TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Áp suất cuối quá trình nạp: p a Áp suất pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại động cơ, tính năng tốc độ , hệ số cản trên đường nạp, tiết diện lưu thông…Vì vậy cần xem xét độ

Luận văn

Đề tài: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

NHẬN XÉT , ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN

LỜI NÓI ĐẦU

Ôtô ngày càng được sử dụng rộng rãi ở nước ta như một phương tiện đi lại cá nhân cũng như vận chuyển hành khách , hàng hoá rất phổ biến Sự gia tăng nhanh chóng số lượng ôtô trong xã hội , đặc biệt là các loại ôtô đời mới đang kéo theo nhu cầu đào tạo rất lớn về nguồn nhân lực phục vụ trong ngành công nghiệp ôtô nhất là trong linh vực thiết kế

Sau khi học xong giáo trình ‘ động cơ đốt trong ’ chúng em được tổ bộ môn giao nhiệm vụ làm đồ án môn học Vì bước đầu làm quen với công việc tính toán , thiết

kế ôtô nên không tránh khỏi những bỡ ngỡ và vướng mắc.Nhưng với sự quan tâm , động viên , giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn , cùng giáo viên giảng dạy và các thầy giáo trong khoa nên chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án trong thời gian được giao Qua đồ án này giúp sinh viên chúng em nắm được các lực tác dụng , công suất của động cơ và điều kiện đảm bảo bền của một

số nhóm chi tiết ôtô , máy kéo Vì thế nó rất thiết thực với sinh viên nghành công nghệ kỹ thuật ôtô

Tuy nhiên trong quá trình thực hiện dù đã cố gắng rất nhiều không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy , các bạn để em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn và cũng qua đó rút ra được những kinh nghiệm quý giá cho bản thân nhằm phục vụ tốt cho quá trình học tập và công tác sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG I

TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Xác định các thông số tính toán :

1.1.1 Các thông số ban đầu:

1- Kiểu động cơ: 4a-fe.xe toyota Động cơ 1 hàng, không tăng áp, buồng cháy thống nhất

17- Khối lượng thanh truyền: mtt = 650 (gam)

18- Khối lượng nhóm piston: mpt = 435 (gam)

1.1.2 Các thông số cần chọn:

1 Áp suất môi trường: p k

Áp suất môi trường pk là áp suất khí quyển trước khi nạp vào động cơ Với động cơ không tăng áp thì áp suất khí quyển bằng áp suất trước xupáp nạp nên ta chọn pk = p0 Ở nước ta có thể chọn pk = p0 = 0,1 (MPa)

2 Nhiệt độ môi trường: T k

Nhiệt độ môi trường được lựa chọn theo nhiệt độ bình quân của cả năm Với động cơ không tăng áp ta có nhiệt độ môi trưòng bằng nhiệt độ trước xupáp nạp nên:

Tk = T0 = 240C = (2970K)

3 Áp suất cuối quá trình nạp: p a

Áp suất pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại động cơ, tính năng tốc độ , hệ số cản trên đường nạp, tiết diện lưu thông…Vì vậy cần xem xét động cơ đang tính thuộc nhóm nào để lựa chon pa.

Áp suất cuối quá trình nạp pa có thể chọn trong phạm vi:

Nhiệt độ khí sót Tr phụ thuộc vào chủng loại động cơ Nếu quá trình giản

nở càng triệt để thì nhiệt độ Tr càng thấp Thông thường ta có thể chon:

Động cơ xăng có α >1 nên chọn λt = 1,10

8 Hệ số quét buồng cháy λ 2 :

Động cơ không tăng áp chọn λ2 =1

9 Hệ số nạp thêm λ 1:

Hệ số nạp thêm λ1 phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí Thông

thường có thể chon: λ1 =1,02 ÷ 1,07, chọn λ1 =1,02

10 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (ξz ):

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (ξz ) phụ thuộc vào chu trình công tác

của động cơ, thể hiện lượng nhiệt phát ra đã cháy ở điểm z so với lượng nhiệt phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Với động xăng ta chọn ξz =0,85

11 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb ):

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξb tuỳ thuộc vào loại động cơ Xăng hay

động cơ Điêzen Với động cơ xăng ta thường chọn ξb = 0,80÷0,90, chọn ξb

1

2 1

09 , 0

107 , 0 1 1 , 1 02 , 1 9

1

09 , 0

107 , 0 850

6 297 1

5 , 1

m =1,45÷1,5, chọn m =1,5

2 Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a:

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

r

m m r

a r r t

p

T T

T

γ

γ λ

1

Ta=( )

3 332 0533

, 0 1

107 , 0 09 , 0 850 0533 , 0 1 , 1 6

297 1,5

1 5 , 1

= +

a k

k v

1 2

1

.

1

εη

8762 , 0 09

, 0 107 , 0 1 1 , 1 02 , 1 9 1 , 0 09 , 0 6 297

297 1 9

v k

p g

p

10

(kmol/kg nhiên liệu)Trong đó: p e là áp suất có ích trung bình được xác định theo công thức :

i n

p

V Nh

e e

.

.

π

= (dm 3)

459668 ,

0 4

85 ) 83 (

14 ,

0

4 108

8762 , 0 1 , 0 10

432 3

= (kmol/kg nhiên liệu)

5. Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M 0 :

Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0 được tính theo công thức:

(kmol/kg nhiên liệu)Đối với nhiên liệu của động cơ xăng ta có:

C=0.855; H=0,145 ;O=0,004Thay các giá trị vào ta có:

145 , 0 12

855 , 0 21 , 0

1

=0,5023 (kmol/kg nhiên liệu)

1. Hệ số dư lượng không khí α :

Trọng lượng phân tử của xăng là μ nl = 114 nên đối với động cơ xăng ta

0,5516

114 1,0602 0,5120

nl o

M M

µ α

2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình cuả sản phẩm cháy:

Khi hệ số dư lượng không khí α >1 ,tính theo công thức sau:

v

9723 , 1

36 , 187 86 , 427 ( 2

1 ) 9723 , 1

634 , 1

(kJ/kmol.độ)

Ta có: av"=20.69548; bv"/2=0.00261

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

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén tính theo công thức sau:

′

v

v r

v r

a mc mc

2 1

+

′

= +

″ +

γ

Thay các giá trị vào ta có:

1493 20 297 2

00211 , 0 836 ,

3 Chỉ số nén đa biến trung bình n 1 :

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

số vận hành như kích thước xilanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải trạng thái nhiệt độ của động cơ …Tuy nhiên n1 tăng giảm theo quy luật sau:

Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ làm cho n1 tăng

Chỉ số nén đa biến trung bình n1 được xác định bằng cách giải phương trình:

2

314 8 1

1 1

1 +

′ +

vế phải =0,3678 thoả mãn điều kiện

4 Áp suất cuối quá trình nén pc:

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

p

817 , 1 9

09 ,

0 1 , 3678 =

=

c

5.Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc:

Được xác định theo công thức:

3 ,

332 1 , 3678 1 =

c

6.Lượng môi chất công tác của quá trình nén Mc:

Lượng môi chất công tác của quá trìng nén Mc được xác định theo công thức: Mc=M1+Mr=M1.(1+γr)

Thay các giá trị vào ta có: Mc =0 , 7603 ( 1 + 0 , 0533 ) = 0 , 8008(kmol/kgn.l)

1.2.3 Tính toán quá trình cháy:

1 Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết β0 :

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

M

M M

2 Hệ số thay đổi phân tử thực tế β: (Do khí sót)

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

r

r

γ

γ β β +

0533 , 0 0484 , 1

= +

+

=

β

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

Ta có hệ số thay đổi phân tử thưc tế tại điêm z (βz) được xác định theo công thức:

1

1

1 0

r z

γ

β β

+

− +

Thay số vào ta có: 1 0 , 0533.0,8426 1,0264

1 0484 , 1

+

− +

=

z

β

85 , 0

=

4 Lượng sản vật cháy M 2 :

Ta có lượng sản vật cháy M2 được xác định theo công thức:

1 0 1

Μ β (kmol/kg.nl)

M2=1,0484.0,7603 = 0.7970 (kmol/kg.nl)

5 Nhiệt độ tại điểm z T z :

Đối với động cơ Xăng, nhiệt độ tại điểm z T z được xác định bằng cách giải phương trình cháy :

1

1

,

0

) 0 44000 (

Vậy nhiệt độ tại điểm z Tz = 2263,2

6 Áp suất tại điểm Z( p z ):

Ta có áp suất tại điểm Z( pz) được xác định theo công thức:

2 , 2263 0264 ,

3 Chỉ số giản nở đa biến trung bình n 2 :

Ta có chỉ số giản nở đa biến trung bình n 2 được xác định từ phương trình cân bằng sau :

) 10 (

2

1

.

314 , 8 1

1

* 2

b z

vz vz b z r

H z

T T M

−

=

−

βγ

ξξ

Trong đó:

T b: Là nhiệt trị tại điểm b và xác định theo công thức:

5,13249

2,22631 2438 , 1 1

b

T T

, 2263 099 , 1 0533 , 0 1 7603

,

0

44000 85 , 0 856 , 0

314 , 8 1

2

+ +

+

− +

−

=

−

n

Chú ý: Thông thường để xác định n 2 ta chọn n 2 trong khoảng

(1,150÷1,250), (sách nguyên lý ĐCĐT – Nguyễn Tất Tiến, trang 184) vì vậy chọn n2 = 1,2438 Kiểm tra n2 bằng cách thay giá trị n2 vừa mới chon vào 2 vế của phương trình trên ta có:

vế trái = 0,2438 sai số =0,0005<0,2%

vế phải = 0,2848 thỏa mãn điều kiện

4 Nhiệt độ cuối quá trình giản nở T b:

Ta có công thức xác định nhiệt độ cuối quá trình giản nở T b:

T b = 1

2 −

n z

b

T T

5 Áp suất cuối quá trình giản nở p b :

Áp suất cuối quá trình giản nở p b được xác định theo công thức:

n

z b

p p

δ

9

661 , 5

2438 ,

b

r b rt

p

p T T

, 0 107 , 0 5 ,

1 5 , 1

% 100 <

T

T T T

[ ].100% 7,641% 15%

660 , 789

850 660 ,

=

1.2.5 Tính toán các thông số chu kỳ công tác:

1 Áp suất chỉ thị trung bình p i′được xác định theo công thức:

Với động cơ Xăng áp suất chỉ thị trung bình p’ i được xác định theo công

i p

p = ′ ϕ =0,387.0,929=1,288 (MPa)

Trong đó ϕd là số hiệu đính đồ thị công Chọn theo tính năng và chủng loại

động cơ

3. Suất tiêu hao nhiên liệu g i :

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

k i

k v i

T p M

p g

.

10 432

1

3 η

14 130 297

288 , 1 7603 , 0

1 , 0 8762 , 0 10 432

Q

g

10 6 ,

=

44000 14 , 130

10 6 ,

=

=

5. Áp suất tổn thất cơ giới p m :

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

có tốc độ trung bình của động cơ là :

=

Theo số thực nghiệm có thể tính pm theo công thức sau :

Theo số liệu thực nghiệm, có thể tính p m theo công thức sau:

Đối với động cơ xăng i = 4, S/D > 1:

e p p

p = − = 1 , 288 − 0 , 116 = 1 , 172 (MPa)

7. Hiệu suất cơ giới ηm :

Ta có công thức xác định hiệu suất cơ giới :

0 , 909 ( )

288 , 1

172 , 1

p

p

η

8. Suất tiêu hao nhiên liệu g e :

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

143 , 16

909 , 0

14 ,

g g

9. Hiệu suất có ích ηe :

Công suất có ích được xác định theo công thức sau:

570 , 0 628 , 0 909 , 0

= m i

e η η

η

10 Kiểm nghiệm đường kính xilanh theo công thức:

π

Ta có thể tích công tác tính toán được xác định theo công thức :

46075 0 6000 4 172 , 1

4 30 108

30

=

n i p

N V

e

e h

τ

( lit )

Ta có : 100 0 830976

85 14 , 3 460 , 0

=

kn

(dm)-Sai số đường kính là: ∆D= D kn 100 −D chotruoc = 83 0976 − 83 = 0 , 0976 (mm)

Sai số đường kính không đươc vượt quá 0,1 mm nên thoả mãn điều kiện

1.3 Vẽ và hiệu đính đồ thị công:

Căn cứ vào các số liệu đã tính pa , pc , pz , pb , n1 , n2 , ε ta lập bảng tính đường

nén và đường giản nở theo biến thiên của dung tích công tác Vx =i.Vc (Vc: dung tích buồng cháy)

với Vc = 0 , 057 ( )

1 9

46075 0 1

Ta có bảng tính các giá trị của quá trình nén và quá trình giản nở như sau:

(Xuất phát từ p V n=const 1 n1

c c

n x

x V p V

⇒ với Vx=i.Vc thay vào rút ra)Sau khi ta chọn tỷ lệ xích µV và µP hợp lý để vẽ đồ thị công.Để trình bày đẹp thường chọn chiều dài hoành độ tương ứng từ εVc = 220mm trên giấy kẻ ly

220

057 0 0057 9

= Vc Vc

V

ε µ

Tung độ thường chọn tương ứng với pz khoảng 250 mm trên giây kẻ ly

026 , 0 250

661 , 5

Từ tỷ lệ xích trên ta tính được các giá trị biểu diễn (gtbd) của quá trình nén và

quá trình giản nở sau:

Giá trị biểu diễn

Để sau này khai triển đồ thị được dễ dàng,dễ xem,đường biểu diễn áp suất Pk

song song với hoành độ phải chọn đường đậm của giấy kẻ ly.Đường 1Vc cũng phải đặt trên đường đậm của tung độ

Sau khi vẽ đường nén và đường giản nở , vẽ tiếp đường biểu diễn đường nạp và đường thải lý thuyết bằng hai đường thằng song song với trục hoành đi qua hai điểm pa và pr

Sau khi vẽ xong ta phải hiệu đính đồ thị công để có đồ thị công chỉ thị Các

bước hiệu đính như sau:

* Vẽ vòng tròn Brick đặt phía trên đồ thị công:

Ta chọn tỷ lệ xích của hành trình piston S là:

3863 , 0 220

Vì gtbd Vmax – gtbd Vmin = 236-16=220(mm)

Thông số kết cấu của động cơ là:

3148 ,0 135 2

85 2 = =

Giá trị biểu diễn OO’ trên đồ thị:

O O

S

gtt gtbd

µ

Ta có nửa hành trình của pistông là:

5 , 42 2

5 ,

gtt gtbd

Từ gtbd O ' và gtbd R ta có thể vẽ được vòng tròn Brick

* Lần lượt hiệu đính các điểm trên đồ thị:

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

Từ điểm O ’ trên đường tròn Brick ta xác định góc đóng muộn của xupáp thải

2

β bán kính này cắt vòng tròn Brick tại điểm a ’ ,từ điểm a ’ gióng đường song

song với trục tung cắt đường p a tại điểm a Nối điểm r trên đường thải (là giao điểm giữa đường p r và trục tung) với a ta được đường chuyển tiếp từ quá trình

thải sang quá trình nạp (mm)

1.3.2 Hiệu đính áp suất cuối quá trình nén: (điểm c):

Áp suất cuối quá trình nén thực tế do có hiện tượng đánh lửa sớm nên thường

lớn hơn áp suất cuối quá trình nén lý thuyết p c đã tính Theo kinh nghiệm áp suất cuối quá trình nén thực tế '

c

p được xác định theo công thức sau:

Đối với động cơ xăng: p c = p c + (0 85p z −p c)

3

1

(5 , 661 1 , 817) 3 , 098 3

1 817 , 1

098 , 3

'

' = = =

p

c c

p y

1.3.3 Hiệu đính điểm phun sớm: (điểm c ’’ )

Do có hiện tượng phun sớm nên đường nén trong thực tế tách khởi đường nén lý

thuyết tại điểm c ’’.Điểm c ’’ được xác định bằng cách: Từ điểm O ’ trên đồ thị Brick ta xác định góc đánh lửa sớm θ, bán kính này cắt đường tròn Brick tại một điểm Từ điểm này ta gióng song song với trục tung cắt đường nén tại điểm

c ’’ Dùng một cung thích hợp nối điểm c ’’ với điểm c ’

1.3.4.Hiệu đính điểm đạt p zmax thực tế:

của động cơ xăng Theo thực nghiệm, điểm đạt trị số áp suất cao nhất là điểm thuộc miền 372o ÷ 375o ( tức là 12o ÷ 15o sau ĐCT của quá trình cháy và giãn nở)

* Hiệu đính điểm z:

- Cắt đồ thị công bởi đường 0.85 Pz

- Xác định điểm Z từ góc 12o: Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định góc tương ứng với 372o góc quay trục khuỷu, bán kính này cắt vòng tròn tại 1 điểm Từ điểm này ta gióng song song với trục tung cắt đường 0.85pz tại điểm z

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

1.3.5 Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình thải thực tế: (điểm b ’ )

Do có hiện tượng mở sớm xupap thải nên trong thực tế quá trình thải thực

sự diễn ra sớm hơn lí thuyết Ta xác định điểm b’ bằng cách: Từ điểm O’ trên

đồ thị Brick ta xác định góc mở sớm xupap thải β1, bán kính này cắt vòng tròn Brick tại 1 điểm Từ điểm này ta gióng song song với trục tung cắt đường giãn

nở tại điểm b’

1.3.6 Hiệu đính điểm kết thúc quá trình giản nở: (điểm b ’’ )

Áp suất cuối quá trình giản nở thực tế p b'' thường thấp hơn áp suất cuối quá trình giản nở lý thuyết do xupáp thải mở sớm Theo công thức kinh nghiệm ta

có thể xác

định được:

2377 , 0

''

'' = = =

p

b b

p y

Sau khi xác định được các điểm b’ ,b’’ ta dùng các cung thích hợp nối với đường thải ra

2.1 Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học:

Các đường biểu diễn này đều vẽ trên một đường hoành độ thống nhất ứng

với hành trình của pittông S = 2R Vì vậy đồ thị đều ứng với hoành độ tương ứng với vh của đồ thị công (từ điểm 1 vc đến ε vc).

2.1.1 Đường biểu diễn hành trình piston x = f( ) α :

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

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

2.Chọn gốc tọa độ cách gốc đồ thị công khoảng 15 ÷ 18 (cm)

3. Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 100, 200,

….1800

4. Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm 100, 200…

1800 tương ứng trên trục tung của đồ thị x = f( ) α ta được các điểm xác định

chuyển vị x tương ứng với các góc 100, 200….1800

5. Nối các điểm chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệ x =

c b

6'

4

1'

0' 7'

3'

5' 2'

7 g

5

6

e 4'

R2

V=f( α)

h

B 8

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn của pittông theo phương pháp đồ thị vòng Tiến hành theo các bước cụ thể sau :

1. Vẽ nửa đường tròn tâm O bán kính R, phía dưới đồ thị x = f( ) α , sát mép

5. Nối các điểm a, b, c,….tạo thành đường cong giới hạn trị số của tốc độ piston thể 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 cực.

Đường biểu diễn vận tốc của piston V=f(α)

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

Ta tiến hành vẽ đường biểu gia tốc của pistong theo phương pháp Toolê

Ta vẽ theo các bước sau:

1. Chọn tỉ lệ xích µj= 45 (m/s2.mm)

2. Ta tính được các giá trị:

- Tốc độ góc:

30

Chú thích: λ thông số kết cấu động cơ

Vậy ta được giá trị biểu diễn jmax là:

max max

j j

j

gtt gtbd

µ

45

778 ,

j j

j

gtt gtbd

µ

45

485 ,

EF EF

j

gtt gtbd

µ

45

93 , 1582

2.2.1 Các khối lượng chuyển động tịnh tiến:

- Khối lượng nhóm piston mnpt =0.435 (kg) được cho trong số liệu ban đầu của

đề bài (kg)

- Khối lượng của thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m1:

Khối lượng của thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m1 có thể tra trong 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 nghiệm sau:

+ Thanh truyền của động cơ ô tô :

m1 = ( 0.275 ÷ 0.285 ).mtt ta chọn m1 = 0,28.mtt