(TIỂU LUẬN) bài tập lớn tính toán động cơ đốt trong KOMATSU SA6D125E

Phân tích kết cấu piston- trục khuỷu – thanh truyền Hệ thống phát lực của động cơNhiệm vụ của hệ thống phát lực Tiếp nhận năng lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến của pis

Mục lục

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

ii

Lời cảm ơn

Đồ án môn học Động cơ đốt trong là một khâu quan trọng trong khối kiến thức củangành Công nghệ Kỹ Thuật Ô tô, là một kỹ sư thiết kế phải biết và có khả năng thiết kế Hơn nữa, đất nước ta là một đất nước đang phát triển rất cần phát triển các ngành công nghiệp mà trong đó công nghiệp ô tô giữ một vai trò hết sức quan trọng Trong khi đó, bộ phận quan trọng nhất của một chiếc ô tô là cái sinh ra nguồn động lực cho ô tô – chính là động cơ ô tô Vậy thiết kế động cơ là khâu hết sức quan trọng để có thể phát triển ngành công nghiệp ô tô

Sau ba năm học tại Công nghệ Kỹ Thuật Ô tô, chúng em đã được trang bị nhiều kiến thức về các môn học cơ sở như Nguyên lý máy, Sức bền vật liệu, Vật liệu học và Nhiệt động lực học cũng như nhiều môn học chuyên ngành khác Đồ án Động cơ đốt trong chính là cơ hội cho chúng em tổng hợp và áp dụng những kiến thức mình đã học

Trong quá trình thực hiện đồ án em gặp rất nhiều khó khăn trong phương pháp thiết kế và tính toán cũng như việc hoàn thành các bản vẽ của mình, nhờ sự hướng dẫn tậntình của Thầy hướng dẫn cùng sự góp ý của các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này

Sau một thời gian làm việc với nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ từ tất cả mọi người, em đã hoàn thành Đồ án Động cơ đốt trong này Nay em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn Thầy TS Lê Thanh Tuấn đã tận tình hướng dẫn chúng em thời gian qua

Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng trong quá trình thực hiện khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong được sự góp ý chân thành từ thầy Em xin chân thành cảm ơn

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI.

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ, giữ vai trò quan trọngtrong nhiều ngành kinh tế quốc dân như công nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đườngbiển, đường không cũng như nhiều ngành công nghiệp khác

Riêng về sản lượng động cơ đốt trong trong giao thông vận tải đường bộ ngày naytrên thế giới đã đạt mức 88,6 triệu xe ôtô/năm và sản lượng này còn có thể tăng hơn nữa.Trong nhiều nước công nghiệp phát triển, ngành cơ khí năng lượng bao gồm cả côngnghiệp ôtô, thường đứng vị trí thứ ba sau ngành điện tử công nghiệp và ngành hóa học Sốlượng lao động trong ngành động cơ đốt trong và thiết bị liên quan đến động cơ đốt trongcũng đã chiếm gần 30% lao động toàn xã hội Qui mô nhiều xí nghiệp hết sức to lớn, trờthành những tập đoàn sản xuất xuyên lục địa như FORD, TOYOTA, HYUNDAI, BMW,MERCEDEC-BENZ, MAZDA, SUZIKI, CHEVROLET

Bài tập lớn Tính toán Động Cơ Đốt Trong được coi như là sản phẩm đầu tay của

một kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Ôtô Nó giúp cho sinh viên bước đầu làm quen vớicông việc thực tế của một kỹ sư, nắm bắt được các kỹ năng khi thiết kế một động cơ Qua

1

bái tập lớn này chúng em có điều kiện củng cố lại và nghiên cứu sâu hơn những kiến thức

đã học ở các môn học cơ sở ngành và chuyên ngành như:

- Nguyên lý và chi tiết máy

- Sức bền vật liệu

- Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong

- Tính toán và thiết kế Động Cơ Đốt Trong

II PHÂN TÍCH KẾT CẤU CỦA ĐỘNG CƠ KOMATSU SA6D125E-3.

2.1 Tổng thể kết cấu của động cơ

2.2 Phân tích kết cấu piston- trục khuỷu – thanh truyền (Hệ thống phát lực của động cơ)

Nhiệm vụ của hệ thống phát lực

Tiếp nhận năng lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến của piston (trong xy –lanh) và biến nó thành cơ năng làm quay trục khuỷu, tạo mô – men có ích cho động cơlàm việc

2.2.1 Piston

Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác như lanh, nắp

xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyềncũng như nhận lực từ thanh truyền để nén khí

Điều kiện làm việc:

Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ, áp suất lớn có thể đạt tới 120 kG/cm2, lực quán tính lớnđặc biệt nếu là động cơ cao tốc

Tải trọng nhiệt cao vì piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên có thể đạt nhiệt độ cao từ

500 – 8000K Nhiệt độ cao khiến piston chịu ứng suất nhiệt lớn gây bó kẹt, nứt, giảm sứcbền, gây kích nổ vv…

Ma sát lớn và ăn mòn hóa học Ma sát gây nên do lực ngang nên có giá trị lớn với điềukiện bôi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bôi trơn tốt Ăn mòn hóa học do piston thườngxuyên tiếp xúc với sản vật cháy

Yêu cầu:

Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất

Có độ bền và độ cứng đủ để tránh biến dạng quá lớn và chịu mài mòn

Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không bị giảm sút do hiện tượng lọtkhí từ buồng cháy xuống cacte

Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt quá mức khi động cơ đang làm việc, ngoài ra tránhđược hư hỏng piston do ứng suất nhiệt

Phân loại: Theo dạng đỉnh piston

Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản

5

Đỉnh lõm: có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp và đốtcháy Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.

Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp ở động cơ Diesel

2.2.2 Chốt Piston: Là chi tiết nối Piston với thanh truyền.

Nhiệm vụ: Truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền Chốt piston

thường có cấu tạo rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền

Điều kiện làm việc: Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi

trơn khó khăn Chốt piston còn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt piston dễ bị mòn

Yêu cầu:

Chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền và độ cứng vững Bềmặt làm việc của piston cần tôi theo công nghệ đặc biệt để đảm bảo chốt có độ cứng cao,chịu mài mòn tốt

Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt Mặt chốt phải mài bóng để chống ứng suất tập trung

và khi lắp ghép với piston và thanh truyền khe hở phải nhỏ

Phân loại:

Theo kiểu lắp ghép chốt:

Cố định chốt piston trên bệ chốt piston

Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền

Chốt piston lắp tự do

Theo hình dạng: bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ hoặc côn

2.2.3 Xec – măng

Nhiệm vụ: Đảm bảo piston di động dễ dàng trong xylanh Xec – măng có 2 loại là xec –

măng khí và xec – măng dầu Xec – măng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọtkhí còn xec – măng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

Điều kiện làm việc: Xec – măng chịu tải trọng cơ học lớn (áp lực khí cháy), chịu lực quán

tính lớn, có chu kỳ và va đập Ngoài ra xec – măng còn chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ănmòn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu

Yêu cầu:

Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy

Chịu lực va đập: vì khi làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên xec – măng.Chịu mài mòn: khi làm việc xec – măng ma sát với các xylanh rất lớn

Phân loại: có hai loại xec – măng là xec – măng khí và xec – măng dầu.

2.2.4 Nhóm thanh truyền

Nhiệm vụ: Thanh truyền là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với piston, đầu

lớn liên kết với chốt khuỷu Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đếntrục khuỷu

Điều kiện làm việc: Thanh truyền có chuyển động phức tạp bao gồm: đầu nhỏ chuyển

động tịnh tiến cùng piston, thân thanh truyền chuyển động lắc, đầu to chuyển động quaycùng với trục khuỷu Vậy thanh truyền chịu lực va đập tuần hoàn như lực khí thể, lựcquán tính của nhóm piston và của chính bản thân thanh truyền

Yêu cầu: Lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo hợp lý để thanh truyền chịu được các lực

va đập tuần hoàn như trên

Phân loại: Theo tiết diện thân thanh truyền.

Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ động cơ

Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo moment quay kéo các máy công tác và

nhận năng lượng của bánh đà Sau đó, truyền cho thanh truyền và piston thực hiện quátrình nén cũng như trao đổi khí trong xylanh

Điều kiện làm việc: Trục khuỷu chịu lực T, Z do lực khí thể và lực quán tính của nhóm

piston – thanh truyền gây ra Ngoài ra trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của cáckhối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu và của thanh truyền Những lực nàygây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu lên các ổ đỡ

Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo các yêu cầu:

Đảm bảo động cơ làm việc đồng đều, biên độ dao động của moment xoắn tương đối nhỏ.Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ

Động cơ làm việc cân bằng ít rung động

Công nghệ chế tạo đơn giản

Phân loại: có hai loại là trục khuỷu nguyên là trục khuỷu ghép.

2.2.6 Bánh đà

Nhiệm vụ: Giữ cho độ không đồng đều của động cơ nằm trong giới hạn cho phép Ngoài

ra bánh đà còn là nơi lắp vành răng khởi động và khắc vạch chia độ góc quay trục khuỷu

Yêu cầu: Trong quá trình làm việc, bánh đà tích trữ năng lượng dư sinh ra trong quá trình

sinh công (lúc này moment chính của động cơ có giá trị lớn hơn moment cản nên nó làmcho trục khuỷu quay nhanh) để bù đắp phần năng lương hao hụt trong các hành trình tiêuhao công (lúc này moment cản có giá trị lớn hơn moment chính của động cơ) khiến chotrục khuỷu quay đều hơn, giảm được biên độ dao động của tốc độ góc trục khuỷu

Phân loại: Theo kết cấu:

Bánh đà dạng đĩa: là bánh đà mỏng có moment quán tính nhỏ nên chỉ dùng cho động cơtốc độ cao

Trong động cơ đốt trong kiểu pit-tông cụm chi tiết chuyển động chính (pit-tông, thanhtruyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau:

- Nhóm pit-tông chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền

- Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian, có chuyển động phức tạp để biếnchuyển động tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay và truyền công suất củađộng cơ ra ngoài để dẫn động máy công tác khác

Hinh 2.5. Các kỳ của động cơ

Theo chu kỳ lý thuyết, mỗi kỳ khởi sự ngay tại một điểm chết mà cũng chấm dứt ngay tạimột điểm chết Trong động cơ bốn kỳ thì mỗi kỳ sẽ thực hiện một quá trình và có:

- Kỳ nạp/hút: pit-tông nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và thanhtruyền dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD) thực hiện quátrình nạp môi chất công tác

- Kỳ nén: pit-tông cũng nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và thanhtruyền dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, thực hiện quá trình nén, thể tích xylanh nhỏ lại từ

Va đến Vc

- Kỳ sinh công: xảy ra quá trình cháy – giãn nở và sinh công Pit-tông nhận áp lực từ khícháy sinh ra trong xylanh động cơ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD và truyền ra ngoàicho thiết bị công tác thông qua cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

- Kỳ thải/xả/thoát: pit-tông tiếp tục nhận năng lượng từ bánh đà thông qua cơ cấu truckhuỷu – thanh truyền, dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT thực hiện quá trình thải sản vật cháy

ra ngoài

III TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ.

3.1 Số liệu ban đầu

11

 Loại động cơ: KOMATSU SA6D125E-3.

3.2 Chọn các thông số cho tính toán nhiệt:

3.2.1 Chọn các thông số cho tính toán nhiệt:

a) Áp suất không khí nạp (Ρ0):

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển:

Ρ0=0.1 (MN

m2)

b) Nhiệt độ không khí nạp mới (Τ0):

Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bìnhcủa môi trường, nơi xe được sử dụng Đ iều 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 thểchọn là t kk=29 (0

e) Áp suất cuối quá trình nạp (Ρ a):

Trong quá trình tính toán nhiệt, áp suất cuối quá trình nạp Ρ a thông thường được xác định bằng công thức thực nghiệm

13

Với động cơ 4 kỳ tăng áp:

⇒ Chọn Ρ a =0.84∗Ρ k=0.84∗0.2=0.168(MN

m2)

f) Áp suất khí sót (Ρ r):

Là một thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy

ra khỏi xy lanh động cơ Tương tự như áp suất cuối quá trình nạp Ρ a, áp suất khí sótΡ r

được xác định bằng quan hệ sau:

Ρ r =Ρ th+ΔΡr (MN

m2)ΔΡ

r - Tổn thất trong quá trình thải, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực trên đường ống thải (động cơ có lắp bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải, bình chứa khí thải haykhông), tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng xupap thải

ΔΡ

r=k ×n

2

f th2

Giá trị của áp suất khí sót Ρ r phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Diện tích tiết diện thông qua của xupap xả

- Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả

- Động cơ có lắp hệ thống tăng áp bằng khí xả hay không

- Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả…

Đối với động cơ diesel: Ρ r=(1 03÷1.06)Ρ0

Thông thường, giới hạn thấp chọn cho động cơ có tốc độ thấp, động cơcao tốc chọn vùng giới hạn cao

⇒ Chọn Ρ r =1.04∗Ρ0=1.04∗0.1=0.104 (MN

m2)

g) Nhiệt độ khí sót (Τ r):

Phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí, mức độ giãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nở và thải

Đối với động cơ diesel: Τ r=700÷900 (0

K)

⇒ Chọn (0

K)

h) Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (ΔΤ ):

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xy lanh của động cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔΤ

Mức độ sấy nóng khí nạp mới phụ thuộc vào tốc độ lưu thông của khí nạp, thời gian nạp dài hay ngắn, ngoài ra cũng phụ thuộc vào mức độ trên lệch nhiệt độ giữa bề mặt tiếp xúc của xy lanh với khí nạp

Khi tăng nhiệt độ khí nạp mới mật độ của nó sẽ giảm, cho nên dùng

vi mà nhiệt lượng cung cấp cho nó được lợi dụng để bốc hơi nhiên liệu Sấy nóng quá sẽ ảnh hưởng không tốt đến lượng không khí nạp vào xy lanh Trị số tăng nhiệt độ của khí nạp mới được biểu thị theo công thức sau:

ΔΤ=ΔΤt−ΔΤbhTrong đó: ΔΤt - Tăng nhiệt độ của khí nạp mới trong truyền nhiệt

ΔΤ

bh- Mức giảm nhiệt độ của khí nạp mới do bốc hơi nhiên liệu

Việc tính chính xác ΔΤ gặp nhiều khó khăn do việc tính chọn hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ trung bình của các bề mặt tiếp xúc, hơn nữa việc xác định phần nhiên liệu bốc hơi trong quá trình nạp rất phức tạp, nên khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔΤ căn cứ vào số liệu thực nghiệm Đối với động cơ diesel ΔΤ=10÷35 (0

⇒ Chọn

j) Hệ số quét buồng cháy (λ2 ):

Đối với những động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy thì chọn λ2=1 Động cơ được quét sạch hoàn toàn buồng cháy có λ2=0 , chỉ xảy ra khi thể tích buồng cháy V c=0 .

⇒

k) Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt (λ t ):

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λ t phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí

α và nhiệt độ khí sót Τ r

Thông thường khi tính cho:

- Động cơ diesel có: α=1.25÷1.4 chọn λ t=1.12

- Động cơ diesel có: α=1.5÷1.8 chọn λ t=1.11Đối với động cơ diesel có α=1.5 ⇒ Chọn λ t=1.11

l) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξ z ):

15

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξ z) là thông số biểu thị mức độ lợi

dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệ lượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trị số ξ z như khi tăng số vòng quay mặc dù truyền nhiệt cho vách

xy lanh có giảm đi, song do hiện tượng cháy rớt tăng nên trị số ξ z giảm Ngoài ra hiện tượng phân giải sản phẩm cháy cũng ảnh hưởng rất lớn đến hệ số ξ z , hiện tượng này tănglàm cho ξ z giảm

Đối với động cơ diesel, ξ z nhỏ hơn động cơ xăng do hiện tượng cháy rớt nhiều hơn động cơ xăng Mặt khác, thành phần hỗn hợp công tác của động cơ diesel không đồng nhất

Độ bốc hơi của nhiên liệu càng tốt, quá trình tạo hỗn hợp tốt, tốc độ lan tràn màn lửa càng lớn, ξ z càng tăng

Khi tăng tải, ξ z tăng vì lượng nhiên liệu cháy ở giai đoạn cháy chính tăng và ngược lại

Khi tăng áp hiện tượng phân giải sản phẩm cháy giảm, trị số ξ z lớn.Trị số thực tế của hệ số lợi dụng nhiệt ξ z được chọn trên cơ sở phân tích tổng thể các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy phát nhiệt của động cơ và dựa theo giới hạn các giá trị thực nghiệm Đối với động cơ diesel ξ z=0.65÷0 85

⇒ Chọn

m) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξ b):

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (ξ b) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động cơ càng cao, cháy rớt càng tăng dẫn đến ξ b nhỏ

Đối với động cơ diesel:

- Tốc độ trung bình: ξ b=0.85÷0.9

- Cao tốc: ξ b=0.8÷0.9

- Tăng áp: ξ b<0.92Nếu động cơ thiết kế có tỷ số nén cao, hoà khí sẽ bị nén đến áp suất và nhiệt độ cao, sẽ bốc cháy nhanh và mãnh liệt làm giảm hiện tượng cháy rớt, ta có thể chọn

ξ b có giá trị lớn, ξ b=0.95 .

⇒ Chọn

n) Hệ số dư lượng không khí (α ):

Khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu cần Μ0 (kmol) không khí Tuy nhiên lượng không khí đi vào xy lanh Μ1 (kmol) có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Μ0 Điều