đồ án động cơ đốt trong

CHƯƠNG 2 DỰNG ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA ĐỘNG CƠ 2.1 Khái quát.Đặc tính ngoài là đồ thị để biểu diễn sự phụ thuộc của các chỉ tiêu như công suất có ích Ne, momen xoắn có ích Me, lượng tiêu thụ n

DANH SÁCH NHÓM VÀ CÔNG VIỆC CỦA TỪNG THÀNH VIÊN

1 Hoàng Văn Nghĩa 10046441 Tính nhiệt,tính bền thân thanh

truyền,bulong,vẽ biểu đồ,đánh work

2 Nguyễn Võ Toàn 10048841 Tính nhiệt,tính lực,tính bền piston,thanh

truyền,vẽ solidwork,đánh work,bản vẽ

lắp ráp

3 Nguyễn Văn Hải 10054371 Vẽ solidwork,tính bền trục khuỷu,bản vẽ

lắp ráp,đánh work

CHƯƠNG 1 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Chọn các thông số cho trước của động cơ.

1.1.1 Loại động cơ:

Động cơ tính toán là động cơ diesel SONG CONG 4 kì,4 xi-lanh thẳng hàng, không tăng áp

1.1.2 Công suất (Ne):

Công suất danh nghĩa Nen = 75 kW

1.1.3 Số vòng quay (n):

Số vòng quay danh nghĩa nn = 3000 v/p

1.1.4 Số xylanh (i):

Chọn thuyết kế động cơ có 4 xylanh ( i = 4) thẳng hàng vì :

 Tạo ra sự đồng đều khi trục khuỷu quay

 Vì số xylanh là chẵn nên việc dùng đối trọng để cân bằng lực quán tính và momen quán tính sẽ dễ dàng hơn

1.1.5 Tỉ số nén (ε).).

Đối với động cơ diesel không tăng áp dành cho xe tải thì tỉ số nén ε = 16÷18, chọn ε = 16

1.2 Thông số kết cấu :

 Tỉ số S/D : Đối với ô tô có động cơ diesel thì S/D = 0,9÷1,2, chọn S/D = 1,1

 Tỉ số λ = R/L : λ = 0,23÷ 0,3 đối với động cơ ô tô, máy kéo

Chọn λ = 0,25

1.3 Chọn các thông số tính toán nhiệt.

1.3.1 Áp suất không khí nạp p0.

p0 = 0,1013 MPa [1]

1.3.2 Nhiệt độ không khí nạp mới T0.

Nhiệt độ không khí trung bình ở nước ta tkk = 290C, nên ta có T0= 273+29 =

0

Tk = T0.(p k

p0)m−1 m

= 3020K với m= 4 là chỉ số nén đa biến trung bình

1.3.5 Áp suất cuối quá trình nạp pa.

Đối với động cơ diesel 4 kì không tăng áp:

1.3.10 Hệ số quét buồng cháy (λ2).

Đối với động cơ diesel không tăng áp λ2 = 1

1.3.11Hệ số dư lượng không khí α.

α = M1

M0

Với :

M0 là số kmol không khí cần đốt cháy hết 1kg nhiên liệu

M1 là số kmol không khí thực tế đi vào xylanh

 Nếu α = M1

M0 > 1 ⇒ M1 > M0 hỗn hợp nghèo nhiên liệu, nhiên liệu cháy hết nên tiết kiệm được nhiên liệu

Đối với động cơ diesel α = 1,3 thì λt = 1,2.

1.3.13Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z (ξz).

2 Số vòng quay danh nghĩa nn 3000 v/p

8 Nhiệt độ không khí nạp mới T0 302 0K

9 Áp suất khí nạp trước xupap nạp pk 0,1013 MPa

10 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp Tk 302 0K

11 Áp suất cuối quá trình nạp pa 0,0912 MPa

14 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ∆T 20 0K

16 Hệ số quét buồng cháy λ2 1

17 Hệ số dư lượng không khí α 1,3

18 Hệ số hiệu chỉnh tỉ nhiệt λt 1,2

19 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξz 0,8

20 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ 0,85

0,0912 0,1013.¿

1

16.1,02−1,12.1 (0,10740,1013)1,51

Với m là chỉ số đa biến trung bình của không khí m = 1,5

⇒ γr = 0,0282 Giá trị γr của động cơ diesel không tăng áp 0,02÷0,05

 Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta

Bằng cách thay dần giá trị n1 vào 2 vế của phương trình ( đối với động cơ diesel buồng cháy ngăn cách n1 = 1,28÷1,38 ) đến khi cân bằng nhau ta được giá trị của n1 = 1,37.

 Áp suất cuối quá trình nén pc:

pc = pa.ε n1 = 0,0912.161,37 = 4,067 MPa

 Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc:

Tc = Ta.ε n1 −1 = 337.161,37-1 = 940,05 0KVới động cơ diesel buồng cháy ngăn cách thì pc = 2,81÷4,2 MPa

Tc = 450÷1050 0K

1.4.3 Quá trình cháy.

1.4.3.1 Giai đoạn tính toán tương quan nhiệt hóa.

 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu lỏng

 Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết β0

β0 = M2

M1 = 0,6750,643 = 1,05

 Hệ số thay đổi phân tử thực tế

Đối với động cơ diesel thì Tz = (1800÷2300)0K

 Áp suất cuối quá trình cháy pz

Đối với động cơ diesel thì pb= 0,2÷0,5 MPa [2]

1.5 Kiểm tra kết quả tính toán.

Thay vào (¿ ¿ ta được:

pi’ = 0,271.(1,085 +9,41.0,048 – 1,73)

= 1,062 MPa

1.6.1.2 Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi.

Đối với động cơ diesel 4 kì không tăng áp pi’ = 0,7÷1,1 MPa [2]

Đối với động cơ diesel 4 kì không tăng áp gi = 170 ÷ 210 g/kWh.

1.6.1.4 Hiệu suất chỉ thị i.

i = Q3600

H g i = 3600

42530.193,88 10−3 = 0,437Với QH = 42530 kJ/kgnl

gi = 193,88 g/kWh = 193,88.10-3 kg/kWh

Đối với động cơ diesel không tăng áp thì i = 0,40 ÷ 0,48

1.6.2 Các thông số có ích.

1.6.2.1 Áp suất tổn hao cơ khí trung bình pm.

Đối với động cơ diesel có buồng đốt dạng xoáy lốc thì

pm = 0,089 + 0,0135v pm [2]

Với v pm = S n30

Ta có Vh = π D2

4 S.iVới Vh = 4156 cm3; S/D = 1,1; i = số xylanh

1.6.2.4 Hiệu suất có ích e

e = i m = 0,437.0,75 = 0,35 [1]

Đối với động cơ diesel không tăng áp thì e = 0,35÷0,42 [2]

1.6.2.5 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge.

ge = Q3600

H ❑e [1] (kg/kWh) = 42530.0,353600 = 0,24185 (kg/kWh) = 241,85 (g/kWh)

Đối với động cơ diesel không tăng áp ge = 200÷260 (g/kWh)

1.7 Thông số kết cấu động cơ

1.7.1 Thể tích công tác Vh

Thể tích công tác Vh của một xylanh của động cơ:

Vh = 30 τ N en

p e n e i (dm3), lítTrong đó :

τ : số chu kì của động cơ

i : Số xi lanh của động cơ

ne : số vòng quay của động cơ ở công suất thiết kế

Ne : Công suất của động cơ thuyết kết, kW

CHƯƠNG 2 DỰNG ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA ĐỘNG CƠ 2.1 Khái quát.

Đặc tính ngoài là đồ thị để biểu diễn sự phụ thuộc của các chỉ tiêu như công suất có ích Ne, momen xoắn có ích Me, lượng tiêu thụ nhiên liệu trong một giờ Gnl và suất tiêu thụ nhiên liệu có ích ge vào tốc độ của trục khuỷu n (v/p) khi thanh răng bơm cao áp chạm vào vít hạn chế (đối với động cơ diesel) hoặc bướm ga mở hoàn toàn (đối với động cơ xăng)

Đồ thị này được dùng để đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu chính của động cơ khi tốc

độ trục khuỷu thay đổi và chọn vùng tốc độ sử dụng một cách hợp lý khi khai thác

⇒ ge =geN[1,35−1,35. n

3000+(3000n )2]

 G = g.N (kg/h)

CHƯƠNG 3 ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN

3.1Động học của piston.

Với giả thiết trục khuỷu quay với vận tốc góc ω = const, thì góc quay trục khuỷu 

tỉ lệ thuận với thời gian, còn tất cả các đại lượng động học là các hàm phụ thuộc vào biến số 

3.1.1 Chuyển vị của piston.

Khi trục khuỷu quay một góc  thì piston dịch chuyển được một khoảng Sp so với vị trí ban đầu (ĐCT) Chuyển vị của piston trong xilanh động cơ tính bằng công thức sau:

Sp = SpI + SpII = R(1-cos) +R.4λ (1 – cos2) [1]

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0

Vận tốc trung bình của piston:

3.1.3 Gia tốc của piston.

Gia tốc của piston là tổng hai hàm điều hòa cấp I và cấp II

Jp = JpI +JpII

Trong đó:

J = Rω2Cos

Hình 3.1.2 Đồ thị vận tốc piston

6000

8000

3.2 Động học của thanh truyền.

3.2.1 Góc lắc của thanh truyền.

β = arcsin (λ.sin)

Hình 3.1.3 Đồ thị gia tốc của piston.

= 0.25.314.16.cos  = 78,54Cos  (rad/s)

Ta có bảng kết quả tính toán sau:

Hình 3.2.1 Góc lắc  của thanh truyền

Gia tốc góc củathanh truyền

Gia tốc của thanh truyền

Hình 3.2.3 Gia tốc góc của thanh truyền.

CHƯƠNG 4 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU-THANH TRUYỀN 4.1 Lực khí thể Pkt.

Từ kết quả tính toán nhiệt ta vẽ được đồ thị công p – V (Hình 4.1)

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 0,5

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5

0

Z'' Z' Z Pz

Pc

c'

b'' b a b'

Po Pr

o' o

r r'' r'

Triển khai đồ thị công p – V thành đồ thị p –  (quan hệ của áp suất p và góc quay  của trục khuỷu), ta có thể tính được áp suất khí thể ở góc quay của trục khuỷu Khi tính toán người ta thường hay tính áp suất tương đối, nên:

pkh = p – p0

Trong đó:

pkt : áp suất khí thể tính theo áp suất tương đối (MN/m2)

p : áp suất khí thể trong tính toán nhiệt (MN/m2)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 -1

0 1 2 3 4 5 6 7

-10 0 10 20 30 40 50 60

pkh (MN/m2) Pkh (kN)

4.2 Khối lượng cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền.

4.2.1 Khối lượng của nhóm piston.

Khối lượng của nhóm piston bao gồm khối lượng của piston, xéc măng, chốt piston…

Ta có :

mnp = mp + mxk+mxd + mc

Sau khi tính toán ,vẽ sơ bộ và mô phỏng nhóm piston trên phần mềm solidworks ta có

Hình 4.1.2 Đồ thị p kh -  và P kh - 

Hình 4.2.1.1 Mô phỏng piston.

Với vật liệu là nhôm hợp kim ta có khối lượng piston mp = 476,363 g ≈0,476 kg

Hình 4.2.1.2Thông số của piston.

Hình 4.2.1.3 Mô phỏng chốt piston.

⇒ Với vật liệu là thép hợp kim, nên ta có khối lượng của chốt piston là

299,407g ≈ 0,299 kg

Hình 4.2.1.4 Thông số của chốt piston.

Hình 4.2.1.5 Mô phỏng bạc xéc-măng khí

Hình 4.2.1.7 Mô phỏng bạc xéc-măng dầu.

Với vật liệu là gang xám, ta có khối lượng của bạc xéc-măng dầu mxd =

12,488 g ≈ 0,0125 kg

Suy ra khối lượng của nhóm piston:

Hình 4.2.1.8 Thông số của bạc xéc-măng dầu.

Hình 4.2.2.1 Mô phỏng thanh

truyền.

Với vật liệu là thép hợp kim, ta có khối lượng của nhóm thanh truyền,

4.2.3 Khối lượng khuỷu trục mk.

Hình 4.3.3.1 Mô phỏng trục khuỷu.

Ta có khối lượng của trục khuỷu mk = 25,655 (kg)

4.3 Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay Pk.

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay xác định theo công thức sau:

Hình 4.3.2.2 Thông số trục khuỷu.

4.4 Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến Pj.

Pj = –mjRω2(cos + λcos2)

Gọi :

PjI = –mjRω2cos: lực quán tính tịnh tiến cấp I

PjII = –mjRω2λcos : lực quán tính tịnh tiến cấp II

Hình 4.5.1 Đồ thị lực khí thể P kh , lực quán

tính P j , lực tồng hợp P

4.6 Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền.

4.6 1 Lực tác dụng dọc tâm thanh truyền Ptt và lực ngang N ép piston lên thành xilanh.

 Chọn thứ tự làm việc của động cơ.

Thứ tự làm việc của động cơ là 1-3-4-2

 Xác định pha công tác của từng xilanh

Hình 4.6.3 Đồ thị lực pháp tuyến gây uốn trục

khuỷu

0 3.678 300 -0.774 660 2.809

48

0 5.653 11.366 0.65915

0 2.264 330 -3.973 690 4.726

51

0 2.696 5.713 0.33118

ƩT

ƩT

0 100 200 300 400 500 600 700 800 -0.2

4.8 Xây dựng đồ thị vecto phụ tải tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu.

Đồ thị vecto phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu Sau khi có đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu cũng như có thể tìm được dễ dàng lực lớn nhất và lực bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực ít nhất để xác định

vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính bền trục

Hình 4.7.2 Đồ thị ƩM i

60

90

150 180

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720

ĐỒ THỊ KHAI TRIỂN Q-α

5.3.1 Tính toán bền đầu nhỏ thanh truyền.

Các thông số cơ bản của đầu nhỏ thanh truyền

Hình 5.3.1.1 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ

 Đường kính trong của đầu nhỏ thanh truyền d1 :

5.3.1.1 Tính bền đầu nhỏ thanh truyền khi chịu lực kéo.

Lực kéo đầu nhỏ là lực Pj, lực này sinh ra ứng suất uốn và ứng suất kéo tác dụng lên

Hình 5.3.1.1 Tải trọng tác dụng đầu nhỏ thanh truyền khi chịu kéo.

r2 : bán kính ngoài của đầu nhỏ,

ρ1: bán kính góc lượn nối đầu nhỏ với thân, ρ1 = 20 mm

H: chiều rộng của thân chỗ nối với đầu nhỏ, H = 25,7 mm

⇒ γ = 900 + arccos

0,0257

2 +0,020550,02284 +0,02 = 128,770

 Khi lắp bạc lót vào đầu nhỏ, bạc lót và đầu nhỏ đều biến dạng

Từ sơ đồ ( hình 5.3.1.1 ), momen uốn Mj và lực kéo Nj ở tiết diện bất kì trên cung AA – BB (γ ≤ 900) có thể xác định theo công thức sau:

Mj = MA + NAρ(1 – cosγx) – 0,5Pjρ(1 – cosγx)

Nj = NAcosγx + 0,5Pj(1 – cosγx)

Tại tiết diện bất kì trên cung BB – CC (γx≥ 900) thì:

Mj = MA + NAρ(1 – cosγx) – 0,5Pjρ(sinγx – cosγx)

Nj = NAcosγx + 0,5Pj(sinγx – cosγx)

Trong đó :

(1)

(2)

Do đó momen uốn và lực kéo tại tiết diện C – C được tính: (γ được tính theo độ)

Mj = MA + NAρ(1 – cosγ) – 0,5Pjρ(sinγ – cosγ)

= 1,7.10-6 + 3,029.10-3.0,02055.(1– cos128,77) – 0,5 6,458.10-3.0,02055 ( sin128,770 – cos128,770) = 9,62.10-6 (MNm)

Nj = NAcosγ + 0,5Pj(sinγ – cosγ) = 3,029.10-3.cos128,770 + 0,5 6,458.10-3

(sin128,770 –cos128,770) = 2,643.10-3 (MN)

Vì bạc lót lắp chặt trong đầu nhỏ nên khi lắp ráp đầu nhỏ đã chịu ứng suất kéo

dư do đó đầu nhỏ được giảm tải:

Eđ = 2,2.105[MN/m2], modun đàn hồi của thép (vật liệu chế tạo thanh truyền)

Eb = 1,5.105 [MN/m2], modun đàn hồi của vật liệu chế tạo bạc lót đầu nhỏ

Fđ : tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền

Fđ = (d2 – d1)lđ = (45,675 – 36,54).34,66 = 316,6191 (mm2)

Fb : tiết diện dọc của bạc lót đầu nhỏ thanh truyền

Vậy lực kéo thực tế tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền.

 Ứng suất tổng cộng trên mặt trong

Dựa vào đồ thị Pkh, Pj sau khi cộng đồ thị ta xác định được giá trị P1max = 42,4.10-3 MNTheo giáo sư Kinasoshvili lực P1 phân bố trên nửa dưới của đầu nhỏ theo đường cosin.

Momen uốn và lực pháp tuyến trên cung AB (γx≤ 900)

Mz1 = MA + NA.ρ.(1 – cosγx)

Nz1 = NA.cosγx

Hình 5.3.1.2 Sơ đồ tác dụng khi đầu nhỏ

thanh truyền chịu lực nén

Tại tiết diện C –C nguy hiểm nhất, momen uốn và lực pháp tuyến được tính:

5.3.1.3 Ứng suất biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền.

Xuất hiện do mối lắp ghép căng giữa bạc và lỗ đầu nhỏ và do dãn nở nhiệt khi động cơlàm việc Nhiệt độ làm việc của đầu nhỏ khoảng 1000 ÷ 1200 K [1]

Độ dôi dãn nở nhiệt được xác định:

∆t = (αb – α).t0.d1

Ở đây:

αb : hệ số dãn nở nhiệt vật liệu bạc lót, với đồng thau αb = 1,8.10-5 (1/độ)

α : hệ số dãn nở nhiệt của đầu nhỏ, với các loại thép có thể chọn α = 1.10-5 (1/độ)

t : nhiệt độ làm việc của bạc lót và đầu nhỏ thanh truyền, t = 1000K ÷ 1200K,

chọn t = 1200K

d1: đường kính đầu nhỏ thanh truyền, d1 = 36,54 mm

Ett : moduyn đan hồi của vật liệu chế tạo thanh truyền, Ett = 2,2.105 MN/m2.

Eb: moduyn đàn hồi của vật liệu chế tạo bạc lót, Eb = 1,15.105 MN/m2

 Ứng suất biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền theo công thức lame [1]

 Ứng suất trên mặt ngoài đầu nhỏ thanh truyền:

5.3.1.5 Độ biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền theo hướng kính δ.

5.3.2 Tính toán bền thân thanh truyền.

Đối với động cơ 1 hàng khi động cơ làm việc thanh truyền chịu các lực sau:

 Lực khí thể

 Lục quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến

 Chịu uốn ngang do tác dụng của lực quán tính chuyển động lắc.

Đối với động cơ diesel là động cơ tốc độ thấp,trung bình ta có:

5.3.2.1 Ứng suất nén tại tiết diện nhỏ nhất của than thanh truyền (tiết diện I-I):

σ n max= P x

F min (MN/m2)Trong đó:P x= pz.Fp = 6,1.0,0087= 0,05307 MN

Fmin≈ H.B- 2.h.(b/2) = 21,5.26,12- 2.17,5.8,25 = 272,83 mm2

→ σ n max= 0,05307

272,83.10−6=¿194,5 MN/m2

Lực Px ngoài việc gây ra ứng suất nén còn gây ra ứng suất dọc lớn tại tiết diện trung bình của thân thanh truyền.

Ứng suất tổng do nén và uốn dọc than thanh truyền ở tiết diện trung bình:

Đối với trục y-y là:Jy

i: Bán kính quán tính của tiết diện đối với trục x-x và y-y

i= √F J tb

do đó:đối với trục x-x: i x= √ J x

F tb đối với trục y-y: i y= √ J y

F tb

σ y: là giới hạn đàn hồi của vật liệu

L0: chiều dài biến dạng của than thanh truyền khi chịu uốn dọc

m: hệ số xét đến khớp nối của dầm khi than thanh truyền chịu uốn dọc

Tương tự tcũng có ứng suất tổng tiết diện trung bình khi chịu nén và uoonc trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng lắc:

5.3.3 Tính bền đầu to thanh truyền.

Vị trí tính toán thường được chọn ở ĐCT, ở đây đầu to thanh truyền chịu tác dụng hợplực quán tính chuyển động tịnh tiến và lực quán tính chuyển động quay không xét đến khối lượng nắp đầu to thanh truyền

Lực tác dụng lên đầu to:

Pđ = Pj + Pkđ = [m.R.ω2.(1+λ).Fp + (m2 – mn).R.ω2.Fp]

= R ω2 F [m.(1+λ) + (m – m )]

mn = Fđ lck.ρđt

Trong đó:

Fđ là tiết diện dọc của đầu to thanh thanh truyền, Fđ = π4.(d22 – d12)

Với d1, d2 được xác định như sau:

 Đường kính trong của đầu to: d1 = dck + 2.δ = 58,7 (mm)

 Đường kính ngoài của đầu to: d2 = dck + 2.s =81 (mm)

⇒ Fđ = = π4.(812 – 58,72) = 0,2447 (dm2)

lck : chiều dài chốt khuỷu, lck = 44,1 (mm) = 0,0441 (m)

ρđt : khối lượng riêng của vật liệu đầu to (thép hợp kim), ρđt = 7,7 (kg/dm3)