Đồ án môn học tình tự tính toán nhiệt động cơ đốt trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

Nhiệm vụ

Tính toán động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thị công chỉ thị của một động cơ cần được thiết kế thông qua việc tính toán các thông số nhiệt động học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quá trình:

Nạp-nén-cháy-dãn nở

Mỗi quá trình trên được đặc trưng bởi các thông số trạng thái là nhiệt độ, áp suất, thể tích của môi chất công tác (MCCT) ở đầu và cuối của quá trình Trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học kỹ thuật, nhiệt động hóa học, lý thuyết động cơ đốt trong, xác định giá trị của các thông số nêu trên

Tiếp theo ta tính các thông số đánh giá tính năng của chu trình gồm các thông số chỉ thị và các thông số có ích của trình công tác như: áp suất chỉ thị trung bình pi, áp suất có ích trung bình pe, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne, hiệu suất ŋe và suất tiêu hao nhiên liệu ge của động cơ, …

Cuối cùng, bằng kết quả các tính toán nói trên xây dựng giản đồ công chỉ thị của động cơ và đây là các số liệu cơ bản cho các bước tính toán động lực học và thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ

Trong tính toán kiểm nghiệm động cơ cho trước, việc tính toán nhiệt có thể được thay thế bằng cách đo đồ thị công thực tế trên động cơ đang hoạt động nhờ các phương tiện, các dụng cụ đo, ghi kỹ thuật hiện đại Tuy nhiên, với phương pháp tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động hóa học trong ĐCĐT, người ta củng có thể tiến hành khảo sát những chỉ tiêu động lực và chỉ tiêu kinh tế của các động cơ đã có sẵn này với kết quả đáng tin cậy

Mục Lục

I TÌNH TỰ TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 5

A Các thông số cho trước của động cơ 5

B Chọn các thông số cho tính toán nhiệt 6

1 Áp suất không khí nạp (po) 6

2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T0) 6

3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (pk) 6

4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk) 6

5 Áp suất cuối quá trình nạp (pa) 6

12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) 7

13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb) 7

14 Chọn hệ số dư lượng không khí α 7

15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (φd) 7

5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình 13

6 Tính toán thông số kết cấu của động cơ 14

D Vẽ đồ thị công chỉ thị: 17

A Các khối lượng chuyển động tịnh tiến: 21

B Các khối lượng chuyển động quay: 21

TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

BÀI TẬP LỚN

I TÌNH TỰ TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

A Các thông số cho trước của động cơ

B Chọn các thông số cho tính toán nhiệt: 1 Áp suất không khí nạp (po)

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển: Po =0,1013 MN/m2

2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T0)

Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình của môi trường Nước ta thuốc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk =29oC, do đó

T0= (tkk + 273 )oK= 29+273=302oK

3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (pk)

Đối với động cơ 4 kì không tăng áp: pk > p0 = 0,1013 MN/m2 Chọn 𝑃𝑘= 0,12 MN/m2

4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk)

Đối với động cơ 4 kì không tăng áp:

Phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí, mức dộ giãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nở và thải Đối với động cơ diesel:

Tr = 700 ÷ 900 oK Chọn Tr = 700 oK

8 Độ tăng nhiệt dộ khí nạp mới (ΔT)

Phụ thuộc vào qúa trình hình thành hỗn hợp khí ở bên ngoài hay bên trong xilanh Với động cơ diesel : ΔT = 20 ÷ 40 oC

Ta chọn : ΔT = 25 oC

9 Chọn hệ số nạp thêm λ1

Hệ số nạp thêm phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn λ1 = 1,02 ÷ 1,07

Ta chọn λ1 = 1,03

10 Chọn hệ số quét buồng cháy λ2

Đối với những độngh cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy thì chọn 𝜆2= 1

11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt

Phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót Tr Thông thường khi tính cho động cơ diesel có α =1,5 ÷ 1,8 chọn λt = 1,11

12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ)

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ Đối với động cơ diesel ta có thể chọn : ξZ = 0,65 ÷ 0,85

Ta chọn : ξZ = 0,75

13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb)

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb) phụ thuộc vào nhiều yếu tố : tốc độ động cơ, tỷ số nén

Đối với các loại động cơ diesel tốc độ trung bình ta thường chọn ξb = 0.85 ÷ 0.95 Ta chọn ξb = 0,9

14 Chọn hệ số dư lượng không khí α

Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy Đối với động cơ diesel buồng cháy thống nhất α = 1,45 ÷ 1.85

Ta chọn α = 1,8

15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (φd)

Hệ số điền đầy đồ thị công (φd) đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán Đối với động cơ diesel buồng cháy thống

C Tính toán nhiệt

Tính toán nhiệt nhằm xác định các thông số của chu trình lý thuyết và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ Đồ thị công chỉ thị của động cơ được xây dựng trên cơ sở các kết quả tính toán nhiệt và là các số liệu cơ bản cho các bước tính toán động lực học và tính toán thiết kế động cơ tiếp theo

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy

Khi α > 1 tính cho động cơ diesel theo công thức sau:

- Tỷ số nén đa biến trung bình n1

Chỉ số nén đa biến trung bình được xác định một cách gần đúng theo phương trình cân bằng nhiệt của quá trình nén với giả thiết cho vế trái của phương trình này bằng 0 và thay k1 = n 1, ta có

Thay n1 vào VT và VP của phương trình trên và so sánh nếu sai số giữa 2 vế của phương trình thõa mãn <0,2% thì đạt yêu cầu

Sau khi chọn các giá trị của n1 ta thấy n1=1,367 thõa điều kiện bài toán

Trong đó: C, H, O là thành phần carbon, hydro, oxy, tính theo khối lượng có trong 1kg nhiên liệu lỏng tham khảo bảng 2.10

Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg dầu diesel: Mo = 0,4357 kmol kk/kg.nl

- Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M1

Đối với động cơ diesel:

𝑀1 = 𝛼 𝑀0 = 1,8 0,4357= 0,78426 kmol kk/kg.nl

- Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β

Trong thực tế do ảnh hưởng khí sót còn lại trong xilanh từ chu trình trước nên hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β được xác định theo công thức sau:

- Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn

Vì là động cơ diesel nên: 𝛼 > 1, thì 𝛥𝑄𝐻 = 0

- Tỷ nhiệt mol đẳng tính trung bình của môi chất tại điểm Z

- Nhiệt độ cuối quá trình cháy 𝐓x

Đối với động cơ diesel được tính theo công thức:

Với QH: là nhiệt trị của dầu diesel, QH=42,5.103 (kJ/kgn.l)

= 1,03249 (20,889 + 8,314) 𝑇𝑧 => Tz = 2492,3690 (0K)

- Áp suất cuối quá trình cháy 𝐏z

Đối với động cơ diesel:

Giải phương trình ta tìm được n2 = 1,37

- Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb

+ Tr: chênh lệch độ khí sót tính toán và chọn ban đầu

|ΔT𝑟 𝑇𝑟 | = |

727,08 − 700

700 |= 0,0386 = 3,86 % < 5%

5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình - Áp suất chỉ thị trung bình tính toán:

- Hiệu suất cơ giới:

Chọn hiệu suất cơ giới đối với động cơ diesel: ηM = 0,8

Là tỷ số giữa phần nhiệt lượng chuyển thành công mà ta thu được và nhiệt lượng mà nhiên liệu tỏa ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu dạng lỏng hay 1m3 nhiên liệu ở dạng khí Đối với động cơ dùng nhiên liệu lỏng ta có:

η= 8,314.𝑀1 𝑃𝑖 𝑇𝑘 = 8,314.0,78426.1,0749.302 ≈ 0,575

Trong đó Pk và Tk – thay gần đúng bằng Po và To Qh tính theo J/kg; M1 tính

Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξz 0,75 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξb 0,9

Hệ số hiệu đính đồ thị công φd 0,92

Tỷ số nén đa biến trung bình n1 1,367 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 1,37

Nhiệt độ không khí nạp mới To 302 °K Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới 𝛥T 25 °C

Nhiệt độ khí sót Tr 727,08 °K Nhiệt độ cuối quá trình nạp Tα 358,94 °K Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc 1004,242 °K Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz 2492,3690 °K Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb 1006,71 °K

Áp suất không khí nạp Po 0,1013 MN/m2 Áp suất cuối quá trình nạp Pa 0,108 MN/m2

Áp suất quá trình nén Pc 4,985 MN/m2 Áp suất cuối quá trình cháy Pz 8,3124 MN/m2 Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb 0,3 MN/m2

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi 0,147 kg/kW.h Suất tiêu hao nhiên liệu ge 0,205 kg/kW.h

D Vẽ đồ thị công chỉ thị

- Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công:

Điểm a: điểm cuối quá trình hút

II CODE MATLAB

% phía trên tính theo đơn vị (dm)

%goc mo som xupap nap: 14%goc dong muon xupap nap: 50%goc mo som xupap thai: 62%goc dong muon xupap thai: 7%goc phun som : 20

%QUA TRINH NAP (doan rr'')

%QUA TRINH NEN (doan ac')

%QUA TRINH CHAY VA GIAN NO

x7=R.*(1-cosd(a7)+(lamda/4).*(1-cosd(2*a7))); v7=(x7.*Sp)+vc;

p7=pz.*(vz./v7).^n2;

j7=(R/10)*((w)^2).*(cosd(a7)+lamda.*cosd(2.*a7));

%QUA TRINH CHAY VA GIAN NO (doan b'->b")%%%xac dinh diem b'

%CAC LENH VE VA CHINH SUA DO THI

a =[a1 a2 a3 a4 a55 a7 a8 a9 a10];

grid on

plot(a,p,'b','linewidth',1.5) grid on

III TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

A Các khối lượng chuyển động tịnh tiến:

- Khối lượng nhóm piton mpt = 25 g/cm2

- Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston

+) Khối lương thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m 1 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 nghiệm sau: Đối với động cơ điezel ta có:

Ta chọn: m1 = 0,36 25 = 9 (g/cm2)

Vậy ta xác định đươc khối lương tịnh tiến mà đề bài cho là: mj = mpt + m1 = 25+9 = 34 (g/cm2)

B 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:

m2 = (mtt – m1) = 25 – 9 = 16 (g/cm2) - Khối lượng của chốt truc khuỷu: mch

Trong đó, ta có :

dch: Là đường kính ngoài của chốt khuỷu: 85 (mm A )

δch: Là đường kính trong của chốt khuỷu: 44 (mm )

lch: Là chiều của chốt khuỷu : 70 (mm )

ρ: Là khối lượng riêng của vật liệu làm chốt khuỷu ρ: 7800 Kg/ m3 = 7,8.10-6 Kg/ mm3

- Khối lượng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt: m om Khối lượng này tính gần đúng theo phương trình quy dẫn:

2 Đồ thị PKT PJ; P1

3 Đồ thị T(α)

4 Đồ thị Z(α)

6 Đồ thị vecto phụ tải T-Z (α)

7 Đồ thị chuyển vị x(α)

8 Đồ thị vận tốc v(α)

9 Đồ thị gia tốc j(α)

VI BẢNG SỐ LIỆU