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 chọn bằng áp suất khí quyển, với giá trị P0 phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển Khi leo lên cao hơn, P0 giảm dần do không khí trở nên loãng hơn, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều chỉnh áp suất không khí nạp phù hợp với từng mức độ cao để đảm bảo hiệu quả vận hành tối ưu.
Nhiệt độ không khí nạp mới T 0
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
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
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
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 khi chuyển động trong ống nạp vào xi-lanh của động cơ sẽ tiếp xúc với các vách nóng, khiến nhiệt độ của khí tăng lên một mức ΔT Quá trình này giúp làm nóng khí nạp, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ Sự sấy nóng khí nạp đóng vai trò quan trọng trong quá trình đốt cháy và tối ưu hóa hiệu quả nhiên liệu 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 thể hiện mối quan hệ giữa lượng khí công tác tăng thêm so với lượng khí ban đầu trong thể tích Va Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ nạp khí vào hỗn hợp khí sau quá trình nạp thêm Việc xác định chính xác hệ số λ1 giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống khí nén và đảm bảo hoạt động hiệu quả, an toàn.
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 có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy trong động cơ đốt trong Trong quá trình tính toán nhiệt cho động cơ, hệ số này thường được xác định theo chế độ công suất cực đại để đảm bảo hiệu suất tối ưu Hệ số dư lượng không khí được chọn trong phạm vi phù hợp và dựa trên bảng tham khảo, trong đó α được xác định là 1,7 Việc lựa chọn hệ số α chính xác đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả quá trình đốt cháy và giảm khí thải độc hại.
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
Tỷ số khí (λ) được định nghĩa là tỷ lệ giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối quá trình cháy và áp suất trong quá trình nén, với công thức λ = PZ / Pc Trị số λ thường nằm trong khoảng từ 1,35 đến 2,40 đối với động cơ diesel Giá trị này rất quan trọng vì ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc và khả năng đốt cháy của động cơ diesel, giúp tối ưu hóa quá trình combustión và nâng cao hiệu quả vận hành của xe.
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 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ lệ hóa khí, loại buồng cháy và các thông số kết cấu động cơ Ngoài ra, các yếu tố vận hành như phần tải, vòng quay và trạng thái nhiệt cũng ảnh hưởng đáng kể đến giá trị của chỉ số này Hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ và nâng cao độ bền của hệ thống.
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, do ảnh hưởng khí tồn lưu trong xilanh từ chu trình trước, hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β được xác định theo công thức: β = 1 + β₀ - 1.
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
The average molar specific heat capacity of the working fluid at point Z is determined by a complex formula involving the mass ratios, component proportions, and temperature-dependent coefficients The calculation incorporates the mixture’s composition, with parameters such as x_z, γ_r, β_0, and temperature T, resulting in a value approximately equal to 19.808 + 0.0021 T_z This expression highlights the relationship between mixture properties and temperature in thermodynamic processes.
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 (ηi) đo lường tỷ lệ giữa nhiệt lượng chuyển thành công mà chúng ta thu được so với nhiệt lượng nhiên liệu tỏa ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu lỏng hoặc 1m³ nhiên liệu khí Công thức tính hiệu suất nhiệt là ηi = 8,314 × M1 × Pe × Tk, trong đó 8,314 là hằng số, M1 là khối lượng mol, Pe là áp suất và Tk là nhiệt độ tuyệt đối Hiểu rõ về hiệu suất nhiệt giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu, nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm thiểu lãng phí 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 đó, τ là số chu kỳ của động cơ, i là số xilanh của động cơ, n_e là số vòng quay động cơ ở công suất thiết kế, N_e là công suất thiết kế tính bằng kW, p_e là áp suất có ích trung bình đo bằng MN/m², và V_c là thể tích buồng cháy.
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
Bán kính quay trục khuỷu (α) là một thông số quan trọng trong cấu tạo của cơ cấu Góc quay của trục khuỷu (β) xác định mức độ chuyển động của cơ cấu, trong khi góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xy lanh (λ) bằng 0,24 thể hiện độ lệch kết cấu của hệ thống Áp dụng công thức gần đúng đối với cơ cấu giao tâm, ta có thể tính toán chính xác các đặc điểm chuyển động của hệ thống giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Khi trục khuỷu quay một góc α, piston chuyển động một quãng đường X so với vị trí ban đầu (đáy của xi lanh) Chuyển vị của piston trong xilanh động cơ được tính bằng công thức chính xác, phản ánh mối quan hệ giữa góc quay của trục khuỷu và hành trình của piston Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ và đảm bảo các quá trình nén, nở diễn ra chính xác Hiểu rõ công thức chuyển vị piston là yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành các loại động cơ đốt trong hiện nay.
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
Lực khí thể (Pkt) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lực tác dụng lên cơ cấu piston trong hệ thống Để đánh giá chính xác lực này, ta cần xem xét cả lực khí thể trong xi lanh và lực quán tính của chuyển động tịnh tiến (Pj) Hiểu rõ các lực này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của cơ cấu và đảm bảo sự ổn định trong quá trình vận hành.
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