đồ án môn học tính toán động cơ

Nhiệt độ của môi trường cũng có ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình trao đổi khí. T0 càng cao thì không khí càng loãng nên khối lượng riêng giảm. Giá trị của T0 thay đổi theo mùa và theo vùng khí hậu. Để tiện tính toán người ta lấy giá trị trung bình T0 cho cả năm. Giá trị trung bình T0 ở nước ta theo thống kê của nha khí tượng là 11Áp suất của môi trường p0: Giá trị của p0 phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển. Càng lên cao thì p0 càng giảm nên không khí càng loãng. Để tiện sử dụng trong tính toán người ta thường lấy giá trị của p0 ở độ cao của mức nước biển là: 12Hệ số nạp và áp suất cuối quá trình nạp pa: Hệ số nạp là tỷ số giữa lượng khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ và lượng khí lý thuyết có thể nạp đầy vào xy lanh trong một hành trình của pít tông khi nhiệt độ, áp suất trong xy lanh bằng nhiệt độ và áp suất trước cửa nạp.Giá trị của vì khí nạp bị loãng do bị sấy nóng trên đường nạp vào xy lanh động cơ và do tổn thất thủy lực trong đường ống nạp.Khi tính toán, người ta có thể chọn trước giá trị của rồi tính giá trị của pa hoặc ngược lại. Ở đây ta chọn trước giá trị của hệ số nạp

1.

TRƯỜNG SĨ QUAN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KHOA Ô TÔ -o0o -

BÀI TẬP LỚN KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, ô tô ngày càng được sử dụng phổ biến ở nước ta Sự gia tăngđột biến của các ô tô trong các lĩnh vực đi lại, vận chuyển hàng hóa làm cho nhucầu nghiên cứu để thiết kế sửa chữa, bảo dưỡng xe ô tô ngày càng được tăng caokéo theo sự đòi hỏi nguồn nhân lực dồi dào cho ngành công nghiệp ô tô

Môn học “Kết cấu tính toán động cơ đốt trong” là môn đặc biệt quantrọng đối với mỗi người kỹ sư nghiên cứu về ngành công nghiệp ô tô Bài tậplớn môn học giúp học viên bước đầu làm quen với công việc tính toán thiết kếtránh khỏi những vướng mắc trong quá trình công tác sau này Bài tập giúp họcviên biết cách tính toán các quá trình công tác, đặc tính ngoài của động cơ,… vàrất nhiều kiến thức thiết thực và bổ ích cho học viên chuyên ngành công nghệ kỹthuật ô tô

Được sự quan tâm giúp đỡ của các thầy giáo bộ môn Động cơ – ĐiệnKhoa Ô tô, trong đó đặc biệt là thầy giáo Kim Ngọc Duy đã giúp cho chúng tôi

có thêm nhiều kinh nghiệm trong quá trình tính toán, thiết kế một động cơ cho

xe ô tô và hoàn thành bài tập đúng thời hạn Tuy vậy, do sự hạn hẹp về sự nonkém trong kinh nghiệm làm bài, bài tập không thể tránh khỏi những sai sót,mong được tiếp tục quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo để tôi có thêm kinh nghiệm hoànthành tốt hơn các bài tập cũng như các kiến thức bổ ích cho học tập và công tácsau này

Xin chân thành cảm ơn./

TP.HCM, tháng 12 năm 2015

Học viên thực hiện

Thái Vũ Song Ngà

TRƯỜNG SĨ QUAN KTQS

KHOA Ô TÔ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC KẾT CẤU TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Họ và tên: Thái Vũ Song Ngà

Lớp: DQS 02021

I SỐ LIỆU BAN ĐẦU.

− Tên động cơ: GAZ 49P trên xe BTR - 60BP Nhiên liệu: Xăng 4 kỳ

7 Công suất định mức (N eđm ) 66,2 KW

8 Số vòng quay ứng với công suất định mức (n) 3400 vg/ph

12 Góc đóng muộn XP thải 13 độ

13 Khối lượng nhóm pít tông (m pt ) 0,579 kg

14 Khối lượng nhóm thanh truyền (m tt ) 0,885 kg

15 Chiều dài thanh truyền (l tt ) 120 mm

16 Góc đánh lửa sớm (φ i ) (hoặc góc phun sớm) 25 độ

17 Suất tiêu hao nhiên liệu (g e ) 357,9 g/KWh

II.NỘI DUNG THỰC HIỆN.

− Tính toán nhiệt chu trình công tác động cơ

− Vẽ đồ thị công chỉ thị

− Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ

III BẢN VẼ.

− 01 bản vẽ A0 gồm: Đồ thị công chỉ thị; Đồ thị lực khí thể, lực quán tính và tổng lực; Đồ thị lực tiếp tuyến và pháp tuyến; Đồ thị đặc tính ngoài của động cơ; Đồ thị véc tơ phụ tải cổ khuỷu: Đồ thị mài mòn; Đồ thị lực T∑

Ngày giao BTL: 28/9/2015.

Ngày hoàn thành: /12/2015.

TP.HCM, ngày tháng 12 năm 2015

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Đại úy, ThS Kim Ngọc Duy

TÍNH TOÁN NHIỆT CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ

1.2 Chọn các số liệu ban đầu

[Nm]

5- Số xy lanh của động cơ: i=6

6- Tỷ số giữa hành trình pít tông và đường kính xy lanh:

110 1,34182

S a D

8- Tỷ số nén: ε =6,7

9- Hệ số dư lượng không khí α

Hệ số dư lượng không khí là tỷ số giữa lượng không khí thực tế nạp thực

tế vào xy lanh L1 và lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu L0, nghĩa là:

1

0

L L

10- Nhiệt độ môi trường T 0

Nhiệt độ của môi trường cũng có ảnh hưởng đến chất lượng của quátrình trao đổi khí T0 càng cao thì không khí càng loãng nên khối lượng riênggiảm Giá trị của T0 thay đổi theo mùa và theo vùng khí hậu Để tiện tínhtoán người ta lấy giá trị trung bình T0 cho cả năm Giá trị trung bình T0 ở

nước ta theo thống kê của nha khí tượng là

0 24 297

11- Áp suất của môi trường p 0 :

Giá trị của p0 phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển Càng lên caothì p0 càng giảm nên không khí càng loãng Để tiện sử dụng trong tính toánngười ta thường lấy giá trị của p0 ở độ cao của mức nước biển là:

Giá trị của ηv <1

vì khí nạp bị loãng do bị sấy nóng trên đường nạp vào

xy lanh động cơ và do tổn thất thủy lực trong đường ống nạp

Khi tính toán, người ta có thể chọn trước giá trị ηv

của rồi tính giá trị

của pa hoặc ngược lại Ở đây ta chọn trước giá trị của hệ số nạp ηv

Chọn hệ số nạp của động cơ xăng với kiểu xu páp treo ηv =0,75 0,82÷

13- Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức p r

Giá trị của pr phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có thời điểm bắt đầu

mở xu páp thải, số vòng quay của trục khuỷu và sức cản trên đường ống nạp

14- Nhiệt độ cuối quá trình thải T r

Khi tính toán, người ta thường lấy giá trị Tr ở cuối quá trình thải cưỡngbức

Giá trị của Tr phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén ε

,thành phần hỗn hợp α

∆ =

16- Chỉ số nén đa biến trung bình n 1

Chỉ số nén đa biến của quá trình nén thực tế n’1 thay đổi trong khoảngrộng từ điểm chết dưới đến điểm chết trên Để thuận tiện trong tính toán màvẫn đảm bảo một độ chính xác nhất định, người ta dùng giá trị trung bình n1của nó với điều kiện là công nén đối với n’1 và n1 bằng nhau

Giá trị của n1 được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưdùng công thức kinh nghiệm hoặc chọn bằng số liệu thực nghiệm

Hệ số thực nghiệm n1 đối với động cơ xăng là n1=1,34 1,37÷

Hệ số sử dụng nhiệt ξz là tỷ số giữa lượng nhiệt biến thành công chỉ thị

và tổng lượng nhiệt cung cấp từ đầu quá trình do đốt cháy nhiên liệu (điểmc) cho đến điểm z)

Hệ số này đã tính đến các dạng tổn hao nhiệt khác nhau như truyền nhiệtcho nước làm mát, do lọt khí qua khe hở giữa nhóm pít tông và vách xylanh, do cháy rớt và phân giải các phần tử nhiên liệu

Đối với động cơ xăng ξz =0,85 0,92÷

Ta chọn ξz =0,92

18- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Q T

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QT là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàntoàn một đơn vị khối lượng hoặc thể tích nhiên liệu không kể đến nhiệt ẩmhóa hơi của nước chứa trong sản vật cháy Với nhiên liệu thể lỏng, QTthường được tính với 1kg nhiên liệu Giá trị QT có thể chọn theo số liệu thựcnghiệm hoặc công thức gần đúng

Đối với nhiên liệu xăng:

344.10

T

KJ Q

kgnl

19- Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n 2

Chỉ số giãn nở đa biến thực tế n’2 thay đổi trong khoảng rộng suốt quátrình giãn nở Để thuận tiện trong tính toán mà vẫn đảm bảo một độ chínhxác nhất định, người ta dùng giá trị trung bình n2 của nó với điều kiện làcông giãn nở đối với n’2 và n2 bằng nhau

Giá trị của n2 được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưdùng công thức kinh nghiệm hoặc chọn bằng số liệu thực nghiệm

Hệ số thực nghiệm n2 đối với động cơ xăng là n2 =1,23 1,27÷

2 Tính toán các quá trình của chu trình công tác

2.1 Tính toán quá trình trao đổi khí

r r

Việc tính toán được chia làm 2 giai đoạn như sau:

a Tính toán tương quan nhiệt hóa

 Mục đích việc tính toán tương quan nhiệt hóa là xác định những đại lượngđặc trưng cho quá trình cháy về mặt nhiệt hóa để làm cơ sở cho tính toánnhiệt động

 Thứ tự tính toán:

− Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu thểlỏng:

0 0

− Lượng hỗn hợp cháy M1 tương ứng với lượng không khí thực tế Mt đối vớiđộng cơ xăng:

1

0,5077

1,08140,4695

M M

β γβ

γ

b Tính toán tương quan nhiệt động:

− Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác ở cuối quá trìnhnén µcvc được tính theo công thức:

Kmol KJ

T Kmol

Thay số vào ta được:

(loại vì nghiệm âm)

Vậy nhiệt độ cuối quá trình cháy là T z =2764,85710K

c

T T

− Áp suất cuối quá trình cháy:

[ ]

2 1 1,25 1

2764,2452

1718,13736,7

2.5 Kiểm tra kết quả tính toán

Sau khi kết thúc việc tính toán các quá trình của chu trình công tác có thểdùng công thức kinh nghiệm để kiểm tra kết quả:

3 3

1817,1373

1114,95340,4391

0,12

b r

b r

T

p p

Sai số của nhiệt độ cuối quá trình cháy sau khi tính và khi lựa chọn là:

Vậy quá trình chọn nhiệt độ cuối quá trình cháy thỏa mãn yêu cầu đặt ra

3 Xác định các thông số đánh giá chu trình công tác và sự làm việc của động cơ

3.1 Các thông số chỉ thị

Đó là những thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ Khixác định các thông số chỉ thị, ta chưa kể đến các dạng tổn thất về công màxét các tổn thất về nhiệt các thông số cần tính bao gồm:

a Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết p i ':

− Đối với động cơ xăng:

b Áp suất chỉ thị trung bình thực tế p i :

− Đối với động cơ 4 kỳ: pi = p'i ϕđ [MPa]

Trong đó: ϕđ là hệ số điền đầy đồ thị công Hệ số này chỉ rõ sự khácnhau giữa đồ thị công chỉ thị lý thuyết và đồ thị công chỉ thị thực tế Giá trịcủa ϕđ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như góc đánh lửa sớm hoặcgóc phun sớm nhiên liệu, thành phần hỗn hợp, tốc độ quay, góc mở sớm supáp xả v.v Giá trị của ϕđ đối với động cơ xăng là: ϕđ = 0,90÷0,96

Ta chọn ϕđ = 0,93

Thay số vào ta có: p i =0,9733.0,93 0,9052 [= MPa]

c Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị:

− Đối với động cơ bốn kỳ:

0

423 .

v i

i

kg g

Các thông có ích là những thông số đặc trưng cho sự làm việc của động

cơ Để xác định các thông số đó, ta sử dụng kết quả tính toán các thông sốchỉ thị ở mục trên và xác định giá trị của áp suất tổn hao cơ khí trung bình pcơ

Áp suất tổn hao cơ khí trung bình pcơ là áp suất giả định, không đổi, tác

hao của trao đổi khí, dẫn động các cơ cấu phụ, tổn hao do ma sát ở các bềmặt công tác.

Thứ tự tính toán các thông số có ích như sau:

a Áp suất tổn hao cơ khí trung bình p cơ được xác định bằng các công thức kinh

nghiệm theo vận tốc trung bình của pít tông CTB [m/s] và các thông số kháccủa động cơ

Đối với động cơ xăng có i=4<6 và

>1

S D

p p

d Suất tiêu hao nhiên liệu có ích :

i e cô

Sai số giữa công suất có ích tính toán với công suất có ích lớn nhấtcho trước là:

1 Khái quát

Đồ thị công chỉ thị là đồ thị biểu diễn các quá trình của chu trình công

tác xảy ra trong xy lanh động cơ trên hệ toạ độ p-V Việc dựng đồ thị đượcchia làm hai bước: dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết và hiệu chỉnh đồ thị đó

để được đồ thị công chỉ thị thực tế

Đồ thị công chỉ thị lý thuyết được dựng theo kết quả tính toán chu trình

công tác khi chưa xét các yếu tố ảnh hưởng của một số quá trình làm việcthực tế trong động cơ

Đồ thị công chỉ thị thực tế là đồ thị đã kể đến các yếu tố ảnh hưởng

khác nhau như góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm nhiên liệu, góc mởsớm và đóng muộn các xu páp cũng như sự thay đổi thể tích khi cháy

2 Dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết

Ở đồ thị công chỉ thị lý thuyết, ta thay chu trình chu trình thực tế bằngchu trình kín a-c-z-b-a Trong đó quá trình cháy nhiên liệu được thay bằngquá trình cấp nhiệt đẳng tích cz, quá trình trao đổi khí được thay bằng quátrình rút nhiệt đẳng tích ba

Thứ tự tiến hành dựng đồ thị như sau:

− Tính toán các thể tích công tác, thể tích buồng cháy và thể tích toàn phần:

+ Thể tích công tác:

30,58 [ ]

h

+ Thể tích buồng cháy:

30,58 0,1018 [ ]

1 6,7 1

h c

− Thống kê giá trị của các thông số đã tính ở các quá trình như áp suất khí thể

ở các điểm đặc trưng pa, pc, pz, pb, chỉ số nén đa biến trung bình n1, chỉ sốdãn nở đa biến trung bình n2, tỷ số nén ε, thể tích công tác Vh, thể tích buồngcháy Vc Ta xác định được tọa độ của các điểm đặc trưng như sau:

p

MPa mm

µ =  

,

31

225

V

dm mm

µ =  

− Dựng hệ tọa độ p –V với gốc tọa độ trên giấy kẻ ly theo tỷ lệ xích đã chọn,

ta xác định các điểm a, c, z và b trên hệ tọa độ đó:

− Nối các điểm c và z, b và a bằng các đoạn thẳng, ta được các đường biểudiễn quá trình cấp nhiệt và nhả nhiệt

− Dựng các đường nén đa biến ac và dãn nở đa biến zb Để dựng các đường

Với quá trình dãn nở đa biến:

=

là những tỷ số biến thiên (tỷ số nén tức

thời) Khi đó: 1

a n

V V e

=

a d

V V e

=.Nếu chọn trước các giá trị của e1 (biến thiên trong giới hạn 1÷ε) và e2(biến thiên trong giới hạn 1÷ε), ta có thể xác định các cặp giá trị (pn, Vn) và(pd, Vd) tương ứng Mỗi cặp giá trị ấy cho một điểm tương ứng trên đồ thị p -

V Kết quả tính toán được thống kê trong bảng Đưa kết quả tính toán đượclên đồ thị và nối các điểm của cùng quá trình bằng một đường liền nét, ta có

V V e dm

=

2 3

a d

V V e dm

Diện tích I xuất hiện do đánh lửa sớm gây ra Khi đó một phần hỗn hợp

bị cháy trước trên đường nén nên áp suất cuối quá trình nén thực tế

+ Về phía điểm chết dưới, xác định điểm O’ sao cho

.'

225

V

dm mm

+ Từ O’ dựng tia tạo với O’A một góc bằng với góc đánh lửa sớm0

Điểm c” được xác định theo quan hệ:

tục và giá trị của áp suất lớn nhất

Ta xác định điểm b’ theo vòng tròn Brích tương tự như điểm c’, chỉ khácthay góc đánh lửa sớm bằng góc mở sớm xu páp thải

Diện tích IV biểu diễn một phần của công tổn hao cho quá trình trao đổikhí Phần còn lại của công tổn hao cho quá trình trao đổi khí (giới hạn bởi

diện tích a'raa' đã được kể đến khi xét hiệu suất cơ khí ηcô

Do đó khi tínhtoán công của chu trình thực tế ta không xét đến nữa Tuy nhiên, để tính toánđộng lực học, ta vẫn phải dựng đường nạp r-a và thải b"-r Thứ tự dựng cácđường đó như sau:

Dựng điểm b" ở giữa đoạn thẳng a-b Từ a và r, kẻ các đường song songvới trục hoành Chọn điểm b''' trên đường thải cưỡng bức sao cho đườngcong không bị gấp khúc Dựng điểm r" theo góc đóng muộn của xu páp thảinhờ vòng tròn Brích Vẽ đường cong lượn đều từ r" lên r và đường conglượn đều qua các điểm b', b", b"' sao cho các đường cong ấy không bị gãykhúc

Các góc hiệu chỉnh cơ bản của đường đồ thị công p – V :

Hình 1 Đồ thị công chỉ thị của động cơ

PHẦN 3 XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA ĐỘNG CƠ

Đồ thị này được dùng để đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu chính của động

cơ khi số vòng quay thay đổi và chọn số vòng quay sử dụng một cách hợp lý khikhai thác

Đặc tính ngoài được dựng bằng các phương pháp như thực nghiệm, côngthức kinh nghiệm hoặc bằng việc phân tích lý thuyết Ở đây giới thiệu phươngpháp dựng bằng các công thức kinh nghiệm của Khơ-lư-stốp Lây-đéc-man

2 Thứ tự dựng các đường đặc tính.

Để dựng đường đặc tính, ta chọn trước một số giá trị trung gian của sốvòng quay n trong giới hạn giữa nmin và nmax rồi tính các giá trị biến thiên tươngứng của Ne, Me, Gnl, ge theo các biểu thức sau:

185,93 [ ]2

60

πω

Kết quả tính toán được thống kê thành bảng như sau:

Bảng 2 Kết quả tính toán các chỉ tiêu của đường đặc tính ngoài.

Hình 2 Đồ thị đường đặc tính ngoài của động cơ

PHẦN 4 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

1 Triển khai đồ thị công chỉ thị p – V thành đồ thị lực khí thể P k tác dụng lên pít tông theo góc quay α.

Đồ thị công chỉ thị thể hiện sự biến thiên áp suất tuyệt đối bên trong xilanhtheo sự thay đổi của thể tích xy lanh trong suốt một chu trình công tác

Lực khí thể được tạo bởi sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt đỉnhpít tông và được xác định :

2 0

pk : Áp suất khí thể trong xy lanh, [MPa];

po : Áp suất phía dưới đỉnh pít tông, chọn 0

0,103[ ]

p = MPa

là áp suất môi trường để đơn giản cho việc tính toán, [MPa]

D : Đường kính danh nghĩa của pít tông, [m]

Lực Pk được coi như tập trung thành một véc tơ tác dụng dọc theo phươngđường tâm xy lanh và cắt đường tâm chốt pít tông (bỏ qua hệ số lệch tâm k đểđơn giản hoá việc tính toán)

Để thuận tiện cho việc triển khai đồ thị công thành đồ thị lực khí thể theogóc quay α của khuỷu trục thì phải làm như sau:

− Dựng trục hoành (trục góc quay α) ngang bằng với đường nằm ngang, thể hiện

áp suất p0 của môi trường trên đồ thị công

− Trục tung thể hiện lực Pk với tỷ lệ xích:

là tỷ lệ xích áp suất trên đồ thị công

−Về phía dưới trục hoành đồ thị công p - V vẽ nửa dưới vòng tròn đường kính

AB bằng khoảng cách từ ĐCT tới ĐCD trên đồ thị p - V, tâm 0, (đường kính

AB này tương ứng với S = 2R của động cơ thực); A tương ứng với ĐCT