Bài tập lớn tính toán Động cơ Đốt trong Đề tài Động cơ xăng skyactiv g 2 5l trên xe mazda cx 8

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 -Kết luận của bài tập lớn... Áp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ XĂNG SKYACTIV - G 2.5L

TRÊN XE MAZDA CX-8

Mã lớp học: ICEC320430_24_1_10 GVHD: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt Nhóm thực hiện: 14

1 Phan Cảnh Hiếu 22145367

2 Lữ Minh Trường 22145500 3.Tô Thế Vinh 22145517

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với thầy

Lý Vĩnh Đạt đã nhiệt tình hướng dẫn chúng em trong quá trình học tập và

giải đáp thắc mắc của chúng em về đề tài

Trong quá trình học tập, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo, khó tránh khỏi sai sót, rất mong thầy bỏ qua Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn của nhóm còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ thầy để nhóm chúng em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo sắp tới

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SP KT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BỘ MÔN ĐỘNG CƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN MÔN TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG STT SVTH MSSV LỚP ICEC320430_24_1_10 1 Phan Cảnh Hiếu 22145367 2 Lữ Minh Trường 22145500 NHÓM 14 3 Tô Thế Vinh 22145517   Số liệu ban đầu Loại động cơ: Xăng Số kỳ, :  4

Công suất có ích, Pmax (kW): 140 Số vòng quay, n (vòng/phút): 6000

Tỉ số nén, : 13.1 Hệ số dư lượng không khí, (): 1.05 (chọn) Làm mát bằng: nước Số xylanh i: 4

  Nội dung thuyết minh 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   Nội dung bản vẽ 3.1 Bản vẽ đồ thị công chỉ thị P – V 3.2 Bản vẽ đồ thị P – , PJ, P1 3.3 Bản vẽ đồ thị quảng đường SP, vận tốc VP, gia tốc JP của piston Ngày giao nhiệm vụ :

Ngày hoàn thành : Tuần 15 (02– 07/ 12 / 2019)

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

THỜI GIAN THỰC HIỆN



 Tiến độ thực hiện:

1 Tính toán nhiệt: 3 tuần

- Chọn các thông số đầu vào: 1 tuần

- Tính toán nhiệt: 1 tuần

- Vẽ đồ thị công chỉ thị: 1 tuần

2 Tính toán động học, động lực học và vẽ bản vẽ về động học, động lực học: 3 tuần

- Tính toán động học và động lực học: 1 tuần

- Vẽ bản vẽ về động học và động lực học: 2 tuần

3 Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo: 2 tuần

 Nội dung qui định:

1.Bản vẽ đồ thị công chỉ thị, động lực học,

2.Thuyết minh viết trên khổ giấy A4 (in và file) 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

-Kết luận của bài tập lớn

Chương 1: TÍNH TOÁN NHIỆT

1.1 Chọn các thông số tính toán nhiệt.

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:

Po = 0,1013 ( MN/m2 )

Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môitrường, 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, cụ thể

là khu vực thành phố Hồ Chí Minh thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trongngày có thể chọn là:

To = tkk + 273= 29 (0C) +273 = 302 (K)

Áp suất môi trường p là áp suất khí quyển trước khi nạp vào động cơ Với độngk

cơ 4 kì, không tăng áp thì ta chọn:

Pk = P = 0,1013 ( MN/m2 )0

Nhiệt độ môi trường được lựa chọn theo nhiệt độ bình quân của cả năm Với động

cơ không tăng áp ta có Tk được xác định bằng công thức:

Áp suất cuối quá trình nạp (Pa):

Đối với động cơ không tăng áp:

Trong quá trình tính toán nhiệt, suất cuối quá trình nạp của động cơ bốn kỳ𝑃𝑎

không tăng áp thường được xác định bằng công thức thực nghiệm:

Ta chọn: P = 0.9P = 0,9.0,1013 a 0 ≈ 0,0912 (MN/m2)

Là một thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh động

cơ Tương tự như áp suất cuối quá trình nạp 𝑃𝑎, áp suất khí sót được xác định bằng quan𝑃𝑟

hệ sau:

Pr = Pth + ∆PrĐối với động cơ xăng chọn:

Pr = (0,11÷ 0,12 ) ; chọn P = 0,11 ( MPa)r

Khi tính toán, người ta thường lấy giá trị ở cuối quá trình thải cưỡng bức.𝑇𝑟

Giá trị của 𝑇𝑟 phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén , thành phần hỗn hợp𝜀

α, tốc độ quay n, góc đánh lửa sớm (ở động cơ xăng) hoặc góc phun sớm nhiên liệu (ở động cơdiesel)

Giá trị ε càng cao thì khí cháy càng dãn nở nhiều nên càng thấp Xilanh hỗn hợp thành𝑇𝑟phần càng phù hợp thì quá trình cháy xảy ra càng nhanh, ít cháy rớt nên càng giảm.𝑇𝑟Nếu góc phun sớm nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm quá nhỏ thì quá trình cháy rớt tăng nên

𝑇𝑟 cao

Thông thường ta có thể chọn:

Đối với động cơ xăng: Tr = 900 ÷ 1000 oK, chọn Tr = 950 (0K )

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xylanh của động cơ

do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔT

Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn cứvào số liệu thực nghiệm

Đối với động cơ xăng chọn:

Hệ số quét buồng cháy (λ2):

Đối với động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy thì chọn:

1.1.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ( z):

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt tại điểm

Z (ξZ) phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ

Bảng hệ số lợi dụng nhiệt tại Z:

Bảng 1.2 Bảng hệ số lợi dụng nhiệt tại Z.

Với động xăng ta chọn  z = 0,85

1.1.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (  b):

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động cơcàng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến ξb nhỏ

Bảng hệ số lợi dụng nhiệt tại b:

< 0,92

Bảng 1.3 Bảng hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b

Với động cơ xăng không tăng áp ta chọn  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 cựcđại, hệ số dư lượng không khí chọn trong pham vi cho trong bảng sau:

Bảng 1.4 Bảng hệ số dư lượng không khí.

Ta chọn hệ số dư lượng không khí thuộc loại động cơ xăng không tăng áp, sử dụng công nghệ GDI có α = 1.05

Hệ số điền đầy đồ thị công ( d ):

Hệ số điền đầy đủ đồ thị công φ đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị d công thực tế so với đồ thị công tính toán

Hệ số điền đầy đủ đồ thị φ chọn theo số liệu kinh nghiệm theo bảng sau:d

0,1013.302

Nhiêt độ cuối quá trình nạp T được tính theo công thức: a

(T K +∆ T)+ λ t γ T r r(P a

P r) (m−1

m )1+ γr

(302 10+ )+1, 17 0 , 0284 9 50.(0,0912

0,11) (1,5−1

1, 5)1+0 , 0284 ≈ 332,2 (K )

1.2.2.2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:

Khi α= 1,05 > 1 , tính cho động cơ xăng theo công thức sau:

1.2.2.4 Tỷ số nén đa biến trung bình n : 1

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào rất nhiều thông số kết cấu vàthông số vận hành như kích thước xilanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tảitrạng thái nhiệt độ của động cơ…Tuy nhiên n tăng giảm theo quy luật sau:1Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ làm cho n tăng Chỉ số1nén đa biến trung bình xác định gần đúng theo phương trình cân bằng nhiệt của quátrình nén, với giả thiết quá trình nén là quá trình đoạn nhiệt nên cho vế trái củaphương trình này bằng 0 và thay k = n ta có: 1 1

n1−1= 8,314

a ' v+b

' v

1.2.3 Quá trình cháy:

1.2.3.1 Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu Mo

Trong đó: C,H,O- là thành phần của Cacbon, Hydro, Oxy tính theo khối lượng,tham khảo bảng 1.7

Nhiên liệu Thành phần trong 1kg nhiên liệu [kg] Khối lượng

phân tử [kg/kmol]

Nhiệt trịthấp, 𝑄𝐻

[kJ/kg]

Xăng ô tô 0,855 0,145 - 110-120 43960 Dầu Diesel 0,870 0,126 0,004 180-200 42530

Bảng 1.7 Đặc tính nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ

Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg xăng:

M = 0,516 (o 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑘 )

Đối với động cơ xăng:

Ta có hệ số thay đổi phân tử lý thuyết β được xác định theo công thức: 0

1.2.3.5 Hệ số thay đổi phân tử khí thực tế β:

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:

1.2.3.7 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn

Đối với động cơ xăng sử dụng GDI có =1,05 > 1, nhiên liệu cháy hoàn toàn,𝛼

do đó Q T=Q t, trong đó: Q T −lànhiệt lượng của 1 kg nhiên liệu ;

Q t −là nhiệt trị thấp nhiên liệu

1.2.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy T : Z

Đối với động cơ xăng được tính theo công thức:

Đối với động xăng:

1.2.4 Quá trình giản nở:

Đối với động cơ xăng:  = 1

1.2.4.2 Tỷ số giản nở sau : 

Đối với động cơ xăng: δ =ε=13 1

Với : T b=T z

ε n2−1 là nhiệt độ cuối quá trình giản nở

Phương trình (2) tương đương:

(0,9 0,85− ).439600,5508.(1+0,0 284) 1, 0466 (3077− 3077

13,1n2 −1)+19 , 8484+2 , 1191 10 .

−3

.(3077+ 307713,1n2 −1)

<=> n = 1,2582

Đối với động cơ xăng:

Đối với động cơ xăng:

P b=P z

ε n2=11,5526

13, 11,258 =0 , 4541(MPa)

Nhiệt độ khí thải được xác định theo công thức:

**chia cho Tr tính toán hay chọn ban đầu**

1.3.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán:

1.3.7 Hiệu suất có ích

η e=8,314M1 P e T k

Q H η V P k

=8,314 0,5508.1,1296 30243960.0, 9047 0,1013 ≈ 0,3878

Q H η i

= 360043960.0,4388=0,187( kg

)

Trong đó

τ : Số chu kỳ của động cơ i: Số xilanh động cơ

Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Tỷ số nén đa biến trung bình n 1 1,361

Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 1,254

Nhiệt độ không khí nạp mới T o 302 °K

Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới Δ T 20 °C

Nhiệt độ khí sót T r 850 °K

Nhiệt độ cuối quá trình nạp T α 323,26 °K

Nhiệt độ cuối quá trình nén T c 889,33 °K

Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z 1868,9 °K

Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb 1074,236 °K

Áp suất không khí nạp P o 0,1013 MN/m 2

Áp suất cuối quá trình nạp P a 0,0912 MN/m 2

Áp suất khí sót P r 0,106 MN/m 2

Áp suất quá trình nén P c 4,14 MN/m 2

Áp suất cuối quá trình cháy P z 6,624 MN/m 2

Áp suất cuối quá trình giãn nở P b 0,43 MN/m 2

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i 0,1407 kg/kW.h

Suất tiêu hao nhiên liệu g e 0,176 kg/kW.h

Bảng 2 Bảng kết quả thông số tính toán nhiệt động cơ

1.4 Xây dựng giản đồ công chỉ thị động cơ

- Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công

+ Điểm a: cuối quá trình hút, áp suất P , thể tích Va a

0,862416,5−1=0,056 (dm3)

Góc mở sớm xupap nạp φ1 = 60, tìm được điểm r”

Góc đóng muộn xupap nạp φ2= 340, tìm được điểm a’

Góc mở sớm xupap thải φ3=440, tìm được điểm b’

Góc đóng muộn xupap thải φ4=40, tìm được điểm r’

Các điểm hiệu đính đồ thị công:

+ Ở động cơ diesel, áp suất cực đại tại điểm z’ (Vc,pz)

+ Điểm z’’ điểm áp suất cực đại của đường cong hiệu chỉnh pz’’=pz’ là trung điểmđoạn thẳng qua z’ song song với trục hoành và cắt đường cong dãn nở

+ Điểm c’’ lấy trên đoạn cz’ với cc’’ = cz’/3

+ Điểm b’’ là trung điểm của đoạn ab.

+ Hiệu chỉnh để có được đường cong đi qua những điểm trên ở các quá trình nén,cháy giãn nở và thải

Chương 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PISTON TRỤC KHUỶU

2.1.1 Chuyển vị của piston

Khi trục khuỷu quay một góc α thì piston dịch chuyển một khoảng Sp so với vị trí ban đầu Chuyển vị của piston trong xilanh được tính bằng công thức:

S𝑝 = R.[(1 − 𝑐𝑜𝑠𝛼) + λ

4 (1 − 𝑐𝑜𝑠2𝛼) = 0,0412 (1 − 𝑐𝑜𝑠𝛼) + 3,5

4 (1 − 𝑐𝑜𝑠2𝛼 𝑚) ( )

Trong đó: λ – thông số kết cấu động cơ

L – chiều dài thanh truyền

3 π (rad/s): vận tốc góc của trục khuỷu

- Tốc độ chuyển động của piston :

Vp=R ω.(sin(α)+ λ

3 .(sin(α)+

13,5

2.2.Động lực học của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền.

Po = 0,1013 MN/m2 – áp suất khí quyển

Fp diện tích đỉnh piston

D là đường kính piston (m)

2.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

- Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến xác định bằng:

Pj = - m J = -m Rω (cosα + λcos2α)j j 2

- Khối lượng của các chi tiết chuyển động tịnh tiến

+Khối lượng nhóm piston: m =21,625 (g/cm ) (hợp kim nhôm)p 2

+Khối lượng của thanh truyền là: m =28,83 (g/cm )tt 2

- Khối lượng của các chi tiết chuyển động quay:

+Khối lượng của trục khuỷu: m = 21,625 (kg ) (gang đúc)k 2

+Khối lượng quy về đầu nhỏ thanh truyền: m =0,2mtt=0,2.28,83=8,649 (g/cm )A 2

+Khối lượng quy về đầu to thanh truyền: m =0,7mtt=0,7.28,83=20,181 (g/cm )B 2

PK – lực quán tính ly tâm

mt – khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến

mr – khối lượng các chi tiết chuyển động quay

mtt – khối lượng thanh truyền

mp – khối lượng nhóm piston mK – khối lượng trục khuỷu

mA – khối lượng đầu nhỏ thanh truyền

mB – khối lượng đầu to thanh truyền

2.2.3 Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

2.2.4 Lực quán tính ly tâm P lytam của khối lượng quy về đầu to thanh truyền

𝑃𝑙𝑦𝑡𝑎𝑚 = −𝑚𝐵 𝑅 𝜔 2 10 = −20,181.0,0563 (100−6 𝜋)2 10 = −0,1121 −6 𝑀𝑁

2.2.5 Phụ tải tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu là:

2.3 Momen tổng cộng tác dụng lên trục khuỷu động cơ.

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

Đối với động cơ 4 xylanh có thứ tự làm việc 1-3-4-2, tại vị trí đầu tiên khi khuỷu trụccủa xylanh 1 nằm ở = 0° (hoặc = 720° ) thì:𝛼1 𝛼1

- Khuỷu trục của xylanh 3 nằm ở: = 720° - 180° = 540°𝛼2

- Khuỷu trục của xylanh 4 nằm ở: = 540° - 180° = 360°𝛼4

- Khuỷu trục của xylanh 2 nằm ở: = 360° - 180° = 180°𝛼3

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

− Giữa xylanh 1 và 2 là 180°

− Giữa xylanh 2 và 3 là 360°

− Giữa xylanh 3 và 4 là 540°

% hop luc tac dung len chot khuyu

Qch = ((T.^2+(Z-Plytam).^2)).^(1/2); %MN

% DO THI LUC TAC DUNG LEN CHOT KHUYU (Q) %

plot(a,Qch,'linewidth',1.3);

grid on

title('DO THI LUC TAC DUNG LEN KHUYU Q');

xlabel('goc quay (do)');

ylabel('Qch (MN.m)');

axis([0 720 0 10]);

xlswrite('TinhToanQch.xlsx',[a(:),T(:),Z(:),Qch(:)]);

T1=p1.*sind(a+asind(lamda*sind(a)))./cosd(asind(lamda*sind(a)));T2=p1.*sind(a+asind(lamda*sind(a+540)))./cosd(asind(lamda*sind(a+540)));T3=p1.*sind(a+asind(lamda*sind(a+180)))./cosd(asind(lamda*sind(a+180)));T4=p1.*sind(a+asind(lamda*sind(a+360)))./cosd(asind(lamda*sind(a+360)));T21=T1+T2;

title('DO THI MOMENT M');

xlabel('GOC QUAY TRUC KHUYU (DO)');

ylabel('MOMENT M (MN.m)') ;

legend('M1','M2','M3','M4');

grid on

axis([0 720 -0.3 0.6])

CODE MATLAP

S = 1.126; % hanh trinh piston

B = 0.9876; % duong kinh piston

D = 0.9876; % duong kinh xi lanh

R =S/2; % ban kinh truc khuyu

lamda =1/3.5; % thong so ket cau

Sp =(pi*(D^2))/4; % dien tich thiet dien mat cat vuong goctruc xi lanh

vd = 0.8624; % the tich cong tac

vc =vd/(16.5-1); % the tich buong chay

va =(vd + vc); % dung tich xy lanh

n1 =1.361; % chi so nen da bien trung binh

n2 =1.254; % chi so gian no da bien trung binh

% phía trên tính theo ??n v? (dm)

%goc mo som xupap nap: 14

%goc dong muon xupap nap: 50

%goc mo som xupap thai: 62

%goc dong muon xupap thai: 7

%goc phun som : 20

%QUA TRINH NAP (doan rr'')

ahc1=[0 3.5 7]; %xuppap th?i ?óng mu?n góc 7 ??

%QUA TRINH NEN (doan ac')

a3=linspace(180,340,161); % góc phun nhiên li?u s?m 20 ??

x3=R.*(1-cosd(a3)+(lamda/4).*(1-cosd(2*a3)));

v3=(x3.*Sp)+vc;

p3= pa.*(va./v3).^n1;

j3=(R/10)*((w)^2).*(cosd(a3)+lamda.*cosd(2.*a3));