệ giữa các tham số R, α, β và λ nhằm mô tả sự dịch chuyển và vị trí giao giữa thanh truyền và xy lanh trong quá trình quay, từ đó hỗ trợ thiết kế và phân tích động học của cơ cấu giao tâm.
Khi trục khuỷu quay một góc α, piston trong xilanh động cơ sẽ dịch chuyển một khoảng X so với vị trí ban đầu (ĐCT) Chuyển vị của piston được tính bằng công thức sau, dựa trên mối quan hệ hình học giữa bán kính trục khuỷu, độ dài thanh truyền và góc quay α, và cho phép xác định hành trình của piston theo từng giá trị α.
Vi phân biểu thức chuyển vị theo thời gian sẽ được phương trình tốc độ chuyển động của piston: dx dt =v P dα dt = ω v= R ω ¿ (m/s) v=0,04855.314,16 ¿(m/s) Vận tốc max của piston: v max =± R ω= ±0,04855.314,16 ,25 (m/s)
3 Gia tốc của piston o hàm bi u th c v n t c theo th i gian, ta có công th c gia t c c a piston Đạ ể ứ ậ ố ờ ứ ố ủ
J p = dv dt = dv dα dα dt = dv dα ω
Gia tốc lớnnhất của Piston :
Động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền
Để phân tích lực tác dụng lên cơ cấu, trước hết ta xét lực tác dụng lên piston Các lực này gồm có lực khí thể trong xi lanh Pkt và lực quán tính chuyển động tịnh tiến Pj Việc xác định hai thành phần này cho phép mô hình hóa tác động của khí nén lên piston và sự biến thiên vận tốc của cơ cấu theo thời gian, từ đó hỗ trợ tối ưu hóa hiệu suất và điều khiển hệ thống.
Lực khí thể: : P kt =( p kt − p 0) ⋅ F p =( p kt − p 0) ⋅ π D 4 2 p0 = 0,1013 (MPa): áp suất khí quyển pkt (MPa): áp suất trong xilanh động cơ
D: đường kính xilanh động cơ
Tuy nhiên trong quá trình tính toán thì pkt thường được tính theo đơn vị diện tích
2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động
Lực quán tính được xác định theo công thức sau:
𝑚𝑗 = 𝑚𝑝 + 𝑚𝐴 [g/cm 2 ] là khối lượng chuyển động tinh tiến bao gồm khối lượng nhóm piston và thành phần khối lượng quy về đầu nhỏ thanh truyền
J – gia tốc chuyển động của các chi tiết đó (m/s 2 )
R là bán kính quay của trục khuỷu (m) a Khối lượng của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền
Nhóm chi tiết Động cơ xăng D=
60÷100mm Động cơ Diesel D÷120mm
Giá trị lớn hơn đối với động cơ có D lớn
Thanh truyền, m tt (g/cm 2 ) 10÷20 25÷40 Giá trị nhỏ sử dụng cho động cơ có tỷ số S/D