tính toán thiết kế động cơ đốt trong

Lời nói đầu Đồ án “tính toán thiết kế động cơ đốt trong” là đồ án chuyênnghành,trong quá trình làm sử dụng các kiến thức tổng hợp của rấtnhiều môn học trớc đó.Và nó tổng hợp các kiến thứ

Lời nói đầu

Đồ án “tính toán thiết kế động cơ đốt trong” là đồ án chuyênnghành,trong quá trình làm sử dụng các kiến thức tổng hợp của rấtnhiều môn học trớc đó.Và nó tổng hợp các kiến thức của các môn đồ án

đã làm ,nhất là đồ án công nghệ chế tạo máy Đây không phải là đồ án

đầu tiên em làm nhng nó là đồ án chuyên nghành nên cần có lợng kiếnthức rất lớn về động cơ đốt trong cũng nh các kiến thức khác nữa.Trongquá trình làm đồ án chúng em không những củng cố lại những kiến thức

đã học,mà còn mở rộng và chuyên sâu về nghành của mình.Đây là đồ

án sẽ phục vụ cho đồ án tốt nghiệp,do vậy làm đồ án sẽ có thêm đợc rấtnhiều kiến thức mới về động cơ đốt trong,nó sẽ phục vụ tốt cho công việcsau này.Trong quá trình làm đồ án em đã tham khảo nhiều sách khôngchỉ về động cơ đốt trong mà còn cả các sách công nghệ

15 Góc đóng muộn xupáp nạp  2= 480

16 Góc mở sớm xupáp thải β1= 320

17 Góc đóng muộn xupáp thải β2 =80

18 Góc đánh lửa sớm i = 150

Chơng I: Tính Toán Nhiệt

1.1 Các thông số chọn:

1.1.1 Tính tốc độ trung bình của piston :

Ta có công thức tính tốc độ trung bình của piston nh sau :

Vậy động cơ có tốc độ cao tốc, áp suất và nhiệt độ của môi trờng:

30

5500 3 10 8 , 92 30

S tb







r t

a

r r

k

r

p p p

p T

T T

1

2 1

2

.

1

09 , 0

11 , 0 1 17 , 1 04 , 1 7 , 10

1

09 , 0

11 , 0 930

10 297

r

a r r t 0

a

1

p

p T ) T

11 , 0 09 , 0 930 041 , 0 17 , 1 ) 10

297

1 45 , 1

r t

k a k

k

p p

p T T

T

1 2

.

297

v k T p

g

P M

.

10

h

e e

M1 =

297 0352 , 1 7355

.

0

178

882 0 1 , 0 10

.

432 3

= 0,5121 kmol/kgnl1.2.5 Lợng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu :

1 504 , 3 997

mc

mc

r

v r v

v

2

00608 , 0 446 , 21 1

314 , 8 1

1

' '

Mc =M1 + Mr = M1(1+r) = 0,512(1+0,041) = 0,533 kmol/kgnl

1.4 Quá trình cháy

1.4.1 Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết:

NL 0

0 NL

0

1 M

M ) 1 ( 21 , 0 1 32

0 4

512 , 0 ).

9842 , 0 1 (

21 , 0 114

1 32

145 , 0 4

855 ,

Tc 2

0042574 ,

0 86944 , 19 Tc 2

' bv

'

av

'

 

 z

r z

v z

r z v vz

x x

mc x x

' 1

.

0 0

0

'' 0

2793 39 , 1

H z

T T M

* 2

1

.

.

314 , 8 1

49 8

234 , 1

Tb = 1 1,372 1

7 , 10

b

r

p p

455 , 0 11 ,

Tr =

100 ) (

r

r r

T

chon T

T 

% = 996,78 .100

930 78 ,

996 

% = 6,7% < 15%

Vậy Tr chọn nh ở trên là đúng

1.6 Tính toán các thông số của chu trình công tác

1.6.1 áp suất trung bình chỉ thị lý thuyết :

1 1

1 372 , 1

1 7

, 10

1 1

1 234 , 1

64 , 3 1

1737 , 1 5121 , 0

882 , 0 1 , 0 10 432

.

10

.

0 1

3

kwh g T

p

M

p g

i

v o

1.6.4 Hiệu suất chỉ thị:

3833 , 0 44 44 , 213

10 6 , 3

1.6.10 Kiểm nghiệm đờng kính xylanh:

496 , 0 5500 4 0352 , 1

7355 , 0 5 , 130 4 30

8 , 92 142 , 3

496 , 0 4 S

.

V 4

2 h

496 , 0

* Giả thiết quá trình nạp áp suất bằng hằng số và bằng pa=0,09 Mpa

* Giả thiết quá trình thải áp suất bằng hằng số và bằng pr=0,11 Mpa

1.7.2 Xác định quá trình nén ac, quá trình giãn nở zb:

i

1

1 Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp :

Từ 0’ của đồ thị Brick xác định góc đóng muộn 2 = 80 của xupáp thải, bán kính nàycắt Brick ở a’, từ a’ gióng đờng song song với tung độ cắt đờng pa ở d nối điểm r trên

đờng thải Ta có đờng chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình thải

2 Hiệu đính áp suất cuối quá trình nén (điểm c):

Cũng từ 0’ của đồ thị Brick xác định góc đánh lửa sớm i =150 bán kính này cắt

đồ thị Brick tại c’’’, từ c’’’gióng đờng song song với tung độ cắt đờng nén tại điểm c’

Trên đoạn cz lấy c’’ sao cho cc’’ = 3cz

1

.Dùng một cung cong thích hợp, nối 2 điểmc’’ và c’

3 Hiệu đính điểm đạt điểm pmax thực tế :

Trên đoạn zz’ lấy điểm z’’ sao cho z z z z

' '' '

4 Hiệu đính điểm bắt đầu thải thực tế : Hiệu đính điểm b căn cứ vào góc mở sớm

xu páp thải áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế b’ thờng thấp hơn áp suất cuối quátrình giãn nở lý thuyết do xu páp thải mở sớm

Từ đồ thị Brick xác định góc mở sớm xu páp thải β1 = 32o cắt vòng tròn Brick tạimột điểm, từ điểm đó gióng đờng song song với trục tung cắt zb tại T1 Trên ba lấy

2.1 Vẽ đờng biểu diễn các quy luật động học

Các đờng biểu diễn này đều vẽ trên một hoành độ thống nhất ứng với hành trình củapiston S = 2R Vì vậy đồ thị đều lấy hoành độ tơng ứng với Vh của đồ thị công (từ

Tiến hành vẽ theo phơng pháp Brick

+ Phía trên đồ thị công ta vẽ nửa vòng tròn tâm 0 có đờng kính là S/s sau đó

lấy về phía ĐCD một khoảng 00’ = R/2s

+ Lấy 0’ làm tâm chia độ và đánh dấu trên đờng tròn ấy các điểm chia độ

+ Gióng các điểm chia độ trên đờng tròn đó xuống đồ thị x=f() và trên trục gióng các tia nằm ngang tơng ứng, nối các điểm đó lại ta đợc x = f()

2.1.2 Đờng biểu diễn tốc độ của pittong v= f()

Đờng biểu diễn tốc độ của pittong đợc vẽ trên cùng hệ toạ độ của x và 

- Trình tự vẽ đờng v=f(x) nh sau :

Vẽ ở phía dới đồ thị v=f(x) nửa vòng tròn tâm là 0, bán kính của nó bằng S/2x

v = S/ 2x Lấy 0 làm tâm vẽ vòng tròn bán kính bằng R/2v Chia vòng trònnhỏ và nửa vòng tròn lớn (bán kính R) ra n phần bằng nhau (18 phần), đánh số các

điểm chia từ 118 Từ các điểm chia trên vòng tròn lớn ta kẻ các tia thẳng đứng, từcác điểm chia trên vòng tròn nhỏ ta kẻ các tia nằm ngang giao điểm của các tia tơngứng đợc đánh số I, II … Nối các điểm đó lại ta đợc đờng cong biểu thị v=f()

2.1.4 Vẽ đờng biểu diễn gia tốc của pittong j = f(x):

Đồ thị này đợc vẽ cùng hoành độ với trục x = f()

Để vẽ đồ thị này ta sử dụng phơng pháp Tôlê :

- Chọn tỷ lệ xích j = 150 (m/s2.mm)

- Tínhjmax= Rw2(1+) = 2

10 8 ,

8 , 92

10 8 ,

- Nối C với D cắt trục hoành tại E lấy

EF = -3R2 = -3.0,32.

2

30

500 142 , 3 2

10 8 ,

- Từ điển A tơng ứng với ĐCT lấy AC = jmax, từ điểm B tơng ứng với ĐCD lấy

BD = jmin, nối CD cắt trục hoành ở E, lấy EF = -3R2 về phía BD Nối CF và

FD đẳng phân CF và FD thành 6 phần bằng nhau, kí hiệu tơng ứng 1,2…6 và 1’,2’…6’ Nối 11’,22’….66’ Vẽ đờng bao trong tiếp tuyến với 11’,22’….66’

ta đợc đờng cong biểu diễn quan hệ j = f(x)

2.2 Tính toán động lực học

2.2.1 Các khối lợng chuyển động tịnh tiến

- Khối lợng nhóm pittông: mnp = 0,36 kg

- Khối lợng nhóm thanh truyền: mtt = 0,64 kg

- Khối lợng của thanh truyền phân bố về tâm chốt pittông tính theo công thức kinhnghiệm sau :

m1 = (0,275 -:- 0,285)mtt

Lấy m1 = 0,28mtt = 0,28.0,64 = 0,1792 kg

Khối lợng chuyển động tịnh tiến trên một đơn vị diện tích đỉnh pittông

m = m np m1 =0.5392 kg

2.2.2 Các khối lợng chuyển động quay

- Khối lợng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt : m2 = mtt - m1

m2 = 0,64 – 0,1792 = 0,4608 kg

- Khối lợng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt m0m

- Khối lợng của chốt khuỷu mch

2.2.3 Vẽ đờng biểu diễn lực quán tính pj = f(x)

áp dụng phơng pháp Tôlê để vẽ nhng hoành độ đặt trùng với đờng pk ở đồ thị công

và vẽ đờng - pj = f(x) (tức cùng chiều với j = f(x)), tiến hành nh sau:

- Chọn tỷ lệ : p = 0,396

- Tính :

pjmax = mjmax = 0.5392.20331=10962,7N=372,29 MPa

pjmin = mjmin = 0,5392.10422=5619,5 N =190,8 MPa

EF = m 3R2= 0,5392.14864=88014,7 N=272,18

2.2.4 Khai triển đồ thị p -V thành p = f()

- Chọn tỷ lệ xích  = 20/1mm, nh vậy toàn bộ chu trình 7200 sẽ ứng với 360mm

Đặt hoành độ  này cùng trên đờng đậm biểu diễn pk

- Chọn tỷ lệ p = 0,0339MPa/mm

- Xác định trị số pkt ứng với các góc  từ đồ thị Brick rồi đặt các giá trị này trên đồthị p - , pmax đạt đợc tại  = 372 0.

2.2.5 Khai triển đồ thị pj = f(x) thành pj = f()

Đồ thị pj = f() biểu diễn trên đồ thị công có nghĩa kiểm tra tính năng tốc độ của

động cơ Triển khai pj = f(x) thành pj = f() cũng thông qua Brick để chuyển toạ

độ, nhng trên toạ độ p- phải đặt đúng giá trị âm dơng của pj

2.2.6 Vẽ đồ thị p = f()

Ta đã biết p = pkt + pj Vì vậy việc xây dựng p = f() chỉ là việc cộng toạ độcác trị số tơng ứng của pj và pkt Kết quả nh hình vẽ

2.2.7 Vẽ đờng biểu diễn lực tiếp tuyến T = f() và lực pháp tuyến Z = f()

Theo kết quả tính toán động lực học, ta có :

Biểu diễn Z = f() và T = f() trên cùng một hệ trục toạ độ

Các số liệu để vẽ các đồ thị biểu diễn trên bảng 2.1

BDZ(mm)

2.2.8 Vẽ đờng T = f() của động cơ 4 xilanh

Động cơ nhiều xilanh có mô men tích luỹ vì vậy phải xác định mô men này Chu kỳcủa mô men tổng bằng đúng góc công tác của các khuỷu :

0 0

4

4 180 i

mm mm mm Thuc

MPa

BDmm

Vẽ đờng Ti = f() ở góc trên của đồ thị T và Z Chỉ vẽ trong một chu kỳ

Diện tích bao bởi đờng T với trục hoành là : F(T) = 1710 mm2

Ttb = 19

90

1710 90

) (

Bảng 2.4 : Số liệu tính toán vẽ đờng biểu diễn Q = f()

(Mpa)

BD(mm)

Thực(Mpa)

BD(mm)

Thực(Mpa)

BD(mm)

Thực(Mpa)

BD(mm)

Giá trị đặc biệt: với  = 356 thì Qmin ứng với điểm biểu diễn Q = 2.5mm

Sau khi vẽ xong đồ thị Q = f(), ta xác định Qtb bằng cách tính diện tích bao bởi

Q = f() và trục hoành, rồi chia cho chiều dài trục hoành

Q

< 4, do đó thoả mãn

2.2.11 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu:

Dựa vào 3 giả thiết:

- Lợng mòn tỷ lệ thuận với lực tác dụng

- Lực gây mòn không phải tại một điểm mà lân cận điểm đó trong phạm vi1200

- Lúc xây dựng đồ thị mài mòn không xác định với điều kiện thực tế

Xây dựng đồ thị theo trình tự các bớc sau đây:

-Vẽ vòng tròn bất kỳ tợng trng cho vòng tròn chốt tâm là K, các lực cắt trục dơng Ztại O và chia vòng tròn đó ra làm 24 phần bằng nhau, mỗi phần 150 và đánh số các

điểm chia từ 023

-Xác định tổng các lực tác dụng nên trên các điểm 0,1,2 23, tơng ứng Q0, Q1,

Q2, … Q23,

i = m.Qi , m là tỷ lệ mài mòn, chọn m = 0,02 MPa/mm

-Vẽ vòng tròn tợng trng cho bề mặt chốt trên giấy kẻ ly và trên vòng tròn đó chialàm 24 điểm bằng nhau và đánh số điểm chia từ 023, từ các điểm chia đó lấy theophơng hớng tâm các đoạn có độ lớn bằng i đánh dấu đầu mút các đoạn đó ta đợcdạng bề mặt của chốt sau khi đã mòn

Vị trí ít mòn nhất chính là vị trí khoan lỗ khoan dầu (Bảng 2.5)

3.1 Kiểm nghiệm bền thanh truyền

Đầu nhỏ thanh truyền

3.1.1 Tính nghiệm bền đầu nhỏ thanh truyền

Đối với loại thanh truyền mỏng (d2/d1 35/261,5) tính theo lý thuyết thanh cong bị

ngàm ở tiết diện chuyển tiếp từ đầu nhỏ đến thân (tiết diện ngàm có góc  nh hìnhvẽ)

Sơ đồ lục tác dụng khi Đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo

3.1.1.1 ứng suất tổng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo

Kinasotxvili tính với giả thiết sau:

+ Coi lực quán tính phân bố đều trên đờng bán kính trung bình của đầu nhỏ:

4 , 46 1 30

5500 10

4 , 46 36 , 0

1 2

1 0

87 , 126 15 5 , 17

15 2

28 arccos 90

r 2

H arccos

0 (

10 25 , 15 10 87 , 7 ) 0297 , 0 00033 ,

0 (

5 , 0 ) cos 1 (

0 3

3 6

10 25 , 15 10 87 , 7 5 , 0 ) 87 , 126 cos 1 (

10 25 , 15 10 7 , 3 10

3

3 0

10 87 , 7 5 , 0 87 , 126 cos 10 7 , 3 ) cos (sin

5 , 0 cos

10 2 , 2 360

.

.

5 5

d

d d

F E F

E : Mômen đàn hồi và tiết diện đầu nhỏ

E b F b : Mômen đàn hồi và tiết diện bạc lót

Do có hệ số giảm tải, lực kéo thực tế N k nhỏ hơn N j

3 3

10 8 , 2 10 29 , 3 8516 , 0

Sơ đồ lục tác dụng khi

1 10

8 , 2 10 5 , 4 25 , 15 2 5 , 4

10 ).

5 , 4 25 , 15 6 ( 10

6 2

2 6

3 6

3 6

N S S

S M

d k j

1 10

8 , 2 10 5 , 4 25 , 15 2 5 , 4

10 ).

5 , 4 25 , 15 6 ( 10

6 2

2 6

3 6

3 6

N S S

S M

d k j

nj







3.1.1.2 ứng suất tổng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu nén

Lực tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền là lực tổng P: P P kt P j

R m F

P

Lực này phân bố theo dạng cosin nh hình vẽ:

Lực và mômen thay thế (N Avà MA ) theo Kinasôtxvili biếtn thiên theo góc ngàm

 theo quy luật parabol

Mômen và lực kéo trên tiết diện ngàm xác định theo công thức:

027 , 0 87 , 126 cos 87

, 126 sin 180

87 , 126 2

87 , 126 sin )

/ sin /

cos 2

M

6

3 6

0 3

3 6

10 25 , 15 10 7 , 3 10

cos 2 / (sin ) cos 1 (

3 3

cos 2 / (sin cos

1 10

73 , 0 10 5 , 4 25 , 15 2 5 , 4

10 ).

5 , 4 25 , 15 6 ( 10

6 2

2 6

3 6

N S

S

S M

d z z

10 5 , 4 40

1 10

73 , 0 10 5 , 4 25 , 15 2 5 , 4

10 ).

5 , 4 25 , 15 6 ( 10

6 2

2 6

3 6

3 6

N S

S

S M

d k z

   2

5

2 2

2 2

5

2 2

2 2

1

3

2 2 2

2 2 2 2

1 2

2

2 1 2

2

1

/ 3 , 20

10 15 , 1

3 , 0 23 26

23 26 10

35

26

35

10 2 , 31 14

m MN

d

E

d d

d d

t : nhiệt độ làm việc của đầu nhỏ t0  150 0

b, d : Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu

b 1,8.105 (bạc đồng)

5

10 1

26 2 3 , 20

2

d d

1

2

2

2 1

2

26 35

26 35 3 , 20

d d

d d

ứng suất cực đại và cực tiểu khi đầu nhỏ chịu kéo và nén xác định theo phơng trìnhsau:

n nj

min      67 , 92  50  117 , 92 MN / m

n nz

- ứng suất trung bình max min 322 , 25 / 2

6

1400 400

3.1.2 Tính nghiệm bền thân thanh truyền

Tính nghiệm bền thân thanh truyền động cơ cao tốc phải xét đến lực quá tính vàcũng tính theo hệ số an toàn

b b

144

4 , 46 1 30

5500 10 4 , 46 1792 , 0 36 , 0 10 3456 , 5 923 , 7

1 R m m F P P P P

3

2 3

3

2 1 np p

z jt z

 2 6

6 179 10 10

).

4 15 17 7 ( ) (

10 786

,

11

m MN

3

2 3

5700 10 4 , 46 64 , 0 2

1 36 , 0 1

.

179

10 86

,

14

m MN

25 , 0 ) 04 , 83

2

) (

) (

l-3.1.3 Tính nghiệm bền đầu to thanh truyền

Đầu to thanh truyền cũng đợc giả thiết nh một thanh cong bị ngàm ở tiết diện nốitiếp với thân nh hình vẽ:

Sơ đồ tính nghiệm bền đầu to thanh truyền

Lực quán tính tác dụng trên đầu to phân bố theo quy luật cosin, xác định theo côngthức sau:

4 , 46 1 539 , 0 30

5500

m R

P

P

3

2 3

n 2 2

1

/ 6 , 16 10

795 4 , 0 30375

06 , 39 1 10 7 , 2

10 62 023 , 0 10

023 , 0

m MN

F F J

J W

C p

d b d

b u

10 7 , 2 6

10 32 10 5 , 22 6

.

m l

4 12 3

10 30375

12

.

10 06 , 39

12

.

m s

l

J

m s

3

2 6 3

3

10 720 10

5 , 22 10 32

10 75 10

5 , 2 10 30

.

m s

l

F

m s

C: khoảng cách tâm của 2 bulông thanh truyền C=62 mm

Độ biến dạng hớng kính của đầu to thanh truyền xác định theo công thức sau:

 

J J

E

C p

d

d b

d

12 5

3 3 3

3

10 138 , 0 10

06 , 30414

10 2 , 2

10 62 10 1 , 16 0024 , 0 0024

Ed :môđul đàn hồi của vật liệu làm thanh truyền E d 2,2.105 MN/m2

Đầu to thanh truyền thừa bền khá nhiều nên ta có thể giảm kích thớc đầu to để giảmkhối lợng thanh truyền nhằm giảm lực quán tính, giảm vật liệu

3.1.4 Tính nghiệm bền bulong thanh truyền

Lực tác dụng lên bulông thanh truyền cũng là lực kéo tác dụng lên đầu to thanhtruyền Nếu số lợng bulông là z thì lực tác dụng trên mỗi bulông sẽ là:

2

2

10 05 , 8 2

10 1 , 16

Trong đó: Hệ số giảm tải  0,20,25 chọn  0,25

ứng suất kéo bulông thanh truyền

6

3

/ 12 , 319 10

75 , 56

10 11 ,

F : tiết diện bulông thanh truyền ở đờng kíh chân ren

Đờng kính nhỏ nhất của bulông: d0  8 , 5mm

2 3 2

4

10 5 , 8

2

10 9 10 1 , 16 1 , 0 2

d tb  9mm: Đờng kính trung bình phần ren

ứng suất xoắn bulông

   

2 2

3 6

2 0

/ 44 , 0 10

0

m MN d

P W

M

x

s x

2

2 4 0 , 44 12

2).Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong

(tác giả: Hồ Tấn Chuẩn

1.1.8 Hệ số lợi dụng nhiệy tại z và b 2

1.3.1 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:4

1.3.2 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí sót : 4

1.3.3 Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí hỗn hợp

1.3.4 Chỉ số nén đa biến n 1 : 5

1.3.5 áp suất cuối quá trình nén:5

1.3.6 Nhiệt độ cuối quá trình nén: 5

1.3.7 Lợng môi chất công tác của quá trình nén: 5

1.5.1 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình: 7

1.5.2 áp suất cuối quá trình giãn nở : 7

1.5.3 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở:7

1.5.4 Kiểm tra nhiệt độ khí sót: 7

1.6 Tính toán các thông số của chu trình công tác 8

1.6.1 áp suất trung bình chỉ thị lý thuyết : 8

1.6.2 áp suất trung bình chỉ thị thực tế: 8