Thiết kế nhóm piston trên động cơ xe du lịch

Cùng với việc phát triển của công nghệ thông tin và khoa học kỹ thuật với mức độ chóng mặt trong thời đại ngày nay. Đã kéo theo sự phát triển của các ngành nghề khác có liên quan. Với việc ứng dụng các thành tựu đạt được trong lĩnh vực công nghệ thông tin đã giúp cho quá trình tự động hóa sản xuất của con người ngày một hoàn thiện và tối ưu. Đối với chuyên ngành cơ khí động lực thì việc áp dụng công nghệ thông tin ngày càng cấp thiết và đã liên tục diễn ra trong quá trình sản xuất để nhằm rút ngắn thời gian và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ngày nay, việc lên bản vẽ thiết kế không chiếm nhiều thời gian của người thiết kế vì sự trợ giúp của các công cụ của công nghệ thông tin. Trong đó các phầm mềm hỗ trợ thiết kế đã luôn được dùng để tiến hành thiết kế chi tiết máy. Nhận thấy được tầm quan trọng đó em đã được thầy giao đề tài “Ứng dụng phần mềm Catia để thiết kế nhóm Piston trên động cơ xe du lịch”. Đây là một đề tài mới đối với sinh viên ngành động lực, nó không những giúp cho em có điều kiện để chuẩn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế thiết kế.

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, ngày tháng năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hưng Yên, ngày tháng năm 2022

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

MỤC LỤC Trang

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2

MỤC LỤC 3

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương I: Giới thiệu tổng quan về đề tài 2

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Mục tiêu của đề tài 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

Chương II: Cơ sở lý luận của đề tài 4

2.1 Cơ cấu sinh lực trên ô tô 4

2.1.1 Các bộ phận tĩnh 4

2.1.2 Các bộ phận chuyển động 7

2.2 Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong 12

2.2.1 Giới thiệu về động cơ và các thông số đầu vào phục vụ tính toán 12

2.2.2 Tính toán các quá trình công tác của động cơ 14

2.2.2.2 Tính toán quá trình nén 16

2.2.2.3 Tính toán quá trình cháy 17

2.2.2.4 Tính toán quá trình giãn nở 19

2.2.2.5 Tính toán các thông số chu trình công tác 20

2.2.3 Vẽ và hiệu đính đồ thị công 21

2.2.3.1 Vẽ vòng tròn Brick đặt phía trên đồ thị công 23

2.2.3.2 Lần lượt hiệu đính các điểm trên đồ thị 24

2.2.4 Tính toán động học, động lực học 27

2.2.4.1 Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học 27

a Đường biểu diễn hành trình của piston x = ƒ(α) 27

b Đường biểu diễn tốc độ của piston v = f(α) 27

c Đường biểu diễn gia tốc của piston j = f( x) 28

2.2.4.2 Tính toán động lực học 30

a Các khối lượng chuyển động tịnh tiến 30

b Các khối lượng chuyển động quay 30

c Lực quán tính 31

d Vẽ đường biểu diễn lực quán tính –Pj = f(x) 31

e Khai triển đồ thị công P–V thành p = ƒ(α) 33

g Vẽ đồ thị P = ƒ(α) 34

h Vẽ đồ thị lực tiếp tuyến T = ƒ(α) và đồ thị lực pháp tuyến Z = ƒ(α) 36

i Vẽ đường biểu diễn ΣT = ƒ(α) của động cơ nhiều xylanh 39

2.3 Tính toán kiểm nghiệm bền cho piston 41

2.3.1 Thông số ban đầu 41

2.3.2 Các thông số chọn cơ bản 41

2.3.3 Tính toán kiểm tra bền cho piston 44

2.3.4 Tính toán kiểm nghiệm bền xéc măng 53

Chương III: Thiết kế nhóm Piston bằng phần mềm Catia 55

3.1 Ứng dụng phần mềm Catia V5-R21 55

3.2 Các lệnh cơ bản trong các module 60

3.3 Thiết kế 3D nhóm Piston trên động cơ xe du lịch 78

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 2.1 Nắp máy 4

Hình 2.2 Đặc điểm của nắp máy 4

Hình 2.3 Các chi tiết bố trí trên nắp máy 5

Hình 2.4 Thân máy 5

Hình 2.5 Thân máy 6

Hình 2.6 Cácte 6

Hình 2.7 Piston 7

Hình 2.8 Cấu tạo piston 7

Hình 2.9 Hình dáng piston 8

Hình 2.10 Thanh truyền 8

Hình 2.11 Cấu tạo trục khuỷu 10

Hình 2.13 Sự dẫn động của trục khuỷu 11

Hình 2.14: Đường biểu diễn hành trình pittông x = f() 27

Hình 2.15: Đường biểu diễn tốc độ của pittông v = f() 28

Hình 2.16: Đường biểu diễn gia tốc của pittông j = f(x) 29

Hình 2.17: Vẽ đường biểu diễn lực quán tính –Pj = f(x) 33

Hình 2.18: Sơ đồ tính toán piston 44

Hình 2.19: Sơ đồ tính đỉnh piston theo phương pháp Back 44

Hình 2.20: Sơ đồ tính đỉnh piston theo phương pháp Back 45

Hình 2.21: Sơ đồ tính toán chốt piston 50

Hình 2.22: Ứng suất biến dạng trên tiết diện chốt piston 52

Y Hình 3.1: Giao diện Mechanical Design 56

Hình 3.2: Giao diện Shape 57

Hình 3.3: Giao diện Digital Mockup 57

Hình 3.4: Giao diện Ergonomics Design và Analysis 58

Hình 3.5: Giao diện Equidment and system 58

Hình 3.6: Giao diện Module Machining simulation 59

Hình 3.7: Giao diện Modle Machining 59

Hình 3.8: Giao diện Part 60

Hình 3.9: Giao diện Sketch 73

Hình 3.10: Giao diện Assembly 75

Hình 3.11: Các thanh công cụ cơ bản 75

Hình 3.12: Giao diện Drafting 77

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với việc phát triển của công nghệ thông tin và khoa học kỹ thuật với mức

độ chóng mặt trong thời đại ngày nay Đã kéo theo sự phát triển của các ngành nghềkhác có liên quan Với việc ứng dụng các thành tựu đạt được trong lĩnh vực công nghệthông tin đã giúp cho quá trình tự động hóa sản xuất của con người ngày một hoànthiện và tối ưu

Đối với chuyên ngành cơ khí động lực thì việc áp dụng công nghệ thông tinngày càng cấp thiết và đã liên tục diễn ra trong quá trình sản xuất để nhằm rút ngắnthời gian và nâng cao chất lượng sản phẩm Ngày nay, việc lên bản vẽ thiết kế khôngchiếm nhiều thời gian của người thiết kế vì sự trợ giúp của các công cụ của công nghệthông tin Trong đó các phầm mềm hỗ trợ thiết kế đã luôn được dùng để tiến hành thiết

kế chi tiết máy Nhận thấy được tầm quan trọng đó em đã được thầy giao đề tài “Ứng

dụng phần mềm Catia để thiết kế nhóm Piston trên động cơ xe du lịch” Đây là một đềtài mới đối với sinh viên ngành động lực, nó không những giúp cho em có điều kiện đểchuẩn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơnkhi tiếp xúc với thực tế thiết kế

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Hà Trung, các thầy côtrong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng cáckiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này Mặc dù vậy, do kiến thứccủa em có hạn, đề tài mới, phần mềm mới chưa được phổ biến ở Việt Nam việc tìmkiếm tài liệu gặp nhiều khó khăn nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Emmong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn Bùi Hà Trungcùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em hoàn thành đồ ánnày

Hưng Yên, ngày tháng năm 2022

Sinh viên thực hiện

Chương I: Giới thiệu tổng quan về đề tài

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây với sự phát triển không ngừng về khoa học kỹ thuật củanhân loại đã bước lên một tầm cao mới, rất nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật, cácphát minh sáng chế mang đậm bản chất hiện đại và có tính ứng dụng cao Là một quốcgia có nền kinh tế đang phát triển, nước ta đã và đang có cải cách mới để thúc đẩy kinh

tế Việc tiếp nhận, áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến của thế giới được nhà nướcquan tâm nhằm cải tạo, đẩy mạnh sự phát triển của các ngành công nghiệp mới, vớimục đích đưa nước ta từ một nước công nghiệp kém phát triển thành một nước côngnghiệp phát triển Trong các ngành công nghiệp mới đang được nhà nước chú trọng,đầu tư phát triển thì công nghiệp ô tô là một trong số những tiềm năng đang được quantâm Nhu cầu về sự phát triển của các loại ô tô ngày càng cao, các yêu cầu kỹ thuậtngày càng đa dạng Các loại ô tô chủ yếu sử dụng trong công nghiệp, giao thông vậntải Khoảng 20 năm gần đây ô tô đã có những bước tiến rõ rệt

Ngày nay ô tô được sử dụng rộng rãi như một phương tiện đi lại thông dụng chonên các trang thiết bị, các bộ phận trên ô tô ngày càng hoàn thiện và hiện đại hơnnhằm đảm bảo độ tin cậy, an toàn và tiện dụng cho người sử dụng Yêu cầu vận hành,sửa chữa và bảo trì lắp đặt động cơ đời mới đòi hỏi phải hiểu biết sâu sắc về cấu tạo.Các đặc tính kỹ thuật, nguyên lý vận hành có kỹ năng thành thạo trong tất cả các quytrình

Để đáp ứng được yêu cầu đó người công nhân phải được đào tạo một cách có khoahọc, có hệ thống đáp ứng được các nhu cầu xã hội hiện nay Do đó, nhiệm vụ của cáctrường kỹ thuật là phải đào tạo cho học sinh, sinh viên có trình độ và tay nghề cần thiết

để đáp ứng nhu cầu công nghiệp ô tô hiện nay Điều đó đòi hỏi người kỹ thuật viênphải có trình độ hiểu biết học hỏi sáng tạo để bắt kịp với khoa học tiên tiến hiện đại,nắm bắt được những thay đổi về các đặc tính kỹ thuật của từng loại xe, dòng xe, đờixe… có thể chuẩn đoán hư hỏng và đưa ra phương án sửa chữa tối ưu Vì vậy người kỹthuật viên trước đó phải được đào tạo với một phương trình đào tạo tiên tiến, hiện đạicung cấp đầy đủ kiến thức lý thuyết cũng như thực hành

Trên thực tế trong các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật của nước ta hiện nay thìtrang thiết bị cho học sinh, sinh viên thực hành còn thiếu thốn rất nhiều Các kiến thứcmới có tính khoa học kỹ thuật cao còn chưa được khai thác đưa vào thực tế giảng dạy,các bài tập hướng dẫn thực hành, thực tập còn thiếu thốn Vì vậy mà người kỹ sư, kỹthuật viên gặp nhiều khó khăn trong quá trình nâng cao tay nghề, trình độ hiểu biết,tiếp xúc với những kiến thức, thiết bị tiên tiến hiện đại trong thực tế còn nhiều hạn chế

Đề tài giúp sinh viên năm cuối khi sắp tốt nghiệp có thể củng cố kiến thức, tổnghợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức ngoài thực tế, xã hội, đềtài còn thiết kế các chi tiết, chế tạo các thiết bị, mô hình để các sinh viên trong trườngđặc biệt là khoa Cơ khí động lực tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho cáchọc sinh, sinh viên khoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu và học tập.

1.2 Mục tiêu của đề tài

Hiểu kết cấu, mô tả nguyên lý làm việc của cơ cấu, hệ thống trên ô tô, nắm được cấu tạo, mối tương quan lắp ghép của các chi tiết, cụm chi tiết

Hiểu và sử dụng phần mềm thiết kế 3D CATIA một cách thuần thục, có hiệu quả.Thiết kế được nhóm piston trên động cơ xe du lịch bằng phần mềm

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: “Ứng dụng phần mềm Catia để thiết kế nhóm Piston trên động cơ xe du lịch”

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Phân tích đặc điểm, kết cấu, cách ứng dụng phần mềm CATIA trong việc thiết

kế cụm chi tiết

Tổng hợp tài liệu trong và ngoài nước để hoàn thành đề tài nghiên cứu củamình

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Bước 1: Thu thập, tìm tòi các tài liệu về phần mềm CATIA

Bước 2: Vận dụng những kiến thức đã được học, tính toán những số liệu cầnthiết để thiết kế ra được nhóm piston trên động cơ xe du lịch

Bước 3: Ứng dụng phần mềm thiết kế 3D CATIA thiết kế nhóm piston trênđộng cơ xe du lịch

Bước 4: Tổng hợp, hệ thống hoá các kiến thức liên quan (liên kết từng mặt,từng bộ phận thông tin đã phân tích) tạo ra một hệ thống lý thuyết đầy đủ và sâu sắc đểhoàn thành đề tài

Chương II: Cơ sở lý luận của đề tài

2.1 Cơ cấu sinh lực trên ô tô

- Chịu lực.

- Bố trí các chi tiết tương quan: trục cam, xu pắp, buồng cháy, bougie

- Chứa các đường nước làm mát, dầu bôi trơn động cơ.

Cấu tạo:

- Nắp máy được đúc liền khối với động cơ xy lanh thẳng hàng.

- Giữa nắp máy và thân máy có lắp joint làm kín

Hình 2.3 Các chi tiết bố trí trên nắp máy

- Bố trí tương quan các bộ phận, chi tiết của động cơ: Trục khuỷu, trục cam, xi

lanh

- Chứa các đường ống nước, áo nước làm mát cho động cơ

Cấu tạo:

- Thân động cơ được đúc thành một khối liền, trong có các lỗ xylanh (lỗ lắp ống

lót xy lanh), có các đường nước làm mát đi qua, đường ống dẫn dầu bôi trơn, vịcác vị trí để lắp đặt các bộ phận khác

- Ống lót xy lanh làm bằng gang đúc mỏng, có độ chính xác gia công cao và

- Cacte được nối bên dưới hộp trục khuỷu qua trung gian của một đệm làm kín.

Nó dùng để chứa nhớt bôi trơn và che kín các chi tiết bên trong hộp trục khuỷu.Cấu tạo:

- Được làm bằng tôn

- Bên dưới được bố trí một nút xả nhớt

- Bên trong có bố trí vách ngăn giúp làm giảm dao động của dầu khi xe chuyểnđộng, đồng thời đảm bảo được nhớt luôn ngập lưới lọc khi xe chuyển động ởmặt đường nghiêng

- Piston động cơ 1NZ – FE được chế tạo bằng nhôm, có khe xécmăng cao, có độ

chính xác cao và không được lắp chọn

Hình 2.7 Piston

- Đỉnh Piston: Là phần trên cùng của Piston.

- Đầu Piston bao gồm đỉnh Piston và vùng chứa xéc măng Trên đầu Piston có lắp

các xéc măng để làm kín buồng đốt

- Trong quá trình làm việc, một phần nhiệt từ Piston truyền qua Xécmăng đến xylanh

và ra nước làm mát Tình trạng chịu nhiệt của Piston là không đều, nhiệt độ củađầu Piston cao hơn phần thân rất nhiều nên nó giãn nở nhiều khi làm việc Do đó,

người ta chế tạo đường kính đầu Piston hơi nhỏ hơn thân một chút ở nhiệt độ bìnhthường.

Hình 2.8 Cấu tạo piston

- Đuôi piston là phần còn lại của piston, nó dùng để dẫn hướng Sự mài mòn nhiều

nhất ở phần thân xảy ra theo phương vuông góc tâm trục piston

- Thân piston có dạng hình oval, đường kính theo phương vuông góc với trục piston

hơi lớn hơn đường kính theo phương song song với trục piston, để bù lại sự giãn nởnhiệt do phần kim loại bệ trục piston dày hơn các chỗ khác

Hình 2.9 Hình dáng piston

b Thanh truyền

Chức năng:

- Kết nối trục piston với chốt khuỷu.

- Nó dùng để biến chuyển động lên tịnh tiến của Piston thành chuyển động quay của

trục khuỷu và ngược lại

- Động cơ 1NZ – FE có 4 thanh truyền.

Cấu tạo:

- Được chế tạo bằng thép, có cường độ làm việc cao và gọn nhẹ.

- Thanh truyền được chia làm 3 phần:

+ Đầu nhỏ thanh truyền kết nối với trục piston

+ Đầu to thanh truyền được chia làm hai nửa được lắp ghép với chốt khuỷu.+ Thân thanh truyền là phần nối giữa đầu nhỏ và đầu to thanh truyền

Hình 2.10 Thanh truyền

- Dầu nhờn từ cổ trục chính đi qua đường ống dẫn trong trục khuỷu đến bôi trơn đầu

to thanh truyền, sau đó đi qua hai mép đầu to để bôi trơn xy lanh – piston dưới tácdụng của lực li tâm Bên hông đầu to thanh truyền có bố trí một lỗ dầu, dùng đểlàm mát đỉnh Piston khi lỗ dầu trên chốt khuỷu trùng với lỗ dầu trên dầu to thanhtruyền

Cấu tạo:

Hình 2.11 Cấu tạo trục khuỷu

- Trục khuỷu làm bằng thép rèn chất lượng cao để đảm bảo được độ cứng vững vàmài mòn tốt

- Nó được đặt trong các ổ trục chính ở thân máy

- Giữa ổ trục chính của thân máy và cổ trục chính của trục khuỷu có các bạc lót, vàcác bạc lót được chia làm hai nửa

- Đầu trục khuỷu được lắp bánh xích hoạc bánh đai răng để dẫn động cơ cấu phân

phối khí Ngoài ra nó còn dẫn động bơm trợ lực lái, máy nén hệ thống điều hòa,

bơm nước, máy phát điện…

Hình 2.12 Sự dẫn động của trục khuỷu

- Đuôi trục khuỷu có mặt bích để lắp bánh đà và để đỡ đầu trục sơ cấp của hộp số

- Các cổ trục chính và chốt khuỷu được gia công rất chính xác và có độ bóng cao.Dầu nhờn từ thân máy được dẫn tới các ổ trục chính để bôi trơn các ổ trục và bạclót

- Chốt khuỷu dùng để gá lắp đầu to thanh truyền, dầu nhờn bôi trơn chốt khuỷuđược dẫn từ cổ trục chính qua đường ống dẫn dầu Đối trọng dùng để cân bằng lựcquán tính và mômen quán tính

2.2 Tính toán chu trình công tác của động cơ đốt trong

2.2.1 Giới thiệu về động cơ và các thông số đầu vào phục vụ tính toán

Bảng 2.1: Số liệu phần tính toán nhiệt

1) Áp suất môi trường: pk

Áp suất môi trường p k là áp suất khí quyển trước khi nạp vào động cơ (với động

cơ không tăng áp ta có áp suất khí quyển bằng áp suất trước khi nạp nên ta chọn pk =

p0)

Ở nước ta nên chọn pk = p0 = 0,1 (MPa)

2) Nhiệt độ môi trường: T k

Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm Vì đây

là động cơ không tăng áp nên ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trước xupáp nạpnên:

Tk = T0 = 24ºC = 297ºK

3) Áp suất cuối quá trình nạp: p a

Áp suất p a phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại động cơ, tính năngtốc độ n, hệ số cản trên đường nạp, tiết diện lưu thông

Vì vậy cần xem xét động cơ đang tính thuộc nhóm nào để lựa chọn p a - Áp suấtcuối quá trình nạp pa có thể chọn trong phạm vi:

p a = (0,8-0,9).pk = (0,8-0,9)0,1 = 0,08-0,09 (MPa)

Căn cứ vào động cơ đang tính ta chọn: p a = 0,088 (Mpa)

4) Áp suất khí thải: P

Áp suất khí thải cũng phụ thuộc giống như p

Áp suất khí thải có thể chọn trong phạm vi:

p = (1,10-1,15).0,1 = 0,11-0,115 (MPa) chọn P = 0,115 (MPa)

5) Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T:

Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thànhhỗn hợp khí ở bên ngoài hay bên trong xylanh

Với động cơ xăng: ∆T = 0ºK - 20ºK

Đối với động cơ xăng chọn λ = 1,14

8) Hệ số quét buồng cháy λ:

Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta chọn λ = 1

9) Hệ số nạp thêm λ:

Hệ số nạp thêm λ phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí Thông thường ta có thểchọn λ = 1,02÷1,07; ta chọn λ = 1,07

10) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξ:

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z, ξ phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ Với các loại động cơ xăng ta thường chọn : ξ= 0,85 - 0,92

Ta chọn ξ= 0,85

11) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ:

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ tùy thuộc vào loại động cơ xăng hay là động cơdiesel ξ bao giờ cũng lớn hơn ξ

Với các loại động cơ xăng ta thường chọn: ξ = 0,85 - 0,95

Ta chọn ξ= 0,92

12) Hệ số hiệu chỉnh đồ thị công φ:

Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ với chutrình công tác thực tế Sự sai lệch giữa chu trình thực tế với chu trình tính toán củađộng cơ xăng ít hơn của động cơ diesel vì vậy hệ số φ của động cơ xăng thường chọn

2) Nhiệt độ cuối quá trình nạp T:

Nhiệt độ cuối quá trình nạp T được tính theo công thức:

T = ºK

T =

1,5 1 1,50,088

0,0880,1

1 1,50,11510,5 1,07 1,14 1

p = =

30 58,84 40,37533 6000 4

� � �

� � = 0,57499 (kmol/kg nhiên liệu)

5) Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M:

Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M được tính theo côngthức:

M = \f(1, 12 4 32

� � (kmol/kg) nhiên liệu

Vì đây là động cơ xăng nên ta chọn C = 0,855; H = 0,145; O = 0

6) Hệ số dư lượng không khí α:

Vì đây là động cơ xăng nên:

= 110 – 120 Đối với xăng thường dùng có thể chọn = 114

2.2.2.2 Tính toán quá trình nén

1) Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí:

=19,806+0,00209.T (kJ/kmol.độ)

2) Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:

Khi hệ số dư lượng không khí α >1 tính theo công thức sau:

3) Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp:

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén tính theo côngthức sau:

=

-3(19,806 0,00209.T) 0,04278 (21,87274 2,135436.10 T)

1 0,04278



 = 19,89078+2,135436.10-3 T = av' + T (kJ/kmol.độ)

4) Chỉ số nén đa biến trung bình n:

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào thông số kết cấu và thông số vậnhành như kích thước xylanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải, trạng thái nhiệt độcủa động cơ Tuy nhiên n tăng hay giảm theo quy luật sau:

Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ khiến cho n tăng Chỉ số nén

đa biến trung bình n được xác bằng cách giải phương trình sau:

8,3141

n n n

n

< 0,2%

Sau khi chọn các giá trị của n ta thấy n = 1,3725 thõa mãn điều kiện

5) Áp suất cuối quá trình nén P:

Áp suất cuối quá trình nén P được xác định theo công thức:

P = P ε\a\ac\vs2(n = 0,088 10,5 1,3725 = 2,218528362 (MPa)

6) Nhiệt độ cuối quá trình nén T:

Nhiệt độ cuối quá trình nén T được xác định theo công thức:

T = T ε\a\ac\vs2(n-1 = 335 10,51,3725 1 = 804,4372279 (ºK)

7) Lượng môi chất công tác của quá trình nén M:

Lượng môi chất công tác của quá trình nén M được xác định theo công thức:

M = M+ M = M(1r)= 0,57499(1+0,04278) = 0,599581973

2.2.2.3 Tính toán quá trình cháy

1) Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β:

Ta có hệ số thay đổi phần tử lý thuyết β được xác định theo công thức:

β = \f(M,M = \f(M+ΔM,M = 1+ \f(ΔM,MTrong đó độ tăng mol ΔM của các loại động cơ được xác định theo công thứcsau:

ΔM = 0,21(1-α) M + ( \f(H,4 + \f(O,32 - \f(1,μ ) = 0,016073142

Do đó:

β = \f(M,M = \f(M+ΔM,M = 1+ \f(ΔM,M = 1,02795

2) Hệ số thay đổi phân tử thực tế β: ( Do có khí sót )

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế β được xác đinh theo công thức:

3) Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z β: (Do cháy chưa hết )

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z β được xác định theo công thức:

β = 1 + \f(β-1,1+γχTrong đó

χ = \f(ξ,ξ =

0,85

0,923910,92 

5) Nhiệt độ tại điểm z T:

Đối với động cơ xăng, tính nhiệt độ T bằng cách giải phương trình cháy:

kJ/kgnl

kJ/kgnl

Q: là nhiệt trị của xăng , Q = 44.10( kJ/kgn.l )

: là tỉ nhiệt mol đẳng áp trung bình của sản vật cháy tại z là:

6) Áp suất tại điểm z p :

Ta có áp suất tại điểm z p được xác định theo công thức:

p = λ Pc = 3,58371.2,218528 = 7,950564912 ( MPa )Với λ là hệ số tăng áp :

λ = β \f(T,T = 3,58371Vậy: p = 7,950564912 (MPa)

2.2.2.4 Tính toán quá trình giãn nở

n–1 = \f(.Q,M β.\f(b'',2\f(8.314,+a''+

Trong đó :

T: là nhiệt trị tại điểm b và được xác định theo công thức:

T = \a\ac\vs2(n–1\f(T,δ( ºK )Chọn 2

n n n

n

<0,2% => thỏa mãn điềukiện

Q: là nhiệt trị tính toán

Đối với động cơ xăng: Q= Q Q = 44000 (kJ/kg n.l)

Qua kiểm nghiệm tính toán thì ta chọn được n = 1,2502 Thay n vào 2 vế củaphương trình trên ta so sánh, ta thấy sai số giữa 2 vế < 0,2% nên n chọn là đúng

4) Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T:

T = 2 1

z n

5) Áp suất cuối quá trình giãn nở p:

Áp suất cuối quá trình giãn nở P được xác định theo CT:

3) Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g:

Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g:

1

432.10

205,67469

v k i

i k

P g

i

i H

g Q

5) Áp suất tổn thất cơ giới P:

Áp suất tổn thất cơ giới được xác định theo nhiều công thức khác nhau và đượcbiểu diễn bằng quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ

Ta có tốc độ trung bình của động cơ là:

7) Hiệu suất cơ giới η:

Ta có công thức xác định hiệu suất cơ giới:

8) Suất tiêu hao nhiên liệu g:

Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu tính toán là:

g= \f(g,η =

205,67469

285,775650,71971 

e h e

N V

75,03356 3,14.95 

(mm)

Ta có sai số so với đề bài là: 0,03356 < 0,1 (mm) (thỏa mãn điều kiện)

2.2.3 Vẽ và hiệu đính đồ thị công

Căn cứ vào các số liệu đã tính pa, pc, pz, pb, n1, n2, ε ta lập bảng tính đường nén vàđường giản nở theo biến thiên của dung tích công tác Vx = i.Vc (Vc: dung tích buồngcháy)

0,37533

0, 0395082

1 10,5 1

h c

V V

V



(dm3/mm)Tung độ thường chọn tương ứng với pz khoảng 200 mm trên giấy kẻ ly

7,9505649

0,0397528

z p

I^n1

px

=Pc.1/(I^n1)

GTBD=Px/(Up )

Để sau này khai triển đồ thị được dễ dàng, dễ xem, đường biểu diễn áp suất P0

song song với hoành độ phải chọn đường đậm của giấy kẻ ly Đường 1Vc cũng phảiđặt trên đường đậm của tung độ

Sau khi vẽ đường nén và đường giản nở, vẽ tiếp đường biểu diễn đường nạp vàđường thải lý thuyết bằng hai đường thằng song song với trục hoành đi qua hai điểm pa

gtt gtbd

2.2.3.2 Lần lượt hiệu đính các điểm trên đồ thị

1) Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp: (điểm a)

Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định góc đóng muộn xupáp thải β, bán kính nàycắt đường tròn tại điểm a’ Từ a’ gióng đường thẳng song song với trục tung cắt đường

P tại điểm a”

Nối điểm r trên đường thải (là giao điểm giữa đường P và trục tung) với a ta đượcđường chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình nạp

2) Hiệu đính áp suất cuối quá trình nén: ( điểm c’)

Áp suất cuối quá trình nén thực tế do hiện tượng phun sớm (động cơ diesel) và hiệntượng đánh lửa sớm (động cơ xăng) nên thường chọn áp suất cuối quá trình nén, lýthuyết P đã tính Theo kinh nghiệm, áp suất cuối quá trình nén thực tế P’ được xác địnhtheo công thức sau:

Vì đây là động cơ xăng:

P’ = P+ \f(1,3.(0,85 P - P ) = 2,2185+ \f(1,3 ( 0,85*7,951 – 2,2185) = 3,731679(MPa)

Từ đó xác định được tung độ điểm c’ trên đồ thị công:

Do hiện tương phun sớm nên đường nén trong thực tế tách khỏi đường nén lýthuyết tại điểm c’’ Điểm c’’ được xác định bằng cách: Từ điểm O’ trên đồ thị Brick taxác định được góc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm θ, bán kính này cắt vòng trònBrick tại 1 điểm Từ điểm gióng này ta gắn song song với trục tung cắt đường nén tạiđiểm c’’ Dùng một cung thích hợp nối điểm c’’ với điểm c’.

4) Hiệu đính điểm đạt P thực tế:

Áp suất p thực tế trong quá trình cháy-giãn nở không duy trì hằng số như động cơdiesel (đoạn ứng với ρ.V) nhưng cũng không đạt được trị số lý thuyết như động cơxăng Theo thực nghiệm, điểm đạt trị số áp suất cao nhất là điểm thuộc miền vàokhoảng 372° ÷ 375° (tức là 12° ÷ 15° sau điểm chết trên của quá trình cháy và giãnnở)

Hiệu đính điểm z của động cơ xăng:

- Cắt đồ thị công bởi đường 0,85pz = 0,85.7,95 = 6,75798 (MPa), vậy ta có giá trị biểu

- Dùng cung thích hợp nối c’ với z và lượn sát với đường giãn nở

5) Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình thải thực tế: ( điểm b’ )

Do có hiện tượng mở sớm xupáp thải nên trong thực tế quá trình thải thực sự diễn

ra sớm hơn lý thuyết Ta xác định điểm b bằng cách: Từ điểm O’ trên đồ thị Brick taxác định góc mở sớm xupáp thải β, bán kính này cắt đường tròn Brick tại 1 điểm Từđiểm này ta gióng đường song song với trục tung cắt đường giãn nở tại điểm b’

6) Hiệu đính điểm kết thúc quá trình giãn nở: ( điểm b’’ )

Áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế P thường thấp hơn áp suất cuối quá trìnhgiãn nở lý thuyết do xupáp thải mở sớm Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xácđịnh được:

p

 = 0, 2677210,039728 = 6,7346535 (mm)

Sau khi xác định b', b'' dùng cung thích hợp nối hợp với đường rr Như vậy ta đã có

đồ thị công chị thị dùng cho phần tính toán động lực học

2.2.4 Tính toán động học, động lực học

2.2.4.1 Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học

Các đường biểu diễn này đều vẽ trên 1 hoành độ thống nhất ứng với hành trìnhpiston S= 2R Vì vậy đồ thị đều lấy hoành độ tương ứng với V của độ thị công (từđiểm 1.V đến ε.V)

a Đường biểu diễn hành trình của piston x = ƒ(α)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn hành trình của piston theo trình tự sau:

1) Chọn tỉ lệ xích góc: thường dùng tỉ lệ xích (0,6 ÷ 0,7) (mm/độ)

ở đây ta chọn tỉ lệ xích 0,6 mm/độ

2) Chọn gốc tọa độ cách gốc cách đồ thị công khoảng 15 ÷ 20 cm

3) Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 10°, 20°,…….180°

4) Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm 10°, 20°,…….180°

Tương ứng trên trục tung của đồ thị của x= ƒ(α) ta được các điểm xác định chuyển

vị x tương ứng với các góc 10°,20°,… 180°

5) Nối các điểm xác định chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệ x = f(α)

Hình 2.13: Đường biểu diễn hành trình pittông x = f()

b Đường biểu diễn tốc độ của piston v = f(α)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn tốc độ của piston v = f(α) Theo phương pháp đồthị vòng Tiến hành theo các bước cụ thể sau:

1) Vẽ nửa vòng tròn tâm O bán kính R, phía dưới đồ thị x = f(α) Sát mép dưới của bảnvẽ

2) Vẽ vòng tròn tâm O bán kính O'

3) Chia nửa vòng tròn tâm O bán kính R và vòng tròn tâm O bán kính là Rλ/2 thành 18phần theo chiều ngược nhau

4) Từ các điểm chia trên nửa vòng tâm tròn bán kính là R kẻ các đường song song vớitung độ, các đường này sẽ cắt các đường song song với hoành độ xuất phát từ cácđiểm chia tương ứng trên bán kính là Rλ/2 tại các điểm a,b,c,…

5) Nối tại các điểm a,b,c,… Tạo thành đường cong giới hạn trị số của tốc độ pistonthể hiện bằng các đoạn thẳng song song với tung độ từ các điểm cắt vòng tròn bánkính R tạo với trục hoành góc α đến đường cong a,b,c…

Đồ thị này biểu diễn quan hệ v = f(α) trên tọa độ độc cực:

Hình 2.14: Đường biểu diễn tốc độ của pittông v = f()

c Đường biểu diễn gia tốc của piston j = f( x)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston theo phương pháp Tôlê ta vẽtheo các bước sau:

- Gia tốc cực đại:

j= R.ω.( 1 + λ ) = 85/2.10.628.(1 + 0,42777) = 20,951.10 (m/ s)

(Trong đó: tt

R l

)

- Vậy ta được giá trị biểu diễn j là:



= -62,85495 (mm)3) Từ điểm A tương ứng điểm chết trên lấy AC = j, từ điểm B tương ứng điểm chếtdưới lấy BD = j, nối CD cắt trục hoành ở E; lấy EF = –3.R.λ.ω về phía BD Nối CF với

FD, chia các đoạn này làm 5 phần, nối 11, 22, 33, 44,…Vẽ đường bao trong tiếp tuyếnvới 11, 22, 33, 44…ta được đường cong biểu diễn quan hệ j = ƒ(x)

Hình 2.15: Đường biểu diễn gia tốc của pittông j = f(x)

2.2.4.2 Tính toán động lực học

a Các khối lượng chuyển động tịnh tiến

- Khối lượng nhóm piston mpt = 1,3 Kg

- Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston

+) Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m có thể tra trong các sổ tay,

có thể cân các chi tiết của nhóm để lấy số liệu hoặc có thể tính gần đúng theo bản vẽ.+) Hoặc có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau:

Đối với động cơ xăng ta có:

b Các khối lượng chuyển động quay

Khối lượng chuyển động quay của một trục khuỷu bao gồm:

- Khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt:

m = = 1,2– 0,336 = 0,864

- Khối lượng của chốt trục khuỷu: m

m = π \f(.l,4 ρ

Trong đó:

d: Là đường kính ngoài của chốt khuỷu

δ : Là đường kính trong của chốt khuỷu

l: Là chiều dài của chốt khuỷu

ρ: Là khối lượng riêng của vật liệu làm chốt khuỷu

ρ = 7800 Kg/ m = 7,8.10 Kg/ mm

Khối lượng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt: m

Khối lượng này tính gần đúng theo phương trình quy dẫn:

m = \f(m.r,R Trong đó: mm - khối lượng của má khuỷu

r - bán kính trọng tâm má khuỷu

R - bán kính quay của khuỷu: R = S /2 = 85/2 = 42,5 (mm)

c Lực quán tính

1) Lực quán tính chuyển động tịnh tiến:

P = -m.j = -m.R.ω.( cos α + λ.cos 2α ) = -1,636.85/2.628.10-6(cosα + λ.cos2α) [Mpa]

d Vẽ đường biểu diễn lực quán tính –Pj = f(x)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn lực quán tính theo phương pháp Tôlê nhưng hoành

độ đặt trùng với đường p ở đồ thị công và vẽ đường -P j= ƒ(x) (tức cùng chiều với j =ƒ(x))

Ta tiến hành theo bước sau:

1) Chọn tỷ lệ xích để vẽ của P j là μ (cùng tỉ lệ xích với áp suất p) (MPa/mm), tỉ lệxích μ cùng tỉ lệ xích với hoành độ của j = ƒ(x)

Chú ý:

Ở đây lực quán tính p sở dĩ có đơn vị là MPa (tính theo đơn vị áp suất) bởi vì được tính theo thành phần lực đơn vị (trên 1 đơn vị diện tích đỉnh piston) để tạo điều kiện cho công việc cộng tác dụng lực sau này của lực khí thể và lực quán tính.

4, 415625.104

- Vậy ta được giá trị biểu diễn P jminlà:

gtbd\a\ac\vs0( = \a\ac\vs0( \f(gtt,μ =

1,8630,0397

- Vậy ta được giá trị biểu diễn của E’F’ là:

gtbd = \a\ac\vs0( \f(gtt,μ =

1,8630,03975



= - 48,86543(mm )

3) Từ điểm A’ tương ứng điểm chết trên lấy A’C’= P từ điểm B tương ứng với điểm chết dưới lấy B’D’ = P; nối C’D’ cắt trục hoành ở E’; lấy E’F’ về phía B’D’ Nối C’F’

và F’D’, chia các đoạn này ra làm 5 phần, nối 11, 22, 33, 44…Vẽ đường bao trong tiếp

tuyến với 11, 22, 33, 44…Ta đuợc đường cong biểu diễn quan hệ –P = ƒ(x)

Hình 2.16: Vẽ đường biểu diễn lực quán tính –Pj = f(x)

e Khai triển đồ thị công P–V thành p = ƒ(α)

Để thuận tiện cho việc tính toán sau này ta tiến hành khai triển đồ thị công P–Vthành đồ thị p = ƒ(α) Khai triển đồ thị công theo trình tự sau:

1) Chọn tỷ lệ xích μ = 2°/1mm Như vậy toàn bộ chu trình 720° sẽ ứng với 360 mm.Đặt hoành độ α này cùng trên đường đậm biểu diễn P và cách điểm chết dưới của đồthị công khoảng 4÷5 cm

Theo kinh nghiệm, điểm này thường xuất hiện ở 372° ÷ 375°.

+) Khi khai triển cần cẩn thận 1 đoạn có độ dốc tăng trưởng và đột biến lớn của p từ 330° ÷ 400°, nên lấy thêm điểm ở đoạn này để vẽ được chính xác.

4) Nối các điểm xác định theo 1 đường cong trơn ta thu được đồ thị biểu diễn quan hệ

thải của động cơ

Khai triển đồ thị P = ƒ(x) thành đồ thị P = ƒ(α) tương tự như cách ta khai triển đồ

thị công (thông qua vòng tròn Brick) chỉ có điều cần chú ý là đồ thị trước là ta biểu

diễn đồ thị –P = ƒ(x) nên cần lấy lại giá trị P cho chính xác

g Vẽ đồ thị P = ƒ(α)

Ta tiến hành vẽ đồ thị P = ƒ(α) bằng cách ta cộng 2 đồ thị là đồ thị P = ƒ(α) và đồ

thị P = ƒ(α)

Bảng 2.4: Tính giá trị P góc

(alpha) (rad) cos(alpha)+ … pj=-) GTBD Pj Pkt (mm) Ptong

710 12,3918 1,2197 -3,029866 -69,21 0,38 -68,83

h Vẽ đồ thị lực tiếp tuyến T = ƒ(α) và đồ thị lực pháp tuyến Z = ƒ(α)

Theo kết quả tính toán ở phần động lực học ta có công thức xác định lực tiếp tuyến

và lực pháp tuyến như sau:

T = P.\f(,cosβ ; Z = P.\f(,cosβTrong đó góc lắc của thanh truyền β được xác định theo góc quay α của trục theocông thức sau: sin β = λ.sinα

Vẽ 2 đường này theo trình tự sau:

- Bố trí hoành độ α ở dưới đường P, tỷ lệ xích μ = 2°/1mm sao cho đường biểu diễnnằm ở khoảng giữa tờ giấy kẻ ly A (có thể chọn trùng với đường biểu diễn hoành độcủa đồ thị j = ƒ(α))

- Căn cứ vào thông số kết cấu λ = R/l, dựa vào các công thức trên và dựa vào đồ thị P

= ƒ(α) ta xác định được các giá trị cho trong bảng dưới đây theo góc quay α của trụckhuỷu

- Biểu diễn đường T  f( ) và Z  f( ) trên tọa độ đã chọn

Chú ý: Kiểm tra các mối tương quan nhau: