Đồ án động cơ đốt trong thiết kế động cơ 4 kì, 4 xy lanh được bố trí thẳng hàng

Đồ án thiết kế hệ thống động cơ Ôtô: giúp ta tìm hiểu và thiết kế động cơ đốt trong, qua đó ta có thể củng cố lại các kiến thức đã học trong các môn học như Nguyên lý máy, Chi tiết máy,

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, ô tô đã trở thành phương tiện thông dụng của các cơ quan, doanh nghiệp và cá nhân Tuy vậy ô tô vẫn là tài sản lớn và viêc tìm hiểu và tính toán thiết

kế động cơ ô tô là điều rất cần thiết đối với sinh viên cơ khí động lực, kỹ

sư ô tô.

Đồ án thiết kế hệ thống động cơ Ôtô: giúp ta tìm hiểu và thiết kế động cơ đốt trong, qua đó ta có thể củng cố lại các kiến thức đã học trong các môn học như Nguyên lý máy, Chi tiết máy, Vẽ kỹ thuật cơ khí , và giúp sinh viên có cái nhìn tổng quan về việc thiết kế động cơ.

Qua đó bản thiết kế “Đồ án động cơ đốt trong” đã giúp chúng ta phần

nào có thể hình dung ra được cách tính toán, trình tự thiết kế ra một động cơ đốt trong.Và dưới đây là bản thiết kế đồ án động cơ đốt trong

mà tôi đã áp dụng những kiến thức về tính toán động cơ, nguyên lý động

cơ đốt trong, Kết cấu động cơ…để thiết kế Thêm vào đó, trong quá trình thực hiện các sinh viên có thể bổ sung và hoàn thiện kỹ năng vẽ AutoCad, điều rất cần thiết với một sinh viên cơ khí động lực.

Tôi chân thành cảm ơn Thầy Hoàng Ngọc Dương, các thầy cô và

các bạn khoa cơ khí động lực đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án.Với kiến thức còn hạn hẹp, vì vậy thiếu sót là điều không thể tránh khỏi, em rất mong nhận được ý kiến từ thầy cô và các bạn

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ

A GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN:

1 Đặc điểm động cơ thiết kê:

Động cơ thiết kế là động cơ 4 kì, 4 xy lanh được bố trí thẳng hàng (I4)

+Công suất danh nghĩa: Nen=47,1Kw+Tốc độ vòng quay danh nghĩa: nn=5500 (v/ph)Được sử dụng trên xe ôtô HONDA CR-V LATERE8

2 Tổ chức quá trình cháy :

a Loại nhiên liệu :

Nhiên liệu dùng cho động cơ là xăng

Các thành phần có trong nhiên liệu: C, H, O, S [1, tr.39]

Nhiên liệu Thành phần khối lượng

Khối lượngPhân tử(kg / kmol

Dòng xoáy lốc được tạo ra khi nén có cuồng độ lớn hơn so với dòng xoáy được tạo

ra khi nạp, nên hòa khí được tạo ra nhanh hơn Vì vậy kể cả khi phun nhiên liệu rất trễ,quá trình cháy vẫn kết thúc kịp thời và động cơ có thể chạy ở tốc độ cao Mặt khác sốmàng lửa xuất hiện đầu tiên trong vòi phun một lỗ ít hơn nhiều so với vòi phun nhiều lỗ,nhờ đó giảm được tốc độ cháy, tốc độ tăng áp khí cháy và tiếng ồn của động cơ

Chọn buồng đốt xoáy lốc cần làm cho thời điểm cháy hơi muộn một chút (sátđiểm chết trên), vì vậy trong thời gian cháy ở buồng cháy chính, pittông bắt đầu đi xuống,nhiệt độ môi chất sẽ giảm do giãn nở đã hạn chế sự hình thành NOx.

c Hệ thống nhiên liệu:

Sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng phun xăng điều khiển điện tử , lý do ápsuất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng lẽ, nhiên liệu áp suất cao đượcphân phối đến từng kim phun theo yêu cầu Lợi ích của kim phun là làm giảm mức độtiếng ồn, nhiên liệu được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểmsoát lượng phun, thời điểm phun Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệucao hơn

Nhiên liệu được cung cấp theo hình thức đa điểm, thời điểm cung cấp và lượngnhiên liệu cung cấp phụ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ ECU nhận tín hiệu từcác cảm biến (Cảm biến nhiệt độ khí nạp, Cảm biến lưu lượng khí nạp, Cảm biến nhiệt độđộng cơ, Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu, Cảm biến áp suất , Cảm biến áp suất khí nạp, Cảmbiến vị trí bàn đạp ga, Cảm biến vị trí bướm gió, Cảm biến vị trí trục cam v.v…) gửi về,sau đó phân tích chế độ hoạt động của động cơ và điều khiển thời điểm và thời lượngphun nhiên liệu

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu:

Nguyên lý hoạt động: Nhiên liệu được bơm cung cấp từ thùng chứa lên đường ống

thấp áp đến lọc để loại bỏ các chất cặn và nước nếu có rồi lên bơm cung cấp, tại đâynhiên liệu lại đi qua một lọc tinh để đảm bảo nhiên liệu hoàn toàn sạch Một bơm tiếp vậnkhác tại bơm cung cấp nhiên liệu vào hai buồng nén tạo cao áp của bơm cung cấp nhiênliệu Nhiên liệu trước khi vào buồng cao áp được điều khiển thông qua van với tín hiệucung cấp từ ECU Việc tao áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong

hệ thống Áp suất phun được tạo ra độc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra Nhiênliệu được dự trữ với áp suất cao trong ắc quy thủy lực Lượng phun ra được quyết địnhbởi bàn đạp chân ga, thời điểm phun cũng như áp sấp phun được tính toán bằng ECU dựatrên các biểu đồ lưu trữ trên nó Sau khi ECU điều khiển kim phun của các vòi phun tạimỗi xylanh động cơ để phun nhiên liệu nhờ thông tin từ các cảm biến với áp suất phun cóthể lên dến 1500bar Nhiên liệu còn thừa sẽ hồi về thùng chứa nhiên liệu thông qua mạchdầu hồi bố trí trên kim phun

Ưu điểm:

+ Tiêu hao nhiên liệu thấp

+ Phát thải khí ô nhiễm thấp

+ Động cơ làm việc êm dịu, giảm được tiếng ồn

+ Cải thiện tính năng động cơ

Nhược điểm:

+ Thiết kế và chế tạo phức tạp đòi hỏi ngành công nghệ cao

3 Hệ thống nạp – xả

Chọn cơ cấu phân phối khí kiểu xupáp treo vì dung tích buồng cháy của động cơ

xăng nhỏ, tỷ số nén rất cao, nên cơ cấu xupáp treo cho buồng cháy gọn, diện tích mặttruyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn thất nhiệt Giúp cho đường nạp thải thanh thoáthơn, khiến sức cản khí động giảm nhỏ, đồng thời do có thể bố trí xupáp hợp lí hơn nên cóthể tăng tiết diện lưu thông của dòng khí tuy nhiên cơ cấu xupáp treo tồn tại một sốnhược điểm như: cơ cấu dẫn động xupáp khá phức tạp và làm tăng chiều cao động cơ,ngoài ra còn làm cho nắp xylanh trở nên hết sức phức tạp và khó đúc

Sử dụng phương pháp dẫn động bằng cơ cấu cam - con đội - đũa đẩy - đòn gánh,

vì phương pháp dẫn động này cho khả năng bố trí trục cam ở nhiều vị trí thích hợp hơn sovới dẫn động trực tiếp

Hình 2: Sơ đồ cấu tạo hệ thống phân phối khí

Nguyên lý hoạt động: khi động cơ hoạt động kéo bánh răng 16 dẫn động bánh

răng trục cam quay khiến các vấu cam bánh răng 13 quay theo Vấu cam đẩy con đội 12,đũa đẩy 11 đi lên ép cần bẩy 6 quay quanh trục 7 tì ép đuôi xupáp, qua đĩa lò xo 5 ép lò

xo 4 để đẩy xupáp 2 đi xuống mở cửa thông: khi đỉnh vấu cam trượt qua đáy con đội thì

lò xo xupáp 4, thông qua đĩa lò xo 5 đẩy xupáp đi lên đóng cửa thông đồng thời qua cầnbẩy 6 ép đũa đẩy 11 và con đội 12 đi xuống để đẩy con đội tiếp xúc với mặt cam

+ Nếu nhiệt độ mát quá mức làm cho nhiên liệu khó bay hơi và cháykhông kiệt tạo muội than làm bó kẹt vòng găng gây giảm công suất vàtăng tiêu hao nhiên liệu

Nhiệm vụ của hệ thống làm mát là lấy đi số nhiệt dư thừa của các chi tiết rồi tỏa

số nhiệt này ra bên ngoài không khí

Ta chọn hệ thống làm mát kiểu kín: bởi vì hệ thống làm mát kiểu kín thiết lập và

ổn định chế độ nhiệt có lợi nhất cho sự làm việc của động cơ ở chế độ tải định mức vàcác chế độ khác, giảm tổn thất nhiệt cho nước làm mát, tăng hiệu suất chỉ thị, giảm haomòn lót xylanh-xécmăng, tăng độ bền nhiệt cho lót xylanh

Hình 3: Hệ thống làm mát

1-thân máy ; 2-nắp xylanh ; 3-đường nước ra khỏi động cơ ; 4-ống dẫn bọt nước ;5-van hằng nhiệt ; 6-nắp rót nước ; 7-két làm mát ; 8-quạt gió ; 9-puli ; 10-ống nước nốitắt vào bơm ; 11-đường nước vào động cơ ; 12-bơm nước ; 13-két làm mát dầu ; 14-ốngphân phối nước

Nguyên lý hoạt động: nước tuần hoàn nhờ bơm nước 12, qua ống phân phối nước

14 vào các khoang chứa các xylanh Nước làm mát nhiệt độ thấp được bơm 12 hút từbình chứa phía dưới của két 7 qua đường ống 10 rồi qua két 13 để làm mát dầu sau đóvào động cơ Để phân phối nước làm mát đều cho mỗi xylanh, nước sau khi bơm vàothân máy 1 chảy qua ống phân phối 14 đúc sẵn trong thân máy Sau khi làm mát xylanh,nước lên làm mát nắp máy rồi theo đường ống 3 ra khỏi động cơ với nhiệt độ cao đến vanhằng nhiệt 5 khi van hằng nhiệt mở, nước qua van vào bình chứa phía trên của két nước.Tiếp theo nước từ bình chứa phía trên đi qua các ống mỏng có gắn các cánh tản nhiệt Tạiđây nước được làm mát bởi dòng không khí qua két do quạt 8 tạo ra Quạt được dẫn độngbằng puli từ trục khuỷu động cơ Tại bình chứa phía dưới của két làm mát, nước có nhiệt

độ thấp lại được bơm hút vào động cơ thực hiện một chu trình làm mát tuần hoàn

5 Hệ thống bôi trơn:

Lý do phải bôi trơn: trong quá trình làm việc, các chi tiết chuyển động tương đốivới nhau luôn xảy ra ma sát giữa các bề mặt, gây mài mòn, đồng thời làm tăng nhiệt độcác chi tiết Vì vậy động cơ chúng ta cần được bôi trơn các bề mặt ma sát

Nhiệm vụ:

Đưa dầu đến các bề mặt ma sát để bôi trơn bề mặt, lọc sạch những tạp chất lẫntrong dầu nhờn tẩy rửa các bề mặt ma sát này và làm mát dầu nhờn để đảm bảo tính nănghóa lý của nó

Làm mát các bề mặt ma sát và bảo vệ các chi tiết không bị oxyt hóa bề mặt

Bao kín khe hở giữa pittông và xylanh, giữa xécmăng và pittông

Dùng phương án bôi trơn cưỡng bức cacte ướt: dầu nhờn trong hệ thống bôi trơnđược bơm dầu đẩy đến các bề mặt ma sát dưới một áp suất nhất định, do đó hoàn toàn cóthể đảm bảo yêu cầu bôi trơn, làm mát và tẩy rửa các bề mặt ma sát

Và xe hoạt động ở độ nghiêng không lớn lắm nên dùng phương án bôi trơn cưỡngbức cacte ướt.

Sơ đồ cấu tạo:

Hình 4 Sơ đồ cấu tạo hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte ướt

1-cacte dầu; 2-bơm dầu; 3-van an toàn; 4-que thăm dò; 5-bánh răng trung gian; bình lọc ly tâm; 7-van nhiệt; 8-két làm mát; 9-van ổn áp; 10-trục cam; 11-đồng hồ đo ápsuất dầu; 12-trục giàn cần bẩy xupap; 13-đường dầu chính; 14-khoang chứa dầu trongchốt khuỷu; 15-trục khuỷu; 16-miệng phễu đổ dầu

6-Nguyên lý hoạt động: bơm dầu 2 hút dầu từ cacte 1 để đưa dầu có áp suất tới bình

lọc 6, sau đó qua két làm mát 8 đến đường dầu chính 13 Từ đường dầu chính, dầu có ápsuất đi vào lỗ khoan trên thân máy đến bôi trơn các cổ chính và các ổ đỡ trục cam Từ các

cổ chính dầu đi vào các lỗ xiên trên trục khuỷu đến không gian rỗng 14 trong chốt khuỷurồi từ đó dầu sạch đi vào bôi trơn bạc đầu to thanh truyền và chốt khuỷu Các cặn bẩn lẫntrong dầu được giữ lại mặt thành xa tâm quay của không gian 14 nhờ tác dụng ly tâm củadầu quay theo trục khuỷu Từ đường dầu chính còn có một đường dầu dẫn tới trục rỗng

12 của giàn cần bẩy xupap, từ đó dầu đi bôi trơn các bạc của cần bẩy, mặt cầu của vítđiều chỉnh khe hở xupap, sau đó tự chảy dọc theo đũa đẩy xuống bôi trơn con đội và vấucam của trục cam

Ưu điểm: đảm bảo bôi trơn tốt các ổ trục do đó giảm được mài mòn và tổn thất

ma sát, tăng tuổi thọ động cơ

Nhược điểm: kết cấu hệ thống rất phức tạp.

Nhiệt độ làm việc không được quá giới hạn cho phép

Phải đảm bảo khởi động lại được nhiều lần

Tỉ số nén từ bánh răng của máy khởi động và bánh răng của bánh đà nằm tronggiới hạn cho phép (từ 9 18)

Chiều dài, điện trở của dây dẫn nối từ acqui đến máy khởi động phải nằm tronggiới hạn quy định (<1m)

Moment khởi động phải đủ để khởi động được động cơ

Sơ đồ cấu tạo:

Hình 5: Sơ đồ cấu tạo hệ thống khởi động

1-máy khởi động; 2-ắc quy; 3-công tắc khởi động; 4-động cơ điện khởi động; rơle kéo; 6-đĩa đồng tiếp điện; 7-cuộn dây của rơle kéo; 8-lõi thép; 9-lò xo hồi vị; 10-dẫnđộng bánh răng khởi động; 11-nạng gạt; 12-bánh răng khởi động; vành răng bánh đà.

5-Nguyên lí hoạt động: khi đóng khóa khởi động 3 sẽ có dòng điện qua cuộn dây

điện từ 7 kéo lõi từ 8 sang trái Một đầu của lõi từ gắn với đĩa đồng tiếp điểm 6, đầu khácnối với tay đòn 11, dẫn động bánh răng khởi động 12 khi đĩa đồng 6 nối tiếp điểm củađộng cơ khởi động 4 thì đồng thời bánh răng 12 cũng vào ăn khớp với vành răng 13 trênbánh đà Trục động cơ điện 4 quay sẽ làm cặp bánh răng 12, 13 quay theo thực hiện khởiđộng động cơ ôtô Sau khi máy đã nổ, ngắt khóa khởi động 3, cắt dòng điện vào cuộnđiện từ 7, lực hút lõi từ triệt tiêu nên lực lò xo 9 đẩy tay đòn 11 gạt bánh răng 12 sangtrái, cắt truyền động giữa cặp bánh răng 12 và 13 kết thúc khởi động

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

A CHỌN CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ:

1 Loại động cơ:

-Động cơ thiết kế là động cơ xăng vì động cơ xăng có kết cấu nhỏ gọn,nhẹ tihchs hợp choviệc thiết kế ô tô,du lịch,ô tô vận tải nhẹ duy chỉ có nhiên liệu xăng là đắt hơn nhiên liệudầu

-Thiết kế động cơ xăng 4 kì vì tính hiệu quả về kinh tế ,ít ô nhiễm môi trường quá trìnhnạp và xả diễn ra hoàn thiện hơn

2 Công suất (Ne):

Công suất danh nghĩa Nen=125Kw

3 Số vòng quay (n):

Số vòng quay danh nghĩa nn=5800 (v/ph)

4 Số xy lanh (i):

Chọn thiết kế động cơ có 4 xy lanh (i=4) thẳng hàng vì:

-Tạo ra sự đồng đều khi trục khuỷu quay

-Vì số xy lanh là chẵn nên việc dùng đối trọng để cân bằng lực quán tính và moment quántính sẽ dễ dàng hơn

1 Áp suất không khí nạp p 0 :

p0 =0,1013 MN/m2 hay p0 = 1,03 bar ([2],27)

2 Nhiệt độ không khí nạp mới T 0 :

tkk=290C (là nhiệt độ không khí trung bình ở nước ta)

 T0=29+273=302 0K

3 Áp suất khí nạp trước xuppap nạp (p k ):

Đối với động cơ 4 kì không tăng áp thì pk = p0

4 Nhiệt độ khí nạp trước xuppap nạp (T 0 ):

Đối với động cơ 4 kì không tăng áp thì Tk = T0

5 Áp suất cuối quá trình nạp p a :

Đối với động cơ không tăng áp áp suất cuối quá trình nạp pa phải bé hơn áp suất khíquyển p0 thường xác định bằng công thức thực nghiệm:

pr = pth +pr trong đó : pth là áp suất khí thải ra ngoài

pr là áp suất thất thoát qua xuppap xả ,đường ống xả

Thông thường pr được xác định theo công thức thực nghiệm:

Chọn Tr=10000K

8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới:

Khi khí nạp mới được hút vào xy lanh thì trong qua trình di chuyển tiếp xúc với thànhvách xy ống nạp,xuppap nên nhiệt độ khí nạp sẽ tăng lên giá trị T

Đối với động cơ xăng : T = (10-30) 0K (2-4) ([2],32)

10 Hệ số quét buồng cháy 2:

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

11 Hệ sô dư lượng không khí :

Với M0 là số kmol không khí cần đốt cháy hết 1kg nhiên liệu

M1 là số kmol không khí thực tế đi vào xy lanh

Chọn  =0,9

12 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t:

Đối với động cơ xăng  =0,9 thì chọn t=1,15 ([2],32)

13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (z):

15 Hệ số điền đầy đồ thị công (d):

Hệ số điền đầy đồ thị công sẽ đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế

so với đồ thị công tính toán

trong đó : pz là áp suất cuối quá trình cháy

p0 là áp suất cuối quá trình nén

đối với động cơ xăng: p =3-4 (2-11) ([2],35)

chọn p=3,5

STT Thông Số Kí hiệu Gía trị Đơn vị

m là chỉ số nén đa biến trung bình của không khí m=1,5

a

T T p

T p

p p

Vậy r  0,065 (0,05 0,15)   động cơ xăng

-Nhiệt độ cuối quá trình nạp:

1

1

m m a

r a

r

p

T T T

p T

1,5 1 1,5

n1 là chỉ nén đa biến trung bình n1=1,28-1,37 ([1],33)

-Mục đích của việc tính toán quá trình cháy là để xác định áp suất cuối quá trình cháy pz

và nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz

-Để tính toán ta chia làm 2 giai đoạn:

a Giai đoạn tính toán tương quan nhiệt hóa:

Mục đích của việc tính toán tương quan nhiệt hóa là để xác định các đại lượng đặctrưng cho quá trình cháy về mặt nhiệt hóa để làm tiền đề cho việc tính toán nhiệt động.-Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu lỏng:

-Hệ số thay đổi phân tử thực tế:

0

1

r r

b Giai đoạn tính toán tương quan nhiệt động:

-Nhiệt độ cuối quá trình cháy ta xác định như sau:

3 2

2,98.10  T z 20,05T z 82447, 7 0

0 0

2225

1508 6

36, 6

3,5 6

b

Vậy ta tính được: Tb=15080K ; pb=3,5 bar

Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót:

0 3

3

1508

1050 3,5

D CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHU TRÌNH CÔNG TÁC VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ:

1 0

423 .10

.

v i