BÀI TẬP LỚN NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ đốt TRONG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢIKHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BÀI TẬP LỚN NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chương 1 CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN –VÀ CHỌN CHẾ ĐỘ TÍNH TOÁN... Đa số trong đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

BÀI TẬP LỚN

NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương 1 CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN –VÀ CHỌN CHẾ ĐỘ TÍNH TOÁN

n là tốc độ tối thiểu mà động cơ làm việc được ở chế độ toàn tài nếu thấp hơn một chút động cơ sẽ

chết máy

M

n : Tốc độ lúc đạt mômen có ích cực đại ở chế độ toàn tài Memax .

e

n : Tốc độ đạt công suất cực đại ở chế độ toàn tài Nemax.

Đa số trong động cơ Diesel và một số ít động cơ xăng của xe tải có bộ hạn chế tốc độ, thaynebằng

hd

n .

hd

n : Tốc độ hiệu đỉnh (Tốc độ hạn chế)

Và thay Nemax bằng Nhd

hd

N : Công suất hiệu đỉnh do nhà sản xuất thông báo.

CÁC TỐC ĐỘ CHỌN NHƯ SAU

- Động cơ xăng không có hạn chế tốc độ

min

n  (15 20)%.5200 

 nmin  15%.5200 780  vòng/phút

n  50%.n

 nM  50% 5200 2600  vòng/phút

Chương 2 NHIÊN LIỆU VÀ HỖN HỢP CÁC SẢN PHẨM CHÁY

1/Chọn nhiên liệu và thành phần của nhiên liệu:

Chọn nhiên liệu cho động cơ xăng:

Dựa theo tỷ số nén ĐC theo cách chọn như sau:

Vì dựa theo tỷ số nén   10,7 ta chọn xăng có nhiệt trị

 hu=10400 Kcal/kg

Thành phần của xăng:

Thành phần gồm có Cacbon gCHydro gH

C

g  0,85 và gH  0,15

2/Chọn hệ số dư không khí α:

Vì tính nhiệt độ ở chế độ toàn tải nên phải chọn α công suất:

0,85 0,95 (0,9

Lượng nhiệt tổn hao do thiếu ôxy cháy không hết vì   1:

u

h 14740.(1  ) 14740.(1 0,9) 1474

3/ Lượng không khí lý thuyết L0 cần để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu: L0

0 0

8

8

3

0, 23

l g c g H g



8 0,85 8.0,15 0 3

0, 23

=

1040

69 =15,07 (Kgkk / Kgnl)

4/ Lượng không khí thực tế để đốt 1kg nhiên liệu:

0

l   1  0,9.15,07 13,56(kgkk / kgnl) 

5/ Thành phần sản phẩm cháy Gi :

G g (2 1) 6 g ( 1) 0,85.(2.0,9 1) 6 0,15.(0,9 1) 2,16

(kg)

G 2.(1 ) g 3 g 2.(1 0,9) 0, 3.0,15 0, 61

        

(kg)

G  9 0,1 5 1,  3 (kg)

N2 0 4

G  0,77 .1   0,77 0 15, 7 , 9 0  10 , 4 (kg)

Kiểm tra lại:

0

1 1

i

    

 GCO2 GCO GH20 GN2   l0  1 l  1

+,GCO2 GCO GH20 GN2 2,16 + 0,61 + 1,35 + 10,44 = 14,56

+,   l0 1 0,9.15,07 + 1 =14,563

Sai số là:

14,563 14,56

100% 0,02% 5%

14,56

=> thỏa mãn

6/ Tỷ lệ thành phần sản phẩm cháy gi :

g % G / G    G / Gspc

CO2

g =

CO2 CO2 CO H20 N2

0,15

G + G + G + G  14,56 

CO

g =

CO CO2 CO H20 N2

0,04

G + G + G + G  14,56 

H20

g =

H20 CO2 CO H20 N2

0,09

G + G + G + G  14,56 

N2

g =

N2 CO2 CO H20 N2

0,72

G + G + G + G  14,56 

i CO2 Co H20 N2

g g g g g 0,15 0,04 0,09 0,72 1

=> Sai số trong giới hạn cho phép

7/ Hằng số của khí nạp trước lúc cháy:

Hằng số khí của hỗn hợp tươi Rhht

hht  kk. kk  xg. xg

kk 0 0

0,9.15, 07

g l / 1 1 0,93

(0,9.15, 07 1)

xg 0

1

g 1/ l 1 0, 07

(0,9.15,07 1)



xg

R  8,5 KGm/kg.độ (Hằng số khí của hơi xăng)

kk 29, 27 /

R  KGm kg độ (Hằng số khí của không khí.)

=> Rhht  g Rkk. kk  g Rxg. xg  0,93.29, 27 0,07.8,5 27,8161   kGm/kg.độ

8/ Hằng số khí của sản phẩm cháy Rspc

:

   =gCO2 RCO2 gCo RCO  gH20RH O2  gN2RN2

trong đó:

2 19,3 / kg.

CO

30,3 KGm / kg.

CO

2 47,1 KGm / kg.

H O

2 30,3 KGm / kg.

N

2 26,5 KGm / kg.

O

spc

R  gCO2.RCO2 gCQ RCQ gH2O.RH2O gN2 RN2

= 0,15.19,3+0,04.30,3+0,09.47,1+0,72.30,3=30,162

9/ Hệ số biến đổi phân tử  :

30,162

1,08 27,8161

hht hht

R R





1

10 /Nhiệt dung của chất khí

I/ Hỗn hợp tuơi:

Nhiệt dung của hỗn hợp tươi Cvhht

vhht kk. vkk xg. vxg

C  g C  g C

Nhiệt dung của không khí:

C  0,165 0,000017.T Kcal / kg  độ

Nhiệt dung của hơi xăng:

vxg

C  0,35Kcal / kg.

độ

=>Cvhht = 0,93.(0,165 0,000017.T  c)   0,07.0,35   0,178 0, 0000158  Tc

II/ Sản phẩm cháy:

Nhiệt dung sản phẩm cháy Cvspc

vspc i vi

C   g C

C  0,186 0,000028.T  Kcal/kg.độ

C  0,171 0,000018.T  Kcal/kg.độ

C  0,150 0, 000016.T  Kcal/kg.độ

C  0,317 0,000067.T  Kcal/kg.độ

C  0,169 0, 000017.T Kcal / kg  độ

vspc i vi CO2 VCO2 CO VCO H2O H2O N2 VN2

C   g C  g C  g C  g C  g C

vspc

C 

0,15.(0,186 0, 000028.T  z)+0,04.(0,171 0,000018.T  z) +0,09.(0,317 0,000067.T  z)

+0,72.(0,169 0,000017 T   z)

= 0,19 0,000023.Tz 

Chương 3: QUÁ TRÌNH NẠP 1/ Xác định áp suất trung bình của quá trình nạp Pa

Tính theo nhiều tốc độ nmin, n , nM e ở chế độ toàn tài dùng công thức gần đúng sau đây của Giáo sư

tiến sĩ Lenin J.M

3,5 2 2

2

1

Pa 1

h tb

V n

P

f

 

 



        

           

Ở đây

n (Tốc độ vòng quay tại chế độ tính toán)

e

min

M

h

V

= 1 lít = 0,001m3 : Thể tích công tác của 1 xi lanh qui ước (m3)

2 0

P  1KG / cm

e

f Tiết diện lưu thông riêng ứng với 1 lít thề tích công tác và mỗi 1000 vòng/phút:

2 e

f  2,5 3, 0 cm /  lít.1000v /phút

0.5

 

 =10,7( Tỷ số nén của động cơ.)

0,65

  ( Hệ số tổn thất ở đường ống nạp, hệ số tốc độ )

4 5200 2

f f 2,5.10 =0,0013m / lít

e

 nmin 780  vg ph /

3,5

2

780

0,9980

0, 0013 0

0,001 1 10,7 0,5

520 10 , 65 10, 7 1

 



 nM  2600 vg ph /

3,5

2

0, 001 1

3

10,7 0,5

520 1

2600

0,978 0,0

0 013 0 ,65 10, 7 1

             

 ne  5200 vg ph /

3,5

2

5200

0,9131 0,0013 0

0,001 1 10,7 0,5

520 10 ,65 1 7 0, 1

             

.2/ Xác định nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta:

Động cơ 4 kỳ không tăng áp:

0

K 1

.

r

 









o o

T     t t 273(K

)

o

t  15 C : Nhiệt độ khí quyển ở điều kiện bình thường theo tiêu chuẩn quốc tế.

t

 : Nhiệt độ do các chi tiết nóng truyền cho hỗn hợp (hoặc không khí ở động cơ Diesel)

r

 : Hệ số khí sót

 P P T P 0

.T

r r









Pr, Tr: Áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nạp

=1,08: Hệ số biến đổi phần tử

 =1,2: Tỷ lệ nhiệt dung của khí trước khi cháy và sau khi cháy.

1 r

P

P

m m a r r



   

  

 

m 1, 28 : Chỉ số dãn nở đa biến.

Bảng để chọn Pr, Tr, và  t cho động cơ 4 kỳ.

Số

Thứ Nguyên

Động cơ Cacbuara tơ

min 780

   M 2600  c 5200

Pr KG / cm2 1,03 1,07 1,24

t

o

Hệ số khí sót r

1,03.318

0,0313 (10,7.0,9980 1,03) 1, 086.1000

r

1,03.313

0,0286 (10,7.0,9783 1, 03) 1,086.1100

r

1,03.308

0,0276 (10,7.0,9131 1,03) 1,086.1200

r

Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta

Đối với động cơ 4 kỳ không tăng áp được tính theo công thức sau đây

0

K 1

.

r

 









r

1,

8 1 28

P 1000 1,03

m m a r r

        

 

0

T T 318 0,0313 1, 2.993,119

342, 439 K 1

.

1 1 0,03 3 1, 2

r

 



r

1,

8 1 28

P 1100 1,07

m m a r r

        

 

0

T T 313 0, 0286 1, 2.1078,65

338, 405 K 8

.

1 1 0,02 6 1, 2

r

 



1 1,2 r

1,

8 1 28

P 1200 1, 24

m m a r r

        

 

0

T T 308 0,0276.1, 2.1122, 299

334,105 K

1 1 0,0276 1 2

.

,

r

 



3/ Khối lượng nạp được trong 1 chu kỳ cho Vh  1 lít Gnl :

Ở động cơ có 5000 vòng/phút sẽ có 2500 chu kỳ n loại động cơ 4 kỳ Ở đây tính cho Vh 1 lít vì ta

chưa xác định Vh của 1 xi lanh.

ckl 180 d

G  G  (mg / ck lít )

Trong đó :

180

G : Khối lượng hỗn hợp tươi (hay không khí) nạp cơ bản:

10 180

.( 0,5)

( 1)

a

a h a

P V

R T





 



Pa: Áp suất trung bình cuối kỳ nạp (KG / cm )2

h

V  0, 001 m

Ta Nhiệt độ trung bình cuối kỳ nạp K

Ra Rth  =27,8161(KG.m/kg.độ)

d

 - Hệ số điền đầy xi lanh do tính góc đóng muộn 2 của xupap nạp chọn như sau:

Bảng 2:

 nmin= 780 vg/ph => chọn d= 0,9

10 ckl 180 d

0,9980.0, 001.(10,7 0,5)

27,8161.342, 439.(1 1) .

0,7

 nM=2600 vg/ph => chọn d= 1,0

10 ckl 180 d

0,9783.0, 001.(10,7 0,5)

27,8161.338, 405.(10,7 1) 0

 ne= 5200 vg/ph => chọn d=1,1

10 ckl 180 d

0,9131.0, 001.(10, 7 0,5)

27,8161.334,105.(10, 7 1) 1

4/ Hệ số nạp v:

v ckl

lt

G G

 

0 lt

0 0

P G

.T

h

V R



hay

lt

P G

.T

k h

k k

V R



Trong đó:

h

V  0, 001 m

0

2 0

P 1KG / cm

=>

10 0

lt

0 0

P 1.0,001

.T 27,8161.288

h

V R

v

991,567

0,7938 1249

ckl lt

G G

v

1092,867

0,8749 1249

ckl lt

G G

v

1136, 476

0,9099 1249

ckl lt

G G

5/ Tính mức tiêu hao nhiên liệu trong một chu kỳ ứng với Vh  1 lít Gnlckl (cần để tính Tz ):

nlckl

0

G

1 0,9.15,07 1 14,563

l



 nmin  7 0 8 vg ph /

nlckl

991,567

14,563 14,563

ckl

G

 nM  260 0 vg ph /

nlckl

1092,867

14,563 14,563

ckl

G

 ne  520 0 vg ph /

nlckl

1136, 476

14,563 14,563

ckl

G

Bảng tổng hợp kết quả chương III

min

n 0,9980 993,119 1000 0,0313 1,03 342,439 68,088 991,567 0,7938

M

n 0,9783 1078,650 1100 0,0286 1,07 338,405 75,044 1092,867 0,8749

e

n 0,9131 1122,299 1200 0,0276 1,24 334,105 78,038 1136,476 0,9099

Chương 4:

QUÁ TRÌNH NÉN:

1/Áp suất cuối quá trình nén Pc:

1

Pc Pa.  KG / cm

1

n : Chỉ số nén đa biến tính theo công thức thực nghiệm sau đây:

1

n 1,38 0.03 e ( 1,3 1, 4)

tt

n n

 nmin  7 0 8 vg ph /

1

5200 1,38 0,03 1,38 0,03 1,18

780

e tt

n n

n

1 0,9980.10,71,18 16,36 kg / cm2

n

 nM  260 0 vg ph /

1

5200 1,38 0,03 1,38 0,03 1,32

2600

e tt

n n

n

 

1 0,9783.10,71,32 22,349 kg / cm2

n

 ne  520 0 vg ph /

1

5200 1,38 0,03 1,38 0,03 1,35

5200

e tt

n n

n

1 0,9131.10,71,35 22,397 kg / cm2

n

2 Nhiệt độ cuối kì nén Tc:

 

1 1

. n

T  T   K

 nmin  7 0 8 vg ph /

 

1 1 1,18 1

. n 342, 439.10,7 524,653

 nM  260 0 vg ph /

 

1 1 1,32 1

. n 338, 405.10,7 722,503

 ne  520 0 vg ph /

 

1 1 1,32 1

. n 338, 405.10,7 722,503

Chương 5:

TÍNH QUÁ TRÌNH CHÁY 1/Xác định nhiệt độ cuối quá trình cháy (Nhiệt độ cao nhất của chu trình) Tz:

 

 nlckl vhht T 1

G





   

 

nlckl

G : Mức nhiên liệu trong một chu kỳ sống với Vh1 lít Gckl : Khối lượng nạp được trong một

chu kỳ cho Vh ' 1 lít.

 : Hệ số dư không khí.

0

1 : Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu.

 - Hệ số sử dụng nhiệt có tính mất nhiệt vì phân ly các phần từ khí chọn theo tốc độ

(bảng 5)

Loại động cơ

min

Ta đã biết được Tc tính trong quá trình nén thay vào và rút gọn phương trình trên sẽ trở thành phương trình bậc 2 như sau:

2

.Tz .Tz 0

A  B   C

2 Xác định áp suất cuối quá trình cháy (cực đại của chu trình): Tz:

2 z

T

P P KG / cm

T

. z c c





Chương 6 TÍNH QUÁ TRÌNH GIÃN NỞ 1: Chỉ số dãn nở đa biến n2 :

2

n 1, 20 0,03 ne

n

Hay: n2 1, 20 0,03 nh

n



e hd:

n , n Tốc độ lúc đạt Nemax (hoặc nhd khi Nehd ).

n: Tốc độ tính toán nmin, n nM, e

2 Áp suất cuối qúa trình dãn nở: Pb

2

2 b

P

P z KG / cm

n





3 Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở Tb:

2

b 1

T

n

 



Chương 7:

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CHU TRÌNH

1: Tính áp suất trung bình thực tế Pe :

I/ Tính áp suất trung bình lý thuyết ở điều kiện nén và dãn nở đa biến Pt': (ở chu trình lý thuyết nén và dãn nở đọ ̣n nhiệt là Pt)

P P P P 1

t

P



      

2

c

P





            

II/ Tính áp suất chỉ thị trung bình ứng với đồ thị của chu trình Pi

1/ Đối với động cơ 4 kỳ:

2

Pi   Pt  Pi KG / cm 0,92 0,97

Pi: Tính mất nhiệt cho công bơm ở động cơ không tăng áp (công nạp và thải khí).

Pi Pa Pr

  

III/ Tính hiệu suất cơ học của động cơ ch

ch

P 1 P

ch i

  

p : Áp suất tổn hao vì nhiệt mất cho công cơ học (khắc phục ma sát và chuyển động các cơ cấu

phụ)

i

p : Áp suất chỉ thị trung bình ứng với đồ thị công của chu trình Pch tính theo công thức thực nghiệm

sau đây:

1/ Động cơ không tăng áp hoặc tăng áp bằng tuốc bin khí

p  0,5 0,13.V kG / cm 

p

V : Vận tốc trung bình của pittông ở tốc độ tính toán n S: Hành trình của pittong.

n: Số vòng quay của động cơ ở chế độ tính toán

Dựa trên Vtb đã chọn theo số vòng quay ở chế độ tính toán ta xác định Vtb ở các chế độ này để tính

ch

 .

IV/ Áp suất trung bình thục tế Pe:

2 ch

Pe Pi    kG / cm

max

Pe tại tốc độ nM

2: Tính suất hao nhiên liệu thực tế ge :

$

g/ML.h (gam/ m? l?c gi?)

i

e

ch

g

g





$ Trong đó:

ch

 : Hiệu suất cơ học

i

g : Suất hao nhiên liệu chi thị.

Động có xăng:

P

270000 (kg / ML.h)

i

i hht

g







3: Mức tiêu thụ nhiên liệu trong 1 giờ Gnl :

$Gnl  g Ne e Kg / h$

Vì đã tính Pe tại nM, và nmin nên Ne tính như sau:

$

min min emin emax eM emax

4: Công suất thụ ̣c tế Ne ở các tốc độ:

$ e

N

450.

e V i nh



 



$

Nhưng đến đây ta chưa xác định Vh của 1 xi lanh nên tại các tốc độ n , nmin M phải xác định Ne dựa

vào tỷ lệ

$

emin emax eM emax

N

5: Mô men có ích của động cơ Me :

$Me 716, 2 NeKGm

n

$

e

N : Công suất thực tế (mã lực).

n: Tốc độ vòng quay(vòng/phút)

6 Các hiệu suất của động cơ:

I/Hiệu suất nhiệt t (ứng với chu trình lý thuyết).

/ Động cơ xăng:

1

1 k



 

 

II/ Hiệu suất chỉ thị (íng vơi đồ thị công) $\eta_{i}$ :

(mới tính đến mức hoàn thiện quá trình phối khí và cháy)

632

i

i u

g h

 



III/ Hiệu suất thục tế e :

(Tính đến mức hoàn thiện quá trình phối khí, cháy và công cơ học)

632

u

g h

     

 $

Trong tính toán chính xác:   t  i  e

Chương 8

XÁC ĐIINH CÁC KÍCH THỨ̛C CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CO

Việc xác định các kích thước cơ bản của động cơ xuất phát từ các thông số:

emax

N : Công suất lớn nhất tại số vòng quay ne.

ehd

N : Công suất lớn nhất tại số vòng quay nhd.

P : Áp suất trung bình thực tế tại số vòng quay đạt Nemax, Nehd .

Từ công thức emax

P , N

450.

e V i nh



 



Xác định thể tích công tác Vh của một xi lanh rồi xác định đường kính D của xi lanh.

Còn hành trình S sẽ căn cứ vào tỷ lệ S / D do ta chọn và căn cứ D mà xác định sau đó kiểm tra lại

vận tốc trung bình mà pistton Vp

sơ với Vp

' khi đã chọn để tính Pch, nếu sai số  0, 05 m / sec thì

được nếu sai số lớn phải chọn lại S / D.

Chương 9

CÂN BÀNG NHIẾT CỦA ĐỘNG CO

Trong phần cân bằng nhiệt này sẽ tính xem toàn bộ lượng nhiệt do hỗn hợp cháy phát ra Q1 (ở chu

trình lý thuyết là lượng nhiệt cấp vào) phân bố như thế nào cho phần nhiệt sinh công có ích thực sự

  Ne

tức là Qe.

Phần nhiệt Qlm x theo nước làm mát và khí xả ra ngoài (ở chu trình lý thuyết đây là Q2 đưa ra nguồn

lạnh, mất theo định luật 2 của nhiệt động họ ̣c)

Phần Qch mất cho công cơ học.

Phần Qlntt : các tổn thất do cháy không hoàn toàn

Tại mỗi tốc độ tính toán các phần nhiệt trên tính như sau:

$

ln.tt t i ch i e





$ Trong phần nhiệt mất vì lý do lý hoá:

Nếu tính ở 3 chế độ ta có thể lập bảng sau đây để xác định các Q thành phần cần cho dựng đồ thị cân bằng nhiệt

_{\min }$

$\mathbf{n}_{\mat hbf{M}}$

$\mathbf{n}_{\mat hrm{e}}$

$\mathrm{Q}_{\mathrm{e}}=\eta_{\m

athrm{e}} \cdot 100 \%$

$\mathrm{Q}_{\mathrm{lm}

+\mathrm{x}}=\left(1-\eta_{\mathrm{t

}}\right) \cdot 100 \%$

$\mathrm{Q}_{\mathrm{ch}}=\left(\et

a_{\mathrm{i}}-\eta_{\mathrm{e}}\rig

ht) \cdot 100 \%$

ta_{\mathrm{t}}-\eta_{\mathrm{i}}\ri

ght) \cdot 100 \%$

CHƯƠNG X:CÁCH DỰNG CÁC ĐỒ THỊ KHI TÍNH NHIỆT

Đ 1: Dụ ̣ng đường đặc tính ngoài: N M Ge, e, e

a/ Tính ở 3 chế độ tốc độ ta có 3 điểm cho mỗi đường cong trên và vẽ chúng theo dạng các đồ thị mẫu qua 3 điểm đó (chú ý: Nemax tại n , Me emax tại nM, và gemin tại nmin trong khoàng nm ne ).

Nếu chỉ tính 1 tốc độ ne hay nhd mà muốn dựng đường đặc tính ngoài ta sẽ dùng các phương pháp

thực nghiệm sau đây:

Theo giáo sư Lav đec man:

M   a M ; n   b n

2 3

ex emax

       

         

       

2

ex eN

c d

      

2

      

Trong đó:

eN N

M , n : Mô men, tốc độ động cơ khi đạt công suất cực đại Nemax n , N ,g , Mx ex ex ex : Tốc độ,

công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và mô men ở chế độ tính toán

Các giá trị của các hệ số $a, b, c, d$, e, f ghi ở bảng sau:

Bảng 10:

Loại

$g_{e l}

$

N}$

Dielsel BC

TN

{ehd }}$

{ehd }}$

Buồng cháy

trước

{ehd }}$