THỜI GIAN THỰC HIỆN- Tiến độ thực hiện Tính toán nhiệt: 3 tuần Chọn các thông số đầu vào: 1 tuần Tính toán nhiệt: 1 tuần Vẽ đồ thị công chỉ thị: 1 tuần Tính toán động học, động lực học v
CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ
- Môi trường sử dụng động cơ: Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
- Kiểu, loại động cơ: động cơ Diesel tăng áp, số kỳ 𝜏: 4 kỳ
- Số xilanh, i và cách bố trí các xilanh: 4 xy lanh, i4 thẳng hàng
- Công suất thiết kế, 𝑁𝑒: 110 kW
- Số vòng quay thiết kế, n: 3600 (v/ph)
- Kiểu buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp: buồng cháy thống nhất
- Kiểu làm mát: bằng nước
- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích, g𝑒: 179,92 g/kWh
- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp và thải:
+ Góc phun sớm 20 độ trước ĐCT
+ Xupap nạp: Mở sớm khoảng 60 độ trước TDC và đóng muộn khoảng 40 độ sau BDC.
+ Xupap thải: Mở sớm khoảng 55 độ trước TDC và đóng muộn khoảng 50 độ sau BDC.
- Chiều dài thanh truyền, L: 145 (mm)
- Chọn thông số kết cấu λ = R/L = 9/29
- Tốc độ trung bình của piston V p = 10,8 m/s
TÍNH TOÁN NHIỆT
Chọn các thông số tính toán nhiệt
2.1.1 Áp suất không khí nạp (P o ) Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển, giá trị Po phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển Càng lên cao thì Po càng giảm do không khí càng loãng, tại độ cao so với mực nước biển:
2.1.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T o )
Nhiệt độ không khí nạp mới chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trung bình của môi trường sử dụng xe Điều này tạo ra thách thức lớn cho những chiếc xe được thiết kế để hoạt động ở những khu vực có sự biến đổi nhiệt độ trong ngày đáng kể.
Miền Nam nước ta thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk = 29 o C cho khu vực miền Nam, do đó:
2.1.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (P k ) Động cơ tăng áp: Pk là áp suất khí nạp đã được nén sơ cấp trước trong máy nén tăng áp hoặc trong bơm quét khí Pk > Po.
Khi kiểm nghiệm động cơ có sẵn, giá trị của 𝑃𝑘 đã được biết trước, khi thiết kế thì phải chọn 𝑃𝑘 trong khoảng:
Tăng áp thấp Pk < 0.15 MN/m 2
Tăng áp trung bình Pk = (0,15 ÷ 0,2) MN/m 2
Tăng áp cao Pk = (0,2 ÷ 0,8) MN/m 2
Tăng áp siêu Pk ≥ 0,4 MN/m 2
Để đảm bảo hiệu suất cho động cơ có tỷ số nén cao và tránh các vấn đề về nhiệt cũng như kích nổ, thiết kế tăng áp thường được lựa chọn ở mức thấp đến trung bình Do đó, giá trị Pk được chọn là 0,182 MN/m².
2.1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xuppap nạp (T k ) Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp nếu có két làm mát trung gian Tk được xác định bằng công thức:
Chỉ số nén đa biến trung bình của khí nén (m) thường dao động từ 1,5 đến 1,65, nhưng trong thực tế, giá trị phổ biến được chọn là m = 1,4 Để tính toán chênh lệch nhiệt độ (ΔT m) của không khí trước và sau khi đi qua két làm mát, giá trị ΔT m thường được chọn là 10.
2.1.5 Áp suất cuối quá trình nạp (P a ) Đối với động cơ tăng áp:
Do động cơ có thiết kế tăng áp thấp đến trung bình nên chọn :
2.1.6 Chọn áp suất khí sót ( P¿¿ r ) ¿
Áp suất khí sót là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh động cơ, tương tự như áp suất cuối quá trình nạp Pa.
P r được xác định bằng quan hệ sau:
P th – Áp suất của môi trường thải.
Tiết diện lưu thông qua xupap thải (F th) và áp suất tổn thất trong quá trình thải (Δ P r) là các yếu tố quan trọng trong hệ thống xả khí của động cơ diesel Hệ số k, phụ thuộc vào hệ số cản của đường thải và mật độ khí thải, cũng ảnh hưởng đến hiệu suất xả Đối với động cơ diesel, áp suất tổn thất được chọn trong khoảng (0,106 ÷ 0,115) MN/m².
Khi kiểm nghiệm động cơ, cần chọn P r dựa trên tốc độ động cơ Đối với động cơ có tốc độ thấp, giới hạn thấp được lựa chọn, trong khi động cơ cao tốc sẽ chọn vùng giới hạn cao Với vận tốc V p = 10,8 m/s, giá trị P r được xác định là 0,112 MN/m².
Khi tính toán, người ta thường lấy giá trị T r ở cuối quá trình thải cưỡng bức
Giá trị của T r phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như tỷ số nén 𝜀, thành phần hỗn hợp α, tốc độ quay n, góc phun sớm nhiên liệu.
Giá trị T r của động cơ diesel có thể được chọn trong khoảng 700 đến 900 oK Đối với động cơ có tỷ số nén cao, khí cháy dãn nở nhiều dẫn đến giá trị T r thấp ECU điều khiển thành phần hỗn hợp α và góc phun nhiên liệu sớm, giúp quá trình cháy diễn ra nhanh chóng, giảm thiểu hiện tượng cháy rớt và do đó làm giảm T r.
Do đó, chọn T r gần giới hạn dưới: T r p0 o K
2.1.8 Độ tăng nhiệt độ khi nạp mới ( ΔT )
Khi khí nạp di chuyển trong ống dẫn vào xylanh của động cơ, nó sẽ tiếp xúc với các vách nóng, dẫn đến việc được sấy nóng lên một mức nhiệt độ là ΔT.
Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn cứ vào số liệu thực nghiệm: ΔT = 20 ÷ 40 o C.
2.1.9 Chọn hệ số nạp thêm (λ 1 )
Hệ số nạp thêm λ1 thể hiện mối quan hệ giữa lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm và lượng khí công tác hiện có trong thể tích Va.
Hệ số nạp thêm chọn trong giới hạn λ1 = 1,02 ÷ 1,07.
2.1.10 Chọn hệ số quét buồng cháy (λ 2 ) Đối với động cơ tăng áp λ2 < 1 Chọn λ2 = 0,25.
2.1.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (λ t )
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt của khí hỗn hợp α và nhiệt độ khí sót Tr có sự phụ thuộc đáng kể Đối với động cơ diesel, giá trị α thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 1,8 Do đó, λt được chọn là 1,11 để đảm bảo tính chính xác trong các phép tính liên quan.
2.1.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (ξ z )
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξz) phản ánh mức độ hiệu quả trong việc sử dụng nhiệt của động cơ, và nó phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ Đối với động cơ diesel, giá trị của ξz dao động từ 0,65 đến 0,85, trong đó giá trị được chọn là ξz = 0,85.
2.1.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξ b )
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξb) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến ξb nhỏ.
Hệ số lợi dụng nhiệt tại b đối với động cơ diesel tăng áp ξb < 0,92 Chọn ξb = 0,9 or 0,88
2.1.14 Hệ số dư lượng không khí (α)
Hệ số α đóng vai trò quan trọng trong quá trình cháy của động cơ đốt trong Đặc biệt, khi tính toán nhiệt ở chế độ công suất cực đại, hệ số dư lượng không khí của động cơ diesel thường dao động từ 1,45 đến 1,75 Do đó, lựa chọn hệ số α là 1,7 là hợp lý để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ.
2.1.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công φ d
Hệ số điền đầy đồ thị công φd phản ánh sự hao hụt diện tích giữa đồ thị công thực tế và đồ thị công tính toán Theo dữ liệu kinh nghiệm, hệ số φd cho động cơ diesel buông đối thống nhất thường nằm trong khoảng 0,90 đến 0,95 Do đó, trong trường hợp này, chọn φd = 0,95.
Là tỷ số giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén: λ= P Z P c
Trị số λ của động cơ diesel thường nằm trong phạm vi sau: λ = 1,35 ÷ 2,40 Chọn λ=2,3
Tính toán nhiệt
Tính toán nhiệt là quá trình xác định các thông số chu trình lý thuyết và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ Đồ thị công chỉ thị của động cơ được xây dựng dựa trên kết quả tính toán nhiệt, cung cấp dữ liệu cơ bản cho các bước tính toán động lực học và thiết kế động cơ tiếp theo.
Trong đó: m - chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót, chọn m =1,45.
2.2.1.3 Nhiệt độ cuối quá trình nạp ( T a )
2.2.2.1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới: m c v =a v + b
2.2.2.2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:
Khi tính cho động cơ diesel có α = 1,7 (α > 1) dùng công thức: m c v ,, = ( 19,867 + 1,634 α ) + 1 2 ( 427,38 + 184,36 α ) 10 −5 T c
2.2.2.3 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén: m c v , = m c v +γ r mc v , ,
2.2.2.4 Tỷ số nén đa biến trung bình (n¿¿1) ¿ :
Chỉ số nén đa biến trung bình chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm tỷ lệ hóa khí, loại buồng cháy, các thông số kết cấu của động cơ, cũng như các thông số vận hành như tải trọng, vòng quay và trạng thái nhiệt.
Chỉ số nén đa biến trung bình được xác định gần đúng dựa trên phương trình cân bằng nhiệt của quá trình nén Giả thiết rằng quá trình nén là quá trình đoạn nhiệt, ta có thể đặt vế trái của phương trình này bằng 0 Khi thay k1 = n1, ta có được công thức: n1 - 1 = 8,314 a v, + b v,.
2.2.2.5 Áp suất quá trình nén ( P c ¿
2.2.2.6 Nhiệt độ cuối quá trình nén ( T c ¿
2.2.3.1 Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M o
Trong đó: C, H, O là thành phần carbon, hydro, oxy, tính theo khối lượng có trong 1kg nhiên liệu lỏng. Đặc tính nhiên liệu diesel dùng cho động cơ có C=0,87,H=0,126 và O=0,004.
2.2.3.2 Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xylanh M 1
2.2.3.4 Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết β o β o = M 2
2.2.3.5 Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β
Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β bị ảnh hưởng bởi khí sót còn lại trong xilanh từ chu trình trước Để xác định β, ta sử dụng công thức: β = 1 + (βo - 1).
2.2.3.6 Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm z β z =1+ β o −1
2.2.3.7 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn
2.6.3.8 Tỷ nhiệt mol đẳng tính trung bình của môi chất tại điểm Z m c vz , , =
2.2.3.9 Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z Đối với động cơ diesel được tính theo công thức: ξ Z Q H
Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm C của hỗn hợp khí nén được ký hiệu là m c vc, trong khi tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình tại điểm Z của sản vật cháy được ký hiệu là m c vz.
Q H – nhiệt trị thấp của nhiên liệu, diesel Q H B530 (KJ/kg) λ−¿ tỷ số tăng áp, chọn λ=2,3
2.2.3.10 Áp suất cuối quá trình cháy P Z
2.2.4.1 Tỷ số giãn nở đầu Đối với động cơ Diesel: ρ = β Z λ T Z
2.2.4.2 Tỷ số giãn nở sau Đối với động cơ diesel: δ = ε ρ = 16,5
2.2.4.3 Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình n 2 −1= 8,314
M 1( 1+ γ r ) β ( T z −T b ) +a vz } + {{b} rsub {vz} rsup {''}} over {2} left ({T} rsub {z} + {T} rsub {b} right )¿ ¿ m c vz , , 803+ 0,0021 T
Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được n 2 =1,2844
2.2.4.4 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở Tb
2.2.4.5 Áp suất cuối quá trình giãn nở P b
2.2.4.6 Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót T r
2.2.5 Tính toán thông số đặc trưng của chu trình
2.2.5.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán p i ' p i ' = p c
2.2.5.2 Áp suất chỉ thị trung bình thực tế p i =φ d p i ' =0,95.1 ,7244=1,64
Trong đó : φd : hệ số điền đầy đồ thị
2.2.5.3 Áp suất tổn thất cơ khí P m
Buồng cháy thống nhất ta có a=0,089, b=0,01180
2.2.5.4 Áp suất có ích trung bình P e
2.2.5.8 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i g i = 3600
2.2.5.9 Suất tiêu hao nhiên liệu g e g e = 3600
2.2.6 Tính toán các thông số kết cấu của động cơ
2.2.6.1 Thể tích công tác một xy lanh V h
2.2.6.4 Đường kính piston Đối với động cơ Diesel buồng cháy thống nhất chọn D S =1,1
Vẽ đồ thị công chỉ thị
Bước 1: Bước 1: Chọn tọa độ tuông góc : biểu diễn áp suất khí thể ( P kt ) trên trục tung và thể tích khí ( V xl )
Bước 2: Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công Điểm a ( V a ; P a ): điểm cuối hành trình nạp có áp suất Pa và thể tích Va:
- Thể tích P a = 0,175 MN/m 2 Điểm c ( V c ; P c ): điểm cuối hành trình nén tính toán.
- Thể tích P c = 8,15 MN/m 2 Điểm Z ( V z ; P z ): điểm cuối hành trình cháy tính toán.
V z = 𝜌 V c (đối với động cơ diesel)
- Thể tích P z = 18,745 MN/m 2 Điểm b ( V b ; P b ): điểm cuối hành trình dãn nở
- Thể tích P b = 0,556 MN/m 2 Điểm r ( V r ; P r ): điểm cuối hành trình thải.
Bước 3: Dựng đường cong nén
Trong hành trình nén khí trong xilanh bị nén với chỉ số nén đa biến trung bình n 1 , từ phương trình:
Pa, Va - áp suất và thể tích khí tại điểm a.
Pxn, Vxn - áp suất và thể tích khí tại một điểm bất kỳ trên đường cong nén.
Bằng cách cho các giá trị 𝑉𝑥𝑛 đi từ 𝑉𝑎 đến 𝑉𝑐, ta lần lượt xác định được các giá trị Pxn.
Bước 4: Dựng đường cong dãn nở
Trong quá trình giãn nở khí cháy được giãn nở theo chỉ số đa biến n2 từ phương trình:
Vz, Pz - áp suất và thể tích điểm cuối hành trình cháy tính toán.
Vxd, Pxd - áp suất và thể tích khí tại một điểm bất kỳ trên đường cong dãn nở
Bằng cách cho các giá trị 𝑉𝑥𝑑 và đi từ 𝑉𝑧, đến 𝑉𝑥𝑎, ta lần lượt xác định được các giá trị 𝑃𝑥d
Bước 5: Dựng và hiệu đính đồ thị công
Nối liền các điểm đã xác định được nói trên bằng một đường cong đều ta có đồ thị công tính toán của động cơ (đường cong nét đứt).
Sử dụng đồ thị Brích để xác định điểm đánh lửa sớm hoặc phun nhiên liệu sớm (c’) cùng với các điểm phối khí, bao gồm việc mở sớm và đóng muộn các xupáp nạp và thải (r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công.
-Góc phun sớm 20 độ trước ĐCT
-Xupap nạp: Mở sớm khoảng 60 độ trước TDC và đóng muộn khoảng 40 độ sau BDC
-Xupap thải: Mở sớm khoảng 55 độ trước TDC và đóng muộn khoảng 50 độ sau BDC.
Từ biểu đồ Brick, ta có:
Chiếu các điểm trên lên đồ thị công tính toán xác định được các điểm a’, b’, c’, r’, r’’: c’(0,0642;4,214) a’(0,6013;0,1966) b’(0,5542;0,6938) r’(0,2306;0,347) r’’(0,1789;0,1152)
Trong quá trình nén và cháy của động cơ diesel, điểm z có tọa độ (0,0427; 18,6661) và điểm z’ có tọa độ (0,0397; 18,6661) thể hiện áp suất cực đại cuối quá trình cháy trên đồ thị công.
- Điểm z” là trung điểm đoạn thẳng qua điểm z’ song song với trục hoành và cắt đường cong dãn nở nói các khác z’’ là trung điểm đoạn z’z Suy ra z’’(0,0412;18,6661)
- Điểm c” lấy trên đoạn cz’ => Xc’’=Xc=Xz’=0,0397, cc" = cz'/3 =>
Yc’’=Yc+( Yz’- Yc)/3= 8.14091+(18.6661-8.14091)/3.64931 Nên c’’(0,0397; 11,64931).
- Điểm b” là trung điểm của đoạn ab Xb’’=0,6547; Yb’’=Ya+( Yb- Ya)/2 0.175+( 0.56008 - 0.175)/2= 0,36754 Nên b’’(0,6547; 0,36754)
Qua quá trình hiệu đính, chúng ta thu được các giá trị sau: Điểm hiệu đính V (dm³) và P (Mpa) cho các thành phần như sau: b’ với Vb’ = 0,5542 và Pb’ = 0,6938; b’’ với Vb’’ = 0,6547 và Pb’’ = 0,3675; r’ với Vr’ = 0,2306 và Pr’ = 0,347; r với Vr = 0,0397 và Pr = 0,112; r’’ với Vr’’ = 0,1789 và Pr’’ = 0,1152; a với Va = 0,6547 và Pa = 0,175; a’ với Va’ = 0,6013 và Pa’ = 0,1966; c’ với Vc’ = 0,0642 và Pc’ = 4,214; c’’ với Vc’’ = 0,0397 và Pc’’ = 11,6493.
Nối liền tất cả các điểm xác định trên thành một đường cong liên tục ta được đồ thị công chỉ thị của động cơ tính toán.
Sử dụng biểu đò Brick ta xây dựng được đồ thì công triền khai P_ α
ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
Động học
Sơ đồ cơ cấu piston - trục khuỷu – thanh truyền giao tâm
Piston chuyển vị theo góc quay trục khủy α, với x được tính từ ĐCT Chiều dài thanh truyền L được xác định từ khoảng cách giữa tâm đầu nhỏ (điểm B’) và tâm đầu to (điểm C’).
Bán kính quay của trục khuỷu (R) và góc quay của trục khuỷu (α) tương ứng với vị trí x từ ĐCT Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xylanh được ký hiệu là β, trong khi thông số kết cấu được tính bằng λ = R/L, với R = 9 và L = 29.
3.1.1 Quy luật động học của piston
Trong bài báo cáo này, chúng tôi sử dụng phương pháp đồ thị để giải các hàm số thuận tiên hơn
Chuyển vị x của piston tại điểm chết trên (ĐCT) thay đổi tùy thuộc vào vị trí của trục khuỷu, với giá trị x biến đổi theo góc quay trục khuỷu α.
Chuyển vị của piston được xác định bằng công thức: x p =x p 1 + x p 2 =R [ (1−cosα )+ 4 λ (1 −cos2 α ) ]
Trong đó: x p 1 =R (1−cos α ) x p 2 = R λ 4 (1− cos2 α ) Đồ thì biểu diễn mối quan hệ giữa chuyển vị x p ,x p1 ,x p 2 và góc quay trục khuỷu α:
3.1.1.2 Vận tốc piston [ v p ] Đạo hàm công thức chuyển vị piston theo thời gian, ta có công thức tính vận tốc piston: v p = dx dt =v p1 + v p 2 =R ω ( sin α + 2 λ sin 2 α )
Trong đó: v p1 =R ω sin α v p 2 = R ω λ 2 sin 2 α Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc v p ,v p 1 ,v p 2 và góc quay trục khuỷu α:
3.1.1.3 Gia tốc piston [ j p ] Đạo hàm công thức tính vận tốc piston, ta có công thức tính gia tốc piston: j p = d v p dt = j p 1 + j p2
Trong đó: j p 1 = R ω 2 cos α j p 1 = R ω 2 λ 2 cos2 α Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc j p , j p 1 , j p2 và góc quay trục khuỷu α:
Khảo sát các thông số x, v p , j p bằng cách cho giá trị của α chạy từ 0 đến 720 độ.
3.1.2 Quy luật động học của thanh truyền
Thanh truyền trong cơ cấu piston - trục khuỷu có chuyển động phức tạp, với đầu nhỏ di chuyển tịnh tiến theo phương đường tâm xylanh, trong khi đầu to quay tròn quanh đường tâm trục khuỷu với tốc độ không đổi Do đó, khi khảo sát động học thanh truyền, chúng ta chỉ tập trung vào chuyển động của thanh truyền đối với đường tâm xylanh.
Chuyển động của thanh truyền đối với đường tâm xylanh biến thiên theo quan hệ sau: β =sin −1 ( λ sin α )
Góc lắc β đạt giá trị cực đại khi α = 90 o hoặc α = 270 o lúc đó β max =sin −1 ( λ)=sin −1 ( 29 9 ) ,08 o Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa góc lắc β và góc quay trục khuỷu α:
Lấy đạo hàm góc lắc β theo thời gian, ta được công thức tính vận tốc góc của thanh truyền: ω tt = dβ dt = dβ dα dα dt
Vận tốc góc 𝜔tt đạt giá trị cực đại khi α = 0 o hoặc α = 180 o lúc đó: ω ttmax =± λ.ω=± 9
29 120 π ≈ 117 rad / s Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc góc 𝜔 và góc quay trục khuỷu α:
Lấy đạo vận tốc góc 𝜔tt theo thời gian, ta được công thức tính gia tốc góc của thanh truyền: ε tt = d ω tt dt =−λ.ω 2 (1− λ 2 ) sin α
(1− λ 2 sin 2 α ) 3 2 Gia tốc góc ε tt đạt giá trị cực đại khi α = 90 o hoặc α = 270 o lúc đó: ε ttmax =± λ ω 2
√ 1−( 29 9 ) 2 =± 46397,86007 rad / s 2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Gia tốc góc ε tt và góc quay trục khuỷu α:
Khảo sát các thông số x, v p , j p , β, 𝜔tt , εtt bằng cách cho giá trị của α chạy từ 0 đến 720 độ, kết quả được trình bày ở bảng sau:
Alph a Xp Vp Jp Beta ω_{tt} ε_{tt} Độ mm m/s m/s 2 Độ rad / s Rad/s 2
Động lực học cơ cấu piston - khuỷu trục- thanh truyền
Lực khí thể là một đại lượng thay đổi theo gốc quay trục khuỷu, xác định được từ áp suất khí thể P ở tính toán nhiệt của động cơ:
Trong đó: p kt – áp suất khí trong xilanh động cơ Áp suất khí trong xilanh động cơ: p 0 = 0,1013( MN/m 2 ) Áp suất khí quyển:
- Quá trình nạp: Pkt = Pa – Po.
- Quá trình nén: Pkt = Pa i n 1 – Po , với i từ 1(180 độ ) đến ε (360 độ – θs)
- Quá trình dãn nở: Pkt = ε Pz n2 - Po , với từ 1 đến ε
- Quá trình dãn nở: Pkt = Pr – Po
3.2.2 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động
Dựa vào bảng 2 – 1 trong giáo trình Động cơ đốt trong trang 23 và thông số đường kính xilanh, chúng ta chọn giá trị mnp = 16,74 g/cm² cho piston hợp kim nhôm Khối lượng của khuỷu trục và các chi tiết chuyển động quay cũng cần được xác định chính xác để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
-Dựa vào bảng 2 – 1 giáo trình Động cơ đốt trong 2 trang 23 và đường kính xilanh ta chọn được: mk = 22,32 g/cm 2 (trục khuỷu gang đúc)
Khối lượng nhóm thanh truyền
-Dựa vào bảng 2 – 1 giáo trình Động cơ đốt trong 2 trang 23 và đường kính xilanh ta chọn được: mtt = 29,76 g/cm 2
Để đơn giản hóa việc tính toán và giảm thiểu sai số, phương pháp khối lượng thay thế được áp dụng Khối lượng thay thế được tính theo công thức: mA = mtt.( l−l1 l ) và mB = mtt l1 l.
-Do khó khăn trong việc tìm tài liệu về cách bố trí khối lượng thay thế nên ta chọn theo công thức kinh nghiệm: mA= 1 3 mtt ; mB = 2 3 mtt
-Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền: mj = mnp + mA = 16,74+ 1 3 29,76 &,66 (g/cm 2 )
-Khối lượng chuyển động quay của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền: mr = mk + mB = 22,32+ 2 3 29,76 = 42,16 (g/cm 2 )
-Lực quán tính tịnh tiến: Pj = - m j J = - m t R ω 2 (cosα + λ.cos2α) (MN/m2)
-Lực quán tính ly tâm: Pk = - m r R ω 2 = const (MN/m2)
Pj – lực quán tính tịnh tiến
Pk là lực quán tính ly tâm, trong khi m t là khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến Khối lượng các chi tiết chuyển động quay được ký hiệu là m r, và m tt là khối lượng thanh truyền Ngoài ra, m np đại diện cho khối lượng nhóm piston, m k là khối lượng trục khuỷu, m A là khối lượng đầu nhỏ của thanh truyền, và m B là khối lượng đầu to của thanh truyền.
Dùng MATLAB ta vẽ được đồ thị Pkt – Pj - Pk
3.2.3 Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền
Lực tổng tác dụng lên chốt piston được xác định là hợp lực giữa lực khí thể Pkt và lực quán tính tịnh tiến Pj Giá trị của lực tổng này bằng tổng đại số của hai lực Pkt và Pj.
-Lực tác dụng dọc thanh truyền:
P tt = cos P Σ β với β = arcsin(λ.sinα)-Lực ngang N: N = PΣ.tgβ (MN)
-Từ Matlab ta vẽ được hình lực ngang N:
-Lực tiếp tuyến T: T = P tt sin(α + β) = P Σ sin(α cos + β β) (MN/m 2 )-Từ Matlab ta vẽ được hình lực tiếp tuyến T:
-Lực pháp tuyến Z: Z = P tt cos(α + β) = P Σ cos( cos α + β β ) (MN) -Từ Matlab ta vẽ được hình lực pháp tuyến Z:
3.2.4 Moment quay M của động cơ
-Quy ước các mômen tác dụng lên trục khuỷu như sau:
Mômen tác dụng lên trục khuỷu thứ i, ký hiệu là ΣMi-1, là mômen của các khuỷu phía trước trục khuỷu thứ i Tổng mômen tác dụng lên ổ trục cuối cùng, được gọi là mômen tổng cộng của động cơ, được ký hiệu là ΣMi Mômen này có chu kỳ biến thiên tương ứng với góc lệch công tác k.
-Mômen tổng cộng được xác định bằng quan hệ sau:
Trong đó: ∑Ti tổng lực tiếp tuyến
R: bán kính quay của trục khuỷu
Trong đó: τ : Số kì i: Số xylanh
-Thứ tự làm việc của động cơ: 1-3-4-2
Xylanh1 Nổ Xả Nạp Nén
Xylanh2 Xả Nạp Nén Nổ
Xylanh3 Nén Nổ Xả Nạp
Xylanh4 Nạp Nén Nổ Xả
-Tính góc lệch công tác của động cơ: δK = 180 độ Chọn thứ tự làm việc của động cơ: 1 – 3 – 4 – 2 Xác định pha công tác của từng xilanh:
-Thời gian ngắn nhất tính theo góc quay của trục khuỷu, giữa lần nổ trong
-Moment tổng ∑ Mi xác định bằng :
Trong đó: ∑ Mi – moment tổng cộng
∑ Ti – tổng lực tiếp tuyến
3.2.5 Lực tác dụng lên chốt khuỷu
Tại chốt khuỷu, các lực tác dụng bao gồm lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, và lực ly tâm PK0 Hợp lực tác động lên chốt khuỷu được xác định qua vectơ lực ⃗Q⃗, được tính toán bằng phương trình cân bằng lực.
Alpha Pkt Pj P 1 N T Z Đơn vị MN/m 2 MN/m 2 MN/m 2 MN/m 2 MN/m 2 MN/m 2