TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ VẼ ĐỒ THỊ CÔNG CHỈ THỊ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG I GIỚI THIỆU Tính toán nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thị công chỉ thị của một động cơ cần thiết k[.]
Trang 1TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ VẼ ĐỒ THỊ CÔNG CHỈ THỊ
CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
I GIỚI THIỆU:
- Tính toán nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thị công chỉ thị của một động cơ cần thiết kế thông qua việc tính toán các thông số nhiệt động lực học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quá trình:
+ Quá trình nạp + Quá trình nén + Quá trình cháy + Quá trình giãn nở
- Mỗi quá trình trên được đặc trưng bởi các thông số trạng thái là nhiệt độ, áp suất, thể tích của môi chất công tác (MCCT) ở đầu và cuối của quá trình Trên cơ sở lý thuyết của nhiệt động lực học kỹ thuật, nhiệt động hóa học, lý thuyết động cơ đốt trong xác định giá trị của các thông số nêu trên
- Tiếp theo ta tính các thông số đánh giá tính năng của chu trình gồm các thông số chỉ thị và các thông số có ích của chu trình công tác như: áp suất chỉ thị trung bình pi, áp suất có ích trung bình pe, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne, hiệu suất e và suất tiêu hao nhiên liệu ge của động cơ, …
- Cuối cùng, bằng kết quả các quá trình tính toán nói trên ta xây dựng giản đồ công chỉ thị của động cơ và đây là các số liệu cơ bản cho các bước tính toán động lực học và thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ
- Trong tính toán kiểm nghiệm động cơ cho trước, việc tính toán nhiệt có thể được thay thế bằng cách đo đồ thị công thực tế trên động cơ đang hoạt động nhờ các phương tiện, các dụng cụ đo ghi kỹ thuật hiện đại Tuy nhiên với phương pháp tính toán dựa trên
cơ sở lý thuyết nhiệt động hóa học trong động cơ đốt trong, người ta cũng có thể tiến hành khảo sát những chỉ tiêu động lực và chỉ tiêu kinh tế của các động cơ đã có sẵn này với kết quả đáng tin cậy
II CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ:
- Nhãn hiệu xe:Huydai
- Kiểu động cơ: Diesel 4 kỳ
- Động cơ : H800 CA-A1
Trang 2+ Đường kính/ hành trình:
+ Công suất cực đại: 188 HP tại số vòng quay 2200 vòng/phút + Momen xoắn cực đại: 52,5 Nm tại 1400 vòng/phút
+ Tiêu hao nhiên liệu: 180 l/100 km + Hệ thống nhiên liệu: Phun trực tiếp
+ Hệ số dư lượng không khí: = 1,72
III CHỌN CÁC THÔNG SỐ CHO TÍNH TOÁN NHIỆT:
1 Áp suất không khí nạp (p o ):
- Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển: p o = 0,1013 [MN/m 2 ]
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 mà xe đang sử dụng Miền nam nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk = 29oC
- Do đó: T o = (t kk + 273) o K = 29 + 273 = 302 [ o K]
3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (p k )
- Động cơ bốn kỳ không tăng áp: p k = p o = 0,1013 [MN/m 2 ]
4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k )
- Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp:T k = T o = 302 [ o K]
5 Áp suất cuối quá trình nạp (p a )
- Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xy lanh thường nhỏ hơn áp suất khí quyển do có tổn thất trên ống nạp và tại bầu lọc gây nên
- Động cơ 4 kỳ không tăng áp: p a = 0,9.p o = 0,9.0,1013 = 0,09117 [MN/m 2 ]
6 Chọn áp suất khí sót (p r )
- Là thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm khí cháy ra khỏi xy lanh động cơ
- Giá trị áp suất khí sót pr phụ thuộc vào các yếu tố:
+ Diện tích thông qua của các xupap xả
+ Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả
+ Động cơ có lắp tăng áp bằng khí xả hay không
Trang 3+ Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả…
- Đối với động cơ diesel chọn p r = 0,115 [MN/m 2 ]
7 Nhiệt độ khí sót (T r )
- Phụ thuộc thành phần hỗn hợp khí, mức độ giãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nở và thải
- Đối với động cơ diesel chọnT r = 850[ o K]
8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (T)
- Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xy lanh động cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là T
- Đối với động cơ diesel chọn T = 10[ o C]
9 Chọn hệ số nạp thêm 1
- Hệ số nạp thêm 1 biểu thị sự tương quan lượng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ ở thể tích Va Động cơ thiết kế
có tốc độ cao, cơ cấu phân phối khí hiện đại, có đường ống nạp dài tạo quán tính lớn cho dòng khí nạp có thể chọn 1 ở giới hạn cao
- Đối với động cơ diesel chọn 1 = 1,06
10 Chọn hệ số quét buồng cháy 2
- Đối với động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn 2 = 1
11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t
- Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp và nhiệt độ khí sót Tr
- Đối với động cơ Diesel = 1,72 ta chọn t =1,11
12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( Z )
- Là thông số số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệ lượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z
- Chọn Z = 0,7
13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ( b )
- Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (b) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động
cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến bnhỏ Chọn b = 0,9
14 Chọn hệ số dư lượng không khí
Trang 4- Khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu cần Mo(kmol) không khí Tuy nhiên, lượng không khí đi vào xy lanh M1có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo Điều này được đánh giá bằng hệ số dư lượng không khí = M1
M0
- M1: lượng không khí thực tế nạp vào xylanh (kmol)
- Mo: lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu
- Theo đề bài = 1,72
15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công ( d )
- Hệ số điền đầy đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực
tế so với đồ thị công tính toán
- Chọn d = 0,9
16 Chọn tỷ số tăng áp
- Là tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí trong xylanh ở cuối quá trình cháy và quá trình
- Trong đó: pz - áp suất cuối quá trình cháy
pc - áp suất cuối quá trình nén
- Đối với động cơ Diesel chọn p = 2,2
IV TÍNH TOÁN NHIỆT:
- Tính toán nhiệt nhằm xác định các thông số của chu trình lý thuyết và các chỉ tiêu
kinh tế, kỹ thuật của động cơ Đồ thị công chỉ thị của động cơ được xây dựng trên cơ sở các kết quả tính toán nhiệt và là các số liệu cơ bản cho các bước tính toán động lực học
và tính toán thiết kế động cơ tiếp theo
TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN NHIỆT
1 Quá trình nạp :
a.Hệ số nạp (v ) :
η v= 1ε−1 ∙ T k
T k +∆ T ∙
P a
P k ∙[ε ∙ λ1−λ t ∙ λ2∙(P r
P a)1
m]
η v= 116−1∙ 302302+10∙ 0,091170,1013 ∙[16∙1,06−1,11∙1∙( 0,115
0,09117)1
1,5]
= 0,9097
- Trong đó m là chỉ số đa biến trung bình của không khí, chọn m = 1,5
Trang 5b Hệ số khí sót (r ) :
r =
❑ 2.(T k +T )
T r ∙
P r
ε ❑1− ❑t ∙❑2∙( P r
P a)
1
m
=
1.(302+10)
850 ∙ 0,1150,09117∙ 16.1,06−1,11∙1∙( 0,1151
0,09117)
1 1,5 = 0,0296
c Nhiệt độ cuối quá trình nạp ( T a ) :
Ta= T k +T +❑t .❑r .T r .( P P a
r)
m−1 m
1,5−1 1,5
2 Quá trình nén:
a Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:
[ kJ/kmol K]
b Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
- khi α ≥ 1, tính cho động cơ diesel theo công thức sau:
[kJ/kmol K]
c Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén:
mc ' v=mc v +γ 1+γ r .mc'' v
d Xác định chỉ số nén đa biến trung bình n 1 :
n1−1=8,314
a v ' + b2⋅T a(ε n1 −1
+1)
- Bằng cách thay dần các giá trị n1 vào hai vế của phương trình đến khi cân bằng
ta nhận được giá trị: n1 = 1,37
Trang 6e Áp suất quá trình nén p c :
[MN/m2]
f Nhiệt độ cuối quá trình nén T c :
[oK]
3 Quá trình cháy:
a Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu M o :
[kmol kk/kg nl]
b Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M 1 :
[kmol kk/kg nl]
c Lượng sản vật cháy M 2 : ( α ≥ 1¿
[kmol kk/kg nl]
d Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết 0 :
e Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế :
f Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm z :
- Với xz là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm z:
xz=❑z
❑b =0,70,9
g Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn Q H :
- Đối với động cơ diesel và = 1,72
Trang 7QH= 0
h Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điểm z:
mc ' ' vz =
.(x z+γ r
β0).mc' v +M1.(1−x z).mc v .(x z+γ β r
0)+ M1.(1−x z)
=
1,0364 (0,7
0,9+ 0,02961,0364).20,52+0,851 (1−0,7
0,9).20,49
1,0364 (0,7
0,9+ 0,02961,0364)+0,851 (1−0,70,9)
= 20,51 [kJ/kmol K]
i Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z : (QH = 42530 kJ/kg)
j Áp suất cuối quá trình cháy p z :
[MN/m2]
4 Quá trình giãn nở:
a Tỷ số giản nở đầu:
b Tỷ số giản nở sau:
= /ρ = 16/1,21 = 13,22
c Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung binh n 2 :
Tra đồ thị Hình 6.24 trang 176 sách lý thuyết động cơ đốt trong với các thông số đã có
ta được :
n2 = 1,261
d Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T b :
Trang 8[oK ]
e Áp suất cuối quá trình giãn nở P b :
[ MN/m2]
f Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót T r :
Từ kết quả trên cho thấy nhiệt độ khí sót chọn lúc ban đầu là chấp nhận được
5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình :
a Áp suất chỉ thị trung bình tính toán p’ i :
p’i = p c
ε−1 ∙[❑p ∙(ρ−1)+ ρ β n
2−1 ∙(1− 1
δ n2 −1)− 1n
1−1 ∙(1− ε n11 −1 ) ¿
¿4,069
16−1.[2,2.(1,21−1)+ 2,2.1,21.1,0354
13,22 1,261−1)− 1
16 1,37−1) ]
= 1,059
[ MN/m2]
b Áp suất chỉ thị trung bình thực tế p i :
[ MN/m2]
c Áp suất tổn thất cơ giới p m :
- Chọn hiệu suất tổn thất cơ giớim = 0,8
= 0,197 [ MN/m2]
d Áp suất có ích trung bình p e :
[ MN/m2]
e Hiệu suất chỉ thị i :
Trang 9- Là tỷ số giữa phần nhiệt lượng chuyển thành công mà ta thu được và nhiệt lượng
mà nhiên liệu tỏa ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu dạng lỏng hay 1m3 nhiên liệu dạng khí
f Hiệu suất có ích e :
g Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i :
[g/kW.h]
h Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e :
[g/kW.h]
6 Tính thông số kết cấu của động cơ :
a Tính thể tích công tác V h :
- Thể tích công tác Vh của 1 xylanh động cơ:
[dm3] = 2430 [cm3]
- Trong đó: + = 4: số chu kỳ của động cơ
+i = 4: số xylanh của động cơ
+ne = 1800[vòng/phút]: số vòng quay của động cơ +Ne = 188 [HP] (140,2 [kW]): công suất động cơ +pe = 0,788 [MN/m2]: áp suất có ích trung bình
b Đường kính piston:
[dm]
c Hành trình piston:
Trang 10S = (S
D)∙D= (110
125)∙1,52= 1,34 [mm ]
BẢNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ