Tính toán động cơ đốt trong cho xe ô tô Huynhdai Santafe 2.2L FE

quá trình và các thông số chi tiết để Tính toán động cơ đốt trong cho xe ô tô Huynhdai Santafe 2.2L FE, các đồ thị nhiệt động học và động lực học các cơ cấu trong động cơ, tính toán nhiệt ,động học và động lực học đi kèm code matlab để vẽ các đồ thị ,đánh giá và nhận xét quá trình tính toán qua đó cải thiện các thông số động cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC  BÀI TẬP LỚN CUỐI KỲ Mơn học: TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỘNG CƠ 2.2L TRÊN XE HYUNDAI SANTA FE 2012 Lớp: Thứ 4,5 tiết 7,8,9 GVHD: Lý Vĩnh Đạt SVTH MSSV Võ Phi Âu 19145120 Võ Bùi Tân Khoa 18145378 Nguyễn Quốc Tuấn 19145503 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 TRƯỜNG ĐH SPKT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc BỘ MÔN ĐỘNG CƠ NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN MƠN TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Họ Tên SV: Võ Phi Âu  MSSV: 19145120 Võ Bùi Tân Khoa MSSV: 18145378 Nguyễn Quốc Tuấn MSSV: 19145503 LỚP Thứ 2,3 tiết 7,8,9 NHÓM Số liệu ban đầu Loại động cơ: Diesel Số kỳ, : Cơng suất có ích, Pmax (kW): 145 Số vịng quay, n (vòng/phút): 3800 Tỷ số nén ε : 16 Hệ số dư lượng khơng khí α: 1,7 Làm mát bằng: nước Số xilanh i:  Nội dung thuyết minh 2.1 Tính tốn nhiệt xây dựng giản đồ cơng thị động 2.2 Tính tốn động lực học cấu piston – trục khuỷu – truyền  Nội dung vẽ 3.1 Bản vẽ đồ thị công thị P – V 3.2 Bản vẽ đồ thị P – , PJ, P1 3.3 Bản vẽ đồ thị quãng đường Sp, vận tốc Vp, gia tốc Jp piston Ngày giao nhiệm vụ : Tuần Ngày hoàn thành : Tuần GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký ghi rõ họ tên) PGS.TS Lý Vĩnh Đạt CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG 2.2L (TĂNG ÁP) TRÊN XE HYUNDAI SANTA FE 2012 STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi Động diesel, tăng áp Kiểu động Số kỳ  Số xilanh i 4 Thể tích cơng tác Vh 2199,6 cm3 Hành trình piston S 96 mm Đường kính xilanh B 85,4 mm Góc mở sớm xupap nạp 1 26 độ Trước ĐCT Góc mở sớm xupap xả 1 50 độ Trước ĐCD Góc đóng muộn xupap nạp 2 42 độ Sau ĐCD 10 Góc đóng muộn xupap xả 2 30 độ Sau ĐCT 11 Góc phun nhiên liệu sớm  10 độ 12 Công suất cực đại Pmax 145 kW n=3800 v/p 13 Mô men xoắn cực đại Tmax 421 Nm n=2500 v/p 14 Tỉ số nén  16:1 MỤC LỤC Chương 1: TÍN TỐN NHIỆT VÀ XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ CƠNG CHỈ THỊ 1.1 Các thơng số cần chọn cho tính tốn nhiệt 1.2 Tính tốn nhiệt 1.3 Tính tốn thơng số đặc trưng chu trình 12 1.4 Xây dựng hiệu chỉnh giản đồ công thị động 15 Chương 2: TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN 16 2.1 Động học piston 16 2.2 Động lực học cấu trục khuỷu – truyền 16 Chương 3: VẼ ĐỒ THỊ .18 3.1 Đồ thị P_V 18 3.2 Đồ thị chuyển vị X, vận tốc V, gia tốc J piston 18 3.3 Đồ thị Pkt, PJ, P1 20 3.4 Bảng giá trị theo góc α code Matlab .20 Chương 1: TÍNH TỐN NHIỆT VÀ XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ CƠNG CHỈ THỊ 1.1 Các thơng số cần chọn cho tính tốn nhiệt 1.1.1 Áp suất khơng khí nạp Po Áp suất khơng nạp chọn áp suất khí : Po = 0,1 [MN/m2] 1.1.2 Nhiệt độ không khí nạp To - Nhiệt độ khơng khí nạp phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình mơi trường, nơi xe sử dụng - Vì nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình ngày chọn tkk = 29oC, đó: To = (tkk + 273)oK = 302K 1.1.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp Po Động bốn kỳ tăng áp: Pk > Po nên Pk = 0,15 [MN/m2] 1.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp Tk Đối với động kỳ tăng áp khơng có làm mát trung gian Tk xác định công thức: T k =T Pk P0 ( ) m−1 m , đó: m - số nén đa biến trung bình khí nén, phụ thuộc vào loại máy nén (m = 1,5÷1,65) , thơng thường chọn 1,4 Tk ¿ 302 0,15 0,1 ( ) 1,4 −1 1,4 = 339K 1.1.5 Áp suất cuối trình nạp Pa - Trong q trình tính tốn nhiệt, áp suất cuối q trình nạp p a thơng thường xác định công thức thực nghiệm: - Với động bốn kỳ tăng áp: Pa = (0,88 ÷ 0,98).Pk - Vậy áp suất cuối trình nạp Pa = 0,9.Pk = 0,9.0,15 = 0,135 (MN/m2) 1.1.6 Chọn áp suất khí sót pr - Là thơng số quan trọng đánh giá mức độ thải sản phẩm cháy khỏi xilanh động Tương tự áp suất cuối q trình nạp pa, áp suất khí sót pr xác định quan hệ sau: - Đối với động diesel: Pr = (1,106 ÷ 1,115).Po - Vậy áp st khí sót Pr = 1,11.0,1 = 0,111 (MN/m2) 1.1.7 Nhiệt độ khí sót Tr - Phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp khí, mức độ dãn nở trao đổi nhiệt trình dãn nở thải - Đối với động diesel: Tr = 700 ÷ 900 K - Ta chọn: Tr = 800 K 1.1.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp ΔT - Khí nạp chuyển động đường ống nạp vào xilanh động tiếp xúc với vách nóng nên sấy nóng lên trị số nhiệt độ ΔT - Khi tiến hành tính tốn nhiệt động người ta thường chọn trị số ΔT vào số liệu thực nghiệm Đối với động diesel ΔT = 20÷40oC - Do ta chọn ΔT = 36 K 1.1.9 Chọn hệ số nạp thêm λ1 - Hệ số nạp thêm λ1 biểu thị tương quan lượng tăng tương đối hỗn hợp khí cơng tác sau nạp thêm so với lượng khí cơng tác chiếm chỗ thể tích V a Hệ số nạp thêm chọn giới hạn λ1 = 1,02 ÷ 1,07 - Ta chọn λ1 = 1,04 1.1.10 Chọn hệ số quét buồng cháy λ2 Đối với động tăng áp, ta chọn λ2 = 0,2 1.1.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt - Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp α nhiệt độ khí sót Tr Theo thực nghiệm thống kê động xăng λt chọn: Hệ số dư lượng khơng khí α 0,80 1,00 1,20 1,40 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt 1,13 1,17 1,14 1,11 - Thơng thường tính cho động diesel có α = 1,70 ÷ 2,20 ta chọn λt = 1,11 1.1.12 Hệ số lợi dụng nhiệt điểm Z ξZ - Hệ số lợi dụng nhiệt điểm Z ξ Z thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt trình cháy, hay tỉ lệ lượng nhiên liệu cháy điểm Z Hệ số lợi dụng nhiệt điểm Z ξ Z phụ thuộc vào chu trình cơng tác động - Bảng hệ số lợi dụng nhiệt Z Loại động Xăng Diesel Gas ξZ 0,75 ÷ 0,92 0,65÷ 0,85 0,80 ÷ 0,85 - Đối với động diesel ta chọn ξZ = 0,75 1.1.13 Hệ số lợi dụng nhiệt điểm b ξb - Hệ số lợi dụng nhiệt điểm b ξb phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động cao, cháy rớt tăng, dẫn đến ξb nhỏ - Bảng hệ số lợi dụng nhiệt b Loại động Xăng ξb 0,85 ÷0,95 Diesel: - Tốc độ trung bình - Cao tốc - Tăng áp 0,85÷ 0,90 0,80 ÷ 0,90 < 0,92 - Đối với động diesel tăng áp ta chọn ξb = 0,91 1.1.14 Chọn hệ số dư lượng khơng khí α - Hệ số α ảnh hưởng lớn đến trình cháy: - Đối với động đốt trong, tính tốn nhiệt thường phải tính chế độ cơng suất cực đại, hệ số dư lượng khơng khí chọn pham vi cho bảng sau: Loại động α Xăng 0,85 ÷ 0,95 Diesel: - Buồng đốt thống 1,45 ÷ 1,75 - Buồng đốt xốy lốc 1,40 ÷ 1,65 - Buồng đốt dự bị 1,35 ÷ 1,45 - Tăng áp 1,70 ÷2,20 - Ta chọn hệ số dư lượng khơng khí thuộc loại động diesel tăng áp có α =1,7 1.1.15 Chọn hệ số điền đầy đủ đồ thị công φd - Hệ số điền đầy đủ đồ thị công φd đánh giá phần hao hụt diện tích đồ thị cơng thực tế so với đồ thị cơng tính tốn - Hệ số điền đầy đủ đồ thị φd chọn theo số liệu kinh nghiệm theo bảng sau: Loại động Xăng Diesel: - Buồng cháy thống - Buồng cháy ngăn cách φd 0,93 ÷ 0,97 0,90 ÷ 0,95 0,92 ÷ 0,96 - Đối với động diesel buồng cháy thống ta chọn φd = 0,9 1.1.16 Tỷ số tăng áp - Là tỷ số áp suất hỗn hợp khí xilanh cuối trình cháy trình nén: λ= Pz Pc - Trị số λ thương nằm phạm vi sau : - Động diesel λ=1,35 ÷2,40 Pz - Ta chọn λ= Pc =1,5 Bảng thông số tự chọn Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Áp suất khơng khí nạp Po 0.1 MN/m2 Áp suất khí nạp trước xupap nạp Pk 0,15 MN/m2 Nhiệt độ khí nạp To 302 K Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp Tk 339 K Hệ số dư lượng khơng khí α 1,7 Áp suất cuối kỳ nạp Pa 0.135 MN/m2 Áp suất khí sót Pr 0,111 MN/m2 Nhiệt độ khí sót Tr 800 K Độ tăng nhiệt độ khí nạp ΔT 36 K Hệ số lợi dụng nhiệt z ξZ 0,75 Hệ số lợi dụng nhiệt b ξb 0,91 Tỷ số tăng áp suất λ 1,5 Hệ số nạp thêm λ1 1,04 Hệ số quét buồn cháy λ2 0,2 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt 1,11 Chỉ số nén đa biến m 1,4 Hệ số điền đầy đủ đồ thị công φd 0,9 1.2 Tính tốn nhiệt 1.2.1 Q trình nạp theo α 1.2.4.2 Tỷ số dãn nở sau ε 16 Động diesel: δ = ρ = 1,442 =11,09 1.2.4.3 Xác định số dãn nở đa biến trung bình (ξ b −ξ z ) Q H 8,314 = β mc vb ' ' T b−β z m c vz ' ' T z + ¿ M (1+γ r ) n2−1 - Các giá trị tỷ nhiệt m c vb ' ' m c vz ' ' xác định theo hàm tuyến tính nhiệt độ Tb Tz - Ở nhiệt độ từ 1200-2600 K, sai khác tỷ nhiệt khơng lớn lắm, ta xem a ' ' vb =a ' ' vz ; b ' ' b =b ' ' z ; β =β z , ta có: n2 −1= = 8,314 (ξb −ξ z ) Q H ¿ M (1+ γ r ) β ¿ ¿ 8,314 ( 0,91−0,75 ) 42530 +19,81+ 0,0021.(T z+ T b ) 0,841 ( 1+0,005 ) 1,03 ( T z−T b ) Đặt X = n2 – ; T b = Tz δ n2 – = Tz 11,09 X Từ suy : 8,314 => X = ( 0,91−0,75 ) 42530 +19,81+ 0,0021.(T z+ T b ) 0,841 ( 1+0,005 ) 1,03 ( T z−T b ) Thay T z = 2183,422 K => X = 0,236 = n2 – => n2 = 1,236 1.2.4.4 Nhiệt độ cuối trình giãn nở T b= Tz ε n 2−1 = 2183,422 =1237,468¿ ) 11,091,236−1 1.2.4.5 Áp suất cuối trình dãn nở Pb = Pz δ n2 = 8,91 1,236 = 0,455 ( MN/cm ) 11,09 1.2.4.6 Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót 1,4−1 Pr m−1 T r= T b ( ) m = 1237,468 ( 0,111 ) 1,4 = 826,952 K Pb 0,455 1.2.4.7 Sai số khí sót ∆Tr 26,952−800 100 % = 3,369% P m=0,089+0,0118.12,16 + ( 0,111−0,135 ) = 0,21 (MN/m2) 1.3.4 Áp suất có ích trung bình Pe =Pi−P m=1,19−0,21=0,98(MN /m 2) 1.3.5 Hiệu suất giới ηm = ηe P 0,21 =1− m =1− =0,824 ηi Pi 1,19 1.3.6 Hiệu suất thị ( ) ηi =8,314 M Pi T k 0,841.1,19 339 =8,314 =0,497 Q H P k ηv 42530.0,15.0,89 1.3.7 Hiệu suất có ích ηe =8,314 M Pe T k 0,841.0,98 339 =8,314 =0,41 Q H P k ηv 42530.0,15 0,89 1.3.8 Tính suất tiêu hao nhiên liệu thị gi = 3600 3600 = =0,1703(kg /KW h)=170,3( g/ KW h) Q H ηi 42530.0,497 1.3.9 Tính suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge = 3600 3600 = =0,2065(kg/ KW h)=206,5(g/ KW h) Q H ηe 43960.0,4 1.3.10 Tính tốn kết cấu thơng số động Thể tích cơng tác động : Vh V h động xilanh là: 2199,6 [ cm3 ] =>V h xilanh là: 549,9[ cm3 ] Đường kính piston: B= 85,4[ mm ] Hành trình piston: S= 96[ mm ] 1.3.11 Vẽ đồ thị công thị Xác định điểm đặc biệt đồ thị công: - Điểm a: điểm cuối hành trình hút, có áp suất Pa thể tích: V a =V h+ V c V V +V V 549,9 a h c h Với: ε = V = V =1+ V =1+ V =16 c c c c  V c= V h 549,9 3 = =36,66( c m )=0,00003666(m ) ε −1 16−1  V a =549,9+ 36,66=586,56 (c m3 )=0,00058656(m3 )  a (0,000058656; 0,135) - Điểm c (Vc, Pc): điểm cuối hành trình nén  c (0,00003666; 5,94) - Điểm z (Vz, Pz): điểm cuối hành trình cháy Trong đó: Vz = .Vc  z (0,00005286; 8,91) - Điểm b (Vb, Pb): điểm cuối hành trình giãn nở với Vb = Va  b (0,00058656; 0,455) - Điểm r (Vr, Pr): điểm cuối hành trình thải  r (0,00003666; 0,111) + Dựng đường cong nén: Trong hành trình nén, khí xilanh bị nén với số nén đa biến trung bình n1, từ phương trình: V Pa V =Pxn V → Pxn =Pa a V xn n1 a n1 xn ( ) n1 =0,135 ( 0,000058656 V xn 1,365 ) Trong đó: Pa, Va áp suất thể tích khí điểm a Pxn,Vxn áp suất thể tích điểm đường cong nén Từ ta tính được: Dựng đường cong giãn nở: Trong trình giãn nở, khí cháy giãn nở theo số giãn nở đa biến n n2 Tương Vz ,00005286 n n tự ta có: P z V z =P xg V xg → Pxg =Pz V =8,91 V xg xg 2 ( ) ( 1,236 ) Trong đó: Pxg,Vxg là áp suất thể tích khí điểm đường cong giãn nở 1.4 Xây dựng hiệu chỉnh giản đồ công thị động 1.4.1 Quá trình nạp - Xupap thải đóng muộn sau TDC 30°, nội suy đường cong từ 0° - 30° - Dựng đường đẳng áp từ 30° đến 180° (0,135 MN/m2) 1.4.2 Quá trình nén - Nội suy đường cong từ 180° đến 350° (góc phun dầu sớm) - Nội suy đường cong từ 180° đến 360°, vẽ đường đẳng tích Vc với áp suất từ 4,956 MN/m2 (do điều kiện cc’’=1/3 cz’) đến 6,93 MN/m2 1.4.3 Quá trình cháy – giãn nỡ - Nội suy đường cong từ 360° đến 370° qua điểm z’ - Nội suy đường cong từ 370° đến 380° qua điểm z’’ - Vẽ đường cong giãn nỡ từ 380° đến 490° (Xupap thải mở sớm ) 1.4.4 Quá trình thải - Nội suy đường cong từ 490° đến 580° qua điểm b’’ (0,282 MN/m2 ) điểm b’(0,12833 MN/m2) - Vẽ đường đẳng áp (0,111 MN/m2 ) từ 580° đến 720° Chương 2: TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC – CƠ CẤU TRỤC KHUỶU –THANH TRUYỀN 2.1 Động học piston Vì chu kỳ chuyển vị, vận tốc gia tốc lặp lại nên cần xét α ∈ [0,360o] Chọn λ=0,25 2.1.1 Chuyển vị piston Chuyển vị piston xilanh tính theo cơng thức sau: λ x = R [(1 – cos(α) + (1- cos(2α)], với α=[0,720o] 2.1.2 Tốc độ piston Tốc độ piston tính theo cơng thức sau: λ v p =¿ Rω ¿ (α)+ sin ( α )], với α=[0,720o] 2.1.3 Gia tốc piston Gia tốc piston tính theo công thức: J = Rω 2[cos(α)+ λ cos(2α)], với α=[0,720o] 2.2 Lực quán tính chi tiết chuyển động 2.2.1 Khối lượng cấu khuỷu trục – truyền - Khối lượng nhóm piston (khối lượng chi tiết chuyển động tịnh tiến): m np = 260 (kg/m2) - Khối lượng nhóm truyền: mtt = 350 (kg/m2) Để đơn giản cho việc tính tốn sai số khơng đáng kế nên ta chọn phương pháp dùng khối lượng thay Khối lượng thay tính theo cơng thức: m A =mtt 0,3 = 350.0,3 = 105 (kg/m2) Khối lượng chuyển động tịnh tiến cấu khuỷu trục – truyền m j =m np +m A = 260+105 = 365 (kg/m2) 2.2.2 Lực quán tính khối lượng chuyển động tịnh tiến P j=−m j R ω 2.(cos(α)+ λ cos(2α)) ( MN/m2 ) 2.2.3 Lực tổng cộng P1 P1=Pkt + P j ( MN/m2 )