Đồ án tính toán động cơ đốt trong tính toán kiểm nhiệm động cơ Toyota 1ZZ FE tại chế độ Nemax và khai thác hệ thống cơ cấu phân phối khí, Phân tích kết cấu cơ cấu khuỷu trục thanh, Tính toán chu trình công tác, Tính toán động học, động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Cùng với sự thống nhất của các bạn trong nhóm và sư góp ý và chọn lọc của thầy
Lê Thanh Tuấn Nên nhóm em đã chọn đề tài tính toán kiểm nghiệm động cơ Toyota -1ZZ - FE tại chế độ - Nemax và khai thác hệ thống cơ cấu phân phối khí.
Mục tiêu đề tài
- Tính toán chu trình công tác nhằm xác định các thông số của động cơ ở các quá trình trao đổi khí, quá trình nén, quá trình cháy và giãn nở sinh công.
- Xác định các tham số đặc trưng cho chu trình công tác và sự làm việc của động cơ, đó là tham số chỉ thị và tham số có ích.
Nội dung đề tài
- Tính toán kiểm nghiệm động cơ Toyota - 1ZZ - FE tại chế độ - Nemax và khai thác hệ thống cơ cấu phân phối khí.
- Nêu cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của hệ thống cơ cấu phanh đĩa. Trên cơ sở tham số của từng quá trình dựng đồ thị công để làm cơ sở cho việc tính toán động lực học, tính sức bền và đồ thị mài mòn các chi tiết của động cơ.
- Dựng đường đặc tính ngoài của động cơ.
- Để thực hiện cho quá trình tính toán.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: tra cứu tìm hiểu các tài liệu tham khảo, thông số trên internet.
- Phương pháp tính toán kiểm nghiệm:
- Áp dụng công thức đã được học và 1 số thông số cho trước thực hiện vẽ đồ thị.
- Xây dựng sơ đồ thị tính toán trên các phần mềm kỹ thuật như: Excel,Solidwork…
Kết cấu đồ án
Chương 1: Giới thiệu đề tài.
Chương 2: Phân tích kết cấu cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ Toyota – 1ZZ – FE.
Chương 3: Tính toán chu trình công tác động cơ Toyota – 1ZZ – FE.
Chương 4: Tính toán động học, động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền động cơ Toyota – 1ZZ – FE.
Chương 5: Hướng dẫn khai thác hệ thống cơ cấu phân phối khí.
Chương 6: Kết luận, hướng phát triển.
PHÂN TÍCH KẾT CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA-1ZZ-FE
Kết cấu phần tĩnh của động cơ
Phần tĩnh của động cơ có thể được chia ra thành 4 phần, được lắp với nhau bằng gugiông và bulông.
Thân máy và nắp máy là những chi tiết cố định, khối lượng lớn, và kết cấu phức tạp Hầu hết các cơ cấu và hệ thống động cơ đốt trong đều được lắp trên thân máy và nắp máy Hình dạng và kết cấu của chúng phụ thuộc chủ yếu và các yếu tố sau:
Kiểu kết cấu (liền hay rời), kiểu động cơ (xăng, diesel, công suất lớn hay nhỏ, loại buồng cháy, cách bố trí vòi phun, cách bố trí xupap ).
- Phương pháp làm mát (làm mát bằng nước hay không khí).
- Phương pháp chế tạo (đúc hay hàn).
2.1.1 Thân máy - xi lanh (Nhiệm vụ, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo)
Thân máy là nơi lắp hầu hết các cụm chi tiết của động cơ Cụ thể trên thân máy bố trí xilanh, hệ trục khuỷu và các bộ phận truyền động để dẫn động cơ cấu và hệ thống khác của động cơ như trục cam, bơm nhiên liệu, bơm dầu, bơm nước, quạt gió. Trong quá trình làm việc, thân máy động vai trò truyền nhiệt giữa môi chất công tác và môi trường để làm mát động cơ Trên thân máy còn bố trí các đường dầu u bôi trơn để dẫn dầu đến ổ trục khuỷu, trục cam và thành vách xilanh.
Thân máy và xilanh thường được chế tạo theo phương thức lúc có các động cơ cỡ nhỏ và Chung hoặc Hàn cho các động cơ lớn Vật liệu thường dùng là hợp kim nhôm. Hợp kim Gang hoặc các tấm thép và thép định hình.
Thân máy: Loại thân máy có thân xilanh đúc liền với thân gọi là thân máy kiểu thân xilanh Khi xilanh làm riêng thành ống lót rồi lắp vào thân thì thì thân máy này gọi là vỏ thân Ở động cơ làm mát bằng nước khoảng không gian bao quanh xilanh để chứa nước gọi là áo nước
Lót xilanh: là một chi tiết ống, được lắp thân máy nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ, có thể chia lót xilanh thành 2 loại:
Lót xilanh khô: là ống thép hay gang được gia công trong cả mặt trong cũng như mặt ngoài rồi lắp vào thân máy.
Lót xilanh ướt: được dung phổ biến ở động cơ đốt trong, lót xi lanh tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát nên hiểu quả làm mát cao.
Công dụng: Nắp máy đậy kín một đầu xilanh, cùng với piston và xilanh tạo thành buồng cháy Nhiều bộ phận của động cơ được lắp trên nắp như bugi, vòi phun, cụm xupap, cơ cấu giảm áp hỗ trợ khởi động Ngoài ra trên nắp máy còn bố trí các đường nạp, đường thải, đường nước làm mát, đường dầu bôi trơn Do đó kết cấu của nắp máy rất phức tạp. Điều kiện làm việc: Chịu nhiệt độ cao, áp suất lớn, ăn mòn hóa học bởi các hợp chất có trong sản vật cháy, chịu ứng suất nén khi siết các bu lông.
Vật liệu: Nắp làm mát bằng nước dùng gang hợp kim, đúc bằng khuôn cát hoặc khuôn kim loại Nắp máy động cơ làm mát bằng gió dùng hợp kim nhôm, đúc khuôn kim loại Đa số nắp động cơ xăng làm bằng hợp kim nhôm.
2.1.4 Gioăng nắp máy - các te - bulong
Yêu cầu: Đàn hồi tốt vì khi siết nắp máy yêu cầu phải điền đầy.
Các loại nắp máy: Amiang đồng hay Amiang nhôm: dễ chế tạo, có độ bền, độ dày 1÷2mm chủ yếu dùng cho động cơ xăng.
Nhiều lá (dùng cho động cơ Diesel) thường là 5 lá, mỗi lá dày 0,25mm xếp chồng lên nhau, xung quanh mép gioăng có một bằng thép dày 0,4mm.
Một lá: Nó biến dạng tốt và bao kín tốt, hai mặt gioăng đều phủ một lớp nhựa, chịu nhiệt dày 4mm.
Vật liệu mềm bằng những tấm amiang được graphit hoá bọc bằng đồng lá mỏng hoặc bột amiang trọn graphit chì ép lại, bao kín tốt Bề dày 1,1-…2,5mm, thích hợp dùng cho động cơ xăng có nắp máy bằng nhôm,
Cacte: Là bộ phận làm bằng hợp kim nhẹ hoặc bằng tôn, thép dùng bao bọc các bộ phận động cơ và dùng chứa dầu làm trơn đối với động cơ 4 kỳ.
Cacte trên: Lắp vào mặt trên của Nắp máy, ở cacte này thường lắp các cốt cam,trên động cơ nhỏ cacte và khối xi lanh được đúc chung thành 1 khối.
Cacte dưới: Lắp sát vào mặt dưới của thân máy, dùng để chứa dầu nhớt, phía trong có những vách ngăn, ngăn không cho dầu bôi trơn chạy và dồn về một bên, ở dưới cùng, có nút xả dầu.
Bulong: Chịu lực siết ban đầu và lực khí cháy lớn.
Vật liệu: thép 18XHMA, 18XHB, 20XHBA, 38XA.
Kết cấu phần động của động cơ
2.2.1 Piston (Công dụng, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo)
Công dụng của Piston: Chủ yếu là cùng với các chi tiết khác như xilanh, nắp bao kín tạp thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí để cho thanh truyền cũng như nhân lực của thanh truyền để nén khí.
Ngoài ra ở một số động cơ hai kỳ, piston còn có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và thải của cơ cấu phối khí. Điều kiện làm việc: Piston là một chi tiết máy quan trọng của động cơ, làm việc trong điều kiện chịu tải trọng cơ học lớn, chịu nhiệt cao, chịu ma sát và ăn mòn hóa học
- Tải trọng cơ học: chịu tác dụng của áp lực khí thai rất lớn của quá trình cháy giãn nở.
- Tải trọng nhiệt: Piston tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao (2300÷2800°K). Nhiệt độ của đỉnh piston thường khoảng 500 ÷ 800°K.
- Vật liệu: gang, thép, hợp kim nhôm.
Piston gồm: Đỉnh piston, đầu piston, thân piston, rãnh lắp xéc măng khí, rãnh lắp xéc măng dầu, bệ chốt piston, chân piston
Công dụng: Là chi tiết nối piston với thanh truyền Tuy nó có kết cấu đơn giản nhưng piston rất quan trọng để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường động cơ Điều kiện làm việc: Chốt piston chịu tải trọng cơ học luôn luôn thay đổi: gồm có lực quán tính, lực khí thể, ma sát trong điều kiện bôi trơn khó khăn.
Chốt chịu tải trọng nhiệt: Nhiệt độ khí cháy truyền xuống và do ma sát sinh ra. Lúc làm việc nhiệt độ chốt lớn hơn 373 độ K Để chốt piston chịu được điều kiện làm việc như vậy cần phải thỏa mãn các yêu cầu: trọng lượng nhỏ, ít biến dạng trong quá trình làm việc, vật liệu chịu tải trọng va đập, chịu mòn tốt.
Vật liệu: thép cacbon và thép hợp kim.
Hình 2.2 Chốt piston 2.2.2 Xéc măng (Công dụng, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo)
Công dụng: Ngăn không cho khí cháy lọt xuống cacte (còn ở kỳ nén không cho cho môi chất xuống cacte) Xéc măng dầu: Gạt dầu về cacte không cho lên buồng đốt và hình thành màng dầu để bôi trơn piston xilanh. Điều kiện làm việc của Xéc măng:
Xéc măng làm việc trong điều kiện xấu Chịu nhiệt độ cao, chịu va đập mạnh, bị ăn mòn hoá học cao và lực ma sát lớn
Chịu nhiệt độ cao: Xéc măng trực tiếp tiếp xúc khí cháy và được piston truyền qua cho nên nó có nhiệt độ cao, nhất là Xéc măng đầu tiên (623÷673°K) Nhiệt độ trung bình của các Xéc măng khí khác vào khoảng (473÷523°K) Xéc măng dầu (373- 423°K).
Nhiệt độ cao làm giảm độ đàn hồi của Xéc măng, dễ lọt khí, làm cháy dầu nhờn, điều kiện làm việc xấu dẫn đến làm mất tác dụng của Xéc măng (bị bó).
Vật liệu: gang xám hợp kim, thêm chút Cr, P, Cu… để đảm bảo độ dẻo và bền. Kết cấu Xéc măng: Mặt đáy, mặt lưng, mặt bụng, phần miệng, khe hở miệng, chiều cao xéc măng.
Hình 2.3 Xéc măng 2.2.3 Thanh truyền (Công dụng, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo)
Công dụng: thanh truyền là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu, nó nhằm biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu và ngược lại. Điều kiện làm việc: Khi làm việc thanh truyền chịu các áp lực sau đây:
- Lực khí thế của quá trình nén và cháy giãn nở
- Lực quán tính của nhóm piston
- Lực quán tính của thân thanh truyền
Khi làm việc lực khí thể và quán tính thay đổi theo chu kỳ bởi vậy tải trọng tác dụng vào thanh truyền cũng thay đổi và va đập mạnh Thân thanh truyền chịu nén, kéo và uốn, còn đầu nhỏ, đầu to bị ma sát sát và mài mòn.
Vật liệu chế tạo Động cơ tĩnh tại, tàu thuỷ tốc độ thấp hay dùng thép cacbon chế tạo thanh truyền: CT4, CT5, C30, C35, C45, đôi khi dùng thép 40X. Đối với động cơ tàu thuỷ cao tốc và ôtô máy kéo thường được chế tạo bằng thép cacbon trung bình như C40 C45 hoặc thép hợp kim crom, niken Ở động cơ cao tốc, xe đua, ôtô du lịch thường dùng thép hợp kim chế tạo thanh truyền, đặc biệt có nhiều thành phần hợp kim như mangan, niken, vonphram
Thanh truyền có thể chia thành 3 phần:
- Đầu nhỏ thanh truyền: Đầu lắp ghép thanh truyền với chốt piston
- Thân thanh truyền: Phần thanh truyền nối đầu nhỏ với đầu to
- Đầu to thanh truyền: Đầu lắp ghép với chốt khuỷu
Hình 2.4 Kết cấu thanh truyền Đầu nhỏ thanh truyền:
Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thước chốt piston và phương pháp lắp ghép chốt piston với đầu nhỏ thanh truyền Khi chốt piston lắp tự do với đầu nhỏ thanh truyền, trên đầu nhỏ thường phải có bạc lót Đối với động cơ ôtô máy kéo thường là động cơ cao tốc, đầu nhỏ thường mỏng để giảm trọng lượng Ở một số động cơ người ta thường làm vấu lồi trên đầu nhỏ để điều chỉnh trọng tâm thanh truyền cho đồng đều giữa các xilanh Để bôi trơn bạc lót và chốt piston có những phương án như dùng rãnh hưng đầy hoặc bôi trơn cưỡng bức do dân dầu từ trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền Ở động cơ hai kỳ, do điều kiện bôi trơn khó khăn, người ta làm rãnh chứa dầu ở bộc đầu nhỏ hoặc dùng kim bi thay cho bạc lót Khi đó lắp ráp thanh truyền với chốt piston và piston khá phức tạp.
Chiều dài của thân thanh truyền được tính từ tâm đầu nhỏ và đầu to thanh truyền chiều dài phụ thuộc vào tham số kết cấu A (A = R / L) Đa số các động cơ ngày nay có A= 0,24 + 0,3
Thân thanh truyền chịu lực phức tạp:
Nó chịu lực kéo, chịu nén, chịu uốn Lực quán tính tác dụng vào thân thanh truyền phân bố theo hình tam giác và tăng dần về đầu thanh truyền Để phù hợp với tình hình chịu lực người ta cấu tạo đầu to có tiết diện lớn hơn đầu nhỏ
Thân thanh truyền có nhiều tiết diện khác nhau Trục là trục của tiết diện thanh truyền vuông góc trục khuỷu Hình dáng, kích thước của tiết diện có ảnh hưởng độ cứng của thân thanh truyền. Đầu to thanh truyền:
TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ TOYOTA 1ZZ – FE
Các thông số cần chọn
Tên dữ liệu Thông số dữ liệu Đơn vị Áp suất môi trường Po = 1,103 MPa
Nhiệt độ môi trường To = 297°K °K Áp suất cuối quá trình nén Pa = 0,0875 MPa Áp suất khí thải Pr = 0,11 MPa
Mức độ sấy nóng môi trường
Nhiệt độ khí sót Tr = 900 °K
Chỉ số nén đa biến trung bình n 1 = 1,34
Chỉ số sử dụng nhiệt ξ z = 0,85
Hệ số sử dụng nhiệt ξ b = 0,892
Hệ số dư lượng không khí α = 0,85
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Q T = 44.10 3 KJ kgnl
Bảng 3.2: Các thông số chọn
Trong đó C, H, O, S, W là thành phần nguyên tố tính theo khối lượng Đối với xăng: C = 0,855; H = 0,145
3.2 TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH CỦA CHU TRÌNH CÔNG TÁC
3.2.1 Tính toán quá trình trao đổi khí
Mục đích của việc tính toán quá trình trao đổi khí là xác định các thống số yêu cầu cuối quá trình nạp chính (ở điểm a) như áp xuất pa và nhiệt độ Ta.
Quá trình trao đổi khí ở các loại động cơ khác nhau có những đặc điểm riêng nên ở đây trình bày đối với trường hợp cụ thể.
3.2.1.1 Ở động cơ bốn kỳ không tăng áp
Hệ số khí sót γ r γ r = (T T 0 +∆ T ) p r r (εpp a −p r ) = ( 297+ 10) 0,11
Nếu chọn trước áp xuất cuối quá trình nạp pa thì trình tự tính toán như sau:
∆ T: độ sáy nóng khí nạp
Pr: nhiệt độ khí sót εp: tỉ số nén
Pa: áp suất khí thể cuối quá trình nạp
Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a
3.2.2 Tính toán quá trình nén
3.2.2.1: Mục đích của việc tính toán quá trình nén
Mục đích của việc tính toán quá trình nén là xác định các thông số như áp suất pc và nhiệt độ Tc ở cuối quá trình nén Phương pháp chung để tính toán quá trình nén đối với các loại động cơ tương tự nhau Nhưng ở loại động cơ 2 kỳ phải dùng tỉ số nén thực để tính các thông số.
3.2.2.2: Thứ tự tính toán Đối với động cơ 4 kỳ: Áp suất cuối quá trình nén p c =p a εp n 1 = 0,0875.9,5 1,34 = 1,78 MPa Nhiệt độ cuối quá trình nén
3.2.3 Tính toán quá trình cháy
3.2.3.1: Mục đích tính toán quá trình cháy
Mục đích tính toán quá trình cháy là xác định các thông số cuối quá trình cháy như áp suất pz và nhiệt độ Tz.
Việc tính toán được chia làm hai giai đoạn như sau:
Tính toán tương quan tỏa nhiệt: Mục đích tính toán tương quan tỏa nhiệt là xác định những đại lượng đặc trưng cho quá trình cháy về mặt nhiệt hóa để làm cơ sở cho việc tính toán nhiệt động.
Lượng không khí lí thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu thể lỏng:
32) =0,511 [ Kmol kgnl ] Trong đó: gc, gh, go: là thành phần nguyên tố tính theo khối lượng của cacbon, hydro, oxy, tương ứng chứa 1kg nhiên liệu Trị số các thành phần ấy đối với xăng có thể lấy gần đúng theo giá trị sau: gc = 0,855; gh = 0,145 và go = 0,01 Lượng hỗn hợp cháy M1 tương ứng với lượng không khi thực tế M1 đối với động cơ xăng:
M1= α M 0+ 1 μ nl = 0,85.0,511 + 110 1 = 0,44 Kgmol kgnl Trong đó μ nl là trọng lượng phần tử của nhiên liệu đối với động cơ xăng μ nl = 110 ÷ 114
Số mol sản vật cháy M2 khi α