Thiết kế động cơ xăng (không tăng áp)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ &œ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỀ TÀI : Thiết kế động cơ xăng , (không tăng áp) , có công suất danh nghĩa Nen = 106 KW , tốc độ quay danh nghĩa nn = 6000 rpm , dùng để trên xe ô tô KIA carens 2.0 144 hp . Giáo viên hướng dẫn : TS. LÊ BÁ KHANG Sinh viên thực hiện : TRẦN DUY ĐẠT Lớp : 50CKOT MSSV : 50132162 nha trang , tháng 5 năm 2011 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự hội nhập và phát triển của đất nước, công nghiệp ôtô đang được đầu tư phát triển mạnh mẽ. Và yêu cầu cấp thiết được đặt ra là đào tạo đội ngũ kỹ sư, công nhân ô tô lành nghề góp phần xây dựng một nền công nghiệp đủ mạnh để tạo tiền đề phát triển đất nước. Điều đó đòi hỏi sinh viên cần trao dồi kiến thức, tìm tòi sáng tạo và áp dụng nhanh chóng vào thực tiễn sản xuất. Vì vậy môn học “ Đồ án động cơ đốt trong” là rất cần thiết cho sinh viên chúng em có vốn hành trang trước khi ra trường. Đây là một môn quan trọng trong nội dung học tập nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết một vấn đề cụ thể. Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã có gắng tìm tòi và nguyên cứu một số tài liệu. Mặc dù vậy nhưng do thời lượng môn học và trình độ có hạn nên trong quá trình làm đồ án không thể tránh những thiếu sót . Em rất mong nhận được góp ý của thầy ! em xin chân thành cảm ơn ! Nha trang, tháng 5, năm 2011 Sinh viên thực hiện PHẦN 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ Đặc điểm động cơ thiết kế + Động cơ thiết kế là động cơ Xăng 4 kỳ + Động cơ có 4 xy lanh được bố trí thẳng hàng + Công suất danh nghĩa của động cơ Nn= 106 kW + Số vòng quay danh nghĩa nn= 6000 v/p Động cơ thiết kế hiện đang được trang bị trên xe ô tô KIA carens 2.0 144 hp 1.2. TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH CHÁY 1.2.1. Loại nhiên liệu. - Nhiên liệu dùng cho động cơ là xăng C = 0,855 ; H = 0,145 ; O = 0 ; S = 0 (TL1/tr 39) 1.2.2 Buồng đốt. -Buồng cháy hình bán cầu -Loại này có đặc điểm là diện tích bề mặt buồng đốt nhỏ gọn. Trong buồng đốt bố trí một supap nạp và một supap thải, hai supap này bố trí về 2 phía khác nhau. Trục cam bố trí ở giữa nắp máy và dùng cò mổ để điều khiển sự đóng mở của supap. Sự bố trí này rất thuận lợi cho việc nạp hỗn hợp khí và thải khí cháy ra ngoài. 1.2.3 Hệ thống nhiên liệu: - Hệ thống nhiên liệu cung cấp nhiên liệu đến động cơ. Ngoài ra, nó còn có chức năng loại bỏ những chất bẩn và bụi cũng như điều chỉnh việc cung cấp nhiên liệu. - Ta chọn hệ thống phun nhiên liệu EFI cho động cơ: 1-Bình nhiên liệu: bình dùng để lưu trữ nhiên liệu2 -Bơm nhiên liệu: bơm nhiên liệu từ bình chứa đến động cơ.3 -Lọc nhiên liệu: nó bao gồm có một phần tử lọc để loại bỏ các chất bẩn trong nhiên liệu.4 -Bộ điều áp nhiên liệu: điều chỉnh áp suất nhiên liệu luôn ở một giá trị tối ưu, đảm bảo việc phun nhiên liệu ổn định.5 -Vòi phun: phun nhiên liệu vào đường ống nạp cho các xi lanh tương ứng.6- Nắp bình nhiên liệu: đậy kín bình nhiên liệu. Có gắn một van để giữ cho áp suất trong bình không đổi. *Bơm Nhiên Liệu: Bơm nhiên liệu từ bình nhiên liệu đến động cơ, do đó cho phép ống nhiên liệu giữ được một áp suất nhất định.Có loại bơm trong bình được đặt bên trong bình nhiên liệu và loại bơm trên đường ống đặt ở giữa đường ống dẫn.Có nhiều cách dẫn động bơm nhiên liệu khác nhau; Hệ thống EFI (Phun nhiêu liệu điện tử) dùng bơm có môtơ dẫn động bằng điện. Loại điện: Bơm trong bình (loại tuabin) Bơm trên đường ống (loại rôto) 1 Môtơ 2 Cánh bơm loại tuabin *Vòi Phun Nhiên liệu -Theo các tín hiệu từ ECU, cuộn dây sẽ hút píttông và mở van để phun nhiên liệu. Nhiên liệu phun ra từ vòi phun được hoà trộn với không khí, hỗn hợp này được đưa đến các xi lanh. Để đạt được tỷ lệ hỗn hợp không khí - nhiên liệu tối ưu, ECU điều khiển thời điểm phun và lượng phun. Lượng phun được điều chỉnh bằng khoảng thời gian phun. Bộ Điều Áp Nhiên Liệu Điều chỉnh áp suất nhiên liệu đến một áp suất nhất định, do vậy việc cung cấp nhiên liệu luôn được ổn định.  1 Bộ điều áp nhiên liệu 2 Cụm bơm nhiên liệu 1.3. HỆ THỐNG NẠP - XẢ Đối với động cơ 4 kỳ: Cơ cấu phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi môi chất công tác trong động cơ. Thải sạch khí thải khỏi xylanh và nạp đầy không khí mới vào xylanh động cơ Điều kiện làm việc: Tải trọng cơ học cao Nhiệt độ cao Tải trọng va đập tốt Yêu cầu: Đóng mở đúng quy luật và thời điểm Độ mở lớn Đóng kín xupap thải không tự mở trong quá trình nạp Ít mòn, tiếng ồn nhỏ, dễ dàng điều chỉnh sữa chữa, giá thành chế tạo thấp Từ đó ta chọn: Chọn cơ cấu phân phối khí kiểu xu páp treo Kiểu truyền động gián tiếp trục cam được truyền động qua trung gian bởi bánh răng trung gian ( bánh răng nghiêng) ăn khớp êm dịu bền. Trục cam lắp ở thân máy điều khiển xupap qua trung gian của con đội đũa đẩy cần mổ Phương pháp dẫn động: cam-con đội - đũa đẩy - đòn gánh vì kết cấu đơn giản, Là loại cơ cấu phối khí được dùng phổ biến,có kết cấu dơn giản, dễ chế tạo dễ điều chỉnh, giá thành không cao lắm. Điều chỉnh khe hở nhiệt xu páp bằng tay( khe hở nhiệt là khe hở được tạo ra bởi tất cả các chi tiết từ trục cam đến xupáp khi xupáp đóng.  Khe hở này được biểu thị bằng khoảng cách giữa đuôi xupáp và đầu cò mổ khi xupáp đóng) 1.4. HỆ THỐNG LÀM MÁT Khi động cơ đốt trong làm việc nhiệt lượng do nó sinh ra rất lớn. Nên cần có hệ thống làm mát để hạ nhiệt cho các chi tiết của động cơ và đảm bảo cho các chi tiết động cơ làm việc ở nhiệt độ thích hợp. Duy trì mức nhiệt 85-950C tốt nhất cho động cơ ở từng chế độ hoạt động, khi khởi động động cơ được làm nóng nhanh, khi hoạt động ở cực đỉnh động cơ phải giải nhiệt tốt Việc chạy động cơ quá nóng có thể gây ra : Đánh lửa sớm Kích nổ Piston và xupap bị cháy Các chi tiết có ứng suất nhiệt lớn , sức bền giảm Hệ thống bôi trơn hỏng 200-3000C dầu nhớt bị cháy nhóm piston bị bó kẹt vì giản nở Hệ thống lám mát điều khiển nhiệt độ động cơ đến giá trị tối ưu (80 đến 90OC theo nhiệt độ nước làm mát) bằng cách tuần hoàn nước làm mát khắp trong động cơ.  Quạt làm mát sẽ làm nguội nước làm mát trong két nước và bơm nước sẽ tuần hoàn nước làm mát qua nắp quy lát và thân máy.  1 Két nước , 2 Bình chứa , 3 Nắp két nước , 4 Quạt làm mát , 5 Bơm nước , 6 Van hằng nhiệt Dòng chảy nước làm mát -Lực đẩy của bơm nước làm cho nước làm mát tuần hoàn trong mạch nước làm mát. Nước làm mát hấp thụ nhiệt từ động cơ và phân tán vào không khí qua két nước. Nước làm mát đã được làm nguội sau đó quay trở về động cơ. *Két Nước Làm Mát Két nước làm nguội nước làm mát có nhiệt độ cao. Nước làm mát trong két nước trở nên nguội đi khi các ống và cánh tản nhiệt của nó tiếp xúc với luồng không khí tạo bới quạt làm mát và luồng không khí tạo ra bởi sự chuyền động của xe.  *Nắp két nước Nắp két nước có một van áp suất dùng để nén nước làm mát. Nhiệt độ của nước làm ở áp suất cao tăng lên vượt quá 1000C, điều này tạo nên sự khác biệt lớn giữa nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ không khí. Kết quả là hiệu quả làm mát được cải thiện. Van áp suất mở và đưa nước làm mát đến bình chứa khi áp suất két nước tăng lên.  Van chân không mở để xả nước làm mát từ bình chứa khi áp suất cao két nước giảm xuống. A Áp suất tăng lên trong quá trình tăng áp (nhiệt độ cao)B Áp suất giảm đi trong quá trình giảm áp (nguội) *Quạt làm mát Quạt này hướng lượng không khí lớn đến két nước nhằm nâng cao hiệu quả làm mát.  1.5. HỆ THỐNG BÔI TRƠN: Trong động cơ nhiều chi tiết chuyển động ma sát với nhau do đó khi trượt lên nhau sẽ sinh nhiệt, tiêu hao công suất và mòn nhanh, gây ra tiếng ồng cho động cơ. Để tránh tác hại trên người ta cho 1 lớp dầu giữa 2 mặt cọ sát nên phải có hệ thống bôi trơn. Hệ thông bôi trơn thực hiện các chức năng: Giảm ma sát của các bộ phận chuyển động Hấp thụ và giải nhiệt Làm kín các bạc piston và các thành xylanh Làm sạch và àm trang ngập các bộ phận chuyển động Giảm tiếng ồn của động cơ Ta chọn hệ thống bôi trơn cưỡng bức cacte ướt: dầu nhờn trong hệ thống được bơm dầu đưa đến các bề mặt ma sát dưới 1 áp suất cần thiết và gần như nó đửm bảo tốt yêu cầu bôi trơn làm mát tẩy rữa bề mặt ma sát ổ trục của hệ thồng bôi trơn. Gồm có cacte bơm dầu bầu lọc thô bầu lọc tinh, két làm mát dầu nhờn và các đường ống dẫn dầu, đồng hồ báo áp suất và đồng hồ báo nhiệt độ của dầu, ngoài ra còn các các van. Ưu điểm: Đáp ứng đày đủ các chỉ tiêu : cung cấp khá đầy đủ số lượng, chất lượng và cả độ tin cậy của hệ thống bôi trơn Nhược điểm: Chứa dầu trong cacte nên khi động cơ làm việc ở độ ngiêng lớn dầu nhờn dòn về 1 phía làm cho việc hút dầu khó khăn vì vậy lượng dầu cung cấp không đảm bảo đúng yêu cầu. Nguyên lý hoạt động: Bơm dầu 3 được dẫn động từ trục khuỷu. Dầu bôi trơn trong cácte 1 được hút vào bơm qua lưới lọc thô 2, lưới lọc để lọc sơ bộ tạp chất có kích thước lớn. Sau khi qua bơm dầu có áp suất cao dầu đi vào bầu lọc tinh 4 tại đây dầu được lọc sạch rồi đưa lên bình làm mát 5, dầu được làm mát rồi đưa lên đường ống dẫn dầu chính 6 đi bôi trơn cho các bộ phận rồi đi về cacte. 1.6. HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG: Vì động cơ không thể tự khởi động nên cần có 1 ngoại lực để khởi động cho động cơ. Máy khởi động khởi động động cơ bằng cách cho bánh đà trên trục khủyu quay thông qua vệc cài khớp. Máy khởi động truyền cơ năng cho trục khuỷu nên hào khí được hút vào bên trong xylanh được nén và đốt cháy để quay động cơ. Yêu cầu: Máy khởi động phải tạo ra momen lớn từ nguồn điện hạn chế của accu đồng thời phải gọn nhẹ vì vậy nên dùng moto điện 1 chiều phải đáp ứng đủ số vòng quay cho bánh đà 80-100 vòng/phút. Nhiệt độ làm việc không quá giới hạn cho phép Đảm bảo khởi động lại được nhiều lần Tỷ số truyền của bánh răng máy khởi động và bánh đà nằm trong khoảng (9:18) Ta chọn: Hệ thống truyền động từ máy khởi động đến bánh đà thông qua hộp giảm tốc vì loại này kích thước máy khởi động nhỏ. Moto có số vòng quay lớn mà bánh răng ăn khớp có momen lớn nhờ hộp giảm tốc 1-Khóa điện 6-Ly hợp 1 chiều 2,3-Cuộn dây hút của solenoi 7, 8- Bánh răng 4,5-Stato, roto của mô tơ đề Nguyên lý hoạt động của hệ thống : Khi đóng khóa điện, các cuộn dây hút và giữ của solenoi 2,3 có điện sẽ hút trục của bánh răng 7 chuyển động qua trái ăn khớp với bánh răng 8 của động cơ. Đồng thời khi này đĩa tiếp điểm đóng các tiếp điểm để cung cấp điện cho máy khởi động nên motơ đề sẽ có điện và sẽ quay bánh răng 7, do đó làm quay bánh răng 8, cuối cùng làm quay trục khuỷu động cơ giúp động cơ khởi động, khi này cuộn hút 3 bị cắt điện còn cuộn giữ 2 thì vãn có điện để duy trì việc ăn khớp. Khớp ly hợp 1 chiều có tác dụng cắt dứt dòng mômen truyền từ động cơ lên motơ đề khi nó đã nổ. 1.7. ĐỘNG CƠ MẪU Bảng 1-1: Đặc điểm kỹ thuật của động cơ mẫu TT Đặc điểm kĩ thuật Động cơ mẫu Ghi chú 1 Dung tích xilanh (cm3) 1998 1999 2999 2 Số xilanh (cái) 4 Xylanh thẳng hàng 4 Xylanh thẳng hàng 4 Xylanh thẳng hàng 3 Công suất cực đại (mã lực/rpm) 145 / 6000 145/ 6000 146/3800 4 Mô men xoắn cực đại (Nm/rpm) 189 / 4250 185 / 4500 294/2000 5 Sử dụng nhiên liệu Xăng Xăng Diesel 6 Tốc độ tối đa (km/h) 190 194 180 7 Tiêu thụ nhiên liệu (city,L/100km) 10.8 11.2 13 8 Tiệu thụ nhiên liệu (highway,L/100km) 6.6 6.2 9 9 Tiệu thụ nhiên liệu (combined,L/100km) 8.1 8.5 11 KÍNH THƯỚC CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ Thông số Đơn vị Trị số Tài liệu tham khảo Đường kính xylanh (D) mm 101,303 Hành trình piston (S) mm 121,563 Dung tích công tác của xylanh (Vs) mm3 = 979,299 [1,tr.04] 1.9 TỔNG HỢP CÁC THÔNG SỐ Bảng 1-2 . Tổng hợp các thông số cho trước và lựa chọn TT Tên thông số Ký hiệu Đơn vị Trị số Tài liệu tham khảo 1 Công suất danh nghĩa Nen kW 106 Đ/c mẫu 2 Tốc độ quay danh nghĩa nn rpm 6000 Đ/c mẫu 3 Hệ số kỳ Z 2 [1,tr.68] 4 Số xy lanh i Cái 4 Đ/c mẫu 5 Áp suất khí nạp pk N/m2 103000 [2,tr.17] 6 Áp suất khí quyển P0 bar 1,03 [1,tr.69] 7 Nhiệt độ khí quyển T0 0K 297 [1,tr.69] 8 Độ ẩm tương đối của không khí j0 % 70 [1,tr.69] 9 Hàm lượng C trong nhiên liệu C 0,855 [2,tr.51] 10 Hàm lượng H2 trong nhiên liệu H 0,145 [2,tr.51] 11 Hàm lượng S trong nhiên liệu S 0 [2,tr.51] 12 Hàm lượng O2 trong nhiên liệu O2 0 [2,tr.51] 13 Phân tử lượng của nhiên liệu mf Kg/kmol 115 [2,tr.51] 14 Nhiệt trị của nhiên liệu H KJ/kg 43960 [2,tr.51] 15 Hệ số dư lượng không khí l 0,9 [1,tr.129] 16 Hệ số khí sót gr 0,02 [1,tr.108] 17 Mức độ làm mát khí nạp DTm 0 18 Hệ số Kpa (………………………..) Kpa 0,8 [1,tr.106] 19 Tổn thất áp suất trong bình làm mát khí nạp bar 0 20 Hệ số Kpr (……………………) Kpr 1,05 [1,tr.107] 21 Nhiệt độ khí sót Tr 980 [1,tr.107] 22 Mức độ sấy nóng khí mới DTk 20 [1,tr.108] 23 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt l1 1,16 [1,tr.108] 24 Hệ số nạp thêm l2 1,02 [1,tr.109] 25 Tỷ số nén e 10 Đ/c mẫu 26 Chỉ số nén đa biến trung bình n1 1,35 [2,tr.128] 27 Chỉ số dãn nở đa biến trung bình n2 1,26 [2,tr.188] 28 Hệ số sử dụng nhiệt tại điểm z xz 0,87 [2,tr.180] 29 Hệ số điền đầy đồ thị Kpi 0,92 [2,tr.195] 30 Hiệu suất cơ học hm 0,9 [2,tr.91] 31 Tỷ số động học KD 1,2 [6,tr.25] Bảng 1-3 . Tổng hợp kết quả tính. TT Tên thông số Ký hiệu Đơn vị Kết quả 1 Số kg KK lý thuyết cần thiết ... 1 kg nhiên liệu L0 kg/kg 14,956 2 Số kmol KK lý thuyết cần thiết ... 1 kg nhiên liệu M0 kmol/kg 0,511 3 Số kg KK thực tế cần thiết ... 1 kg nhiên liệu L kg/kg 13,460 4 Số kmol KK thực tế cần thiết ... 1 kg nhiên liệu M kmol/kg 0,460 5 Số kg HHC ứng với 1 kg nhiên liệu L1 kg/kg 14,460 6 Số kmol HHC ứng với 1 kg nhiên liệu M1 kmol/kg 0,469 7 Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén Ma kmol/kg 0,469 8 Số kmol MCCT tại thời điểm cuối qua trình nén Mc kmol/kg 0,469 9 Hàm lượng CO2 trong sản phẩm cháy MCO2 kmol/kg 0,056 10 Hàm lượng H2O trong sản phẩm cháy MH2O kmol/kg 0,066 11 Hàm lượng SO2 trong sản phẩm cháy MSO2 kmol/kg 0 12 Hàm lượng O2 trong sản phẩm cháy MO2 kmol/kg 0 13 Hàm lượng N2 trong sản phẩm cháy MN2 kmol/kg 0,363 14 Lượng sản phẩm cháy ứng với 1 kg nhiên liệu M2 kmol/kg 0,507 15 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết - 1,082 16 Hệ số biến đổi phân tử thực tế tại điểm z - 1,080 17 Nhiệt độ khí nạp Tk 0K 297 18 Mật độ khí nạp kg/m3 1,209 19 Áp suất cuối quá trình nạp pa bar 0,824 20 Áp suất khí sót pr bar 1,081 21 Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta 0K 333,074 22 Hệ số nạp - 0,792 23 Áp suất cuối quá trình nén pc bar 18,447 24 Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc 0K 745,659 25 Hệ số tăng áp suất ψ - 3,980 26 Nhiệt độ tại điểm z Tz 0K 2748,061 27 Áp suất cuối quá trình dãn nở pb bar 3,429 28 Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở Tb 0K 1510,171 29 Áp suất chỉ thị trung bình pi bar 10,023 30 Áp suất có ích trung bình pe bar 9,020 31 Hiệu suất chỉ thị - 0,344 32 Hiệu suất có ích - 0,309 33 Suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị gi g/kW.h 238,059 34 Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích ge g/kW.h 265,024 35 Lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ Ge kg/h 28,095 36 Đường kính của xylanh D mm 101,303 37 Hành trình của piston S mm 121,563 38 Dung tích công tác của xylanh VS cm3 979,299 39 Tổng nhiệt đưa vào động cơ trong 1đơn vị thời gian QT kW 343,074 40 Phần nhiệt biến thành cơ năng có ích Qe kW 106 41 Tổn thất nhiệt do làm mát Qm kW 68,614 42 Tổn thất nhiệt theo khí xả Qx kW 154,889 43 Tổn thất còn lại Qcl kW 13,568 PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 2.1. TÍNH MÔI CHẤT CÔNG TÁC 2.1.1. Lượng không khí Số kg không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (L0): [3,tr.8] [kg/kg] Số kmol không khí lí thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu(M0 ) [3,tr.8] [kmol/kg] Số kg không khí thực tế cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu (L) L = [3,tr.8] = 0,9.14,956 = 13,460 [kg/kg] Số kmol không khí thực tế cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu (M ) [3,tr.8] = 0,9.0,511 = 0,460 [kmol/kg] 2.1.2. Lượng hỗn hợp khí công tác Số kg hỗn hợp cháy ứng với 1 kg nhiên liệu ( L1) L1 = 1 + λ.L0 [3,tr8] = 1 + 0,9.14,956= 14,460 [kg/kg] Số kmol hỗn hợp cháy ứng với 1 kg hoặc 1 kmol nhiên liệu (M1) [3,tr.8] [kmol/kg] Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén (Ma) [3,tr.8] [kmol/kg] Số kmol MCCT tại thời điểm cuối quá trình nén (Mc) [kmol/kg] 2.1.3. Lượng sản phẩm cháy trong trường hợp cháy không hoàn toàn Ta có: => chọn K=0,45 Hàm lượng CO2 và CO trong sản phẩm cháy [3,tr.8] [kmol/kg] Hàm lượng H2O trong sản phẩm cháy [3,tr.8] [kmol/kg] Hàm lượng SO2 trong sản phẩm cháy [3,tr.9] [kmol/kg] Hàm lượng N2 trong sản phẩm cháy : [3,tr.9] Lượng sản phẩm cháy ứng với 1 đơn vị số lượng nhiên liệu (M2). Khi nhiên liệu lỏng cháy không hoàn toàn (λ<1). [3,tr.9] [kmol/kg] Tổng lượng ô xy cần thiết trong trường hợp cháy không hoàn toàn [5,tr.17] =0,9.=0,097 [kmol/kg] Hàm lượng các chất khí có trong sản phẩm cháy trong trường hợp cháy không hoàn toàn [5,tr.17] = 0,42.= 0,0148 0,015 [kmol/kg] [kmol/kg] [5,tr.18] == 0,0067 [kmol/kg] [kmol/kg] 2.1.4. Hệ số biến đổi phân tử sự thay đổi số kmol của MCCT trước và sau khi nhiên liệu cháy = 0,21.(1-0,9).0,511+=0,0383 [kmol/kg] Hệ số biến đổi phân tử lí thuyết (b0) Đối với động cơ xăng với λ < 1 [3,tr.9] Hệ số biến đổi phân tử thực tế tại điểm z (b z ) : [3,tr.9] 2.2. QUÁ TRÌNH NẠP - XẢ Áp suất khí nạp (pk ) pk = 1.03 [bar] Áp suất sau máy nén (ps ) [3,tr.10] .03 [bar] Nhiệt độ khí nạp (Tk ) [K] Mật độ khí nạp (rk ) [3,tr.10] Trong đó : RK : Hằng số kmol khí [J/kg.độ] [kg/m3] Áp suất cuối quá trình nạp (pa ) [3,tr.10] [bar] Áp suất khí sót (pr ) [3,tr.10] [bar] Nhiệt độ cuối quá trình nạp (Ta ) [3,tr.10] [K] Hệ số nạp (hv ) [3,tr.10] 2.3. QUÁ TRÌNH NÉN 2.3.1. Chọn tỉ số nén. Theo động cơ mẫu ta có tỉ số nén là: 10:1. 2.3.2. Chỉ số nén đa biến trung bình. Áp suất cuối quá trình nén (pc) [3, tr.10] [bar] Nhiệt độ cuối quá trình nén (Tc) [3,tr.10] [K] Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí [J/kmol.deg] Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí sót : [J/kmol.deg] Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp cháy cuối quá trình nén: [4,tr.21] [J/kmol.deg] 2.4. QUÁ TRÌNH CHÁY Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn (DH) [3,tr.11] [J/kg] Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy tại điểm z: [3,tr.20] = 21150,6+2,9375.TZ [J/kmol.deg] Nhiệt độ của môi chất công tác tại điểm z: [3,tr.11] [K] Hệ số tăng áp suất (y ) [3,tr.10] Áp suất cháy cực đại (pz) [3,tr.10] [bar] 2.5. QUÁ TRÌNH DÃN NỞ Áp suất cuối quá trình dãn nở (pb ) [3,tr.12] [bar] Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở (Tb ), [K] [3,tr.12] [K] 2.6. CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ Áp suất chỉ thị trung bình (pi) [3,tr.12] [bar] Áp suất có ích trung bình (pe) [3,tr.12] [bar] Hiệu suất chỉ thị (hi) [3,tr.13] Hiệu suất có ích (he) [3,tr.13] Suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị (gi) [3,tr.13] [g/kW.h] Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích (ge) [3,tr.13] [g/kW.h] Lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ (Ge) [3,tr.13] [kg/h] 2.7 CÂN BẰNG NHIỆT Tổng lưu lượng nhiệt cấp cho động cơ QT = [4,tr.23] [KJ/s] Nhiệt lượng biến thành công có ích (Qe) [4,tr.23] =106.103 [J/s] = 106 [KW] Nhiệt tổn thất theo khí thải Tỷ nhiệt đẳng áp của sản phẩm cháy [2,tr.81] [J/Kmol.deg] Nhiệt dung riêng đẳng áp của môi chất mới [2,tr.81] [J/Kmol.K] Nhiệt độ khí thải [K] Tổn thất theo khí thải [2,tr.215] [J/s] [4,tr.23] Tổn thất theo môi chất làm mát Ta có : [4,tr.23] Trong đó: qm = 12 ÷ 27 ; ta chọn qm = 20% [KJ/s] Phần tổn thất còn lại [4,tr.23] [KJ/s] Thành phần % của các thành phần nhiệt lượng 2.8. ĐỒ THỊ CÔNG CHỈ THỊ 2.8.1.Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công: Điểm a: điểm cuối hành trình nạp, có áp suất 24 [bar] và thể tích Trong đó: Điểm c: điểm cuối hành trình nén, có áp suất [bar] và thể tích Điểm z: điểm cuối hành trình cháy, có áp suất [bar] và thể tích Điểm b: điểm cuối hành trình giãn nở, có pb=3,429 [bar] và Vb=Va Điểm r: điểm cuối hành trình xả, có áp suất khí sót [bar] 2.8.3.Tính áp suất, thể tích khí tại điểm bất kì trên đường cong nén (pxn;Vxn) và đường cong giãn nở (pxg;Vxg). Đối với đường cong nén: Bằng cách cho giá tri đi từ đến ; bước nhảy của là 30 [cm3]. Kết quả tính toán ở bảng. Đối với đường cong giãn nỡ: Cũng bằng cách cho đi từ đến , với bước nhảy là 30 . Kết quả tính toán được ghi ở bảng. Bảng 2-1: Các trị số áp suất của môi chất công tác của quá trình nén và quá trình giãn nỡ của động cơ xăng được thiết kế. V [cm3] Đường nén –Pxn [bar] Đường giãn nở - Pgn [bar] 108.81 18.447 62.407 120 16.164 55.165 150 11.959 41.645 180 9.35 33.097 210 7.593 27.254 240 6.341 23.034 270 5.409 19.857 300 4.692 17.388 330 4.125 15.421 360 3.668 13.82 390 3.292 12.494 420 2.979 11.38 450 2.714 10.432 480 2.487 9.618 510 2.292 8.91 540 2.122 8.291 570 1.972 7.745 600 1.84 7.26 630 1.723 6.828 660 1.618 6.439 690 1.524 6.088 720 1.439 5.77 750 1.362 5.481 780 1.292 5.217 810 1.227 4.974 840 1.169 4.752 870 1.115 4.546 900 1.065 4.356 930 1.019 4.18 979.299 0.95 3.916 1088.11 0.824 3.429 PHẦN 3 THIẾT KẾ KỸ THUẬT HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 3.1. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN: 3.1.1 Sơ đồ cấu tạo và vật liệu chế tạo các bộ phận cơ bản: 3.1.1.1. Nhóm piston: Nhóm piston có nhiệm vụ bao kín buồng đốt, truyền lực khí thể cho thanh truyền làm quay trục khuỷu của động cơ và giữ cho khí cháy không lọt xuống carte, ngăn cản dầu bôi trơn chạy ngược lên buồng đốt. Nhóm piston bao gồm: + Piston + Chốt piston + Các xec măng (xec măng khí và xec măng dầu). Piston: - Chức năng,nhiệm vụ: Piston là một bộ phận chuyển động trong lòng xylanh. Nó tiếp nhận áp lực của môi chất công tác rồi truyền cho trục khủy thông qua trung gian là thanh truyền. Ngoài ra piston còn có công dụng trong việc nạp, nén khí mới và đẩy khí thải ra khỏi không gian công tác của xylanh. - Sơ đồ cấu tạo: Hình 3-1: Sơ đồ cấu tạo piston 1-Đỉnh piston, 2-Gân, 3-Tăng bền bệ chốt piston, 4-Lỗ xả dầu, 5-Rãnh vòng găng, 6-Tăng bền váy piston, 7-Lỗ chốt piston - Vật liệu chế tạo và đặc điểm cấu tạo: Để đảm bảo cho piston làm việc lâu dài và ổn định ở động cơ cao tốc ta sử dụng hợp kim Al để chế tạo. Cần nhiệt luyện hợp kim Al đạt độ cứng HB = 120-140. Piston được chế tạo bằng phương pháp rèn dập bằng loại nhôm rèn và phủ lên bề mặt piston một lớp Crôm để tạo bền cho lớp bề mặt piston và không bị cháy rỗ. Song nó còn có ưu điểm là hợp kim nhôm có trọng lượng riêng nho nên nhẹ; do đó lực quán tính sinh ra nhỏ, Al có tính tản nhiệt cao hơn gang, hệ số ma sát nhỏ… + Đầu piston có xẻ rãnh chứa xecmăng, bao gồm 2 xecmăng khí và một xecmăng dầu, các rãnh này nằm phía trên chốt piston. + Thân piston: bố trí chốt lệch tâm sao cho giảm để 2 bên chịu lực của piston va xylanh mòn đều, giảm tiếng ồn. Đuôi piston được vát bớt để piston nhẹ hơn và tránh bị bó kẹt trong xylanh khi piston bị biến dạng trong quá trình làm việc lâu dài chịu nhiệt độ cao. Xecmăng: - Xéc măng khí: làm bằng gang hợp kim, bề mặt tiếp xúc vơi xy lanh được phủ một lớp Crôm xốp chịu mòn tốt. - Xéc măng dầu: cũng được làm bằng gang hợp kim và bề mặt được phủ một lớp Crôm xốp nhằm nâng cao khả năng chịu mòn bề mặt làm việc. hình 3-2 sơ đồ cấu tạo xecmang Chốt piston: - Chốt pison có cấu tạo hình trụ tròn, rỗng, có nhiệm vụ nối piston với thanh truyền và truyền lực của piston đến thsnh truyền. - Vật liệu chế tạo: Do những điều kiện làm việc của chốt piston đó là chịu tải va đập, trọng lượng nhỏ, ít biến dạng trong quá trình làm việc, bề mặt đạt độ cứng cao…Vì vậy vật liệu để chế tạo chốt piston là thép cacbon có thành phần thấp. Mặt ngoài của chốt cần gia công đạt độ bóng từ cấp 8 đến cấp 9. Hình 3-3 sơ đồ cấu tạo chốt piston 3.1.1.2. Nhóm thanh truyền: Nhóm thanh truyền là nhóm nối giữa piston với trục khuỷu và cho phép biến chuyển động tịnh tiến qua lại của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Thanh truyền chịu lực va đập và lực uốn rất lớn. Nhóm thanh truyền gồm những chi tiết: bạc lót đầu to, bạc lót đầu nhỏ và bu lông thanh truyền. - Thanh truyền được chế tạo bằng thép hợp kim bằng phương pháp rèn. Chốt piston được lắp tự do trong đầu lót bạc nhỏ. Dầu nhờn được đưa lên chốt piston và bạc lót dầu nhỏ bằng đường dầu được khoan trong thân của thanh truyền. - Tiết diện thanh truyền ta chọn tiết diện hình chữ I. Vì với tiết diện hình dạng kiểu này thì thanh truyền có độ bền cao nhất và khối lượng nhỏ nhất. Thanh truyền thường có phần đầu nhỏ và nửa trên đầu to được đúc liền nhau, có các góc lượn, độ thuôn đều để giảm hiện tượng tập trung ứng suất. - Bạc lót thanh truyền làm bằng thép hợp kim, trên bề mặt ma sát được tráng hợp kim chống mòn. Hình 3-4: Cấu tạo nhóm thanh truyền 3.1.1.3. Trục khuỷu: - Trục khuỷu của động cơ đốt trong là một trong những chi tiết quan trọng bậc nhất. Nó có khối lượng lớn, giá trị chế tạo cao (chiếm 25 đến 30% giá thành chế tạo động cơ). - Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu tác dụng của tỉ trọng thay đổi theo chu kỳ uốn và xoắn phức tạp. Đồng thời trục khuỷu còn chịu sự mài mòn tại các bề mặt của cổ chính và cổ biên, các dao động ngang dọc có mômen uốn, xoắn không đồng đều về giá trị gây ra. Do điều kiện làm việc như vậy nên trục khuỷu được chế tạo bằng thép hợp kim 18XHNA và chế tạo bằng phương pháp rèn khuôn để tạo phôi, sau đó dùng phương pháp gia công cơ khí để chế tạo và hoàn thiện các khâu còn lại. + Cổ khuỷu: có dộ bóng cao, các cổ khuỷu phải có cùng đường kính, bên trong rãnh có dầu bôi trơn. + Cổ biên: cũng cần phải có độ bóng cao, các cổ biên yêu cầu phải có cùng kích thước và phải có rãnh dầu để bôi trơn. + Má khuỷu: dùng để nối liền giữa cổ trục và chốt khuỷu. + Đối trọng: được làm riêng rồi lắp lên má khuỷu bằng bu lông. Đối trọng trên trục khuỷu để tạo ra các lực quán tính ly tâm nhằm tạo cân bằng lực ly tâm của trục khuỷu, giảm tải trọng tác dụng cho một cổ khuỷu. + Đuôi trục khuỷu: có mặt bích để lắp bánh đà và được làm rỗng để lắp vòng bi, đỡ trục sơ cấp hộp số. Trên bề mặt ngỗng trục có lắp phớt chắn dầu, tiếp đó là ren hồi dầu có chiều xoắn ngược với chiều quay của trục khuỷu để gạt dầu trở lại, sát với cổ trục cuối cùng là đĩa chắn dầu. Hình 3-5: Cấu tạo của trục khuỷu 3.1.2. Các kích thước cơ bản và kiểm tra bền: 3.1.2.1. Đối với nhóm piston: Kích thước cơ bản của nhóm piston . [7,tr.51] Hình 3-6: Các kích thước cơ bản của piston - Chiều dày đỉnh piston: Chọn [mm] - Chiều cao của piston: Chọn [mm] - Chiều cao từ đỉnh đến tâm chốt piston: Chọn [mm] - Chiều cao từ đỉnh đến tâm chốt piston: [mm] - Đường kính chốt piston: Chọn [mm] - Đường kính bệ chốt: Chọn [mm] - Khoảng cách giữa hai bệ chốt: Chọn [mm] - Bề dày thân(váy): [mm] Chọn [mm] - Chiều dày đầu piston: Chọn [mm] - Khoảng cách từ đính piston đến xécmăng đầu tiên: Chọn [mm] - Bề rộng xécmăng: + Đối với xécmăng khí: Chọn [mm] + Đối với xécmăng dầu: Chọn [mm] - Chiều cao xécmăng: [mm] Chọn [mm] - Khe hở miệng xécmăng ở trạng thái tự do và làm việc : [mm] Chọn [mm] - Khe hở giữa đường kính trong của xécmăng và piston: + Đối với xécmăng khí: [mm] Chọn [mm] + Đối với xécmăng dầu: [mm] Chọn [mm] - Đường kính trong của piston: = 75,40 [mm] - Số lỗ khoan trên rãnh xécmăng dầu: lỗ Chọn lỗ - Đường kính lỗ khoan trên rãnh xécmăng dầu: Chọn [mm] - Đường kính ngoài của chốt piston: Chọn - Đường kính trong của chốt piston: Chọn [mm] - Chiều dài chốt piston: Chọn [mm] Kiểmtra bền nhóm piston . [7,tr.51] Ứng suất uốn đỉnh piston [7,tr.53] =6,2406.=156,95 [Mpa] Mà ta có []=25÷190 (Mpa) [7,tr53] => Đỉnh piston đủ bền 2) Kích thước của nhóm thanh truyền: [4 – tr80] Hình 3-7: Các kích thước cơ bản của thanh truyền -Bề rộng đầu nhỏ thanh truyền ( đối với lắp lỏng): Chọn [mm] - Đường kính trong đầu nhỏ: Chọn [mm] - Đường kính ngoài: Chọn [mm] - Bề rộng đầu nhỏ thanh truyền: Chọn [mm] - Chiều dày bạc lót đầu nhỏ: Chọn [mm] - Chiều dày đầu nhỏ: Chọn [mm] - Đường kính trong đầu to: Chọn [mm] - Chiều dài đầu to: Chọn [mm] - Chiều dày bạc lót đầu to: Chọn [mm] - Khoảng cách giữa hai bu lông (C): Chọn [mm] - Chiều rộng đầu to thanh truyền: Chọn [mm] - Đường kính lỗ dầu (d): Chọn Chọn [mm] - Khe hở hướng kính giữa bạc lót đầu nhỏ với chốt piston: Chọn [mm] - Chiều dài thân thanh truyền: [mm] - Chiều dày thân thanh truyền: [mm] - Chiều rộng của thân thanh truyền: [mm] [mm] - Chiều dày tối thiểu của lớp kim loại chịu mòn: [mm] Chọn [mm] - Đường kính trục khuỷu: Chọn - Đường kính bu lông thanh truyền ( dùng hai bu lông ): Chọn [mm] - Chiều dài bu lông: + Khoảng cách từ đuôi bu lông đến mặt ghép h1: . Chọn [mm] + Khoảng cách từ đầu bu lông đến mặt ghép h2 : Chọn [mm] - Bán kính góc lượn trên bu lông: .Chọn [mm] Chọn [mm] 3) Kích thước trục khuỷu: - Đường kính cổ chính trục khuỷu: Chọn [mm] - Chiều dài cổ trục: Chọn [mm] - Đường kính chốt khuỷu: Chọn [mm] - Chiều dài chốt khuỷu: Chọn [mm] - Chiều rộng má khuỷu: Chọn [mm] - Chiều dày má khuỷu: Chọn [mm] - Bán kính góc lượn trên trục khuỷu (r): Chọn [mm] 3.2. ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRUYỀN LỰC: hình 3-8 Động lực học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền 3.2.1 Lực khí thể : : diện tích đỉnh piston : : áp suất khí thể : : áp suất làm việc trung bình : áp suất khí trời 3.2.2 Lực quán tính Công suất : thể tích công tác động cơ : số vòng quay trục khuỷu trong 1 chu kỳ ( động cơ 4 kỳ = 2 vòng ) Bán kính khủy trục thanh truyền Khối lượng trục thanh truyền mN = 4 kg/kW mKT = mN.Ne = 434,275 = 137 (kg) Khối lượng chuyển động tịnh tiến ( đầu nhỏ thanh truyền) Khối lượng chuyển động quay( khối lượng đầu lớn thanh truyền) 3.2.2.1.1Lực quán tính chuyển động tịnh tiến: Trong đó: Pj (KN) 692.77125 -138.55425 -415.66275 -138.55425 692.77125 3.2.2.2Lực quán tính chuyển động quay Pk 3.3Lực tổng hợp tác dụng lên đỉnh piston: P(KN) 698.4103 -132.915 -410.024 -132.915 698.4103 3.3.1Thành phần lực tiếp tuyến : T 3.3.2Thành phần lực pháp tuyến Z 3.3.3Lực tác dụng dọc trục thanh truyền S 3.3.4Lực tác dụng ngang N 3.4Momen tác dụng lên động cơ 3.4.1Momen quay trục khuỷa động cơ Mk BẢNG TỔNG HỢP (KN) 692.7713 -138.554 -415.663 -138.554 692.7713 (KN) 698.4103 -132.915 -410.024 -132.915 698.4103 (KN) 0 -132,915 0 132,915 0 (KN) 132,915 34,026 410,024 34,026 132,915 (KN) 0 -33,83 0 33,83 0 (KN) 698,41 -137,152 -410,024 -137,152 698,41 THÀNH PHẦN LỰC TIẾP TUYẾN T LỰC QUÁN TÍNH CHUYỂN ĐỘNG TINH TIẾN Pj 3.5. Chuyển vị của piston: - Thông số kết cấu: (được chọn ở bảng tổng hợp các thông số cơ bản) - Phương trình chuyển động của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền: Phương trình này biểu diễn khoảng trượt của piston, phụ thuộc vào α, R và λ. α0 Dấu Sp [mm] Dấu α0 0 + 0 + 360 10 + 0.777 + 350 20 + 3.072 + 340 30 + 6.774 + 330 40 + 11.71 + 320 50 + 17.653 + 310 60 + 24.344 + 300 70 + 31.503 + 290 80 + 38.851 + 280 90 + 46.125 + 270 100 + 53.09 + 260 110 + 59.548 + 250 120 + 65.344 + 240 130 + 70.362 + 230 140 + 74.525 + 220 150 + 77.788 + 210 160 + 80.127 + 200 170 + 81.532 + 190 180 + 82 + 180 3.6 Vận tốc của piston: Phương trình tốc độ chuyển động của piston là hàm phụ thuộc vào góc quay của trục khuỷu, bằng cách vi phân biểu thức tính chuyển vị của (Sp) theo thời gian. Kết quả ta có phương trình vận tốc chuyển động của piston như sau: Trong đó: Bảng 3-2: Bảng tổng hợp số liệu tốc độ của piston α0 Dấu Vp [m/s] Dấu α0 0 + 0 - 360 10 + 5.021489194 - 350 20 + 9.840740611 - 340 30 + 14.26765138 - 330 40 + 18.13529725 - 320 50 + 21.3089142 - 310 60 + 23.69207348 - 300 70 + 25.22961156 - 290 80 + 25.90722594 - 280 90 + 25.748 - 270 100 + 24.80643411 - 260 110 + 23.16079964 - 250 120 + 20.90477072 - 240 130 + 18.13931044 - 230 140 + 14.9656935 - 220 150 + 11.48034862 - 210 160 + 7.771928689 - 200 170 + 3.920697363 - 190 180 + 0 - 180 3.7. Gia tốc của piston: Lấy đạo hàm tốc độ của piston theo thời gian ta có công thức tính gia tốc của piston như sau: Bảng 3-3: Bảng tổng hợp số liệu gia tốc của piston α 0 Dấu JP[m/s2] Dấu α0 0 + 20212.18 + 360 10 + 19722.73653 + 350 20 + 18291.27475 + 340 30 + 16024.62708 + 330 40 + 13088.70418 + 320 50 + 9691.74945 + 310 60 + 6063.654 + 300 70 + 2433.692526 + 290 80 - 990.8007003 - 280 90 - 4042.436 - 270 100 - 6606.493858 - 260 110 - 8627.063795 - 250 120 - 10106.09 - 240 130 - 11095.67274 - 230 140 - 11684.78089 - 220 150 - 11982.19108 - 210 160 - 12097.90348 - 200 170 - 12125.44198 - 190 180 - 12127.308 - 180