Đồ án tính toán động cơ đốt trong Kia Sorento (D)

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN NHIỆT1.1. Chọn các thông số tính toán nhiệt 1.1.1. Áp suất không khí nạp (

Nguyễn Văn Hậu 20145498 100%

Lê Huỳnh Đức 20145485 100%

Nguyễn Bảo Sơn 20151079 Rút môn

Số liệu ban đầu

Loại động cơ: Động cơ Diesel , tăng áp

Đường kính trong xylanh : 85,4 mm

Nội dung thuyết minh

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

2.3 Tính toán đặc tính ngoài của động cơ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

THỜI GIAN THỰC HIỆN

❖ Tiến độ thực hiện

1 Tính toán nhiệt: 3 tuần

- Chọn các thông số đầu vào: 1 tuần

- Tính toán nhiệt: 1 tuần

- Vẽ đồ thị công chỉ thị: 1 tuần

2 Tính toán động học, động lực học và vẽ bản vẽ về động học và động lực học: 2 tuần

- Tính toán động học và động lực học: 1 tuần

- Vẽ bản vẽ về động học và động lực học: 1 tuần

3 Tính và vẽ đặc tính ngoài của động cơ: 1 tuần

4 Vẽ các đổ thị phụ tải và mài mòn: 2 tuần

5 Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo: 2 tuần

❖ Nội dung qui định

1 Bản vẽ đồ thị công chỉ thị, động lực học, đồ thị mài mòn

2 Thuyết minh viết trên khổ giấy A4 (in và file) Nội dung thuyết minh gồm:

- Nhiệm vụ bài tập lớn được GV hướng dẫn thông qua

- Phần số liệu tính toán nhiệt, động học và động lực học có kèm theo các đồ

thị

- Phần số liệu tính toán đặc tính ngoài động cơ và hình vẽ kèm theo

- Kết luận của bài tập lớn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN NHIỆT 1

1.1 Chọn các thông số tính toán nhiệt 1

1.2 Tính toán nhiệt 4

1.2.1 Quá trình nạp 4

1.2.2 Quá trình nén 5

1.2.3 Quá trình cháy 6

1.2.4 Quá trình giãn nở 8

1.2.5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình 9

1.2.6 Tính thông số kết cấu của động cơ 10

1.2.7 Vẽ đồ thị công chỉ thị 14

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU 21

TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN 21

2.1 Động học của pison 21

2.1.1 Chuyển vị của piston 21

2.1.2 Tốc độ piston 23

2.1.3 Gia tốc piston 25

2.2 Động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền 26

2.2.1 Lực khí thể pkt 26

2.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động 28

2.2.3 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền 30

2.2.4 Lực tiếp tuyến T

2.2.5 Lực pháp tuyến Z

2.2.6 Lực ngang N 2.2.7 Lực quán trính ly tâm Plytam của khối lượng quy về đầu to thanh truyền 2.2.11 Dựng đường đặc tính ngoài

1

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN NHIỆT

1.1 Chọn các thông số tính toán nhiệt

1.1.1 Áp suất không khí nạp (𝒑𝒐)

-Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển:

𝒑𝒐 = 𝟎, 𝟏𝟎𝟏𝟑 𝑴𝑵/𝒎𝟐

1.1.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (To)

-Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường, nơi xe được sử dụng Điều này hết sức khó khăn đối với xe thiết

kế để sử dụng ở những vùng có khoảng biến thiên nhiệt độ trong ngày lớn -Miền Nam nước ta thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là 𝑡𝑘𝑘 = 29°𝐶 cho khu vực miền Nam, do đó:

𝐓𝐨 = (𝐭𝐤𝐤 + 𝟐𝟕𝟑) = 𝟐𝟗 + 𝟐𝟕𝟑 = 𝟑𝟎𝟐 ° 𝐊

1.1.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (𝒑𝒌)

-Động cơ tăng áp và động cơ hai kỳ: pk là áp suất khí nạp đã được nén sơ cấp trước trong máy nén tăng áp hoặc trong bơm quét khí pk > po

-Động cơ Diesel bốn kỳ tăng áp: chọn 𝐩𝐤 = 𝟎, 𝟐𝟐 𝑴𝑵/𝒎𝟐

1.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xuppap nạp (𝑻𝒌)

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

T k = T o(𝑷𝒌

𝑷𝟎)

𝒎−𝟏 𝒎

- ∆𝑻𝒎 = 302.( 𝟎,𝟐𝟐

𝟎,𝟏𝟎𝟏𝟑)

𝒎−𝟏 𝒎

− 𝟐𝟓 = 366,0912 [K]

Trong đó:

1.1.5 Áp suất cuối quá trình nạp (𝒑𝒂)

-Áp suất cuối quá trình nạp (Pa) thường được xác định bằng công thức thực nghiệm.Đối với động cơ Diesel 4 kỳ tăng áp :

ta chọn: T r =700[ o K]

1.1.9 Hệ số nạp thêm (𝝀𝟏)

Hệ số nạp thêm biểu thị sự tương quan năng lượng tăng đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nộp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ ở thể tích Va

Hệ số nạp thêm trong giới hạn λ1 = 1,02 ÷ 1,07 => Chọn 𝝀𝟏 = 1.02

1.1.10 Hệ số quét buồng cháy (𝝀𝟐)

Đối với động cơ tăng áp chọn 𝛌𝟐 = 𝟎,3

1.1.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (𝝃𝒛)

-Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ( z ) phụ thuộc vào chu trình công tác của động

cơ, thể hiện lượng nhiệt phát ra đã cháy ở điểm z so với lượng nhiệt phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Với động cơ Diesel ta thường chọn z =0,65÷0,85, chọn z =0,8

1.1.13 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

-Với động cơ Diesel ta thường chọn  b = 0,85÷0,95

Chọn b =0,9

1.1.14 Hệ số dư lượng không khí (𝜶)

Hệ số 𝛼 phụ thuộc vào lượng không khí thực tế nạp vào xi lanh và lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu Hệ số 𝛼 càng lớn thì hỗn hợp càng nhạt, nhiên liệu cháy sạch, hiệu suất hao nhiên liệu giảm, tính tiết kiệm nhiên liệu tăng:

Đối với động cơ Diesel có buồng đốt thống nhất : α = 1,45 ÷ 1,75

=> 𝐓𝐚 𝐜𝐡ọ𝐧: 𝛂 = 1,75

4

1.1.15 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

Với động cơ Diesel, chọn 𝝋𝒅 = 𝟎, 𝟗

1 + γr

= (366,0912+25)+1,11.0,005573.700.(

0,198 0,106 )

0,5 1,5

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

-Khi ∝ > 1 𝑡í𝑛ℎ 𝑐ℎ𝑜 độ𝑛𝑔 𝑐ơ 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 𝑡ℎ𝑒𝑜 𝑐ô𝑛𝑔 𝑡ℎứ𝑐 𝑠𝑎𝑢:

1,634 1,75 ) +1

2 0,005573.(427,38+184,36

1,75 ).10−5.𝑇𝑐1,005573

+ Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết β 0 :

7

𝛽0 = 𝑀2

𝑀1 =

0,79410,7624= 1,0415 (𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑉𝐶/𝑘𝑔, 𝑛𝑙)

+ Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β:

𝑥𝑧 = 𝜉𝑧

𝜉𝑏 =

0,80,9

+ Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn (∆𝑸𝑯):

Đối với động cơ Diesel vì 𝛼 >1 :

= 19,8109+0,5.4,1956.10-3.Tz

+ Nhiệt độ cuối quá trình cháy (𝐓𝐳):

𝜉𝑍 ∗ 𝑄𝐻

𝑀1(1 + 𝛾𝑟)+ (𝑚𝑐̅̅̅̅̅̅̅ + 8,314𝜆)𝑇𝑐 = 𝛽𝑣𝑐′ 𝑧∗ (𝑚𝑐̅̅̅̅̅̅̅ + 8,314) ∗ 𝑇𝑣𝑧" 𝑍

+ Tỷ số giãn nở sau: δ = ε

ρ = 161,3372 = 11,9653

+ Xác định tỷ số giãn nở đa biến trung bình n 2

= 1283,5878 (0,106

0,6683)

1,5−1 1,5

+ Áp suất chỉ thị trung bình tính toán (𝐩𝐢′):

1.2.6 Tính thông số kết cấu của động cơ

- Tính toán các thông số dựa theo các thông số tính toán nhiệt ở trên:

+ Thể tích công tác của 1 xylanh Vh

Vh= 30𝜏𝑁𝑒

𝑝𝑒𝑛𝑒𝑖 = 30.4.146,9

1,5538.3800.4 ≈ 746,3875 [cm3]

Va= Vh+Vc = 746,3875 + 49,7592 = 796,1404 [cm3]+Đường kính piston D

Pkt = f(Vx)

-Đồ thị công cho thấy một cách trực quan nhất diện tích thể hiện công chỉ thị của chu trình (Li) và áp suấ chỉ thị trung bình pi = Li/ Vh Đó là các thông số đánh giá hiệu quả của động cơ Triển khai đồ thị công chỉ thị nói trên thành đồ thị lực khí thể Pkt tác dụng lên đỉnh piston theo góc quay trục khuỷu trên tọa

độ vuông góc (trục tung là lực khí thể, trục hoành là góc quay trục khuỷu từ 00

~ 7200 ) Cách xây dựng đồ thị công chỉ thị của động cơ tính toán tiến hành theo các bước dưới đây:

Bước 1: Chọn tọa độ tuông góc : biểu diễn áp suất khí thể ( pkt ) trên trục tung

và thể tích khí (Vxl) trên trục hoành

Bước 2: Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công

Điểm a: điểm cuối hành trình nạp có :

Bước 3 : Dựng đường cong nén

-Trong hành trình nén khí trong xilanh bị nén với chỉ số đa biến trung bình n1

từ phương trình:

pa.Van1= pxn.Vxnn1 = const

Bước 4: Dựng đường cong giãn nở

Trong quá trình giãn nở khí cháy được giãn nở theo chỉ số đa biến n2 từ phương trình:

Ta cho giá trị Vxg thay đổi từ Vz tăng đến Vb, ta lần lượt xác định được các giá trị pxg

-Tại các quá trình nén và giãn nở, Vx được tính theo α bằng cách:

-Chuyển vị của piston tại α tương ứng:

Thể tích [dm3] Điểm cuối quá trình nạp a 0,198 0,5867

hiểu chỉnh

z’ 15,1676 0,0367

Điểm áp suất cực đại của đường cong hiệu chỉnh z” 15,1676 0,0367Điểm lấy trên đoạn cz’ với cc”=cz’/3 c” 10,834 0,0367 Trung điểm của đoạn ab b” 0,43315 0,5867

18

583.6275 0.2038 412.5669 0.32 583.2686 0.204 400.2377 0.3335 582.8891 0.2041 387.6259 0.3483 582.4892 0.2041 374.7573 0.3647 582.0687 0.2042 361.6595 0.3829 581.6278 0.2043 348.3617 0.4029 581.1663 0.2043 334.8948 0.4252 580.6844 0.2044 321.2912 0.4499 580.1819 0.2044 307.5849 0.4774 579.6589 0.2045 293.8111 0.5082 579.1155 0.2045 280.0065 0.5427 578.5515 0.2046 266.2089 0.5814 577.9671 0.2047 252.457 0.6249 577.3622 0.2047 238.7905 0.6742 576.7368 0.2048 225.2497 0.73 576.0909 0.2048 211.8757 0.7935 575.4245 0.2049 198.7097 0.8661 574.7377 0.2049 185.7931 0.9491 574.0304 0.205 173.1675 1.0447 573.3026 0.2054 160.8739 1.155 572.5544 0.2057 148.9533 1.2828 571.7857 0.2061 137.4457 1.4313 570.9966 0.2064 126.3906 1.6046 570.1871 0.2068 115.8261 1.8074 569.3571 0.2071 105.7894 2.045 568.5067 0.2075 96.316 2.324 567.6359 0.2078 87.4397 2.6514 566.7447 0.2082 79.1928 3.0346 565.8331 0.2085 71.6053 3.4812 564.9012 0.2089 64.7051 3.9968 563.9488 0.2093 58.5177 4.5836 562.9762 0.2096 53.0661 5.2371 561.9831 0.21 48.3708 5.942

19

Giãn nở

36.7 10.834 57.3016 12.4571 523.2457 0.7712 36.7087 11.145 62.3172 11.2093 525.786 0.7643 36.7349 11.4444 67.8413 10.0734 528.2762 0.7574 36.7785 11.7322 73.8596 9.052 530.7159 0.7505 36.8395 12.0085 80.3564 8.1412 533.1051 0.7436 36.918 12.2732 87.3147 7.3337 535.4434 0.7367 37.0139 12.5262 94.7169 6.6201 537.7308 0.7298 37.1272 12.7678 102.544 5.9909 539.9671 0.7229 37.2579 12.9977 110.7762 5.4363 542.1521 0.716 37.406 13.2161 119.3928 4.9475 544.2856 0.7091 37.5715 13.4229 128.3725 4.5161 546.3675 0.7022 37.7543 13.6181 137.693 4.135 548.3978 0.6953 37.9546 13.8017 147.3318 3.7976 550.3762 0.6884 38.1721 13.9738 157.2655 3.4984 552.3026 0.6815 38.407 14.1342 167.4705 3.2324 554.177 0.6746 38.6592 14.2831 177.9228 2.9954 555.9992 0.6677 38.9286 14.4205 188.5982 2.7837 557.7692 0.6608 39.2153 14.5462 199.4721 2.5941 559.4869 0.6539 39.5193 14.6604 210.5201 2.4241 561.1522 0.647 39.8405 14.763 221.7176 2.2711 562.7651 0.6401 40.1788 14.854 233.0402 2.1332 564.3254 0.6332 40.5344 14.9334 244.4636 2.0085 565.8331 0.6263 40.907 15.0013 255.9637 1.8957 567.2882 0.6194 41.2968 15.0575 267.5168 1.7933 568.6906 0.6125 41.7036 15.1022 279.0995 1.7002 570.0404 0.6056 42.1274 15.1354 290.6888 1.6154 571.3373 0.5987 42.5683 15.1569 302.2623 1.5379 572.5815 0.5918 43.0261 15.1669 313.7982 1.4672 573.7728 0.5849 43.5008 15.1653 325.2752 1.4023 574.9113 0.578 43.9925 15.1521 336.6727 1.3429 575.9969 0.5712 44.501 15.1273 347.9708 1.2883 577.0297 0.5643 45.0263 15.091 359.1503 1.238 578.0095 0.5574 45.5684 15.0431 370.1929 1.1918 578.9365 0.5505 46.1271 14.9836 381.0811 1.1491 579.8104 0.5436 46.7026 14.9125 391.7981 1.1097 580.6315 0.5367 47.2947 14.8299 402.328 1.0733 581.3996 0.5298 47.9034 14.7356 412.6558 1.0396 582.1148 0.5229 48.5286 14.6298 422.7673 1.0084 582.7769 0.516 49.1703 14.5124 432.6494 0.9795 583.3862 0.5091 49.8285 14.3835 442.2895 0.9528 583.9424 0.5022 50.503 14.2429 451.6761 0.9279 584.4457 0.4953 51.1939 14.0908 460.7985 0.9049 584.896 0.4884 51.901 13.9271 469.6468 0.8835 585.2933 0.4815

21

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU

TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN

2.1 Động học của pison

Sơ đồ động học cơ cấu Piston-Trục khuỷu-Thanh truyền của cơ cấu giao tâm

Chú thích:

x-Chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu

L- Chiều dài thanh truyền

R- Bán kính quay trục khuỷu

α − Góc quay trục khuỷu

β – Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xylanh

2.1.1 Chuyển vị của piston

Khi trục khuỷu quay một góc thì piston dịch chuyển được một khoảng

Sp so với vị trí ban đầu (ĐCT) Chuyển vị của piston trong xilanh động cơ được tính theo công thức sau:

 = R

L ( là thông số kết cấu) chọn  = 0,25

L = 0.25 (thông số kết cấu động cơ)

L – chiều dài thanh truyền

Đồ thị được vẽ qua MATLAB như sau:

Hình 2 Đồ thị chuyển vị của piston

24

Đồ thị được vẽ qua MATLAB như sau:

Hình 3 Đồ thị vận tốc của piston

Đồ thị được vẽ qua MATLAB như sau:

Hình 4 Đồ thị gia tốc của piston

p0=0,1013 [MN/m2] : áp suất khí quyển

Pkt: áp suất trong xy lanh động cơ [MN/m2]

Fp: diện tich tiết diện của piston [dm3]

D: Đường kính xylanh động cơ [dm]

-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 Ta có thể xác định pkt bằng phương pháp giải tích kết hợp với phương pháp đồ thị brich Các giá trị của pkt tại các quá trình nạp – nén – giãn nở - thải được xác định bằng các quan hệ sau (theo góc quay α với các bước tăng đều 50 )

28

-Các đoạn hiệu chỉnh của đồ thị lực khí thể pkt cũng tương tự như trên đồ thị công chỉ thị P - V nhưng thay vì hiệu chỉnh theo V thì trên đồ thị lực khí thể sẽ hiệu chỉnh theo α

2.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

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 D =85,4 mm ta chọn được: 𝑚𝑛𝑝 = 20 (g/cm2 ) (piston hợp kim nhôm)

- Khối lượng của khuỷu trục (khối lượng của các chi tiết chuyển động quay) Dựa vào bảng 2-1 giáo trình Động cơ đốt trong 2 trang 23 và tỉ lệ

S

D > 1 ta chọn được : 𝑚𝑘 = 40 (g/cm2 ) (trục khuỷu gang đúc)

- Khối lượng nhóm thanh truyền: 𝑚𝑡𝑡 = 40 (g/cm2 )

Khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến của động cơ

-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 (mA) Theo

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

và đầu nhỏ thanh truyền m j = m np + m A = 20 + 12 = 32 (g/cm 2 )

Với:

+mnp: khối lượng của piston trên một đơn vị diện tích (g/cm2 )

+mtt: khối lượng của thanh truyền trên một đơn vị diện tích (g/cm2 )

Khối lượng các chi tiết chuyển động quay của động cơ:

-Trong quá trình chuyển động quay lực quán tính, khối lượng các chi tiết chuyển động của thanh truyền được quy về đầu to thanh truyền (mB) Theo công thực thực nghiệm, khối lượng quy về đầu to thanh truyền được xác định theo công thức sau:

mB = (0,650 ÷ 0,725).mtt

Ta chọn: mB = 0,7.mtt = 0,7.40 = 28 (g/cm2 )

Khối lượng các chi tiết chuyển động quay: bao gồm khối lượng của trục khuỷu

và đầu to thanh truyền: m r = m k + m B = 40 + 28 = 68 (g/cm 2 )

Với:

+mk : khối lượng của trục khuỷu trên một đơn vị diện tích (g/cm2 )

+mtt : khối lượng của thanh truyền trên một đơn vị diện tích (g/cm2 )

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

30

Pj = −mj j = −mj R ω2 (cosα + λcos2α) (MN/m2),

Trong đó :

mj = mnp+mA – là tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến [g/cm2]

với 𝛼 đi theo từng quá trình tương tự như đối với lực khí thể pkt

Lực quán tính (lực ly tâm) của khối lượng chuyển động quay 𝒑𝒌:

Pk = −mr R ω2(MN/m2), lực này tác dụng lên đường tâm của má khuỷu, chiều ly tâm và có giá trị không đổi khi vận tốc góc là hằng số

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

Lực tổng cộng p 1 : là lực tổng hợp của lực khí thể và lực quán tính được tính

theo công thức:

𝑝1 = 𝑝𝑘𝑡 + 𝑝𝑗 (𝑀𝑁/𝑚2)

Đồ thị các lực 𝑝𝑘𝑡, 𝑝𝑗, 𝑝1 được biểu diễn qua MATLAB như sau: