Bài tập lớn môn tính toán Động cơ Đốt trong Đề tài toyota cross

Chọn 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 d đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI TẬP LỚN

MÔN: TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

ĐỀ TÀI: TOYOTA CROSS

NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN MÔN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

A CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ:

SỐ LIỆU BAN ĐẦU CỦA XE TOYOTA CROSS:

ST

xăng 2ZR-FEvới công nghệ DOHC 1.8L, Dual VVT-I, ACIS, không tăng áp

22 Trọng lượng toàn tải

B YÊU CẦU TÍNH TOÁN:

1 Tính toán nhiệt và xây dựng giản đồ công chỉ thị của động cơ

2 Tính toán động học và đông lực học cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền

C BẢN VẼ:

1 Bản vẽ đồ thi công chỉ thị P-V

2 Bản vẽ đồ thị P-α, P j, P l

3 Bản vẽ đồ thị quãng đường S p, vận tốc V p, gia tốc J p của piston

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

PHẦN 2: TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

A Chọn các thông số tính toán nhiệt

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển

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

t kk=290C cho khu vực miền Nam, do đó

Đối với động cơ xăng: ∆ T =( 0 ÷ 20) 0 C

Chọn ∆ T = 50C

2.2.9 Chọn hệ số nạp thêm (λ1)

Hệ số nạp thêm λ1 biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ ở thể tích V a Hệ số nạp thêm chọntrong giới hạn λ1= 1,02 ÷ 1,07

Chọn λ1= 1,05

Đối với những động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy thì chọn λ2 = 0,9

2.2.11 Chọn hệ số đính tỷ nhiệt ( λ t)

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λ t phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót Tr Theo thực nghiệm thống kê đối với động cơ xăng λ t được chọn:

Hệ số dư lượng không khí α

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λ t

Với động cơ xang ta chọn ξ z= 0,8

2.2.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξ z)

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 εb nhỏ

Đối với động cơ xăng ta chọn ξ b= 0,9

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

Động cơ xăng chọn α = 0,9

2.2.15 Chọn 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 d đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế

so với đồ thị công tính toán

B Tính toán nhiệt:

Tính toán nhiệt nhằm xác định các thông số của chu trình lý thuyết và chỉ tiêu kinh

tế - kĩ 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

3021000

m c vc=a v+b

2 ∙T c(KJ /kmol0k)

Khi α = 0,9 tính cho động cơ xăng theo công thức sau:

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 hòa 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 nhiệt của quá trình nén, với giả thiết quá trình nén là quá trình đoạn nhiệt nên cho vế trái của phương trình này bằng 0 và thay k1=n1, ta có:

Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0:

Đối với động cơ xăng:

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:

Đối với động cơ xăng vì α < 1 (α=0,9¿, thiếu oxy nên nhiên liệu cháy không hoàn toàn,

do đó gây tổn thất một lương nhiệt, ký hiệu là ΔQH và được tính theo công thức sau:QH và được tính theo công thức sau:

Thay vào (1) ta được:

3.9.Nhiệt độ cuối quá trình cháy (T z):

Đối với động cơ xăng được tính theo công thức:

ξ z (Q H−∆ Q¿¿H )

M1.(1+ γ r) + ´m c vz ' T c=β z ´ m c vz ' ' T z¿(2)Trong đó:

- mc´vz ': tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm C của hỗn hợp khí nén

- mc´vz ' ’: tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm Z của sản vật cháy Từ công thức trên,

giải phương trình bậc hai, chọn nghiệm dương cho ta giá tri T z để tính toán

(2) 0,8 ∙(43960−6142,8) 0,4677 ∙(1+0,0317) +21,5815 ∙782,38=1,0737 ∙(19,8432+0,00212∙ T z)∙ T z

=> Giải phương trình bậc hai, ta tìm được nghiệm: T z=2858,11(K )

Trong đó: Q H - Nhiệt tri thấp C, H, O là 43960 (kJ⁄𝑘𝑔 𝑛𝑙)

´

mc vc '=19,8474+0,00212 ∙Tc

3.10.Áp suất cuối quá trình cháy (P z):

Đối với động cơ xăng:

4.3.Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình (n2):

Vì T z>2600 K nên chỉ số giãn nỡ đa biến trung bình n2 được tính theo công thức sau:

(ε b−ε z)∙Q H

M1∙(1+γ r) =β ∙ ´ mc vb ∙ {T} rsub {b} - {$} rsub {z} ∙ acute {{mc} rsub {vz}} ∙T z+8,314

n2−1(β z ∙ T z−β z ∙T b)(3)

Các giá trị tỷ nhiệt β ∙ ´ mc vb và β z ∙ ´ mc vz xác định theo hàm tuyến tính của nhiệt độ T b và T z

tính bằng công thức tương ứng với động cơ (2.15) hoặc động cơ diesel (2.16) ở mục 2.6.2

Giải phương trình trên, ta được giá trị n2 = 1,228  n2 (1,191,27) nên thỏa điều kiện

4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở (T b):

Đối với động cơ xăng:

4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở (P b):

Đối với động cơ xăng:

P b=P z

ε n2= 8,35

101,228=0,49

 P b ∈ (0,34 ÷ 0,50) nên thỏa điều kiện

Trong đó: ∆ T r - chênh lệch độ khí sót tính toán và chọn ban đầu

Thoả yêu cầu sai số nhỏ hơn 5%

5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình:

5.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán (P i '):

Với φ đ : hệ số điền đầy đồ thị

φ đ= (0,93 ÷ 0,97) đối với động cơ xăng

Đồ thi công là đồ thị biểu diễn quan hệ hàm số giữa áp suất của môi chất công tác trong xilanh với thể tích của nó khi tiến hành các quá trình nạp – nén – (cháy + giản nỡ) và thải trong một chu trình công tác của động cơ:

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 vuông góc

Biểu diễn áp suất khi thể (pkt) trên trục tung và thể tích khí (Vx1) trên trục hoành với tỉ lệ xích v và p , phù hơp với khổ giấy vẽ Dùng giấy kẻ ô ly khô A0, nên chọn Vh trong khoảng 22-25 cm và Pz khoảng 25 ÷ 29 cm

Bước 2: Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công

Điểm a: (Va ; pa) – điểm cuối hành trình nạp có áp suất Pa và thể tích Va:

(Đối với đông cơ xăng)

Điểm b (Vb ; pb) - điểm cuối hành trình giãn nở tính toán được:

Bước 3: Dựng đường cong nén

Trong hành trình nén khí trong xilanh bị nén với chỉ số nén đa biến trung bình n1, từ phương trình:

p a V a n1

=p xn V n xn1

=const

Trong đó: pa, Va - áp suất và thể tích khí tại điểm a

pxn, Vxn - áp suất và thể tích khí tại một điểm bất kỳ trên đường cong nén

Suy ra:

p xn=p a(V a

V xn)n1

=0,09117(0,589V xn )1,374

Bằng cách cho các giá tri Vxn thay đổi từ Va đên 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 giãn nở đa biến n2 Tương tự như trên ta có:

p z V a n2

=p xp V xd2 =const

Trong đó: pz,Vz - áp suất và thể tích khí tại điểm z

pxp, Vxd - áp suất và thể tích khí tại một điểm bất kỳ trên đường cong giãn nở

Suy ra:

p xp=p z(V z

V xd)n2

=8,35(0,059V xd )1,2Bằng cách cho các giá trị Vxd đi từ Vz đến Vb, ta lần lượt xác định được các giá trị pxp

Xác định giá trị Vxn (quá trình nén) và Vxd (quá trình giãn nở) theo α:

Tại các quá trinh nén và giãn nở, Vx được tính theo α bằng cách:

Chuyển vị của piston tại α tương ứng:

Bước 5: Dựng và hiệu đính đồ thị công

Nối liền các điểm đã xác đinh được nói trên bằng một đường cong đều ta có đồ thị công tính toán của động cơ (đường cong nét đứt) Để xây dựng được đồ thị công chỉ thị của động cơ cần phải thực hiện các bước hiệu chỉnh dưới đây:

Dùng đồ thị Brich xác định các điểm đặc biệt:

Xác định các điểm đánh lửa sớm hoặc phun nhiên liệu sớm (c’) và các điểm phối khí (mở sớm và đóng muộn các xupap nạp, thải: r’, a’, b’, r’’) trên đồ thị công bằng cách:

- Dựng phía dưới đồ thị công nửa vòng tròn có bán kính R, tâm O là trung điểm của đoạn

- Từ tâm O’, ta vẽ các tia hợp với đường kính nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trên những góc nối trên

- Từ giao điểm các tia cắt nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trên, ta dóng các đường song song với trục tung cắt đồ thị công và từ các điểm này ta xác định được các điểm (c’, r’, a’, b’, r’’) trên đồ thị công

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

- Ở động cơ xăng, áp suất cực đại (điểm z’) có tung độ:

- Điểm b’’ là trung điểm của đoạn ab

v} = {{v} rsub {a} + {v} rsub {b}} over {2} = {589+589} over {2} =589 ( {cm} ^ {2} b ¿

p b} = {{p} rsub {a} + {p} rsub {b}} over {2} = {0,09+0,49} over {2} =0,29 (MN/ {m} ^ {2} )¿

Điểm áp suất cực đại không nằm

PHẦN 3 :TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PISTON - TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỀN

A ĐỘNG HỌC CỦA PISTON:

Chú thích:

x – chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu

L - chiều dài thanh truyền

R - bán kính quay của trục khuỷu

α - góc quay của trục khuỷu

β - góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xylanh

λ = R/L - thông số kết cấu: (λ = 0,24 ÷ 0,34) Ta chọn: λ =0,25

Chuyển vị của Piston:

Áp dụng công thức gần đúng đối với cơ cấu giao tâm, ta có:

Khi trục khuỷu quay môt góc α thì piston dịch chuyển được một Khoảng Sp so với vị trí ban đầu (ĐCT)

Chuyển vị của piston trong xilanh động cơ tính bằng công thức sau:

3 Gia tốc của Piston:

Đạo hàm biểu thức vận tốc theo thời gian, ta có công thức gia tốc của piston

Trong đó, pkt: Áp suất khí thể tính theo áp suất tương đối (MN/m2 )

p: Áp suất khí thể trong tính toán nhiệt (MN/m2 )

Đồ thị pkt có thể chuyển từ đồ thi P - α với gốc tọa độ lấy tại p0

Ta có thể xác định Pkt bằng phương pháp giải tích kết hợp với phương pháp đồ thị Brich Các giá trị của Pkt 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 5o )

Ta có thể bảng số liệu sau:

Góc mở sớm xupap nạp φd đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế 1 1Góc đóng muộn xupap nạp φd đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế 2 65Góc mở sớm xúpap xả φd đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế 3 11Góc đóng muộn xúpap xả φd đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế 4 43

a Quá trình nạp

Tinh từ α = φd đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế 4 = 43o đến α = 180o

pkt đươc xác định theo công thức sau: Pkt = Pa = 0,09 (MN/m2)

c Quá trình cháy - giãn nở:

Tính từ α = 360o đến α = 540o - φd đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế 3 = 540o - 11o = 529o

pkt đươc xác đinh theo công thức sau:

P kt=P z(V z

V x)n2

Với: n2 = 1,228 , Vz=Vc = 59(cm3), Pz = 8,35(MN/m2)

Trong đó

- Pz là áp suất cuối quá trình cháy

- n2 là chỉ số cháy- giãn nở trung bình

*Tại các quá trình nén và giãn nở, Vx được tính theo α bằng cách:

Chuyển vị của piston tại α tương ứng:

2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động:

a Khối lượng chuyển động của cơ cấu piston - khuỷu trục - thanh truyền:

Khối lượng chuyển động của cơ cấu piston - khuỷu trục - thanh truyền chia làm 2 loai:

- Khối lượng chuyển động tịnh tiến của các chi tiết chuyển động tịnh tiến

- Khối lượng chuyển động quay của các chi tiết chuyển động quay

Bảng 6: Bảng khối lượng nhóm piston - trục khuỷu - thanh truyền trên một đơn vị diện tích piston của các động cơ trong thực tế

Nhóm chi tiết Động cơ xăng

D = 60÷100(mm)

Động cơ Diesel

D = 80÷120(mm)

15÷3025÷40

Giá trị lớn hơn đối với động cơ có D lớn

Thanh truyền, mtt 10÷20 25÷40 Giá trị nhỏ sử dụng

cho động cơ có tỷ sốS/D≤1

(Nguồn: Sách Động Cơ Đốt Trong 2 - TS Nguyễn Văn Trạng)

Dựa vào bảng trên ta chọn khối lượng của cơ cấu piston – trục khuỷu - thanh truyền tươngứng với động cơ như sau:

Khối lượng của nhóm piston

Vật liệu chế tạo piston: hợp kim nhôm

Đối với động cơ xăng có D = 85 mm nên ta chọn mnp = 12,75 (g/cm2)

Khối lượng của nhóm thanh truyền

Vật liệu chế tạo:

Đối với động cơ xăng có S/D >1 nên ta chọn mtt = 17 (g/cm2)

Khối lượng của trục khuỷu

Đối với động cơ xăng có S/D >1 nên ta chọn mk = 17 (g/cm2)

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 (mA)

Theo công thức thực nghiệm, khối lượng quy về đầu nhỏ thanh truyền được xác định theocông thức sau:

Trong quá trình chuyển động quay lực quán tính, khối lượng các chi tiết chuyển động của thanh truyền đươc quy về đầu to thanh truyền (mB) Theo công thức thực nghiệm, khối lượng quy về đầu to thanh truyền được xác đinh theo công thức sau:

Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến:

Lưc quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến theo góc α được tính theo công thức (với α từ 0o, 15o, 30o,…, 705o, 720o):

P j=−m j R ω2.(cosα+ λcos 2 α).10−5

¿−17,85.0,0415.(640 π3 )2.(cosα +0,25 cos2 α).10−5

Trong đó:

mj = mnp + mA, là tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến (g/cm2)

R: bán kính quay của trục khuỷu (m)

ω: tốc độ góc của trục khuỷu (rad/s)

λ: thông số kết cấu của động cơ λ = 0,25

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay:

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay tác dụng lác dụng lên đường tâm má khuỷu có độ lớn:

P k=−m r R ω2=const

¿−28,9.0,0415 (640 π3 )2 10−5

)

Trong đó: mr = mk + mB, là tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến (g/cm2)

R: bán kinh quay của trục khuỷu (m)

ω: tốc độ góc của trục khuỷu (rad/s)

λ: thông số kết cấu của động cơ λ = 0,25

3 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền:

Dưới đây là hệ lưc tác dụng trên cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền giao tâm

Z - Lực pháp tuyến theo đường từ tâm chốt đến tâm cô khuỷu

T - Lực tiếp tuyến vuông góc với lực pháp tuyên

α - góc quay cua khuỷu trục

β - góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xylanh Với góc lắc của thanh truyền β được xác đinh theo góc quay α của trục theo biểu thức sau:

P1=P kt+P j(MN /m2)

Lực ngang N ép piston lên thành xilanh:

N=P1 tanβ=(P kt+P j) tan[arcsin (0,25 sinα )](MN /m2

)

Lực tác dụng dọc tâm thanh truyền Ptt:

P tt= P1cosβ=

cosβ =P1.sin(α+arcsin (0,25 sinα ))

cos(α+ arcsin (0,25 sinα ))(MN /m

2

)