Đồ án Tính toán - Kết cấu động cơ đốt trong

Trong quá trình tính toán chúng em đã được sự quan tâm chỉ dẫn,sự giúp đỡ nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn và các thầy cô giáo trong khoa cơ khí động lực.. động cơ điezel .ξb bao giờ c

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại đất nước đang trên con đường CNH – HĐH, từng bước

phát triển đất nước Trong xu thế của thời đại khoa học kỹ thuật của thế giới

ngày một phát triển cao Để hòa chung với sự phát triển đó đất nước ta đã có chủ

trương phát triển một số ngành công nghiệp mũi nhọn, trong đó có ngành Cơ

Khý Động Lực Để thưc hiện được chủ trương đó đòi hỏi đất nước cần phải có

một đội ngũ cán bộ, công nhân kỹ thuật có trình độ và tay nghề cao

Hiểu rõ điều đó trường ĐHSPKT Vinh không ngừng phát triển và nâng

cao chất lượng đào tạo đội ngũ cán bộ, công nhân có tay nghề và trình độ cao mà

còn đào tạo với số lượng đông đảo đáp ứng nhu cầu nguồn nhân lực cho đất

nước

Khi đang còn là một sinh viên trong trường chúng em được phân công

thực hiện đồ án “Tính Toán –Kết Cấu Động Cơ Đốt Trong” Đây là một điều

kiện rất tốt cho chúng em có cơ hội xâu chuỗi kiến thức mà chúng em đã được

học tại trường ,bước đầu đi sát vào thực tế sản xuất ,làm quen với công việc tính

toán thiết kế ô tô

Trong quá trình tính toán chúng em đã được sự quan tâm chỉ dẫn,sự giúp

đỡ nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn và các thầy cô giáo trong khoa cơ khí

động lực Tuy vậy nhưng không thể tránh những hạn chế , thiếu sót trong quá

trình tính toán

Để hoàn thành tốt, khắc phục được những hạn chế và thiếu sót đó chúng

em rất mong được sự đóng góp ý kiến ,sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và các

bạn để sau này ra trường bắt tay vào công việc ,trong quá trình công tác chúng

em hoàn thành công việc một cách tốt nhất

Vinh, ngày tháng năm 2015

Sinh viên thực hiện:

PHẦN I :TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC

TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

I ) Trình tự tính toán :

1.1 )Số liệu ban đầu :

Loại đông cơ: 3D6-động cơ Diesel 1 hàng, không tăng áp, buồng cháy

thống nhất

1- Công suất của động cơ : Ne =150 (mã lực) = 111 kW

2- Số vòng quay của trục khuỷu : n =1600(vg/ph)

3- Đường kính xi lanh : D =150 (mm)

4- Hành trình piton : S =180 (mm)

5- Dung tích công tác : Vh = π.D2.S

4 = 3,18 (l) 6- Số xi lanh : i = 6

7- Tỷ số nén : ε = 15.5

8- Thứ tự làm việc của xi lanh : (1-5-3-6-2-4)

9- Suất tiêu hao nhiên liệu : g e =192 (g/ml.h)

10- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp α1;α2: α1=20(độ),α2 =48 (độ) 11- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp thải 1, 2:1=48(độ),2=20 (độ) 12- Chiều dài thanh truyền: ltt = 320 (mm)

13- Số kỳ :   4

14- Góc phun sớm : i  30o

15-Khối lượng thanh truyền: mtt = 5,62 (kg)

16- Khối lượng nhóm piston: mpt = 2,37 (kg)

1.2 )Các thông số cần chọn :

1 )Áp suất môi trường :p k

Áp suất môi trường pk là áp suất khí quyển trước khi nạp vào đông cơ (với đông cơ không tăng áp ta có áp suất khí quyển bằng áp suất trước khi nạp nên ta chọn pk =po

Ở nước ta nên chọn pk =po = 0,1 (MPa)

2 )Nhiệt độ môi trường :T k

Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm

Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt

độ trước xupáp nạp nên : Tk =T0 =24ºC =297ºK

3 )Áp suất cuối quá trình nạp :p a

Áp suất Pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chủng loại đông cơ ,tính

năng tốc độ n ,hệ số cản trên đường nạp ,tiết diện lưu thông… Vì vậy cần xem xét đông cơ đang tính thuộc nhóm nào để lựa chọn Pa

Áp suất cuối quá trình nạp ta lấy pa =0,085 (MPa)

4 )Áp suất khí thải P r :

Áp suất khí thải cũng phụ thuộc giống như pa

Áp suất khí thải có thể chọn trong phạm vi :

pr= 0,1 (MPa)

5 )Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T

Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành hỗn hợp khí ở bên ngoài hay bên trong xy lanh

Vì đây là đ/c điezel nên chọn ∆T= 38 o

Ở đây ta chọn λt = 1,1

8 )Hệ số quét buồng cháy λ 2 :

Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta chọn λ2 =1

9 )Hệ số nạp thêm λ 1

Hệ số nạp thêm λ1 phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí Thông thường ta có thể chọn λ1 =1,02÷1,07 ; ta chọn λ1 =1,02

10 )Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξ z :

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξz phụ thuộc vào chu trình công tác của

động cơ.Với đây là đ/c điezen nên ta chọn ξz=0,78

11 )Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ b :

động cơ điezel ξb bao giờ cũng lớn hơn ξz

Do đây là đ/c điezel ta chọn ξb=0,9

12 )Hệ số hiệu chỉnh đồ thị công φ d :

Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình công tác của động cơ với chu trình công tác thực tế Sự sai lệch giửa chu trình thực tế với chu trình tính toán của động cơ xăng ít hơn của động cơ điezel vì vậy hệ số φd của đ/c xăng thường chọn hệ số lớn.Nhưng đây là đ/c xăng nên ta chọn φd =0,934

II )Tính toán các quá trình công tác :

Trong đó m là chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót m =1,45÷1,5

2 )Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a

Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta đươc tính theo công thức:

1 1,45

30.111.10 4

0, 44 3,14.0,15 0,18

.1600.6 4

5 )Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M o :

Lượng kk lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu Mo được tính theo công thức :

M0 = 1

0,21 (12 4 32)

C H  O (kmol/kg) nhiên liệu

Vì đây là đ/c diesel nên ta chọn C=0,87 ; H=0,126; O=0,004

6 )Hệ số dư lượng không khí α

Vì đây là động cơ nên :

Khi hệ số lưu lượng không khí α >1 tính theo công thức sau :

3 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp :

Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hh trong quá trình nén

—mc'v tính theo công thức sau :

1+γr

=20,546 (kJ/kmol.độ)

Thay số vào ta có :

a'v = 19,890 ; b'v = 0,004

4 ) Chỉ số nén đa biến trung bình n 1 :

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào thong số kết cấu và thong số vận hành như kích thước xy lanh ,loại buồng cháy,số vòng quay ,phụ tải,trạng thái nhiệt độ của động cơ…Tuy nhiên n1 tăng hay giảm theo quy luật sau :

Tất cả những nhân tố làm cho môi chất mất nhiệt sẽ khiến cho n1 tăng.Chỉ

số nén đa biến trung bình n1 được xác bằng cách giải phương trình sau :

Chú ý : Thông thường để xác định được n 1 ta chọn n 1 trong khoảng

1,340÷1,390 Rất hiếm trường hợp đạt n 1 trong khoảng 1,400 ÷ 1,410

→ (theo sách Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong - trang 128 )

Vì vậy ta chọn n1 theo điều kiện bài toán cho đến khi nao thõa mãn điều kiện bài toán :thay n1 vào VT và VP của phương trình trên và so sánh,nếu sai số giữa 2 vế của phương trình thõa mãn <0,2% thì đạt yêu cầu

Sau khi chọn các giá trị của n1 ta thấy n1 = 1,367 thõa mãn điều kiện bài toán

5 )Áp suất cuối quá trình nén P c :

Áp suất cuối quá trình nén Pc được xác định theo công thức :

Pc = Pa εn1 = 0,085 1,367

15,5 = 3,607 (MPa)

6 )Nhiệt độ cuối quá trình nén T c

Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc được xác định theo công thức

Tc = Ta εn1-1 = 350 1,367 1

15,5  = 957,0 ( ºK )

7 )Lượng môi chất công tác của quá trình nén M c :

Lượng môi chất công tác của quá trình nén Mc được xác định theo công

thức :

Mc = M1+ Mr = M1.(1  r) = 1,41.(1+0,038) = 1,464 (kmol/kgn.l ) 2.3 )Tính toán quá trình cháy :

1 )Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β 0 :

Ta có hệ số thay đổi phần tử lý thuyết β0 được xác định theo công thức :

2 )Hệ số thay đổi phân tư thưc tế β: ( Do có khí sót )

Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế β được xác đinh theo công thức :

3 )Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z β z : (Do cháy chưa hết )

Ta có hệ số thay đổi phân tư thực tế tại điểm z βz được xác định theo công thức :

βz = 1 + β0-1

1+γr χz Trong đó

0,85 0,94

0,9

z z b

5 )Nhiệt độ tại điểm z T z :

Đối với động cơ Diesel, tính nhiệt độ Tz bằng cách giải phương trình cháy sau:

6 Áp suất tại điểm z pz:

Áp suất tại điểm z pz được xác định theo công thức:

pz  pc (MPa)

Với : 1, 37.1287, 213 1,843

957

z z c

T T

3 )Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n 2 :

5 )Áp suất cuối quá trình giãn nở p b :

Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb được xác định theo CT :

5 )Áp suất tổn thất cơ giới P m :

Áp suất tổn thất cơ giới được xác định theo nhiều công thức khác nhau và được biểu diễn bằng quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ.Ta có tốc độ trung bình của động cơ là :

7 )Hiệu suất cơ giới η m :

Ta có sai số so với đề bài là :0,017 (mm)

III ) Vẽ và hiệu đính đồ thị công :

Căn cứ vào các số liệu đã tính p r , p a , p c , p z , p b ,n 1 , n 2 , ε ta lập bảng tính

đường nén và đường giãn nở theo biến thiên của dung tích công tác Vx = i.Vc

Vc : Dung tích buồng cháy

V V





 =0,219

3.1 ) Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén :

- Phương trình đường nén đa biến :

n 1 : Chỉ số nén đa biến trung bình n1 = 1,367

P c : Áp suất cuối quá trình nén P c = 3,607 ( MPa)

3.2 ) Xây dựng đường cong áp suất trên quá trình giãn nở :

- Phương trình của đường giãn nở đa biến :

n2

n 2 : Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2 = 1,288

2  ( mm ) Giá trị biểu diễn của R trên đồ thị :

gtbdR = gttμsR = 90 134,93

3.5 ) Lần lượt hiệu định các điểm trên đồ thị :

1 ) Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp : (điểm a)

Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định góc đóng muộn xupáp thải β2 , bán kính này cắt đường tròn tại điểm a’ Từ a’ gióng đường thẳng song song với trục tung cắt đường Pa tại điểm a Nối điểm r trên đường thải ( là giao điểm giữa đường Pr và trục tung ) với a ta được đường chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình nạp

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

Áp suất cuối quá trình nén thực tế do hiện tượng phun sớm (động cơ điezel )

và hiện tượng đánh lửa sớm (động cơ xăng ) nên thường chọn áp suất cuối quá trình nén lý thuyết Pc đã tính Theo kinh nghiệm, áp suất cuối quá trình nén thực

tế P’c được xác định theo công thức sau :

Đối với động cơ điezel :

3 ) Hiệu chỉnh điểm phun sớm : ( điểm c’’ )

Do hiện tương phun sớm nên đường nén trong thực tế tách khỏi đường nén lý thuyết tại điểm c’’ Điểm c’’ được xác định bằng cách Từ điểm O’ trên đồ thị Brick ta xác định được góc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm θ, bán kính này cắt vòng tròn Brick tại 1 điểm

Từ điểm gióng này ta gắn song song với trục tung cắt đường nén tại điểm c’’ Dùng một cung thích hợp nối điểm c’’ với điểm c’

4 )Hiệu đính điểm đạt P zmax thực tế

Áp suất pzmax thực tế trong quá trình cháy - giãn nở không duy trì hằng số như động cơ điezel ( đoạn ứng với ρ.Vc ) nhưng cũng không đạt được trị số lý thuyết như động cơ xăng Theo thực nghiệm ,điểm đạt trị số áp suất cao nhất là điểm thuộc miền vào khoảng 372° ÷ 375° ( tức là 12° ÷ 15° sau điểm chết trên của quá trình cháy và giãn nở )

Hiệu định điểm z của động cơ diesel :

- Xác định điểm z từ góc 15º Từ điểm O΄trên đồ thị Brick ta xác định góc tương ứng với 375º góc quay truc khuỷu ,bán kính này cắt vòng tròn tại 1 điểm

Từ điểm này ta gióng song song với trục tung cắt đường Pz tại điểm z

- Dùng cung thích hợp nối c’ với z và lượn sát với đường giãn nở

5 ) Hiệu định điểm bắt đầu quá trình thải thực tế : ( điểm b’ )

Do có hiện tượng mở sớm xupáp thải nên trong thực tế quá trình thải thực

sự diễn ra sớm hơn lý thuyết Ta xác định điểm b bằng cách : Từ điểm O’trên đồ thị Brick ta xác định góc mở sớm xupáp thải β1,bán kính này cắt đường tròn Brick tại 1 điểm.Từ điểm này ta gióng đường song song với trục tung cắt đường giãn nở tại điểm b’

6 ) Hiệu định điểm kết thúc quá trình giãn nở : ( điểm b’’ )

Áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế P b thường thấp hơn áp suất cuối quá

trình giãn nở lý thuyết do xupáp thải mở sớm Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định được :

p y





Đồ thị công chỉ thị (được biểu diễn trên giấy A0)

PHẦN II : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

I ) Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học :

Các đường biểu diễn này đều vẽ trên 1 hoành độ thống nhất ứng với hành

trình piston S = 2R Vì vậy độ thị đều lấy hoành độ tương ứng với Vh của độ thị công ( từ điểm 1.Vc đến ε.Vc )

1.1 ) Đường biểu diễn hành trình của piston x = ƒ(α)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn hành trình của piston theo trình tự sau :

1 Chọn tỉ xích góc : thường dùng tỉ lệ xích ( 0,6 ÷ 0,7 ) ( mm/độ )

2 Chọn gốc tọa độ cách gốc cách độ thị công khoảng 15 ÷ 18 cm

3 Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 10° ,20° ,…….180°

4 Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm

10° ,20°,…….180° tương ứng trên trục tung của đồ thị của x = ƒ(α) ta được các điểm xác định chuyển vị x tương ứng với các góc 10°,20°,… 180°

5 nối các điểm xác định chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệ

x = f(α)

1.2 ) Đường biểu diễn tốc độ của piston v = f(α)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn tốc độ của píton v = f(α) Theo phương

pháp đồ thị vòng Tiến hành theo các bước cụ thể sau:

1.Vẻ nửa vòng tròn tâm O bán kính R ,phía dưới đồ thị x = f(α) Sát mép

dưới của bản vẽ

2 Vẽ vòng tròn tâm O bán kính là Rλ/2

3 Chia nửa vòng tròn tâm O bán kính R và vòng tròn tâm O bán kính là

Rλ/2 thành 18 phần theo chiều ngược nhau

4 Từ các điểm chia trên nửa vòng tâm tròn bán kính là R kẻ các đường song song với tung độ , các đường này sẽ cắt các đường song song với hoành độ xuất phát từ các điểm chia tương ứng trên bán kính là Rλ/2 tại các điểm a,b,c,…

5 Nối tại các điểm a,b,c,… Tạo thành đường cong giới hạn trị số của tốc độ piton thể hiện bằng các đoạn thẳng song song với tung độ từ các điểm cắt vòng

tròn bán kính R tạo với trục hoành góc α đến đường cong a,b,c…

Đồ thị này biểu diễn quan hệ v = f(α) trên tọa độ độc cực

Hinh 2.1: Dạng đồ thị v = f()

1.3 Đường biểu diễn gia tốc của piston j = f( x)

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston theo phương pháp Tôlê ta

vẽ theo các bước sau :

1.Chọn tỉ lệ xích μ j phù hợp trong khoảng 30 ÷ 80 (m/s2 mm )

Ở đây ta chọn μ j = 80 (m/ 2

s mm ) 2.Ta tính được các giá trị :

gtbdj

max =

gttjmax

hệ j = ƒ(x

II )Tính toán động học :

2.1 )Các khối lượng chuyển động tịnh tiến :

- Khối lượng nhóm piton mpt = 2,37 Kg

- Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston

+ ) Khối lương thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m1 có thể tra trong các các sổ tay ,có thể cân các chi tiết của nhóm để lấy số liệu hoặc có thể tính gần đúng theo bản vẽ

+ ) Hoặc có thể tính theo công thức kinh nghiêm sau :

Đối với động cơ ô tô ta có :

Khối lượng chuyển động quay của một trục khuỷu bao gồm :

- Khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt :

m2 = mtt - m1 = 5,26 – 3,8691 = 1,3909 (Kg)

- Khối lượng của chốt trucj khuỷu : mch

mch = π (dch2–δch2).lch

4 ρ Trong đó ta có :

dch : Là đường kính ngoài của chốt khuỷu : 85 (mm )

δch : Là đường kính trong của chốt khuỷu : 44 (mm )

lch : Là chiều dài của chốt khuỷu : 70 (mm )

ρ : Là khối lượng riêng của vật liệu làm chốt khuỷu

đúng theo phương trình quy dẫn :

mom = mm.rmk

R Trong đó : mom khối lượng của má khuỷu

rmk bán kính trọng tâm má khuỷu : 60 (mm )

R :bán kính quay của khuỷu : R = S /2= 180/2 =90 (mm)

Ta có mom = mmk = 0,105 ( kg )

2.3 ) Lực quán tính :

Lực quán tính chuyển động tịnh tiến :

P j = - m.j = -m.R.ω2.( cos α + λ.cos 2α ) = - 8,7.103.( cos α + λ.cos 2α ) Với thông số kết cấu λ ta co bảng tính Pj :

2.4 ) Vẽ đường biểu diễn lực quán tính :

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn lực quán tính theo pp Tolê nhưng hoành độ đặt trùng với đường po ở đồ thị công và vẽ đường –p j =ƒ(x) (tức cùng chiều với

j = ƒ(x))

Ta tiến hành theo bước sau :

1 ) Chọn tỷ lệ xích để của p j là μp (cùng tỉ lệ xích với áp suất pkt )

(MPa/mm), tỉ lệ xích μx cùng tỉ lệ xích với hoành độ của j = ƒ(x)

Chú ý :

Ở đây lực quán tính p j sở dĩ có đơn vị là MPa (tính theo đơn vị áp suất ) bởi

vì được tính theo thành phần lực đơn vị (trên 1 đơn vị diện tích đỉnh piston )để tạo điều kiện cho công việc công tác dụng lực sau này của lực khí thể và lực quán tính