ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ ĐÔT TRONG

Sau khi học xong môn nguyên lí động cơ đốt trong cùng với các môn cơ sởkhác, sinh viên được giao nhiệm vụ làm đồ án môn học thiết kế động cơ đốt trong.Góp phần củng cố và

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây nền kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh Đóngvai trò quan trọng trong tiến trình công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước hiện nay vẫnlà các nghành cơ khí Trong đó phải nói đến ngành động lực và sản xuất ôtô, chúng tađang từng bước hoàn thiện nền công nghiệp ôtô trong nước, chuyển dần từ lắp rápsang chế tạo và bước cao nhất là sản xuất ôtô Để góp phần nâng cao trình độ và kỹthuật, đội ngũ kỹ thuật của ta phải tự nghiên cứu, học hỏi và trau dồi kinh nghiệm Cónhư vậy ngành ôtô của ta mới phát triển được

Sau khi học xong môn nguyên lí động cơ đốt trong cùng với các môn cơ sởkhác, sinh viên được giao nhiệm vụ làm đồ án môn học thiết kế động cơ đốt trong.Góp phần củng cố và mở rộng kiến thức môn học “Lý thuyết động cơ đốt trong”.Ngoài ra, nó còn tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên ngành cơ khí động lực có thêmnhiều hiểu biết thực tế khi vận dụng lý thuyết vào ứng dụng để thiết kế ra một động cơđốt trong ở mức độ đơn giản.Và từ đó rèn luyện cho sinh viên ý thức nghiêm túc trongviệc tính toán thiết kế, và trang bị những kiến thức cần thiết cho sinh viên chuẩn bị chocông tác làm tốt nghiệp

Cuốn báo cáo gồm ba phần:

Phần 1: Lựa chọn thông số và phương án

Phần 2: Tính chu trình nhiệt động

Phần 3: Thiết kế kỹ thuật hệ thống truyền lực

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu tài liệu mộtcách nghiêm túc Tuy nhiên bản thân còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồán không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy mong thầy xem xét và chỉ dẫn để em ngàycàng hoàn thiện kiến thức hơn Em xin chân thành cảm ơn !

Nha Trang, tháng 05 năm 2012

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Khiêm

Phần 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN

PHƯƠNG ÁN1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ

- Đặc điểm động cơ thiết kế:

+ Động cơ thiết kế là động cơ Xăng 4 kỳ

+ Động cơ có 4 xy lanh được bố trí thẳng hàng

+ Công suất danh nghĩa của động cơ Nn= 88,08 kW

+ Số vòng quay danh nghĩa nn= 5454,545 rpm

- Động cơ thiết kế hiện đang được trang bị trên xe ô tô FORD Focus Việt Nam 1.8 130 hp

1.2 TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH CHÁY

1.2.1 Nhiên liệu.

 Nhiên liệu dùng cho động cơ: Xăng.

 Các thành phần có trong nhiên liệu xăng

- Xăng là một hỗn hợp của các loại hydrocarbon có nhiệt độ sôi trong khoảng25-210 oC, chủ yếu là các hydrocarbon có số nguyên tử carbon trong phân tử từ 4 đến

10 (C4 ÷ C10) Ngoài ra, xăng ôtô cũng có thể chứa một lượng nhỏ các tạp chất và chấtphụ gia

- Thành phần hóa học của xăng rất phức tạp Và khi nghiên cứu về thành phầnhoá học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay sản phẩm của nó thì người ta thườngchia thành phần chúng ra làm hai phần chính là hydrocacbon và phi hydrocacbon

+ Thành phần hydrocacbon của xăng

* Họ parafinic

Công thức hóa học chung là CnH2n+2, bao gồm các chất có số nguyên tử như đãnêu trên, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch phân nhánh (i-parafin), với các isoparaffin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủ yếu là gốc metyl

* Họ olefine

Các hydrocacbon olefine có công thức chung là CnH2n, được tạo thành từ cácquá trình chuyển hóa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt, cốc hoá Cácolefine này cũng bao gồm hai loại n-parafin và iso-parafin

Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba

họ và các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nó

+ Thành phần phi hydrocacbon của xăng

Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocacbon kể trên còn có các hợp chất phihydrocacbon như các hợp chất của oxy, nitơ, lưu huỳnh Trong các hợp chất này thìngười ta quan tâm nhiều đến các hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mòn và ô nhiễmmôi trường của chúng

Trong xăng, lưu huỳnh chủ yếu tồn tại chủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàmlượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô có chứa ít hay nhiều lưu huỳnh vàhiệu quả quá trình xử lý HDS

Các hợp chất của các nguyên tử khác có hàm lượng chủ yếu ở dạng vết, trong

đó nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng pyridin còn các hợp chất của oxy thì rất ít và chúngthường ở dạng phenol và đồng đẳng

Bảng 1-1: Một số tính chất nhiệt động cơ bản của Xăng

Bài giảng nhiên liệuvà môi chất chuyêndụng,

Hồ Đức Tuấn

Nguyên lý động cơđốt trong,

Sử dụng loại buồng đốt thống nhất hình chỏm cầu Đỉnh piston được khoét lõm.Mục đích làm khoét lõm đỉnh piston để tạo sự xoáy lốc trong quá trình nén, giúp nhiênliệu dễ dàng bay hơi, hòa trộn dễ dàng, tạo ra được một hỗn hợp cháy đồng nhất tạođiều kiện để cháy kiệt, cháy hoàn toàn Ngoài ra còn làm giảm tổn thất nhiệt, tăng cácchỉ tiêu kinh tế cho động cơ

Hình 1-1: Sơ đồ buồng cháy thống nhất

 Đặc điểm cấu tạo :

Buồng cháy thống nhất (còn có tên gọi buồng cháy phun nhiên liệu trực tiếp)phổ biến trong động cơ gồm có: đỉnh piston, mặt dưới của nắp xi lanh và thành xi lanh.Nhiên liệu cung cấp cho chu trình được phun trực tiếp vào không gian đó Động cơ cóbuồng cháy thống nhất thường sử dụng vòi phun nhiều lỗ, áp suất phun cao(pph=175÷1000 bar)

 Nguyên lý tạo hỗn hợp cháy:

- Khoét lõm đỉnh piston làm cho cuối quá trình nén phần không khí chèn,chứa trong kẽ hở giữa đỉnh piston và nắp xi lanh được dồn vào không gian khoét lõmvà tạo vận động xoáy lốc mạnh của không khí trong không gian này Biện pháp nàyđược sử dụng rộng rãi bởi có hiệu quả lớn trong việc hòa trộn nhiên liệu với khôngkhí

 Ưu điểm :

- Hiệu suất của động cơ cao hơn vì tổn thất nhiệt qua vách buồng cháy ít hơn vàkhông có tổn thất lưu động như các loại buồng cháy ngăn cách

- Động cơ dễ khởi động

- Cấu tạo nắp xi lanh tương đối đơn giản, dễ đặt xupáp

 Nhược điểm :

- Động cơ phải làm việc với hệ số dư lượng không khí lớn mới đảm bảo chonhiên liệu cháy hoàn toàn, nên áp suất có ích trung bình của động cơ tương đối thấp

- Động cơ rất nhạy cảm khi thay đổi số vòng quay và chất lượng nhiên liệu

- Tốc độ tăng áp suất cao, áp suất cháy cực đaị lớn, động cơ làm việc “cứng”,

độ ồn lớn và phụ tải cơ học tác dụng lên cơ cấu piston-trục khuỷu-thanh truyền cũng lớn

- Hệ thống nhiên liệu làm việc khó khăn bởi áp suất phun lớn

Sơ đồ cấu tạo của hệ thống

Hình 1-2: Hệ thống phun xăng điện tử EFI

2- Bơm xăng điện 11- Vòi phun chính 20- Cảm biến nhiệt độ động cơ

6- Bộ giảm dao động áp

suất

15- Cảm biến vị trí bướm ga

24- Cảm biến tốc độ động cơ

7- Bộ điều chỉnh trung tâm 16- Lưu lượng kế không

28- Rơle bơm xăng

Nguyên lý hoạt động của hệ thống.

Khi động cơ làm việc, xăng từ bình chứa (1) được bơm xăng điện (2) hút qua

bộ lọc xăng (3) rồi theo đường ống dẫn xăng đến dàn phân phối xăng (4) tại đây xăngđược phân phối tới các vòi phun, ở đầu cuối dàn phân phối có lắp thông với bộ điềuchỉnh áp suất xăng (5) để ổn định áp suất xăng trong dàn ống phân phối Tất cả cácthông tin nhận được từ các bộ cảm biến sẽ được ECU tiếp nhận và xử lý Sau khi xử lýthông tin nhận từ các cảm bíên thì ECU sẽ ra lệnh cho vòi phun phun xăng ra đúngthời điểm và đúng lượng cần thiết Xăng được phun có kích thước rất nhỏ (cỡ 100m),các hạt nhiên liệu này sẽ hoá hơi ngay và hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợpcháy Hỗn hợp cháy được hút vào xylanh động cơ theo trình tự làm việc của động cơ.Khi bugi đánh lửa thì hỗn hợp cháy sẽ bốc cháy và sinh công Khí thải sẽ qua xupáp xảvà theo đường ống xả ra ngoài

Ưu điểm:

- Giảm tiêu hao nhiên liệu động cơ

- Tăng hiệu quả sử dụng dung tích xylanh

- Động cơ nhạy cảm với điều kiện và làm việc tốt hơn ở các chế độ ổn định

- Hoạt động tốt trong mọi điều kiện địa hình và thời tiết

- Thích ứng với các chế độ tải trọng khác nhau

- Giảm lượng độc tố trong khí thải

 Nhược điểm :

Cấu tạo phức tạp, độ nhạy cảm cao, yêu cầu khắt khe về chất lượng nhiên liệuvà không khí, sửa chữa và bảo dưỡng đòi hỏi phải có trình độ chuyên môn cao Giáthành cao

1.3 HỆ THỐNG NẠP XẢ.

Dùng cơ cấu phân phối khí kiểu xupáp treo và được nắp trên nắp xylanh

- Sơ đồ cấu tạo:

Hình 1.2 Hệ thống phân phối khí kiểu xupáp treo

1 - Trục cam; 2 - Con đội; 3 - Đũa đẩy; 4 - Đòn gánh; 5 – Lò xo; 6 - Xupáp

 Nguyên lý hoạt động:

Khi trục cam (1) quay, cam truyền chuyển động tịnh tiến cho con đội (2) và đũađẩy (3) làm đòn gánh (4) quay quanh trục đòn gánh, đầu đòn gánh đè xupáp (6) xuốngmở cửa xylanh, khi vấu cam ở vị trí cao nhất thì xupáp mở hoàn toàn Trục cam tiếptục quay làm vấu cam đi xuống, lúc này cam không còn đội con đội nữa, dưới tác dụngcủa lò xo (5) giãn ra làm xupáp đậy kín bệ xupáp, đồng thời đũa đẩy đi xuống theochiều ngược lại

Tùy loại xupáp nạp hay xả mà ta có thể điều chỉnh khe hở nhiệt của các xupápnày Cần phải có khe hở nhiệt vì khi động cơ hoạt động dưới tác dụng của nhiệt độ vàáp suất của môi chất công tác trong buồng đốt rất cao làm xupáp bị giãn nở tăng chiềudài xupáp, buồng đốt bị hở dẫn đến động cơ hoạt động với hiệu suất không cao Ngoài

ra còn có trục giảm áp dùng để đóng hoặc mở hé xupáp thực hiện việc giảm áp cho xylanh khi cần.

 Ưu điểm:

+ Buồng cháy rất gọn

+ Dòng khí nạp ít bị ngoặt nên tổn thất nhỏ, tăng hiệu suất nạp từ: (5 – 7)%

+ Tạo điều kiện thải sạch và nạp đầy hơn

Ở đây, ta dùng hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn một vòng kín, lấy nhiệtnhờ quạt gió bởi nhiệt độ nước làm mát cao, thiết lập và ổn định chế độ nhiệt có lợinhất cho sự làm việc của động cơ ở chế độ tải định mức và các chế độ khác, giảm tổnthất nhiệt cho nước làm mát, tăng hiệu suất chỉ thị, giảm hao mòn lót xi lanh – xécmăng, tăng độ bền nhiệt cho lót xi lanh

 Sơ đồ cấu tạo :

Hình 1-6: Sơ đồ cấu tạo hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn một vòng kín

1-Bình dãn nở ; 2-Bộ điều tiết nhiệt; 3-Nhiệt kế;

4-Đường nước đi làm mát; 5- Bơm đẩy

 Nguyên lý hoạt động:

- Sau khi làm mát cho động cơ, nước nóng qua bộ điều tiết nhiệt (2) tới bìnhgiãn nở (1) đến các ống tản nhiệt Khi nước qua các ống tản nhiệt này sẽ trao nhiệt chokhông khí do quạt hút qua, nguội đi và được bơm (5) đẩy đi làm mát cho động cơ

- Khi trời lạnh, lúc mới khởi động động cơ còn nguội, bộ điều tiết nhiệt khôngcho nước đi tới bình giãn nở (1) đi làm mát, mà mở cho nước theo đường (4) trở vềbơm

1.5 HỆ THỐNG BÔI TRƠN.

Khi động cơ hoạt động thì các chi tiết của động cơ chuyển động tương đối vớinhau và có sự cọ sát mài mòn Vì vậy việc bôi trơn là cần thiết và quan trọng giúp bềmặt tiếp xúc giữa các chi tiết của động cơ có một lớp dầu bôi trơn: biến ma sát khô

thành ma sát ướt nhằm giảm hao mòn; các chi tiết của động cơ chuyển động êm và nhẹnhàng Ngoài ra còn có tác dụng hấp thụ nhiệt, làm sạch các chi tiết máy Làm kín khehở dầu đi qua, bảo vệ động cơ khỏi han rỉ Ở đây ta sử dụng hệ thống bôi trơn cacteướt dùng lọc thấm.

Sơ đồ cấu tạo hệ thống bôi trơn cacte ướt.

Hình1-7: Hệ thống bôi trơn cacte ướt1-Cacte dầu, 2-Lọc thô, 3-Bơm dầu bôi trơn, 4-Lọc tinh, 5-Bình làm mát dầu,

6-Mạch dầu chính, 7-Áp kế dầu, 8-Van điều áp, 9-Van an toàn

Nguyên lý hoạt động :

Bơm dầu 3 được dẫn động từ trục khuỷu Dầu bôi trơn trong cácte

1 được hút vào bơm qua lưới lọc thô 2, lưới lọc để lọc sơ bộ tạp chất có kích thướclớn Sau khi qua bơm dầu có áp suất cao dầu đi vào bầu lọc tinh 4 tại đây dầu được lọcsạch rồi đưa lên bình làm mát 5, dầu được làm mát rồi đưa lên đường ống dẫn dầuchính 6 đi bôi trơn cho các bộ phận rồi đi về cacte

Ưu, nhược điểm :

Ưu điểm: gọn, chiếm ít chỗ, thiết bị ít

Nhược điểm: toàn bộ dầu bôi trơn chứa trong cacte động cơ lên cacte phải sâuđể có dung tích lớn, do đó làm tăng chiều cao động cơ ngoài ra dầu luôn luôn tiếp xúcvới khí cháy có nhiệt độ cao từ buồng đốt lọt xuống theo hơi nhiên liệu và các axít làmgiảm tuổi thọ của dầu

1.6 HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG.

Hệ thống khởi động có nhiệm vụ đưa động cơ từ trạng thái đứng yên sang trạngthái hoạt động

Muốn thực hiện được điều này thì

- Máy khởi động phải thực hiện ít nhất một chu trình làm việc trọn vẹn và công

do chu trình sinh ra phải đủ để quay trục khuỷu động cơ đến tốc độ quay cần thiết đểđộng cơ nổ và làm việc Vì vậy nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống khởi động là tạo ra sốvòng quay định mức và momen quay đủ lớn

- Phải làm việc ổn định, có độ bền, độ tin cậy cao

- Có thể khởi động động cơ được nhiều lần liên tục

- Khởi động êm, đóng ngắt êm dịu và tự động

Sơ đồ cấu tạo của hệ thống.

Hình 1-8: Sơ đồ hệ thống khởi động

2,3-Cuộn dây hút của solenoi 7, 8- Bánh răng4,5-Stato, roto của mô tơ đề

 Nguyên lý hoạt động của hệ thống :

Khi đóng khóa điện, các cuộn dây hút và giữ của solenoi 2,3 có điện sẽ húttrục của bánh răng 7 chuyển động qua trái ăn khớp với bánh răng 8 của động cơ Đồngthời khi này đĩa tiếp điểm đóng các tiếp điểm để cung cấp điện cho máy khởi động nên

motơ đề sẽ có điện và sẽ quay bánh răng 7, do đó làm quay bánh răng 8, cuối cùng làmquay trục khuỷu động cơ giúp động cơ khởi động, khi này cuộn hút 3 bị cắt điện còncuộn giữ 2 thì vãn có điện để duy trì việc ăn khớp Khớp ly hợp 1 chiều có tác dụngcắt dứt dòng mômen truyền từ động cơ lên motơ đề khi nó đã nổ.

1.7 ĐỘNG CƠ MẪU.

Bảng 1-2: Đặc điểm kỹ thuật của động cơ mẫu

chú

3 Công suất cực đại (mã

4 Mô men xoắn cực đại

7 Tiêu thụ nhiên liệu (city,

4

i n p k

z N D

e D

p e= 8,46 bar : Áp suất có ích trung bình

n = 5454,545 rpm : Tốc độ quay danh nghĩa

i = 4 cái : Số xi lanh

Ta được :

3

4 545 , 5454 46 , 8 8 , 0 14 , 3

2 08 , 88 4

D = 115 mm : Đường kính xy lanh

S = 92 : Hành trình piston

Ta được :

92 4

115 14 ,



s

31 Tỷ số kết cấu R/L R 0,25 [7,T1,tr.9]

Bảng 1-3 Tổng hợp kết quả tính

hiệu Đơn vị Kết quả

1 Số kg KK lý thuyết cần thiết 1 kg nhiên liệu L0 kg/kg 14,957

2 Số kmol KK lý thuyết cần thiết 1 kg nhiên liệu M0 kmol/kg 0,5119

3 Số kg KK thực tế cần thiết 1 kg nhiên liệu L kg/kg 13,162

4 Số kmol KK thực tế cần thiết 1 kg nhiên liệu M kmol/kg 0,45

7 Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén Ma kmol/kg 0,473

8 Số kmol MCCT tại thời điểm cuối qua trình nén Mc kmol/kg 0,473

14 Lượng sản phẩm cháy ứng với 1 kg nhiên liệu M2 kmol/kg 0,5

16 Hệ số biến đổi phân tử thực tế tại điểm z z - 1,086

32 Hiệu suất có ích e - 0,286

39 Tổng nhiệt đưa vào động cơ trong 1đơn vị thời

1 0

21 , 0

1 0

f

o s h c

116 1

 Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén (Ma)

) 1 (

145 , 0

0 , 071

12

855 , 0

h M

0 , 0725

2

145 , 0

= 0 , 79 0 , 88 0 , 5119

2

145 , 0 12

855 , 0



 Tổng lượng ô xy cần thiết trong trường hợp cháy không hoàn toàn.

32 21

, 0 2

2 2

f O

H CO

CO

o M

M M

32 32

4 12

f

o h c

145 , 0 12

855 , 0

=0,095

053 , 0 018 , 0 071 , 0 12

,0

K K

88 , 0 1 45 , 0 42

2.1.4 Hệ số biến đổi phân tử

 sự thay đổi số kmol của MCCT trước và sau khi nhiên liệu cháy.

h c M M

,02

1 1 2

f

f

o h M



4

8 1

145 , 0

 Hệ số biến đổi phân tử lí thuyết (0)

Đối với động cơ xăng với λ < 1

f

f f

M

o h M

1 4

8 ).

1 (

21 , 0 1

0

0 0

116

1 4

8

0 145 , 0 5119 , 0 ).

88 , 0 1 (

21 , 0

 Áp suất khí nạp (pk )

 Áp suất sau máy nén (ps ).

k m k

P T

m s

 Mật độ khí nạp (k )

k k

k k

T R

k a

T T

03 , 0 1

970 03 , 0 17 , 1 18 293

a r

v

T

T p

p

1

1

1

9 03 , 0 1

Theo động cơ mẫu ta chọn tỉ số nén là:  = 9

2.3.2 Chỉ số nén đa biến trung bình.

 Áp suất cuối quá trình nén (pc).

1

n a

88 , 15 9

8

997 ,

c v

v

C C

[4,tr.21]

= 21353,933100,03,03.23232,303 = 21408,644 [J/kmol.deg]

H H

.1

, 738 644 , 21408 )

03 , 0 1 (

459 , 0

) 7064220 43960000

633 , 2729 086

p p

= 9 1 , 25 1

633 , 2729

2.6 CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ

 Áp suất chỉ thị trung bình (pi)

11

1.1

.1

n a pi

i

n n

p K

9

11.136,1

19

11.125,1

012,4.19

9.8,0.92

i i

H

p L

1

H

g



10 6 ,

3 6

=439603,6.10.0,3256 = 251,977 [g/kW.h]