MÔN HỌC: TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BÁO CÁO Đề tài : Tính toán cho động cơ xe Sedan loại GDI tăng áp Loại động cơ 2.Nội dung thuyết minh Chọn các thông số tính toán nhiệt: Chương 2 Tính toán nhiệt: Chương 3 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình: Chương 4
CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ XE SEDAN ĐỘNG CƠ XĂNG LOẠI GDI – TĂNG ÁP 2,5L
XE SEDAN ĐỘNG CƠ XĂNG LOẠI GDI – TĂNG ÁP 2,5L
- Môi trường sử dụng động cơ: Mỹ
- Kiểu, loại động cơ: động cơ xăng tăng áp, số kỳ 𝜏: 4 kỳ
- Số xilanh, i và cách bố trí các xilanh: 4 xy lanh, i4 thẳng hàng
- Số vòng quay thiết kế, n: 5800 (v/ph)
- Kiểu buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp: buồng cháy thống nhất
- Kiểu làm mát: bằng nước
- Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích, g𝑒: 300 (g/Kw.h)
- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp và thải
- Chiều dài thanh truyền, L: 176 (mm)
- Khối lượng nhóm piston, 𝑚𝑛𝑝: (kg)
- Khối lượng nhóm thanh truyền, 𝑚𝑡𝑡: (kg)
- Chọn thông số kết cấu λ = R/L = 1/4
- Xác định cao tốc động cơ:
CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN NHIỆT
Áp suất không khí nạp ( P 0 )
Nhiệt độ không khí nạp mới ( T 0 )
Miền Nam nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là t kk )℃ cho khu vực miền nam, do đó:
Áp suất khí nạp trước xupap nạp ( Pk )
Động cơ xăng 4 kỳ, tăng áp P k =(0,14÷0,4)→ chọn P k =0,17Mpa
Nhiệt độ khí nạp trước xuppap nạp ( Tk )
Đối với động cơ xăng 4 kỳ tăng áp nếu không có làm mát trung gian T k được xác định bằng công thức
Áp suất cuối quá trình nạp (𝐏a)
Áp suất cuối quá trình nạp đối với động cơ tăng áp ta có thể chọn trong phạm vi:
Áp suất khí sót Pr
Áp suất khí sót đối với động cơ xăng P r có thể chọn trong phạm vi:
Nhiệt độ khí sót ( Tr )
Giá trị T r của động cơ xăng có thể chọn trong phạm vi:
Độ tăng nhiệt độ khi nạp mới
Động cơ xăng: ΔTT =0 ÷ 20 ℃→chọn ∆T℃
Hệ số nạp thêm λ 1
Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn λ 1=1,02÷1,07→ chọn λ 1 =1,04
Hệ số quét buồng cháy λ 2
Động cơ tăng áp: λ 2=0,1÷0,2→ chọn λ 2 =0,2
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt
Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt λ t phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót T r Đối với động cơ xăng, thường chọn α trong khoảng 0,85 đến 0,92, từ đó xác định λ t là 1,15.
2.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( ξz z ) là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( ξz z ) phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ. Đối với động cơ xăng ξz z trong khoảng 0,75 ÷ 0,92; chọn ξz z = 0,83
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ( ξzb )
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξzb) phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tốc độ động cơ và mức độ cháy rớt có ảnh hưởng lớn Khi tốc độ động cơ tăng, cháy rớt cũng tăng theo, dẫn đến giá trị ξzb giảm Đối với động cơ xăng, hệ số này thường nằm trong khoảng 0,85 đến 0,95, và giá trị được chọn là ξzb = 0,9.
Hệ số dư lượng không khí α
Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy đối với động cơ xăng 4 kỳ nằm trong khoảng 0,85 ÷ 0,95 ; chọn α = 0,85
Chọn hệ số điền đầy đồ thị công φdd
Hệ số điền đầy đồ thị công φd d phản ánh mức độ hao hụt diện tích giữa đồ thị công thực tế và đồ thị công tính toán Động cơ xăng ga hoạt động trong khoảng này cần được đánh giá kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu suất.
Tỷ số tăng áp
Tỷ số λ là tỷ lệ giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén Đối với động cơ xăng, trị số λ thường nằm trong khoảng từ 3 đến 4, và giá trị được chọn là λ=3,5.
TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Quá trình nạp
0.17 [10.1,04−1,15.0,2 ( 0,120,15) 1,5 1 ] ¿0,9725 Trong đó: m - chỉ số đa biến trung bình của không khí, m = 1,45 ÷ 1,5; chọn m = 1,5
3.1.3 Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a
Quá trình nén
3.2.1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới m c´ v ,806+0,00419
3.2.2 Tỷ nhiệt đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy
Khi α = 0,85 tính cho động cơ xăng theo công thức sau: m c´ v '' =(17,997+3,504α)+1
3.2.3 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén
Theo công thức sau: m c vc ' =mc v +γ r m c v ' '
3.2.4 Chỉ số nén đa biến trung bình n 1
Chỉ số nén đa biến trung bình n1 được xác định gần đúng theo phương trình cân bằng nhiệt của quá trình nén, được thể hiện qua công thức n1 - 1 = 8,314 av' + bv'.
⇒ Giải ra ta được giá trị n 1 ≈1,37∈(1,28÷1,38)thỏa mãn điều kiện n1.
3.2.5 Áp suất quá trình nén p c p c =p a ϵ n 1 =0,15 10 1,372 =3,5326(MN/m 2 )
3.2.6 Nhiệt độ cuối quá trình nén
Quá trình cháy
3.3.1 Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu M 0 Đối với động cơ xăng thành phần trong 1kg nhiên liệu có:
C = 0,855; H = 0,145 Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0:
Thay các số liệu vào công thức trên ta tính được:
Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg xăng: M0 = 0,512 (kmolkk).
3.3.2 Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xilanh M 1 Đối với động cơ xăng:
Trong đó: μn.l – trọng lượng phân tử của xăng; μn.l = 110 ÷ 120 (kg/kmol).
3.3.4 Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết β 0 β 0 =M 2
3.3.5 Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β β=1+β 0 −1 1+γ r =1+ 1,096−1
3.3.6 Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm β z β z =1+β 0 −1
3.3.7 Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn ΔQQ H Đối với động cơ xăng vì α < 1, thiếu Oxy nên nhiên liệu cháy không hoàn toàn, do đó gây tổn thất một lượng nhiệt, ký hiệu là ΔQQH và được tính theo công thức sau: ΔTQ H 0 10 3 (1−α)M 0 ¿120.10 3 (1−0,85).0,512 ¿ 9216 ( kg nl KJ )
3.3.8 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điểm z m c vz }} = {{M} rsub {2} left ({x} rsub {z} + {{(} rsub {r}} over {{*} rsub {0}} right ) overline {m {c} rsub {vz} rsup {'}} + {M} rsub {1} left (1 - {x} rsub {z} right ) overline {m {c} rsub {vz}}} over {{M} rsub {2} left ({x} rsub {z} + {{(} rsub {r}} over {{*} rsub {0}} right ) + {M} rsub {1} left (1 - {x} rsub {z} right ) ¿ ¿
Ta có: m c vz ' ,813+0,0021T z (kJ/kmol ° K ) m c vz ,806+0,00419
Thay vào ta được: m c vz ' ' 0,487.( 0,830,9 +0,00613
3.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z Đối với động cơ xăng: 20,9752+0,00287 ξz z ( Q H −ΔTQ H )
Từ công thức trên sẽ đưa đến một phương trình bậc hai, giải nó và chọn nghiệm dương cho ta giá trị Tz tính toán.
Trong đó: QH - nhiệt trị thấp của nhiên liệu xăng, QH = 43960 (kJ/kg.nl) m c vc ' ,813+0,0021.T c ¿19,813+0,0021.859,33 ¿21,617
⇒ Giải phương trình bậc hai ta tìm được nghiệm: Tz = 2940,449 (ºK)
3.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy Đối với động cơ xăng: P z =β z T z
Quá trình giãn nở
3.4.1 Tỷ số giãn nở đầu Đối với động cơ xăng: ρ = 1
3.4.2 Tỷ số giãn nở sau Đối với động cơ xăng: δ = ε = 10
3.4.3 Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình n 2
}} {T} rsub {b} - {*} rsub {z} overline {m {c} rsub {vz} rsup {
T z +8,314 n 2 −1.( β z T z −β T b )(¿) Ở nhiệt độ từ (1200 ÷ 2600)ºK, sai khác của tỷ nhiệt không lớn lắm do đó ta có thể xem: a vb ' =a vz ' ;b b =b z ; β=β z
Mặt khác ta có mối liên hệ: T b = T z ε n 2 −1 )40,449
10 n 2 −1 (****) Thay lần lượt các giá trị ở (***) và (****) vào phương trình (**) ta tìm được n2: n 2 −1= 8,314
Giải phương trình trên ta được giá trị n 2=1,24∈(1,19÷1,27) nên thỏa điều kiện.
3.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T b Đối với động cơ xăng: T b = T z ε n 2 −1 )40,449
3.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở p b Đối với động cơ xăng: P b =P z ε n 2 ,15
3.4.6 Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót
∆ T r :chênh lệch độ khí sót tính toánvà chọn ban đầu
⇒ Thoả yêu cầu sai số nhỏ hơn 5%.
Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình
3.5.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán p i ’
Công thức tính pi ’ của động cơ xăng:
3.5.2 Áp suất chỉ thị trung bình thực tế p i
Với φd = (0,93 ÷ 0,97) đối với động cơ xăng.
3.5.3 Áp suất tổn thất cơ khí p m pm = a + b.Vp + (pr - pa) Đối với động cơ xăng có S/D ≤ 1 nên ta chọn a = 0,039 và b = 0,0132
3.5.4 Áp suất có ích trung bình p e
3.5.6 Hiệu suất chỉ thị η i Đối với động cơ dùng nhiên liệu lỏng ta có: η i =8,314.M 1 p i T k
3.5.8 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i g i = 3600
3.5.9 Suất tiêu hao nhiên liệu g e g e = 3600
Tính toán các thông số kết cấu của động cơ
3.6.1 Thể tích công tác một xylanh V h
3.6.4 Đường kính piston D Đối với động cơ xăng ta chọn tỷ số: D S =1
Ta có bảng số liệu sau:
Bảng 1: Bảng kết quả tính toán nhiệt động cơ xăng Toyota
STT Thông số Giá trị Đơn vị
7 Vẽ đồ thị công chỉ thị Đồ thị công là đồ thị biểu diễn quan hệ hàm số giữa áp suất của môi chất công tác trong xilanh với thể tích của nó khi tiến hành các quá trình nạp – nén – (cháy + giãn nở) và thải trong một chu trình công tác của động cơ:
Biểu thức Pkt = f(Vxl) thể hiện mối quan hệ giữa công và thể tích Đồ thị công cung cấp cái nhìn trực quan về diện tích thể hiện công chỉ thị của chu trình (Li) và áp suất chỉ thị trung bình được tính bằng p i = L i.
V h Đó là các thông số đánh giá hiệu quả của động cơ
Triển khai đồ thị công chỉ thị thành đồ thị lực khí thể Pkt tác động lên đỉnh piston theo góc quay trục khuỷu Đồ thị này được vẽ trên hệ tọa độ vuông góc, trong đó trục tung biểu thị lực khí thể và trục hoành thể hiện góc quay trục khuỷu từ 0° đến 720°.
Cách xây dựng đồ thị công chỉ thị của động cơ tính toán tiến hành theo các bước dưới đây:
Bước 1: Chọn tọa độ vuông góc
Biểu diễn áp suất khí thể (Pkt) trên trục tung và thể tích khí (Vxl) trên trục hoành.
Bước 2: Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công Điểm a ( Va ; pa) : điểm cuối hành trình nạp có:
- Thể tích Va = 0,73 (dm 3 ) Điểm c (Vc ; pc) - điểm cuối hành trình nén có:
- Thể tích Vc = 0,07 (dm 3 ) Điểm z ( Vz ; pz) - điểm cuối quá trình cháy có:
- Thể tích Vz = Vc = 0,07 (dm 3 ) (Đối với động cơ xăng) Điểm b ( Vb ; pb) - điểm cuối hành trình giãn nở có:
- Áp suất pb = 0,756 MPa (MN/m 2 )
- Thể tích Vb = Va = 0,73 (dm 3 ) Điểm r ( Vr ; pr) - điểm cuối hành trình thải có:
- Thể tích Vr = Vc = 0,07 (dm 3 )
Bước 3: Dựng đường cong nén
Trong hành trình nén khí trong xilanh bị nén với chỉ số đa biến trung bình n1 từ phương trình: p a V a n 1 =p xn V xn n 1 =const Suy ra: p xn =p a ( V V xn a ) n 1 =0,15 ( 730 V xn ) 1,37
Bằng cách cho giá trị Vxn thay đổi từ Va đến Vc, ta lần lượt xác định được các giá trị
Bước 4: Dựng đường cong giãn nở
Trong quá trình giãn nở khí cháy được giãn nở theo chỉ số đa biến n2 từ phương trình: p z V n z 2
=constSuy ra: p xg =p z ( V V xg z ) n 2 ,15 ( V 70 xg ) 1,24
Ta cho giá trị Vxg thay đổi từ Vz tăng đến Vb, ta lần lượt xác định được các giá trị
Xác định giá trị V xn (quá trình nén) và V xg (quá trình giãn nở) theo α:
Tại các quá trình nén và giãn nở, Vx được tính theo α bằng cách:
Chuyển vị của piston tại α tương ứng: x=R [ (1−cos α )+ 4 λ (1−cos 2 α ) ] ¿ 4,7 [ (1 −cos α )+ 0,25 4 (1 −cos2 α ) ] (cm)
Thể tích toàn bộ của động cơ tại α tương ứng:
Ta có bảng số liệu sau:
Bảng 2: Bảng số liệu tính toán đồ thị P-V.
Góc quay trục khuỷu α (độ)
Bước 5: Dựng và hiệu đính đồ thị công
Nối liền các điểm đã xác định được nói trên bằng một đường cong đều ta có đồ thị công tính toán của động cơ (đường cong nét đứt).
Hiệu đính phần đường cong của quá trình nén và cháy trên đồ thị công:
- Ở động cơ xăng áp suất cực đại (điểm z’) có tung độ pz’ = 0,85.pz = 0,85.13,15 = 11,17 (MN/m 2 )
Vz’ = Vz = 70 (cm 3 ) Suy ra: z’(Vz’;pz’) = z’(70;11,17)
- 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
Vc” = Vz’ = 70 (cm 3 ) p c } = {{p} rsub {z '} - {p} rsub {c}} over {3} + {p} rsub {c} = {11,17 - 3,5326} over {3} +3,5326=6,0784 left ( MN / {m} ^ {2 } right ¿
- Điểm b” là trung điểm của đoạn ab.
V b} = {{V} rsub {a} + {V} rsub {b}} over {2} = {730+730} over {2} s0 left (c {m} ^ {3} right ¿ p b } = {{p} rsub {a} + {p} rsub {b}} over {2} = {0,15+0,756} over {2} =0,453 left ( MN / { m} ^ {2 } right ¿
Ta có bảng số liệu sau:
Bảng 3: Bảng giá trị các điểm đặc biệt trên đồ thị P-V.
Tên gọi Kí hiệu Áp suất
Điểm cuối quá trình nạp a là 0,15 với áp suất 730 Điểm cuối quá trình nén c đạt 3,5326 và áp suất 70 Điểm cuối quá trình cháy z là 13,15 với áp suất 70 Điểm cuối quá trình dãn nở b là 0,756 và áp suất 730 Điểm cuối quá trình thải r có giá trị 0,12 với áp suất 70 Điểm áp suất cực đại không nằm trong đường hiểu chỉnh z’ là 11,17 với áp suất 70 Điểm áp suất cực đại của đường cong hiệu chỉnh z’’ cũng là 11,17 nhưng với áp suất 81,17 Điểm lấy trên đoạn cz’ với cc’’= cz’/3 c’’ đạt 6,0784 và áp suất 70 Cuối cùng, điểm là trung điểm của đoạn ab b’’ là 0,453 với áp suất 730.
LỰC Pkt a Quá trình nạp
Pkt được xác định theo công thức sau:
Pkt = pa = 0,15 (MN/m 2 ) b Quá trình nén
Pkt được xác định theo công thức sau:
Với: n1 = 1,37, Va = 730 (cm 3 ), pa = 0,15 (MN/m 2 )
P kt =0,15.( 730 V x ) 1,37 (MN/m 2 ) c Quá trình cháy - giãn nở
Pkt được xác định theo công thức sau:
Với: n2 = 1,24, Vz = 70 (cm 3 ), pz = 13,15 (MN/m 2 )
P kt ,15.( 700 V x ) 1,24 (MN/m 2 ) d Quá trình thải:
Pkt được xác định theo công thức sau:
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU
ĐỘNG HỌC CỦA PISTON
Dưới đây là sơ đồ Động học cơ cấu Piston – Khuỷu trục – Thanh truyền của cơ cấu giao tâm.
Chú thích: x - chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu.
R - bán kính quay của khuỷu trục. α - góc quay của khuỷu trục. β - góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xylanh. λ = R/L - thông số kết cấu: (λ = 0,25 ÷ 0,29) Ta chọn: λ = 0,25.
4.1.1 Chuyển vị của Piston Áp dụng công thức gần đúng đối với cơ cấu giao tâm, ta có:
Khi trục khuỷu quay một góc α thì piston dịch chuyển được một khoảng Sp so với vị trí ban đầu (ĐCT).
Chuyển vị của piston trong xylanh động cơ tính bằng công thức sau:
S p =R [ (1−cosα )+ 4 λ ( 1−cos2 α ) ] ¿4,4 [ ( 1−cosα )+ 0,25 4 ( 1− cos2 α ) ] ( cm)
Vi phân biểu thức chuyển vị theo thời gian sẽ được phương trình tốc độ chuyển động của piston:
- vận tốc góc của trục khuỷu (rad/s).
Tốc độ của piston được tính bằng công thức sau:
Vận tốc trung bình của piston:
4.1.3 Gia tốc của Piston Đạo hàm biểu thức vận tốc theo thời gian, ta có công thức gia tốc của piston:
Ta có bảng số liệu sau:
Bảng 4: Bảng giá trị chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston với 0;720
ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PISTON - KHUỶU TRỤC - THANH TRUYỀN
Lực khí thể Pkt trong xylanh được tính theo công thức:
Với: p0 = 0,1 (MN/m 2 ): áp suất khí quyển. pkt: áp suất trong xylanh động cơ (MN/m 2 ).
Fp: diện tích tiết diện của piston (dm 2 ).
D: đường kính xylanh động cơ (dm).
Tuy nhiên trong quá trình tính toán thì Pkt thường được tính theo đơn vị diện tích MN/m 2 , nên:
F P =p kt −p 0 Đồ thị pkt có thể chuyển từ đồ thị P - α với gốc tọa độ lấy tại p0.
Có thể xác định Pkt thông qua phương pháp giải tích kết hợp với đồ thị brich Các giá trị của Pkt trong quá trình nạp, nén, giãn nở và thải được xác định dựa trên các mối quan hệ liên quan đến góc quay α, với các bước tăng đều 5 độ.
Ta có bảng số liệu sau:
Thông số Kí hiệu α (độ)
Góc mở sớm xúpap nạp φ1 15
Góc đóng muộn xúpap nạp φ2 20
Góc mở sớm xúpap xả φ3 45
Góc đóng muộn xúpap xả φ4 5
Pkt được xác định theo công thức sau:
Pkt được xác định theo công thức sau:
Với: n1 = 1,37, Va = 730 (cm 3 ), pa = 0,15 (MN/m 2 )
4.2.1.3Quá trình cháy - giãn nở
Pkt được xác định theo công thức sau:
Với: n2 = 1,24, Vz = 70 (cm 3 ), pz = 13,15 (MN/m 2 )
Pkt được xác định theo công thức sau:
Pkt = pr = 0,12 (MN/m 2 )Tại các quá trình nén và giãn nở, Vx được tính theo α bằng cách:Chuyển vị của piston tại α tương ứng: x=R [ (1− cosα )+ 4 λ ( 1− cos2 α ) ] ¿4,4 [ ( 1−cosα )+ 0,25 4 ( 1− cos2 α ) ] ( cm)
Thể tích toàn bộ của động cơ tại α tương ứng:
4.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động
4.2.2.1 Khối lượng chuyển động của cơ cấu piston - khuỷu trục - thanh truyền
Khối lượng chuyển động của cơ cấu piston - khuỷu trục - thanh truyền chia làm 2 loại:
- Khối lượng chuyển động tịnh tiến của các chi tiết chuyển động tịnh tiến.
- Khối lượng chuyển động quay của các chi tiết chuyển động quay.
Bảng 5: Bảng khối lượng nhóm piston - trục khuỷu - thanh truyền trên một đơn vị diện tích piston của các động cơ trong thực tế.
Nhóm chi tiết Động cơ xăng
Giá trị lớn hơn đối với động cơ có D lớn
Giá trị nhỏ sử dụng cho động cơ có tỷ số S/D