ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG YAZ 451 m

Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m Lời nói đầu Động đốt đóng vai trò quan trọng kinh tế, nguồn động lực cho phương tiện vận tải ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thuỷ, máy bay máy công tác máy phát điện, bơm nước… Động đốt nguồn cung cấp 80% lượng giới Chính việc tính tốn thiết kế đồ án mơn học động đốt đóng vai trị quan trọng sinh viên chuyên ngành khí Đồ án tính tốn thiết kế đồ án mơn học động đốt đồ án đòi hỏi người thực phải sử dụng tổng hợp nhiều kiến thức chuyên ngành kiến thức môn học sở Trong q trình hồn thành đồ án khơng giúp cho em củng cố nhiều kiến thức học giúp em mở rộng hiểu sâu kiến thức chuyên ngành kiến thức tổng hợp khác Đồ án bước quan trọng cho em trước tiến hành làm đồ án tốt nghiệp sau Mặc dù cố gắng nhiều để hoàn thành đồ án cách tốt nhất, song hạn chế kiến thức kinh nghiệm thực tế nên trình làm khơng tránh sai sót em mong đóng góp thầy toàn thể bạn để đồ án em hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Đỗ Thành Phương tồn thể thầy giáo Bộ mơn Động Cơ Đốt Trong tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án tốt đẹp Sinh viên Nguyễn Hữu Quảng SV: Nguyễn Hữu Quảng Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m I/ CÁC SỐ LIỆU TÍNH TỐN BAN ĐẦU I.1/ Bảng số liệu ban đầu TT Tên thông số Kiểu động 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Số kì Số xi lanh Thứ tự nổ Hành trình piston Đường kính xilanh Góc mở sớm xupap nạp Góc đóng muộn xupap nạp Góc mở sớm xupap xả Góc đóng muộn xupap xả Góc đánh lửa sớm Chiều dài truyền Cơng suất động Số vịng quay động Suất tiêu hao nhiên liệu Tỉ số nén Khối lượng truyền Khối lượng nhóm piston Kí hiệu YAZ451m τ i S D α1 α2 β1 β2 φi ltt Ne n ge ε mtt mpt Giá trị Xăng Đơn vị 4 1-3-4-2 95 92 120 560 570 130 Kì 180 80 4050 235 6.6 1020 723 mm mm độ độ độ độ độ Mm mã lực v/ph g/ml.h g g I.2/ Các thông số chọn Các thông số cần chọn theo điều kiện môi trường, kết cấu động bao gồm: I.2.1/ Áp suât môi trường po Áp suất mơi trường po áp suất khí trước nạp vào động cơ: po = 0,1 Mpa SV: Nguyễn Hữu Quảng Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m I.2.2/ Nhiệt độ môi trường To Lựa chọn nhiệt độ mơi trường theo nhiệt độ bình qn năm Ở nước ta chọn To = 297 K I.2.3/ Áp suất cuối trình nạp pa Do động động không tăng áp nên chọn pa = (0,8 - 0,9 )po Ta chọn pa = 0,085 MPa I.2.4/ Áp suất khí thải pr Áp suất khí thải phụ thuộc vào nhiều thông số p a Đối với động xăng, ta chọn pr nằm phạm vi: pr = (0,11-0,12) Mpa Ta lấy pr = 0,115 MPa I.2.5/ Mức độ sấy nóng mơi chất ΔT T phụ thuộc vào trình hình thành hịa khí bên hay ngồi xy lanh Với động cợ YAZ-451m động xăng hình thành hịa khí bên xy lanh nên mức độ sấy nóng T = 10-30 ֠K Ta chọn T = 20 ֠K I.2.6/ Nhiệt độ khí sót Tr Nếu q trình giãn nở triệt để, nhiệt độ Tr thấp.Với động xăng Tr = 900-1100 ֠K Ta chọn Tr = 1000 ֠K I.2.7/ Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt  t Tỷ nhiệt môi chất thay đổi phức tạp nên thường phải vào hệ số dư lượng khơng khí α để hiệu đính SV: Nguyễn Hữu Quảng Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m Ta chọn  t = 1,10 I.2.8/ Hệ số quét buồng cháy  Với động không tăng áp  = I.2.9/ Hệ số nạp thêm 1 Phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí Thơng thường 1 = (1,02- 1,07 ) Ở ta chọn 1 = 1,03 I.2.10/ Hệ số lợi dụng nhiệt điểm z, z Thể lượng nhiệt phát nhiên liệu dùng để sinh công tăng nội với lượng nhiệt phát đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu Đối với động xăng z = (0,85-0,92) Ở ta chọn z = 0,9 I.2.11/ Hệ số lợi dụng nhiệt điểm b, b Đối với động xăng có tỉ số nén nhỏ b = (0,80 ÷ 0,90) Ở ta chọn b = 0,8 (Tại điểm b lượng nhiệt trao đổi với vách xy lanh mơi Qcb trường ngồi lớn b = Q  Q ) H H I.2.12/ Hệ số hiệu đính đồ thị cơng d d Thể sai lệch tính tốn lý thuyết chu trình cơng tác động so với chu trình thực tế Chu trình cơng tác thực tế động điezen sai khác nhiều so với chu trình tính tốn lý thuyết với d = (0,90 – 0,96) Ta chọn d = 0,95 I.2.13/ Hệ số tăng áp  Đối với động xăng  = (3-4,5), Ở ta chọn  = SV: Nguyễn Hữu Quảng Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m II TÍNH TỐN CÁC Q TRÌNH CƠNG TÁC II.1/ Tính tốn q trình nạp II.1.1/ Hệ số khí sót  r r  (To  T).p r Tr (.pa  p r ) Thay số vào PT ta có : r  (297  20).0,115  0, 082 1000.(6, 6.0, 085  0,115) II.1.2/ Nhiệt độ cuối trình nạp Ta Ta  To T  r Tr 1r Thay số vào ta có: Ta  297  20  0,082.1000  368,76 (K)  0,082 II.1.3/ Hệ số nạp  v v  .p a T0 (  1).p (T0  T   r Tr ) Thay số vào ta : v  6,6.0,085.297  0, 75 (6,6 1).0,1.(297  20 0,082.1000) II.1.4/ Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0 Mo = �C H O �   ( kmol/kg nl) 0, 21 � 12 32 � � � Với nhiên liệu động xăng C=0,855 ; H= 0,145 ; O = SV: Nguyễn Hữu Quảng Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m => Ta tính Mo = 0,512 II.1.5/ Hệ số dư lượng khơng khí α Đối với động xăng YAZ-451m có làm đậm α=0,85-0,9 Ta Chọn α=0,9 II.1.6/ Lượng khí nạp M1 M1  .M   (kmol/kg nl) nl Trong đó:  nl trọng lượng phân tử nhiên liệu( hay trọng lượng kmol nhiên liệu) Đối với động xăng  nl = 110-114 Chọn  nl =110(kg/kmol) => M1  0, 9.0, 512   0, 47 (kmol/kg nl) 110 II.2/ Tính tốn q trình nén II.2.1/ Chỉ số nén đa biến trung bình n1 Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc nhiều vào thông số kết cấu thông số vận hành kích thước xy lanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải, trạng thái nhiệt động cơ…Tuy nhiên n1 tăng giảm theo quy luật tất nhân tố làm cho môi chất nhiệt khiến cho n1 giảm Giả thiết trình nén đoạn nhiệt động xăng ta chọn: n1=1,35 II.2.5/ Áp suất cuối q trình nén pc Tính theo cơng thức sau: SV: Nguyễn Hữu Quảng Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m pc = pa.n1 =0,085.6,61,35 = 1,09 (MPa) II.2.6/ Nhiệt độ cuối trình nén Tc = Ta εn1-1 =368,76.6,61,35-1 = 713,8 (K) II.2.7/ Lượng môi chất cơng tác q trình nén Mc =M1+ Mr = M1( 1+γr ) = 0,47.(1+0,082) =0,51 (kg/kmolnl) II.3/ Tính tốn trình cháy II.3.1/ Lượng sản vật cháy M2 Khi α [σu] => Không đảm bảo điều kiện ứng suất uốn đỉnh piston SV: Nguyễn Hữu Quảng 42 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m  Lí khơng thỏa mãn bởi mợt sớ ngun nhân: - Kích thước chi tiết vẽ chưa xác với kích thước thực động thực tế - Vật liệu chế tạo piston thực tế có ứng suất uốn cho phép lớn giá trị lí thuyết  Để tăng ứng suất uốn thiết kế ta cần phải: - Tăng bề dày đỉnh piston cho phù hợp - Thiết kế thêm gân trợ lực cho đỉnh piston - Chọn vật liệu có ứng suất uốn cho phép cao VI.2/ Tính nghiệm bền đầu piston a/ Ứng suất kéo Ứng suất kéo: k  p j max FI  I  mI  I jmax FI  I Trong đó, mI-I khối lượng phần đầu piston tiết diện suy yếu I-I FI-I diện tích phần tiết diện suy yếu jmax = 5523,435 (m/s2) gia tốc lớn piston  Căn hình vẽ mặt cắt động cơ, sở đo đạc kích thước thực tế ta tính giá trị mI-I FI-I sau: - Thể tích phần đầu phía tiết diện I-I: Vđpt(I-I) = Vo – V1 - 4V2 ( Vo thể tích khối trụ phần đầu piston có đường kính đường kính piston, chiều cao tính từ đỉnh piston tới mặt cắt I-I; V1 thể tích chỏm cầu đỉnh piston; V2 thể tích rãnh xéc-măng) SV: Nguyễn Hữu Quảng 43 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m => Vđpt(I-I) = 5,65.10-4 – 0,65.10-4 – 0,38.10-4 = 4,62.10-4 (m3) Khối lượng riêng vật liệu làm piston ( hợp kim nhôm)  = 2,7 g/cm3 => mI-I = Vđpt(I-I)  = 4,62.10-4.(2,7.103) = 1,25 (kg) - Diện tích tiết diện I-I : FI-I ≈ 2110.10-6 (m2) Suy ra:  k  1, 25.5523, 435  3, 27 (MN/m2) 6 2110.10 Ứng suất cho phép [σk] = 10 (MN/m2) => σk < [σk] => Đảm bảo điều kiện ứng suất kéo đầu piston b/ Ứng suất nén n  Pz  D 3,14.0,120  pz max  7, 213  38, (MN/m2) 6 FI  I 4.FI  I 4.2110.10 Ứng suất nén cho phép [σn] = 25 (MN/m2) piston hợp kim nhôm => σn > [σn] => Không đảm bảo điều kiện ứng suất nén phần đầu piston VI.3/ Tính nghiệm bền thân piston a/ Áp suất tiếp xúc thân kth  N max lth D (MN/m2) Trong đó: + lth: Chiều dài phần thân piston + Nmax: Lực ngang lớn SV: Nguyễn Hữu Quảng 44 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt  Động Xăng YAZ-451m Đồ thị biểu diễn lực ngang N kì cháy-giãn nở: N (MN) 0,0203 360° 370° 380° 390° 400° 410° 420° 430° 440° 450° 460° 470° 480° 490° 500° 510° 520° 530° 540° => Nmax = 0,0203 (MN) Ta tính được: kth  0, 0203 = 1,61(MN/m2) 105.103.0,120 Áp suất tiếp xúc cho phép [kth ]  (0,5 �1, 2) MN/m2 => Không đảm bảo điều kiện áp suất tiếp xúc thân b/ Áp suất tiếp xúc bề mặt chốt kb  Với Pz  pz Pz (MN/m2) 2.d ch lb  D  0,1202  7, 213  0, 0815 (MN) 4 dch – Đường kính chốt piston lb – Chiều dài tiếp xúc bệ chốt SV: Nguyễn Hữu Quảng 45 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m 0, 0815 Thay số vào ta được: kb  2.(42.10 ).(20.103 )  48,5 (MN/m2) 3 Áp suất tiếp xúc cho phép: [kb ]  35 MN/m2 => Không đảm bảo điều kiện áp suất tiếp xúc bề mặt chốt VI.4/ Tính nghiệm bền chớt Piston Sơ đồ tính lực chốt piston: SV: Nguyễn Hữu Quảng 46 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt l1 ld Động Xăng YAZ-451m l1 l II I lcp a/ Ứng suất uốn - Mômen uốn chốt: Mu  - Pz �l ld �  � (MN.m) � �2 � Mômen uốn chốt rỗng: 4   d ch  d  Wu  �0,1.dch4 (1   ) 32 d ch Trong đó: l – Khoảng cách tâm hai bệ chốt lđ – Chiều dày đầu nhỏ truyền, lđ = lcp - 2l1 = 100 – 2.20 = 60 (mm) SV: Nguyễn Hữu Quảng 47 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m dch – Đường kính ngồi chốt piston d0 – Đường kính của chốt  d0 - Hệ số độ rỗng chốt d ch → 22  0,524 42 4   d ch  d  Wu  �0,1.dch3 (1   ) 32 d ch u  3 3 M u Pz  lcp  2.l1  1,5.ld  0, 0815  (100.10 )  0,5.(60.10 )     129 MN/m2 4 Wu 1, 2.d cp (1   ) 1, 2.0, 042 (1  0,524 ) Ứng suất uốn cho phép thép hợp kim là:   u   (150 �250) MN / m => Đảm bảo điều kiện ứng suất uốn b/ Ứng suất cắt  Pz  2.Fch 0, 0815  40,5MN / m 2 �0, 042  0, 022 � 2� � � � � � Ứng suất cắt cho phép:   u   (50 �70) MN / m => Đảm bảo điều kiện ứng suất cắt c/ Áp suất tiếp xúc với đầu nhỏ truyền kd  Pz 0, 0815   32,34 MN/m2 ld d cp 0, 06.0, 042 Áp suất cho phép:  kd   (20 �35) MN / m SV: Nguyễn Hữu Quảng 48 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m => Đảm bảo áp suất tiếp xúc cho phép d/ Độ biến dạng Khi chịu lực chốt rỗng, thường bị biến dạng thành ôvan Nếu độ biến dạng nhiều gây bó kẹt Độ biến dạng loại chốt có hệ số rỗng α = 0,4 ÷ 0,8 xác định cơng thức sau: d max  0, 09.Pz � 1  � � �.k E.lcp � 1 � Trong đó: + k – Hệ số hiệu đính � k� 1,5  15.(  0, 4)3 � 1,5  15  0,524  0,  � 1, 47 � � � � + E – Môdun đàn hồi thép: E = 2.105 MN/m2 => d max 0, 09.0, 0815 �  0,524 �  � 1, 47  1, 77.105 2.10 0,1 �  0,524 � � Độ biến dạng tương đối:  ch  d max 1, 77.105   0, 00042  0, 002 d ch 0, 042 => Đảm bảo điều kiện biến dạng cho phép e/ Ứng suất biến dạng SV: Nguyễn Hữu Quảng 49 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m Pz Khi chốt bị biến dạng thành ôvan, ứng suất biến dạng điểm 1, 2, 3, tiết diện ngang chốt phân bố hình vẽ bên: Điểm chịu ứng suất kéo lớn nhất, điểm 2, chịu ứng suất nén lớn Theo kết tính tốn, mặt chốt thường có ứng suất lớn Chính vậy, chốt piston thường rạn nứt mặt  Ứng suất kéo điểm mặt (φ = 00) thính theo cơng thức sau:  a ( 0)             �.k Pz � � 0,19 � lcp d cp �         � � � � 0, 0815 �   0,524    0,524  � 0,19  1, 47  32 (MN/m2) � 0,1.0, 042 �   0,524  �   0,524  � � Ứng suất kéo điểm mặt ngoài: SV: Nguyễn Hữu Quảng 50 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt  a ( 900 )   Động Xăng YAZ-451m          0, 636 �.k  Pz � � 0,174 � lcp d cp �         � � �   0,524    0,524   0, 636 �.1, 47  122 0, 0815 � � 0,174 � 0,1.0, 042 �   0,524  �   0,524  � � (MN/m2)  Ứng suất kéo điểm mặt trong:  a (   00 )     Pz �   2.      � � 0,19  k � lcp d ch �          � � � � 0, 0815 �   2.0,524    0, 524  � 0,19  1, 47  202 (MN/m2) � 0,1.0, 042 �  0,524  �   0,524  0,524 � � Ứng suất kéo điểm mặt ngoài:  a ( 900 )     2.       0, 636 �.k Pz � � 0,174 � lcp d ch �          � � �   2.0,524    0,524   0, 636 �.1, 47  92 0, 0815 � � 0,174 � (MN/m2) 0,1.0, 042 �  0,524     0,524  0,524 � � � Ứng suất biến dạng cho phép:     60 �170 MN/m2 => Vậy điểm 1, 3, đảm bảo ứng suất cho phép; có vị trí điểm không thỏa mãn SV: Nguyễn Hữu Quảng 51 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đớt Đợng Xăng YAZ-451m VI.5/ Tính kiểm nghiệm bền xéc măng không đẳng áp Kiểm tra thông số kết cầu xéc-măng: D 120   24 t A 12   2, t Thỏa mãn điều kiện D/t = 20 ÷ 30; A/t = 2,5 ÷ => Áp dụng cơng thức kinh nghiệm Ghinxbua để tính bền xéc-măng a/ Ứng suất uốn xécmăng trạng thái làm việc:  u1  2.Cm A.E �D �      D �  1� MN/m �t � Trong đó: + Cm: Hệ số phân bố áp suất khơng đẳng áp, Cm = 1,74 ÷ 1,87 Chọn Cm = 1,80 + ξ : Hệ số điều chỉnh ξ = 0,196 + E : Môdun đàn hồi gang hợp kim, E = 1,20.105 (MN/m2) Suy ra:  u1  2.1,80.(12.10 3 ).(1, 20.105 )  213 �0,12 � (MN/m2)    0,196  0,12 �  1� �0, 005 � Với động ô tô, máy kéo: [σu1] = 300 ÷ 400 MN/m2 => Đảm bảo ứng suất uốn cho phép làm việc b/ Ứng suất uốn của xécmăng lắp vào piston SV: Nguyễn Hữu Quảng 52 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt u2 � A/t � 4.E � 1 �      � �  D �D � m �  1, � t �t � Động Xăng YAZ-451m MN/m2 Trong đó: m : Hệ số lắp ghép: - Nếu lắp tay m=1 - Lắp đệm m = 1,57 - Lắp kìm chuyên dụng m = Chọn phương án lắp đệm m = 1,57  u2 12 � � � � 4.1, 20.10 � 1 � �    0,196  � (MN/m2) � �   410 120 � 120 � 1,57 �  1, � �5 � Với động tơ, máy kéo: [σu2] = 400 ÷ 450 MN/m2 => Đảm bảo ứng suất uốn cho phép lắp vào piston c/ Ứng suất uốn gia công phôi xécmăng  u   1, 25 �1,3  u1 MN/m2 Chọn  u  1, 25. u1  1, 25.213  266, 25 (MN/m2) d/ Áp śt bình qn của xécmăng khơng đẳng áp tác dụng lên mặt xylanh A 12 0, 425.1, 20.105 t ptb    0,15 (Mpa) 3 D 120 � �D � 120 �   0,196  �  �     �  1� t �t � �5 � 0, 425.E SV: Nguyễn Hữu Quảng 53 Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương Đồ án môn học Động đốt Động Xăng YAZ-451m e/ Quy luật phân bố áp śt khơng đẳng áp của xécmăng vẽ gần đúng theo công thức sau: p   ptb (Mpa) α 00 300 600 900 1200 1500 1800 φ 1,051 1,047 1,137 0,896 0,456 0,670 2,861 p 0,1576 0,1570 0,1705 0,1344 0,0684 0,1005 0,4292 Ta thấy áp suất vùng miệng xéc măng có trị số lớp 150° 180° 120° 90° 60° 30° SV: Nguyễn Hữu Quảng 54 0° Hướng dẫn: GV.Đỗ Thành Phương