(Tiểu luận) bài tập lớn môn học tính toán động cơ đốt trong tính toán nhiệt và xây dựng đồ thị công p v, tính toán động học và động lực học của cơ cấu piston khuỷu trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI TẬP LỚN
Mơn học: TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Tên nhóm: Nhóm 5
GVHD : Nguyễn Văn Trạng
HVTH : Huỳnh Quang Thảo. MSSV: 12145163
Nguyễn Thành.

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2015

0

0

Tieu luan

MSSV:12145156


ĐỀ BÀI
Dựa vào các thông số động cơ đã cho bên dưới, tính tốn nhiệt và xây dựng đồ thị cơng
P-V, tính tốn động học và động lực học của cơ cấu Piston- Khuỷu trục- Thanh truyền, vẽ
đồ thị chuyển vị, vận tốc và gia tốc piston, dồ thị biểu diễn các lực tiếp tuyến T, lực pháp
tuyến Z, lực ngang N và đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên trục khuỷu.
Các thông số động cơ:
-

Kiểu động cơ: Động cơ xăng, piston kiểu giao tâm.

-

Công suất: 60 kw.

-

Tỷ số nén ε =8,2.

-

Số vòng quay: 2400 v/ph.

-

Số xi lanh: 4.

0

0

Tieu luan


PHẦN 1: TÍNH TỐN NHIỆT.
Bảng số liệu ban đầu của ĐCĐT
Các số liệu của phần tính tốn nhiệt
TT Tên thơng số

Ký hiệu

Giá trị

Đơn
vị

1

Kiểu động cơ

2

Số kỳ



4

kỳ

3

Số xilanh

i

4

-

4

Góc mở sớm xupáp nạp

1

20

độ

5

Góc đóng muộn xupáp nạp

2

45

độ

6

Góc mở sớm xupáp xả

1

55

độ

10

Góc đóng muộn xupáp xả

2

30

độ

13

Cơng suất động cơ

Ne

60

kw

14

Số vịng quay động cơ

2400

v/ph

16

Tỷ số nén

n


Ghi chú

Đ/cơ Xăng,
khơng tăng áp

8.2

A- CÁC THƠNG SỐ CẦN CHỌN:
1) Áp suất môi trường p0
Áp suất môi trường p0 là áp suất khí quyển. Với động cơ khơng tăng áp ta có áp
suất khí quyển bằng áp suất trước xupap nạp nên ta chọn:
Pk= P0 = 0,1 (Mpa)
2) Nhiệt độ môi trường T0
Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm. Với động
cơ khơng tăng áp ta có nhiệt độ mơi trường bằng nhiệt độ trước xupap nạp nên:
T0 = 270C = 300 0K
3) Áp suất cuối quá trình nạp pa

0

0

Tieu luan

Áp suất cuối quá trình nạp p a với động cơ khơng tăng áp ta có thể chọn trong
phạm vi:
Pa = (0,8 – 0,9)p0 = 0,9.p0 = 0,09.0,1 = 0.09 (MPa)
4) Áp suất khí thải pr:
Áp suất khí thải pr có thể chọn trong phạm vi:
pr = (1,05-1,12).pk = 1,10.pk = 1,10.0,1 = 0,110 (MPa)
5) Mức độ sấy nóng mơi chất
Mức độ sấy nóng mơi chất chủ yếu phụ thuộc vào loại động cơ Xăng hay Diesel.
Với động cơ Xăng ta chọn:

6) Nhiệt độ khí sót (khí thải) Tr:
Nhiệt độ khí sót Tr phụ thuộc vào chủng loại động cơ. Thơng thường ta có thể
chọn:
Tr = (700 – 1000) = 900
7) Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt :t
Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt t được chọn theo hệ số dư lượng khơng khí



= 0,85 -

0.92 để hiệu đính:

 = 0,88
t

= 1.15

8) Hệ số quét buồng cháy 2:

Với các động cơ không tăng áp ta thường chọn hệ số quét buồng cháy 2 là:
2

=1

9) Hệ số nạp thêm 1:
Hệ số nạp thêm

1

phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí. Thơng thường ta có thể

chọn:
1

= (1,02 – 1,07) = 1.03

0

0

Tieu luan


z

10) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z

:



Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z z phụ thuộc vào chu trình cơng tác của động cơ.
Với các loại động cơ Xăng ta thường chọn:

 z 0,85 0,92  0,80

b

11) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b

:

b

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b
Với các loại động cơ Xăng ta chọn:

tuỳ thuộc vào loại động cơ Xăng hay Diesel.

b 0,85 0,95  0,9
d :

12) Hệ số hiệu đính đồ thị cơng

Hệ số hiệu đính đồ thị cơng
các động cơ Xăng ta chọn:

d phụ thuộc vào loại động cơ Xăng hay Diesel. Với

d 0,92 0,97 0,97
B- TÍNH TỐN CÁC QUẤ TRÌNH CƠNG TÁC:
I.Tính tốn q trình nạp:

1) Hệ số khí sót
Hệ số khí sót

r 

r

r :
được tính theo cơng thức:

2 .(Tk   T ) pr
. .
Tr
pa

1
p 
 .1  t .2 .  r 
 pa 

1
 
m

Trong đó m là chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót có thể chọn:

m 1, 45 1,5 1,5
Thay số vào cơng thức tính

r

ta được:

0

0

Tieu luan


r 

r

1.(300  20) 0,110
.
.
900
0,09

1
 0,110 
8, 2.1, 03  1,15.1.

 0,09 

 1 


 1,5 

0,0742

nằm trong khoảng giá trị (0,05÷0,15)

2) Nhiệt độ cuối q trình nạp
Nhiệt độ cuối q trình nạp

Ta

:

Ta được tính theo cơng thức:
 m 1 
 m 


 p 
 Tk   T   t .r .Tr . a 
 pr 
Ta 
1  r

Thay số vào cơng thức tính

Ta

ta được:
 1,5 1 
1,5 

0,09  
 300  20  1,15.0,0742.900.

 0,110
Ta 
1  0,0742

 365(K )

Đốối vớ i độ ng cơ xăng, nhiệ t độ khí nạ p Ta = (340 ÷400)k

3) Hệ số nạp
Hệ số nạp

v

:

 v được xác định theo công thức:
1

 
 pr  m  
1
Tk

pa 
.
. .  .1  t . 2. 
v 

  1 (T k  T ) p k 
pa  




Thay số vào cơng thức tính

 v ta được:

 1 



 0,11   1,5  
1
300
0, 09 
v 
0,836
.
.
. 8, 2.1, 03  1,15.1. 



8, 2  1  300  20  0,1 
 0, 09 



4) Lượng khơng khí lí thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu

0

0

Tieu luan

M0

:


Lượng khơng khí lí thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu
cơng thức:
M0 

M0

được tính theo

1  C H O
 
.
0, 21  12 4 32 

Đối với nhiên liệu của động cơ Xăng ta có: C 0,855; H 0,145; O 0
nên thay vào cơng thức tính

M0

ta được:

M 0 0,512(kmol / kg.nl )
5) Lượng khí nạp mới
Lượng khí nạp mới

M1 :

M1

được xác định theo công thức:
M 1 .M 0 

1
 nl

Trong đó: µnl = 114

M 1 0,88.0, 512 

6)Lượng sản vâtkcháy

1
 0, 459(kmol / kg .nl )

114

M 2 : <1

0,855 0,145
C H

 0, 79.0,88.0, 512 0, 499(kmol / kg .nl )
M 2    0, 79. .M 0 
12 2
12
2
II. Tính tốn q trình nén:
V)

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khơng khí:

mc v a v'  bv' .T 19,806  0,00209.T ( kJ / kmol.do)
2) Chỉ số nén đa biến trung bình
Chỉ số nén đa biến trung bình

n1

n1 :
được xác định bằng cách giải phương trình:

8, 314
n1  1  '
n
'

a v  bv .Ta .  1  1 1

0

0

Tieu luan


Thay các giá trị n 1 vào hai vế của phương trình cho đến khi cân bằng 2 vế (sai số
cho phép 0,2%) ta được:
Vơi

n1 1,37
n1  1 

8, 314
8, 314

0,37075
n1  1
a  b .Ta .   1  19,806  0, 00419 .365. 8, 2n1  1  1


2
'
v

'
v

V yậta có sai sốố gi ữ
a 2 vếố củ a phương trình là:

 n1 

0.37075  0.37
100%  0.198%  0.2%
0.37

3) Áp suất cuối quá trình nén
Áp suất cuối q trình nén

pc

pc

:

được xác định theo cơng thức:

pc  pa . n1
Thay số ta xác định được:

p c 0,09.8, 21,37 1,61(MPa )
4) Nhiệt độ cuối quá trình nén
Nhiệt độ cuối q trình nén

Tc

Tc

:

được xác định theo cơng thức:

Tc Ta . n1  1
Thay số ta được:

Tc 365.8, 21,375 1 795(K )
III. Tính tốn q trình cháy:
V)

Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết

Ta có hệ số thay đổi phân tử lí thuyết

0

0 :

 0 được xác định theo cơng thức:

0

Tieu luan


0 

M 2 0, 499

 1, 08
M 1 0, 459

2) Hệ số thay đổi phân tử thực tế  :
Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế  được xác định theo công thức:

 

0  r
1  r

Thay số ta xác được:

1,08  0,0742

1,074
1 0,0742
3) Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z

z :

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z,

z 1 

 z được xác định theo công thức:

0  1

. z
1  r

Trong đó ta có:

 0,8
0,889
z  z 
 b 0,9
Thay số ta được:

 z 1 
4) Nhiệt độ tại điểm z

1,08 1
.0,889 1,066
1 0,0742

Tz :

Đối với động cơ Xăng, nhiệt độ tại điểm z
phương trình sau:

Tz được xác định bằng cách giải

(**)
Trong đó:

QH

là nhiệt trị thấp của nhiên liệu Xăng ta có:

0

0

Tieu luan

QH  44000(kJ / kg .nl )


là nhiệt lượng tổn thất do nhiên liệu cháy không hết khi đốt 1kg nhiên liệu.trong
điều kiện α<1 xác định như sau:

Q 120.103. (1  ).M o 120.103.  1 0.88  .0,512  7372 (KJ / kg .nl )
mcvz' là tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy được xác định theo công

thức:
 mcvc'' 19806 

4,19
4,19.795
.Tc 19806 
 21471,5(J / kmol .K )
2
2

Tỉ nhiêtkmol đẳng tích trung bình của htn hợp cháy cuối quá trình nén:
 mc vc'' 

( mcv ) c ( mc"v) c. r 21471,5 23395,8.0, 0742

21604, 4( J / kmol. K)
1  r
1  0,0742

Tỉ nhiêtkmol đẳng tích trung bình của khí sót:

bvz''
1
3
5
/
mc a  .Tz (17,997  3,504.0,88).10  .(360,34 252,4.0,88)10 .795 23395,8(J kmol
K.
2
2
'
vc

''
vz

Tỉ nhiêtkmol đẳng tích trung bình của sản phvm cháy tại điểm z:
''

mcvz''  avz'' 

bvz
1

.Tz  (17,997  3,504.0,88) .(360,34 252,4.0,88)10 5 T. z
2
2

Thay các giá trị vào phương trình (**) ta tính được:
Tz =2525,3(K)
5) Áp suất tại điểm z: (

pz )

Ta có áp suất tại điểm z được xác định theo công thức:

p z  . p c
Trong đó λ là hệ số tăng áp :

  z .

0

Tz
Tc

0

Tieu luan


Thay số ta được:
T
2525,3

p z  z . z .Pc 1, 066.
.1, 61 5, 45(MPa )
Tc
795

IV. Tính tốn q trình giãn nở:
1) Hệ số giãn nở sớm  :
Hệ số giãn nở sớm  được xác định theo công thức sau:



 z.T z
.Tc

Với động cơ xăng ta có: ρ =1
2) Hệ số giãn nở sau  :
Ta có hệ số giãn nở sau  được xác định theo công thức:






Với động cơ xăng :

  8, 2
3) Chỉ số giãn nở đa biến trung bình

n2

:

Ta có chỉ số giãn nở đa biến trung bình
bằng sau:
n 2  1

Trong đó:

n2 được xác định từ phương trình cân
8, 314

  b   z .Q H
b'
 a'vz  vz . Tz  Tb 
2
M 1. 1  r  .  .  Tz  Tb 

Tb là nhiệt trị tại điểm b và được xác định theo công thức:
T
T
Tb  n z2  1  n 2z 1



QH*: là nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
Với động cơ xăng :

0

0

Tieu luan


*
QH Q H  QH 44000  7372 36528(kJ / kg .nl )

Thế vào ta được:
8, 314

n2  1 

 0, 9  0,8 .36528
2525, 3 

0, 459. 1  0, 0742 .1, 074. 2525, 3 
8, 2n2  1 


 21, 08 

0, 0058 
2525, 3 
. 2525, 3 
2
8, 2 n2  1 


Thay các giá trị n 2 =(1,23-1,27) vào 2 vế phương trình đến khi cân bằng 2 vế với
sai số <2%.

Thay n2 = 1,23 ta tính dược vế phải phương trình bằng 0.23045
Vậy sai số giữa 2 vế phương trình là:

 n2 

0.23045  0.23
100%  0.195%  0.2%
0.23

4) Áp suất cuối quá trình giãn nở
Áp suất cuối quá trình giãn nở

pb

:

p b được xác định trong công thức:
pb 

pz
 n2

Thay số vào ta được:

5, 45
pb  1,23 0,409( MPa)
8, 2
Pb = (0,34 ÷ 0.45) Mpa

5) Tính nhiệt độ cuối q trình giản nở Tb:

Nhiệt độ cuối q trình giản nở được tính theo cơng thức:

T
2525,3
Tb  nz 1  1,23 1 1556,4( K)
2
8, 2

Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr:
Điếều kiện:

0

0

Tieu luan


Tr  10%Tr
0,11
Pr mm 1
)
Tr Tb ( ) 1556, 4.(
Pb
0,409

1,5  1
1,5

1000(K)

 Tr 1000  900

10%
Tr
1000
V. Tính tốn các thơng số chu trình cơng tác:
1) áp suất chỉ thị trung bình

p'i :

Với động cơ Xăng áp suất chỉ thị trung bình

p'i được xác định theo cơng thức:

Trong đó:

pc  pa . n1

Trong đó λ là hệ số tăng

áp :

pz . pc

=>

pz 5.45

3.38

pc 1.61

Thay số vào công thức trên ta được:
pi'  0,09.

1,37

8, 2  3, 38
1
1
1
(1 
)
(1 
)  0,932( MN / m2 )
1,23
1,37

8, 2  1  1, 23  1
8, 2  1 1, 37  1
8, 2  1 

2) Áp suất chỉ thị trung bình thực tế

pi :

Do có sự sai khác giữa tính tốn và thực tế do đó ta có áp suất chỉ thị trung bình
trong thực tế được xác định theo cơng thức:

p i p i'.d

Với φđ = 0,97

0

0

Tieu luan


Thay số vào công thức trên ta được:

pi 0,932.0,97 0,904( MPa)
3) Hiệu suất chỉ thị i
Ta có cơng thức xác định hiệu suất chỉ thị:
8, 314.M 1.Pi.T k 8,314.0, 459.0,904.300
i 

 0, 28
QH . Pk .v
43960.0,1.0,836

4) Hiệu suất có ích

e :

Chọn hiệu suất cơ giới:

 m 0,887

Ta có cơng thức xác định hiệu suất có ích

 e được xác định theo công thức:

e m . i
Thay số vào công thức trên ta được:

e  0,887.0,0,28  0,248

pe

5) Áp suất có ích trung bình

:

Ta có cơng thức xác định áp suất có ích trung bình thực tế được xác định theo
cơng thức:

pe m . Pi 0,887.0,904 0,802( MPa)
6) Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

gi

:

Ta có cơng thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

gi

:

3600
3600

 0, 273(Kg / Kw .h )
gi 
QH . i 43960.0, 28

8) Suất tiêu hao nhiên liệu

ge

:

Ta có cơng thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu tính tốn là:

0

0

Tieu luan


g
ge  i
m
Vậy thay số vào ta được:

ge 

0,273

0,31(Kg / KW .h )
0,887

C-KẾẾT CẤẾU ĐỘNG CƠ:

1) Kiểm nghiệm đường kính xy lanh D theo cơng thức:
Ta có thể tích cơng tác tính tốn được xác định theo cơng thức:
Vh 

N e .30.
pe .i.n

Vậy thay số vào ta được:

Vh 

60.30.4
 0,935(l )
0,802.4.2400

Ta có cơng thức kiểm nghiệm đường kính xy lanh

Dkn

:

4.Vh
 .S

Dkn 

Thay số vào ta được:

D kn 

4.0,935
1, 09(dm ) 109(mm )
3,14.1

D-DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG P-V:
1)Xác định các điểm đăckbiêtkcủa đồ thị cơng
 Điểm a: cuối q trình nạp, áp suất Pa, thể tích Va
V
0,935
0,130(dm 3 )
Vc  h 
  1 8, 2  1
Va = Vh + Vc = 0,935 + 0,130 = 1,065 (dm3)
 Điểm c : cuối quá trình nén
Pc = 1,61 (MPa)
Vc = 0,130 (dm3)

0

0

Tieu luan


 ĐIểm z : cuối quá trình cháy

Pz = 5,45 (MPa)
Vz = Vc = 0,130 (dm3)
 Điểm b : điểm cuối quá trình giãn nở
Pb = 0,409 (MPa)
Vb = Va = 1,065 (dm3)
 Điểm r : cuối hành trình xả
Pr = 0,11 (MPa)
Vr = Vc = 0,130 (dm3)
2)Dựng đường cong nén:
Trong hành trình nén khí trong xi lanh bị nén với chỉ số đa biến trung bình n1 =
1,37 từ phương trình :

Pa .Van1 Pxn .Vxnn1 const
Pxn, Vxn là áp suất và thể tích tại 1 điểm bất kỳ trên đường cong nén
n1

V 
 1065 
Pxn Pa . a  0,09.

 Vxn 
 Vxn 

1,37

Bằng cách cho giá trị Vxn chạy từ Vc đến Va , bước nhảy phụ thuôck vào góc quay
trục khủy  5 [độ] theo cơng thức :

1 
1


Vxn F .x  .R3 .   1     Cos ( )  .Cos (  )  


  

Với Sin (  ) .Sin ( )
Thông số kết cấu, chọn

 =0,29

3)Dựng đường cong giãn nở:
Trong q trình giãn nở, khí cháy giãn nở theo chỉ số giản nở đa biến n2=1,23 từ
phương trình

Pz .Vz n2 Pxg .Vxgn2 const
Pxg, Vxg là áp suất và thể tích tại 1 điểm bất kỳ trên đường cong nén

0

0

Tieu luan


V
Pxg  Pz .  z
 Vxg


n1


 130 
 5, 45. 

 Vxn 


1,23

Bằng cách cho giá trị Vxn chạy từ Vc đến Va , bước nhảy phụ thuôck vào góc quay
trục khủy 

5 [độ] theo cơng thức :
1
 1  

Vxg F.x  .R 3 .   1     Cos ( )  .Cos (  )  


  

Với Sin( )  .Sin( )
Thơng số kết cấu  =0,29
4)hiệu đính đồ thị cơng P-V:
Các điểm đặc biệt trên đồ thị:

Ký
hiệu

c'
r''
a'
b'
r'

Tên gọi
Góc/điểm đánh l ửa sớm
Góc/điểm m ở xupap nạp
Góc/điểm đóng xupap nạp
Góc/điểm mở xupap thải
Góc/điểm đóng xupap thải
Góc/ đi ể
m áp suấất c ực đại trước hiệu
chỉnh

Gía trị
[độ]
20
25
45
55
30

z
z'
z''
c''
b''

Áp suấất [Mpa]
1.1178
0.11
0.0907
0.45
0.09
5.45
4.63
4.63
2.6
0.25

PHẦN 2: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PISTONKHUỶU TRỤC- THANH TRUYỀN.
A-ĐỘNG LỰC HỌC.
Các khối lượng chuyển động tịnh tiến:
Khối lượng nhóm piston

m pt

được cho trong số liệu ban đầu của đề bài là:

0

0

Tieu luan


2
mnp 15( g / cm )

Khối lượng quy về đầu nhỏ thanh truyền:
mA 0,3mtt 0,3.20 6(g/ cm 2)
Vậy ta xác định được khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu
thanh truyền:

m m pt  m A 15  6 21( g / cm2 )
1) Lực quán tính:
Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến:

Pj m j . j m j .R. 2.  cos  .cos  2.  
m j m.( .R)2 21.10.( .0.05452 ) 1,96kg
Với thông số kết cấu  =0,29 ; R=54,5 mm ;

 =251,3 và   [0;7200]

2) Lực khí thể Pkt :

p  f  
để thuận tiện cho
Ta tiến hành khai triển đồ thị công P  V thành đồ thị kt
việc tính tốn sau này.
3) Xác định lực

p  f   

Ta tiến hành vẽ đồ thị
và đồ thị

.

p  f   

bằng cách ta cộng hai đồ thị là đồ thị

pkt  f   

4) Xác định lực tiếp tuyến, lực pháp tuyến và lực ngang N:
T  p .

0

sin     
cos

0

Tieu luan

pj  f   


Z  p .

cos     
cos 

N  p .tag (  )

Trong đó góc lắc của thanh truyền  được xác định theo góc quay

theo biểu thức sau:

sin  .sin 
6) Chuyển vị piston x




X   1  cos      .  1  cos  2.   
4


Với

  0; 2 

;

 0,29

7)Tốc đô kpiston Vp




V p R  sin     sin  2  
2


Với

   0;2    0, 29
;

R=54,5 (mm) ;   251,3(rad / s)
8)Gia tốc piston Jp :

J p R 2  cos      .cos    
Với

  0; 2 

;   0, 29

R=54.5 (mm) ;   251,3(rad / s)

PHỤ LỤC:
Bảng số liệu và hình vẽ đính kèm trong file EXCEL

0

0

Tieu luan



của trục

0

0

Tieu luan