BÀI TẬP LỚN LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU NHIỆT ĐỘNG HỌC ĐỘNG CƠ UOAT KHÔNG TĂNG ÁP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ - Ô TÔ

KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Hà Nội - 2023

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 6

2.1.10 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z: ξzz 7

2.1.11 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b: ξzb 7

2.1.12 Hệ số hiệu đính đồ thị công: φdd 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

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

1

*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 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.

4.Những vấn đề quan trọng khi tìm hiểu động cơtham 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

3

khuyết điểm của cơ cấu, nguyên lý làm việc, điều chỉnh và lắp ráp của cơ cấu và hệ thống của động cơ.

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN NHIỆT CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

II.a.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 sốKý hiệu Đơn vịGiá trịGhi chú

15 Suất tiêu hao

Các thông số cần chọn theo điều kiện môi trường, đặc điểm kết cấu của động cơ, chủng loại động cơ bao gồm:

II.a.i 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) II.a.ii 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

II.a.iii Áp suất cuối quá trình nạp: pa

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) II.a.iv 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) II.a.v 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

II.a.vi 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:

II.a.vii Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt: λtt

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 λtt theo thông số bảng sau:

Bảng 2:Tỉ nhiệt λ_tt

Các loại động cơ xăng có α <1,4 ta chọn λtt=1,12

II.a.viii Hệ số quét buồng cháy: λt2

Với động cơ không tăng áp ta chọn λt2=1

7

II.a.ix Hệ số nạp thêm λt1

Phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí Thông thường có thể chọn:

λt1=1,02÷ 1,07 Ta chọn λt1=1,02

II.a.x Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z: ξzz

Thể hiện lượng nhiệt phát ra của nhiên liệu dùng để sinh công và tăng nội năng ở điểm z với lượng nhiệt phát khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu Do đó ξzz phụ thuộc vào quá trình công tác của động cơ Đối với động cơ xăng:

ξzz=0,85 ÷ 0,92 Ta chọn ξzz=0,85

II.a.xi Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b: ξzb

ξzbbao giờ cũng lớn hơn ξzz 0 Thông thường, đối với động cơ xăng ξzb=0,85÷ 0,95 Ta chọn ξzb=0,85

II.a.xii Hệ số hiệu đính đồ thị công: φdd

Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ với chu trình công tác thực tế, sự sai lệch giữa chu trình thực tế với chu trình tính toán của động cơ xăng ít hơn động cơ Diesel Vì vậy hệ số φdd của động cơ xăng thường có trị số lớn hơn, có thể chọn φdd=0,92÷ 0,97

→Ta chọn φdd=0,92

II.b.Tính toán các quá trình công tác

II.b.i Tính toán quá trình nạp

Trong đó m là chỉ số giãn nở đa biến của khí sót có thể chọn m=1,45 ÷ 1,5→Ta chọn m=1,45

II.b.i.2 Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta

Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta được tính theo công thức:

Với động cơ xăng: C = 0,855; H = 0,145; O = 0 Thay thông số đã chọn vào:

→ Mo=0,512(kg nhiên liệukmol )

II.b.i.6 Hệ số dư lượng không khí α

Đối với động cơ xăng

Trong đó µnl - Trọng lượng của phân tử xăng µnl = 110 / 120 Đối với loại xăng thường dùng nên chọn µnl = 114

II.b.ii Tính toán quá trình nén

II.b.ii.1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không

II.b.ii.3 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén mC´ 'v tính

II.b.ii.4 Chỉ số nén đa biến trung bình n1

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc rất nhiều vào thông số kết cấu và thông số vận hành.như kích thước xilanh, loại buồng cháy, số vòng quay,phụ

11

tải, trạng thái nhiệt độ của động cơ , tuy nhiên n1 tăng giảm theo quy luật sau,tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ làm cho n1 tăng lên Thông thường ta xác định n1 có thể chọn n1 trong khoảng1,3 ÷1,9; Ta chọn

II.b.ii.5 Áp suất cuối quá trình nén pc

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

pc=pa εn1

=0,08.6,71,372=1,0875( MPa )

II.b.ii.6 Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc

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

Tc=Ta εn1−1

=370,246.6,71,372−1=751,261 ° K

II.b.ii.7 Lượng môi chất công tác của quá trình nén Mc

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

Mc=M1.(1+γr)=0,4185 (1+0,084457)=0,4539(kmolkg l)

II.b.iii Tính toán quá trình cháy

II.b.iii.1 Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết βo

Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết βo được xác định theo công thức:

II.b.iii.2 Hệ số thay đổi phần thực tế: β

Hệ số thay đổi phần thực tế được xác định theo công thức:

↔ β=1,1169 +0,084457

1+0,084457 =1,1078

Hệ số thay đổi phần thực tế tại điểm z: βz

Hệ số thay đổi phần thực tế tại điểm z βz được xác định theo công thức:

βz=1+ 1,1169−1

II.b.iii.3 Lượng sản phẩm cháy M2

Lượng sản phẩm cháy M2 được xác định theo công thức:

II.b.iii.5 Nhiệt độ tại điểm z: Tz

Đối với động cơ xăng, nhiệt độ Tz được xác định bằng cách giải phương trình

QH – nhiệt trị thấp của nhiên liệu xăng ta có: QH=44000(kJ /kg nh liệu)

”Q – Nhiệt lượng tổn thất do nhiên liệu cháy không hết khi đốt 1kg nhiên liệu Trong điều kiện α < 1 xác định ”Q 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

II.b.iii.6 Áp suất tại điểm z: pz

Áp suất tại điểm z pz dược xác định:

II.b.iv.2 Hệ số giãn nở sau δ

Ta có hệ số giãn nở sau δ được xác định theo công thức:

II.b.iv.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

β=βzQ¿H

: Nhiệt giá trị thấp của nhiên liệu Đối với động cơ Xăng: Q¿H

II.b.iv.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb

Ta có công thức xác định nhiệt độ cuối quá trình giã nở Tb:

Tb= Tz

6,71,292−1=1454,9246 (° K )

II.b.iv.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở: pb

Áp suất cuối quá trình giãn nở được xác định theo công thức:

pb= pz

6,71,292=0,34826 ( MPa)

Kiểm tra nhiệt độ khí sót:

Nhiệt độ khí thải được xác định theo công thức:

pb)m−1m =1454,9246.(0,348260,115 )1,45−11,45=1031,569 (° K )

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|

Trt .100 %=

1031,569 .100 %=3,06 %<15 %

II.b.v Tính toán các thông số có ích của động cơ

II.b.v.1 Áp suất trung bình chỉ thị lý thuyết pi'

Áp suất trung bình chỉ thị lý thuyết pi' được xác định theo công thức:

II.b.v.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' φdd=0,78103.0,92=0,71855 ( MPa)

II.b.v.3 Suất tiêu hao nhiên nhiệu chỉ thị gi

Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên nhiệu chỉ thị gi:

gi=432 103 ηv pkM1 pi.Tk

¿432.103.0,7263 0,1

0,4185.0,71855.297=351,297(kW hg )

II.b.v.4 Hiệu suất chỉ thị ηi

Ta có công thức hiệu suất chỉ thị:

gi QH =

351,297.44000=0,2329=23,29 %

II.b.v.5 Áp suất tổn thất cơ giới pm

Áp suất này được biểu diễn bằng mối quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ

Ta có tốc độ trung bình của động cơ là: 17

II.b.v.6 Áp suất có ích trung bình pe

Ta có công thức xác định áp suất có ích trung bình thực tế được xác định theo công thức:

pe=pi−pm=0,71855−0,05314=0,665 ( MPa)

Sau khi tính toán được pe phải so sánh với trị số pe đã tính ở phần tính toán qua trình nạp.

pe=0,665 (tính toán)> pe=0,65(tính toán quá trình nạp)

II.b.v.7 Hiệu suất cơ giới ηm

Hiệu suất cơ giới ηm được xác định bằng công thức:

ηm=pepi=

II.b.v.8 Suất tiêu cao nhiên liệu có ích ge

Suất tiêu cao nhiên liệu có ích ge được xác định bằng công thức:

II.b.v.9 Hiệu suất có ích ηe

Hiệu suất có ích ηe được xác định bằng công thức:

D=√4 Vh

π S=√4.0,5988π 0,92.100=91,05 (mm)

So sánh với đường kính xylanh cho trước:

|D(tính toán)−D(cho trước)|=|91,05−92|=0,95

Sai lệch so với đề là 0,95>0,1  Không thỏa mãn.

I.a Vẽ và hiệu đính đồ thị công

Căn cứ vào các số liệu đã tính Pa,Pc,Pz,Pb,n1,n2,  ta lập bảng tính đường nén và đường giãn nở theo biến thiên của dung tích công tác Vx= i.Vc (Vc là dung tích buồng cháy).

Ta có bảng tính các giá trị của quá trình nén và quá trình giãn nở như sau:

(Xuất phát từ px Vxn1

=Const  px Vxn1

=pc.Vcn1 với Vx= i.Vc thay vào rút ra)

Sau khi ta chọn tỉ lệ xích μv và μp hợp lý để vẽ đồ thị công Để trình bày đẹp thường chọn chiều dài hoành độ tương ứng

Từ tỉ lệ xích trên ta tính được các giá trị biểu diễn (gtbd) của quá trình nén và quá trình giãn nở sau:

19

GTBDQuá trình nénQuá trình giãn nở

II.c Vẽ đồ thị công p-v

Để sau này khai triển đồ thị được dễ dàng, dễ xem, đường biểu diễn áp suất po song song với hoành độ phải chọn đường đậm của giấy kẻ ly Đường 1Vc cũng phải đặt trên đường đậm của tung độ.

Sau khi vẽ đường nén vào đường giãn nở, vẽ tiếp đường biểu diễn đường nạp và đường thải lý thuyết bằng 2 đường thẳng song song với trục hoành đi qua 2 điểm pa và pr

Sau khi vẽ xong ta phải hiệu đính đồ thị công để có đồ thị công chỉ thị Các bước hiệu đính như sau:

Vẽ đồ thị brick đặt phía trên đồ thị công

Giá trị biểu diễn R trên đồ thị:

gtbdR=gttRμs =

Lần lượt hiệu đính các điểm trên đồ thị:

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

Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định góc đóng muộn xupáp thải

β2=10 °, bán kính này cắt đường tròn tại điểm a’ Từ a’ gióng đường thẳng song song với trục tung cắt đường Pa tại điểm a Nối điểm r trên đường thải (là giao điểm giữa đường Pr và trục tung ) với a ta được đường chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình nạp.

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

Áp suất cuối quá trình nén thực tế do hiện tượng phun sớm (động cơ diezel) và hiện tượng đánh lửa sớm (động cơ xăng) nên thường chọn áp suất cuối quá trình nén lý thuyết Pc đã tính Theo kinh nghiệm, áp suất cuối nén thực tế P’c được xác định theo công thức sau:

Vì đây là động cơ xăng:

Hiệu chỉnh điểm phun sớm: (điểm c”)

Do hiện tượng phun sớm nên đường nén trong thực tế tách ra khỏi đường nén lý thuyết tại điểm c” Điểm c’’ được xác định bằng cách Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định được góc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm θ, bán kính này cắt vòng tròn Brick tại 1 điểm Từ điểm gióng này ta gắn song