ĐỒ án MÔN HỌC THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ đốt TRONG

Đây là một học phần quan trọng trong chương trình đào tạo của nghành động lực, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thức đã học vào quá trình tính toán thiết kế đ

2

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đầy, nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh Bên cạnh

đó kỹ thuật của nước ta cũng từng bước tiến bộ Trong đó phải nói đến ngành động lực và sản xuất ôtô, chúng ta đã liên doanh với khá nhiều hãng ôtô nổi tiếng trên thế giới cùng sản xuất và lắp ráp ôtô Để góp phần nâng cao trình độ và kỹ thuật, đội ngũ kỹ sư của ta phải tự nghiên cứu và chế tạo, đó là yêu cầu cấp thiết

Có như vậy ngành ôtô của ta mới đuổi kịp với đà phát triển của các quốc gia trong khu vực và trên thế giới

Sau khi được học hai học phần của ngành động lực là nguyên lý động cơ đốt trong , kết cấu và tính toán động cơ đốt trong cùng một số môn cơ sở nghành khác (sức bền vật liệu, cơ lý thuyết, vật liệu học, ), sinh viên được giao nhiệm

vụ làm đồ án môn học tính toán động cơ đốt trong Đây là một học phần quan trọng trong chương trình đào tạo của nghành động lực, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thức đã học vào quá trình tính toán thiết

kế động cơ đốt trong

Trong đồ án này, em được giao nhiệm vụ tính toán và thiết kế động cơ

DN4-0821 với các thông số kĩ thuật đã cho Trong suốt quá trình thực hiện đồ án, em

đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu bên ngoài cùng với vận dụng những kiến thức đã học tại lớp, làm việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án một cách tốt nhất Tuy nhiên, quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót

+ 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 các thông số chỉ thị và các thông số có ích của chu trình công tác như: áp suất chỉ thị trung bình pi, áp suất có ích trung bình pe, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne, hiệu suất 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 toán động 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 thể được 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

4

1.1 CÁC THÔNG SỐ TÍNH

Các thông số cho trước

- Kiểu động cơ: Diesel 4 kỳ

Khối lượng nhóm thanh

Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cacte ướt

Hệ thống làm mát Cưỡng bức, sử dụng môi chất lỏng

Hệ thống nạp TurboCharger Intercooler

Hệ thống phân phối khí 16 valve, DOHC

S (m) : Hành trình dịch chuyển của piston trong xilanh

N (vòng/phút) : Tốc độ quay của động cơ

Do Cm > 9 m/s nên động cơ là động cơ tốc độ cao hay động cơ cao tốc

Chọn trước: n1 = 1,35 ( chỉ số nén đa biến trung bình)

n2 = 1,25 (chỉ số giãn nở đa biến trung bình)

+ Áp suất khí cuối kỳ nạp:

Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp ta chọn: pa = (0,9 - 0,96)pk

Trong đó:

 pk là áp suất môi chất mới ở trước xupáp nạp

Đối với động cơ tăng áp pk > pth > p0,

= 8,9(1.516)

6

+Thể tích công tác: [dm ]

4

π.DS

2

h Trong đó:

Vc = Vh

ε−1=

0,587516−1 = 0,0391 dm

3 + Vận tốc góc của trục khuỷu:

ω = π.n

30 =

π.4200

30 = 439,82(rad/s)

 Áp suất khí sót (động cơ cao tốc) chọn:

 Đối với động cơ cao tốc:

pr = (1,05÷1,1)pth

Trong đó

 pth là áp suất trước tuôcbin

Với động cơ tăng áp pth = (0,9-1.0) pk

P

P 

Để dễ vẽ ta tiến hành chia Vh thành  khoảng , khi đó i = 1, 2 , 3, 

c Xây dựng đường giãn nở

Gọi Pgnx , Vgnx là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình giãn nở của động cơ.Vì quá trình giãn nở là quá trình đa biến nên ta có:

const V

.

n

C gnx

Z n

Z gnx Z

V V P V

V P

i

P

P  

Để dể vẽ ta tiến hành chia Vh thành  khoảng , khi đó i = 1, 2 , 3, 

c Xây dựng đường giãn nở

Gọi Pgnx , Vgnx là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình giãn nở của động cơ.Vì quá trình giãn nở là quá trình đa biến nên ta có:

const V

P n nx

nx 

n

C gnx

Z n

Z gnx

Z

V V P V

i

P

P  

Để dể vẽ ta tiến hành chia Vh thành  khoảng , khi đó i = 1, 2 , 3, 

d Biểu diễn các thông số

- Biểu diễn thể tích buồng cháy: Chọn Vcbd = 10 [mm]



cbd

c V

Để đơn giản cho quá trình tính toán ta chia Vhbd thành 𝜀 = 16 khoảng bằng nhau

Về giá trị biểu diễn ta có đường kính của vòng tròn Brick AB bằng giá trị biểu diễn Vh, nghĩa là giá trị biểu diễn cửa AB = Vhbd

+ Giá trị biểu diễn của đường kính vòng tròn Brick

Bảng 1-1: Bảng giá trị đồ thị công động cơ Diesel

in1 1/in1 Pc*1/in1 Pn(mm) in2 1/in2 Pz.n2\in2 Pgn(mm)

ρVc 1.5 0.0588 15 1.729 0.578 4.39654 98.7987 1.66 0.6024 8.9 200 2vc 2 0.0783 20 2.549 0.392 2.98156 67.0014 2.3784 0.42045 6.21179 139.59 3vc 3 0.1175 30 4.407 0.227 1.72473 38.7579 3.9482 0.25328 3.74199 84.09 4vc 4 0.1567 40 6.498 0.154 1.16964 26.2841 5.6569 0.17678 2.61173 58.691 5vc 5 0.1959 50 8.782 0.114 0.86542 19.4476 7.4767 0.13375 1.97602 44.405 6vc 6 0.235 60 11.23 0.089 0.6766 15.2044 9.3905 0.10649 1.57331 35.355 7vc 7 0.2742 70 13.83 0.072 0.54948 12.3479 11.386 0.08783 1.29757 29.159 8vc 8 0.3134 80 16.56 0.06 0.45884 10.3111 13.454 0.07433 1.0981 24.676 9vc 9 0.3526 90 19.42 0.051 0.39139 8.79523 15.588 0.06415 0.94777 21.298 10vc 10 0.3917 100 22.39 0.045 0.3395 7.62912 17.783 0.05623 0.83081 18.67 11vc 11 0.4309 110 25.46 0.039 0.29851 6.70802 20.033 0.04992 0.7375 16.573 12vc 12 0.4701 120 28.63 0.035 0.26542 5.96458 22.335 0.04477 0.6615 14.865 13vc 13 0.5092 130 31.9 0.031 0.23824 5.35366 24.685 0.04051 0.59851 13.45 14vc 14 0.5484 140 35.26 0.028 0.21556 4.84397 27.081 0.03693 0.54556 12.26 15vc 15 0.5876 150 38.7 0.026 0.19639 4.41318 29.52 0.03388 0.50048 11.247 16vc 16 0.6268 160 42.22 0.024 0.18 4.04494 32 0.03125 0.46169 10.375

1.3.2 Cách vẽ đồ thị công động cơ Diesel 4 kì tăng áp

+ Vẽ hệ trục tọa độ P-V theo tỉ lệ xích: μv = 0,00391 (dm3/mm),

μp = 0,0445(MN/m2.mm)

+ Từ bảng giá trị đồ thị công ta vẽ đường nén và đường giãn nở

10

+ Vẽ nửa vòng tròn của đồ thị Brick để xác định các điểm đặc biệt:

- Điểm phun sớm c’ : Xác định từ đồ thị Brick ứng với góc phun sớm φs=

11𝑜

- Điểm c : (Vc , Pc= 7,6 MN/m2)

- Điểm mở cửa xupap thải b : Xác định từ đồ thị Brick ứng với α3 = 62𝑜

- Điểm mở cửa quét d : Xác định từ đồ thị Brick ứng với α1= 22𝑜 và pa = 0,18 (MN/m2)

- Điểm bắt đầu nén a : Xác định từ đồ thị Brick ứng với α4= 14𝑜 và pa= 0,18 (MN/m2)

Các điểm đặc biệt:

+ điểm cuối quá trình hút:a(Va,pa)

+ điểm cuối quá trình nén:c(Vc,pc)

+ điểm cuối quá trình cháy:z(Vz,pz)

+ điểm cuối quá trình giản nở:b(Vb,pb)

+ điểm cuối quá trình thải r(Vc,pr)

+ Từ o lấy đoạn oo’ dịch về phía ĐCT , với oo’bd = Rλ

2μs = 9,375 (𝑚𝑚) + Từ o’ kẻ đoạn o’M song song với đường tâm má khuỷu oB , hạ MC vuông góc với AD Theo Brick thì đoạn AC = R [(1-cos𝛼) + λ

4 (1- cos2𝛼 )] = x

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Đồ thị công

12

1.4.2 Xây dựng đồ thị chuyển vị S = f (𝜶)

+ Từ o’ kẻ các tia ứng với các góc từ 0o, 10o, 20o…180o.Các tia này cắt nửa đường tròn Brick tương ứng tại các điểm 0, 1, 2,…, 18

+ Vẽ hệ trục tọa độ vuông góc S-𝛼 phía dưới nửa vòng tròn Brick

- Trục thẳng đứng O𝛼 biểu diễn giá trị 𝛼 từ 0o ÷180o với tỉ lệ xích μα= 20

OS Những đường thẳng tương ứng trên 2 trục sẽ giao nhau tại các điểm cắt Đường cong đi qua các điểm cắt này sẽ biểu diễn độ dịch chuyển của piston theo 𝛼 : S = f(𝛼)

13

+ Vẽ đường tròn bán kính R2 = λ.R.ω

2.μ vt = 86,5.439,8230.0,25

2.0,2536 = 9,375 (mm) đồng tâm với đường tròn bán kính R1

+ Chia đều nửa vòng tròn bán kính R1 và vòng tròn bán kính R2 ra thành 18 phần bằng nhau Như vậy ứng với góc 𝛼 ở nửa vòng tròn bán kính R1 thì ở vòng tròn bán kính R2 sẽ là góc 2𝛼

+ Từ các điểm chia trên nửa vòng tròn bán kính R1 ta đánh số thứ tự từ 0,1,2

…,18 ngược chiều kim đồng hồ và trên vòng tròn bán kính R2 ta đánh số thứ tự

từ 0’,1’,2’, , 18’(điểm 0’≡18’) thuận chiều kim đồng hồ

+ Từ các điểm chia 0,1,2,…,18 trên nửa vòng tròn bán kính R1 ta kẻ các đường thẳng vuông góc với AB cắt các đường thẳng song song với AB kẻ từ các điểm 0’,1’,2’,…18’ trên đường tròn bán kính R2 tại các điểm A, a, b, c,…,

q, B Đường cong đi qua các điểm A, a, b, c,…, q, B cùng với nửa vòng tròn bán kính R1 biểu diễn trị số vận tốc v bằng các đoạn thẳng a1,b2 ,q17 ở các góc α tương ứng

Thật vậy, chẳng hạn tại điểm 1 trên đồ thị ta có:

va = a1 = aa’+ a’1= R2 .sin2α + R1.Sinα = λ

2 RωSin2α + RωSinα ⇔ va = a1= Rω (λ

2.Sin2α + Sin𝛼 )

1.6 Xây dựng đồ thị gia tốc j = f(x)

Theo phương pháp giải tích lấy đạo hàm vận tốc theo thời gian ta có công thức

để tính gia tốc của piston như sau:

14

- Vẽ hệ trục tọa độ J-S

- Lấy đoạn thẳng AB trên trục OS, sao cho AB = S

μS = 150 (mm)

- Từ A dựng đoạn thẳng AC vuông góc với AB, với AC = jmaxbd = 60 (mm)

- Từ B dựng đoạn thẳng BD vuông góc với AB, với BD= jminbd = - 36 (mm)

- Nối C với D cắt AB tại E Dựng đoạn EF vuông góc với AB

- Nối đoạn CF và DF Phân chia các đoạn CF và DF thành những đoạn nhỏ

bằng nhau ghi các số 1, 2, 3, 4,…và 1’, 2’, 3’, 4’,…như trên hình

- Nối các điểm chia 11’, 22’, 33’, 44’,…Đường bao của các đoạn thẳng này

biểu diễn đồ thị quan hệ của hàm số j = f(x)

- Ta có lực quán tính Pj = - mj Suy ra –Pj = mj Do đó thay vì vẽ Pj ta vẽ -Pj

lấy trục hoành đi qua p0 của đồ thị công vì đồ thị -Pj thực chất là đồ thị j=f(x)

có tỷ lệ xích khác Vì vậy ta có thể áp dụng phương pháp Tole để vẽ đồ thị -Pj

= f(x)

- Chọn tỷ lệ xích μpj = μp= 0,0445 ( MN

m2.mm )

- Khối lượng chuyển động tịnh tiến m’ = mpt + m1

Trong đó mpt= 1,1 kg là khối lượng nhóm piston

m1 là khối thanh truyền tham gia chuyển động tịnh tiến quy về đầu

nhỏ thanh truyền

Đối với động cơ ô tô, máy kéo ta lấy m1 = (0,275 ÷ 0,35) mtt , chọn m1 = 0,3 mtt

Đã cho mtt = 1,5 kg là khối lượng nhóm thanh truyền

Suy ra m1 = 0,3.1,5 = 0,45 kg

15

Suy ra m’ = mpt + m1 = 1,1 +0,45 = 1,55 kg

Để có thể dùng phương pháp cộng đồ thị -Pj với đồ thị công thì phải lấy trục P0trên đồ thị công làm trục hoành cho đồ thị -Pj đồng thời đồ thị -Pj phải có cùng thứ nguyên và cùng tỷ lệ xích với đồ thị công, thay vì vẽ giá trị thực của nó ta

vẽ -Pj = f(x) ứng với một đơn vị diện tích đỉnh piston Tức là thay:

m = m

′

Fpis =

1,55.4π.(0,093)2 = 228,179(kg/m

BD = -Pjminbd= −Pjmin

μpj =

−1,430,0445 = -32,13 (mm)

1.6 Xây dựng đồ thị khai triển 𝐏𝐤𝐭 , 𝐏𝐣 , 𝐏𝟏 theo 𝛂

a Vẽ Pkt-α

- Đồ thị Pkt-𝛼 được vẽ bằng cách khai triển P theo 𝛼 từ đồ thị công trong một chu trình của động cơ ( động cơ 2 kỳ 𝛼 = 0,5,10,15,…,3600).Để được đồ thị Pkt-𝛼 ta đặt trục hoành của đồ thị mới ngang với trục chứa giá trị P0 của đồ thị công.Vì áp suất khí thể Pkt = P – P0

16

- Cách khai triển là dựa vào đồ thị Brick và đồ thị công để xác định điểm có

áp suất theo giá trị 𝛼 cho trước

+ Từ các điểm chia trên trục 0α kẻ các đường thẳng song song với 0P cắt những điểm dóng ngang tại những điểm ứng với điểm chia trên đồ thị Brick và phù hợp với quá trình làm việc của động cơ.Nối các giao điểm nạy lại ta được

đồ thị Pkt-𝛼

b Vẽ Pj- 𝛼

- Cách vẽ giống với cách khai triển đồ thị công nhưng giá trị của điểm tìm được ứng với 𝛼 chọn trước sẽ được lấy đối xứng qua trục 0𝛼 với vì đồ thị trên cùng trục tọa độ với đồ thị công là đồ thị -Pj

c Vẽ P1- 𝛼

- Đồ thị P1- 𝛼 được vẽ bằng phương pháp cộng đồ thị vì P1 = Pkt + Pj

- Để có thể tiến hành cộng đồ thị thì P1 , Pkt , Pj phải cùng thứ nguyên và cùng tỉ lệ xích

Trong đó: p1 là thành phần lực tác dụng lên đường tâm thanh truyền

N là thành phần lực tác dụng lên phương thẳng góc với đường tâm xilanh

- Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của ptt và N:

{ ptt =

p1Cosβ

- Từ đồ thị p1- α tiến hành đo giá trị biểu diễn của p1 theo α = 00, 50, 100,

…, 3600 Sau đó xác định β theo quan hệ: Sinβ = 𝜆.Sinα ⇒ β = arcsin(𝜆.Sinα )

- Do đó, với mỗi giá trị của α ta có một giá trị của β tương ứng Từ quan hệ

ở các công thức (1.7) và (1.8) , ta lập được bảng giá trị của đồ thị T, N, Z – α

- Bảng 1-2: Bảng giá trị T, N, Z - α ( μT = μN = μZ = μp = 0,0445

(MN/m2.mm)

- Ta có quan hệ α2 , α3 , α4 , theo α1 khi α1 lần lượt nhận các giá trị từ 00 đến

3600 được cho trong bảng

- Cứ mỗi giá trị α1 , α2 , α3 , α4 , ta có giá trị T1 , T2 , T3 , T4 , tương ứng được xác định theo giá trị T- α

1.9 Xây dựng đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

a Mục đích của việc xây dựng đồ thị phụ tải:

24

- Xác định lực tác dụng trên chốt ở mỗi vị trí của trục khuỷu

- Khai triển đồ thị phụ tải theo quan hệ Q - α ta có thể xác định được phụ tải lớn nhất, bé nhất trên chốt khuỷu

- Từ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta có thể xây dựng được đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền và đồ thị mài mòn chốt khuỷu , từ đó

có thể xác định được vị trí chịu phụ tải bé nhất trên chốt khuỷu để khoan lỗ dầu bôi trơn

- Nối các điểm này lại ta được đường cong biểu diễn phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

- Dời gốc tọa độ O’ theo phương trục Z một đoạn O’O bằng giá trị biểu diễn của lực quán tính li tâm PRo

- Tính lực quán tính li tâm PRo:

Ta có: PRo = m2.R.ω2

Trong đó: m2 là khối lượng nhóm thanh truyền quy về đầu to thanh truyền, tính trên một đơn vị diện tích đỉnh piston

Suy ra: PRo = -0,9.0,043.439,822 = -7529,8173 (N/m2)

Giá trị biểu diễn O’O = PRobd = PRo

μ p = −0,00750,0445.0,0068 = -24,9097 mm

- Điểm O xác định chính là tâm chốt khuỷu Từ tâm O vẽ vòng tròn tượng trưng chốt khuỷu

- Xác định giá trị, chiều và điểm đặt của vectơ phụ tải tại một điểm A bất kỳ trên đồ thị phụ tải

+ Giá trị của vectơ phụ tải là khoảng cách từ tâm O đến điểm A

+ Chiều của vectơ phụ tải theo chiều từ tâm O ra điểm A cần xác định

26

- Tiến hành vẽ đồ thị:

+ Vẽ hệ trục tọa độ QOα

+ Đặt các cặp điểm (Q, α) lên hệ trục tọa độ

+ Đường cong nối các điểm này biểu diễn đồ thị Q - α cần vẽ

- Xác định giá trị biểu diễn của Qtb: Qtbbd = ΣTtb = Σ(Qi)/36 =34,3003

mm

Suy ra Qtb = Qtbbd μQ = 34,3003.0,0445 =1,526 (MN/m2)

11 Xây dựng đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền

a Phương pháp xây dựng đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền:

- Vẽ tượng trưng dạng đầu to thanh truyền trên tờ giấy bóng mờ Lấy tâm đầu to là tâm O Vẽ một vòng tròn tâm O bán kính bất kì Giao điểm giữa đường tâm thanh truyền và vòng tròn là điểm gốc 00

- Chia vòng tròn tâm O thành 36 phần theo chiều kim đồng hồ xuất phát từ gốc 00 , các điểm chia sẽ tương ứng với các góc (αi+βi) Để đơn giản tại các điểm chia trên vòng tròn thay vì ghi giá trị (αi+βi) ta chỉ ghi giá trị αi.Tức là ghi 0,10,20,…,360

- Đem tờ giấy bóng đặt lên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu sao cho tâm O trùng với gốc O của đồ thị và đường tâm thanh truyền OZ’ trùng với trục