đồ án môn học đề tài tính toán động cơ xe sedan phân khúc hạng sang

PHẦN 1: CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚCCác thông số cho trước để kiểm nghiệm động cơ có sẵn trong tính toán nhiệt được chọn phụ thuộc vào các trường hợp tính toán sau: Số liệu ban đầu:Loại động c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM



KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÔN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SP KT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

2 Nội dung thuyết minh

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

2.2 Tính toán động lực học cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền.

3 Nội dung bản vẽ

3.1 Bản vẽ đồ thị công chỉ thị P – V.

3.2 Bản vẽ đồ thị P - , PJ, P1.

3.3 Bản vẽ đồ thị quãng đường SP, vận tốc VP, gia tốc JP của piston

Ngày giao nhiệm vụ:

Ngày hoàn thành: 0/0/2022

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS TS LÝ VĨNH ĐẠT

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện và hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, em đã nhận được sự

hỗ trợ, giúp đỡ cũng như là quan tâm, động viên từ nhiều cơ quan, tổ chức và cá nhân Nghiên cứu khoa học cũng được hoàn thành dựa trên sự tham khảo, học tập kinh nghiệm từ các kết quả nghiên cứu liên quan, các sách, báo chuyên ngành của nhiều tác giả ở các trường Đại học, các tổ chức nghiên cứu, tổ chức chính trị,…Đặc biệt hơn nữa

là sự hợp tác của cán bộ giáo viên của trường và sự giúp đỡ, tạo điều kiện về vật chất

và tinh thần từ phía gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp.

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lý Vĩnh Đạt – người trực tiếp hướng dẫn khoa học đã luôn dành nhiều thời gian, công sức hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học.

Tôi xin trân trọng cám ơn Ban giám hiệu, cùng toàn thể các thầy cô giáo công tác trong trường đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong đề tài nghiên cứu khoa học này không tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong Quý thầy cô, các chuyên gia, những người quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè tiếp tục có những ý kiến đóng góp, giúp

đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn.

Một lần nữa em xin chân thành cám ơn!

TP.HCM, tháng 11 năm 2022

PHẦN 1: CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC

Các thông số cho trước để kiểm nghiệm động cơ có sẵn trong tính toán nhiệt được chọn phụ thuộc vào các trường hợp tính toán sau:

Số liệu ban đầu:

Loại động cơ: Động cơ xe sedan hạng sang tăng áp

1 - Môi trường sử dụng động cơ: đường bằng phẳng, nội thành

11 - Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích: g e(g/Kw.h)

12 - Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp α1; α2:

17 - Khối lượng nhóm piston: m np= ¿ 14,7(g/cm2)

18 - Khối lượng nhóm thanh truyền: m tt=16,856 (g/cm2)

PHẦN 2: CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN NHIỆT2.1 Áp suất không khí nạpP0

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển, giá trị po phụ thuộc vào

độ cao so với mực nước biển Càng lên cao thì po càng giảm do không khí càng loãng,tại độ cao so với mực nước biển:

p0=0,1013 MN/m2

2.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T0)

Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môitrường, nơi xe được sử dụng Điều này hết sức khó khăn đối với xe thiết kế để sử dụng ởnhững 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 thểchọn là tkk = 34𝑜C cho khu vực miền Nam, do đó:

T0= (t kk+ 273),K = 34 + 273 = 307 K

2.3 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp ¿ ¿)

Động cơ tăng áp : pk là áp suất khí nạp đã được nén sơ cấp trước trong máy nén

tăng áp hoặc trong bơm quét khí pk>po

p k= 0,2 MN/m2

2.4 Nhiệt độ khí nạp trước xuppap nạp (T k)

Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp nếu không có làm mát trung gian Tk được xácđịnh bằng công thức:

T k=T0(p k

p0)

m−1 m

2.5 Áp suất cuối quá trình nạp (P a)

Đối với động cơ tăng áp:

P a = (0.88 ÷ 0.98) P k MN/m2

P k : áp suất của không khí sau khi nén

Khi kiểm nghiệm động cơ có sẵn, giá trị của P k đã được biết trước, khi thiết kế thìphải chọn P k trong khoảng:

P r = P th + ∆P r

∆P r: tổn thất trong quá trình thải, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường ốngthải (động cơ có lắp bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải, bình chứa khí thải hay không),tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng xupap thải

∆P r=k n2

f th2

Giá trị áp suất khí sót 𝑃𝑟 phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Diện tích tiết diện thông qua của xupap xả;

- Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả;

- Động cơ có lắp hệ thống tăng áp bằng khí xả hay không;

- Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả…

Đối với động cơ xăng chọn: P r= (0,11 ÷ 0,12) MPa

Chọn P r=0,11MPa

2.7 Nhiệt độ khí sót (T r)

Khi tính toán, người ta thường lấy giá trị T r ở cuối quá trình thải cưỡng bức Giá trị của T r phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén 𝜀, thành phầnhỗn hợp α, tốc độ quay n, góc đánh lửa sớm (ở động cơ xăng) hoặc góc phun sớm nhiênliệu (ở động cơ diesel)

Giá trị ε càng cao thì khí cháy càng dãn nở nhiều nên T r càng thấp Xilanh hỗnhợp thành phần càng phù hợp thì quá trình cháy xảy ra càng nhanh, ít cháy rớt nên T r

2.8 Độ tăng nhiệt độ khi nạp mới

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xylanh của động cơ

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

Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT T căn cứvào số liệu thực nghiệm

Đông cơ xăng: ΔT T = 0÷ 20°C

2.10 Chọn hệ số quét buồng cháy λ2

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

1 Động cơ được quét sạch hoàn toàn buồng cháy λ2 = 0, chỉ xảy ra khi thể tích buồngcháy V c = 0

Chọn λ2 = 0,2

2.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λ t

Thông thường khi tính cho:

Động cơ xăng có α=0,85÷0,92; chọn λ t =1,15

2.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξ Z)

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξ Z) là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt tạiđiểm Z (ξ Z) phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ

Đông cơ xăng ξ Z=(0, 75 ÷ 0,92)

Chọnξ Z=0,82

2.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξ b)

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξ b) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động

cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến ξ b nhỏ

Động cơ xăng: ξ b=0 ,85 ÷ 0 , 95

Chọn ξ b= 0,87

2.14 Hệ số dư lượng không khí α

Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy: Đối với động cơ đốt trong, tínhtoán nhiệt thường phải tính ở chế độ công suất cực đại

Chọn α = 0,9

2.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công φ d

Hệ số điền đầy đồ thị công φ d đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị côngthực tế so với đồ thị công tính toán

PHẦN 3: TÍNH TOÁN NHIỆT

Tính toán nhiệt nhằm xác định các thông số của chu trình lý thuyết và các chỉ tiêukinh tế - kỹ thuật của động cơ Đồ thị công chỉ thị của động cơ được xây dựng trên cơ sởcác 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

0, 2 .

372 , 86

960 =0, 0048

3.1.3 Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a

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

T a=

(T¿¿k + ΔTT)+ λ t γ r T r .( P a

P r)

m−1 m

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

mC rSub { size 8{v} } =a v +b rSub { size 8{v} } } over {2} } T} { ¿¿¿

3.2.3.Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén

mC' v = mC vkk + γ r mC rSub { size 8{v} } } over {1γ rSub { size 8{r} } } } =a' rSub { size 8{v} } { {b' rSub { size 8{v} } } over {2} } T} { ¿¿¿

Thay các giá trị đã tính ở trên ta được:

mc ' v

=a v '+b '

3.2.4 Tỷ số nén đa biến trung bình n1

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: tỷ lệ hóa khí,loại buồng cháy, các thông số kết cấu động cơ, các thông số vận hành gồm phần tải,vòng quay, trạng thái nhiệt…

Chỉ số nén đa biến trung bình xác định gần đúng theo phương trình cân bằng nhiệtcủa quá trình nén, với giả thiết quá trình nén là quá trình đoạn nhiệt nên cho vế trái củaphương trình này bằng 0 và thay k1 = n1 ta có:

2 386 (10

n1 − 1 +1)

→ n1=1, 37

3.2.5 Áp suất quá trình nén

Áp suất quá trình nén được tính theo công thức:

P C=P a ε n1 =0,18 101,37= 4, 22 (Mpa)

3.2.6 Nhiệt độ cuối quá trình nén T c

Nhiệt độ cuối quá trình nén được tính theo công thức:

T C=T a ε n1 −1 =386 10 1.37 =904 , 87 K

3.3 Quá trình cháy

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

Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg xăng là:

3.3.2 Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M1

Đối với động cơ xăng: Chọn µn.l=110( kg

3.3.4 Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết β0

Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết β0 được tính theo công thức:

β0=M2

M1=

0,51

0, 4735=1, 007 (kmolSCV / kgnl)

3.3.5 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:

1 ,007−1

3.3.6 Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm

Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm được tính theo công thức:

0 852 0,8 7=1, 072

3.3.7 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn

Đối với 𝛼 < 1, thì ΔTQH =120 103 (1−α ) M o= 6192(KJ

kg nl)

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

Đối với động cơ xăng được tính theo công thức:

3.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z

Đối với động cơ xăng Tz được tính theo phương trình sau:

Thay các giá trị sẵn có vào phương trình bên trên ta được:

0 , 82( 43960−6192)

0 , 4735 (1+0 , 0048)+(19 ,8+ 0 , 0021 904 ,87 ) 904 ,87=1 , 072.(21 , 1506+2 , 9375 10−3.T2)T2

¿ >T2=2714 K

3.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy P z

Đối với động cơ xăng:

3.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T b

Đối với động cơ xăng:

T b= T z

δ(n2 −1 ) = 2714

10 ( 1,22−1 ) =1635 , 35 (K)

3.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở P b

Đối với động cơ xăng:

P b=P z

δ n2 =13 , 568

10 1,22 =0, 818 MPa

3.4.6 Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót T r

Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót T r được tính theo công thức:

PHẦN 4: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA

CHU TRÌNH4.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán

Áp suất chỉ thị trung bình tính toán được tính theo công thức:

4.5 Hiệu suất cơ giới

Hiệu suất cơ giới được tính theo công thức:

4.6 Hiệu suất chỉ thị

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 1 m3 nhiên liệu ở dạngkhí

Đối với động cơ dùng nhiên liệu lỏng ta có:

4.8 Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i

Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i được tính theo công thức:

g i= 3600

Q H η i=

3600

43960 0,52=0, 157 (kg/kW.h)

4.9 Tính suất tiêu hao nhiên liệug e

Tính suất tiêu hao nhiên liệug e được tính theo công thức:

g e= 3600

Q H η e=

3600 43960.0, 277=0,296(kg/kW.h)

4.10 Tính toán thông số kết cấu động cơ

- Thể tích công tác một xylanh:

V h= 30.4 190

1,65.5800 4=0,6 (dm

3 )

- Thể tích buồng cháy:

V c= V h

0,6 10−1=0,067(dm

2 )

2 4 6 8 10

Đồ thị P- a

P (MN/m2) 0

2 4 6 8 10

Đoạn code matlab:

clear

clc

% -% TINH TOAN NHIET VA DO THI CONG P-V

% QUA TRINH NAP

ahc1=[0 5 10 15]; %goc dong muon supap thai = 15,

%Ve doan 3 truoc de lay gia tri min(p3) de ve doan 2

a3 = linspace(180,340,1000); %goc danh lua som = 20

x3 = R.*(1-cosd(a3)+(lamda/4).*(1-cosd(2.*a3)));

v3 = x3.*V+Vc;

p3 = Pa.*((Va./v3).^n1); %phuong trinh duong cong nen

%Co gia tri min(p3) ve doan 2 se co gia tri cuoi doan 2 khit gia tri dau

a4 = linspace(340,360,1000);

x4 = R.*(1-cosd(a4)+(lamda/4).*(1-cosd(2.*a4)));

v4 = x4.*V+Vc;

p4 = interp1(ahc4,phc4,a4, 'spline' );

%Ve doan 6 de lay gia tri maxp6 lam diem noi de ve doan 5

a6 = linspace(390,495,1000); %Góc mo som suppap thai = 45

hold on ;

grid on ;

ylabel( 'a(do)' );

xlabel( 'P (MN/m2)' );

title( 'DO THI CONG P-a' );

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH

TRUYỀN.

2.1 Động học của piston

Vì chu kỳ của chuyển vị, vận tốc và gia tốc lặp lại nên chỉ cần xét = [0ᵒ ; 360ᵒ] Chọn thông số kết cấu 

- Chuyển vị của piston.

Khi trục khuỷu quay một góc α thì piston dịch chuyển được một khoảng x so với vị trí ban đầu Chuyển vị của piston trong xi lanh động cơ tính bằng công thức sau:

x=R[(1-cos(α)) + (λ/4).(1-cos(2.α))] với S= 2R x=0,45.[(1-cos(α)) + (0,25/4).(1-cos(2.α))] (dm)

- Tốc độ piston.

Ta xác định phương trình tốc dộ của piston là hàm phụ thuộc vào gốc quay trục

khuỷu bằng cách vi phân biểu thức trên:

Lấy đạo hàm công thức V =R ω (sin (α )+ λ

2 sin (2 α )) theo thời gian ta có công thức tính gia tốc của piston.

2.2 Động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền.

- Các khối lượng chuyển động tịnh tiến:

Khối lượng nhóm piston m np là: m np = 28,7 (g/cm2) (Hợp kim gang)

Khối lượng của thanh truyền m tt là: m tt = 28,7 (g/cm2)

- Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay)

- Xác định lực tiếp tuyến, lực pháp tuyến và lực ngang N:

F p

. tgββ (MN/m2)

- Moment quay trục khuỷu của động cơ 3 xylanh:

+ Quy ước các momen tác dụng lên trục khuỷu như sau:

+ Mi: momen tác dụng lên trục khuỷu thứ i

+ ΣMi-1: momen của các khuỷu phía trước trục khuỷu thứ iMi-1: momen của các khuỷu phía trước trục khuỷu thứ i

+ ΣMi-1: momen của các khuỷu phía trước trục khuỷu thứ imi: tổng momen tác dụng lên ổ trục cuối cùng còn gọi là momen tổng cộng của

Momen tổng cộng được xác định bằng quan hệ sau:

∑M i=R ∑

i=1

i

T i(MN m)

Trong đó: ∑M i: tổng lực tiếp tuyến

R: bán kính quay của trục khuỷu

+ Xác định pha công tác của từng xylanh ứng với vị trí trục khuỷu:

Tại vị trí đầu tiên khi trục khuỷu của xylanh 1 nằm ở α1= 0° (hoặc 720°)

Trục khuỷu của xylanh 4 α4= 0°

Trục khuỷu của xylanh 3 α3= 180°

Trục khuỷu của xylanh 2 α2= 180°

Thời gian ngắn nhất tính theo góc quay của trục khuỷu, giữa 2 lần nổ trong 2 xylanh

2.3 Tính toán đặc tính ngoài của động cơ.

+ Công suất động cơ:

Với: n e: là số vòng quay của động cơ (v/p)

P emax : công suất cực đại (KW)

n N: là số vòng quay ứng với công suất cực đại (v/p)

a,b,c: là hệ số xác định bằng thực nghiệm (a=b=c=1)

+ Momen xoắn động cơ

Xác định bằng công thức:

M e= 10 4 P e

1,047 n e (N.m) + Suất tiêu hao nhiên liệu (G e¿

G e=g e N .(1,2−n e

n N+0,8.(n e

n N)2)

Trong đó:

g e N: là suất tiêu hao nhiên liệu có ích ứng với tốc độ n N (g/KWh)

G e: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ (g/KWh)

n e: là số vòng quay của động cơ (v/p)

n N: là số vòng quay ứng với công suất cực đại (v/p)