Đồ án : Tính toán động cơ đốt trong

ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONGNhóm đề I Nội dung bao gồm các phần : Phần I : Tính toán nhiệt các quá trình =>Tìm ra D,S Phần II : Tính toán động lực học và động học cơ cấu Biên Tay Quay Phần II

ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Nhóm đề I

Nội dung bao gồm các phần :

Phần I : Tính toán nhiệt các quá trình =>Tìm ra D,S

Phần II : Tính toán động lực học và động học cơ cấu Biên Tay Quay

Phần III : Tính toán động lực học và động học cơ cấu phân phối khí

Phần IV : Tính toán các hệ thống phụ như bôi trơn, làm mát

Yêu cầu thiết kế:

- Công suất động cơ N e = 60(ml)

1 ε o p ' o T h η o

1 16 0,79.300.1

- Thể tích công tác:

Vh= Va – Vc = 15 (đơn vị thể tích)

3 Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a :

- Nó được xác định dựa trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng của khí mới nạp và phần khí còn lại

- Theo công thức:

K 316,5 1,12

850

288 1 1 16 0,79

8 16.0,84.28 p

T

T p 1 ε

η

.T ε.p

r r

0 0 h

0 a

100 1.41 n

0,84.16 ε

III_Tính toán quá trình cháy:

1 Số lượng thành phần khí trước khi cháy:

- Theo công thức: Mc= Mr + L (4)

Trong đó:

Mc: Lượng hỗn hợp trước khi cháy (kmol)

Mr: Số mol khí còn lại sau khi xả (kmol)

L: Lượng khí mới nạp(kmol)

- Lượng khí cấn thiết để đốt cháy hết 1kg nhên liệu tính theo thể tích là:

 5 32

O 4

H 12

+Trong đó thành phần các nguyên tố la: H2= 13,3 %;O2= 1,0 %;C= 85,7 %

Thay vào ta tính được: L0= 0,5 (kmol/kg)

- Trong thực tế lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết nhiên liệu lơn hơn

L0t=α.L0= 1,35.0,5= 0,675 (kmol/kg)

+L0t: Lượng không khí cần thiết thực tế

+ α: Hệ số nạp thừa không khí,lấy α=1,35

+ Nếu trong thành phần hỗn hợp có 1kg nhiên liệu lỏng thí số mol mồi mới nạp sẽ là: L= α.L0 +1 ∕mt, nhưng do tỉ số 1 ∕mt thường rất nhỏ có thể bỏ qua để tính toán

- Hệ số khí còn lại γ được xác định từ phương trình đặc tính:

  850.1.(16 1).0,79 0,032

1,12.288 η

1 ε

Vậy số mol mồi mới nạp :Mc=Mr+L=0,022+0,675=0,697 (Kmol)

2 Số lượng thành phần khí sau khi cháy:

- Với động cơ điesel α >1, thì nhiên liệu được cháy hoàn toàn

- Lượng khí sau khi cháy là:

MZ= M + Mr (6)

+ Số mol sản phẩm cháy M

(kmol/kg) 0,71

32

0,01 4

0,133 1,35.0,5

32

O 4

3 Phương trình cháy của động cơ điesel:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của khí trước và sau khi cháy

 

1 α μ.C .T  7

α.L

ξ.Q 1,985.λ

C

P 0

H V1

+ μ: Hệ số biến thiên phần tử tính toán, thể hiện sự thay đổi số mol

các khí trước khi cháy so với sau khi cháy

 

  αL 1 γ 1,05

32

O 4

H 1 γ

1 αL

32

O 4

H γ 1 α.L

0

2 2 0

* Tính nhiệt độ cuối quá trình cháy T z :

Ta có vế trái pt(7) sau khi cháy la:

ξ.Q 1,985.λ

* Áp suất cuối quá trình cháy PZ= λ.PC= 1,6.34,5= 55,2 (kG/cm2)

* Thể tích cuối quá trình cháy V z :

Từ pt trạng thái tại hai điểm C và Z trên đồ thị trạng thái ta có

VZ= ρ.VC= (μ/λ.TZ/TC).VC= 1 1 , 64

4 , 812

2 , 2031

6 , 1

05 , 1

 (đvtt)

IV_ Quá trình giãn sinh công:

- Ta coi chỉ số đa biến n2= const, nó được tính theo công thức (CT pêtrôp)

p

p  (12)

64 , 1

16 ρ

ε Z

V a

V Z

1 2031 δ

1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán

1 1 1 1,34

1 1

1,3 9,76

1 1 1 1,3

1,6.1,64 1

1 1 1 1

1 1 2 δ

1 1 1 2

λρ 1 ρ λ

1).7,264 812,4.(16

1,98.0,697 Q

p

p 1 ε T 1,985.M

η

H C

i C

C

Vậy hiệu suất chỉ thị là ηi = 35,7 %

2 Hiệu suất cơ học:

i

T i i

e i

e

m

p

p p p

Với động cơ kết cấu buồng xoáy thì pT= 0,922 + 0,00101.n = 2,437 kG/cm2

7,264 2,437 7,264

i

p T

p i

p m

Vậy hsuất cơ học η m= 66,5 %

3 Công suất chỉ thị N i :

(ml) 90,23 0,665

60 η

0,357.0,66 m

0,24.9950

632.10 Q

10

265.60 10

.N

g

VII_Tính toán cân bằng nhiệt động cơ:

- Phương trình cân bằng nhiệt động cơ: Nhiệt lượng sinh ra bằng nhiệt lượng cấp vào

QT: Nhiệt lượng mất đi do khắc phục ma sát và truyền động cho hệ thống phụ.

VIII_ Xác định các kích thước cơ bản của động cơ:

- Đường kính píton D và bước chạy piton S

- Ta chọn thiết kế loại động cơ có đặc tính sau:

+Là loại động cơ diesel 4 thì

+Có hệ số thời kỳ τ = 2

+Động cơ có 4 xy lanh

+Buồng đốt là loại buồng xoay

+Số vòng quay của động cơ n = 1500 (v/p)

+Tỉ số S/D = 1,2

1 Xác định đường kính xylanh D và hành trình piston S:

- Từ công thức công suất động cơ

) (dm 1,863 5.1500.4

7,264.0,66

450.2.60

.n.i η p

.N 450.τ n.i

p

.N 450.

V 450.τ

.n.i V

p

N

3

m i e e

e h

4.1,863 1,2πD

4V D

V

r

V

) 3 (dm 1,987 a

V

b

V

) 3 (dm 1,987 16.0,1242

1,863 1

V Z   c  

3 Công suất riêng của động cơ:

Là công suất danh nghĩa ứng với một đơn vị diện tích đáy của tất cả các pistôn

2 2

e

4

πD1,255 4.

 3

r 2

e h

e

1,51

12,1 S

N 4

πDD i

N i.V

2 Vẽ đồ thị chuyển vị của piton:

- Thay số vào pt(16) ta có pt chuyển vị:

x = 0,755(1- cosα +(1/8).sin2α) (dm) (17)

- Từ pt(17) ta cho các giá trị của góc quay trục khửu α = 00 – 7200, ta được tương ứng các giá trị của chuyển vị x, từ đó xác định được các điểm để vẽ đồ thị

- Dùng Matlab để vẽ đồ thị ta có đồ thị sau:

H2: Đồ thị chuyển vị của pitston X = f(α).

3 Vẽ đồ thị tốc độ chuuyển động của piton

dα dα

dx dt

dx v

sin 2

λ sinα 157.0,755

1 4

λ cosα

4 Vẽ đồ thị gia tốc píston :

1 cosα 18610.

j

λcos(2α) cosα

.r 2 ω dt

dv f(α(

- Từ pt(19) cho các giá trị của α = 00- 7200 ta được tương ứng các giá trị của gia tốc

j, từ đó ta vẽ được đồ thị gia tốc của piston j = f(α)’

- Tương tự trên ta có thể vẽ được đồ thị của gia tốc phụ thuộc vào chuyển vị j = f(x)

II_ Động lực học cơ cấu:

- Lực tác dụng lên piston:

P1 = P + PJ (20)

P: Áp lực của khối khí giãn nở

PJ: Lực quán tính do pitston chuyển động có gia tốc, ở đây pitston chuyển động tịnh tiến nên PJ= m.j

1 Đồ thị áp lực quán tính:

- Khi pitston chuyển động tịnh tiến có gia tốc nó tạo ra lực quán tính PJ= m.j

- Các khối lượng chuyển động quay sinh ra lực quán tính ly tâm

PC= mr.r.ω2

- Áp lực quán tính:

) (kG/cm cos2α

4

1 cosα r.ω

πD.D

4.m p

4 πD.D m.j 4

πD.D

2 J

2 2

mP: Khối lượng nhóm pitston

m1: Khối lượng của biên qui đổi về chốt pitston

4 πDD

m m A πDD

G g

P

F P

G P

+

P10.Fb

G.g

p

F b

Gb

1 b

l

0,725l l

A l

l l A

21)

2 (kG/cm cos2α

4

1 cosα

6,44.

cos2α 4

1 cosα 5)1861.

0,035.0,27 (0,025

10

1

cos2α 4

1 cosα 1861.

1 A P A

- Tương tự trên ta có thể vẽ được đồ thi thể hiện quan hệ giữa PJ= f(α)

- Dùng Matlab ta vẽ được đồ thị áp lực quán tính:

H5: Đồ thị áp lực quán tính　

l m

- Khối lượng phần I:

(kg) 3 (g) 3006 4

3,14.8,8 6,3.7,85

.l 4

πDd γ γ.V

m

2 b

2 b I

- Khối lượng phần II:

(kg) 1,1 (g)

1090

18,8.3,1 3

1 0,2 2

8,8 2

10 7,55 7,85 h

b 3

1 0,2 2

d 2

d r γ γ.V

2 2

10 7,5 7,85.18,8 b

3

2 2

d r h γ γ.V

701,5

18,8 0,2 8,8/2 3,1 3

2 2

1 7,85.

.h 0,2 2

d b 3

2 2

1 γ γ.V

d VI

2

8,8 3

1 r 0,2 2

10 2

10 7,55 2

1 2

d 2

8,8 2

10 7,55 2

1 2

d 0,2 2

d 2

d r

2

1

ρ

cm 7,55 755

C b

C II

 

m kGs r

55 , 7

1 , 9 702 , 0

/ kGs 0,65 7,55

0,778.6,3 r

.ρ m

m

/ kGs 1,24 7,55

1,09.8,6 r

.ρ m m

.ρ m

.r

m

kg 3 m

m

2

2 III

III

KrIII

2 II

II KrII II

m m 2 m

m

2

KrIV KrIII KrII

0755 , 0

16 0,84.

n1 x

Va

V a p x

15 1 x 4

2 πD.D c

n2 y V

1,62 55,2 y

.x s z

V

x

V  14,36  14.36

Từ các công thức (1) (2) (3) (4) (5) (6) ta lập các giá trị tương ứng của x, V, p, pj ,

N, t theo  khi cho  thay đổi từ 00  7200=> vẽ được đồ thị x =f() ;

p=f(x) ; p=f() …

*Vẽ đồ thị p i = f(x) và p i = f(α))

- Đường cong nén ép ac

51 1

15 1

16 ( 84 0 34 1 16 84 0

2 sin 8

1 cos 1 75 0 51 1

15 1

16 84

0

14,36 1,64

1,64 55.2

1.3 Vx

2

sin 8

1 cos 1 75 , 0 51 , 1 36 , 14 64 , 1

64 , 1 2

55

* Vẽ đồ thị p t cosβp1 => 1/2

α sin 2 λ 1

p1 t

βαp1.sin

β cos

sin cosα p1 p1.sinα

=>

2 l

α 2 sin 2 r 1

.sin cosα l

r p1 p1.sinα t









*Vẽ đồ thị lực pháp tuyến N

cosβ

sinβ 4

2 πDD p1.

p1.tgβ

α 2 sin 2 λ 1

sinα

4

2 πDD p1.

sinα 33,568.

N



Phần III:

TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

* Yêu cầu:

+ Xác định được kích thước các chi tiết của cơ cấu phân phối khí

+ Vẽ sơ đồ cơ cấu phân phối khí: Bộ phận đóng kín, bộ phận phân phối cam

xả và cam nạp,bộ phạn truyền lực

+ Vẽ đồ thị pha phân phối khí

* Nội dung cụ thể:

1 Sơ đồ cơ cấu phân phối khí:

- Ta chọn loại cơ cấu phân phối khí có cơ cấu xupát đặt theo kiểu treo, loại này thường có kích thước nhỏ gọn phù hợp cho các loại ôtô du lịch

- Ta có sơ đồ sau:

- Với thông số đã chọn:

a = 60 (mm)

b = 46 (mm)

 a/b = 60/46 = 1.3

hC: Độ nâng của cam phân phối

h= (a/b).hC : Hành trình nâng của xupát, nó xác định diện tích lưu thông hỗnhợp nhiên liệu vào trong buồng đốt của xupát

2 Tính toán và lựa chọn kích thước của xupáp:

- Trong đó:

d: Đường kính than xupáp

d1: Đường kính đĩa xupáp

: Góc nghiêng bề mặt làm việc của xupáp, ta chọ  = 450

h: Độ nâng hay độ thụt cực đại của xupáp

dm: Đường kính trung bình của nón cụt

b: Đường sinh của tiết diện lưu thông khí khi xupáp mỏ hoàn toàn

r: Góc lượn giữa thân và đĩa xupáp

- Các gía trị d1 và d2 của xupáp được giới hạn bởi đường kính của xilanh D và cách

bố trí xupáp trong buồng đốt Ta không nên chọn lớn qua vì sẽ làm cản trở đường lưu thông khí dấn đến làm giảm hiệu suất đôt của động cơ

Ta có thể tính sơ bộ lấy theo kinh nghiệm:

- Đương kính thân xupáp có thể sơ bộ lấy d = (0,2  0,3)d1, chọn

d = 0,3d1 = 0,3.6,28= 1,88 (cm) – đối xupáp hut

h  0,25.d2/cos = 1,93 (cm) – đối xupáp hút

h  0,25.d2/cos = 1,55 (cm) – đối xupáp xả

- Tiết diện lưu thông khí

b = h.cos = 1,93.cos450= 1,36 (cm) – đối xupáp hút

b = h.cos = 1,54.cos450= 1,09 (cm) – đối xupáp xả

- Đường kính trung bình của nón cụt:

dm= d2+b.sin = 6,42 (cm) – đối xupáp hút

dm= d2+b.sin = 5,13 (cm) – đối xupáp xả

- Tiết diện lưu thông lớn nhất:

fmax = .dm.b = hcos(d2 + hcos.sin)

= 3,14.6,42.1,36 = 27,42 (cm2) – xupáp hút

r = 1,88 (cm) – đối với xupáp hút

r = 1,04 (cm) – đối với xupáp xả

3 Đồ thị pha phân phối khí:

- Khi khảo sát các quá trình nạp và xả, ta thấy tác dụng của mở sớm và đóng muộn các xupáp xả và nạp trên nguyên lý lợi dụng sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài buồng đốt để giảm công chi phí trao đôi khí, khí đó sẽ làm tăng hiệu suất nạp và xả, nghĩa là nạp được đầy hơn và xả sạch hơn tiết diện lưu thông khí lớn nhất

- Đồ thị pha biểu diễn thời điểm và thời gian mở đóng xupáp theo góc quay trục khửu Tùy loại động cơ và tốc độ quay khác nhau mà mà đò thị pha phân phối khí khác nhau

+ Ta có góc pha nạp:

 = 1800 +  +  = 1800 + 100 +450 = 2350

+ Góc pha xả :

 = 1800 +  +  = 1800 + 450 + 250 = 2500

Trong đó:

 và  là góc mở sớm và góc đóng muộn của xupáp nạp, đã cho

 và  là góc mở sớm và góc đóng muộn của xupáp xả, đã cho

- Ta có đồ thị pha phân phối :

- Xupáp mở sớm và đóng muộn sẽ kéo dài thời gian nạp hỗn hợp nhiên liệu và thoát khí xả, tiết diện thời gian sẽ tăng lên

4 Cấu tạo biên dạng của cam :

- Đường kính xupáp, độ nâng cực đại hmax và pha phân phối chưa đủ dặc trưng cho

sự làm việc của cơ cấu phân phối khí Ngoài các yếu tố trên, ta cần phải biết quy luật thay đổi tiết diện lưu thông của xupáp theo thời gian hay là tiết diện thời gian

- Chúng ta có một số loại biên dạng cam :

+ Cam bốn cung tròn làn việc với con đội đáy phẳng

+ Cam tiếp tuyến

+ Cam lồi

+ Cam lõm

- Loại bốn cung tròn được dung rất phổ biến, ta chọn loại biên dạng này để thiết kếcho cơ cấu phân phối khí Nó bao gồm 4 cung tròn có 2 bán kính cong được nối thành biên dang với nhau

* Một số thông số kích thước cơ bản của trắc diện của cam thoát :

- Đường kính trục phân phối:

Ta có h= (a/b).hC =>

hC =(b/a)h = (46/60).1,93 = 1,49 (cm) - đối với xupáp hút

hC =(b/a)h = (46/60).1,55 = 1,18 (cm) - đối xupáp xả

- Như vậy biết được hC, ta dựng trên vòng tròn cơ sở độ nâng hC ta được điểm C nằm trên đường phân giác góc AOB Từ ba điểm A,B,C ta xây dựng dược các cung tiếp xúc nhau, đó là cung tròn AC, BC có bán kính 1 và cung tròn bán kính

2 có tâm O2 nằm trên đường phân giác của góc AOB

9 9 18 , 1 2,14 2

2 0 0 2,5 6 cos 2,14 9 18 , 1 2,14 2 2 2,14 9 2 18

,

1

2,14

0 cosα r 1 1 C h r 2

2 1 ρ 0 cosα r 1 C h r 2 2 r 1

2 C

- Khi chế tao ta giảm vòng tròn cơ sở đi một khoảng là  để tạo khe hở nhiệt, khe

hở nhiệt còn có ở đuôi xupáp 

- Trên những phân tích trên và số liệu kích thước có được ta có chắc diện cam như hình vẽ:

5 Tốc độ trung bình của khí xả qua tiết diện lưu thông:

a Đồ thị độ nâng của xupáp S = f(α),β):):

- Do biên dạng cam tạo bới các cung tròn có bán kính 1 # 2 nên quy luật biến thiên S khác nhau trên các cung 1 và 2 Ta xác định trên từng phần một:

+ SI tương ứng với cung tròn bán kính 1 là độ chuyển dời con đội khi trượt trên phần thứ nhất

+ SII tương ứng với cung tròn bán kính 2là độ chuyển dời con đội khi trượt trên phần thứ hai

- Theo hình vẽ ta xét tại điểm tiếp xúc cam và con đội là điểm chuyển tiếp từ phần cung thứ nhất(1) sang phần cung thứ hai (2)

- Góc quay của trục cam từ khi cung 1 bắt đầu tác động là α = 0 sẽ đạt giá trị giới hạn là α1 khi mà phần 1 kết thức tác động Góc α1 được xác định theo công thức:

17,6

0 sin62,5 3,8

90

3,8 11,8 21,4 arcsin 0

.sinα 2

ρ 1

2 ρ C h r arcsin

- Bán kính tối thiểu của đĩa con đội là:

rdmin= (ρ1 – r).sinα1 = (90 – 21,4).sin17,60= 20,7 (mm)

- Đồ thị dịch chuyển S của xupáp:

+ Trên nửa biên dạng cam thứ nhất

SI =     90 21,41 cosα 89,21 cosα mm

46

60cosα1

r1

0 α 38,22.cos(

17,6 α)

0 29,4.cos(α 1,3

21,4 3,8

α) 0 (α cos 3,8 11,8 21,4

46

60

r 2 ρ α) 0 cos(α 2

ρ C h r

b Tính “Tiết diện thời gian”:

- “Tiết diện thời gian” tính theo công thức



tr

tbofdf = F2.μ

c ω

cosβ 2 πDd

- Với F là diện tích của đồ thị độ nâng chỉ tính từ góc αB0 ÷ α

+ αbo: góc mở sớm của xu páp xả 22,5o

2

45 2

β bo

- Góc đóng muộn của xu páp xả 12,5o

2

25 2 r

α    

αrSIdαdβ

βmax

0

1 - αbo

0 IIS

.dβ II S 2

πD.n.2

cosβ 2 πDd

) 2 ( 5 1,11.10 180

,14 1.0,0003.3 17,1.

78,5

o cos45





c Tính tốc độ lưu thông của khí xả:

- Theo công thức sau:

3 10 863 , 1

- Tính toán lò xo theo hai điều kiện :

+ Đảm bảo liên kết đoọng học của cơ cấu

a xp

jcd

j cd m qdcd

- Tương tự với cần đẩy ta có: 2

a

2 c m qcd

- Đòn gánh là chi tiết quay => qui đổi thành khối lượng tịnh tiến

.a xp j qddg

- Khối lượng xupáp mxp= Gxp/g = 2,242/9,81 = 0,229 (kg)

- Khối lượng đĩa tựa lò xo md = Gg/g = 5,1.10-3 (kg)

- Khối lượng khoá (móng hãm) mk= Gk/g = 8,2.10-4 (kg)

- Lực quán tính khi con đội trượt trên phần 2 là:

PjI= m.jxpI = m.ωC2.(ρ1 - r).cosα.(a/b) = 172.cosα (N)

PjII= m.jxpII = m.ωC2.( r + hC – ρ2).cosβ.(a/b) = - 73,7.cosβ (N)

b Ảnh hưởng của lực quán tính đến sự làm việc của cơ cấu:

- Giai đoạn I: Xupáp từ từ mở s tăng j cùng hướng chuyển động của xupáp nên pJ

cùng chiều lực ép con đội vào mặt cam

- Giai đoạn II: Vận tốc giảm nên j < 0: ngược chiều có xu hướng tách con đội ra

khỏi mặt cam Pj ngược chiều j, cùng cjiều lực lò xo, đây là hiện tượn phá huỷ độnghọc

- Giai đoạn III: Xupáp đóng dần nhưng J < 0 còn Pj ngược chiều lò như giai đoạn II

- Giai đoạn IV: Giống giai đoạn I xupáp đóng dần và Pj hỗ trợ cho lực lò xo nên trong tính toán phải khắc phục ảnh hưởng xấu của Pj giai đoạn II

- Lực lò xo cần thắng PjII ( lực quán tính trong giai đoạn II) trong quá trình mở xupáp tức là Plx= k.PjII (1)

Trong đó:

+ k: hệ số dự trũ của lò xo

PjII= -mjII = -m.(a/b)[( r + hC – ρ2) Cosβ + r + ρ2 – r - ρ2].ωC2

PjII = -[m.(a/b) ωC2.SII + m.(a/b).(r - ρ2) ωC2

+ Dấu (-) là ngược với PjI của cam

- Thay số vào công thức trên ta được:

PjII = -[2508.SII + 44,14] (N)

- Ta thấy PjII có quan hệ bấc nhất với độ nâng của cam SII

- Lực lò xo có quan hệ bậc nhất với biên dạng của nó

Plx= P0 + C.f (2)

Trong đó:

P0: Lực căng ban đầu f: Độ biế dạng thêm của lò xoC: Độ cứng của lò xo, C = ΔPPlx/flx = P0/f0

Từ đó ta vẽ được đương kính lò xo xupáp

- Độ biến dạng ban đầu

r ρ2ba

2 C k.m.ω

2 ρ r

2 C

ω b

a k.m.