Hướng dẫn bài tập lớn nguyên lý động cơ đốt trong

Tài liệu hướng dẫn chi tiết các làm bài tập lớn hoặc đồ án về chủ đề Động cơ đốt trong. Tài liệu hướng dẫn chi tiết cách tính toán các quá trình công tác như tính toán môi chất, tính toán quá trình nén,tính toán quá trình cháy,quá trình giãn nở,....kèm theo đó là các đồ thị tính toán động lực học...

-

BÀI TẬP LỚN

NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Sinh viên thực hiện: Nhóm 2

Học phần : HPAT6046

Hà Nội – Năm 2021

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG HỢP CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

1.1: Tìm hiểu thông số kết cấu động cơ 1

1.2: Số liệu ban đầu 1

1.2.1: Số liệu ban đầu cần thiết cho quá trình tính toán nhiệt bao gồm: 1

1.2.2: Các thông số cần chọn: 2

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 5

2.1: Tính toán quá trình thay đổi môi chất : 5

2.1.1: Hệ số khí sót 𝜸𝒓 5

2.1.2: Nhiệt độ cuối quá trình nạp 𝐓𝒂 5

2.1.3: Hệ số nạp 𝛈𝐯 5

2.1.4: Lượng nạp khí mới 𝐌𝟏 5

2.1.5: Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1Kg nhiên liệu 6

2.1.6: Hệ số dư lượng không khí 𝜶 6

2.2: Tính toán đến quá trình nén 6

2.2.1: Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí 6

2.2.2: Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy 6

2.2.3: Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén m.𝒄𝒗′ tính theo công thức sau : 6

2.3: Tính toán quá trình cháy 7

2.3.1: Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết Bo 7

2.3.2: Hệ số thay đổi phân tử thực tế 𝜷 8

2.3.3: Hệ số thay đổi phân tử thực tế tai điểm z 8

2.3.4: Lượng sản vật cháy 8

2.3.5: Nhiệt độ tại điểm z : 𝐓𝒛 8

2.4: Tính quá trình giãn nở 9

2.4.1: Hệ số giãn nở sớm 𝝆 : 9

2.4.4: Áp suất của quá trình giãn nở : 10

2.5: Tính toán các thông số chu trình công tác 10

2.5.1: Áp suất chỉ thị trung bình 𝐩′𝐢 10

2.5.2: Áp suất chỉ thị trung bình thực tế 11

2.5.3: Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị 𝒈𝒊 : 11

2.5.4: Hiệu suất chỉ thị : 11

2.5.5: Áp suất tổn thất cơ giới 𝒑𝒎 : 11

2.5.6: Áp suất có ích trung bình 𝒑𝒆 : 11

2.5.7: Áp suất tiêu hao nhiện liệu 𝒈𝒆 12

2.5.8: Hiệu suất có ích 𝛈𝐞 12

2.5.9: Kiểm nghiệm đường kính xi lanh D theo công thức : 12

2.6: Vẽ và hiệu chỉnh đồ thị công 12

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC 16

3.1: Vẽ đường biểu diễn cấc quy luật động học 16

3.1.1: Đường biểu diễn hành trình pittong 𝒙 = 𝒇𝐚 16

3.1.2: Đường biểu diễn tốc độ của pittông v = f(): 17

3.1.3: Đường biểu diễn gia tốc của pittông j=f(x): 19

3.2: Tính toán động lực học 20

3.2.1: Các khối lượng chuyển động tịnh tiến m bao gồm: 20

3.2.2: Các khối lượng chuyển động quay 21

3.2.3: Lực quán tính 22

3.2.4: Vẽ đường biểu diễn lực quán tính –Pj=f(x): 23

3.2.5: Đường biểu diễn v=f(x) : 24

3.2.6: Khai triển đồ thị công P–V thành p =ƒ(α) 25

3.2.7: Khai triển đồ thị Pj = ƒ(x) thành Pj = ƒ(α) 26

3.2.8: Vẽ đồ thị 𝑃∑ = ƒ(α) 26

3.2.10: Đường biểu diễn ΣT = ƒ(α) của động cơ nhiều xy lanh 29

3.2.11: Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu 31

3.2.12: Vẽ đường biểu diễn Q = f( α) 32

3.2.13: Đồ thị mài mòn chốt khuỷu 33

KẾT LUẬN CHUNG 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

tổng hợp các kiến thức của chuyên ngành động cơ đốt trong BTL nhằm cũng cổ

và vận dụng những kiến thức của các môn học sau đây :

- Củng cố lại kiến thức về tính toán trong nhiệt kỹ thuật

- Biết vận dụng kiến thức môn nguyên lý động cơ đốt trong trong việc tính các thông số nhiệt động của chu trình công tác động cơ

- Biết cách xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ ban của động cơ

- Biết cách xây dựng đồ thị công lý thuyết của động cơ dựa trên kết quả tính toán nhiệt

- Biết cách biểu diễn động học động cơ

CHƯƠNG 1: TỔNG HỢP CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1: Tìm hiểu thông số kết cấu động cơ

 Số xilanh và kiểu bố trí xilanh :

Như đã biệt số xilanh i liên quan đến tính cân bằng của hệ trục, độ đồng đều của tốc độ góc, không gian bố trị và nền móng

Xilanh bố trí 1 hàng hay theo chữ V, đứng hay nằm đều quyết định, ảnh hưởng đến các cơ cấu và hệ thống như cơ cấu phân phối khi, hệ thống làm mát

 Tỷ số S/D

Là thông số kết cấu quan trọng ảnh hưởng đến kích thước, trọng lượng và tính năng kỹ thuật của động cơ Ngày nay, các động cơ cao tốc độ đều có xu hưởng giảm tỷ số S/D để giảm lực quán tính Động cơ hành trình ngắn (giảm S) có khá nhiều ưu điểm:

- Do S nhỏ nên có thể tăng tốc độ n mà không gây tổn thất ma sát, vẫn giữ được hiệu suất cơ giới cao

- Dễ bố trí xupáp cải thiện quá trình nạp thải ( do giảm S thì có thể tăng D)

- Giảm S/D, chiều cao của động cơ giảm theo thống kê khi S/D ≈ 1 , trọng lượng động cơ đạt giá trị nhỏ nhất mặt khác khi giảm S/D, độ cứng của trục khuỷu tăng do độ trùng điệp của chốt khuỷu và cổ trục tăng

 Thông số kết cầu 𝜆 = 𝑅

𝑙

Thông số này ảnh hưởng đến chiều cao và trọng lượng của động cơ Ngày nay do xu hướng tăng tốc độ nên người ta thường làm thanh truyền ngắn (giảm 1) nền tăng 𝜆 Tuy nhiên, khi 𝜆 tăng lại làm tăng lực quán tính và làm tăng góc lắc của thanh truyền khiến thân thanh truyền dễ va chạm vào mép dưới của lót xilanh

 Kiểu làm mát động cơ

Kiểu làm mát động cơ ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu của động cơ.Trên mặt cắt ngang và mặt cắt dọc thể hiện rõ ảnh hưởng này đối với kết cấu của thân máy, nắp xilanh và kích thước của trục khuỷu

1.2: Số liệu ban đầu

1.2.1: Số liệu ban đầu cần thiết cho quá trình tính toán nhiệt bao gồm:

1- Công suất của động cơ 𝑁𝑒 = 1103 (kW)=811,81 kW

2- Số vòng quay của trục khuỷu n = 750 (vg/ph)

3- Đườn kinh xilanh D = 260 (mm)

4- Hành trình pittông S = 360 (mm)

5- Dung tích công tác 𝑉ℎ ( lít )

6- Số xilanh i = 6

7- Tỷ số nén 𝜀 = 20

8- Thứ tự làm việc của các xilanh 1-5-3-6-2-4

9- Suất tiêu thụ nhiên liệu 𝑔𝑒 = 188 (g/Kw.h)

10- Góc mở sớm và đóng muộn của xu páp nạp 𝛼1 = 160 và 𝛼2 = 360

11- Góc mở sớm và đóng muốn của xu páp thải 𝛽1 = 400 và 𝛽2 = 120

12- Chiều dài thanh truyền 1(mm)

13 Khối lượng nhóm pit tông 𝑚𝑛𝑝 = 46 (𝑘𝑔)

14 Khối lượng nhóm thanh truyền 𝑚𝑡𝑡 = 67 (kg)

1.2.2: Các thông số cần chọn:

Các thông số cần chọn theo điều kiện môi trường, đặc điểm kết cấu của

động cơ 6N260L-V, chủng loại động cơ Diesel tăng áp bao gồm:

1) Áp suất môi trường: 𝒑𝟎

- Áp suất môi trường p0 là áp suất khí quyển trước khi nạp vào động cơ

- p0 thay đổi theo nhiệt độ ở nước ta có thể chọn p0 = 0,1(𝑀𝑝𝑎)

- Đối với động cơ Diesel tăng áp ta có thêm Pk - Áp suất trước xupap nạp,

- Pk =(1,2-1,35).Po =1,35.0,1=0,135 (Mpa)

2) Nhiệt độ mô trường : 𝐓𝟎

Lựa chọn nhiệt độ môi trường theo nhiệt độ bình quân cả năm

Ở nước ta t0 = 240C (2970𝐾)

3) Áp suất cuối quá trình nạp: Pa

Áp suất phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại động cơ, tỉnh năng tăng tốc độ n, hệ thông số trên đường nạp, tiết diện lưu thông v.v… Vì vậy cần xem xét động cơ đang thuộc tính nào để dễ lựa chọn pa Nói chung, pa biển thiên trong phạm vi sau :

- Đối với động cơ tăng áp : Pa = (1.2÷1.35) Pk

 Chọn Pa = 1,35 Pk = 1,35.0,9 = 0,1215(Mpa)

4) Áp suất khi thải: 𝐩𝐱

Áp suất này cũng phụ thuộc các thông số như pa Có thể chọn pr, nằm trong phạm vi :

Tỷ nhiệt của môi chất thay đổi rất phức tạp nên thường phải căn cứ vào hệ số

dư lượng không khí 𝛼 để hiệu định Thông thường có thể chọn 𝜆t, theo thông

số bảng sau:

Các loại động cơ diezel có 𝛼 > 1.4 có thể chọn 𝜆t = 1.10

8) Hệ số quét buồng cháy 𝝀𝟐

10) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z

Thể hiện lượng nhiệt phát ra của nhiên liệu dùng để sinh công và tăng nội năng

ở điểm z với lượng nhiệt phát khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu Do đó 𝜉𝑧, phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ

Đối với động cơ diezel : 𝜉𝑧 =0,70 ÷ 0,85

 Chọn 𝜉𝑧 = 0,85

11) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b

𝜉𝑏 bao giờ cũng lớn hơn 𝜉𝑧0, Thông thường:

Đối với động cơ diezel : 𝜉𝑏 =0,80 ÷ 0,90

 Chọn 𝜉𝑏 = 0,9

12) Hệ số hiệu đính đồ thị công: 𝝋𝒅

Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ với chu trình công tác thực tế do không xét đến pha phối khí, tổn thất lưu động của dòng khí, thời gian cháy và tốc độ tăng áp suất Sự sai lệch giữa chu trình thực

tế với chu trình tính toán của động cơ xăng ít hơn động cơ diesel vì vậy hệ số

φd của động cơ xăng thường chọn trị số lớn Nói chung có thể chọn trong phạm

vi:

φd = 0,92 ÷ 0,97

 Chọn φd = 0,92

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

2.1: Tính toán quá trình thay đổi môi chất :

1+ γr

 T𝑎 = (297+40) +1,1.0,02238.900.(

0.1215 0,15525 )

1,5−1 1,5

2.1.6: Hệ số dư lượng không khí 𝜶

Đốí với động cơ diezel : α = M1

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

Vì hệ số dư lượng không khí α ≥ 1, nên ta tính theo công thức sau :

m.𝑐𝑣′′ = (19,867 + 1,634

α ) + 1

2 ( 427,86 + 187,36

α ) 10−5 T = (19,867 + 1,10031,634 ) + 1

2 ( 427,86 + 1,1003187,36) 10−5 T = 21,361 + 2,99 10−3T

2.2.3: Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén

m.𝒄𝒗′ tính theo công thức sau :

 m.𝑐𝑣′ =

r

v r

=19,84+ 2,1097.10−3 𝑇

1) Chỉ số nén đa biến trung bình 𝒏𝟏 :

Chỉ số nén đa biển phụ thuộc vào rất nhiều thông số kết cấu và thông số vận hành như kích thước xilanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải, trạng thái nhiệt của động cơ v.v Tuy nhiên n1 tăng giảm theo quy luật sau: Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ khiến cho n1 giảm Giả thiết quá trình nén

là đoạn nhiệt ta có thể xác định n1 , bằng phương pháp sau:

2.3: Tính toán quá trình cháy

2.3.1: Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết Bo

β0 = M2

M1 = M1+ ∆M

M1 = 1 + ∆MM

1 (*)

Độ tăng mol ∆M của các loại động cơ xác định theo công thức sau :

 ∆M = 0,21 (1 − α) M0 + (H4 + O

32 − 1

𝜇𝑛𝑙 )Đối với động cơ Diezel : ∆M =(H4 + O

2.3.2: Hệ số thay đổi phân tử thực tế 𝜷

2.3.5: Nhiệt độ tại điểm z : 𝐓𝒛

Tính T𝑧 bằng cách giải phương trình cháy của động cơ

Đối với động cơ Diezel, tính T𝑧 bằng cách giải phương trình sau :

𝜉𝑧.𝑄𝐻

M1.(1+γr)+ ( m.𝑐𝑣′+8,314.𝜆) T𝑒= βz m.𝑐𝑝𝑧′′ T𝑧 (1)

Trong đó :

𝑄𝐻- Nhiệt trị của dầu diezel 𝑄𝐻 = 42,500 (KJ/Kmol)

m.𝑐𝑝𝑧′′ - Tỷ nhiệt mol đẳng áp trung bình tại điểm z của sản vật cháy m.𝑐𝑝𝑧′′ = 8,314 + m.𝑐𝑣𝑧′′ (kj/kmol.độ)

Xác định tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm z bằng công thức sau :

Đối với động cơ điezel hệ số tăng áp λ được chọn sơ bộ ở phần thông số chọn

Sau khi tính toán thì hệ số giãn nở ρ (ở quá trình giãn nở) phải đảm bảo ρ<λ,nếu không thì phải chọn lại λ, λ được chọn sơ bộ trong khoảng 1,2 ÷2,4

2.4.2: Hệ số giãn nở sau 𝛅 :

 𝛿 = 𝜀

𝜌 = 20

1,52 = 13,157

2.4.3: Chỉ số giãn nở đa biến trung bình 𝒏𝟐 :

(ξb − ξz) Q∗H

M1 (1 + γr) β (Tz− Tb)+ a′′vz +b2vz′′ (Tz+ Tb) Chọn 𝑛2 = 1,28 và thay vào hai vế ta có:

VT = 2VT

n -1 = 1,28-1= 0,28

VP =

8,314 (0,9 − 0,85)

2.5.5: Áp suất tổn thất cơ giới 𝒑𝒎 :

Áp suất này thường được biểu diễn bằng quan hệ tuyến tính đối với tốc độ trung bình của pit tông :

𝑉𝑡𝑏 = 𝑆.𝑛

30 = 360.75030.100 = 9 (m/s)

Do động cơ tính toán là động cơ diezel nên có :i=6,J=4

Buồng cháy thống nhất nên có :

2.5.7: Áp suất tiêu hao nhiện liệu 𝒈𝒆

Bảng tính quá trình nén và quá trình giãn nở

Quá trình nén Quá trình giãn nở

λ = 𝑅

𝑙𝑡𝑡 = S2.𝑙𝑡𝑡 = 360

2.750 = 0,24 (mm)

𝑔𝑡𝑏𝑑𝑅 = 𝑔𝑡𝑡𝑅

𝜇𝑠 = 180

1,626 = 110,024 (mm)

- Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp (điểm a)

- Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nén điểm ( điểm c)

- Hiệu đính điểm z của động cơ diezel

- Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình thực tế

Hình 2.6: Đồ thị công

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC

3.1: Vẽ đường biểu diễn cấc quy luật động học

3.1.1: Đường biểu diễn hành trình pittong 𝒙 = 𝒇(𝐚)

Ta chọn: 𝜇𝑠 = 0,7 (mm/độ)

𝜇𝑖 = 50 (m/𝑠2.mm)

Hình 3.1.1 : Đường biểu diễn hành trình pittong x = f(  )

3.1.2: Đường biểu diễn tốc độ của pittông v = f():

Vẽ đường biểu diễn tốc độ theo phương pháp độ thị vòng Tiến hành cụ thể sau:

1) Vẽ nửa vòng tròn tâm O bán kính R, phía dưới đồ thị x = f(), sát mép dưới của giấy vẽ

Đồ thị này biểu diễn quan hệ v = f() trên tọa độ cực

Hình 3.1.2: Đường biểu diễn tốc độ của pittông v = f(  )

3.1.3: Đường biểu diễn gia tốc của pittông j=f(x):

Vẽ đường này theo phương pháp Tôlê Chọn cùng hoành độ với trục x= f(),

vẽ theo các bước sau:

1) Chọn tỷ lệ xích j = 50 (m/s2mm) 2) Tính các giá trị:

- Vậy giá trị biểu diễn EF là:

hệ j = ƒ(x)

Hình 3.1.3: Đường biểu diễn gia tốc của pittông j=f(x)

3.2: Tính toán động lực học

3.2.1: Các khối lượng chuyển động tịnh tiến m bao gồm:

- Khối lượng nhóm pittông mnpt = 4,6

- Khối lượng nhóm thanh truyền mtt = 6,7 kg

+ ) Khối lương thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m1 có thể tra

trong các các sổ tay ,có thể cân các chi tiết của nhóm để lấy số liệu

hoặc có thể tính gần đúng theo bản vẽ

+ ) Hoặc có thể tính theo công thức kinh nghiêm sau :

Đối với động cơ điezel ta có :

3.2.2: Các khối lượng chuyển động quay

Khối lượng chuyển động quay của một trục khuỷu bao gồm :

- Khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt :

m2 = (mtt–m1) = 6,7 – 1,876 = 4,824(Kg )

- Khối lượng của chốt trục khuỷu : mch

mch = π (dch2–δch2).lch

4 ρ Trong đó ta có :

dch : Là đường kính ngoài của chốt khuỷu : (mm )

δch : Là đường kính trong của chốt khuỷu : (mm )

lch : Là chiều của chốt khuỷu : (mm )

ρ : Là khối lượng riêng của vật liệu làm chốt khuỷu

ρ : 7800 Kg/ m3 = 7,8.10-6 Kg/ mm3

Khối lượng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt : mom Khối lượng này tính gần

đúng theo phương trình quy dẫn :

mom = mm.rmk

R Trong đó : m m - khối lượng của má khuỷu

180 3.142 -0.682 -14718.2 20.47

3.2.4: Vẽ đường biểu diễn lực quán tính –Pj=f(x):

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn lực quán tính theo phương pháp Tôlê nhưng

hoành độ đặt trùng với đường 𝑝0 ở đồ thị công và vẽ đường -𝑃𝑗=ƒ(x) (tức cùng

chiều với j=f(x)) Tiến hành theo các bước sau :

1 Chọn tỉ lệ xích để của 𝑝𝑗và 𝜇𝑝(cùng tỉ lệ xích với áp suất 𝑝𝑘𝑡 (MPa/mm), tỉ lệ

xích 𝜇𝑥 cùng tỉ lệ xích với hoành độ của j = f(x)

0, 722060891

31, 6( )

0, 0228533

j j

p p

= 0,476.106 (N/m2) = 0,476 (Mpa)

Vậy ta được giá trị biểu diễn E’F’ là:

E'F' E'F'

3 Từ điểm A tương ứng điểm chết trên lấy A’C’= p jmax, từ điểm B tương ứng

điểm chết dưới lấy B’D’= p jmin ; Nối C’D’ cắt trục hoành ở E’; Lấy E’F’ về phía

B’D’ Nối C’F’ và F’D’, chia các đoạn này ra làm 4 phần nối 11’, 22’, 33’… Vẽ đương bao trong tiếp tuyến với 11’, 22’, 33’… ta được đường cong biểu diễn quan

hệ –P j = ƒ(x)

3.2.5: Đường biểu diễn v=f(x) :

1 Từ tâm các điểm đã chia độ trên cung của đồ thị Brick ta gióng các đường song song với trục tung tương ứng với các góc quay α = 10°, 20°, 30°…180°

2 Đặt các giá trị của vận tốc v này (đoạn thẳng biểu diễn giá trị của v có 1 đầu mút thuộc đồ thị v  f (),1 đầu thuộc nửa vòng tròn tâm O, bán kính R trên

đồ thị) trên các tia song song với trục tung nhưng xuất phát từ các góc tương ứng trên đồ thị Brick gióng xuống hệ trục toạ độ của đồ thị x  f()

3 Nối các điểm nằm trên đồ thị ta được đường biểu diễn quan hệ x  f()

Chú ý : Nếu vẽ đúng, điểm vmax sẽ ứng với điểm j = 0

3.2.6: Khai triển đồ thị công P–V thành p =ƒ(α)

Để thuận tiện cho việc tính toán sau này ta tiến hành khai triển đồ thị công P–V

thành đồ thị pkt =ƒ(α).Khai triển đồ thị công theo trình tự sau :

1 ) Chọn tỷ lệ xích μα = 2°/ 1mm Như vậy toàn bộ chu trình 720° sẽ ứng với 360

mm Đặt hoành độ α này cùng trên đường đậm biểu diễn Po và cách điểm chết dưới của đồ thị công khoảng 4÷5 cm

+ ) Khi khai triển cần cận thận 1 đoạn có độ dốc tăng trưởng và đột biến lớn của

p từ 330° ÷ 400° ,nên lấy thêm điểm ở đoạn này để vẽđược chính xác

4 ) Nối các điểm xác định theo 1 đường cong trơn ta thu được đồ thị biểu diễn quan hệ Pkt = ƒ(α)