Tính toán kết cấu động cơ đốt trong

Mục đích của việc tính toán chu trình công tác là xác định các chỉ tiêu về kinh tế, hiệu quả của chu trình công tác và sự làm việc của động cơ. Kết quả tính toán cho phép xây dựng đồ thị công chỉ thị của chu trình để làm cơ sở cho việc tính toán động lực học, tính toán sức bền và sự mài mòn các chi tiết của động cơ. Phương pháp chung của việc tính toán chu trình công tác có thể áp dụng để kiểm nghiệm động cơ sẵn có, động cơ được cải tiến hoặc thiết kế mới. Việc tính toán kiểm nghiệm động cơ sẵn có cho ta các thông số để kiểm tra tính kinh tế và hiệu quả của động cơ khi môi trường sử dụng hoặc chủng loại nhiên liệu thay đổi. Đối vối trường hợp này ta phải dựa vào kết cấu cụ thể của động cơ và môi trường sử dụng thực tế để chọn các số liệu ban đầu.

LỜI NÓI ĐẦU

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

Trong quá trình học môn Lý thuyết động cơ đốt trong, tôi được thầy

giáo giao nhiệm vụ làm bài tập lớn Vì bước đầu làm quen với công việc nênkhông tránh khỏi những bỡ ngỡ và vướng mắc Nhưng với sự quan tâm, động

viên, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo Kim Ngọc Duy, nên tôi đã cố

gắng hết sức để hoàn thành nhiệm vụ bài tập lớn Qua việc làm bài tập lớn giúphọc viên chúng tôi nắm được các chu trình công tác, đặc tính ngoài động cơ

Và những kiến thức này rất thiết thực và bổ ích để phục vụ cho quá trình học tập

và công tác sau này đối với học viên nghành công nghệ kỹ thuật ôtô quân sựchúng tôi

Tuy nhiên trong quá trình thực hiện dù đã cố gắng rất nhiều không tránhkhỏi những thiếu sót Vì vậy rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiếncủa các thầy để tôi có thể hoàn thiện bài tập của mình tốt hơn và cũng qua đó rút

ra được những kinh nghiệm trong quá trình làm bài tập, làm đồ án các môn họctiếp theo

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Hoàng Nhật Minh

MỤC LỤC

PHẦN 1 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ 4

1.1 Mục đích tính toán 4

1.2 Chọn các số liệu ban đầu 5

1.2.1 Công suất có ích lớn nhất Nemax 5

1.2.2 Số vòng quay trong một phút của trục khuỷu n 5

1.2.3 Tốc độ trung bình của pit tông CTB 5

1.2.4 Số xy lanh của động cơ i 5

1.2.5 Tỷ số giữa hành trình pit tông và đường kính xy lanh a=S/D 5

1.2.6 Hệ số kết cấu λ 5

1.2.7 Tỷ số nén ε 5

1.2.8 Hệ số dư lượng không khí α 6

1.2.9 Nhiệt độ môi trường To 6

1.2.10 Áp suất của môi trường po 6

1.2.11 Áp suất cuối quá trình nạp pa 6

1.2.12 Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức pr 6

1.2.13 Nhiệt độ cuối quá trình thải Tr 6

1.2.14 Độ sấy nóng khí nạp ΔTT 7

1.2.15 Chỉ số nén đa biến trung bình n1 7

1.2.16 Hệ số sử dụng nhiệt ξz 7

1.2.17 Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QT 7

1.2.18 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 7

1.2.19 Áp suất khí quét pk 7

1.3 Tính toán các quá trình của chu trình công tác 8

1.3.1 Tính toán quá trình trao đổi khí 8

1.3.2 Tính toán quá trình nén 8

1.3.3 Tính toán quá trình cháy 9

1.3.4 Tính toán quá trình dãn nở 11

1.3.5 Kiểm tra kết quả tính toán 11

1.4 Xác định các thông số đánh giá chu trình công tác

và sự làm việc của động cơ 12

1.4.1 Các thông số chỉ thị 12

1.4.2 Các thông số có ích 13

1.4.3 Kiểm tra kết quả tính toán 13

PHẦN 2 DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG CHỈ THỊ CỦA CHU TRÌNH CÔNG TÁC 14

2.1 Mục đích 14

2.2 Dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết 14

2.3 Hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị lý thuyết thành đồ thị công chỉ thị thực tế 17

2.3.1 Dựng vòng tròn Brick 17

2.3.2 Hiệu chỉnh đồ thị 17

PHẦN 3 DỰNG ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA ĐỘNG CƠ 21

3.1 Mục đích 21

3.2 Tính toán đường đặc tính ngoài động cơ 21

3.2.1 Công suất có ích 21

3.2.2 Mô men có ích 21

3.2.3 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 21

3.2.4 Mức tiêu hao nhiên liệu theo thời gian 22

3.2.5 Kết quả tính toán các chỉ tiêu 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

PHẦN 1 TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ

Phương pháp chung của việc tính toán chu trình công tác có thể áp dụng

để kiểm nghiệm động cơ sẵn có, động cơ được cải tiến hoặc thiết kế mới

Việc tính toán kiểm nghiệm động cơ sẵn có cho ta các thông số để kiểmtra tính kinh tế và hiệu quả của động cơ khi môi trường sử dụng hoặc chủng loạinhiên liệu thay đổi Đối vối trường hợp này ta phải dựa vào kết cấu cụ thể củađộng cơ và môi trường sử dụng thực tế để chọn các số liệu ban đầu

Đối vối động cơ được cải tiến hoặc được thiết kế mới, kết quả tính toáncho phép xác định số lượng và kích thước của xy lanh động cơ cũng như mức độảnh hưởng của sự thay đổi về mặt kết cấu để quyết định phương pháp hoàn thiệncác cơ cấu và hệ thống của động cơ theo hướng có lợi Khi đó phải dựa vào kếtquả của việc phân tích thực nghiệm đối với các động cơ có kết cấu tương tự đểchọn các số liệu ban đầu

Việc tính toán chu trình công tác còn được áp dụng khi cường hoá động

cơ và xây dựng đặc tính tốc độ bằng phương pháp phân tích lý thuyết nếu cácchế độ tốc độ khác nhau được khảo sát

1.2 Chọn các số liệu ban đầu

1.2.1 Công suất có ích lớn nhất N emax

Công suất có ích lớn nhất đã cho ở đề bài Nemax = 55,2 KW

1.2.2 Số vòng quay trong một phút của trục khuỷu n

Số vòng quay trong một phút của trục khuỷu ứng với công suất cực đại đãcho ở đề bài n = 5800 vg/ph

1.2.3 Tốc độ trung bình của pit tông C TB

Giá trị của CTB được xác định như sau:

1.2.4 Số xy lanh của động cơ i

Số xy lanh của động cơ đã cho i = 4 xy lanh

1.2.5 Tỷ số giữa hành trình pit tông và đường kính xy lanh a=S/D

Tỷ số giữa hành trình pit tông và đường kính xy lanh

700,853782

S a D

R L

Hệ số dư lượng không khí là tỷ số giữa lượng không khí nạp thực tế vào

xy lanh L1 và lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiênliệu Lo:

α= L1

L0

Giá trị của α phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kiểu động cơ, phương pháptạo hỗn hợp công tác, công dụng và chế độ sử dụng của động cơ Khi tính toán ởchế độ công suất lớn nhất ( Nemax) thì lượng không khí cần nạp thực tế vào xylanh là rất lớn do đó giá trị của α phải phù hợp

Nếu giá trị của α nhỏ quá hay lớn quá thì lượng không khí cần nạp thực tếvào xylanh sẽ không đáp ứng được những yêu cầu của quá trình cháy dẫn đếnchất lượng quá trình cháy của động cơ không đảm bảo Vì những lý do đó tachọn α = 0,9

1.2.9 Nhiệt độ môi trường T o

Nhiệt độ của môi trường cũng ảnh hưởng đến chất lượng của quá trìnhtrao đổi khí To càng cao thì không khí càng loãng nên khối lượng riêng cànggiảm Giá trị của To thay đổi theo mùa và theo vùng khí hậu, để tiện tính toán thì

ta lấy giá trị trung bình của To cho cả năm, tức là ta chọn To= 240C = 2970K

1.2.10 Áp suất của môi trường p o

Giá trị của po phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển Càng lên caothì p0 càng giảm nên không khí càng loãng và ngược lại càng xuống thấp thì p0càng tăng Để tiện sử dụng trong tính toán ta thường lấy giá trị của p0 ở độ caocủa mực nước biển , tức là po = 0,103 ( MPa)

1.2.11 Áp suất cuối quá trình nạp p a

Áp suất cuối quá trình nạp pa có thể chọn trong phạm vi pa = (0,8 ÷ 0,9)pk

Ta chọn pa = 0,085 (MPa)

1.2.12 Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức p r

Áp suất khí thải pr = 0,11 ÷ 0,12 ( MPa) Chọn pr = 0,11 (MPa)

1.2.13 Nhiệt độ cuối quá trình thải T r

Nhiệt độ cuối quá trình thải Tr có thể chọn ở phạm vi Tr = 900 ÷ 11000K

Ta chọn Tr = 10000K

1.2.14 Độ sấy nóng khí nạp ΔTT

Độ sấy nóng khí nạp ΔTT có thể chọn trong phạm vi:

ΔTT = 10 ÷ 30 0K Chọn ΔTT = 100K

1.2.15 Chỉ số nén đa biến trung bình n 1

Giá trị chỉ số nén đa biến trung bình n1 xác định theo công thức kinhnghiệm của Pêtrốp:

1.2.17 Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Q T

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toànmột đơn vị khối lượng hoặc thể tích nhiên liệu không kể đến nhiệt ẩm hóa hơicủa nước chứa trong sản vật cháy

344.10

T

KJ Q

kgnl

1.2.18 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n 2

Chỉ số dãn nở đa biến thực tế n2 thay đổi trong một khoảng rộng suốt quátrình dãn nở Để thuận tiện trong việc tính toán và vẫn đảm bảo một độ chínhxác nhất định thì ta dụng giá trị trung bình n2

n2 = 1,25

1.2.19 Áp suất khí quét p k

Đối với động cơ thải qua xu páp: pk = 0,14 ÷ 0,20 Mpa

Chọn pk = 0,15 Mpa

1.3 Tính toán các quá trình của chu trình công tác

1.3.1 Tính toán quá trình trao đổi khí

1.1.1.1 Mục đích

Mục đích của việc tính toán quá trình trao đổi khí là xác định các thông sốchủ yếu cuối quá trình nạp chính (ở điểm a) như áp suất pn và nhiệt độ Ta

M M

8,8.0,085.297

8,8 1 0,103 297 10 0, 0529.1000

a v

1.3.3 Tính toán quá trình cháy

1.1.1.8 Mục đích

Mục đích của quá trình cháy là xác định các thông số cuối quá trình cháynhư áp suất pz và nhiệt độ Tz

1.1.1.9 Tính toán tương quan nhiệt hóa

a) Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu thểlỏng Mo

gC = 0,855; gH = 0,145; gO = 0Khi đó ta có:

1.1.1.10 Tính toán tương quan nhiệt động

a) Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác ở cuối quá trìnhnén μcvc

3

3

20,223 1,742.10 20,223 1,742.10 803,1787 21,6221

KJ Kmol đô

T

đ

l ô Kmo

d) Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz

c

T T

Mục đích việc tính toán quá trình dãn nở là xác định các giá trị áp suất pb

và nhiệt độ Tb ở cuối quá trình dãn nở

1.1.1.12 Áp suất cuối quá trình dãn nở p b

 

6,3982

0,4221 8,8

o z

1.3.5 Kiểm tra kết quả tính toán

Ta kiểm tra kết quả việc chọn và tính các thông số:

0

3 3

1576,8286

0,42210,11

b r

b r

T

p p

 

So sánh giá trị đã chọn của Tr với kết quả vừa tính ta được sai số:

1000

r r r

r

T T T

p p

241,2711 0,4698.0,9943.297

o v i

i o

p g

M p

g KWh

1.1.1.18 Áp suất tổn hao cơ khí trung bình p cơ

e i

p p

ηcơ = ηi ηcơ = 33,9113.0,7387 = 25,0517%

1.1.1.23 Công suất có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán N e

1.4.3 Kiểm tra kết quả tính toán

So sánh giá trị đã cho của Nemax với kết quả Ne vừa tính ta được sai số:

max max

52,5419 55,2

55,2

e e e

2.1 Mục đích

Đồ thị công chỉ thị là đồ thị biểu diễn các quá trình của chu trình công tác xảy ra trong xy lanh động cơ trên hệ tọa độ p-V Việc dựng đồ thị được chia làmhai bước: dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết và hiệu chỉnh đồ thị đó để được đồ thị công chỉ thị thực tế

Đồ thị công chỉ thị lý thuyết được dựng theo kết quả tính toán chu trình công tác khi chưa xét các yếu tố ảnh hưởng của một số quá trình làm việc thực

tế trong động cơ

Đồ thị công chỉ thị thực tế là đồ thị đã kể đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau như góc đánh lửa sớm, góc mở sớm và đóng muộn các xu páp cũng như sựthay đổi thể tích khi cháy

2.2 Dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết

Căn cứ vào các số liệu đã tính p a , p z , p b , n 1 , n 2 , ε ta lập bảng tính đường

nén và đường giản nở theo biến thiên của dung tích công tác Vc

với

3 h

c

V 0,37

V = = =0,0474 (dm )

ε-1 8,8-1 và Vz= .Vc = 1.0,0474 = 0,0474 (dm3)Phương pháp tính các giá trị của quá trình nén và quá trình dãn nở nhưsau:

-Quá trính nén đa biến:

-Quá trình giãn nở đa biến:

Với :

Sau đó ta chọn tỷ lệ xích μV và μp hợp lý để vẽ đồ thị công

Ta có bảng tính các giá trị của quá trình nén và quá trình dãn nở:

STT e1 Vn=Va/e1 pn=pa.e1n1 e2 Vd=Va/e2 pd=pb.e2n2

MPa mm

  , ta có giá trị biểu diễn như sau:

Sau khi vẽ đường nén và đường dãn 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 Với p 0,01667

MPa mm

  ta có đường nạp có giá trị biểu diễn là 5,1 mm và đường thải có giá trị biểu diễn là 6,6 mm

Ta có đồ thị công chỉ thị lý thuyết như sau:

2.3 Hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị lý thuyết thành đồ thị công chỉ thị thực tế

2.3.1 Dựng vòng tròn Brick

Ta có hành trình piston chính bằng khoảng cách của từ điểm chết trên(ĐCT) đến điểm chết dưới (ĐCD)

Giá trị biểu diễn của S = 250,4615 – 28,4615 = 222 [mm]

Vẽ đường thẳng song song với trục hoành (trục V) của đồ thị công p-V và

ở dưới đồ thị Đường thẳng này cắt đường biểu diễn ĐCT và ĐCD tại lần lượthai điểm A và B Độ dài AB chính là giá trị biểu diễn của S

Lấy O là trung điểm AB, vẽ cung tròn AB có tâm O có đường kính

AB = 222 mm về phía dưới (để tiết kiệm diện tích)

Trên OB, lấy điểm O’ sao cho:

1.1.1.25 Hiệu chỉnh điểm bắt đầu quá trình nạp

Từ O’ ta vẽ về bên trái hai đường thẳng tạo với OO’ góc 1 và β2 lần lượtbằng góc mở sớm xupáp nạp (1=250) và đóng muộn của xupáp thải (β2=200),bởi vì điểm mở sớm xupáp nạp nằm ở cuối quá trình thải và điểm đóng muộnxupáp thải nằm ở đầu quá trình nạp, hai đường thẳng này cắt đường tròn Bricktại hai điểm, từ hai điểm này gióng đường song song với trục tung cắt đường pa

và pr tại điểm r” và r’ Nối điểm r” trên đường thải (là giao điểm giữa đường pr

và trục thẳng đứng qua ĐCT) với r” ta được đường chuyển tiếp từ quá trình thảisang quá trình nạp (khi đó ta có góc  ' "r rr được gọi là góc trùng điệp).

1.3.3 Hiệu chỉnh điểm đánh lửa sớm c’

Áp suất cuối quá trình nén thực tế do việc đánh lửa sớm ở điểm c’ gây ra.Xác định điểm c’ bằng phương pháp sau: Từ điểm O’ kẻ về bên trái một đườngthẳng hợp với OO’ một góc bằng góc đánh lửa sớm φi = 150 (vì điểm đánh lửasớm nằm ở cuối quá trình nén), đường thẳng này cắt đường tròn Brick tại mộtđiểm Từ điểm này ta kẻ một đường thẳng song song với trục tung và cắt đườngnén tại điểm c’

1.3.3 Hiệu chỉnh điểm áp suất cuối quá trình nén c”

Một phần hỗn hợp bị cháy sớm nên áp suất cuối quá trình nén thực tế p”

c(ứng với điểm c”) lớn hơn áp suất cuối quá trình nén lý thuyết pc đã tính (ứngvới điểm c) Điểm c” được xác định theo công thức sau:

 

"

" 2,1969

131,8122 1

60

c c

1.3.4 Hiệu chỉnh điểm đạt p zmax thực tế:( điểm z')

Quá trình cháy xảy ra với thể tích tăng dần trong khi lượng hỗn hợp cháy

và tốc độ tỏa nhiệt của phản ứng cháy giảm dần Kết quả là áp suất trong xilanhđộng cơ thay đổi từ từ theo một đường cong liên tục và giá trị của áp suất lớnnhất p’z nhỏ hơn pz ở chu trình lý thuyết Giá trị của p’z được xác định trongkhoảng sau:

60

z p

1.3.5 Hiệu chỉnh điểm kết thúc quá trình nạp thực tế: (điểm a ’ )

Do hiện tượng đóng muộn xupáp nạp nên trong thực tế quá trình nạp kếtthúc muộn hơn lý thuyết Ta xác định biểm a’ bằng cách: Từ điểm O’ trên đồ thịBrick ta vẽ về bên phải một đường thẳng tạo với OO’ một góc bằng góc đóngmuộn xupáp nạp α2 = 400 (vì điểm đóng muộn xupáp nằm đầu quá trình nén),đường thẳng này cắt vòng tròn Brick tại một điểm Từ điểm này ta gióng songsong với trục tung cắt đường nén tại điểm a’

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

Do hiện tượng mở sớm xupáp thải nên trong thực tế quá trình thải diễn ra sớmhơn lý thuyết Ta xác định biểm b’ bằng cách: Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta vẽ

về bên phải một đường thẳng tạo với OO’ một góc bằng góc mở sớm xupáp thảiβ1 = 400 (vì điểm mở sớm xupáp thải nằm cuối quá trình dãn nở), đường thẳngnày cắt vòng tròn Brick tại một điểm Từ điểm này, ta gióng song song với trụctung cắt đường dãn nở tại điểm b’

1.3.5 Hiệu chỉnh các điểm còn lại

Dựng điểm b” ở giữa đoạn thẳng ab Chọn điểm b”’ trên đường thải sao cho đường cong không bị gấp khúc Vẽ đường cong lượn đều từ r’ lên r và đường cong lượn đều qua các điểm b’, b”, b”’ sao cho các đường cong ấy không

bị gãy khúc

Ta có đồ thị công chỉ thị đã hiệu chỉnh như sau :

Ta có đồ thị công chỉ thị thực tế của động cơ sau khi đã hoàn thành hiệu chỉnh và xóa bỏ các diện tích thừa :

PHẦN 3 DỰNG ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA ĐỘNG CƠ

3.1 Mục đích

Đặc tính ngoài là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các chỉ tiêu như côngsuất có ích Ne, mô men xoắn có ích Me, lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờGnl và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge vào số vòng quay của trục khuỷu n[vg/ph] khi bướm ga mở hoàn toàn Đồ thị này được dùng để đánh giá sự thayđổi các chỉ tiêu chính của động cơ khi số vòng quay thay đổi và chọn số vòngquay sử dụng một cách hợp lý khi khai thác

3.2 Tính toán đường đặc tính ngoài động cơ

Nemax là công suất có ích lớn nhất tính được, [KW]

nN là số vòng quay ứng với công suất lớn nhất, [vg/ph]

MeN là mô men xoắn có ích lớn nhất ứng với số vòng quay nN, [Nm]

3.2.3 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích