Bài báo cáo này được chúng tôi thực hiện qua quá trình nghiên cứu và phân tích các thông số kỹ thuật quan trọng của động cơ đốt trong, bao gồm quá trình sinh công, hiệu suất nhiệt, và cá
TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ
Thông số cho trước của động cơ [Động cơ Ford Escort V 1.8 D]
Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị
Công suất có ích Ne Kw 44
Số vòng quay n vòng/ phút 4800 Đường kính xi lanh D mm 82.5
Dung tích xy lanh Vh*i (pi*D 2 /4)*S*i;
Góc mở sớm xupáp nạp 1 độ 20
Góc đóng muộn xupáp nạp 2 độ 45
Góc mở sớm xupáp thải 3 độ 35
Góc đóng muộn xupáp thải 4 độ 10
Loại buồng cháy Ngăn cách
Kiểu xu páp Treo OHV
Tài liệu tham khảo: Ford Escort V 1.8 D Specs, Performance, Comparisons
Thông số chọn của động cơ
Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị Áp suất khí nạp Pk MN/m 2 0.1
Nhiệt độ khí nạp Tk K 300
Hệ số dư lượng không khí 1.7 Áp suất cuối kỳ nạp Pa MN/m 2 0.083 Áp suất khí sót Pr MN/m 2 0.118
Nhiệt độ khí sót Tr K 720 Độ sấy nóng khí nạp mới T 20
Chỉ số giãn nở đoạn nhiệt của khí sót m 1.4
Hệ số lợi dụng nhiệt tại z z 0.839
Hệ số lợi dụng nhiệt tại b b 0.9
Hệ số quét buồng cháy 2 1
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t 1.17
Hệ số điền đầy đồ thị đ 0.97
Các số liệu tham khảo để chọn:
Loại động cơ Hệ số dư lượng không khí Tỷ số tăng áp Động cơ xăng 0,85 - 1,15 Động cơ Diesel
- Cao tốc buồng cháy thống nhất
- Cao tốc buồng cháy ngăn cách
Loại động cơ b z pr [MN/m 2 ] Tr [K] T Động cơ Diesel 0,80 - 0,90 0,65 - 0,85 0,104 - 0,118 700 - 900 0 - 20 Động cơ Xăng 0,85 - 0,95 0,85 - 0,92 0,101 - 0,118 900-
Tính toán các thông số của chu trình
1 Tính hệ số khí sót r : γ r = λ 2 (T k + ΔT)
3 Tính nhiệt độ cuối quá trình nạp T a (K):
Loại động cơ v r Ta [K] Động cơ xăng 0,75 - 0,85 0,07 - 0,12 340 - 400 Động cơ Diesel 0,75 - 0,95 0,03 - 0,06 310 - 340
4 Tính số mol không khí để đốt cháy một kg nhiên liệu M 0 (kmolKK/kgnl):
Nhiên liêu Thành phần trong 1 kg nhiên liệu [kg] Khối lượng phân tử nl [kg/kmol]
5 Tính số mol khí nạp mới M 1 : (1-5)
6 Tỷ nhiệt của không khí m C vkk (kJ/kmol.K): m C¯ vkk =a v +b v
7 Tỷ nhiệt mol của sản phẩm cháy m C ' v ' (kJ/kmol.K): m C¯ ″ v =a ″ v +b ″ v
Nếu 1 thì: a } rsub {v} ,867+ {1,634} over {α ¿= 20,833 b } rsub {v} = left (427,38+ {184,36} over {α} right ) 1 {0} ^ {- 5 ¿ = 0,0053 m C ¯ ' v = ∑ r i m C vi ¯ m C ' v = m C ¯ vkk + γ r mC ¯ v ″
Có thể viết dưới dạng: m C ¯ ' v =a ' v +b ' v
9 Tính chỉ số nén đa biến trung bình n 1 :
Chọn trước n1= 1,368 , thế vào phương trình sau, xác định n1 bằng phương pháp gần đúng. n 1 =1+ 8,314 a v ' + b v '
Khi sai số hai vế nhỏ hơn 0,001 thì lấy giá trị n1 đã chọn.
10 Tính nhiệt độ cuối kỳ nén T c (K):
11 Tính áp suất cuối kỳ nén p c (MN/m 2 ): p c = p a ε n 1 = 4,693 (1-11)
Loại động cơ n1 pc [MN/m 2 ] Tc [K]
13 Tính số mol sản phẩm cháy M 2 (kmol/kgnl):
14 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết. β 0 = M 2
15 Hệ số biến đổi phân tử thực tế. β= β o + γ r
16 Hệ số biến đổi phân tử tại z. β z = 1 + β o −1
17 Tính hệ số toả nhiệt x z tại z: x z = ξ z ξ b = 0,8888 (1-18)
18 Tổn thất nhiệt do cháy không hòan toàn: (1-19)
19 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z. ¯ m C ″ vz = a vz ″ + b vz ″
20 Nhiệt độ cực đại của chu trình T z (K):
Nhiệt độ cực đại tính theo phương trình cháy: (1-21) ξ z Q H
' + 8,314 λ) T c = β z m C ' ' ¯ pz T z (động cơ Diesel) Đưa về dạng phương trình bậc hai: A T z 2 + B T z +C =0
Các hệ số A, B, C của phương trình xác định theo bảng: Động cơ A B C Động cơ
21 Xác định tỷ số tăng áp λ =2 (1-22)
Trường hợp động cơ Diesel thì chọn theo bảng.
22 Áp suất cực đại chu trình p z p z = p c λ = 9,386 (1-23)
Loại động cơ pz [MN/m 2 ] Tz [K]
1.3.4 Tính quá trình giản nở:
23 Tỷ số giãn nở sớm: (1-24) ρ= β z λ
24 Tỷ số giãn nở sau: (1-25) δ=ε ρ= 15,609 (động cơ Diesel)
25 Kiểm nghiệm lại trị số n 2 :
Chọn trước n2 = 1,246 thế vào phương trình sau, xác định n2 bằng phương pháp gần đúng. n 2 − 1 = 8,314
Trong đó: T b = T z δ n 2 −1 = 1084,3055 Khi sai số hai vế nhỏ hơn 0,001 thì lấy giá trị n2 đã chọn.
26 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T b (K):
27 Aùp suất cuối quỏ trỡnh gión nở p b (MN/m 2 ): p b = p z δ n 2 = 0,3058 (1-28)
28 Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót:
Loại động cơ n2 pb [MN/m 2 ] Tb [K] Động cơ xăng 1,23 - 1,34 0,34 - 0,49 1200 - 1500 Động cơ Diesel 1,15 - 1,28 0,2 - 0,6 1000 - 1200
1.3.5 Các thông số chỉ thị:
29 Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết (MN/m 2 ):
Trường hợp động cơ Diesel: p ' i = p c ε −1 [ λ ( ρ−1)+ n 2 λρ −1 ( 1− δ n 1 2 −1 ) − n 1 1 −1 ( 1− ε n 1 1 −1 ) ] = 0,8649
30 Áp suất chỉ thị trung bình (MN/m 2 ): p i = p i ' ϕ â = 0,813 (1-31)
31 Hiệu suất chỉ thị động cơ i : η i = 8,314 M 1 p i T k
32 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i (g/kw.h): g i = 3600000
Loại động cơ pi [MN/m 2 ] gi [g/kw.h] i Động cơ Diesel 0,64 - 0,96 150 - 20 0,43 - 0,56
1.3.6 Các thông số có ích:
33 Tổn thất cơ giới p m (MN/m 2 ):
Theo công thức kinh nghiệm: p m =a +b C m + p r − p a = 0,266 (1-34)
30 = 13,552 (m/s) Tuỳ theo động cơ và tỷ số S/D, loại buồng cháy (động cơ Diesel) tra các giá trị a, b theo bảng sau: Động cơ a b Động cơ Diesel buồng cháy thống nhất i6 0,09 0,012 i >6 0,03 0,012
34 Áp suất có ích trung bình (MN/m 2 ): p e = p i − p m = 0,5464 (1-35)
36 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g/kw.h): g e = g i η m = 271,472 (1-37)
Loại động cơ m p e [MN/m 2 ] g e [g/kw.h] e
38 Thể tích công tác của động cơ (dm 3 ):
39 Kiểm nghiệm đường kính xi lanh (mm):
Nếu sai lệch ΔD = | D t − D | ≤ 0 , 1 mm thì đạt, nếu không thì phải tính lại.
1.3.7 Vẽ đồ thị công Để vẽ được đồ thị công cần phải thực hiện những bước sau:
40 Xác định các điểm trên đường nén với chỉ số nén đa biến n1
Phương trình đường nén: p V n 1 =const , do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì: p c V c n 1 = p nx V nx n 1 Rút ra: p nx = p c
- n1 là chỉ số nén đa biến trung bình, xác định thông qua tính toán nhiệt.
41 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở:
Phương trình của đường giãn nở đa biến: p V n 2 =const , do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì: p z V z n 2 = p gnx V gnx n 2 Rút ra: p gnx = p z
- n2 là chỉ số giãn nở đa biến trung bình, xác định thông qua tính toán nhiệt.
42 Lập bảng xác định đường nén và đường giãn nở: Đường nén Đường giản nở
43 Xác định các điểm đặc biệt:
Chọn các tỷ lệ xích v và p sau đó vẽ hệ trục toạ độ (p, V).
Các điểm đặc biệt đó là: r(Vc,pr); a(Va,pa); b(Va,pb); c(Vc,pc); y(Vc,pz); z(Vz,pz).
Chú ý các quan hệ thể tích: Va = Vc + Vh; V c = V h ε −1 ;V h = π D 2
44 Nối các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặc biệt, sẽ được đồ thị công lý thuyết.
45 Dùng đồ thị Brick xác định các điểm:
Phun sớm (c’ - động cơ Diesel).
Mở sớm (b’), đóng muộn (r’’) xupáp thải.
Mở sớm (r’), đóng muộn (a’) xupáp nạp.
46 Hiệu chỉnh đồ thị công:
Xác định các điểm trung gian:
Trên đoạn cy lấy điểm c’’ với c’’c = 1/3cy
Trên đoạn yz lấy điểm z’’ với yz’’ = 1/2 yz
Trên đoạn ba lấy điểm b’’ với bb’’ = 1/2ba.
Nối các điểm c’c’’z’’ và đường giãn nở thành đường cong liên tục tại ĐCT và ĐCD, đồng thời tiếp xúc với đường thải, sẽ giúp chúng ta nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh Đồ thị công P-V này thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và thể tích trong quá trình.
35° àv=0.00255 [lit/mm] àp =0.040014 [MPa/mm]
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU
Đường biểu diễn lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến -p j = f(s).12 1 Tính toán các khối lượng quy dẫn
Vẽ theo phương pháp Tole với trục hoành đặt trùng với P 0 ở đồ thị công, trục tung biểu diễn giá trị pj.
Vẽ đường biểu diễn lực quán tính được tiến hành theo các bước như sau:
4 =0.0053 ( m 2 ) + Chọn tỉ lệ xích trùng với tỉ lệ xích đồ thị công: μ p j = μ p ∗ F d = 0.0002139 [ MPa / mm ]
2.1.1 Tính toán các khối lượng quy dẫn:
Khối lượng tham gia chuyển động thẳng:
- Diện tích đỉnh piston: FD=0.0053 ( m 2 ¿
- Khối lượng trên đơn vị diện tích piston nằm trong khoảng (150-300) đối với động cơ diesel.
Chọn 150 Từ đó, ta tính được khối lượng piston: m p = m ' p FD=0.8018(kg)
- Khối lượng trên đơn vị diện tích thanh truyền nằm trong khoảng (250-400) đối với động cơ diesel.
Chọn 250 Từ đó, ta tính được khối lượng thanh truyền: m cr = m ' cr FD = 1,3364 (kg)
- Khối lượng thanh truyền quy về đầu nhỏ: m crp = 0,275 m cr = 0,3675 (kg)
Từ đó, ta tính được khối lượng chuyển động tịnh tiến: m tt = m p + m crp = 1,1693 (kg)
- Xác định lực quán tính chuyển động :
Rad α p p vẽ Pkt Pkt vẽ Pj Pj vẽ Pi = Pkt + Pj Pi vẽ
P 1 P j à Pkt = à P1 = à Pj = 0.0002139 (MPa/mm) à a = 1 (do/mm) ÐO THI KHAI TRIEN P kt , P j , P 1
Hình 1.2 Đồ thị khai triển p = f( α )
2.1.2 Tính toán các lực tác dụng lên chốt khuỷu:
- Lực tiếp tuyến: T = P 1 sin( α + β ) cos( β )
- Lực pháp tuyến: Z= P 1 cos( α + β ) cos( β )
Ta chọn tỷ lệ xích: μ T = μ z = μ N = 0.0002139(Mpa/mm) Ta được các giá trị biểu diễn:
T biểu diễn Z biểu diễn -Z biểu diễn N biểu diễn
DO THI T, N, Z Hình 1.3 Đồ thị T-N-Z = f( α )
Vẽ đồ thị ΣT = f( α )
Để vẽ đồ thị tổng T ta thực hiện theo những bước sau:
+ Lập bảng xác định góc α i ứng với góc lệch các khuỷu theo thứ tự làm việc.
+ Góc lệch khuỷu trục của 2 xi lanh làm việc kế tiếp nhau: α k = 180 τ i = 180.4
4 0 0 + Thứ tự làm việc của động cơ là: 1-3-4-2
Ta có bảng xác định góc lệch công tác và thứ tự làm việc của các khuỷu trục sau:
BẢNG XÁC ĐỊNH THỨ TỰ NỔ (1-3-4-2)
Sau khi xác định được góc theo thứ tự làm việc ta có bảng sau: α1 T1 α2 T2 α3 T3 α4 T4 ΣT
Xác định lực phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu và vẽ biểu đồ phụ tải
Dựa vào vectơ phụ tải tác dụng trên trục khuỷu, ta có thể xác định lực tác dụng tại từng vị trí của trục khuỷu Từ đồ thị này, ta tìm ra sức trung bình của phụ tải, cũng như lực lớn nhất và lực nhỏ nhất Sử dụng đồ thị phụ tải, ta xác định khu vực chịu lực ít nhất để xác định vị trí khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn và tính toán phụ tải khi tính sức bền trục.
Cách xây dựng được tiến hành như sau
Vẽ tọa độ T-Z: Gốc tọa độ O1 chiều âm dương như hình bên dưới.
Tính lực quán tính của khối lượng chuyển động quay của thanh truyền (tính trên đơn vị diện tích piston):
Trong đó m crc - khối lượng tập trung tại đầu to thanh truyền. m crc = m R −m c = 2.338 – 1.336 = 1.002 [kg/m2].
R – bán kính quay của trục khuỷu - R = 41 (mm).
Chọn tỷ lệ xích P = 0,0002139(MN/m 2 mm) nên giá trị biểu diễn pk0 là: p k 0 = p k 0 μ p = 0.010367
Vẽ từ O1 xuống phía dưới một vecto p k0 và có giá trị biểu diễn p k 0H.467(mm) Vecto này nằm trên trục Z, gốc của vecto là O Điểm O là tâm chốt khuỷu.
Khi nối điểm O với bất kỳ điểm nào trên hình vẽ, ta sẽ thu được vecto biểu diễn phụ tải tác động lên chốt khuỷu, tương ứng với góc quay của trục khuỷu.
Để xác định điểm tác dụng của vectơ, bạn chỉ cần kéo dài vectơ về phía gốc cho đến khi nó chạm vào vòng tròn biểu thị bề mặt trục khuỷu Vectơ Q đại diện cho hợp lực của các lực tác động lên trục khuỷu.
Hình 1.5 Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
Chuyển đồ thị phụ tải thành đồ thị Q- α
Dựa vào đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, chúng ta có thể xác định lực mài mòn Q tác động lên chốt khuỷu Việc này được thực hiện bằng cách đo khoảng cách từ tâm O đến các điểm trên đồ thị phụ tải theo thứ tự từ 0 đến 720 độ.
Xác định tổng lực mài mòn Q tại 1 điểm và vẽ đồ thị mài mòn chốt khuỷu
Đồ thị mài mòn của chốt khuỷu phản ánh trạng thái chịu tải tại các điểm trên bề mặt trục, đồng thời thể hiện hao mòn lý thuyết của trục Nó chỉ ra khu vực chịu tải ít nhất, giúp xác định vị trí khoan lỗ dầu theo nguyên tắc đảm bảo dầu nhờn được đưa vào ổ trượt tại vị trí có khe hở lớn nhất giữa trục và bạc lót Áp suất thấp tạo điều kiện cho dầu nhờn lưu động dễ dàng hơn.
Mài mòn lý thuyết được xác định qua các giả thuyết khi vẽ, bao gồm: phụ tải tác dụng lên chốt là phụ tải ổn định tương ứng với công suất Ne và tốc độ định mức; lực tác dụng phân bố đều trong vùng 120 độ; không xem xét các điều kiện về công nghệ, sử dụng và lắp ghép; và độ mòn tỷ lệ thuận với phụ tải.
Tại tâm O1, vẽ một đường tròn với bán kính R = 80 mm, được chia thành 24 phần bằng nhau, đánh số từ 0 đến 23 theo chiều ngược kim đồng hồ.