Đề tài Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong

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 . Xác định các thông số tính toán : . Các thông số ban đầu: 1- Kiểu động cơ: 4a-fe.xe toyota. Động cơ 1 hàng, không tăng áp, buồng cháy thống nhất. 2- Số kỳ: τ = 4 (kỳ) 3- Số xilanh i = 4 4- Thứ tự làm việc cuả xilanh 1- 2-4-3 5- Hành trình piston: S = 85 (mm) 6- Đường kính xilanh: D = 83 (mm) 7- Góc mở sớm xupáp nạp: 1 = 130 8- Góc đóng muộn của xupáp nạp: 2 = 470 9- Góc mở sớm xupáp xả: 1 = 480 10- Góc đóng muộn xupáp xả: 2 = 140 11- Góc phun sớm: φi = 30º 12- Chiều dài thanh truyền: ltt = 135 (mm) 13- Công suất định mức: Ne = 108 (mã lực) 14- Số vòng quay định mức: n = 6000 (vòng/phút) 15- Suất tiêu hao nhiên liệu: ge =150 (g/ml.h) 16- Tỷ số nén: = 9 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: pk 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: Tk 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: pa 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: Pa = (0,8 ÷ 0,9).pk, chọn pa = 0,09 (Mpa) 4. Áp suất khí thải: pr Áp suất khí thải cũng phụ thuộc vào các thông số như pa . Áp suất khí thải có thể chon trong phạm vi: Pr =(1,05 ÷ 1,15).pk, chọn pr = 0,107 ( Mpa) 5. Mức độ sấy nóng môi chất : Mức độ sấy nóng môi chất chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành khí hỗn hợp ở bên ngoài hay bên trong xilanh: Động cơ xăng chọn =6 0C 6. Nhiệt độ khí sót (khí thải): Tr 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: Tr =700 ÷ 1000 0K, chọn Tr = 8500K 7. Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt: Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt được chọn theo hệ số dư lượng không khí để hiệu đính. Thông thường có thể chọn theo bảng sau: 0,8 1,0 1,2 1,4 1,13 1,17 1,14 1,11 Động cơ xăng có >1 nên chọn ,10 8. Hệ số quét buồng cháy λ2: Động cơ không tăng áp chọn λ2 =1 9. Hệ số nạp thêm λ1: 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 (z): Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (z ) 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 z =0,85 11. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (b): Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b b tuỳ thuộc vào loại động cơ Xăng hay động cơ Điêzen. Với động cơ xăng ta thường chọn b = 0,80÷0,90, chọn b =0,856 12. Hệ số hiệu đính đồ thị công d: Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ so với chu trình công tác thực tế , có thể chọn trong phạm vi: d =0,92÷0,97, chọn d =0,929 1.2. Tính toán các quá trình công tác : 1.2.1 Tính toán quá trình nạp : 1. Hệ số khí sót γr: Hệ số khí sót γr được tính theo công thức: γ r =.. Trong đó m là chỉ số giản nở đa biến trung bình của khí sót có thể chon: m =1,45÷1,5, chọn m =1,5 2. Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta: Nhiêt độ cuối quá trình nạp Ta được tính theo công thức: Ta = Ta= (0K) Hệ số nạp : Hệ số nạp được xác định theo công thức: 4 . Lượng khí nạp mới M1 : Lượng khí nạp mới M1 được xác định theo công thức : M1 = (kmol/kg nhiên liệu) Trong đó: là áp suất có ích trung bình được xác định theo công thức : (MPa) là thể tích công tác của động cơ được xác định theo công thức: (dm3) (dm3) Nên: V ậy M1= (kmol/kg nhiên liệu) Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0: Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0 được tính theo công thức: M0 = (kmol/kg nhiên liệu) Đối với nhiên liệu của động cơ x ăng ta có: C=0.855; H=0,145 ;O=0,004 Thay các giá trị vào ta có: Mo= =0,5023 (kmol/kg nhiên liệu) Hệ số dư lượng không khí : Trọng lượng phân tử của xăng là μnl = 114 nên đối với động cơ xăng ta có Thay các giá trị vào ta có: 1.2.2. Tính toán quá trình nén: 1. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí: =19,806+0,00209.T (kJ/kmol.độ) Ta có: av = 19.806; bv/2 = 0.00209 2. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình cuả sản phẩm cháy: Khi hệ số dư lượng không khí >1 ,tính theo công thức sau: =(19,876+ (kJ/kmol. độ) Thay số vào công thức trên ta có: =(19,876+ (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: = (kJ/kmol. độ) Thay các giá trị vào ta có: (kJ/kmol. độ) av'=19.836; bv'/2=0.00211 3. Chỉ số nén đa biến trung bình n1: 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: Chú ý: thông thường để xác định n1 ta phải chọn n1 trong khoảng 1,340 ÷ 1,390 .Chọn n1=1,3678. Ta có: vế trái =0,3683 sai số =0,0005 <0,2% 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: (MPa) 5.Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc: Được xác định theo công thức: (0K) 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+) Thay các giá trị vào ta có: Mc =(kmol/kgn.l) 1.2.3. Tính toán quá trình cháy: 1. Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết : Ta có hệ số thay đổi phân tử lý thuyết được xác định theo công thức: == Trong đó độ tăng mol của các loại động cơ được xác định theo công thức: 0.21(1-)M0 + (+) Thay số vào ta có: 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: Thay số vào ta có: 3. Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z (): (Do cháy chưa hết) Ta có hệ số thay đổi phân tử thưc tế tại điêm z () được xác định theo công thức: χ z Thay số vào ta có: Trong đó: χ z== 4. Lượng sản vật cháy M2: Ta có lượng sản vật cháy M2 được xác định theo công thức: (kmol/kg.nl) M2=1,0484.0,7603 = 0.7970 (kmol/kg.nl) 5. Nhiệt độ tại điểm z Tz : Đối với động cơ Xăng, nhiệt độ tại điểm z Tz được xác định bằng cách giải phương trình cháy : ( * ) Trong đó : QH : nhiệt trị thấp của nhiên liệu ta có, thông thường có thể chọn QH = 44000 ( kJ/kgnl ). ∆QH : nhiệt lượng tổn thất do nhiên liệu cháy không hết khi đốt 1 kg nhiên liệu, thông thường có thể xác định ∆QH theo α bằng công thức sau: ∆QH = 120.103.(1- α)Mo (kJ/kgnl) khi α < 1 ∆QH = 0 khi α ≥ 1 : Là tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy được xác định theo công thức: Ta có: =20,689 =0,00260 mcv”=20,689+0.00260Tz Thay vào phương trình ( * ) ta được: 61725,0136=21,2351Tz+0,002668.Tz ² ↔ Tz1=2263,2 tm Tz2=-10222,3 lo ại Vậy nhiệt độ tại điểm z Tz = 2263,2 6. Áp suất tại điểm Z( pz): Ta có áp suất tại điểm Z( pz) được xác định theo công thức: Pz = λ.Pc = 3,11.1,817 = 5.661 (MPa) Với λ là hệ số tăng áp: λ== 1.2.4. Tính toán quá trình giản nở: 1. Hệ số giản nở sớm : Như vậy với động cơ xăng 2. Hệ số giản nở sau : Ta có hệ số giản nở sau δ được xác định theo công thức: δ = Với động cơ xăng : δ = ε = 9 3. Chỉ số giản nở đa biến trung bình n2 : Ta có chỉ số giản nở đa biến trung bình n2 được xác định từ phương trình cân bằng sau : Trong đó: Tb: Là nhiệt trị tại điểm b và xác định theo công thức: (0K) QH* : Nhiệt trị tính toán Đối với động cơ xăng: QH* = QH - ∆QH = 4400 0– 0 = 44000 ( kJ/kg.độ ) Thay vào công thức (10) các giá tri tương ứng ta có: Chú ý: Thông thường để xác định n2 ta chọn n2 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 Tb: Ta có công thức xác định nhiệt độ cuối quá trình giản nở Tb: Tb= (0K) Thay số vào ta có: (0K) 5. Áp suất cuối quá trình giản nở pb : Áp suất cuối quá trình giản nở pb được xác định theo công thức: (MPa) 6. Tính nhiệt độ khí thải Trt : Nhiệt độ khí thải được xác định theo công thức: (0K) Sai số của nhiệt độ khí thải tính toán Trt và nhiệt độ khí thải đã chọn ban đầu không được vượt quá 15%, nghĩa là: (thoả mãn điều kiện) 1.2.5. Tính toán các thông số chu kỳ công tác: 1. Áp suất chỉ thị trung bình được xác định theo công thức: Với động cơ Xăng áp suất chỉ thị trung bình p’i được xác định theo công thức : =1,387 ( MPa) Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi : Do có sự sai khác giữa tính toán và thực tế do đo ta có áp suất chỉ thị trung bình thực tế được xác định theo công thức: (MPa) Trong đó là số hiệu đính đồ thị công. Chọn theo tính năng và chủng loại động cơ. Suất tiêu hao nhiên liệu gi: Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi: (g/kW.h) (g/kW.h) Hiệu suất chỉ thị : Ta có công thức xác định hiệu suất chỉ thị : Áp suất tổn thất cơ giới pm : 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 : (m/s) Theo số thực nghiệm có thể tính pm theo công thức sau : Theo số liệu thực nghiệm, có thể tính pm theo công thức sau: Đối với động cơ xăng i = 4, S/D > 1: pm =0,116 (MPa) Áp suất có ích trung bình pe: Ta có công thức xác định áp suất có ích trung bình thực tế được xác định theo công thức: (MPa) Hiệu suất cơ giới : Ta có công thức xác định hiệu suất cơ giới : Suất tiêu hao nhiên liệu ge: Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu tính toán là : (gkW.h) Hiệu suất có ích : Công suất có ích được xác định theo công thức sau: Kiểm nghiệm đường kính xilanh theo công thức: (mm) Ta có thể tích công tác tính toán được xác định theo công thức : ( lit ) Ta có : (dm)- Sai số đường kính là: ∆D= 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 = Ta có bảng tính các giá trị của quá trình nén và quá trình giản nở như sau: (Xuất phát từ =const với Vx=i.Vc thay vào rút ra) Sau khi ta chọn tỷ lệ xích và 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. Ta có : Tung độ thường chọn tương ứng với pz khoảng 250 mm trên giây kẻ ly. Từ tỷ lệ xích trên ta tính được các giá trị biểu diễn (gtbd) của quá trình nén và quá trình giản nở sau: QUÁ TRÌNH NÉN QUÁ TRÌNH GIẢN NỞ i i.Vc Giá trị biểu diễn px =pc.(1/i^n1) Giá trị biểu diễn px=pz.(1/i)^n2 Giá trị biểu diễn 1 0.057 27.5362 1.87 71.923 5.661 217.73 1.25 0.0713 34.4203 1.376 52.924 4.2919 165.07 1.5 0.0855 41.3043 1.071 41.193 3.4205 131.56 1.75 0.0998 48.1884 0.8665 33.329 2.8234 108.59 2 0.114 55.0725 0.7212 27.737 2.3906 91.947 2.5 0.1425 68.8406 0.5305 20.404 1.8115 69.674 3 0.171 82.6087 0.4129 15.881 1.4438 55.529 4 0.228 110.145 0.278 10.692 1.0095 38.825 5 0.285 137.681 0.2046 7.8673 0.7648 29.415 6 0.342 165.217 0.1592 6.1227 0.6096 23.447 6.5 0.3705 178.986 0.1426 5.4844 0.5519 21.225 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: (mm) Vì gtbd Vmax – gtbd Vmin = 236-16=220(mm) Thông số kết cấu của động cơ là: (mm) Khoảng cách OO’ là: (mm) Giá trị biểu diễn OO’ trên đồ thị: ,3 (mm) Ta có nửa hành trình của pistông là: (mm) Giá trị biểu diễn R trên đồ thị: (mm). Từ và 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 bán kính này cắt vòng tròn Brick tại điểm a’ ,từ điểm a’ gióng đường song song với trục tung cắt đường pa tại điểm a . Nối điểm r trên đường thải (là giao điểm giữa đường pr 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 pc đã tính. Theo kinh nghiệm áp suất cuối quá trình nén thực tế được xác định theo công thức sau: Đối với động cơ xăng: (Mpa) (Mpa) Từ đó ta xác định được tung độ của điểm c’ trên đồ thị công: (mm) 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 , 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 pzmax 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 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: pb" 0.18662 yb" 6.78705 ω 157 =0,107+0,5(0,3681 - 0,107) = 0,2377 (Mpa) Từ đó ta x