TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG tác TRONG ĐỘNG cơ đốt TRONG

Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm ở nước ta Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trướcxupáp nạp nên : Tk =T0 =2

NHẬN XÉT , ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN :

Kết quả đánh giá :

.

GIÁO VIÊN BẢO VỆ : .

Kết quả đánh giá :

.

+ đường biểu diển hành trình của Piston x= f ( )α 21 + đường biểu diển tốc độ của Piston v= f ( )α 21 + đường biểu diễn gia tốc của Piston j= f x( ) 22

+ vẽ đường biểu diễn lực quán tính –pj = f x( ) 25

+ khai triển đồ thị công P-V thành Pkt= f ( )α . 28 + khai triển đồ thị Pj = f x( ) thành Pj = f( )α . 29

+ vẽ đồ thị lực tiếp tuyến T= f ( )α và Z = f ( )α . 31 + vẽ đường biểu diễn∑T = f ( )α của động cơ nhiều xilanh. 34

PHẦN I :TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC

TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG I) Trình tự tính toán:

1.1 /Số liệu ban đầu của phần tính toán nhiệt:

1- Kiểu dộng cơ : Động cơ xăng, một hang xilanh, không tăng áp(kí hiệu: YAZ -1)

7- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp α1 ; α2 : α1 =100 α2 =400

8- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp thải β1 ; β2: β1 =400

2

β =100

9- Góc đánh lửa sớm ϕi: ϕi= 120

10- Chiều dài thanh truyền ltt : ltt =172,35 (mm)

11- Công suất của động cơ Ne: Ne = 75 ( m.l)

12- Số vòng quay của trục khuỷu n: n =4000 (vg/ph)

13- Suất tiêu hao nhiên liệu ge : g e =280 (g/ml.h)

14- Tỷ số nén ε: ε =6,7

15- Khối lượng nhóm thanh truyền mtt: mtt = 1 (kg)

16- Khối lượng nhóm pitton mpt: mpt =0,75 (kg)

1 /Áp suất môi trường :pk

Áp suất môi trường pk là áp suất khí quyển trước khi nạp vào đông cơ (với đông cơkhông tăng áp ta có áp suất khí quyển bằng áp suất trước khi nạp nên ta chọn pk =p0

Ở nước ta nên chọn pk =p0 = 0,1 (MPa)

2 /Nhiệt độ môi trường :Tk

Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm ở nước ta

Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trướcxupáp nạp nên :

Tk =T0 =24ºC =297ºK

3 /Áp suất cuối quá trình nạp :p a

Áp suất Pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại đông cơ ,tính năngtốc độ n ,hệ số cản trên đường nạp ,tiết diện lưu thông… Vì vậy cần xem xét đông cơđang tính thuộc nhóm nào để lựa chọn Pa Thông thường chọn áp suất cuối quá trình nạptrọng phạm vi : pa = (0.8 ÷0,9).pk (MPa)

Áp suất cuối quá trình nạp ta lấy pa =0,838.pk =0,838.0,1 = 0,0838 (MPa)

5/Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T

Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành hổnhợp khí ở bên ngoài hay bên trong xy lanh Đối với động cơ xăng ta đang xét ∆T trongkhoảng ∆T =(00C÷200C)

α 0,8 1,0 1,2 1,4

λ 1,13 1,17 1,14 1,11

Ở đây ta chọn λ =1,11

8 /Hệ số quét buồng cháy λ :

Vì ta đang tính toán với động cơ không tăng áp nên ta chọn λ =1

9 /Hệ số nạp thêm λ

Hệ số nạp thêm λ phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí Thông thường ta có thể chọn

λ =1,02÷1,07

Và ta chọn : λ =1,023

10 /Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξ :

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξ phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ, thểhiện lượng nhiệt phát ra đả cháy ở điểm z so với lượng nhiệt phát ra khi đốt hoàn toàn1kg nhiên liệu.Đối với động cơ xăng ta đang xét thông thường chọn trong khoảng Kinh nghiệm sau đây : ξ =0,85 ÷ 0,92

Và ta chọn ξ=0,85

11/Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ :

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ tùy thuộc vào loại động cơ xăng hay là động cơđiezel,ξ bao giờ cũng lớn hơn ξ Thông thường chọn trong khoảng : ξ=0,85÷0,95

Do đây là động cơ xăng nên ta chọn :

ξ=0,892

12 /Hệ số hiệu chỉnh đồ thị công φ :

Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ với chutrình công tác thực tế Sự sai lệch giửa chu trình thực tế với chu trình tính toán củađộng cơ xăng ít hơn của động cơ vì vậy hệ số φ của động cơ xăng thường chọn hệ sốlớn Nói chung có thể chọn trong phạm vi: φ =0,92÷0,97

Và ta chọn: φ =0,93

II )Tính toán các quá trình công tác :

2 /Nhiệt độ cuối quá trình nạp T

Nhiệt độ cuối quá trình nạp T đươc tính theo công thức:

T = ( ºK )

T =

1,45 1 1,450.0838

η =

1 1,45

= 0,4527 (kmol/kg nhiên liệu)

5/Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M :

Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M được tính theo công thức :

Vì đây là động cơ xăng nên ta chọn C = 0,855 ; H = 0,145 ; O = 0

M = 0,855 0,145 0

6/Hệ số dư lượng không khí α

M M

µ

−

Trong đó :µnl- trọng lượng phân tư của xăng, thông thường µnl=114

Vậy : α = 0, 4527 1141

0,5120

− = 0,8670

2 /Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy :

Khi hệ số lưu lượng không khí α <1 tính theo công thức sau :

= (17,997 + 3,504α ) +1

2.(360,34 + 252,4α ).10 T− 5 (kJ/kmol.K)

3/Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp :

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hh trong quá trình nén tính theo công

thức sau :

= = ' '

2

v v

b

a + T

= + T Trong đó :

a' =

b' = Thay số vào ta có :

a' = 19,894 ; b' = 0,0043

4/ Chỉ số nén đa biến trung bình n:

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào vào rầt nhiều thông số kết cấu và thông

số vận hành như kích thước xy lanh ,loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải,trạng tháinhiệt độ của động cơ…Tuy nhiên n tăng hay giảm theo quy luật sau :

Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ khiến cho n tăng.

Chỉ số nén đa biến trung bình n được xác bằng cách giải phương trình sau :

n-1 =

Chú ý :thông thường để xác định được n ta chọn n trong khoảng 1,340÷1,390

Rất hiếm trường hợp đạt n trong khoảng 1,400 ÷ 1,410→ (theo sách Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong - trang 128 )

Vì vậy ta chọn n theo điều kiện bài toán cho đến khi nao thõa mãn điều kiện bàitoán :thay n vào VT và VP của phương trình trên và so sánh,nếu sai số giữa 2 vế củaphương trình thõa mãn <0,2% thì đạt yêu cầu

8,3140,0043

Sau khi thay các giá trị của n trong khoảng kinh nghiệm đả có vào công thức trên tathấy n =1,3750 thõa mãn điều kiện bài toán

5 /Áp suất cuối quá trình nén P :

Áp suất cuối quá trình nén P được xác định theo công thức :

P = P εn1 = 0,0838 6,71,375 = 1,1458 (MPa)

6 /Nhiệt độ cuối quá trình nén T

Nhiệt độ cuối quá trình nén T được xác định theo công thức

T = T εn1 1 − = 346,6 6,71,375 -1 = 707,2 ( ºK )

7 /Lượng môi chất công tác của quá trình nén M :

Lượng môi chất công tác của quá trình nén M được xác định theo công thức :

M = M+ M = M.(1+γr) = 0,4527 (1 0,0775)+ = 0,488

2.3 )Tính toán quá trình cháy :

1 /Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β :

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

M M

α

ηα

2 /Hệ số thay đổi phân tư thưc tế β: ( Do có khí sót )

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế β được xác đinh theo công thức :

β = = 1,0923 0,07751 0,0775+

3 /Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z β : (Do cháy chưa hết )

Ta có hệ số thay đổi phân tư thực tế tại điểm z β được xác định theo công thức :

β = 1 + χ Trong đó:

χ = = 0,8920,85 = 0,9529

5 /Nhiệt độ tại điểm z T :

* Đối với động cơ xăng, tính nhiệt độ tại điểm z T bằng cách giải pt cháy :

mc T M

ξZ : hệ số lợi dụng nhieetjtaij điểm z ξZ=0,85

Q : là nhiệt trị thấp của nhiên liệu, thông thường có thể chọn :

Q = 44000 ( kJ/kgn.l )

∆Q H : là nhiệt tổn thất do nhiên liệu cháy không hếtkhi đốt 1kg nhiên

liêu, thông thường có thể xác định ∆Q H theoα , khiα <1 thì ∆Q H

tính băng công thức sau:

∆Q H= 120.103.(1-α ).MO ( kJ/kgn.l) ''

6 /Áp suất tại điểm z p :

Ta có áp suất tại điểm z p được xác định theo công thức :

p =λ p ( MPa ) Trong đó:

pc - Áp suất quá trình nén: pc =1,1458

λ - Hệ số tăng áp, được xác định theo công thưc sau: λ= β = 1,0816.707, 22538 = 3,882

Vậy suy ra: pz =3,883.1,1458 = 4,4474

2.4 )Tính toán quá trình giãn nở :

3 /Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n :

Ta có chỉ số giãn nởi đa biến trung bình n2 được xác định từ phương trình cân bằngsau:

Lưu ý: Thông thường để xác định được n 2 ta chọn n 2 trong khoảng 1,150÷1,250

(sách Nguyên lý ĐCĐT- Nguyễn Tất Tiến, trang 184) ; Thay n 2 vào hai vế của Phương trình trên và so sánh, nếu sai số giữa 2 vế <0,2% là đạt yêu cầu

Qua kiệm nghiêm tính toán thì ta chọn đươc n =1,230.Thay n vào 2 vế của phương trình trên ta so sánh ,ta thấy sai số giữa 2 vế <0,2% nên n chọn là đúng

4 /Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T :

Ta có công thức xác định nhiệt độ cuối trình giản nở Tb:

T= 2z1n

T

δ − = 1,23 1

2538

6, 7 − = 1638,7 ( ºK )

5 /Áp suất cuối quá trình giãn nở p :

Áp suất cuối quá trình giãn nở P được xác định theo công thức :

p = = 1,23

4, 4476,7 = 0,4286 (MPa)

6 /Tính nhiệt độ khí thải T :

Nhiệt độ khí thải được tính toán theo công thức:

T = T ( ºK ) Sai số của nhiệt độ khí thải Trt trong quá trình tính toán và nhiệt độ khí thải chọn ban đầu không được vượt quá 15%, nghĩa là:

rt r rt

3 /Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g :

Ta có công thức suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi :

g= =

3432.10 0,8015.0,1

4 /Hiệu suất chỉ thi η:

Ta có công thức xác định như sau:

η = =

33,6.10

5 /Áp suất tổn thất cơ giới P :

Áp suất tổn thất cơ giới được xác định theo nhiều công thức khác nhau và đươc biểu diễn bằng quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ.Ta có tốc độ trung bình của động cơ là :

7 /Hiệu suất cơ giới η :

Ta có công thức xác định hiệu suất cơ giới:

8 /Suất tiêu hao nhiên liệu g :

Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu tính toán là:

g= = 0, 7833298,18 = 380,69 (g/kW.h)

9 /Hiệu suất có ích η :

Ta có công thức xác định hiệu suất có ích ηe định theo công thức:

η = η η = 0,7833.0,2744 = 0,2149

10 /Kiểm nghiêm đường kính xy lanh D theo công thức :

D = (mm ) Mặt khác V = = 75.30.4

0, 6765.4.4000 = 0,61157 ( l )

D = 4.0, 61157

.92

Ta có sai số so với số liệu D đề bài là :0,02265<0,1 (mm)

III ) Vẽ và hiệu đính đồ thị công :

Căn cứ vào các số liệu đã tính p r , p , p , p , p ,n, n, ε ta lập bảng tính đường nén và

đường giãn nở theo biến thiên của dung tích công tác V = i.V

V : Dung tích buồng cháy

V = = 0, 611586,7 1− = 0,1073 ( l )

Các thông số ban đầu: p = 0 ,1132 MPa ; p = 0,0838MPa; p= 1,1458 MPa

p = 4,447 MPa ; p = 0,4286 MPa

3.1 ) Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén :

- Phương trình đường nén đa biến :

P.V = const Khi đó x là điểm bất kỳ trên đường nén thì :

P V = P V

P = P = P =

n : Chỉ số nén đa biến trung bình n = 1,375

P : Áp suất cuối quá trình nén P = 1,1458 ( MPa)

3.2 ) Xây dựng đường cong áp suất trên quá trình giãn nở :

- Phương trình của đường giãn nở đa biến :

P.V = const Khi đó x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì :

P V = P V → P = P

n : Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n = 1,230

P : Áp suất tại điểm z : P = 4,447 (MPa)

Bảng 1:tỷ lệ xích đồ thị công trên tọa độ P-V

Thứ tự Quá trình nén Quá trình cháy

5,00 0,53647 137,313 1,1390 23,1280

Bảng 2 : tỷ lệ xích đồ thị công trên tọa độ V c -P o

3.4 ) Vẽ vòng tròn Brick đặt phía trên đồ thị công :

Ta chọn tỉ lệ xích của hành trình piton S là :

μ = gtbdS gttS = gtbdS S = 195,671692 = 0,4701754 Thông số kết cấu động cơ là :

gtbd = = 46

3.5 ) Lần lượt hiệu định các điểm trên đồ thị :

1 / Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp : (điểm a)

Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định góc đóng muộn xupáp thải β =400, bánkính này cắt đường tròn tại điểm a’ Từ a’ gióng đường thẳng song song với trục tungcắt đường P tại điểm a Nối điểm r trên đường thải ( là giao điểm giữa đường P và trụctung ) với a ta được đường chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình nạp

2 / Hiệu định áp suất cuối quá trình nén : ( điểm c’)

Áp suất cuối quá trình nén thực tế do hiện tượng phun sớm (động cơ điezel ) vàhiện tượng đánh lửa sớm (động cơ xăng ) nên thường chọn áp suất cuối quá trình nén

lý thuyết P đã tính Theo kinh nghiệm , áp suất cuối quá trình nén thực tế P’ được xácđịnh theo công thức sau :

Vì đây là động cơ xăng :

3 / Hiệu chỉnh điểm phun sớm : ( điểm c’’ )

Do hiện tương phun sớm nên đường nén trong thực tế tách khỏi đường nén lýthuyết tại điểm c’’ Điểm c’’ được xác định bằng cách Từ điểm O’ trên đồ thị Brick taxác định được góc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm θ, bán kính này cắt vòng trònBrick tại 1 điểm Từ điểm gióng này ta gắn song song với trục tung cắt đường nén tạiđiểm c’’ Dùng một cung thích hợp nối điểm c’’ với điểm c’ ta đang xét với đông cơxăng nên điểm c” được xác định bởi góc đánh lửa sớm ϕt=120

4 /Hiệu đính điểm đạt P thực tế

Áp suất p thực tế trong quá trình cháy - giãn nở không duy trì hằng số như động

cơ điezel ( đoạn ứng với ρ.V ) nhưng cũng không đạt được trị số lý thuyết như động cơxăng Theo thực nghiệm ,điểm đạt trị số áp suất cao nhất là điểm thuộc miền vào khoảng372° ÷ 375° ( tức là 12° ÷ 15° sau điểm chết trên của quá trình cháy và giãn nở )

Hiệu định điểm z của động cơ xăng :

- Cắt đồ thị công bởi đường 0,85PZmax

- Xác định điểm z từ góc 12º Từ điểm O΄trên đồ thị Brick ta xác định góc tương ứng với 372º góc quay truc khuỷu ,bán kính này cắt vòng tròn tại 1 điểm Từ điểm này ta gióng song song với trục tung cắt đường0,85 P tại điểm z

- Dùng cung thích hợp nối c’ với z và lượn sát với đường giãn nở

0,85PZmax=0,85.4.4474 =3,78029 MPa

Gtbd 0,85PZmax=3,78029/0,02222= 170,00061 (mm) (Trên toa độ V-P)

5 / Hiệu định điểm bắt đầu quá trình thải thực tế : ( điểm b’ )

Do có hiện tượng mở sớm xupáp thải nên trong thực tế quá trình thải thực sự diễn

ra sớm hơn lý thuyết Ta xác định điểm b’ bằng cách : Từ điểm O’trên đồ thị Brick

ta xác định góc mở sớm xupáp thải β=100,bán kính này cắt đường tron Brick tại 1điểm.Từ điểm này ta gióng đường song song với trục tung cắt đường giãn nở tại điểm b’

6 / Hiệu định điểm kết thúc quá trình giãn nở : ( điểm b’’ )

Áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế P thường thấp hơn áp suất cuối quá trìnhgiãn nở lý thuyết do xupáp thải mở sớm Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác địnhđược :

P= P + ( P - P ) = 0,1132 + ( 0,4286- 0,1132 ) = 0,2709 (MPa)

Từ đó xác định tung độ của điểm b’’ là :

y = = 0, 022220, 2709 = 11,90847591 ( mm )

PHẦN II TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

I ) Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học :

Các đường biểu diễn này đều vẽ trên 1 hoành độ thống nhất ứng với hành trìnhpiston S = 2R Vì vậy độ thị đều lấy hoành độ tương ứng với V của độ thị công ( từđiểm 1.V đến ε.V )

1.1 ) Đường biểu diễn hành trình của piston x = ƒ(α)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn hành trình của piston theo trình tự sau :

1 Chọn tỉ xích góc : thường dùng tỉ lệ xích ( 0,6 ÷ 0,7 ) ( mm/độ

2 Chọn gốc tọa độ cách gốc cách độ thị công khoảng 15 ÷ 18 cm

3 Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 10° ,20° ,…….180°

4 Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm 10° ,20° ,…….180° tương ứng trên trục tung của đồ thị của x = ƒ(α) ta được các điểm xác định chuyển vị x tương ứng với các góc 10°,20°,… 180°

5 nối các điểm xác định chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệ x = f(α)

70 42 160 96

Bảng 3: tỷ lệ xích x = ƒ(α)

1.2 ) Đường biểu diễn tốc độ của piston v = f(α)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn tốc độ của píton v = f(α) Theo phương pháp đồthị vòng Tiến hành theo các bước cụ thể sau:

1.Vẻ nửa vòng tròn tâm O bán kính R ,phía dưới đồ thị x = f(α) Sát mép dưới củabản vẽ

2 Vẽ vòng tròn tâm O bán kính là Rλ/2 = OO’

3 Chia nửa vòng tròn tâm O bán kính R và vòng tròn tâm O bán kính là Rλ/2 thành

18 phần theo chiều ngược nhau

4 Từ các điểm chia trên nửa vòng tâm tròn bán kính là R kẻ các đường song songvới tung độ , các đường này sẽ cắt các đường song song với hoành độ xuất phát từ cácđiểm chia tương ứng trên bán kính là Rλ/2 tại các điểm a,b,c,…

5 Nối tại các điểm a,b,c,… Tạo thành đường cong giới hạn trị số của tốc độ pitonthể hiện bằng các đoạn thẳng song song với tung độ từ các điểm cắt vòng tròn bán kính

R tạo với trục hoành góc α đến đường cong a,b,c…

Đồ thị này biểu diễn quan hệ v = f(α) trên tọa độ độc cực :

1.3 Đường biểu diễn gia tốc của piston j = f( x)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston theo phương pháp Tôlê ta vẽ theocác bước sau :

EF = –3.R.λ.ω = -3.0,046.0,26698.418,8792 = -6462,5341 Vậy giá trị biểu diễn EF là :

2.1 )Các khối lượng chuyển động tịnh tiến :

- Khối lượng nhóm piton m = 0,75 Kg

- Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston

+ ) Khối lương thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m có thể tra

trong các các sổ tay ,có thể cân các chi tiết của nhóm để lấy số liệu

hoặc có thể tính gần đúng theo bản vẽ

+ ) Hoặc có thể tính theo công thức kinh nghiêm sau :

Đối với động cơ ô tô máy kéo:

m = (0, 275 0, 285)÷ mtt

Ta chọn m = 0,275 m = 0,275.1 = 0,275

Vậy ta xác định đươc khối lương tịnh tiến mà đề bài cho là :

m = m + m = 0,75 + 0,275 = 1,025 (Kg)

2.2 ) Các khối lượng chuyển động quay :

Khối lượng chuyển động quay của một trục khuỷu bao gồm :

- Khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt :

d : Là đường kính ngoài của chốt khuỷu : 58

δ : Là đường kính trong của chốt khuỷu : 32

l : Là chiều của chốt khuỷu : 46

ρ : Là khối lượng riêng của vật liệu làm chốt khuỷu

= 0,6594

- Khối lượng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt : m Khối lượng này tính gần

đúng theo phương trình quy dẫn :

m = Trong đó : m -khối lượng của má khuỷu

mm - khối lượng ly tâm của má khuỷu mm=0,105 Kg

Lực quán tính chuyển động tịnh tiến :

P = - m.j = -m.R.ω.( cos α + λ.cos 2α ) = -1,025.0,046.418,8792 ( cos α + λ.cos 2α ) Với thông số kết cấu λ ta có bảng tính P :