đồ án thiết kế động cơ đốt trong

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

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu 2

Chương I: PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC 3

1.1 Nhiệm vụ của hệ thống phát lực 3

1.2 Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại của từng bộ phận trong hệ thống 3

Chương II: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 7

2.1 Chọn phương án thiết kế các chi tiết trong hệ thống 7

2.2 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phát lực đã chọn 9

2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống phát lực đã chọn 10

Chương III: TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 12

3.1 Giới thiệu tính toán nhiệt 12 3.2 Các thông số cho trước của động cơ 12 3.3 Chọn các thông số cho tính toán nhiệt 13 3.4 Tính toán nhiệt 15 Chương IV: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỂN 26 4.1 Phân tích động học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền 26 4.2 Động học của piston 27 Chương V: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỂN 32 5.1 Phân tích động lực học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền 32 5.2 Sơ đồ lực, moment tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền 1 xylanh 32 5.3 Lực khí thể 34 5.4 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động 35 5.5 Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền 39 Chương VI: THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ TÍNH BỀN CÁC NHÓM VÀ CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG 48

6.1 Nhóm piston 48

6.2 Nhóm thanh truyền 58

Chương VII: QUY TRÌNH THÁO, LẮP, ĐIỀU CHỈNH,

BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA HỆ THỐNG 91

7.1 Tháo lắp nhóm piston, xéc măng, thanh truyền 917.2 Kiểm tra tình trạng kỹ thuật nhóm piston, xéc măng, thanh truyền 957.3 Sửa chữa nhóm piston, xéc măng, thanh truyền 99

7.5 Kiểm tra – Sửa chữa nhóm nhóm trục khuỷu, bánh đà 107

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án môn học Động cơ đốt trong là một khâu quan trọng trong khối kiến thức củangành Ô tô – Máy động lực, 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 ngành Ô tô – Máy động lực, 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 Thiết kế Động cơchính 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 Thiết kế Động cơ đốt trong này Nay em xin gửi lời cảm

ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn Thầy Vũ Việt Thắng, các thầy trong bộ môn Ô tô – Máy động lực cùng các bạn trong lớp Ô tô K10

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 phía các thầy và các bạn Em xin chân thành cảm ơn

NGUYỄN VĂN PHÚ

Chương I PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU

CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC

1.1 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 cơ làm việc

• Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống

• Các- te (hay hộp trục khuỷu) và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

• Làm nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp

1.2 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI CỦA TỪNG BỘ

PHÂN TRONG HỆ THỐNG:

1.2.1 Piston:

• Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác như

xy-lanh, nắp xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng 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 lớn đặc 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 sức bền, 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 điều kiện bôi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bôi trơn tốt Ăn mòn hóa học do piston thường xuyên 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 lọt khí từ buồng cháy xuống cacte

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

• Phân loại: Theo dạng đỉnh piston

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

 Đỉnh lõm: có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy 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

1.2.2 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, chốtpiston dễ bị mòn

• Yêu cầu:

 Chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền

và độ cứng vững Bề mặt 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

1.2.3 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 lọt khí 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, ăn mòn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu

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

1.2.4 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 đến trục 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 quay cùng với trục khuỷu Vậy thanh truyền chịu lực

va đập tuần hoàn như lực khí thể, lực quán 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 cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn

 Tiết diện hình chữ nhật, ô van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ

1.2.5 Trục khuỷu:

• 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 quá trình 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 các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu

và của thanh truyền Những lực này gây 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.

1.2.6 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 làm cho trục khuỷu quay nhanh) để bù đắp phần năng lương hao hụt trong các hành trình tiêu hao công (lúc này moment cản

có giá trị lớn hơn moment chính của động cơ) khiến cho trục 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 chỉdùng cho động cơ tốc độ cao

 Bánh đà dạng vành: là bánh đà có moment quán tính lớn

 Bánh đà dạng chậu: là bánh đà có dạng trung gian của hai loại bánh

đà trên, có moment quán tính và sức bền lớn

 Bánh đà dạng vành có nan hoa: để tăng moment quán tính của bánh

đà, phần lớn khối lượng bánh đà ở dạng vành xa tâm quay và nối với mayơ bằng các gân kiểu nan hoa

Chương II CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG:

2.1.1 Piston:

Đối với động cơ xăng để thỏa mãn các yêu cầu sau đây:

 Phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia nhiên liệu phun vào buồng cháy để tổ chức tạo thành hỗn hợp tốt nhất

 Tận dụng được xoáy lốc của không khí trong quá trình nén

 Dựa trên mẫu động cơ tham khảo là 2AR-FE có 16 van với 4 xylanh,vậy có 4 van là 2 van xả, 2 van nạp cho một xylanh làm việc, đảm bảo hiệu suất nạp tốt nhất.

Vậy piston có đỉnh chứa buồng cháy có dạng đỉnh lõm như sau được chọn:

Hình2.1 Đỉnh piston

2.1.2 Chốt piston

Để có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và vì tỷ số nén động cơ xăng được thiết

kế không lớn lắm nên chọn chốt piston có dạng mà bề mặt bên trong là hìnhtrụ

2.1.3 Nhóm thanh truyền

2.1.3.a Đầu nhỏ thanh truyền: Có hai dạng.

 Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng Khi ấy chốt piston lắp

2.1.3.b Thân thanh truyền:

Thân thanh truyền có tiết diện hình chữ I được sử dụng phổ biến vì đảm bảo sức bền theo hai phương Vậy chọn phương án thân thanh truyền

có tiết diện chữ I

2.1.3.c Đầu to thanh truyền: Có các loại sau:

 Phương án phổ biến nhất là một phần của đầu to thanh truyền được gắn liền với thân thanh truyền, phần còn lại được ghép với phần trên nhờ hai bulông

 Phương án tương tự trên nhưng dùng nhiều bu lông hơn (4 hoặc 6 bulông) để lắp ghép với đầu to thanh truyền Như vậy đường kính bulông sẽ nhỏ hơn so với phương án trên Tuy nhiên nhược điểm là các bu lông chịu lực không đều có thể dẫn đến hiện tượng mài mòn không đều và đứt gãy bulông.

 Tương tư phương án đầu tiên nhưng cắt chia đầu to thanh truyền theomặt nghiêng 300 đến 600 so với đường tâm thanh truyền

 Dùng chốt côn để lắp ghép đầu to thanh truyền theo kiểu khớp bản lề

Do tính đơn giản và phổ biến nên chọn phương án đầu tiên

Hình 2.2.Thanh truyền

2.1.4 Trục khuỷu:

Theo phân loại có hai loại là trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép Do động cơ xăng 4 xylanh phổ biến là dùng trục khuỷu nguyên nên chọn phương án thiết kế là trục khuỷu nguyên

2.2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO:

Sau khi đã chọn tất cả các phương án như trên, ta có được cấu tạo hệ thống như sau

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phát lực

2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC:

Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát lực như sau:

1 2 3 4

P J N

P kt

β

M L

M q Z T

Hút Nổ Xả

Nổ Nổ

Nổ

Nén Nén

Nén

Nén Xả

Xả Xả

Hút

Hút Hút

TTN: 1 - 3 - 4 - 2

0 180 360 540 720 GQTK α 0 0 0 0 0

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, cĩ chuyển động quay và truyền cơng suất của động cơ ra ngồi để dẫn động máy cơng 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 tại một 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 thanh truyền dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểmchết dưới (ĐCD) thực hiện quá trình nạp môi chất công tác

- Kỳ nén: pit-tông cũng nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và thanh truyền 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 khí cháy sinh ra trong xylanh động cơ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD và truyền ra ngoài cho 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 truc khuỷu – thanh truyền, dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT thực hiện quá trình thải sản vật cháy ra ngoài

Chương III TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

3.1 GIỚI THIỆU TÍNH TOÁN NHIỆT:

Tính toán nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thị công chỉ thị của một động cơ cần thiết kế thông qua việc tính toán các thông số nhiệt động lực học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quá trình:

+ Quá trình nạp+ Quá trình nén+ Quá trình cháy+ Quá trình giãn nở

- Mỗi quá trình trên được đặc trưng bởi các thông số trạng thái là nhiệt độ, áp suất, thểtích của môi chất công tác (MCCT) ở đầu và cuối của quá trình Trên cơ sở lý thuyết củanhiệt động lực học kỹ thuật, nhiệt động hóa học, lý thuyết động cơ đốt trong xác định giátrị của các thông số nêu trên

- Tiếp theo ta tính các thông số đánh giá tính năng của chu trình gồm các thông số chỉ thị

và các thông số có ích của chu trình công tác như: áp suất chỉ thị trung bình pi, áp suất cóích trung bình pe, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne, hiệu suất ηe và suất tiêu haonhiên liệu ge của động cơ, …

- Cuối cùng, bằng kết quả các quá trình tính toán nói trên ta xây dựng giản đồ công chỉ thịcủa động cơ và đây là các số liệu cơ bản cho các bước tính toán động lực học và thiết kế

sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ

- Trong tính toán kiểm nghiệm động cơ cho trước, việc tính toán nhiệt có thể được thay thế bằng cách đo đồ thị công thực tế trên động cơ đang hoạt động nhờ các phương tiện, các dụng cụ đo ghi kỹ thuật hiện đại Tuy nhiên với phương pháp tính toán dựa trên cơ sở

lý thuyết nhiệt động hóa học trong động cơ đốt trong, người ta cũng có thể tiến hành khảosát những chỉ tiêu động lực và chỉ tiêu kinh tế của các động cơ đã có sẵn này với kết quả đáng tin cậy

-Toàn bộ quá trình tính toán nhiệt tuân theo tài liệu [1]

3.2 CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ :

Trường hợp thiết kế mới động cơ :

3.2.1 Loại động cơ :

Động cơ xăng 4 kỳ,4 xy lanh thẳng hàng,làm mát bằng nước

3.2.2 Công suất :

Ne/nN =52 Kw / 5600v/ph

3.2.7 Động cơ tham khảo :

Động cơ 3A của TOYOTA

3.3 CHỌN CÁC THÔNG SỐ CHO TÍNH TOÁN NHIỆT:

3.3.1 Áp suất không khí nạp (p o ):

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

po = 0,1013 MN/m2

3.3.2 Nhiệt độ không khí nạp mới:

Nước ta khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk = 29 oC

Do đó: To = (tkk + 273)oK = 29+273 = 302 oK

3.3.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (p k ):

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = po = 0,1013 MN/m2

3.3.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k ):

Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp Tk = To = 302 oK

3.3.5 Áp suất cuối quá trình nạp (p a ):

Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp thường nhỏ hơn áp suấtkhí quyển, do có tổn thất trên ống nạp và bầu lọc gây nên

3.3.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (∆T):

3.3.10 Chọn hệ số quét buồng cháy λ2

Động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn λ2 = 1

3.3.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp α và nhiệt độkhí sót Tr

Đối với động cơ xăng ta chọn λt =1,168

3.3.12 Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm Z (ξZ ):

Là thông số số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệ lượngnhiên liệu đã cháy tại điểm Z

Động cơ xăng chọn ξZ = 0,85

3.3.13 Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm b (ξb ):

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

Động cơ xăng chọn ξb = 0,85

3.3.14 Chọn hệ số dư lượng không khí α:

Lượng không khí đi vào xy lanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo

α = M1/Mo

trong đó: M1- lương không khí thực tế nạp vào xylanh

Mo- lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Theo đề bài α = 0,99

3.3.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (ϕd ):

Hệ số điền đây đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực

tế so với đồ thị công tính toán

Động cơ xăng chọn ϕd = 0,94

Trong đó: pz - áp suất cuối quá trình cháy

pc - áp suất cuối quá trình nén

Động cơ xăng tính

z c3,91

T T

1 1,50

P P

λγ

ελ λ λ

- Nhiệt độ cuối quá trình nạp ( T a) :

m 1 m a

k t r r

r a

r

1,5 1 1,5

pTΔT λ γ T

pT

1 0,053619,806 2, 25.10 ( / )

(1.6)

3

' 19,806' '

+ Chæ soá neùn ña bieán trung bình:

8,314 1

1 1 1,3731 1 2 − 362.9 − 821,7( / )

x ξξ (1.16)+ Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn:

' 0

0 ''

0, 05361,055 1 19,81 2, 25.10 (1 1)(19,81 0, 002095 )

1,055

0,0536

1, 05519,806 2, 25.10

βγβ

β

+ Nhiệt độ cuối quá trình cháy:

0,85.(43960 614, 4)

(19,806 2, 25.10 ).821,7 1,0525.(19,806 2, 25.10 ).0,5157.(1 0,0536)

o z

- Xác định chỉ số dãn nở đa biến trung binh n2

Tra đồ thị Hình 6.24 trang 176 sách lý thuyết động cơ đốt trong với các thông số đã có

T T

P P

Sai số:

r r

ΔT3,91 5%

T = <

Vậy nhiệt độ khí sót chọn lúc ban đầu là chấp nhận được

3.4.5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình :

- Áp suất chỉ thị trung bình tính toán i

e e

N V

P n i

τ

lít

τ = 4 - số chu kỳ của động cơ

i = 4 - số xylanh của động cơ

ne =5600 v/p - số vòng quay của động cơ

Ne =52 kW - công suất động cơ

pe = 0,7615 MN/m2 - áp suất có ích trung bình

- Đường kính piston

S D

Vpp

- Bằng cách thay giá trị Vxn đi từ Va đến Vc ta lần lượt xác định được các giá trị pxn

- Dạng đường công giãn nở

2

n

xg

z z xg

V

V p

- 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 thịcông tính toán của động cơ (đường cong nét đứt)

Để xây dựng được đồ thị công chỉ thị của động cơ cần phải thực hiện các bước hiệuchỉnh dưới đây :

+ Dùng đồ thị Brich xác định điểm đánh lửa sớm c’ và các điểm phối khí (mở sớm

và đóng muộn của các xupap nạp, thải : r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công

+ Dựng phía dưới đồ thị công nữa vòng tròn có bán kính R, tâm O là trung điểmcủa đoạn Vh

4

=

trong đó λ là thông số kết cấu, đã được chọn trước

+ Từ tâm O’ ta vẽ các tia hợp với đường kính nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trênnhững góc nói trên Các góc này có thể chọn theo động cơ tham khảo

+ Từ giao điểm các tia cắt nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trên ta đóng các đườngsong song với trục tung cắt đồ thị công và từ các điểm này ta xác định được các điểm (c’,r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công

+ Hiệu đính phần đường cong của quá trình cháy trên đồ thị công

Bảng 3.3: Các trị số áp suất của MCCT của quá trình nén và dãn nở tính toán

của động cơ xăng

Ở động cơ xăng áp suất cực đại (điểm z’) có tung độ pz’= 0.85 pz

+ Điểm z” là trung điểm đoạn thẳng qua điểm z’ song song vớI trục hoành và cắtđường cong giãn nở

+ Điểm c” lấy trên đoạn cz’ với cc”= cz’/3

+ Điểm b” là trung điểm của đoạn ab

Dùng thước cong nối liền tất cả các điểm xác định trên thành một đường cong liên tục ta được đồ thị công chỉ thị của đông cơ tính toán

Hình 3.1: Đồ thị công chỉ thị

CHƯƠNG IV:

TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỀN

4.1 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỀN:

Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cụm chi tiết chuyển động chính (piston, thanh truyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau:

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

- Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

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

Có ba loại kết cấu trục khuỷu - thanh truyền chính sau:

- Trục khuỷu cắt đường tâm xylanh

- Trục khuỷu lệch với đường tâm xylanh một khoảng nhỏ a<0,1.S

- Kết cấu thanh truyền kép lắp trên cùng một chốt khuỷu

Hình 4.1: Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

4.2 ĐỘNG HỌC CỦA PISTON:

( PHÂN TÍCH THEO PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH)

4.2.1 Chuyển vị của piston:

Chuyển vị của piston trong xylanh động cơ được tính theo công thức :

) cos [(

R

S

)]

cos (

.[

R

S

) cos (

R

S

S S

p

α

−

λ + α

4 1

2 1

4 1

Bảng 4.1.Bảng giá trị của chuyển vị piston

Gia tốc của piston trong xylanh động cơ được tính theo công thức sau:

Bảng 4.3: Bảng giá trị của gia tốc piston

Đồ thị gia tốc của piston :

Hình 4.4: Đồ thị gia tốc của piston

CHƯƠNG V:

TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH

TRUYỀN 5.1 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH

TRUYỀN:

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

- Nhóm piston chuyển động tịnh tiến qua lại truyền lực khí thể cho thanh truyền

- Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian có chuyển động phức tạp đểbiến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất có chuyển động quay và truyền côngsuất của động cơ ra ngoài để dẫn động các máy công tác khác.

Chọn kết cấu trục khuỷu – thanh truyền : trục khuỷu cắt đường tâm xylanh

Hình 5.1 Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

5.2 SƠ ĐỒ LỰC VÀ MOMENT TÁC ĐỘNG LÊN CƠ CẤU TRỤC KHUỶU

THANH TRUYỀN 1 XYLANH:

Quy ước chiều quay và dấu:

- Chiều quay của động cơ quy ước là “+” nếu động cơ quay theo chiều kim đồng

hồ nhìn từ phía bánh đà ngược trở lại

- Dấu của các lực và moment tác dụng quy ước như trên hình vẽ

Hình 5.2 Sơ đồ lực và momen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

Ghi chú:

Pkt :lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston

Pj :lực quán tính của các chi tiết chuyển động thẳng

P∑ :lực tổng cộng tác dụng lên đỉnh piston

N :lực ngang tác dụng lên vách xylanh có hướng vuông góc với đường tâm xylanh

Ptt :lực dọc theo đường tâm thanh truyền

Z :lực pháp tuyến theo hướng từ tâm chốt đến tâm cổ khuỷu

T :lực tiếp tuyến vuông góc với lực pháp tuyến

Mq:moment quay của trục khuỷu

ML:moment lật động cơ

N

+ -

P +- T + - Z +-

4

DπppFppP

2 o kt p o kt

trong đó: po≈ 0.1 MN/m2 - áp suất khí quyển

Pkt - áp suất trong xylanh động cơ

Fp - diện tích tiết diện của piston [m2]

- Lực khí thể là một đại lượng thay đổi theo góc quay trục khuỷu: Pkt = f(α), xácđịnh được từ áp suất khí thể pkt ở tính toán nhiệt của động cơ tại chế độ công suất cực đại(Nemax)

- Ta có thể triển khai giản đồ công chỉ thị thành đồ thị Pkt = f(α) bằng phương pháp

quay α có bước tăng đều 15o Các tia này cắt nữa vòng tròn các điểm tươngứng 0o, 15o, 30o,…, 180o.

3 Từ các điểm xác định được trên kẻ các đường song song với trục tung,chúng cắt các đường cong trên giản đồ công chỉ thị tại các quá trình nạp,nén, dãn nỡ và thải các điểm tương ứng

4 Từ các điểm vừa xác định được trên kẻ các đường song song với trụchoành, chúng cắt các đường vuông góc với trục hoành của đồ thị Pkt = f(α)

375o)

- Lực khí thể còn có thể được xác định bằng phương pháp giải tích kết hợp vớiphương pháp đồ thị Brich : các giá trị lực khí thể P tại các quá trình nạp – nén – dãn nở -thải được xác định bằng các quan hệ sau :

+ Quá trình nạp (tính từ α = ϕ3 đến α = 180o) : pkt = pa

+ Quá trình nén (tính từ α = 180o đến α = 360o - θs) :

1

n a

kt p i

p =

với i = 1 đến εtrong đó : i = 1 tương ứng với α = 180o

5.4 LỰC QUÁN TÍNH CỦA CÁC CHI TIẾT CHUYỂN ĐỘNG:

Lực quán tính được xác định theo công thức sau

P =m.Jtrong đĩ : m - khối lượng các chi tiết chuyển động

J - gia tốc chuyển động của các chi tiết đĩDưới đây là cách xác định khối lượng của các chi tiết chuyển động thẳng vàchuyển động quay trịn của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

5.4.1 Khối lượng cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền:

1 Khối lượng nhĩm piston (khối lượng các chi tiết chuyển động thẳng): bao gồm

khối lượng của piston, xéc măng (vịng găng), chốt piston Ngồi ra cịn cĩ khối lượngcủa các guốc trượt… (thường cĩ trong cơ cấu động cơ tàu thủy) Ký hiệu:

mmm

G

mnp = np = p + x + c +

trong đĩ: Gnp - trọng lượng của nhĩm piston

mnp - khối lượng nhĩm piston

Gp, Gc, mp, mc - trọng lượng và khối lượng của piston,xécmăng…

g - gia tốc trọng trường (m/s2)

2 Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay):

Hình 5.4 Sơ đồ tính toán lực của phần khối lượng chuyển động quay

Ta tạm chia trục khuỷu thành các phần như hình vẽ

- Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R là phần khối lượng của chốtkhuỷu mChk (phần gạch dọc trên hình vẽ)

- Phần khối lượng chuyển động quay với bán kính ρ là phần khối lượng củahai má khuỷu mm (phần gạch chéo trên hình vẽ)

- ρ là khoảng cách từ trọng tâm má khuỷu đến tâm cổ khuỷu.

Quy dẫn khối lượng má khuỷu mm về tâm của chốt khuỷu ta phải thay thếbằng khối lượng tương đương “mmr” và xác định bằng phương trình cân bằng lực quántính sau :

2 m

m

2m m

m

m ChK

K

mr ChK

3 Khối lượng của thanh truyền:

Thanh truyền chuyển động khá phức tạp, đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến,đầu to chuyển động quay, thân chuyển động lắc Vì vậy, trong tính toán lực quán tính tathay thế nhóm thanh truyền bằng một hệ tương đương có khối lượng tập trung tại ba điểm(tại tâm chốt piston, tâm chốt khuỷu và trọng tâm thanh truyền) như hình vẽ sau :

Khi thay thế thanh truyền thực bằng hệ tương đương trên phải thỏa mãn cácđiều kiện sau :

a) Tổng các khối lượng thay thế phải bằng khối lượng thực của thanhtruyền:

mtt = mA + mB + mo

b) Trọng tâm của hệ tương đương phải trùng với trọng tâm thực của thanhtruyền :

mA a + mB b =0  mA a = mB (L – a)c) Tổng moment quán tính của các khối lượng thay thế đối với trọng tâmphải bằng moment quán tính thực của thanh truyền đối với trọng tâm của nó :

tt

o = − −

- Khối lượng mA thực hiện chuyển động thẳng vì thế sẽ cộng thêm với khốilượng của nhóm piston mp

- Khối lương mB thực hiện chuyển động quay cùng với khối lượng của trụckhuỷu

- Khối lượng mo thực hiện đồng thời chuyển động thẳng và chuyển động lắctương đốI với đường tâm chôt piston

Vì mo khá nhỏ so với mA và mB, do đó để đơn giản trong tính toán động lựchọc, mo có thể bỏ qua vì vậy ta thay thế khối lượng thanh truyền bằng hệ tương đươnggồm hai khối lượng tập trung ở đầu nhỏ và đầu to thanh truyền

Phân bố theo phương án này có sai số không đáng kể nên không ảnh hưởngđến kết quả tính toán, lại có ưu điểm là rất đơn giản và khối lượng thay thế được tínhbằng công thức sau :

4 Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền:

j ' j

F

1)m(mF

r ' r

F

1)m(mF

m

Chọn khối lượng các cụm :

( )2

Fp =0.0047373 m

( ) ( )

( ) ( ) ( )

10 47,373 473, 73 0, 47373 (kg)

12 47,373 568, 47 0,56847 (kg)0.3 0.3 0,56847 0.171

- Khi piston ở ĐCD, Pj có dấu dương và chiều quay xuống (hướng vào tâm trục khuỷu)

Đồ thị lực quán tính có dạng giống đồ thị lực gia tốc nhưng có chiều ngược lại và có

tỉ lệ xích:

µpj = µjp× m

5.4.3 Lực quán tính (lực ly tâm) của khối lượng chuyển động quay P K

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay xác định bằng công thức sau:

PK = − mr.R.ω2 = -1,21x 0.03859 x 586,4312 = -16058,1 N = -16,06 kN