Động cơ đốt trong ( đồ thị)

Hình 1-1: Sơ đồ buồng cháy thống nhất Đặc điểm cấu tạo : Buồng cháy thống nhất còn có tên gọi buồng cháy phun nhiên liệu trực tiếp phổ biến trong động cơ gồm có: đỉnh piston, mặt dưới c

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây nền kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh Đóng vai trò quan trọng trong tiến trình công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước hiện nay vẫn

là các nghành cơ khí Trong đó phải nói đến ngành động lực và sản xuất ôtô, chúng ta đang từng bước hoàn thiện nền công nghiệp ôtô trong nước, chuyển dần từ lắp ráp sang chế tạo và bước cao nhất là sản xuất ôtô Để góp phần nâng cao trình độ và kỹ thuật, đội ngũ kỹ thuật của ta phải tự nghiên cứu, học hỏi và trau dồi kinh nghiệm Có như vậy ngành ôtô của ta mới phát triển được

Sau khi học xong môn nguyên lí động cơ đốt trong cùng với các môn cơ sở khác, sinh viên được giao nhiệm vụ làm đồ án môn học thiết kế động cơ đốt trong Góp phần củng cố và mở rộng kiến thức môn học “Lý thuyết động cơ đốt trong” Ngoài ra, nó còn tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên ngành cơ khí động lực có thêm nhiều hiểu biết thực tế khi vận dụng lý thuyết vào ứng dụng để thiết kế ra một động cơ đốt trong ở mức độ đơn giản.Và từ đó rèn luyện cho sinh viên ý thức nghiêm túc trong việc tính toán thiết kế, và trang bị những kiến thức cần thiết cho sinh viên chuẩn bị cho công tác làm tốt nghiệp

Cuốn báo cáo gồm ba phần:

Phần 1: Lựa chọn thông số và phương án

Phần 2: Tính chu trình nhiệt động

Phần 3: Thiết kế kỹ thuật hệ thống truyền lực

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu tài liệu một cách nghiêm túc Tuy nhiên bản thân còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy mong thầy xem xét và chỉ dẫn để em ngày càng hoàn thiện kiến thức hơn Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện:

Đặng Thành Đông Bùi Trung Hiếu Nông văn Tâm Trần văn Đoàn

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= 88,08 kW

+ Số vòng quay danh nghĩa nn= 5455 rpm

- Động cơ thiết kế hiện đang được trang bị trên xe ô tô FORD Focus Việt Nam 2.0

1.2 TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH CHÁY

1.2.1 Nhiên liệu.

 Nhiên liệu dùng cho động cơ: Xăng.

 Các thành phần có trong nhiên liệu xăng

- Xăng là một hỗn hợp của các loại hydrocarbon có nhiệt độ sôi trong khoảng 25-210 oC, chủ yếu là các hydrocarbon có số nguyên tử carbon trong phân tử từ 4 đến

10 (C4 ÷ C10) Ngoài ra, xăng ôtô cũng có thể chứa một lượng nhỏ các tạp chất và chất phụ gia

- Thành phần hóa học của xăng rất phức tạp Và khi nghiên cứu về thành phần hoá học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay sản phẩm của nó thì người ta thường chia thành phần chúng ra làm hai phần chính là hydrocacbon và phi hydrocacbon

+ Thành phần hydrocacbon của xăng

* Họ parafinic

Công thức hóa học chung là CnH2n+2, bao gồm các chất có số nguyên tử như đã nêu trên, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch phân nhánh (i-parafin), với các isoparaffin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủ yếu là gốc metyl

* Họ olefine

Các hydrocacbon olefine có công thức chung là CnH2n, được tạo thành từ các quá trình chuyển hóa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt, cốc hoá Các olefine này cũng bao gồm hai loại n-parafin và iso-parafin.

Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba

họ và các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nó

+ Thành phần phi hydrocacbon của xăng

Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocacbon kể trên còn có các hợp chất phi hydrocacbon như các hợp chất của oxy, nitơ, lưu huỳnh Trong các hợp chất này thì người ta quan tâm nhiều đến các hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mòn và ô nhiễm môi trường của chúng

Trong xăng, lưu huỳnh chủ yếu tồn tại chủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô có chứa ít hay nhiều lưu huỳnh và hiệu quả quá trình xử lý HDS

Các hợp chất của các nguyên tử khác có hàm lượng chủ yếu ở dạng vết, trong

đó nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng pyridin còn các hợp chất của oxy thì rất ít và chúng thường ở dạng phenol và đồng đẳng

Bảng 1-1: Một số tính chất nhiệt động cơ bản của Xăng

Khối lượng riêng Kg/dm3 0,72÷0,76 Bảng 1-11

Bài giảng nhiên liệu

và môi chất chuyên dụng,

Hồ Đức Tuấn

Lượng không khí lý thuyết m3/kg 11,8

Nguyên lý động cơ đốt trong,

Nguyễn Tất Tiến

Hình 1-1: Sơ đồ buồng cháy thống nhất

 Đặc điểm cấu tạo :

Buồng cháy thống nhất (còn có tên gọi buồng cháy phun nhiên liệu trực tiếp) phổ biến trong động cơ gồm có: đỉnh piston, mặt dưới của nắp xi lanh và thành xi lanh Nhiên liệu cung cấp cho chu trình được phun trực tiếp vào không gian đó Động cơ có buồng cháy thống nhất thường sử dụng vòi phun nhiều lỗ, áp suất phun cao (pph=175÷1000 bar)

 Nguyên lý tạo hỗn hợp cháy:

- Khoét lõm đỉnh piston làm cho cuối quá trình nén phần không khí chèn, chứa trong kẽ hở giữa đỉnh piston và nắp xi lanh được dồn vào không gian khoét lõm

và tạo vận động xoáy lốc mạnh của không khí trong không gian này Biện pháp này được sử dụng rộng rãi bởi có hiệu quả lớn trong việc hòa trộn nhiên liệu với không khí

 Ưu điểm :

- Hiệu suất của động cơ cao hơn vì tổn thất nhiệt qua vách buồng cháy ít hơn và không có tổn thất lưu động như các loại buồng cháy ngăn cách.

- Động cơ rất nhạy cảm khi thay đổi số vòng quay và chất lượng nhiên liệu

- Tốc độ tăng áp suất cao, áp suất cháy cực đaị lớn, động cơ làm việc “cứng”,

độ ồn lớn và phụ tải cơ học tác dụng lên cơ cấu piston-trục khuỷu-thanh truyền cũng lớn

- Hệ thống nhiên liệu làm việc khó khăn bởi áp suất phun lớn

Sơ đồ cấu tạo của hệ thống

Hình 1-2: Hệ thống phun xăng điện tử EFI

1- Bình chứa xăng 10- Buji 19- Công tắc nhiệt khởi động2- Bơm xăng điện 11- Vòi phun chính 20- Cảm biến nhiệt độ động cơ3- Bộ lọc xăng 12- Vòi phun khởi động

lạnh

21- Thiết bị bổ sung không khí khi chạy ấm máy

4- Dàn phân phối 13- Vít điều chỉnh không tải 22- Vít điều chỉnh hỗn hợp khi

chạy không tải5- Bộ điều chỉnh áp suất

xăng

14- Bướm ga 23- Cảm biến vị trí trục khuỷu

6- Bộ giảm dao động áp

suất

15- Cảm biến vị trí bướm ga 24- Cảm biến tốc độ động cơ

7- Bộ điều chỉnh trung tâm 16- Lưu lượng kế không khí 25- Ắc quy

8- Bôbin đánh lửa 17- Cảm biến nhiệt độ khí

nạp

26-Công tắc khởi động

9- Bộ phân phối đánh lửa 18- Cảm biến lambda 27- Rơle chính

28- Rơle bơm xăng

Nguyên lý hoạt động của hệ thống.

Khi động cơ làm việc, xăng từ bình chứa (1) được bơm xăng điện (2) hút qua

bộ lọc xăng (3) rồi theo đường ống dẫn xăng đến dàn phân phối xăng (4) tại đây xăng được phân phối tới các vòi phun, ở đầu cuối dàn phân phối có lắp thông với bộ điều chỉnh áp suất xăng (5) để ổn định áp suất xăng trong dàn ống phân phối Tất cả các

thông tin nhận được từ các bộ cảm biến sẽ được ECU tiếp nhận và xử lý Sau khi xử lý thông tin nhận từ các cảm bíên thì ECU sẽ ra lệnh cho vòi phun phun xăng ra đúng thời điểm và đúng lượng cần thiết Xăng được phun có kích thước rất nhỏ (cỡ 100µm), các hạt nhiên liệu này sẽ hoá hơi ngay và hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy Hỗn hợp cháy được hút vào xylanh động cơ theo trình tự làm việc của động cơ Khi bugi đánh lửa thì hỗn hợp cháy sẽ bốc cháy và sinh công Khí thải sẽ qua xupáp xả

và theo đường ống xả ra ngoài

Ưu điểm:

- Giảm tiêu hao nhiên liệu động cơ

- Tăng hiệu quả sử dụng dung tích xylanh

- Động cơ nhạy cảm với điều kiện và làm việc tốt hơn ở các chế độ ổn định

- Hoạt động tốt trong mọi điều kiện địa hình và thời tiết

- Thích ứng với các chế độ tải trọng khác nhau

- Giảm lượng độc tố trong khí thải

 Nhược điểm :

Cấu tạo phức tạp, độ nhạy cảm cao, yêu cầu khắt khe về chất lượng nhiên liệu

và không khí, sửa chữa và bảo dưỡng đòi hỏi phải có trình độ chuyên môn cao Giá thành cao

1.3 HỆ THỐNG NẠP XẢ.

Dùng cơ cấu phân phối khí kiểu xupáp treo và được nắp trên nắp xylanh

- Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.2 Hệ thống phân phối khí kiểu xupáp treo

1 - Trục cam; 2 - Con đội; 3 - Đũa đẩy; 4 - Đòn gánh; 5 – Lò xo; 6 - Xupáp

Tùy loại xupáp nạp hay xả mà ta có thể điều chỉnh khe hở nhiệt của các xupáp này Cần phải có khe hở nhiệt vì khi động cơ hoạt động dưới tác dụng của nhiệt độ và

áp suất của môi chất công tác trong buồng đốt rất cao làm xupáp bị giãn nở tăng chiều dài xupáp, buồng đốt bị hở dẫn đến động cơ hoạt động với hiệu suất không cao Ngoài

ra còn có trục giảm áp dùng để đóng hoặc mở hé xupáp thực hiện việc giảm áp cho xy lanh khi cần

 Ưu điểm:

+ Buồng cháy rất gọn

+ Dòng khí nạp ít bị ngoặt nên tổn thất nhỏ, tăng hiệu suất nạp từ: (5 – 7)%

+ Tạo điều kiện thải sạch và nạp đầy hơn

- Nhược điểm:

+ Tăng chiều cao động cơ do có nhiều chi tiết được bố trí ở thân máy và nắp xylanh.

+ Lực quán tính của các chi tiết tác dụng lên bề mặt cam và con đội lớn hơn.+ Nắp máy của động cơ phức tạp

1.4 HỆ THỐNG LÀM MÁT.

Hệ thống làm mát có chức năng lấy nhiệt từ các chi tiết nóng (như: piston, xylanh,…) để chúng không bị quá tải vì nhiệt Ngoài ra làm mát động cơ còn có tác dụng duy trì nhiệt độ dầu bôi trơn trong phạm vi nhất định để có thể thực hiện chức năng bôi trơn tốt, tăng hệ số nạp ηv, tăng tỷ số nén ε mà không sợ bị kích nổ

Ở đây, ta dùng hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn một vòng kín, lấy nhiệt nhờ quạt gió bởi nhiệt độ nước làm mát cao, thiết lập và ổn định chế độ nhiệt có lợi nhất cho sự làm việc của động cơ ở chế độ tải định mức và các chế độ khác, giảm tổn thất nhiệt cho nước làm mát, tăng hiệu suất chỉ thị, giảm hao mòn lót xi lanh – xéc măng, tăng độ bền nhiệt cho lót xi lanh

 Sơ đồ cấu tạo :

Hình 1-6: Sơ đồ cấu tạo hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn một vòng kín

1-Bình dãn nở ; 2-Bộ điều tiết nhiệt; 3-Nhiệt kế;

4-Đường nước đi làm mát; 5- Bơm đẩy

 Nguyên lý hoạt động:

- Sau khi làm mát cho động cơ, nước nóng qua bộ điều tiết nhiệt (2) tới bình giãn nở (1) đến các ống tản nhiệt Khi nước qua các ống tản nhiệt này sẽ trao nhiệt cho không khí do quạt hút qua, nguội đi và được bơm (5) đẩy đi làm mát cho động cơ

- Khi trời lạnh, lúc mới khởi động động cơ còn nguội, bộ điều tiết nhiệt không cho nước đi tới bình giãn nở (1) đi làm mát, mà mở cho nước theo đường (4) trở về bơm

1.5 HỆ THỐNG BÔI TRƠN.

Khi động cơ hoạt động thì các chi tiết của động cơ chuyển động tương đối với nhau và có sự cọ sát mài mòn Vì vậy việc bôi trơn là cần thiết và quan trọng giúp bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết của động cơ có một lớp dầu bôi trơn: biến ma sát khô thành ma sát ướt nhằm giảm hao mòn; các chi tiết của động cơ chuyển động êm và nhẹ nhàng Ngoài ra còn có tác dụng hấp thụ nhiệt, làm sạch các chi tiết máy Làm kín khe

hở dầu đi qua, bảo vệ động cơ khỏi han rỉ Ở đây ta sử dụng hệ thống bôi trơn cacte ướt dùng lọc thấm

Sơ đồ cấu tạo hệ thống bôi trơn cacte ướt.

Hình1-7: Hệ thống bôi trơn cacte ướt1-Cacte dầu, 2-Lọc thô, 3-Bơm dầu bôi trơn, 4-Lọc tinh, 5-Bình làm mát dầu,

6-Mạch dầu chính, 7-Áp kế dầu, 8-Van điều áp, 9-Van an toàn

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

Ưu, nhược điểm :

Ưu điểm: gọn, chiếm ít chỗ, thiết bị ít

Nhược điểm: toàn bộ dầu bôi trơn chứa trong cacte động cơ lên cacte phải sâu

để có dung tích lớn, do đó làm tăng chiều cao động cơ ngoài ra dầu luôn luôn tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao từ buồng đốt lọt xuống theo hơi nhiên liệu và các axít làm giảm tuổi thọ của dầu

1.6 HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG.

Hệ thống khởi động có nhiệm vụ đưa động cơ từ trạng thái đứng yên sang trạng thái hoạt động

Muốn thực hiện được điều này thì

- Máy khởi động phải thực hiện ít nhất một chu trình làm việc trọn vẹn và công

do chu trình sinh ra phải đủ để quay trục khuỷu động cơ đến tốc độ quay cần thiết để động cơ nổ và làm việc Vì vậy nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống khởi động là tạo ra số vòng quay định mức và momen quay đủ lớn

- Phải làm việc ổn định, có độ bền, độ tin cậy cao

- Có thể khởi động động cơ được nhiều lần liên tục

- Khởi động êm, đóng ngắt êm dịu và tự động

Sơ đồ cấu tạo của hệ thống.

Hình 1-8: Sơ đồ hệ thống khởi động

2,3-Cuộn dây hút của solenoi 7, 8- Bánh răng4,5-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 1-2: Đặc điểm kỹ thuật của động cơ mẫu

4

i n p k

z N D

e D

e

π

=

Trong đó :

Ne = 88,08 Kw : Công suất danh nghĩa

Z = 2 : Hệ số kỳ

k = 0,8 : Hệ số động học D

p = 8,123 bar : Áp suất có ích trung bình e

n = 5455 rpm : Tốc độ quay danh nghĩa

i = 4 cái : Số xi lanh

Ta được :

3

4.5455.123,8.8,0.14,3

.2.08,88.4

S = D

Trong đó :

D = 117 mm : Đường kính xy lanh

K = 0,8 : Hệ số động học D

D = 116 mm : Đường kính xy lanh

S = 93,6 : Hành trình piston

Ta được :

6,93.4

117.14,

3 2

=

s

8 Độ ẩm tương đối của không khí ϕ0 % 70 [1,tr.69]

10 Hàm lượng H2 trong nhiên liệu H 0,145 [2,tr.51]

12 Hàm lượng O2 trong nhiên liệu O2 0 [2,tr.51]

13 Phân tử lượng của nhiên liệu µf Kg/kmol 116 [2,tr.51]

14 Nhiệt trị của nhiên liệu H KJ/kg 43960 [2,tr.51]

26 Chỉ số nén đa biến trung bình n1 1,34 [2,tr.128]

27 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 1,27 [2,tr.188]

28 Hệ số sử dụng nhiệt tại điểm z ξz 0,85 [2,tr.180]

Bảng 1-3 Tổng hợp kết quả tính.

hiệu Đơn vị Kết quả

1 Số kg KK lý thuyết cần thiết 1 kg nhiên liệu L0 kg/kg 14,957

2 Số kmol KK lý thuyết cần thiết 1 kg nhiên liệu M0 kmol/kg 0,5119

3 Số kg KK thực tế cần thiết 1 kg nhiên liệu L kg/kg 12,713

4 Số kmol KK thực tế cần thiết 1 kg nhiên liệu M kmol/kg 0,435

5 Số kg HHC ứng với 1 kg nhiên liệu L1 kg/kg 13,713

6 Số kmol HHC ứng với 1 kg nhiên liệu M1 kmol/kg 0,444

7 Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén Ma kmol/kg 0,457

8 Số kmol MCCT tại thời điểm cuối qua trình nén Mc kmol/kg 0,457

9 Hàm lượng CO2 trong sản phẩm cháy MCO2 kmol/kg 0,049

10 Hàm lượng H2O trong sản phẩm cháy MH2O kmol/kg 0,0625

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 0,344

14 Lượng sản phẩm cháy ứng với 1 kg nhiên liệu M2 kmol/kg 0,488

16 Hệ số biến đổi phân tử thực tế tại điểm z βz - 1,096

28 Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở Tb 0K 1366,441

32 Hiệu suất có ích ηe - 0,271

33 Suất tiêu thụ nhiên liệu chỉ thị gi g/kW.h 265,885

34 Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích ge g/kW.h 302,187

35 Lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ Ge kg/h 26,671

38 Dung tích công tác của xylanh VS cm3 1005813

39 Tổng nhiệt đưa vào động cơ trong 1đơn vị thời

M M

145,0

=

CO

H M

0,071

12

855,

h M

0,0725

2

145,

= 0,79.0,88.0,5119

2

145,012

855,

• Tổng lượng ô xy cần thiết trong trường hợp cháy không hoàn toàn

32 21

, 0 2

2 2

f O

H CO

CO

o M

M M

32 32

4 12

f

f o o

855,0

−

049,0022,0071,012

CO c M

01

142

,0

K K

85,01.45,0.42

2.1.4 Hệ số biến đổi phân tử

• sự thay đổi số kmol của MCCT trước và sau khi nhiên liệu cháy

h c M M

M

µ λ

λλ

179

,02

1 1 2

( )

f

f

o h M

µ

4

8 1

145,

• Hệ số biến đổi phân tử lí thuyết (β0)

Đối với động cơ xăng với λ < 1

f

f f

M

o h M

µλ

µ

λβ

1

14

8)

1.(

21,01

0

0 0

+

−

++

−+

= 1 +

116

15119,0.85,0

116

14

8

0145,05119,0)

85,01.(

21,0

+

−

++

+

−+

• Áp suất sau máy nén (ps ).

k m k

P T

m s

• Mật độ khí nạp (ρk )

k k

k k

T R

k a

T T

+

∆+

=

1

03,01

950.03,0.17,118

+

++

• Hệ số nạp (ηv )

a

k k

a r

T p

p

1

.1

1

2 + −

=

ε

εγλ

= 1,05 .334293,316

1

8,0.111

11.03,01

2.3.2 Chỉ số nén đa biến trung bình.

• Áp suất cuối quá trình nén (pc)

1

n a

c p

886,1911

.316,

c v

v

C C

C

γ

µγµµ

[4,tr.21]

=

03,01

989,23146.03,0758,21388

++

= = 20975,4 + 2,874.TZ [J/kmol.deg]

⇒Nhiệt độ của môi chất công tác tại điểm z:

( ) ( )v c c z( )v z z r

M

H H

1

1

µβµ

03,01.(

444,0

)883027543960000

,2298915

759,2610.096

p p

= 1,271

11

759,2610

2.6 CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ