Đồ án tính toán động cơ đốt trong

Phần 1
TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC
1.1. Mục đích tính toán.
+ Mục đích của việc tính toán chu trình công tác là xác định các chỉ tiêu về
kinh tế, hiệu quả của chu trình công tác và sự làm việc của động cơ.
+ Kết quả tính toán cho phép xây dựng đồ thị công chỉ thị của chu trình để làm
cơ sở cho việc tính toán động lực học, tính toán sức bền và sự mài mòn các chi tiết
của động cơ.
+ Phương pháp chung của việc tính toán chu trình công tác có thể áp dụng để
kiểm nghiệm động cơ sẵn có, động cơ được cải tiến hoặc thiết kế mới.
+ Việc tính toán kiểm nghiệm động cơ sẵn có cho ta các thông số để kiểm tra
tính kinh tế và hiệu qủa của động cơ khi môi trường sử dụng hoặc chủng loại nhiên
liệu thay đổi. Đối với trường hợp này ta phải dựa vào kết cấu cụ thể của động cơ và
môi trường sử dụng thực tế để chọn các số liệu ban đầu.
+ Đối với động cơ được cải tiến hoặc được thiết kế mới, kết quả tính toán cho
phép xác định số lượng và kích thước của xy lanh động cơ cũng như mức độ ảnh
hưởng của sự thay đổi về mặt kết cấu để quyết định phương pháp hoàn thiện các cơ
cấu và hệ thống của động cơ theo hướng có lợi. Khi đó phải dựa vào kết quả của việc
phân tích thực nghiệm đối với các động cơ có kết cấu tương tự để chọn các số liệu
ban đầu.
+ Việc tính toán chu trình công tác còn được áp dụng khi cường hoá động cơ
và xây dựng đặc tính tốc độ bằng phương pháp phân tích lý thuyết nếu các chế độ tốc
độ khác nhau được khảo sát.
1.2. Chọn các số liệu ban đầu.
1-Công suất có ích định mức:
Ne=300 [kW]
2- Số vòng quay trong một phút của trục khuỷu n:
n = 2600 [vg/p].
3- Tốc độ trung bình của pít tông CTB:
S .n

CTB = 30 (Trong đó S = 150 [mm] là hành trình pít tông).
⇒ CTB =

150.2600
= 13[m / s ]
1000.30

4- Số xy lanh của động cơ i:
i=6
1


5 - Tỷ số giữa hành trình của pít tông và đường kính xy lanh a:
a=

S 150
=
=1
D 150

6- Tỷ số nén ε:

ε = 15,8
7- Hệ số dư lượng không khí α:
+Giá trị của α được chọn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố như kiểu động cơ,
phương pháp tạo hỗn hợp, chế độ sử dụng.Với động cơ UTD-20 ở chế độ công
suất định mức ta chọn
[α]=1,4 ÷ 1,90 ; Chọn α =1,6
8- Nhiệt độ môi trường T0:
Nhiệt độ trung bình ở nước ta thường chọn là: T0 = 240C=2970K.

9- Áp suất của môi trường p0:
P0 Phụ thuộc vào độ cao sử dụng. Thường chọn P0=0,101 [MN/m2]
10- Hệ số nạp ηv và áp suất cuối quá trình nạp pa.
Hệ số nạp phụ thuộc vào nhiều vào các yếu tố như: thành phần nhiên liệu,kết
cấu hệ thống nạp khí,chế độ sử dụng.
[η]=0,79 ÷ 0,80.

Chọn ηv= 0,8

11- Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức pr:
Pr phụ thuộc chủ yếu vào số vòng quay trục khuỷu và sức cản của hệ thống
thải:
[Pr] =[1,06 ÷ 1,15] .105 N/m2.
Chọn Pr =0,11 [MPa].
12- Nhiệt độ cuối quá trình thải Tr.
Tr phụ thuộc vào ε,n, thành phần khí hỗn hợp α,góc phun sớm.
[Tr] =700 ÷ 900 [0k].
Chọn Tr = 800[0k].
13- Độ sấy nóng khí nạp ∆T.
Giá trị∆T phụ thuộc vào kết cấu thiết bị sấy nóng,kết cấu và cách bố trí của
đường nạp và cách bố trí của đường thải,số vòng quay n, hệ số dư lượng không
khí α.
[∆T] =10 ÷ 250K.

Ta chọn ∆T = 140K.
2


14- Chỉ số nén đa biến trung bình n1.
n1 phụ thuộc vào số vòng quay, kích thước xy lanh,kiểu làm mát, mức độ

cường hoá động cơ.
[ n1] =1,32 ÷ 1,39.
*Theo công thức kinh nghiệm của Pê-trốp ta chọn:
n1 =1,4115- Hệ số sử dụng nhiệt ξz.
ξz là tỷ số giữa lượng nhiệt biến thành công và tổng lượng nhiệt cung cấp ban
đầu.
[ξz] =0,65 ÷ 0,85.
Ta chọn ξz = 0,75
16- Áp suất cuối quá trình cháy ởđộng cơdiesel pz.
Chọn Pz phụ thuộc phương pháp tạo hổn hợp,mức độ cường hoá của động cơ.
[Pz] = 7,0 ÷ 9,0 [MPa].
Ta chọn Pz = 7[MPa].
17- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QT.
QT là lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối lượng hoặc thể
tích nhiên liệu không kể đến nhiệt hoá hơi của nước chứa trong sản vật cháy.
[QT] =42,5.106[J/kgnl] .
Ta chọn QT = 42,5.103[kJ/kgnl] .
18- Chỉ số dãn nở đa biến trung bình n2.
n2 phụ thuộc đặc điểm cấp nhiệt cho sản vật cháy trên đường cháy dản nở.
[n2] = 1,14 ÷ 1,22.
Ta chọn n2 =1,22
1.3.Tính toán các quá trình công tác:
1.3.1. Tính toán quá trình trao đổi khí.
1.3.1.1. Mục đích của việc tính toán quá trình trao đổi khí là xác định các thông
số chủ yếu cuối quá trình nạp chính (ở điểm a) như áp suất pa và nhiệt độ Ta
1.3.1.2 Thứ tự tính toán:
∗Xác định hệ số khí sót γr :
+ Giá trị của γr phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tỷ số nén,số vòng quay,áp suất
khí sót Pr và nhiệt độ khí sót T r cuối quá trình thải. Giá trị của γr có thể chọn
theo bảng 14 [trang42-HĐĐAMHĐCĐT]

3


γr =

p r T0
0,11.297
= 0,0341
( ε − 1) p0 Tr η v = (15,8 − 1).0,11.800 .0,8

[γr ] = 0,03 ÷ 0,007
∗Nhiệt độ của quá trình nạp:
T0 + ∆T + γ r .Tr
1+ γ r
Ta =
[Trong đó :∆T = 140K; Tr = 8000k]
297 + 14 + 0,0341.800
= 327,125
0
1
+
0
,
0341
⇒Ta =
K.[[Ta] = 310 ÷ 3400k.]

∗áp suất cuối quá trình nạp Pa:
T
(ε − 1)

η v .P0 (1 + γ r ). a
T0 [Mpa]
Pa = ε

Theo các số liệu đã cho ở trên ,thay vào ta có:
15,8 − 1
327,125
.0,8.0,101.(1 + 0,0341).
= 0,0862[ MPa ]
15
,
8
297
Pa=

[Pa] = [0,085 ÷ 0,092] Mpa
1.3.2.Tính toán cuối quá trình nén:
a) Mục đích của việc tính toán quá trình nén là xác định các thông số như áp suất
pc và nhiệt độ Tc ở cuối quá trình nén.
b) Thứ tự tính toán:
∗Áp suất cuối quá trình nén:
n
pc = pa ε = 0,0862 .15,81,37= 3,7815 [Mpa]
1

∗Nhiệt độ cuối quá trình nén:
Tc = Ta. ε = 327,125. 151,37-1= 908,274 [0K].
[Tc] = [750 ÷ 900]0K.
n1 −1

1.3.3. Tính toán quá trình cháy:
a) Mục đích tính toán quá trình cháy là xác định các thông số cuối quá trình cháy
như áp suất pz và nhiệt độ Tz.
b) Thứ tự tính toán:chia làm hai giai đoạn như sau:
∗ Tính toán tương quan nhiệt hoá

4


- Mục đích việc tính toán tương quan nhiệt hoá là xác định những đại lượng
đặc trưng cho quá trình cháy về mặt nhiệt hoá để làm cơ sở cho việc tính toán
nhiệt động. Thứ tự tính toán như sau:
- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu
thể lỏng:
M0 =

1  g C g H g O   Kmol 
+
−


0,21  12
4
32   kgnl 

- Trong đó: gC, gH và g0: là thành phần nguyên tố tính theo khối lượng của
cácbon, hyđrô và ôxy tương ứng chứa trong 1 kg nhiên liệu. Trị số các thành
phần ấy đối với nhiên liệu diesel.
Có thể lấy gần đúng theo các giá trị sau:
gc = 0,86;

gH = 0,13; g0 = 0,01.
 Kmol 
1  0,86 0,13 0,01 
+
−

=


4
32  0,495  kgnl 
⇒M0= 0,21  12

- Lượng không khí thực tế nạp vào xy lanh động cơ ứng với 1 kg nhiên liệu M t:
 Kmol 


Mt = αMo= 1,6 .0,495= 0,792  kgnl 

- Như vậy lượng hỗn hợp cháy M1 tương ứng với lượng không khí thực tế:
 Kmol 


M1 = Mt = α.Mo=0,792  kgnl 

- Số mol của sản vật cháy M2:
g
g
M 2 = αM 0 + H + O
4

32
 Kmol 
0,13 0,01
+


32 =0,8248  kgnl  .
= 0,792 + 4
- Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết βo:
β0 =

M 2 0,8248
=
M1
0,792 = 1,0414

- Hệ số thay đổi phân tử thực tế:
β=

1,0414 + 0,0341
β0 + γ r
= 1,04
1+ γr =
1 + 0,0341

∗ Tính toán tương quan nhiệt động.
Thứ tự tính các thông số như sau:
5

- Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác ở cuối quá trình
nén µcvc.
- Để xác định µcvc ta có thể tra bảng, xác lập quan hệ giải tích giữa nhiệt dung
riêng và nhiệt độ đối với các chất khí khác nhau trong hỗn hợp hoặc tính theo công
thức gần đúng. Công thức tính toán gần đúng có dạng sau:
µcvc = 20,223 + 1,742.10-3 Tc

 KJ 
 Kmol. dé 



 KJ 


=20,233 + 1,742 . 10-3 .908,274 = 21,8025  Kmol. dé 

- Nhiệt dung mol đẳng tích trung bình của khí thể tại điểm z.
Phương pháp tính toán chung tương tự như đối với µcvc. Nếu tính gần đúng, ta
dùng công thức sau:
µcvz

= 20,098 +

0,921 
1,38  −3  KJ 
+ 1,55 +
10 TZ 

α

α 

 Kmol dé 

0,921 
1,38  −3
+ 1,55 +
.10 .TZ
1
,
6
1
,
6


=20,098+

 KJ 
 Kmol dé 



- Nhiệt dung mol đẳng áp trung bình tại điểm z:
 KJ 


µcpz = µcvz + 8,314  Kmol dé 

-Chỉ số tăng áp λp:

Pz
7
=
= 1,8511
P
3
,
7815
c
λp =

[λp = 1, ÷ 2,4].
- Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz được xác định theo phương trình nhiệt động
của quá trình cháy sau:
QT ξ Z
+ (8,314λ p + µ cv c )TC = βµ cpzTZ
M 1 (1 + γ r )

⇔2,509 .10-3.T2z + 30,1471 .Tz – 72,7025 . 103 = 0.
Sau khi giải phương trình bậc 2 ta được 2 nghiệm là:
Tz1= -14074,4062 ; Tz2= 2058,8223
Vậy nhiệt độ cuối quá trình cháy là Tz = 2058,8223 0K
Ở động cơ diesel có buồng cháy không phân chia:
[Tz]= 1950 ÷2100 [0K]
- Tỷ số dãn nở sớm ρ:
6


ρ=

βT Z 1,04.2058,8223
= 1,2752
λ P TC = 1,8511 .908,274

Giá trị của ρ thường nằm trong khoảng sau:
[ρ] = 1,2 ÷ 1,7
1.3.4. Tính toán quá trình dãn nở.
Mục đích việc tính toán quá trình dãn nở là xác định các giá trị áp suất p b và
nhiệt độ Tb ở cuối quá trình dãn nở.
Ở động cơ diesel, quá trình cháy kết thúc trên hành trình dãn nở và quá trình
dãn nở còn lại được tính trên một phần của hành trình pít tông ứng với tỷ số dãn nở
muộn

δ=

Vb
Vz . Do đó các thông số của quá trình dãn nở được tính với δ.

- Áp suất cuối quá trình dãn nở:
p
ε
15,8
p b = nz
δ=
≈ 12,3902
2
ρ = 1,2752
δ
N/m2
[Trong đó:

]
p
7
= 0,3247
p b = nz
1, 22
12
,
3902
δ
=
[Mpa]
2

- Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở:
Tb =

Tz
δ n 2 −1

2058,8223
= 1183,4275
1, 22−1
12
,
3902
=

[0K]

Giá trị của pb và Tb đối với động cơ diesel:
pb = 0,2÷ 0,4 [Mpa]
Tb = 1000÷1400 [0K]
1.3.5. Kiểm tra kết quả tính toán.
-Sau khi kết thúc việc tính toán các quá trình của chu trình công tác, ta có thể
dùng công thức kinh nghiệm sau đây để kiểm tra kết quả việc chọn và tính các thông
số.
Tb

Tr =
3

pb
pr

1183,4275
3

0,3247
0,110 = 824,9832 0K

=
-Sai số trong quá trình chọn và tính toán là: ∆Tr = 3,028 % <5%
-So sánh giữa giá trị đã chọn của T r và kết quả thu được theo các biểu thức
kiểm tra vừa nêu. Ta thấy quá trình tính toán trên là đảm bảo.

7


1.4.Xác định các thông số đánh giá chu trình công tác và sự làm việc của động cơ

1.4.1. Các thông số chỉ thị.
+ Đó là những thông số đặc trưng cho chu trình công tác của động cơ. Khi xác
định các thông số chỉ thị, ta chưa kể đến các dạng tổn thất về công mà chỉ xét các tổn
thất về nhiệt. Các thông số cần tính bao gồm:
a)Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết pi':
+ Đối với động cơ diesel:
p'i

=

ρλ p 
pc 
1 
1 
1 
1 − n 2−1  −
1 − n1−1 
λ p ( ρ − 1) +
ε −1 
n 2 −1  δ
 n1 − 1  ε


[MPa]

3,7815 
1,2752 
1

1 

1

−
1
−
1 −



1,8511 .(1,2752 − 1) +
15,8 − 1 
1,22 − 1  12,39021, 22−1  1,37 − 1  15,81,37−1 

=
=0,854[MPa]
[p'i ] = [0,7 ÷ 1,0] [Mpa]

b)Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi , [MPa]:
+ Đối với động cơ 4 kỳ:
pi = p'i ϕđ[N/m2]
Trong đó: ϕđ là hệ số điền đầy đồ thị công. Giá trị của ϕđ phụ thuộc vào nhiều yếu tố
khác nhau như góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm nhiên liệu, thành phần hỗn hợp,
tốc độ quay, góc mở sớm xu páp xả... Giá trị của ϕđ đối với động cơ diesel bốn kỳ với
buồng cháy thống nhất là:
ϕđ= 0,93÷0,96
Ta chọn ϕđ= 0,96
pi = p'i ϕđ = 0,854 . 0,96 = 0,8198 [MPa]
Giá trị của[ pi] = [0,6 ÷ 0,9] MPa.
c) Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị:
+ Đối với động cơ bốn kỳ:

gi =

423 p0η v 10 3 423.0,101.0,8.10 3
 g 
=
= 177,2402
M 1 pi To
0,792.0,8198 .297
 KWh 

 kg 


=0,17724  KWh 
8


 g 


[gi] = 170 ÷ 200  KWh 

d) Hiệu suất chỉ thị.
ηi =

3600
3600
= 0,4779
Q T g i = 42500.0,17724

Trong đó: QTđược tính bằng [KJ/kgnl ] và gi [kg/KWh ].
[ηi] = 0,43 ÷ 0,5
1.4.2. Các thông số có ích.
+ Các thông có ích là những thông số đặc trưng cho sự làm việc của động cơ.
Để xác định các thông số đó, ta sử dụng kết quả tính toán các thông số chỉ thị ở mục
trên và xác định giá trị của áp suất tổn hao cơ khí trung bình pcơ.
+ Áp suất tổn hao cơ khí trung bình là áp suất giả định, không đổi, tác động lên
pít tông trong một hành trình và gây ra công tổn hao bằng công tổn hao của trao đôỉ
khí, dẫn động các cơ cấu phụ, tổn hao do ma sát ở các bề mặt công tác.
* Thứ tự tính toán các thông số có ích như sau:
+ Áp suất tổn hao cơ khí trung bình p cơ được xác định bằng các công thức kinh
nghiệm theo vận tốc trung bình của pít tông C TB [m/s] và các thông số khác của động
cơ.
+ Áp suất có ích trung bình pe:
pe = pi -pcơ = 0,8198 -[ 0,09 + 0,012CTB]
= 0,8198 - [0,09 + 0,012 .13]
= 0,5738 [MPa]
[pe] = 0,5 ÷ 0,7 [MPa]
+ Hiệu suất cơ khí:
ηcơ

=

pe
0,5738
= 0,7
p i = 0,8198

[ηcơ] = 0,70 ÷ 0,80
+Suất tiêu hao nhiên liệu có ích:

ge =

g i 177,2402
 g 
=
= 253,2 
η co
0,7
 KWh 

 g 


[ge] = 220. ÷ 285  KWh 
9


+ Hiệu suất có ích:
ηe = ηiηcơ = 0,4779 .0,7 = 0,3345
[ηe] = 0,29÷0,38

+ Công suất có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán:
Ne =

P e Vh i n
30τ

0,5738.2,65.6.2600
= 197,6741
30.4

=
[KW]

Ở đây i.Vh = 6 . 2,65=15,9 [dm3]
+ Mô men xoắn có ích của động cơ ở số vòng quay tính toán :
3.10 4 N e 3.10 4.197,6741
Me =
=
= 726,3869
π .n
3,14.2600

[Nm]

1.4.3. Dựng đồ thị công chỉ thị của chu trình công tác.
a) Khái quát:
+ Đồ thị công chỉ thị là đồ thị biểu diễn các quá trình của chu trình công tác xảy
ra trong xy lanh động cơ trên hệ toạ độ p-V. Việc dựng đồ thị được chia làm hai
bước: dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết và hiệu chỉnh đồ thị đó để được đồ thị công
chỉ thị thực tế.
+ Đồ thị công chỉ thị lý thuyết được dựng theo kết quả tính toán chu trình công
tác khi chưa xét các yếu tố ảnh hưởng của một số quá trình làm việc thực tế trong
động cơ.
+ Đồ thị công chỉ thị thực tế là đồ thị đã kể đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhau
như góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm nhiên liệu, góc mở sớm và đóng muộn các
xu páp cũng như sự thay đổi thể tích khi cháy.
b) Dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết.
+ Ở đồ thị công chỉ thị lý thuyết,ta thấy là chu trình kín a-c-y-z-b-a [hình1].
Trong đó quá trình cháy nhiên liệu được thay bằng quá trình cấp nhiệt đẳng tích c-y
và cấp nhiệt đẳng áp y-z, quá trình trao đổi khí được thay bằng quá trình rút nhiệt

đẳng tích b-a.
*Thứ tự tiến hành dựng đồ thị như sau:
+ Thống kê giá trị của các thông số đã tính ở các quá trình như áp suất khí thể ở
các điểm đặc trưng pa, pc, pz, pb, chỉ số nén đa biến trung bình n1, chỉ số dãn nở đa
biến trung bình n2, tỷ số nén ε , thể tích công tác Vh, thể tích buồng cháy Vc và tỷ số
dãn nở sớm ρ.
Pa= 0,0862 [MPa]
n1 = 1,32
pc = 3,7815 [MPa]
n2 = 1,2
10


ε = 15,8
Vh= 2,65 [dm3]

pz= 7,0 [MPa]
pb= 0,3247[MPa]
Vc =

2,65
Vh
= 0,1791[dm 3 ]
ε − 1 = 15,8 − 1

ρ=1,2752
Vz = ρ.Vc = 1,2752 .0,1791 = 0,2283 [dm3 ]
Va = Vh +Vc =2,65+0,1791=2,8291 [dm3]
+ Dựng hệ toạ độ p-V với gốc toạ độ 0 trên giấy kẻ ly [hình 1] và theo một tỷ
lệ xích được chọn trước của thể tích và áp suất, ta xác định các điểm a [p a, Va], c [pc,

Vc], y [py, Vy], z [pz, Vz] và b [pb, Va] trên hệ toạ độ đó.
+ Nối các điểm c và y, y và z, b và a bằng các đoạn thẳng, ta được các đường
biểu diễn quá trình cấp nhiệt và rút nhiệt.
+ Dựng các đường nén đa biến a-c và dãn nở đa biến z-b. Để dựng các đường
ấy, ta có thể dùng phương pháp lập bảng .
+ Phương pháp lập bảng dựa vào phương trình của quá trình nén và dãn nở đa
biến.
Với quá trình nén đa biến, ta có:
p nVnn1 = p aVan1

Với quá trình dãn nở đa biến, ta có:
p d Vdn 2 = p b Van 2

+ Trong đó: pn, pd, Vn và Vd là các giá trị biến thiên của áp suất và thể tích trên
đường nén và dãn nở. Ta có thể đưa các phương trình trên về dạng:
p n = p a e 1n1

và

p d = p b e 2n 2

+ Trong đó:
e1 =

Va
Vn

e2 =

Va

Vd

và
là những tỷ số biến thiên [tỷ số nén tức thời].
+ Nếu chọn trước các giá trị của e 1 [biến thiên trong giới hạn 1÷ε] và e2[biên
thiên trong giới hạn 1÷δ], ta có thể xác định các cặp giá trị [p n, Vn] và [pd,Vd] tương
ứng. Mỗi cặp giá trị ấy cho một điểm tương ứng trên đồ thị p -V. [ Kết quả tính toán
được thống kê trong bảng 1]. Đưa kết quả tính toán được lên đồ thị và nối các điểm
của cùng quá trình bằng một đường liền nét, ta có đồ thị cần dựng.

11


STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

17
18
19
20

[ Bảng 1] .Xác định các điểm trên đường nén và dãn nở đa biến.
V[dm3]
Pn = Pa.εn1[MPa]
Pd = pb. εn2[MPa]
ε
1.0000
2.8291
0.0862
0.3247
1.0550
2.6816
0.0928
0.3466
1.1160
2.5350
0.1002
0.3712
1.1840
2.3894
0.1086
0.3990
1.2620
2.2418
0.1186
0.4313

1.3500
2.0956
0.1300
0.4683
1.4520
1.9484
0.1437
0.5118
1.5700
1.8020
0.1599
0.5630
1.7090
1.6554
0.1796
0.6243
1.8750
1.5089
0.2039
0.6991
2.0770
1.3621
0.2346
0.7921
2.3280
1.2152
0.2743
0.9103
2.6470
1.0688

0.3271
1.0647
3.0680
0.9221
0.4004
1.2748
3.6490
0.7753
0.5078
1.5752
4.5000
0.6287
0.6767
2.0342
5.8700
0.4820
0.9740
2.8133
8.4380
0.3353
1.6012
4.3802
12.3902
0.2283
2.7103
6.9990
15.8000
0.1791
3.7815

12


Hình 1. Đồ thị công lý thuyết p-V của động cơ UTD-20
c) Hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị lý thuyết hành thành đồ thị công chỉ thị thực tế.
+ Để được đồ thị công chỉ thị thực tế a' - c' - c" - z' - z" - b' - b" - b"’ - a' , ta
gạch bỏ các diện tích I, II, III, IV trong đồ thị lý thuyết.
+ Diện tích I xuất hiện do góc phun sớm nhiên liệu gây ra. Khi đó một phần
'
nhiên liệu được cháy trước trên đường nén nên áp suất cuối quá trình nén thực tế p c
cao hơn áp suất cuối quá trình nén thuần tuý pc.
+ Điểm c' nằm trên đường nén thuần tuý. Vị trí của nó được xác định bởi góc
phun sớm nhiên liệu và được dựng theo vòng tròn Brích.
Điểm c" được xác định bằng cách lượn đều từ điểm c' cho đến khi cắt trục
tung ứng với thể tích Vc.
13


+ Diện tích II tồn tại là do quá trình cháy diễn ra với thể tích luôn luôn thay
đổi. Quá trình cháy thực tế diễn ra không theo lý thuyết và theo đường cong c' - c" - z'
'
- z". ở động cơ diesel, áp suất lớn nhất p z đạt giá trị của pz, vì trong quá trình cháy thì

nhiên liệu vẫn được phun tiếp vào xi lanh động cơ.
+ Khi vẽ đồ thị, ta lấy điểm z' ở giữa đoạn thẳng yz, còn điểm z" được chọn
trên đường dãn nở sao cho đường cong z' z" b" không bị gãy khúc ở điểm z".
+ Diện tích III biểu diễn tổn hao của công dãn nở do xu páp thải mở sớm. Khi
đó áp suất trong xi lanh giảm nhanh và quá trình dãn nở diễn ra theo đường cong thực
tế. Thời điểm bắt đầu mở xu páp thải được chọn sao cho diện tích III không lớn mà
vẫn bảo đảm thải sạch sản vật cháy và tổn hao ít công cho quá trình thải chính. Đối

với động cơ được kiểm nghiệm, giá trị của góc mở sớm xu páp thải đã được cho
trước và vị trí của điểm b' trên đường dãn nở được xác định theo vòng tròn Brích.
+ Diện tích IV biểu diễn một phần của công tổn hao cho quá trình trao đổi khí.
Phần còn lại của công tổn hao cho quá trình trao đổi khí (giới hạn bởi diện tích
a'raa')đã được kể đến khi xét hiệu suất cơ khí ηcơ. Do đó khi tính toán công của chu
trình thực tế ta không xét đến nữa. Tuy nhiên, để tính toán động lực học, ta vẫn phải
dựng đường nạp r-a và thải b"-r. Thứ tự dựng các đường đó như sau:
+ Dựng điểm b" ở giữa đoạn thẳng a-b. Từ a và r, kẻ các đường song song với
trục hoành. Chọn điểm b"’ trên đường thải cưỡng bức sao cho đường cong không bị
gấp khúc. Dựng điểm r" theo góc đóng muộn của xu páp thải nhờ vòng tròn Brích.
Vẽ đường cong lượn đều từ r" lên r và đường cong lượn đều qua các điểm b', b", b"’
sao cho các đường cong ấy không bị gãy khúc.

14


Hình 2. Đồ thị công chỉ thị của động cơdiesel bốn kỳ sau khi hiệu chỉnh.
15


Phần 2
DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA ĐỘNG CƠ.
2.1. Khái quát
+ Đặc tính ngoài là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các chỉ tiêu như công
suất có ích Ne, mô men xoắn có ích Me, lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ G nl và
suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e vào số vòng quay của trục khuỷu n [v/ph] khi thanh
răng bơm cao áp chạm vào vít hạn chế.
+ Đồ thị này được dùng để đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu chính của động cơ
khi số vòng quay thay đổi và chọn số vòng quay sử dụng một cách hợp lý khi khai
thác.

+ Đặc tính ngoài được dựng bằng các phương pháp như thực nghiệm, công
thức kinh nghiệm hoặc bằng việc phân tích lý thuyết. ở đây giới thiệu phương pháp
dựng bằng các công thức kinh nghiệm của Khơ-lư-stốp Lây-đéc-man.
2.2. Thứ tự dựng các đường đặc tính.
a)Đối với động cơ diesel:
Để dựng đường đặc tính, ta chọn trước một số giá trị trung gian của số vòng
quay n trong giới hạn giữa nmin và nmax rồi tính các giá trị biến thiên tương ứng của
Ne, Me, Gnl, ge theo các biểu thức sau:

 n
n
N e = N e dm 0,5.
+ 1,5.
n dm

 n dm

2


 n
 − .

 n dm





2


 n  
n
 
M e = M 0,5 + 1,5.
− .
n dm  n dm  



3




[KW]

N
e

[MNm]

2

 n  
n
 
g e = g 1,55 − 1,55.
+ .
n dm  n dm  




 g 
 KWh 

N
e

 kg 
 
Gnl = geN.Ne  h 
Trong đó:
Neđm = 197,6741 [KW]. Công suất định mức thu được trong tính toán.
nđn= 2600 [v/ph].

v
 
Số vòng quay ứng với công suất định mức  ph  .

M Ne = 726,3869 [Nm] =726,3869 .10-6 [MNm].

g

N
e

 g 



=253,2  KWh  .
16


Mô men xoắn cóích [MNm] và suất tiêu hao nhiên liệu có ích
vòng quay định mức nđm.

 g 
 KWh 
ở số

Ne, Me, ge là giá trị tương ứng của công suất có ích, mô men xoắn có ích và
suất tiêu hao nhiên liệu có ích ứng với từng số vòng quay trung gian được chọn trước.
n- giá trị của biến số được chọn trước [v/ph].
b) Kết quả tính toán được thống kê thành bảng 2.

Dựa vào các số liệu thu được, ta dựng đường đặc tính lên giấy kẻ ly.
[Bảng 2]
Kết quả tính toán các chỉ tiêu.
n
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200

2400
2600

Ne
21.5039
36.1698
52.7251
70.6300
89.3447
108.3294
127.0441
144.9490
161.5043
176.1702
188.4067
197.6741

Me
513.6286
575.9517
629.6786
674.8091
711.3434
739.2813
758.6230
769.3684
771.5174
765.0702
750.0267
726.3869

17

ge
338.0744
315.3763
295.6747
278.9695
265.2607
254.5484
246.8325
242.1131
240.3902
241.6637
245.9336
253.2000

Gnl
7.2699
11.4071
15.5895
19.7036
23.6996
27.5751
31.3586
35.0941
38.8241
42.5739
46.3355
50.0511

Hình 3. Đường đặc tính ngoài của động cơ diesel

18


Phần 3
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
3.1.

Mục đích:

Phần tính toán động lực học của đồ án nhằm xác định quy luật biến thiên của
lực khí thể, lực quán tính và hợp lực tác dụng lên pít tông cũng như các lực tiếp tuyến
và pháp tuyến tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu. Trên cơ sở đó sẽ xây dựng đồ thị véc tơ
lực [phụ tải] tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu, cổ trục và bạc đầu to thanh truyền cũng
như đồ thị mài mòn bề mặt. Từ các đồ thị véc tơ phụ tải ta biết được một cách định
tính tình trạng chịu lực của bề mặt và mức độ đột biến của tải thông qua hệ số va đập.
3.2.

Tính Toán động lực học:

Các lực và mô men trong tính toán động lực học được biểu diển dưới dạng
hàm số góc quay trục khuỷu α.Với quy ước là khi pít tông ở điểm chết trên thì α=0.
Ngoài ra các lực này còn tính với 1 đơn vị diện tích đỉnh pít tông,khi cần các giá trị
thực của lực ta nhân với giá trị của áp suất với diện tích tiết diện ngang của đỉnh pít
tông.
Thứ tự làm việc của các xy lanh:1-4-2-5-3-6.
Góc công tác của động cơ:δk = 1200.

a)Khối lượng của các chi tiết chuyển động:
*Khối lượng nhóm pít tông:mpt
mpt = 3,758 [kg]
*Khối lượng của nhóm pít tông trên 1 đơn vị diện tích đỉnh pít tông:
m pt

m’pt = Fpt
Trong đó:

=

3,758
= 212,8[kg / m 2 ]
0,017663

.

πD 2 3,14.( 0,15) 2
=
= 0,017663[ m 2 ]
4
Fpt = 4

*Khối lượng thanh truyền:
Khi động cư làm việc,thanh truyền tham gia chuyển động song phẳng,
đầu nhỏ tham gia chuyển động tịnh tiến cùng nhóm pít tông, đầu to tham gia
chuyển động quay cùng cổ khuỷu,và thân chuyển động lắc.Để đơn giản trong
quá trình trình tính toán ta phân tích khối lượng thanh truyền gồm 2 phần [M 1
và M2] và quy dẫn chúng về các điểm có chuyển động đặc trưng đơn giản. Khi
quy dẫn phải dựa trên các nguyên tắc sau:

19


-Tổng khối lượng sau phân chia phải bằng khối lượng thanh truyền.
-Trọng tâm của thanh truyền không thay đổi
-Mômen quán tính đối với trọng tâm của thanh truyền không thay đổi.
⇒mtt = m1 + m2
= 2,5833 + 5,1667 = 7,75 [kg].
m1.l1 = m2.l2

[ l=l1 + l2 =180+90=270 (mm)]

Với l-chiều dài thanh truyền;
l1 –khoảng cách từ tâm đầu nhỏ đến trọng tâm thanh truyền.
l2 –khoảng cách từ tâm đầu to đến trọng tâm thanh truyền.
Khối lượng quy dẫn trên 1 đơn vị diện tích đỉnh pít tông:

m’1 =

m1
2,5833
=
= 146,2549[kg / m 2 ]
F pt 0,017663

m’2 =

m2
5,1667
=

= 292,5154[kg / m 2 ]
F pt 0,017663

*Khối lượng trục khuỷu:
Để xác định khối lượng chưa tự cân bằng của khuỷu trục ta chia khuỷu trục
thành 4 phần:A,B,C,D.
-Phần A là khối lượng cổ khuỷu và 1 phần má khuỷu chưa tự cân bằng được
quy về đường tâm chốt khuỷu với bán kính quay R.
-Phần B là khối lượng của 2 má khuỷu [2(mm) ζ] chưa tự cân bằng với trọng
tâm O,có bán kính quay ζ .Khi tính toán ta quy dẫn 2(mm)ζ về tâm quay cổ khuỷu
với bán kính quay R sao cho lực quán tính ly tâm do khối lượng quay thay thế(mm) r
sinh ra ở bán kính R bằng lực quán tính ly tâm của khối lượng 2(mm) ζ sinh ra ở bán
kinh ζ ,nghĩa là:
(mm)r.R .ω2 = (mm)ζ.ζ.ω2
ζ
.mmζ
Do đó : (mm)r = R

-Phần C:là phần khối lượng các cổ trục và một phần các má khuỷu đã tự cân
bằng với tâm quay O của trục khuỷu.

20


-Phần D : là khối lượng của các đối trọng chưa tự cân bằng với tâm quay O và
có bán kính quay là ζd. Để đơn giản cho việc tính toán ta quy dẫn khối lượng đối
trọng Md về tâm quay O với bán kính quay ζd.
Như vậy khối lượng tham gia chuyển động quay chưa tự cân bằng của trục
khuỷu là: mk = mck + 2[mm]ζ
-Khối lượng của cổ khuỷu [mck]được tính:

mck = Vck.ρthép
Trong đó :
ρthép khối lượng riêng vật liệu làm cổ khuỷu = 7,8 [kg/dm3]
π .lck
.( D 2 ck − d 2 ck )
Vck= 4

Vck: thể tích cổ khuỷu
Dck - đường kính ngoài cổ khuỷu: ≈0.85 [dm]
dck-đường kính trong cổ khuỷu: =0,46 [dm]
lck-chiều dài cổ khuỷu
=0,7 [dm]

π .l ck
3,14.0,7
.( D 2 ck − d 2 ck )
.( 0,85 2 − 0,462 ) ≈ 0,281[dm 3 ]
4
⇒ Vck= 4
=

⇒ mck = Vck.ρthép=0,281.7,8 =2,191 [kg].

Khối lượng 2 má khuỷu 2(mm)ζ quy về tâm cổ khuỷu có bán kính quayR:
ζ
.m mζ
(mm)r = R

Với : ζ- bán kính quay của má khuỷu: = 0,45 [dm].
R-bán kính quay của má khuỷu quy về tâm chốt khuỷu: = 0,9 [dm].

(mm)ζ -khối lượng quay của má khuỷu quanh tâm O với bán kính ζ.
(mm)r -khối lượng quay của má khuỷu quanh tâm O với bán kính R quy về cổ
khuỷu.
(mm)ζ = Vmk. ρthép
Với:

ρthép -khối lượng riêng vật liệu làm má khuỷu = 7,8 [kg/dm3]
πD 2 mk .bm
4
Vmk =

Vmk: thể tích má khuỷu.

Với : Dmk: đường kính má khuỷu: = 1,84 [dm]
bm – bề rộng [dày] má khuỷu : = 0,22 [dm]
πD 2 mk .bm
3,14.1,84 2.0,22
≈ 0,585[dm 3 ]
4
4
⇒ Vmk =
=

Khối lượng 2 má khuỷu với bán kính quay R quanh tâm O của cổ trục:
0,45
ζ
.0,585 .7,8 ≈ 4,561[kg ]
.M mζ 2.
0
,

9
R
(mm)r = 2.
=
21


⇒Như vậy khối lượng chuyển động quay của cổ khuỷu và má khuỷu chưa tự cân
bằng là:
mk = mck + 2(mm)ζ = 2,191 + 4,561 = 6,752 [kg]
Khối lượng của cổ khuỷu Mkứng với 1 đơn vị diện tích đỉnh pít tông:
m’k =

Mk
6,752
=
= 382 ,246[kg / m 2 ]
F pt 0,017663

-Khối lượng tham gia chuyển động quay mr :
mr=mk + m2 = 6,752 + 5,1667 = 11,9187 [kg]
-Khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến mj :
mj = mpt + m1 =3,758 + 2,5833 = 6,3413 [kg]
(mpt = 3,758 [kg] : Khối lượng nhóm pít tông:
m1= 2,5833 [kg] : khối lượng thanh truyền qui dẫn về tâm chốt pít tông.)
b) Lực và mô men tác dụng lên cơ cấu KTTT:
Khi làm việc cơ cấu KTTT chịu tác dụng của các lực sau:
-Lực quán tính chuyển động tịnh tiến.
-Lực quán tính ly tâm.
-Lực khí thể.

-Lực ma sát.
-Phản lực khí thể.
Trong các lực kể trên thì lực quán tính và lực ly tâm có ảnh hưởng lớn hơn
cả.Vì vậy trong quá trình tính toán động lực học người ta có thể bỏ qua ảnh hưởng
của các lực khác mà chỉ xét lực khí thể và lực quán tính.
∗ Lực quán tính:
-Lực quán tính chuyển động tịnh tiến:
Pj = - mj. Rω2[cosα + λ cos 2α].10-6
[MN]
Trong đó:
R: bán kính quay của khuỷu trục [m]; R = 0,075 [m]
ω: vận tốc góc trục khuỷu, ω = π.n/30 = 3,14.2600/30 = 272,1 [Rad/s]
λ: hệ số kết cấu của động cơ.λ = R/L=75/270 = 0,278
Lực Pj thay đổi trong suốt chu trình công tác của động cơ và được coi như có
phương tác dụng trùng với phương của lực khí thể Pk.
Dấu [-] có ý nghĩa tượng trưng về sự ngược chiều giữa gia tốc và lực quán tính.
Vậy :Pj = - mj. Rω2[cosα + λ cos 2α].10-6
[MN]
= - 6,3413 .0,075 .272,12[cosα + 0,278 .cos2α].10-6 [MN]
Khi làm việc giá trị α luôn thay đổi từ [0 ÷ 7200] tương ứng sẽ có các giá trị
khác nhau của Pj .Kết quả tính toán được ghi trong bảng .
22


- Lực quán tính ly tâm:Pr
Lực quán tính chuyển động quay P r do các khối lượng chuyển động quay với
vận tốc ω, bán kính R gây nên, ta có:
Pr =- mr Rω2.10-6 [MN]
= -11,9187 .0,075 .272,12.10-6 = 66183,1198.10-6[MN]
- Lực khí thể Pk:

π .D 2
Pk = [P - P0]. 4 [MN]

Trong đó :

P-áp suất của môi chất công tác trong xy lanh;
P0- áp suất môi trường = 1,01.105[N/m2]
Do lực khí thể trong suốt quá trình công tác của động cơ sẽ lặp lại ở chu trình
công tác sau, nên từ đồ thị công P-V ta triển khai thành dạng P-α bằng cách chuyển trục
hoành lên đường P0.Véc tơ lực khí thể Pk được quy ước trùng với đường tâm xy lanh,do
đó ta tìm được giá trị của Pk theo góc quay α.

Hình 4: Đồ thị triển khai lực khí thể Pk từ đồ thị công p-V bằng vòng tròn B.rích

23


Lực tác dụng lên chốt pít tông PΣ:
Lực tác dụng lên chốt pít tông PΣ là tổng lực khí thể và lực quán tính chuyển
động tịnh tiến.
PΣ = Pk + Pj [MN]
Bằng phương pháp đồ thị ta tính được Pk.
Bằng phương pháp giải tích ta tính được PJ.
Kết quả tính PΣ được ghi ở bảng 3.
-

Từ các giá trị của PΣ theo góc quay α trên cùng 1 hệ trục toạ độ ta vẽ được PΣ- α
theo 1 tỷ lệ xích nhất định.Hoặc có thể vẽ đồ thịPk -α và Pj-α trên cùng 1 hệ trục toạ độ
với cùng 1 tỷ lệ xích ,rồi bằng phương pháp cộng đồ thị ta nhận được đồ thị PΣ- α với

kết quả tương tự trên.đồ thị có dạng:

Hình 5: Đồ thị lực khí thể Pk, lực quán tính Pj và tổng lực.
24


c) Dựng đồ thị véc tơ phụ tải:
∗Ý nghĩa:
-Đồ thị véc tơ phụ tải là đồ thị biểu diễn tổng hợp các lực tác dụng lên bề mặt
làm việc ở các vị trí khác nhau của trục khuỷu.
-Các bề mặt làm việc quan trọng của trục khuỷu bao gồm:cổ trục,cổ khuỷu,bạc
lót đầu to thanh truyền và bạc lót ổ trục.Đồ thị véc tơ phụ tải dùng để:
+Xác định phụ tải xem xét quy luật mài mòn của các bề mặt làm việc.
+Xác định đơn vị phụ tải lớn nhất,trung bình nhằm đánh giá mức độ va đập.
+Xác định vị trí chịu lực nhỏ nhất để khoan lỗ dầu bôi trơn.
Đối với cổ trục,lực tác dụng bao gồm phản lực của các lực tiếp tuyến T,lực
pháp tuyến Z và lực quán tính ly tâm của các khuỷu trục gây ra.
Lực tiếp tuyến T được xác định:
sin(α + β )
T = PΣ .
cos β
[MN]
Lực pháp tuyến Z được xác định :
cos(α + β)
Z = PΣ .
cos β

[MM]
Pr2 = m2 Rω2.10-6 = 5,1667 .0,075 .272,12 .10-6 = 0,02869 [MN]

Giá trị của các lực T và Z củng như của các hàm số lượng giác được trình bày
trong bảng 3.
Dựa vào bảng biến thiên ta xây dựng đồ thị biến thiên của lực tiếp tuyến T và
lực pháp tuyến Z.

Hình 6. Đồ thị lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z.
25