Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ôtô BUS 29 chỗ ngồi

Nhiên liệu khí thiên nhiên dùng cho động cơ có những ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Sản xuất đơn giản và an toàn hơn + Lượng khí thiên nhiên ở Việt Nam có tiềm năng rất lớn + Thành phần

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường và nguồn nhiên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt nên đó là vấn đề quan trọng được cả thế giới quan tâm Vì vậy nhiệm

vụ đặt ra cho các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô là làm sao cho nguồn khí thải từ xe phát ra là nhỏ nhất và hướng tới mục tiêu tìm kiếm những nguồn năng lượng mới sử dụng trên động cơ đốt trong Do đó cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại các loại động cơ sử dụng nhiên liệu sạch được thiết kế và ngày càng được

sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới

Nhận thấy được tầm quan trọng đó nhóm chúng em đã được thầy giao đề tài:

“Thiết kế động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cho ô tô bus 29 chỗ ngồi” và em được giao nhiệm vụ là: “thiết kế cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền của động

cơ CNG – Bus 29”

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Quang Trung, các thầy

cô trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng các kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này Mặc dù vậy, do kiến thức của em còn hạn chế, thời gian không nhiều nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn Nguyễn Quang Trung cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ

1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHIÊN LIỆU KHÍ CNG

1.1.1 Khái niệm về khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên để chạy ô tô được viết tắt là NGV ( Natural – gas Vehicle)

Là khí được khai thác từ các mỏ khí có sẵn trong tự nhiên Khí thiên nhiên được dùng cho động cơ đốt trong bao gồm khí công nghiệp lấy từ việc tinh luyện dầu mỏ, trong các lò luyện cốc, lò cao và khí lò gas lấy từ việc khí hoá các nhiên liệu rắn trong các thiết bị đặc biệt

Nhiên liệu khí thiên nhiên dùng cho động cơ có những ưu nhược điểm sau:

- Ưu điểm:

+ Sản xuất đơn giản và an toàn hơn

+ Lượng khí thiên nhiên ở Việt Nam có tiềm năng rất lớn

+ Thành phần khí xả của khí thiên nhiên so với nhiên liệu xăng và Diesel ít ô nhiễm môi trường hơn vì nó giảm được khí CO, lượng Hydrocacbon, lượng Sunfuadioxit SO2 và không có chì Pb

Hình 1-1: Cấu trúc một mỏ khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên cũng là một nguồn năng lượng hoá thạch giống như dầu và than đá Đó là sự còn sót lại của xác các cây cối, động vật và những vi sinh vật sống hàng triệu năm trước đây Có nhiều giả thuyết về nguồn gốc của sự hình thành các nguồn nhiên liệu hoá thạch Giả thuyết được công nhận rộng rải nhất là được hình thành khi các chất hửu cơ quan trọng của xác động thực vật bị nén dưới lòng đất dưới một sức ép rất lớn trong một thời gian dài Tương tự như sự hình thành của dầu mỏ, khí metan được hình thành từ các chất hữu cơ bị vùi lấp sâu dưới lòng đất tạo ra một sức nén lớn Sức nén này kết hợp với nhiệt độ cao trong lòng đất theo thời gian làm phá vở những mối liên kết giửa các cácbon trong hợp chất hữu cơ Càng xuống sâu dưới lòng đất dưới lớp vỏ trái đất nhiệt độ càng cao, và ở những nơi có nhiệt độ thấp hơn dầu được hình thành nhiều hơn khí thiên nhiên, ở những nơi có nhiệt độ cao hơn thì khí thiên nhiên được tạo ra

Khí thiên nhiên cũng được hình thành thông qua sự biến đổi của các chất hữu

cơ bởi các vi sinh vật Kiểu khí metan này được gọi là “Metan biogenic” Các vi sinh vật này thông thường được tìm thấy ở những vùng gần mặt đất mà thiếu ôxy Metan được sản sinh ra sẽ bay vào trong khí quyển

Ngoài ra khí metan được hình thành qua quá trình “abiogenic”, ở sâu dưới vỏ trái đất, tồn tại một lớp khí giàu hyđrô và những phân tử cácbon Chúng tương tác với các khoáng chất trong điều kiện thiếu ôxy Sự tác động này như một phản ứng hoá học hình thành những phân tử và những hỗn hợp mà được tìm thấy trong khí quyển Khi những chất khí này dưới áp suất cao, di chuyển đến bề mặt của trái đất chúng có dạng tiền metan

Giàn khoan

Đất

Khí thiên nhiên Dầu

Nước

1.1.1.2 Thành phần

Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là:

Tên gọi Ký hiệu hoa học Thành phần %

Khí hiếm Ar, He, Ne, Xe

Khí thiên nhiên sử dụng cho động cơ ôtô có thể tồn tại dưới 2 dạng chính:

- Dạng khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất cao (200 bar): được gọi là Compressed Natural Gas (CNG) Khí được nén ở thể tích nhỏ hơn với một áp suất cao và chứa trong một bình chứa chắc chắn Bình chứa được 40 ÷ 50 lít khí

- Dạng lỏng ở nhiệt độ 610C và áp suất khí quyển: được gọi là Liquefied Natural Gas ( LNG ) Khí được làm lạnh ở nhiệt độ âm 1620C, áp suất khoảng 8,9 bar để chuyển sang trạng thái lỏng và chứa trong các bình cách nhiệt

Bảng 1-1: So sánh giữa 2 dạng tồn tại của khí thiên nhiên

1.1.1.3 Thành phần nguyên tố và nhiệt trị thấp của các loại khí

Nhiệt trị của nhiên liệu: là số nhiệt lượng toả ra khi được đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng hoặc thể tích (kg hay m3) nhiên liệu Nhiệt trị là một đặc tính rất phổ biến của nhiên liệu, nó xác định giá trị nhiên liệu dùng cho tất cả các loại động cơ Căn cứ vào nhiệt trị thấp thì nhiên liệu thể khí có thể chia làm 3 loại: a) Nhiên liệu khí có nhiệt trị lớn:

Loại này bao gồm khí thiên nhiên và khí thu được khi tinh luyện dầu mỏ Thành phần chủ yếu của loại khí này là mêtan (CH4) chiếm khoảng 70 ÷ 90%

Thành phần chủ yếu của loại nhiên liệu khí này là: Hydrô (H2) : chiếm khoảng 40 ÷ 60% , còn lại là: CH4 và CO Nhiên liệu này có nhiệt trị thấp QH là:

QH=16 ÷23 MJ/m3 (3500 ÷ 5500 Kcal/m3)

c) Nhiên liệu khí có nhiệt trị nhỏ:

Loại khí này bao gồm khí lò cao và khí lò ga Thành phần chủ yếu của nhiên liệu khí này là: Oxytcacbon (CO) và Hydro (H2) chiếm khoảng 60% Còn lại là các loại khí như : Nitơ (N2) và CO2 Nhiên liệu này có nhiệt trị thấp QH là : QH= 4 ÷16 MJ/m3 (1000 ÷ 3500 Kcal/m3)

1.1.2 Khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas)

1.1.2.1 Khái niệm

CNG là khí thiên nhiên nén, thành phần chủ yếu là mê tan CH4 (Chiếm 70 ÷

90 %) được lấy từ những mỏ khí thiên nhiên, qua xử lý và nén ở áp suất cao (200 ÷

250 bar) để tồn trữ vào bồn chuyện dụng Do thành phần cấu tạo đơn giản dễ xử lý

để loại bỏ các hợp chất độc hại như SOX , NOX , CO2 , không có benzene và hydrocarbon thơm kèm theo, nên khi đốt, hai loại nhiên liệu này không giải phóng nhiều khí độc như NO, SO2 , CO…, và hầu như không phát sinh bụi

Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 93% lượng CO2 , 33% lượng

NO và đến 50% lượng hydrocarbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng Giá thành CNG rẻ hơn xăng khoảng 10% đến 30% và có tính ổn định trong thời gian dài so với giá các sản phẩm dầu mỏ Do khí cháy hoàn toàn, không gây đóng cặn trong thiết bị đốt và tại bộ chế hòa khí của các phương tiện nên CNG giúp nâng cao hiệu suất, kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng và tuổi thọ máy móc thiết bị

Khí thiên nhiên được nén ở áp suất cao, các áp suất thường sử dụng là 2400 psi (165,5 bar), 3000 psi (206,9 bar), 3600 psi (248,2 bar) chứa trong các bình chứa cao

áp mắc song song

1.1.2.3 Hệ thống nhiên liệu CNG

1.1.2.3.1 Hệ thống nhiên liệu CNG đơn

Hệ thống nhiên liệu CNG đơn là hệ thống chỉ sử dụng duy nhất nhiên liệu CNG

Động cơ cải tiến sử dụng hệ thống nhiên liệu CNG đơn tháo bỏ toàn bộ hệ thống nhiên liệu cũ và lắp đặt toàn bộ hệ thống nhiên liệu CNG

Các bộ phận tháo bỏ: Bình chứa xăng, đường ống dẫn xăng, bơm xăng, lọc xăng, bộ chế hòa khí, đồng hồ báo xăng, bơm xăng

Các bộ phận lắp đặt: Bình chứa nhiên liệu CNG, bộ giảm áp – hóa hơi, bộ trộn, đường ống dẫn nhiên liệu CNG, van an toàn, van vận hành, đồng hồ hiển thị

Hình 1-2: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG đơn

a Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu CNG đơn

Hệ thống nhiên liệu đơn giản, việc bố trí, lắp đặt lên động cơ dễ dàng và có thể tối ưu hóa hệ thống nhiên liệu động cơ

Do chỉ sử dụng một hệ thống nhiên liệu nên việc vận hành đơn giản, không phức tạp

b Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu CNG đơn

Mật độ năng lượng của CNG thấp nên các bình chứa CNG có khối lượng lớn

và chiếm nhiều không gian

Khó khăn trong việc tiếp nhiên liệu khi cơ sở hạ tầng cung cấp CNG vẫn còn rất hạn chế

1.1.2.3.2 Hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song

Hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song là hệ thống nhiên liệu sử dụng cả hai loại nhiên liệu vừa xăng vừa CNG

Động cơ sử dụng hệ thống nhiên liệu xăng và CNG song song không cần phải tháo bỏ hệ thống nhiên liệu cũ mà chỉ cần lắp đặt thêm hệ thống nhiên liệu CNG

Các bộ phận lắp đặt thêm: Toàn bộ hệ thống nhiên liệu CNG như hệ thống nhiên liệu CNG đơn, ngoài ra cần phải thêm các van đóng mở nhiên liệu xăng và CNG khi ta cần thay đổi loại nhiên liệu sử dụng trên động cơ

Hình 1-3: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song

a Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song

Hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song có khả năng dự trữ năng lượng trên động cơ lớn hơn so với hệ thống nhiên liệu CNG đơn

Hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song khắc phục được tình trạng tiếp nhiên liệu do sự hạn chế về cơ sở hạ tầng của CNG

b Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song

Cấu tạo động cơ trở nên phức tạp, rất khó khăn trong việc lắp đặt bố trí hệ thống nhiên liệu mới, giá thành tăng

Phải tính toán, thiết kế cho động cơ làm việc tương đối ổn định ở cả hai loại nhiên liệu Khó khăn trong việc vận hành, bảo trì, sửa chữa động cơ

Van điện từ

Bộ điều áp

Khí propan Khí thiên nhiên

Van điện

từ Công tắc áp suất

Bộ điều áp

Bộ hòa trộn

Van điều chỉnh Ống cân bằng Van điều chỉnh

Khí thiên nhiên được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông đầu tiên ở Ý vào những năm 1930 Vào thập kỷ 1950, Pháp đã có 10.000 phương tiện chạy nhiên liệu CNG New Zealand, Canada, Mỹ đã có thị trường về CNG vào những năm 1970 và 1980 Hiện nay, có hơn 1.000.000 phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu CNG ở 47 quốc gia trên toàn thế giới Năm 1994 có 2.700 trạm cung cấp CNG được báo cáo

Trong những năm gần đây, những nhà sản xuất thiết kế đã thiết kế ra các loại

xe sử dụng khí thiên nhiên, bao gồm: xe khách, xe đầu kéo, xe buýt và xe tải nặng Các loại phương tiện này hoạt động bởi động cơ đốt cháy nhiên liệu sạch đã từng được sản xuất

Bằng mọi cách các nhà sản xuất đã tối ưu hoá các động cơ của họ để tận dụng những lợi thế khi sử dụng khí thiên nhiên, các xe sử dụng khí thiên nhiên có một sự vượt trội hơn do sự thải khí xả sạch hơn Xe sử dụng khí thiên nhiên đã được chứng nhận là đạt được những tiêu chuẩn về khí xả ra môi trường đòi hỏi cao nhất

Năm 1997, Hãng HONDA đã tung ra thị trường một loại xe sử dụng CNG có tên là “Civic GX” do đó HONDA đã nhận được phần thưởng của tạp chí Discover Magazine Technology

Có hai lý do căn bản để cho rằng khí thiên nhiên là một nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường:

- Trước hết, khí thiên nhiên chứa khoảng 90% metan (CH4), khí thải ra từ các loại xe sử dụng khí thiên nhiên cũng chủ yếu là do mêtan cháy không hết Metan là một hợp chất hữu cơ dễ thay đổi, điều này quan trọng, bởi vì lượng metan không cháy hết bay hơi kết hợp với NOX trong điều kiện ánh sáng mặt trời không ảnh hưởng đến tầng ôzôn Xe cộ sử dụng khí thiên nhiên thì ít ảnh hưởng đến việc hình thành các khí gây “hiệu ứng nhà kính” bởi vì khí thiên nhiên thải ra ít cacbon hơn động cơ xăng và động cơ dùng nhiên liệu dầu mỏ khác Những hydrô cacbon khác trong khí thiên nhiên với số lượng nhỏ gồm có: etan, propan và butan và gần như không chứa các thành phần độc hại nào Động cơ xăng và động cơ diesel thải ra khí

xả chứa nhiều tác nhân hoá học có hại

- Thứ hai là khi một động cơ nạp nhiên liệu, khí thiên nhiên đạt tiêu chuẩn phát tán nhiên liệu cao hơn động cơ xăng và động cơ diesel

CNG có thể sử dụng trên động cơ đốt trong (ĐCĐT) thay cho nhiên liệu xăng

và diesel, có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đa nhiên liệu trên ĐCĐT Trong thực

Có thể chế tạo ra một động cơ chuyên dùng cho CNG hoặc có thể cải tạo động

cơ xăng, diesel hiện có cho phù hợp với đặc tính của nhiên liệu CNG

1.1.2.5 So sánh tính năng của nhiên liệu CNG so với các nhiên liệu truyền thống

Bảng 1-2: So sánh tính năng của nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG so với các nhiên liệu truyền thống

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ CNG

1.2.1 giới thiệu về động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG

Hình 1-4: Hình ảnh động cơ OM6NG1 sử dụng nhiên liệu khí CNG

Hình 1-5: Hình ảnh động cơ OM6NG3 sử dụng nhiên liệu khí CNG

Ƣu, nhƣợc điểm của động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG so với nhiên liệu truyền thống:

* Ƣu điểm:

nhau, suất tiêu hao nhiên liệu tính theo khối lượng của động cơ sử dụng khí thiên nhiên thấp hơn khi sử dụng các loại nhiên liệu lỏng khác

- So với động cơ xăng thì động cơ sử dụng nhiên liệu CNG có hiệu suất cao hơn khoảng 10% nhờ có tỷ số nén cao hơn Mặt khác do động cơ sử dụng nhiên liệu khí nên ít bị ảnh hưởng bởi quán tính trong giai đoạn quá độ, do đó động cơ làm việc êm hơn

- Khí thải của động cơ sử dụng nhiên liệu CNG gây ô nhiễm môi trường thấp hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống do trong khí xả động cơ CNG hầu như không có hydrocarbure nào có hơn 4 nguyên tử carbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần hydrocarbure thơm nhờ sự cấu tạo của nhiên liệu khí CNG chủ yếu là methane

- Do khí cháy hoàn toàn, không gây đóng cặn trong thiết bị đốt và tại bộ chế hòa khí của các phương tiện nên động cơ sử dụng khí nén CNG nâng cao được hiệu suất, kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng và tuổi thọ máy móc thiết bị

đi so với động cơ nguyên thủy

- Khi sử dụng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên CNG, việc bố trí hệ thống nhiên liệu phức tạp, quá trình sửa chữa bảo dưỡng khó khăn hơn nhiều so với động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống do bình chứa khí nén lớn

- Do thói quen sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống nên việc sử dụng động cơ

sử dụng nhiên liệu CNG chưa được hưởng ứng nhiều, xây dựng cơ sở hạ tầng chuyển đổi từ động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống sang động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG đòi hỏi chi phí rất lớn và khó thực hiện

Khí thiên nhiên sử dụng cho động cơ dưới các dạng sau:

- Khí thiên nhiên nén (CNG - Compressed Natural Gas): khí thiên nhiên được nén dưới dạng khí ở áp suất cao (200 kg/cm2) trong bình hình trụ

- Khí thiên nhiên lỏng (LNG - Liquefied Natural Gas): khí thiên nhiên được trữ

ở nhiệt độ thấp (-162 0C) trong bình cách nhiệt

- Khí thiên nhiên hấp thụ (ANG - Asorbed Natural Gas): khí thiên nhiên được trữ ở áp suất vài chục kg/cm2

được hấp thụ vào một vật liệu ở bên trong bình chứa hình trụ

- Khí thiên nhiên tổng hợp (SNG - Synthetic Natural Gas): khí thiên nhiên

được tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu là than đá

Trên động cơ ôtô sử dụng khí thiên nhiên ở dạng nén (CNG) hoặc ở dạng lỏng (LNG)

1.2.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ CNG

Hỗn hợp được hoà trộn bên ngoài động cơ bằng một bộ trộn tương tự như bộ chế hoà khí của động cơ xăng Để thay đổi tốc độ và công suất động cơ, lưu lượng hoà khí được điều chỉnh bằng một bướm ga do người lái điều khiển từ buồng lái CNG là nhiên liệu tốt cho động cơ đánh lửa Để không xảy ra hiện tượng kích nổ khi sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đánh lửa, tỉ số nén của động cơ CNG nhỏ hơn động cơ diesel

Hình 1- 6: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG

1 Bộ xúc tác; 2 Đường xả; 3 Động cơ; 4 Đường nạp; 5 Lọc gió; 6 Bộ hòa trộn;

7 Đường chân không; 8 Đầu nạp; 9 Bộ giảm áp; 10 Van ngắt khẩn cấp; 11

Lọc; 12 Van khóa nhiên liệu; 13 Bình chứa CNG

Hình 1-7: Một hệ thống nhiên liệu CNG điển hình

Bình CNG

Van ngắt chính Ống nạp CNG

Bộ lọc gas

Bộ điều áp Van gas

1.2.3 Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG

Bảng 1-3: So sánh thành phần Hydrocarbure trong khí thải của động cơ dùng xăng

và dùng khí thiên nhiên

(Mẫu được lấy phía trước bộ xúc tác, thử theo chu trình ECE + EUDC)

(Khối lƣợng khí phát thải tính theo mg)

Ta thấy rằng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chỉ phát thải các chất hydrocarbure từ C đến C , ít độc hơn so với các chất nhƣ benzene và toluene có

Xăng Khí thiên nhiên

Hình 1-8: Nồng độ khí thải của động cơ CNG so với tiêu chuẩn

Hình 1-9: Mức độ phát thải tổng cộng của động cơ

sử dụng nhiên liệu Diesel, methanol và CNG

Hình 1 - 8 cho thấy mức độ phát thải của ôtô chạy nhiên liệu CNG rất thấp so với tiêu chuẩn quy định Nếu sử dụng nhiên liệu CNG thì mức độ phát thải tổng cộng chỉ bằng khoảng 16% so với nhiên liệu diesel CNG là nhiên liệu thay thế có nhiều nhiều triển vọng làm giảm ô nhiễm môi trường

1.2.4 Khả năng áp dụng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên CNG

Cũng như LPG, với điều kiện về kỹ thuật và kinh tế hiện nay, nước ta hoàn toàn có thể sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho động cơ ôtô

1.2.5 Sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên CNG cho động cơ trên xe bus

Động cơ trên xe buýt hiện nay là động cơ Diesel 4 kỳ Để sử dụng nhiên liệu khí cho xe bus ta phải có một số cải tiến về kết cấu động cơ cũng như hệ thống nhiên liệu hoặc thiết kế động cơ mới sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên Với hiện

Đc Diesel Đc Methanol Đc CNG

trạng về nhiên liệu khí ở nước ta hiện nay, các loại nhiên liệu khí có thể sử dụng cho động cơ trên xe bus là khí thiên nhiên nén CNG

1.3 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ

Ở Việt Nam hiện nay, động cơ sử dụng nhiên liệu khí CNG cũng đã được thử nghiệm trên các tuyến xe bus ở thành phố Hồ Chí Minh, được ứng dụng nhiều trên các xe du lịch và hứa hẹn trong tương lai sẽ phát triển mạnh mẽ nhờ sự ưu việt về giảm mức độ ô nhiễm môi trường và vấn đề giá thành cũng như sự khan hiếm về nguồn trữ lượng nhiên liệu lỏng truyền thống

Chương 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC Ô TÔ, XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG

CƠ

2.1 SỐ LIỆU CHO BAN ĐẦU CỦA XE

Loại xe: ô tô bus 29 chỗ

Trọng lượng ô tô: G = 6,66 [tấn]

Tốc độ cực đại của xe khi thiết kế: Vmax= 105 [km/h] = 29,1666 [m/s]

Đối với ô tô bus chạy trong nội thành do điều kiện giao thông và địa hình nên tốc độ sử dụng lớn nhất là: Vsd = 60 [km/h] = 16,666 [m/s]

G: Trọng lượng toàn bộ của ô tô

PK: Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động

Pf1: Lực cản lăn ở bánh xe bị động

Pf2: Lực cản lăn ở bánh xe chủ động

Pw: Lực cản không khí

Pj: Lực quán tính của ô tô khi chuyển động

Z1, Z2: Phản lực pháp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe ở cầu trước và cầu sau

a: Khoảng cách từ trọng tâm G đến cầu trước

b: Khoảng cách từ trọng tâm G đến cầu sau

L: Khoảng cách từ cầu trước đến cầu sau

2.2 LỰC CẢN CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ ƯNG VỚI TỐC ĐỘ CỰC ĐẠI: Theo tài liệu [6] ta có công thức tính lực cản chuyển động của ô tô ứng với tốc

độ cực đại

2max

)

2800max2800

K: hệ số cản không khí:

Đối với xe bus và xe khách thì k = 0,25 † 0,4 chọn K = 0,30

B: Chiều rộng cơ sở của xe: B = 2,035 [m]

H: Chiều cao của xe: H = 2,755 [m]

α = 0,85

2)6,3

105.(

85,0.755,2.035,2.30,0)2800.6,3

1052800

32.(

1000.81,9.66,

105 4353 , 2643 max

v

N e

, 0 1 1

77100,1967

2

v N e

Chương 3: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ CNG – BUS 29

3.1 CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ

3.1.1.Thông số cho trước của động cơ :

Chọn động cơ OM6NG3-18 sử dụng khí thiên nhiên CNG làm động cơ tham

khảo ta có các thông số sau:

3.1.2.Thông số chọn của động cơ :

Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị

a r

r

k r

p p p

p T

T T

1

2 1

2

.

1

) (

1044 , 0

1218 , 0 9 , 0 17 , 1 04 , 1 11

1

1044 , 0

1218 , 0 900

) 30 310 ( 95 , 0

p T T T

1

2 1

) (

) 1 (

1218 , 0 9 , 0 17 , 1 04 , 1 11 116 , 0

1044 , 0 ) 30 310 (

310

1) - (11

1

0,8426

3.2.3.Tính nhiệt độ cuối quá trình nạp T a (K)

)1(

p

pT.T

TT

r

m 1 m

r

a r r t k

1218,0

1044,0.900.0386,0.17,130

1 45 , 1

364,6880 [K]

3.2.4.Tính số mol không khí để đốt cháy một kmol nhiên liệu M0 (kmol Kk/kmol nhiên liệu)

2 0

0

2421

,0

1

N O H C r m n V

Xác định thành phần nguyên tố của nhiên liệu bằng phương pháp phân tích hóa học (Theo bảng 3.1 thành phần thể tích (%) và nhiệt trị thấp của nhiên liệu khí trang 46 tài liệu [5]) ta có:

CH4 = 70 ÷ 95% ; C2H6 = 5 ÷ 7% ; C3H8 = 0,2 ÷ 0,6%; C4H10 = 0,1 ÷ 0,6; N2 = 1,3

÷ 4,4%; CO2 = 0,5 ÷ 0,7%; O2 = 0

Khi tính toán ta thường dùng thành phần trung bình:

M0 = 10,0357 [Kmol không khí/Kmol nhiên liệu]

- Tính số mol khí nạp mới M1 [kmol không khí/kmol nhiên liệu]

Đối với khí thiên nhiên:

1

. 0

M  =1.10,0357 + 1 = 11,0357 [kmol không khí/kmol nhiên liệu]

- Nhiệt trị của nhiên liệu:

QH=12,8.CO2+10,8.H2+35,8.CH4+56.C2H2+59,5.C2H4+63,4.C2H6+91.C3H8+120.C4

H10+144.C5H12

QH=(12,8.0,005+35,5.0,91+63,4.0,06+91.0,005+120.0,005).103 = 37501 [KJ/m3] 3.3 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NÉN

3.3.1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí mCvkk (kJ/kmol.K)

310 2

00419 , 0 806 , 19

"v 

1

634 , 1 867 ,

5 5

10.1

36,18438,42710

.36,18438,427

0061,0501,

,01

0386,0.006117,

000419,01

8690,190386

,01

0386,0.501,21806,191

'' '

'' '

r

r v v v

b b b

a a a

364,688 = 20,6461 [KJ/Kmol.K]

3.3.4 Tính chỉ số nén đa biến trung bình n 1

n1 = 1 +

2

314 , 8

1 '

a v

00426 , 0 8690 , 19

314 , 8 1

Giải phương trình trên theo phương pháp mò nghiệm dần ta được : n1 = 1,369

3.3.5 Nhiệt độ cuối quá trình nén T c

Tc = Ta n1 1 = 364,688 111, 369 -1 = 883,4773 [K]

3.3.6 Áp suất cuối quá trình nén Pc

Pc = pa n1= 0,1044 111, 369 = 2,782 [MN/m2]

3.4 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CHÁY

3.4.1 Tính số Kmol môi chất thay đổi khi cháy ΔM

Đối với nhiên liệu thể khí, trong trường hợp α > 1 ta được:

M 0,5.0,06 0,005 1,5.0,005 0,015 0,005 = 0,0625 [Kmol/ Kmol nhiên liệu]

3.4.2 Tính số mol sản phẩm cháy M2 [Kmol/ Kmol nhiên liệu]

M2 = M1 + ΔM = 11,0357 + 0,0625 = 11,0982 [Kmol/ Kmol nhiên liệu]

3.4.3 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết0

0982,11

0386,00056,1





=1,0054 3.4.5.Hệ số biến đổi phân tử z tại z

9 , 0

8 , 0 0386 , 0 1

1 0056 , 1 1 1

x





  0,8=0,8889

Do đối với động cơ sử dụng nhiên liệu khí α = 1 nên ΔQH = 0

3.4.8 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chấtm C vz tại z

z vz vz

z v

o

r z v

vz

x M x

M

x M a x

M a

1 2

1 2

0386 , 0 8889 , 0 0982 , 11

8889 , 0 1 0357 , 11 8690 , 19 0056 , 1

0386 , 0 8889 , 0 0982 , 11 501 , 21

z v

o

r z v

vz

x M x

M

x M b x

1 2

1 2

0386 , 0 8889 , 0 0982 , 11

8889 , 0 1 0357 , 11 00426 , 0 0056 , 1

0386 , 0 8889 , 0 0982 , 11 006117

z

T C m T

C m M

Q Q

.''

1

v v r

H H

z

T T

b a T

T

b a M

Q Q

2

314,8.21

' ' 1

0 00484 , 1

z

T T

b a M

Q Q

314,8.2)

1.(

4,22

4773 , 883 00426 , 0 8690 , 19 ) 0386 , 0 1 (

4 , 22

0357 , 11

37501 8 , 0

Vậy phương trình bậc hai: 0 , 00297T z2 21 , 4306T z  91068 , 5163  0

Giải phương trình ta có: Tz = 3000,210 [K]

3.4.9 Áp suất cực đại chu trình P z [MN/m 2 ]

z c

z c z

T

T p

Pz = 1,00484

883,4773

3000,210

782,

210,3000.412,3

00484,

2)

.(

)

1(

)).(

(

314,8

H H z b

T T

b a T T M

Q Q

T T



) 210 , 3000 ( 2

0059147 ,

0 327 , 21 ) 210 , 3000 (

00545 , 1 ).

0386 , 0 1 (

0357 , 11

37501 ).

8 , 0 9 , 0 (

314 , 8 1

2

b b

T T

Giải phương trình trên theo phương pháp mò nghiệm ta được n2 = 1,2340

3.5.4 Nhiệt độ cuối quá trình giản nở T b (K)

1

2 

 n z b

T T

11

210 , 3000

 = 1711,8503 [K]

3.5.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở p b (MN/m 2 )

2340 , 1

11

49 , 9

2 

 n z b

p p

2]

1 2

11.1

11

1.1

.1

C

i

n n

111

11.12340,1

1.4123,3114123,

4,22

310.2605,1.0357,11.8314

4

,

22

8314

3 1

k v H

k i i

p Q

T p M



3.6.1.4 suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị V i (m 3 /kw.h)

2198 , 0 310 2605 , 1 0357 , 11

8426 , 0 116 , 0 9700

.

9700

v k

i

T P M

0024,



 e m

p p



3.6.2.4 Hiệu suất có ích η e

e  m i  0 , 81117 0 , 4366  0 , 354

3.6.2.5 Suất tiêu hao nhiên liệt có ích V e

2710 , 0 310 0024 , 1 0357 , 11

8426 , 0 116 , 0 9700

.

9700

v k e

T P M

0.4366,0.116,0.37501

6.67,89

310.4.0357,11.10.995,110

67

,

89



n P

Q i

T M N

V

v m i K H

K e

836,0.4

N

x N

x N

x e

ex

n

n n

n n

n N

N

x N

x eN

ex

n

n n

n g

0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800

20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

Me ge

3.6.2.11 Đường mô men theo công suất động cơ

ex

ex ex

ex ex

n

N N

Chương 4: THIẾT KẾ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN –

PISTON ĐỘNG CƠ CNG – BUS 29

4.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN

4.1.1.Xây dựng đồ thị công

4.1.1.1.Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén

Ta có : phương trình đường nén đa biến : p.Vn1 = const, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì :

p c.V c n1  p nx.V nx n1

Từ đó rút ra :

. 1 n1

c nx

c nx

V V

p p

p   - áp suất cuối quá trình nén.

Trong đó: pa - áp suất đầu quá trình nén; pa = 0,1044 [MN/m2]

- tỷ số nén,  = 11

n1- chỉ số nén đa biến trung bình

Theo tính toán chương 3 thì n1 = 1,369

 pc = 0,1044.111,369 = 2,7820 [MN/m2]

4.1.1.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở

Phương trình của đường giãn nở đa biến là : p.Vn2 = const, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì :

gnx

V V p p

Suy ra:

2

2 n

n z gnx

i p

0915,0 4

dm m

8351,01

0 10

4.1.1.5 Xác định các điểm đặc biệt và hiệu chỉnh đồ thị công

+ Vẽ đường biểu diễn quá trình nạp và quá trình thải bằng hai đường thẳng song song với trục hoành đi qua hai điểm Pa và Pr Ta có được đồ thị công lý thuyết + Hiệu chỉnh đồ thị công:

- Vẽ đồ thị brick phía trên đồ thị công Lấy bán kính cung tròn R bằng ½ khoảng cách từ Va đến Vc

- Giá trị biểu diễn : OO‟ 6,25

27,1.2

5,63.25,0.2

12 13 14 15 16 17 18

y z

a b' b'' a''

r

4' 3' 2' 1'

4.1.2 Động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

4.1.2.1 Xây dựng đồ thị chuyển vị piston bằng phương pháp Brick

S bd

R R

Từ O lấy đoạn OO‟ dịch về phía điểm chết dưới một đoạn :

2

.' R

'  R  

Giá trị biểu diễn của OO‟ là:

25 , 6 27 , 1

9375 , 7 '

271,272.25,0.5,632

Giá trị biểu diễn của R2 là:

25 , 6 345,78

Chia nửa vòng tròn R1 và vòng tròn R2 thành n phần đánh số 1, 2, 3, , n và 1‟, 2‟, 3‟, , n‟ theo chiều như hình 1.3

- Từ các điểm 0, 1, 2, 3, kẻ các đường thẳng góc với AB cắt các đường song song AB kẻ từ 0, 1‟, 2‟, 3‟, tại các điểm O, a, b, c, Nối O, a, b, c, bằng đường cong ta được đường biểu diễn trị số tốc độ

- Các đoạn thẳng a1, b2, c3, nằm giữa đường cong O, a, b, c với nữa đường

Hình 4-2: Đồ thị xác định vận tốc và chuyển vị của piston

4.1.2.3 Xây dựng đồ thị gia tốc theo phương pháp Tôlê

- Chọn hệ trục tọa độ với trục Ox là trục hoành, trục tung là trục biểu diễn giá trị gia tốc

- Chọn tỉ lệ xích:j s.2 1,27.272,2712.103 94,147 [m/s2/mm]

- Trên trục Ox lấy đoạn AB = S=2R=127

Giá trị biểu diễn: AB= 100

27 , 1

4063 , 4239

j

j

- Từ điểm B tương ứng với điểm chết dưới lấy xuống dưới một đoạn BD

j

j

 [mm] Nối C với D Đường thẳng CD cắt trục hoành Ox

tại E Từ E lấy xuống dưới một đoạn 27,0177

147,94

643,2543

Sau khi tính toán lấy giá trị trung bình ta được: mnpt = 1,88 [kg]

m1- khối lượng tập trung tại đầu nhỏ thanh truyền

m có thể xác định sơ bộ theo công thức kinh nghiệm sau đây :

mtt = (300 350).91,52.10-6 = (2,5116  2,9303)

Lấy giá trị trung bình ta đƣợc mtt= 2,72 [kg]

 m‟ = 1,88 + 0,816 = 2,696 [kg]

Để đơn giản hơn trong tính toán và vẽ đồ thị ta lấy khối lƣợng trên một đơn vị

diện tích của một đỉnh piston:

4 696 , 2

2]

Ở đây: FP: diện tích đỉnh piston

Lực quán tính Pjmax :

Pjmax = - m.Jmax = -410 4239,4063.10-6 = - 1,738 [MN/m2] Lực quán tính Pjmin:

Pjmin = - m.Jmin = 410.2543,643.10-6 = 1,0429 [MN/m2]

Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện Pjmax

Giá trị biểu diễn của Pjmax là:

9685,320527,0

P AC

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện Pjmin

Giá trị biểu diễn của Pjmin là :

7811,190527

,0

1,0429-





P j

P BD

Nối CD cắt AB ở E Từ E hạ vuông góc AB lấy điểm F

Lấy EF:

EF = -m.JEF =- 410.253,643.10-6 = -1,0429 [MN/m2] Giá trị biểu diễn của EF là:

19 , 7811

0527 , 0 1,0429  







P bd

EF EF

Kết hợp đồ thị Brick và đồ thị công nhƣ ta đã vẽ ở trên ta có cách vẽ nhƣ sau:

Nếu trục hoành của đồ thị khai triển nằm bằng với trục hoành của đồ thị công

thì ta đƣợc P – α, để đƣợc PKT – α ta đặt trục hoành của đồ thị mới ngang với trục

chứa giá trị P0 ở đồ thị công Làm nhƣ vậy bởi vì áp suất khí thể: PKT = P – P0

Từ các góc: 0, 100, 200, 300, , 1800 tương ứng với kỳ nạp của động cơ

1900, 2000, 2100, , 3600 tương ứng với kỳ nén của động cơ

3700, 3800, 3900, ,5400 tương ứng với kỳ cháy - giãn nở của động cơ

5500, 5600, 5700, , 7200 tương ứng với kỳ thải của động cơ

Trên đồ thị Brick ta gióng các đoạn thẳng song song với trục P của đồ thị công

sẽ cắt đường biểu diễn đồ thị công tương ứng các kỳ nạp, nén, cháy - giãn nở, thải của động cơ và lần lượt đo các giá trị được tính từ điểm cắt đó đến đường thẳng song song với trục V và có tung độ bằng p0, ta đặt sang bên phải bản vẽ các giá trị vừa đo ta sẽ được các điểm tương ứng các góc 0, 100

, 200, 300, , 7100, 7200 và lần lượt nối các điểm đó ta sẽ được đồ thị lực khí thể PKT cần biểu diễn

a [do]

Hình 4-4: Đồ thị khai triển

Trong đó: ptt: lực tác dụng trên đường tâm thanh truyền

N: lực ngang tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm xy lanh

Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của ptt và N



Cos p

N  p1.tg Phân tích ptt thành hai phân lực: lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z (sau khi

đã rời xuống tâm chốt khuỷu ) ta cũng có thể xác định trị số của T và Z bằng các quan hệ sau:

4.180.