Đồ án tính toán động cơ đốt trong

+ Kết quả tính toán cho phép xây dựng đồ thị công chỉ thị của chu trình để làmcơ sở cho việc tính toán động lực học, tính toán sức bền và sự mài mòn các chi tiếtcủa động cơ.. + Đối với đ

+ 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 tiếtcủa động cơ

+ Phương pháp chung của việc tính toán chu trình công tác có thể áp dụng đểkiểm 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 tratính kinh tế và hiệu qủa của động cơ khi môi trường sử dụng hoặc chủng loại nhiênliệu thay đổi Đối với trường hợp này ta phải dựa vào kết cấu cụ thể của động cơ vàmôi trường sử dụng thực tế để chọn các số liệu ban đầu

+ Đối với động cơ được cải tiến hoặc được thiết kế mới, kết quả tính toán chophép xác định số lượng và kích thước của xy lanh động cơ cũng như mức độ ảnhhưởng của sự thay đổi về mặt kết cấu để quyết định phương pháp hoàn thiện các cơcấu và hệ thống của động cơ theo hướng có lợi Khi đó phải dựa vào kết quả của việcphân tích thực nghiệm đối với các động cơ có kết cấu tương tự để chọn các số liệuban 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 các chế độ tốc

độ khác nhau được khảo sát

1.2 Chọn các số liệu ban đầu.

(Trong đó S = 150 [mm] là hành trình pít tông)

] / [ 13 30 1000

2600 150

s m

⇒

4- Số xy lanh của động cơ i:

i = 6

5 - Tỷ số giữa hành trình của pít tông và đường kính xy lanh a:

1 150

6- Tỷ số nén ε:

7- Hệ số dư lượng không khí α:

phương pháp tạo hỗn hợp, chế độ sử dụng.Với động cơ UTD-20 ở chế độ côngsuất định mức ta chọn

[α]=1,4 ÷ 1,90 ; Chọn α =1,6

8- Nhiệt độ môi trường T0:

Nhiệt độ trung bình ở nước ta thường chọn là: T0 = 240C=2970K

9- Áp suất của môi trường p0:

P0 Phụ thuộc vào độ cao sử dụng Thường chọn P0=0,101 [MN/m2]

10- Hệ số nạp ηv và áp suất cuối quá trình nạp pa

Hệ số nạp phụ thuộc vào nhiều vào các yếu tố như: thành phần nhiên liệu,kếtcấu hệ thống nạp khí,chế độ sử dụng

[η]=0,79 ÷ 0,80 Chọn ηv= 0,8

11- Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức pr:

thải:

[Pr] =[1,06 ÷ 1,15] 105 N/m2 Chọn Pr =0,11 [MPa]

12- Nhiệt độ cuối quá trình thải Tr

Tr phụ thuộc vào ε,n, thành phần khí hỗn hợp α,góc phun sớm

13- Độ sấy nóng khí nạp ∆T

đường nạp và cách bố trí của đường thải,số vòng quay n, hệ số dư lượng khôngkhí α

[∆T] =10 ÷ 250K Ta chọn ∆T = 140K

14- Chỉ số nén đa biến trung bình n1.

cường hoá động cơ

17- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QT

tích nhiên liệu không kể đến nhiệt hoá hơi của nước chứa trong sản vật cháy

[QT] =42,5.106[J/kgnl] Ta chọn QT = 42,5.103[kJ/kgnl] 18- Chỉ số dãn nở đa biến trung bình n2

1.3.Tính toán các quá trình công tác:

1.3.1 Tính toán quá trình trao đổi khí

1.3.1.1 Mục đích của việc tính toán quá trình trao đổi khí là xác định các thông

số chủ yếu cuối quá trình nạp chính (ở điểm a) như áp suất pa và nhiệt độ Ta

1.3.1.2 Thứ tự tính toán:

∗Xác định hệ số khí sót γr :

+ Giá trị của γr phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ số nén,số vòng quay,áp suấtkhí sót Pr và nhiệt độ khí sót Tr cuối quá trình thải Giá trị của γr có thể chọntheo bảng 14 [trang42-HĐĐAMHĐCĐT]

( ) r v

r r

T p

T p

η ε

γ

0

0 1

−

=

= (15,8 1).0,11.800.0,8 0,0341

297 11 , 0

T

γ

γ+

+

∆

+1

= +

+ +

0341 , 0 1 101 , 0 8 , 0 8 , 15

1 8 , 15

MPa

= +

−[Pa] = [0,085 ÷ 0,092] Mpa

1.3.2.Tính toán cuối quá trình nén:

a) Mục đích của việc tính toán quá trình nén là xác định các thông số như áp suất

pc và nhiệt độ Tc ở cuối quá trình nén

1.3.3 Tính toán quá trình cháy:

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

b) Thứ tự tính toán:chia làm hai giai đoạn như sau:

- Mục đích việc tính toán tương quan nhiệt hoá là xác định những đại lượngđặc trưng cho quá trình cháy về mặt nhiệt hoá để làm cơ sở cho việc tính toánnhiệt động Thứ tự tính toán như sau:

- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệuthể lỏng:

- Trong đó: gC, gH và g0: là thành phần nguyên tố tính theo khối lượng củacácbon, hyđrô và ôxy tương ứng chứa trong 1 kg nhiên liệu Trị số các thànhphần ấy đối với nhiên liệu diesel

Có thể lấy gần đúng theo các giá trị sau:

13 , 0 12

86 , 0 21 , 0

Mt = αMo= 1,6 0,495= 0,792

Kmol kgnl

0

g g M

M =α + +

01,04

13,0

+

=0,8248

Kmol kgnl

8248 , 0 1

r

r = 1 0,0341 1,04

0341 , 0 0414 , 1

= +

+

Thứ tự tính các thông số như sau:

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

- Để xác định µcvc ta có thể tra bảng, xác lập quan hệ giải tích giữa nhiệt dungriêng và nhiệt độ đối với các chất khí khác nhau trong hỗn hợp hoặc tính theo côngthức gần đúng Công thức tính toán gần đúng có dạng sau:

µcvc = 20,223 + 1,742.10-3 Tc

KJ Kmol dé









- Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của khí thể tại điểm z

dùng công thức sau:

µcvz

Z T

3 10 38 , 1 55 , 1 921 , 0 098 ,

=

α α

KJ Kmol dé

921 ,

P

[λp = 1, ÷ 2,4]

của quá trình cháy sau:

( ) ( p cv c) C cpz Z r

Ở động cơ diesel có buồng cháy không phân chia:

[Tz]= 1950 ÷2100 [0K]

- Tỷ số dãn nở sớm ρ:

ρ βλ

Giá trị của ρ thường nằm trong khoảng sau:

[ρ] = 1,2 ÷ 1,71.3.4 Tính toán quá trình dãn nở

Mục đích việc tính toán quá trình dãn nở là xác định các giá trị áp suất pb vànhiệt độ Tb ở cuối quá trình dãn nở

Ở động cơ diesel, quá trình cháy kết thúc trên hành trình dãn nở và quá trìnhdãn nở còn lại được tính trên một phần của hành trình pít tông ứng với tỷ số dãn nở

V

b

z Do đó các thông số của quá trình dãn nở được tính với δ

- Áp suất cuối quá trình dãn nở:

1 =

[Mpa]

- Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở:

Tb Tz n

1 22 ,

1.3.5 Kiểm tra kết quả tính toán

-Sau khi kết thúc việc tính toán các quá trình của chu trình công tác, ta có thểdùng công thức kinh nghiệm sau đây để kiểm tra kết quả việc chọn và tính các thôngsố

3

r b

b r p p

T

T =

3247 , 0

4275 , 1183 3

= 824,9832 0K-Sai số trong quá trình chọn và tính toán là: ∆Tr = 3,028 % <5%

kiểm tra vừa nêu Ta thấy quá trình tính toán trên là đảm bảo

1.4.Xác định các thông số đánh giá chu trình công tác và sự làm việc của động cơ

1.4.1 Các thông số chỉ thị

+ Đó là những thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ Khi xácđịnh các thông số chỉ thị, ta chưa kể đến các dạng tổn thất về công mà chỉ xét các tổnthất về nhiệt Các thông số cần tính bao gồm:

a)Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết pi':

+ Đối với động cơ diesel:

−

−

1 1 2 2

1 1 1

1 1

1 1

1

p p

c

n n

p

ε δ

ρλ ρ

−

1 1 1 37 , 1

1 3902

, 12

1 1

1 22 , 1

2752 , 1 1 2752 , 1 8511 , 1 1 8

b)Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi , [MPa]:

+ Đối với động cơ 4 kỳ:

pi = p'i ϕđ[N/m2]Trong đó: ϕđ là hệ số điền đầy đồ thị công Giá trị của ϕđ phụ thuộc vào nhiều yếu tốkhác nhau như góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm nhiên liệu, thành phần hỗn hợp,tốc độ quay, góc mở sớm xu páp xả Giá trị của ϕđ đối với động cơ diesel bốn kỳ vớibuồng cháy thống nhất là:

ϕđ= 0,93÷0,96 Ta chọn ϕđ= 0,96

pi = p'i ϕđ = 0,854 0,96 = 0,8198 [MPa]

Giá trị của[ pi] = [0,6 ÷ 0,9] MPa

c) Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị:

+ Đối với động cơ bốn kỳ:

p M

p g

o i

v

297 8198 , 0 792 , 0

10 8 , 0 101 , 0 423 10

+ Các thông có ích là những thông số đặc trưng cho sự làm việc của động cơ.

Để xác định các thông số đó, ta sử dụng kết quả tính toán các thông số chỉ thị ở mụctrên và xác định giá trị của áp suất tổn hao cơ khí trung bình pcơ

+ Áp suất tổn hao cơ khí trung bình là áp suất giả định, không đổi, tác động lênpít tông trong một hành trình và gây ra công tổn hao bằng công tổn hao của trao đôỉkhí, dẫn động các cơ cấu phụ, tổn hao do ma sát ở các bề mặt công tác

* Thứ tự tính toán các thông số có ích như sau:

e

i = 0,8198 0,7

5738 ,

[ηcơ] = 0,70 ÷ 0,80+Suất tiêu hao nhiên liệu có ích:

g co

i

7 , 0

2402 , 177 η

[ge] = 220 ÷ 285 KWh

g

+ Hiệu suất có ích:

ηe = ηiηcơ = 0,4779 0,7 = 0,3345[ηe] = 0,29÷0,38

+ Công suất có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán:

Ne = P V i ne h

30 τ = 30 4 197,6741

2600 6 65 , 2 5738 ,

[KW]

Ở đây i.Vh = 6 2,65=15,9 [dm3]+ Mô men xoắn có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán :

3869 , 726 2600

14 , 3

6741 , 197 10 3 n

N 3.10

+ 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 toạ độ p-V Việc dựng đồ thị được chia làm haibước: dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết và hiệu chỉnh đồ thị đó để được đồ thị côngchỉ thị thực tế

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

+ Đồ thị công chỉ thị thực tế là đồ thị đã kể đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhaunhư góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm nhiên liệu, góc mở sớm và đóng muộn các

xu páp cũng như sự thay đổi thể tích khi cháy

*Thứ tự tiến hành dựng đồ thị như sau:

+ Thống kê giá trị của các thông số đã tính ở các quá trình như áp suất khí thể ởcác điểm đặc trưng pa, pc, pz, pb, chỉ số nén đa biến trung bình n1, chỉ số dãn nở đabiến trung bình n2, tỷ số nén ε , thể tích công tác Vh, thể tích buồng cháy Vc và tỷ sốdãn nở sớm ρ

=15,8 1 0,1791[ ]

65 ,

lệ xích được chọn trước của thể tích và áp suất, ta xác định các điểm a [pa, Va], c [pc,

n n

1 =

V V

a d

2 =

là những tỷ số biến thiên [tỷ số nén tức thời]

+ Nếu chọn trước các giá trị của e1 [biến thiên trong giới hạn 1÷ε] và e2[biênthiên trong giới hạn 1÷δ], ta có thể xác định các cặp giá trị [pn, Vn] và [pd,Vd] tương

ứng Mỗi cặp giá trị ấy cho một điểm tương ứng trên đồ thị p -V [Kết quả tính toán được thống kê trong bảng 1] Đưa kết quả tính toán được lên đồ thị và nối các điểm

của cùng quá trình bằng một đường liền nét, ta có đồ thị cần dựng

[ Bảng 1] Xác định các điểm trên đường nén và dãn nở đa biến

STT ε V[dm 3 ] Pn = Pa.ε n1 [MPa] Pd = pb ε n2 [MPa]

Hình 1 Đồ thị công lý thuyết p-V của động cơ UTD-20

c) Hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị lý thuyết hành thành đồ thị công chỉ thị thực tế.+ Để được đồ thị công chỉ thị thực tế a' - c' - c" - z' - z" - b' - b" - b"’ - a' , tagạch bỏ các diện tích I, II, III, IV trong đồ thị lý thuyết

+ Diện tích I xuất hiện do góc phun sớm nhiên liệu gây ra Khi đó một phầnnhiên liệu được cháy trước trên đường nén nên áp suất cuối quá trình nén thực tếpc'

cao hơn áp suất cuối quá trình nén thuần tuý pc

+ Điểm c' nằm trên đường nén thuần tuý Vị trí của nó được xác định bởi gócphun sớm nhiên liệu và được dựng theo vòng tròn Brích

Điểm c" được xác định bằng cách lượn đều từ điểm c' cho đến khi cắt trụctung ứng với thể tích Vc

+ Diện tích II tồn tại là do quá trình cháy diễn ra với thể tích luôn luôn thayđổi Quá trình cháy thực tế diễn ra không theo lý thuyết và theo đường cong c' - c" - z'

- z" ở động cơ diesel, áp suất lớn nhất pz

+ Diện tích III biểu diễn tổn hao của công dãn nở do xu páp thải mở sớm Khi

đó áp suất trong xi lanh giảm nhanh và quá trình dãn nở diễn ra theo đường cong thực

tế Thời điểm bắt đầu mở xu páp thải được chọn sao cho diện tích III không lớn màvẫn bảo đảm thải sạch sản vật cháy và tổn hao ít công cho quá trình thải chính Đốivới động cơ được kiểm nghiệm, giá trị của góc mở sớm xu páp thải đã được chotrước và vị trí của điểm b' trên đường dãn nở được xác định theo vòng tròn Brích

+ Diện tích IV biểu diễn một phần của công tổn hao cho quá trình trao đổi khí.Phần còn lại của công tổn hao cho quá trình trao đổi khí (giới hạn bởi diện tícha'raa')đã được kể đến khi xét hiệu suất cơ khí ηcơ Do đó khi tính toán công của chutrình thực tế ta không xét đến nữa Tuy nhiên, để tính toán động lực học, ta vẫn phảidựng đường nạp r-a và thải b"-r Thứ tự dựng các đường đó như sau:

+ Dựng điểm b" ở giữa đoạn thẳng a-b Từ a và r, kẻ các đường song song vớitrục hoành Chọn điểm b"’ trên đường thải cưỡng bức sao cho đường cong không bịgấp khúc Dựng điểm r" theo góc đóng muộn của xu páp thải nhờ vòng tròn Brích

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

Hình 2 Đồ thị công chỉ thị của động cơdiesel bốn kỳ sau khi hiệu chỉnh.

+ Đồ thị này được dùng để đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu chính của động cơkhi số vòng quay thay đổi và chọn số vòng quay sử dụng một cách hợp lý khi khaithác.

+ Đặc tính ngoài được dựng bằng các phương pháp như thực nghiệm, côngthức kinh nghiệm hoặc bằng việc phân tích lý thuyết ở đây giới thiệu phương phápdựng bằng các công thức kinh nghiệm của Khơ-lư-stốp Lây-đéc-man

2.2 Thứ tự dựng các đường đặc tính.

a)Đối với động cơ diesel:

Để dựng đường đặc tính, ta chọn trước một số giá trị trung gian của số vòngquay n trong giới hạn giữa nmin và nmax rồi tính các giá trị biến thiên tương ứng của

Ne, Me, Gnl, ge theo các biểu thức sau:

=

3 dm

2 dm dm

e e

n

n n

n 1,5.

n

n 0,5.

=

2

dm dm

N e e

n

n n

n 1,5.

0,5 M M

−

=

2

dm dm

N e e

n

n n

n 1,55.

1,55 g

v ph







.

Mô men xoắn cóích [MNm] và suất tiêu hao nhiên liệu có ích

g KWh

Dựa vào các số liệu thu được, ta dựng đường đặc tính lên giấy kẻ ly

Hình 3 Đường đặc tính ngoài của động cơ diesel

3.2. Tính Toán động lực học:

Các lực và mô men trong tính toán động lực học được biểu diển dưới dạng

Ngoài ra các lực này còn tính với 1 đơn vị diện tích đỉnh pít tông,khi cần các giá trịthực của lực ta nhân với giá trị của áp suất với diện tích tiết diện ngang của đỉnh píttông

Thứ tự làm việc của các xy lanh:1-4-2-5-3-6

Góc công tác của động cơ:δk = 1200.a)Khối lượng của các chi tiết chuyển động:

0

758 ,

14 , 3 4

2 2

2

m

π

*Khối lượng thanh truyền:

Khi động cư làm việc,thanh truyền tham gia chuyển động song phẳng,đầu nhỏ tham gia chuyển động tịnh tiến cùng nhóm pít tông, đầu to tham giachuyển động quay cùng cổ khuỷu,và thân chuyển động lắc.Để đơn giản trong

quy dẫn phải dựa trên các nguyên tắc sau:

-Tổng khối lượng sau phân chia phải bằng khối lượng thanh truyền.-Trọng tâm của thanh truyền không thay đổi

-Mômen quán tính đối với trọng tâm của thanh truyền không thay đổi

⇒mtt = m1 + m2

= 2,5833 + 5,1667 = 7,75 [kg]

m1.l1 = m2.l2 [ l=l1 + l2 =180+90=270 (mm)]

Với l-chiều dài thanh truyền;

l1 –khoảng cách từ tâm đầu nhỏ đến trọng tâm thanh truyền

l2 –khoảng cách từ tâm đầu to đến trọng tâm thanh truyền

Khối lượng quy dẫn trên 1 đơn vị diện tích đỉnh pít tông:

m’1 =

] / [ 2549 , 146 017663 ,

0

5833 ,

F

m pt

=

=

m’2 =

] / [ 5154 , 292 017663 ,

0

1667 , 5

m kg F

m pt

=

=

*Khối lượng trục khuỷu:

Để xác định khối lượng chưa tự cân bằng của khuỷu trục ta chia khuỷu trụcthành 4 phần:A,B,C,D

-Phần A là khối lượng cổ khuỷu và 1 phần má khuỷu chưa tự cân bằng đượcquy về đường tâm chốt khuỷu với bán kính quay R

-Phần D : là khối lượng của các đối trọng chưa tự cân bằng với tâm quay O và

trọng Md về tâm quay O với bán kính quay ζd

Như vậy khối lượng tham gia chuyển động quay chưa tự cân bằng của trụckhuỷu là: mk = mck + 2[mm]ζ

Dck - đường kính ngoài cổ khuỷu: ≈0.85 [dm]

dck-đường kính trong cổ khuỷu: =0,46 [dm]

lck-chiều dài cổ khuỷu =0,7 [dm]

⇒ Vck= 4 .( )

ck ck

R-bán kính quay của má khuỷu quy về tâm chốt khuỷu: = 0,9 [dm]

π

22 , 0 84 , 1 14 ,

⇒Như vậy khối lượng chuyển động quay của cổ khuỷu và má khuỷu chưa tự cânbằng là:

mk = mck + 2(mm)ζ = 2,191 + 4,561 = 6,752 [kg]

m’ k =

] / [ 246 , 382 017663 ,

0

752 ,

F

M pt

(mpt = 3,758 [kg] : Khối lượng nhóm pít tông:

m1= 2,5833 [kg] : khối lượng thanh truyền qui dẫn về tâm chốt pít tông.)

b) Lực và mô men tác dụng lên cơ cấu KTTT:

Khi làm việc cơ cấu KTTT chịu tác dụng của các lực sau:

-Lực quán tính chuyển động tịnh tiến

λ: hệ số kết cấu của động cơ.λ = R/L=75/270 = 0,278

phương tác dụng trùng với phương của lực khí thể Pk

Dấu [-] có ý nghĩa tượng trưng về sự ngược chiều giữa gia tốc và lực quán tính.Vậy :Pj = - mj Rω2[cosα + λ cos 2α].10-6 [MN]

= - 6,3413 0,075 272,12[cosα + 0,278 cos2α].10-6 [MN]

Khi làm việc giá trị α luôn thay đổi từ [0 ÷ 7200] tương ứng sẽ có các giá trị