tiểu luận tính toán thiết kế động cơ đốt trong đề tài động cơ ford everest 2 2 tdci

Các thông số cho trước của động cơ:- Kiểu động cơ: 2.2L-Diesel tăng áp.. yêu cầu tính toán 1.Tính toán nhiệt và xây dựng giản đồ công chỉ thị của động cơ... CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN N

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



VIỆN SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TIỂU LUẬN MÔN HỌC: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT

TRONG

ĐỀ TÀI ĐỘNG CƠ FORD EVEREST 2.2 TDCi

GVHD: PGS.TS LÝ VĨNH ĐẠT

nhiệm vụ

TP.HCM, tháng 10 năm 2023

PHẦN 1: SỐ LIỆU BAN ĐẦU VÀ YÊU CẦU TÍNH TOÁN

I Các thông số cho trước của động cơ:

- Kiểu động cơ: 2.2L-Diesel tăng áp

- Số kỳ: τ = 4 (kỳ)

- Số xilanh i = 4

- Thứ tự làm việc cuả xylanh 1- 3 - 4 - 2

- Hành trình piston: S = 94,6 (mm)

- Đường kính xilanh: D = 86 (mm)

- Góc mở sớm xupáp nạp: α1 = 130

- Góc đóng muộn của xupáp nạp: α2 = 490

- Góc mở sớm xupáp xả: β1 = 500

- Góc đóng muộn xupáp xả: β2 = 120

- Góc phun sớm: φ = 38º i

- Chiều dài thanh truyền: L = 155 (mm)tt

- Công suất định mức: N = 118 (kW)e

- Số vòng quay định mức: n = 3700 (vòng/phút)

- Suất tiêu hao nhiên liệu: g = 230 (g/kW.h) e

- Tỷ số nén: ε = 15,7

- Khối lượng thanh truyền: m = 28 (gam/cm )tt 2

- Khối lượng nhóm piston: m = 17 (gam/ cm ) pt 2

- Momen xoắn: 385 N.m ( đạt được tại số vòng quay 1500 - 2500 vòng / phút )

- Kiểu buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp: buồng cháy thống nhất, phun trực tiếp

- Kiểu làm mát: Làm mát bằng nước làm mát

Chọn thông số kết cấu λ = R/L = 0.3

II yêu cầu tính toán

1.Tính toán nhiệt và xây dựng giản đồ công chỉ thị của động cơ

PHẦN 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

A CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN NHIỆT

1 Áp suất không khí nạp (P0)

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển, giá trị p phụ thuộco vào độ cao so với mực nước biển Càng lên cao thì P càng giảm do không khí càng0 loãng, tại độ cao so với mực nước biển:

P0 = 0,1013M N/m2

2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T0)

Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường, nơi xe được sử dụng Điều này hết sức khó khăn đối với xe thiết kế để sử dụng

ở những vùng có khoảng biến thiên nhiệt độ trong ngày lớn

Miền Nam nước ta thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là t = 29 C cho khu vực miền Nam, do đó:kk o

T0 = t + 273 = 29 + 273 = 302 Kkk

3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (Pk)

Động cơ tăng áp và động cơ hai kỳ: pk là áp suất khí nạp đã được nén sơ cấp trước trong máy nén tăng áp hoặc trong bơm quét khí pk > po

P0 < P = 0,16 MN/mk 2

4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp

T k = 313 K o

, ΔTm = 25

Trong đó:

m- chỉ số nén đa biến trung bình của khí nén, phụ thuộc vào loại máy nén (m = 1,5÷1,65) , thông thường hiện nay chọn 1,4

ΔTm- chênh lệch nhiệt độ của không khí trước và sau két làm mát

Áp suất cuối quá trình nạp (𝑷𝒂)

Đối với động cơ tăng áp: = (0.88 ÷ 0.98) MN/ 𝑃𝑎 𝑃𝑘 𝑚

𝑃𝑘 : áp suất của không khí sau khi nén

Khi kiểm nghiệm động cơ có sẵn, giá trị của đã được biết trước, khi thiết kế thì phải𝑃𝑘 chọn trong khoảng: 𝑃𝑘

Tăng áp thấp < 0.15 MN/ 𝑃𝑘 𝑚2

Tăng áp trung bình = (0,15 ÷ 0,2) MN/ 𝑃𝑘 𝑚2

Tăng áp cao = (0,2 ÷ 0,8) MN/ 𝑃𝑘 𝑚2

Tăng áp siêu ≥ 0,4 MN/𝑃𝑘 𝑚2

Chọn p =0,16 MN/k 𝑚2

Pa= 0,147 MN/𝑚2

Chọn áp suất khí sót ( )𝑷𝒓

- Là một thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi

xilanh động cơ

- Động cơ diesel, chọn: 𝑃𝑟 = 0,11 𝑀𝑃𝑎

Nhiệt độ khí sót ( )𝑻𝒓

- Phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí, mức độ dãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình dãn nở và thải

- Đối với động cơ diesel: 𝑇𝑟 = 700 ( ÷ 900)𝐾

Chọn = 800𝑇𝑟 𝐾

Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (𝜟𝑻)

- Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xilanh của động

cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔT

- Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn cứ

vào số liệu thực nghiệm

- Đối với động cơ diesel : ∆T=20 ÷ 40 Co

Chọn ∆T=25 Co

Chọn hệ số nạp thêm (𝝀𝟏)

- Hệ số nạp thêm 𝜆1 biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ ở thể tích 𝑉𝑎

Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn: 𝜆1=1,02÷1,07

Chọn 𝜆1 =1,04

Chọn hệ số quét buồng cháy ( )𝝀𝟐

Với động cơ tăng áp (có quét buồng cháy), ta chọn hệ số quét buồng cháy

λ2:

λ2 = 0,5

Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (𝝀𝒕)

- Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt 𝜆𝑡 phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt

độ khí sót 𝑇𝑟 Theo thực nghiệm thống kê đối với động cơ xăng 𝜆𝑡 được chọn: Hệ số

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt 𝜆𝑡 1,13 1,17 1,14 1,11

- Với động cơ diesel có α = 1,75 => Chọn 𝜆𝑡=1,11

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( )𝝃𝒛

- Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( ) là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt 𝜉𝑧 tại

điểm Z ( ) phụ thuộc vào trình công tác của động cơ.𝜉𝑧

- Với động cơ diesel, ta chọn 𝜉𝑧 =0,755

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (𝝃𝒃)

- Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ( ) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ 𝜉𝑏 động cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến 𝜉𝑏 nhỏ

- Đối với động cơ diesel, ta chọn 𝜉𝑏 = 0,90

Hệ số dư lượng không khí ( )𝜶

- Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy

- Đối với động cơ đốt trong, tính toán nhiệt thường phải tính ở chế độ công suất cực đại, hệ số dư lượng không khí chọn trong pham vi cho trong bảng sau:

Diesel

- Buồng đốt thống nhất 1,45÷1,75

- Buồng đốt xoáy lốc 1,40÷1,65

- Buồng đốt dự bị 1,34÷1,45

Động cơ diesel tăng áp , ta chọn: 𝛼 = 1,75

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

- Hệ số điền đầy đủ đồ thị 𝜑𝑑 chọn theo số liệu kinh nghiệm theo bảng sau:

Diesel:

- Buồng đốt thống nhất 0,9 ÷ 0,95

- Buồng đốt ngăn cách 0,92 ÷ 0,96

- Động cơ diesel, chọn 𝜑𝑑 = 0,94

Tỷ số tăng áp

- Là tỷ số giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén:

𝜆 = 𝑃𝑧 𝑃𝑐

- Trị số λ thương của động cơ diesel nằm trong phạm vi sau: λ = 1,35 ÷ 2,40

- Ta chọn λ=2

Bảng thông số tự chọn

Nhiệt độ khí nạp trước xupap

2.3 Tính toán nhiệt

2.3.1 Quá trình nạp:

2.3.1.1 Hệ số nạp ( η V):

η V= 1

ε−1⋅

T k

T k +ΔT ⋅

P a

P k ⋅[ε ⋅ λ1− λ t ⋅ λ2⋅(P r

P a)1

m]

Đặt A=ε−11 ⋅ T k

T k + ΔT ⋅

P a

P k

15,7−1. 313 313+30.

0, 147

0,1 6=0,057 B=[ε ⋅ λ1− λ t ⋅ λ2⋅(P r

P a)1

m]=[15,7 1,0 4−1,11 0,4 (0,1 1

0,147)1 1,5]=15,87

η v =A∗B=0,057*15,87=0,9 Trong đó m là chỉ số giản nở đa biến trung bình của khí sót có thể chọn:

m =1,45 ÷ 1,5, chọn m =1,5 2.3.1.2 Hệ số khí sót γ :r

Hệ số khí sót γ được tính theo công thức:r

γ r=λ2⋅(T k +∆T)

P r

P a ⋅

1

ε λ1−λ λ1⋅ 2⋅(P r

P a) (1

m)

Hệ số khí sót có thể xác định bằng công thức đơn giản hơn:

γ r= λ2

(ε−1)⋅η v

⋅ P r

P k

⋅ T k

T r

(15,7−1).0,93.

0,11.313 0,16.800 =0,01 2.3.1.3 Nhiệt độ cuối quá trình nạp ( Ta ):

Nhiêt độ cuối quá trình nạp T được tính theo công thức:a

T a= (T k +∆ T)+ λ t γ r T r ⋅(P a

P r) (m−1

1+γr

T a=

( 313 30 + ) +1 ,11 0,0 1 80 0 (0, 147

0,1 1)1,5−1

1,5

1+0,01 ≈ 3 4 7 (° K )

2.3.2 Quá trình nén:

2.3.2.1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:

m c v =a v+b v

2⋅ T=19,806+0,00419

2 T(kJ /kmol K o )

Ta có: a = 19,806; b = 0,00419 v v

2.3.2.2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:

Khi hệ số dư lượng không khí α> 1, tính theo công thức sau:

m c v=(19,867+1,634❑ )+1

2(427,38+184 36❑, ) 10−5 T c (kJ/kmol ° K )

Thay số vào công thức trên ta có:

m c v= (19,867 + 1,634

1,75 ¿ +1

2(427 ,38+18 4 36,

1,75 ) 1 0−5

T c

¿>mc v =20,8+0,0027 T c( kJ/ kmol° K )

¿ > ¿ a = 20,8; v’’

b v ' '

2 =0,0027 2.3.2.3 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén:

m c vc '=mc v + γ r m c v

1+γr

¿> mc v

'=19,806+0,002095 T +0,01 (20,8+0,0027 T )

1 +0,01

m c v '

=19,816+0,0021 T ( kJ/ kmol° K ) a’v = 19,816; b ’ v2 = 0,0021 2.3.2.4 Tỷ số nén đa biến trung bình n1:

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào rất nhiều thông số kết cấu và thông số vận hành như kích thước xilanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải trạng thái nhiệt độ của động cơ…Tuy nhiên n tăng giảm theo quy luật sau:1

Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ làm cho n tăng 1 Chỉ số nén đa biến trung bình xác định gần đúng theo phương trình cân bằng nhiệt của quá trình nén, với giả thiết quá trình nén là quá trình đoạn nhiệt nên cho vế trái của phương trình này bằng 0 và

thay k = n ta có:1 1

a ' v+b ' v

2 ⋅ T a ⋅(ε n1 −1

+1)

¿> n1 −1= 8, 314 19,816+0,0021 ⋅347 ⋅(15,7n1 −1 1

+)

¿> n1 =1,37 2.3.2.5 Áp suất quá trình nén:

P c =P a ⋅ ε n1

P c =0 ,147 15.7. 1,37= 6,4 ( MPa ) 2.3.2.6 Nhiệt độ cuối quá trình nén T :c

T c =T a ⋅ ε n1 −1

T c =347 15,71,37−1= 961(° K )

2.3.3 Quá trình cháy:

2.3.3.1 Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu Mo

M o=1

21⋅(C

12 +H

4 −O

32)(kmol kk /kg nl)

Trong đó : C,H,O- là thành phần của Cacbon, Hydro, Oxy tính theo khối lượng, tham khảo bảng 2.7

Nhiên liệu

Thành phần trong 1kg nhiên liệu [kg] Khối lượng

phân tử [kg/kmol]

Nhiệt trị thấp, Q H

[kJ/kg]

Bảng 2.7 Đặc tính nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ

Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg dầu diesel:

Mo = 0,4357 (kmol kk /kg nl )

2.3.3.2 Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M1

Đối với động cơ diesel:

M1=α ⋅ M o =1,75 0,4357 0,762= ( kmol kk /kg.nl )

2.3.3.3 Lượng sản vật cháy M :2

Với α=1,75 > 1 : M được tính theo công thức sau2

M2 =O

32 +H

4+α ⋅ M0

¿>M2 =0,004

32 +0,126

4 +1,75 0,4357 0,794⋅ = (kmol SCV /kg nl )

2.3.3.4 Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết βalignl ¿0¿¿¿:

Ta có hệ số thay đổi phân tử lý thuyết β0 được xác định theo công thức:

β0 =M2

M1

=0, 794

0,762 =1,0 42(kmol SCV /kg nl)

2.3.3.5 Hệ số thay 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:

β=1+β0 −1 1+ γr

Thay số vào ta có: β=1+1,042 1−

1+0,01 ≈ 1,0 4 2.3.3.6 Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế tại điểm z (β z):

β z=1+β0 −1 1+γr

⋅ ξ z

ξ b

¿>β z=1+1,0 42−1 1+0,0 1 . 0,75 0,9≈ 1 , 035

2.3.3.7 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn

Đối với động cơ diesel α > 1 thì Δ Q H=0

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

m c vz

″

=

M2(X z+γ r

β0)⋅m c v '

+M1(1−Xz)m c v

M2(X z+γ r

β0)+M1(1−Xz) Với: m c v

' =19,814+0,0021 T z

m c v=19,806+0,00419

2 T z

¿>mc vz

0,794(0,75

0,9 +0,01

1,042)⋅(19,816+0,0021.T z)+ 0,762(1−0,75

0,9).(19,806+0,00419

2 T z) 0,794(0,75

0,9 +0,01 1,042)+0,762(1−0,75

0,9)

¿>mc vz

″

=19,814+0,0021 T z

2.3.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy T Z :

Đối với động cơ diesel được tính theo công thức:

ξ z ⋅Q H

M1(1+γr)+(mc vc ' +8,314 λ)⋅T c =β z ⋅(m c vz ' '+ 8,314)⋅T z (1)

Với:

- Q = 42530 (kJ/ kgnl): Nhiệt trị thấp của nhiên liệu dieselH

- m c vc '¿ 19,816+0,0021 Tz

- m c vz ″=19,814 0,0021 + T z

- T c =961(° K )

Phương trình (1)

0,75 42530.

0,762 (1+ 0,01 )+(19, 8 16+0,0021.961+8,314 2).950=1 ,035 (19,814+0,0021 T z+8,314).T z

¿> 0,0022T z

2

+29,27 T z−73486 0 =

¿ > ¿ T z =2288(° K) ( thoả mãn )

T z =−15682( ° K ) ( loại )

2.3.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy Pz

Đối với động cơ diesel

P z =λ ⋅ P c =2 6,4 12,8= (M P a)

2.3.4 Quá trình giản nở:

2.3.4.1 Tỷ số giãn nở đầu ρ:

ρ=β z T z

λ T c

=1,035.2288

2 961 =1 ,23 2.3.4.2 Tỷ số giản nở sau δ:

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

δ=ε

ρ=15,7 1,23 =12,76 2.3.4.3 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình

Ta có chỉ số giản nở đa biến trung bình n được xác định từ phương trình cân bằng2 sau :

(ξ b −ξ z) Q H

M1.(1+ γr) β (T z −T b)+a vz

″

2.(T z +T b) (2)

Với : T b= T z

δ n2 −1 là nhiệt độ cuối quá trình giản nở

Phương trình (2) tương đương với :

(0,9 0,75 − ) 42530

0,762 (1+0,01).1,04 (2288− 2288

12,76n2 −1)+19,814+0,0021.(2288+

2288 12,76n2 −1)

¿>n2=1 ,238

2.3.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở ( Τb Đối với động cơ diesel):

T b= T z

❑n2 −1 = 2288 12,761,238−1=1248[ K ]

2.3.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở (Pb): Đối với động cơ diesel

P b=P z

❑n2 = 12,8 12,761,238=0,55[ MN /m2

]

2.3.4.6Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Τ ( r ):

T r =T b ¿

2.3.4.7 Sai số:

∆ T r

T r

=|800 − 730

800 |= 8,75 %<10 % = ¿Th ỏ a đ i ề u ki ệ n

2.4 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình

- Tỷ số tăng áp λp:

λ p=P z

P c

=12,8 6,4 =2

- Áp suất chỉ thị trung bình tính toán (P i '):

P i '= P c

ɛ−1[

λ p

n2 −1(1− 1

ẟ n2 −1)− 1

n1 −1(1− 1

ɛ n1 −1)]

15,7−1[

2 1,238 − 1(1− 1

12,761,238−1)− 1

1,37 − 1(1− 1

15,71,37−1)]

¿ 0,91[ MN /m 2

]

- Áp suất chỉ thị trung bình thực tế (P i):

P i =φ đ P i '=0,94.0,91 0,855 = [ MN /m2

]

- Áp suất tổn thất cơ khí (Pm):

P m =a+b V p +(P r −P a) Trong đó V p=nS

30 [m/s] là vận tốc trung bình của piston và các hằng số a,b trong công thức chọn theo bảng 2.17

S

D=94,6

86 =1,1 1 > = ¿a =0,048 và b=0,01512

¿>P m=0,048+0,01512.3700.0,0946

30 +( 0,11 0,147 − )= 0,187[ MN /m 2

]

- Áp suất có ích trung bình (p ):e

P e =P i −P m= 0,855 − 0,187=0,668[MN /m 2

]

- Hiệu suất cơ giới (ηm):

η m=η e

λ i

=P e

P i

=0,668 0,855 =78,13%

- Hiệu suất chỉ thị (ηi):

η i=8,314M1 P i T k

Q H P k η v

=8,3140,762.0,855 313 42530.0,16 0,9 =27,68 %

- Hiệu suất có ích (ηe):

η e=8,314M1 P e T k

Q H P k η v

=8,3140,762.0,668 313 42530.0,16 0,9 =21,63 %

- Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị (gi):

g i=3600

Q H η i= 3600

42530.0,2768=0,3058 [kg/kW h]=305,8[ g/kW h]

- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge):

g e=3600

Q H η e

= 3600

42530.0,2163 =0,3913[kg

kW .h]=391,3[ g/kW h ]

2.3.6 Tính thông số kết cấu của động cơ :

- Thể tích công tác của 1 xylanh:

= 0,668.3700.430.4 118 = 1,432 (dm )3

- Thể tích buồn cháy

ε−1 =15,7 11,43− = 0,097 (dm )3

- Thể tích toàn bộ : Va=Vc +Vh = 1,432 +0,097= 1,53 (dm )3

- Đường kính piston

√4 1,432

π(94,6

86 ) =1,18 (dm)

- Hành trình piston

S =¿).D= 1,3 (dm)

𝑎’𝑣 19,816 𝑏′𝑣 0,0042

Tỷ số nén đa biến trung bình 𝑛1 1,37

Lượng khí nạp thực tế vào xi lanh 𝑀1 0,762 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑘

𝑘𝑔 𝑛𝑙

nl

Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết 𝛽0 1,042

Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế 𝛽 1,04

Hệ số biến đổi phân tử khí tại thời

điểm

𝛽𝑧 1,035

Tổn thất nhiệt lượng do cháy không

kg nl]

Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz 2288 K

chỉ số dãn nở đa biến trung bình n2 1,238

Áp suất chỉ thị trung bình tính toán Pi 0,91 (MN/m )2

Áp suất chỉ thị trung bình thực tế P𝑖 0,855 MN/m2

Hiệu suất cơ giới 𝜂𝑚 78.13 %

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị 𝑔𝑖 305,8 𝑘𝑔 𝐾𝑊/ ℎ

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 𝑔𝑒 0,3913 𝑘𝑔 𝐾𝑊/ ℎ