Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Đồ án môn học Động cơ đốt trong là một khâu quan trọng trong khối kiến thức của ngành Ô tô – Máy động lực, là một kỹ sư thiết kế phải biết và có khả năng thiết kế. Hơn nữa, đất nước ta là một đất nước đang phát triển rất cần phát triển các ngành công nghiệp mà trong đó công nghiệp ô tô giữ một vai trò hết sức quan trọng. Trong khi đó, bộ phận quan trọng nhất của một chiếc ô tô là cái sinh ra nguồn động lực cho ô tô – chính là động cơ ô tô. Vậy thiết kế động cơ là khâu hết sức quan trọng để có thể phát triển ngành công nghiệp ô tô.

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu 3

Chương I: PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC 4

1.1 Nhiệm vụ của hệ thống phát lực 4

1.2 Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại của từng bộ phận trong hệ thống 4

Chương II: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 8

2.1 Chọn phương án thiết kế các chi tiết trong hệ thống 8

2.2 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phát lực đã chọn 9

2.3 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống phát lực đã chọn 10

Chương III: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CÁC THÔNG SỐ BỐ TRÍ CHUNG CỦA HỆ THỐNG 12

3.1 Tính toán nhiệt 12

3.2 Phân tích động học và động lực học cơ cấu thanh truyền – trục khuỷu 17

3.3 Chọn thông số kết cấu và kích thước cơ bản 26

3.4 Thiết kế sơ bộ mặt cắt ngang của hệ thống 26

3.5 Thiết kế sơ bộ mặt cắt dọc của hệ thống 27

Chương IV: THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ TÍNH BỀN CÁC NHÓM VÀ CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG 28

4.1 Nhóm piston 28

4.1.1 Các thông số ban đầu 28

4.1.2 Piston 28

4.1.3 Chốt piston 32

4.1.4 Xéc-măng 35

4.2.2 Tính toán sức bền nhóm thanh truyền 37

Chương V: QUY TRÌNH THÁO, LẮP, ĐIỀU CHỈNH,

BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA HỆ THỐNG 42

5.2 Kiểm tra và sửa chữa hệ thống 45

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án môn học Động cơ đốt trong là một khâu quan trọng trong khối kiến thức của ngành Ô tô – Máy động lực, là một kỹ sư thiết kế phải biết và có khả năng thiết kế Hơn nữa, đất nước ta là một đất nước đang phát triển rất cần phát triển các ngành công nghiệp

mà trong đó công nghiệp ô tô giữ một vai trò hết sức quan trọng Trong khi đó, bộ phận quan trọng nhất của một chiếc ô tô là cái sinh ra nguồn động lực cho ô tô – chính là động

cơ ô tô Vậy thiết kế động cơ là khâu hết sức quan trọng để có thể phát triển ngành công nghiệp ô tô

Sau ba năm học tại ngành Ô tô – Máy động lực, chúng em đã được trang bị nhiều kiến thức về các môn học cơ sở như Nguyên lý máy, Sức bền vật liệu, Vật liệu học và Nhiệt động lực học cũng như nhiều môn học chuyên ngành khác, Đồ án Thiết kế Động cơ chính là cơ hội cho chúng em tổng hợp và áp dụng những kiến thức mình đã học

Trong quá trình thực hiện đồ án em gặp rất nhiều khó khăn trong phương pháp thiết

kế và tính toán cũng như việc hoàn thành các bản vẽ của mình, nhờ sự hướng dẫn tận tình của Thầy hướng dẫn cùng sự góp ý của các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này

Sau một thời gian làm việc với nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ từ tất cả mọi người, em đã hoàn thành Đồ án Thiết kế Động cơ đốt trong này Nay em xin gửi lời cảm

ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn Thầy Nguyễn Đình Hùng, các thầy trong bộ môn Ô

tô – Máy động lực cùng các bạn trong lớp Ô tô K09

Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng trong quá trình thực hiện khó tránh khỏi thiếusót, rất mong được sự góp ý chân thành từ phía các thầy và các bạn Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên Hoàng Trọng Hiếu

Chương I

PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU

CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC 1.1 Nhiệm vụ của hệ thống phát lực:

 Tiếp nhận năng lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến của piston (trong xy – lanh) và biến nó thành cơ năng làm quay trục khuỷu, tạo mô – men có ích cho động cơ làm việc

 Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống

 Các- te (hay hộp trục khuỷu) và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷusục lên buồng cháy

 Làm nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp

1.2 Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại của từng bộ phận trong hệ thống:

1.2.1 Piston:

 Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác như

xy-lanh, nắp xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực từ thanh truyền để nén khí

 Điều kiện làm việc:

 Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ, áp suất lớn có thể đạt tới 120 kG/cm2, lực quán tính lớn đặc biệt nếu là động cơ cao tốc

 Tải trọng nhiệt cao vì piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên có thểđạt nhiệt độ cao từ 500 – 8000K Nhiệt độ cao khiến piston chịu ứng suất nhiệt lớn gây bó kẹt, nứt, giảm sức bền, gây kích nổ vv…

 Ma sát lớn và ăn mòn hóa học Ma sát gây nên do lực ngang nên có giá trị lớn với điều kiện bôi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bôi trơn tốt Ăn mòn hóa học do piston thường xuyên tiếp xúc với sản vật cháy

 Yêu cầu:

 Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất

 Có độ bền và độ cứng đủ để tránh biến dạng quá lớn và chịu mài mòn

 Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không bị giảm sút

do hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte

 Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt quá mức khi động cơ đang làm việc, ngoài ra tránh được hư hỏng piston do ứng suất nhiệt

 Phân loại: Theo dạng đỉnh piston

 Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản

 Đỉnh lõm: có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng

 Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp ở động cơ Diesel

1.2.2 Chốt Piston: Là chi tiết nối Piston với thanh truyền.

 Nhiệm vụ: Truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền

Chốt piston thường có cấu tạo rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền

 Điều kiện làm việc: Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và

điều kiện bôi trơn khó khăn Chốt piston còn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt piston dễ bị mòn

 Yêu cầu:

 Chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền

và độ cứng vững Bề mặt làm việc của piston cần tôi theo công nghệ đặc biệt để đảm bảo chốt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt

 Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt Mặt chốt phải mài bóng để chống ứng suất tập trung và khi lắp ghép với piston và thanh truyền khe hở phải nhỏ

 Phân loại:

 Theo kiểu lắp ghép chốt:

 Cố định chốt piston trên bệ chốt piston

 Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền

 Chốt piston lắp tự do

 Theo hình dạng: bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ hoặc côn

1.2.3 Xec – măng:

 Nhiệm vụ: Đảm bảo piston di động dễ dàng trong xylanh Xec – măng có 2

loại là xec – măng khí và xec – măng dầu Xec – măng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọt khí còn xec – măng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

 Điều kiện làm việc: Xec – măng chịu tải trọng cơ học lớn (áp lực khí cháy),

chịu lực quán tính lớn, có chu kỳ và va đập Ngoài ra xec – măng còn chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu

 Nhiệm vụ: Thanh truyền là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với

piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu

 Điều kiện làm việc: Thanh truyền có chuyển động phức tạp bao gồm: đầu

nhỏ chuyển động tịnh tiến cùng piston, thân thanh truyền chuyển động lắc, đầu to chuyển động quay cùng với trục khuỷu Vậy thanh truyền chịu lực vađập tuần hoàn như lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và của chính bản thân thanh truyền

 Yêu cầu: Lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo hợp lý để thanh truyền

chịu được các lực va đập tuần hoàn như trên

 Phân loại: Theo tiết diện thân thanh truyền.

 Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn

 Tiết diện hình chữ nhật, ô van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ

1.2.5 Trục khuỷu:

 Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo moment quay kéo các máy

công tác và nhận năng lượng của bánh đà Sau đó, truyền cho thanh truyền

và piston thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xylanh

 Điều kiện làm việc: Trục khuỷu chịu lực T, Z do lực khí thể và lực quán tính

của nhóm piston – thanh truyền gây ra Ngoài ra trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu

và của thanh truyền Những lực này gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu lên các ổ đỡ

 Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo các yêu cầu:

 Đảm bảo động cơ làm việc đồng đều, biên độ dao động của moment xoắn tương đối nhỏ

 Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ

 Động cơ làm việc cân bằng ít rung động

 Công nghệ chế tạo đơn giản

 Phân loại: có hai loại là trục khuỷu nguyên là trục khuỷu ghép.

1.2.6 Bánh đà:

 Nhiệm vụ: Giữ cho độ không đồng đều của động cơ nằm trong giới hạn cho

phép Ngoài ra bánh đà còn là nơi lắp vành răng khởi động và khắc vạch chia độ góc quay trục khuỷu

 Yêu cầu: Trong quá trình làm việc, bánh đà tích trữ năng lượng dư sinh ra

trong quá trình sinh công (lúc này moment chính của động cơ có giá trị lớn hơn moment cản nên nó làm cho trục khuỷu quay nhanh) để bù đắp phần năng lương hao hụt trong các hành trình tiêu hao công (lúc này moment cản

có giá trị lớn hơn moment chính của động cơ) khiến cho trục khuỷu quay đều hơn, giảm được biên độ dao động của tốc độ góc trục khuỷu.

 Phân loại: Theo kết cấu:

 Bánh đà dạng đĩa: là bánh đà mỏng có moment quán tính nhỏ nên chỉ dùng cho động cơ tốc độ cao

 Bánh đà dạng vành: là bánh đà có moment quán tính lớn

 Bánh đà dạng chậu: là bánh đà có dạng trung gian của hai loại bánh

đà trên, có moment quán tính và sức bền lớn

 Bánh đà dạng vành có nan hoa: để tăng moment quán tính của bánh

đà, phần lớn khối lượng bánh đà ở dạng vành xa tâm quay và nối với mayơ bằng các gân kiểu nan hoa

Chương II CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Chọn phương án thiết kế các chi tiết trong hệ thống:

2.1.1 Piston

Đối với động cơ xăng để thỏa mãn các yêu cầu sau đây:

 Phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia nhiên liệu phun vào buồng cháy để tổ chức tạo thành hỗn hợp tốt nhất

 Tận dụng được xoáy lốc của không khí trong quá trình nén

 Dựa trên mẫu động cơ tham khảo là 2AR-FE có 16 van với 4 xylanh, vậy có 4 van là 2 van xả, 2 van nạp cho một xylanh làm việc, đảm bảo hiệu suất nạp tốt nhất

Vậy piston có đỉnh chứa buồng cháy có dạng đỉnh lõm như sau được chọn:

2.1.2 Chốt piston

Để có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và vì tỷ số nén động cơ xăng được thiết kếkhông lớn lắm nên chọn chốt piston có dạng mà bề mặt bên trong là hình trụ

2.1.3 Nhóm thanh truyền

2.1.3.a Đầu nhỏ thanh truyền: Có hai dạng.

 Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng Khi ấy chốt piston lắp tựdo

 Đầu nhỏ thanh truyền của các động cơ dùng kiểu lắp chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền

Động cơ được thiết kế công suất không lớn nên chọn phương án đầu nhỏ thanh truyền có dạng trụ rỗng và có khoan lỗ hứng dầu

2.1.3.b Thân thanh truyền:

Thân thanh truyền có tiết diện hình chữ I được sử dụng phổ biến vì đảm bảo sức bền theo hai phương Vậy chọn phương án thân thanh truyền cótiết diện chữ I

Hình 1

2.1.3.c Đầu to thanh truyền: Có các loại sau:

 Phương án phổ biến nhất là một phần của đầu to thanh truyền được gắn liền với thân thanh truyền, phần còn lại được ghép với phần trên nhờ hai bulông

 Phương án tương tự trên nhưng dùng nhiều bu lông hơn (4 hoặc 6 bulông) để lắp ghép với đầu to thanh truyền Như vậy đường kính bulông sẽ nhỏ hơn so với phương án trên Tuy nhiên nhược điểm là các bu lông chịu lực không đều có thể dẫn đến hiện tượng mài mòn không đều và đứt gãy bulông

 Tương tư phương án đầu tiên nhưng cắt chia đầu to thanh truyền theo mặt nghiêng 300 đến 600 so với đường tâm thanh truyền

 Dùng chốt côn để lắp ghép đầu to thanh truyền theo kiểu khớp bản lề

Do tính đơn giản và phổ biến nên chọn phương án đầu tiên

2.1.4 Trục khuỷu

Theo phân loại có hai loại là trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép Do động cơ xăng 4 xylanh phổ biến là dùng trục khuỷu nguyên nên chọn phương án thiết kế là trục khuỷu nguyên

2.2 Sơ đồ cấu tạo

Sau khi đã chọn tất cả các phương án như trên, ta có được cấu tạo hệ thống như sau

Hình 2

2.3 Nguyên lý làm việc

Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát lực như sau:

Trong động cơ đốt trong kiểu pit-tông cụm chi tiết chuyển động chính (pit-tông, thanh truyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau:

- Nhóm pit-tông chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền

Hình 3

Hình 4

- Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian, có chuyển động phức tạp để biến chuyển động tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay và truyền công suất của động cơ ra ngoài để dẫn động máy công tác khác.Theo chu kỳ lý thuyết, mỗi kỳ khởi sự ngay tại một điểm chết mà cũng chấm dứt ngay tại một điểm chết Trong động cơ bốn kỳ thì mỗi kỳ sẽ thực hiện một quá trình

và có:

- Kỳ nạp/hút: pit-tông nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và thanh truyền dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD) thực hiện quá trình nạp môi chất công tác

- Kỳ nén: pit-tông cũng nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trụckhuỷu và thanh truyền dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, thực hiện quá trìnhnén, thể tích xylanh nhỏ lại từ Va đến Vc

- Kỳ sinh công: xảy ra quá trình cháy – giãn nở và sinh công Pit-tông nhận áp lực từ khí cháy sinh ra trong xylanh động cơ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD và truyền ra ngoài cho thiết bị công tác thông qua cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

- Kỳ thải/xả/thoát: pit-tông tiếp tục nhận năng lượng từ bánh đà thông qua

cơ cấu truc khuỷu – thanh truyền, dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT thực hiện quá trình thải sản vật cháy ra ngoài

Chương III TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CÁC THÔNG SỐ

BỐ TRÍ CHUNG CỦA HỆ THỐNG 3.1 Tính toán nhiệt

3.1.1 Giới thiệu:

Tính toán nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lýthuyết đồ thị công chỉ thị của một động cơ cần thiết kế thông qua việc tính toán cácthông số nhiệt động lực học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quátrình:

+ Quá trình nạp+ Quá trình nén+ Quá trình cháy+ Quá trình giãn nở

- Mỗi quá trình trên được đặc trưng bởi các thông số trạng thái là nhiệt độ,

áp suất, thể tích của môi chất công tác (MCCT) ở đầu và cuối của quá trình Trên

cơ sở lý thuyết của nhiệt động lực học kỹ thuật, nhiệt động hóa học, lý thuyết động

cơ đốt trong xác định giá trị của các thông số nêu trên

- Tiếp theo ta tính các thông số đánh giá tính năng của chu trình gồm cácthông số chỉ thị và các thông số có ích của chu trình công tác như: áp suất chỉ thịtrung bình pi, áp suất có ích trung bình pe, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne,hiệu suất e và suất tiêu hao nhiên liệu ge của động cơ, …

- Cuối cùng, bằng kết quả các quá trình tính toán nói trên ta xây dựng giản

đồ công chỉ thị của động cơ và đây là các số liệu cơ bản cho các bước tính toánđộng lực học và thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ

- Trong tính toán kiểm nghiệm động cơ cho trước, việc tính toán nhiệt có thểđược thay thế bằng cách đo đồ thị công thực tế trên động cơ đang hoạt động nhờ các phương tiện, các dụng cụ đo ghi kỹ thuật hiện đại Tuy nhiên với phương pháp tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động hóa học trong động cơ đốt trong, người ta cũng có thể tiến hành khảo sát những chỉ tiêu động lực và chỉ tiêu kinh tế của các động cơ đã có sẵn này với kết quả đáng tin cậy

Toàn bộ quá trình tính toán nhiệt tuân theo tài liệu [1]

3.1.2 Các thông số cho trước của động cơ:

-Kiểu động cơ: Xăng 4 kỳ

- Động cơ tham khảo tương đương: TOYOTA 2AR-FE

+ Đường kính x hành trình: 90/98 (mm)

+ Loại nhiên liệu: Xăng

+ Công suất cực đại: 133,5 (Kw) tại 6000 (vòng/phút)

+ Momen xoắn cực đại: 23,3 (kG.m) tại 4100 (vòng/phút)

+ Hệ thống nhiên liệu: Phun trực tiếp (EFI)

+ Hệ thống làm mát: Bằng nước

+ Hệ số dư lượng không khí:  = 0,95

3.1.3 Chọn các thông số cho tính toán nhiệt:

a Áp suất không khí nạp (p o )

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển: po = 0,1013 (MN/m 2 )

b Nhiệt độ không khí nạp mới (T o )

Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình củamôi trường, nơi mà xe đang sử dụng Miền nam nước ta thuộc khu vực nhiệtđới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk = 29oC

Do đó: To = (t kk + 273) o K = 29 + 273 = 302 ( o K)

c Áp suất khí nạp trước xupap nạp (p k ):

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = p o = 0,1013 (MN/m 2 )

d Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k )

Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: Tk = T o = 302 ( o K)

e Áp suất cuối quá trình nạp (p a )

- Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xy lanh thường nhỏ hơn áp suất khí quyển do có tổn thất trên ống nạp và tại bầu lọc gây nên

- Động cơ 4 kỳ không tăng áp: pa = 0,8.p o = 0,8.0,1013 = 0,08104

(MN/m 2 )

f Chọn áp suất khí sót (p r )

- Là thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm khí cháy rakhỏi xy lanh động cơ

- Giá trị áp suất khí sót pr phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Diện tích thông qua của các xupap xả+ Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả+ Động cơ có lắp tăng áp bằng khí xả hay không

+ Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả…

- Đối với động cơ xăng chọn pr = 0,12 (MN/m 2 )

g Nhiệt độ khí sót (T r )

- Phụ thuộc thành phần hỗn hợp khí, mức độ giãn nở và sự trao đổi nhiệttrong quá trình giãn nở và thải

- Đối với động cơ xăng chọn Tr = 1000 ( o K)

h Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ( T)

- Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xy lanh động

cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là

- Đối với động cơ xăng chọn 1 = 1,07

j Chọn hệ số quét buồng cháy 2

Đối với động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn 2 = 1.

k Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t

- Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp  vànhiệt độ khí sót Tr

- Đối với động cơ xăng  = 0,95 ta chọn  t =1,12

l Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (Z )

- Là thông số số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệlượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z

- Chọn Z = 0,85

m Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (b )

- Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (b) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độđộng cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến b nhỏ Chọn b = 0,95

n Chọn hệ số dư lượng không khí 

- Khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu cần Mo (kmol) không khí Tuynhiên, lượng không khí đi vào xy lanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo.Điều này được đánh giá bằng hệ số dư lượng không khí  =

- M1: lượng không khí thực tế nạp vào xylanh (kmol)

- Mo: lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn1kg nhiên liệu

- Theo đề bài  = 0,95

o Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (d )

- Hệ số điền đầy đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thịcông thực tế so với đồ thị công tính toán

- Đối với động cơ xăng chọn d = 0,96

p Chọn tỷ số tăng áp (p)

- Là tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí trong xylanh ở cuối quá trình cháy và

quá trình nén:

z c

pp

p

 

- Trong đó: pz - áp suất cuối quá trình cháy

pc - áp suất cuối quá trình nén

- Đối với động cơ xăng, sau khi tính toán ta có: p = 3,5351

q Chọn thông số kết cấu ( )

- Là tỷ số giữa bán kính quay trục khuỷu R và chiều dài thanh truyền L.Trị số  lớn thì góc lắc thanh truyền tăng, thanh truyền có thể va chạm phía dưới lót xylanh Trị số  lớn có ưu điểm là giúp giảm chiều cao và trọng lượng của động cơ Đối với động cơ ô tô giá trị phổ biến là

0,25÷0,29 Chọn  = 0,3

3.1.4 Tính toán nhiệt

Tính toán nhiệt nhằm xác định các thông số của chu trình lý thuyết và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ Đồ thị công chỉ thị của động cơ được xây dựng trên cơ sở các kết quả tính toán nhiệt và là các số liệu cơ bản cho các bước tính toán động lực học và tính toán thiết kế động cơ tiếp theo

Sau khi tính toán cho các quá trình nạp, nén, cháy – dãn nở và xả thì ta có được bảng kết quả tính toán như sau:

BẢNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ

ST Thông Đơn vị  = 0,95 ST Thông Đơn vị  = 0,95

e h

e e

N V

  = 4: số chu kỳ của động cơ

 i = 4: số xylanh của động cơ

 ne = 6000 (vòng/phút): số vòng quay của động cơ

 Ne = 133,5 (kW): công suất động cơ

pkt = f(Vxl)

- Đồ thị công cho thấy một cách trực quan nhất diện tích thể hiện công chỉ thịcủa chu trình (Li) Áp suất chỉ thị trung bình pi=, là các thông số đánh giá tính hiệuquả của động cơ

3.2 Phân tích động học và động lực học cơ cấu thanh truyền – trục khuỷu

3.2.1 Phân tích động học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu

3.2.1.1 Phân tích động học cơ cấu

Hình 5

Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cụm chi tiết chuyển động chính (piston,thanh truyền, trục khuỷu) làm việc theo nguyên tắc sau:

 Nhóm piston chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền

 Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian có chuyển động phức tạp để biến chuyển động tịnh tiến của pistonthành chuyển động quay của trục khuỷu

 Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay và truyền công suất của động cơ ra ngoài để dẫn động các máy công tác khác

 Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ kiểu trục khuỷu cắt đường tâm xylanh

3.2.1.2 Động học của piston (theo phương pháp giải tích)

Với giả thiết trục khuỷu quay với vận tốc góc  = const, thì góc quay trục khuỷu  tỷ lệ thuận với thời gian, còn tất cả các đại lượng động học là các hàm phụ thuộc vào biến số 

2.2.1.2a Chuyển vị của piston

Chuyển vị của piston trong xylanh động cơ tính theo công thứcsau:

: Góc quay trục khuỷuR: Bán kính quay trục khuỷu

: Thông số kết cấu

Nhận xét: phân tích biểu thức 1 và đồ thị nhận thấy: khi trục khuỷu quay tương ứng với  từ 00 đến 900 (1/4 vòng quay trục khuỷu thứ 1) thì piston dịch chuyển được một quãng đường lớn hơn so với quãng đường ứng với  từ 900 đến

1800 (1/4 vòng quay trục khuỷu thứ 2) vì chuyển động của piston là chuyển động lắc nghiêng của nó so với đường tâm xylanh Ở ¼ vòng tròn trục khuỷu thứ 1 và 2 mang dấu “+” cùng hướng còn ở ¼ vòng quay trục khuỷu thứ 2 thì thành phần mang dấu “-“ Trị số lớn hơn này vào khoảng (58-53)%S, phụ thuộc vào 

dS V

Tại  = 73 – 780, vận tốc piston có giá trị max

Vp = (1,6 – 1,66)Vtb, khi tăng  thì Vp tăng và ngược lại

Nhận xét: + Từ phương trình (2) ta thấy tốc độ piston là tổng 2 hảm điều hòa cấp I và cấp II với chu kỳ điều hòa của hàm cấp II bằng 2 lần chu

kỳ điều hòa của hàm cấp I

Vp = VpI + VpII với VpI = R.sin; VpII = R./2.sin2

Để phân loại động cơ đốt trong, trong thiết kế người ta chú ýđến tốc độ trung bình của piston

2,30

cos cos 2

I II

Nhận xét: + Ý nghĩa của việc xác định giá trị gia tốc chuyển động của

piston là để xác định lực quán tính của khối lượng các chi tiết chuyển động tỉnh tiến Lực này có ảnh hưởng đến công suất của động cơ và sự cân bằng của nó

+ Trị số và gia tốc piston cực đại đối với động cơ ô tô máy kéonằm trong phạm vi:

3.2.2 Phân tích động lực học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu

3.2.2.1 Sơ đồ lực và moment tác động lên cơ cấu

 Pkt: Lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston

Hình 7

 Pj: Lực quán tính (văng) của khối lượng các chi tiết chuyển động thẳng.

 P: Lực tổng cộng tác dụng lên piston

 N: Lực ngang tác dụng lên vách xylanh, có hướng vuông góc với đường tâm

 Ptt: Lực dọc theo đường tâm thanh truyền

 Z: Lực pháp tuyến theo hướng nối từ tâm chốt đến tâm cổ khuỷu

 T: Lực tiếp tuyến vuông góc với lực pháp tuyến

 Mx: Moment xoắn của trục khuỷu

 ML: Moment lật của động cơ

3.2.2.2 Lực khí thể

Để xét lực và moment tác động lên cơ cấu, trước hết ta xét lực tác dụng lên piston Các lực này gồm có lực khí thể trong xylanh Pkt, lực quán tính chuyển động tịnh tiến Pj

Pkt: Áp suất khí thể trong xylanh, (MN/m2)

Fp: diện tích tiết diện của piston, (m2)

Lực khí thể là một đại lượng thay đổi theo góc quay của trục khuỷu:

Pkt = f(), xác định được từ áp suất khí thể pkt ở tính toán nhiệt của động cơ tại chế độ công suất cực đại

3.2.2.3 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

Lực quán tính được xác định theo công thức sau:

Pqt = mxJ với m: khối lượng của các chi tiết chuyển động

J: gia tốc chuyển động của các chi tiết

 Khối lượng của nhóm piston

mn = mp + mx + mc = 550,5 + 85 + 232 = 867,5 (g)với mn: khối lượng nhóm piston

mp: khối lượng của piston

mx: khối lượng của xéc – măng

mc: khối lượng của chốt piston

 Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay)

 Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R là phần khối lượng của chốt khuỷu

 Phần khối lượng chuyển động quay với bán kính  là phần khối lượng của 2 má khuỷu mm, với  là khoảng cách từ trọng tâm

má khuỷu đến tâm cổ khuỷu

 Quy dẫn khối lượng má khuỷu mm về tâm chốt khuỷu ta phải thay thế bằng khối lượng tương đương mmr và xác định bằng phương trình cân bằng lực quán tình như sau:

chK m

 Khối lượng của thanh truyền

 Tham khảo khối lượng thanh truyền của động cơ mẫu ta

có khối lượng thanh truyền là 1,1316 (kg)

 Hiện nay đối với các loại động cơ ô tô khối lượng quy

về đầu nhỏ và đầu to thanh truyền xác định theo công thức kinh nghiệm sau:

(0, 275 0,35) 0,34 1,1316 0,385( )(0,725 0,65) 0,6 1,1316 0,679( )

2 2 2

coscos 2

PjII: Lực quán tính tịnh tiến cấp II

Pj = PjI + PjII: là các hàm điều hòa với chu kỳ của PjI ứng với 1 vòng quay trục khuỷu và chu kỳ của PjII ứng với ½ vòng quay trục khuỷu

 Lực Pj luôn luôn tác dụng trên đường tâm xylanh và có hướng thay đổi khi piston đổi chiều chuyển động Khi piston ở ĐCT,

Pj mang dấu âm, chiều quay lên phía trên (chiều ly tâm với trục khuỷu)

 Khi piston ở ĐCD, Pj có dấu dương và chiều quay xuống

(hướng vào tâm trục khuỷu)

3.2.2.5 Lực quán tính (ly tâm) của khối lượng chuyển động quay P K

2

P  m R const

3.2.2.6 Hệ lực tác động lên cơ cấu

 Lực tác động lên đỉnh piston là hợp lực khí thể và lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến, do chúng tác dụng trên đường tâm xylanh nên lực tổng hợp của chúng có phương tác dụng trên đường tâm xylanh và có giá trị bằng tồng đại số của hai lực này

 

,

P P P MN

 Lực P được phân thành lực tác dụng dọc tâm thanh truyền Ptt

và lực ngang N ép lên thành xylanh, các lực này xác định bằngcông thức sau:

sin( )sin( )

coscos( )cos( )

Sau khi tính toán các giá trị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z

và lực ngang N theo góc quay trục khuỷu thì ta thu được các

đồ thị biểu diễn lực tác động lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền như sau: