Bài tập lớn môn động cơ đốt trong - Chọn các thông số cho trước của động cơ | Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

2.1. Chọn các thông số cho trước của động cơ.
Các thông số cho trước để kiểm nghiệm động cơ có sẵn trong tính toán nhiệt được
chọn phụ thuộc vài các trường hợp tính toán sau:
- Môi trường sử dụng động cơ
- Kiểu, loại động cơ, số kỳ
- Số xilanh i, và cách bố trí các xilanh
- Đường kính xilanh, D (mm) - Hành trình piston, S (mm)
- Công suất thiết kế, Ne (kW)
- Số vòng quay thiết kế, n (v/ph) - Tỷ số nén
- Kiểu buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp - Kiểu làm mát
- Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích, (g/Kw.h)
- Góc mở sớm đóng muộn của xupap nạp, thải
- Chiều dài thanh truyền, L (mm)
- Khối lượng nhóm piston, (kg)
- Khối lượng nhóm thanh truyền, (kg)
2.2. Chọn các thông số tính toán nhiệt
2.2.1. Áp suất không khí nạp ()
Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển, giá trị phụ thuộc vào độ
cao so với mực nước biển. Càng lên cao thì càng giảm do không khí càng loãng,
tại độ cao so với mực nước biển:
2.2.2. Nhiệt độ không khí nạp mới ()
Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi
trường, nơi xe được sử dụng. Điều này hết sức khó khăn đối với xe thiết kế để sử
dụng ở những vùng có khoảng biến thiên nhiệt độ trong ngày lớn.
Miền Nam nước ta thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể
chọn là cho khu vực miền Nam, do đó: =302
2.2.3. Áp suất khí nạp trước xupap nạp ()
Động cơ tăng áp và động cơ hai kỳ: pk là áp suất khí nạp đã được nén sơ cấp trước
trong máy nén tăng áp hoặc trong bơm quét khí - Chọn
2.2.4. Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp ()
Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp nếu không có làm mát trung gian Tk được xác định bằng công thức:
Trong đó: m - chỉ số nén đa biến trung bình của khí nén, phụ thuộc vào loại máy
nén (m = 1,5÷1,65) , thông thường hiện nay. - Chọn m = 1,4
2.2.5. Áp suất cuối quá trình nạp ()
Đối với động cơ tăng áp: = (0.88 ÷ 0.98). - Ch n ọ = 0,9
: áp suất của không khí sau khi nén.
Khi kiểm nghiệm động cơ có sẵn, giá trị của đã được biết trước, khi thiết kế thì
phải chọn trong khoảng (0.15 ÷ 0.2) - Chọn
2.2.6. Chọn áp suất khí sót 𝑷𝑷
Là một thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi
xilanh động cơ. Tương tự như áp suất cuối quá trình nạp 𝑃𝑃, áp suất khí sót 𝑃𝑃
được xác định bằng quan hệ sau:
: tổn thất trong quá trình thải, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường ống thải
(động cơ có lắp bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải, bình chứa khí thải hay không),
tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng xupap thải.
Giá trị áp suất khí sót 𝑃𝑃 phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Diện tích tiết diện thông qua của xupap xả;
- Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả;
- Động cơ có lắp hệ thống tăng áp bằng khí xả hay không;
- Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả…
Đối với động cơ diesel chọn: 𝑃𝑃 = (0,106 ÷ 0,115) MPa
Thông thường, giới hạn thấp chọn cho động cơ có tốc độ thấp, động cơ cao tốc chọn vùng giới hạn cao. - Chọn
2.2.7. Nhiệt độ khí sót ()
Khi tính toán, người ta thường lấy giá trị ở cuối quá trình thải cưỡng bức.
Giá trị của phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén 𝑃, thành
phần hỗn hợp α, tốc độ quay n, góc đánh lửa sớm (ở động cơ xăng) hoặc góc phun
sớm nhiên liệu (ở động cơ diesel).
Giá trị ε càng cao thì khí cháy càng dãn nở nhiều nên càng thấp. Xilanh hỗn
hợp thành phần càng phù hợp thì quá trình cháy xảy ra càng nhanh, ít cháy rớt nên càng giảm.
Nếu góc phun sớm nhiên liệu hoặc đánh lửa sớm quá nhỏ thì quá trình cháy rớt tăng nên cao.
Giá trị của có thể chọn trong phạm vi sau:
- Động cơ xăng: = 900 ÷ 1000
- Động cơ diesel: = 700 ÷ 900 - Chọn
2.2.8. Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ∆T
Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xylanh của
động cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔT.
Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn
cứ vào số liệu thực nghiệm.
Động cơ xăng: ΔT = 0÷ 20
Động cơ diesel: ΔT = 20÷ 40 Ta chọn ΔT = 20
2.2.9. Chọn hệ số nạp thêm
Hệ số nạp thêm biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công
tác sau khi nạp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ ở thể tích .
Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn = 1,02 ÷ 1,07. Ta chọn = 1,05
2.2.10. Chọn hệ số quét buồng cháy
Đối với những động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy thì chọn = 1.
Động cơ được quét sạch hoàn toàn buồng cháy = 0, chỉ xảy ra khi thể tích buồng cháy = 0. Ta chọn = 0,1
2.2.11. Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt độ
khí sót Tr. Theo thực nghiệm thống kê đối với động cơ xăng được chọn: Hệ số dư lượng không 0,80 1,00 1,20 1,40 khí
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt 1,13 1,17 1,14 1,11 Ta chọn =1,11
2.2.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ()
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z () là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt tại
điểm Z () phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ.
Bảng hệ số lợi dụng nhiệt tại Z: Loại động cơ Xăng 0,75 ÷ 0,92 Diesel 0,65 ÷ 0,85 Gas 0,80 ÷ 0,85
Với động cơ diesel, ta chọn =
2.2.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ()
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b () phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi tốc độ động cơ
càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến nhỏ.
Bảng hệ số lợi dụng nhiệt tại b: Loại động cơ Xăng 0.85 ÷ 0.95 Diesel - Tốc độ trung bình 0.85 ÷ 0.90 - Cao tốc 0.80 ÷ 0.90 - Tăng áp < 0.92
Với động cơ diesel, ta chọn =
2.2.14 Hệ số dư lượng không khí α
Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy: Đối với động cơ đốt trong, tính toán
nhiệt thường phải tính ở chế độ công suất cực đại, hệ số dư lượng không khí chọn
trong pham vi cho trong bảng sau: Loại động cơ α Xăng 0.85 ÷ 0.95 Diesel - Buồng cháy thống 1,45 ÷ 1,75 nhất - Buồng cháy xoáy lốc - Buồng cháy dự bị 1,40 ÷ 1,65 - Tăng áp 1,35 ÷ 1.45 1,70 ÷ 2,20
Với động cơ diesel, ta chọn α= 1.8
2.2.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công
Hệ số điền đầy đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực
tế so với đồ thị công tính toán.
Hệ số điền đầy đủ đồ thị chọn theo số liệu kinh nghiệm theo bảng sau: Loại động cơ Xăng 0,93 ÷ 0,97 Diesel : - Buồng cháy thống 0,90 ÷ 0,95 nhất - Buồng cháy ngăn 0,92 ÷ 0,96 cách
Với động cơ diesel, ta chọn
2.2.16 Tỷ số tăng áp
Là tỷ số giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén:
Trị số λ thường nằm trong phạm vi sau:
Động cơ xăng: λ = 3,00 ÷ 4,00
Động cơ diesel: λ = 1,35 ÷ 2,40 Ta chọn 𝑃 = 2
2.3. Tính toán nhiệt
Tính toán nhiệt nhằm xác định các thông số của chu trình lý thuyết và
các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ. Đồ thị công chỉ thị của động cơ được
xây dựng trên cơ sở các kết quả tính toán nhiệt và là các số liệu cơ bản cho các
bước tính toán động lực học và tính toán thiết kế động cơ tiếp theo.
2.3.1 Quá trình nạp
2.3.1.1 Hệ số nạp ()
Trong đó m là chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót m =1,45÷1,5 - Chọn m = 1.48
2.3.1.2 Hệ số khí sót ()
2.3.1.3 Nhiệt độ cuối quá trình nạp () 2.3.2 Quá trình nén
2.3.2.1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:
2.3.2.2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
- Khi α > 1 tính cho động cơ diesel theo công thức sau: - Chọn a = 1.9
2.3.2.3Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén:
2.3.2.4 Tỷ số nén đa biến trung bình n1:
Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: tỷ lệ hóa khí,
loại buồng cháy, các thông số kết cấu động cơ, các thông số vận hành gồm phần tải, vòng quay, trạng thái nhiệt…
Chỉ số nén đa biến trung bình xác định gần đúng theo phương trình cân bằng nhiệt
của quá trình nén, với giả thiết quá trình nén là quá trình đoạn nhiệt nên cho vế trái của
phương trình này bằng 0 và thay ta có:
2.3.2.5 Áp suất quá trình nén MPa
2.3.2.6 Nhiệt độ cuối quá trình nén
Giá trị của Pc đối với một số kiểu động cơ được giới thiệu ở bảng 2.9 2.3.3 Quá trình cháy
2.3.3.1 Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu Mo
Trong đó: C, H, O là thành phần carbon, hydro, oxy, tính theo khối lượng có trong
1kg nhiên liệu lỏng. tham khảo bảng 2.10.
Thay các số liệu vào công thức trên ta tính được:
2.3.3.2 Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh
Đối với động cơ diesel: 1,9 . 0,4946 = 0,9397
2.3.3.3 Lượng sản vật cháy
𝑃 > 1 được tính theo công thức sau:
2.3.3.4 Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết
2.3.3.5 Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β
Trong thực tế do ảnh hưởng khí sót còn lại trong xilanh từ chu trình trước nên hệ
số biến đổi phân tử khí thực tế β được xác định theo công thức sau:
Giá trị của β phụ thuộc chủ yếu vào α mà ít phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu.
sự phụ thuộc ấy như sau:
2.3.3.6 Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm
2.3.3.7 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn
Đối với động cơ xăng vì 𝑃<1, thiếu ô xy nên nhiên liệu cháy không hoàn toàn, do
đó gây tổn thất một lượng nhiệt, ký hiệu là ∆QH và được tính theo công thức sau: (KJ/kg.nl) >1, thì =0
2.6.3.8 Tỷ nhiệt mol đẳng tính trung bình của môi chất tại điểm Z
2.3.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy ��
- Đối với động cơ diesel được tính theo công thức:
+ : tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm C của hỗn hợp khí nén
+ :tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm Z của sản vật cháy.
Trong phương trình này hai trị số chưa biết là Tz và λ, chọn tỷ số tăng áp (mục
2.5.16 trang 12) để xác định được nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz.
2.3.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy ��
Đối với động cơ diesel:
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, nhất là ngành khoa học vật liệu, những
động cơ hiện tại ngày nay có áp suất và nhiệt độ cuối quá trình cháy rất cao có thể
vượt quá các giá trị của 𝑃𝑃 và 𝑃𝑃 cho trong bảng 2.12.
2.3.4 Quá trình giãn nở
2.3.4.1 Tỷ số giãn nở đầu
- Đối với động cơ xăng: ρ=1
- Đối với động cơ diesel:
2.3.4.2 Tỷ số giãn nở sau
- Đối với động cơ diesel:
2.3.4.3 Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình  .  .
Các giá trị tỷ nhiệt z 𝑃à z xác định theo hàm tuyến tính của nhiệt độ và tính
bằng công thức tương ứng với động cơ xăng 2.15 hoặc động cơ diesel (2.16) mục 2.6.2.
Ở nhiệt độ từ 1200÷2600K, sai khác của tỷ nhiệt không lớn lắm, do đó ta có thể xem ; và ta có:
2.3.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở
- Đối với động cơ diesel:
2.3.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb
Đối với động cơ diesel:
2.3.4.6 Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr
2.3.4.7 Sai số khí sót
: chênh lệch độ khí sót tính toán và chọn ban đầu.
2.4 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình
2.4.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán:
2.4.2 Áp suất chỉ thị trung bình thực tế
Trong đó : : hệ số điền đầy đồ thị.
2.4.3 Áp suất tổn thất cơ khí Pm
Trong đó (m/s) Vận tốc trung bình của piston và các hằng số a, b chọn theo bảng 2.17. a= 0,089; b=0,0118.
2.4.4 Áp suất có ích trung bình Pe
2.4.5 Hiệu suất cơ giới
2.4.6 Hiệu suất chỉ thị
Là tỷ số giữa phần nhiệt lượng chuyển thành công mà ta thu được và nhiệt
lượng mà nhiên liệu tỏa ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu dạng lỏng hay 1 m3 nhiên liệu ở dạng khí.
Đối với động cơ dùng nhiên liệu lỏng ta có:
2.4.7 Hiệu suất có ích
2.4.8 Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị
2.4.9 Tính suất tiêu hao nhiên liệu
2.4.10 Tính toán thông số kết cấu của động cơ
- Thể tích công tác một xylanh: Trong đó:
– số chu kỳ của động cơ – số xilanh động cơ
– số vòng quay của động cơ ở công suất thiết kế 𝑃 𝑃 – công suất động cơ thiết kế, kW
– áp suất có ích trung bình, MN/ - Thể tích buồng cháy: - Thể tích toàn bộ: - Đường kính piston: - Hành trình piston:
Tỷ số S/D được chọn trước ở mục 2.5
2.4.11 Vẽ đồ thị công chỉ thị