Đồ án động cơ đốt trong 2 GR-FE

Đồ án động cơ đốt trong có bao gồm bản vẽ A0 Đồ thị cụ thể Tính toán cụ thể chi tiết

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ

Động cơ 2GR-FE là động cơ đặt ngang, sử dụng trên xe ô tô toyota camry Đây là loại động cơ dung tích 3.5 lít; bố trí chữ V6( góc nghiêng 60 độ); sử dụng

24 xu páp; trục cam kép DOHC với hệ thống VVT-i kép

1.1: Tham số kỹ thuật của động cơ.

- Tên,ký hiệu động cơ: Động cơ Toyota 2GR-FE

- Chủng loại: Động ơ xăng bốn kỳ

- Cách bố trí xy lanh: Kiểu chữ V-6 xy lanh

- Phương thức làm mát: Tuần hoàn cưỡng bức

- Địa chỉ ứng dụng: Sử dụng trên xe Toyota camry 2007

- Suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất:

- Suất tiêu hao dầu bôi trơn:

- Cách bố trí: Xu páp được bố trí trên nắp máy

- Cách dẫn động xu páp: Dẫn động bằng xích, khe hở xu páp tự động điều chỉnh

- Cơ cấu xu páp: 24 xu páp DOHC, VTT-i kép

- Nhiên liệu: Xăng

- Hệ thống phun nhiên liệu: EFI, phun nhiên liệu đa điểm.

- Hệ thống đánh lửa: DIS-6

- Hệ thống làm mát: Hệ thống làm lạnh cổ điển

1.2: Cơ cấu khuỷu trục-thanh truyền

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền làm nhiệm vụ dẫn lực từ khí sinh ra buồng cháy và biến đổi chuyển động tịnh tiến của pittons thành chuyển động quay

Cơ cấu chính của trục khuỷu thanh truyền là: nhóm chi tiết cố định, nhóm piton, nhóm thanh truyền và nhóm trục khuỷu

1.2.1 Nhóm chi tiết cố định.

- Thân máy: Các khối xy lanh được làm bằng hợp kim nhôm Góc giữ hai hàng xylanh γ = 60o Hộp trục khuỷu được đúc liền với khối thân xy lanh Khoảng cách giữa đường tâm 2 xy lanh cùng một hàng là 105,5 cm Khoảng cách giữa đường tâm 2 xy lanh theo thứ tự ở hai hàng là 36,6 cm Kết quả là làm kích thước động

cơ nhỏ gọn hơn Nước được cung cấp vào các lỗ khoan giữa các xylanh để làm mát

và cho phép xây dựng nhiệt độ của các bức ngăn được thống nhất

- Nắp qui lát: : Nắp che đậy quy lát bằng nhôm trọng lượng nhẹ, sức bền không cao Dùng hộp trục cam để đơn giản hóa kết cấu của nắp qui lát Nắp trục cam nạp

và xả được đúc thành một chi tiết Để cải thiện áp suất khí nạp, ống nạp được làm đường kính nhỏ dần về phía buồng đốt Nắp có đường ống dẫn dầu để cung cấp dầu bôi trơn

- Gioăng nắp máy (Quy lát): Gioăng nắp máy được làm bằng những lá thép mỏng

có tác dụng nâng cao độ kín khít, hiệu suất và độ bền

- Ống lót xy lanh: Ống lót xylanh là loại có ngạnh, là ống lót xylanh khô,đã được chế tạo có hình dạng bên ngoài của chúng tạo thành một bề mặt không đều lớn để tăng cường độ bám dính giữa các ống lót và xylanh nhôm, giúp cải thiện quá trình tản nhiệt dẫn đến nhiệt độ tổng thể thấp hơn và giảm biến dạng nhiệt các vách xylanh

- Ổ đỡ: Ổ đỡ được làm bằng hợp kim nhôm

- Nhược điểm: Việc bố trí động cơ V6, đặt ngang khiến sửa chữa,tiếp cận động cơ khó khăn Trong một số trường hợp phải treo động cơ để sửa chữa

1.2.2: Nhóm pít tông.

Trong các chi tiết chuyển động của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, các chitiết thuộc nhóm pít tông- thanh truyền là các chi tiết chịu phụ tải lớn cả về cơ vànhiệt, các chi tiết chịu mài mòn nhanh gồm pít tông, xéc măng và bạc lót ở đầunhỏ, bạc lót ở đầu to thanh truyền

A: Pít tông

- Pít tông được làm bằng hợp kim nhôm

- Đầu pít tông có dạng lóc côn để thực hiện hiệu quả việc đốt cháy nhiên liệu

- Pít tông được làm bóng để giảm ma sát khi làm việc và tăng khả năng truyềnnhiệt, tăng tuổi thọ của động cơ

- Các rãnh của vòng trên cùng được phủ một lớp oxit anot để cải thiện khả năngchịu mài mòn và chống ăn mòn của pit tông

- Tất cả các pít tông đều có cùng kích thước và trọng lượng

- Thanh truyền có độ bền cao, dùng 2 bu lông để siết chặt 2 nửa đầu to

- Vòng bi nhôm được sử dụng cho các vòng bi thanh truyền

- Bề mặt của bạc lót thanh truyền có dạng vi cam để nhận ra một lượng tối ưu của dầu giải phóng Từ đó hiệu suất làm nguội động cơ được cải thiện,giảm rung chấn trong quá trình làm việc.

- Động cơ có sáu thanh truyền, góc lệch giữa 2 hàng thanh truyền là 60 độ

1.2.4: Nhóm trục khuỷu.

- Trục khuỷu được làm bằng thép, có khả năng chịu lực tốt, có bốn cổ trục và năm đối trọng được giữ bởi các bu lông gồm bốn bu lông chính và hai bu lông bên nhằm tăng tối đa độ cứng vững

- Gia công góc lượn giữa cổ trục, chốt khuỷu ,má khuỷu để giảm tập trung ứng suấtgiúp tăng sức bền trục khuỷu

1.3: Cơ cấu phân phối khí.

- Cơ cấu cam nạp xả với hai trục cam phía trên xy lanh –DOHC

- Sử dụng hệ thống DVVT-i - Dual Variable Valve Timing with Intelligence: Hệ thống điều khiển xu-páp kép với góc mở biến thiên thông minh

- Các trục cam được chế tạo bằng hợp kim gang

- Các trục cam nạp được đều khiển bởi trục khuỷu thông qua truyền động xích chính Trục cam cửa nạp của hàng xylanh tương ứng kéo theo trục cam thải thông qua truyền động xích thứ hai Các xu páp được điều khiển trực tiếp bởi 4 trục cam

Bộ điều khiển VVT-i được cài đặt trên cả trục nạp và trục xả Khoảng thời gian thay đổi là -40độ đối với lượng và 35độ đối với khí thải Ống dẫn dầu được chế tạotrong trục cam để cung cấp dầu động cơ tới hệ thống DVVT-i Một rô to điều chỉnh thời gian được chế tạo phía trước của bộ điều khiển DVVT-I để phát hiện các vị trí thực tế của trục cam nạp

1.4: Hệ thống cung cấp nhiên liệu và không khí.

- Sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử EFI, phun nhiên liệu đa điểm.

-Sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu không đường hồi

- Sử dụng kim phun nhiên liệu loại 12 lỗ nhỏ để cải thiện việc phun tơi nhiên liệu

- Sử dụng ACIS- hệ thống nạp khí cso chiều dài hiệu dụng thay đổi

1.5: Hệ thống làm mát.

- Sử dụng hệ thống làm lạnh cổ điển Làm mát dưới hình thức áp lực lưu thông cưỡng bức Sử dụng dây đai serpentine, cánh quạt bằng thép không rỉ, nhiệt độ cơ khí (80-84 độ C) Cơ chế bướm ga được làm nóng để chống lại sự đóng băng Một

số phiên bản được trang bị bộ làm mát dầu Động cơ được trang bị bộ điều khiển động cơ quạt riêng, cho phép điều chỉnh tốc độ quạt tùy thuộc vào nhiệt độ làm mát, áp suất lạnh,tốc độ động cơ,tốc độ xe

- Sử dụng dung dịch làm mát chính hãng Toyota SLLC ( Super Long Life

Coolant)

1.6: Hệ thống bôi trơn.

- Bơm dầu được điều khiển trực tiếp bởi trục khuỷu,dầu dư thừa không thoát

xuống các-te mà được bơm ngược trở lại đầu bơm Đầu phun dầu sử dụng để bôi trơn và làm mát cho piston Các vòi phun dầu để làm mát và bôi trơn các pít tông được thiết kế ở giữa 2 dãy xylanh trong khối xylanh Các bộ lọc dầu được gắn trên một khung lọc dầu được đặt trên bờ trái, do đó các bộ lọc dầu có thể được thay dễ dàng

1.7: Hệ thống khởi động.

- Sử dụng hệ thống khởi động mới- 1,7 kW với bánh răng hành tinh,nam châm vĩnh cửu

PHẦN II: TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC

CỦA ĐỘNG CƠ.

I Mục đích tính toán.

+ Mục đích của việc tính toán chu trình công tác là xác định các chỉ tiêu về

kinh tế, hiệu quả của chu trình công tác và sự làm việc của động cơ

+ Kết quả tính toán cho phép xây dựng đồ thị công chỉ thị của chu trình đểlàm cơ sở cho việc tính toán động lực học, tính toán sức bền và sự mài mòn các chitiết của động cơ

+ Phương pháp chung của việc tính toán chu trình công tác có thể áp dụng

để kiểm nghiệm động cơ sẵn có, động cơ được cải tiến hoặc thiết kế mới

+ Việc tính toán kiểm nghiệm động cơ sẵn có cho ta các thông số để kiểmtra tính kinh tế và hiệu qủa của động cơ khi môi trường sử dụng hoặc chủng loạinhiên liệu thay đổi Đối với trường hợp này ta phải dựa vào kết cấu cụ thể củađộng cơ và môi trường sử dụng thực tế để chọn các số liệu ban đầu

+ Đối với động cơ được cải tiến hoặc được thiết kế mới, kết quả tính toáncho phép xác định số lượng và kích thước của xy lanh động cơ cũng như mức độảnh hưởng của sự thay đổi về mặt kết cấu để quyết định phương pháp hoàn thiệncác cơ cấu và hệ thống của động cơ theo hướng có lợi Khi đó phải dựa vào kết quảcủa việc phân tích thực nghiệm đối với các động cơ có kết cấu tương tự để chọncác số liệu ban đầu

+ Việc tính toán chu trình công tác còn được áp dụng khi cường hoá động cơ

và xây dựng đặc tính tốc độ bằng phương pháp phân tích lý thuyết nếu các chế độtốc độ khác nhau được khảo sát

II Chọn các số liệu ban đầu.

- Công suất có ích lớn nhất Nemax=277 ml tại n=6200 v/ph

- Momen xoắn có ích lớn nhất Memax=346 Nm tại n=4700 v/ph

- Số vòng quay trong 1 phút của trục khuỷu n=4700 v/ph

- Tốc độ trung bình của piston: 13m/s

- Số xylanh của động cơ: 6

- Tỷ số giữa hành trình piston và đường kính xylanh S/D: 83/94

- Hệ số kết cấu λ: 1/4

- Tỷ số nén: 10,8

- Hệ số dư lượng không khí : 1.1

- Nhiệt độ môi trường T0: 240C=297oK

- Áp suất của môi trường p0: 0,103 Mpa

- Hệ số khí nạp ηv: 0,75

- Áp suất khí thể cuối quá trình thải cưỡng bức pr: 0,12 MPa

- Nhiệt độ cuối quá trình thải Tr: 1000oK

- Độ sấy nóng khí nạp ΔT = 30T = 30oK

- Chỉ số nén đa biến trung bình n1 = 1,37

- Hệ số sử dụng nhiệt: ζz = 0,85

- Nhiệt trị thấp nhất của nhiên liệu: QT = 44x103 (KJ/Kgnl)

- Tỷ số giãn nở đa biến trung bình: n2 = 1,25

- Áp suất khí quét: Pk = 0,18 Mpa

- Tỷ số nén đa biến trung bình của không khí: m= 1,65

III Tính toán các quá trình của chu trình công tác.

1 Tính toán quá trình trảo đổi khí

3 Tính toán quá trình cháy.

* Tính toán tương quan nhiệt hóa.

-Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu thểlỏng:

- Hệ số thay đổi phân tử thực tế β:

β =

β o+γ r

1+ γ r =

1,047+0,047 1+0 ,047 =1,045

* Tính toán tương quan nhiệt động.

cvc = 20,223 + 1,742.10-3 Tc

KJ Kmol dé

KJ Kmol dé

KJ Kmol dé

- Áp suất cuối quá trình cháy pz:

- Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở Tb:

Với φđ = 0,96 ⇒ Pi=1.5×0,96=1,44 (MPa)

- Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị: gi

- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích: ge

⇒ Hiệu suất có ích ηe =ηcơ ηi = 0,84 x 0,46 = 0,47

- Thể tích công tác của động cơ:

+ Đồ thị công chỉ thị lý thuyết được dựng theo kết quả tính toán chu trình công táckhi chưa xét các yếu tố ảnh hưởng của một số quá trình làm việc thực tế trongđộng cơ.

+ Đồ thị công chỉ thị thực tế là đồ thị đã kể đến các yếu tố ảnh hưởng khác nhaunhư góc đánh lửa sớm hoặc góc phun sớm nhiên liệu, góc mở sớm và đóng muộncác xu páp cũng như sự thay đổi thể tích khi cháy

b) Dựng đồ thị công chỉ thị lý thuyết

+ ở đồ thị công chỉ thị lý thuyết, ta thấy là chu trình kín a-c-y-z-b-a Trong đó quátrình cháy nhiên liệu được thay bằng quá trình cấp nhiệt đẳng tích c-y và cấp nhiệtđẳng áp y-z, quá trình trao đổi khí được thay bằng quá trình rút nhiệt đẳng tích b-a

Thứ tự tiến hành dựng đồ thị như sau:

+ Thống kê giá trị của các thông số đã tính ở các quá trình như áp suất khí thể ởcác điểm đặc trưng pa, pc, pz, pb, chỉ số nén đa biến trung bình n1, chỉ số dãn nở đabiến trung bình n2, tỷ số nén  , thể tích công tác Vh, thể tích buồng cháy Vc và tỷ

số dãn nở sớm 

Theo kết quả phần tính toán nhiệt, ta có:

-Nhiệt độ cuối quá trình nạp:

- Áp suất cuối quá trình giãn nở:

pb= 0,37 [MN/m2]

Tỷ số dãn nở sớm ρ =λp Tc β Tz =

1,045.2705.27 3,14.861.3 =1,04

AB(mm) V h (dm 3 ) OO ’ (mm) μ p (Mpa/mm)

μ v (dm 3/mm)

Vẽ vòng tròn Brich để xác định và dựa vào góc đánh lửa sớm ; và các góc

mở sớm, đóng muộn xupap nạp, thải ( Bảng dưới) Lần lượt xác định được các

VI Dựng đặc tính ngoài của động cơ:

Để dựng đặc tính ta chọn trước 1 số giá trị trung gian của số vòng quay ntrong giới hạn giữa nmin và nmax rồi tính các giá trị biến thiên tương ứng theo cácbiểu thức sau:

Mục đích của việc dựng đường đặc tính ngoài của động cơ là để biểu thị sựphự thuộc của các chỉ tiêu như công suất có ích Ne , mô men xoắn có ích Me, lượngtiêu hao nhiên liệu trong một giờ Gnl và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge vào tốc độquay của trục khuỷu n(v/ph) khi bướm ga mở hoàn toàn Qua đó để đánh giá sựthay đổi các chỉ tiêu chính của động cơ khi tốc quay trục khuỷu thay đổi

Để dựng đường đặc tính, ta chọn trước thông một số giá trị trung gian của tốc

độ quay n trong giới hạn giữa nmin và nmax rồi tính các giá trị biến thiên tương ứngcủa Ne, Me, ge theo các biểu thức sau:

N emax : Công suất có ích lớn nhất [kW]

n N : Tốc độ quay ứng với công suất có ích lớn nhất [v/ph]

M eN : Mô men xoắn lớn nhất ứng với tốc độ quay nN [Nm]

g eN : Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ứng với tốc độ quay nN

* Chọn giá trị của n biến thiên từ nmin = 600 [v/ph] đến nmax = 4700 [v/ph].

Kết quả tính toán của N e , M e , g e , Gnl ứng với từng giá trị của n được ghitrong bảng sau:

PHẦN III: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

III.1: Mục đích:

- Phần tính toán động lực học của đồ án nhằm xác định quy luật biến thiên

của lực khí thể, lực quán tính và hợp lực tác dụng lên pít tông cũng như các lực tiếp tuyến và pháp tuyến tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu Trên cơ sở đó sẽ xây dựng

đồ thị véc tơ lực tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu, cổ trục và bạc đầu to thanh truyền cũng như đồ thị mài mòn bề mặt.Từ các đồ thị véc tơ phụ tải ta biết được 1 cách định tính tình trạng chịu lực của bề mặt và mức độ độ đột biến của tải thông qua hệ

P k=(p−p0)πCD

2

Trong đó:

p : áp suất khí thể trong Xylanh [MPa];

p0 : áp suất phía dưới đỉnh Piston [MPa]

Chọn p0=0,103[MPa] áp suất môi trường

D: Đường kính danh nghĩa của Piston, [m]

Lực Pk được coi như tập trung thành một véc tơ tác dụng theo phương đườngtâm Xylanh và cắt đường tâm chốt Piston (bỏ qua hệ số lệch tâm k để đơn giản choquá trình tính toán).

Ta triển khai đồ thị công thành đồ thị lực khí thể theo góc quay của trụckhuỷu như sau:

* Dựng trục hoành (trục góc quay ) ngang bằng với đường nằm ngang thểhiện áp suất po của môi trường trên đồ thị công

* Trục tung thể hiện lực Pk với một tỷ lệ xích P =p

 AB = 83 mm

- Về phía điểm chết dưới, xác định điểm OO’ sao cho OO'= AB λ

4

Với  =

R

L t = 14 ≈ 0,25  OO = 10 [mm]

- Từ O' dựng tia tạo góc  với O'A, tia này cắt vòng tròn Brich tại một điểm.

Từ đó dựng đường song song với trục áp suất, cắt đồ thị công tại các điểm tươngứng với quá trình nạp, nén, giãn nở hoặc thải) Từ giao điểm đó gióng sang ngang

đồ thị lực khí thể và cắt đường thẳng tương ứng gióng từ trục α lên Giao điểm dó

chính là độ lớn của lực khí thể tại góc α tương ứng trên đồ thị lực khí thể P k -.

- Lần lượt lấy các góc α lớn dần α= 15 o , 25 o , 35 o ,… Và tiến hành tương tự

như trên ta dược tập hợp các diểm trên đồ thị P k - .

- Nối các giao điểm nhận được bằng đường cong liên tục ta được dồ thị biếnthiên của lực khí thể theo góc quay α của trục khuỷu trong một chu trình công táccủa Xylanh

- Đối với động cơ 2GR-FE, trục hoành thể hiện góc α từ 0o đến 720 o

Minh họa triển khai đồ thị công p-V thành đồ thị lực khí thể P k - 

chọn tham khảo mã hiệu động cơ n-16

Khối lượng nhóm pittong (g)

khí

Xéc măngdầu

Vòng đànhồi

Nắpđầu to Bạc lót

Bulông

Khối lượngquy dẫn về đầu

Trục khủy Bánh đà

Khối lượng chuyển động tịnh tiến m j :

Khối lượng chuyển động tịnh tiến mj được xác định theo công thức sau:

mj = mp + mc + mg + m1 + mx [kg]

Trong đó:

mp = 0.92 : Khối lượng toàn bộ Piston, [kg]

mx = 0,045 : Khối lượng các Xéc-măng, [kg]

mc = 0,302 : Khối lượng chốt Piston và khóa hãm, [kg]

m1 = 0,447 : Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đường tâm chốt Piston, [kg]

mg = 0: Khối lượng guốc trượt (không có), [kg]

=> m j = 0.92+0.045+0.302+0.447=1.714[kg].

III.4: Lực quán tính và tổng lực, lực tiếp tuyến và pháp tuyến:

Lực quán tính do khối lượng chuyển động tịnh tiến m j gây nên thường đượcgọi tắt là lực quán tính chuyển động tịnh tiến:

Khối lượng chuyển động tịnh tiến: mj = 1.714 [kg]

Lực Pj thay đổi trong suốt chu trình công tác của động cơ và được coi như cóphương tác dụng trùng với phương của lực khí thể Pk