Thiết kế động cơ xăng không tăng áp

áp suất cuối quá trình nạp: paáp suất pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số nh chủng loại động cơ, tínhnăng tốc độ, hệ số cản trên đường nạp, tiết diện lu thông…Vì vậy cần xem xétđộng cơ đ

Chơng I Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong_động

cơ xăng

1.1: Trình tự tính toán :

1.1.1: Số liệu ban đầu:

1- Công suất của động cơ Ne = 150 (mã lực)

Sπ

4

10 100

90 π 2 − 6 = 0,74613 (l)

6 - Số xilanh i = 8

7 - Tỷ số nén ε = 6,5

8 - Thứ tự làm việc cuả xilanh 1 -5-4-2-6-3-7-8

9 - Suất tiêu hao nhiên liệu ge = 220 (g/ml.h)

10 - Góc mở sớm và đóng muộn của supap nạp α 1= 310 α 2 = 830

11 - Góc mở sớm và đóng muộn của supap thải β1 = 67 0 β2 = 470

12 - Chiều dài thanh truyền ltt = 185 (mm)

13 - Khối lợng nhóm pittong mpt = 1,187 (kg)

14 - Khối lượng nhóm thanh truyền mtt =1,272 (kg)

1.1.2: Các thông số cần chọn:

1 áp suất môi trờng: pk

áp suất môi trường pk là áp suất khí quyển trước khi nạp vào động cơ Vớiđộng cơ không tăng áp thì áp suất khí quyển bằng áp suất trớc supap nạp nên tachọn pk = p0

Ở nước ta chọn pk = p0 = 0,1 (MPa)

2 Nhiệt độ môi trờng: Tk

Nhiệt độ môi trường được lựa chọn theo nhiệt độ bình quân cả năm Vớiđộng cơ không tăng áp ta có nhiệt độ môi trờng bằng nhiệt độ trớc supap nạp nên :

Tk = T0 = 240C = 2970K

3 áp suất cuối quá trình nạp: pa

áp suất pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số nh chủng loại động cơ, tínhnăng tốc độ, hệ số cản trên đường nạp, tiết diện lu thông…Vì vậy cần xem xétđộng cơ đang thuộc nhóm nào để lựa chọn pa

áp suất cuối quá trình nạp pa có thể chọn trong phạm vi :

Mức độ sấy nóng môi chất ∆T chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành

khí hỗn hợp ở bên ngoài hay bên trong xilanh

7 Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt:λt

Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt λtđược chọn theo hệ số dữ lợng không khí α để hiệu

đính Thông thờng có thể chọn λt theo bảng sau:

λ1 =1,02 ữ 1,07

chọn λ1 = 1,02

10 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξz :

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξz phụ thuộc vào chu trình công tác củađộng cơ, thể hiện lợng nhiệt phát ra đã cháy ở điểm z so với lợng nhiệt phát ra khiđốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Với động Xăng chọn ξz = 0,85 ữ 0,92

Chọn ξz = 0,85

10 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξb :

Hệ số lợi dụng nhệt tại điểm b ξb tuỳ thuộc vào động cơ xăng hay Xăng.ξ

b bao giờ cũng lớn hơn ξz

.

1

2 1 1

Trong đó : m là chỉ số giản nở đa biến trung bình của khí sót có thể chọn:

m = 1,45 ữ1,5 chọn m = 1,45

Thay số vào ta có:

= 0,0699

2 : Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta :

Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta được tính theo công thức :

Ta =( )

r

m m

r

a r r t k

p

p T T

T

γ

γλ

1

Khi đó: Ta = ( )

0699,01

.1000.0699,0.1,16297

105 , 0

085 ,

0 1 , 45

1 45 , 1

T T k

a k

k v

12

1

1

εη

105 ,

0 1 , 45

1

.1.1,102,1.5,6.1,0

085,0.6297

297

15,6

v k

p g

p

.

10

Trong đó : p e là áp suất có ích trung bình được xác định theo công thức :

i n V

N p

h

e e

.

.

8 3100 74613 ,

0

4 7355 , 0 150 30

105 ,

0 1 , 45

1

1.1,102,1.5,6

1085

,0

105,0.1000

6297.1

γr

v k

p g

p

.

10

855 , 0 21 , 0

1

à α

−

Trong đó ànl - trọng lợng phân tử của xăng, thờng chọn ànl =114

Vậy thay số vào ta có:

α =

5120 , 0 114

1 5516 ,

= 1,0602 1.2.2: Tính toán quá trình nén:

1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí :

v

mc =19,806+0,00209.T = 19,806 + 0,00209.297=20,42673

2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy :

Khi hệ số dữ lợng không khí α >1, tính theo công thức sau:

″

v

634 , 1

36 , 187 86 , 427 ( 2

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hổn hợp trong quá trình nén m c ′v

v r

a mc mc

2 1

+

′

= +

″ +

γ

Thay số vào ta có: mc v′= 19,930 + 0,00216.297 = 20,57152

4 chỉ số nén đa biến trung bình n1 :

chỉ số nén đa biến trung bình phù thuộc rất nhiều thông số kết cấu và thông sốvận hành nh kích thớc xilanh, loai buồng đốt, số vòng quay, phụ tải, trạng tháinhiệt của động cơ… Tuy nhiên n1 tăng giảm theo quy luật sau:

Tất cả những thông số là cho môi chất mất nhiệt sẽ khiến cho n1 tăng

Chỉ số nén đa biến trung bình n1 đợc xác định bằng cách giải phơng trình :

( 1)

.2

314,81

1

' '

1

++

=

−

−

εn a

v

a n

Kiểm nghiệm lại ta có: n1 có thể chọn trong khoảng 1,340 – 1,390 Khi đó ta

có thể chọn n1= 1,374, Thử lại ta có:

1,374 – 1 = 19,930 0,00216.350,5( 1)

314,8

5 ,

6 1 , 374 1

+

Vế trái và vế phải bằng nhau, sai số co phép giữa hai vế < 0,2%

Vậy n1 = 1,374 thỏa mãn điều kiện trên

5 áp suất cuối quá trình nén pc:

áp suất cuối quá trình nén pc đợc xác định theo công thức:

pc= pa.εn1

= ( ) 6 , 5 1 , 374

085 ,

6 Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc:

Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc đợc xác định theo công thức:

Lợng môi chất công tác của quá trình nén đợc xác định theo công thức:

M c =M1+M r =M1(1 +γr) = 0 5516 (1 + 0 , 0699) = 0,590 (Kmol/kgn.l)

1.2.3 Tính toán quá trình cháy:

1 Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β0:

Ta có hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β0 đợc xác đinh theo công thức:

1 1

2

M

M M

M M M

0 4

145 0 ) 0602 , 1 1 ( 21 , 0

1 32 4 ) 1

à

Vậy :

0381 , 1 114

1 5120 , 0

* 0602 , 1

114

1 32

0 4

145 , 0 5120 , 0

* ) 0602 , 1 1 ( 21 , 0 1 1

1 32 4 )

1 (

= +

− +

à α

à

αβ

2 Hệ số thay đổi phân tử thực tế β: (Do có khí sót)

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế β đợc xác định theo công thức :

+

+

= +

+

=

0699 , 0 1

0699 , 0 0381 ,1 1

3 Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z βz : (Do cháy cha hết)

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế tại diểm z βz đợc xác định theo công thức :

βz =

χ γ

β

z r

1

1

+

− +

Trong đó : 0 , 9930

856 , 0

85 ,

b z z

Vậy : βz = 0 , 9930 1 , 0353

0699 , 0 1

1 0381 , 1 1

= +

− + β γ χz

r

4 Lợng sản vật cháy M 2:

Ta có lợng sản vật cháy M2 đợc xác định theo công thức:

M2 =M1+ ∆M = β0.M1 = 1 , 0381 0 , 5516 = 0 , 5726

5 Nhiệt độ tại diểm z Tz :

Đối với động cơ Xăng ta có nhiệt độ tại điểm z Tz đợc xác định bằng cách giảiphơng trình cháy sau:

r

H H

'.

1

) (

m c

z

r z

cv z

r z v

1

1

0 0

− +

′′

χ χ

χ χ

β

γ β

β γ β

( ) ( )

0 75 , 87284 488

, 30 00288

,

0

00314 , 0 71197 , 21 0353 ,1 8 , 705 00216 , 0 930 , 19 98

,

63372

.

0353 ,1 8 , 705 2 0699

⇔

+

= +

+

T T

T T

T T b a

b a

z z

z z

z z v z

v v

T T

Giải phơng trình này ta có Tz1= 2688 , 3 (Nhận)

Tz2= − 4806 , 88 (Loại)

6 áp suất tại điểm z pz:

Ta có áp suất tại điểm z pz đợc xác định theo công thức:

pz=λ pc

8, 705

3, 2688 0353 ,1

3 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2:

Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 đợc xác định từ phơng trình cân bằng sau:

vz vz

b z

r

H z

− +

−

=

−

2

1

.

314 ,

8 1

"

"

1

* 2

3 ,

2688

1 23 , 1 1

0

44000 85

, 0 856 , 0

314 , 8 1

230

,

1

+ +

+

− +

−

=

−

Ta thấy sai số gữa vế trái & vế phải < 0,2%: Thỏa mãn điều kiện

4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb:

Ta có công thức nhiệt độ cuối quá trình giản nở Tb:

K n

T

b

0 1

230 , 1

1 2688 , 3 1747 , 9

5 , 6

5 áp suất cuối quá trình giãn nở pb:

áp suất cuối quá trình giãn nở pb đợc xác định theo công thức:

4389 , 0 388 , 4

5 ,

6 1 , 230 2

0

105 ,

1 45 , 1 1

9,1747

p

p T

T

b

r m m

% 100 = <

rt

r rt

1 1

1 1 1

n

p

p c i

,

6 1 , 230 1 1 , 374 1

1 1

1 374 , 1

1 1

1 1 230 , 1

2567 , 0 1 5

2 áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi:

Do có sự sai khác giữa tính toán và thực tế do đó ta có áp suất chỉ thị trung bìnhtrong thực tế đợc xác định theo công thức:

ϕd i

i p

p = '

= 0,9410.0,929 = 0,8742 (Mpa) Trong đó: ϕd: Hệ số hiệu đính đồ thị công

ϕd : Chọn theo tính năng và chủng loại động cơ

3 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi:

Ta có công thức xác định gi:

T p M

p g

k i

k v

10 432

1

3η

297 8742 , 0 5516 , 0

1 , 0 8116 , 0 432.10 3

=

44000

80 , 244

10 6 ,

5 áp suất tổn thất cơ giới pm:

áp suất tổn thất cơ giới đợc xác định theo nhiều công thức khác nhau và đợcbiễu diễn bằng quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ Ta có tốc độcủa động cơ là:

(m/s)Theo số liệu thực nghiệm, có thể tính pm theo các công thức sau:

7164 , 0

8 Suất tiêu hao nhiên liệu ge:

Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu tính toán là:

72 , 298 8195 , 0

8 , 224

4 30 150

30

=

=

=

n i

p

N V

e

e h

τ

(dm3)

Sai số so với đề bài là 0,00071dm3, thỏa mãn điều kiện

958844,

9995

.14,3

10.74613,0.4

Căn cứ vào các số liệu đã tính pa, pc, pz, pb,n1,n2,ε ta lập bảng tính đờng

nén và đờng giãn nở theo biến thiên của dung tích công tác Vx = i Vc

(Vc- dungtích buồng cháy)

Với: 0,13566

15,6

74613,0

Ta có bảng tính quá trình nén và quá trình giãn nở:

i i.Vc Giỏ trị biểu px =pc Giỏ trị biểu px=pz.(p/i)^n2 Giỏ trị biểu

diễn (1/i^n1) diễn diễn 1.00 0.1357 30.7692 1.1147 55.8790 4.3888 220.0000 1.25 0.1696 38.4614 0.8202 41.1147 3.3354 167.1950 1.50 0.2035 46.1537 0.6383 31.9980 2.6654 133.6074 1.75 0.2374 53.8460 0.5164 25.8864 2.2050 110.5314 2.00 0.2713 61.5383 0.4298 21.5443 1.8710 93.7898 2.50 0.3391 76.9229 0.3162 15.8519 1.4219 71.2781 3.00 0.4070 92.3075 0.2461 12.3369 1.1363 56.9591 4.00 0.5426 123.0766 0.1657 8.3065 0.7977 39.9842 5.00 0.6783 153.8458 0.1219 6.1117 0.6062 30.3871 6.00 0.8140 184.6150 0.0949 4.7565 0.4844 24.2827 6.50 0.8818 199.9995 0.0850 4.2608 0.4390 22.0059

Để thuận tiện cho việc vẽ đồ thị công ta chọn đờng po và đờng 1Vc làm trục toạ độ Từ đó

ta có bảng số liệu tơng ứng là:

i i.Vc

Giỏ trị biểu diễn

px =pc.

(1/i^n1)

Giỏ trị biểu diễn px=pz.(p/i)^n2

Giỏ trị biểu diễn 1.00 0.1357 0.0000 1.1147 50.6182 4.3888 215.7392 1.25 0.1696 7.6922 0.8202 35.8539 3.3354 162.9342 1.50 0.2035 15.3845 0.6383 26.7372 2.6654 129.3466 1.75 0.2374 23.0768 0.5164 20.6256 2.2050 106.2706 2.00 0.2713 30.7691 0.4298 16.2835 1.8710 89.5290 2.50 0.3391 46.1537 0.3162 10.5911 1.4219 67.0173

5.00 0.6783 123.0766 0.1219 0.8509 0.6062 26.1263 6.00 0.8140 153.8458 0.0949 -0.5043 0.4844 20.0219 6.50 0.8818 169.2303 0.0850 -1.0000 0.4390 17.7451

Tung độ thờng chọn tơng ứng với pz khoảng 22cm, từ đó ta có thể suy ra đợc àv và

àp cho hợp lý:

200

8818 , 0 200

= Vc

V

ε à

220

3888 , 4

= z P

s s

s s

2

=

=

185 2

0966 , 6

s oo

c"

c'

c

b' b"

a r

P Z z

0

giá trị biểu diễn của R trên đồ thị:

às

R R

gtt

475 , 0

5 , 47

Từ gtbdO O′ và gtbdR ta có thể dựng đợc vòng tròn Brick.

*) Lần lợt hiệu đính các điểm trên đồ thị:

1.3.1 Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp: (Điểm a)

Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xách định góc đóng muộn xupap thải β2, bán kínhnày cắt vòng tròn Brick tại điểm a’, từ a’ gióng đờng song song với trục tung cắt đờng pa

tại điểm a Nối điểm r trên đờng thải (là giao điểm giữa đờng pr và trục tung) với a ta đợc

đờng chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình nạp

1.3.2 Hiệu đính áp suất cuối quá trình nén: (Điểm c’)

áp suất cuối quá trình nén thực tế do có hiện tợng phun sớm đối với động cơ Xăngnênthờng lớn hơn áp suất cuối quá trình nén lý thuyết pc đã tính Theo kinh nghiệm, áp suấtcuối quá trình nén thực tế pc’ đợc xác định theo công thức sau:

Vì đây là động cơ Xăng nên:

( ) (0,85.4,388 1,1127) 1,985

3

11127,185

,03

985 , 1

p

1.3.3 Hiệu đính điểm phun sớm: (Điểm c”)

Do có hiện tợng phun sớm nên đờng nén trong thực tế tách khỏi đờng nén lý thuyếttại điểm c” Điểm c” đợc xác định bằng cách: Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác địnhgóc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm θ, bán kính này cắt vòng tròn Brick tại một điểm.

Từ điểm này ta gióng song song với trục tung cắt đờng nén tại điểm c” Dùng một cungthích hợp nối điểm c” với điểm c’

1.3.4 Hiệu đính điểm đạt pz max thực tế.

áp suất pz max thực tế trong quá trình cháy – giãn nở không duy trì hằng số nh

động cơ Xăng(đoạn ứng với ρ Vc

) nhng cũng không đạt trị số lý thuyết nh độngcơ xăng Theo thực nghiệm điểm đạt trị số áp suất cao nhất là điềm thuộc miền

3720 – 3750 tức là sau 120 - 150 sau điểm chết trên của quá trình cháy và giãn nở.(Đối với động cơ xăng ta chọn 120 )

• Hiệu đính điểm z của động cơ xăng :

- Xác định điểm z từ góc 120: Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định góc tơng ứngvới 3750 góc quay trục khuỷu, bán kính này cắt vòng tròn tại một điểm Từ điểmnày ta gióng song song với trục tung cắt đờng 0,85 pz tại điểm z

- Dùng cung thích hợp nối c’ với z và lợn sát với đờng giãn nở

1.3.5 Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình thải thực tế: (Điểm b’)

Do có hiện tợng mở sớm của xupap thải nên quá trình thải thực sự diễn ra sớm hơn lýthuyết Ta xác định điểm b’ bằng cách: Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định góc mởsớm xupap thải β1=670, bán kính này cắt vòng tròn Brick tại một điểm, từ điểm này tagióng đờng song song với trục tung cắt đờng giản nở tại điểm b’

1.3.6 Hiệu đính điểm kết thúc quá trình giãn nở (Điểm b”)

áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế p ′′b thờng tháp hơn áp suất cuối quá trình

giãn nở lý thuyết do xupap thải mở sớm Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định:

( ) (0,4389 0,105) 0,27195

2

1105,02

1

=

−+

=

−+

27195 , 0

thích hợp nối với đờng thải rr

Chơng II Tính Toán Động Học, Động Lực Học

2.1 Vẽ đờng biễu diễn các quy luật động học

piston S = 2R Vì vậy đồ thị đều lấy hoành độ tơng ứng với Vh của đồ thị công (từ điểm1Vc đến ε Vc).

2.1.1 Đờng biễu diễn hành trình của piston x = f(α ).

Ta tiến hành vẽ đờng biễu diễn hành trình của piston theo trình tự sau:

1: Chon tỷ lệ xích góc: thờng dùng tỷ lệ xích (0,6 - 0,7) (mm/độ)

2: Chọn gốc toạ độ cách gốc của độ thị công khoảng 15 - 18 cm

3: Từ tâm O của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 100, 200 1800

4: Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm 100, 200

, 1800 tơng ứngtrên trục tung của đồ thị x = f(α ) ta đợc các điểm xác định chuyển vị x tơng ứng với các

góc 100, 200 1800

5: Nối các điểm xác định chuyển vị x ta đợc đồ thị biểu diễn quan hệ x = f(α ).

2.1.2 Đờng biểu diễn tốc độ của piston ν = f(α).

Ta tiến hành vẽ đờng biễu diễn tốc độ của piston ν = f(α) theo phơng pháp đồ thịvòng Tiến hành theo các bớc sau:

1: Vẽ nữa vòng tròn tâm O bán kính R, phía dới đồ thị x = f(α ), sát mép dới của bản

4: Từ các điểm chia trên nửa vòng tròn tâm O bán kính R kẻ các đờng song song vớitung độ, các đờng này sẽ cắt các đờng song song với hoành độ xuất phát từ các điểmchia tơng ứng trênvòng tròn tâm O bán kính là 2

Đồ thị này biễu diễn quan hệ ν = f(α) trên toạ độ cực

2.1.3 Đờng biễu diễn gia tốc của piston: j= f (x)

Ta tiến hành vẽ đờng biễu diễn gia tốc của piston theo phơng pháp Tôlê

04,7844

789,3720

186 , 48 80

94 , 3854

gtt

3 Từ điểm A tơng ứng điểm chết trên lấy AC = jmax, từ điểm B tơng ứng điểm chết dới

lấy BD = jmin, nối CD cắt trục hoành ở E, lấy λ ω2

2.2.1.Các khối lợng chuyển động tịnh tiến:

- Khối lợng nhóm piston mnpt đợc cho trong số liệu của đầu bài(kg)

- Khối lợng của thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m1:

Khối lợng của thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m1 có thể tra trong các sổtay, có thể cân các chi tiết của nhóm để lấy số liệu hoặc có thể lấy gần đúng theo bản vẽ:Hoặc có thể lấy theo công thức kinh nghiệm sau:

+ Thanh truyền của động cơ ô tô:

m1= (0,275ữ0,285)mtt

Với : mtt = 1,272 (kg) là khối lợng của thanh truyền (cho trớc).

Khi đó ta chọn: m1 = 0,28.1,272 = 0,35616 (kg)

Vậy ta xác định khối lợng chuyển động tịnh tiến:

54316 , 1 35616 , 0 187 , 1

+

= mnpt m

2.2.2.Các khối lợng chuyển động quay:

Khối lợng chuyển động quay của một khuỷu bao gồm:

- Khối lợng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt:

91584 , 0 35616 , 0 272 ,11

(kg)Trong đó:

dch: Là đờng kính ngoài chốt khuỷu dch= 65(mm)

δch: Là đờng kính trong chốt khuỷu δ ch= 0 (mm)

lch : Là chiều dài chốt khuỷu lch= 48 (mm)

ρ: Là khối lợng riêng của vật liệu làm chốt khuỷu ρ = 7800(kg/mm3

)Khi đó khối lợng của chốt khuỷu đợc tính:

=

mch ( ) ( ) . 7800 1 , 241

4

048 , 0 0 065 , 0 14 , 3 4

α cos α + λ cos 2 α pj=−m.j=−mRω (cosα +λcos2α)

Ta tiến hành vẽ đờng biểu diễn lực quán tính theo phơng pháp Tôlê nhng hoành độ đặt

trùng với đờng Po ở đồ thị công và vẽ đờng - pj

= f(x) (tức cùng chiều với

j = f(x)) Tiến hành theo các bớc:

1 Chọn tỷ lệ xích để của pj

là àp(cùng tỷ lệ xích với áp suất pkt) (MPa/mm), tỷ lệ

xích àxcùng tỷ lệ xích với hoành độ của j =f(x)

- Lực quán tính tịnh tiến cực đại:

F

p

pt jm

= (MPa)Chú ý: Trong công thức trên (m) kg; (R) m;(ω) Rad/s ;(Fpt) m2

suy ra đơn vị của

lực quán tính (Pjmã) = N / m2=Pa

Ta đổi ra Mpa khi đó ta có:

Vậy ta đợc giá trị biểu diễn pj max

là :

gtbdp

4,650443468,

0

9,2

0

31,01.471.046,0.319,1)1.(

R

m ω λ

(MPa)Vậy ta đợc giá trị biểu diễn pj min là:

8,330443468,

0

5,1

,0

471.31,0.046,0.319,1.3

1 , 2

=

=

àp EF

gtt

(mm)

3 Từ điểm A tơng ứng điểm chết trên lấy A’C’= pj max

,từ điểm B tơng ứng điểmchết dới lấy B’D’= pj min

,nối C’D’ cắt trục hoành ở E’;lấy E’F’về phía B’D’ nối