Tính toán chu trình nhiệt động cơ 1nz fe

Thiết kế động cơ
3.Tính tốn các chu trình cơng tác của động cơ 1NZ-FE
3.1.Các số liệu ban đầu
Bảng 4-1 Thông số ban đầu
Tên thơng số

Ký hiệu

Thứ

Giá trị

ngun
Cơng suất có ích

Ne

Kw

195

Tỷ số nén



Số vịng quay

n

Vịng/ phút

6045

Đường kính xi lanh

D

mm

95

Hành trình piston

S

mm

81

Số xi lanh

i

6

Số kỳ



4

Góc mở sớm xupáp nạp

1

Độ

15

Góc đóng muộn xupáp nạp

2

Độ

69

Góc mở sớm xupáp thải

3

Độ

32

Góc đóng muộn xupáp thải

4

Độ

11

Ký hiệu

Thứ nguyên

Giá trị

Áp suất khí nạp

Pk

MN/m2

0,1

Nhiệt độ khí nạp

Tk

K

298

Hệ số dư lượng khơng khí



Áp suất cuối kỳ nạp

Pa

MN/m2

0,085

Áp suất khí sót

Pr

MN/m2

0,11

Nhiệt độ khí sót

Tr

K

900

Độ sấy nóng khí nạp mới

T

8

Chỉ số đoạn nhiệt

m

1,5

10,7

3.2.Các thông số chọn
Bảng 4-2 Thông số chọn
Tên thông số

1

1


Thiết kế động cơ
Hệ số lợi dụng nhiệt tại z

z

0,865

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b

b

0,95

Tỷ số tăng áp



4

Hệ số nạp thêm

1

1,02

Hệ số quét buồng cháy

2

1

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt

t

1,17

Hệ số điền đầy đồ thị

đ

0,968

3.3.Tính tốn các chu trình cơng tác
3.3.1. Q trình nạp

-

Hệ số khí sót r :
r 

-

 2 .Tk  T  p r
.
.
Tr
pa

1
1

 p  m =0.0513
 .1  t . 2 . r 
 pa 

(3-1)

Hệ số nạp v :
1


 pr  m 
Tk
pa 
1

v 
.
.
 .1   t . 2 . 

  1 Tk  T p k 
 pa  



(3-2)

v

-

Nhiệt độ cuối qúa trình nạp Ta[oK):
p 

Tk  T   t .r .Tr . a 
Ta =
 pr 
1  r

2

m 1
m

(3=3)

Thiết kế động cơ

= 338,1786[oK]

Ta =

- Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu M 0 :
M0 

1 C H Onl
(  
)
0,21 12 4
32

(3-4)

Trong đó:
Thành phần trong 1 kg nhiên liệu [kg)
Nhiên liêu

Xăng

Mo =
-

C

H

O

0,855

0,145

0

Khối lượng

Nhiệt trị

phân tử nl

thấp QH

[kg/kmol)

[kj/kg)

110 - 120

43.995

1  0,885 0,145 0 
.



 =0, 512 [kmol khơng khí/kg nhiên liệu]
0,21  12
4
32 

Tính số mol khí nạp mới M1 [kmol khơng khí/kg nhiên liệu]
Do động cơ 2GR-FE là động cơ phun xăng
M 1  .M 0 = 1.0,512 = 0,512[kmol khơng khí/kg nhiên liệu]

(3-5)

3.3.2. Q trình nén
-

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khơng khí m Cvkk [KJ/Kmol.K].
m C vkk a v 

-

bv
0,00419
TK 19,806 
.298 =20,4303[KJ/Kmol.K].
2
2

(3-6)

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy m Cv :
m C v a v 

bv
Tr [KJ/Kmol.K].
2

Trong đó:
a"v 19,867 

1,634
1,634
= a"v 19,867 
= 21,501

1

3

(3-7)


Thiết kế động cơ
184,36   5

b"v  427,38 
.10 = 0,0031
1 

m C v 20,5010 

-

0,0031
.900 = 22,8960[KJ/Kmol.K].
2

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp cháy mCv [KJ/Kmol.K].
m C v a v 

bv
Ta [KJ/Kmol.K).
2

(3-8)

Trong đó:
a v' 
bv' 

a v  a v'' .r 19,806  21,5010.0,0513

19,8887
1  r
1  0,0513

bv  bv'' .r 0,00419  0,0031.0,0513

0,00428
1  r
1  0,0513

Vậy:
m C v a v 

-

0,0041
bv
. 338,1786 = 20,6132[KJ/Kmol.K].
Ta =19,8887+
2
2

Chỉ số nén đa biến trung bình n1:
8,314

n1 = 1 +

a v' 

'
v

(3-9)

b
.Ta .  n1  1  1
2





n1 =

Giải phương trình trên theo phương pháp chia đơi ta được: n1 = 1,369
-

Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc:
Tc = Ta.  n  1 = 337,01. 10,51, 369 -1 = 777,69[oK]
1

-

Áp suất cuối quá trình nén Pc:
Pc = pa.  n =0, 085. 10,71, 369 =1.927 [MN/m2].
1

3.3.3. Q trình cháy
-

(3-10)

Tính M:
Động cơ xăng khi  1 thì
4

(3-11)


Thiết kế động cơ

-

M 

H O
1
 
4 32  nl

M 

0,145 0
1


= 0,0279
4
32 120

(3-12)

Tính số mol sản phẩm cháy M2 [kmol/kg nhiên liệu]:
M2 M1  M

(3-13)

M 2 0,512  0,0279 = 0,5398 [kmol/kg nhiên liệu].

- Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết  0 .

0 

-

 o   r 1,0545  0,0564
=
=1,0516
1  r
1  0,0564

0  1  z
1,0545  1 0,865
. 1 
.
=1,047
1  r  b
1  0,0564 0,95

(3-16)

Tính hệ số toả nhiệt xz tại z.

0,865
xz  z 
=0,910
b
0,95

-

(3-15)

Hệ số biến đổi phân tử  z tại z.
 z 1 

-

(3-14)

Hệ số biến đổi phân tử thực tế  .


-

M 2 0,5398
=1,0545
M 1 0,512

(3-17)

Tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn QH.
QH = 120000(1-)M0

(3-18)

Do động cơ phun xăng  = 1 nên QH = 0
-

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình mơi chất m Cvz tại z.
m C vz a vz  bvzTz

(3-19)

Trong đó:

5


Thiết kế động cơ

 
  a v.M 1 1  x z 
a v.M 2  x z 

o 

a vz 

 
M 2  x z  r   M 1 1  x z 
o 

0,0503 

21,5010 .0,5398 0,865 
  19,8887 .0,5121  0,9105 
1,0545 

a vz 
=20,431

0,0503 

0,5398 0,9105 

0
,
512

1

0
,
9105


1,0537 



bv.M2  xz    bv .M11 xz 
o 

 
bvz

 
M2  xz  r   M11 xz 
o 

0,0503 


0,0031 .0,5398 0,9105 
  0,00428 .0,5121  0,9105 
1,0545 

bvz 
=0,00382
0,0503 

0,5398 0,9105 
  0,512 0,9105  1
1,0545 


- Nhiệt độ cực đại của chu trình Tz [oK]
 z . QH  QH 
 m C vc .Tc   z .m .C ' ' vz .Tz
M 1 .1  r 

(3-20)

Đưa về dạng phương trình bậc hai: ATz2  BTz  C 0
A =  z .bvz = 1,0473.0,00382 = 0,004
 = 1,0473. 20,431= 21,397
B =  z .avz

C= 

 z (Q H  Q H )
0,865(43900  0)

=
= -70615,0549
M1.(1 r )
0,512.(1  0,0503)

Vậy phương trình bậc hai: 0,004Tz2  21,397Tz  70615,0549 0
Giải phương trình ta có:
Tz = 2306,076 [oK].
-

Áp suất cực đại chu trình Pz [MN/m2].
p z  pc .

Tz
 z [MN/m2].
Tc

(3-21)

6


Thiết kế động cơ
Pz = 1,927.

2306,076
1,047 = 5,983[MN/m2].
777,69

3.3.4. Quá trình giãn nở

-

Tỷ số giãn nở sớm :
=1

-

(3-22)

Tỷ số giãn nở sau :
 =  =10,7.

-

(3-23)

Kiểm nghiệm lại trị số n2:
Chọn trước n2, tính lặp n2 theo cơng thức:
n2  1 

8,314
  b   z .(Q H  Q H )  a  bz. T  T 
vz
z
b
M11 r .. Tz  Tb )
2

Trong đó: Tb 

Tz


n2  1

(3-24)

[oK].

Giải phương trình trên theo phương pháp chia đơi ta được: n2 = 1,2325
-

Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb [oK].
=1356,48[oK].

-

Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb [MN/m2].
pb 

-

(3-25)

pz
 n2

=

=0,359[MN/m2].

(3-26)

Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót Trtính [oK).
P
Trt Tb  r
 Pb

Sai số:





m 1
m

= 1356,48 0,11 
 0,359 

1, 5  1
1, 5

= 914,416[oK]

Trtính  Trchon 914,416  900

2,2774%  15%
Trtính
914,416

3.3.5. Tính tốn các thơng số của chu trình cơng tác

7

(3-27)


Thiết kế động cơ
Tính tốn các thơng số chỉ thị:
-

Áp suất chỉ thị trung bình P 'i [MN/m2]
P 'i 

-

Pc  λ 
1 
1 
1 
2
1  n2 1  
1  n1 1   [MN/m ]

ε  1  n 2  1  ε  n1  1  ε  

(3-28)

Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi [MN/m2]

pi  pi. â [MN/m2]

(3-29)

p i 1,2135.0,968 =1,18 [MN/m2]

-

Hiệu suất chỉ thị động cơ i :
i 

-

8,314.M 1 . pi .Tk 8,314.0.512.1.1747.298

0.4401
QH . v . p k
43995 .0.826.0.01

(3-30)

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi [g/kw.h].
gi 

3600000
3600000
=
=185,92[g/kw.h].
Q H . i
43995.0,4401

(3-31)

3.3.6. Tính tốn các thơng số có ích:
-

Tổn thất cơ giới pm [MN/m2]
Theo công thức kinh nghiệm:
p m a  b.C m  p r  p a

Trong đó: C m 

S .n
=
30

(3-32)
= 16,32 [m/s]

Tuỳ theo động cơ và tỷ số S/D, loại buồng cháy tra các giá trị a, b
Vậy:
-

p m 0,024  0,0053.16,0533  0,11  0,0847 = 0,1344[MN/m2]

Áp suất có ích trung bình pe [MN/m2]
p e  p i  p m = 1,1844 - 0,1344 = 1,05 [MN/m2] (4-33)

- Hiệu suất cơ giới m :
8

Thiết kế động cơ
m 

-

pe
1,05
=
= 0,88
p i 1,1844

(3-34)

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e [g/kw.h]
ge 

g i 185,92

= 210.[g/kw.h].

0,88

(3-35)

- Hiêu suất có ích  e .
 e  m . i =0,88. 0,44= 0,3888

-

Thể tích cơng tác của động cơ Vh [dm3]
Vh 

-

(3-36)

N e .30.
=
p e .i.n

=0,61[dm3]

(3-37)

Kiểm nghiệm đường kính xi lanh Dt [dm].
Dt 

4.Vh
 .S

=

= 0.9535[dm]

Sai lệch:

(3-38)

=0,053 ≤ 0,1[mm]

Bảng 3-3 Các thơng số tính tốn nhiệt
Stt

Tên thơng số

Ký hiệu

Thứ ngun

Kết quả

Q TRÌNH NẠP
0

1

Nhiệt độ khơng khí trước xupap nạp

Tk

2

Hệ số nạp

ηv

0,8064

3

Hệ số khí sót

γr

0,0513

4

Nhiệt độ cuối q trình nạp

Ta

Q TRÌNH NÉN

9

0

K

K

298

338,178


Thiết kế động cơ

5

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của
khơng khí

m Cvkk

kJ/kmol.độ

20,4303

6

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản
vật cháy

m Cv

kJ/kmol.độ

22,896

7

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của
hỗn hợp cơng tác

m Cv

kJ/kmol.độ

20,613

8

Chỉ số nén đa biến trung bình

n1

9

Áp suất cuối quá trình nén

pc

10

Nhiệt độ cuối quá trình nén

Tc

1,369
MN/m2
0

K

1,927
777,69

QUÁ TRÌNH CHÁY
11

Lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy
hồn tồn 1kg nhiên liệu

M0

Kmolkk/kgnl 0,512

12

Số mol khí nạp mới

M1

Kmol/kgnl

0,512

13

Số mol sản vật cháy

M2

Kmol/kgnl

0,5398

14

Hệ số biến đổi phần tử lý thuyết

β0

1,0545

15

Hệ số biến đổi phần tử thực tế

β

1,0516

16

Hệ số biến đổi phần tử tại Z

βz

1,047

17

Tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn

18

Nhiệt độ cực đại của chu trình

Tz

19

Áp suất cực đại của chu trình lý thuyết

pz

ΔQH

0
0

K

MN/m2

2306,07
6
5,983

Q TRÌNH GIÃN NỞ
20

Tỷ số giản nở sớm

ρ

1

21

Tỷ số giản nở sau

δ

10,5

22

Nhiệt độ cuối quá trình giản nở

Tb

23

Áp suất cuối quá trình giản nở

Pb

24

Chỉ số giãn nở đa biến trung bình

n2

25

Nhiệt độ khí sót

Tr

0

K

MN/m2

1356,48
0,359
1,2325

0

K

914,416

THƠNG SỐ CHỈ THỊ
26

Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết

P 'i

MN/m2

1,214

27

Áp suất chỉ thị trung bình thực tế

pi

MN/m2

1,18

10


Thiết kế động cơ
28

Hiệu suất chỉ thị

ηi

29

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

gi

0,4401
kg/kw.h

185,92

CHỈ TIÊU CĨ ÍCH
30

Áp suất tổn thất cơ giới trung bình

pm

MN/m2

0,1344

31

Áp suất có ích trung bình

pe

MN/m2

1,05

32

Hiệu suất cơ giới

ηm

33

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

ge

34

Hiệu suất có ích

ηe

0,88
kg/kw.h

210
0,3888

3.3.7. Xác định lưu lượng dịng khí nạp, thải:

Hình: Tiết diện lưu thơng của xu-pap
-

-

Khi tính tốn tiết diện lưu thơng ta thường giả thiết dịng khí đi qua họng đế
xupáp là ổn định, coi dịng khí nạp, thải có tốc độ bình qn và tốc độ pittơng
khơng đổi.
Căn cứ vào giả thiết tính ổn định, liên tục của dịng khí ta có thể xác định
được tốc độ khí qua họng xupáp:

- Qua tính tốn và thực nghiệm tốc độ của dịng khí nạp ở chếđộ tồn tải vkhn.
vkhn = 40 ÷ 115 m/s (ôtô, máy kéo) chọn Vkhn=80 m/s

11


Thiết kế động cơ
-

Đối với dịng khí thải, vkht = (1,2 - 1,5 )vkhn = (1,2 – 1,5).80= (96 – 120)
m/s. chọn Vkht= 110 m/s

-

Rút ra đường kính họng nạp:

= 0,03 m2
-

Đường kính họng thải:

=0.025 m2
-

Lưu lượng dịng khí nạp:

Qn= Vkhn.dhn= 80.0,03= 2.4 m3/s
-

Lưu lượng dịng khí thải:

Qt= Vkht. Dht= 110.0,025= 2.75 m3/s

12