tính toán và thiết kế động cơ đốt trong

bao gồm đồ thị công, đồ thị vận tốc, đồ thị chuyển vị, đồ thị gia tốc, đồ thị mài mòn chốt khuỷu, phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền, đồ thị lực khí thể, đồ thị lực ngang. lực tiếp tuyến, lực pháp tuyến

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

A Đồ thị công, động học và động lực học:

1 Vẽ đồ thị công:

1.1 Các thông số cho trước:

- Công suất cực đại của động cơ: Nemax = 73 [kW]

- Khối lượng nhóm piston: mpt = 0,9 [kg]

- Khối lượng nhóm thanh truyền: mtt = 1,1 [kg]

- Áp suất môi trường: p0 = 0,1 [MN/m2] [1]

- Chỉ số nén đa biến trung bình: n1 = 1,32 [2]

- Áp suất cuối kì nạp:

Động cơ bốn kỳ tăng áp: pa = (0,9 ÷ 0,96)pk [MN/m2] [1] (100)Chọn: pa = 0,9.pk [MN/m2]

Trong đó: pk – áp suất trước xupap nạp

Đối với động cơ tăng áp tuabin khí: pk = 0,14 ÷ 0,4 [MN/m2] [2]Chọn pk = 0,2 ta có: pa = 0,9.0,2 = 0,18 [MN/m2]

- Đối với động cơ diesel, chọn tỷ số giãn nở sớm: ρ = 1,5 [1] (180)

- Áp suất cuối quá trình giãn nở:

2

10,9

0,468418,6

- Chọn áp suất khí sót: Phụ thuộc vào loại động cơ

Tốc độ trung bình của động cơ:

.30

m

S n

[1] (12)Trong đó: S [m] – hành trình dịch chuyển của piston trong xylanh.

n [vòng/phút] – tốc độ quay của động cơ

Suy ra:

110.3705

13,70851000.30

Vì động cơ tăng áp tuốc bin khí nên pth = (0,75 ÷ 0,9)pk [1] (234)Chọn pth = 0,75.pk = 0,75.0,2 = 0,15 [MN/m2]

V V

Trong đó: p – áp suất biến thiên theo quá trình nén của động cơ

V – thể tích biến thiên theo quá trình nén của động cơNếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì:

n c

V i V

=

1.3.2 Xây dựng đường giãn nở:

Theo [1] (180): Ta có phương trình đường giãn nở đa biến:

2

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở ta có:

n z gnx z

V i V

=

Suy ra:

2 2

n z gnx n

p p

i

ρ

=

1.3.3 Biểu diễn các thông số:

- Biểu diễn thể tích buồng cháy: Vcbd = 10 [mm]

Do đó, ta có:

3

0,0392

3,92.1010

c V cbd

V V

c

h hbd

V

V V

z p zbd

p p

[MN/m2.mm] [2] (15)

1.3.4 Lập bảng xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nở:

Cho i tăng từ 1→ε = 18,6 từ đó ta lập bảng các điểm trên đường nén và đường giãn nở

Bảng 1-1: Bảng giá trị đồ thị công động cơ diesel

Sau khi xác định được các điểm đặc biệt và các điểm trung gian ta tiến hành

vẽ đồ thị công theo trình tự sau:

- Vẽ hệ trục tọa độ P - V theo tỷ lệ xích:

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

33,92.10

Vẽ vòng tròn của đồ thị Brich để xác định các điểm đặc biệt:

 Điểm phun sớm: c’ xác định từ Brich ứng với φs = 150

 Điểm mở sớm xu páp nạp: r’ xác định từ Brich ứng với α1 = 260

 Điểm đóng muộn xu páp thải: r’’ xác định từ Brich ứng với α4 = 260

 Điểm đóng muộn xu páp nạp: a’ xác định từ Brich ứng với α2 = 510

 Điểm mở sớm xu páp thải: b’ xác định từ Brich ứng với α3 = 510

 Điểm y (Vc, pz)

O O'0

123456

12131415161718

Trên đoạn yz, lấy điểm z”: yz” = 1/2yz = 1/2.(15-10) = 2,5 [mm]

2 Tính toán động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền:

Động cơ đốt trong kiểu piston thường có vận tốc lớn nên việc nghiêncứu, tính toán động học, động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền làcần thiết để tìm quy luật vận động của chúng và để xác định lực quán tính tácdụng lên các chi tiết trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền nhằm mục đích tínhtoán cân bằng, tính toán bền của các chi tiết và tính toán hao mòn động cơ…

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cơ cấu trục khuỷu thanh truyền cóhai loại: loại giao tâm và loại lệch tâm

Ta xét trường hợp cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm

2.1 Động học của cơ cấu giao tâm:

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm là cơ cấu mà đường tâm xy lanh trực giao với đường tâm trục khuỷu tại một điểm

O – Giao điểm của đường tâm xy lanh và đường tâm trục khuỷu

B – Giao điểm của đường tâm thanh truyền và đường tâm chốt khuỷu

A – Giao điểm của đường tâm xy lanh và đường tâm chốt piston

R – Bán kính tay quay (m)

l – Chiều dài thanh truyền (m)

S – Hành trình của piston (m)

O R

x – Độ dịch chuyển của piston tính từ ĐCT ứng với góc quay trục khuỷu α (m)

Hình 1-2: Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm

2.1.1 Xác định độ dịch chuyển x của piston bằng phương pháp đồ thị Brich:

- Theo [3] (7) chuyển vị x của piston được tính theo công thức:

0,111.0,00392

6,307.100,6905

v h

S V

1, 2, …, 18 Nối các điểm này lại ta có đường cong biểu diễn độ dịch chuyển x theo x = f(α)

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Hình 1-3: Phương pháp đồ thị Brich

2.1.2 Đồ thị biểu diễn tốc độ của piston v = f(α):

- Theo [3] (8) ta có vận tốc của piston là:

 Chia nửa vòng tròn tâm O bán kính R1 thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ

tự 0, 1, 2, …, 18 theo ngược chiều kim đồng hồ

 Chia vòng tròn tâm O bán kính R2 thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ tự 0’, 1’, 2’, …, 18’ theo chiều ngược lại

12 13 14 15 16 17

18 O

12

4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 0

Từ các điểm 0, 1, 2, … , 18 kẻ các đường thẳng góc với AB cắt các đường song

song với AB kẻ từ 0’, 1’, …, 18’ tại các điểm 0, a, b, …, q Nối 0, a, b, …, q

bằng các đường cong ta được đường biểu diễn trị số vận tốc của piston V =

f(α) Khoảng cách từ đường cong này đến nửa đường tròn tâm O bán kính R1

biểu diễn trị số tốc độ của piston ứng với các góc α tương ứng

Hình 1-4: Đồ thị chuyển vị vận tốc V = f(α)

- Để khảo sát mối quan hệ giữa hành trình piston và vận tốc của piston ta đặt chúng

cùng chung hệ trục tọa độ

- Trên đồ thị chuyển vị S = f(α) lấy trục Ov bên phải đồ thị song song với trục Oα,

trục ngang biểu diễn hành trình của piston

- Từ các điểm 00, 100, …, 1800 trên đồ thị Brich ta gióng xuống các đường cắt

đường OS tại các điểm 0, 1, …, 18 Từ các điểm này ta đặt các đoạn tương ứng

từ đồ thị vận tốc, nối các điểm của đầu còn lại của các đoạn ta có đường biểu

diễn V = f(S)

Hình 1-5: Đồ thị chuyển vị vận tốc V = f(S)

2.1.3 Đồ thị biểu diễn gia tốc j = f(x)

Để vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston ta dùng phương pháp Tôlê

- Theo [3] (8) ta có công thức tính gia tốc của piston:

j = R.ω2.(cosα + λcos2α)

- Các bước xây dựng đồ thị Tôlê như sau:

 Vẽ hệ trục J – S, Lấy đoạn thẳng AB trên trục OS sao cho AB = S = 2R

 Từ A dựng đoạn thẳng AC về phía trên AB, AC ⊥ AB sao cho:

131,5980

bd

m j m

j j

[m/s2.mm]

Do đó: Giá trị biểu diễn:

min min

6182, 46

46,98131,59

bd

j

j j

Nối các điểm chia 11’, 22’, 33’, 44’, 55’, 66’, 77’ Đường bao các đoạn thẳng

này biểu thị quan hệ của hàm số j = f(x)

Hình 1-5: Đồ thị gia tốc j = f(α)

1.1 Động lực học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền:

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Tính toán động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền nhằm mục đích xácđịnh các lực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu ở mỗi vị trí của khuỷu trục để phục vụ cho việc tính toán sức bền, nghiên cứu trạng thái mài mòn của các chi tiết máy và tính toán cân bằng động cơ

Trong quá trình làm việc cơ cấu trục khuỷu thanh truyền chịu các lực sau:

- Lực quán tính của các chi tiết có khối lượng chuyển động

- Lực do môi chất khi chịu nén và khi giãn nở sinh ra gọi tắt là lực khí thể

- Trọng lực

- Lực ma sát

Trừ trọng lực ra chiều và trị số của các lực khác đều thay đổi theo vị trí của piston trong chu trình công tác của động cơ Trong các lực nói trên, lực quán tính và lực khí thể có trị số lớn hơn cả nên trong quá trình tính toán sau này người ta cũng thường chỉ xét đến hai lực này

1.1.1 Xác định khối lượng:

1.1.1.1 Khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến:

Khối lượng các chi tiết trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền tham gia chuyển động tịnh tiến bao gồm: khối lượng nhóm piston và khối lượng nhóm thanh truyền qui về đầu nhỏ

Trong đó: m1 – khối lượng nhóm thanh truyền qui về đầu nhỏ

mpt – khối lượng nhóm PistonĐối với động cơ ô tô máy kéo:

1.1.1.2 Khối lượng các chi tiết chuyển động quay:

Khối lượng chuyển động quay trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền baogồm phần khối lượng nhóm thanh truyền qui về đầu to, khối lượng khuỷu trục gồm có khối lượng chốt khuỷu và khối lượng má khuỷu qui dẫn về tâm của chốt khuỷu

Trong quá trình tính toán, thiết kế và để xây dựng các đồ thị được tiên lợi, khối lượng chuyển động tịnh tiến và khối lượng chuyển động quay của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền thường tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston.

Nên khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền tính trên một đơn vị diện tích đỉnh piston là:

Vẽ đường biểu diễn lực quán tính được tiến hành theo các bước sau:

- Chọn tỷ lệ xích trung với tỷ lệ xích của đồ thị công:

2,1744

39,90,0545

j

j j

P

P P

1,277

23,430,0545

j

j j

P

P P

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

0 1 2 3 4 5 6

12 13 14 15 16 17 18

- Kết hợp đồ thị Brich và đồ thị công như ta đã vẽ ở trên ta có cách vẽ như sau :

 Từ các góc 0, 100, 200, 300, , 1800 tương ứng với kỳ nạp của động cơ

 Các góc 1900, 2000, 2100, , 3600 tương ứng với kỳ nén của động cơ

 Các góc 3700, 3800, 3900, , 5400 tương ứng với kỳ cháy - giãn nở của động cơ

 Các góc 5500, 5600, 5700, , 7200 tương ứng với kỳ thải của động cơ

- Từ các điểm chia trên đồ thi Brich gióng các đường thẳng song song với Op và cắt đồ thị công tại các điểm trên đường biểu diễn các quá trình nạp, nén, cháy-

giãn nở và thải Qua các giao điểm này ta kẻ các đường ngang song song với trục hoành sang hệ trục toạ độ p-α.

- Từ các điểm chia trên trục Oα kẻ các đường song song với trục Op, những đườngnày cắt các đường gióng ngang tại các điểm ứng với các góc chia của đồ thị Brich và phù hợp với quá trình làm việc của động cơ Nối các giao điểm này lại

ta có đường cong khai triển đồ thị p-α với tỷ lệ xích :

Cách khai triển đồ thị này giống như cách khai triển đồ thị p -V thành

p - α nhưng giá trị của Pj trên đồ thị p - V khi chuyển sang đồ thị p - α phải đổi dấu

Pkh N

l Pk T Ptt

N

Z Ptt O

β

α α+β

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

1.1.4 Xây dựng đồ thị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực ngang N:

Hình 1-9: Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâmTheo [1], ta có:

Lực tiếp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu:

β

βα

cos

sin1

cos

cos1

Ta có các giá trị

β

βα

hệ trục toạ độ vuông góc chung (T, Z, N-α) Với tỷ lệ xích :

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Bảng 1-3: Biểu diễn thành phần lực theo α: T = f(α), N = f(α), Z = f(α)

(mm) os( )

os

c c

α β β

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Khuỷu trục của xylanh thứ hai nằm ở vị trí α2 = 1800

Khuỷu trục của xylanh thứ ba nằm ở vị trí α3 = 5400

Khuỷu trục của xylanh thứ tư nằm ở vị trí α4 = 3600

i tb

p

N T

N N

η

=

ηm – hiệu suất tổn hao cơ khí, ηm = 0,63 ÷ 0,93, chọn ηm = 0,7

n – tốc độ vòng quay của động cơ, (vòng/phút)

ϕ – hệ số điền kín đồ thị công, φ = 1 (khi vẽ đã hiệu chỉnh đồ thị công)

R – bán kính quay của trục khuỷu, (m)

1.1.6 Đồ thị vectơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu:

Đồ thị vectơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu dùng để xác định lực tácdụng trên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu Từ đồ thị này ta có thể tìm trị

số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu cũng như có thể dễ dàng tìmđược 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 phụtải khi tính sức bền ở trục.

- Vẽ hệ tọa độ T – Z gốc tọa độ O’, trục O’Z có chiều dương hướng xuống dưới

Véctơ này nằm trên trục Z, gốc của véctơ

là điểm O Điểm O là tâm của chốt khuỷu

Ta có: Lực quán tính ly tâm: P

Ro

F

R m P

Ro

P

m R P

F

[MN/m2] Với tỷ lệ xích µZ

ta dời gốc toạ độ O’ xuống O một đoạn OO’:

P

µ

[mm]

- Từ tâm O vẽ vòng tròn tượng trưng chốt khuỷu

- Xác định phương chiều và điểm đặt lực:

 Giá trị của lực là độ dài véctơ tính từ gốc O đến vị trí bất kì mà ta cần

 Chiều của lực hướng từ tâm O ra ngoài

 Điểm đặt của lực nằm trên phương kéo dài về phía O của véctơ lực và cắt đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu

Qα: Hợp lực của các lực tác dụng lên chốt khuỷu

Hình 1-12: Đồ thị vectơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

1.1.7 Khai triển đồ thị véctơ phụ tải T – Z thành đồ thị Q - α:

- Vẽ hệ trục tọa độ Q - α

- Chọn tỷ lệ xích: µQ = µT = µZ = 0,0545 [MN/m2.mm]

- Trên các điểm chia của trục O-α ta lần lượt đặt các véctơ tương ứng với các góc Chẳng hạn 100,200, ,7200.Nối các đầu mút véctơ lại ta có đồ thị khai triển Q=f(α)

Qtb = 2,18 [MN/m2]

Vậy hệ số va đập:

3,572,18

tb

Q Q

Hình 1-13: Đồ thị khai triển véctơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

1.1.8 Đồ thị phụ tải tác dụng trên đầu to thanh truyền:

Sau khi đã vẽ được đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu, ta căn cứ vào đấy để vẽ đồ thị phụ tải của ổ trượt ở đầu to thanh truyền

Cách vẽ như sau:

- Chiều của lực tác dụng lên chốt khuỷu ngược chiều với lực tác dụng lên đầu tothanh truyền nhưng trị số của chúng bằng nhau.

- Vẽ dạng đầu to thanh truyền lên một tờ giấy bóng, tâm của đầu to thanh truyền làO

- Vẽ một vòng tròn bất kỳ, tâm O Giao điểm của đường tâm phần thân thanhtruyền với vòng tâm O là điểm 00

- Từ điểm 00, ghi trên vòng tròn các điểm 10, 20, 30, , 720 theo chiều quay trụckhuỷu và tương ứng với các góc α100 + β100, α200 + β200, α300 + β300, , α7200 +

β7200

- Đem tờ giấy bóng này đặt chồng lên đồ thị phụ tải của chốt khuỷu sao cho tâm Otrùng với tâm O của đồ thị phụ tải chốt khuỷu Lần lượt xoay tờ giấy bóng chocác điểm 0, 10, 20, 30, , 720 trùng với trục (+Z) của đồ thị phụ tải tác dụngtrên chốt khuỷu Đồng thời đánh dấu các điểm đầu mút của các véctơ Q0, Q10,

Q20, , Q720 của đồ thị phụ tải chốt khuỷu hiện trên tờ giấy bóng bằng các điểm

0, 10, 20, 30, , 720

- Nối lần lượt các điểm vừa đánh dấu trên tờ giấy bóng theo đúng thứ tự ta được đồthị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền

Xác định giá trị , phương chiều và điểm đặt lực:

- Giá trị là độ dài của véctơ tính từ tâm O đến bất kỳ vị trí nào ta cần xác định trên

đồ thị

- Chiều của lực từ tâm O đi ra

- Điểm đặt là giao điểm của véctơ và vòng tròn tượng trưng cho đầu to thanhtruyền

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

Sở dĩ gọi là mài mòn lý thuyết vì khi vẽ ta dùng các giả thuyết sau đây:

- Phụ tải tác dụng lên chốt là phụ tải ổn định ứng với công suất Ne và tốc độ n địnhmức

- Lực tác dụng có ảnh hưởng đều trong miền 1200

- Độ mòn tỷ lệ thuận với phụ tải

- Không xét đến các điều kiện về công nghệ, sử dụng và lắp ghép

Các bước tiến hành vẽ như sau:

- Trên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta vẽ vòng tròn bất kỳ và chia thành

24 phần bằng nhau tức là chia theo 150 theo chiều ngược chiều kim đồng hồ,bắt đầu tại điểm 0 tại giao điểm của vòng tròn với trục OZ (theo chiều dương)tiếp tục đánh số thứ tự 0, 1, 2, , 23

- Từ các điểm chia vòng tròn này, ta kẻ các tia qua tâm O và kéo dài, các tia này sẽcắt đồ thị phụ tải phụ tải tai nhiều điểm, có bao nhiêu điểm cắt đồ thị thì sẽ cóbấy nhiêu lực tác dụng tại vị trí đó Do đó ta có :

23 ' 1

' 0 ' 'i Q i Q i Q i

- Vẽ vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho vòng tròn chốt khuỷu, vẽ các tia ứng với số

lần chia, lần lượt đặt các giá trị 0 1 23

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 13

14 15 16 17 18 19 20 21 22

210, 5

223, 5

325,8

558,5 8

Tính toán thiết kế động cơ D44-0614

B PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ THAM KHẢO

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Tất Tiến “Nguyên lý động cơ đốt trong” Hà Nội: NXB Giáo dục; 2000 [2] Nguyễn Quang Trung “Hướng dẫn – Đồ án thiết kế động cơ đốt trong”.

[3] Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến, Phạm Văn

Thế “Kết cấu và tính toán Động cơ đốt trong tập I, II, III” Hà Nội: NXB Đại

học và Trung học chuyên nghiệp; 1977