Giáo trình động cơ đốt trong 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC _ oo0oo _ BỘ MÔN ĐỘNG CƠ (ĐẠI HỌC, KHỐI K) Người biên soạn: Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG Tháng 06/2006 Mục lục MỤC LỤC Chương ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN I Động học cấu piston – khuỷu trục – truyền giao tâm I.1 Quy luật động học piston (chuyển vị, vận tốc gia tốc piston) I.2 Khảo sát quy luật động học piston phương pháp đồ thị I.3 Quy luật động học truyền 12 II Động học cấu piston – khuỷu trục – truyền lệch tâm 13 II.1 Mục đích việc dùng cấu piston – khuỷu trục – truyền lệch tâm 13 II.2 Quy luật động học cấu piston 13 II.3 Quy luật động học truyền cấu piston – khuỷu trục – truyền lệch taâm 16 Chương ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN I Khái niệm 18 II Khối lượng chi tiết chuyển động 18 II.1 Khối lượng nhóm piston 18 II.2 Khối lượng nhóm truyền 18 II.3 Khối lượng khuỷu trục 21 II.4 Khối lượng chi tiết chuyển động tịnh tiến 22 II.5 Khối lượng chi tiết chuyển động quay 22 III Hợp lực mômen tác dụng lên cấu piston  khuỷu trục  truyền 23 III.1 Lực khí thể lực quán tính 23 III.2 Hợp lực mômen tác dụng lên cấu piston – khuỷu trục  truyền giao tâm 26 III.3 Hợp lực mômen tác dụng lên cấu piston – khuỷu trục – truyền lệch tâm 28 III.4 Hợp lực mômen tác dụng trục khuỷu động hàng xylanh 29 IV Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng chốt khuỷu 32 V Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên đầu to truyền 34 VI Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng cổ trục khuỷu bạc lót ổ trục động nhiều haøng xylanh 35 VII Đồ thị mài mòn chốt khuyûu 38 Chương CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG I Những nguyên nhân khiến cho đôïng cân 42 II Điều kiện cân cấu 42 III Cân động haøng xylanh 44 III.1 Cân động moät xylanh 44 III.2 Cân động hai xylanh 47 Mục lục III.3 Cân động cô ba xylanh 49 III.4 Cân động bốn xylanh 51 III.5 Cân động saùu xylanh 53 IV Cân động chữ V 54 IV.1 Cân động xylanh ( < 90o vaø  = 90o) 54 IV.2 Caân động chữ V xylanh ( = 90o) 59 IV.3 Cân động chữ V xylanh ( = 90o) 61 IV Cân động chữ V 64 V.1 Động hai kỳ, xylanh 64 V.2 Động hai kỳ, xylanh 64 V.3 Động hai kỳ, xylanh 67 VI Độ không đồng mômen động phương pháp xác định mômen bánh đà 67 VII Dao động trục khuỷu biện pháp khắc phục 72 VII.1 Dao động trục khuỷu 72 VI.2 Tác hại dao động xoắn 75 VI.3 Biện pháp khắc phục (nguyên lý giảm dao động) 75 Chương TÍNH TOÁN SỨC BỀN CỦA NHÓM PISTON – NHÓM THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU VÀ BÁNH ĐÀ I Tính toán sức bền nhóm piston 81 I.1 Tính toán sức bền piston 81 I.2 Tính toán sức bền chốt piston 86 I.3 Tính toán sức bền xécmăng 89 II Tính toán sức bền nhóm truyền 95 II.1 Tính sức bền đầu nhỏ truyền 95 II.2 Tính sức bền thân truyền 102 II.3 Tính sức bền đầu to truyeàn 105 II.4 Tính sức bền bulông truyeàn 107 III Tính toán sức bền trục khuỷu 109 III.1 Phương pháp tính sức bền theo cách phân đoạn 109 III.2 Phương pháp tính sức bền trục khuỷu xét đến ảnh hưởng phụ tải động 117 IV Tính toán sức bền xác định kích thước bánh đà 120 IV.1 Xác định mômen bánh đà kích thước bánh đà 120 IV.2 Tính sức bền bánh đà 121 Chương TÍNH SỨC BỀN CỦA CÁC CHI TIẾT TRONG NHÓM THÂN MÁY VÀ NẮP XYLANH I Tính sức bền lót xylanh 124 Mục lục I.1 Xác định chiều dày xylanh lót xylanh 124 I.2 Tính sức bền vai lót xylanh 126 I.3 Tính sức bền mặt bích lắp xylanh 128 II Tính sức bền bulông lắp ghép xylanh 129 III Tính sức bền nắp xylanh 129 Chương TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ I Xác định thông số chủ yếu cấu phân phối khí 133 I.1 Xác định kích thước tiết điện lưu thông 133 I.2 Chọn dạng cam 135 I.3 Trị số tiết diện thời gian xupap 137 I.4 Tốc độ va đập xupap 138 I.5 Gia tốc xupap 140 II Động học đội 141 II.1 Cam tiếp tuyến động học đội lăn 141 II.2 Cam lồi động học đội hình nấm 145 III Quy dẫn khối lượng chi tiết cấu phân phối khí 148 IV Tính toán sức bền trục cam 148 IV.1 Ứng suất uoán 149 IV.2 Ứng suất xoắn 150 IV.3 Độ võng cho phép 151 IV.4 Ứng suất tiếp xúc maët cam 151 V Tính sức bền đội 152 VI Tính sức bền xupap 153 Chương TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG BÔI TRƠN I Yêu cầu tính toán hệ thống bôi trơn 156 I.1 Nhiệt độ dầu bôi trơn 156 I.2 Lưu lượng dầu bôi trơn 156 II Xác định kích thước công suất dẫn động bơm 158 II.1 Xác định kích thước bơm 158 II.2 Công suất dẫn động bơm 158 III Tính toán lọc dầu 158 III.1 Tính toán bầu lọc thấm 158 III.2 Tính toán bầu lọc ly tâm 160 IV Tính két làm mát dầu 161 Chương TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT Mục lục I Yêu cầu tính toán hệ thống làm mát 164 I.1 Nhiệt độ nước làm mát 164 I.2 Lưu lượng nước làm mát 164 I.3 Lý thuyết bơm ly tâm 165 I.4 Xác định công suất kích thước bôm 165 II Tính toán hệ thống làm mát nước 168 II.1 Tính toán lưu lượng nước tuần hoàn 168 II.2 Tính toán két nước 169 III Tính chọn công suất quạt cho hệ thống làm mát không khí 171 Chương TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG I Tính hệ thống cung cấp nhiên liệu động xăng kiểu chế hoà khí 174 I.1 Đặc tính lý tưởng chế hoà khí 174 I.2 Xác định kích thước ống khuếch tán, đường kính buồng hỗn hợp 176 I.3 Xác định đường kính gic-lơ 179 II Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động phun xăng 181 II.1 Tính toán lượng nhiên lieäu phun 181 II.2 Tính toán thời gian phun 182 Chương 10 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL I Đặc tính bơm cao áp 184 II Đặc tính vòi phun nhiên liệu 185 II.1 Loại vòi phun hở 185 II.2 Loại vòi phun kín có kim 186 II.3 Loại vòi phun kín có chốt 187 III Tính toán chi tiết hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel 188 III.1 Xác định kích thước bơm cao áp 188 III.2 Xác định thông số voøi phun 192 Chương – Động học cấu piston – khuỷu trục – truyền Chương – Động học cấu piston – khuỷu trục – truyền Chương ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN Các loại động đốt ngày thường có số vòng quay lớn, trình làm việc cấu chịu lực quán tính lớn, có vượt xa trị số lực khí thể Lực quán tính tác dụng lên cấu khuỷu trục – truyền gây nên ứng suất lớn, làm hư hỏng chi tiết máy, ra, lực quán tính tác dụng lên chi tiết cấu khuỷu trục – truyền phát sinh dao động Tính toán động học động lực học cấu piston – khuỷu trục – truyền – bánh đà nhằm xác định lực hợp lực lực quán tính lực khí thể tác dụng lên chi tiết vị trí trục khuỷu nhằm phục vụ cho việc tính toán sức bền, nghiên cứu trạng thái mài mòn, tính cân động cơ, v.v I ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN GIAO TÂM I.1 Quy luật động học piston (chuyển vị, vận tốc gia tốc piston) Nghiên cứu quy luật chuyển động piston nhiệm vụ chủ yếu động học Để thuận tiện việc khảo sát, ta đặt giả thiết trình làm việc, vận tốc góc trục khuỷu số ( = const) I.1.1 Chuyển vị piston Trên (hình 1.1) giới thiệu cấu piston – khuỷu trục – truyền giao tâm Trong cấu này, đường tâm xylanh đường tâm trục khuỷu trực giao Chuyển vị x tính từ điểm chết (ĐCT) piston tùy thuộc vào vị trí trục khuỷu (trị số x thay đổi tùy vào trị số góc quay trục khuỷu ) Từ hình vẽ ta coù: A x = AB’ = AO – (DO + DB’) x ÑCT B' = (l + R) – (Rcos + lcos) â S Trong đó: B x – chuyển vị piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu  D R – bán kính quay trục khuỷu O  – góc lệch đường tâm truyền đường tâm xylanh ứng với  Gọi   ĐCD ĐCT l – chiều dài truyền, tính khoảng cách từ tâm đầu nhỏ (điểm B’) đến tâm đầu to (điểm C)  – góc quay trục khuỷu tương ứng với x tính từ ĐCT l C R ĐCD Hình 1.1 Sơ đồ cấu piston – khuỷu trục – truyền giao tâm R thông số kết cấu ( = 0,25  0,29), từ ta có: l Chương – Động học cấu piston – khuỷu trục – truyeàn  1   x  1     cos   cos  .R  A.R      Trong đó: (1-1) 1    A  1     cos   cos         Bảng phạm vi thông số kết cấu loại động cho bảng bên dưới: Vt b (m/s) S/D  mj (kg/cm2) Pjmax (MN/m2) Tónh 3,80  9,30 0,93  2,25 1  0,011  0,017 0,80  1,70 Tàu thuỷ 4,0  14 0,93  2,25 1  3,7 0,011  0,017 0,80  1,70 Máy kéo 5,0  7,5 1,2  1,43 1  3,5 4,5 0,003  0,007 0,80  1,70 OÂ toâ 7,5  20 0,83  1,70 1  2,9 4, 0,001  0,006 0,90  2,20 Maùy bay 6,7  15 0,80  1,50 1  3,1 4,3 0,001  0,003 0,90  2,20 Kiểu động Trong đó: mj – khối lượng chi tiết chuyển động tịnh tiến Pjmax – lực quán tính chuyển động tịnh tiến cực đại Vt b – vận tốc trung bình piston S/D – tỷ số hành trình piston đường kính xylanh I.1.2 Vận tốc piston Đạo hàm công thức (1-1) theo thời gian, ta có công thức để tính vận tốc piston: v  dâ  dx dá   R  siná  sinâ  dt  dt ë dt  Từ quan hệ: sin    sin  , ta rút ra: cos  Do đó: d cos  d   dt cos  dt (1-1a) d d   cos  dt dt Gọi tốc độ góc trục khuỷu  bỏ qua thay đổi tốc độ góc ta có: d    const dt d cos   . dt cos  Thay (1-1b) vào (1-1a) rút gọn ta có: Vì vậy: v  R sin     cos  (1-1b) (1-2) Chương – Động học cấu piston – khuỷu trục – truyền I.1.3 Gia tốc piston Đạo hàm công thức (1-2) theo thời gian, ta có công thức để tính gia tốc piston: j dv cos  d  R cos   R tg sin   R dt cos  dt  cos      R  cos   tg sin    cos     cos(  ) cos     R   cos    cos  (1-3) Các công thức (1-1), (1-2) (1-3) công thức xác dùng để tính chuyển vị, vận tốc gia tốc piston Để thuận tiện việc tính toán, thực tế quy luật động học piston xác định dạng công thức gần Trong tam giác OCB’ theo quan hệ lượng giác ta có: CD = l.sin = R.sin  R sin  == l sin  cos =  sin  vaø: cos =  2  sin  = 1  2 sin  2 Do đó: Triển khai vế phải đẳng thức theo nhị thức Newton ta coù: (x + a)n = xn +    2 sin   n a x n 1 n(n  1) a x n  n(n  1)(n  2) a x n 3    1! 2! 3! = 2 2 ( 2) ( sin ) ( 3) ( sin ) ( 21) (2 sin2 )1 1 1 2  (  1).1  (  1).(  2).1  =  1! 2 2! 2 3! 1 1 =1 1  sin    sin   4 sin   16 Bỏ qua số hạng vô bé luỹ thừa trở lên thay trị số cos =   sin  vào biểu thức chuyển đổi vận tốc gia tốc, ta được:   1  2 sin   1    x = R 1     cos   cos   = R 1     cos       2          cos 2   = R 1  cos    sin   , sin2 = neân suy ra: 2      x  R 1  cos    (1  cos 2    (1-4) Chương – Động học cấu piston – khuỷu trục – truyền Lấy đạo hàm công thức (1-4) theo thời gian ta tốc độ piston: v = dx dx dá dx   ù dt dá dt dá    v = R  sin   sin 2    Nên: (1-5) Khi thiết kế, người ta thường ý đến vận tốc trung bình piston qua công thức sau: Vtb = Trong đó: S.n 30 ( m/s) S – hành trình piston (m) S = 2.R n – số vòng quay động (v/ph) Người ta thường vào tốc độ trung bình piston để phân loại động    Động có tốc độ thấp: Vtb < (m/s) Động có tốc độ trung bình: (m/s) < Vtb < (m/s) Động có tốc độ cao: Vtb > m/s Lấy đạo hàm công thức (1-5) theo thời gian, ta có công thức tính gia tốc cuûa piston: J= dv dv d dv    dt d dt d  J = R2.(cos + .cos2) (1-6) Chiều gia tốc quy định: chiều gia tốc hướng tâm O chiều dương, ngược lại chiều âm I.2 Khảo sát quy luật động học piston phương pháp đồ thị Trong trình tính toán thiết kế, người ta dùng phương pháp đồ thị để giải hàm số lại thuận tiện dùng phương pháp giải tích Dưới giới thiệu số phương pháp đồ thị thường dùng để nghiên cứu quy luật động học piston I.2.1 Tìm chuyển vị phương pháp đồ thị Tìm chuyển vị piston dùng nhiều phương pháp khác nhiều tác giả Tuy nhiên, số có phương pháp đồ thị giáo sư Brich tốt Nó xác lập quan hệ thuận nghịch chuyển vị x piston với góc quay  trục khuỷu cách thuận lợi, nhanh chóng xác Phương pháp đồ thị Brich tiến hành sau: - - Vẽ vòng tròn tâm O, bán kính R (bằng bán kính quay trục khuỷu) Do AD = 2R Điểm A ứng với góc quay  = 0 (vị trí điểm chết trên) điểm D ứng với góc quay  = 180 (vị trí điểm chết dưới) Từ O lấy đoạn OO’ dịch phía ĐCD (hình 1.2), với OO’ =  Trong đó:   thông số kết cấu  = R R l l – chieàu dài truyền Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel 183 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel Chương 10 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL I ĐẶC TÍNH CỦA BƠM CAO ÁP Bơm Bosch loại bơm cao áp dùng rộng rãi loại động Diesel nay, phần khảo sát đặc tính loại bơm Đặc tính cung cấp nhiên liệu bơm cao áp đặc tính nói lên mối quan hệ biến thiên lượng nhiên liệu cấp cho chu trình gct (lượng nhiên liệu hành trình bơm) theo tốc độ quay trục bơm, vị trí cố định bơm cao áp Trên hình triển khai phần đầu piston (hình 10.1), thể thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình bơm cao áp Bosch C B A Trên đồ thị , S hành trình có ích piston e bơm, xác định theo kích thước hình học xylanh bơm Trên thực tế, nhiên liệu qua lỗ thoát có tổn thất nên thời gian đầu trình cung cấp, áp suất nhiên liệu bên xylanh tăng lên sớm so với thời điểm đóng kín lỗ thoát xylanh Tương tự, thời điểm kết thúc cấp nhiên liệu thực tế không xảy thời điểm mở lỗ thông rãnh nghiêng thực mà thường muộn Se d Hình 10.1 Thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho mộ chu trình - Vị trí A, tương ứng với hành trình Se cực đại - Vị trí B, tương ứng với hành trình Se nhỏ - Vị trí C, tương ứng với hành trình Se = gct (kg/chu trình) 160 A 120 B 80 C 40 250 500 750 1000 Hình 10.2 Đặc tính bơm BOSCH Tốc độ trục bơm (vòng/phút) Vì hành trình cấp nhiên liệu thực tế thường lớn hành trình có ích lý thuyết làm cho lượng nhiên liệu thực tế cấp cho chu trình thường lớn giá trị định lượng lý thuyết Hiệu ứng nói lớn tốc độ động cao Các đặc tính A, B, C bơm cao áp hình 10.2 tương ứng với ba vị trí khác bơm cao áp Biến thiên ba đặc tính tương tự nhau, tăng tốc độ động (giữa không đổi vị trí bơm cao áp) làm tăng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình gct 184 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel Gọi b hệ số cung cấp nhiên liệu bơm cao áp:  b  Vct , tỷ số lượng nhiên liệu Vlt thực tế bơm cao áp cung cấp chu trình (tính theo thể tích) lượng nhiên liệu lý thuyết mà bơm cao áp cung cấp chu trình Vct  g ct  nl Vlt  f p S e  Trong đó: .d Se fp – diện tích đỉnh piston bơm cao áp d – đường kính piston bơm cao áp Se – hành trình có ích piston bơm cao áp gct – lượng nhiên liệu cung cấp chu trình nl – khối lượng riêng nhiên liệu Trên động ô tô máy kéo, bơm cao áp Bosch có b = 0,75 ÷ 0,9 II ĐẶC TÍNH CỦA VÒI PHUN NHIÊN LIỆU Đặc tính vòi phun đường cong biểu diễn biến thiên hàm số áp suất theo lưu lượng nhiên liệu qua lỗ phun II.1 Loại vòi phun hở Đặc tính vòi phun hở hàm số thể mối quan hệ chênh áp trước sau lỗ phun với lưu lượng nhiên liệu qua lỗ Ở vòi phun hở, tiết diện lưu thông lỗ phun luôn số Từ phương trình Bernuollie, đặc tính vòi phun hở có dạng sau: Py  Pc  Trong đó: Q p  nl 2. c f c  (10-1) Py – áp suất nhiên liệu phía trước lỗ phun (Pa) Pc – áp suất môi chất buồng cháy (Pa) Qp – lưu lượng nhiên liệu qua lỗ phun (m3/s) Py – Pc nl – khối lượng riêng nhiên liệu (kg/m3) Động ô tô máy kéo hoạt động phạm vi tốc độ rộng từ 500  600 vòng/phút chế độ không tải, 3.500  4.000 vòng/phút chế độ toàn tải Trong phạm vi thay đổi chênh lệch áp suất thay đổi khoảng 40 đến 70 lần Như vậy, xảy trường hợp chênh áp thấp (Py – Pc   MPa) chạy không tải làm cho nhiên liệu xé tơi tốt Ngoài vòi phun hở thường xuyên có tượng nhỏ giọt sau kết thúc phun Q Hình 10.3 Đặc tính vòi phun hở 185 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel Hiện tượng làm cho giọt nhiên liệu bay chậm, khó cháy hết, dễ tạo muội than gây tắc lỗ phun, làm giảm công suất hiệu suất động Chính nhược điểm nên vòi phun hở động Diesel dùng mà thay vào loại vòi phun kín II.2 Loại vòi phun kín có kim Vòi phun kín có kim vòi phun có kim tỳ lên đế van, gây ngăn cách không gian phía trước phía sau mặt tỳ kim phun Hiệu số áp suất P2 sau mặt tỳ kim phun áp suất Pz buồng cháy xác định qua công thức: P2  Pz  Q   nl 2. c f c  (10-2) Bieán thiên áp suất Py không gian phía trước đế tỳ, xác định nhờ hai phương trình sau: II.2.1 Phương trình cân lực tác dụng lên kim phun  .d  d  d A  Bx  P2  p y 4 Trong đó: 2  (12-3) A – lực ép ban đầu lò xo lên kim phun (N) B – độ cứng lò xo (N/m) x – hành trình nâng kim (m) d1, d2 – đường kính trung bình mặt tỳ mũi kim đường kính phần dẫn hướng kim (m) II.2.2 Phương trình Bernuollie dòng nhiên liệu qua đế tỳ kim Py  P2  Q   nl 2. f1  (10-4) Py = f(Q) Py c.fc P2 II P III Py I P2 = f(Q) IV p’y x = f(Q) P2 Pc xmax Q Hình 10.4 Đặc tính vòi phun kín 186 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel Trong đó: 1 – hệ số lưu lượng f1 – tiết diện lưu thông qua đế tỳ kim f1  x..d sin  , với 2 – góc côn mũi kim Hàm Py = f(Q) thể qua đường II (hình 10.4), tăng Q1 đường II sát với đường I, độ nâng kim x không bị hạn chế Tiết diện lưu thông tương đối nhỏ đế kim phun f1 gây tiết lưu tăng chuyển động rối nhiên liệu đây, cải thiện chất lượng phun tơi Ở chế độ không tải, chạy chậm với vòi phun kín tiêu chuẩn cho chất lượng phun tốt Nhờ có kim phun ngăn cách hai không gian phía trước sau đế tỳ kim phun, nên kết thúc tránh tượng nhỏ giọt (đây ưu điểm lớn vòi phun kín mà vòi phun hở được) Đường III (hình 10.4) hàm py = f(Q) x = xmax (hành trình nâng kim bị hạn chế) Đường IV hàm x = f(Q) Áp suất nâng kim P tác dụng lên diện tích hình vành khuyên: fv  Trong đó:   2 d0  dk  dk – đường kính lớn mặt tỳ hình côn kim Khi kim mở, áp suất nhiên liệu vòi phun tác dụng lên toàn diện tích ngang f0 phần .d  } Nếu P’ áp suất bắt đầu đóng kim, ta có mối quan hệ sau: { f dẫn hướng kim p  '.f  p  f v p  '  p fv  p  f0 với  fv f0 Cuối trình phun áp suất vòi phun tương đối lớn, muốn cho kim phun đóng nhanh cần chọn   0,75 độ cứng lò xo từ (150  300) N/mm II.3 Loại vòi phun kín có chốt Loại vòi phun có chốt kim phun sử dụng nhiều loại động cao tốc có buồng cháy ngăn cách, sử dụng loại động cao tốc có buồng cháy thống Người ta dùng vòi phun tiết lưu để thực quy luật cung cấp nhiên liệu bậc thang làm êm dịu trình cháy, vòi phun tiết lưu giảm tốc độ cung cấp nhiên liệu giai đoạn đầu trình phun Phần chốt hình trụ, phần chốt đặt lỗ phun tạo khe hở nhỏ Giai đoạn đầu hành trình nâng kim, phần trụ chốt có tác dụng tiết lưu lỗ phun tạo điều kiện đạt quy luật cung cấp nhiên liệu cầu thiết Hình 10.5 Loại vòi phun kín có chốt Các loại vòi phun có chốt kim phun thường dùng kim phun có chốt hình chóp cụt Góc côn tia nhiên liệu loại vòi phun có phạm vi rộng từ (2  4)0 đến (60  70)0 cách thay đổi góc côn chốt kim phun thay đổi tiết diện lưu thông hình vành khăn thành lỗ phun chốt kim phun 187 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel Do tiết diện lưu thông nhỏ lỗ phun đoạn nâng kim phun thay đổi theo quy luật khác nhau, nên đặc tính vòi phun có chốt kim phun có dạng hình 10.6 Trên hình 10.6 đường hàm số py = f(Q), không hạn chế hành trình kim phun; đường hàm số py = f(Q) không tiết lưu tương tự vòi phun hở; đường hàm số x = f(Q) hạn chế hành trình xmax Trên đoạn I, sơ đồ vận động dòng nhiên liệu đặc tính vòi phun có dạng giống vòi phun có van phẳng Trên đoạn II, tiết diện lưu thông qua phần côn chốt tăng nên tăng lưu lượng nhiên liệu áp suất py hành trình nâng kim phun tăng tương đối chậm Trên đoạn III, tiết diện lưu thông qua phần côn chốt giảm nên áp suất py giảm hành trình nâng kim phun x tăng nhanh Nếu góc phần côn tương đối lớn, áp suất py hành trình nâng kim phun x tăng lưu lượng nhiên liệu Q giảm vòi phun làm việc không ổn định kim phun dao động mạnh Trên đoạn IV, tiết diện lưu thông qua phần côn chốt không thay đổi py x tăng nhanh theo Q py py py IV V Pc py III I x xmax II Q Hình 10.6 Đặc tính vòi phun có chốt kim phun III TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL III.1 Xác định kích thước bơm cao áp Những kích thước bơm cao áp xác định theo lượng nhiên liệu cấp cho chu trình để động làm việc chế độ thiết kế Tuy nhiên động tónh động tàu thủy cần phải ý tới khả tải điều kiện cho phép Đối với động vận tải có lắp phận hiệu chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cần phải ý tới khả dự trữ cần thiết bơm Nếu biết công suất thiết kế động Ne (kW), số xylanh i, số vòng quay thiết kế n (vg/ph) suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h) thể tích nhiên liệu cung cấp cho chu trình chế độ thiết kế là: Vct  g e N e  , 120.n.i. nl (l) (10-5) 188 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel Trong đó:  – số kỳ động nl – khối lượng riêng nhiên liệu (g/dm3) Trong công suất động Ne xác định sau: (pe tính theo MN/m2) Ne  p e Vh n.i 30 (10-6) Theá Ne (10-6) vào (10-5), ta được: Vct  g e p e Vh 3600. nl (10-7) Thể tích nhiên liệu cấp cho chu trình biểu thị dạng hàm số thông số đặc trưng cho chu trình công tác động Nếu ta thay ge biểu thức sau đây: g e  432000 Trong đó: p k  c .M p e Tk (10-8) pk Tk – áp suất nhiệt độ không khí trước xupap nạp c – hệ số cung cấp M0 – lượng không khí lý thuyết (kmol/kg nhiên liệu) Ta được: Vct  120 p k Vh  c Tk M . nl (10-9) Để cho việc tính toán thuận lợi ta dùng lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tính theo đơn vị thể tích công tác xylanh (l): v ct  Vct p k  c  120 Vh Tk M . nl (10-10) Neáu laáy p0 = 0,1 MN/m2; T0 = 2970K; nl = 0,85 kg/dm3 M0 = 0,5 kmol/kg Ta : v ct  95 c , (mm3/l)  (10-11) Moät thông số bơm cao áp khoảng thời gian phun nhiên liệu (tính từ lúc bắt p đầu đến kết thúc) thể góc quay trục khuỷu p giây, t p  6n Giá trị p tính từ điều kiện đảm bảo cho động làm việc chế độ thiết kế tốn nhiên liệu Trên thực tế p vượt (30  50)0 góc quay trục khuỷu Khi chọn p cần thấy khoảng cách thời gian phun nhiên liệu thực tế phụ thuộc vào áp suất hệ thống nhiên liệu, số vòng quay động thường vượt khoảng thời gian phun nhiên liệu hình học ph khoảng 1,3  1,7 chọn p chọn theo đồ thị hình 10.7 Sau chọ p xác định tốc độ cấp nhiên liệu trung bình lưu lượng trung bình tổ bơm Vct V  Q tb  ct 6n p (10-12) 189 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel p  ph 1, 50 1,25 10 30 Hình 10.7 Mối quan hệ 50 p  ph Pnlmax (MN/m2) áp suất phun lớn Pnlmax III.1.1 Đường kính piston bơm cao áp Thực tế, tốc độ cấp nhiên liệu trình phun số Tuy nhiên, lựa chọn quy luật biến thiên cần thiết tốc độ cấp nhiên liệu trình phun dùng hệ số k = 1,2  1,5 để đánh giá tỷ số tốc độ cung cấp cực đại với tốc độ trung bình Như dựa vào phương trình lưu động liên tục ta xác định đường kính piston bơm cao áp dp  Trong đó: Vct 6n c k   p c C p (10-13) c – hệ số cung cấp bơm cao áp Cp – tốc độ piston bơm cao áp Sau tính dp cần lựa chọn đường kính piston sát theo tiêu chuẩn kích thước hệ số cung cấp c xác định theo thí nghiệm hệ thống tương tự Có thể lựa chọn gần hệ số c chế độ công suất thiết kế động giới hạn: Đối với hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp kiểu piston có vành giảm áp van cao áp c = 0,6  0,95 Đối với hệ thống nhiên liệu dùng bơm cao áp có van riêng vành giảm áp van cao áp: c = 0,75  0,85 c 0,9 0,8 0,7 0,6 10 20 30 dp (mm) Hình 10.8 Mối quan hệ hệ số cung cấp đường kính piston dp bơm cao áp 190 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel Trên hình 10.8 giới thiệu đường cong xây dựng theo số liệu kinh nghiệm, thể mối quan hệ hệ số nạp đường kính piston loại bơm cao áp kiểu van piston III.1.2 Hành trình có ích piston bơm cao áp Hành trình có ích piston bơm cao áp xác định theo biểu thức sau:  Vct f p c (10-14) Chỉ loại bơm cao áp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình biện pháp thay đổi hành trình piston thực điều Muốn cung cấp nhiên liệu động chạy tải động dùng bơm cao áp có hiệu đính quy luật cung cấp nhiên liệu, muốn trì quy luật cung cấp động bơm cao áp bị mòn cần phải tăng hành trình có ích piston khoảng 30  40 % so với số liệu tính Đối với động máy kéo muốn dễ khởi động mùa động cần tăng hành trình có ích thực tế lên hai lần so với số liệu tính Do phải dùng phần hành trình piston bơm cao áp để thực trình nạp xả nhiên liệu nên hành trình toàn piston bơm cao áp phải lớn hành trình có ích tính khoảng  lần h C Cđd h CCđd 1 O 2 Cđ h1 ph c Hình 10.9 Phương pháp xác định dạng bơm cao áp Có thể xác định quỹ đạo tâm lăn đội biến thiên theo góc quay trục cam sau: Trên toạ độc vuông góc, trục hoành đặt góc quay trục cam c (độ), trục tung đặt hành dh trình h tâm lăn tính từ vị trí thấp tốc độ hình học đội Cd = ; sau biết d c khoảng thời gian cung cấp nhiên liệu tính theo góc quay trục cam ’p, ta vẽ đoạn hành trình có ích tương ứng với khoảng thời gian cung cấp nhiên liệu hình học ph đồ thị (hình 10.9) Đối với động bốn kỳ ’p = ph/2; động hai kỳ ’p = ph Nếu không tính tới hành trình piston trước lúc đẩy mở van kim trước bắt đầu hành trình có ích, đội chạy đoạn h1, lúc áp suất hệ thống tăng từ áp suất lại đường ống cao áp pct tới áp suất mở kim phun pp0 Nếu biết dung tích hệ thống đường cao áp V, theo quy luật ép nhiên liệu ta có: 191 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cô Diesel f p h1  nl V  p po  p cl hoaëc h  p po  p cl  nl V fp (10-15) Đến cuối hành trình có ích, đội chạy thêm hành trình có ích Như từ lúc bắt đầu chạy, đội dịch chuyển h2 = h1 + Có thể xác định tốc độ hình học trung bình piston theo tốc độ cung cấp trung bình: c dtb  h a f p c Vct h   a' ' '  p c f p  p c f p p (10-16) Sau có hai điểm đường cong chuyển dịch đội (tức đoạn hành trình có ích dh piston) ta hiệu chỉnh lại đường cong cách sử dụng quan hệ Cp d 'ph điểm biết tốc độ Nếu tỷ lệ xích hoành độ 1mm = a0 góc quay trục cam tung độ (m) = b (mm), hệ số góc đường tiếp tuyến với đường hành trình đội điểm khảo sát là: tg1  a a c h1 vaø tg  c h b b Tìm 1, 2 từ hai điểm biết, ta vẽ đường cong tiếp xúc với hai đường tiếp tuyến có hệ số góc tương ứng 1, 2 hai điểm Bên giới hạn hành trình có ích ta vẽ đường vận động piston nhằm làm cho gia tốc piston bơm cao áp không lớn không xảy gián đoạn đường cong tốc độ hình học Sau từ đường cong di động đội cần vẽ dạng cam theo quy tắc chung thiết kế dạng cam (giống cam phối khí) Thông thường cam dẫn động bơm cao áp dạng cam lồi gồm nhiều cung tròn III.2 Xác định thông số vòi phun A+CXk Những thông số vòi phun phải đảm bảo tốc độ cấp nhiên liệu thích hợp đạt áp suất phun cần thiết Nếu biết đặc tính vòi phun điều kiện lưu động ổn định chọn vòi phun theo điều kiện sau: Tốc độ phun nhiên liệu lớn chu trình: f p h a c  dV  Q max   ct   k 6n p  dt  max dk PPo(pcl) d1 Po(pe)  f e e Hình 10.10 Sơ đồ vòi phun tiêu chuẩn (10-17) Tốc độ phải phù hợp với độ chênh lệch áp suất nhiên liệu lớn đường đặc tính; đồng thời giả thiết số lượng, hình dạng phân bố lỗ vòi phun phải phù hợp với buồng cháy lắp vòi phun Có thể chọn vòi phun hở vòi phun kín tiêu chuẩn trường hợp đường đặc tính Đối với vòi phun hở, biết lưu lượng nhiên liệu cực đại Qmax chênh lệch áp suất (pp – pz), ta xác định tổng tiết diện có ích lỗ vòi phun 192 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel  f 1 Trong :  nl 2p p  p z   Q max (10-18) nl – khối lượng riêng nhiên liệu pp – áp suất nhiên liệu thân vòi phun Đối với vòi phun kín tiêu chuẩn (hình 10.9) ta dùng phương pháp tính gần Lưu lượng nhiên liệu cực đại giây lớn lưu lượng giới hạn vòi phun Trong sức cản lưu động nhiên liệu lỗ vòi phun III.2.1 Lực ép ban đầu lò xo vòi phun Trong trường hợp này, phương trình (10-18) dùng để xác định gần tổng diện tích lưu thông có ích lỗ phun biết lưu lượng nhiên liệu cực đại chênh lệch áp suất phun Đường kính phần tựa phần dẫn hướng van kim xác định từ áp suất dư đường ống cao áp sau kết thúc trình phun Áp suất bắt đầu đẩy mở van kim ppo xác định điều chỉnh phun nhiên liệu vào áp suất khí trời po, điều kiện cân van kim thời điểm van kim bắt đầu tách khỏi đế van viết dạng sau: d 2k  d 2b d 2b  po A  p po  4 Trong đó: (10-19) A – lực ép ban đầu lò xo vòi phun dk – đường kính phần dẫn hướng van kim db – đường kính phần bao kín mặt tựa van kim Sau kết thúc phun, van kim tỳ lên đế van Điều kiện để van kim tỳ kín lên đế van viết sau: A  p cl  d 2k  d 2b d 2b  pz 4 (10-20) Nếu lựa chọn giá trị pz pcl với hệ số dự trữ bất đẳng thức viết thành đẳng thức Qua hai biểu thức giúp ta xác định tỷ số đường kính van kim: dk  db pz  po 1 p po  p cl (10-21) Coù thể dựa vào tiêu chuẩn cấu tạo để chọn hai đường kính đường kính lại xác định theo biểu thức (10-21) Nếu có trước điều kiện làm việc kích thước vòi phun, ta tìm áp suất nhỏ đẩy mở van kim qua tìm biện pháp giữ cho van kim đóng kín khít sau kết thúc trình phun p  po p po  z  p cl (10-22) dk 1 d 2b Lực ép ban đầu A vòi phun xác định theo phương trình (10-19) Mặt tựa hạn chế hành trình nâng cực đại van kim xmax phải chọn cho van kim tỳ lên mặt hạn chế lưu lượng cực đại nhiên liệu lớn lưu lượng giới hạn chút Người ta xác định xmax theo đặc tính 193 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel vòi phun Có thể xác định gần hành trình nâng cực đại van kim xmax theo cách suy luận sau: Muốn cho tác dụng tiết lưu van kim không làm giảm nhiều áp suất trước lỗ phun diện tích tương đương tiết diện lưu thông vòi phun không sai lệch nhiều so với tổng diện tích tiết diện lưu thông lỗ vòi phun, tức là:  td f td 1  1f Trong trường hợp xét diện tích tương đương tính sau: 1f1 2  k f k "2 1f1 2   k f k "2  td f td    td f td   1f1 Do đó:      kfk "    1f1    f "   k k   1f1  Nếu lấy hệ số lưu lượng giống (k = 1 = td)  f td   f1 Ta được:      f k"   f1    f"   k  f1    (10-23) ftd fc 1,0 0,8 0,6 Hình 10.11 Mối quan hệ 10 k’ f" f td vaø k ' k f1 f1 Vế phải phương trình tiến tới ta tăng dần tỷ số k '  thiệu quan hệ f k" Trên hình 10.11 giới f1 f" f td k’ Qua đồ thị ta thấy tỷ số k '  k > 3, tiếp tục tăng k’ f1 f1 gây ảnh hưởng tới mức độ tiết lưu f td sát với f Các vòi phun kín f k" 1,7  4,5 f1 tức giá trị k’ trung bình sát với 194 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel III.2.2 Độ cứng lò xo vòi phun Chọn tỷ số f k" , tìm f k Sau thay giá trị dx, f k" giá trị hàm lượng giác f1 góc côn tựa k vào phương trình:      f k"  rk  d x sin k  x k sin k cos k  2   (10-24) Ta phương trình bậc xk, giải phương trình ta tìm xkmax Khi xác định độ cứng c lò xo ta giả thiết tác dụng áp suất mở van ppo, van kim phải bật mở tựa lên mặt hạn chế Như từ điều kiện cân van tỳ lên mặt hạn chế, ta có: A  cx k max  p po d 2k (10-25) Từ ta xác định độ cứng lò xo vòi phun theo phương trình sau: c x k max   d 2k  p po   A     (10-26) Thí dụ: Tính tính vòi phun kín tiêu chuẩn cho động bốn kỳ biết lượng nhiên liệu cấp cho chu trình động chạy công suất thiết kế số vòng quay thiết kế n = 14000 (vg/ph) Vct = 63,8 (mm3) Nếu chọn khoảng thời gian cấp nhiên liệu p = 200 góc quay trục khuỷu hệ số tốc độ cung cấp lớn k = 1,4 Tốc độ cung cấp là: kVct 1,4.63,8.10 3.6.1400  dV  Q max   ct   6n   37,5 (cm / s) p 20  dt  max Nếu áp suất vòi phun pp = 35 (MN/m2), khối lưởng riêng nhiên liệu phun vào xylanh nl = 0,85.10-3 (kg/cm3), áp suất cháy pz = (MN/m2) tổng tiết diện lưu thông lỗ phun theo công thức (10-18)  f 1  37,5 0,85.10 3.10 4  14.10  (cm )  0,14 ( m ) 235   Nếu vòi phun có ba lỗ phun hệ số lưu lượng 1 = 0,65 đường kính lỗ phun 0,303 (mm) Nếu chọn dk = 5,0 (mm), chọn áp suất pz xylanh sau phun nhiên liệu 9,1 (MN/m2) phải giữ cho vòi phun kín khít áp suất lại đường ống cao áp sau phun pcl = 11MN/m2, giả thiết vòi phun điều chỉnh tới ppo = 15 (MN/m2) theo công thức (10-21) ta có: dk  db Do đó: db = 9,1  0,1   1,8 15  11 dk   2,78 ( mm) ; laáy db = 2,8 (mm); 1,8 1,8 Diện tích tiết diện lưu thông lỗ vòi phun: 195 Chương 10 – Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động Diesel f Nếu choïn k '    f 1 1  0,14  0,215mm 0,65 f k"  3,5 ta f k " = 3,5.0,215 = 0,735mm2 f1 Chọn đường kính dx = 1,5 mm, góc côn tựa 600, ta được: f" 1,57  1,57  dx   dx   k  2.0,68 0,68  2.0,68  x k max Ta hai nghieäm: xkmax = 1,73 + 1,375 = 3,105 mm; xkmax = 1,73 – 1,375 = 0,355 mm Nghieäm xkmax phương trình phải thỏa điều kiện: r = dx    x k sin k cos k  2 Trong hai nghieäm xkmax1 xkmax2 tìm có xkmax2 thỏa mãn điều kiện Lực ép ban đầu lò xo tính sau: A  15  2,8 2,8  0,1  209 4 Độ cứng lò xo vòi phun tính theo phương trình c   3,14.25   209   240 ( N / mm) 15 0,355   Các thông số tính bơm cao áp vòi phun sau chế tạo cần kiểm tra lại thực nghiệm, trình thực nghiệm thông số có khác nhiều so với kết tính toán 196 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo dục – 1999 [2] Hồ Tấn Chuẩn; Nguyễn Đức Phú; Trần Văn Tế; Nguyễn Tất Tiến, Kết cấu tính toán động đốt (tập I, II, III), NXB Giáo dục – 1996 [3] Nguyễn Tố Quyên, Nguyên lý tính toán động đốt trong, Trường đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, 1994 [4] A Kochin; V.Demidow, Design of Automotive Engines, English translation, Mir Publisher, 1984 [5] The Internal Combustion Engine in Theory and Practice, The M.I.T press (Massachusetts Institute of Technology) – 1998 [6] Advanced Engine Technology, London Roal Institute of Technology – 1999 [7] Tài liệu kỹ thuật Toyota, Mercedes 197 ... chuyển động tịnh tiến cấp (Pj2): j2  Pj (21 )  Pj (22 )  Pj (23 )  mR  cos 2? ??  mR? ?2  cos 2? ??  120 o   mR? ?2  cos 2? ??  24 0o     mR  cos 2? ??  cos 2? ??  120   cos 2? ??  24 0   P j (21 )... tính chuyển động tịnh tiến cấp (Pj2): P j2  P j (21 )  P j (22 )  mR cos 2? ??  mR cos 2? ??  180    mR? ?2 cos 2? ??  cos 2(   1800 )  2? ??mR? ?2 cos 2? ??  2Pj2  Trong đó: Pj (21 ) – lực quán... X X X Q18 Q19 Q20 Q21 Q 22 Q23 39 Chương – Động lực học cấu Piston – Khuỷu trục – Thanh truyền Vùng khoan lỗ dầu 14 13 12 15 11 10 16 17 18 19 20 21 60o 22 23 60o Hình 2. 17 Đồ thị mài mòn