THUYẾT MINH ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NẠP THẢI

MỤC LỤC I Tổng quan hệ thống nạp thải: 1.Hệ thống nạp thải động xăng: .2 1.1 Nguyên lý làm việc: 1.2 Đặc điểm trình nạp thải động xăng: .2 II Khảo sát hệ thống nạp thải động M272 Sơ đồ nguyên lí hoạt động: Phân tích kết cấu: .8 2.1 Bầu lọc khơng khí: .8 2.2 Cổ góp nạp: 2.3 Cổ góp thải: 2.4 Bộ xúc tác chức năng: 10 2.5 Bộ giảm âm: .11 III.Tính tốn chu trình cơng tác động M272 12 1.Các số liệu ban đầu 12 Các thông số chọn 13 3.Tính tốn chu trình cơng tác 14 3.1 Quá trình nạp 14 3.2 Quá trình nén 15 3.3 Quá trình cháy 17 3.4 Quá trình giãn nở .19 3.5 Tính tốn thơng số chu trình cơng tác 20 3.6 Tính tốn thơng số có ích: 21 Tính tốn số thơng số kích thước 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 I Tổng quan hệ thống nạp thải: Hệ thống nạp thải có nhiệm vụ đưa hỗn hợp khơng khí- nhiên liệu vào buồng cháy để thực trình cháy động cơ, đồng thời đưa sản phẩm cháy từ buồng cháy thoát Hệ thống nạp thải phải đảm bảo cung cấp đủ lượng hỗn hợp có thành phần hồ khí thích hợp với chế độ hoạt động động cơ, thải sản phẩm cháy ngồi q trình thải, cho hiệu suất động lớn giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn 1.Hệ thống nạp thải động xăng: 1.1 Nguyên lý làm việc: Khơng khí ngồi trời hút vào xylanh động qua lọc khơng khí hầu hết bụi bẩn giữ lại, sau qua cảm biến lưu lượng cảm biến nhiệt độ khí nạp, thơng tin nhiệt độ lưu lượng khí nạp truyền ECU động cơ, tiếp dịng khí đến cổ họng gió qua bướm ga đến góp nạp Khí nạp từ góp nạp phân phối đến xylanh động kỳ nạp Kết hợp thơng tin từ cảm biến vị trí bướm ga ECU điều khiển lượng phun nhiên liệu tối ưu Sau hịa khí đốt cháy, khí thải dẫn vào đường ống thải tới góp thải vào xúc tác ba chức khí thải độc hại khử thành chất vô hại theo ống dẫn khí thải qua giảm âm ngồi mơi trường Một phần khí thải trích dẫn quay trở lại đường nạp qua van hồi lưu khí thải, để làm lỗng hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí nhằm hạn chế hình thành chất gây nhiễm q trình cháy 1.2 Đặc điểm trình nạp thải động xăng: Hai trình nạp thải liên quan mật thiết với nhau, tuỳ theo số kỳ động phương pháp thải nạp, có thời điểm chúng xảy lúc Vì phân tích q trình nạp cần lưu ý đến thông số đặc trưng trình thải, tức phải xét chung tượng q trình thay đổi mơi chất Trong động kỳ, q trình thay đổi mơi chất thực lúc bắt đầu mở xu páp thải (điểm b’ ) Từ b’ đến ĐCD nhờ chênh áp, sản vật cháy tự đường thải Sau đó, từ ĐCD tới ĐCT, nhờ sức đẩy cưỡng piston, sản vật cháy đẩy tiếp Tại ĐCT (điểm r ), sản vật cháy chứa đầy thể tích buồng cháy V c với áp suất pr > pthải, tạo chênh áp Δpr Chênh áp Δpr phụ thuộc vào hệ số cản, tốc độ dịng khí n qua xu páp thải vào trở lực thân đường thải Xu páp thải thường đóng sau ĐCT (đóng muộn ) nhằm tăng thêm giá trị “ tiết diện - thời gian “ mở cửa thải, đồng thời để tận dụng chênh áp Δpr qn tính dịng khí thải tiếp tục đẩy khí sót ngồi 1.2.1 Q trình nạp: Q trình nạp mơi chất vào xi lanh thực piston từ ĐCT xuống ĐCD Lúc đầu ( điểm r ), p r > pk (pk – áp suất môi chất trước xu páp nạp ) p r> pth nên phần sản vật cháy thể tích V c tiếp tục chạy ống thải, bên xi lanh khí sót giãn nở đến điểm r o từ trở đi, mơi chất bắt đầu nạp vào xi lanh P b' b r Pr Pk ro a Pth Vc Vh Pa Pa Pk Va V Hình1: Đồ thị cơng q trình trao đổi khí động kỳ Q trình nạp lệ thuộc vào nhiều yếu tố, khiến cho môi chất nạp vào xi lanh chu trình nhỏ lượng nạp lý thuyết, tính số mơi chất chứa đầy thể tích cơng tác Vh có nhiệt độ Tk áp suất pk mơi chất phía trước xu pap nạp (đối với động điêden) môi chất phía trước chế hồ khí (đối với động xăng) Các thơng số sau ảnh hưởng tới trình nạp : + Áp suất cuối trình nạp pa Áp suất cuối q trình nạp có ảnh hưởng lớn tới công suất động Muốn tăng áp suất cuối trình nạp người ta sử dụng biện pháp sau : - Tạo đường nạp có hình dạng khí động tốt, tiết diện lưu thơng lớn phương hướng lưu động thay đổi từ từ, ngoặt - Dùng xu páp có đường kính lớn dùng nhiều xu páp Động M272 sử dụng hai xu páp nạp hai xu páp thải cho máy, tăng lượng khí lưu thơng chu trình, tăng áp suất pa + Lượng khí sót : Cuối q trình thải, xi lanh cịn lưu lại sản vật cháy gọi khí sót Trong q trình nạp, số khí sót giãn nở, chiếm chỗ xi lanh trộn với khí nạp ,làm giảm lượng khí nạp Vì giảm lượng khí sót làm tăng lượng khí nạp vào , làm tăng công suất động Các biện pháp sau làm giảm lượng khí sót : + Nhiệt độ sấy nóng mơi chất ΔT Đi đường nạp vào xi lanh, môi chất tiếp xúc với bề mặt nóng động cơ, sấy nóng tăng nhiệt độ lên gia số ΔT ΔT = ΔT t – ΔT b.h Trong : ΔT t- mức tăng nhiệt độ môi chất truyền nhiệt từ bề mặt nóng ΔT b.h - mức giảm nhiệt độ môi chất bay nhiên liệu ΔT = ÷ 20oC - động xăng + Nhiệt độ mơi chất cuối q trình nạp Ta Nhiệt độ mơi chất cuối trình nạp T a ảnh hưởng tới mật độ môi chất nạp vào xi lanh Tăng Ta làm giảm mật độ môi chất nạp vào xi lanh ngược lại Nhiệt độ môi chất cuối trình nạp T a lớn Tk ( nhiệt độ môi chất trước xu páp nạp ) nhỏ Tr ( nhiệt độ khí sót ) kết việc truyền nhiệt từ bề mặt nóng tới mơi chất tiếp xúc việc hồ trộn mơi chất với khí sót nhiều Các q trình diễn riêng lẻ đường nạp đồng thời xi lanh động - Hệ số nạp : Hệ số nạp ηv tỉ số lượng môi chất thực tế nạp vào xi lanh đầu trình nén đóng cửa nạp cửa thải so với lượng mơi chất lý thuyết nạp đầy vào thể tích cơng tác xi lanh V h điều kiện áp suất nhiệt độ môi chất phía trước xu páp nạp Mơi chất động xăng hồ khí khơng khí xăng tạo thành Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số nạp động kỳ bao gồm: áp suất p a nhiệt độ Ta môi chất cuối q trình nạp ; nhiệt độ sấy nóng mơi chất ΔT ; hệ số khí sót γr ; nhiệt độ Tr áp suất pr ; tỉ số nén ε; hệ số quét buồng cháy λ2 hệ số nạp thêm λ1 Những thơng số có liên hệ qua lại mật thiết với thông số lại phụ thuộc vào yếu tố khác Vì song song với việc phân tích ảnh hưởng thơng số riêng biệt phải phân tích ảnh hưởng tổng hợp chúng tới hệ số nạp η v theo chế độ làm việc cụ thể động - Các biện pháp làm tăng hệ số nạp giảm cản cho đường nạp : + Bình lọc Khi tìm cách giảm cản cho bình lọc, trước tiên phải ý tới hiệu lọc Phải đòi hỏi giảm trở lực tới mức nhỏ sở đảm bảo tốt hiệu lọc Trong lúc sử dụng cần thường xuyên bảo dưỡng bình lọc, tuyệt đối tránh không để dầu bẩn gây tắc lõi lọc giấy, phải thay lõi lọc kịp thời + Đường ống nạp : Hình dạng, kích thước ống nạp gây ảnh hưởng lớn tới hệ số nạp, tới mức độ phun tơi bay nhiên liệu phân phối số lượng thành phần hồ khí vào xi lanh, vấn đề tương đối phức tạp Nếu làm tiết diện ống nạp lớn để giảm cản làm tăng tiêu hao nhiên liệu thành phần hồ khí vào xi lanh khơng Vì số động xăng, muốn đạt yêu cầu tiêu hao nhiên liệu tải nhỏ, phải chấp nhận mát cơng suất cách dùng ống nạp có tiết diện nhỏ chút Và để hồ khí có thành phần khối lượng người ta cố ý gây ngoằn ngoèo vài đoạn ống + Các nhánh ống nạp tới xi lanh xu páp nạp: Trong hệ thống nạp động cơ, xu páp nạp nơi có tiết diện lưu thơng nhỏ nên trở thành phận quan trọng lực cản đường nạp Người ta thường giảm đường kính xu páp thải để tăng đường kính xu páp nạp, tăng hành trình cực đại, tăng tốc độ đóng mở xu páp, tăng thời gian giữ xu páp vị trí mở lớn để tăng khả lưu thông qua xu páp Cấu tạo nhánh ống nạp, phần sát với xu páp gây ảnh hưởng lớn tới lực cản đường nạp Muốn có hình dạng đường nạp tốt phải thử nghiệm mơ hình làm vật liệu dẻo đạt hiệu cao Các thử nghiệm đem lại kết có giá trị Phía trước xu páp nạp, thêm vấu nhơ trơn trịn tạo họng thắt hợp lý làm giảm cản cho đường nạp Nếu lắp ống Laval miệng vào xu páp nạp làm tăng lưu lượng hồ khí cách rõ rệt chạy tốc độ cao Mở rộng đường nạp tránh đường ngoặt gấp giảm bớt lực cản v.v… Dạng cửa vào phải thiết kế khơng khí vào quay xốy quanh trục xi lanh Độ xoáy thay đổi với kiểu kích cỡ buồng cháy sử dụng 1.2.2 Quá trình thải Nhiều vấn đề trình thải trình bày nghiên cứu trình nạp, giới thiệu bổ sung số vấn đề a- Thải công tiêu hao cho q trình thay đổi mơi chất : Để thải khí sót nạp đầy mơi chất vào xi lanh, hầu hết động đại sử dụng hiệu ứng động dao động áp suất hệ thống nạp thải nhằm tạo nên sóng áp dương khu vực xu páp nạp trước kết thúc q trình nạp tạo nên sóng áp âm khu vực xu páp xả trước kết thúc trình thải Ở động tăng áp người ta lợi dụng chênh áp từ đường nạp– xi lanh - đường thải để mở rộng, kéo dài thời kì trùng điệp xu páp để quét buồng cháy, thải khí sót nạp đầy mơi chất vào xi lanh b Vấn đề khử độc hại khí thải động : Khí thải từ xi lanh động mơi trường, ngồi sản vật cháy hồn tồn CO 2, H2O, N2, cịn chứa sản vật chưa cháy hoàn toàn, sản vật phân giải từ sản vật cháy từ nhiên liệu Nhiều chất khí thải độc sức khoẻ người : CO, NOX, khí SO2 H2S, alđêhit, hiđro bon thơm, hợp chất chì.Vì vấn đề đặt để giảm thiểu nhiễm mơi trường khí thải từ động cơ.Vấn đề giải theo hướng sau: hồn thiện chu trình làm việc động lắp thiết bị trung hoà hệ thống thải Để hồn thiện chu trình làm việc động thực giải pháp sau: - Tối ưu hoá cấu tạo buồng cháy để hạn chế hình thành HC - Tăng cường chuyển động rối chuyển động xốy lốc mơi chất - Tối ưu hoá tỷ số nén ε - Tối ưu hố vị trí đặt bugi - Cải thiện q trình phân phối khí cấu phân phối khí - Tối ưu hố kết cấu đường thải nhằm thải nạp đầy - Cải thiện chất lượng hình thành hồ khí - Giảm cơng suất tổn hao ma sát dẫn động cấu phụ động - Tối ưu hố q trình đánh lửa hệ thống đánh lửa điện tử chương trình hố - Dùng biện pháp phân lớp hồ khí đảm bảo cho khu vực cực bugi ln có α = 0,85÷0,90 để đảm bảo tồn buồng cháy α >1 nhằm giảm lượng CO NOX - Lắp thêm hệ thống van đường ống đảm bảo cho động hoạt động tốt chế độ không tải cưỡng bức, không gây ô nhiễm môi trường hoạt động chế độ II Khảo sát hệ thống nạp thải động M272 Sơ đồ nguyên lí hoạt động: 7 Hình2: Sơ đồ hệ thống nạp thải 1- Bộ lọc khơng khí; 2- Cổ họng gió; 3- Bộ góp nạp; 4-Đường ống nạp; 5- Đường ống thải; 6-Bộ xúc tác chức năng; 7- Bộ tiêu âm Nguyên lí làm việc: Khơng khí ngồi trời hút vào xylanh động qua lọc khơng khí hầu hết bụi bẩn giữ lại, sau qua cảm biến lưu lượng cảm biến nhiệt độ khí nạp, thơng tin nhiệt độ lưu lượng khí nạp truyền ECU động cơ, tiếp dịng khí đến đến góp nạp Khí nạp từ góp nạp phân phối đến xylanh động kỳ nạp Kết hợp thông tin từ cảm biến ECU điều khiển lượng phun nhiên liệu tối ưu Sau hịa khí đốt cháy, khí thải dẫn vào đường ống thải tới góp thải vào xúc tác ba chức khí thải độc hại khử thành chất vơ hại theo ống dẫn khí thải qua giảm âm ngồi mơi trường Phân tích kết cấu: 2.1 Bầu lọc khơng khí: Hình 3: Lưới lọc khơng khí Lọc khơng khí nhằm mục đích lọc khơng khí trước khơng khí vào động Nó có vai trị quan trọng nhằm làm giảm mài mòn động Chọn bầu lọc sử dụng kiểu lọc thấm, lõi lọc giấy.Phần lõi lọc phủ nhựa gia nhiệt để chống lại nước dầu tốt Nguyên lý: Khí vào lọc chỉnh hướng xoáy theo đường mái chèo với vận tốc lớn, hạt bụi lớn bị tách ly tâm thành hạt nhỏ sau bị giữ lại lớp giấy, khí hút vào động - Ưu điểm : + Giá thành không cao + Dễ chế tạo - Nhược điểm : + Tuổi thọ thấp + Chu kỳ thay ngắn 2.2 Cổ góp nạp: Nhiệm vụ cổ góp nạp phân phối khơng khí đến cổng nạp đầu xi lanh động Nó đóng vai trị giá treo cho hệ thống nhiên liệu thành phần khác động Cổ góp nạp chế tạo từ hợp kim nhôm để tăng sức bền đảm bảo mặt khối lượng Các nhánh ống nạp làm dài nhằm tối ưu hóa hình dáng đường nạp, đường bo đường nạp tạo hiệu ứng lưu động dịng khí nạp, làm tăng thêm lượng khí nạp chu trình, điều giúp cải thiện momen công suất phát động chạy tốc độ thấp trung bình Hình 4: Cổ góp nạp 2.3 Cổ góp thải: Nhiệm vụ cổ góp xả dẫn, gom khí thải từ đầu xi lanh lại đường ống Các ống dẫn cổ xả thông với để đảm bảo áp suất đường ống Vì nhiệt độ khí xả cao nên chọn vật liệu làm cổ xả gang để đảm bảo độ giãn nở nhiệt Đường kính cổ góp xả, chọn d= 54mm NOx + CO  N2 + CO2 (2) O2 + HC  CO2 + H2O (3) O2 + CO  CO2 (4) Bộ xúc tác ba chức phát huy tác dụng nhiệt độ làm việc lớn 300oC Khi vượt qua ngưỡng nhiệt độ này, tỉ số biến đổi chất ô nhiễm xúc tác tăng nhanh, tỷ lệ làm gần đạt đến 100% nhiệt độ 4000C 2.5 Bộ giảm âm: Trong giảm âm lắp đường ống thải động có van điều khiển nằm vị trí cân đóng nhánh rẽ tắt nhờ lị xo hồi vị Khi áp suất khí thải giảm âm thấp van đóng, dịng khí thải phải vịng qua buồng xốy đảo chiều vách ngăn làm giảm xung động áp suất khí thải từ làm giảm tiếng ồn Khi áp suất khí thải lớn lực hồi vị lò xo van mở tỷ lệ với áp suất khí thải, tạo điều kiện cho khí thải nhanh giảm phản lực đường ống thải Như nhờ có giảm âm cho phép động hoạt động êm dịu tốc độ thấp làm giảm phản lực tác dụng lên đường ống thải động hoạt động tốc độ trung bình cao Hình6: Bộ giảm âm III.Tính tốn chu trình cơng tác động M272 Mục đích phần tính tốn nhiệt động : + Tính tốn q trình nhiệt động (nạp, nén, cháy giãn nở thải) + Xác định tiêu kinh tế kỹ thuật kiểm nghiệm (xác định) kích thước động Kết tính tốn phần tính tốn nhiệt động tảng q trình tính tốn thiết kế động đốt 1.Các số liệu ban đầu Bảng 4-1 Thông số ban đầu Tên thông số Ký hiệu Thứ Giá trị ngun Cơng suất có ích Ne Tỷ số nén  Số vòng quay n Kw 200 10,7 Vịng/ phút 6000 Đường kính xi lanh D mm 92,9 Hành trình piston S mm 86 Số xi lanh i Số kỳ  Góc mở sớm xupáp nạp 1 Độ 220 Góc đóng muộn xupáp nạp 2 Độ 250 Góc mở sớm xupáp thải 3 Độ 420 Góc đóng muộn xupáp thải 4 Độ 150 Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị Áp suất khí nạp Pk MN/m2 0,1 Nhiệt độ khí nạp Tk K 298 Hệ số dư lượng khơng khí  Áp suất cuối kỳ nạp Pa MN/m2 0,09 Áp suất khí sót Pr MN/m2 0,11 Nhiệt độ khí sót Tr K 900 Độ sấy nóng khí nạp T 10 Chỉ số đoạn nhiệt m 1,5 Hệ số lợi dụng nhiệt z z 0,9 Hệ số lợi dụng nhiệt b b 0,95 Tỷ số tăng áp  Hệ số nạp thêm 1 1,02 Hệ số quét buồng cháy 2 Các thông số chọn Bảng 4-2 Thông số chọn Tên thông số Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t 1,17 Hệ số điền đầy đồ thị đ 0,97 3.Tính tốn chu trình cơng tác 3.1 Q trình nạp -  Hệ số khí sót r : r   Tk  T  p r Tr pa 1  p m  1   t   r   pa  (4-1) = 0,0437 - v Hệ số nạp :    pr  m  Tk pa  v   1   t       Tk  T p k   pa     v - (4-2) = 0,8597 Nhiệt độ cuối qúa trình nạp Ta[oK): Ta =   Tk  T   t r Tr  p a   pr   r m m (4-3) Ta = = 336,33[oK] - Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy kg nhiên liệu M0  Trong đó: C H Onl (   ) 0,21 12 32 M0 : (4-4) Thành phần kg nhiên liệu [kg) Nhiên liêu Xăng C H O 0,855 0,145 Khối lượng Nhiệt trị phân tử nl thấp QH [kg/kmol) [kj/kg) 114 43.995 Mo = 0, 5119 [kmol khơng khí/kg nhiên liệu] - Tính số mol khí nạp M1 [kmol khơng khí/kg nhiên liệu] Do động 1NZ-FE động phun xăng M  M  =  nl (4-5) = 0,52068[kmol không khí/kg nhiên liệu] 3.2 Q trình nén - Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình khơng khí m Cvkk [KJ/Kmol.K] =20,5106[KJ/Kmol.K] (4-6) - Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình sản phẩm cháy - Do 0,7< α