(TIỂU LUẬN) bài tập lớn tính toán động cơ đốt trong KOMATSU SA6D125E

Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình i ii iii Lời cảm ơn Đồ án môn học Động đốt khâu quan trọng khối kiến thức ngành Cơng nghệ Kỹ Thuật Ơ tơ, kỹ sư thiết kế phải biết có khả thiết kế Hơn nữa, đất nước ta đất nước phát triển cần phát triển ngành công nghiệp mà cơng nghiệp tơ giữ vai trị quan trọng Trong đó, phận quan trọng ô tô sinh nguồn động lực cho ô tô – động tơ Vậy thiết kế động khâu quan trọng để phát triển ngành công nghiệp ô tô Sau ba năm học Cơng nghệ Kỹ Thuật Ơ tơ, chúng em trang bị nhiều kiến thức môn học sở Nguyên lý máy, Sức bền vật liệu, Vật liệu học Nhiệt động lực học nhiều môn học chuyên ngành khác Đồ án Động đốt hội cho chúng em tổng hợp áp dụng kiến thức học Trong trình thực đồ án em gặp nhiều khó khăn phương pháp thiết kế tính tốn việc hồn thành vẽ mình, nhờ hướng dẫn tận tình Thầy hướng dẫn góp ý bạn giúp em hoàn thành đồ án Sau thời gian làm việc với nỗ lực thân giúp đỡ từ tất người, em hoàn thành Đồ án Động đốt Nay em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn Thầy TS Lê Thanh Tuấn tận tình hướng dẫn chúng em thời gian qua Mặc dù em cố gắng trình thực khó tránh khỏi thiếu sót, mong góp ý chân thành từ thầy Em xin chân thành cảm ơn I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Động đốt ngày phát triển mạnh mẽ, giữ vai trò quan trọng nhiều ngành kinh tế quốc dân công nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường biển, đường không nhiều ngành công nghiệp khác Riêng sản lượng động đốt trong giao thông vận tải đường ngày giới đạt mức 88,6 triệu xe ôtô/năm sản lượng cịn tăng Trong nhiều nước cơng nghiệp phát triển, ngành khí lượng bao gồm công nghiệp ôtô, thường đứng vị trí thứ ba sau ngành điện tử cơng nghiệp ngành hóa học Số lượng lao động ngành động đốt thiết bị liên quan đến động đốt chiếm gần 30% lao động tồn xã hội Qui mơ nhiều xí nghiệp to lớn, trờ thành tập đoàn sản xuất xuyên lục địa FORD, TOYOTA, HYUNDAI, BMW, MERCEDEC-BENZ, MAZDA, SUZIKI, CHEVROLET Bài tập lớn Tính tốn Đợng Cơ Đớt Trong coi sản phẩm đầu tay kỹ sư ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Ơtơ Nó giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với công việc thực tế kỹ sư, nắm bắt kỹ thiết kế động Qua bái tập lớn chúng em có điều kiện củng cố lại nghiên cứu sâu kiến thức học môn học sở ngành chuyên ngành như: - Nguyên lý chi tiết máy - Sức bền vật liệu - Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong - Tính tốn thiết kế Động Cơ Đốt Trong II PHÂN TÍCH KẾT CẤU CỦA ĐỘNG CƠ KOMATSU SA6D125E-3 2.1 Tổng thể kết cấu động 2.2 Phân tích kết cấu piston- trục khuỷu – truyền (Hệ thống phát lực động cơ) Nhiệm vụ hệ thống phát lực Tiếp nhận lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến piston (trong xy – lanh) biến thành làm quay trục khuỷu, tạo mô – men có ích cho động làm việc 2.2.1 Piston Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu piston với chi tiết khác xy-lanh, nắp xylanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực khí thể cho truyền nhận lực từ truyền để nén khí Điều kiện làm việc: Tải trọng học lớn có chu kỳ, áp suất lớn đạt tới 120 kG/cm 2, lực quán tính lớn đặc biệt động cao tốc Tải trọng nhiệt cao piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên đạt nhiệt độ cao từ 500 – 8000K Nhiệt độ cao khiến piston chịu ứng suất nhiệt lớn gây bó kẹt, nứt, giảm sức bền, gây kích nổ vv… Ma sát lớn ăn mịn hóa học Ma sát gây nên lực ngang nên có giá trị lớn với điều kiện bơi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bơi trơn tốt Ăn mịn hóa học piston thường xun tiếp xúc với sản vật cháy Yêu cầu: Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt Có độ bền độ cứng đủ để tránh biến dạng lớn chịu mài mịn Đảm bảo bao kín buồng cháy để cơng suất động không bị giảm sút tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt mức động làm việc, tránh hư hỏng piston ứng suất nhiệt Phân loại: Theo dạng đỉnh piston Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản Đỉnh lõm: tạo xốy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho trình hình thành hỗn hợp đốt cháy Tuy nhiên sức bền diện tích chịu nhiệt lớn so với đỉnh Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp động Diesel 2.2.2 Chốt Piston: Là chi tiết nối Piston với truyền Nhiệm vụ: Truyền lực tác dụng khí thể từ piston xuống truyền Chốt piston thường có cấu tạo rỗng lắp lỏng với bệ chốt piston đầu nhỏ truyền Điều kiện làm việc: Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao điều kiện bơi trơn khó khăn Chốt piston cịn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt piston dễ bị mòn Yêu cầu: Chốt piston phải chế tạo vật liệu tốt để đảm bảo sức bền độ cứng vững Bề mặt làm việc piston cần theo cơng nghệ đặc biệt để đảm bảo chốt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt Mặt chốt phải mài bóng để chống ứng suất tập trung lắp ghép với piston truyền khe hở phải nhỏ Phân loại: Theo kiểu lắp ghép chốt: Cố định chốt piston bệ chốt piston Cố định chốt piston đầu nhỏ truyền Chốt piston lắp tự Theo hình dạng: bề mặt bên chốt có dạng hình trụ côn 2.2.3 Xec – măng Nhiệm vụ: Đảm bảo piston di động dễ dàng xylanh Xec – măng có loại xec – măng khí xec – măng dầu Xec – măng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọt khí cịn xec – măng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy Điều kiện làm việc: Xec – măng chịu tải trọng học lớn (áp lực khí cháy), chịu lực qn tính lớn, có chu kỳ va đập Ngồi xec – măng cịn chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mịn hóa học ứng suất lắp ghép ban đầu Yêu cầu: Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy Chịu lực va đập: làm việc lực khí thể lực quán tính tác dụng lên xec – măng Chịu mài mòn: làm việc xec – măng ma sát với xylanh lớn Phân loại: có hai loại xec – măng xec – măng khí xec – măng dầu 2.2.4 Nhóm truyền Nhiệm vụ: Thanh truyền chi tiết trung gian, đầu nhỏ lắp ghép với piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu Điều kiện làm việc: Thanh truyền có chuyển động phức tạp bao gồm: đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến piston, thân truyền chuyển động lắc, đầu to chuyển động quay với trục khuỷu Vậy truyền chịu lực va đập tuần hồn lực khí thể, lực qn tính nhóm piston thân truyền Yêu cầu: Lựa chọn kích thước vật liệu chế tạo hợp lý để truyền chịu lực va đập tuần hoàn Phân loại: Theo tiết diện thân truyền Tiết diện hình chữ I: có sức bền theo hai phương, dùng phổ biến từ động cỡ nhỏ đến động cỡ lớn Tiết diện hình chữ nhật, ô van: có ưu điểm dễ chế tạo, thường dùng động mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ 2.2.5 Trục khuỷu Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo moment quay kéo máy công tác nhận lượng bánh đà Sau đó, truyền cho truyền piston thực trình nén trao đổi khí xylanh Điều kiện làm việc: Trục khuỷu chịu lực T, Z lực khí thể lực qn tính nhóm piston – truyền gây Ngồi trục khuỷu cịn chịu lực quán tính ly tâm khối lượng quay lệch tâm thân trục khuỷu truyền Những lực gây uốn, xoắn, dao động xoắn dao động ngang trục khuỷu lên ổ đỡ Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo yêu cầu: Đảm bảo động làm việc đồng đều, biên độ dao động moment xoắn tương đối nhỏ Ứng suất sinh dao động xoắn nhỏ Động làm việc cân rung động Cơng nghệ chế tạo đơn giản Phân loại: có hai loại trục khuỷu nguyên trục khuỷu ghép 2.2.6 Bánh đà Nhiệm vụ: Giữ cho độ không đồng động nằm giới hạn cho phép Ngồi bánh đà cịn nơi lắp vành khởi động khắc vạch chia độ góc quay trục khuỷu Yêu cầu: Trong trình làm việc, bánh đà tích trữ lượng dư sinh q trình sinh cơng (lúc moment động có giá trị lớn moment cản nên làm cho trục khuỷu quay nhanh) để bù đắp phần lương hao hụt hành trình tiêu hao cơng (lúc moment cản có giá trị lớn moment động cơ) khiến cho trục khuỷu quay hơn, giảm biên độ dao động tốc độ góc trục khuỷu Phân loại: Theo kết cấu: Bánh đà dạng đĩa: bánh đà mỏng có moment qn tính nhỏ nên dùng cho động tốc độ cao Bánh đà dạng vành: bánh đà có moment qn tính lớn Bánh đà dạng chậu: bánh đà có dạng trung gian hai loại bánh đà trên, có moment quán tính sức bền lớn Bánh đà dạng vành có nan hoa: để tăng moment qn tính bánh đà, phần lớn khối lượng bánh đà dạng vành xa tâm quay nối với mayơ gân kiểu nan hoa - Trong động đốt kiểu pit-tơng cụm chi tiết chuyển động (pit-tơng, truyền, trục khuỷu) làm việc nguyên tắc sau: Nhóm pit-tơng chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho truyền Nhóm truyền chi tiết chuyển động trung gian, có chuyển động phức tạp để biến chuyển động tịnh tiến pit-tông thành chuyển động quay trục khuỷu Trục khuỷu chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay truyền cơng suất động để dẫn động máy công tác khác Hinh 2.5 Các kỳ động Theo chu kỳ lý thuyết, kỳ khởi điểm chết mà chấm dứt điểm chết Trong động bốn kỳ kỳ thực q trình có: - Kỳ nạp/hút: pit-tông nhận lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu truyền dịch chuyển từ điểm chết (ĐCT) xuống điểm chết (ĐCD) thực q trình nạp mơi chất cơng tác 10 - - - Kỳ nén: pit-tông nhận lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu truyền dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, thực q trình nén, thể tích xylanh nhỏ lại từ Va đến Vc Kỳ sinh cơng: xảy q trình cháy – giãn nở sinh công Pit-tông nhận áp lực từ khí cháy sinh xylanh động dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD truyền cho thiết bị công tác thông qua cấu trục khuỷu – truyền Kỳ thải/xả/thốt: pit-tơng tiếp tục nhận lượng từ bánh đà thông qua cấu truc khuỷu – truyền, dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT thực q trình thải sản vật cháy ngồi III TÍNH TỐN CHU TRÌNH CƠNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ 3.1 Số liệu ban đầu 11           Loại động cơ: KOMATSU SA6D125E-3 Thể tích cơng tác: 11 cc = 11 cm3 Số xilanh : Momen xoắn : 1012 N.m 1400 rpm Bore x stroke : 125x 150 mm Công suất : 150 kW 1950 rpm Tỉ số nén ε : 16.7:1 Loại buồng đốt: Thớng Góc phun dầu sớm : 21o BTDC Chiều dài truyền: 334 mm 12  Động tăng áp  Valve timing: Intake 20o 30o 45o 15o Open Close Open Close Exhaust BTDC ABDC BBDC ATDC 3.2 Chọn thông số cho tính tốn nhiệt: 3.2.1 Chọn thơng sớ cho tính tốn nhiệt: a) Áp suất khơng khí nạp ( Ρ0 ): Áp suất khơng khí nạp chọn áp suất khí quyển: Ρ0 =0.1 ( MN m ) b) Nhiệt độ không khí nạp ( Τ ): Nhiệt độ khơng khí nạp phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình mơi trường, nơi xe sử dụng Đ iều khó khăn xe thiết kế để sử dụng vùng có khoảng biến thiên nhiệt độ ngày lớn Nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình ngày chọn t kk =29 ( C ) , đó: Τ 0=t kk +273=29+273=302 ( K ) c) Áp suất khí nạp trước xupap nạp ( Ρk ): ( MN m ) Động kỳ tăng áp: MN m ( ) Chọn Pk = 0.2 d) Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp ( Τ k ): (0 K ) Động kỳ tăng áp: Chọn m = 1.5, ⇒ Tk = 340.5 = 40 (0 K ) e) Áp suất ći q trình nạp ( Ρa ): Trong q trình tính tốn nhiệt, áp suất cuối q trình nạp Ρa thơng thường xác định công thức thực nghiệm 13 Với động kỳ tăng áp: ⇒ Chọn Ρa=0.84∗Ρk =0.84∗0.2=0.168 ( MN m ) f) Áp suất khí sót ( Ρr ): Là thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sản phẩm cháy khỏi xy lanh động Tương tự áp suất cuối trình nạp Ρa , áp suất khí sót Ρr xác định quan hệ sau: Ρr =Ρth +ΔΡr ( MN m ) ΔΡr - Tổn thất trình thải, chủ yếu phụ thuộc vào trở lực đường ống thải (động có lắp bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải, bình chứa khí thải hay khơng), tốc độ quay động tiết diện lưu thơng họng xupap thải k ×n ΔΡr = f th Giá trị áp suất khí sót Ρr phụ thuộc vào yếu tố sau: - Diện tích tiết diện thơng qua xupap xả Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn xupap xả Động có lắp hệ thống tăng áp khí xả hay khơng Độ cản bình tiêu âm, xúc tác khí xả… Đối với động diesel: Ρr =( 03÷1 06 ) Ρ0 Thơng thường, giới hạn thấp chọn cho động có tốc độ thấp, động cao tốc chọn vùng giới hạn cao ⇒ Chọn Ρr =1 04∗Ρ 0=1 04∗0.1=0.104 ( MN m ) g) Nhiệt đợ khí sót ( Τ r ): Phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp khí, mức độ giãn nở trao đổi nhiệt trình giãn nở thải Đối với động diesel: Τ r =700÷900 ( K ) (0 K ) ⇒ Chọn h) Độ tăng nhiệt độ khí nạp ( ΔΤ ): Khí nạp chuyển động đường ống nạp vào xy lanh động tiếp xúc với vách nóng nên sấy nóng lên trị số nhiệt độ ΔΤ Mức độ sấy nóng khí nạp phụ thuộc vào tốc độ lưu thơng khí nạp, thời gian nạp dài hay ngắn, phụ thuộc vào mức độ lệch nhiệt độ bề mặt tiếp xúc xy lanh với khí nạp Khi tăng nhiệt độ khí nạp mật độ giảm, dùng phương pháp đặc biệt để sấy nóng hệ thống nạp động xăng có lợi phạm 14 vi mà nhiệt lượng cung cấp cho lợi dụng để bốc nhiên liệu Sấy nóng ảnh hưởng khơng tốt đến lượng khơng khí nạp vào xy lanh Trị số tăng nhiệt độ khí nạp biểu thị theo công thức sau: ΔΤ=ΔΤ t −ΔΤbh Trong đó: ΔΤ t - Tăng nhiệt độ khí nạp truyền nhiệt ΔΤ bh - Mức giảm nhiệt độ khí nạp bốc nhiên liệu Việc tính xác ΔΤ gặp nhiều khó khăn việc tính chọn hệ số truyền nhiệt nhiệt độ trung bình bề mặt tiếp xúc, việc xác định phần nhiên liệu bốc trình nạp phức tạp, nên tiến hành tính tốn nhiệt động người ta thường chọn trị số ΔΤ vào số liệu thực nghiệm Đối với động diesel ΔΤ=10÷35 ( K ) i) ⇒ Chọn ΔΤ=25 ( K ) Hệ số nạp thêm ( λ1 ): Hệ số nạp thêm λ1 biểu thị tương quan lượng tăng tương đối hỗn hợp khí cơng tác sau nạp thêm so với lượng khí cơng tác chiếm chỗ thể tích V a Hệ số nạp thêm chọn giới hạn λ1 =1 02÷1 07 Nếu động thiết kế có tốc độ cao, cấu phân phối khí thiết kế đại, có đường ống nạp dài tạo qn tính lớn cho dịng khí nạp chọn λ1 giới hạn cao ⇒ Chọn j) Hệ số quét buồng cháy ( λ2 ): Đối với động khơng tăng áp khơng có quét buồng cháy chọn λ2 =1 Động qt hồn tồn buồng cháy có λ2 =0 , xảy thể tích buồng cháy V c =0 ⇒ k) Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt ( λt ): Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt λt phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp khí α nhiệt độ khí sót Τ r Thơng thường tính cho: - Động diesel có: α=1 25÷1 chọn λt =1 12 l) Động diesel có: α=1 5÷1 chọn λt =1.11 Đối với động diesel có α=1 ⇒ Chọn λt =1.11 Hệ số lợi dụng nhiệt điểm Z ( ξ z ): 15 Hệ số lợi dụng nhiệt điểm Z ( ξ z ) thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt trình cháy, hay tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy điểm Z Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trị số ξ z tăng số vòng quay truyền nhiệt cho vách xy lanh có giảm đi, song tượng cháy rớt tăng nên trị số ξ z giảm Ngoài tượng phân giải sản phẩm cháy ảnh hưởng lớn đến hệ số ξ z , tượng tăng làm cho ξ z giảm Đối với động diesel, ξ z nhỏ động xăng tượng cháy rớt nhiều động xăng Mặt khác, thành phần hỗn hợp công tác động diesel không đồng Độ bốc nhiên liệu tốt, trình tạo hỗn hợp tốt, tốc độ lan tràn lửa lớn, ξ z tăng Khi tăng tải, ξ z tăng lượng nhiên liệu cháy giai đoạn cháy tăng ngược lại Khi tăng áp tượng phân giải sản phẩm cháy giảm, trị số ξ z lớn Trị số thực tế hệ số lợi dụng nhiệt ξ z chọn sở phân tích tổng thể yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy phát nhiệt động dựa theo giới hạn giá trị thực nghiệm Đối với động diesel ξ z =0 65÷0 85 ⇒ Chọn m) Hệ sớ lợi dụng nhiệt điểm b ( ξ b ): Hệ số lợi dụng nhiệt điểm b ( ξ b ) phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động cao, cháy rớt tăng dẫn đến ξ b nhỏ Đối với động diesel: - Tốc độ trung bình: ξ b =0 85÷0 - Cao tốc: ξ b =0 8÷0 ξ b