Nội dung thuyết minh gồm: - Nhiệm vụ bài tập lớn được GV hướng dẫn thông qua - Phần số liệu tính toán nhiệt, động học và động lực học có kèm theo các đồ thị - Phần số liệu tính toán đặc
TÍNH TOÁN NHIỆT
Chọn các thông số tính toán nhiệt
1.1.1 Áp suất không khí nạp ( )
-Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển:
1.1.2 Nhiệt độ không khí nạp mới ( )
- 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 cho khu vực miền Nam, do đó:
1.1.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp ( )
-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
-Động cơ Diesel bốn kỳ tăng áp: chọn
1.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xuppap nạp ( )
-Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp nếu có két làm mát trung gian Tk được xác định bằng công thức:
-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 1,5.
- ΔTm :chênh lệch nhiệt độ của không khí trước và sau két làm mát
1.1.5 Áp suất cuối quá trình nạp ( )
-Áp suất cuối quá trình nạp ( ) thường được xác định bằng công thức thực nghiệm.Đối với động cơ Diesel 4 kỳ tăng áp :
-Đối với động cơ Diesel ta có thể chọn:
- Nhiệt độ khí sót phụ thuộc vào chủng loại động cơ Nếu quá trình giãn nở càng triệt để, nhiệt độ Tr càng thấp Đối với động cơ Disel thì
1.1.8 Độ tăng nhiệt độ khi nạp mới
Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số căn cứ vào số liệu thực nghiệm: Đông cơ diesel:
Hệ số nạp thêm biểu thị sự tương quan năng lượng tăng đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nộp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ ở thể tích
Hệ số nạp thêm trong giới hạn
1.1.10 Hệ số quét buồng cháy ( ) Đối với động cơ tăng áp chọn
1.1.11 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (𝝀 𝒕 )
Thông thường khi tính cho:
-Động cơ xăng có α=0,85÷0,92; chọn λt=1,15
-Động cơ Diesel có ; chọn
-Động cơ Diesel có ; chọn
1.1.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( )
-Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ( ) phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ, thể hiện lượng nhiệt phát ra đã cháy ở điểm z so với lượng nhiệt phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu.
Với động cơ Diesel ta thường chọn , chọn
1.1.13 Hệ số lợi dụng tại điểm b ( )
Hệ số lợi dụng tại điểm b ( ) phụ thuộc vào nhiều yếu tố : tốc độ , động cơ , tỷ số nén Đối với động cơ Diesel ta có thể chọn :
1.1.14 Chọn hệ số dư lưu lượng không khí ( )
Hệ số ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy Ta chọn hệ số dư lưu lượng không khí cho động cơ diesel tăng áp nằm trong khoảng
1.1.12 Hệ số điền đầy đồ thị công (𝝋 𝒅 )
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
Với động cơ Diesel, chọn 𝝋 𝒅 = 𝟎, 𝟗
-Tỷ số tăng áp 𝜆 là tỷ số giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xi lanh ở cuối quá trình cháy & quá trình nén: 𝜆 = 𝑃𝑧 × 𝑃𝑐
-Đối với động cơ Diesel 𝜆 = (1,35 ÷ 2,4)
Tính toán nhiệt
Trong đó: m là chỉ số đa biến trung bình của không khí, chọn 𝑚 = 1.5
+ Nhiệt độ cuối quá trình nạp (𝐓 𝐚 ): v
+ Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới: ̅›𝑚››𝑐›› = 19,806 + 0,00419 𝑇
+ Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
+ Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén: m›››c› v › + γ r m›››c›› ′ › ′ m›››c›› ′ = 1 + γ r v
+ Xác định chỉ số nén đa biến trung bình (𝒏 𝟏 ):
+ Áp suất quá trình nén (𝒑 𝒄 ):
+ Nhiệt độ cuối quá trình nén (𝑻 𝒄 ):
+ Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M o :
Trong đó: C, H, O là thành phần của carbon, hydro, oxy tính theo khối lượng Đối với nhiên liệu của động cơ Diesel ta có: C = 0,870; H = 0,126;
O = 0,004 nên thay vào công thức tính 𝑀 𝑜 ta được:
+ Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M 𝟏 :
Do 𝛼 = 1,75 > 1 nên tính M2 theo công thức sau:
+ Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết β 0 : v z
+ Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β: β = 1 + β 0 −1 = 1 + 1,0415−1 = 1,0413
+ Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm (𝜷𝒛):
Trong đó: 𝑥 𝑧 là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm 𝑧, nếu giả thiết rằng số nhiên liệu đã cháy tỉ lệ với hệ số lợi dụng nhiệt thì ta có:
+ Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn (∆𝑸𝑯 ): Đối với động cơ Diesel vì 𝛼 >1 :
+ Tỷ nhiệt mol đẳng tính trung bình của môi chất tại điểm Z:
+ Nhiệt độ cuối quá trình cháy (𝐓 𝐳 ):
+ Áp suất cuối quá trình cháy (𝐩 𝐳 ):
+ Tỷ số giãn nở đầu: ρ = β z T z = 1,0367 2434,5689 = 1,3372 λ T 𝔀 1,75 1078,5543
+ Tỷ số giãn nở sau: δ = 𝝴 = 16 = 11,9653
+ Xác định tỷ số giãn nở đa biến trung bình n 2
Ta có, nhiệt độ cuối quá trình giãn nở: T
+ Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở (𝐓 𝐛 ): δ ( 𝚗2−1) 11,9653 𝚗2−1
+ Áp suất cuối quá trình giãn nở (p b ):
+ Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót T r : m−1 1,5−1
1.2.5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình
+ Áp suất chỉ thị trung bình tính toán (𝐩 ′ ): p ′ = p 𝔀 [λ (ρ − 1) + 𝞀 λβ (1 − 1 ) − 1 (1 − 1 )] i 𝝴 −1
+ Áp suất chỉ thị trung bình thực tế (𝐩 𝐢 ): p i = φ d p ′ =0,9.1,912 = 1,7208 [MN/m 2 ]
+ Áp suất tổn thất cơ khí (𝐩 𝐦 ): pm=a+ b.Vp + (pr-pa)
V = 𝑆 𝑛 = 96 ∗ 10 −3 3800 = 12,16 [m/s] p 30 30 Đối với động cơ đốt trong có buồng đốt thống nhất : a=0,089 ; b=0,01180
+ Áp suất có ích trung bình (𝐩 𝐞 ): pe= pi – pm = 1,7208 – 0,1405= 1,5803 [MN/m 2 ]
Hiệu suất chỉ thị 𝜂𝑖– 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: η = 8,314 M 1 p i T k = = 8,314 0,7625.1,7208 366,0912
+ Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị (𝐠 𝐢 ): gi= 3600 = 3600 = 180 [g/kW.h]
+ Tính suất tiêu hao nhiên liệu (𝐠 𝐞 ): ge= Q 3600 H η e = 42530.0,4335 3600 = 200 [g/kW.h]
1.2.6 Tính thông số kết cấu của động cơ
- Tính toán các thông số dựa theo các thông số tính toán nhiệt ở trên:
+ Thể tích công tác của 1 xylanh Vh
+Thể tích buồng cháy Vc
+Thể tích toàn bộ Va
Va= Vh+Vc = 746,3875 + 49,7592 = 796,1404 [cm 3 ] +Đường kính piston D
Tính toán các thông số dựa trên các thông số kết cấu : +Thể tích công tác của 1 xylanh Vh
STT Thông số Giá trị Đơn vị
Bảng 1 Bảng kết quả tính toán nhiệt động cơ
1.2.7 Vẽ đồ thị công chỉ thị
-Đồ thị công là đô thị biểu diễn quan hệ hàm số giữa áp suất của MCCT trong xilanh với thể tích của nó khi tiến hành các quá trình: nạp - nén - (cháy + dãn nở) và thải trong một chu trình công tác của động cơ:
-Đồ thị công cho thấy một cách trực quan nhất diện tích thể hiện công chỉ thị của chu trình (Li) và áp suấ chỉ thị trung bình pi = Li/ Vh Đó là các thông số đánh giá hiệu quả của động cơ Triển khai đồ thị công chỉ thị nói trên thành đồ thị lực khí thể Pkt tác dụng lên đỉnh piston theo góc quay trục khuỷu trên tọa độ vuông góc (trục tung là lực khí thể, trục hoành là góc quay trục khuỷu từ 0 0
~ 720 0 ) Cách xây dựng đồ thị công chỉ thị của động cơ tính toán tiến hành theo các bước dưới đây:
Bước 1: Chọn tọa độ tuông góc : biểu diễn áp suất khí thể ( pkt ) trên trục tung và thể tích khí (Vxl) trên trục hoành.
Bước 2: Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công Điểm a: điểm cuối hành trình nạp có : Áp suất Pa= 0.198 [MN/m 2 ]
Nhiệt độ Ta = 394,2271 [K] Điểm c : điểm cuối hành trình nén có
Nhiệt độ Tc = 1078,5543 [K] Điểm z : điểm cuối quá trình cháy có : Áp suất Pz= 15,1676 [MN/m 2 ]
Nhiệt độ Tz $34,5689 [K] Điểm b: Điểm cuối hành trình dãn nở có: Áp suất Pb=0,6683 [MN/m 2 ]
Thể tích Vb= Va= 0,5867 [dm 3 ]
Nhiệt độ Tb = 1283,5878 [K] Điểm r : điểm cuối quá trình thải có: Áp suất Pr= 0,106 [MN/m 2 ]
Thể tích Vr=Vc =0,0367 [dm 3 ]
Bước 3 : Dựng đường cong nén
-Trong hành trình nén khí trong xilanh bị nén với chỉ số đa biến trung bình n1 từ phương trình: pa.Va n1= pxn.Vxn n1 = const z xg
-Bằng cách cho giá trị Vxn thay đổi từ Va đến Vc, ta lần lượt xác định được các giá trị pxn.
Bước 4: Dựng đường cong giãn nở
Trong quá trình giãn nở khí cháy được giãn nở theo chỉ số đa biến n2 từ phương trình: pz.V n2 =p n2 =const
Ta cho giá trị Vxg thay đổi từ Vz tăng đến Vb, ta lần lượt xác định được các giá trị pxg
-Tại các quá trình nén và giãn nở, Vx được tính theo α bằng cách:
-Chuyển vị của piston tại α tương ứng: x = R.[(1 − 𝑐𝑜𝑠(∝) + 𝜆 (1 − 𝑐𝑜𝑠(2 ∝)]
-Thể tích của toàn bộ động cơ tại ∝ 𝑡ươ𝑛𝑔 ứ𝑛𝑔 :
Tên gọi Kí hiệu Áp suất [MN/m 2 ]
Thể tích [dm 3 ] Điểm cuối quá trình nạp a 0,198 0,5867 Điểm cuối quá trình nén c 8,6672 0,0367 Điểm cuối quá trìnnh cháy z 15,1676 0,049 Điểm cuối quá trình dãn nở b 0,6683 0,5867 Điểm cuối quá trình thải r 0,106 0,0367 Điểm áp suất cực đại không nằm trong đường hiểu chỉnh z’ 15,1676 0,0367 Điểm áp suất cực đại của đường cong hiệu chỉnh z” 15,1676 0,0367 Điểm lấy trên đoạn cz’ với cc”=cz’/3 c” 10,834 0,0367
Trung điểm của đoạn ab b” 0,43315 0,5867
Bảng 2 Bảng số liệu hiệu đính đồ thị công P-V , các điểm đặc biệt
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU
Động học của pison
Sơ đồ động học cơ cấu Piston-Trục khuỷu-Thanh truyền của cơ cấu giao tâm x- Chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu
R- Bán kính quay trục khuỷu.
- Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xylanh.
Khi trục khuỷu quay một góc thì piston dịch chuyển được một khoảng Sp so với vị trí ban đầu (ĐCT) Chuyển vị của piston trong xilanh động cơ được tính theo công thức sau:
(là thông số kết cấu) chọn với
R- Bán kính quay trục khuỷu.
- Thông số kết cấu của động cơ.
L- Chiều dài thanh truyền. Đồ thị được vẽ qua Matlab như sau:
- Vi phân biểu thức chuyển vị theo thời gian sẽ được phương trình tốc độ chuyển động của piston.
+ - Tốc độ góc của trục khuỷu
- Tốc độ của piston được tính theo công thức sau:
[m/s] Đồ thị được vẽ qua MATLAB như sau:
2.1.3 Gia tốc piston Đồ thị được vẽ qua MATLAB như sau:
Động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền
Lực khí thể xong xylanh được tính theo công thức:
: Áp suất trong xylanh động cơ
: Diện tích tiết diện của piston
D: Đường kính xylanh động cơ
-Tuy nhiên trong quá trình tính toán thì thường được tính theo đơn vị diện tích nên :
- Đồ thị có thể chuyển từ đồ thị P - α với gốc tọa độ lấy tại Ta có thể xác định bằng phương pháp giải tích kết hợp với phương pháp đồ thị Brich Các giá trị của tại các quá trình nạp – nén – giãn nở - thải được xác định bằng các quan hệ sau (theo góc quay α với các bước tăng đều )
Thông số Kí hiệu (độ)
Góc mở sớm xupap nạp 12
Góc đóng muộn xupap nạp 28
Góc mở sớm xupap xả 45
Góc đóng muộn xupap xả 14
- Qúa trình nạp: tính từ đến
- Qúa trình nén: tính từ đến
- Qúa trình giãn nở: đi từ điểm cuối quá trình cháy trên giản đồ công chỉ thị đến tính từ
- Qúa trình thải: Tính từ tới
-Các đoạn hiệu chỉnh của đồ thị lực khí thể cũng tương tự như trên đồ thị công chỉ thị P - V nhưng thay vì hiệu chỉnh theo V thì trên đồ thị lực khí thể sẽ hiệu chỉnh theo
2.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động
Khối lượng cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền:
- Khối lượng của nhóm piston (khối lượng của các chi tiết chuyển động tịnh tiến) Dựa vào bảng 2-1 giáo trình Động cơ đốt trong 2 trang 23 và đường kính xilanh D
,4 mm ta chọn được: (piston hợp kim nhôm).
- Khối lượng của khuỷu trục (khối lượng của các chi tiết chuyển động quay) Dựa vào bảng 2-1 giáo trình Động cơ đốt trong 2 trang 23 và tỉ lệ ta chọn được :
- Khối lượng nhóm thanh truyền:
Khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến của động cơ
-Trong quá trình chuyển động tịnh tiến lực quán tính, khối lượng các chi tiết chuyển động của thanh truyền được quy về đầu nhỏ thanh truyền ( ) Theo công thực thực nghiệm, khối lượng quy về đầu nhỏ thanh truyền được xác định theo công thức sau:
Khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến: bao gồm khối lượng của piston và đầu nhỏ thanh truyền:
Với: + : khối lượng của piston trên một đơn vị diện tích
+ : khối lượng của thanh truyền trên một đơn vị diện tích
Khối lượng các chi tiết chuyển động quay của động cơ:
-Trong quá trình chuyển động quay lực quán tính, khối lượng các chi tiết chuyển động của thanh truyền được quy về đầu to thanh truyền ( ) Theo công thực thực nghiệm, khối lượng quy về đầu to thanh truyền được xác định theo công thức sau:
Khối lượng các chi tiết chuyển động quay: bao gồm khối lượng của trục khuỷu và đầu to thanh truyền:
Với: + : khối lượng của trục khuỷu trên một đơn vị diện tích
+ : khối lượng của thanh truyền trên một đơn vị diện tích
Lực quán tính (văng thẳng) của khối lượng chuyển động tịnh tiến:
– là tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến với 𝛼 đi theo từng quá trình tương tự như đối với lực khí thể
Lực quán tính (lực ly tâm) của khối lượng chuyển động quay :
, lực này tác dụng lên đường tâm của má khuỷu, chiều ly tâm và có giá trị không đổi khi vận tốc góc là hằng số.
2.2.3 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền
Lực tổng cộng : là lực tổng hợp của lực khí thể và lực quán tính được tính theo công thức:
