Khi thực hiện đồ án môn học Động cơ đốt trong, các đồng chí học viên ngành xe có dịp được củng cố, mở rộng và nâng cao một bước kiến thức các môn học về động cơ đốt trong. Đồ án còn t
Trang 1Đ2 Tính toán các quá trình của chu trình công tác
2.1 Tính toán quá trình trao đổi khí.
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)
nh áp suất pa và nhiệt độ Ta
Quá trình trao đổi khí ở các loại động cơ khác nhau có những
đặc điểm riêng nên ở đây trình bày đối với từng trờng hợp cụ thể
a- ở động cơ bốn kỳ không tăng áp.
Thứ tự tính toán phụ thuộc vào phơng pháp tính đợc chọn
tr-ớc Nếu
chọn trớc hệ số nạp v thì tính theo thứ tự sau:
- Hệ số khí sót r
Hệ số khí sót là tỷ số giữa lợng sản vật cháy Mr chứa trong thể tích buồng cháy Vc ở cuối quá trình thải cỡng bức và lợng khí nạp mới, nghĩa là:
1
r r
M
M
Khi tính toán, giá trị của r đợc xác định theo biểu thức:
0 r v
0 r r
T p 1
T p
Giá trị của r phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nh tỷ số nén , số vòng quay n, áp suất của khí sót pr và nhiệt độ Tr ở cuối quá trình thải cỡng bức
Khi tỷ số nén cao thì khí cháy đợc d n nở nhiều nên Tãn nở nhiều nên T r giảm và r tăng Nhng khi đó lợng khí nạp M1 cũng tăng nên r giảm
Số vòng quay n càng cao thì vận tốc của các dòng khí nạp và thải đều cao nên sức cản trong các đờng ống nạp và thải đều lớn
Điều đó làm giảm hệ số nạp v và tăng pr nên r cao
Trang 2GiĨ trẺ cĐa r thêng nữm trong cĨc khoộng sau:
ẽ ợéng cŨ xÙng bèn kú: r = 0,05 0,15
ẽ ợéng cŨ diesel bèn kú: r = 0,03 0,07
GiĨ trẺ cĐa r ợèi vắi mét sè kiốu ợéng cŨ ợîc giắi thiơu ẽ bộng 14
GiĨ trẺ cĐa r Bộng 14.
Kiốu ợéng cŨ GiĨ trẺ cĐa r Kiốu ợéng cŨ GiĨ trẺ cĐa
r
0
0
5
đẻẹ-5ỉ,ốƯầẹ-đẻỦ
5 (ợỏn 0,05) 120,
đẻỦ-121
0,0790,083
đẻỦ-110 0,0770,085 ẩ-6 vÌ B-2 0,0350,04
2
vÌ-ßầđ -206
0,050,08 (ợỏn 0,10) đẻẹ-129,-130
vÌ 134
0,0670,075 ßầđ-204B vÌ
ßầđ-206B
0,050,08 (ợỏn 0,10)
- Nhiơt ợé cuèi quĨ trÈnh nÓp Ta:
Trang 3Giá trị của Ta đợc xác định theo biểu thức:
r
r r 0
a
1
T T T T
Rõ ràng giá trị của Ta phụ thuộc chủ yếu vào độ sấy nóng khí nạp T và nhiệt độ khí sót Tr Mà T lại phụ thuộc vào phụ tải vàsố vòng quay của động cơ Phụ tải càng lớn thì nhiệt độ của các chi tiết động cơ càng cao nên T cao Số vòng quay càng cao thì vận tốc dòng khí nạp càng lớn, thời gian tiếp xúc giữa khí nạp và các chi tiết nóng càng giảm nên T cũng giảm theo Khi số vòng quay tăng, nếu không có bộ tự động điều chỉnh góc phun sớm nhiên liệu (ở động cơ diesel) hoặc góc đánh lửa sớm (ở động cơ xăng) thì quá trình cháy rớt kéo dài Kết quả là Tr tăng nên Ta cũng tăng Thực tế cho thấy ảnh hởng của T đến Ta cao hơn so với Tr
- áp suất cuối quá trình nạp pa:
MPa
T
T p 1
1 p
0
a 0 v r a
r
r 0
0 v a
T T
p T
p 1
Nếu chọn trớc áp suất cuối quá trình nạp pa thì thứ tự tính toán nh sau:
r
r
- Hệ số nạp:
v
a
r r
p T
0
- Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta: đợc tính theo biểu thức nh ở phơng pháp trên
b- ở động cơ diesel bốn kỳ tăng áp.
Thứ tự tính toán nh sau:
- áp suất cuối quá trình nạp:
Trang 4pa = (0,88 0,96) pk [MPa]
Trong đó: pk- áp suất của không khí sau máy nén, MPa Khi kiểm nghiệm động cơ có sẵn, giá trị của pk đ đãn nở nhiều nên T ợc biết
tr-ớc, khi thiết kế thì phải chọn pk trong các khoảng:
tăng áp thấp pk < 1,5 MPa
tăng áp trung bình pk = 1,52,0
tăng áp cao pk = 2,0 +2,8
- Nhiệt độ của không khí sau máy nén:
p k
k
m m
0 0 1
Trong đó:
m = 1,551,65- chỉ số đa biến trung bình của không khí trong máy nén
- Hệ số nạp:
v
a k
k a
k
p p
p
Trong đó: : hệ số nạp phụ
: hệ số sấy nóng khí nạp: T T
T
k k
Tỷ số
nằm trong khoảng sau
= 0,98 1,02 Giá trị cao của
nằm ở miền có n và pk cao
k = 1,4 : chỉ số đoạn nhiệt của không khí
= 0,80,88: hệ số quét buồng cháy Giá trị của phụ thuộc vào giá trị của pk và các góc mở sớm, đóng muộn của các xu páp Buồng cháy càng đợc quét sạch thì giá trị của càng thấp
1 = 850,92: hệ số công nạp.Với động cơ có n cao và pk trung bình, chọn 1 = 0,88
- Nhiệt độ cuối quá trình nạp:
Trang 5
T
a
a k
k r
Khi tăng áp bằng tua bin khí, ta có thể coi áp suất pT và nhiệt độ TT của khí khi vào tua bin bằng áp suất pr và nhiệt độ Tr của khí sót
Cần chú ý chọn các trị số pr, Tr, cho phơng án tăng áp tua bin khí một cách hợp lý Sau đây là một thí dụ:
ở động cơ buồng cháy thống nhất với = 14, n = 1500 v/ph và pk = 0,136 MPa thì pr = pT = 0,127 MPa; T r = TT = 850
0K; n0 = 1,6; 1 = 0,88; = 0,85;
1 01,
- Hệ số khí sót
r
k
p p
T Tr
1
0
c- ở động cơ hai kỳ
Quá trình tính toán đợc tiến hành theo thứ tự sau:
- Nhiệt độ khí nạp sau bơm quét khí:
k
k
m m o
0 0 1
- Nhiệt độ cuối quá trình nạp:
r
- áp suất cuối quá trình nạp:
pa = a.pk [MPa]
- Hệ số a trong biểu thức trên đợc chọn theo giá trị của áp suất khí quét (xem bảng 15)
Sự phụ thuộc của a vào p k Bảng 15
áp suất khí quét pk (MPa) Hệ số a
Trang 60,20 0,950,98
- Hệ số nạp đối với hành trình có ích của pít tông
v
p T
Trong đó:th là tỷ số nén thực tế ứng với hành trình có ích của pít tông
Giá trị của th trên các động cơ òÀầ-204 và òÀầ-206 là: th = 15
- Quan hệ giữa tỷ số nén thực th và tỷ số nén hình học ứng với toàn bộ hành trình của pít tông hh
th = hh (1-) + Trong đó: là hệ số tổn hao hành trình của pít tông
Giá trị của đối với các động cơ òÀầ-204 và òÀầ-206 là: = 0,12
- Hệ số nạp đối với toàn bộ hành trình của pít tông:
v vth
2.2 Tính toán quá trình nén.
a- Mục đích của việc tính toán quá trình nén là xác định các
thông số nh áp suất pc và nhiệt độ Tc ở cuối quá trình nén Phơng pháp chung để tính toán quá trình nén đối với các loại động cơ
t-ơng tự nhau Nhng ở động cơ hai kỳ phải dùng tỷ số nén thực để tính các thông số
b- Thứ tự tính toán:
+ Đối với động cơ bốn kỳ:
- áp suất cuối quá trình nén:
pc = pa n [MPa]
- Nhiệt độ cuối quá trình nén:
Trang 7Tc = Ta n1 1 [0K].
+ Đối với động cơ hai kỳ:
- áp suất cuối quá trình nén:
pc = pa thn [MPa]
- Nhiệt độ cuối quá trình nén:
Tc = Ta thn 1 [0K]
Giá trị của pc và Tc đối với các loại động cơ nh sau:
Động cơ xăng:
pc = 0,61,2 [MPa]
Tc = 600700 [0K]
Động cơ diesel buồng cháy không phân chia:
pc = 46 [MPa]
Tc = 750900 [0K]
Động cơ diesel buồng cháy phân chia:
pc = 34 [MPa]
Tc = 8501050 [0K]
Giá trị của pc đối với một số kiểu động cơ đợc giới thiệu ở bảng 16
Giá trị của p c đối với một số kiểu động cơ Bảng 16.
Kiểu động cơ Giá trị của pc, [MPa]
B-2 và Ä-6 không cờng hoá 3,53,7
Trang 8òÀầ-204 và òÀầ-206 5,25,4
2.3 Tính toán quá trình cháy.
a- Mục đích tính toán quá trình cháy là xác định các thông số
cuối quá trình cháy nh áp suất pz và nhiệt độ Tz
b- Thứ tự tính toán:
Việc tính toán đợc chia làm hai giai đoạn nh sau:
+ Tính toán tơng quan nhiệt hoá
Mục đích việc tính toán tơng quan nhiệt hoá là xác định những đại
lợng đặc trng cho quá trình cháy về mặt nhiệt hoá để làm cơ sở cho việc
tính toán nhiệt động Thứ tự tính toán nh sau:
- Lợng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1
kg nhiên liệu thể lỏng:
kgnl
0
1
,
Trong đó:
gC, gH và g0: là thành phần nguyên tố tính theo khối lợng của cácbon, hyđrô và ô xy tơng ứng chứa trong 1 kg nhiên liệu Trị số các thành phần ấy đối với xăng có thể lấy gần đúng theo các giá trị sau:
gc = 0,855; gH = 0,145; gO = 0 ;
và đối với nhiên liệu diesel:
gc = 0,86; gH = 0,13; gO = 0,01
- Lợng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ ứng với 1
kg nhiên liệu Mt:
Mt = Mo Kmol
kgnl
Trang 9- Lợng hỗn hợp cháy M1 tơng ứng với lợng không khí thực tế
Mt đối với động cơ diesel:
M1 = Mt = Mo Kmol
kgnl
và đối với động cơ xăng:
M1 = Mo
nl
1
kgnl
Trong đó:
nl: là trọng lợng phân tử của nhiên liệu (hay trọng lợng
1 Kmol hơi nhiên liệu) Đối với xăng nl = 110 114 Kg
Kmol
Rõ ràng việc tính toán M1 ở hai loại động cơ có khác nhau Trong động cơ diesel, quá trình tạo hỗn hợp xảy ra bên trong xy lanh với khoảng thời gian rất ngắn nên thể tích chiếm chỗ của hơi nhiên liệu không đáng kể so với thể tích của không khí Do đó ta
có thể bỏ qua thể tích chiếm chỗ của hơi nhiên liệu Ngợc lại, trong động cơ xăng hỗn hợp cháy đợc tạo ở bên ngoài xy lanh với thời gian dài, xăng kịp bay hơi gần nh hoàn toàn nên thể tích chiếm chỗ của hơi xăng lớn nên ta phải tính đến thể tích ấy
- Số mol của sản vật cháy M2:
Khi 1:
32
g 4
g M
M2 0 H O Kmol
kgnl
Khi < 1: C H 0
2
g 12
g
kgnl
- Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết o:
1
2 0
M
M
- Hệ số thay đổi phân tử thực tế:
r
r 0
1
Giá trị của phụ thuộc chủ yếu vào mà ít phụ thuộc vào thành phần của nhiên liệu Sự phụ thuộc ấy nh sau:
Trang 10 = 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4
= 1,111,081,051,041,5 + Tính toán tơng quan nhiệt động
Quá trình cháy đối với từng loại động cơ có đặc điểm riêng nên ta xét việc tính toán tơng quan nhiệt động đối với từng trờng hợp cụ thể sau:
* Đối với động cơ diesel
Thứ tự tính các thông số nh sau:
- Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác
ở cuối quá trình nén cvc
Để xác định cvc ta có thể tra bảng, xác lập quan hệ giải tích giữa nhiệt dung riêng và nhiệt độ đối với các chất khí khác nhau trong hỗn hợp hoặc tính theo công thức gần đúng Công thức tính toán gần đúng có dạng sau:
cvc = 20,223 + 1,742.10-3 Tc KJ
Kmol dộ
Theo đơn vị cũ: cvc = 4,83.4,187 + 4,187.0,416.10 -3 Tc =
= 4,83 + 0,416 10-3 Tc Kcal
Kmol dộ
- Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của khí thể tại điểm z
Phơng pháp tính toán chung tơng tự nh đối với cvc Nếu tính gần đúng, ta dùng công thức sau:
3
T 10 38 , 1 55 , 1 921 , 0 098 ,
dộ Kmol KJ
- Nhiệt dung mol đẳng áp trung bình tại điểm z:
cpz = cvz + 8,314 KJ
Kmol dộ
- Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz đợc xác định theo phơng trình nhiệt động của quá trình cháy sau:
p cvc C cpz Z T
1
Z
1 M
Q
Trang 11Sau khi thay các giá trị đ biết vào phãn nở nhiều nên T ơng trình trên, ta có dạng phơng trình bậc hai nh sau:
Tz2 BTZ C 0
Giải phơng trình trên và bỏ qua nghiệm âm vô nghĩa ta đợc giá trị của Tz
Giá trị của Tz đối với các loại động cơ khác nhau nằm trong các khoảng sau:
ở động cơ diesel có buồng cháy không phân chia:
Tz = 1950 2100 [0K]
ở động cơ diesel có buồng cháy phân chia:
Tz = 1750 1950 [oK]
- Tỷ số d n nở sớm ãn nở nhiều nên T :
T
Z
P C
Giá trị của thờng nằm trong khoảng sau:
= 1,21,7 Trị số của đối với một số kiểu động cơ đợc giới thiệu ở bảng 17
Giá trị của đối với một số kiểu động cơ.ối với một số kiểu đối với một số kiểu động cơ.ộng cơ.
Bảng 17
B-2 và Ä-6 không cờng hoá 1,21,35
* Đối với động cơ xăng:
Trang 12Có hai trờng hợp tính toán đối với những giá trị khác nhau của
Khi > 1 thì giá trị của cvc và cvz đợc xác định theo các biểu thức nh ở động cơ diesel và QT = 0
Khi 0,7 1 thì giá trị của cvz đợc xác định theo biểu thức gần đúng sau:
cvz= 18,423 + 2,596 + (1,55 +1,38) 10-3 Tz KJ
Kmol dộ
ở trờng hợp này ta cần tính tổn thất nhiệt do cháy nhiên liệu không hoàn toàn theo biểu thức:
QT = 120.103 (1-) M0 KJ
kgnl
- Nhiệt độ cuối quá trình cháy đợc xác định theo phơng trình nhiệt động sau:
r 1
Z T T
T T
1 M
Q Q
Việc giải phơng trình nhiệt động để xác định giá trị của Tz cũng tơng tự nh ở động cơ diesel
- Tỷ số tăng áp suất:
c
z P
T
T
Giá trị của p nằm trong khoảng sau: P = 34,5
- áp suất cuối quá trình cháy:
pz = P pc [MPa]
Giá trị của Tz và pz nằm trong các khoảng sau:
Tz = 24002700 [0K]
pz = 3,55 [MPa]
2.4 Tính toán quá trình dãn nở.
Mục đích việc tính toán quá trình d n nở là xác định các giáãn nở nhiều nên T
trị áp suất pb và nhiệt độ Tb ở cuối quá trình d n nở Phãn nở nhiều nên T ơng pháp tính toán đối với từng loại động cơ có những đặc điểm riêng nên
ta lần lợt xét từng trờng hợp cụ thể theo các thứ tự tính toán sau:
* Đối với động cơ xăng:
Trang 13- áp suất cuối quá trình d n nở:ãn nở nhiều nên T
2
n
z b
p p
- Nhiệt độ cuối quá trình d n nở:ãn nở nhiều nên T
1 2
n
Z b
T T
[0K]
* Đối với động cơ diesel:
ở động cơ diesel, quá trình cháy kết thúc trên hành trình
d n nở và ãn nở nhiều nên T
qúa trình d n nở còn lại đãn nở nhiều nên T ợc tính trên một phần của hành trình pít tông ứng với tỷ số d n nở muộn ãn nở nhiều nên T V
V
b z
Do đó các thông số của quá trình d n nở đãn nở nhiều nên T ợc tính với
- áp suất cuối quá trình d n nở:ãn nở nhiều nên T
pb pnz
2 [MPa]
Trong đó:
Khi tính đối với động cơ hai kỳ, ta phải lấy tỷ số nén thực
th
- Nhiệt độ cuối quá trình d n nở:ãn nở nhiều nên T
n
2 1
[0K]
Giá trị của pb và Tb đối với các loại động cơ khác nhau nh sau:
Đối với động cơ xăng:
pb = 0,350,5 [MPa]
Tb = 15001700 [0K]
Đối với động cơ disel:
pb = 0,20,4 [MPa]
Tb = 10001400 [0K]
2.5 Kiểm tra kết quả tính toán.
Trang 14Sau khi kết thúc việc tính toán các quá trình của chu trình công tác, ta có thể dùng công thức kinh nghiệm sau đây để kiểm tra kết quả việc chọn và tính các thông số
3 r b
b r
p p
T
T
Riêng đối với động cơ xăng, ta có thể dùng công thức kinh nghiệm của giáo s Pêtrốp để kiểm tra:
Khi 1 :
494 n 14 , 0 1092 1450
Khi < 1:
1336 n
14 , 0 738 1450
Trong đó: n- là số vòng quay ở chế độ tính toán [v/ph]
So sánh giữa giá trị đ chọn của Tãn nở nhiều nên T r và kết quả thu đợc theo các biểu thức kiểm tra vừa nêu Nếu sai số vợt quá 3% thì phải chọn các thông số và tính lại từ đầu các quá trình của chu trình công tác cho đến khi đạt kết quả mong muốn