Hướng dẫn Tính toán các chu trình công tác của động cơ đốt trong XăngDiesel

TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ Tính nhiệt động cơ đốt trong ĐCĐT chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thị công chỉ thị của một độüng cơ cần đượ

TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ

Tính nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thị công chỉ thị của một độüng cơ cần được thiết kế thông qua việc tính toán các thông số nhiệt học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quá trình:

Nạp - nén - cháy giãn nở - thải

Mỗi quá trình trên được đặt 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 nhiệt động học kỹ thuật, nhiệt động học hoá 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 trung bình pe, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne, hiệu suất ηe và suất tiêu hao nhiên liệu ge của động cơ

Cuối cùng, bằng kết quả cacï tính toán nói trên xây dựng được đồ thị công của động cơ và đây là các số liệu cơ bản cho các bước tính toán động học và thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ

Trong quá trình 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 hoá học trong ĐCĐT, 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

2.1.1.Các thông số của động cơ cho trước

Trên cơ sở phạm vi sử dụng động cơ thiết kế, điều kiện thực tế ứng dụng và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, tiến hành phân tích và chọn các thông số thiết kế ban đầu rất quan trọng vì nó quyết định tính khoa học và kinh tế kỹ thuật của đoọng cơ được thiết kế mới Dưới đây là thông số chọn của động cơ thiết kế:

Kiểu loại động cơ

Công suất động cơ

Số vòng quay

Tỷ số nén

Các thông số kết cấu của động cơ

Kiểu buồng cháy của động cơ diesel

Kiểu làm mát

• Kiểu động cơ

Trong quá trình thiết kế động cơ, người thiết kế phải chú ý đến phạm vi ứng dụng của động cơ thiết kế Đó là cơ sở đêí xác định phương án và lựa chọn các thông số tham khảo trong quá trình thiết kế do đặc điểm của mỗi loại động cơ chỉ đáp ứng tốt nhất cho một phạm vi ứng dụng nhất định

Động cơ xăng có công suất vừa (30≤ Ne≤150kw) thường dùng cho ô tô có gia tốc lớn, ô tô du lịch tốc độ cao, ô tô vận tải nhẹ Động cơ xăng có kích thước nhỏ gọn và đơn giản thích hợp cho động cơ dùng trong các máy bơm nước, máy phát điện Tuy nhiên cần chú trọng đến hiệu quả kinh tế vì nhiên liệu dùng cho động cơ xăng đắt hơn động cơ diesel Động cơ bốn kỳ thường có công suất trung bình, ứng dụng rộng rãi trong giao thông vận tải vì chúng có có tính tiết kiệm và tuổi thọ cao, các quá trình công tác hoàn thiện hơn động cơ hai kỳ

Động cơ hai kỳ gọn nhẹ hơn khi có cùng công suất nhưng tính hiệu quả và độ tin cậy kém, hao nhiên liệu, thường dùng cho động cơ cỡ nhỏ

• Công suất động cơ:

Cần lựa chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu của máy công tác Tuy nhiên, công suất thiết kế của động cơ còn phải phù hợp với tiêu chuẩn nhà nước qui định về dãy công suất của động cơ

• Số vòng quay

Lựa chọn số vòng quay của động cơ cũng là một vấn đề quan trọng Vì số vòng quay ảnh hưởng rất nhiều đến độ mài mòn và tính năng kỹ thuật Số vòng quay càng cao, độ mài mòn của các chi tiết tăng lên, do đoú tuổi thọ của động cơ giảm

Công suất động cơ tỷ lệ thuận với sôï vòng quay Động cơ có số vòng quay lớn sinh ra công lớn, trong khi kích thước và trọng lượng không tăng Sôï vòng quay còn tuỳ thuộc vào công nghệ và vật liệu chế tạo động cơ

• Chọn số xilanh (i)

Chọn số xilanh cần căn cứ vào điều kiện cân bằng của động cơ và khả năng dùng đối trọng đơn giản để cân bằng các lực quán tính và mômen quán tính Độ đồng đều tốc độ góc quay trục khuỷu

Yêu cầu về kích thước bên ngoài, điều kiện lắp ghép ở nơi sử dụng động cơ Đảm bảo động cơ gọn nhẹ, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo nhưng thân máy và hộp trục khuỷu phải có độ cứng vững lớn nhất để giảm hao mòn cho các xilanh, piston, trục khuỷu và ổ trục khuỷu

Ngoài ra cần lưu ý về các kiểu làm mát động cơ thiết kế bằng nước hay không khí, vì nếu số xilanh như nhau thì động cơ thiết kế bằng nước hay bằng không khí có chiều dài lớn hơn động cơ làm mát bằng nước (đối với động cơ một hàng xilanh) Loại động cơ một xilanh có kết cấu đơn giản, nhưng trục khuỷu quay không đều, bánh đaö lớn

• Tỷ số nén:

Tỷ số nén của động cơ đã là một thông số quan trọng đối với qúa trình làm việc của động cơ, nó ảnh hưởng nhiều đến các thông số khác Tăng tỷ số nén, tính kinh tế của động cơ tăng Nhưng do tổn thất cơ giới, tăng tỷ sôï nén chỉ có lợi trong phạm vi nhất định Trên thực tế khi tăng tỷ số nén ε > 23 thì hiệu suất động cơ tăng không đáng kể Đối với động cơ xăng, tỷ số nén qui định bởi tính chống kích nổ của nhiên liệu được đặc trưng bởi chỉ số octan Tỷ số nén càng lớn đòi hỏi chỉ số octan của nhiên liệu càng lớn Khi giảm phụ tải, khí sót tăng, nhiệt độ sấy nóng khí nạp mới giảm, tính chống kích nổ tăng

• Các thông số kết cấu:

Chọn tỷ số S/D là một thông số kết cấu quan trọng, ảnh hưởng đến kích thước khuôn khổ, trọng lượng và các tính năng kinh tế kỹ thuật của ĐCĐT Ngày nay có xu hướng giảm tỷ số S/D để tăng tốc độ động cơ

Chọn thông số kết cấu λ = R/L

R: bán kính quay trục khuỷu R = S/2; L: chiều dài thanh truyền

Thông số λ ảnh hưởng rất nhiều đến chiều cao và trọng lượng của động cơ Động cơ có thông số λ lớn, thanh truyền ngắn, chiều cao và trọng lượng của động cơ có xu hướng giảm xuống khá nhiều Trị số λ của động cơ ô tô thường nằm trong phạm vi từ 0,25 - 0,29 Khi chọn trị số λ lớn Góc lắc của thanh truyền tăng lên, thanh truyền có thể va chạm phía dưới của xilanh Vì vậy, để tránh va chạm, phải cắt phần dưới của lót xilanh khuyết đi một ít

Việc phân tích chọn các thông số kết cấu nêu trên còn cần phải xét đến vấn đề đồng gam với các động cơ đang được chế tạo để có thể tận dụng các thiết bị công nghệ chế tạo sẵn có và tăng khả năng lắp lẩn chi tiết máy của động cơ này

• Xác định tính cao tốc của động cơ

Tính cao tốc của động cơ được xác định theo tốc độ trung bình của piston (Vp):

Vp =S.n/30 [m/s]

Ta có thể chọn hành trình (S) của piston theo động cơ tham khảo thực tế có công suất tương đương Kết luận tính cao tốc của động cơ theo giới hạn dưới đây: Động cơ cao tốc: Vp ≥ 9 [m/s]

Động cơ tốc độ trung bình: 9 > Vp > 6 [m/s]

Động cơ tốc độ thấp: Vp ≤ 6 [m/s]

2.1.2.Chọn các thông số cho tính toán nhiệt

Aïp suất không khí nạp (p 0 ):

Được chọn bằng áp suất khí trời p0 = 0,1 [MN/m2]

Nhiệt độ không khí nạp mới(T 0 ): Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ

yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường, nơi xe sử dụng

Aïp suất khí nạp trước xupap nạp (p k ):

Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = p0 [MN/m2]

Đối với 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 > p0

Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp: tk = t0

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

m 1 m

o

k 0 k

p

p T T

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

= [0K] (2.1)

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

m m

1 m

o

k 0

p

p T

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

−

m - chỉ số nén đa biến, phụ thuộc vào loại máy nén( m = 1,5 ÷ 1,8)

∆Tm - chênh lệch nhiệt độ của không khí trước và sau két làm mát

Aïp suất cuối quá trình nạp(p a ):

Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xilanh thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do có tổn thất trên ống nạp và tại bầu lọc gây nên

pa = p0 - ∆pk [MN/m2] (2.2)

∆pk: tổn thất trong quá trình nạp, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường ống nạp, tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng nạp

k: hệ số xét tới ảnh hưởng của hệ cản của đường nạp, thể tích công tác; n: số vòng quay trục khuỷu; fn: tiết diện lưu thông hẹp nhất của xupap nạp

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

Với động cơ bốn kỳ không tăng áp:

pa = ( 0,80 ÷ ∆pk )p0 Với động cơ bốn kỳ không tăng áp:

pa = ( 0,80 ÷ ∆pk )p0

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:

pr = pth + ∆pr [MN/m2]

∆pr: tổn thất trong quá trình thải, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường ống thải (động cơ có lắp bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải, bình chứa khí thải hay không), tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng xupap thải

∆pr = k.n2/fth2 Giá trị của áp suất khí sót pr phụ thuộc vào các yếu tố như: diện tích tiết diện thông qua của xupap xả, biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả

Nhiệt độ khí sót (T r ):

Phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí, mức độ giãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nở và thải

Đối với động cơ diesel: Tr = 900 ÷ 11000K

Đối với động cơ xăng: Tr = 700 ÷ 9000K

Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới(∆T):

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xilanh của động cơ do tiếp xúc với vách nóng lên một trị số nhiệt độ là ∆T

Mức độ sấy nóng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu thông của khí nạp, thời gian nạp dài hay ngắn, ngoài ra cũng phụ thuộc vào mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt tiếp xúc của xilanh với khí nạp

Khi tăng nhiệt độ của khí nạp mới mật độ của nó sẽ giảm, cho nên dùng phương pháp đặc biệt để sấy nóng hê thống nạp của động cơ xăng chỉ có lợi trong phạm vi mà nhiệt lượng cung cấp cho nó được lợi dụng để bốc hơi nhiên liệu Sấy nóng quá sẽ ảnh hưởng không tốt đến lượng khí nạp vào xilanh Trị số tăng nhiệt độ của khí nạp mới được biểu thị theo công thức sau:

∆Tt : tăng nhiệt độ của khí nạp mới do truyền nhiệt; ∆Tbh : mức giảm nhiệt độ của khí nạp mới do bốc hơi nhiên liệu

Chọn hệ số nạp thêm λ1 :

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

Chọn hệ số quét buồng cháy λ2 :

Đối với những động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy thì chọn

λ2 = 1 Động cơ được quét sạch hoàn toàn buồng cháy có λ2 = 0, chỉ sảy ra khi thể tích buồng cháy Vc = 0

Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt :

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

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z(ξz):

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z(ξz) là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của qúa trình cháy, hay tỷ lệ lượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trị số ξz như khi tăng số vòng quay mặc dù truyền nhiệt cho vách xilanh có giảm đi, song do hiện tượng cháy rớt tăng nên trị số ξz giảm

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 Nếu động cơ có tỷ số nén cao, hoà khí sẽ bị nén đến áp suất và nhiệt độ cao, sẽ bốc cháy nhanh và mãnh liệt làm giãm hiện tượng cháy rớt, vì vậy ta có thể chọn ξb có giá trị lớn ξb = 0,95

Khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu cần M0 (kmol) không khí Tuy nhiên, lượng không khí đi vào xilanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn M0 Điều này được đánh bằng hệ số dư lượng không khí

M1: lượng không khí thực tế nạp vào xilanh (kmol); M0: lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy nếu hệ số α nhỏ, hỗn hợp đậm, quá trình cháy diễn ra càng dữ dội, tốc độ cháy tăng, áp suất tăng, việc lợi dụng nhiệt càng hoàn hảo, công suất cưüc đại lớn nhất

Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (ϕd ):

Hệ số điền đầy đồ thị đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán

Tỷ số tăng áp (λ):

Tỷ số λ càng lớn, lượng nhiên liệu cháy trong quá trình đẳng tích càng nhiều, áp suất cực đại càng cao, áp suất có ích trung bình tăng, suất tiêu hao nhiên liệu giảm

Đối với động cơ cao tốc, nên tăng λ để bảo đảm mức độ đồng đều thành phần MCCT, độ đồng nhất của hỗn hợp Đối với động cơ tốc độ thấp, do mức độ đồng đều MCCT tốt hơn nên λ có thể chọn bé Tuy nhiên, khi ảnh hưởng đến độ bền, mòn của chi tiết, λ lớn áp suất cực đại tăng, lực tác dụng lên các chi tiết tăng

2.Tính toán các thông số của chu trình công tác

2.1.Quá trình nạp

Hệ số nạp : (ηv )

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⋅ +

⋅

−

1

a

r 2 t 1 k

a

k

k

P λ λ ελ P

P

∆T T

T 1 ε

1

m: là chỉ số đa biến trung bình của không khí; chọn m= 1,5 Bảng 2.1.Hệ số nạp thực tế

Động cơ xăng xupáp đặt xupáp treo

0,70 ÷ 0,75 0,75 ÷ 0,85 Động cơ Diesel tốc độ thấp

Hai kỳ Bốn kỳ tăng áp

0,80 ÷ 0,90 0,75 ÷ 0,85 0,80 ÷ 0,95 Hệ số khí sót (γr):

m 1

a

r 2 t 1 a

r

r

k 2 r

P

P λ λ ελ

1 P

P T

T T λ

γ

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⋅

⋅

∆ +

γr của động cơ bốn kỳ nằm trong phạm vi:

Động cơ xăng và động cơ gas: γr = 0,06 ÷ 0,10;

Động cơ diesel không tăng áp: γr = 0,03 ÷ 0,06

Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a [K]:

r r

a r r t 0

a

γ 1

) P

P ( T γ λ

∆T T

T

m 1 m

+

+ +

=

−

(2.8) Bảng2 2.Các thông số của quá trình nạp ∆T và Ta

Loại động cơ ∆T[0C] Ta[0K]

2.2.Quá trình nén

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:

K]

[kJ/kmol.

0,00209T 19,806

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy :

Khi 0,7 < α < 1 tính cho động cơ xăng theo công thức sau:

2

1 α 504 , 3 17,997

v

− +

+ +

= Khi α ≥ 1 tính cho động cơ diesel theo công thức sau:

Τ 10 α

36 , 184 427,38 2

1 α

1,634 19,867

⎠

⎞

⎜

⎝

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

=

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén :

K]

[kJ/kmol

γ 1

mc γ mc

r

"

v r v '

+

Chỉ số nén đa biến trung bình 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, Tuy nhiên n1 tăng giảm theo qui luật là 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 trình sau :

T b a

8,314 1

a v ' v '

1− = + 1− + (2.9) Bằng cách thay dần các giá trị n1 vào hai vế của phương trình đến khi cân bằng nhau ta nhận được giá trị n1

Aïp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén p c tính theo công thức sau :

pc = pa.εn1 [MN/m2] (2.10)

Nhiệt độ cuối quá trình nén:

Tc = Taεn1-1 [0K] (2.11) Bảng.2.3 Các thông số của quá trình nén

Xăng bốn kỳ

Xăng hai kỳ

Diesel - Buồng cháy ngăn cách

- Buồng cháy thống nhất

1,34 ÷ 1,40 1,27 ÷ 1,33 1,32 ÷ 1,38 1,34 ÷ 1,40

0,57 ÷ 1,16

2,81 ÷ 4,20 3,88 ÷ 5,88

600 ÷ 750

700 ÷ 900

850 ÷ 1050

2.3.Quá trình cháy :

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

=

32

O 4

H 12

C 21 , 0

1

C, H, O-là thành phần của carbon, hyđrô, ôxy, tham khảo bảng 2.4

Bảng 2.4 Đặc tính nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ

Thành phần trong 1kg nhiên liệu [kg]

Nhiên liệu

C H O

Khối lượng phân tử [kg/kmol]

Nhiệt trị thấp,QH[kj/kg]

Dầu diesel 0,0870 0,126 0,004 180 - 200 42530

Đối với động cơ xăng( khí nạp mới là không khí và nhiên liệu):

M1 = α.Mo + 1/ηnl [kmol kk/kg nl]

ηnl - trọng lượng phân tử của xăng; ηnl = 114 kg

Đối với động cơ diesel(khí nạp mới là không khí): M1= α.M0

4

H 32

O

M = + + [kmol SVC/kg nl]

α < 1 2 0,79.α.M0

2

H 12

C

Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết β0 :