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 TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.

 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

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 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/m 2 ]

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:

𝑃𝑎 = 𝑃𝑎 – Δ𝑃𝑘

Với Δ𝑃𝑎 là tổn thất trong quá trình nạp, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường ống nạp, tốc

độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng nạp.

Δ𝑃𝑘 = k n

2

f2n

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:

∆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 diesel chọn: 𝑃 𝑟 = (0,106 ÷ 0,115) MPa

Chọn P r= ¿ 0,11 MPa

2.2.7 Nhiệt độ khí sót (𝑻𝒓)

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, 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 T r càng thấp Xilanhhỗn hợp thành phần càng phù hợp thì quá trình cháy xảy ra càng nhanh, ít cháy rớtnên T r càng giảm

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

Giá trị của T r có thể chọn trong phạm vi sau:

Động cơ diesel: 𝑇𝑟 = 700 ÷ 900°K

Chọn T r=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 là

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 (ξ Z)

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

Đông cơ Diesel ξ Z= ¿0,65÷ 0,85)

Chọn ξ Z= ¿ 0,8

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

Động cơ Diesel: ξ b=0 ,85 ÷ 0 , 9

Chọn ξ b=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 = 1,5

2.2.15 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 thịcông thực tế so với đồ thị công tính toán

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

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b ξb 0,9

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

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

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

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

b v '= 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:

P C=P a ε n1=0, 09117 171,37= 4,42(MN/m2)

2.3.2.6 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=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:

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:

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+γ r = 1+1+ 0 , 029 1, 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:

0, 8

0, 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

= 19,84 + 0.004142 T z

0,685(89+

0,029 1,05 ).(19,84+0.00414

2 T z)+ 0.6535(1−8

9)(19,806+

0.00419

2 T z) 0,6863(89+

0,029 1,05 )+ 0.6535(1−8

9)

=13,917+0,001454 T z

0,7016

2 3.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z

Đối với động cơ diesel được tính theo công thức:

2.3.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy P z

Đối với động cơ diesel

Đối với động cơ Diesel Tb = T z

Thay (2) vào (1) ta có :

(0 , 9−0 , 8) 42530 0,6535 (1+0 , 029) 1 , 048(2515,26− 2515,26

2.3.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T b

- Đối với động cơ diesel:

Tb = T z

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

2.3.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở P b

- Đối với động cơ diesel:

= 1329,2( 0,11

0,375)

1,5−1 1,5 = 883,17 K

Trong đó : φ d : hệ số điền đầy đồ thị

Đối với động cơ Diesel : φ d = 0,92 – 0,95

2.4.3 Áp suất tổn thất cơ khí Pm

p m=a+b V b+(p r−p a) (Mpa)Trong đó Vb= S n30 (m/s) : vận tốc trung bình của piston và các hằng số a, b

2.4.9 Tính suất tiêu hao nhiêu liệu g e

Trong đó:

+ τ: số chu kỳ của động cơ (4 kỳ)

+ i : số xilanh động cơ (4 xilanh)

+ n e : số vòng quay của động cơ ở công suất thiết kế (5200 v/ph) + 𝑁𝑒 : công suất động cơ thiết kế, (85)kW

3 )

 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:

3 ]

+ 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 = const Trong 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 = const Trong 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 TRUYỀN 3.1 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:

λ - thông số kết cấu động cơ

L – chiều dài thanh truyền

3.1.2 Tốc độ của piston

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:

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 

n a

3.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

- Các khối lượng chuyển động tịnh tiến:

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

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 ( m A) và đầu to Thanh truyền (m B) được tính như sau :

 Đối với Động cơ ô tô :

(cosα+0,25cos2α) (MN/m2)

khối lượng chi tiết chuyển động quay: m r = m k + m B = 18 + 21= 39 (g/cm2)

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay tác dụng tác dụng lên đường tâm

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

3.3.1 Lực tổng cộng P1

Tổng hợp lực P Ʃ tác dụng lên chốt Piston

bao gồm lực quán tính của khối lượng

chuyển động tịnh tiến và lực khí thể Trong

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

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

3.3.3 Lực tiếp tuyến T

là lực sinh ra moment quay cho trục khuỷu và được tính theocông thức:

T = p1.(sin ⁡(α +β) cos ⁡(β) )(MN )

3.3.4 Lực pháp tuyến Z

là lực gây uốn trục khuỷu và được tính theo công thức:

Z= p1.(cos ⁡(α+β ) cos ⁡(β) )(MN )

3.3.5 Lực tác dụng dọc thanh truyền

tt

PPcos 





với  arcsin( sin ) 

3.4 Momen quay M của động cơ

- Tính góc lệch công tác của động cơ: δK = 360o Chọn thứ tự

làm việc của động cơ: 1 – 3 Xác định pha công tác của từng

xilanh:

Xilanh 1: α Xilanh 3: α + 180

T 1 : Lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu trong quá trình nạp

T 2 : Lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu trong quá trình nén

T 3 : Lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu trong quá trình cháy giãn nở

T 4 : Lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu trong quá trình thải

Động cơ đã cho là động cơ diesel 4xylanh, lập bảng thứ tự nổ của động cơ như sau:

δ k=180 τ

180.4

4 =180Trong đó: τ: Số kì i: số xylanh

Khuỷu trục của xylanh 3 nằm ở vị trí: α2=720−180=540

Khuỷu trục của xylanh 4 nằm ở vị trí: α2=540−180=360

Khuỷu trục của xylanh 2 nằm ở vị trí: α2=360−180=180

Thời gian ngắn nhất tính theo góc quay trục khuỷu, giữa lần nổ trong hai xylanh kề nhau là:

Giữa xylanh 1 và 2 là: 540

Giữa xylanh 2 và 3 là: 360

Giữa xylanh 3 và 4 là: 180

3.5 Lực tác dụng lên chốt khuỷu

- Tại chốt khuỷu có lực tác dụng như sau: lực tiếp tuyến T,

lực pháp tuyến Z, lực ly tâm PK0 Hợp lực tác dụng lên chốt khuỷu

là vectơ lực ⃗Q được xác định bằng phương trình cân bằng lực:

3.6 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu ị mài mòn chốt khuỷu th mài mòn ch t khu u ốt khuỷu ỷu

Để vẽ được đồ thị mài mòn chốt khuỷu ta thực hiện theo phương pháp lập bảng và tiến hành như sau:

- Vẽ 1 đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu với bán kính bất kỳ,chia đường tròn thành 24 phần bằng nhau (mỗi phần 15°) và

đánh số thứ tự (0, 1, 2, …23) theo chiều quy ước ngược chiều kim đồng hồ

- Lấy 24 giá trị của Qch tương ứng với góc quay trục khuỷu từ 360°, mỗi giá trị cách nhau 15° góc quay trục khuỷu, làm tương tựứng với góc quay trục khuỷu từ 360°-720° sau đó ghi vào bảng bên dưới và tính hợp lực∑ Qi của các lực tác dụng trên các điểm 0,

- Ghi các giá tr c a các Qi trong ph m vi tác d ng vào b ng bên d i (ph m vi tác ị ủ ∑ ạm vi tác dụng vào bảng bên dưới (phạm vi tác ụ ả ướ ạm vi tác dụng vào bảng bên dưới (phạm vi tác

d ng gi thi t ụ ả ế là 120°, nên tương ng v i 9 ô trong b ng).ứ ớ ả

- C ng tr s c a Q theo chi u d c t trên xu ng ta đ c các giá tr Qo, Q1, S ị ố ủ ∑ ề ọc từ trên xuống ta được các giá trị ∑ Qo, ∑ Q1, ừ ố ượ ị ∑ ∑

…, Q23.∑

- Sau khi có đ c các giá tr c a Qi ta ti n hành nh sau:ượ ị ủ ∑ ế ư

- ĐUt các đo n th ng đ i di n cho Q các đi m 0, 1, 2, …, 23 t đ ng tròn ạm vi tác dụng vào bảng bên dưới (phạm vi tác ẳng đại diện cho ∑ Q ở các điểm 0, 1, 2, …, 23 từ đường tròn ạm vi tác dụng vào bảng bên dưới (phạm vi tác ệ ∑ ở các điểm 0, 1, 2, …, 23 từ đường tròn ể ừ ườ

h ng v tâm theo th t các đi m.ướ ề ứ ự ể

- N i các đi m l i v i nhau b ng m t đ ng cong thích h p ta đ c đ ng cong ố ể ạm vi tác dụng vào bảng bên dưới (phạm vi tác ớ ằ S ườ ợ ượ ườ

th hi n đ mài mòn ch t khu u.ể ệ S ố ỷ

3.7 D ng ựng đường đặc tính ngoài đường đặc tính ngoài ng đặc tính ngoài c tính ngoài.

Đối với đSng cơ diesel buồng đốt thống nhất thì ta xây dựng các đường đUc tính theo công thức sau:

+ Đường đặc tính ngoài ng đặc tính ngoài c tính công su t Ne: ất Ne:

n N)

3]

n N)

3] (kW)

+ Đường đặc tính ngoài ng đặc tính ngoài c tính momen Me:

+ Đường đặc tính ngoài ng đặc tính ngoài c tính su t tiêu hao nhiên li u ất Ne: ệu 𝐠𝐞:

ge = g e N[1,55 - 1,55N n

n+ c( n

n N)

2] (𝑔/𝑘𝑊ℎ)

V i ớ g e N= 0,26 [kg/kWh] = 260[g/kWh]

 ge = 260[1,55 -1,55 n

5200 + ( n

5200)2] (𝑔/𝑘𝑊ℎ)