Bài tập lớn nguyên lý động cơ đốt trong đề tài nghiên cứu nhiệt động học động cơ uoat

TÍNH TỐN NHIỆT CHU TRÌNH CƠNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .... TỔNG QUAN 1.Mục tiêu của BTL lý thuyết động cơ - Củng cố lại kiến thức về tính toán trong nhiệt kỹ thuật - Biết vận dụng kiến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÀI TẬP LỚN NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC ĐỘNG CƠ UOAT Sinh viên thực hiện: Cà Quốc Khánh Mã sinh viên: 2022607895 Lớp: 20231AT6046006 Khóa: K17 Giáo viên hướng dẫn: Bùi Văn Chinh Hà Nội - 2023 MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1 CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NHIỆT CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 4 2.1 Trình tự tính toán 4 2.1.1 Áp suất môi trường: 𝒑𝒌 5 2.1.2 Nhiệt độ môi trường: 𝑻𝒌 5 2.1.3 Áp suất cuối quá trình nạp: 𝒑𝒂 (đối với động cơ không tăng áp) 6 2.1.4 Áp suất khí thải: 𝒑𝒓 6 2.1.5 Mức độ sấy nóng môi chất: ∆𝑻 6 2.1.6 Nhiệt độ khí sót (khí thải): 𝑻𝒓 6 2.1.7 Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt: 𝝀𝒕 6 2.1.8 Hệ số quét buồng cháy: 𝝀𝟐 7 2.1.9 Hệ số nạp thêm 𝝀𝟏 7 2.1.10 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z: 𝝃𝒛 7 2.1.11 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b: 𝝃𝒃 7 2.1.12 Hệ số hiệu đính đồ thị công: 𝝋𝒅 7 2.2 Tính toán các quá trình công tác 7 2.2.1 Tính toán quá trình nạp 7 2.2.2 Tính toán quá trình nén 10 2.2.3 Tính toán quá trình cháy 12 2.2.4 Tính toán quá trình giãn nở 14 2.2.5 Tính toán các thông số có ích của động cơ 16 2.3 Vẽ và hiệu đính đồ thị công 18 2.4 Vẽ đồ thị công p-v 20 CHƯƠNG III TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC 24 3.1 Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học 24 3.1.1 Đường biểu diễn hành trình piston 𝑥 = 𝑓(𝛼) 24 3.1.2 Đường biểu diễn tốc độ của piston 𝑣 = 𝑓(𝛼) 24 3.1.3 Vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston 25 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ 27 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KHÔNG ĐẠT ĐƯỢC 27 KẾT LUẬN 27 HỌC LIỆU THỰC HIỆN BÀI TẬP LỚN 28 Tài liệu học tập 28 Tài liệu tham khảo: 28 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Đồ thị công và đồ thị Brick 23 Hình 2: Các đường biểu diễn hành trình, vận tốc, gia tốc 26 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Số liệu ban đầu 5 Bảng 2:Tỉ nhiệt λ_t 6 Bảng 3:: Tính quá trình nén và quá trình giãn nở 19 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.Mục tiêu của BTL lý thuyết động cơ - Củng cố lại kiến thức về tính toán trong nhiệt kỹ thuật - Biết vận dụng kiến thức môn nguyên lý lý thuyết động cơ trong việc tính các thông số nhiệt động của chu trình công tác động cơ - Biết cách xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản của động cơ - Biết cách xây dựng đổ thị công lý thuyết của động cơ dựa trên kết quả tính toán nhiệt - Biết cách biểu diễn động học động cơ 2.Lựa chọn các thông số trong quá trình tính toán nhiệt Khi tiến hành tính toán cho động cơ bào đó, cần xác định ngay những thông số kỹ thuật của động cơ dùng làm cơ sở cho việc lựa chọn các thông số tính toán các quá trình nhiệt động các thông số này thường là : -Thông số tính năng gồm: công suất Ne; số vòng quay n; số kỳ t; suất tiêu thụ nhiên liệu ge -Thông số kết cấu gồm: đường kính xylanh D; hành trình pittong S; tỷ số nén ; số xylanh I; chiều dài thanh truyền 1 -Thông số điều chinh gồm: góc đánh lửa sớm, góc mở sớm và đóng Muộn của xupap nạp và xupap thải α1, α2, β1, β2 3.Thông số kết cấu của động cơ *Số xilanh và kiểu bố trí xilanh: Như đã biết số xilanh i liên quan đến tính cân bằng của hệ trục, độ đồng đều của 1 tốc độ góc, không gian bố trí và nền móng Xilanh bố trí 1 hàng hay theo chữ V, đứng hay nằm đều quyết định, ảnh hưởng đến các cơ cấu và hệ thống như cơ cấu phân phối khí, hệ thống làm mát *Tỷ số S/D - Là thông số kết cấu quan trọng ảnh hưởng đến kích thước, trọng lượng và tính năng kỹ thuật của động cơ Ngày nay, các động cơ cao tốc độ đều có xu hướng giảm tỷ số S/D để giảm lực quán tính Động cơ hành trình ngắn (giảm S) có khá nhiều ưu điểm: - Do S nhỏ nên có thể tăng tốc độ n mà không gây tổn thất ma sát, vẫn giữ được hiệu suất cơ giới cao - Dễ bó trí xupáp cải thiện quá trình nạp thải ( do giảm S thì có thể tăng D) - Giảm S/D, chiều cao của động cơ giảm theo thống kê khi S/D ≈ 1, trọng lượng động cơ đạt giá trị nhỏ nhất mặt khác khi giảm S/D, độ cứng của trục khuỷu tăng do độ trùng điệp của chốt khuỷu và cổ trục tăng *Thông số kết cấu -Thông số này ảnh hưởng đến chiều cao và trọng lượng của động cơ Ngày nay do xu hướng tăng tốc độ nên người ta thường làm thanh truyền ngắn (giảm 1) nên tăng λ Tuy nhiên, khi λ tăng lại làm tăng lực quán tính và làm tăng góc lắc câu thanh truyền khiến thân thanh truyền dễ va chạm vào mép dưới của lót xilanh * Kiểu làm mát động cơ Kiểu làm mát động cơ ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu của động cơ Trên mặt cắt ngang và mặt cắt dọc thể hiện rõ răng ảnh hưởng này đối với kết cấu của thân máy, nắp xilanh và kích thước của trục khuỷu 2 4.Những vấn đề quan trọng khi tìm hiểu động cơ tham khảo: Tìm hiểu những thông số kỹ thuật sau: - Khoảng cách giữa hai đường tâm xilanh lx Thông số này có ý nghĩa quyết định đối với kích thước thân máy ( chiều dài ), kích thước trục khuỷu, ổ trục, không gian làm mát, độ dày của thành vách xilanh, đường thải nạp - Kích thước tương quan của cơ cấu và hệ thống cần tìm hiểu cách bố trí của cơ cấu phân phối khí, hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát Tìm hiểu các phương thức dẫn động các cơ cấu và hệ thống này - Hệ thống trục khủy – thanh truyền – pittông lắp theo tiêu chuẩn nào,kích thước tương quan của các ổ trục và ổ thanh truyền kích thước bánh đà và phương pháp lắp bánh đà trên trục khuỷu - Đặc điểm kết cấu của thanh truyền không gian quét của thanh truyền và kích thước tương quan của hộp trục khủy, kết cấu hộp trục khuỷu - Đặc điểm của ổ trục khuỷu, của đối trọng Cơ cấu phân phối khí bố trí như thế nào, đặc điểm kết cấu đường thải nạp - Hệ thống nhiên liệu và buồng cháy v.v Nói chung, khi tìm hiểu động cơ, phải hiểu rõ tường tận về toàn bộ các cơa cấu và hệ thống của động cơ đó Nắm vững đặc điểm kết cấu, tính ưu khuyết điểm của cơ cấu, nguyên lý làm việc, điều chỉnh và lắp ráp của cơ cấu và hệ thống của động cơ 3 CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NHIỆT CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Trình tự tính toán Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong (tính toán nhiệt) thường tiến hành theo các bước: Số liệu ban đầu TT Tên thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Ghi chú 1 Kiểu động cơ Uoat Thẳng Đ/cơ xăng hàng 4 không tăng áp 2 Số kỳ  4 3 Số xilanh i Kỳ 1-3-4-2 92 × 10−2𝑑𝑚 4 Thứ tự nổ 92 92 × 10−2𝑑𝑚 5 Hành trình piston S mm 92 6 Đường kính D mm 10 xilanh 𝛼1 Độ 7 Góc mở sớm 40 𝛼2 Độ xupáp nạp 𝛽1 40 8 Góc đóng muộn Độ 𝛽2 10 xupáp nạp 𝜑𝑠 Độ 9 Góc mở sớm ltt 12 Độ 172 xupáp thải mm 10 Góc đóng muộn xupáp thải 11 Góc đánh lửa sớm 12 Chiều dài thanh truyền 4 13 Công suất động Ne Mã lực 73 54,458 Kw cơ 𝑔 n v/ph 4100 14 Số vòng quay 387,228 𝑘𝑊 ℎ động cơ ge g/ml.h 285 15 Suất tiêu hao 𝜀 6,7 nhiên liệu mtt Kg 1 16 Tỷ số nén 17 Khối lượng thanh mnp Kg 0,75 truyền Bảng 1: Số liệu ban đầu 18 Khối lượng nhóm piston Các thông số cần chọn: Các thông số cần chọn theo điều kiện môi trường, đặc điểm kết cấu của động cơ, chủng loại động cơ bao gồm: 2.1.1 Áp suất môi trường: 𝒑𝒌 Áp suất môi trường pk là áp suất khí quyển trước khi nạp vào động cơ (với động cơ không tăng áp có áp suất khí quyển bằng áp suất trước xupap nạp nên ta chọn pk = po) (Mpa) Ta chọn 𝑝𝑘 = 𝑝𝑜 = 0,1 (MPa) 2.1.2 Nhiệt độ môi trường: 𝑻𝒌 Nhiệt độ môi trường được lựa chọn theo nhiệt độ bình quân của cả năm, với động cơ không tăng áp ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trước xupap nạp Ta chọn 𝑡0 = 24𝑜𝐶 → 𝑇𝑘 = 297𝑜𝐾 5 2.1.3 Áp suất cuối quá trình nạp: 𝒑𝒂 (đối với động cơ không tăng áp) Áp suất phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại động cơ, tính năng tăng tốc độ n, hệ thông số đường nạp, tiết diện lưu thông v.v Vì vậy cần xem xét động cơ đang tính thuộc nhóm nào để lựa chọn pa Áp suất cuối quá trình nạp pa có thể chọn trong phạm vi: 𝑝𝑎 = (0,8 ÷ 0,9)𝑝𝑘 Ta chọn 𝑝𝑎 = 0,08 (Mpa) 2.1.4 Áp suất khí thải: 𝒑𝒓 Áp suất này cũng phụ thuộc các thông số như 𝑝𝑎 Có thể chọn 𝑝𝑟 nằm trong phạm vi: 𝑝𝑟 = (1,10 ÷ 1,15)𝑝𝑘 Ta chọn 𝑝𝑟 = 0,115 (MPa) 2.1.5 Mức độ sấy nóng môi chất: ∆𝑻 Chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành khí hỗn hợp ở bên ngoài hay bên trong xilanh Đối với động cơ xăng ∆𝑇 = 0𝑜 ÷ 20𝑜𝐾 Ta chọn ∆𝑇 = 20𝑜𝐾 2.1.6 Nhiệt độ khí sót (khí thải): 𝑻𝒓 Phụ thuộc vào chủng loại động cơ Nếu quá trình giãn nở càng triệt để, nhiệt độ 𝑇𝑟 càng thấp Thông thường ta có thể chọn: 𝑇𝑟 = 700𝑜 ÷ 1000𝑜𝐾 →Ta chọn 𝑇𝑟 = 1000𝐾 2.1.7 Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt: 𝝀𝒕 Tỷ nhiệt của môi chất thay đổi rất phức tạp nên thường phải cắn cứ vào hệ số dư lượng không khí 𝛼 để hiệu đính Thông thường có thể chọn 𝜆𝑡 theo thông số bảng sau: 𝛼 0,8 1,0 1,2 1,4 𝜆𝑡 1,13 1,17 1,14 1,11 Bảng 2:Tỉ nhiệt λ_t 6 2.2.3.5 Nhiệt độ tại điểm z: 𝑻𝒛 Đối với động cơ xăng, nhiệt độ 𝑇𝑧 được xác định bằng cách giải phương trình cháy: 𝜉𝑧 (𝑄𝐻 − ∆𝑄) + (𝑚̅̅̅𝐶̅̅̅)𝑇′ =𝛽 𝑚̅̅̅𝐶̅̅"̅̅ 𝑇 (∗) 𝑀1(1 + 𝛾𝑟) 𝑣𝑐 𝑧 𝑣𝑧 𝑧 Trong đó: QH – nhiệt trị thấp của nhiên liệu xăng ta có: 𝑄𝐻 = 44000 (kJ/kg nh liệu) ΔQ – Nhiệt lượng tổn thất do nhiên liệu cháy không hết khi đốt 1kg nhiên liệu Trong điều kiện α < 1 xác định ΔQ theo công thức sau: ΔQ = 120.103(1– α)𝑀0 = 12265,79(kJ/kg nl) Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp cháy cuối quá trình nén: 𝑚̅̅̅𝐶̅̅𝑣′̅𝑧̅ = 19,8835 + 0,002146 𝑇𝑧 𝑚̅̅̅𝐶̅̅𝑣̅′′̅𝑧 = 19,8835 + 0,002146 𝑇𝑧 (∗) → 0,0031149𝑇𝑧2 + 21,43205𝑇𝑧 = 74364,14 ↔ 𝑇𝑧 = 2535,446(𝐾) 2.2.3.6 Áp suất tại điểm z: 𝒑𝒛 Áp suất tại điểm z 𝑝𝑧 dược xác định: 𝑝𝑧 = 𝛽𝑧 𝑇𝑧 𝑝𝑐 = 1,1078 2535,446 1,0875 = 4,0663(𝑀𝑃𝑎) 𝑇𝑐 751,261 2.2.4 Tính toán quá trình giãn nở 2.2.4.1 Hệ số giãn nở sớm 𝝆 𝜌=1 2.2.4.2 Hệ số giãn nở sau 𝜹 Ta có hệ số giãn nở sau 𝛿 được xác định theo công thức: 𝛿 = 𝜀 = 6,7 14 2.2.4.3 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình 𝒏𝟐 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình 𝑛2 được xác định từ phương trình cân bằng sau: 𝑛2 − 1 = 8,314 (𝜉𝑏 − 𝜉𝑧) 𝑄∗ " 𝑏𝑣"𝑧 𝐻 𝑀1 (1 + 𝛾𝑟) 𝛽 (𝑇𝑧 − 𝑇𝑏) + 𝑎𝑣𝑧 + 2 (𝑇𝑧 + 𝑇𝑏) Trong đó: 𝑇𝑏: Nhiệt trị tại điểm b và được xác định theo công thức sau: 𝑇𝑧 𝑇𝑧 𝑇𝑏 = 𝛿𝑛2−1 = 6,7𝑛2−1 𝛽 = 𝛽𝑧 𝑄𝐻∗ : Nhiệt giá trị thấp của nhiên liệu Đối với động cơ Xăng: 𝑄∗ = 𝑄𝐻 − ∆𝑄 = 44000 − 4903.55 = 39096,45 𝐻 Ta chọn thử 𝑛2 = 1,292 1,292 − 1 = 8,314 2535,446 19,8835 + 0,002146 (2535,446 + 𝑛2−1 ) 6,7 Ta thấy 𝑉𝑡𝑟 = 0,292 ≈ 𝑉𝑝 = 0,292264 Ta chọn 𝑛2 = 1,292 2.2.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở 𝑻𝒃 Ta có công thức xác định nhiệt độ cuối quá trình giã nở 𝑇𝑏: 𝑇𝑏 = 𝛿𝑛2−1 𝑇𝑧 = 6,71,292−1 2535,446 = 1454,9246 (°𝐾) 2.2.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở: 𝒑𝒃 Áp suất cuối quá trình giãn nở được xác định theo công thức: 15 𝑝𝑏 = 𝛿𝑛2 𝑝𝑧 = 6,71,292 4,0663 = 0,34826 (𝑀𝑃𝑎) Kiểm tra nhiệt độ khí sót: Nhiệt độ khí thải được xác định theo công thức: 𝑚−1 1,45−1 = 1031,569 (°𝐾) 𝑝𝑟 𝑚 0,115 1,45 𝑇𝑟𝑡 = 𝑇𝑏 (𝑝𝑏) = 1454,9246 (0,34826) Sai số của nhiệt độ khí thải tính toán 𝑇𝑟𝑡 và nhiệt độ khí thải đã chọn ban đầu không vượt quá 15% nghĩa là: ∆𝑇 = |𝑇𝑟𝑡 − 𝑇𝑟| 100% = |1031,569 − 1000| 100% = 3,06% < 15% 𝑇𝑟𝑡 1031,569 2.2.5 Tính toán các thông số có ích của động cơ 2.2.5.1 Áp suất trung bình chỉ thị lý thuyết 𝒑′ 𝒊 Áp suất trung bình chỉ thị lý thuyết ′ được xác định theo công thức: 𝑝𝑖 ′ 𝑝𝑐 𝜆 𝜌 1 1 1 𝑝𝑖 = [ (1 − 𝑛2−1) − (1 − 𝑛1−1)] 𝜀 − 1 𝑛2 − 1 𝛿 𝑛1 − 1 𝜀 Thay các thông số tính toán trên vào ta có: ′ 1,0875 3,7388 1 1 1 𝑝𝑖 = [ (1 − 1,292−1) − (1 − 1,372−1)] 6,7 − 1 1,292 − 1 6,7 1,372 − 1 6,7 = 0,78103 (𝑀𝑃𝑎) 2.2.5.2 Áp suất trung bình chỉ thị thực tế 𝒑𝒊 Do có sự sai khác giữa tính toán và thực tế do đó ta có áp suất chỉ thị trung bình trong thực tế được áp dụng theo công thức: 𝑝𝑖 = 𝑝𝑖′ 𝜑𝑑 = 0,78103.0,92 = 0,71855 (𝑀𝑃𝑎) 2.2.5.3 Suất tiêu hao nhiên nhiệu chỉ thị 𝒈𝒊 Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên nhiệu chỉ thị 𝑔𝑖: 16