Bài giảng do an mon dong co dot trong

ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NHÓM 5Nội dung thực hiện bao gồm các phần: Phần 1 : Tính toán nhiệt các quá trình => Tìm ra D,S... Đồ thị chỉ thị p - VQua đồ thị chỉ thị ta thấy chu trình làm vi

ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NHÓM 5

Nội dung thực hiện bao gồm các phần:

Phần 1 : Tính toán nhiệt các quá trình => Tìm ra D,S

Phần 2 : Tính toán động lực học và động học cơ cấu biên tay quay.Phần 3 : Tính toán động lực học và động học cơ cấu phân phối khí.Phần 4 : Tính toán các hệ thống phụ như bôi trơn, làm mát…

Yêu cầu thiết kế:

 Công suất động cơ : Ne = 220 (ml)

Phần I TÍNH TOÁN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ ĐIEZEL

I Quá trình nạp.

1 Tính áp suất tuyệt đối cuối thời kỳ nạp Pa.

− Tính theo công thức:

) 2 (kG/cm

o ε.T

1) - (ε o p ' o T h η o T r p a

Trong đó:

Pr: Áp suất cuối thời kì xả được tính theo công thức thực nghiệm Pê-trôp

Pr = 1,033(1+0,55.10-4.n) = 1,033(1+0,55.10-4.2400) = 1.17 (kG/cm2)

To: Nhiệt độ khí quyển, lấy To = 273 + t = 273 + 15 = 288oK

t: Nhiệt độ của môi trường t = 15oC

0,85 288

5 , 16

1) - 16,5 0,79.302.(

1,17.288 a

− Nó được xác định dựa trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng của khí mới nạp vàphần khí còn lại.

− Theo công thức:

K o 320 .1,17 850

288 1).1 - 16,5 ( 0,79.

288 16,5.0,85.

r

.p r

To

T o p ).

1 ε (

h η

o T a

ε.p

100 - 1,41

n

100 - 1,41 1

2 Tính áp suất cuối thời kỳ nén p c

) 2 (kG/cm 35

, 39 368 , 1 , 16 85 , 0 εn1 a p c

III Tính toán quá trình cháy.

Trong quá trình cháy các chất khí thay đổi cả về thành phần số lượng vàchất lượng Vì vậy khi nghiên cứu cần so sánh được sự thay đổi về thành phần,nhiệt độ, nhiệt dung trước và sau khi cháy

1 Số lượng thành phần khí trước khi cháy.

− Theo công thức: Mc = Mr + L (4)

Trong đó:

Mc: Lượng hỗn hợp trước khi cháy (Kmol)

Mr: Số mol khí còn lại sau khi xả (Kmol)m L: Lượng khí mới nạp (Kmol)

) 5 (

322 O 42 H 12 C 0,21 1 o L            Trong đó: H2 = 12,6%; O2 = 0,4%; C = 87,0% Thay vào (5) ta được: (Kmol) 0,49 32 0,004 4 0,126 12 0,87 0,21 1 o L          − Thực tế lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết nhiên liệu lớn hơn: Lot = α.Lo = 1,4.0,49 = 0,686 (Kmol) + Lot: Lượng không khí cần thiết thực tế + α: Hệ số nạp thừa không khí, lấy α = 1,4 + Nếu trong thành phần hỗn hợp có 1kg nhiên liệu lỏng thì số mol mồi mới nạp sẽ là: t m 1 o L α L   , nhưng do tỉ số t m 1 thường rất nhỏ nên khi tính toán ta có thể bỏ qua * Khí còn lại. − Hệ số khí còn lại γ được xác định từ phương trình đặc tính: 0,032 1).0,79 5 850.1.(16, 1,17.288

h 1).η -ε ( o p r T o T r p γ

o L α r M γ       Suy ra số mol khí còn lại trong xy lanh là: Mr = γ.α.Lo = 0,032.1,4.0,49 = 0,022 (Kmol) Vậy số mol mồi mới nạp: Mc = Mr + L = 0,022 + 1,4.0,49 = 0,708 (Kmol) 2 Số lượng thành phần khí sau khi cháy − Động cơ điezel α >1 → nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn − Lượng khí sau khi cháy là: Mz = M + Mr (6)

+ Số mol sản phẩm cháy M: (Kmol) 0,72 32 0,004 4 0,126 1,4.0,49

32 2 O 4 2

H o α.L M















 Mz = M + Mr = 0,73 + 0,022 = 0,752 (Kmol)

3 Phương trình cháy của động cơ điezel.

− Phương trình cân bằng nhiệt lượng của khí trước và sau khi cháy:

( ) 7 T

μ.C

= ) γ + (1 o α.L H

ξ.Q

+ T ).

λ 985 , 1 + C

p c

22 , 0 8 , 4 (

' V

C    

− Thay số vào ta tính được: CV’ = 4,957 + 6,057.10-4.Tz (8)

Suy ra:

CP’ = 1,985 + 4,957 + 6,057.10-4.Tz = 6,942 + 6,057.10-4.Tz (9)+ μ: Hệ số biến thiên phần tử tính toán, thể hiện sự thay đổi số mol cáckhí trước khi cháy so với sau khi cháy

 

1 γ

o L

2 O

42

H γ 1 o L α

c

Mz

M μ

126 , 0 1 γ 1 o L α

322

O

42

H 1

L α H Q ξ ) λ 985 , 1 V C (

c T 1

S    (10)

+ Độ tăng áp (λ = 1,1 ÷ 2,2): λ = Pz/Pc = 1,80

− Thay vào pt (10) :

) (Kcal/Kmol

18898,67

) 032 , 0 1 (

49 , 0 4 , 1

10000

78 , 0 )

80 , 1 985 , 1 205 , 5 (

81 , 897 1 S

A 985 , 1 (

μ

1

1 S ' p C μ

1 1 S z T

,045.(6,94 1

1 18898,67.

T

⇒

0 85 , 18084 -

z T 942 , 6 2 z T 4 - 10 057 , 6

* Thể tích cuối quá trình cháy V z

− Từ pt trạng thái viết cho hai điểm C và Z trên đồ thị trạng thái ta có:

Vz = ρ.Vc

Trong đó:

c T z T λ

μ

ρ  1 , 415

81 , 897

6 , 2187 8 , 1

045 , 1 ρ

) đvtt ( 415 , 1 1 81 , 897

6 , 2187 8 , 1

045 , 1 V T

T λ

μ V

c

z

IV Quá trình giãn sinh công.

− Ta coi chỉ số đa biến n2 = const, nó được tính theo công thức Pê-trôp:

27 , 1 2400

130 22 , 1 n

130 22 , 1 2

n     

1 Áp suất cuối thời kỳ giãn.

n2 δ

1 p

1,415

16,5 ρ

ε V

V V

V δ

z

a z

1 70,83.

2 Nhiệt độ cuối thời kỳ giãn.

K o 1127 1 1,27 ,66 1

1 2187,6.

1 2 n δ

1 z T b

Tr : Nhiệt độ cuối quá trình xả: Tr = 850oK

pr : Áp suất cuối quá trình xả: pr = 1,17 kG/cm2

V Tính toán áp suất chỉ thị trung bình.

1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán

1 1 1 1

1 1

2 n δ

1 1 1 2 n ρ λ.

1 ρ λ.

1

ε c

p ' i p

1 1

1 1,368

1 1

1,27 ,66 1

1 1

1 1,27

1,8.1,415 1

1,415 1,8.

ε 1.pi.

c T c

1,985.M i

Nhiệt lượng tương đương công sinh raToàn bộ nhiệt lượng đưa vào động cơ

− Vậy hiệu suất chỉ thị là ηi = 41,3 %

2 Hiệu suất cơ học.

i

p T

p i p i p e p i N e N m

η     (13)

− Với động cơ kết cấu buồng xoáy thì: pT = 0,922 + 0,00101.n = 3,346 kG/cm2

8,3 346 , 3 3 , 8 i

p T

p i p m

η     

− Vậy hiệu suất cơ học: η m= 60 %

3 Công suất chỉ thị N i

(ml) 67 , 66 3 0,6

220 m

ηe

N i

N   

4 Hiệu suất hiệu dụng ηe

% 24,8 0,248 0,413.0,6

m η η e

255 0 0,248.1000

3 632.10 H

.Q e η

632 e

7 Chi phí nhiên liệu giờ

nl/h) (Kg 56,1 3

10

255.220 3

10 e N e g T

VII Tính toán cân bằng nhiệt động cơ.

− Phương trình cân bằng nhiệt động cơ: Nhiệt lượng sinh ra bằng nhiệt lượngcấp vào Qv = Qr

Cp’ = 6,942 + 6,057.10-4.1023 = 7,562 (Kcal/kmol.độ)

− Nhiệt dung phân tử trung bình đẳng áp của mồi mới nạp:

CP 1 = CV 1 + 1,985 = 5,205 + 1,985 = 7,19 (Kcal/kmol.độ)Thay các thông số tìm được vào CT (15) ta được:

QK = 7,562.0,72.56,1.1023 – 7,19.1,4.0,49.56,1.288 = 232778,7 (Kcal/h)

4 Phần nhiệt lượng mất mát do nhiên liệu cháy không hết Q H ’

Vì α >1 nên QH’ = 0

5 Phần nhiệt lượng truyền cho nước làm mát Q B

Từ pt cân bằng nhiệt ta có: QH.GT = Qi + Qk + QH’ + QB

QB = QH.GT – Qi – QK – QH’ = 561000 – 231693– 232778,7

QB = 96528,3 (Kcal/h)

VIII Xác định các kích thước cơ bản của động cơ.

– Đường kính piston D và bước chạy piton S

– Ta chọn thiết kế loại động cơ có đặc tính sau:

+ Là loại động cơ Điezel 4 kỳ

+ Công suất của động cơ: Ne = 220 ml

+ Có hệ số thời kỳ: τ = 2

+ Động cơ có 8 xy lanh: i = 8

+ Buồng đốt thuộc loại buồng xoáy.

1 Xác định đường kính xylanh D và hành trình piston S.

– Từ công thức công suất động cơ:

.n.i m η i p

e N 450.τ n.i

e p e N τ 450.

h V 450.τ

.n.i h V e p e

) 3 (dm 07 , 2 00.8 8,3.0,6.24

450.2.220 h

0,8.3,14

4.2,07 3

0,8.πD h

4.V D

4

3 0,8.πD,8 h

– Hành trình piston: S = 0,8.D = 0,8.1,488 = 1,2 (dm)

2 Tính lại các thể tích.

) 3 (dm 0,134 c

V r V

) 3 (dm 2,211 a

V b V

) 3 (dm 211 , 2 16,5.0,134 c

ε.V a V

) 3 (dm 0,134 15,5

2,07 1

ε h V c V

.V ρ z

3 Công suất riêng của động cơ.

– Là công suất danh nghĩa ứng với một đơn vị diện tích đáy của tất cả cácpiston:

) 2 ml/dm ( 15,81

4

2 3,14.1,488 8.

220

4

2 πDD i.

e N r

4 Công suất thể tích N l

) 3 dm ml ( 13,175 1,2

15,81 S

r N

S 4

2 πD.D i.

e N h

i.V e N

Phần II TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU BIÊN TAY QUAY

I Động học cơ cấu

H1: Cơ cấu biên tay quay

– Chọn λ = 1/4, để đảm bảo động học cơ cấu và kích thước của động cơ sao chogọn nhất.

– Chuyển vị của piston có pt:

x = f(α) = r.(1- cosα + ( λ/2).sin2α) (16)Với 0 , 25

4

1 l

r

λ    và S = 2 → Chiều dài của biên là:

) dm ( 4 , 2 25 , 0 2

2 , 1 λ 2

S λ

r

) dm ( 6 , 0 2

2 , 1 2

S

r   

2 Vẽ đồ thị chuyển vị của piton

– Thay số vào pt (16) ta có pt chuyển vị:

(dm) α 2 sin 8

1 α cos 1 6 , 0

H2: Đồ thị chuyển vị của piston x = f(α)

3 Vẽ đồ thị tốc độ chuuyển động của piton

dt

dα dα

dx dt dx v

Suy ra: sin α

2

λ sinα 0,6.

32 , 51 2

1 4

λ Vmax

1 cosα 37897.

j

λcos(2α) cosα

.r.

2 ω

dtα

d α d

dv dt

dv j

H5: Đồ thị gia tốc của chuyển động pitston j = f(α)

H6: Đồ thị j = f(x)

II Động lực học cơ cấu

– Lực tác dụng lên piston:

P P

cos2α 4

1 α cos 2 r.ω 2 πD.D

4.m p

4

2 πD.D m.j

4

2 πD.D j P j p

m = mP + m1

mP: Khối lượng nhóm pitston

m1: Khối lượng của biên qui đổi về chốt piston

– Ta có:

j = 37897.(cosα + 41 cos2α) (dm/s2) = 3789,7.(cosα + 41 cos2α) (m/s2)

4

1 cosα 3789,7.

2 πDD

m A 2 πD.D

+

b F

10 b

G g p

F b

G b

l

0,725.l l

b

A

l1

l l b A 1

1 A p A j p

) 21 ( )

2 (kG/cm cos2α

4

1 cosα 10,7.

.cos2α 4

1 cosα ).3789,7.

0,03.0,275 (0,02

10

1

H7: Đồ thị pj = f(α)– Đồ thị áp lực quán tính:

+ 0,022 (G/cm )

l

0,725.l 0,03.

l

l m

H9 Sơ đồ thiết kế trục khuỷu – Khối lượng phần I:

/m) 2 (kGs 0,496 /m)

2 (Gs 96 4 44 , 7 4

2 3,14.10,4

10 85 , 7

b l 4

2 b πDd g

γ I V g

γ I m

/m) 2 (kGs 12 , 0 /m) 2 (Gs 117.32

32 , 22 72 , 3 3

1 0,2 2

10,4 2

12 10

7,85

.h d b 3

1 0,2 2

b d 2 c

d

r g

γ II V g

γ II m

.22,32 0,2

2

10,4 3,72.

3

2 2

1 10

7,85

.h 0,2

2b

d d b 3

2 2

1 g

γ III V g

γ III m

γ IV V g

γ IV m

.3,72 (kGs2/m)

3

2 2

12 6 22,32.

12 2

12 6 2

1 2 c d 2 c d

r 2

1 IV ρ

cm) ( 8 , 7 6 0,2 2

10,4 3

1

r 0,2

2b

d 3

1 III ρ

cm) ( 8,7 2

12 0,2 2

10,4 2

12 6 2

1 2 c d 0,2 2 b d 2 c d r 2

1 II ρ

cm) ( dm) ( , 0

r I ρ

0,12.8,7 r

II ρ II m KrII m II ρ II m r KrII m

(kg) 496 , 0 I m KrI m

IV ρ IV m KrIV m

/m) 2 (kGs 0,156 6

0,12.7,8 r

III ρ III m KrIII m

496 , 0

KrIV m KrIII m KrII m 2.

KrI m K m

/m) 2 (kGs 86 1,1 1,164 0,022

K m 2 m r

*Vậy lực quán tính ly tâm:

) N ( 6 , 4494 2

32 , 251 06 , 0 186 , 1 2 ω r r m c

3 Vẽ đồ thị chỉ thị.

H10 Đồ thị chỉ thị p - VQua đồ thị chỉ thị ta thấy chu trình làm việc của động cơ bao gồm các giaiđoạn sau:

Vẽ đường cong nén ép ac: Xác định thêm các điểm x trên đồ thị tương ứngvới vị trí piston đi từ điểm chết dưới đến điểm chết trên ( = 180o  360o).

1,368 x V

16,5 0,85.

n1 x V a V a p x 1 x V x 1 a V a p

2 πD.D c V x

1,415 83 , 0 n2 x V z V z p

s

15,5 z

V x

Từ các công thức (1), (2), (3), (4), (5), (6) ta lập các giá trị tương ứng của

x, V, p, pj , N, t theo  khi cho  = 0o  720o => vẽ được đồ thị: x = f();

p = f(x); p = f() …

*Vẽ đồ thị p i = f(x) và p i = f(α))

– Đường cong nén ép ac:

) 2 cm / kG (

368 , 1 x 2 , 1 5 , 15 1

5 , 16 85 , 0 368 , 1 Vx 5 , 16 85 , 0 ) α ( i p

α 2 sin 8

1 α cos 1 6 , 0 2 , 1 5 , 15 1

5 , 16

85 0 α f pi

15,5 1

1,415

83 , 0 1,27 Vx

1,415 83 , 0 pi

 

27 ,

sin 8

1 α cos 1 6 , 0 2 , 1 5 , 15 1

415 , 1

83 , 70 α f pi

pi = 70,83 (kG/cm2) Với α = 360o ÷ 381.4o và x = 0 dm ÷ 0,038 dm– Đường xả br’

pr = 1,17; α = 540o ÷ 720o Với x = 1,2dm ÷ 0 – Đường nạp

pi = - 0,01866.Vx + 1.13867 ( Đồ thị p-V đi qua hai điểm: a cuối kì nạp (16,5 đvtt; 0,85kG/cm2 và điểm rcuối kỳ xả )

5 , 15

5 , 15

Với α = 0 ÷ 180o và x = 0 ÷ 1,2 dm

1 1

l p

2

1 2 sin 2 λ 1

l p t

2 πDD p1.

p1.tgβ

α 2 sin 2 λ 1

sinα

4

2 πDD p1.

p1.tgβ N







Phần III TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

* Yêu cầu:

+ Xác định được kích thước các chi tiết của cơ cấu phân phối khí

+ Vẽ sơ đồ cơ cấu phân phối khí: Bộ phận đóng kín, bộ phận phân phối(cam xả và cam nạp),bộ phận truyền lực (xích cam, các bánh răng truyền động từtrục cam đến trục phân phối)

+ Vẽ đồ thị pha phân phối khí

* Nội dung cụ thể:

1 Sơ đồ cơ cấu phân phối khí.

– Ta chọn loại cơ cấu phân phối khí có cơ cấu xupáp đặt theo kiểu treo, loại nàythường có kích thước nhỏ gọn (phù hợp cho các loại ôtô du lịch)

hc: Độ nâng của cam phân phối.

h= (a/b).hc : Hành trình nâng của xupáp, nó xác định diện tích lưu thông hỗn hợpnhiên liệu vào trong buồng đốt của xupáp

2 Tính toán và lựa chọn kích thước của xupáp.

Hình 18 Sơ đồ tính toán xupáp– Trong đó:

d: Đường kính thân xupáp

d1: Đường kính đĩa xupáp

: Góc nghiêng bề mặt làm việc của xupáp, ta chọn  = 100

h: Độ nâng (hay độ thụt) cực đại của xupáp

dm: Đường kính trung bình của nón cụt

b: Đường sinh của tiết diện lưu thông khí khi xupáp mở hoàn toàn

r: Góc lượn giữa thân và đĩa xupáp

– Các giá trị d1 và d2 của xupáp được giới hạn bởi đường kính của xylanh D vàcách bố trí xupáp trong buồng đốt Ta không nên chọn lớn quá vì sẽ làm cản trở

d1= (0,42  0,5).D ( đối xupáp hút)

d1= (0,4  0,45).D ( đối xupáp xả)– Do góc vát bề mặt làm việc của xupap  = 450 nên ta lấy d2 = 0,87.d1

– Độ nâng cực đại của xupap h = 0,25.d2/cosφ Vì để đảm bảo lưu thông bìnhthường thì tiết diện lưu thông cực đại fmax phải bằng tiết diện lỗ khí nạp:

fmax = .d2.h.cos

– Đưòng kính thân xupáp: Lấy sơ bộ d = (0,2 ÷ 0,3).d1

– Đường kính trung bình của nón cụt: dm = d2 + b.sin

– Tiết diện lưu thông lớn nhất:

fmax = .dm.b =  h.cos.(d2 + h.cos.sin)– Để giảm sức cản thủy lực học, ta tạo góc lượn giữa thân và đĩa:

r = (0,2  0,3).d1

* Tính toán với xupáp nạp.

+ Lấy: d1 = 0,45.D = 0,46.14,88 = 6,845 cm

+ Đường kính lỗ nạp xupáp hút: d2 = 0,87.d1 = 0,87.6,845 = 5,955 cm.+ Độ nâng cực đại của xupáp:

h = 0,25.d2/cos450 = 0,25.5,955/0,707 = 2,105 cm+ Đường kính thân xupáp: d = (0,2 ÷ 0,3).d1 = 0,25.6,845 =1,711 cm

+ Đường kính trung bình của nón cụt:

dm = d2 + b.sin

= d2 + h.cosφ.sinφ = 5,955 + 2,105.cos450.sin450 = 6,7 cm

+ Tiết diện lưu thông cực đại:

fmax = .dm.b =  h.cos.(d2 + h.cos.sin)

+ h = 0,25.d2/cos450 = 0,25.5,825/0,707 = 2,06 cm

+ Đường kính thân xupáp: d = (0,2 ÷ 0,3).d1 = 0,25.6,696 =1,674 cm

+ Đường kính trung bình của nón cụt:

dm = d2 + b.sin

= d2 + h.cosφ.sinφ = 5,825 + 2,06.cos450.sin450 = 6,855 cm

+ Tiết diện lưu thông cực đại:

f = .h.(0,707.d2 + 0,353.h)

= 3,14.2,06.(0,707.5,825 + 0,353.2,06) = 31,34 cm2

+ Bán kính góc lượn giữa thân và đĩa xupáp:

r = 0,25.d1 = 0,25.6,696 = 1,674 (cm)

3 Đồ thị pha phân phối khí.

– Khi khảo sát các quá trình nạp và xả, ta thấy tác dụng của mở sớm vàđóng muộn các xupáp xả và nạp trên nguyên lý lợi dụng sự chênh lệch áp suấtbên trong và bên ngoài buồng đốt để giảm công chi phí trao đổi khí, khí đó sẽlàm tăng hiệu suất nạp, xả nghĩa là nạp được đầy hơn và xả sạch hơn tiết diện lưuthông khí lớn nhất

– Đồ thị pha biểu diễn thời điểm và thời gian mở, đóng xupáp theo gócquay trục khuỷu Tùy loại động cơ và tốc độ quay khác nhau mà mà đồ thị phaphân phối khí khác nhau

Hình 19: Đồ thị pha phân phốiTrong đó:

ξ: Góc mở sớm của xupáp nạp Ta chọn ξ = 10o (Vì số vòng quay thiết kế

n = 2400 vg/ph, quay nhanh, do yêu cầu nạp đầy)

λ: Góc đóng muộn của xupáp nạp Chọn λ = 40o

: Góc mở sớm của xupáp xả Chọn  = 50o

: Góc đóng muộn của xupáp xả Chọn  = 10o

– Xupáp mở sớm, đóng muộn sẽ kéo dài thời gian nạp và thoát → “tiết diện - thờigian” sẽ tăng lên

4 Cấu tạo biên dạng của cam.

– Đường kính xupáp, độ nâng cực đại hmax và pha phân phối chưa đủ đặc trưngcho sự làm việc của cơ cấu phân phối khí Ngoài các yếu tố trên, ta cần phải biếtquy luật thay đổi tiết diện lưu thông của xupáp theo thời gian hay là tiết diện thờigian Nó ngoài phụ thuộc vào pha phân phối còn phụ thuộc vào biên dạng củacam trên trục phân phối

– Khi thiết kế trắc diện cam, cần thỏa mãn việc mở hoàn toàn xupáp một cách độtngột và sau đó việc đóng cũng xảy ra một cách đột ngột Nhưng khi đó lực quán





ĐCD

 λ



ξ ĐCT