TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GVHD : HỒ PHI LONG 13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Tính toán nhiệt của động cơ đốt trong (ĐCĐT) dựa trên lý thuyết đồ thị công chỉ thị, nhằm thiết kế động cơ hiệu quả thông qua việc phân tích các thông số nhiệt động học trong chu trình công tác, bao gồm các quá trình nạp, nén, cháy và giãn nở.
II Các thông số cho trước của động cơ :
Trường hợp thiết kế mới động cơ :
Diesel DI / 3 xylanh / Áp suất phun 175-220 bar
5 Các thông số kết cấu :
Suy ra : Dung tích xylanh V = 1647 [cm 3 ]
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 : po = 0,1 [MN/m 2 ]
2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T 0 ) :
Nước ta khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk = 29 o C
GVHD : HỒ PHI LONG 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (p k ) : Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = po = 0,1 [MN/m 2 ]
4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k ) : Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp Tk = To = 302 K
Áp suất cuối quá trình nạp (p a) đối với động cơ không tăng áp thường thấp hơn áp suất khí quyển do tổn thất trên ống nạp và bầu lọc Cụ thể, p a được tính bằng công thức: pa = 0,85.po = 0,85 0,1 = 0,085 [MN/m²].
6 Chọn áp suất khí sót (p r ) : Đối với động cơ xăng chọn pr = 0,11 [MN/m 2 ]
7 Nhiệt độ khí sót (T r ) : Động cơ xăng chọn: Tr = 800 K
8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ( ∆ T) :
9 Chọn hệ số nạp thêm λ 1 :
Hệ số nạp thêm λ 1 phản ánh mối quan hệ giữa lượng khí công tác sau khi nạp thêm và lượng khí công tác chiếm chỗ trong thể tích Va.
10 Chọn hệ số quét buồng cháy λ 2 : Động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn λ 2 = 1
11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λ t :
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót Tr Đối với động cơ Diesel α = 1,42 – 1,75 ta chọn λt =1,11
12 Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm Z ( ξ Z ) :
GVHD : HỒ PHI LONG 15 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
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.
Căn cứ theo bảng 1.7 chọn ξZ = 0,70
13 Hệ số lợi dung 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 nhỏ.
Căn cứ theo bảng 1.8 chọn ξ b = 0,85
14 Chọn hệ số dư lượng không khí α :
Lượng không khí đi vào xy lanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo α = M 1 /Mo
Trong đó: M1 - lương không khí thực tế nạp vào xylanh
Mo - lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu
15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công ( ϕ d ) :
Hệ số điền đây đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán
16 Chọn tỷ số tăng áp :
Tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí trong xylanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén được ký hiệu là λ, với công thức tính là z = pz / pc Trong đó, pz là áp suất ở cuối quá trình cháy và pc là áp suất ở cuối quá trình nén Đối với động cơ xăng, giá trị λ được chọn là 2.
GVHD : HỒ PHI LONG 16 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
IV Tính toán nhiệt động cơ đốt trong :
Trong đó: m = 1,5 - là chỉ số đa biến trung bình của không khí
- Nhiệt độ cuối quá trình nạp ( Ta) :
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén
- Xác định chỉ số nén đa biến trung bình n1 :
GVHD : HỒ PHI LONG 17 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Bằng cách thay dần các giá trị n1 vào hai vế của phương trình trên đến khi cân bằng nhau ta được giá trị : n1 = 1,3684
- Áp suất quá trình nén pc :
- Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc :
- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu xăng o
- Lượng khí nạp mới thực tế vào xylanh
- Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết
M β = M = - Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế
- Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm β z
GVHD : HỒ PHI LONG 18 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Với xz là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm z : z z b ξ 0,7 x = ξ = 0,85
- Tổn thất nhệt lượng cháy không hoàn toàn ∆Q H
∆Q - Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điêm Z
- Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz
M (1γ ) + + ′ + ×λ p ÷ = với : QH = 42530 (kJ/kg) Thế mc ′ vc , mc " vz vào công thức (*) sẽ đưa đến một phương trình bậc 2:
0,002799×T z 2 +29,86× −T z 75353 0 Giải phương trình đó và chọn nghiệm dương là giá trị Tz = 2063 o K
- Áp suất cuối quá trình cháy
- Tỷ số giãn nở đầu
- Tỷ số giãn nở sau
GVHD : HỒ PHI LONG 19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 được xác định ở nhiệt độ từ 1200 đến 2600 o K Sai khác của tỷ nhiệt không đáng kể, do đó có thể áp dụng các mối quan hệ: a’vb = a’vz, bb = bz, và β = β z.
T = ε − = 18 − ( Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở )
Để giải hệ phương trình, ta thực hiện thay thế từng cặp giá trị n2 và Tb vào các phương trình một cách tuần tự Qua nhiều lần lặp lại, chúng ta thu được giá trị n2 là 1,2487.
- Áp suất cuối quá trình dãn nở
- Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr
⇒Kết quả nhận được 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 :
- Áp suất chỉ thị trung bình tính toán p′ i :
GVHD : HỒ PHI LONG 20 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
- Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi :
- Áp suất tổn thất cơ khí pm
Chọn hiệu suất tổn thất cơ giới η m =0.9
- Áp suất có ích trung bình pe
- Hiệu suất chỉ thị η i : là tỷ số giữa phần nhiệt lượng chuyển thành công mà ta thu được và nhiệt lượng mà nhiên liệu tỏa ra :
- Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge
GVHD : HỒ PHI LONG 21 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
6 Tính thông số kết cấu của động cơ :
- Tính thể tích công tác Vh
Thể tích công tác của một xylanh động cơ
Thể tích của 3 xy-lanh : V = 546×3 = 1638 ( ) cm 3
Với : τ = 4 - số chu kỳ của động cơ i = 3 - số xylanh của động cơ ne = 2800 v/p - số vòng quay của động cơ
Ne = 26,1 kW - công suất động cơ pe = 0,683 MN/m 2 - áp suất có ích trung bình
GVHD : HỒ PHI LONG 22 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
7 Bảng kết quả tính toán :
8 Bảng so sánh chế độ làm việc tương ứng với hệ số dư lượng không khí α khác nhau : α Ne ge Nuy_e Tz Pz Tb
TT Thông số Đơn vị α = 1,6 TT Thông số Đơn vị α = 1,6
23 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Hình 1 : Sự thay đổi công suất theo hệ số dư lượng không khí α
Hình 2 : Biến thiên suất tiêu hao nhiên liệu theo hệ số dư lượng không khí
GVHD : HỒ PHI LONG 24 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Hình 3 : Thay đổi hiệu suất có ích theo hệ số dư lượng không
Hình 4 : Biến thiên nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz theo α
GVHD : HỒ PHI LONG 25 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Hình 5 : Biến thiên nhiệt độ cuối quá trình dãn nõ theo α
GVHD : HỒ PHI LONG 26 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
HẦN 2 : BẢN VẼ ĐỒ THỊ
GVHD : HỒ PHI LONG 27 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
I Đồ thị công chỉ thị :
- Thể tích cuối hành trình nén h c
- Thể tích cuối quá trình nạp a h c
- Dạng đường cong nén n 1 xn a a xn V p V p
Bằng cách thay giá trị Vxn đi từ Va đến Vc ta lần lượt xác định được các giá trị pxn
- Dạng đường công giãn nở n 2 xg z z xg V
Bằng cách thay giá trị Vxg đi từ Vz đến Vb ta lần lượt xác định được các giá trị pxg
- Dựng và hiệu đính đồ thị công
Để xây dựng đồ thị công chỉ thị của động cơ, trước tiên, cần nối liền các điểm đã xác định bằng một đường cong đều, tạo thành đồ thị công tính toán (đường cong nét đứt) Các bước hiệu chỉnh sau đây là cần thiết để hoàn thiện quá trình này.
Dùng đồ thị Brich xác định điểm đánh lửa sớm c’ và các điểm phối khí (mở sớm và đóng muộn của các xupap nạp, thải : r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công.
Dựng phía dưới đồ thị công nữa vòng tròn có bán kính R, tâm O là trung điểm của đoạn Vh
GVHD : HỒ PHI LONG 28 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Góc đánh lửa sớm và góc phối khí :
Loại động cơ ϕ s Xupap nạp Xupap thải ϕ 1 ϕ 2 ϕ 1 ϕ 2 Ôtô du lịch 15 20 50 55 25
Lấy từ tâm O một khoảng OO’ vẽ phía phải, với: OO' λ*R
= 2 (trong đó λ là thông số kết cấu, đã được chọn trước.)
Từ tâm O, chúng ta vẽ các tia tạo thành các góc với đường kính của nửa vòng tròn tâm O đã được vẽ trước đó Các góc này có thể được chọn dựa trên động cơ tham khảo.
Từ giao điểm các tia cắt nửa vòng tròn tâm O, chúng ta vẽ các đường song song với trục tung để cắt đồ thị công Từ những điểm này, ta xác định các điểm (c’, r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công.
Hiệu đính phần đường cong của quá trình cháy trên đồ thị công. Ở động cơ xăng áp suất cực đại (điểm z’) có tung độ pz’= 0.85 pz
Điểm z” là trung điểm đoạn thẳng qua điểm z’ song song vớI trục hoành và cắt đường cong giãn nở.
Điểm c” lấy trên đoạn cz’ với cc”= cz’/3.
Điểm b” là trung điểm của đoạn ab.
Sử dụng thước cong để kết nối tất cả các điểm xác định, chúng ta tạo ra một đường cong liên tục, từ đó hình thành đồ thị công chỉ thị của động cơ tính toán.
Bảng các trị số áp suất của MCCT của quá trình nén và dãn nở tính toán của động cơ : Áp suất nén Áp suất dãn nỡ
GVHD : HỒ PHI LONG 29 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GVHD : HỒ PHI LONG 30 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GVHD : HỒ PHI LONG 31 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
II Đồ thị lực khí thể :
Dựng trục hòanh (trục góc quay α ) nằm ngang bằng với đường po của đồ thị công chỉ thị
Trục trung thể hiện áp lực khí thể với tỉ lệ xích:
Việc xác định quan hệ giữa chuyển vị piston và góc quay alpha có thể xác định bằng phương pháp vòng tròn Brick như sau:
Từ điểm O’ trên đồ thị công chỉ thị, ta dựng tia O’A cắt đường tròn Brick tại một điểm Từ điểm này, ta tiếp tục dựng đường thẳng đứng (song song với trục áp suất) để cắt đồ thị công chỉ thị tại điểm tương ứng với các quá trình nạp, nén, dãn nở hoặc thải.
Tại giao điểm giữa đường gióng ngang và đồ thị lực khí thể, ta có thể xác định độ lớn của lực khí thể ứng với góc alpha Điểm cắt này trên đồ thị lực khí thể P k t = f(α) thể hiện mối quan hệ giữa lực khí thể và góc alpha.
Lần lượt cho góc alpha lớn dần (0 0 , 10 0 , 20 0 , 30 0 …) và tiến hành tương tự như trên ta được tập hợp các giao điểm trên đồ thị P k t = f ( )α
Nối các giao điểm nhận được bằng đường cong liên tục ta nhận được đồ thị biến thiên lực khí thể theo góc quay alpha P k t = f ( )α
Tại các đoạn cong của quá trình cháy, từ điểm c’ đến c” và z’ đến z”, cũng như quá trình thải sớm từ b’ đến b”, được thể hiện theo trình tự với bước tăng của alpha là 5 độ, bắt đầu từ góc 350 độ.
Trong khoảng alpha từ 350 đến 375, thường xảy ra sai sót do quá trình cháy mãnh liệt và áp suất trong xilanh đạt giá trị cực đại Do đó, cần chú ý thêm các giá trị alpha trung gian như 365, 370 và 375.
Hình 7 : Đồ thị lực khí thể P kt , lực quán tính P j , lực tổng hợp P ∑
PHẦN 3 : TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN
I Phân tích động học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền :
Nhiệm vụ phân tích động học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền là xác định quy luật chuyển động của pit-tông và thanh truyền, dựa trên quy luật chuyển động đã biết của trục khuỷu, với giả thiết rằng trục khuỷu quay với vận tốc góc ω = const.
Trong động cơ đốt trong kiểu pit-tông, cụm phát lực (pit-tông, thanh truyền, trục khuỷu ) chuyển động theo nguyên tắc sau :
- Pit-tông chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền