Đồ án động cơ đốt trong tính toán động học và động lực học động cơ đốt trong pha phân phối khí của động cơ

LỜI NÓI ĐẦU Ô tô, trước hết là một vấn đề về động cơ, Vì cái xe chở đồ do Nicolas Joseph Cugnot sáng chế năm 1770 đáp ứng đúng nghĩa, theo nguyên nghĩa của từ automobile xe chạy tựđộng,

ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Sinh viên thực hiện:Cao Việt Hoàng

Mã sinh viên: 1900055

Lớp: D104AK11

Khoa Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Trọng Phước

Số vòng quay (ne) 5200 v/pSuất tiêu hao nhiên liệu (ge) -

Áp suất cuối hành trình cháy (pz) 54,8 kG/cm2

Áp suất cuối hành trình giãn nở (pb) 4,28 kG/cm2

Khối lượng nhóm piston (mpt) 0,32 kgKhối lượng nhóm thanh truyền (mtt) 0,53 kg

Chương 1 : Khái quát về động cơ đốt trong

Chương 3 : Pha phân phối khí của động cơ

3.1 Đặc điểm cấu tạo của động cơ phân phối khí

3.2 Bảng pha phân phối khí của động cơ

3.3 Đồ thị pha phân phối khí của động cơ

LỜI NÓI ĐẦU

Ô tô, trước hết là một vấn đề về động cơ, Vì cái xe chở đồ do Nicolas Joseph Cugnot sáng chế năm 1770 đáp ứng đúng nghĩa, theo nguyên nghĩa của từ automobile (xe chạy tựđộng), tức là ô tô, nhưng có lẽ vô ích ghi vào danh mục vô vàn cái xe chạy bằng hơi nước, về sau được chế tạo khắp thế giới, Dẫu sao, chúng ta cũng ghi nhận xe do người Pháp Pecquer sáng chế năm 1828, vì nó là cái đầu tiên được trang bị một bánh vi sai, Ta cũng ghi nhận một bộ phận quan trọng khác, cái tay lái đã được người xứ Bavière là Lankenoperger sáng chế năm 1817 (nhưng bằng phát minh lại đước cấp cho một người đồng hương của ông là Rudolf Ackerman, một nhà công nghiệp ở London, nên người ta thường gán sáng chế đó cho Ackerman).Về động cơ đốt trong, xem ở mục động cơ đốt trong, ở đây, chúng tôi đề cập đến toàn bộ động cơ ô tô

Chiếc xe đầu tiên chạy bằng động cơ đốt trong, hoạt động theo chu trình bốn kì của Beau de Rochas là một chiếc xe đạp cổ, được kĩ sư Đức Gottlieb Daimler thử lắp cái động cơ một xilanh của ông năm 1885, Rồi đến năm 1886, một kĩ sư Đức khác là  Carl Benz chế tạo một cái xe ba bánh, và thu được thành công lớn, Chính là để khai thác các bằng phát minh của Daimler mà năm 1886, ở Pháp đã thành lập công ty Panhard et Levassor, công ty lớn chuyên sản xuất ô tô đầu tiên của Pháp, Năm 1894, xe do ba người này thiết kế đã có các bộ phận chính, bố trí theo các vị trí mà sau này trở thành kinh điển

Nhưng nhiều nhà chế tạo khác cũng vào cuộc, nhất là De Dion - Bouton, người đãnhận bằng phát minh sự truyền động cho bánh sau, bằng các-đăng cũng trong năm 1894ấy; năm sau, ông đưa ra hệ đánh lửa dùng ắcquy, Năm 1895 cũng là năm đầu tiên màchiếc ô tô do Daimler chế tạo được lắp bánh hơi, nhờ Michelin, Và về Daimler, chúng taghi nhận rằng, năm 1897 ông đã sáng chế bộ tản nhiệt hình tổ ong, Năm 1898, một nhàchế tạo là Louis Renault thành công ngay lập tức với chiếc xe con của ông, Đặc biệt, nó

là cái xe đầu tiên được trang bị một hộp số ba tốc độ, mà một được nối trực tiếp, Cũngchính trên chiếc xe này, lần đầu tiên xuất hiện máy phát điện một chiều, Boudeville năm

1900 đã hoàn thành cái manhêtô đánh lửa (tới lúc ấy hệ thống thường dùng là cái ốngnóng sáng, mà đầu được cái bếp nung cho nóng đỏ, đước ấn sâu vào xilanh)

Trong lúc đó, các nhà sáng chế vẫn kiên trì nghiên cứu và hoàn chỉnh xe điện, Người tahiểu được lòng tin của họ vào công thức ấy, khi nhớ lại năm 1899, một trong số họ làJenatzy đã đạt kỉ lục tuyệt đối về tốc độ khi lái chiếc Jamais Contente (không bao giờ hàilòng) của ông với tốc độ 105,882 km/h, Đầu thế kỉ 20, ô tô đã tự giải thoát khỏi hìnhdáng của xe ngựa, trong diện mạo của nó, chiếc Mercédes năm 1901 là đặc trưng cho sựthay đổi ấy, mà Renault đã khởi đầu năm 1898, Thời kì này cũng đánh dấu sự khởi đầucủa sán xuất ô tô hàng loạt: Ramson E, Olds sản xuất 1500 ô tô/năm

Benz "Velo"

Tuy nhiên, các tiến bộ kĩ thuật vẫn phát triển, Những năm đầu thế kỉ 20 đã chứng kiếnviệc dùng phanh tang trống và khung gầm bằng tôn dập (khung Daimler, ở Đức, khung

Arbel, của xưởng rèn Douai, ở Pháp), Rồi từ 1904, chiếc ô tô Vauxhall có cần sang số lắptrên cột tay lái, Năm 1905, Pieere Bossu sáng chế bộ khởi động bằng điện (tuy nhiên mãiđến năm 1911 mới được Kettering dùng trên một chiếc Cadillac, nên người ta thường gánsáng chế này cho Kettering), Cũng năm 1905, người Mĩ Christie sáng chế bộ dẫn độngbánh trước và Truffault sáng chế cái giảm xốc dùng ma sát, Đó cũng là năm xuất hiệnkính chắn gió, Cuối cùng, năm 1908, André Michelin có ý tưởng dùng bánh xe chập đôicho xe trọng tải lớn, Mười lăm năm trôi qua với nhiều tiến bộ, năm 1913 đánh dấu triểnvọng thật sự của công nghiệp ô tô, với việc Henry Ford đưa vào vận hành dây chuyền lắpráp  hàng loạt đầu tiên, Đó là chiếc Ford-T, chiếc xe bình dân đầu tiên, bị tước bỏ mọiphụ tùng thừa, và được sản xuất tới 18 triệu chiếc, Quy tắc sản xuất hàng loạt được ápdụng một cách nghiêm chỉnh đến mức mọi xe đều được giao cho khách với màu sơn đen,Ford nói: "Khách hàng có thể yêu cầu bất cứ màu gì,,,", rồi ông thêm ",,, miễn là đen" Ngay sau Thế chiến Thứ nhất, ở Mĩ đã xuất hiện thùng xe toàn bằng thép (ở Pháp, mãitới năm 1925 mới được hãng Citroen chấp nhận, nhưng với một số vốn đầu tư khiến công

ty đứng bên bờ vực phá sản), Năm 1922, nhà chế tạo Italia Vincenzo Lancia giới thiệumột loại ô tô khác, có hệ thống treo phía trước, với bánh xe độc lập, Nó chủ yếu là xe sảnsuất hàng loạt không có khung gầm, tức là thùng xe tự mang, nhờ đó xe có sàn cực kìthấp, Năm 1926, hai kĩ sư trẻ Jean A, Grégoire và Pierre Fenaille tung ra chiếc Tracta, xeđầu tiên dẫn động bằng bánh trước, hoạt động mĩ mãn, đặc biệt nhờ sự nối đồng tốc, hệthống này trong Thế chiến Thứ hai đã được áp dụng cho xe Jeep và các ô tô bốn bánh cóđộng lực khác, Cũng trong nam này, hệ thống đánh lửa bằng Delco (Delco, chữ viết tắtcủa Dayton Engineering Laboratorie Co, Ohio) bắt đầy thay thế hệ đánh lửa dùngmanhêtô

Năm 1928 chứng kiến một sự đổi mới, hộp số đồng bộ hóa đầu tiên (xe Cadillac) vàmột điều kì lạ, xe của người Đức Adam Opel đẩy bằng tên lửa, Xe Tatra của Séc đángchú ý về nhiều mặt, năm 1931, chiếc xe ô tô đầu tiên có thùng xe khí động lực được sảnxuất hàng loạt (các mẫu thử của Đức có thùng xe kiểu giọt do Rumpler  chế tạo năm

1921, và Benz năm 1923 đều không được chấp nhận), Năm 1932, Cotal sáng chế hộp sốđiện từ, Rồi năm 1940, Oldsmobile tung ra những chiếc ô tô đầu tiên sang số tự động Những tiến bộ quan trọng nhất được ghi nhận từ khi kết thúc Thế chiến Thứ hai: năm

1950, ở Anh đã chế tạo chiếc xe ô tô đầu tiên chạy bằng tuabin khí (Rover); năm 1952,những chiếc ô tô đầu tiên được sản xuất hàng loạt với tay lái có trợ lực Chrysler ; năm

1953, xuất hiện cái phanh đĩa trên xe Jaguar của Anh,, khi tham gia "Hai mươi bốn giờ ởMans", Năm 1960, ô tô NSU Wankel có động cơ dùng pittông quay và ô tô chạy trênđệm không khí xuất hiện

Từ những năm 1970 trở đi, các thế hệ ô tô mới đều có đặc điểm chủ yếu là nâng caocông suất, giảm mức tiêu thụ chất đốt, và khí gây ô nhiễm,, gia tăng vai trò của thiết bịđiện tử (năm 1990 các hệ thống điện tử lắp đặt cho ô tô đã chiếm 6% giá tiền một xe, vàcon số này tời năm 2000 tăng gấp ba), các nỗ lực tăng tiện nghi , độ an tòan, sự hoànthiện và trang thiết bị: chẳng hạn, đai an toàn (bắt buộc từ 1973 ở Pháp), hệ thống phanhABS, đệm an toàn tự thổi phồng, hay Air Bags (được Mercédes tung ra thị trường lần đầu

tiên vào năm 1981), ống xả xúc tác (do General Motors hoàn chỉnh năm 1974), nó trởthành bắt buộc ở nhiều nước công nghiệp, Nói chung, các xe loại trung bình có xu hướngbắt kịp mức về thiết bị và sự hoàn thiện, trước đây chỉ dành cho ô tô loại sang, Thùng xeđược làm thuôn để giảm tối thiểu sức cản không khí và sử dụng hợp kim hoặc vật liệucomposite nhẹ, nhưng chịu đựng tốt cả sự va chạm lẫn ăn mòn.

Cuối cùng, người ta cũng dự kiến sự phát triển các hệ thống trợ giúp bên ngoài chongười lái, các hệ này dựa vào các thông tin đã đặt sẵn trong xe và các tín hiệu thu được từngoài (khí tượng, mức độ ùn tắc, ,,,) mà đưa ra cho người lái xe những chỉ dẫn và lờikhuyên để đưa xe theo lộ trình tốt nhất: năm 1995 chiếc xe Safrana Carmina, đó là chiếc

xe ô tô đầu tiên ở châu Âu có trang bị một hệ bản đồ định vị (GPS) và chỉ dẫn hành trình

Về phần ô tô điện, thực tế đã có hơn 100 năm tuổi, nó cũng được quan tâm trở lại vì

sự tăng giá nhiên liệu, sự gia tăng ô nhiễm, Nhưng vấn đề chủ yếu mà nhiều nhà chế tạo

bị "chất vấn" là mức dự trữ năng lượng và chi phí về ắc quy; do đó tạm thời ô tô điện chỉ

để sử dụng trong các thành phố, Từ năm 1993, ở La Rochelle đã tiến hành cuộc thử nghiệm đầu tiên của Pháp trên lĩnh vực "ô tô điện" do Peugeot thiết kề, được nạp điện lại tại các trạm công cộng do EDF đặt, cuối cùng, cũng có thể nghĩ đến loại ô tô lai tạp,

mà động cơ vừa sử dụng điện năng, vừa sử dụng nhiệt năng: đó là trường hợp của xe Swatchmobile, dự án do Mercédes phát triển cho nhà chế tạo đồng hồ nổi tiếng

1,2, Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

-Tên gọi động cơ 4 kỳ cũng có thể cho chung ta hình dung được phần nào – Động cơ đốt động hoàn thành 4 kỳ khi trục khuỷu hoàn thành được 2 vòng quay, Một chu kỳ hoạn động của động cơ bao gồm 4 kỳ, Động cơ 4 kỳ lần đầu tiên được tìm ra bởi Nikolaus Otto vào năm 1876.

-Cấu tạo của động cơ 4 kì:

-Piston: Nằm ở bên trong động cơ, Piston được sử dụng để chuyển đổi năng lượng khi

nhiên liệu bị đốt cháy và dãn nỡ trong buồng đốt đến trục khuỷu thông qua thanh truyền, Piston chuyển động tịnh tiến trong xi-lanh giữa Piston và xylanh có các vòng séc măng

-Trục khuỷu: Trục khuỷu là một bộ phận giúp chuyển đổi từ tịnh tiến của Piston sang chuyển động tròn

-Thanh truyền: Thành truyền là một bộ phận truyền dao động từ Piston đến trục khuỷu

-Đối trọng: Là bộ phận nằm trên trục khuỷu nhằm mục đích làm giảm sự rung động được sinh do không cân bằng khi lắp ráp lại các bộ phận lại với nhau

-Xupap nạp và xupap xả: Bộ phận này như những cái van, Theo chu kỳ hoạt động của động cơ sẽ cho hòa khí đi vào cũng như cho khi thải ra ngoài động cơ

-Bugi: Bộ phần này giúp đánh lửa đốt cháy hòa khí trong động cơ

-Nguyên lý hoạt động của dộng cơ 4 kì:

-Kỳ 1: Piston sẽ di chuyển từ ĐCT (Điểm chết trên) xuống ĐCD (Điểm chết dưới) Đồng thời xupap nạp được mở ra mà hòa khí sẽ đi vào trong buồn đốt, Xupap xả đóng lại và đồng nghĩa với việc trục khuỷu sẽ quay 180 độ

-Kỳ 2: Piston sẽ di chuyển từ ĐCD đến ĐCT để nén hòa khí lại đồng thời Xupap nạp đóng lại tất nhiễn Xupap xả cũng đóng, Trục khuỷu quay 180 độ

-Kỳ 3: Bugi đánh lửa đốt cháy hòa khí cung cấp năng lượng cho Piston, Piston sẽ di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, Lúc này cả Xupap xả và Xupap nạp đều đóng lại, trục khuỷu quay một góc 180 độ

-Kỳ 4: Piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT đồng thời Xupap xả mở ra để khí thải được thoát ra ngoài động cơ, Xupap nạp vẫn đóng thanh truyền sẽ quay một góc 180 độ

Trong động cơ đốt trong cơ cấu cam sẽ giúp Xupap nạp và Xupap xả được mở cũng đóngđúng thời điểm để có thể cung cấp đủ lượng hòa khí vào trong buồn đốt và xả được hết khí thải ra bên ngoài môi trường

-Động cơ 2 kỳ là loại động cơ đốt trong hoàn thành một chu kỳ với 2 kỳ cùa Piston và trong khi đó trục khuỷu sẽ quay 1 vòng, Động cơ đốt trong 2 kỳ lần đầu tiên được thiết kếmởi Dugald Clerk, Động cơ 2 kỳ nhìn chung khá là giống với với động cơ 4 kỳ cũng lấy nhiên liệu bên ngoài đưa vào trong buôn đốt và đốt nhiên liệu để tạo ra năng lượng truyềncho trục khuỷu, Nhưng về các bước hoạt động thì động cơ hai kỳ khác với động cơ 4 kỳ

-Cấu tạo của động cơ 2 kì:

-Piston: Nằm ở bên trong động cơ, Piston được sử dụng để chuyển đổi năng lượng khi nhiên liệu bị đốt cháy và dãn nỡ trong buồng đốt đến trục khuỷu thông qua thanh truyền, Piston chuyển động tịnh tiến trong xi-lanh giữa Piston và xylanh có các vòng séc măng

-Trục khuỷu: Trục khuỷu là một bộ phận giúp chuyển đổi từ tịnh tiến của Piston sang chuyển động tròn

-Thanh truyền: Thành truyền là một bộ phận truyền dao động từ Piston đến trục khuỷu-Bugin: Bộ phần này giúp đánh lửa đốt cháy hòa khí trong động cơ

-Cửa nạp và cửa xả: Cho hòa khí đi vào bên trong buồng đốt và đưa khí thải ra bên ngoài-Bánh đà: Đây là bộ phận giúp lưu trử năng lượng

-Nguyên lý hoạt động của động cơ 2 kì :

Kỳ đầu (Hành trình đi xuống): Đầu tiên Piston sẽ di chuyển từ ĐCT (Điểm chết trên) xuống ĐCD (Điểm chết dưới) lúc này hỗn hợp nhiên liệu và không khí sẽ được đưa vào trong buồng đốt, Trục khuỷu sẽ quay được nữa vòng tròn (180 độ)

Kỳ sau (Hành trình đi lên): Lúc này Piston sẽ di chuyển từ ĐCD lên đến ĐCT lúc này hỗn hợp nhiên liệu sẽ bị nén lại đồng thời bugi đánh lửa sẽ đánh lửa và đốt cháy nhiên liệu, Nhiên liệu đốt cháy trong buồng đốt và cung cấp năng lượng cho Piston đẩy Piston

đi xuống Piston sẽ truyền năng lượng đó cho trục khuỷu thông qua thanh truyền.

Trong kỳ sau (Hành trình đi lên) cửa nạp được mở ra và hỗn hợp nhiên liệu sẽ được đưa vào buồng đốt (Bên dưới trục khuỷu) và chuẩn bị để được đưa vào trong buồng đốt, Khi Piston đi xuống (Hành trình đi xuống) lúc này cửa nạp được đóng lại và đồng thời hòa khí sẽ được đưa vào bên trong buồng đốt và khi thải sẽ bị thải ra ngoài nhờ vào áp lực của hòa khí, khí thải thoát ra ngoài thông qua cửa thoát

Chương 2, Tính toán động học và động lực học động cơ đốt trong

2,1, Tính toán các thông số ban đầu

Các thông số ban đầu là phần tính toán những thông số cơ bản như : Bán kính tay quay trục khuỷu , chiều dài thanh truyền , vận tốc góc trục khủyu , thể tích 1 xy lanh , diện tíchpiston , công xuất 1 xy lanh , khối lượng TKTT/Công suất , khối lượng khuỷu trục , khối lượng chuyển động tịnh tiến , khối lượng chuyển động quay

Các bước tính toán như sau :

- Bán kính tay quay trục khuỷu có công thức tính như sau:

R = S2 (m)Trong đó S là hành trình piston

Theo đề bài ta có : S = 68 mm →=0,068(m)

→R= 0,0682 = 0,034 (m)

- Chiều dài thanh truyền có công thức tính như sau :

F p = π D4 2 (m2)

Áp dụng công thức ta có :

→F p = π (0,079)4 2 ≈ 4,901669938×10−3 (m2)Công suất 1 xy lanh có công thức tính như sau :

N ei = V h P Z n N

k (kw)

Trông đó : V h thể tích công tác của 1 xylanh

P Z áp suất cuối kì cháy

n N tốc độ động cơ tại công suất cực đại

k là hệ số , chọn k = 2,6

Theo đề bài t có P Z = 54,8 ( kg /m2)

→N ei= 3,480185656× 102,6−4×54,8 × 5800 ≈ 42,54393111 (kw)Khối lượng trục khuỷu có công thức tính như sau :

m kt = N e

Trong đó : N e công suất động cơ

Ta có khối lượng trục khuỷu bằng công suất động cơ :

2,2,1, Tính toán động học của piston

a, Tính toán chuyển vị của piston

-Ta có công thức tính chuyển vị của piston : X

X = R[(1-cosλ) + 4λ(1-cos2α)] (m)

-Trong đó : X - là độ chuyển vị của piston,

R - là bán kính quay của trục khuỷu;

b)Tính toán vận tốc của piston

2,2,2, Tính toán động học của thanh truyền

a, Tính toán góc lắc của thanh truyền

β = arcsin(λ.sinα) (độ)

b, Tính toán tốc độ lắc của thanh truyền

Công thức tính góc lắc của piston:

ωtt = ω.λ.cosα (1/s)

c, Tính toán gia tốc lắc của thanh truyền

ε tt = -ω2.(1-λ2).√(1−λ Sinα2sin2α)3 (1/s2)

- Lực pháp tuyến: 𝑍 = 𝑃 cos(β+α) cosβ (kN)

- Lực tiếp tuyến: 𝑇 = 𝑃 sin(β +α) cosβ (kN)

Trong đó: P – lực tổng hợp tác động lên cơ cấu TK-TT

β – góc lắc của thanh truyền

α – góc quay trục khuỷ

Bảng tổng lực họp tác động lên cơ câu TK-TT

Chương 3, PHA PHÂN PHỐI KHÍ CỦA ĐỘNG CƠ

3,1, Đặc điểm cấu tạo của cơ cấu phân phối khí

- Cấu tạo cơ cấu phân phối khí :

Hệ thống cơ cấu phân phối khí được cấu tạo từ nhiều chi tiết máy khác nhau, bao gồm:

Trục cam: Bộ phận này là một trục liền không có khúc nối, bao gồm các vấu cam nạp, cam thải và các cổ trục, Thông thường, các vấu cam sẽ được bố trí dựa theo thứ tự nổ củatừng loại động cơ hoặc chức năng của trục cam

Xupap: Đây là bộ phận có nhiệm vụ đóng mở cửa nạp và cửa xả trong xi lanh của động

cơ đốt trong, Xupap được cấu tạo từ các loại vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao, cứng và

ít bị giãn nở

Lò xo xupap: Lò xo xupap cũng được cấu tạo từ vật liệu cứng nhưng lại có tính năng đàn hồi tốt, Bộ phận này thường là lò xo trụ có bước xoắn thay đổi, giúp làm giảm các dao động cộng hưởng trong quá trình hoạt động, hạn chế bị gãy lò xo

3,2,Bảng pha phân phối khí của động cơ