môn đồ án môn học động cơ diesel buồng cháy thống nhất không tăng áp

Lý Vĩnh ĐạtTÍNH TOÁN NHIỆT VÀ XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ CÔNG CHỈ THỊ2.2 Chọn các thông số tính toán nhiệt 2.2.1 Áp suất không khí nạp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.

HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC (ĐC)

MÃ MÔN HỌC: SPAE310730GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS TS LÝ VĨNH ĐẠT SINH VIÊN : TRẦN QUÝ HUY

MSSV: 20145693

 Số liệu ban đầu

Loại động cơ: Diesel (buồng cháy thống nhất, không tăng áp) Số kỳ, τ: 4 ,

Công suất có ích, Ne (kW): …85… Số vòng quay, n (vòng /phút): 52 00 Tỉ số nén, ε: 17 Hệ số dư lượng không khí, α: 1,5 Làm mát bằng: Nước Số xylanh i: 4

 Nội dung thuyết trình

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.2.3 Tính toán đặc tính ngoài của động cơ

 Nọi dung bản vẽ

3.1 Bản vẽ đồ thị công chỉ thị P – V3.2 Bản vẽ đồ thị P – , PJ, P13.3 Bản vẽ đồ thị quảng đường SP, vận tốc VP, gia tốc JP của piston.3.4 Bản vẽ đồ thị T(), Z(), N()

3.5 Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu (T – Z).3.6 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu

3.7 Đồ thị đặc tính ngoài động cơNgày giao nhiệm vụ : Ngày hoàn thành :

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ CÔNG CHỈ THỊ2.2 Chọn các thông số tính toán nhiệt

2.2.1 Áp suất không khí nạp (𝐏𝐨)

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển, giá trị po phụ thuộc vào độ caoso với mực nước biển Càng lên cao thì po càng giảm do không khí càng loãng, tại độ caoso với mực nước biển:

p0= 0,1013 [MN/m2 ]

2.2.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (𝐓𝒐)

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 tkk = 29𝑜C cho khu vực miền Nam, do đó: To = (tkk + 273), K

To = (29 + 273) = 302 K

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = po = 0,1013 MN/m2

Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: Tk = To = 302K

2.2.5 Áp suất cuối quá trình nạp (𝐏a)Đối với động cơ không tăng áp:

Áp suất cuối quá trình nạp trong xylanh thường nhỏ hơn trong áp suất khí quyển, do có tổn thất trên ống nạp và tại bầu lọc gây nên:

Trong đó:• k : hệ số xét tới ảnh hưởng của hệ số cản của đường nạp, thể tích công tác củaxylanh

• n : số vòng quay trục khuỷu• 𝑓𝑛:tiết diện lưu thông hẹp nhất của xupap nạp

Trong quá trình tính toán nhiệt, suất cuối quá trình nạp 𝑃𝑎 của động cơ bốn kỳ không tăng áp thường được xác định bằng công thức thực nghiệm:

𝑃𝑎 = (0,80 ÷ 0,95) 𝑃𝑜𝑃𝑎 = 0,9 𝑃𝑜 = 0,9.0,1013 =0.09117 MN/m2

∆Pr=k n2

fth2

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 diesel chọn: 𝑃𝑟 = (0,106 ÷ 0,115) MPa

Chọn Pr=¿ 0,11 MPa

2.2.7 Nhiệt độ khí sót (𝑻𝒓)

Khi tính toán, người ta thường lấy giá trị Tr ở cuối quá trình thải cưỡng bức

Giá trị của Tr phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén 𝜀, thànhphần hỗn hợp α, tốc độ quay n, góc đánh lửa sớm (ở động cơ xăng) hoặc góc phunsớm nhiên liệu (ở động cơ diesel)

Giá trị ε càng cao thì khí cháy càng dãn nở nhiều nên Tr càng thấp Xilanhhỗn hợp thành phần càng phù hợp thì quá trình cháy xảy ra càng nhanh, ít cháy rớtnên Tr càng giảm

Nếu góc phun sớm nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm quá nhỏ thì quá trình cháyrớt tăng nên Tr cao

Giá trị của Tr có thể chọn trong phạm vi sau:

Động cơ diesel: 𝑇𝑟 = 700 ÷ 900°KChọn Tr=8 00° K

2.2.8 Độ tăng nhiệt độ khi nạp mới ΔTT

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xylanh củađộng cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ làΔT

Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔTcăn cứ vào số liệu thực nghiệm

Đông cơ diesel: ΔT = 20÷ 4 00C

Chọn λ1 = 1,05

2.2.10 Chọn hệ số quét buồng cháy λ2

Đối với động cơ diesel không tăng áp do không có quét buồng cháy

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

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

Đông cơ Diesel ξZ=¿0,65÷ 0,85)Chọn ξZ=¿ 0,8

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

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

Động cơ Diesel: ξb=0 ,85 ÷ 0 , 9

Chọn ξb=0,9

2.2.14 Hệ số dư lượng không khí α

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

Động cơ Diesel buồng cháy thống nhất α = 1,45 ÷ 1,75

Chọn α = 1,52.2.15 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 thịcông thực tế so với đồ thị công tính toán

Động cơ Diesel buồng cháy thống nhất φd = 0,90 ÷ 0,95

Hệ số lợi dụng nhiệt tại bξb0,9

2.3: 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

2.3.1 Quá trình nạp2.3.1.1 Hệ số nạp (ηV)

Hệ số khí nạp được tính theo công thức:

ηV=1

Tk+ΔTT.

PaPk.[ε λ1−λt λ2.(Pr

TkTr=

1(17−1).0, 875.

0,110, 1013.

302800=0, 029

2.3.1.3 Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta

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

Ta=(T¿¿k + ΔTT )+λt γr Tr.(Pa

Pr)

m−1m

¿(302+20)+1 ,11 0 , 029 800 (0 , 09117

0 ,11 )

1 ,5−11 , 5

1+0 029 = 336,43 K

2.3.2 Quá trình nén2.3.2.1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới

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

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

av'= 19,806+20,965.0,0291+0,029 = 19,84

bv'= 0,00419+2,75 10−3.0,029

1+0,029 = 4,14.10−3

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 hóakhí, loại buồng cháy, các thông số kết cấu động cơ, các thông số vận hành gồmphần tải, vòng quay, trạng thái nhiệt…

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

→ n1=1, 37

2.3.2.5 Áp suất quá trình nén

Áp suất quá trình nén được tính theo công thức:

PC=Pa εn1=0, 09117 171,37=4,42(MN/m2)

2.3.2.6 Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc

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

TC=Ta εn1−1=336,43 171 37−1=959 ,75 K

2.3.3 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:

M0=121.(12C +

H

4−

O

32)Trong đó: C, H, O là thành phần carbon, hydro, oxy, tính theo khối lượng cótrong 1kg nhiên liệu lỏng

Thay các số liệu vào công thức trên ta tính được:

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

2.3.3.2 Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M1

Đối với động cơ diesel:

4 +¿1,5 0,4357 = 0,6863 kmol SCV/kgnl

2.3.3.4 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:

(kmolSCV / kgnl )

2.3.3.5 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 trướcnên hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β được xác định theo công thức sau:

1+γr = 1+1+ 0 , 0291, 05−1 = 1,048

2.3.3.6 Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm

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

βz=1+β0−1

1+γr.

ξzξb=1+

1, 05−11+0, 029.

0, 80, 9=1, 043

2.3.3.7 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn

Đối với động cơ diesel có 𝛼 ≥ 1 ↔ 1,5 > 1 𝑛ê𝑛 𝛥𝑄𝐻 = 0

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

'r

M (x) M (1 X )





= 19,84 + 0.004142 Tz

0,685(89+

0,0291,05 ).(19,84+0.00414

2 Tz)+0.6535(1−8

9)(19,806+

0.004192 Tz)0,6863(89+

0,0291,05 )+0.6535(1−8

9)

=13,917+0,001454 Tz

0,7016

2.3.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz

Đối với động cơ diesel được tính theo công thức:

(1)

Ta có´

´

m cvc' +8,314 λ) Tc=βz.(m c´vz' '+8,314) Tz

0,8 425300,6535.(1+0, 029)+(21 , 83+8,314.2) 959 , 75=1, 043 (19, 836+0.00207 Tz+8,314).Tz

¿>0, 002159 T2z+29,36 Tz−87507 , 023=0

¿>Tz=2515 , 26oK

2.3.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy Pz

Đối với động cơ diesel

Pz = .Pc = 2.4,42 = 8,84(MN/m2)

2.3.4 Quá trình giãn nở2.3.4.1 Tỷ số giãn nở đầu

Đông cơ diesel: ρ=βz

λ.TzTc=

1, 04 32 .

2515 , 26959 , 75 =1,366

Đối với động cơ Diesel Tb = Tz

Thay (2) vào (1) ta có :

(0 , 9−0 , 8) 425300,6535 (1+0 , 029) 1 , 048(2515,26− 2515,26

2.3.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb

- Đối với động cơ diesel:

Tb = Tz

δ(n2−1) = 12, 442515,26(1 , 253−1) = 1329,2 K

2.3.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb

- Đối với động cơ diesel:

= 1329,2(0,11

0,375)1,5−1

1,5 = 883,17 K

2.3.4.7 Sai số khí sót

ΔTTrTr = ¿800−883,17∨ ¿

800=0 ,1¿

2.4 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình2.4.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán:

Pi'= Pcε−1.[λp ( ρ−1 )+ρ λ β

1 , 253−1 (1− 1

12,441, 253−1)−(1 ,37−11 ).(1− 1

171, 37−1)] ¿1 ,191 Mpa

0,3260,664=¿0,49

2.4.8 Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi

gi=3600

Qh ηi=

360042530.0, 49=0,173(kg/kW h)

2.4.9 Tính suất tiêu hao nhiêu liệu ge

ge=3600

Qh.ηe=

360042530 0,326=0, 26(kg /kW h)

2.4.10 Tính toán thông số kết cấu của động cơ

Thể tích công tác Vh:

Vh=30 τ Ne

pe.ne.i=

3 0.4 850, 75 52 00 4=0,65 (d m

3)

Trong đó: + τ: số chu kỳ của động cơ (4 kỳ)+ i : số xilanh động cơ (4 xilanh)+ ne : số vòng quay của động cơ ở công suất thiết kế (5200 v/ph)+ 𝑁𝑒 : công suất động cơ thiết kế, (85)kW

3)

 Thể tích toàn bộ:

Va = Vc + Vh = 0, 04 + 0, 65 = 0,69 ¿) Đường kính piston:

 Thông số kết cấu động cơ: λ=0,35

 Chiếu dài thanh truyền:

STT Thông số Đơn vị Giá trị

 Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công.

- Điểm a: điểm cuối hành trình nạp, có áp suất Pa và thể tích Va:Va = 0,69 [dm3]

Pa = 0,09117 [MN/m2] Điểm c (Vc, Pc): điểm cuối hành trình nén

Vc= Vh

0,61317−1=0,04 [dm

3]

Pc = 4,42 [MN/m2] Điểm Z (Vz, Pz): điểm cuối hành trình cháy

Vz=ρ Vc=1 , 366 0,04=0 , 054 [dm3

] (động cơ diesel Vz=ρ Vc)Pz = 8,84 [MN/m2]

 Điểm b (Vb, Pb): điểm cuối hành trình giãn nởVb = Va = 0,69 [dm3]

Pb = 0,375 [MN/m2] Điểm r (Vc, Pr): điểm cuối hành trình thảiVc = 0,04 [dm3]

+ Đường cong nén ứng với trục khuỷu quay từ 1800 đến 3600 Trong hành trình nén khí trong xilanh bị nén với chỉ số nén đa biến trung bình n1, từ phương trình

pa.Van1 = pxn.Vxnn1 = constTrong đó: pa, Va là áp suất, thể tích tại điểm a.

Pxn, Vxn là áp suất, thể tích bất kỳ trên đường cong nén.+ Trong quá trình giãn nở khí cháy được giãn nở theo chỉ số giãn nở đa biến n2, từ phương trình:

Pz.Vzn2 = pxg.Vxgn2 = constTrong đó: pxg, Vxg là áp suất, thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường cong giãn nở.

Bằng cách cho các giá trị Vx1 đi từ Vz đến Vb ta lần lượt xác định được các giá trị pxg, kết quả ghi trong bảng 1(phần phụ lục) (bước nhảy Vxn là 50 cm3)

- Dựng và hiệu đính đồ thị công:+ Dùng đồ thị Brich xác định điểm đánh lửa sớm hoặc phun nhiên liệu sớm ( c)và các điểm phân phối khí trên đồ thị công

+ Dựng phía dưới đồ thị công nửa đường tròn có bán kính R, tâm O là trungđiểm Vh

+ Lấy từ O 1 khoảng OO’ về phía phải, với:

R = S2 =0,872 = 0,435 [dm]=>OO’ = 0,35 4 , 352 = 0,76[dm]

+ Từ tâm O’ ta vẽ các tia hợp với đường kính nửa vòng tròn tâm O các góc theobảng 1.22 (Trang 36 – Tính Toán Nhiệt và Động Lực Học Động Cơ Đốt Trong –Phạm Xuân Mai)

+ Từ giao điểm các tia cắt nửa đường tròn tâm O, ta dóng các đường song song, cắt đồ thị công tại c’, r’, a’, b’, r’’

+ Hiệu đính phần đường cong của quá trình cháy trên đồ thị công:

Ở động cơ diesel, áp suất cực đại cuối quá trình cháy, điểm z có tọa độz(Vz;pz) và điểm z’ có tọa độ (Vc;pc)

Điểm z’’ là trung điểm đoạn thẳng qua z’ song song trục tung và cắtđường cong giãn nở tại điểm c’

Điểm c’’ lấy trên đoạn cz’ với cc’’ = cz’/3 Điểm b’’ là trung điểm đoạn ab

Nối tất cả các điểm trên lại thành một đường cong liên tục ta được đồ thịcủa động cơ tính toán

TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN3.1 Động học của piston

3.1.1 Chuyển vị của piston

Khi trục khuỷu quay một góc  thì piston dịch chuyển được mộtkhoảng Sp so với vị trí ban đầu (ĐCT) Chuyển vị của piston trong xilanhđộng cơ được tính theo công thức sau:

P

RsR (1 cos )(1 cos 2 ) ;và0;360

Tốc độ chuyển động của piston là hàm phụ thuộc vào gócquay trục khuỷu và λ Vận tốc của piston là tổng của hai hàmđiều hòa cấp I và cấp II:

3.2 Động lực học của cơ cấu trục khuỷu, thanh truyền3.2.1 Lực khí thể Pkt

- Lực khí thể là một đại lượng thay đổi theo gốc quay trụckhuỷu, xác định được từ áp suất khí thể P ở tính toán nhiệt củađộng cơ

2ktkt0pkt0

Trong đó: P0 : 0,1 MPa: Áp suất khí quyển

Pkt: Áp suất khí trong xi lanh của động cơ.D: Đường kính xilanh động cơ

Từ đồ thị công chỉ thị, tiến hành vẽ đồ thị lực khí thể Pkt dựa trênnhững giá trị áp suất đã có ở đồ thị công chỉ thị P-V và vẽ lại theo gócquay trục khuỷu 

nakta

c

VPp

3.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

- Các khối lượng chuyển động tịnh tiến:

Chọn piston hợp kim nhôm: mnp= D.1580 =96 15

80 =18 (g/cm2)

Chọn thanh truyền hợp kim nhôm: mtt=D 25

80 =96.25

80 =30 (g/cm2)

Bảng 1.22 Thàng phần khối lượng của cơ cấu Piston – Khuỷu trục – Thanh truyền

tính trên đơn vị diện tích đỉnh Piston

Khi đó thành phần khối lượng quy về đầu nhỏ Thanh truyền ( mA) và đầu to Thanh truyền (mB) được tính như sau :

 Đối với Động cơ ô tô :

mA = (0,275÷0,359)mttmB = (0,65÷0,725)mtt

Chọn trục khuỷu từ thép đúc:

- mk=D 1 5

80 =96 15

80 =18(g /cm

2)Khối lượng quy về đầu nhỏ thanh truyền:

mA=0,3 mtt=0,3 30=9(g/cm2)

- Khối lượng đầu to thanh truyền:

mB=0,7 mtt=0,7 30=21(g/cm2)Vậy ta xác định được khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷa thành truyền:

(cosα+0,25cos2α) (MN/m2)

Trong đó :

- mj = mp + mA là khối lượng chuyển động tịnh tiến bao gồm khối lượng nhóm Piston và thành phần khối lượng quy về đầu nhỏ Thanh truyền.- R là bán kính quay vủa Trục khuỷu

- Lực ly tâm

khối lượng chi tiết chuyển động quay: mr = mk + mB = 18 + 21= 39 (g/cm2)

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay tác dụng tác dụng lên đường tâmmá khủyu có độ lớn

Pk = -mrRω2 = -0,039.0, 043 (28 0

3 π )2

=¿ -1,44 (MN/m2) = const

Trong đó :

mr = mk + mB : là khối lượng chi tiết chuyển động quay của khối lượng quy về đầu to Thanh truyền và khối lượng chuyển động quay của Trục khuỷu

3.3 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu Khuỷu trục – Thanh truyền

3.3.1 Lực tổng cộng P1

Tổng hợp lực PƩ tác dụng lên chốt Pistonbao gồm lực quán tính của khối lượngchuyển động tịnh tiến và lực khí thể Trongquá trình tính toán động lực học các lựcnày được tính toán trên đơn vị diện tíchđỉnh Piston

P1 = Pkt + Pj (MN/m2)

3.3.2 Lực ngang N

Là lực tác dụng lên thành xilanh được tính theo công thức:

N= p1 tg( β ) ( MN ) với β=arcsin ⁡( λ sin ⁡(α))