Môn học lý thuyết động cơ tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong

Trang 1 BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA: CÔNG NGHỆ Ô TÔ______MÔN HỌCLÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : Phạm Minh HiếuSinh viên: Đặng Sơn TùngMã sinh viên: 202260

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA: CÔNG NGHỆ Ô TÔ

MÔN HỌC

LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : Phạm Minh Hiếu

Sinh viên: Đặng Sơn Tùng

Mã sinh viên: 2022602770

Khóa : K17 Năm học: 2022-2023

Chương 1 Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong

1.1.Tổng quan về các phương pháp tính toán CTCT của động cơ

Hiện nay để tính toán CTCT của động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng nóiriêng và các loại động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu khác nói chung có rất nhiềuphương pháp như:

- Phương pháp lý thuyết gần đúng: Dựa trên các định luật nhiệt động học I và II,coi các quá trình nén, giãn nở là đoạn nhiệt… phương pháp có ưu điểm là tínhtoán nhanh, không đòi hỏi nhiều thông số đầu vào phức tạp… tuy nhiên nhượcđiểm của phương pháp là cho kết quả kém chính xác, chưa xét đến các quátrình trao đổi khí…

- Phương pháp cân bằng năng lượng

1.2.Giới thiệu về động cơ mẫu và các thông số đầu vào phục vụ tính toán

1.2.1.Số liệu ban đầu

1- Công suất của động cơ Ne: Ne = 12.8 (KW)

2- Số vòng quay của trục khuỷu n: n = 2280 (vg/ph)

12- Khối lượng nhóm pitton mpt: mpt = 0,8 (kg)

13- Khối lượng nhóm thanh truyền mtt: mtt = 0,7 (kg)

14 – Động cơ không tăng áp, 15 – góc đánh lửa sớmi =17o

Các thông số cần chọn

1 )Áp suất môi trường :p k

Áp suất môi trường pk là áp suất khí quyển trước khi nạp vào đông cơ (với động cơkhông tăng áp ta có áp suất khí quyển bằng áp suất trước khi nạp nên ta chọn pk=p0

Ở nước ta nên chọn pk = p0 = 0,1 (MPa)

2 )Nhiệt độ môi trường :T k

Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm Vì đây làđộng cơ không tăng áp nên ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trước xupáp nạpnên :

Tk =T0 =24ºC =297ºK

3 )Áp suất cuối quá trình nạp :p a

Áp suất Pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại đông cơ ,tính năng tốc độ

n ,hệ số cản trên đường nạp ,tiết diện lưu thông… Vì vậy cần xem xét đông cơ đangtính thuộc nhóm nào để lựa chọn Pa

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

p a =(0,8-0,9).pk =(0,8-0,9)0,1 = 0,08-0,09 (MPa)Căn cứ vào động cơ YAZ đang tính ta chọn: p a =0,088 (Mpa)

4 )Áp suất khí thải P :

Áp suất khí thải cũng phụ thuộc giống như p

Áp suất khí thải có thể chọn trong phạm vi :

p= (1,10-1,15).0,1 =0,11-0,115 (MPa)

chọn P =0,11 (MPa)

5 )Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T

Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành hỗnhợp khí ở bên ngoài hay bên trong xy lanh

Với động cơ xăng: ∆T = 0ºK - 20ºK

Đối với động cơ xăng có α =< 1,4 có thể chọn λ=1,17

8 )Hệ số quét buồng cháy λ :

Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta chọn λ =1

9 )Hệ số nạp thêm λ

Hệ số nạp thêm λ phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí Thông thường ta có thể chọn λ

=1,02÷1,07 ; ta chọn λ =1,05

10 )Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξ :

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ,ξ phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơVới các loại đ/c xăng ta thường chọn : ξ= 0,85-0,92

Chọn : ξ= 0,85

11 )Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ :

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ tùy thuộc vào loại động cơ xăng hay là động cơđiezel ξ bao giờ cũng lớn hơn ξ

Với các loại đ/c xăng ta thường chọn : ξ =0,85-0,95

ta chọn ξ=0,92

12 )Hệ số hiệu chỉnh đồ thị công φ :

Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ với chutrình công tác thực tế Sự sai lệch giữa chu trình thực tế với chu trình tính toán củađộng cơ xăng ít hơn của động cơ điezel vì vậy hệ số φ của đ/c xăng thường chọn hệ sốlớn

Có thể chọn φ trong phạm vi: φ =0,92-0,97

2 )Nhiệt độ cuối quá trình nạp T

Nhiệt độ cuối quá trình nạp T đươc tính theo công thức:

T= ºK

T=

1,5 1 1,5

297

297 20 

0,0880,1

1 1,5

p = =

30 96 40,58469 3200 8

  = 0,46029 (kmol/kg nhiên liệu)

5 )Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M :

M = \f(1, 12 4 32

C H O

  (kmol/kg) nhiên liệu

Vì đây là đ/c xăng nên ta chọn C=0,855 ; H=0,145 ;O=0

6 )Hệ số dư lượng không khí α

Vì đây là động cơ xăng nên :

= 110 – 120 Đối với xăng thường dùng có thể chọn = 114

1.3.2.Tính toán quá trình nén

1 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí :

=19,806+0,00209.T (kJ/kmol.độ)

2 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phạm cháy :

Khi hệ số dư lượng không khí α =<1 tính theo công thức sau :

3 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp :

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén tính theo công thứcsau :

4 ) Chỉ số nén đa biến trung bình n:

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào thông số kết cấu và thông số vận hànhnhư kích thước xy lanh ,loại buồng cháy,số vòng quay ,phụ tải,trạng thái nhiệt độcủa động cơ…Tuy nhiên n tăng hay giảm theo quy luật sau :

Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ khiến cho n tăng.Chỉ số nén đabiến trung bình n được xác bằng cách giải phương trình sau :

n-1 = 1 3 1 1

8,3141

Sau khi chọn các giá trị của n ta thấy n =1,37 thõa mãn điều kiện bài

5 )Áp suất cuối quá trình nén P :

Áp suất cuối quá trình nén P được xác định theo công thức :

P = P ε\a\ac\vs2(n = 0,088 7,6 1,37= 1,4164371(MPa)

6 )Nhiệt độ cuối quá trình nén T

Nhiệt độ cuối quá trình nén T được xác định theo công thức

T = T ε\a\ac\vs2(n-1 =359 7,61,37 1 = 761,07( ºK )

7 )Lượng môi chất công tác của quá trình nén M :

Lượng môi chất công tác của quá trình nén M được xác định theo công thức :

M = M+ M = M(1 r) = 0,46029 (1+0,06298) = 0,48927682

1.3.3 Tính toán quá trình cháy

1 )Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β

Ta có hệ số thay đổi phần tử lý thuyết β được xác định theo công thức:

β = \f(M,M = \f(M+ΔM,M = 1+ \f(ΔM,MTrong đó độ tăng mol ΔM của các loại động cơ được xác định theo công thức sau:

ΔM = 0,21(1-α) M + ( \f(H,4 + \f(O,32 -\f(1,μ )= -0,040160139

Do đó:

β = \f(M,M = \f(M+ΔM,M = 1+ \f(ΔM,M= 1,08725

2 )Hệ số thay đổi phân tư thưc tế β: ( Do có khí sót )

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

Ta có hệ số thay đổi phân tư thực tế tại điểm z β được xác định theo công thức :

β = 1 + \f(β-1,1+γχTrong đó

χ = \f(ξ,ξ =

0,85

0,923910,92

5 )Nhiệt độ tại điểm z T :

* Đối với động cơ xăng,tính nhiệt độ T bằng cách giải pt cháy :

Q : là nhiệt trị của xăng , Q =44.10( kJ/kgn.l )

:là tỉ nhiệt mol đẳng áp trung bình của sản vật cháy tại z là :

=8,314+

:là tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy tại z được

tính theo ct :

= \f(γ,β\f(γ,β\f(,= a'' + (b''/2) TGiải phương trình trên ta được :

T = 2600,73138; T= -9836,266 (loại)

6 )Áp suất tại điểm z p :

Ta có áp suất tại điểm z p được xác định theo công thức

p = λ Pc =3,676345.1,4164371=5,207311( MPa )Với λ là hệ số tăng áp

λ= β \f(T,T=3,7091Vậy p =5,207311 (MPa)

1.3.4 Tính toán quá trình giãn nở

1, 24

Vp VT

VT

n n n

Đối với động cơ xăng Q= Q Q = 44000 (kJ/kg n.l)

Qua kiệm nghiêm tính toán thì ta chọn đươc n =1,24.Thay n vào 2 vế của pt trên ta sosánh ,ta thấy sai số giữa 2 vế <0,2% nên n chọn là đúng

4)Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T :

T= 2 1

z n

( ºK )

5 )Áp suất cuối quá trình giãn nở p :

Áp suất cuối quá trình giãn nở P được xác định theo CT :

Pb= \a\ac\vs2(n\f(P,δ = 1,24

5, 2073

0, 4211197,6 

(MPa)

6 )Tính nhiệt độ khí thải T :

T = T \f(P,P\f(m–1,m\a\ac\vs2( =1598,454

1,5 1 1,5

1.3.5 Tính toán các thông số chu trình công tác

1 )Áp suất chỉ thị trung bình p'Đây là đông cơ điezel áp suất chỉ thị trung bình P'được

3 )Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g :

Ta có công thức xác định suất tiêu hoa nhiên liệu chỉ thị g:

3 1

432.10

283,73324

v k i

i k

P g

M P T



(g/kW.h)

4 )Hiệu suất chỉ thi η:

Ta có công thức xác định hiệu suất chỉ thị η :

3,6.10 3,6.10

0, 28836 283,73324.44000

Áp suất tổn thất cơ giới được xác định theo nhiều công thức khác nhau và đươc biểudiễn bằng quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ.Ta có tốc độ trungbình của động cơ là :

V = \f(S.n,30 =

3

88.10 320030



= 9,38667 (m/s)Đối với động cơ xăng cao tốc dùng cho ô tô buồng cháy thẳng hàng:

7 )Hiệu suất cơ giới η :

Ta có có thức xác định hiệu suất cơ giới:

η =

e i

p

p = 83,433 %

8 )Suất tiêu hao nhiên liệu g :

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

g= \f(g,η =

283,733

340,070,83433 

e h

e

N V

Ta có sai số so với đề bài là :0,0538< 0,1 (mm), (thỏa mãn điều kiện)

1.4 Vẽ và hiệu đính đồ thị công

Căn cứ vào các số liệu đã tính pa , pc , pz , pb , n1 , n2 , ε ta lập bảng tính đường nén vàđường giản nở theo biến thiên của dung tích công tác Vx =i.Vc (Vc: dung tích buồngcháy).

0,58469

0,0885899

1 7,6 1

h c

V V

V



(dm3/mm)Tung độ thường chọn tương ứng với pz khoảng 200 mm trên giây kẻ ly

5, 2073115

0, 0260366

z p

QUÁ TRÌNH NÉN QUÁ TRÌNH GIÃ NỞ

GTBD=Px/(Up )

Sau khi vẽ đường nén và đường giản nở , vẽ tiếp đường biểu diễn đường nạp và đườngthải lý thuyết bằng hai đường thằng song song với trục hoành đi qua hai điểm pa và pr Sau khi vẽ xong ta phải hiệu đính đồ thị công để có đồ thị công chỉ thị Các bước hiệuđính như sau:

1.4.1 Vẽ vòng tròn Brick đặt phía trên đồ thị công

Ta chọn tỷ lệ xích của hành trình piston S là:

88

gtt gtbd

S

R   

(mm)Giá trị biểu diễn R trên đồ thị:

44

95,53

0, 4606061

R R

S

gtt gtbd



(mm)

Từ và ta có thể vẽ được vòng tròn Brick

1.4.2 Lần lượt hiệu định các điểm trên đồ thị

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

Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định góc đóng muộn xupáp thải β , bán kính nàycắt đường tròn tại điểm a’ Từ a’ gióng đường thẳng song song với trục tung cắtđường P tại điểm a” Nối điểm r trên đường thải ( là giao điểm giữa đường P và trụctung ) với a ta được đường chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình nạp

2 ) Hiệu định áp suất cuối quá trình nén : ( điểm c’)

Áp suất cuối quá trình nén thực tế do hiện tượng phun sớm (động cơ điezel ) và hiệntượng đánh lửa sớm (động cơ xăng ) nên thường chọn áp suất cuối quá trình nén lýthuyết P đã tính Theo kinh nghiệm , áp suất cuối quá trình nén thực tế P’ được xácđịnh theo công thức sau :

Vì đây là động cơ xăng :

3 ) Hiệu chỉnh điểm phun sớm : ( điểm c’’ )

Do hiện tương phun sớm nên đường nén trong thực tế tách khỏi đường nén lý thuyết tạiđiểm c’’ Điểm c’’ được xác định bằng cách Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác địnhđược góc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm θ, bán kính này cắt vòng trònBrick tại 1 điểm Từ điểm gióng này ta gắn song song với trục tung cắt đường nén tạiđiểm c’’ Dùng một cung thích hợp nối điểm c’’ với điểm c’

4 )Hiệu đính điểm đạt P thực tế

Áp suất p thực tế trong quá trình cháy - giãn nở không duy trì hằng số như động cơđiezel ( đoạn ứng với ρ.V ) nhưng cũng không đạt được trị số lý thuyết như động cơ xăng.Theo thực nghiệm ,điểm đạt trị số áp suất cao nhất là điểm thuộc miền

vào khoảng 372° ÷ 375° ( tức là 12° ÷ 15° sau điểm chết trên của quá trình cháy và giãn

nở )

Hiệu định điểm z của động cơ xăng :

- Cắt đồ thị công bởi đường 0,85pz = 0,85.5,2073 = 4,426 (MPa), vậy ta có giá trị biểu

diễn đường pz là : y = pz =

4, 4260,0260366 = 170 (mm)

- Xác định điểm z từ góc 12º Từ điểm O΄trên đồ thị Brick ta xác định góc tương

ứng với 372º góc quay truc khuỷu ,bán kính này cắt vòng tròn tại 1 điểm Từ

điểm này ta gióng song song với trục tung cắt đường P tại điểm z

- Dùng cung thích hợp nối c’ với z và lượn sát với đường giãn nở

5 ) Hiệu định điểm bắt đầu quá trình thải thực tế : ( điểm b’ )

Do có hiện tượng mở sớm xupáp thải nên trong thực tế quá trình thải thực sự diễn ra sớmhơn lý thuyết Ta xác định điểm b bằng cách : Từ điểm O’trên đồ thị Brick ta xác địnhgóc mở sớm xupáp thải β,bán kính này cắt đường tron Brick tại 1điểm.Từ điểm này tagióng đường song song với trục tung cắt đường giãn nở tại điểm b’

6 ) Hiệu định điểm kết thúc quá trình giãn nở : ( điểm b’’ )

Áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế P thường thấp hơn áp suất cuối quá trình giãn nở lýthuyết do xupáp thải mở sớm Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định được :

P= P+ \f(1,2.( P - P ) = 0,11 + \f(1,2 ( 0,421119- 0,11 ) = 0,265559 (MPa)

Từ đó xác định tung độ của điểm b’’ là :

y =

,,

b p

p

 =

0, 265559

0, 0260366 = 10,19948( mm )Sau khi xác định b', b'' dùng cung thích hợp nối hợp với đường rr Như vậy ta đã có đò thịcông chị thị dùng cho phần tính toán động lực học

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC

2.1 Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học

Các đường biểu diễn này đều vẽ trên 1 hoành độ thống nhất ứng với hành trìnhpiston S = 2R Vì vậy độ thị đều lấy hoành độ tương ứng với V của độ thị công ( từđiểm 1.V đến ε.V )

2.1.1 Đường biểu diễn hành trình của piston x = ƒ(α)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn hành trình của piston theo trình tự sau :

1 Chọn tỉ lệ xích góc : thường dùng tỉ lệ xích ( 0,6 ÷ 0,7 ) ( mm/độ )

ở đây ta chọn tỉ lệ xích 0,6 mm/độ

2 Chọn gốc tọa độ cách gốc cách độ thị công khoảng 15 ÷ 20 cm

3 Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 10° ,20° ,…….180°

4 Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm 10° ,20° ,…….180°

tương ứng trên trục tung của đồ thị của x = ƒ(α) ta được các điểm xác địnhchuyển vị x tương ứng với các góc 10°,20°,… 180°

5 nối các điểm xác định chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệ x = f(α)

2.1.2 Đường biểu diễn tốc độ của piston v = f(α)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn tốc độ của píton v = f(α) Theo phương pháp đồ thịvòng Tiến hành theo các bước cụ thể sau:

1.Vẻ nửa vòng tròn tâm O bán kính R ,phía dưới đồ thị x = f(α) Sát mép dưới của bảnvẽ

5 Nối tại các điểm a,b,c,… Tạo thành đường cong giới hạn trị số của tốc độ piton thểhiện bằng các đoạn thẳng song song với tung độ từ các điểm cắt vòng tròn bán kính R

Đồ thị này biểu diễn quan hệ v = f(α) trên tọa độ độc cực :

Hinh 2.1: Dạng đồ thị v = f(α)

2.1.3 Đường biểu diễn gia tốc của piston j = f( x)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston theo phương pháp Tôlê ta vẽ theocác bước sau :

V= f 

gtbd\a\ac\vs0( = \a\ac\vs0( \f(gtt,μ =

3701,95.10100



= -37,01951 ( mm )

3 Từ điểm A tương ứng điểm chết trên lấy AC = j , từ điểm B tương ứng điểmchết dưới lấy BD = j , nối CD cắt trục hoành ở E ; lấy EF = –3.R.λ.ω về phía BDNối CF với FD ,chia các đoạn này làm 4 phần , nối 11, 22, 33 …Vẽ đường baotrong tiếp tuyến với 11, 22, 33 …ta được đường cong biểu diễn quan hệ j = ƒ(x)

2.2 Tính toán động lực học

2.2.1 Các khối lượng chuyển động tịnh tiến

- Khối lượng nhóm piton mnp = 0,75 Kg

- Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston

+ ) Khối lương thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m có thể tra

trong các các sổ tay ,có thể cân các chi tiết của nhóm để lấy số liệu

hoặc có thể tính gần đúng theo bản vẽ

+ ) Hoặc có thể tính theo công thức kinh nghiêm sau :

Đối với động cơ xăng ta có :

m = (0, 28 0, 29) m tt

Trong đó m ttlà khối lượng thanh truyền mà đề bài đã cho

Ta chọn m = 0,28 m = 0,28 1= 0,28Vậy ta xác định đươc khối lượng tịnh tiến mà đề bài cho là :

m = m + m = 0,28 + 0,75 = 1,03 (Kg)

2.2.2 Các khối lượng chuyển động quay

Khối lượng chuyển động quay của một trục khuỷu bao gồm :

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

m = = 1– 0,28= 0,72

- Khối lượng của chốt trục khuỷu : m

Trong đó ta có :

d : Là đường kính ngoài của chốt khuỷu :

δ : Là đường kính trong của chốt khuỷu :

l : Là chiều của chốt khuỷu :

ρ : Là khối lượng riêng của vật liệu làm chốt khuỷu

ρ : 7800 Kg/ m = 7,8.10 Kg/ mm

Khối lượng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt : m Khối lượng này tính gần

đúng theo phương trình quy dẫn :

1) Lực quán tính chuyển động tịnh tiến :

P = - m.j = -m.R.ω.( cos α + λ.cos 2α ) = -0,72.92/2.418,667.10-6( cosα + λ.cos 2α ) ,[Mpa]