Bài tập lớn nguyên lý động cơ đốt trong

HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
TÍNH TOÁN CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ
Mục đích phần tính toán nhiệt động cơ là :
-Tính toán các quá trình nhiệt trong động cơ (nạp nén,
cháy giãn nở và thải), - xác định được các chỉ tiêu kinh tế
kỹ thuật và kiểm nghiệm (xác định) các kích thước cơ bản
của động cơ.
- Xây dựng được đồ thị công lý thuyết của động cơ.
Kết quả tính toán trong phần tính toán nhiệt động cơ sẽ là
nền tảng trong quá trình tính toán thiết kế động cơ đốt trong.
TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN
Từ các số liệu về kết cấu và chỉ tiêu kỹ thuật của động
cơ cho trước, sinh viên lựa chọn các thông số khác đặc
trưng cho điều kiện vận hành để xác định các thông số nhiệt
động của từng quá trình. Các thông số chọn dựa trên cơ sở
loại động cơ, đặc điểm kết cấu.
1. Thông số cho trước của động cơ:
Tên thông số Ký hiệu Thứ
nguyên
Giá trị
Công suất có ích N
e
Kw 72
Tỷ số nén
ε
6.8
Số vòng quay n Vòng/
phút
3000
Đường kính xi lanh D mm 81

Hành trình piston S mm 130
Số xi lanh i 6
Số kỳ
τ
4
Góc mở sớm xupáp
nạp
ϕ
1
Độ
Góc đóng muộn
xupáp nạp
ϕ
2
Độ
Góc mở sớm xupáp
ϕ
3
Độ
1
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
thải
Góc đóng muộn
xupáp thải
ϕ
4
Độ
Loại buồng cháy
Kiểu xu páp

2. Chọn các thông số cần thiết trong quá trình tính:
Tên thông số Ký hiệu Thứ
nguyên
Giá trị
Áp suất khí nạp P
k
MN/m
2
0.098
Nhiệt độ khí nạp T
k
K 305
Hệ số dư lượng
không khí
α
0.96
Áp suất cuối kỳ
nạp
P
a
MN/m
2
0.088
Áp suất khí sót P
r
MN/m
2
0.105
Nhiệt độ khí sót T
r

K 900
Độ sấy nóng khí
nạp mới
∆T
5
Chỉ số đoạn nhiệt m 1.5
Hệ số lợi dụng
nhiệt tại z
ξ
z
0.9
Hệ số lợi dụng
nhiệt tại b
ξ
b
0.91
Tỷ số tăng áp
λ
3.994
Hệ số nạp thêm
λ
1
1.04
Hệ số quét buồng
cháy
λ
2
1
Hệ số hiệu đính tỷ
nhiệt

λ
t
1.17
Hệ số điền đầy đồ
thị
ϕ
đ
0.97
Các số liệu tham khảo để chọn:
2
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
Loại động cơ
Hệ số dư
lượng không
khí α
Tỷ số tăng
áp λ
Động cơ xăng 0,85 - 1,15
Động cơ Diesel
- Tốc độ thấp
- Cao tốc buồng cháy
thống nhất
- Cao tốc buồng cháy
ngăn cách
- Tăng áp
1,6 -2,0
1,5 - 1,9
1,2 - 1,7
1,7 - 2,2

1,7 - 2,2
1,5 - 1,8
Loại động
cơ
ξ
b
ξ
z
p
r
[MN/m
2
]
T
r
[K]
∆T
Động cơ
Diesel
0,80 -
0,90
0,65 -
0,85
0,104 -
0,118
700 -
900
20 -
40
Động cơ

Xăng
0,85 -
0,95
0,85 -
0,92
0,101 -
0,118
900-
1000
0 -
20
Động cơ
Ga
0,8 -
0,85
Chọn λ
t
theo bảng
α
0,8 0,9 1,2 1,4
λ
t
1,13 1,17 1,14 1,11
Tính toán các thông số của chu trình:
3.Tính quá trình nạp
1. Tính hệ số khí sót γ
r
:
m
1

a
r
2t1
a
r
r
k2
r
p
p
.
1
p
p
T
)TT(








λλ−ελ
∆+λ
=γ
(1-1)
2. Tính hệ số nạp η
v

:
3
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG


















λλ−ελ
∆+−ε
=η
m
1
a
r
2t1

k
.a
k
k
v
p
p
.
P
P
)TT(
T
)1(
1
(1-2)
3. Tính nhiệt độ cuối quá trình nạp T
a
(K):
)1(
p
p
T TT
T
r
m
1m
r
a
rrtK
a

γ+








γλ+∆+
=
−
(1-3)
Loại động cơ
η
v
γ
r
T
a
[K]
Động cơ xăng
- Xupáp đặt
- Xupáp treo
0,7 - 0,75
0,75 -
0,85
0,07 -
0,12
340 -

400
340 -
400
Động cơ Diesel 0,75 -
0,95
0,03 -
0,06
310 -
340
4. Tính số mol không khí để đốt cháy một kg nhiên liệu M
0

(kmolKK/kgnl):
Nhiên
liêu
Thành phần trong 1 kg
nhiên liệu [kg]
Khối
lượng
phân tử
Nhiệt
trị thấp
Q
H
C H O
Xăng 0,855 0,145 0 110 -
120
43.995
Diesel 0,87 0,126 0,0
04

180 -
200
42.530
)
32
O
4
H
12
C
(
21,0
1
M
nl
0
−+=
(1-4)
5. Tính số mol khí nạp mới M
1
: (1-5)
01
M.M α=
(động cơ Diesel, động cơ phun xăng)
nl
01
1
M.M
µ
+α=

(động cơ xăng dùng bộ chế hoà khí)
4. Tính quá trình nén
6. Tỷ nhiệt của không khí
vkk
mC
(kJ/kmol.K):
T.
2
00419,0
806,19T
2
b
aCm
v
vvkk
+=+=
(1-6)
7. Tỷ nhiệt mol của sản phẩm cháy
v
Cm
′′
(kJ/kmol.K):
4
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
T
2
b
aCm
v

vv
′′
+
′′
=
′′
(1-7)
Nếu 0,7≤α<1 thì:
α+= .504,3997,17"a
v
( )
5
v
10 4,25234,360"b
−
α+=

Nếu α≥1 thì:
α
+=
634,1
867,19"a
v
5
v
10.
36,184
38,427"b
−







α
+=

8. Tỷ nhiệt của hỗn hợp cháy
v
Cm
′
(kJ/kmol.K):
viiv
mC.rCm
∑
=
′
r
vrvkk
v
1
Cm.Cm
Cm
γ+
′′
γ+
=
′
(1-8)

Có thể viết dưới dạng:
T
2
b
aCm
v
vv
′
+
′
=
′
Trong đó:
r
vrv
v
1
a.a
a
γ+
′′
γ+
=
′
;
r
vrv
v
1
b.b

b
γ+
′′
γ+
=
′
9. Tính chỉ số nén đa biến trung bình n
1
:
Chọn trước n
1
, thế vào phương trình sau, giải bằng phương
pháp mò nghiệm.
)1(T
2
b
a
314,8
1n
1n
a
v
v
1
1
+ε
′
+
′
+=

−
(1-9)
Khi sai số hai vế nhỏ hơn 0,001 thì lấy giá trị n
1
đã chọn.
10. Tính nhiệt độ cuối kỳ nén T
c
(K):
1n
ac
1
.TT
−
ε=
(1-10)
11. Tính áp suất cuối kỳ nén p
c
(MN/m
2
):
1
n
ac
.pp ε=
(1-11)
Loại động cơ n
1
p
c
[MN/m

2
]
T
c
[K]
Xăng 1,34 - 1,38 0,9 - 1,5 600 - 750
Diesel
- Buồng cháy ngăn
cách
- Buồng cháy thống
nhất
1,34 - 1,38
1,34 - 1,42
3,5 - 6,0
3,5 - 6,0 700 - 1050
5. Tính quá trình cháy
5
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
12. Tính ∆M:
Động cơ Diesel
32
O
4
H
M +=∆
(1-12)
Động cơ xăng khi α≥ 1 thì
nl
1

32
O
4
H
M
µ
−+=∆
(1-13)
khi 0,7≤α< 1 thì








µ
+α−α++=∆
nl
00
1
M.M 79,0
2
H
12
C
M
13. Tính số mol sản phẩm cháy M
2

(kmol/kgnl):
MMM
12
∆+=
(1-14)
14. Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết.
1
2
0
M
M
=β
(1-15)
15. Hệ số biến đổi phân tử thực tế.
r
ro
1 γ+
γ+β
=β
(1-16)
16. Hệ số biến đổi phân tử tại z.
b
z
r
o
z
.
1
1
1

ξ
ξ
γ+
−β
+=β
(1-17)
17. Tính hệ số toả nhiệt x
z
tại z:
b
z
z
x
ξ
ξ
=
(1-18)
18. Tổn thất nhiệt do cháy không hòan toàn:
(1-19)
α>1 thì ∆ Q
H
= 0(động cơ Diesel)
α <1 thì ∆ Q
H
= 120000(1-α)M
0
(động cơ đánh
lửa cưỡng bức)
19. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z.
zvzvzvz

TbaCm
′′
+
′′
=
′′
(1-20)
( )
( )
z1
o
r
z2
z1v
o
z2v
vz
x1MxM
x1M.axM.a
a
−+








β

γ
+
−
′
+








β
γ
+
′′
=
′′
( )
( )
z1
o
r
z2
z1v
o
z2v
vz
x1MxM

x1M.bxM.b
b
−+








β
γ
+
−
′
+








β
γ
+
′′
=

′′
20. Nhiệt độ cực đại của chu trình T
z
(K):
6
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
Nhiệt độ cực đại tính theo phương trình cháy:
(1-21)
( )
( )
zvzzcvc
r1
HHz
T.''C.m.T.Cm
1.M
QQ.
β=
′
+
γ+
∆−ξ
(động cơ đánh lửa cưỡng
bức)
( )
zpzzcvc
r1
Hz
T.''C.m.T) 314,8Cm(
1.M

Q.
β=λ+
′
+
γ+
ξ
(động cơ Diesel)
Đưa về dạng phương trình bậc hai:
0CBTAT
z
2
z
=++
Động cơ A B C
Động cơ
đánh lửa
cưỡng bức
vzz
b.
′′
β
vzz
a.
′′
β
)1.(M
)QQ(
r1
HHz
γ+

∆−ξ
−
Động cơ
Diesel
vzz
b.
′′
β
)314,8a.(
vzz
+
′′
β
ccvv
r1
Hz
T) 314,8T.ba(
)1.(M
Q.
λ+
′
+
′
−
γ+
ξ
−
21. Aïp suất cực đại chu trình p
z
.

λ= .pp
cz
(1-22)
Loại động cơ p
z
[MN/m
2
] T
z
[K]
Xăng 2,8 - 6,0
2500 -
2800
Diesel 4,8 - 9,6
1900 -
2200
6. Tính quá trình giản nở:
22. Tỷ số giãn nở sớm: (1-
23)
ρ = 1 (động cơ đánh lửa cưỡng bức)
c
zz
T
T
λ
β
=ρ
(động cơ Diesel)
23. Tỷ số giãn nở sau: (1-24)
δ = ε (động cơ đánh lửa cưỡng bức)

ρ
ε
=δ
(động cơ Diesel)
24. Kiểm nghiệm lại trị số n
2
:
Chọn trước n
2
, tính lặp n
2
theo công thức:
( )
( ) ( )
( )
bz
z
vz
bzr1
HHzb
2
TT.
2
b
a
)TT 1M
)QQ.(
314,8
1n
+

′′
+
′′
+
−βγ+
∆−ξ−ξ
=−
(1-25)
7
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
Trong đó:
1n
z
b
2
T
T
−
δ
=
25. Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T
b
(K):
1n
z
b
2
T
T

−
δ
=
(1-26)
26. Aïp suất cuối quá trình giãn nở p
b
(MN/m
2
):
2
n
z
b
p
p
δ
=
(1-27)
27. Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót:
m
1m
b
r
brtênh
P
P
TT
−









=
(1-28)
Sai số
%15
T
TT
r
rchoünrtênh
<
−
Loại động cơ n
2
p
b
[MN/m
2
] T
b
[K]
Động cơ
xăng
1,23 - 1,34 0,34 - 0,49 1200 - 1500
Động cơ
Diesel

1,15 - 1,28 0,2 - 0,6 1000 - 1200
7.Tính toán các thông số chỉ thị:
28. Aïp suất chỉ thị trung bình lý thuyết (MN/m
2
):
Trường hợp động cơ đánh lửa cưỡng bức:
(1-29)












ε
−
−
−






ε

−
−
λ
−ε
=
−− 1n
1
1n
2
c
i
12
1
1.
1n
11
1.
1n
.
1
p
'p
Trường hợp động cơ Diesel:













ε
−
−
−






δ
−
−
λρ
+−ρλ
−ε
=
−− 1n
1
1n
2
c
i
12
1

1.
1n
11
1.
1n
)1(.
1
p
'p
29. Aïp suất chỉ thị trung bình (MN/m
2
):
âii
.pp ϕ
′
=
(1-30)
30. Hiệu suất chỉ thị động cơ η
i
:


kvH
ki1
i
p Q
T.p.M.314,8
η
=η
(1-31)

31. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g
i
(g/kw.h):
iH
i
.Q
3600000
g
η
=
(1-35)
Loại động p
i
g
i
[g/kw.h]
η
i
8
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
cơ [MN/m
2
]
Động cơ
xăng
0,68 - 1,18 210 - 340 0,25 -
0,44
Động cơ
Diesel

0,64 - 0,96 150 - 20 0,43 -
0,56
8.Tính toán các thông số có ích:
32. Tổn thất cơ giới p
m
(MN/m
2
):
Theo công thức kinh nghiệm:
armm
ppC.bap −++=
(1-36)
Trong đó:
30
n.S
C
m
=
(m/s)
Tuỳ theo động cơ và tỷ số S/D, loại buồng cháy (động cơ
Diesel) tra các giá trị a, b theo bảng sau:
Động cơ a b
Động cơ xăng
S/D ≥ 1
0,05 0,0155
S/D < 1
0,04 0,0135
Động cơ Diesel
buồng cháy thống
i≤6

0,09 0,012
i >6 0,03 0,012
Động cơ Diesel
buồng cháy xoáy
lốc
0,09 0,0138
Động cơ Diesel
buồng cháy dự bị
0,105 0,0156

33. Aïp suất có ích trung bình (MN/m
2
):
mie
ppp −=
(1-37)
34. Hiệu suất cơ giới (%):
i
e
m
p
p
=η
(1-38)
35. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g/kw.h):
m
i
e
g
g

η
=
(1-39)
36. Hiêu suất có ích (%):
9
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
ime
.ηη=η
(1-40)
Loại động cơ
η
m
p
e
[MN/m
2
]
g
e
[g/kw.h]
η
e
Xăng 0,7 -
0,85
0,6 - 1,0 260 - 380 0,22 -
0,33
Diesel 0,7 - 0,9 0,55 -
0,85
200 - 285 0,3 - 0,43

37. Thể tích công tác của động cơ (dm
3
):
n.i.p
.30.N
V
e
e
h
τ
=
(1-41)
38. Kiểm nghiệm đường kính xi lanh (dm):
S.
V.4
D
h
t
π
=
(1-42)
Nếu sai lệch
mm1,0DDD
t
≤−=∆
thì đạt nếu không thì phải
tính lại.
9.Vẽ đồ thị công
Để vẽ được đồ thị công cần phải thực hiện những bước
sau:

39. Xác định các điểm trên đường nén với chỉ số nén đa
biến n
1

Phương trình đường nén:
constpV
1
n
=
, do đó nếu gọi x là
điểm bất kỳ trên đường nén thì:
11
n
nxnx
n
cc
VpVp =
. Rút ra:
1
n
c
nx
cnx
V
V
1
pp









=
.
Đặt
i
V
V
c
nx
=
ta có
1n
c
nx
i
p
p =
- n
1
là chỉ số nén đa biến trung bình, xác định thông
qua tính toán nhiệt.
40. Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở:
Phương trình của đường giãn nở đa biến:
constpV
2
n

=
, do
đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì:
10
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
22
n
gnxgnx
n
zz
VpVp =
. Rút ra:
2
n
z
gnx
zgnx
V
V
1
pp









=
.
Chú ý rằng
cz
VV ρ=
, đặt
i
V
V
c
gnx
=
do đó
2
2
n
n
z
gnx
i
.p
p
ρ
=
- n
2
là chỉ số giãn nở đa biến trung bình, xác định
thông qua tính toán nhiệt.
41. Lập bảng xác định đường nén và đường giãn nở:
V

x
i
Đường nén Đường giãn nở
1
n
i
1
n
i
1
1
n
c
i
p
2
n
i
2
n
i
1
2
2
n
n
z
i
.p
ρ

V
c
1
. . . . . . .
εV
c
ε
42. Xác định các điểm đặc biệt:
Chọn các tỷ lệ xích µ
v
và µ
p
sau đó vẽ hệ trục toạ độ
(V,p).
Các điểm đặc biệt đó là:
r(V
c
,p
r
); a(V
a
,p
a
); b(V
a
,p
b
);
c(V
c

,p
c
); y(V
c
,p
z
); z(V
z
,p
z
).
Chú ý các quan hệ thể tích: V
a
= V
c
+ V
h
;
S
4
D
V;
1
V
V
2
h
h
c
π

=
−ε
=
43. Nối các điểm trung gian của đường nén và đường
giãn nở với các điểm đặc biệt, sẽ được đồ thị công lý
thuyết.
44. Dùng đồ thị Brick xác định các điểm:
• Phun sớm (c’ - động cơ Diesel), Đánh lửa sớm (c’ - động
cơ xăng)
• Mở sớm (b’), đóng muộn (r’’) xupáp thải.
• Mở sớm (r’), đóng muộn (a’) xupáp nạp.
44. Hiệu chỉnh đồ thị công:
Ở động cơ xăng lấy áp suất cực đại bằng (0,85 - 0,9) p
z
Xác định các điểm trung gian:
• Trên đoạn cy lấy điểm c’’ với c’’c = 1/3cy
11
HƯỚNG DẪN LÀM BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
GV. DƯƠNG VIỆT DŨNG
• Trên đoạn yz lấy điểm z’’ với yz’’ = 1/2 yz
• Trên đoạn ba lấy điểm b’’ với bb’’ = 1/2ba.
Nối các điểm c’c’’z’’ và đường giãn nở thành đường
cong liên tục tại ĐCT và ĐCD và tiếp xúc với đường thải.
Ta sẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh.
Hình 1.1 Đồ thị công
động cơ xăng
Hình 1.2 Đồ thị công động
cơ Diesel
12