TRƯỜNG đại học sư PHẠM kỹ THUẬT TP 2 (1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
BÀI TẬP LỚN
GVHD: NGUYỄN VĂN TRẠNG

NHĨM SINH VIÊN THỰC HIỆN: Nhóm 20
Nguyễn Hồng Anh
Võ Trường Đơng
Nguyễn Thành Trọng
Lê Văn Ven

18145
18145
18145
18145489


GVHD: NGUYỄN VĂN TRẠNG

NHĨM 20

PHẦN 1: TÍNH TỐN NHIỆT........................................................................................................................... 4
1.1Chọn các thơng số cho tính tốn nhiệt................................................................................................ 4
1.1.1 Áp suất khơng khí nạp ( Po ).......................................................................................................... 4
1.1.2 Nhiệt độ khơng khí nạp mới ( T0 )................................................................................................ 4
1.1.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp ( Pk)....................................................................................... 4
1.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk)....................................................................................... 4
1.1.5 Áp suất cuối quá trình nạp (pa)..................................................................................................... 4
1.1.6 Chọn áp suất khí sót Pr................................................................................................................... 5

1.1.7 Nhiệt độ khí sót ( Tr )....................................................................................................................... 5
1.1.8Độ tăng nhiệt dộ khí nạp mới ( ΔT )............................................................................................. 5
1.1.9Chọn hệ số nạp thêm λ1.................................................................................................................. 5
1.1.10 Chọn hệ số quét buồng cháy λ2................................................................................................. 5
1.1.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt................................................................................................. 5
1.1.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( ξZ )......................................................................................... 6
1.1.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ( ξb )......................................................................................... 6
1.1.14 Chọn hệ số dư lượng khơng khí α............................................................................................ 6
1.1.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công ( φd )..................................................................................... 6
1.1.16Tỷ số tăng áp λ................................................................................................................................ 7
1.2Tính tốn nhiệt........................................................................................................................................... 8
1.2.1 Q trình nạp.................................................................................................................................... 8
1.2.2 Q trình nén.................................................................................................................................... 9
1.2.3 Quá trình cháy................................................................................................................................ 11
1.2.4 Quá trình giãn nở:.......................................................................................................................... 13
1.3 Tính thơng số kết cấu của động cơ:................................................................................................. 16
1.4Dựng và hiệu đính đồ thị:..................................................................................................................... 17
1.4.1 Q trình nạp.................................................................................................................................. 17
1.4.2 Quá trình nén.................................................................................................................................. 18
1.4.3Quá trình dãn nở............................................................................................................................. 18
1.4.4Quá trình thải................................................................................................................................... 18
PHẦN 2: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN

............................................................................................................................................................................... 19

2.1Động học của piston (theo phương pháp giải tích)....................................................................... 19

2

GVHD: NGUYỄN VĂN TRẠNG

NHÓM 20

2.1.1 Chuyển vị của piston..................................................................................................................... 19
2.1.2 Tốc độ piston................................................................................................................................... 19
2.1.3Gia tốc piston................................................................................................................................... 20
2.2Động lực học của cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền..................................................................... 20
2.2.1 Lực khí thể Pkt................................................................................................................................. 21
2.2.2 Lực quán tính.................................................................................................................................. 21
2.2.3 Lực tổng hợp.................................................................................................................................. 22
2.2.4 Lực ngang N, lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z............................................................. 22
PHẦN 3: ĐỒ THỊ............................................................................................................................................... 23
PHẦN 4: PHỤ LỤC........................................................................................................................................... 29

3


GVHD: NGUYỄN VĂN TRẠNG

NHĨM 20

PHẦN 1: TÍNH TỐN NHIỆT
CÁC THƠNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ:
-

Kiểu, loại động cơ: Động cơ Diesel
Cơng suất có ích , Ne , [kW] : 40 Kw
Tỷ số nén, ε : 18
Làm mát bằng: Nước

Số kỳ τ : 4 kỳ
Số vòng quay thiết kế, n , [v/ph] : 2000 v/ph
Số xi lanh, i: 2 xi lanh
Đường kính xi lanh, D [mm]
Hành trinh piston, S [mm].

1.1 Chọn các thơng số cho tính tốn nhiệt
1.1.1 Áp suất khơng khí nạp ( Po )
Áp suất khơng khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển:
Po = 0,1 MN/m2

1.1.2 Nhiệt độ khơng khí nạp mới ( T0 )
Nhiệt độ khơng khí nạp mới phụ thuộc vào nhi ệt độ trung bình của mơi
trường, nơi xe được sử dụng. Điều này hết sức khó khăn đối với các xe thiết
kế để sử dụng ở những vùng có khoảng biến thiên nhiệt độ trong ngày lớn.
Nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn

là tkk =29oC, do đó:
T0= (tkk + 273 )oK= 29+273= 302o K
1.1.3 Áp suấ t khí nạp trước xupap nạp ( P k)
Đối với động cơ 4 kì khơng tăng áp: Pk = P0 = 0,1 MN/m2

1.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k)
Đối với động cơ 4 kì không tăng áp: Tk = T0 = 302 K.

1.1.5 Áp suấ t cuối quá trình nạp (pa)
4


GVHD: NGUYỄN VĂN TRẠNG

NHĨM 20

Đối với động cơ khơng tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xi lanh
thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do có tổn thất trên đường ống nạp và tại
bầu lọc gây nên. Trong q trình tính tốn nhiệt , áp suất cuối q trình nạp pa
thơng thường đ ược xác định bằng cơng thức thực nghiệm:
Pa =(0,850,95 )P0= (0,085 0,095)MN/m2

Ta chọn : pa= 0,81.P0 =0,081 MN/m2
1.1.6 Chọn áp suất khí sót Pr
Áp suất khí sót cũng phụ thuộc giống như pa . Đối với động cơ diesel ta có
thể chọn: Pr = (1,03 1,06 ).P0 = (0,103 0,106) MN/m2 .

Chọn Pr = 0,103 MN/m2
1.1.7 Nhiệt độ khí sót ( Tr )
Phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí, mức dộ giãn nở và sự trao đổi
nhiệt trong quá trình giãn nở và thải. Đối với động cơ diesel:

Tr = (700 900)K
Chọn Tr = 760K.
1.1.8 Độ tăng nhiệt dộ khí nạp mới ( ΔT )
Khi tiến hành tính tốn nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT
căn cứ vào số liệu thực nghiệm.
Với động cơ diesel : ΔT =( 10 35 )oC
Ta chọn : ΔT = 10 oC
1.1.9 Chọn hệ s ố n ạp thêm λ1
Hệ số nạp thêm λ1 biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp
khí cơng tác sau khi nạp thêm so với lượng khí cơng tác chiếm chỗ ở thể tích
Va. Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn λ1 = 1,02 1,07

Ta chọn λ1 = 1,06 .
1.1.10 Chọn hệ s ố quét buồng cháy λ2

Đối với động cơ không tăng áp do khơng có qt buồng cháy nên chọn
λ2=1.

1.1.11 Chọn hệ s ố hiệu đính tỷ nhiệt λt
Phụ thu ộc vào thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót Tr. Thơng
thường khi tính cho động cơ diesel:
Với: α =1,25 1,4
chọn: λt = 1,12
α =1,5 1,8
chọn: λt = 1,11
Chọn loại động c ơ diesel có buồng đốt thống nhất: α =1,451,75 có
α =1,6. Chọn λt = 1,11
5


GVHD: NGUYỄN VĂN TRẠNG

NHÓM 20

1.1.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( ξZ )
Hệ số l ợi dụng nhiệt tại điểm Z ( ξZ ) phụ thuộc vào chu trình cơng tác
của động cơ. Đối với động cơ diesl ta có thể chọn : ξZ = 0,65 – 0,85
Ta chọn : ξZ = 0,7
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 : tốc độ
động cơ, tỷ số nén.

Đối với các loại động cơ diesel ta thường chọn ξb =0,8 0,9.

Ta chọn ξb = 0,8.
1.1.14 Chọn hệ số dư lượng khơng khí α
Hệ số α ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy. Đối với động cơ diesel
buồng cháy thống nhất α = 1,45 1,75

Ta chọn α = 1,65.
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 cơng thực tế so với đồ thị cơng tính tốn. Đối với động cơ diesel buồng
cháy thống nhất φd = 0,9 0,95.

Chọn φd = 0,95.
1.1.16Tỷ số tăng áp λ
Là tỷ s ố giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xi lanh ở cuối quá trình cháy
và quá trình nén.
Đố i với động cơ diesel buồng cháy thống nhất, trị s ố λ = 1,6 2,2

Ta chọn λ = 1,6.

6


GVHD: NGUYỄN VĂN TRẠNG

1.2 Tính tốn nhiệt
=
18

ΔT
=
35
°C
Pa = t =
0,0 1,
81 11
MP
a
Pk
Pr
=0, =0
1M ,1
Pa 03
Tk = m
302 =
°K 1,
5
Tr
1=
1,0 =
5
76
0°
K
=1
2=
1
,7

5
=
0,9
5
=
=
0,65 0,8

+ Hệ số
khí sót
( γr ):
Được
tính theo
cơng
thức:

=..=..
0,02908

1.2.1 Q trình nạp
+ Hệ

NHÓM 20

số nạp ( ɳv): m là chỉ số đa biến trung bình của khơng khí.

Chọn m = 1,5.

= . ..
. ..

= 0,828
Dựa vào bảng 1.11/24 : bảng hệ số nạp thực tế
Ta thấy :

ɳv của động cơ diesel tốc độ thấp: ɳv= 0,8-0,9.


Động cơ diesel khơng tăng áp có γr = 0,03 0,06
+ Nhiệt độ cuối qua trình nạp Ta :
=
=

= 325,188 oK.
Theo bảng 1.12/24, ta thấy:
Loại động cơ diesel có : ΔT = (1025) oC ,Ta= (310360)oK

1.2.2 Quá trình nén
Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:
vc= 19,806+= 21,7962 (kJ/kmol°K)
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
= (19,867++(427,38+-5.Tc= 23,4656 (kJ/kmol°K)
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong q trình
nén :
´=== 21,8355(kJ/kmol°K)

vc

-

Chỉ số nén đa biến trung bình được xác đ ịnh một cách gần đúng theo
phương trình cân bằng nhiệt của quá trình nén với giả thiết cho vế trái
của phương trình này bằng 0 và thay k1 = n 1, ta có:

n1-1==
Giải phương trình ta tìm được: n1=1,37.

-

Áp suất quá trình nén pc:
pc=pa.= 0.081.=4,249 (MN/)

-

Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc:
Tc=Ta.= 325,188.= 947,514 (°K).

Loại động cơ diesel ( buồng cháy thống nhất ) có:
n1=1,34 1,4 ; Pc= (3,88 5,88) [MN/m2] ; Tc= (850 1050) °K.

1.2.3 Quá trình cháy
- Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu M o:
Mo= 0,4357 [kmol kk /kg nl]
- Lương khí mới thực tế nạp vào xilanh M1:
M1=.Mo=1,75.0,4357=0,7625 [kmol kk /kg nl]


Lượng sản vật cháy M2:
M2== = 0,7941 [kmol SVC/kg nl]

- Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết o:
= 1,0415
o===
- Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế :
==1+= 1,0404
- Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm :
=1+.=1+= 1,03277
== 0,8125
- Tổn thất nhiệt lượng do cháy khơng hồn tồn H:
H=0
- Tỷ nhiệt mol đẳng tính trung bình của mơi chất tại điểm Z:
vz=
-

=

= 23,059 (kJ/kmol.°K)
- Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz:
+(+8,314)Tc=(z
Suy ra :z
=

=2114,874 (°K).
- Áp suất cuối quá trình cháy pz:
pz= .pc =1,6.4,249 =6,7984 (MPa)

Theo bảng 1.15/24, ta thấy:
Loại động cơ diesel có : =(0,650,85); pz =(5,010,0) [MPa] ;

z

=(18003700) (°K).

1.2.4 Quá trình giãn nở:
Tỷ số dãn nở đầu:= = 1,4408
Tỷ số dãn nở sau:= = 12,49306
Xác định chỉ số dãn nở đa biến trung bình (n2):
Ở nhiệt độ từ 1200-2600°K, sai khác của tỷ nhiệt khơng lớn lắm do đó ta
có thể xem =
Suy ra: =
Thay Tb= vào phương trình ta được:
=
Giải phương trình ta tìm được: = 1,22

Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở Tb:
Tb===1213,4371 (oK)
Áp suất cuối quá trình dãn nở Pb:


Pb===0,3123 (MN/)

Theo bảng 1.16/24, ta thấy:
Loại Diesel không tăng áp có : =(1,151,23); pb =(0,20,4) [MN/] ;
z

=(10001400) (°K).

Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr:
Tr=Tb.= 1213,44371.= 838,67658 (oK)
Sai số:

==0,09348= 9,348 < 10


1.2.5 Tính tốn các thơng số đặc trưng của chu trình:
- Áp suất chỉ thị trung bình tính tốn :
=.

0,081.
0,8488 (MN/)
- Áp suất chỉ thị trung bình thực tế ():

Động cơ diesel có:

= 0,92÷0,95 , chọn =0,95 .

= = 0,95.0,8488=0,80636 (MN/)
- Áp suất tổn thất cơ khí :
= a+b.+(
Vì động cơ có tốc độ thấp nên chọn = 3
Động cơ Diesel có buồng cháy thống nhất nên chọn a=0,089 và b=0,0118.
Suy ra:
= 0,089 +0,0118.3 +(= 0,1464 (MN/)

- Áp suất có ích trung bình :
=-=0,80636 – 0,1464= 0,65996 (MN/)
- Hiệu xuất cơ giới :
= == 1- =1-= 0,8184
- Hiệu suấ t chỉ thị :

= 8,314. = 8,314. = 0,4383

- Hiệu suất có ích ( ):

= 8,314. = 8,314.= 0,3587
- Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị ():
= == 0,1931 [kg/kW.h] =193,1 [g/kW.h]
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ():

= = = 0,236 [kg/kW.h] = 236 [g/kW.h]
Theo bảng 1.18/31, ta thấy:
Động cơ Diesel bốn kỳ khơng tăng áp có:
= (0,7 1,1) (MN/)


= (0,65 0,85) (MN/)
= (170 210) (g/kW.h)
= (200 260) (g/kW.h)

1.3 Tính thơng số kế t cấu của động cơ:
- Thể tích cơng tác ():
= = = 1,8183 (lít), d
- Đường kính piston ( D):
D=
Chọn = 1,2. Ta được:
D=

= 1,245 (dm)

- Hành

trình piston (S):

S=.D=1,2.1,245 = 1,494 (dm)

Vẽ đồ thị cơng chỉ thị:
- Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị cơng:
Điểm a(,) : Điểm cuối q trình hút, có áp suất = 0,081 và thể tích:

= = = 1+
Suy ra: =+ = 1,8183+ = 1,925 (d= 1925 (c
Vậy a (1925; 0,081).
Điểm b,: Điểm cuối quá trình dãn nở với Vb=Va
Ta có: b (1925 ; 0,3123).
Vì b” là trung điểm đoạn ab => b”(1925; 0,19665)
Điểm c(,) : điểm cuối quá trình nén
Ta có : = = = 0,1696 (d= 1696 (c ,
= 4,249 (MN/)
Vậy c(1696;4,249).
Vì cc’’=
z’() → z’(1696; 6,7984)
→ c’’( ) → c’’(1696;5,0958)
Điểm z (, : Điểm cuối q trình cháy
có Pz = 6,7984 ( MPa ) ;
Vz =. = 1,4408.1696 = 2443,6 (cm3 )

=+ , với :


Suy ra: z (2443,6,7984 ).
Điểm r (,: điểm cuối quá trình thải
Ta có: Pr = 0,103 ( MPa ) ; Vr = Vc =1696 (cm3 )

Suy ra: r ( 1696 ; 0,103 ).
- Dựng đường cong nén
0,081
-

Dựng đường cong giãn nở:

6,7984

Dựng và hiệu đính đồ thị:
1.4.1 Q trình nạp
- Supap thải đóng muộn sau ĐCT 22°, nội suy đường cong từ 0° đến 22°
- Đường đẳng áp từ 22° đến 180° (0,085 MN/m2)
1.4.2 Quá trình nén
-

Nội suy đường cong từ 180° đến 220° (góc đóng muộn xupap nạp là 40°) Ta có n1
= 1,37; Pxn, Vxn là áp suất và thể tích tại 1 điểm bất kỳ trên đường

cong nén :
0,081
Với Vxn phụ thuộc vào[220°;3350], phun dầu sớm trước ĐCT 25°
- Nội suy đường cong từ 335°(phun dầu sớm) đến 360°
- Vẽ đường đẳng tích (Vc = const) với áp suất: 5,0958–6,7984 MN/m2
Có được giá trị 5,0958 do điều kiện cc’’=
- Nội suy đường cong từ 360° đến 374°
1.4.3 Quá trình dãn nở
Ta có n2 = 1,22 ; Pxg, Vxg là áp suất và thể tích tại 1 điểm bất kỳ trên đường cong
dãn nở :
6,7984

Với Vxg phụ thuộc vào [374°;4800]; supap thải mở sớm trước ĐCD 60°


1.4.4 Quá trình thải
- Nội suy đường cong [480°;570°] đi qua điểm b”( 1925; 0,19665)
- Vẽ đường đẳng áp (0,103 MN/m2) từ 570° đến 720°

PHẦN 2: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG L ỰC HỌC CƠ
CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN
2.1

Động học của piston (theo phương pháp giải tích)

Vì chu kỳ của chuyển vị, vận tốc và gia tốc lặp lại nên chỉ cần xét [0°;360°]
Chọn thông số kết cấu của ơ tơ có giá trị ( ) .Chọn λ= 0.25
2.1.1 Chuyển vị của piston
Khi trục khuỷu quay một góc α thì piston dịch chuyển được m ột khoảng x so với vị
trí ban đầu.Chuyển vị của piston trong xi lanh động cơ tính bằng cơng thức sau:
= R., với R=
= 8,97. (cm)
2.1.2 Tốc độ piston

Ta xác định phương trình tốc độ của piston là hàm phụ thuộc vào góc quay
trục khuỷu bằng cách vi phân biểu thức trên
=. =
Ta có:

=–Tốc độ quay piston
= – vận tốc góc của trục khuỷu

= = =
Suy ra:
= = 0,0897.. (m/s)


GVHD: NGUYỄN VĂN TRẠNG

NHÓM 6

2.1.3 Gia tốc piston
Lấy đạo hàm cơng thức = theo thời gian ta có cơng thức tính gia tốc
của piston.
= = . =.
= = 0,0897.. (m/)

2.2

Động lực học của cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền

2.2.1 Khối lượng nhóm piston (khối lượng các chi tiết chuyển động
thẳng ): Bao gồm khối lượng của piston, xéc măng, chốt piston.Ngồi
ra cịn có khối lượng của các guốc trượt ...Ký hiệu:
= +=+…[kg]
Hoặc: = =. [kg]
Động cơ Diesel, piston là hợp kim gang: mnp = (25 40) (g/cm2)

Chọn mnp = 28 (g/cm2).
2.2.2 Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay ):
= +2.

= +2.

2.2.3 Khối lượng của thanh truyền:
Thanh truyền chuyển động khá phức tạp , đầu nhỏ chuyển động tịnh
tiến, đầu to chuyển động quay , thân chuyển động lắc .Vì vậy, trong
tính tốn lực qn tính ta thay thế nhóm thanh truyền bằng một hệ
tương đương có khố i lượng tập trung tại ba điểm ( tại tâm chốt piston,
tâm chốt khuỷu và trọng tâm thanh truyền )

Tổng các khối lượng thay thế phải bằng khối lượng thực của thanh
truyền:

mtt = mA + mB + mO

- Khối lượng thanh truyền: mtt = 2540 (g/cm2)
Chọn mtt = 30 (g/cm2)
- Khối lượng quy về đầu nhỏ thanh
truyền = (0,275 0,350)mtt
Chọn = 0,3.mtt = 0,3.30 = 9 (g/cm2)


- Khối lượng đầu to thanh truyền:
= ( 0,65 0,725). mtt
Chọn =0,6.30 = 18 (g/cm2)

Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục thanh
truyền:
mj = mnp + mA = 28 + 9 = 37 (g/cm2)

Khối lượng chuyển động quay của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

mr= mK + mA
2.2.4 Lực khí thể Pkt
Ta triển khai đồ thị cơng P-V thành đồ thị = f() với [0°;720°],bỏ qua lượng hao
hụt p0 và tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston (NM/).
2.2.5 Lực quán tính

Lực quán tính chuyển động tịnh tiến:
=-.j=-m.
=0,00037. 0,0897.. (NM/)

2.2.6 Lực tổng hợp =f()
Ta tiến hành vẽ đồ thị = f() bằng cách cộng hai đồ thị và đồ thì : ()=

34