Thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ xăng

Bài tập lớn thiết kế động cơ đốt trong hệ thống nhiên liệu xăng sử dụng bộ chế hòa khí. Hướng dẫn thực hiện chi tiết 6 bước thiết kế: Yêu cầu và điều kiện làm việc; Phân tích và chọn phương án; Thiết kế bố trí chung; Thiết kế kỹ thuật; Thiết kế công nghệ; Tính kinh tế thiết kế. Các quy trình thiết kế có thể áp dụng nhiều cho các lĩnh vực khác

Mục lục

Lời nói đầu 3

1 Điều kiện làm việc – yêu cầu 4

1.1 Điều kiện làm việc 4

1.2 Yêu cầu 4

2 Trình bày phương án và chọn phương án 4

2.1 Bộ chế hòa khí 4

2.2 Bộ lọc không khí: 6

2.3 Bơm xăng 7

2.4 Thùng xăng 8

3 Thiết kế bố trí chung 9

3.1 Sơ đồ bố trí chung 9

3.2 Tính toán sơ bộ 9

4 Thiết kế kỹ thuật 12

4.1 Tính toán bộ chế hòa khí 12

4.2 Bơm xăng 14

4.3 Thùng xăng 16

5 Thiết kế công nghệ 17

6 Tính kinh tế thiết kế 17

Tài liệu tham khảo 18

Lời nói đầu

1 Điều kiện làm việc – yêu cầu

1.1 Điều kiện làm việc

- Động cơ hoạt động ở phạm vi rộng

- Hoạt động ở nhiều điều kiện môi trường (tạp chất, bẩn bụi)

- Rung lắc nhiều khi làm việc

- Có nguy cơ chịu ứng suất nhiệt truyền qua từ động cơ

- Chịu ăn mòn hóa học

- Nhiên liệu dễ bay hơi

1.2 Yêu cầu

- Lượng hòa khí được đưa đến các xy lanh đồng đều, xăng – không khí phải được lọc sạch nước và tạp chất cơ học,

- Nhiên liệu phải đạt tiêu chuẩn Euro hiện hành, động cơ phù hợp chỉ số octan, ít

ăn mòn

- Sử dụng vật liệu tránh sự ăn mòn, biến tính do tiếp xúc xăng (rò rỉ, cháy nổ)

- Lượng nhiên liệu phù hơp chỉ số A/F, đáp ứng toàn dãy hoạt động (chế độ tải và

số vòng quay)

- Kết cấu ống nạp (từ chế hòa khí đến buồng cháy) phù hợp

- Thùng nhiên liệu phải có cơ cấu giảm áp hóa hơi, giảm chấn động mạnh

Yêu cầu chung: độ bền, ổn định, tuổi thọ cao, dễ chế tạo, dễ bảo trì bảo dưỡng,

sửa chữa, có phụ tùng thay thế, mẫu mã đẹp, giá thành rẻ

2 Trình bày phương án và chọn phương án

2.1 Bộ chế hòa khí

2.1.1 Không có buồng phao

Ưu điểm:

- Có kết cấu đơn giản, dễ gia công, chế tạo

Nhược điểm:

- Kích thước lớn, cồng kềnh, không đảm bảo được yêu cầu về thành phần hỗn hợp hòa khí, hiện tại không còn được sử dụng trong chế tạo ô tô

2.1.2 Có buồng phao

Hình : Hệ thống nhiên liệu với bộ chế hòa khí có buồng phao.

Ưu điểm:

- Có kết cấu gọn nhẹ, độ chính xác trong từng chế độ làm việc cao hơn, dễ dàng điều chỉnh thành phần hỗn hợp hòa khí mà không phụ thuộc vào độ cao của mức nhiên liệu

Nhược điểm:

- Có cấu tạo phức tạp hơn, giá thành cao, các chi tiết đòi hỏi tính chính xác cao hơn, quá trình bảo dưỡng, sửa chữa cũng phức tạp hơn

Các phương pháp điều hòa hỗn hợp hòa khí ở bộ chế hòa khí có buồng phao

a Điều chỉnh tiết diện lưu thông của ziclơ chính phối hợp với hệ thống không tải

Ưu điểm:

- Đường xăng chính đơn giản, vì không cần nhiều mạch xăng

Nhược điểm:

- Chỉ có thể điều chỉnh thành phần khí hỗn hợp theo vị trí của bướm ga mà không thể điều chỉnh theo số vòng quay

- Việc xác định hình dạng của kim và đặt kim vào vị trí chính xác trong ziclơ chính đều là những việc rất khó đòi hỏi công nhân có kỹ thuật cao thực hiện

- Mối quan hệ giữa thành phần khí hỗn hợp và vị trí của bướm ga phụ thuộc vào mức độ mài mòn của kim và lỗ zictơ nên không thể dùng biện pháp điều chỉnh

để khắc phục sự biến đổi này được

b Lắp thêm ziclơ bổ sung

Ưu điểm:

- Cung cấp đủ nguồn nhiên liệu bổ sung vào chế độ toàn tải

Nhược điểm:

- Lắp thêm một ziclơ bổ sung sẽ tạo ra một nguồn sai lệch phụ của bộ chế hòa khí

- Việc hiệu chỉnh hệ thống phun chính có hai ziclơ thường gặp nhiều khó khăn

- Có cấu tạo phức tạp hơn vì phải có thêm đường ống không khí, đường ống xăng phụ và vòi phun bổ sung

c Điều chỉnh độ chân không ở họng

Ưu điểm:

- Có thêm đường thông gió bổ sung cung cấp cho động cơ

Nhược điểm:

- Rất khó điều chỉnh các chi tiết đàn hồi mở đường thông gió bổ sung

- Chất lượng làm việc của các chi tiết đàn hồi, mở đường thông gió bổ sung, không ổn định

d Tạo bọt khí trong xăng

Ưu điểm:

- Tăng chất lượng của khí hỗn hợp

- Có cấu tạo đơn giản hơn so với các phương pháp trên

Nhược điểm:

- Cấu tạo đường dẫn phức tạp, do phải tích hợp nhiều mạch xăng cũng như tính toán về các thông số áp suất đòi hỏi tính chính xác cao

2.1.3 Số họng

a Một họng

Ưu điểm:

- Được áp dụng ở bộ chế hòa khí kiểu đơn giản, có kết cấu đơn giản, dễ gia công, chế tạo, kích thước bộ chế hòa khí nhỏ gọn, hệ số lưu lượng lớn so với loại bộ chế hòa khí có nhiều họng với cùng kích thước đường kính buồng hỗn hợp Nhược điểm:

- Hệ số cản lớn, cản trở dòng hòa khí đi vào xy lanh

b Hai hoặc ba họng:

Hình : Bộ chế hòa khí loại nhiều họng.

Ưu điểm:

- Có thể làm tăng độ chân không từ họng trong và hiệu suất hòa trộn nhiên liệu

mà sức cản của bộ chế hòa khí vẫn giữ nguyên không tăng

Nhược điểm:

- Đường kính và chiều dài của họng tăng lên đáng kể, dẫn đến kích thước tổng thể của bộ chế hòa khí cũng tăng, hệ số lưu lượng thấp hơn so với loại bộ chế hòa khí có một họng

2.2 Bộ lọc không khí:

2.2.1 Lọc khô

Ưu điểm:

- Lọc sạch những hạt bụi lớn

Nhược điểm:

- Không thể lọc sạch những hạt bụi nhỏ

- Chất lượng làm việc của lọc quán tính khô sẽ giảm khi giảm lưu lượng không khí qua bình lọc

2.2.2 Lọc ướt:

Ưu điểm:

- Lọc sạch những hạt bụi nhỏ

Nhược điểm:

- Loại lưới tẩm dầu, khi dầu trên mặt lưới bốc hơi hoặc chảy hết thì hệ số lọc giảm

- Chỉ làm việc ở vị trí thẳng đứng hoặc có góc nghiêng nhỏ

2.2.3 Lọc kết hợp:

Ưu điểm:

- Kết hợp hai loại lọc, lọc sạch không khí ở mọi chế độ làm việc

Nhược điểm:

- Sức cản của bình lọc lớn

2.3 Bơm xăng

2.3.1 Dẫn động cơ khí - Bơm màng

Ưu điểm:

- Điều chỉnh lưu lượng tự động, áp suất xăng phía sau bơm không thay đổi

- Giá thành rẻ, dễ mua, dễ chế tạo

- Dễ bảo dưỡng, độ bền cao

Nhược điểm:

- Dẫn động bơm khó khan

- Phải dùng tay hoặc chân đề bơm xăng để bơm xăng vào buồng phao trước khi khởi động

- Dễ gây hỏa hoạn

- Tốn xăng động cơ hoạt động không ổn định

2.3.2 Dẫn động điện

a Bơm màng

Ưu điểm:

- Dễ dẫn động bơm

- Giá thành rẻ

- Bơm xăng tự động vào buồng phao trước khi khởi động

- An toàn

Nhược điểm:

- Lưu lượng xăng đi vào buồng phao không đều làm cho lượng xăng trong buồng phao lúc cao lúc thấp

- Các chi tiết phức tạp

b Bơm li tâm

Ưu điểm

- Lưu lượng xăng đều

- Dễ dẫn động bơm

- An toàn, độ tin cậy cao

Nhược điểm

- Khối lượng lớn, tổn hao điện lớn

- Giá thành cao

- Đặt trong thùng xăng, nguy cơ hư hỏng ăn mòn

- Đòi hỏi công nghệ cao

- Khó bảo dưỡng

- Khó thiết kế tính toán

2.4 Thùng xăng

Xăng có tính ăn mòn kim loại do sự có mặt của các hợp chất lưu huỳnh, các axít, keo nhựa chưa tinh chế hết trong quá trình chế biến Cần thùng dày, có lỗ thông hơi

2.4.1 Tôn mạ kẽm

Ưu điểm:

- Nhẵn bóng, bền, giảm sự oxy hóa

- Rẻ, nhẹ, dễ tái sử dụng

- Chịu nhiệt tốt

Nhược điểm:

- Mềm, mỏng (thường dưới 2mm)

- Bề mặt mạ kẽm dễ bị bong tróc

2.4.2 Thép (dập) tráng thiếc

Ưu: Cứng, dày, bền, giảm sự oxy hóa

- Bề mặt sáng bóng.

- Chịu nhiệt tốt

Nhược:

- Ô nhiễm môi trường, độc hại

- Giá cao

2.4.3 Nhựa (thường dùng cho xe mô hình, xe cỡ nhỏ)

Ưu:

- Nhẹ, rẻ, bóng, dễ tái sử dụng

- Chống ăn mòn

- Không dẫn điện

Nhược:

- Giòn, chịu nhiệt và va đập kém

Chọn Phương án

a chọn bộ chế hòa khí

- Loại 1 họng

- 1 buồng hỗn hợp

b Chọn bơm xăng

- Bơm màng dẫn động cơ khí

c Chọn lọc gió

- Lọc gió kết hợp

d Chọn thùng xăng

- Vị trí thùng xăng phía sau

- Vật liệu thép tráng thiết

3 Thiết kế bố trí chung

3.1 Sơ đồ bố trí chung

Hình 1: Sơ đồ bố trí chung của hệ thống động cơ nhiên liệu xăng.

3.2 Tính toán sơ bộ

- Khối lượng riêng kk: 1.205kg/m2

- Xăng: 700kg/m2

Thông số động cơ 1977 BMW 320 E21:

2 Công suất cực đại, kW (HP)/vg.ph 89KW(120hp)/6000 rpm

3 Momen xoắn cực đại, Nm/vg.ph 160Nm/4000 rpm

6 Hành trình/ đường kính, mm 66/80 (=0.826)

8 Trọng lượng xe kể cả người lái, kg 1180 kg

10 Tiêu hao nhiên liệu, lít/100km 9.6

12 Dung tích của thùng xăng, lít 58 lít

3.2.1 Bộ chế hòa khí

Tính toán đường kính buồng hỗn hợp

Trong đó:

(dm3)

Dãy số an4

Số

xylanh

Với: h

a Đường kính họng khuếch tán:

- Loại 1 họng:

- Loại 2 họng:

- Loại 3 họng:

Chọn phương án bộ chế hòa khí có 1 họng khuếch tán:

b Chiều dài buồng hỗn hợp:

c Ziclo:

- Chọn tỷ số giữa chiều dài và đường kính ziclo , tốt nhất nên chọn

d Buồng phao:

- Chọn đường kính van kim:

- Chọn góc ở đỉnh van:

- Chọn khoảng cách từ trục quay đến van kim:

- Chọn khoảng cách từ trục quay đến trục thẳng đứng của phao:

3.2.2.Tính toán bơm xăng

- Chọn hành trình trục bơm:

- Xác định Dt, D2, D1:’

- Chọn D2 =

- Chọn D1 = D2

- Tính Dt = D2 + 4r + 4δ, thông thường Dt =

- Trong đó r: Bán kính góc lượn của đĩa ép phía dưới và phía trên của màng

bơm (mm)

- δ: Chiều dày màng bơm (mm), thông thường δ = 0.5 mm

4 Thiết kế kỹ thuật

4.1 Tính toán bộ chế hòa khí.

4.1.1.Tốc độ trung bình của hòa khí qua hỗn hợp

Trong đó:

(cm3)

Hệ số kỳ của động cơ, tức là số hành trình piston trong một chu trình

(cm)

Để tính được hệ số nạp , ta thực hiện các bước sau đây:

- Áp suất không khí nạp po:

Được chọn bằng áp suất khí quyển: po = 0.1 MN/m2

- Nhiệt độ không khí nạp mới Tk:

Phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình của môi trường

Nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là

tkk = 29oC, do đó: To = (tkk + 273)oK = 302oK

- Áp suất khí nạp trước xú páp nạp pk:

Đối với động cơ xăng 4 kì không tăng áp: pk = po = 0.1 MN/m2

- Nhiệt độ không khí nạp trước xú páp nạp Tk:

Đối với động cơ xăng 4 kì không tăng áp: Tk = To = 302oK

- Nhiệt độ cuối quá trình nạp pa:

Đối với động cơ xăng 4 kì không tăng áp, pa có thể chọn trong khoảng: (0.80 0.95)po

Chọn pa = 0.9po = 0.09 MN/m2

- Hệ số nạp thêm λ1:

Hệ số nạp thêm phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí, λ1 chọn trong giới hạn 1.021.07

Chọn λ1 = 1.05

- Nhiệt độ cuối quá trình nạp

Động cơ xăng chọn : Ta=340 400

Chọn Ta=360

Hệ số nạp:

 Với:

(*) Do có 6 xi lanh dùng chung buồng hỗn hợp nên tốc độ trung bình của môi chất đi qua buồng hỗn hợp cao

4.1.2.Xác định tiết diện lưu thông của họng:

Trong đó:

: tiết diện lưu thông họng (m2 )

: Hệ số lưu lượng của họng phụ thuộc vào hình dáng, chất lượng của họng và

số họng

= 0,85÷ 0,99: với loại một họng

= 0,7÷ 0,85:với loại hai hoặc ba họng

: lưu lượng khối lượng của khí hỗn hợp (kg/s)

: khối lượng riêng của không khí trước ống nạp (kg/m3 )

: độ chân không của họng (N/m2 )

Độ chân không

(3)

Trong đó:

S – Hành trình của piston

Khối lượng riêng của không khí

D – Đường kính của piston

− Đường kính họng khuếch tán

Tốc độ quay của trục khuỷu (vòng/phút)

Số xy lanh của động cơ

Hệ số lưu lượng, chọn trong khoảng từ 0.85 0.9 đối với loại một họng và từ 0.7 0.85 đối với loại hai hoặc ba họng

Với:

S = 66 (mm)

D = 80 (mm)

Lưu lượng khối lượng của khí hỗn hợp:

Trong đó:

Vậy tiết diện của họng là:

4.2 Bơm xăng

Lưu lượng thể tích hỗn hợp:

Lưu lượng thể tích xăng:

Lưu lượng xăng do bơm cấp trong một chu trình V,

xmax

Trong đó:

It – tỷ số truyền giữa trục khuỷu động cơ dẫn động bơm chuyền xăng

n- số vòng quay của trục khuỷu động cơ (vg/ph)

Lưu lượng xăng với hct = 0.1hc có thể tính theo công thức gần đúng sau:

r- bán kính góc lượng của đĩa ép phía trên và phía dưới của màng bơm

- chiều dầy của màng bơm (mm),

Lượng xăng lý thuyết do bơm cung cấp trong một chu trình

Lượng xăng lý thuyết của bơm

n- số chu trình làm việc của bơm trong 1 phút , n= 3000 vg/phút

4.3 Thùng xăng

Dung tích thùng xăng của ô tô dựa vào công thức tính thực tế sau:

t 100 100

S

(lít)

Trong đó:

� = 1,06 ÷ 1,12: hệ số sử dụng dung tích

Chọn � = 1,12

S: quãng đường xe chạy mà không cần đổ thêm xăng vào thùng

Đối với ô tô tải: S = 300 km

Đối với ô tô du lịch: S = 400 ÷ 450 km

Chọn S = 450

100

V : lượng nhiên liệu tiêu thụ khi chạy 100km (lít)

450 1,12 9,6 48,384 100

t

(lít)

Sai số so với thực tế

Thùng xăng được chế tạo lớn hơn so với lý thuyết 16,58% vì:

- Tạo một lượng dư dự phòng khi sử dụng

- Bù trừ cho chất lượng làm việc của lọc khí khi sử dụng lâu ngày chưa vệ sinh

5 Thiết kế công nghệ

Bước này có nhiệm vụ phản hồi trực tiếp cho bước thiết kế kỹ thuật

Quy trình chế tạo

1 Nghiên cứu bản vẽ chi tiết

2 Xác định dạng sản xuất

3 Chọn nguyên vật liệu và phương pháp chế tạo phôi

4 Thứ tự gia công, sơ đồ thứ tự gá đặt trong các nguyên công

5 Xác định lượng dư gia công

6 Thiết kế và tính toán chế độ cắt, gia công tạo hình, lắp ráp, hàn, mài và đánh bóng

7 Thiết kế, bố trí máy móc thiết bị và nhân công cho từng nguyên công

8 Thiết kế đồ gá, khuôn

Bên cạnh đó, sử dụng máy móc, thiết bị hiện đại đúng quy chuẩn, phù hợp tính kinh tế

và được kết hợp với thợ có tay nghề phù hợp từng nguyên công

Quy trình kiểm tra

1 Từng nguyên công

Tay nghề thợ

Hoạt động của máy móc, thiết bị

2 Thiết bị, dụng cụ

Độ chính xác, mài mòn

Độ bền, chất lượng làm việc

3 Trình độ chuyên môn cao của người kiểm tra vì cần độ chuẩn xác, kỹ lưỡng, khả năng xử lý tình huống

4 Thành phẩm

Phần tử vật liệu

Chiều dày chi tiết áp lực (độ bền)

Chất lượng bề mặt

Độ ăn mòn

Độ chính xác thông số kích thước

Kiểm tra vận hành

Nếu một trong các bước kiểm tra phát hiện lỗi ngoài mức độ cho phép thì quay lại quy trình chế tạo

6 Tính kinh tế thiết kế

Lương công - nhân viên

Chi phí vật liệu, vật tư, phụ tùng đảm bảo từng nhu cầu sử dụng của khách hàng

Khấu hao nhà xưởng, máy móc, thiết bị, dụng cụ

Chi phí quản lý dự án, dịch vụ quảng cáo, marketing, bán hàng, vận chuyển, phân phối

Bảo hành, hậu mãi, …

Chi phí điện, nước, môi trường và các loại thuế

Tài liệu tham khảo

[1] Hồ Tất Chuẩn – Nguyễn Đức Phú – Trần Văn Tế – Nguyễn Tất Tiến Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong, tập III, Nhà Xuất Bản giáo dục 1996.

[2] Lý Hùng Anh – Bài giảng môn học Cơ học thủy khí.

[3] Văn Thị Bông – Nguyễn Thanh Bình – Phạm Xuân Mai, Nhà xuất bản Đại học

quốc gia TP Hồ Chí Minh 2002 Tính toán nhiệt và động lực học Động cơ đốt trong.

[4] Văn Thị Bông – Huỳnh Thanh Công, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP Hồ Chí

Minh Lý thuyết động cơ đốt trong, tái bản lần thứ hai, năm 2016.