Tính Toán Động Cơ Diesel | Đồ án môn nguyên lý Động cơ – Khoa cơ khí động lực Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ
TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ DIESEL
GVHD: TS. NGUYỄN VĂN TRẠNG
SVTH: TRẦN QUỐC THỊNH MSSV: 21145284
MÃ LỚP HỌC: SPAE310730_23_2_11CLC
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT TP.HCM NAM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BỘ MÔN ĐỘNG CƠ
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Họ và tên Sinh viên: Trần Quốc MSSV: 21145284 Thịnh Số liệu ban đầu
Loại động cơ: Động cơ diesel Số kỳ,τ: 4
Công suất có ích, P (kW ): 60 kW max
Số vòng quay, n (vòng/phút): 2600
Tỉ số nén, ε: 18,5 Số xylanh i: 4
Nội dung thuyết minh
2.1. Tính toán nhiệt và xây dựng giản đồ công chỉ thị động cơ.
2.2. Tính toán động lực học cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền.
Nội dung bản vẽ
3.1. Bản vẽ đồ thị công chỉ thị P – V.
3.2. Bản vẽ đồ thị P – , PJ, P1.
3.3. Bản vẽ đồ thị quảng đường Sp, vận tốc Vp, gia tốc Jp của piston.
3.4. Bản vẽ đồ thị T , . ( Z φ) (φ )
3.5. Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu (T−Z¿.
Ngày giao nhiệm vụ: Tuần 27.
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Tuần 38.
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH
(Ký và ghi rõ họ tên) TS. Nguyễn Văn Trạng PHỤ LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Đồ thị P-V..............................................................................................22
Hình 2. Sơ đồ động học cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền...................23
Hình 3. Đồ thị chuyển vị của piston.........................................................24
Hình 4. Đồ thị vận tốc của piston...........................................................25
Hình 5. Đồ thị gia tốc của piston............................................................26
Hình 6. Bảng 2-1 giáo trình Động cơ đốt trong 2, trang 23............27
Hình 7. Đồ thị các lực Pkt, Pj, P1................................................................29
Hình 8. Đồ thị lực tác dụng dọc tâm thanh truyền..............................30
Hình 9. Đồ thị lực ngang N............................................................................31
Hình 10. Đồ thị lực tiếp tuyến T làm quay trục khuỷu...................32
Hình 11. Đồ thị pháp tuyến Z gây uốn trục khuỷu..........................33
Hình 12. Đồ thị Momen quay trục khuỷu.................................................34
Hình 13. Đồ thị phụ tải tác dụng lên bên mặt chốt khuỷu...........35
PHỤ LỤC BẢNG BIỂU
BQng 1. Thông số tự chọn.....................................................................................5
BQng 2. Góc phun dầu và góc đóng mở xupap...................................................14
BQng 3. Các điểm hiệu chỉnh..............................................................................19
BQng 4. Thông số tính toán nhiệt........................................................................20 MỤC LỤC
PHẦN 1: TÍNH TOÁN NHIỆT..........................................................1 1.1.
CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN NHIỆT..............................1
1.1.1. Áp suất không khí nạp (P0).............................................................................1
1.1.2. Nhiệt độ không khí nạp mới (T0)..........................................................................1
1.1.3. Áp suất khí nạp trước xupap nạp (Pk)................................................................1
1.1.4. Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp.......................................................................1
1.1.5. Áp suất cuối quá trình nạp (𝑷𝒂)............................................................................2
1.1.6. Áp suất khí sót (Pr)....................................................................................................2 1.1.7.
Nhiệt độ khí sót (Tr)..................................................................................................2
1.1.8. Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (𝜟𝑻)......................................................................2
1.1.9. Hệ số nạp thêm (λ1)..................................................................................................3
1.1.10. Hệ số quét buồng cháy (λ2)...............................................................................3
1.1.11. Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (λt)..............................................................................3
1.1.12. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ)................................................................3
1.1.13. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb)................................................................4
1.1.14. Hệ số dư lượng không khí (α)............................................................................4
1.1.15. Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (φd).............................................................4
1.1.16. Tỷ số tăng áp (λ)....................................................................................................4 1.2.
Tính toán nhiệt.....................................................................................6
1.2.1. Quá trình nạp..............................................................................................................6
1.2.2. Quá trình nén..............................................................................................................7
1.2.3. Quá trình cháy............................................................................................................8
1.2.4. Quá trình giãn nở.....................................................................................................10 1.3.
Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình.............................11
PHẦN 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC
KHUỶU – THANH TRUYỀN..........................................................23 2.1.
Động học của pison............................................................................23
2.1.1. Chuyển vị của piston..............................................................................................23
2.1.2. Tốc độ piston.............................................................................................................24
2.1.3. Gia tốc piston............................................................................................................25 2.2.
Động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền......................26
2.2.1. Lực khí thể pkt............................................................................................................26
2.2.2. Lực quán tính của các chi tiết chuyển động..................................................27
2.2.3. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền............................29
2.2.4. Lực dọc tâm thanh truyền và lực ngang N.....................................................29
2.2.5. Lực tiếp tuyến T.......................................................................................................31
2.2.6. Lực pháp tuyến Z.....................................................................................................32
2.2.7. Moment quay trục khuỷu của một xylanh......................................................33
2.2.8. Phụ tải tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu.........................................................34
PHỤ LỤC CODE MATLAB............................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................41
PHẦN 1: TÍNH TOÁN NHIỆT
1.1. CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN NHIỆT
1.1.1. 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 P0 càng giảm do
không khí càng loãng, tại độ cao so với mực nước biển: P0 = 0,1 MN/m2
1.1.2. 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
1.1.3. Áp suất khí nạp trước xupap nạp (Pk)
Động cơ 4 kỳ không tăng áp: P 2 k = 0,1 MN/m
1.1.4. Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp
Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: 1
T =T =30 2 ° K k 0
1.1.5. 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 = 0,1 MN/m2 𝑃a = 0,8 . 0,1 = 0,08 MN/m2
1.1.6. 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 = 0,104 Mpa
1.1.7. 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 = 900 K
1.1.8. 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 2
người ta thường chọn trị số ΔT căn cứ vào số liệu thực nghiệm.
Đối với động cơ diesel chọn: ∆T = 20oC
1.1.9. 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
1.1.10.Hệ số quét buồng cháy (λ2)
Đối với động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy chọn: 𝜆2 = 1
1.1.11.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 = 1,55 thì chọn: λt = 1,11
1.1.12.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 3
thuộc vào chu trình công tác của động cơ.
Đối với động cơ diesel chọn: ξZ = 0,65
1.1.13.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
1.1.14.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, hệ số
dư lượng không khí chọn: α = 1,55
1.1.15.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 chọn: φd = 0,9 4
1.1.16.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 = 1,7
Bng 1. Thông số tự chọn Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị Áp suất không khí nạp P0 0,1 MN/m2
Nhiệt độ không khí nạp mới T0 302 K Áp suất khí nạp trước Pk 0,1 MN/m2 xupap nạp
Nhiệt độ khí nạp trước Tk 302 K xupap nạp
Áp suất cuối quá trình nạp 𝑃a 0,08 MN/m2 Áp suất khí sót Pr 0,104 Mpa Nhiệt độ khí sót Tr 900 K
Độ tăng nhiệt độ khi nạp ∆T 20 oC mới Hệ số nạp thêm 𝜆1 1,05 Hệ số quét buồng cháy 𝜆2 1
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt 1,11 5
Hệ số lợi dụng nhiệt tại ξZ 0,65 điểm z
Hệ số lợi dụng nhiệt tại ξb 0,9 điểm b
Hệ số dư lượng không khí α 1,55
Hệ số điền đầy đồ thị công φd 0,9 Tỷ số tăng áp λ 1,7 6
1.2. 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.
1.2.1. Quá trình nạp
1.2.1.1. Hệ số nạp
Trong đó: m – là chỉ số đa biến trung bình của không khí. Chọn m = 1,5 30 2 0,0 8 η = 1 ⋅ ⋅
⋅[18,5⋅1,05−1,11⋅1⋅(0,104 )11,5]≈0,78 V 18 ,5−1 302+20 0,1 0,0 8
1.2.1.2. Hệ số khí sót λ P T 0,10 4 3 02 γ = 2 ⋅ r ⋅ K = 1 ⋅ ⋅ ≈ 0,03 r
(ε−1 ) ⋅η P T (1 8,5−1 )⋅ 0,1 9 00 v k r 0,7 8 7
1.2.1.3. Nhiệt độ cuối quá trình nạp
( T + ΔT)+λ ⋅γ ⋅T ⋅( Pa)m−1m K t r r Pr T = a 1+γ r
(302+20) +1,11⋅0,03 ⋅900 ⋅( 0,08 )1,5−1 1,5 0,104 ¿ ≈ 339 K 1+0,03 1.2.2. Quá trình nén
1.2.2.1. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới b
m c =a + V ⋅ T =
⋅ T( kJ / kmo lo K ) V V 19,806+ 0,00419 2 2
1.2.2.2. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy
Khi α > 1 tính cho động cơ diesel theo công thức sau:
m c = left (19,867 + {1,634} over {α} right ) + {1} over {2}
⋅ left (427,38 + {184,36} over {α} right ) ⋅ {10} V Thay số vào ta được:
m c = left (19,867 + {1,634} over {1,5 5} right ) + {1} over {2}
⋅ left (427,38 + {184,36} over V ¿
1.2.2.3. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén
m c ' =m c + γ ⋅ m c } over {1+ {γ} rsub {r}} = {left (19,806 + {0,00419} over {2} T ⋅ right ) + 0,03 ⋅ left (2 V V r V ¿ Ta có: Do đó: a' = ' = V 19,84 v à b 4,2 2.10−3 V
1.2.2.4. 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… 8
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:
1.2.2.5. Áp suất quá trình nén P =P ⋅ε n1= c a
0,08 ⋅ 18 ,51,37=4,36 (MN / m2 )
1.2.2.6. Nhiệt độ cuối quá trình nén
T =T ⋅ εn −1 1
=33 9 ⋅18 ,51,37−1=9 98( K ) c a
1.2.3. Quá trình cháy
1.2.3.1. 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 = 0,004•nên thay
vào công thức tính M •ta được: o
M = 1 .(0,870+ 0,126 −0,004) 0 21 12 4 32
M =0,4357[kmol kk / kg . nl] o
1.2.3.2. Lượng khí nạp thực tế vào xylanh M1
M =α . M =1,5 5 . 0,4357=0,6 8[kmol kk / kg . nl] 1 0
1.2.3.3. Lượng sản vật cháy M2 9
Do α=1,55>1 nên tính M2 theo công thức sau:
M = O + H + α . M = 0,870 + 0,126 +1,5 5. 0,4357 2 32 4 0 32 4
¿ 0 , 71[kmol SCV /kg .nl]
1.2.3.4. Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết β0 M β = 2 = 0,7 1=1,04 0 M 1 0,6 8
1.2.3.5. Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β β −1 β=1+ 0
=1+1,0 4−1 ≈ 0 , 96 1+ γr 1+0,0 3
1.2.3.6. Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm βz β −1 − β =1+ 0
. χ =1+ 1,0 4 1 .( 0,65)≈1,03 z 1+γ z r 1+0 , 03 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 ,65 z ξb 0 ,9
1.2.3.7. Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn ∆𝑸H
Đối với động cơ diesel vì 𝛼 > 1 nên ∆Q =¿0 H
1.2.3.8. 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 0 mc ' ' = vz γ
M (x + r )+M (1−x ) 2 z β 1 z 0 0 ,65
0,7 1.( 0,65+0,03). (19,84+2,11.10−3.T )+ −3 0,6 8 .(1–
).(19,806+2,095.10 .T ) 0,9 1,0 4 z 0 , 9 z ¿
0,7 1 .( 0,65+0,03 )+0,68.(1−0,65 ) 0 , 9 1,0 4 0 , 9
¿ 19,83+2,11 .10−3 .T z 10
1.2.3.9. 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 c z vz z 1 (1+γ )r 0 , 65.42530 ⇔
+ (19,84+2,11.10−3.9 98+8,314.1,7 ) .998 0,6 8 . ( 1+0,0 3) ¿ −
1,03. (19,83+2,11.10 3 .T + ).T z 8,314 z
⇒ T =223 1[° K ] z
1.2.3.10. Áp suất cuối quá trình cháy Pz
P =λ . Pc=1 ,7 . 4,36=7,412[ MN / m2] z
1.2.4. Quá trình giãn nở
1.2.4.1. Tỷ số giãn nở đầu Động cơ diesel: β T 22 31 ρ= z . z =1,03 . ≈ 1,35 λ T C 1 , 7 9 98
1.2.4.2. Tỷ số giãn nở sau Động cơ diesel:
δ = ε = 18,5 ≈ 13 ,7 ρ 1,35
1.2.4.3. Xác định tỷ số giãn nở đa biến trung bình n −1= 8,314 2
(ξ −ξ ).Q b z h b ' ' + a' ' + z .(T +T )
M . (1+γ ). β . (T −T ) vz 2 z b 1 r z b ¿ 8,314
(0 , 9−0 ,65).42530 + 2231
19,83+ 2,11 .10−3 .(2231+ ) 13,7n −1 2
0,6 8 . ( 1+0,0 3) .0 , 96 (2231− 2231 ) 13,7n −1 2 ⇒ n =1 ,18 2 T z Trong đó: T =
b δ(n¿¿2−1)= 2231 ¿ 13,7n −1 2 11
1.2.4.4. Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb T T = z = 2231 ≈ 1393[ ° K ] b δ n −1 2 13,71,18−1
1.2.4.5. Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb p
p = z = 7,412 =0 ,34 [ MN / m2] b δ n2 13,71,18
1.2.4.6. Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr −
T =T . (pr )m−1m=1393. (0,104 )1,5 1 1,5 ≈ 939 [ ° K] r b p 0 , 34 b
1.2.4.7. Sai số khí sót Δ T | r − | = 900 939 =4,3 %<15 % T 900 r
1.3. Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình
1.3.1. 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 4,36
1,35. 1 ,7 .0 , 96 1 1 1 ¿
. [1,7(1,35−1) + .(1− )− (1− )] 18,5−1 1,1 8−1 13,71,18−1 1,37−1 18,51,37−1
≈ 0,85[ MN / m2]
1.3.2. Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi p =φ . p'= i d i
0,9. 0,85=0,765[ MN / m2]
1.3.3. Hiệu suất cơ giới η m
Đối với động cơ diesel chọn: η =0,8 2 m
1.3.4. Áp suất tổn thất cơ khí pm
p =(1−η ). p =( 1−0 , 82). 0,765=0,14 m m i
1.3.5. Áp suất có ích trung bình ηm 12 p = − p = e pi m
0,765−0,1 4=0,6 25[ MN /m2]
1.3.6. 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
0,6 8 . 0,765 .3 02 η =8,314. 1 i k =8,314. ≈ 0,39 i Q . p .η H k v 42530. 0,1. 0 ,78
1.3.7. Hiệu suất có íchηe M . p . T
0,6 8 . 0,625. 3 02 η =8,314. 1 e k =8,314. ≈ 0 , 32 e Q . p . η H k v 42530. 0,1.0 , 78
1.3.8. Tính suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi g = 3600 = 3600
=0 , 22[kg/kWh] i Q . η 42530. 0,3 9 H i
1.3.9. Tính suất tiêu hao nhiên liệu (g ): e g = 3600 = 3600
=0 , 26[kg /kWh] e Q . η 42530.0 , 32 H e
1.3.10. Tính thông số kết cấu của động cơ
 Thể tích công tác 1 xylanh V : h 30. τ . N V = e = 30.4 . 60
=1,152[lít]=1152[cm3] h P . n .i 0,625 .2500 . 4 e e  Thể tích buồng cháy: V V =
h = 1 , 152 =0,0658 [lít]= c 6 5 , 8[ cm3] ε −1 18,5−1  Thể tích toàn bộ: 13