nguyên lý động cơ đốt trong

NHÓM IV Bài tập lớn động đốt Danh sách nhóm Trần Thế Tài Ngô Quốc Thắng Nguyễn Đồng Thắng Chu Văn Thành Nghiêm Bảo Thành Phan Văn Thịnh Phan Ý Thức Lương Đức Tiến Nguyễn Văn Tính 10 Trịnh Văn Tráng 11 Lê Đức Trung 12 Đào Xuân Trường 13 Bùi Văn Tuân 14 Lê Văn Tuấn 15 Mai Đức Tuấn 16 Trương Đức Tùng 17 Trần Trọng Tuyền 18 Nguyễn Công Việt 19 Lý Văn Vũ 20 Phạm Văn vũ 21 Đặng Nhật Vương 22 Tạ Ngọc Ý Tính toán chu trình nhiệt động động đốt I Trình tự tính toán Các thông số cho trước Bảng 1-1 Bảng thông số kỹ thuật động Tên thông số Kí hiệu Giá trị Thứ nguyên Công suất có ích Ne 75 KW Dung tích xi lanh Vh 2494 Cm Tỉ số nén ε 18,5 Số vòng quay định mức n 3600 Vg/ph Đường kính xylanh D 92 mm Hành trình piston S 93,8 mm Số xylanh i Xylanh Số kỳ τ Góc mở sớm xupap nạp Độ ϕ1 Góc đóng muộn xupap nạp 31 Độ ϕ2 Góc mở sớm xupap thải 30 Độ ϕ3 Góc đóng muộn xupap thải Độ ϕ4 Góc phun sớm 12 Độ ϕs Loại buồng cháy Thống Loại động Tăng áp tuabin khí Các thông số chọn cho động Bảng 4-2 Các thông số chọn động Tên thông số Áp suất khí nạp Nhiệt độ khí nạp Hệ số dư lượng không khí Áp suất cuối trình nạp Áp suất khí sót Nhiệt độ khí sót Độ sấy nóng khí nạp Chỉ số giản nở đoạn nhiệt Hệ số lợi dụng nhiệt z Hệ số lợi dụng nhiệt b Tỉ số tăng áp Hệ số nạp thêm Kí hiệu Pk Tk Α Pa Pr Tr ∆T M ξz ξb λ λ1 Giá trị 0,15 298 1,75 0,144 0,13 800 26 1,45 0,85 0,9 1,4 1.03 Thứ nguyên MN/m2 o K MN/m2 MN/m2 o K o K II λ2 λt ϕđ Hệ số quét buồng cháy Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt Hệ số điền đầy đồ thị Trình tự tính toán 0,85 1,1 0.97 Quá trình nạp - Hệ số khí sót γr λ2 ( Tk + ∆T ) pr Tr γr =  p m ελ1 − λt λ2  r   pa  0,85 ( 298 + 26 ) 0,13 800 0,144 γr = γr = 0,017 - Hệ số nạp ηv ηv = pa (4-1) 1  0,13  1, 45 18,5.1,03 − 1,1.0,85    0,144   p pa  Tk ελ1 − λt λ2  r ε − Tk + ∆T p k  pa  m          (4-2)   298 0,144   0,13  1, 45  18,5.1,03 − 1,1.0,85   (18,5 − 1) (298 + 26) 0,15   0.144     ηv= ηv = 0,917 - Nhiệt độ cuối trình nạp Ta Ta = p Tk + ∆T + λt γ r Tr  a  pr 1+ γ r     m −1 m (4-3)  0,144  298 + 26 + 1,1.0,017.800    0,13  + 0,017 1, 45−1 1, 45 Ta = Ta = 333,82 [oK] - Số mol không khí để đốt cháy Kg nhiên liệu M0 C H O  + −  0,21  12 32  M0 = (4-4) Trong đó: C, H, O : Thành phần 1Kg nhiên liệu  0,87 0,126 0,004  + −   0,21  12 32  M0 = = 0,495 [kmol/KK/kgnl] - Số mol khí nạp M1 M1 = α.M0 = 1,75.0,495 = 0,866 [kmol/KK/kgnl] (4-5) Quá trình nén mC vkk - Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình không khí [kJ/kmol.0K] mC vkk = a v + mC vkk bv 0,00419 Ta = 19,806 + Ta 2 (4-6) 0,00419 19,806 + 333,82 = 20,505 [kJ/kmol.0K] mC "v - Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình sản phẩm cháy [kJ/kmol.0K] = mC"v = a"v + b"v Ta 19,867 + a”v = b”v = 1,634 α (4-7) 19,867 + = 184,36  −5   427,38 + .10 α   mC"v = 19,867 + 1,634 1,75 = 20,801 = 184 ,36  −5   427,38 + .10 1,75   1,634  184 ,36  −5 +  427,38 + .10 Ta α 2 α  = 0,005 0,005 333,82 mC"v = 20,801 + = 21,69 [kJ/kmol.0K] - Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình hỗn hợp cháy mC ' v = mC' v mC vkk + γ r mC"v b' = a' v + v Ta 1+ γ r a + γ r a"v 19,806 + 0,017.20,081 a'v = v = 1+ γ r + 0,017 b + γ r b"v 0,00419 + 0,015.0,005 b' v = v = 1+ γ r + 0,015 [kJ/kmol.0K] (4-8) = 19,823 = 0,004 0,004 mC ' v = 19,823 + 333,82 = 20,525 [kJ/kmol.0K] - Chỉ số nén đa biến trung bình n1 Tính gần từ phương trình nén đa biến: 8,314 n1 = + b' a ' v + v Ta ε n −1 + ( ) (4-9) Chọn : n1 = 1,368 thay vào vế phải phương trình Ta có: n1 = + 8,314 19,820 + ( ) 0,004 335,439 18,51,368 −1 + Vậy chọn : n1 = 1,368 - Nhiệt độ cuối trình nén Tc [0K] Tc = Ta ε n −1 = 1,368 (4-10) 1, 368 −1 Tc = 333,82 18,5 = 976,585 [0K] - Áp suất cuối trình nén pc [MN/m2] p c = p a ε n p c = 0,144.18,5 1, 368 Quá trình cháy - Tính ∆M = 7,796 [MN/m2] (4-11) ∆M = H O + 32 (4-12) 0,126 0,004 + 32 ∆M = = 0,032 - Số mol sản phẩm cháy M2 M2 = M1 + ∆M M2 = 0,866 + 0,032 =0,897 [Kmol/Kg.nl] - Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết β0 = M 0,897 = = 1.037 M 0.866 - Hệ số biến đổi phân tử thực tế β + γ r 1,037 + 0,017 β= = 1+ γ r + 0,017 = 1,036 - Hệ số biến đổi phân tử z β −1 ξ βz = 1+ z 1+ γ r ξb 1,037 − 0,85 βz = 1+ + 0,017 0,9 (4-14) (4-15) (4-16) = 1,034 - Hệ số tỏa nhiệt xz z ξ 0,85 xz = z = ξb 0,9 = 0,944 - Tổn thất nhiệt cháy không hoàn toàn Với động Diesel a > ∆QH = - Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất z b" mC" vz = a" vz + vz Tz  γ  a"v M  x z + r  + a ' v M1 (1 − x z ) β0   a"vz =  γ  M  x z + r  + M1 (1 − x z ) β0   a”vz = 21,092 (4-13) (4-17) (4-18)  γ  b" vz M  x z + r  + b' v M (1 − x z ) β0   b" vz =  γ  M  x z + r  + M (1 − x z ) β0   b”vz = 0,005 mC"vz = 21.092 + 0,005 1997,927 = 26,442 [KJ/KmoloK] - Nhiệt độ cực đại chu trình Tz Nhiệt độ cực đại chu trình Tz tính theo phương trình sau: ξ z Q H + mC' vc +8,314.λ Tc = β z mC" pz Tz M (1 + γ r ) ( ) z Đưa dạng phương trình bậc hai: AT + BTz + C = Trong đó: βz A= ( bvz'' 0,005 = 1,034 2 ) = 0,003 B = β z a + 8,314 = 1,034.( 21,042 + 8,314 ) " vz = 30,403 b' ξ z Q H   − −  a ' v + v Tc + 8,314.λ .Tc M (1 + γ r )   C= = - 71794,755 QH =4250 nhiệt trị thấp nhiên liệu Phương trình bậc hai: 0,003.Tz2 + 30,403.Tz – 71794,755 = Giải phương trình bật hai loại bỏ nghiệm âm ta tìm được: Tz = 1997,927 [0K] - Áp suất cực đại chu trình lý thuyết pz [MN/m2] pz = pc.λ = 7,796.1,4 = 10,914 [MN/m2] (4-20) Quá trình giãn nở - Tỷ số giãn nở sớm β T 1,034 1997,927 ρ= z z = λ Tc 1,4 976,585 = 1,510 (4-21) - Tỷ số giãn nở sau ε 18,5 δ= = ρ 1,510 = 12,248 (4-22) (4-19) - Nhiệt độ cuối trình giãn nở Tb [oK] T Tb = n z−1 δ (4-23) Chọn truớc : n2 =1,263 Tb = 1997,927 12,2481, 263 −1 = 1033,759 [0K] - Kiểm nghiệm lại trị số n2 Trị số n2 kiểm nghiệm lại theo phương trình: 8,314 n2 −1 = ( ξ b − ξ z ).Q H b" + a" vz + vz ( Tz + Tb ) M β (1 + γ r ).( Tz − Tb ) (4-24) (4-25) n2 - = 0,263 Vậy chọn : n2 = 1,263 - Áp suất cuối trình giã nở pb [MN/m2] pb = pz 10,914 = n2 12,2481, 263 δ = 0,461 [MN/m2] - Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót Trtênh p  = Tb  r   pb  m −1 m =  0,13  1033,759.   0,461 (4-26) 1, 45−1 1, 45 Trtinh − Trchon 697,890 − 800 = 100% Trtinh 6697,890 = 697,890 [oK] Sai số: = 14,6% < 15% Các thông số thị - Áp suất thị trung bình lý thuyết p’i [MN/m2] Đối với động Diesel: p  λ ρ     p'i = c λ ( ρ − 1) + 1 − n −1  − 1 − n −1  ε −1  n2 −1 δ  n1 −  ε  2 p’i = 1,250 [MN/m ] - Áp suất thị trung bình động pi [MN/m2] p i = p 'i ϕ â = 1,250.0,97 = 1,231 [MN/m2] - Hiệu suất thị động ηi (4-27) (4-29) (4-28) ηi = 8,314.M1 p i Tk Q H η v p k (4-30) 8,314.0,866 1,213.298 ηi = 42530.0,917.0,15 = 0,444 - Suất tiêu hao nhiên liệu thị gi [g/(kW.h)]: gi = 3600000 QH η i 3600000 42530.0,444 = = 190,519 [g/(kW.h)] Các thông số có ích - Tổn thất giới pm [MN/m2] Theo công thức kinh nghiệm: p m = a + b.C m + p r − p a (4-31) (4.32) Tùy theo động tỷ số S/D, loại buồng cháy ta chọn hệ số a, b: a = 0,09 ; b = 0,012 Cm - Vận tốc trung bình piston Cm = S n 93,8.3600 = 30 1000.30 = 11,256 [m/s] p m = 0,09 + 0,012.11,256 + 0,13 − 0,144 (4-33) = 0,211 [MN/m2] - Áp suất có ích trung bình pe [MN/m2] pe = pi - pm pe = 1,231 - 0,211 = 1,001 [MN/m2] - Hiệu suất giới (%) ηm = p e 1,001 = p i 1,231 = 0,826 - Suất tiêu hao nhiên liệu có ích [g/kW.h] ge = g i 190,519 = ηm 0,826 = 230,675 [g/kW.h] - Hiệu suất có ích động (%) η e = η m η i = 0,826 0,444 = 0,367 - Thể tích công tác xylanh động Vh [lít] N 30.τ 75.30.4 Vh = e p e i.n 1,001.4.3600 = = 0,624 [dm3] (4-34) (4-35) (4-36) (4-37) (4-38) - Kiểm nghiệm đường kính xylanh: Dt = 1000 4.Vh 4.0,624 = 1000 π S 3,14.93,8 = 92,04[mm] (4-39) ∆D = Dt − D = 92 − 92,04 = 0,04 < 0,1 [mm] Xây dựng đồ thị công - Xác định điểm đường nén với số đa biến n1 p.V n = const Phương trình đường nén đường nén n n p c Vc = p nx Vnx p nx = pc Rút ra: , gọi x điểm 1  Vnx    V  c  Vnx =i Vc n1 (4-40) pc in p nx = Đặt ta có n1- số nén đa biến trung bình, xác định thông qua tính toán nhiệt - Xây đựng đường cong áp suất đường giãn nở p.V n = const Phương trình đường giãn nở đa biến điểm đường giãn nở thì: n n p z Vz = p gnx Vgnx 2 p gnx = Rút ra: Ta có: , gọi x  Vgnx    V  z  n2 Vgnx =i Vc Vz = ρ Vc p gnx ⇒ , đặt p z ρ n = in (4-41) 2 ; (4-42) n2- số giãn nở đa biến trung bình, xác định thông qua tính toán nhiệt - Lập bảng xác định đường nén đường giãn nở Bảng 4-3 Đường nén đường giãn nở Đường nén Vx 0.0356 0.0538 0.0713 0.1069 0.1425 0.1782 0.2138 0.2494 0.2850 0.3207 0.3563 0.3919 0.4276 0.4632 0.4988 0.5345 0.5701 0.6057 0.6414 0.6592 i 1.0000 1.5105 2.0000 3.0000 4.0000 5.0000 6.0000 7.0000 8.0000 9.0000 10.000 11.000 12.000 13.000 14.000 15.000 16.000 17.000 18.000 18.500 n1 i 1.0000 1.7580 2.5811 4.4947 6.6622 9.0405 11.6014 14.3250 17.1960 20.2024 n1 1/i 1.0000 0.5688 0.3874 0.2225 0.1501 0.1106 0.0862 0.0698 0.0582 0.0495 Đường giãn nỡ n1 n2 Pc/i i 1/in2 (Pz*(ρn2))/(in2) 7.7957 4.4344 1.6835 0.5940 10.9139 3.0203 2.3999 0.4167 7.6559 1.7344 4.0050 0.2497 4.5877 1.1701 5.7597 0.1736 3.1900 0.8623 7.6348 0.1310 2.4066 0.6720 9.6118 0.1040 1.9116 0.5442 11.6777 0.0856 1.5734 0.4533 13.8230 0.0723 1.3292 0.3859 16.0401 0.0623 1.1455 23.3346 0.0429 0.3341 18.3231 0.0546 1.0028 26.5843 0.0376 0.2932 20.6671 0.0484 0.8890 29.9447 0.0334 0.2603 23.0678 0.0434 0.7965 33.4098 0.0299 0.2333 25.5218 0.0392 0.7199 36.9746 0.0270 0.2108 28.0259 0.0357 0.6556 40.6343 0.0246 0.1918 30.5776 0.0327 0.6009 44.3850 0.0225 0.1756 33.1744 0.0301 0.5539 48.2230 0.0207 0.1617 35.8143 0.0279 0.5130 52.1450 0.0192 0.1495 38.4954 0.0260 0.4773 54.1366 0.0185 0.1440 39.8509 0.0251 0.4611 - Xác định điểm đặc biệt Các điểm đặc biệt là: r (Vc, pr); a (Va, pa); b (Va, pb); c (Vc, pc); y (Vc, pz); z (Vz, pz) π D 3,14.92 Vh = S = 4.10 93,8 V 0,6235 Vc = h = = 0,0356 ε − 18,5 − Va = Vc + Vh Vz = ρ Vc = 0,6235 [lít] [lít] = 0,0356 + 0,6235 = 0,6592 [lít] = 1,474.0,0356 = 0,0525[lít] Các điểm đặc biệt có : r (0,0356 ; 0,13) ; a (0,6592 ; 0,1440) ; b (0,6592; 0,461) ; c (0,0356 ; 7,7957) ; y (0,0356 ; 10,9139) ; z(0,0525; 11,2258) - Vẽ đồ thị công Bảng 4-4 Đường nén giãn nỡ i Vx Pn Pgn 1.00 10.00 182.32 1.51 15.10 103.71 255.25 2.00 20.00 70.64 179.05 3.00 30.00 40.56 107.30 4.00 40.00 27.37 74.61 5.00 50.00 20.17 56.28 6.00 60.00 15.72 44.71 7.00 70.00 12.73 36.80 8.00 80.00 10.60 31.09 9.00 90.00 9.02 26.79 100.0 10.00 7.81 23.45 110.0 11.00 6.86 20.79 120.0 12.00 6.09 18.63 130.0 13.00 5.46 16.84 140.0 14.00 4.93 15.33 15.00 150.0 4.49 14.05 16.00 17.00 18.00 18.50 160.0 170.0 180.0 185.0 4.11 12.95 3.78 12.00 3.50 11.16 3.37 10.78 Sau xác định điểm trung gian điểm đặc biệt, ta tiến hành vẽ đồ thị công sau: -Vẽ hệ trục tọa độ P - V với tỷ lệ xích: μV = 0,00356 [lít/mm] μp = 0,04276 [MN/(m2.mm)] μs = 0,536 Nối điểm trung gian đường nén đường giãn nở với điểm đặt biệt ta đồ thị công lý thuyết Dùng đồ thị Brich xác định điểm +Phun sớm (c’) +Mở sớm xupap nạp (r’), đóng muộn xupap nạp (a’) +Mở sớm xupap thải (b’), đóng muộn xupap thải (r”) - Hiệu chỉnh đồ thị công Xác định điểm trung gian: + Trên đoạn cy lấy điểm c” với c”c = 1/3cy + Trên đoạn yz lấy điểm z” với yz” = 1/2yz +Trên đoạn ba lấy điểm b” với bb” =1/2ba Nối điểm c’c”z” đường giãn nở thành đường cong liên tục ĐCT ĐCD tiếp xúc với đường thải Ta nhận đồ thị công hiệu chỉnh 2° o 11,56 o' 18 30° 12° 17 31° P(MN/m2) 16 15 11 y z'' z 14 13 12 10 9 10 11 c'' c µp = 0.0356[MN/m2.mm] µv = 0.04276[lit/mm] µs = 0.536 C' pk b' Vc r r' r'' a' 0,6 0,12 0,18 0,24 0,3 0,36 0,42 0,48 Hình 4-1 Đồ thị công 0.54 0,60 b b'' a 0,66 V (lít)