Tính toán và thiết kế hệ thống làm mát của động cơ theo các thông số kĩ thuật

Đồ án môn học “Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong” giúp cho sinhviên bước đầu tìm hiểu và thiết kế một hệ thống cụ thể trên động cơ ô tô.Trong đồ án môn học này, em được bộ môn Máy đ

LỜI NÓI ĐẦU

Môn học “Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong” chiếm vị trí quantrọng trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành cơ khí động lực Môn học nàycung cấp cho mỗi sinh viên những kiến thức kết cấu tổng quát và phươngpháp tính toán thiết kế các chi tiết, hệ thống chính của động cơ ô tô Để thiết

kế các cơ cấu như khuỷu trục thành truyền, xinh lanh, pít tông hay các hệthống như hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống nhiên liệu trên động

cơ vận hành tốt, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đòi hỏi người thiết kế phải có sựhiểu biết nhất định về “Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong”

Đồ án môn học “Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong” giúp cho sinhviên bước đầu tìm hiểu và thiết kế một hệ thống cụ thể trên động cơ ô tô.Trong đồ án môn học này, em được bộ môn Máy động lực giao nhiệm

vụ tính toán và thiết kế hệ thống làm mát của động cơ theo các thông số kĩthuật Đây là một hệ thống không thể thiếu trong động cơ đốt trong Giảmnhiệt độ của động cơ thực hiện chu trình công tác sinh công Nhiệm vụ của đồ

án này là phải tính toán thành lập được các bản vẽ đồ thị công, động học vàđộng lực học, bản vẽ hệ thống làm mát và các cụm chi tiết của hệ thống làmmát, phân tích đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát,chọn động cơ mẫu phù hợp

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu cáctài liệu, làm việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án tốtnhất Tuy nhiên, thời gian thực hiện đồ án có hạn, bản thân còn ít kinh nghiệmcho nên việc hoàn thành đồ án lần này không thể tránh khỏi còn nhiều thiếusót

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã tậntình truyền đạt lại những kiến thức quý báu cho em Đặc biệt, em xin gửi lờicảm ơn đến thầy NGUYỄN QUANG TRUNG đã quan tâm cung cấp các tàiliệu, nhiệt tình hướng dẫn trong quá trình làm đồ án Em rất mong muốn nhậnđược sự xem xét và chỉ dẫn của quý thầy để em ngày càng hoàn thiện kiếnthức của mình

THÔNG SỐ KỸ THUẬT KÝ HIỆU GIÁ TRỊ

Công suất cực đại/số vòng quay

1 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC.

1.1 Xây dựng đồ thị công.

1.1.1 Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén.

Ta có : phương trình đường nén đa biến : p.Vn1 = conts, do đó nếu gọi x

là điểm bất kỳ trên đường nén thì :

1 n1

nx nx

n c

Từ đó rút ra :

1

1

c nx c nx

V V p p

c p

p   - áp suất cuối quá trình nén

Trong đó:

pa - áp suất đầu quá trình nén

- Động cơ không tăng áp pa = (0,8 ÷ 0,9)pk

1.1.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở.

Phương trình của đường giãn nở đa biến là : p.Vn2 = conts, do đó nếu gọi

x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì :

p V n2 p V n2

Từ đó rút ra : 2

1

z gnx z gnx

V V p p

i p

p  r [MN/m2] Lập bảng tính :

Vx i in1 1/in1 pc*1/in1 in2 1/in2 pz.rn2

\in20.0350 1.0000 1.0000 1.0000 4.9845 1.0000 1.0000 7.50000.0525 1.5000 1.7217 0.5808 2.8951 1.5876 0.6299 7.50000.0700 2.0000 2.5315 0.3950 1.9690 2.2038 0.4538 5.40300.1050 3.0000 4.3586 0.2294 1.1436 3.4988 0.2858 3.40320.1399 4.0000 6.4086 0.1560 0.7778 4.8568 0.2059 2.45160.1749 5.0000 8.6421 0.1157 0.5768 6.2636 0.1597 1.90100.2099 6.0000 11.0337 0.0906 0.4518 7.7107 0.1297 1.54420.2449 7.0000 13.5654 0.0737 0.3674 9.1920 0.1088 1.29540.2799 8.0000 16.2234 0.0616 0.3072 10.7034 0.0934 1.11250.3149 9.0000 18.9970 0.0526 0.2624 12.2416 0.0817 0.97270.3499 10.000 21.8776 0.0457 0.2278 13.8038 0.0724 0.86260.3849 11.000 24.8580 0.0402 0.2005 15.3882 0.0650 0.77380.4198 12.000 27.9321 0.0358 0.1785 16.9929 0.0588 0.70070.4548 13.000 31.0945 0.0322 0.1603 18.6164 0.0537 0.63960.4898 14.000 34.3409 0.0291 0.1451 20.2575 0.0494 0.58780.5248 15.000 37.6671 0.0265 0.1323 21.9151 0.0456 0.54330.5598 16.000 41.0696 0.0243 0.1214 23.5883 0.0424 0.50480.5948 17.000 44.5453 0.0224 0.1119 25.2762 0.0396 0.47110.6298 18.000 48.0911 0.0208 0.1036 26.9781 0.0371 0.44140.6648 19.0000 51.7047 0.0193 0.0964 28.6932 0.0349 0.4150

Xác định các điểm đặc biệt và hiệu chỉnh đồ thị công.

Tốc độ trung bình của piston:

pr = (1,03÷1,06).pth : đối với động cơ diêzen không tăng áp

Trong đó: pth- áp suất khí thải

Bảng 1.2 Giá trị biểu diễn các điểm

- Mở sớm (b’), đóng muộn (r’’) xupáp thải

- Mở sớm (r’), đóng muộn (a’’) xupáp nạp

Điểm c” trên đoạn cy với cc”=cy/3

Điểm b” là trung điểm của đoạn ab

Nối các điểm c’c’’z’’ và đường giãn nở thành đường cong liên tục tạiĐCT và ĐCD và tiếp xúc với đường thải, ta sẽ nhận được đồ thị công đã hiệuchỉnh

o o'

0

b b"

b'

a a'

Chọn tỷ lệ xích: ms = . 100.0,039 0,5848

0,6848

v h

S V

m

Giá trị biểu diễn của R là :

50 85, 49

0,5848

bd S

R R

Thật vậy, ta có thể chứng minh điều này rất dễ dàng

2

'   Thay quan hệ trên vào công thức tính AC, sau khi chỉnh lý ta có :

R

AC   a   a     a  1  2 a  

4 1

1

2 1

Từ điểm O kẻ các tia OB ứng với các góc 10o, 20o, 30o,

Từ điểm O’ kẻ các tia O’B’ song song với OB cắt vòng tròn tại B’ Kẻ B’Cvuọng góc với AD Theo Brich thì đoạn AC = x (độ dịch chuyển)

Vẽ hệ trục vuông góc Oxa ở dưới vòng tròn Brich, trục Oa biểu diễn giá trịgóc còn trục Ox biễu diễn khoảng dịch chuyển của Piston Tùy theo các góc a

ta vẽ được tương ứng khoảng dịch chuyển của piston Từ các điểm trên vòngchia Brich ta kẻ các đường thẳng song song với trục Oa Và từ các điểm chia(có góc tương ứng) trên trục Oa ta vẽ các đường nằm ngang Các đường này

sẽ cắt nhau tại các điểm

1, 2, 3, 18 Nối các điểm này lại ta được đường cong biểu diễn độ dịchchuyển x của piston theo a

85,5119,4173

1378,3738

11,5425119,4173

bd v

R R

α(độ)

Chia nữa vòng tròn R1 và vòng tròn R2 thành n phần đánh số 1, 2, 3, ,

n và 1’, 2’, 3’, , n’ theo chiều như hình 1.3

_Từ các điểm 0, 1, 2, 3, kẻ các đường thẳng góc với AB cắt các

đường song song AB kẻ từ 0, 1’, 2’, 3’, tại các điểm O, a, b, c, Nối O, a,

b, c, bằng đường cong ta được đường biểu diễn trị số tốc độ

_Các đoạn thẳng a1, b2, c3, nằm giữa đường cong O, a, b, c với nữa

đường tròn R1 biểu diễn trị số tốc độ ở các góc a tương ứng; điều đó có thể

.

2 2 ' ' b R2Sin R1Sin R Sin Sin bb

7

12 13 14 15 16 17

1'2'

3' 4' 5' 6'

7' 8' 9' 10' 11' 12' 13' 14' 15' 16'

v=f(α)

Giá trị biểu diễn là:

0,5848100 170,998

S

S AB

Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện jmax

Giá trị biểu diễn của jmax là:

max 2647891,4908

6044131,5248

j

j AC

m

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện jmin

Giá trị biểu diễn của jmin là :

min 1522016,3687

-34,488244131,5248

j

j BD

Cách xây dựng hoàn toàn giống đồ thị gia tốc, ta chỉ thay các giá trị Jmax,

Jmin và -3Rw2 bằng các giá trị Pmax, Pmin, (-3Rw2).m

Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền m’ = mnpt + m1

Trong đó:

mnpt= 0,9(kg) :khối lượng nhóm piston

m1- khối lượng tập trung tại đầu nhỏ thanh truyền

m1 có thể xác định sơ bộ theo công thức kinh nghiệm sau đây :

j P

P AC

m

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện Pjmin

Giá trị biểu diễn của Pjmin là :

min 0,2885

7,70,0375

j P

P BD

m

Nối CD cắt AB ở E Từ E hạ vuông góc AB lấy điểm F

Giá trị biểu diễn của EF là:

Pj EF 0,3201

8,5 0,0375

Từ các góc 0, 100, 200, 300, , 1800 tương ứng với kỳ nạp của động cơ

1900, 2000, 2100, , 3600 tương ứng với kỳ nén của động cơ

3700, 3800, 3900, , 5400 tương ứng với kỳ cháy - giãn nởcủa động cơ

5500, 5600, 5700, , 7200 tương ứng với kỳ thải của động cơ,trên đồ thị Brick ta dóng các đoạn thẳng song song với trục P của đồ thị công

sẽ cắt đường biểu diễn đồ thị công tương ứng các kỳ nạp, nén, cháy - giãn nở,thải của động cơ và lần lượt đo các giá trị được tính từ điểm cắt đó đến đườngthẳng song song với trục V và có tung độ bằng p0, ta đặt sang bên phải bản vẽ

các giá trị vừa đo ta sẽ được các điểm tương ứng các góc 0, 100, 200, 300, ,

7100, 7200 và lần lượt nối các điểm đó ta sẽ được đồ thị lực khí thể Pkh cầnbiểu diễn

1.5.4 Đồ thị lực tác dụng lên chốt piston P1.

Theo công thức p1 p kt p j Ta đã có p kt =f (α)α)) và p J f a Vì vậy

việc xây dựng đồ thị p 1 = f(α)α)) được tiến hành bằng cách cộng đại số các toạ

độ điểm của 2 đồ thị p kt =f(α)α)) và p j =f(α)α)) lại với nhau ta được tọa độ điểm của

đồ thị p 1 =f(α)α)) Dùng một đường công thích hợp nối các toạ độ điểm lại với

Hình 1.5 Đồ thị khai triển

1.5.5 Đồ thị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực ngang N

Các công thức để tính toán T, Z, N được chứng minh như sau :

Pkh N

l Pk

T Ptt

N

Z

Ptt O



a a

Ở đây:

Hình 1.6 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm

Phân p1 thành hai thành phần lực: p1 ptt N

Trong đó: ptt -lực tác dụng trên đường tâm thanh truyền

N- lực ngang tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm

xy lanh

Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của ptt và N

p tt p1.Cos1 Phân ptt thành hai phân lực: lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z (sau khi đã

rời xuống tâm chốt khuỷu ) ta cũng có thể xác định trị số của T và Z bằng các

quan hệ sau:



 a

 a

Cos

Sin p Sin

 a

Cos

Cos p Cos

Hình 1.7 Đồ thị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực ngang N

+ Khi trục khuỷu của xylanh thứ nhất nằm ở vị trí α1=0o

Thì khuỷu trục của xylanh thứ 2 nằm ở vị trí α2=180o

Khuỷu trục của xylanh thứ 3 nằm ở vị trí α3=540o

Khuỷu trục của xylanh thứ 4 nằm ở vị trí α4=360o

Tính mômen tổng ST = T1 + T2 + T3 + T4

+ Nhận thấy tổng T lặp lại theo chu kỳ 1800 vì vậy chỉ cần tính tổng T từ 00

đến 1800 sau đó suy ra cho các chu kỳ còn lại

+ Vẽ đồ thị tổng T bằng cách nối các tọa độ điểm a i ai;T i bằng mộtđường công thích hợp cho ta đường cong biểu diễn đồ thị tổng T

Bảng 1.5 giá trị tổng T tương ứng với các góc α

Hình 1.8 Đồ thị tổng T

1.5.7 Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu.

Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lênchốt khuỷu ở mỗi vị trí của chốt khuỷu Sau khi có đồ thị này ta tìm được trị

số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, cũng có thể dễ dàng tìmđược lực lớn nhất và bé nhất, dùng đồ thị phụ tải có thể xác định được khuvực chịu tải ít nhất để xác định vị trí lỗ khoan dẫn dầu bôi trơn và để xác địnhphụ tải khi tính sức bền ổ trục

Các bước tiến hành vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu được tiếnhành như sau:

+ Vẽ hệ trục toạ độ TO’Z trong đó trục hoành O’T có chiều dương từ tâm O’

về phía phải còn trục tung O’Z có chiều dương hướng xuống dưới

+ Tính lực quán tính của khối lượng chuyển động quay của thanh truyền (tínhtrên đơn vị diện tích của piston).

2 R w

m

P ko  Với: m2 : Khối lượng đơn vị của thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu

Ta có khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu là:

0 1 2

4 6 8 10 13 16 19 23 26 30 32

52 54 57 60 63 65 67 69 71 18

0 4 7 11 13 17 21

z

T

Hình 1.9 Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

1.5.8 Triển khai đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ở tọa độ cực thành đồ thị Q-a

Chọn tỷ lệ xích mQ = 0,041 [MN/m2.mm] và ma = 2 (độ/mm)

Lập bảng xác định giá trị của Q theo a bằng cách đo các khoảng cách từtâm O đến các điểm ai : a1 =100, a2 = 200, a3= 300, , a72 = 7200 trên đồ thịvéctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu

Thay vì đo, ta lập công thức tính độ dài từ điểm O, đến lần lược các điểm

có tọa độ 1 (T1,Z1), 2 (T2,Z2) , như đã kí hiệu trên đồ thị lực tác dụng lêntrục khuỷu

Điểm O có tọa độ (To,Z o) Với T0  0, Zo = O’O= 28,38 ta có côngthức toán học sau

2 1

Hình 1.10 Đồ thị khai triển Q - α Xác định trị số trung bình của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu Qtb bằngcách đếm diện tích bao bởi đồ thị triển khai Q - a, trục hoành và trục tung rồichia cho chiều dài trục hoành

Hoặc có thể tính theo công thức gần đúng:

1694,9 23,5

i Q tb

1.5.9 Xây dựng đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền

Sau khi đã vẽ được đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu, ta căn cứ vào đấy

để vẽ đồ thị phụ tải của ổ trượt ở đầu to thanh truyền Cách vẽ như sau :

Vẽ dạng đầu to thanh truyền lên một tờ giấy bóng, tâm của đầu to thanhtruyền là O

Vẽ một vòng tròn bất kỳ, tâm O Giao điểm của đường tâm phần thânthanh truyền với vòng tâm O là điểm 00

Từ điểm 00, ghi trên vòng tròn các điểm 1, 2, 3, , 72 theo chiều quay trụckhuỷu và tương ứng với các góc a100 + 100, a200 + 200, a300 + 300, , a7200 +

bóng cho các điểm 0, 1, 2, 3, , 72 trùng với trục +Z của đồ thị phụ tải tácdụng trên chốt khuỷu Đồng thời đánh dấu các điểm đầu mút của các véctơ Q0,

Q1, Q2, , Q72 của đồ thị phụ tải chốt khuỷu hiện trên tờ giấy bóng bằng các

1.5.10 Xây dựng đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Đồ thị mài mòn của chốt khuỷu ( hoặc cổ trục khuỷu ) thể hiện trạng

thái chịu tải của các điểm trên bề mặt trục Đồ thị này cũng thể hiện trạng thái

hao mòn lý thuyết của trục, đồng thời chỉ rõ khu vực chịu tải ít để khoan lỗ

dầu theo đúng nguyên tắc đảm bảo đưa dầu nhờn vào ổ trượt ở vị trí có khe hở

giữa trục và bạc lót của ổ lớn nhất Áp suất bé làm cho dầu nhờn lưu động dể

dàng

Sở dĩ gọi là mài mòn lý thuyết vì khi vẽ ta dùng các giả thuyết sau đây :

+ Phụ tải tác dụng lên chốt là phụ tải ổn định ứng với công suất Ne và

tốc độ n định mức

+ Lực tác dụng có ảnh hưởng đều trong miền 1200

+ Độ mòn tỷ lệ thuận với phụ tải

+ Không xét đến các điều kiện về công nghệ, sử dụng và lắp ghép

Các giá trị biểu diễn của tổng phụ tải tác dụng lên các điểm như sau:

Vẽ đồ thị mài mòn chốt khuỷu tiến hành theo các bước sau :

+ Vẽ vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho vòng tròn chốt khuỷu, rồi chia

vòng tròn trên thành 24 phần bằng nhau

+ Tính hợp lực SQ của các lực tác dụng trên các điểm 1, 2, , 23, 24 rồi

ghi trị số của các lực ấy trong phạm vi tác dụng là 120 độ

+ Cộng trị số của SQ Chọn tỷ lệ xích mQ = 1 [MN/m2.mm], dùng tỷ lệ

xích vừa chọn đặt các đoạn thẳng đại biểu cho SQ ở các điểm 1, 2, 3, , 23,

24 lên vòng tròn đã vẽ, dùng đường cong nối các điểm đầu mút của các đoạn

Q'0 2.562461 2.56246 2.56246 2.56246 2.56246

Q'1 2.396876 2.39688 2.39688 2.39688 2.39688 2.39688

Q'2 0.327345 0.32735 0.32735 0.32735 0.32735 0.32735 0.32735

Q'3 0.247999 0.248 0.248 0.248 0.248 0.248 0.248 0.248 Q'4 0.262973 0.26297 0.26297 0.26297 0.26297 0.26297 0.26297 0.26297 Q'5 0.28541 0.28541 0.28541 0.28541 0.28541 0.28541 0.28541 Q'6 0.31554 0.31554 0.31554 0.31554 0.31554 0.31554

11 12

13 14

15 16

Loại động cơ Yêu cầu Chọn động cơ

YANMAR4TNV98-GGE

Số xy lanh – cách bố trí 4 xylanh – thẳng

hàng

4 xylanh – thẳnghàng

Công suất cực đại/số vòng quay

Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cácte ướt Cưỡng bức cácte ướt

Hệ thống làm mát Cưỡng bức, sử dụng

môi chất lỏng

Cưỡng bức, sử dụngmôi chất

2 2 Phân tích nguyên lý và đặc điểm kết cấu của động cơ YANMAR 4TNV98-GGE

2.2.1 Khối thân động cơ YANMAR 4TNV98-GGE

+ Đặc điểm cấu tạo:

Thân động cơ 4TNV98-GGE được đúc liền thành khối bằng thép rất

chắc chắn, trên thân máy có khoét các lỗ để lắp khối xylanh, lắp các đườngống khí xả, nạp và khoan các lỗ có ren bên trên để lắp nắp xylanh của động cơbằng bulong Ngoài ra trên thân máy còn khoan các lỗ tròn để dẫn nước làmmát và đúc các áo nước môi chất làm mát khối xylanh, hai bên thân máy cókhoan các lỗ có ren để bắt các chi tiết của máy bằng bulong như: bệ đỡ máy,ống dẫn dầu, lọc dầu… phía dưới thân máy có một nửa bệ đỡ chính của máyđược chế tạo liền với thân máy, một nửa còn lại của bệ đỡ chính được chế tạorời và lắp với nhau bằng bulong

Động cơ có công suất 33,4Kw/1500v/p có hệ thống nhiên liệu sử dụngbơm cao áp PE, sử dụng hệ thống nạp tăng áp Turbo Charger Intercooler, hệthống bôi trơn cưỡng bức các te ướt, hệ thống làm mát bằng nước

Hình 2.1 Mặt cắt ngang động cơ.

Hình 2.2 Mặt cắt dọc động cơ

2.2.2 Cơ cấu trục khuỷu,thanh truyền, piston, bánh đà

+ Trục khuỷu:

Trục khuỷu động cơ diezel tiếp nhận tải trọng lớn nên có nhiều gối đỡ Trục khuỷu có kết cấu khá đặc biệt, bên trong có đường dầu đi bôi trơn cácbạc lót và cổ trục

Trên đầu trục khuỷu có lắp bánh răng dẫn động bơm nước,bơm dầunhờn, bơm cao áp, bánh đai để dẫn động quạt gió…

Thanh truyền được đúc bằng thép hợp kim

Thanh truyền là chi tiết dùng để nối piston với trục khuỷu và biến chuyểnđộng tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu Khi làmviệc thanh truyền chịu tác dụng của: Lực khí thể trong xylanh, lực quán tínhcủa nhóm piston và lực quán tính của bản thân thanh truyền Thanh truyền cócấu tạo gồm 3 phần: Đầu nhỏ, thân và đầu to

Đầu nhỏ thanh truyền dùng để lắp với chốt piston có dạng hình trụ rỗng, Khi làm việc chốt piston có thể xoay tự do trong đầu nhỏ thanh truyền

Thân thanh truyền có tiết diện chữ I Chiều rộng của thân thanh truyền