Đồ án môn học: Thiết kế động cơ đốt trong

Đồ án môn học Thiết kế động cơ đốt trong được biên soạn với các nội dung: Phương pháp xây dựng các đồ thị trong bản vẽ đồ thị động học và động lực học, phân tích đặc điểm chung của động cơ chọn tham khảo, phân tích đặc điểm kết cấu và nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí.

LỜI NÓI ĐẦU

Sau khi được học 2 môn chính của ngành động cơ đốt trong (Nguyên lý động cơ đốt trong, Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ) cùng một số môn cơ sơ khác (sức bền vật liệu, cơ lý thuyết, vật liệu học, ), sinh viên được giao làm đồ án môn học kết cấu và tính toán động cơ đốt trong Đây là một phần quan trọng trong nội dung học tập của sinh viên, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết một vấn đề cụ thể của ngành

Trong đồ án này, em được giao nhiệm vụ tính toán và thiết kế Hệ Thống Phối Khí của động cơ Đây là một nhóm chi tiết chính, không thể thiếu trong động cơ đốt trong Nó dùng để nạp khí bên ngoài vào buồng cháy và hào trộn với nhiên liệu phun vào

ở cuối kì nén để thực hiện quá trình cháy sinh công

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu, làm việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án tốt nhất Tuy nhiên, vì bản thân còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồ án lần này không thể không có khiếm khuyết

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy,

cô đã tận tình truyền đạt lại những kiến thức quý báu cho em Đặc biệt, em xin gởi lời cảm ơn đến sự nhiệt tình hướng dẫn

của thầy Trần Văn Nam trong quá trình làm đồ án Em mong muốn

nhận được sự xem xét và chỉ dẫn của thầy

Sinh viên

Lê Hoàng Thảo

SVTH : LÍ HOĂNG THẢO TRƯỜNG: ĐẠI HỌC BÂCH KHOA- ĐHĐN

TÊN THÔNG SỐ KÝ HIỆU NGUYÊNTHỨ GIÁ TRỊ

4/ 0.25

Góc mở sớm xupáp

Góc đóng muộn

Góc mở sớm xupáp

Góc đóng muộn

Bảng Thông Số Chọn Của Động Cơ

TÊN THÔNG SỐ KÝ HIỆU THỨ NGUYÊN GIÁ TRỊ Ghi chú

Hệ số dư lượng

Aïp suất cuối kỳ nạp Pa MN/m2 0.088 (0.8-0.9)Pk

Aïp suất khí sót Pr MN/m2 0.11124 (1.05-1.1)P0

Độ sấy nóng khí

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]:

1 n1

nx nx

n c

V V p p

Khi đó, áp suất tại điểm bất kỳ x:

- tỷ số nén, =17,7 (đây là động cơ Diezel buồng cháy phân cách )

n1- chỉ số nén đa biến trung bình

- Động cơ Diesel buồng cháy ngăn cách: n1 = (1,34 1,39)

Chọn n1 = 1,35

pc = 0,088.17,7 1,35 = 4,26 [MN/m2]

1.1.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở

Phương trình của đường giãn nở đa biến là: p.V n2 const, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì:

2 n2

gnx gnx

n z

V V p p

Ở đây:

pz- áp suất cực đại, pz = 7,7 [MN/m2]

Vz = Vc

Trong đó:

- tỷ số giãn nở sớm, = (1,2÷1,7).

Chọn = 1,5

n2- chỉ số giãn nở đa biến trung bình

- Đối với động cơ Diesel: n2 = (1,15 1,28)

1.1.3 Bảng tính xây dựng đồ thị công

Từ công thức (1.1) và (1.2), kết hợp với việc chọn các thể tíchVnx và Vgnx, ta tìm được các giá trị áp suất pnx, pgnx Việc tính các giá trị pnx, pgnx được thực hiện trong bảng sau:

Bảng 1.1 Các điểm áp suất trên đường nén và đường giãn nở

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

Vẽ hệ trục tọa độ (V, p) với các tỷ lệ xích: v= 0,006 [lít/mm]

p= 0,0293 [MN/m2.mm] Xác định các điểm đặc biệt:

-Điểm r (Vc,pr)

V V

1,02

c

pr- áp suất khí sót, phụ thuộc vào loại động cơ

Tốc độ trung bình của piston:

8,843

30

2220.1195,030

Trong đó: p0- áp suất khí trời

Vì động cơ không tăng áp, có lắp bình tiêu âm trên đường thải nên thay p0 ở trên bằng áp suất trên đường thải pth,với

p

=

2 155.1177

pb = 0,398 [MN/m2]

b (1,062 [l]; 0.398 [MN/m2])

- Điểm c (Vc, pc)

c (0,06[l]; 4,26 [MN/m2])

Động cơ Diesel lấy áp suất cực đại bằng pz.

Xác định các điểm trung gian:

- Trên đoạn cy lấy điểm c’’ với c’’c = 1/3 cy

- Trên đoạn yz lấy điểm z’’ với yz’’ = 1/2 yz

- Trên đoạn ba lấy điểm b’’ với bb’’ = 1/2 ba

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

10 9

12 11

0 1

15 14 16

18 17

o' o

1 2 3 4 5 6 7 7.7

A C [MN/m2]

[l]

Hình 1.1 Đồ Thị Công1.2.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CHUYỂN VỊ PISTON BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ BRICK

Vẽ vòng tròn tâm O, bán kính R = S/2 = 119,5/2 = 59,75 [mm]

Chọn tỷ lệ xích: s = 0,716 [mm/mm]

Giá trị biểu diễn của R là :

O'

ĐCD D

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 :

x Cos

Cos R

Cos Cos

R

41

.1

.21

Hình 1.2 Đồ thị Brick1.3.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VẬN TỐC

.0,90625  213,4218

30

2250

30

S v

 17073,751

5 , 235 25 , 0 5 , 72 2

218,21342

Từ các điểm 0, 1, 2, 3, kẻ các đường thẳng góc với AB kẻ từ 0, 1’, 2’, 3’, tương ứng tạo thành các giao điểm

Nối các giao điểm này lại bằng đường cong ta được đường biểu diễn trị số vận tốc

Khoảng cách từ đường cong này đến nữa đường tròn biểu diễn trị số tốc độ của piston ứng với góc α

7 6

9 8

5'

4'

3' 6'' 7''

9''

2' 8'' 5''

4''

3''

2 1

01''

5 4 3

17

17''

18

13 12 11 10 9

120 140

80 100

40 60

0 20

12

6'

13

11'' 13'' 12'' 10''

9'

7'

16

14 15

16''

15'' 14''

Hình 1.3 Đồ thị xác định vận tốc của piston và chuyển vị S.1.4.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ GIA TỐC THEO PHƯƠNG PHÁP TÔLÊ Chọn tỷ lệ xích J = 65039,77 [mm/s2.mm]

Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện jmax

Giá trị biểu diễn của jmax là:

62  65039,77

48,4032465max

j

j

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện jmin

Giá trị biểu diễn của jmin là:

29,2419479min

1.5.1 Đồ thị lực quán tính Pj

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

-3 R 2 bằng các giá trị Pmax, Pmin, -3 R 2.m

Ở đây:

m- khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu

trục thanh truyền [2]:

m = mnp + m1

Trong đó:

m1- khối lượng tập trung tại đầu nhỏ thanh truyền

m1 có thể xác định sơ bộ theo công thức kinh

nghiệm sau đây [2]:

10.9,8506

10.48,4032465

88,2

6

9 max

10.29,2419479

88,2

6

9 min

min

P

j m

Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện (-Pjmax)

Giá trị biểu diễn của (-Pjmax) là:

6,460293,0

3652,1max

P j

P

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện (-Pjmin)

Giá trị biểu diễn của (-Pjmin) là:

98,270293,0

82,0min

P j

10.88,2.36,232.75,59.25,0.3

3

6

9 2

2

P

F

R m

300, , 7100, 7200 và lần lượt nối các điểm đó ta sẽ được đồ thị lực khí thể Pkh cần biểu diễn.

1.5.3 Đồ thị lực tác dụng lên chốt piston P1

Lực tác dụng lên chốt piston là hợp lực của lực quán tính và lực khí thể:

P1 = Pkh + Pj

Từ đồ thị lực quán tính và lực khí thể đã vẽ ở trên, theo nguyên tắc cộng đồ thị ta sẽ được đồ thị P1 cần biểu diễn

Hình :1.7 Đồ thị khai triển Pj, P1, Pkt

1.6 XÂY DỰNG 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:

Hình 1.8 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao

l Pk

T Ptt

N

Z

Ptt O

pJ = PJ/Fp

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

Cos p

.1

(1.6)

N p1.tg

(1 Phân ptt thành hai phân lực: lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z (sau khi đã dời xuống tâm chốt khuỷu ) ta cũng có thể xác định trị số của T và Z bằng các quan hệ sau:

Cos

Sin p Sin

p

T tt ( ) 1

(1.8) Z p tt.Cos p1.Cos Cos

(1.9)

Lập bảng tính T, N, Z tương ứng với các góc quay trục khuỷu

= 00, 100, 200, , 7200 và = arcsin( sin )

Chọn tỷ lệ xích T = Z = N =0,0293 [MN/m2.mm], = 2 [độ/mm]

Sử dụng các công thức (1.7), (1.8), (1.9), ta tính được các giá trị T, Z, N ứng với các góc α

Bảng 1.2 Giá trị T, Z, N ứng với các góc α

Hình :1.8 Đồ thị T,Z,N1.7.TÍNH MÔMEN TỔNG T

Thứ tự làm việc của động cơ : 1 - 3 -4 - 2

4

4.180

Tính giá trị của T tb bằng công thức:

10

n F R

N T

P

i tb

Trong đó : N i: công suất chỉ thị của động cơ;

m i

Ne N

Với m (0,6 0,93); chọn m 0,8 68,75

8,0

55

i

n: là số vòng quay của động cơ; n = 2220 (v/ph)

F P: là diện tích đỉnh piston; F P 8506,896.10 6(m2)

R: là bán kính quay của trục khuỷu; R 59,75.10 3(m)

: là hệ số hiệu đính đồ thị công; (0,92 0,97), chọn 0,95

2220.95,0.10.896,8506.10.75,59.14,3

10.75,68

6 3

3

m N

T tb 612,7435.10 3(MN/m2)

Với tỷ lệ xích : T P 0,029(MN/m2.mm)

)(9,20029

,0

10.7435,

2 2

p k

Hình 1 9 Đồ thị tổng T1.8 XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VECTƠ PHỤ TẢI TÁC DỤNG TRÊN CHỐT KHUỶU

Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng trên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu Sau khi có đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bình của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu cũng như có thể tìm được dể dàng lực lớn nhất và lực bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực ít nhất để xác định vị trí khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền trục

Cách xây dựng được tiến hành như sau :

_ Vẽ tọa độ T -Z gốc tọa độ O1 chiều âm dương như hình 1.6 _ Tính lực quán tính của khối lượng chuyển động quay của thanh truyền (tính trên đơn vị diện tích piston) :

.896,8506

10.10.74,5871269

6

6 3 0

p

Vẽ từ O1 xuống phía dưới một véctơ -pk0 và có giá trị biểu diễn pk0 = 23,55(mm) Véctơ này nằm trên trục Z, gốc của véctơ là

O Điểm O là tâm chốt khuỷu

Trên tọa độ T -Z xác định các trị số của T và Z ở các góc độ = 00, = 100, = 200, = 300, , = 7200, trị số T và Z đã được lập ở Bảng 1.2, tính theo công thức như đã chứng minh ở phần 1.6,

ta sẽ được các điểm 0, 1, 2, , 72 Dùng đường cong nối các điểm ấy lại, ta có được đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu Nếu ta nối O với bất kỳ điểm nào trên hình vẽ (ví dụ nối với điểm = 3900 như hình 1.6 chẳng hạn), ta sẽ có được véctơ biểu diễn phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu khi góc quay của trục khuỷu là = 3900 Chiều của véctơ này như hình 1.6

Tìm điểm tác dụng của véctơ chỉ cần kéo dài véctơ về phía gốc cho đến khi gặp vòng tròn tượng trưng bề mặt chốt khuỷu tại điểm b Rất dễ thấy rằng véctơ Q là hợp lực của các lực tác dụng trên chốt khuỷu:

tt R

20 540180

370

380 390

450 440 430 420 410

400 340

350

460 470

480 490 510 520 530

80

30 40

50 60

70 90100

120 130 150 170

650

550 560 570 580 590 600 620

630640

190 200 210

300 310

1.9 TRIỂN KHAI ĐỒ THỊ PHỤ TẢI Ở TỌA ĐỘ CỰC THÀNH ĐỒ THỊ Q-α.

Chọn tỷ lệ xích Q = 0,0293[MN/m2.mm] và = 2 (độ/mm)

Lập bảng xác định giá trị của Q theo bằng cách đo các khoảng cách từ tâm O đến các điểm i: 1 =100, 2 = 200, 3= 300, ,

72 = 7200 trên đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu

Để xác định Q ta tính theo công thức:

Hình 1.11 Đồ thị khai triển

Q-1.10 XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VECTƠ PHỤ TẢI TÁC DỤNG TRÊN 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 thanh truyền là O

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

Từ điểm 00, ghi trên vòng tròn các điểm 1, 2, 3, , 72 theo chiều quay trục khuỷu và tương ứng với các góc 100 + 100, 200 + 200, 300 +

300, , 7200 + 7200

Đem tờ giấy bóng này đặt chồng lên đồ thị phụ tải của chốt khuỷu sao cho tâm O trùng với tâm O của đồ thị phụ tải chốt khuỷu Lần lượt xoay tờ giấy bóng cho các điểm 0, 1, 2, 3, , 72 trùng với trục (+Z) của đồ thị phụ tải tác dụng 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 điểm

0, 1, 2, 3, , 72

Nối các điểm 0, 1, 2, 3, , 72 lại bằng một đường cong, ta có đồ thị phụ tải tác dụng trên đầu to thanh truyền như trên hình 1.12

Bảng 1.5 Giá trị các góc α, β, (α+β)

370 380

580 150

O 1

36 1

34 35

160 350 340

570 210 560

200 190 180 540

360

530 520 510 490 500

140 480 470 120 460 110 450 100 440 400 420 90 430

80

28

32

33 31 30 29

690

T = Z = 0.0293[MN/m2.mm]

14 13 15 16

9 10 11 12

680

670

330 310 660 300 650

70 60 50

40

30

20 10 720

25

23 24

Hình 1.12 Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng đầu to thanh truyền.1.11 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 Aïp suất bé làm cho dầu nhờn lưu động dễ 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

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 36 phần bằng nhau

+ Tính hợp lực Q của các lực tác dụng trên các điểm 0, 1,

2, , 35 rồi ghi trị số của các lực ấy trong phạm vi tác dụng trên Bảng 1.5

+ Cộng trị số của Q Chọn tỷ lệ xích Q = 1,2[MN/m2.mm], dùng tỷ lệ xích vừa chọn đặt các đoạn thẳng đại biểu cho Q ở các điểm 0, 1, 2, 3, , 35 lên vòng tròn đã vẽ, dùng đường cong nối các điểm đầu mút của các đoạn ấy lại ta sẽ có đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Bảng 1.6 Bảng Xây dựng đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Q = 0,0293 (MN/m2.mm)

0 1 2

3

4 56 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

34 35

µ Q = 1.2 MN/m 2 mm]

ĐỒ THỊ MÀI MÒN CHỐ T KHUỶU

Hình 1.13.Đồ mài mòn chốt khuỷu

2 PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ CHỌN THAM KHẢO

( ĐỘNG CƠ IFA)

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ IFA LẮP TRÊN XE IFA.

Là động cơ lắp trên xe IFA do German sản xuất Động cơ IFA có công suất thuộc dạng khá nên nó được lắp trên xe chuyên dụng phục vụ cho xây dựng là chủ yếu Các loại xe ben IFA ngày nay vẫn được dùng nhiều phục vụ cho việc xây dựng các công trình phát triển đất nước Có 2 loại động cơ IFA chính Đó là động cơ IFA 4 xilanh có tên gọi là W50 và động cơ IFA 6 xilanh hình chữ V có tên gọi là L60

Hình minh họa:

Xe lắpï động cơ IFA 6 xilanh (L60):

Hình 2.1.1

Và xe lắp động cơ 4 xilanh (W50):

Hình 2.1.2

Hình 2.1.3 Sơ đồ mặt cắt động cơ IFA W50

Với đề bài yêu cầu của đồ án này thì em chọn động cơ IFA W50 để tham khảo.

Các thông số kỹ thuật của động cơ như sau:

2.2 CƠ CẤU VÀ HỆ THỐNG CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ IFA W50 2.2.1 PISTON, XILANH, THANH TRUYỀN, TRỤC KHUỶU

a Piston

Piston là một chi tiết quan trọng trong động cơ đốt trong Trong quá trình làm việc của động cơ, piston chịu lực rất lớn, nhiệt độ cao và ma sát mài mòn lớn Do điều kiện làm việc như vậy nên vật liệu dùng để chế tạo piston có độ bền cao Trên động cơ IFA vật liệu chế tạo piston là hợp kim nhôm Mỗi piston gồm có 3 xécmăng, trong đó gồm 2 xécmăng khí và 1 xécmăng dầu Đỉnh piston động cơ IFA là loại đỉnh kiểu lõm hình cầu nên buồng cháy tương ứng là buồng cháy hình cầu Với loại buồng cháy này, quá trình hình thành hòa khí diễn ra tốt do có tác dụng của dòng xoáy lốc mạnh Quá trình hình thành và đốt cháy hòa khí đối với loại buồng cháy này gọi là quá trình M (hệ thống cháy kiểu M)