bài tập lớn tính toán động cơ đốt trong tính toán chu trình nhiệt của động cơ

Nhiệm vụ đồ án: TÍNH TỐN CHU TRÌNH NHIỆT CỦA ĐỘNG CƠ2.. Nội dung thuyết minh:1/ Các thông số ban đầu2/ Tính toán chu trình nhiệt3/ Các thống số cơ bản4/ Xây dựng đồ thị công4.. Thể tích

GV hướng dẫn: Huỳnh Hải Đăng

SV thực hiện: Lê Văn Sơn MSSV: 0302191194 Lớp: CĐ ÔTÔ 19B

Tp Hồ Chí Minh, tháng….năm 2021

BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1 Nhiệm vụ đồ án: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT CỦA ĐỘNG CƠ

2 Số liệu ban đầu:

19 4 4 5600 87,5 94 133hp 12,3 258 16 26 42 xăng 2261

3 Nội dung thuyết minh:

1/ Các thông số ban đầu

2/ Tính toán chu trình nhiệt

3/ Các thống số cơ bản

4/ Xây dựng đồ thị công

4 Nội dung bản vẽ: Một bản vẽ đồ thị p – V và đồ thị p – φ

Ngày giao nhiệm vụ:

Ngày hoàng thành:

Nội dung và yêu cầu BTL đã

được thông qua bộ môn.

Ngày……tháng… năm 2021

Bộ môn Ô tô

Ngày….tháng….năm 2021 Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

1 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 1

1.1 Tốc độ trung bình của pít tông 1

1.2 Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới 1

1.3 Áp suất và nhiệt độ môi chất mới 1

1.4 Áp suất khí sót 1

1.5 Nhiệt độ khí sót 1

1.6 Áp suất cuối quá trình nạp 1

2 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT 1

2.1 Quá trình nạp 1

2.1.1 Hệ số khí sót γr 1

2.1.2 Nhiệt độ cuối quá trình nạp 2

2.1.3 Hệ số nạp 2

2.1.4 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kgnl 2

2.1.5 Lượng nhiên liệu nạp vào trong 1 chu trình 2

2.1.6 Lượng môi chất mới 2

2.1.7 Lượng khí sót 3

2.1.8 Hệ số dư lượng không khí 3

2.1.9 Lượng sản vật cháy 3

2.1.10 Lượng thay đổi thể tích khí cháy 3

2.1.11 Hệ thống thay đổi phân tử lý thuyết 3

2.2 Quá trình nén 3

2.2.1 Chỉ nén đa biến trung bình 3

2.2.2 Nhiệt cuối quá trình nén 4

2.2.3 Áp suất cuối quá trình nén 4

2.3 Quá trình cháy 4

2.3.1 Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại z 4

2.3.2 Nhiệt độ cuối quá trình cháy 5

2.3.3 Áp suất và thể tích cuối quá trình cháy 5

2.4 Quá trình giãn nở 5

2.4.1 Chỉ số giản nở đa biến trung bình 5

2.4.2 Áp suất cuối quá trình giãn nở 7

2.4.3 Nhiệt độ cuối quá trình giản nở 7

3 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 7

3.1 Các thông số chỉ thị 7

3.1.1 Áp suất chỉ thị trung bình 7

3.1.1 Công suất chỉ thị 7

3.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị 7

3.1.3 Hiệu suất chỉ thị 8

3.2 Các thông số có ích 8

3.2.1 Áp suất tổn thất cơ giới trung bình 8

3.2.2 Áp suất có ích trung bình 8

3.2.3 Công suất có ích 8

3.2.4 Hiệu suất cơ giới 8

3.2.5 Hiệu suất có ích 8

3.2.6 Suất tiêu hao nguyên liệu có ích 8

3.2.7 Lượng tiêu hao nguyên liệu trong 1 giờ 8

3.3 Kiểm tra kích thước động cơ 9

3.3.1 Thể tích xylanh 9

3.3.2 Đường kính xylanh 9

1 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 1.1 Tốc độ trung bình của pít tông

Được tính theo công thức: C m = S n

30 =

94 10 −3 5600

30 =17,546 (m/s) Với: S: hành trình pít tông

n: số vòng quay trục khuỷu (v/p) Kết luận: Động cơ có tốc độ cao có: C m >9 m/s

1.2 Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới

Đối với động cơ xăng: ∆ T =7 o

1.3 Áp suất và nhiệt độ môi chất mớ i

Đối với động cơ không tăng áp:

p k = p 0 =0,1 MPa

T k = T 0 =297 o K

Với p 0 , T 0 :áp suất và nhiệt độ khí trời

1.4 Áp suất khí sót

Đối với động cơ tốc độ cao: p r =1,05 p o =1,05.0,1=0,105(MPa)

1.5 Nhiệt độ khí sót

Đối với động cơ xăng: T r =900 o K

1.6 Áp suất cuối quá trình nạp

Đối với động cơ 4 thì không tăng áp:

p a =0,8 p k =0,8.0,1=0,08 (MPa)

2 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT 2.1 Quá trình nạp

2.1.1 Hệ số khí sót γ r

Tính theo công thức: γ r = T k + ∆ T

T r

p r

ε p a − p r

= 297+7

907 .

0,11 12.3 0,08−0,11 =0 , 04218

γ r =0,04−0,1(đ ng ộ cơ xăng)

1

2.1.2 Nhiệt độ cuối quá trình nạp

T a = T k + ΔT +γ r T r

1+γ r =

297+7+0,04218.907 1+0,04218 =328,40513

Đối với động cơ 4 thì không tăng áp: T a =310−400 o K

2.1.3 Hệ số nạp

η v = λ 1 ε ε−1

p a

p k

T k

T a ( 1+γ r ) =1,06 12,3

12,3−1

0,08 0,1

297 328,40513.(1+0,04218) ¿ 0 , 80099 Động cơ xăng 4 thì: η v =0,65−0,8

Chọn λ 1 =1,06

2.1.4 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kgnl

M o = O o

0,21 =

1 0,21 ( c

12 +

h

4 −

o nl

32 ) = 1 0,21 ( 0,855 12 +

0,145

4 −

0

32 ) ¿ 0,51190 ¿

2.1.5 Lượng nhiên liệu nạp vào trong 1 chu trình

g ct = g e N e τ

120 n 10

−3

= 180.133.4 120.5600 10

−3

=1,425.10 −4 ¿ Với g e : suất tiêu hao nguyên liệu có ích ( g/mã lực giờ)

Ở động cơ xăng: 185-280 g/mlgiờ

N e : công suất có ích (mã lực, 1hp = 0,735kw) N: số vòng quay trục khuỷu (v/p)

τ : số thì của động cơ

2.1.6 Lượng môi chất mới

M 1 = p k V h η v i

R T k g CT =

0,1 10 6 .2261 10 −6 0,80099 1

8314.297 10425.10 −4 =0,51469 ¿

Trong đó: p k : P a

i: số xy lanh của động cơ

V h : m 3

T k : o K

R = 8314 (J/kmolđộ)

2

2.1.7 Lượng khí sót

M r = γ r M 1 =0,04218.0,51439=0,02171 (kmol/kgnl)

2.1.8 Hệ số dư lượng không khí

Động cơ xăng: α= M 1 −

1

μ nl

M o =

0,51469− 1

114 0,51190 =0,98831

Với μ nl =114 : trọng lượng phân tử của xăng

2.1.9 Lượng sản vật cháy

Khi đốt cháy không hoàn toàn ( α <1 ¿

M 2 = c

12 +

h

2 + 0,79 α M o = 0,855

12 +

0,145

2 +0,79.0,98831 0,51190

¿ 0,54342 (kmol/kgnl)

2.1.10 Lượng thay đổi thể tích khí cháy

ΔT =M 2 − M 1 =0,54342−0,51469=0,02873 (kmol/kgnl)

2.1.11 Hệ thống thay đổi phân tử lý thuyết

β o = M 2

M 1 =

0,54342 0,51469 =1,05582

2.2 Quá trình nén 2.2.1 Chỉ nén đa biến trung bình

- Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất mới:

( mC V ) tb =19,806+ 1

2 0,00491 T

-Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khsi sót:

Khi 0,7 ≤ α<1 :

( mC ’’ V ) tb =(17,997+3,504 α )+ 1

2 (360,34 +252,4 α ) 10

−5 T

¿ (17,997+3,504.0,98831)+ 1

2 (360,34+252,4.0,98831) 10

−5 T

¿ 21,46004+ 1

2 0,00610 T

- Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp:

3

( mC ’ v ) tb = ( mC v ) tb + γ r ( mC ’’ v ) tb

1+ γ r = a

,

V + 1

2 bT

¿

19,806+ 1

2 0,00491T +0,04218.(21,46004+

1

2 0,00610 T ) 1+0,04218

¿ 19,87294+ 1

2 .0,00496 T

- Chỉ nén đa biến chung bình:

Giả sử chọn Giả sử chọn n 1 =1,36582

Ta có phương trình

a , V + 1

2 b T a ( ε n 1 −1

+1 )

19,87294+ 1

2 .0,00496 328,40513 ( 12,3

1.36582−1

+ 1 )

+1

¿ 1,36582

Phương trình này chỉ giải theo phương pháp mò nghiệm, đầu tiên chọn

n 1 =1,34−1,39 , sau đó thay n 1 vào 2 vế của phương trình cho đến khi nào 2 vế cân bằng tức là n 1 chọn đúng.

2.2.2 Nhiệt cuối quá trình nén

T c = T a ε n 1 −1

=328,40513.12,3 1,36582−1 =821,35418 °K

2.2.3 Áp suất cuối quá trình nén

p c = p a ε n 1 −1 =0,08.12,3 1,36582 =2,46436 (MPa) Đối với động cơ xăng: T c =650−800° K , p c =0,9−2 MPa

2.3 Quá trình cháy 2.3.1 Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại z

Ta có:

β z =1+ β 0 −1

1+γ r

x z =1+ 1,05582−1 1+0.04218 .1=1,05356

Trong đó: x z : phần nhiên liệu đang cháy tại z, x z = ξ z

ξ b

= 0,87 0,87 =1

ξ z và ξ b : hệ số lợi dụng nhiệt tại z và b

4

Chọn: Động cơ xăng: ξ z =0,85−0,92 ; ξ b =0,85−0,95

2.3.2 Nhiệt độ cuối quá trình cháy

Động cơ xăng: Ta có phương trình cháy của động cơ xăng:

ξ z ( Q H − ∆Q H )

M 1 (1+γ r ) + ( mC ’ v ) tbc T c = β z ( mC ’’ V ) tbz T z

VT = ξ z ( M Q H − ∆Q H )

1 (1+γ r ) + ( mC ’ v ) tbc T c

¿ 0,87 ( 44.10 3 −9492,46884 )

0,51469 (1+0,04218) + ( 19,87294+ 1

2 0,00496.780,42426 ) 780,42426

¿ 82080,18741

VP = β z ( mC ’’ V ) tbz T z

¿ 1,09558.(20,95953+ 1

2 573,73663.10

−5

.T z ) .T z

¿ 3,14287.10 −3 .T z 2

+ 22,96284.T z

VT=VP  3,14287.10 −3 T z

2

+22,96284.T z =82080,18741 3,14287.10 −3 T z 2

+ 22,96284.T z −82080,18741=0

=> T z =2628,70856 °K

ΔQ H : nhiệt lượng với phần nhiên liệu không cháy do thiếu không khí.

Khi α <1 nên

ΔQ H =120.10 3 (1−α ) M 0 =120.10 −3 ( 1−0,84547) 0,5119=9656,4816 (KJ/kgnl) Động cơ xăng: T z =2300−2800 ° K

2.3.3 Áp suất và thể tích cuối quá trình cháy

Áp suất cuối quá trình cháy:

p z = λ p c = ¿ 3,69025.2,12751=7,85104 MPa Trong đó, đối với động cơ xăng:

λ= β z T z

T c =

1,09558.2628,70856 780,42426 =3,69025

Do đó thể tích cuối quá trình cháy

V z = ρ V c (m 3 ) Động cơ xăng: p z =3−8 MPa λ=3−4 ρ=1

2.4 Quá trình giãn nở 2.4.1 Chỉ số giản nở đa biến trung bình

5

Ta có phương trình:

( ξ b − ξ z ) Q H

M 1 (1+ γ r ) = β ( mC ’’ V ) tbb T b − β z ( mC ’’ V ) tbz T z + R

n 2 −1 ¿ ) (3-2-1) Đối với động cơ xăng khi α <1 , trong công thức trên cần phải thay đổi trị số Q H bằng

Q H − ΔQ H vì có tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn.

Trong đó:

( mC ’’ V ) tbb : tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy tại b

( mC ’’ V ) tbz : tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy tại z

β : hệ số thay đổi phân tử thực tế

β=1+ β 0 −1

1+γ r =1+

1,09985−1 1+0,04471 =1,09558

Kết hợp với phương trình:

T b ¿ T z 1

δ n−1 = ¿ (3-2-2) Trong đó: δ : tỉ số giãn nở sau khi cháy

δ= V b

V z

= V h + V c

ρ V c

= ε

ρ =

11

1 =11

(đối với động cơ xăng: V z = V c ⟹ ρ=1 , δ=ε ) Tiến hành giải tìm n 2 như sau:

- Chọn n 2

(1)

: động cơ xăng n 2 =1,2551

- Thay n 2

(1)

vào (3-2-2) : T b ¿ T z 1

δ n−1 =2628,70856 1

11 1,2551−1 =1425,88062

Ta có công thức: ( M ξ b − ξ z ) Q H

1 (1+γ r ) =

( 0,87−0,87 ).(44.10 3 −9656,4816) 0,44157(1+0,04471) =0 (C1)

β ( mC ’’ V ) tbb T b = β ( 20,95953+ 1

2 573,73663.10

−5 T b ) T b

¿ 1,09558 ( 20,95953+ 1

2 573,73663 10

−5

.1425,88062 ) 1425,88062

¿ 39132,15575 (C2)

β z ( mC ’’ V ) tbz T z = β z ( 20,95953+ 1

2 573,73663.10

−5

T z ) T z

¿ 1,09558 ( 20,95953+ 1

2 573,73663 10

−5

.2628,70856 ) 2628,70856

¿ 82080,20534 (C 3 )

Từ (C1),(C2) và (C3) thế vào (3-2-1):

6

( ξ b − ξ z ) Q H

M 1 (1+ γ r ) = β ( mC ’’ V ) tbb T b − β z ( mC ’’ V ) tbz T z + R

n 2 −1 ¿ )

 0= ¿ 39132,15575−82080,20534+ 8,314

n 2 −1 [1,09558(2628,70856-1425,88062)]

⇒n 2 =1,2551

2.4.2 Áp suất cuối quá trình giãn nở

P b = p z

δ n 2 = 7,85104

11 1,2551 =0,38715 MPa

2.4.3 Nhiệt độ cuối quá trình giản nở

T b = T z

δ n 2 −1 = 2628,70856

11 1,2551−1 =1425,88062 °K Động cơ xăng: p b =0,35−0,5 MPa T b =1500−1700° K

3 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN 3.1 Các thông số chỉ thị 3.1.1 Áp suất chỉ thị trung bình

Động cơ xăng: công thức lý thuyết

p ,

i = p a ε

n 1

ε−1 [ λ

n 2 −1 ( 1− 1

ε n 2 −1 ) − 1

n 1 −1 ( 1− 1

ε n 1 −1 ) ]

¿ 0,08 11

1,36815

11−1 . [ 3.69025

1,2551−1 ( 1− 1

11 1.2551−1 ) − 1

1,36815−1 ( 1− 1

11 1,36815−1 ) ]

¿ 1,06938 MPa Thực tế: p i = φ đ p ,

i =1,06938.0,97=1,0373 (MPa) Với: φ đ =0,92−0,97 : hệ số điền đầy đồ thị công Giá trị lớn dùng cho động cơ xăng, giá trị nhỏ dùng cho động cơ diesel.

+ Động cơ không tăng áp: p i =0,7−1,2 MPa + Động cơ tăng áp: p i ≥3 MPa

1.1.1 Công suất chỉ thị

N i = p i V h i n

30 τ =

1,0373.4163 10 −3 6600

30.4 =237,5054 kW Với: V h :(lít) , p i :( MPa) , n :(v / p)

3.1.2 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

7

g i =432 p k η v

M 1 p i T k

=432 0,1.0,79825 0,44157.1,0373 297 =0,25349 (kg/kWh)

3.1.3 Hiệu suất chỉ thị

η i =3,6 1

g i Q H =3,6

1 0,25349.44 =0,32277

3.2 Các thông số có ích 3.2.1 Áp suất tổn thất cơ giới trung bình

Động cơ xăng

- i<6 , S

D >1 : p m =0,05+0,0155.C m =0,05+0,0155.20,46=0,36713 MPa

3.2.2 Áp suất có ích trung bình

p e = p i − p m =1,0373−0,36713=0,67017 Mpa

3.2.3 Công suất có ích

N e = p e n V h i

30 τ =

0,67017.6600 4163 10 −3

30.4 =153,44547 kW ( so sánh với N e đã cho ,sai số không quá 5%)

3.2.4 Hiệu suất cơ giới

η m = p e

p i

= 0,67017 1,0373 =0,64607 %

η m =63-93%

3.2.5 Hiệu suất có ích

η e = η i η m =0,32277 0,64607 =0,20853%

3.2.6 Suất tiêu hao nguyên liệu có ích

g e = g i

η m

= 0,25349 0,68486 =0,37013 ¿

3.2.7 Lượng tiêu hao nguyên liệu trong 1 giờ

G nl = g e N e =0,37013.211,02321=78,10602 kg/h

8