tập thuyết minh lý thuyết động cơ đốt trong

Chương 1CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN – VÀ CHỌN CHẾ ĐỘ TÍNH TOÁN nmin là tốc độ tối thiểu mà động cơ làm việc được ở chế độ toàn tải nếu thấphơn một chút động cơ sẽ chết máy.. nM: Tốc độ lúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢIPHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

~~~~~~*~~~~~~

TẬP THUYẾT MINH MÔN :

LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương 1

CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN – VÀ CHỌN CHẾ ĐỘ TÍNH TOÁN

nmin là tốc độ tối thiểu mà động cơ làm việc được ở chế độ toàn tải nếu thấphơn một chút động cơ sẽ chết máy

nM: Tốc độ lúc đạt mômen có ích cực đại ở chế độ toàn tải (Memax).ne: Tốc độ đạt công suất cực đại ở chế độ toàn tải (Nemax).Đa số trong động cơ Diezel và một số ít động cơ xăng của xe tải có bộ hạnchế tốc độ, thay n bằng nehd

nhd: Tốc độ hiệu đính (Tốc độ hạn chế), n = nehd

Nhd: Công suất hiệu đính do nhà sản xuất thông báo

Chương 2 TÍNH NHIÊN LIỆU VÀ HỖN HỢP CÁC SẢN PHẨM CHÁY2.1 Chọn nhiên liệu và thành phần của nhiên liệu.

Động cơ Diesel

Nhiên liệu Diesel có trị số Xetan 40 50h =10000u 10400 Kcal/kgThành phần gồm có Cacbon (g ) Hidro (g ) và Oxy (g )CHO

g = 0,86

gH = 0,13gO = 0,01

2.2 Chọn hệ số dư không khí :Vì tính nhiệt độ ở chế độ toàn tải nên phải chọn công suất:- Đối với động cơ Diesel, ở chương này ta tạm chọn tuỳ theo loại độngcơ, sau này tính suất hao nhiên liệu g ta phải tính lại :i 

+ Loại thấp tốc: = 1,8 2,2 (n = 300 600 vòng/phút)  hd + Loại trung tốc: = 1,3 1,7 (n = 700 2000 vòng/phút)  hd + Loại cao tốc:  = 1,7 2,2 (n >2000 vòng/phút) hd

 dựa theo kết cấu của buồng cháy và cách chọn như sau:Buồng phân cách:  = 1,3 1,4

Buồng liền:  = 1,4 1,7 (Buồng thống nhất)Lượng nhiệt tổn hao do thiếu ôxy cháy không hết vì <1:

hu= 14740 (1- )

2.3 Lượng không khí lý thuyết l cần để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu: l 00

l0 = kg/kg.nl

l0=83.0,86 8.0,13+−0,01

0,23=14,45 kg/kg.nl

2.4 Lượng không khí thực tế để đốt 1kg nhiên liệu:

l = .l0¿1,7.14,45 24,565=

2.5 Thành phần sản phẩm cháy G :i Đối với động cơ Diesel

GCO2= gC

¿113.0,86 3,15=

kgGO2= ( - 1) ( g + 8g - g ) CHO

¿( 1,7 1−)(83.0,86 8.0,13+−0,01)=2,33

G = spcl0 + = l +11=24,565+1=25,57 kg (2)

Sai số giữa công thức (1) và (2) không vượt quá 5%

2.6 Tỷ lệ thành phần sản phẩm cháy g :

23,0

.8.38

0

gggc H

311

.38

gi% = Gi/Gi = G / Gspci

Ta có: gC O2=3,15

25,57=0,123 , gO2=2,33

25,57=0,091 gH2O=1,17

25,57=0,046 , gN2=18,92

25,57=0,74gi = g + g + g + g = 1CO2COH2oN2

Cho phép tính sai 0,05 đối với  gi

2.7 Hằng số của khí nạp trước lúc cháy Đối với động cơ Diesel

Vì chỉ nạp không khí sau đến cuối quá trình nén mới phun nhiên liệu nên ởđây là hằng số khí của không khí

Rhht= R = 29,27 kG.m/kg.độ (Hằng số khí của hỗn hợp tươi R )kkhht

2.8 Hằng số khí của sản phẩm cháy Rspc

Rspc = (g R )i i

RCO2 = 19,3 kG.m/kg.độRCO = 30,3 kG.m/kg.độRH2O = 47,1 kG.m/kg.độRN2 = 30,3 kG.m/kg.độRO2 = 26,5 kG.m/kg.độ

Ta có: Rspc=0,123.19,3+0,091.26,5+0,046.47,1+0,74.30,3¿29,374 kGm/kg.độ

2.9 Hệ số biến đổi phân tử :

 = Rspc/Rkk =29,374/29,27=1

2.10 Nhiệt dung của chất khí2.10.1 Hỗn hợp tươi Đối với động cơ Diesel

Động cơ Diesel Cvspc = g Civi= gCO2.CVCO2 + gO2.CVO2 + gH2O.CH2O + gN2.CN2 =0,123.(0,186 + 0,000028.Tz) + 0,091.(0,150 + 0,000016.Tz) + 0,046.(0,317 + 0,000067.T ) + 0,74.(0,169 + 0,000017.T )zz

Chương 3 QUÁ TRÌNH NẠP 3.1 Xác định áp suất trung bình của quá trình nạp Pa

Tính theo nhiều tốc độ (n , n , n ) ở chế độ toàn tải dùng công thức gầnminMe

đúng sau đây của Giáo sư tiến sĩ Lenin J.M

Pa = Ở đây n: Tốc độ vòng quay tại chế độ tính toán (tính toán tại 3 giá trị tốc độ n ,min

nM, n )e

Vh’: Tính bằng m - Thể tích công tác của 1 xi lanh qui ước.3

Vh’ = 1 lít = 0,001m Vì chưa xác định được V thể tích công tác của 1 xi3

h

lanh.ftb = fe.(ne/1000) m /lít - Tiết diện lưu thông cần để phát huy N2 ở tốc độ

1000=4.10−42200

1000=8,8.10−4

(m3

lít) Với n = n = 550 (vòng/phút) min

Pa=1.[1−( 5502

520.106).( 0,0012(8,8.10−4)2). 1

0,652.(17,8−0,517,8 1− )2

]3,5=0,993 (kg/cm )2

Với n = n =1320 (vòng/phút) M

5,32

222'62

1 10.5201











tbh

fVnP

5.0



ra

ar

TP

TP



Pa=1.[1−(13202

520.106).( 0,0012(8,8.10−4)2). 1

0,652.(17,8−0,517,8 1− )2

] =0,963 (kg/cm )2

Với n = n = 2200 (vòng/phút) e

Pa=1.[1−( 22002

520.106).( 0,0012(8,8.10−4)2). 1

0,652.(17,8−0,517,8 1− )2

]3,5=0,898 (kg/cm )2

Tóm lại: n=nmin=550 vòng/phút Pa=0,993 (kg/cm )2

n=nM=1320 vòng/phút Pa=0,963 (kg/cm )2

n=ne=2200 vòng/phút Pa=0,898 (kg/cm )2

3.2 Xác định nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta:

Động cơ 4 kỳ không tăng áp:Ta = K 0To’ = t + t + 273o to = 24 C: Nhiệt độ khí quyển ở điều kiện bình thường theo tiêu chuẩn quốco

tế.t: Nhiệt độ do các chi tiết nóng truyền cho hỗn hợp (hoặc không khí ởđộng cơ Diesel) ta chọn theo bảng sau:

: Hệ số khí sót được tính theo công thức sau:r =

Pr (kG/cm2), Tr: Áp suất và nhiệt độ đầu quá trình nạp chọn theo bảng sau:: Hệ số biến đổi phần tử = (Mspc/Mhht) = (Rspc/Rhht) =(29,374/29,27)=1: Tỷ lệ nhiệt dung của khí trước khi cháy và sau khi cháy

 =  = 1,2 Đối với động cơ xăng. = 1,1 Đối với động cơ Diesel.Tr’=

° K

m = 1,38: Chỉ số dãn nở đa biến.Bảng để chọn P , T , và t cho động cơ 4 kỳ.rr 

Bảng 1





.1

''0

rrr



 arr r

.'0



  c

vhhtzvspc

CC



mrar

1.





Thứnguyên

'=900.(0,9931,05)1,38 1−

1,38 =886,27 ° K

Ta=332+0,0233.1,1.886,27

1+0,0233.1,1 =345,85 ° K- Với n = n = 1320 (vòng/phút)M

'=950.(0,9631,07)1,38−1

1,38=922,83 ° K

Ta=327+0,0229.1,1 922,83

1+0,0229.1,1 =341,64 ° K- Với n = n = 2200 (vòng/phút)e

γr= Pr T0

'

(ε Pa−Pr) β Tr= 1,15.322

(17,8.0,898 1,15−).1.1000=0,025 Tr

'=1000.(0,8981,15)1,38−1

1,38 =934,16 ° K

Ta=322+0,025.1,1.934,16

1+0,025.1,1 =338,38 ° K

3.3 Khối lượng nạp được trong 1 chu kỳ cho V = 1 lít Ghckl

Ở động cơ có 5000 vòng/ phút sẽ có 2500 chu kỳ với loại động cơ 4 kỳ Ởđây tính cho V ’ = 1 lít vì ta chưa xác định V của 1 xi lanh.hh

Gckl = G180 .d (mg/ckl)G180 : Khối lượng hỗn hợp tươi (hay không khí) nạp cơ bản:

δ = 0,5Pa: Áp suất trung bình cuối kỳ nạp kG/cm2

V’ = 0,001m3

Ta: Nhiệt độ trung bình cuối kỳ nạp (K)Ra= Rhht = 29,27 (hay Rkkở động cơ Diesel) kG.m/kg.độd - Hệ số điền đầy xi lanh do tính góc đóng muộn 2 của xupap nạp chọnnhư sau:

10=

- n = n = 1320 v/phM Gckl=0,963.0,001.(17,8 0,5−)

29,27 341,64.( 17,8 1−) 10 1 991,68

10=

- n = n = 2200 v/phhd Gckl=0,898.0,001 (17,8 0,5− )

Ro = R ; V =1 lít = 0,001 m ; Thhth 3 o=24+273o K; P = 10000kG/cmo 2

Có thể tính cho động cơ 4 kỳ không tăng áp bằng công thức sau:v

v = - Động cơ Diesel = 0,75 0,96Trong đó: G¿=P0 Vh

R0 T0=10000.0,001

29,27.297 10

6=1150,326

- n = n = 550 v/phmin ηv= 989,92

GG

000



RVh

kk

hk

RV



ra







000

.1



3.5 Tính mức tiêu hao nhiên liệu trong một chu kỳ ứng với V = 1 lít Ghnlckl(cần để tính T )z

Động cơ Diesel

Gnlckl=4555 (mg/ckl)Hệ số dư không khí α được xác định lại theo công thức

- n = n = 2200 v/phhd

α,= 980,3450.14,45=1,357

Chương 4 QUÁ TRÌNH NÉN 4.1 Áp suất cuối quá trình nén P : c

Tc=345,85.17,81,26−1=731,134 Ko

- Khi ntt = n = 1320 v/phM

n1=1,38−0.03 2200

1320=1,33 Pc=0,963.17,81,33

nn

n1=1,38−0,03.

2200=1,35 Pc=0,898.17,81,35=

Gnlckl: Mức nhiên liệu trong một chu kỳ với V ’ = 1 líthGckl: Khối lượng nạp được trong một chu kỳ cho V ’ = 1 lít.h: Hệ số dư không khí

l0: Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu.- Hệ số sử dụng nhiệt có tính mất nhiệt và phân ly của phần tử khí chọntheo tốc độ (bảng 5)

Bảng 5:

Ta đã biết được T tính trong quá trình nén thay vào và rút gọn phươngc

trình trên sẽ trở thành phương trình bậc 2 như sau:Sau khi giải ta lấy nghiệm dương

5.1.2 Đối với động cơ Diesel phương trình sẽ như sau

: Độ tăng áp suất khi cháy, chọn trước theo loại buồng cháy, vì chưa tính P :zBảng 6

Loại Diesel Buồng liền Buồng xoáy lốc Buồng cháy trước

hao nhiên liệu phải xác định lại hệ số dư không khí ( đã chọn ở chương II càng lớn thì Gnlckl càng bé) Còn các thông số khác đã tính ở chương trên

Chọn λ=1,95

0 2BC

 vkk  c vspv zr

cklnlckl

GGh

 0,07 . 0,07. .1





cz

PP



- n = n = 550 v/phmin 989,92.0,75.10400 50(1+0.0233)+(0,165 0,000017+ Tc+0,07.1,95) Tc

- n = n =2200 v/phhd

 0,85.10400 50980,34.( 1+0.025)+(0,165 0,000017+ Tc+0,07.1,95) Tc

5.2 Xác định áp suất cuối quá trình cháy (cực đại của chu trình) Pz Đối với động cơ Diesel

n2 = 1,20 + 0,03.Hay: n2 = 1,20+0,03.nhd

n

ne, n Tốc độ lúc đạt Nhd: emax (hoặc n khi Nhdehd).n: Tốc độ tính toán n , n , n

nne

- Khi n2 = n = 550 v/ph min n2=1,2+

550=1,32- Khi n2 = n = 1320 v/ph M n2=1,2+0,03.2200

1320=1,25- Khi n2 = n = 2200 v/ph hd n2=1,2+0,03.2200

2200=1,23

6.2 Áp suất cuối qúa trình dãn nở Pb Động cơ Diesel

Pb = Pb = 2,5 7 kG/cm 2

: Tỷ số dãn nở sớm

 = =

- Khi n = n =550 v/phmin ρ= 1.2120,68

1,95.731,134=1,49 Pb=72,86.(1,49

17,8)1,32=2,76- Khi n = n = 1320 v/phM

ρ= 1.2195,7

1,95.883,502=1,27 Pb=86,44.(1,27

17,8)1,25=3,19

- Khi n = n = 2200 v/phhd ρ= 1.2218,14

1,95.926,94=1,23 Pb=85,38.(1,23

17,8)1,23=3,19

6.3 Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở Tb Động cơ Diesel



cz

T

.

'

zzcz

VVVV 

1

2

n



=1199,69° K

Chương 7 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CHU TRÌNH7.1 Tính áp suất trung bình thực tế Pe

7.1.1 Tính áp suất trung bình lý thuyết ở điều kiện nén và dãn nở đa biến P ’t

(ở chu trình lý thuyết nén và dãn nở đoạn nhiệt là P )t

- n = n = 1320 v/phM

Pt'=44,329

- n = n = 2200 v/phhd

Pt'=43,787

7.1.2 Tính áp suất chỉ thị trung bình ứng với đồ thị của chu trình Pi

Đối với động cơ 4 kỳ: P = i .Pt’ - Pi kG/cm2 = 0,920,97 Tổn hao nhiệt do vê tròn đồ thịPi: Tính mất nhiệt cho công bơm ở động cơ không tăng áp (công nạp và thải khí)

Pi = P - Pra

- n = n = 550 v/ph









1 1

).(1

12

''

nVVn

VVVVPV

czzht



  

112

'

12

11.1111.1 1



Pi : Áp suất chỉ thị trung bình ứng với đồ thị công của chu trình Với động cơ không tăng áp hoặc tăng áp bằng tuốc bin khí P tính theo công thứcch

thực nghiệm sau đây:

Động cơ Diesel

Pch = 0,8 + 0,17.Vp (kG/cm2 )Vp = (m/s)

Vp: Vận tốc trung bình của pittông ở tốc độ tính toán n (vòng/phút)S: Hành trình của pittong (m)

n: Số vòng quay của động cơ ở chế độ tính toán.Dựa trên V đã chọn theo số vòng quay ở chế độ tính toán ta xác định V ở cáctbtb

chế độ này để tính ch

- n = n = 550 v/phmin Vp=S n

30=0,145.55030 =2,658 m/s

Pch=0,8+0,17 Vp=0,8+0,17.2,658 1,252= kg/cm2

ηch=1−Pch

Pi

=1−1,2529,229=0,864

- n = n = 1320 v/ph M Vp=S n

30=0,145.132030 =6,38 m/s

Pch=0,8+0,17 Vp=0,8+0,17.6,38 1,885= kg/cm2

ich



30S.n

ηch=1− ch

Pi

=1−9,296=0,797

- n = n = 2200 v/phhd Vp=S n

30=0,145.220030 =10,633 m/ s

Pch=0,8+0,17 Vp=0,8+0,17.10,633 2,608= kg/cm2

ηch=1−Pch

Pi

=1−2,6088,872=0,706

- n = n = 2200 v/phhd

Pe=Pi ηch=8,872.0,706 6,264= kG/cm2

7.2 Tính suất hao nhiên liệu thực tế ge

ge = : [kg/ml.h] (kg/ mã lực.giờ)Trong đó: ch: Hiệu suất cơ học

gi: Suất hao nhiên liệu chỉ thị

Động cơ Diesel 4 kỳ không tăng áp

Phải tính lại hệ số dư không khí: ’ = 

39,229.29,27 297.1,37 14,45=146,368 ge=gi

ηch

=146,3680,864=169,407 kg/ml.h

- n = n = 1320 v/ph

chi

nlcklckl

okki

v

lTR

270000 '

00





α=¿ 1,373 gi=270000. 1.0,862 10

39,296.29,27 297.1,373 14,45=145,163 ge=gi

ηch

=145,1630,797=182,137 kg/ml.h

- n = n = 2200 v/phhd

α,=¿ 1,357

gi=270000. 1.0,852 10

38,872.29,27.297 1,357 14,45=152,109

ge=gi

ηch

=152,1090,706=215,452 kg/ml.h

7.3 Công suất thực tế N ở các tốc độe

Ne = [mã lực]Với động cơ thiết kế mới ta chưa xác định V của 1 xi lanh nên tại các tốc độ n ,hmin

- n = n = 1320 v/phM

Nemin=Nemax.PeM nM

PeN ne

=115.7,409.13206,264.2200=81,613

Vhin

e



eeNe

nn

minmin



eeN

MeM

nn



Me = 716,2 [kG.m]Ne: Công suất thực tế (mã lực).n: Tốc độ vòng quay (vòng/phút).

- n = n = 2200 v/phhd Me=716,2.Ne

n=716,2.1152200=37,438 kG.m

7.6 Các hiệu suất của động cơ:7.6.1 Hiệu suất nhiệt (ứng với chu trình lý thuyết).t Động cơ Diesel

t = k: Trị số đoạn nhiệt quy ước ở đây xác định như sau:Tuỳ thuộc :

1- 1 k = 0,39 + 0,887 

1 k = 0,07 + 1,207 k = 0,07.1,7 + 1,207 = 1,326 

- n = n = 550 v/ph min

ηt=1− 117,81,326−1. 1,95.1,49

1,326−11,95−1+1,326.1,95.(1,49 1−)=0 ,593

- n = n = 1320 v/phM

ηt=1− 117,81,326−1. 1,95.1,27

1,326−11,95−1+1,326.1,95.(1,27 1−)=0,602

- n = n = 2200 v/phhd

ηt=1− 117,81,326−1. 1,95.1,23

1,326−11,95−1+1,326.1,95.(1,23 1−)=0,603

7.6.2 Hiệu suất chỉ thị (ứng với đồ thị công) i

(mới tính đến mức hoàn thiện quá trình phối khí và cháy)

i =

nNe

 1

.1

1 1

1   



   k

kk



uihg

632

- n = n = 550 v/phmin ηi= 632.10

3146,368.10400=0,415

- n = n = 1320 v/phM

ηi= 632.10

3145,163.10400=0,419

- n = n = 2200 v/phhd ηi= 632.10

3152,109.10400=0,4

- n = n = 1320 v/phM

ηe= 632.10

3182,137.10400=0,334

- n = n = 2200 v/phhd

ηe= 632.10

3215,452.10400=0,282Trong tính toán chính xác: t > > i e

Chương 8 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ

Việc xác định các kích thước cơ bản của động cơ xuất phát từ các thông số:Nemax: Công suất lớn nhất tại số vòng quay ne

Nehd: Công suất lớn nhất tại số vòng quay nhd.PeN: Áp suất trung bình thực tế tại số vòng quay đạt Nemax (N )ehd

632

V mmh: ; S: mmKhi thiết kế động cơ mới ta chưa biết hành trình S nên ta không tính đượcvận tốc trung bình piston V , nên ta phải chọn V Sau khi tính được V ta tínhpph

được đường kính xilanh D và S thông qua tỷ số S/D Khi tính được S cần kiểm tra lại vận tốc trung bình piston V so với vận tốcp

trung bình V đã chọn khi tính toán Nếu sai số 0,05 m/s không phải chọn lạip S/D, nếu sai số lớn hơn phải chọn lại S/D

Trong trường hợp đã có động cơ mẫu thì đã có bán kính quay trục khuỷu R,ta tính được hành trình S=2R, nên ta không phải chọn V V được tính toán theopp

công thức V = p Từ công thức: Nemax=Pe Vh.i n

225.τ ⇒ Vh=Nemax.225 τ

Pe i n = 115.225 4

6,264.4 2200=1,878 lít Đường kính D của xi lanh:

D=√4.Vh

π S=√4.1,878.106

π 145 =128,42 mm Mà S/D = 145/120

S = 155,17 mm

Chương 9 CÂN BẰNG NHIỆT CỦA ĐỘNG CƠ

Trong phần cân bằng nhiệt này sẽ tính xem toàn bộ lượng nhiệt do hỗn hợpcháy phát ra q (ở chu trình lý thuyết là lượng nhiệt cấp vào) phân bố như thế nào1

cho phần nhiệt sinh công có ích thực sự (N ) tức là qee.Phần nhiệt qlm+x theo nước làm mát và khí xả ra ngoài (ở chu trình lýthuyết đây là q đưa ra nguồn lạnh, mất theo định luật 2 của nhiệt động học).2

Phần q mất cho công cơ học.ch

Phần q : các tổn thất do cháy không hoàn toànlhlt

Tại mỗi tốc độ tính toán các phần nhiệt trên tính như sau:q1 = 100%; q = e e.100%; qlm+x = (1-t).100%qlh.lt = ( - t i).100%; qch = ( - i e).100%;

Trong phần nhiệt mất vì lý do lý hoá:

Nếu tính ở 3 chế độ ta có thể lập bảng sau đây để xác định các q thành phần cần

cho dựng đồ thị cân bằng nhiệt (các giá trị cho trong bảng mang tính tham khảo,giá trị này cần được tính toán theo các động cơ khác nhau)