Tính toán động cơ đốt trong cho xe ô tô Huynhdai Santafe 2.2L FE

quá trình và các thông số chi tiết để Tính toán động cơ đốt trong cho xe ô tô Huynhdai Santafe 2.2L FE, các đồ thị nhiệt động học và động lực học các cơ cấu trong động cơ, tính toán nhiệt ,động học và động lực học đi kèm code matlab để vẽ các đồ thị ,đánh giá và nhận xét quá trình tính toán qua đó cải thiện các thông số động cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



BÀI TẬP LỚN CUỐI KỲ Môn học: TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

ĐỘNG CƠ 2.2L TRÊN XE HYUNDAI SANTA FE 2012

TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN ĐỘNG CƠ

NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN MÔN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Họ và Tên SV: Võ Phi Âu MSSV: 19145120

Võ Bùi Tân Khoa MSSV: 18145378 Nguyễn Quốc Tuấn MSSV: 19145503

 Số liệu ban đầu

Công suất có ích, P max (kW): 145 Số vòng quay, n (vòng/phút): 3800

 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.

 Nội dung bản vẽ

3.1 Bản vẽ đồ thị công chỉ thị P – V 3.2 Bản vẽ đồ thị P – , PJ, P1 3.3 Bản vẽ đồ thị quãng đường Sp, vận tốc Vp, gia tốc Jp của piston.

Ngày giao nhiệm vụ : Tuần 1 Ngày hoàn thành : Tuần 5

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

LỚP

Thứ 2,3 tiết 7,8,9

NHÓM

7

CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG 2.2L (TĂNG ÁP)

TRÊN XE HYUNDAI SANTA FE 2012

hiệu Giá trị

Đơn

vị Ghi chú

1 Kiểu động cơ

Động cơ diesel, tăng áp

MỤC LỤC

Chương 1: TÍN TOÁN NHIỆT VÀ XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ CÔNG CHỈ THỊ 1

1.1 Các thông số cần chọn cho tính toán nhiệt 1

1.2 Tính toán nhiệt 7

1.3 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình 12

1.4 Xây dựng và hiệu chỉnh giản đồ công chỉ thị động cơ 15

Chương 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN 16 2.1 Động học của piston 16

2.2 Động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền 16

Chương 3: VẼ ĐỒ THỊ 18

3.1 Đồ thị P_V 18

3.2 Đồ thị chuyển vị X, vận tốc V, gia tốc J của piston 18

3.3 Đồ thị P kt , P J , P 1 20

3.4 Bảng giá trị theo góc α và code Matlab 20

Chương 1: TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ XÂY DỰNG

GIẢN ĐỒ CÔNG CHỈ THỊ 1.1 Các thông số cần chọn cho tính toán nhiệt

1.1.1 Áp suất không khí nạp P o

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

Po = 0,1 [MN/m2]

1.1.2 Nhiệt độ không khí nạp mới T o

- Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường, nơi

xe được sử dụng

- Vì nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình ngày có thể chọn là

tkk = 29oC, do đó:

To = (tkk + 273)oK = 302K

1.1.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp P o

Động cơ bốn kỳ tăng áp: Pk > Po nên Pk = 0,15 [MN/m2]

1.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp T k

Đối với động cơ 4 kỳ tăng áp không có làm mát trung gian Tk được xác định bằng công thức:

T k=T0(P k

P0)m−1 m

, trong đó:

m - chỉ số nén đa biến trung bình của khí nén, phụ thuộc vào loại máy nén

(m = 1,5÷1,65) , thông thường hiện nay chọn 1,4

Tk ¿ 302(0,150,1 )1,4 −11,4 = 339K

1.1.5 Áp suất cuối quá trình nạp P a

- Trong quá trình tính toán nhiệt, áp suất cuối quá trình nạp pa thông thường được xác địnhbằng công thức thực nghiệm:

- Với động cơ bốn kỳ tăng áp:

Pa = (0,88 ÷ 0,98).Pk

- Vậy áp suất cuối quá trình nạp Pa = 0,9.Pk = 0,9.0,15 = 0,135 (MN/m2)

1.1.6 Chọn áp suất khí sót p r

- Là một thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh động

cơ Tương tự như áp suất cuối quá trình nạp pa, áp suất khí sót pr được xác định bằng quan hệ sau:

- Đối với động cơ diesel: Pr = (1,106 ÷ 1,115).Po

1.1.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ΔT

- Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xilanh của động cơ do tiếp xúcvới vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔT

- Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn cứ vào số liệuthực nghiệm Đối với động cơ diesel thì ΔT = 20÷40oC

- Do đó ta chọn ΔT = 36 K

1.1.9 Chọn hệ số nạp thêm λ 1

- Hệ số nạp thêm λ1 biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công tác saukhi nạp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ ở thể tích Va Hệ số nạp thêm chọn trong giớihạn λ1 = 1,02 ÷ 1,07

- Ta chọn λ1 = 1,04

1.1.10 Chọn hệ số quét buồng cháy λ 2

Đối với những động cơ tăng áp, ta chọn λ2 = 0,2

1.1.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ 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

Tr Theo thực nghiệm thống kê đối với động cơ xăng λt được chọn:

Hệ số dư lượng không khí α 0,80 1,00 1,20 1,40

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt 1,13 1,17 1,14 1,11

- Thông thường khi tính cho động cơ diesel có α = 1,70 ÷ 2,20 thì ta chọn

λt = 1,11

1.1.12 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 của quá trìnhcháy, hay tỉ lệ lượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ξZ phụ thuộcvào chu trình công tác của động cơ

- Bảng hệ số lợi dụng nhiệt tại Z

Loại động cơ ξZ

XăngDieselGas

0,75 ÷ 0,920,65÷ 0,850,80 ÷ 0,85

- Đối với động cơ diesel ta chọn ξZ = 0,75

1.1.13 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

- Bảng hệ số lợi dụng nhiệt tại b

< 0,92

- Đối với động cơ diesel tăng áp ta chọn ξb = 0,91

1.1.14 Chọn hệ số dư lượng không khí α

- Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy:

- Đối với động cơ đốt trong, tính toán nhiệt thường phải tính ở chế độ công suất cực đại, hệ số

dư lượng không khí chọn trong pham vi cho trong bảng sau:

- Ta chọn hệ số dư lượng không khí thuộc loại động cơ diesel tăng áp có

α =1,7

1.1.15 Chọn hệ số điền đầy đủ đồ thị công φ d

- Hệ số điền đầy đủ 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

- Hệ số điền đầy đủ đồ thị φd chọn theo số liệu kinh nghiệm theo bảng sau:

- Đối với động cơ diesel buồng cháy thống nhất ta chọn φd = 0,9

- Động cơ diesel λ=1,35 ÷2,40

- Ta chọn λ= Pz

Pc=1,5

1.2 Tính toán nhiệt

1.2.1 Quá trình nạp

1.2.2.2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy

Khi α = 1,7 > 1 tính cho động cơ diesel theo công thức sau:

m c v ' ' = (19,867+1,634

α )+ 1

2.(427,38+184.36

α ) 10−5.T c(kJ/kmolK)Thay số ta được :

1.2.2 4 Chỉ số nén đa biến trung bình n 1

Chỉ số nén đa biến trung bình n1 được xác định một cách gần đúng theo phương trình cân bằng nhiệt của quá trình nén, ta có:

n1

'

1 '

8,314

2

n v

Nhiệt trịthấp, Q H

[kJ/kg]

Dầu Diesel 0,870 0,126 0,004 180-200 42530

- Thay các số liệu vào công thức ta tính đc:

- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg dầu diesel:

M o=0,4946(kmolkk )

1.2.3.2 Lượng khí nạp thực tế vào xi lanh M 1

Đối với động cơ diesel:

1.2.3.5 Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β

- Trong thực tế do ảnh hưởng của khí sót còn lại trong xi lanh từ chu trình trước nên hệ sốbiến đổi phân tử khí thực tế β được xác định theo công thức sau:

Trong đó: xz - phần nhiên liệu đã cháy tại thời điểm z, nếu giả thiết rằng số nhiên liệu đã cháy

tỷ lệ với hệ số lợi dụng nhiệt thì ta có:

x z=ξ z

ξ b=

0,75 0,91=

75 91

β z=1+1,037−1

1+0,005.

75

91=1,03

1.2.3.7 Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn

Đối với động cơ xăng diesel, khi α ≥ 1 thì ∆ Q H=0

1.2.3.8 Tỷ số mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điểm Z

91).(19,806+0,002095 T )

0,8724.(7591+

0,005 1,037)+0,841 (1−75

91)

=> m c vz ' ' = 19,81 + 0,0021.TZ

Ta có : a ' ' v=19,81 ; b ' ' v

2 =0,0021

1.2.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z

Đối với động cơ diesel:

Với T c=1039,387 K, giải phương trình bậc 2 => T z=2183,422K

1.2.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy Pz

1.2.4.2 Tỷ số dãn nở sau

Động cơ diesel: δ= ε

ρ=

16 1,442=11,09

1.2.4.3 Xác định chỉ số dãn nở đa biến trung bình

(ξ b−ξ z) Q H

M1.(1+γ r) =β mc vb ' ' T b−β z m c vz ' ' T z+ 8,314

n2−1 .¿

- Các giá trị của tỷ nhiệt m c vb ' ' và m c vz ' ' xác định theo hàm tuyến tính của nhiệt độ Tb và Tz

- Ở nhiệt độ từ 1200-2600 K, sai khác của tỷ nhiệt không lớn lắm, do đó ta có thể xem

a ' ' vb=a ' ' vz ;b ' ' b=b ' ' z ; β =β z , ta có:

n2−1= 8,314

(ξ b−ξ z).Q H

M1 (1+γ r) β ¿ ¿¿ =

8,314 (0,91−0,75).42530

1.2.4.7 Sai số khí sót

|∆ T r

T r | = |8 26,952−800800 |.100 % = 3,369% <5%,

ΔTT r là chênh lệch nhiệt độ khí sót tính toán và chọn ban đầu

1.3 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình

1.3.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán

p ' i= p c ε−1[λ ρ ( ρ−1)+ β λ ρ

1.3.6 Hiệu suất chỉ thị

η i=8,314M1 P i T k

Q H P k η v=8,314

0,841.1,19 339 42530.0,15.0,89=0,497

1.3.7 Hiệu suất có ích

η e= 8,314M1 P e .T k

Q H P k η v=8,314

0,841.0,98 339 42530.0,15 0,89=0,41

1.3.8 Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

g i= 3600

Q H η i=

3600 42530.0,497=0,1703(kg /KW h)=170,3(g/ KW h)

1.3.9 Tính suất tiêu hao nhiên liệu có ích

g e= 3600

Q H η e=

3600 43960.0,4=0,2065(kg/ KW h)=206,5(g/ KW h)

1.3.10 Tính toán các kết cấu thông số động cơ

Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công:

- Điểm a: điểm cuối của hành trình hút, có áp suất Pa và thể tích:

- Điểm z (Vz, Pz): điểm cuối hành trình cháy Trong đó: Vz = .Vc

Pa, Va là áp suất và thể tích khí tại điểm a

Pxn,Vxn là áp suất và thể tích tại một điểm bất kì trên đường cong nén

Từ đó ta tính được:

Dựng đường cong giãn nở:

Trong quá trình giãn nở, khí cháy được giãn nở theo chỉ số giãn nở đa biến n2

- Nội suy đường cong từ 180° đến 350° (góc phun dầu sớm)

- Nội suy đường cong từ 180° đến 360°, vẽ đường đẳng tích Vc với áp suất từ 4,956 MN/m2 (do điều kiện cc’’=1/3 cz’) đến 6,93 MN/m2

1.4.3 Quá trình cháy – giãn nỡ

- Nội suy đường cong từ 360° đến 370° qua điểm z’

- Nội suy đường cong từ 370° đến 380° qua điểm z’’

- Vẽ đường cong giãn nỡ từ 380° đến 490° (Xupap thải mở sớm )

- Nội suy đường cong từ 490° đến 580° qua điểm b’’ (0,282 MN/m2 ) điểm b’(0,12833 MN/m2)

- Vẽ đường đẳng áp (0,111 MN/m2 ) từ 580° đến 720°

Chương 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC – CƠ CẤU TRỤC KHUỶU –THANH TRUYỀN 2.1 Động học của piston

Vì chu kỳ của chuyển vị, vận tốc và gia tốc lặp lại nên chỉ cần xét α ∈ [0,360o]

Chọn λ=0,25

2.1.1 Chuyển vị piston

Chuyển vị của piston trong xilanh được tính theo công thức sau:

x = R [(1 – cos(α) + 4λ (1- cos(2α)], với α=[0,720o]

2.1.2 Tốc độ piston

Tốc độ piston được tính theo công thức sau:

v p= ¿ Rω¿(α)+2λ sin (2 α )], với α=[0,720o]

2.1.3 Gia tốc piston

Gia tốc piston được tính theo công thức:

J = Rω2[cos(α)+λ cos(2α)], với α=[0,720o]

2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

2.2.1 Khối lượng cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền

- Khối lượng của nhóm piston (khối lượng của các chi tiết chuyển động tịnh tiến):

Chương 3: VẼ ĐỒ THỊ 3.1 Bản vẽ đồ thị công P-V

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Goc quay truc khuyu (do)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

Goc quay truc khuyu (do)

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

3.3 Đồ thị Pkt,Pj,P1

3.4 Bảng giá trị và code Matlab

-470 0.6555 0.000436 0.0697 16.4142 4055.3238- 0.555472166 1.461944

480 0.5898 0.000475 0.0765 14.4741 4750.5696- 0.489819046 1.712580

490 0.5420 0.000509 0.0824 12.2808

5215.7427

% phis = 10; goc phun dau som

% phi1 = 26; goc mo som xupap nap

% phi2 = 52; goc dong muon xupap nap

% phi3 = 50; goc mo som xupap thai

% phi4 = 30; goc dong muon xupap thai

p6=interp1(as,ps,a6, 'pchip' );

a7=linspace(380,490,12);

X7=R*(1-cosd(a7)+lamda*(1-cosd(2.*a7))./4); V7=X7.*Sp+Vc;

p9=interp1(as,ps,a9, 'pchip' );

%Phan thai

a10=linspace(580,720,15);

X10=R*(1-cosd(a10)+lamda*(1-cosd(2.*a10))./4); V10=X10.*Sp+Vc;

title( 'DO THI P-V' );

xlabel( 'The tich V (m3)' );

ylabel( 'Ap suat P (MN/m2)' );

title( 'DO THI CHUYEN VI' );

xlabel( 'Goc quay truc khuyu (do)' );

ylabel( 'Chuyen vi x (m)' ) ;

%DO THI VAN TOC PISTON

figure(3)

Vp= R*((2*pi*n)/60).*(sind(a)+lamda*(sind(2.*a))./2);

plot(a,Vp, 'k' , 'linewidth' ,2);

grid on

title( 'DO THI VAN TOC PISTON' );

xlabel( 'Goc quay truc khuyu (do)' );

ylabel( 'Van toc v (m/s) ' );

%DO THI GIA TOC PISTON

figure(4)

J=(R*((2*pi*n)/60)^2).*(cosd(a)+lamda.*cosd(2.*a)); %m/s2

plot(a,J, 'k' , 'linewidth' ,2);

grid on

title( 'DO THI GIA TOC PISTON' );

xlabel( 'Goc quay truc khuyu (do)' );

ylabel( 'Gia toc j (m/s2) ' );

%DO THI Pkt Pj P1

figure(5)

Pj=(-mj*10^(-6)*R*((2*pi*n)/60)^2).*(cosd(a)+lamda.*cosd(2.*a)); Pkt= p - 0.1;

title( 'DO THI Pkt Pj P1' );

xlabel( 'Goc quay truc khuyu (Do)' );

ylabel( 'Pkt (MN/m2) Pj (MN/m2) P1 (MN/m2)' );

legend( 'Pkt' , 'Pj' , 'P1' );