Chương 1: Tính Toán Nhiệt | Tài liệu môn Tính toán Động cơ đốt trong Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN NHIỆT
1.1. CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ hhhhhh
1.2. CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN NHIỆT
1.2.1. Áp suất không khí nạp (P0)
Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp
suất khí quyển, giá trị po phụ thuộc vào độ cao so
với mực nước biển. Càng lên cao thì P0 càng giảm do
không khí càng loãng, tại độ cao so với mực nước biển: P0 = 0,1013 MN/m2
1.2.2. Nhiệt độ không khí nạp mới (T0)
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 tkk =
29oC cho khu vực miền Nam, do đó:
T0 = tkk + 273 = 29 + 273 = 302 K
1.2.3. Áp suất khí nạp trước xupap nạp (Pk)
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: P 2 k = 0,2 MN/m > P0
1.2.4. 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: −
T =T ( Pk )m−1m=302.( 0,2 )1,45 1 1,45 =373 ° K k 0 P 0,1013 o
1.2.5. Áp suất cuối quá trình nạp (𝑷 ) 𝒂
Khi kiểm nghiệm động cơ có sẵn, giá trị của
Pk đã được biết trước, khi thiết kế thì phải chọn: Pk = 0,2 MN/m2 𝑃a = 0,9 . 0,2 = 0,18 MN/m2
1.2.6. Áp suất khí sót (Pr)
Là một thông số quan trọng để đánh giá mức
độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh động cơ.
Đối với động cơ diesel chọn: Pr = 0,111 Mpa
1.2.7. Nhiệt độ khí sót (Tr)
Phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí,
mức độ dãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình dãn nở và thải.
Đối với động cơ diesel chọn: Tr = 800 K
1.2.8. Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (𝜟𝑻 𝜟 ) 𝑻
Khí nạp mới khi chuyển động trong đường
ống nạp vào trong xilanh 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.
Đối với động cơ diesel chọn: ∆T = 20oC
1.2.9. Hệ số nạp thêm (λ1)
Hệ số nạp thêm 𝜆1 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 𝑉𝑎. Hệ số nạp thêm chọn: 𝜆1 = 1,05
1.2.10.Hệ số quét buồng cháy (λ2)
Đối với động cơ tăng áp thì hệ số quét buồng cháy chọn: 𝜆2 = 0,5
1.2.11.Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (λt)
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt phụ thuộc vào
thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót Tr.
Động cơ diesel có α = 1,7 thì chọn: λt = 1,11
1.2.12.Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ)
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) là thông
số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) phụ
thuộc vào chu trình công tác của động cơ.
Đối với động cơ diesel chọn: ξZ = 0,7
1.2.13.Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb)
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb) phụ thuộc
vào nhiều yếu tố. Khi tốc độ động cơ càng cao, cháy
rớt càng tăng, dẫn đến ξb nhỏ.
Đối với động cơ diesel tăng áp chọn: ξb = 0,9
1.2.14.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: α = 1,7
1.2.15.Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (φd)
Hệ số điền đầy đồ thị công φd đánh giá phần
hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán.
Đối với động cơ diesel buồng cháy thống nhất chọn: φd = 0,92
1.2.16.Tỷ số tăng áp (λ)
Là tỷ số giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối
quá trình cháy và quá trình nén.
Đối với động cơ diesel chọn: λ = 2
Bảng thông số tự chọn Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị Áp suất không khí nạp P0 0,1013 MN/m2
Nhiệt độ không khí nạp mới T0 302 K Áp suất khí nạp trước Pk 0,2 MN/m2 xupap nạp
Nhiệt độ khí nạp trước Tk 373 K xupap nạp
Áp suất cuối quá trình nạp 𝑃a 0,18 MN/m2 Áp suất khí sót Pr 0,115 Mpa Nhiệt độ khí sót Tr 800 K
Độ tăng nhiệt độ khi nạp ∆T 20 oC mới Hệ số nạp thêm 𝜆1 1,05 Hệ số quét buồng cháy 𝜆2 0,6
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt 1,11
Hệ số lợi dụng nhiệt tại ξZ 0,7 điểm z
Hệ số lợi dụng nhiệt tại ξb 0,9 điểm b
Hệ số dư lượng không khí α 1,7
Hệ số điền đầy đồ thị công φd 0,92 Tỷ số tăng áp λ 2
1.3. 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.
1.3.1. Quá trình nạp
1.3.1.1. Hệ số nạp
Trong đó: m – là chỉ số đa biến trung bình của không khí. Chọn m = 1,45
1.3.1.2. Hệ số khí sót
1.3.1.3. Nhiệt độ cuối quá trình nạp 1.3.2. Quá trình nén
1.3.2.1. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới
1.3.2.2. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy
Khi α > 1 tính cho động cơ diesel theo công thức sau: Thay số vào ta được:
1.3.2.3. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén Ta có: Do đó: a' = ' = V 19,8161 v à b 0,0042 V
1.3.2.4. 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 k1 = n1 ta có:
1.3.2.5. Áp suất quá trình nén
1.3.2.6. Nhiệt độ cuối quá trình nén
1.3.3. Quá trình cháy
1.3.3.1. Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu Mo
M = 1 .( C + H − O ) 0 21 12 4 32
Trong đó: C, H, O là thành phần của carbon, hydro,
oxy tính theo khối lượng. Đối với nhiên liệu của động cơ
diesel ta có: C = 0,870; H = 0,126; O = 0,004xnên thay
vào công thức tính M xta được: o
M = 1 .(0,870+ 0,126 −0,004) 0 21 12 4 32
M =0,4357[kmol kk / kg . nl] o
1.3.3.2. Lượng khí nạp thực tế vào xylanh M1
M =α . M =1,7 . 0,4357=0,74 [kmol kk / kg . nl] 1 0
1.3.3.3. Lượng sản vật cháy M2
Do α=1,7>1 nên tính M2 theo công thức sau:
M = O + H + α . M = 0,870 + 0,126 +1,7. 0,4357 2 32 4 0 32 4
¿ 0 , 8[kmol SCV /kg . nl]
1.3.3.4. Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết β0 M β = 2 = 0,8 =1,08 0 M 0,74 1
1.3.3.5. Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β β −1 β=1+ 0 =1+1,0 8−1 ≈ 1,08 1+ γ 1+0,0 1 r
1.3.3.6. Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm βz β −1 − β =1+ 0
. χ =1+ 1,0 8 1 .( 0,7)≈1,06 z 1+γ z r 1+ 0 , 01 0 , 9
Trong đó: x là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm 𝑧, nếu z
giả thiết rằng số nhiên liệu đã cháy tỉ lệ với hệ số lợi dụng nhiệt thì ta có: ξ
χ = z = 0 ,7 z ξ 0 , 9 b
1.3.3.7. Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn ∆𝑸H
Đối với động cơ diesel vì 𝛼 > 1 nên ∆Q =¿0 H
1.3.3.8. Tỷ nhiệt mol đẳng tính trung bình của môi chất tại điểm Z γ
M (x + r)mc' +M (1−x )mc 2 z β v 1 z v mc ' ' = 0 vz γ
M (x + r )+M (1−x ) 2 z β 1 z 0 −3 0 , 7 3
0,8. (0,7+ 0,01 ).(19,8161+2,1.10 .T )+0,74.(1 – ).(19,806+ − 2,095.10 . T ) 0,9 1,0 8 z 0 , 9 z ¿
0,8.(0,7 + 0,01 )+0,74.(1−0,7 ) 0 , 9 1,0 8 0 , 9 ¿ − 19,814+2,1 .10 3 . T z
1.3.3.9. Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z ξ .Q z H
+(m c ' +8,314. λ).T =β .(m c'' +8,314) .T M . ( vc vz z 1+ ) c z 1 γ r 0 ,7 .42530 ⇔ +(19,8161+ −
2,1.10 3.1075+8,314.2 ) . 1075 0,74.( 1+0,0 1 ) ¿ −
1,06. (19,814+2,1. 10 3 . T +8,314) .T z z
⇒ T =2327[° K ] z
1.3.3.10. Áp suất cuối quá trình cháy Pz
P =λ . Pc=2. 7,62=15,24 [ MN / m2] z
1.3.4. Quá trình giãn nở
1.3.4.1. Tỷ số giãn nở đầu Động cơ diesel: β T 2327 ρ= z . z =1,06 . ≈ 1,15 λ T C 2 1075
1.3.4.2. Tỷ số giãn nở sau Động cơ diesel:
δ = ε = 15,7 ≈ 13,65 ρ 1,15
1.3.4.3. Xác định tỷ số giãn nở đa biến trung bình n −1= 8,314 2
(ξ −ξ ) .Q b ' ' b z h + a ' ' + z . (T +T )
M . (1+γ ). β . (T −T ) vz 2 z b 1 r z b ¿ 8,314
(0 , 9−0 ,7).42530 2327 + −
19,814+2 ,1 . 10 3 .(2327+ )− 13,65n 1 2
0,74. (1+0,0 1 ).1,0 8( 2327− 2327− ) 13,65n 1 2 ⇒ n =1 ,22 2 T z Trong đó: =
T b δ(n¿¿2−1)= 2327 ¿ − 13,65n 1 2
1.3.4.4. Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb T T = z = 2327
≈ 1309 [ ° K ] b δ n −1 2 13,651,22−1
1.3.4.5. Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb p
p = z = 15,24 =0 ,63 [MN / m2] b δ n2 13,651, 22
1.3.4.6. Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr −
T =T . (pr )m−1m=1309.(0,115)1,45 1 1,45 ≈772 [° K ] r b p 0 , 63 b
1.3.4.7. Sai số khí sót Δ T | − |
r = 800 772 =3,5 %<5 % T r 800
1.4. Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình
1.4.1. Áp suất chỉ thị trung bình tính toán p ’i p p'= c . . i
[λ.(ρ−1)+ ρλβ (1− 1 )− 1 (1− 1 )] ε −1 n −1 −1 n −1 −1 2 δ n2 1 ε n1 7,62 1,15 . 2. 1,08 1 1 1 ¿ .[2 (1,15−1)+ .(1− )− (1− )] 15,7−1 1,2 2−1 − 13,651,22−1 1,36−1 15,71,36 1
≈ 1,81[ MN / m2]
1.4.2. Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi
p =φ . p'=0,9 2 .1,81 ≈ 1,67[ MN /m2] i d i
1.4.3. Áp suất tổn thất cơ khí pm
p =a+b . V +( p − p )=0,089+0,0118.11,667+ (0,115−0,18) m p r a
⇒ p ≈ 0 , 16[ MN / m2] m
1.4.4. Áp suất có ích trung bình pe
p = p − p =1,67−0,16=1,51 [ MN / m2] e i m
1.4.5. Hiệu suất cơ giới ηm η ρ ρ
η = e= e =1− m =1− 0,16 ≈ 0,9 m η ρ ρ 1,67 i i i
1.4.6. Hiệu suất chỉ thị ηi
Hiệu suất chỉ thị 𝜂𝑖 – 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: M . p . T 0,74. 1,67 . 373 η =8,314. 1 i k =8,314. ≈ 0,49 i Q . p .η 42530. 0,2. 0 , 92 H k v
1.4.7. Hiệu suất có íchηe M . p . T 0,74. 1,51. 3 73 η =8,314. 1 e k =8,314. ≈ 0 , 44 e Q . p . η 42530. 0,2.0 , 92 H k v
1.4.8. Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi g = 3600 = 3600
=0 , 17[kg /kWh] i Q . η 42530. 0,49 H i
1.4.9. Tính suất tiêu hao nhiên liệu (g ): e g = 3600 = 3600
=0 , 19[kg /kWh] e Q . η 42530.0 , 44 H e
1.4.10. Tính thông số kết cấu của động cơ
 Thể tích công tác 1 xylanh V : h 30. τ . N V =
e = 30.4 . 118 =0,63[lít] h P . n .i 1,51. 3700 . 4 e e  Thể tích buồng cháy: V V =
h = 0,63 =0,04 [lít ] c ε −1 15,7−1  Thể tích toàn bộ:
V =V + V =0,63+0,04=0,67 [lít ] a h c
 Đường kính của piston:
Động cơ diesel thẳng hàng chọn S/D = 1,10
D= 3√ 4.Vh =3√4.0,63=0,9[dm]=90[mm] π .( 1,1) π . ( s ) D
1.4.11. Vẽ đồ thị công chỉ thị
 Điểm a: điểm cuối hành trình nạp, có áp suất Pa và thể tích: V =V + =0,63+0,04=0,67 [d m3] a h V c
 Điểm c (Vc, Pc): điểm cuối hành trình nén. V V =
h = 0,63 =0,04 [d m3] c ε −1 15,7−1
P =7,62[ MN /m2] c
 Điểm z (Vz, Pz): điểm cuối hành trình cháy.
V =ρ V =1 , 15 .0,04=0,046 [ d m3] z c
P =15,24 [MN / m2] z
 Điểm b (Vb, Pb): điểm cuối hành trình giãn nở.
V =V =0,67 [d m3] b a
P =0 ,63 [ MN / m2] b
 Điểm r (Vc, Pr): điểm cuối hành trình thải. V =0,04 [ d m3] c
P =0,115[ MN / m2] r Tên gọi Kí Áp suất Thể tích hiệu [MN/m2] [dm3]
Điểm cuối quá trình nạp a 0,26 0,67
Điểm cuối quá trình nén c 7,62 0,04
Điểm cuối quá trìnnh cháy z 15,24 0,046
Điểm cuối quá trình dãn nở b 0,63 0,5
Điểm cuối quá trình thải r 0,115 0,04
Điểm áp suất cực đại không nằm trong đường z’ 7,62 15,24 hiểu chỉnh
Điểm áp suất cực đại của đường cong hiệu z” 3,604 0,189 chỉnh
Điểm lấy trên đoạn cz’ với cc”=cz’/3 c” 1,944 0,1 Trung điểm của đoạn ab b” 0,24 1,7