ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong

ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong

Phần I

Tính nhiệt, động học, động lực học

động cơ R330

Chơng 1 Hớng phát triển, thực trạng và nhu cầu

và kỹ thuật, có những giai đoạn tởng nh không tồn tại đợc loại

động cơ này Cho đến thời điểm hiện nay cha có gì có thểthay thế đợc Vào năm 1879, Rudorf Diesel, một kỹ s ngời Đức

đã chế tạo thành công động cơ đốt trong tự cháy do nénnhiên liệu ở áp suất cao Đợc gọi là động cơ DIESEL, đây là

động cơ DIESEL đầu tiên - tên của nhà phát minh ra loại

động cơ này Sự ra đời của động cơ DIESEL có hiệu suấtcao hơn động cơ xăng, giá thành nhiên liệu hạ nên nó đợc sửdụng rộng rãi Nó đã thay thế cho các phơng tiện thủ côngtrong công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, …Trên nhữngphơng tiện giao thông đờng bộ, đờng thuỷ, đờng sắt, gàynay hầu hết đều sử dụng động cơ đốt trong Động cơ đốttrong ngày càng hoàn thiện các tính năng của mình đểcàng ngày càng phù hợp với nhu cầu sử dụng của con ngời Nó

là một phơng tiện hữu hiệu của loài ngời Tuy nhiên thử tháchlớn nhất đợc đặt ra đối với động cơ đốt trong là nguồnnhiên liệu đang dần bị cạn kiệt, câu hỏi đặt ra là loại nhiên

liệu nào sẽ thaythế các loại nhiên liệu đang đợc sử dụng hiệnnay Tiếp đến phải kể đến vấn đề ô nhiễm môi tròng dokhí thải của động cơ đốt trong Đây là vấn đề đang đợctoàn thể các nớc trên thế giới quan tâm, nghiên cứu tìm ragiải pháp hạn chế các vấn đề trên.

ở Việt Nam hiện nay động cơ đốt trong vẫn cha đợcsản xuất hàng loạt, cha đủ cạnh tranh với các nớc trong khuvực và trên thế giới về chất lợng và mức độ hoàn chỉnh của

nó Tuy nhiên, để phù hợp với điều kiện địa lý kinh tế cầnnhiều máy móc phục vụ cho nông nghiệp, với sự thông minhkhéo léo vốn có của dân tộc Việt Nam, chúng ta đã cải tiến

và cho ra đời rất nhiều chủng loại máy phục vụ cho nôngnghiệp, công nghiệp Những máy móc này đã góp phần giảiphóng sức lao động cho ngời nông dân Việt Nam, giúp tăngnăng suất lao động Để ngày càng có nhiều máy móc ứngdụng trong sản xuất phù hợp điều kiện Việt Nam, chúng taluôn cần những sáng kiến cải tiến để góp phần vào sự pháttriển của đất nớc

1.1.2 Xu hớng phát triển của động cơ đốt trong

theo các tiêu trí sau

- Để giảm thiểu ô nhiễm môi trờng, một vấn đề nhứcnhối đối với tất cả các nớc trên thế giới, nhất là các nớc pháttriển, một phần gây ảnh hởng trực tiếp đến con ngời là khíthải động cơ đốt trong

- Do nhu cầu tất yếu của con ngời ngày một cao, để

đáp ứng nhu cầu của ngời tiêu dùng thì động cơ ngày càngphải tối u hơn nh tốc độ cao hơn, tính tự động cao, đảmbảo đợc độ bền, tiết kiệm nhiên liệu, an toàn cao hơn, hiện

đại hơn.v.v…

- Mở rộng khả năng đa nhiên liệu.

- Khả năng thích ứng tốt đối với các quốc gia khác nhau

nh địa hình, thời tiết cũng nh nhu cầu con ngời ở mỗi quốc gia là khác nhau

- Giảm trọng lợng và kích thớc của thiết bị nhng vẫn

đảm bảo chắc chắn với độ an toàn, tin cậy cao

- Động cơ không dùng nhiên liệu dầu mỏ, khí đốt mà

đ-ợc thay thế bằng các loại nhiên liệu khác

Bớc sang một thế kỉ mới, thế kỉ XXI, động cơ đốt tronghứa hẹn bớc phát triển vợt bậc Những công bố mới đây củacác nhà khoa học về loại động cơ đốt trong chạy bằng nhiênliệu không phải là cacbuahidrô nh H2, dầu thực vật, năng lợngmặt trời, cồn.v.v…sẽ khắc phục đợc vấn đề cạn kiệt vềnhiên liệu và nạn ô nhiễm môi trờng, hai vấn đề đợc xem làyếu tố quyết định sự tồn tại của động cơ đốt trong

1.2 Tình hình phát triển động cơ ở nớc ta và nhu cầu

sử dụng

ở nớc ta hiện tồn tại một thực tế mâu thuẫn đó là nhucầu sử dụng và việc sản xuất các loại động cơ của các nhàmáy trong nớc Là một đất nớc nông nghiệp nên nhu cầu sửdụng các loại động cơ để phục vụ cho ngời nông dân là rấtlớn, nhất là thời kỳ đổi mới đất nớc với các chính sách đẩymạnh phát triển nông nghiệp thì nhu cầu về việc thay thếlao động thủ công bằng máy móc càng đòi hỏi cấp thiếthơn

Nhu cầu đi lại của nhân dân, đây cũng là thị trờngrất lớn trong vấn đề tiêu thụ xe, ngời tiêu dùng luôn đòi hỏi về

kỹ thuật ngày càng cao, chất lợng, giá thành, các chỉ tiêukhác; Điều này cũng dúng trong phát triển ng nghiệp, thuỷ hảisản.

Trên thực tế, đất nớc ta cha thể đáp ứng nổi nhu cầucủa ngời tiêu dùng mà hầu hết là nhập hay liên doanh với cáchãng nớc ngoài, sản xuất và tự sản xuất dang là hớng pháttriển của dất nớc ta

1.1.3 Giới thiệu qua về động cơ R330

+Động cơ : Đõy là loại động cơ 4 kỳ cú kết cấu gồm 6 xylanh được bố trớ thẳng hàng,thứ tự làm việc của cỏc xylanh(thứ tự nổ) là 1-5-3-6-2-4 tương ứng với gúc cụng tỏc là 120 0

CÁC SỐ LIỆU CỦA PHẦN TÍNH TOÁN NHIỆT

T Tờn thụng số Ký hiệu Giỏ trị Đơn vị Ghi chỳ

12 Chiều dài thanh truyền ltt 228 mm

13 Cụng suất động cơ Ne 370 mó lực

19 Hỡnh dạng buồng chỏy Buồng chỏy thống nhất, dạng Omega

Tốc độ trợt trung bình của piston:

Cm = S30.n = =11,116(m/s)

Động cơ thuộc loại có tốc độ trung bỡnh

2.1 Các thông số chọn

Các thông số đợc chọn theo điều kiện môi trờng, đặc

điểm kết cấu động cơ, chủng loại động cơ

2.1.1 áp suất môi trờng p k

áp suất môi trờng pk là áp suất khí quyển trớc khi nạpvào động cơ pk thay đổi theo độ cao, ở nớc ta có thể chọn:

pk =0,1 (MPa)

2.1.2 Nhiệt độ môi trờng Tk

Lựa chọn nhiệt độ môi trờng theo nhiệt độ bình quâncả năm

Nớc ta chọn: Tk = 273 + 24oC = 297 oK

áp suất pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số nh chủngloại động cơ, tính năng tốc độ, đờng nạp, tiết diện luthông…

Phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí, thờng ta chọn trong khoảng:

Thông thờng đối với động cơ DIESEl có λ = 1,2 ữ 1,8 ta chọn λt = 1,1

Đối với động cơ không tăng áp : λ2 = 1

Chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành khí hỗnhợp ở bên ngoài hay bên trong xilanh

Đối với động cơ DIESEL : ∆T = 20o ữ 40o

Đối với động cơ này ta chọn : ∆T = 25o

2.1.10 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z: ξz

Thể hiện lợng nhiệt phát ra của nhiên liệu dùng để sinhcông và tăng nội năng ở điểm z với lợng nhiệt phát ra khi đốtcháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Do đó ξz phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ

Đối với động cơ DIESEl ξz = 0,65 ữ0,85

Ta chọn : ξz = 0, 75

2.1.11 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b: ξb

Môi chất nhận đợc nhiệt nên ξb bao giờ cũng lớn hơn ξz Thông thờng đối với động cơ DIESEL

ξb = 0,80 ữ0,90 , Ta chọn : ξb = 0,82

2.1.12 Hệ số hiệu đính đồ thị công

Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trìnhcông tác của động cơ với chu trình công tác thực tế do đókhông xét đến pha phối khí, tổn thất lu động của dòngkhí, thời gian cháy và tốc độ tăng áp suất…Sự sai lệch giữachu trình thực tế và chu trình tính toán lý thuyết của

động cơ DIESEL nhiều hơn của động cơ Xăng vì vậy hệ số của động cơ DIESEL thợng chọn trị số nhỏ, thờng ta chọntrong khoảng : = 0,92 ữ0,97

2.2.2.2 Chỉ số nén đa biến trung bình

Thay các giá trị đã biết và thử chọn với n1 = 1,3678, ta

đợc :

⇒ 0,3678 = 0,3678 với sai số nh vậy thì n1 là chấp nhận đợc

T 10 36 , 187 86 , 427 2

1 634 , 1 876 , 19

=

α α

2.2.3 Tính toán quá trình cháy

2.2.3.1 Hệ số thay đổi phần tử lý thuyết

= ,0458

2.2.3.2 Hệ số thay đổi phần tử thực tế

2.2.3.3 Hệ số thay đổi phần tử thực tế tại z

2.2.3.5 Nhiệt độ tại điểm z T z

Tính Tz bằng cách giải phơng trình cháy của động cơ:

Đối với động cơ diesel, ta có:

(**)

Trong đó:

QH là nhiệt trị thấp QH = 42,5 (MJ/Kgnl) = 42,5 103(kj/kgmol)

(kj/kmol.độ)

=

=20,9416 + 0,00275.Tz

Tb =

avz” =20,9416; 0,00275

⇒ ∆Tr thỏa mãn khoảng giá trị cho phép ≤ 15%

Vậy Tr chọn nh ở trên là đúng

PHÇN II TÝNH BÒN MéT Sè CHI TI£T CñA

§éng c¬ 3tn66

Chơng 3: tính bền trục khuỷu

Bảng 3-1 Số liệu tính bền trục khuỷu

Số LIệU TíNH BềN TRụC KHUỷU

hiệu Giá trị

Đơnvị

Ghi chú

4 Đờng kính trong cổ khuỷu δck 20 mm

5 Khối lợng riêng vật liệu làm

3

6 Chiều dài chốt khuỷu lch 25 mm

amđtrđtc’,c”

0,10630

230,54520,20

kgmm

mmkgmm

mmTrục khuỷu là một dầm siêu tĩnh,chịu lực phức tạp Để đơngiản phép tính,ngời ta phân đoạn trục khuỷu thành dầm tĩnh

định ứng với một khuỷu.Sơ đồ tính mghiệm bền trục khuỷu nhhình:

Hình 3-1 Sơ đồ tính bền trục khuỷu

Các khoảng kích thớc:

b = 20 (mm) = 0,020 (m) , h = 100 (mm) , R = 30 mm = 0,03 (m),

a = 23 (mm) = 0,023(m) , c’ = c” = 20(mm) = 0,02(m).Chiều dài chốt khuủy :lch = 25 (mm) = 0,025(m)

Chiều dài cổ khuỷu : lck = 25(mm) = 0,025(m)

aa

Đờng kính cổ khuỷu : dck = 45 (mm) = 0,045(m)

Đờng kính ngoài chốt khuỷu : dch = 38(mm) = 0,038(m)

Đờng khính trong chốt khuỷu :δch = 20(mm) = 0,02(m)b’ = b” = (lck/2) + (b/2) = (25/2) + (20/2) = 22,5(mm) = 0,0225(m)

l’ = l” = b’ + a = 0,0225 + 0,023 = 0,0445 (m)

l0 = 2.l’ = 2.0,0445 = 0,089(m)

Ta tính bền cho hai trờng hợp chịu lực :Pzmax và Tmax

3.1 Trờng hợp chịu lực Pzmax

Trờng hợp này lúc động cơ khởi động, khi đó:

øng su©t uèn m¸ khuûu:

B¶ng 3-2 Gi¸ trÞ cña lùc tiÕp tuyÕn øng víi c¸c gãc quay α

Pr2 = m®t.r®t.ω2 = 1,2.0,045.2722 = 3995(N) = 3995.10-6 (MN)Khèi lîng chèt khuûu:

mch = ρ.lch.(π/4).(dch2 - δch2)

= 7800.0,025.(3,14/4).(0,0382 - 0,022) = 0,5(kg)

ρ:khèi lîng riªng cña vËt liÖu lµm trôc khuûu

Lùc qu¸n tÝnh ly t©m cña chèt khuûu:

C1 = mch.R.ω2 = 0,5.0,03.2722 = 1109(N) = 1109.10-6(MN)Lùc qu¸n tÝnh ly t©m cña khèi lîng m2:

C2 = m2.R.ω2 = 0,4.0,03.2722 = 888(N) = 888.10-6(MN)

C¸c lùc t¸c dông:

Tmax = 2,07.FP = 2,07.0,003215 = 0,006655(MN)

Z = 169,5.μ P.FP = 169,5.0,02936.0,003215 = 0,016(MN)Z0 = Z-(C1 + C2) = 0,016 - (0,0011+0,0008) = 0,0141(MN)TÝnh Z’,Z” ta gi¶i hÖ sau:

Z’ = Z0 + Pr2 - 2.Pr1 - Z” = 0,0141 + 3995.10-6 - 2.235.10-6 - 0,0202 = 0,0218(MN)

TÝnh T’,T” : T’ = T” =

3.2.1.TÝnh nghiÖm bÒn chèt khuûu

øng su©t uèn trong mÆt ph¼ng trôc khuûu:

øng su©t uèn trong mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng trôc khuûu:

1I3

øng suÊt uèn do m«men xo¾n Mk”:

+25,8

+35,5

+46,1

+57,5øng suÊt t¹i ®iÓm 4 lín nhÊt:

σ = 71,5(MN/m2)<[σ] = 120 180(MN/m2)

III

øng suÊt xo¾n m¸ khuûu do T’:

0,99 -0,99 -0,99 -0,99 -0,99 -0,99 -0,99 -0,99σnZ’ +7,6 +7,6 +7,6 +7,6 +7,6 +7,6 +7,6 +7,6σuZ’ -

-29,5 -29,5

+29,5

+49,1

+60,1øng suÊt t¹i ®iÓm 4 lín nhÊt:

σ = 74,5(MN/m2)<[σ] = 120 180(MN/m2)

Chơng 4: Tính nghiệm bền piston

Do quá trình chuyển động của nhóm piston chịu lực khíthể do nhiên liệu cháy và lực quán tính do khối lợng chuyển độnggây ra, do đó để tính toán kiểm nghiệm bền cho nhóm piston

ta tính trong 2 trờng hợp chịu lực khí thể pzmax và chịu lực quántính pjmax

22 32

4.2 TÝnh nghiÖm ®Çu piston

Ta cã tiÕt diÖn nguy hiÓm nhÊt lµ tiÕt diÖn I-I, c¾t qua r·nhxÐcm¨ng dÇu cuèi cïng trªn ®Çu piston TiÕt diÖn nµy chÞu kÐobëi lùc qu¸n tÝnh ©m lín nhÊt do khèi lîng mI-I cña phÇn ®Çupiston sinh ra Ngoµi ra cßn chÞu nÐn do lùc khÝ thÓ pzmax g©y ra

I I

Ø44 Ø64

Nmax- Lực ngang lớn nhất, lấy theo số liệu kinh nghiệm,

dch - Đờng kính ngoài của chốt piston, dch= 30 mm = 0,03 m

lb – Chiều dài tiếp xúc của bệ chốt, lb= 20 mm = 0,020 m

áp suất tiếp xúc cho phép: [kb] = (20 ữ 30) MN/m2

Vậy kb > [kb].Nên cần chọn vật liêu khác thay thế để có [kb] lớn hơn

4.4 Tính kiểm nghiệm bền chốt piston

Chốt piston làm việc ở trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu

va đập và biến dạng Vì vậy phải tính bền của chốt piston ởtrạng thái chịu lực, sơ đồ chịu lực nh hình vẽ:

lcp ld

Hình 4-3 Sơ đồ tính nghiệm bền chốt píttông

4.4.1 Tính nghiệm bền ứng suất uốn chốt piston

Ta coi chốt piston nh một dầm đặt tự do trên 2 gối tựa, ta có:

Ta có ứng suất cắt cho phép, [τc] = 50 ữ 70 MN/m2

Vậy τc > [τc] Vây không thoả mãn bền.

4.4.3 áp suất tiếp súc trên đầu nhỏ thanh truyền

Vậy kd = 32,6 MPa > [kd] = 35 MPa

Vậy không thoả mãn

4.4.4 Độ biến dạng

Khi chịu lực do chốt rỗng, thờng bị biến dạng thành ôvan

Nếu độ biến dạng quá lớn sẽ gây bó kẹt

Ta có: α = d0/dch = 19/30 = 0,633, do đó ta xác định độ biến dạng theo công thức sau:

Độ biến dạng tơng đối:

Thoả mãn điều kiện biến dạng chốt piston

4.4.5 ứng suất biến dạng chốt piston

- ứng suất tại điểm 1 ở mặt ngoài:

- øng suÊt nÐn t¹i ®iÓm 3 mÆt ngoµi:

Vậy ta thấy ứng suất nén tại điểm 2, σi ( ϕ =0) > [σ] do đó tatăng thêm độ cứng cho chốt hoặc tăng đờng kính d0

4.5 Tính kiểm nghiệm bền xécmăng

Xécmăng không đẳng áp luôn có áp suất lớn ở vùng miệngkhi làm việc vùng này bị mòn do quá trình tiếp xúc với khí cháynên dẫn tới vùng miệng bị mòn và nếu ta dùng xécmăng đẳng ápthì sẽ bị lọt khí, do đó ta dùng xécmăng không đẳng áp thìvùng miệng vẫn luôn duy trì đợc áp suất đảm bảo quá trình baokín của xécmằng trong quá trình làm việc Tuy nhiên việc chếtạo xécmăng không đẳng áp lại rất khó khăn, thờng đợc đúctrong các ống có phân bố ứng suất nh ứng suất làm việc củaxécmăng Để tính toán xécmăng không đẳng áp ta tính theo ph-

ơng pháp Ghinxbua

Ta có: D - Đờng kính xylanh, D = 64 mm

t- Chiều dày xécmăng, t = 5 mm

h- Chiều cao xéc măng, h = 4 mm

A- Khe hở miệng ở trạng thái tự do, A = 12,5 mm

f- Khe hở miệng ở trạng thái lắp ghép, f = 0,5 mm

- áp suất bình quân trên mặt xécmăng:

Trong đó:

E – Môdun đàn hồi của gang hợp kim, E = 1,2.105 MN/m2

Trong đó: Cm- Hệ số phân bố áp suất không đẳng áp, Cm= 1,82.

Đối với động cơ ôtô ta có: [σu1] = 300 ữ 400 MN/m2

Vậy σu1 < [σu1].

- ứng suất uốn xécmăng khi lắp vào piston

Trong đó: m – Hệ số lắp ghép, lắp bằng tấm đệm, m = 1,57

Đối với động cơ ôtô ta có: [σu2] = 400 ữ 450 MN/m2

Vậy σu 2 > [σu2] Vậy không thoả mãn.

- ứng suất khi gia công phôi xécmăng

σu 3 = η.σu 1= 1,25 365 = 456(MN/m 2)

Vậy σu3 < [σu3 ].