Thiết kế Động Cơ Đốt Trong

Thiết kế Động Cơ Đốt Trong là môn học quan trọng đối với sinh viên chuyên ngành động lực.

Lời nói đầu

Thiết kế Động Cơ Đốt Trong là môn học quan trọng đối với sinh viênchuyên ngành động lực Môn học này giúp sinh viên nắm vững hơn về kiếnthức môn học: ‘’Nguyên lý Động Cơ Đốt Trong’’ và bổ sung thêm kiến thứcthực tế về động cơ đốt trong Và là bước tập dược cho quá trình làm tốt nghiệpsau này

Cuốn báo cáo gồm ba phần:

Phần 1: Lựa chọn thông số và phương án

Phần 2: Tính chu trình nhiệt động

Phần3: Thiết kế kỹ thuật hệ thống truyền lực

Trong quá trình làm thiết kế do phải lựa chọn nhiều thông số, chưa có nhiều kinh nghiệm cũng như kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót Rất mong những nhận xét và giúp đỡ của thầy

Em xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, tháng 6 năm 2011

Sinh viên: ĐỖ VĂN ĐẮC

MỤC LỤC

Trang

Phần 1: LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ PHƯƠNG ÁN

1.1 Cấu trúc tổng quát của động cơ 2

1.2 Tổ chức quá trình cháy 2

1.3 Hệ thống nạp xả 4

1.4 Hệ thống làm mát 5

1.5 Hệ thống bôi trơn 6

1.6 Hệ thống khởi động 8

1.7 Động cơ mẫu 9

1.8 Tổng hợp thông số cơ bản 9

Phần 2: TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 2.1 Tính môi chất công tác 12

2.2 Quá trình nạp xả 16

2.3 Quá trình nén 17

2.4 Quá trình cháy 17

2.5 Quá trình dãn nở 18

2.6 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của động cơ 18

2.7 Cân bằng nhiệt 19

2.8 Đồ thị công chỉ thị 23

Phần 3: THIẾT KẾ KỸ THUẬT HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 3.1 Lựa chọn phương án cơ cấu truyền lực 26

3.2 Các kích thước cơ bản 29

3.3 Các khối lượng chuyển động tịnh tiến và quay 35

3.4 Động học cơ cấu truyền lực 37

+ Công suất danh nghĩa: Ne = 114 [kw]

+ Số vòng quay danh nghĩa: nn =6091 [rpm]

- Động cơ này được dùng trang bị trên ôtô con

1.2 TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH CHÁY

1.2.1 Loại nhiên liệu

- Nhiên liệu dùng cho động cơ là xăng

- Các thành phần có trong nhiên liệu:

C = 85,5 % ; H = 14,5% ; O = 0 %; S = 0 %

1.2.2 Buồng đốt

- Sử dụng buồng cháy thống nhất, đỉnh piston được khoét lõm

- Bố trí cửa nạp theo phương tiếp tuyến để tạo nên vận tốc rối mạnh củakhí mới trong xylanh nhằm nâng cao chất lượng của quá trình cháy

1.2.3 Hệ thống nhiên liệu

- Trong hệ thống nhiên liệu ta sử dụng hệ thống phun xăng điện tử bởi vì

hệ thống làm việc với độ chính xác cao và có thể làm việc trong những điềukiện khác nhau, giúp động cơ hoạt động tốt ở mọi chế độ

- Xăng được phun vào cửa nạp của các xylanh động cơ theo từng thời điểmchứ không liên tục Quá trình phun xăng và định lượng nhiên liệu được thựchiện theo hai tín hiệu gốc: Tín hiệu về khối lượng không khí đang nạp vào vàtín hiệu về vận tốc trục khuỷu của động cơ

- Sơ đồ cấu tạo

1 - Bình chứa xăng 15 - Cảm biến vị trí bướm ga

2 - Bơm xăng điện 16 - Lưu lượng kế không khí

3 - Bộ lọc xăng 17 - Cảm biến nhiệt độ khí nạp

4 - Dàn phân phối 18 - Cảm biến lambda

5 - Bộ điều chỉnh áp suất xăng 19 - Công tắc nhiệt khởi động

6 - Bộ giảm dao động áp suất 20 - Cảm biến nhiệt độ động cơ

7 - Bộ điều chỉnh trung tâm 21 - Thiết bị bổ sung không khí khi

chạy ấm máy

8 - Bôbin đánh lửa 22 - Vít điều chỉnh hỗn hợp khichạy

không tải

Hình 1.1 Hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm

9 - Bộ phân phối đánh lửa 23 - Cảm biến vị trí trục khuỷu

10 - Buji 24 - Cảm biến tốc độ động cơ

11 - Vòi phun chính ` 25 - Ắc quy

12 - Vòi phun khởi động lạnh 26 - Công tắc khởi động

13 - Vít điều chỉnh không tải 27 - Rơle chính

14 - Bướm ga 28 - Rơle bơm xăng

- Nguyên lý hoạt động: Khi động cơ làm việc, xăng trong bình chứa (1)được bơm xăng điện (2) hút qua bộ lọc xăng (3) rồi theo đường ống dẫn xăngđến dàn phân phối xăng (4) tại đây xăng được phân phối tới các vòi phun, ởđầu cuối dàn phân phối có nắp thông với bộ điều chỉnh áp suất xăng (5) để ổnđịnh áp suất xăng trong dàn ống phân phối Tất cả các thông tin nhận được từ

nhận từ cá cảm biến thì ECU sẽ ra tín hiệu cho các vòi phun phun xăng đúngthời điểm và đúng lượng cần thiết Xăng được phun vào với kích rất nhỏ cỡ100μm, các hạt nhiên liệu này hóa hơi ngay và hòa trộn với không khí tạothành hỗn hợp cháy Hỗn hợp cháy được hút vào trong buồng đốt theo trình tựlàm việc của động cơ.

1.3 HỆ THỐNG NẠP - XẢ

Dùng cơ cấu phân phối khí kiểu xupáp treo và được nắp trên nắp xylanh.

- Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.2 Hệ thống phân phối khí kiểu xupáp treo

1 - Trục cam; 2 - Con đội; 3 - Đũa đẩy; 4 - Đòn gánh; 5 – Lò xo; 6 - Xupáp

- Nguyên lý hoạt động: Khi trục cam (1) quay, cam truyền chuyển độngtịnh tiến cho con đội (2) và đũa đẩy (3) làm đòn gánh (4) quay quanh trục đòngánh, đầu đòn gánh đè xupáp (6) xuống mở cửa xylanh, khi vấu cam ở vị trícao nhất thì xupáp mở hoàn toàn Trục cam tiếp tục quay làm vấu cam đixuống, lúc này cam không còn đội con đội nữa, dưới tác dụng của lò xo (5)

giãn ra làm xupáp đậy kín bệ xupáp, đồng thời đũa đẩy đi xuống theo chiềungược lại.

Tùy loại xupáp nạp hay xả mà ta có thể điều chỉnh khe hở nhiệt của cácxupáp này Cần phải có khe hở nhiệt vì khi động cơ hoạt động dưới tác dụngcủa nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác trong buồng đốt rất cao làmxupáp bị giãn nở tăng chiều dài xupáp, buồng đốt bị hở dẫn đến động cơ hoạtđộng với hiệu suất không cao Ngoài ra còn có trục giảm áp dùng để đóng hoặc

mở hé xupáp thực hiện việc giảm áp cho xy lanh khi cần

- Đảm bảo cho các chi tiết của động cơ làm việc ổn định Sự làm mátgiữa các vùng của động cơ phải đồng đều, tránh xảy ra ứng suất nhiệt làm hỏngđộng cơ Động cơ được làm mát bằng nước mềm tuần hoàn 1 vòng kín nhờ áplực bơm

- Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.3 Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức

• 1- Bình dãn nở; 2 - Bộ điều tiết nhiệt; 3 - Nhiệt kế; 4 - Đường nước đi làm

mát; 5 - Bơm đẩy

- Nguyên lí hoạt động: Nước làm mát có nhiệt độ thấp được bơm đẩy (5) hút

từ bình chứa và dẫn vào làm mát động cơ nhờ đường nước đi làm mát (4) Saukhi làm mát cho toàn bộ động cơ nó được dẫn ra khỏi động cơ với nhiệt độ cao

Ta biết được nhiệt độ của nước sau khi ra khỏi động cơ nhờ nhiệt kế (3), sau đónước đi đến bộ điều tiết nhiệt (2) và vào bình chứa của két nước Nước tại đây

đi qua ống dẫn nước tới bơm đẩy (5), và được quạt gió thổi làm giảm nhiệt độcho nước đảm bảo khả năng làm mát Và nước tiếp tục được bơm vào động cơthực hiện một chu trình làm mát kế tiếp và tạo thành một chu trình khép kíntuần hoàn

Hình 1.4 Hệ thống bôi trơn cacte ướt

1 - Dầu bôi trơn 10 - Trục cam

2 - Bơm nhiên liệu 11 - Đồng hồ đo áp suất

3, 7, 9 - Van an toàn 12 - Đường dẫn dầu lên trên

4 - Que thăm dầu 13 - Đường dẫn dầu chính

5 - Van giảm áp 14 - Đường dẫn dầu vào trục

cơ cấu phân phối khí, v.v Sau đó dầu được đưa về cacte nhờ đường hồi dầu(15) Áp suất và nhiệt độ của dầu bôi trơn luôn luôn được báo nhờ đồng hồ đo(11) Khi nhiệt độ của dầu nên quá 800C thì độ nhớt giảm lúc này van (7) mở

để dầu qua két làm mát

Khi bình lọc bị kẹt thì van (3) mở đưa dầu bôi trơn trực tiếp lên đườngdẫn dầu chính, van an toàn (9) đảm bảo áp suất của dầu bôi trơn trên toàn hệthống có trị số không đổi

1.6 HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG

- Hệ thống khởi động có nhiệm vụ đưa động cơ từ trạng thái đứng yênsang trạng thái hoạt động Muốn vậy thì máy khởi động phải thực hiện ít nhấtmột chu trình làm việc trọn vẹn và công do chu trình sinh ra phải đủ để quaytrục khuỷu động cơ đến tốc độ quay cần thiết để cho động cơ nổ và làm việc

- Vì vậy nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống khởi động là tạo ra số vòngquay định mức và mômen quay đủ lớn

- Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.5 Hệ thống khởi động

1- Khóa khởi động 5 - Phần ứng

2 - Cuộn kéo 6 - Ly hợp

3 - Cuộn giữ 7 - Bánh răng chủ động

4 - Cuộn cảm 8 - Vành răng khởi động

- Nguyên lý hoạt động: Khi khóa điện được bật đến vị trí start dòng điệnchạy đến cuộn kéo (2) và cuộn giữ (3) sau đó bánh răng chủ động (7) trượt và

ăn khớp với vành răng (8) Cùng lúc đó dòng điện chạy đến cuộn cảm (4) làmcho môtơ quay, chuyển động quay này được truyền đến bánh răng chủ động(7), vành răng (8) và quay trục khuỷu động cơ thực hiện quá trình khởi động.Khi khóa điện được nhả ra khỏi vị trí start, dòng điện chạy trong cuộn giữ bịngắt và bánh răng chủ động trở về vị trí ban đầu của nó nhờ cơ cấu ly hợp (6)

Các thông số cho trước và lựa chọn

1. Công suất danh nghĩa(Ne):

Ne=114 (KW)

2. Tốc độ danh nghĩa (n n )

Động cơ xăng: nmax=(1,05-1,1)nn

[trang 64.nguyên lý DCDT1-PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang] Chọn nmax=1,1nn

→nn=nn/1,1=6700/1,1=6091 (vòng/phút)

3 Hệ số kì: Z=2

[trang1.nguyên lý DCDT1-PGS.TS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang]

4. Số xilanh: i=4 (cái) [Đ/c mẫu]

5. Áp suất khí nạp p k =100000(N/m2)

[tr17 nguyên lý ĐCĐT-Nguyễn Hữu Cẩn]

6. ÁP suất khí quyển: p 0=1(bar)

[tr69.nguyên lý DCDT1-PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang]

7. Nhiệt độ khí quyển:t 0=293 (K)

[tr 69.nguyên lý DCDT1-PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang]

8. Độ ẩm tương đối của không khí: ϕ0=70(%)

[tr69.nguyên lý DCDT1-PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang]

9. Hàm lượng C trong nhiên liệu: C=0,855

[tr51 nguyên lý ĐCĐT-Nguyễn Tất Tiến]

10.Hàm lượng H 2 trong nhiên liệu: h=0,145

[tr51 nguyên lý ĐCĐT-Nguyễn Tất Tiến]

11.Hàm lượng S trong nhiên liệu: s=0

[tr51 nguyên lý ĐCĐT- Nguyễn Tất Tiến]

12.Hàm lượng O 2 trong nhiên liệu: o 2=0

[tr51 nguyên lý ĐCĐT- Nguyễn Tất Tiến]]

13.Phân tử lượng của nhiên liệu:

15.Hệ số dư lượng không khí(λ)

[nguyên lý DCDT1-PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang]

Đối với động cơ xăng ∆T k=(20-30) 0K

[tr50-hướng dẫn DACDT-học viện quân sự 1999]

Chọn ∆T k=20 0K

23 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt

Đối với động cơ xăng λ1=(1,11-1,17)

[108-nguyên lý DCDT1-PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang] Chọn λ1=1.16

24 Hệ số nạp thêm λ2=(1,02-1,07)

[109-nguyên lý DCDT1-PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang] Chọn λ2 =1,02

25 Tỷ số nén(ε)

Động cơ xăng xunpap ε=(6,5-10)

[39-hướng dẫn DACDT-học viện quân sự 1999] Chọn ε=10

26 Chỉ số nén đa biến trung bình (n 1 )

Đối với động cơ xăng:n 1=(1,34-1,39)

[127-NLDCDT-Nguyễn Tất Tiến]

Chọn n 1=1,35

27 Chỉ số dãn nở đa biến trung bình(n 2 )

Đối với động cơ xăng:n2=(1,15-1,25)

Đối với động cơ xăng K D=(0,8-1,2 )

[91-hướng dẫn DACDT-học viện quân sự 1999]

145 , 0 12

855 , 0 21 , 0

• Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén (M a )

) 1 (

478 ,0 )

1 (

145 , 0

=

CO

H M

M co + CO=

0 , 071

12

855 ,

h M

M H O + H =

0 , 0725

2

145 , 0

0 , 79 0 , 9 0 , 511 0 , 507 0 , 5

2

145 , 0 12

855 , 0

≈

= +

+

• Tổng lượng ô xy cần thiết trong trường hợp cháy không hoàn toàn.

3221

,02

2 2

f O

H CO

CO

o M

M M

412

f

o h

855 , 0

= 0,097

9 , 0 1 +

−

= 0,0148 ≈0,015 [kmol/kg]

056 , 0 015 , 0 071 , 0 12

,

0

K K

9 , 0 1 45 0 42 , 0

+

−

066 , 0 0067 , 0 0725 , 0

2O = − H = − ≈

H h M

2.1.4 Hệ số biến đổi phân tử.

• sự thay đổi số kmol của MCCT trước và sau khi nhiên liệu cháy.

h c M

M M

µ λ

λλ

179

,02

1 1

µ

4

81

21,

145 ,

]

• Hệ số biến đổi phân tử lí thuyết ( β 0 )

Đối với động cơ xăng với λ < 1.

f

f f

M

o h M

µ λ

µ

λ β

1

1 4

8 ).

1 (

21 , 0 1

0

0 0

+

−

+ +

− +

=

082 , 1 120

1 511 , 0 9 , 0

120

1 4

8

0 145 , 0 511 , 0 ).

9 , 0 1 (

21 , 0

+

−

+ +

− +

+

− +

1 082 , 1

+

− +

P T

m s

• Mật độ khí nạp ( ρ k ).

k k

Trong đó : R K : Hằng số kmol khí.

67 , 286 29

10 1 ,

k a

T T

T T

γ

γ

λ +

+

∆ +

=

1

.

1

3 28 , 471

02 , 0 1

950 02 , 0 16 , 1 20 293

= +

+ +

• Hệ số nạp ( η v )

a

k k

a r

T p

p

1

1

1

=

ε

ε γ λ η

0,793 328,471

293 1

8 , 0 1 10

10 02 , 0 1

1 02 ,

− +

c p

p = ε

17,90977 10

8 ,

471 , 28

c v

T

µ

567 , 21346 2

354 , 735 19 , 4

.

504 ,

3 997

v

C C

C

γ

µ γ µ µ

21385,0792 02

, 0 1

23310,703

02 , 0 864 , 2601

9 , 0 1 (

10

120 6 −

[J/kg]

( )C v z ( ) (360 , 34 252 , 4 ) 10 Tz

2

1 10 504 , 3 997 ,

1

µ β µ

3 6142857,14 43960000

87

,

0

+ +

• Hệ số tăng áp suất ( ψ ).

c

z z T

2692,468

080 ,

p p

T T

ε

1513,078 10

2690,675

1 25 ,

2.6 CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ

• Áp suất chỉ thị trung bình (p i )

1 1

1 1

1

n a pi i

n n

p K

p

εε

ψε

1 10

1 1 1 25 , 1

3.955

1 10

10 8 , 0 92

i i

H

p L

ρ η

λ η

.

1

10 2 0 +

190 , 1 79 , 0 43960

781 , 9 1 956 , 14 9 , 0

=

• Hiệu suất có ích ( η e ).

i m

3 6

=

240,256 341

, 0 43960

10 6 ,

3 6

=

266,952 307

, 0 43960

10 6 ,

G = 10 − 3

30,432 114

266,952

• Nhiệt tổn thất theo khí thải.

 Tỷ nhiệt đẳng áp của sản phẩm cháy ( )''

p C

µ

( )µC p'' = µC v'' + 8314

31624,703 3

8134 23310,703 + =

 Nhiệt dung riêng đẳng áp của môi chất mới (µC p).

( )µC p = µC v+ 8314

29660,567 8314

21346,567 + =

 Nhiệt độ khí thải ( )T x .

265 , 1501

T

x x

Q

q = Trong đó: q m = 12 ÷ 27% ; ta chọn q m = 20%

74,323 100

20 614 , 371 100

=

T

q

% 20

=

m

q

% 30,677 100

614 , 371

114 100

=

T

e e Q

Q q

% 992 , 45 100 614 , 371

170.914 100

=

T

x x Q Q q

2 Số kmol KK lý thuyết cần thiết 1

3 Số kg KK thực tế cần thiết 1 kg

4 Số kmol KK thực tế cần thiết 1

5 Số kg HHC ứng với 1 kg nhiên liệu L 1 kg/kg

6 Số kmol HHC ứng với 1 kg nhiên

12 Hàm lượng O 2 trong sản phẩm cháy M O2 kmol/kg

13 Hàm lượng N2 trong sản phẩm

14 Lượng sản phẩm cháy ứng với 1 kg M 2 kmol/kg

15 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết β 0

-16 Hệ số biến đổi phân tử thực tế tại

-33 Suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị g i g/kW.h

34 Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích g e g/kW.h

39 Tổng nhiệt đưa vào động cơ trong

40 Phần nhiệt biến thành cơ năng có

2.8 ĐỒ THỊ CÔNG CHỈ THỊ.

2.8.1 Đồ thị công của động cơ xăng 4 kỳ:

Hình 2.1: Đồ thị công của động cơ xăng 4 kỳ.

2.8.2 Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công.

• Điểm a: điểm cuối hành trình nạp,

1 10

093 , 1063 1

V p p

xn

a a xn

1181,215

8 , 0

Kết quả tính toán ở bảng.

• Đối với đường cong giãn nở.

n V

V p p

xg

z z xg

122 , 118 204 ,

60  

=

xg

Cũng bằng cách cho V xg đi từ V z đến V b , với bước nhảy là 30 [cm3 ]

Kết quả tính toán được ghi ở bảng.