đồ án tính toán thiết kế động cơ đốt trong

Với động cơ không tăng áp ta cóáp suất khí quyển bằng áp suất trước xupap nạp nên ta chọn: P0 = 0,1Mpa 2 Nhiệt độ môi trường T 0 - Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình qu

Lời nói đầu

Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, là nguồn độnglực cho các phương tiện vận tải như ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thuỷ, máy bay

và các máy công tác như máy phát điện, bơm nước… Động cơ đốt trong lànguồn cung cấp 80% năng lượng hiện tại của thế giới Chính vì vậy việc tínhtoán và thiết kế đồ án môn học động cơ đốt trong đóng vai trò hết sức quantrọng đối với các sinh viên chuyên ngành động cơ đốt trong

Đồ án tính toán thiết kế đồ án môn học động cơ đốt trong là đồ án đòi hỏingười thực hiện phải sử dụng tổng hợp rất nhiều kiến thức chuyên ngành cũngnhư kiến thức của các môn học cơ sở Trong quá trình hoàn thành đồ án khôngnhững đã giúp cho em củng cố được rất nhiều các kiến thức đã học và còn giúp

em mở rộng và hiểu sâu hơn về các kiến thức chuyên ngành của mình cũng nhưcác kiến thức tổng hợp khác Đồ án này cũng là một bước tập dượt rất quantrọng cho em trước khi tiến hành làm đồ án tốt nghiệp sau này

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất, song

do những hạn chế về kiến thức cũng như những kinh nghiệm thực tế nên trongquá trình làm không tránh được sai sót chính vì vậy em rất mong được sự đónggóp của các thầy cô cũng như toàn thể các bạn để đồ án của em được hoànchỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Dương Xuân Mỹ cũng nhưtoàn thể các thầy cô giáo trong Bộ môn Động Cơ Đốt Trong đã tạo mọi điềukiện giúp em hoàn thành đồ án tốt đẹp

Sinh viênTrần Văn Lý

Phần 1: Tính Nhiệt.

Số liệu ban đầu của đồ án môn học ĐCĐT

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Bình Khóa: 8

Các số liệu của phần tính toán nhiệt

12 Chiều dài thanh truyền l tt 144 mm

- Áp suất môi trường p0 là áp suất khí quyển Với động cơ không tăng áp ta có

áp suất khí quyển bằng áp suất trước xupap nạp nên ta chọn:

P0 = 0,1(Mpa)

2) Nhiệt độ môi trường T 0

- Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm Vớiđộng cơ không tăng áp ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trước xupap nạpnên:

T0 = 240C = 2970K

3) Áp suất cuối quá trình nạp p a

- Áp suất cuối quá trình nạp pa với động cơ không tăng áp ta có thể chọn trongphạm vi:

Tr = (800 – 1000)Error: Reference source not found = 1000Error: Reference

source not found

7) Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt : t

Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt Error: Reference source not foundt được chọn theo hệ số

dư lượng không khí  để hiệu đính:

Error: Reference source not foundt = 1.16

8) Hệ số quét buồng cháy 2 :

Với các động cơ không tăng áp ta thường chọn hệ số quét buồng cháy Error:Reference source not found2 là:

Error: Reference source not found2 = 1

9) Hệ số nạp thêm 1 :

Hệ số nạp thêm Error: Reference source not found1 phụ thuộc chủ yếu vào phaphối khí Thông thường ta có thể chọn:

Error: Reference source not found1 = (1,02 – 1,07) = 1.03

10) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z z :

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z z phụ thuộc vào chu trình công tác của động

cơ Với các loại động cơ Xăng ta thường chọn:

0,85 0,92 0,88

z

11) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b b :

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b b tuỳ thuộc vào loại động cơ Xăng hay Diesel.Với các loại động cơ Xăng ta chọn:

Hệ số khí sót r được tính theo công thức:

a

p p

2) Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a:

Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a được tính theo công thức:

1

1

m m a

r a

r

p

p T

1 1,47

h

N p

0,601( ) 0, 4961( ) 4

5) Lượng không khí lí thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu M0:

Lượng không khí lí thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu M0 được tính theocông thức:

0

1

Đối với nhiên liệu của động cơ Xăng ta có: C 0,855;H  0,145;O 0 nên thayvào công thức tính M0 ta được:

0 0,512( / )

6) Hệ số dư lượng không khí  :

Đối với động cơ Xăng hệ số dư lượng không khí  được xác định theo côngthức:

1 0

1 0,5161

114 0,99090,512

2) Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:

Với các động cơ Xăng có hệ số dư lượng không khí   1 do đó tỉ nhiệt molđẳng tích trung bình của không khí được xác định theo công thức:

3) Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp:

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp trong quá trình nén '

v

mc tính theocông thức:

v v

4) Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Chỉ số nén đa biến trung bình n1 được xác định bằng cách giải phương trình:

 1 

8,314 1

'

0, 24379 0,00426

2 2

n v

Vậy ta có nghiệm của phương trình là: n 1 1, 2436

5) áp suất cuối quá trình nén p c:

áp suất cuối quá trình nén p c được xác định theo công thức:

1

. n

c a

p p 

6) Nhiệt độ cuối quá trình nén T c :

Nhiệt độ cuối quá trình nén T c được xác định theo công thức:

7) Lượng môi chất công tác của quá trình nén M c:

Lượng môi chất công tác của quá trình nén M c được xác định theo công thức:

1.2.3 Tính toán quá trình cháy:

1) Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết  0:

Ta có hệ số thay đổi phân tử lí thuyết 0 được xác định theo công thức:

M O

1 32 4

( 1

0

0 0

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế  được xác định theo công thức:

0

1

r r

3) Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z z:

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z z được xác định theo côngthức:

z z

5) Nhiệt độ tại điểm z T z:

Đối với động cơ Xăng, nhiệt độ tại điểm z T z được xác định bằng cách giảiphương trình sau:

.

1

6) Áp suất tại điểm z p z:

Ta có áp suất tại điểm z p z được xác định theo công thức:

.

p  p

Trong đó λ là hệ số tăng áp :

2768 1,0515 4,672

622,9

z z

c

T T

z z c

T T

3) Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2:

Ta có chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 được xác định từ phương trình cânbằng sau:

b

QH*: là nhiệt trị thấp của nhiên liệu

Với động cơ xăng :

4) áp suất cuối quá trình giãn nở p b:

áp suất cuối quá trình giãn nở p b được xác định trong công thức:

m m r

1,2886 1 1,2886 0,115 1396,5 991, 25( )

Vậy ta có sai số khi tính toán và chọn nhiệt độ khí thải là:

1000 991, 25

991, 25

rt r rt

Vậy giá trị nhiệt độ khí thải chọn và tính toán thoả mãn yêu cầu

1.2.5 Tính toán các thông số chu trình công tác.

1) áp suất chỉ thị trung bình '

i

p :Với động cơ Xăng áp suất chỉ thị trung bình '

1 ) 1

1 1 ( 1

1 2

P p

3) Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i:

Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i:

3 1

432.10

.

v k i

i k

p g

3 432.10 0, 7369.0,1

118,32( / ) 0,5161.1,7552.297

0, 6915 118,32.44

i

5) áp suất tổn thất cơ giới p m:

áp suất tổn thất cơ giới được xác định theo nhiều công thức khác nhau và đượcbiểu diễn bằng quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ Ta có tốc

độ trung bình của động cơ là:

3 92,8.10 5300

7) Hiệu suất cơ giới m:

Ta có công thức xác định hiệu suất cơ giới:

e m

8) Suất tiêu hao nhiên liệu g e:

Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu tính toán là:

i e

10) Kiểm nghiệm đường kính xy lanh D theo công thức:

Ta có thể tích công tác tính toán được xác định theo công thức:

.30.

.

e h

h

Ta có công thức kiểm nghiệm đường kính xy lanh D kn:

.

h kn

V D

TT I.Vc gi¸ trÞ Qu¸ tr×nh nÐn Qu¸ tr×nh gi·n në

biÓu diÔn I^n1 Px biÓu diÔn gi¸ trÞ I^n2 Px biÓu diÔn gi¸ trÞ

Giá trị biểu diễn trên trục hoành theo εVVc: εVVc = 200 (mm)

Ta chọn tỉ lệ xích của hành trình piston S là:

92,8

0, 464 200

S S

7,175

15, 46( )

0, 464

OO OO

Ta có nửa hành trình của piston là:

gtt



Từ các giá trị biểu diễn trên ta vẽ được đồ thị Brick đặt phía trên đồ thị công

Sau đó tiến hành lần lượt hiệu đính các điểm trên đồ thị

1.3.1 Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp: (điểm a)

Từ điểm O' trên đồ thị Brick ta xác định góc đóng muộn xupáp thải 0

  , bánkính này cắt vòng tròn Brick tại điểm a', Từ a' gióng đường song song với trụctung cắt đường p a tại điểm a Nối điểm r trên đường thải (là điểm giao giữađường p r và trục tung) ta được đường chuyển tiếp từ quá trình thải sang quátrình nạp

1.3.2 Hiệu đính áp suất cuối quá trình nén: (điểm c')

áp suất cuối quá trình nén do có hiện tượng phun sớm nên thường lớn hơn ápsuất cuối quá trình nén lý thuyết p c đã tính Theo kinh nghiệm, áp suất cuối quátrình nén thực tế '

85, 210( ) 0,035622

c c

1.3.3.Hiệu đính điểm đạt điểm pz max thực tế :

Áp suất pz max thực tế trong quá trình cháy giãn nở không đạt trị số lý thuyết

do đó ta có cách hiệu đính điểm z của động cơ xăng như sau :

a) Cắt đồ thị công bởi đường 0,85pz Ta vẽ đường 0.85pz

Giá trị biểu diễn: 0,85.7,125 170( )

b).Từ đồ thị Brick xác định góc 120 gióng xuống đoạn đẳng áp 0,85pz để xácđịnh điểm z

c) Dùng cung thích hợp nối c’ với z và lượn sát với đường giãn nở

4) Hiệu đính điểm bắt đầu thải thực tế :

Hiệu đính điểm b’ căn cứ vào góc mở sớm β1 của xupáp thải

-Từ đồ thị Brick xác định góc mở sớm xupáp thải β1 = 32o cắt vòng trònBrick tại một điểm, từ điểm đó gióng đường song song với trục tung cắt đườnggiãn nở lý thuyết tại b’

Áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế pb’’ thường thấp hơn áp suất cuối quátrình giãn nở lý thuyết do xupáp xả mở sớm

O O' p

a c''

c c'

Phần 2: Tính toán động học, động lực học.

2.1 Vẽ các đường biểu diễn các quy luật động học:

2.1.1 Đường biểu diễn hành trình của piston xf  

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn hành trình của piston theo trình tự sau:1) Chọn tỉ lệ xích 0,7 (mm/độ)

2) Chọn hệ trục toạ độ như trong hình vẽ

3) Từ tâm O' của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 10 , 20 180 0 0 0

4) Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm 10 , 20 180 0 0 0 tươngứng trên trục tung của đồ thị xf   ta được các điểm xác định chuyển vị x

tương ứng với các góc 10 , 20 180 0 0 0

5) Nối các điểm xác định chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệ xf  

2.1.2 Đường biểu diễn tốc độ của piston vf  

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn tốc độ của piston vf   theo phươngpháp đồ thị vòng Tiến hành theo các bước cụ thể sau:

4) Nối các điểm a b c, , , tạo thành đường cong giới hạn trị số của tốc độpiston thể hiện bằng các đoạn thẳng song song với tung độ từ các điểm cắt vòngtròn bán kính R tạo với trục hoành góc  đến đường cong a b c, , ,

2.1.3 Đường biểu diễn gia tốc của piston: jf x 

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston theo phương phápTôlê Ta vẽ theo các bước sau:

max max

j j

9687,88

48, 4394( ) 200

j j

EF EF

3) Cách vẽ: Từ điểm A tương ứng điểm chết trên lấy ACj max, từ điểm B

tương ứng điểm chết dưới lấy BDjmin; nối CD cắt trục hoành ở E; lấy

2

3 .

EF  R w về phía BD Nối CF và FD, chia các đoạn này ra làm 8 phần, nối

11, 22,33, Vẽ đường bao trong tiếp tuyến với 11, 22,33, ta được đường congbiểu diễn quan hệ jf x 

2.2 Tính toán động lực học:

2.2.1 Các khối lượng chuyển động tịnh tiến:

Khối lượng nhóm piston m pt được cho trong số liệu ban đầu của đề bài là:

Với thông số kết cấu   0,3222 ta có bảng tính p j theo 

 cos   cos2  P j m R  2 cos   cos2  ( )N

2.2.3 Vẽ đường biểu diễn lực quán tính  p j f x .

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn lực quán tính theo phương pháp Tôlê được tiếnhành theo các bước sau:

jmax

pt

m R p

3 2

6 3

jmax jmax

p p

0,804333

70, 087( ) 0,021175

j j

p p

EF EF

 

j

2.2.4 Đường biểu diễn vf x .

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn quan hệ vf x  dựa trên hai đồ thị là đồthị xf   và đồ thị vf   Ta tiến hành theo trình tự sau:

1) Từ tâm các điểm đã chia độ trên cung của đồ thị Brick ta gióng các đườngsong song với trục tung tương ứng với các góc quay   10 , 20 ,30 180 0 0 0 0

2) Ta lấy giá trị của vận tốc v từ đồ thị vf   tương ứng với các điểm

1, 2,3 18 trên vòng tròn bán kính R và đặt lên trên các đường song song trụctung tương ứng ta sẽ được các điểm nằm trên đồ thị

3) Nối các điểm nằm trên đồ thị ta được đường biểu diễn quan hệ vf x 

2.2.5 Khai triển đồ thị công P V thành p kt f  .

Ta tiến hành khai triển đồ thị công P V thành đồ thị p kt f   để thuận

tiện cho việc tính toán sau này Ta tiến hành khai triển đồ thị công theo trình tự

P S =f(a)

P j =f(a)

2.2.8 Vẽ đồ thị lực tiếp tuyến T f  và đồ thị lực pháp tuyến Z f  .

Ta có công thức xác định lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến như sau:

sin

(α+β)/biểu diễn,

(α+β)/biểu diễn,mm) cosβ)/

(α+β)/biểu diễn,mm)

Ta chọn tỉ lệ xích   2 /1mm0 và  p 0,021175(MPa mm/1 ) sau đó dựa vàobảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị lực tiếp tuyến T f  và đồ thị lực pháptuyến Z f  

2.2.9 Vẽ đường biểu diễn T f   của động cơ nhiều xy lanh

Ta có chu kỳ của momen tổng phụ thuộc vào số xylanh và số kỳ, chu kỳ nàybằng đúng góc công tác của các khuỷu:

0

180 180 4

180 4

ct

i



Trong đó ta có:  là số kỳ của động cơ   4

i là số xylanh của động cơ i 4

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn T f   cũng chính là ta vẽ đường biểu diễn

 

  (do ta đã biết M T R. ) Ta vẽ đường biểu diễn này như sau:1) Ta có bảng xác định các góc i ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc củađộng cơ Audi2.0 ; động cơ 4 kỳ, 4 xylanh có thứ tự làm việc 1-3-4-2 là:

00-1800 1800-3600 3600-5400 5400-7200

T=f(a)

1 Nổ Thải Hút Nén

Từ bảng số liệu trên ta vẽ đường đồ thị T f  

2.2.10 Đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu:

Thực chất đây chính là đồ thị p tt biểu diễn trên toạ độ T Z do ta thấy tính từgốc toạ độ tại bất kỳ điểm nào ta đều có:

tt

2) Tìm gốc toạ độ của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu bằng cách đặt vecto p k0

(đại diện cho lực quán tính ly tâm tác dụng lên chốt khuỷu) lên đồ thị Ta cócông thức xác định lực quán tính ly tâm tác dụng lên chốt khuỷu:

( ) .s

Thay số vào ta xác định được:

0

2 0,0928

6

6603, 43

1, 2359.10 ( ) 1, 2359( ) 3,14.0,0825

4 4

k

pt pt

2.2.11 Vẽ đường biểu diễn Qf  

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn Qf   theo trình tự các bước sau:

1 Từ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta lập được bảng giá trị của Q theogóc quay  của trục khuỷu như sau:

2.2.13 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu.

Đồ thị mài mòn chốt khuỷu biểu diễn trạng thái mài mòn lý thuyết của chốtkhuỷu từ đó có thể xác định miền phụ tải bé nhất để khoan lỗ dầu bôi trơn chốtkhuỷu

Sở dĩ ta gọi là đồ thị mài mòn lý thuyết vì khi vẽ ta đã dùng các giả thiết sau:

- Phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu là phụ tải ổn định ứng với công suất N e và tốc

độ n định mức

- Lực tác dụng có ảnh hưởng đều trong miền 120 0

- Độ mòn tỉ lệ thuận với phụ tải

- Không xét đến các điều kiện công nghệ và sử dụng, lắp ghép… ví dụ khôngxét đến vật liệu, độ cứng bề mặt, độ bóng, độ chặt lỏng, dầu mỡ bôi trơn….Trên cơ sở đó ta tiến hành vẽ đồ thị mài mòn lý thuyết theo các bước sau:

1) Chia vòng tròn tượng trưng mặt chốt khuỷu thành 24 phần, đánh số thứ tự từ

0,1, 2, , 23

2) Từ các điểm chia 0,1, 2, , 23 trên vòng tròn tâm O, gạch các cát tuyến

0.0,1.0, 2.0, , 23.0 cắt đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu ở các điểm

, , ,

a b c d như cát tuyến 1.0 trên hình vẽ

Gía trị của Q1và các giá trị khác được ghi trong bảng sau:

4) Chọn tỉ lệ xích  m 1/ 50 và từ đó tính các giá trị biểu diễn tổng phụ tải Q i

Phần 3: Tính nghiệm bền các chi tiết chính

3.1 Kiểm nghiệm bền trục khuỷu

Tính sức bền trục khuỷu bao gồm tính sức bền tĩnh và tính sức bền động

Do trục khuỷu là dầm siêu tĩnh nên khi tính toán gần đúng, người ta phân trục khuỷu ra làm nhiều đoạn, mỗi đoạn là một dầm tĩnh định nằm giữa hai gối tựa

là hai ổ trục Thông thường, mỗi đoạn đó là một khuỷu Khi tính toán ta sẽ phải xét khuỷu nào chịu lực lớn nhất để tính cho khuỷu đó

Ký hiệu các lực trên sơ đồ như sau :

T, Z: Lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến tác dụng trên chốt khuỷu (MN)

Pr1, Pr2: Lực quán tính ly tâm của má khuỷu và của đối trọng (MN)

C1, C2: Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu và của khối lượng thanh truyềnquy dẫn về đầu to (MN)

Z’, Z’’: Các phản lực gối tựa nằm trong mặt phẳng khuỷu (MN)

T’, T’’: Các phản lực gối tựa nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳngkhuỷu (MN)

p

Z' T'

T'' Z''

Z

p r1

p r1

p r2

p r2