Thiết kế Động Cơ Đốt Trong

Thiết kế Động Cơ Đốt Trong là môn học quan trọng đối với sinh viên chuyên ngành động lực.

Lời nói đầu Thiết kế Động Cơ Đốt Trong là môn học quan trọng đối với sinh viên chuyên ngành động lực. Môn học này giúp sinh viên nắm vững hơn về kiến thức môn học: ‘’ Nguyên lý Động Cơ Đốt Trong ’’ và bổ sung thêm kiến thức thực tế về động cơ đốt trong. Và là bước tập dược cho quá trình làm tốt nghiệp sau này. Cuốn báo cáo gồm ba phần: Phần 1: Lựa chọn thông số và phương án. Phần 2: Tính chu trình nhiệt động. Phần3: Thiết kế kỹ thuật hệ thống truyền lực. Trong quá trình làm thiết kế do phải lựa chọn nhiều thông số, chưa có nhiều kinh nghiệm cũng như kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót. Rất mong những nhận xét và giúp đỡ của thầy. Em xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, tháng 6 năm 2011. Sinh viên: ĐỖ VĂN ĐẮC. SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 1 MỤC LỤC Trang Phần 1: LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ PHƯƠNG ÁN 1.1. Cấu trúc tổng quát của động cơ 2 1.2. Tổ chức quá trình cháy 2 1.3. Hệ thống nạp xả 4 1.4. Hệ thống làm mát 5 1.5. Hệ thống bôi trơn 6 1.6. Hệ thống khởi động 8 1.7. Động cơ mẫu 9 1.8 Tổng hợp thông số cơ bản 9 Phần 2: TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 2.1. Tính môi chất công tác 12 2.2. Quá trình nạp xả 16 2.3. Quá trình nén 17 2.4. Quá trình cháy 17 2.5. Quá trình dãn nở 18 2.6. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của động cơ 18 2.7. Cân bằng nhiệt 19 2.8. Đồ thị công chỉ thị 23 Phần 3: THIẾT KẾ KỸ THUẬT HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC 3.1. Lựa chọn phương án cơ cấu truyền lực 26 3.2. Các kích thước cơ bản 29 3.3. Các khối lượng chuyển động tịnh tiến và quay 35 3.4. Động học cơ cấu truyền lực 37 SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 2 Phần 1: LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ PHƯƠNG ÁN 1.1. CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA ĐỘNG CƠ - Số xylanh và cách bố trí xylanh: Động cơ được thiết kế có 4 xylanh, bố trí thẳng hàng. + Công suất danh nghĩa: N e = 114 [kw] + Số vòng quay danh nghĩa: n n =6091 [rpm] - Động cơ này được dùng trang bị trên ôtô con. 1.2. TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH CHÁY 1.2.1. Loại nhiên liệu. - Nhiên liệu dùng cho động cơ là xăng - Các thành phần có trong nhiên liệu: C = 85,5 % ; H = 14,5% ; O = 0 %; S = 0 % 1.2.2. Buồng đốt. - Sử dụng buồng cháy thống nhất, đỉnh piston được khoét lõm. - Bố trí cửa nạp theo phương tiếp tuyến để tạo nên vận tốc rối mạnh của khí mới trong xylanh nhằm nâng cao chất lượng của quá trình cháy. 1.2.3. Hệ thống nhiên liệu. - Trong hệ thống nhiên liệu ta sử dụng hệ thống phun xăng điện tử bởi vì hệ thống làm việc với độ chính xác cao và có thể làm việc trong những điều kiện khác nhau, giúp động cơ hoạt động tốt ở mọi chế độ. - Xăng được phun vào cửa nạp của các xylanh động cơ theo từng thời điểm chứ không liên tục. Quá trình phun xăng và định lượng nhiên liệu được thực hiện theo hai tín hiệu gốc: Tín hiệu về khối lượng không khí đang nạp vào và tín hiệu về vận tốc trục khuỷu của động cơ. - Sơ đồ cấu tạo. 1 - Bình chứa xăng 15 - Cảm biến vị trí bướm ga 2 - Bơm xăng điện 16 - Lưu lượng kế không khí 3 - Bộ lọc xăng 17 - Cảm biến nhiệt độ khí nạp 4 - Dàn phân phối 18 - Cảm biến lambda 5 - Bộ điều chỉnh áp suất xăng 19 - Công tắc nhiệt khởi động 6 - Bộ giảm dao động áp suất 20 - Cảm biến nhiệt độ động cơ 7 - Bộ điều chỉnh trung tâm 21 - Thiết bị bổ sung không khí khi chạy ấm máy SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 3 8 - Bôbin đánh lửa 22 - Vít điều chỉnh hỗn hợp khi chạy không tải Hình 1.1. Hệ thống phun xăng điện tử nhiều điểm 9 - Bộ phân phối đánh lửa 23 - Cảm biến vị trí trục khuỷu 10 - Buji 24 - Cảm biến tốc độ động cơ 11 - Vòi phun chính ` 25 - Ắc quy 12 - Vòi phun khởi động lạnh 26 - Công tắc khởi động 13 - Vít điều chỉnh không tải 27 - Rơle chính 14 - Bướm ga 28 - Rơle bơm xăng - Nguyên lý hoạt động: Khi động cơ làm việc, xăng trong 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 xăng được phân phối tới các vòi phun, ở đầu cuối dàn phân phối có nắp thông với bộ điều chỉnh áp suất xăng (5) để ổn định áp suất xăng trong dàn ống phân phối. Tất cả các thông tin nhận được từ các bộ cảm biến sẽ được ECU tiếp nhận và xử lý. Sau khi xử lý các thông tin SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 4 nhận từ cá cảm biến thì ECU sẽ ra tín hiệu cho các vòi phun phun xăng đúng thời điểm và đúng lượng cần thiết. Xăng được phun vào với kích rất nhỏ cỡ 100μm, các hạt nhiên liệu này hóa hơi ngay và hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy. Hỗn hợp cháy được hút vào trong buồng đốt theo trình tự làm việc của động cơ. 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 đũa đẩy (3) làm đòn gánh (4) quay quanh trục đòn gánh, đầu đòn gánh đè xupáp (6) xuống mở cửa xylanh, khi vấu cam ở vị trí cao nhất thì xupáp mở hoàn toàn. Trục cam tiếp tục quay làm vấu cam đi xuống, lúc này cam không còn đội con đội nữa, dưới tác dụng của lò xo (5) SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 5 giãn ra làm xupáp đậy kín bệ xupáp, đồng thời đũa đẩy đi xuống theo chiều ngược lại. Tùy loại xupáp nạp hay xả mà ta có thể điều chỉnh khe hở nhiệt của các xupáp này. Cần phải có khe hở nhiệt vì khi động cơ hoạt động dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác trong buồng đốt rất cao làm xupáp bị giãn nở tăng chiều dài 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 xy lanh 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. - Nhược điểm: + Tăng chiều cao động cơ do có nhiều chi tiết được bố trí ở thân máy và nắp xylanh. + Lực quán tính của các chi tiết tác dụng lên bề mặt cam và con đội lớn hơn. + Nắp máy của động cơ phức tạp. 1.4. HỆ THỐNG LÀM MÁT - Trong quá trình cháy nhiệt độ của khí cháy lên đến 2000 0 C. Nếu việc làm mát không tốt sẽ dẫn đến tình trạng khí mới vào buồng cháy không đầy, dễ gây kích nổ, làm giảm công suất của động cơ. Độ nhớt của dầu bôi trơn giảm làm giảm khả năng bôi trơn cho các chi tiết dẫn đến các chi tiết biến dạng. - Đảm bảo cho các chi tiết của động cơ làm việc ổn định. Sự làm mát giữa các vùng của động cơ phải đồng đều, tránh xảy ra ứng suất nhiệt làm hỏng động cơ. Động cơ được làm mát bằng nước mềm tuần hoàn 1 vòng kín nhờ áp lực bơm. - Sơ đồ cấu tạo: SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 6 Hình 1.3. Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức • 1- Bình dãn nở; 2 - Bộ điều tiết nhiệt; 3 - Nhiệt kế; 4 - Đường nước đi làm mát; 5 - Bơm đẩy. - Nguyên lí hoạt động: Nước làm mát có nhiệt độ thấp được bơm đẩy (5) hút từ bình chứa và dẫn vào làm mát động cơ nhờ đường nước đi làm mát (4). Sau khi làm mát cho toàn bộ động cơ nó được dẫn ra khỏi động cơ với nhiệt độ cao. Ta biết được nhiệt độ của nước sau khi ra khỏi động cơ nhờ nhiệt kế (3), sau đó nước đi đến bộ điều tiết nhiệt (2) và vào bình chứa của két nước. Nước tại đây đi qua ống dẫn nước tới bơm đẩy (5), và được quạt gió thổi làm giảm nhiệt độ cho nước đảm bảo khả năng làm mát. Và nước tiếp tục được bơm vào động cơ thực hiện một chu trình làm mát kế tiếp và tạo thành một chu trình khép kín tuần hoàn. 1.5. HỆ THỐNG BÔI TRƠN - Khi đông cơ hoạt động thì các chi tiết máy chuyển động tương đối với nhau và có sự cọ sát mài mòn. Vì vậy bôi trơn là cần thiết và quan trọng giúp bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết máy có một lớp dầu bôi trơn, biến ma sát khô thành ma sát ướt nhằm giảm hao mòn, tránh hư hỏng, giúp chi tiết chuyển động êm và nhẹ nhàng. Ngoài ra còn có tác dụng hấp thụ nhiệt, làm sạch chi tiết, làm kín các khe hở dầu, bảo vệ máy móc giảm han, gỉ. - Sơ đồ cấu tạo: SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 7 Hình 1.4. Hệ thống bôi trơn cacte ướt 1 - Dầu bôi trơn 10 - Trục cam 2 - Bơm nhiên liệu 11 - Đồng hồ đo áp suất 3, 7, 9 - Van an toàn 12 - Đường dẫn dầu lên trên 4 - Que thăm dầu 13 - Đường dẫn dầu chính 5 - Van giảm áp 14 - Đường dẫn dầu vào trục khuỷu 6 - Lọc ly tâm 15 - Đương hồi dầu 8 - Bình làm mát - Nguyên lý hoạt động: Dầu bôi trơn được hút lên bộ lọc ly tâm (6) nhờ bơm nhiên liệu (2), tại đây nhiên liệu được lọc sạch các cặn bẩn, các tạp chất cơ học có kích thước lớn, sau đó được đẩy đến đường dầu chính (13) để bôi trơn cho trục cam, trục khuỷu, v.v. Sau đó dầu theo đường dẫn dầu (14) vào bôi trơn cho trục khuỷu, piston, chốt piston. Trên đường dẫn dầu chính (13) có đường dẫn dầu (12) đi lên trên bôi trơn cho các cơ cấu khác của đông cơ như cơ cấu phân phối khí, v.v. Sau đó dầu được đưa về cacte nhờ đường hồi dầu (15). Áp suất và nhiệt độ của dầu bôi trơn luôn luôn được báo nhờ đồng hồ đo (11). Khi nhiệt độ của dầu nên quá 80 0 C thì độ nhớt giảm lúc này van (7) mở để dầu qua két làm mát. SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 8 Khi bình lọc bị kẹt thì van (3) mở đưa dầu bôi trơn trực tiếp lên đường dẫn dầu chính, van an toàn (9) đảm bảo áp suất của dầu bôi trơn trên toàn hệ thống có trị số không đổi. 1.6. HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG - Hệ thống khởi động có nhiệm vụ đưa động cơ từ trạng thái đứng yên sang trạng thái hoạt động. Muốn vậy 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 để cho động cơ nổ và làm việc. - Vì vậy nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống khởi động là tạo ra số vòng quay định mức và mômen quay đủ lớn. - Sơ đồ cấu tạo: Hình 1.5. Hệ thống khởi động 1- Khóa khởi động 5 - Phần ứng 2 - Cuộn kéo 6 - Ly hợp 3 - Cuộn giữ 7 - Bánh răng chủ động SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 9 4 - Cuộn cảm 8 - Vành răng khởi động - Nguyên lý hoạt động: Khi khóa điện được bật đến vị trí start dòng điện chạy đến cuộn kéo (2) và cuộn giữ (3) sau đó bánh răng chủ động (7) trượt và ăn khớp với vành răng (8). Cùng lúc đó dòng điện chạy đến cuộn cảm (4) làm cho môtơ quay, chuyển động quay này được truyền đến bánh răng chủ động (7), vành răng (8) và quay trục khuỷu động cơ thực hiện quá trình khởi động. Khi khóa điện được nhả ra khỏi vị trí start, dòng điện chạy trong cuộn giữ bị ngắt và bánh răng chủ động trở về vị trí ban đầu của nó nhờ cơ cấu ly hợp (6) và kết thúc quá trình khởi động. 1.7.Động cơ mẫu Bảng.1.1: Đặc điểm kỹ thuật của động cơ mẫu T T Đặc điểm kĩ thuật Động cơ mẫu Gh i ch 1 Dung tích xilanh (cm 3 ) 2360 2360 1995 2 Số xilanh (cái) 4 4 4 3 Công suất cực đại (mã lực/rpm) 170/6300 175/6000 170/6700 4 Mô men xoắn cực đại (Nm/rpm) 220/4500 220/4400 210/4250 5 Sử dụng nhiên liệu xăng Xăng xăng 6 Tốc độ tối đa (km/h) 190 200 224 7 Tiêu thụ nhiên liệu (city,L/100km) 12,3 12,3 8,7 8 Tiêu thụ nhiên liệu (highway,L/100km) 6,9 6,9 4,8 9 Tiêu thụ nhiên liệu (combined,L/100km) 8,9 8,9 6,4 1.8.Tổng hợp thông số cơ bản SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 10 [...]... xylanh Tổng nhiệt đưa vào động cơ trong 1đơn vị thời gian Phần nhiệt biến thành cơ năng có ích Tổn thất nhiệt do làm mát Tổn thất nhiệt theo khí xả Tổn thất còn lại D S VS mm mm cm3 QT kJ/s Qe kJ/s Qm Qx Qcl kJ/s kJ/s kJ/s 39 40 41 42 43 SVTH: Đỗ Văn Đắc η v η i K kg/m3 K K K K Page 23 2.8 ĐỒ THỊ CÔNG CHỈ THỊ 2.8.1 Đồ thị công của động cơ xăng 4 kỳ: Hình 2.1: Đồ thị công của động cơ xăng 4 kỳ 2.8.2 Xác... Tiến] Chọn Kpi = 0,92 30 Hiệu suất cơ học(η m) η m=(0,65-0,93) [tr71.nguyên lý DCDT1 PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang] Chọn η m=0,9 31 Tỷ số động học(KD) Đối với động cơ xăng KD=(0,8-1,2 ) [91-hướng dẫn DACDT-học viện quân sự 1999] Chọn KD=0,8 Phần 2: TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG (L0): 2.1 TÍNH MÔI CHẤT CÔNG TÁC 2.1.1 Lượng không khí • Số kg không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên... Khang] p 19 Tổn thất áp suất trong bình làm mát khí nạp( ∆ m ) ∆ m =0 p ( bar) 20 Hệ số (Kpr) Kpr =1,05 21 Nhiệt độ khí sót (Tr) Đối với động cơ xăng: Tr=900-1000K [tr.101-NLDCDT-Nguyễn Tất Tiến] ChọnTr=950K 22 Mức độ sấy nóng khí mới(∆Tk) Đối với động cơ xăng ∆Tk=(20-30) 0 K [tr50-hướng dẫn DACDT-học viện quân sự 1999] Chọn ∆Tk=20 0 K 23 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt Đối với động cơ xăng λ 1=(1,11-1,17) [108-nguyên... ≈14,96 (M0) • [kg/kg] Số kmol không khí lí thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu M0 = = 1  c h s of   + +  12 4 32 − 32   0,21   1  0,855 0,145   +  = 0,511 0,21  12 4  [kmol/kg] • Số kg không khí thực tế cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu (L) L = λ.L0 = 0,9.14,956 = 13,460 [kg/kg] • Số kmol không khí thực tế cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu (M) M = λ.M 0 = 0,9.0,511... Tổng hợp kết quả tính Tên thông số Số kg KK lý thuyết cần thiết 1 kg nhiên liệu Số kmol KK lý thuyết cần thiết 1 kg nhiên liệu Số kg KK thực tế cần thiết 1 kg nhiên liệu Số kmol KK thực tế cần thiết 1 kg nhiên liệu Số kg HHC ứng với 1 kg nhiên liệu Số kmol HHC ứng với 1 kg nhiên liệu Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén Số kmol MCCT tại thời điểm cuối qua trình nén Hàm lượng CO2 trong sản... Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang] Chọn λ 2 =1,02 25 Tỷ số nén(ε) Động cơ xăng xunpap ε=(6,5-10) [39-hướng dẫn DACDT-học viện quân sự 1999] Chọn ε=10 SVTH: Đỗ Văn Đắc Page 12 26 Chỉ số nén đa biến trung bình (n1) Đối với động cơ xăng:n1=(1,34-1,39) [127-NLDCDT-Nguyễn Tất Tiến] Chọn n1=1,35 27 Chỉ số dãn nở đa biến trung bình(n2) Đối với động cơ xăng:n2=(1,15-1,25) [187-NLDCDT-Nguyễn Tất Tiến] Chọn n2=1,25... 2.1.3 Lượng sản phẩm cháy trong trường hợp cháy không hoàn toàn Ta có: K = • M H 2 0,145 = = 0,17 => chọn K=0,45 M CO 0,855 Hàm lượng CO2 và CO trong sản phẩm cháy M co2 +M CO= • c 12 0,855 = = 0,071 12 [kmol/kg] Hàm lượng H2O trong sản phẩm cháy h 2 0,145 = = 0,0725 2 M H 2O + M H 2 = • [kmol/kg] Hàm lượng SO2 trong sản phẩm cháy S 32 0 = =0 32 M SO2 = • [kmol/kg] Hàm lượng N2 trong sản phẩm cháy M N... ϕ 0=70(%) [tr69.nguyên lý DCDT1-PGS Nguyễn Văn Nhận-TS Lê Bá Khang] 9 Hàm lượng C trong nhiên liệu: C=0,855 [tr51 nguyên lý ĐCĐT-Nguyễn Tất Tiến] 10 Hàm lượng H2 trong nhiên liệu: h=0,145 [tr51 nguyên lý ĐCĐT-Nguyễn Tất Tiến] 11 Hàm lượng S trong nhiên liệu: s=0 [tr51 nguyên lý ĐCĐT- Nguyễn Tất Tiến] 12 Hàm lượng O2 trong nhiên liệu: o2=0 [tr51 nguyên lý ĐCĐT- Nguyễn Tất Tiến]] 13.Phân tử lượng của... nhiên liệu Số kmol MCCT tại thời điểm đầu quá trình nén Số kmol MCCT tại thời điểm cuối qua trình nén Hàm lượng CO2 trong sản phẩm cháy Hàm lượng H2O trong sản phẩm cháy Hàm lượng SO2 trong sản phẩm cháy Hàm lượng O2 trong sản phẩm cháy Hàm lượng N2 trong sản phẩm cháy Lượng sản phẩm cháy ứng với 1 kg nhiên liệu Ký hiệu Đơn vị L0 kg/kg M0 kmol/kg L kg/kg M kmol/kg L1 kg/kg M1 kmol/kg Ma kmol/kg Mc... 0,79.0,9.0,511 = 0,507 ≈ 0,5 12 2 M2 = • [kmol/kg] Tổng lượng ô xy cần thiết trong trường hợp cháy không hoàn toàn M CO2 + SVTH: Đỗ Văn Đắc M H 2O o M CO + = 0,21 ⋅ λ ⋅ M 0 + f 2 2 32 Page 15 c h o  o = λ⋅ + − f + f = 12 4 32  32    0,855 0,145  + = 4   12 0,9  [kmol/kg] 0,097 • Hàm lượng các chất khí có trong sản phẩm cháy trong trường hợp cháy không hoàn toàn M CO = 0,42 ⋅ 1− λ ⋅ M0 1+ K