Đồ án môn học - đồ án Tính toán Động cơ đốt trong | Khoa cơ khí động lực Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC -------------------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS TS. LÝ VĨNH ĐẠT
Nguyễn Nhật Huy 21145395
TP. HỒ CHÍ MINH – THÁNG 10, NĂM 2023 Mục Lục CHƯƠNG 1
THÔNG SỐ CƠ BẢN.............................................................................4 CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN NHIỆT...............................................................................6 2.1
Các thông số tính toán nhiệt..................................................................................6
2.1.1 Áp suất không khí nạp P0...............................................................................6
2.1.2 Nhiệt độ không khí nạp mới T0......................................................................6
2.1.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp pk................................................................6
2.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp Tk..............................................................6
2.1.5 Áp suất cuối quá trình nạp Pa.........................................................................6
2.1.6 Áp suất khi sót Pr............................................................................................7
2.1.7 Nhiệt độ khí sót Tr..........................................................................................7
2.1.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới.........................................................................7
2.1.9 Hệ số nạp thêm λ1...........................................................................................7 2.1.10
Hệ số quét buồng chạy λ2 = 1......................................................................7 2.1.11
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt...........................................................................7 2.1.12
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ξz...............................................................8 2.1.13
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξb...............................................................8 2.1.14
Hệ số dư lượng không khí α........................................................................8 2.1.15
Hệ số điền đầy đồ thị công φd.....................................................................8 2.1.16
Tỉ số tăng áp λ.............................................................................................9 2.2
Tính toán nhiệt......................................................................................................9
2.2.1 Quá trình nạp..................................................................................................9
2.2.2 Quá trình nén................................................................................................10
2.2.3 Quá trình cháy..............................................................................................11 2.2.4
Quá trình giãn nở.........................................................................................14 CHƯƠNG 1 THÔNG SỐ CƠ BẢN
2.1 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 vào các trường hợp tính toán sau: -
Môi trường sử dụng động cơ: đường thành phố, đường cao tốc -
Kiểu, loại động cơ (động cơ xăng, động cơ diesel): Xăng (GDI, không tăng áp) - Số kỳ 𝜏: 4 kì -
Số xilanh, i và cách bố trí các xilanh: 4 xilanh, bố trí thẳng hàng trên 1 van - Đường kính xilanh B - Hành trình piston S -
Công suất thiết kế, 𝑁e =98 kW -
Số vòng quay thiết kế, n = 5500 vòng/phút - Tỷ số nén 𝜀 = 13,5:1 -
Kiểu buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp: - Kiểu làm mát: -
Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích, g𝑒 (g/Kw.h): -
Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp và thải -
Chiều dài thanh truyền, L (mm) -
Khối lượng nhóm piston, 𝑚np (kg) -
Khối lượng nhóm thanh truyền, 𝑚tt (kg) CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN NHIỆT
2.1 Các thông số tính toán nhiệt
2.1.1 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 po càng giảm do không khí càng loãng, tại
độ cao so với mực nước biển:
P =0 ,101 23 MN / m2 0
2.1.2 Nhiệt độ không khí nạp mới T 0
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 t = 29o kk C cho khu vực miền Nam, do đó:
T =t +273=29+273=302o K 0 kk
2.1.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp Pk
Động cơ bốn kỳ không tăng áp P =P =0 , 1012 3 MN /m2 k 0
2.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp Tk
Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp Tk = T0 = 302o K
2.1.5 Áp suất cuối quá trình nạp Pa
Đối với động cơ không tăng áp: Pa = P – ΔP k k
Với ΔP là tổn thất trong quá trình nạp, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường k
ống nạp, tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng nạp ΔP = k . n2 k f 2n Trong đó: -
k: hệ số xét tới ảnh hưởng của hệ số cản của đường nạp, thể tích công tác của xylanh -
n: số vòng quay trục khuỷu -
f : tiết diện lưu thông hẹp nhất của xupap nạp. n
Trong quá trình tính toán nhiệt, suất cuối quá trình nạp 𝑃𝑎 của động cơ bốn kỳ
không tăng áp thường được xác định bằng công thức thực nghiệm: P = (
=0 , 88 ×0 , 10123=0 , 0891 MN /m2 a
0 , 80÷ 0 , 95)× P0 2.1.6 Áp suất khi sót Pr
P =P + ΔP r th r ΔP = k . n2 k f 2th
Động cơ xăng, ta chọn Pr = 0,11 MPa
2.1.7 Nhiệt độ khí sót Tr
Động cơ xăng, ta chọn Tr = 950o K
2.1.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới
Động cơ xăng: ΔT =18o C
2.1.9 Hệ số nạp thêm λ1 Chọn λ1 =1,05
2.1.10 Hệ số quét buồng chạy λ2 = 1
2.1.11 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt
Động cơ xăng có α=0.9, chọn λt = 1,15
2.1.12 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.
Động cơ xăng, ta chọn ξz = 0,82
2.1.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξb.
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξ ) phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi tốc độ động cơ b
càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến ξ nhỏ. b
Động cơ xăng, ta chọn ξb = 0,9
2.1.14 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, Loại động cơ α Xăng 0,85 ÷ 0,95 Diesel
Buồng cháy thống 1,45 ÷ 1,75 nhất Buồng cháy xoáy 1,40 ÷ 1,65 lốc Buồng cháy dự bị 1,35 ÷ 1,45 Tăng áp 1,70 ÷ 2,20
Động cơ xăng, ta chọn α = 0.9
2.1.15 Hệ số điền đầy đồ thị công φd
Hệ số điền đầy đồ thị công φ đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công d
thực tế so với đồ thị công tính toán. Hệ số điền đầy đủ đồ thị φd chọn theo số liệu kinh nghiệm theo bảng sau: Loại động cơ φd Xăng 0,93 ÷ 0,97 Diesel:
Buồng cháy thống 0,90 ÷ 0,95 nhất Buồng cháy ngăn 0,92 ÷ 0,96 cách
Động cơ xăng, ta chọn φ = 0,95 d 2.1.16 Tỉ 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: λ=P . P z c 2.2 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. 2.2.1 Quá trình nạp
2.2.1.1. Hệ số nạp (𝜂 ) v T P 𝜂 k a − v= 1 . .
.[ ε.λ λ .λ ( Pr )1m]
ε−1 T + ΔT P 1 t 2 P k k a ¿ 1 302 0 ,08 91 × ×
. [13,5×1,05−1,15×1×( 0.11 ) 11,5]=0,8538 13,5−1 302+18 0 , 1012 3 0.08 91
m là chỉ số giản nở đa biến trung bình của khí sót. Chọn m =1,5
2.2.1.2. Hệ số khí sót (γ) λ + ΔT) P 1
γ = 2.( Tk . r . r T P
ε . λ −λ . λ .¿ ¿ r a 1 1 2 λ P T 1 0,1 1 302 γ = 2 . r . k = × × = 0,0323 r (ε−1). η P T
(13,5−1) × 0,8 538 0,101 23 950 v k r
2.2.1.3. Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta P ( m−1)
(T + ΔT )+λ .γ .T .( a ) m k t r r P T = r a 1+γ r (1,5−1 ) 1,5
= (302+18 )+1,15×0,0323×950×( 0,0891 ) 0,12 = 341,89o K 1+0,0 323 2.2.2 Quá trình nén
2.2.2.1. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới: b
m c =a + v . T =19,806+ 0,00419 . T v v 2 c 2 c
2.2.2.2. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm chạy:
Động cơ xăng, 0,7 < α= 0,9 <1
m c =(17,997+3,504 α )+ {1} over {2} (360,34+252,4 α ). {10} ^ {-5} . v
m c = 21,1506+2,9375. {10} ^ {-3} . v (kJ/kmol0K)
2.2.2.3. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén
m c' =m c + γ . mc } over {1+ {γ} rsub {r}¿ v v r v −3
19,806+ 0,00419×T +0,0 323× 21,1506+0,0 323 ×2,9375 ×10 × T ¿ 2 1+0,0 323
= 19,8481 + 2,1214.10-3.T (kJ/kmol K) 0 ' Ta có: b
m c ' =a '+ v .T = 19,8481 + 2,1214.10-3.T v v 2 c
=> a ' = 19,8481 và b '= 4,2428.10-3 v v
2.2.2.4. Tỷ số nén đa biến trung bình n1 n −1= 8,314 1 b ' ' v − a + .T .( εn 1 1 +1) v 2 a n −1= 8,314 1
19,8 481+ 2, 1214 × 10−3× 341 ,89 (1 3,5n −1 1 +1 ) => n1 = 1,39
2.2.2.5. Áp suất quá trình nén P =P . εn1 c a
P =0,0 891 . 13,51,3 9= 3,318 (MN/m2) c
2.2.2.6. Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc T =T . ε n −1 1 c a
T =341 ,89 × 13,51,39−1 = c 943,45o K 2.2.3 Quá trình cháy
2.2.3.1. Lượng không khí lý thuyết cần để đốt chạy 1kg nhiên liệu Mo Động cơ xăng
M = 1 . ( C + H − O ) o 0,21 12 4 32
M = 1 .(0,855 + 0,145− 0 )=0,512(kmolkk) o 0,21 12 4 32
Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg xăng M0= 0,516 kmol kk
2.2.3.2. Lượng không khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M1 Động cơ xăng
M =α . M + 1 =0,9 ×0,516+ 1 =0,4733( kmol kk ) 1 0 μn . l 112 Chọn μn.l = 112 kg/kmol
2.2.3.3. Lượng sản vật cháy M2
α =0,9 < 1, M2 được tính theo công thức
M = ( C + H +0,79.α . M )=(0,855+ 0,145 +0,9×0,79×0,516)=0,5106kmol SCV /kgnl 2 12 2 0 12 2
2.2.3.4. Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết βo M SCV β =
2 =0 , 5106=1 , 0787(kmol nl ) o M 0,4733 kg 1
2.2.3.5. Hệ số biến đổi thực tế β β −1 − β=1+ 0
=1+ 1 , 0 787 1=1 , 0763 1+ γ 1+ 0,0323 r
2.2.3.6. Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm βz ξ
X = z = 0,8 2=¿8,911 z ξ 0,9 b β −1 ξ − 0,82 β =1+ 0
. z =1+ 1, 0787 1 . =1 , 069 z 1+γ ξ 1+ 0,0 323 0,9 r b
2.2.3.7. Tổn thấy nhiệt do cháy không hoàn toàn 𝜟QH
Δ Q =120. 103 ( 1−α ) M =120. 103.( 1−0,9).0,516=6192( KJ / kg .nl ) H . 0
2.2.3.8. Tỷ nhiệt mol đẳng tính trung bình của môi chất tại điểm Z
m c = {{M} rsub {2} left ({X} rsub {z} + {{γ} rsub {r}} over {{β} rsub {0}} right ) . overline {m {c} rsub {zv zv
m c ' = 19,8481 + 2,1214.10-3.T vz
m c =19,806+ 0,00419 . T vz 2 z
0 ,5106 .(0,911+ 0,0323 ).(19,8481+2,1214.10−3.T )+0,4733.(1−0,911).(19,806+ 0,00419 .T ) 1 , 0787 z 2 z m c = zv
0 ,5106 .(0,911+ 0,0323 )+0,4733 (1−0,911) 1 ,0787 = 19,8447 + 2,119.10-3.Tz
2.2.3.9. Nhiệt độ cuối quá trình Tz
Đối với động cơ xăng được tính theo công thức:
ξ .(Q −Δ Q ) z H
H +m c' . T =β . m c' ' .T M .(1+γ ) v C z vz z 1 r QH = 42530 (KJ/kg)
Trong đó m c ': tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm C của hỗn hợp khí nén vc
m cvz : tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm Z của sản vật cháy
ξ .(Q −V .Q ) z H H + ' ' '
m c . T =β . m c .T M .(1+ γ ) v C z vz z 1 r
0,8 ×(4 2530−6192)+(19,8481+2,1214×10−3×943,45 )×943,45=1,0695.(19,8847+2,119×10−3×T ) 0,4733×(1+0,0 323) z => 30,11.T -3 2
z + 2,2667.10 .T = 115515,27 z
=> Giải Phương trình bậc 2, ta được Tz = 3108,36 (K) 2.2.3.10.
Áp suất cuối quá trình cháy Pz T Động cơ xăng: P z 3108,36 2 z= β .
. P =1 , 0695. . 3,318=11,69 (MN/m ) z T c c 943,45
Ở động cơ xăng λ được tính bằng công thức: T 3108,36
λ=β . z =1 ,0695 . =3 ,52 z T 943,45 c 2.2.4 Quá trình giãn nở
2.2.4.1. Tỷ số giãn nở đầu ρ Động cơ xăng: ρ = 1
2.2.4.2. Tỷ số giản nở sau  ¿ ε = 13,5
2.2.4.3. Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2
Ở nhiệt độ từ 1200-2600 (K), sai số của của tỷ nhiệt không lớn lắm, do đó ta có thể
xem a' =a' ;b =b và β=β , ta có: vb vz b z z 8,314
(ξ −ξ ).Q b z H
+a } + {{b} rsub {z} rsup { M . ( vz
1+❑ ). β .(T −T ) n −1= 1 r z b + )¿ 2 .( T T 2 z b ¿ 8,314 (0,9−0,82).4 2530
+19,8 44 + 4,2 38.10−3 .(3108,36+ 3108,36 ) 2 −1
0,4733. (1+0,0 323) .1 , 078 .(3108,36−3108,36) 11n2 1 3,5n −1 2
Giải Phương trình trên, ta tìm được: n2 = 1,25
2.2.4.4. Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb T T = z = 3108,36 =1621,62(K ) b ❑(n −1) 2 13,5(1,25−1)
2.2.4.5. Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb P P =
z = 11,69 =0,4 5(MN /m2) b ❑n2 13,51, 5
2.2.4.6. Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr
T =T (Pr )m−1m=1621,62.(0,11)1,5−1 1,5 =1012,504 (K ) r b P 0,4 5 b 2.2.4.7. Sai số khí sót
𝜟Tr: chên lệch độ khí sót tính toán và chọn ban đầu
Δ T r =1012,504−950=6,5% T 950 r STT Thông số Giá trị Đơn vị 1 n 5500 Vòng/phút 2 𝑁𝑒 98 kW 3 𝜀 13,5 4 S Mm 5 B Mm 6 𝑇𝑜 302 K 7 ∆𝑇 18 K 8 𝜆1 1,05 9 𝜆𝑡 1,15 10 𝜑𝑑 0,95 11 𝛾𝑟 0,0323 12 𝜂𝑣 0,853 13 𝜉𝑏 0,9 14 𝜉𝑧 0,82 15 𝑛1 1,37 16 𝑛2 1,25 17 𝑇𝑟 950 K 18 𝑇𝑎 341,89 K 19 𝑇𝑐 943,45 K 20 𝑇𝑧 3108,36 K 21 𝑇𝑏 1621,62 K 22 𝑝𝑜 0,10123 MN/m2 23 𝑝𝑎 0,089 MN/m2 24 𝑝𝑟 0,11 MN/m2 25 𝑝𝑐 3,31 MN/m2 26 𝜆 3,52 27 𝑝𝑧 11,69 MN/m2 28 𝑝𝑏 0,4 MN/m2 29 𝛼 0,9