thiết kế động cơ diesel

GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương Lời Cảm ơn Những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ, sự hội nhập nhanh chóng của nền kinh tế Việt Nam thì khoa học kỹ thuật cũng từng bước tiến bộ. Trong đó phải kể đến ngành cơ khí động lực, để góp phần nâng cao trình độ và kỹ thuật mỗi sinh viên chúng ta cần phải tìm hiểu và nguyên cứu, đó là điều cấp thiết. Không những vậy mà chúng ta còn phát huy tinh thần học hỏi nguyên cứu và chia sẻ làm việc theo nhóm. Sau thời gian được giao làm “ Đồ án học phần động cơ đốt trong”. Chúng em xin chân thành cảm ơn : Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập và làm bài tập. Sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của Thầy Hoàng Ngọc Dương, Thầy đã nhiệt tình giảng giải và phân tích cho chúng em hiểu rõ về những vấn đề thắc mắc của chúng em đặt ra trong quá trình làm. Thư viện trường đã tạo điều kiện cho chúng em mượn tài liệu tham khảo và học tập đạt kết quả cao trong suốt quá trình làm bài. Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm chúng em đã có gắng tìm tòi và nghiên cứu tài liệu một cách nghiêm túc. Mặc dù vậy nhưng do thời lượng môn học và trình độ có hạn nên trong quá trình làm đồ án không thể tránh những thiếu sót . Nhóm em rất mong nhận được góp ý ! TP Hồ Chí Minh, tháng 11, năm 2010 Nhóm 10 (DHOTO3) Chúng em chân thành cảm ơn! Đồ án Học phần động cơ đốt trong 1 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương MỤC LỤC 1. Giới thiệu động cơ và phương án lựa chọn 4 1.1. Đặc điểm động cơ thiết kế 4 1.2. Tổ chức quá trình cháy .4 1.3. Hệ thống nạp xả 8 1.4. Hệ thống làm mát 10 1.5. Hệ thống bôi trơn 12 1.6. Hệ thống khởi động 14 1.7. Động cơ mẫu .15 1.8. Kích thước cơ bản động cơ .16 1.9. Tổng hợp thông số cơ bản 16 2. Tính chu trình nhiệt động 19 2.1. Tính môi chất công tác 19 2.2. Quá trình nạp xả 25 2.3. Quá trình nén 32 2.4. Quá trình cháy .33 2.5. Quá trình dãn nở .34 2.6. Chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật cơ bản của chu trình .34 2.7. Cân bằng nhiệt 36 3.1. Động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 39 3.2. Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 45 3.3. Xây dựng đường đặc tính tốc độ ngoài động cơ 53 4. Thiết kế kỹ thuật hệ thống nạp xả 55 4.1. sơ đồ cơ cấu phối khí 55 4.2. Tính toán và lựa chọn kích thước xu páp .55 4.3. Đồ thị pha phân phối khí .59 4.4. Cấu tạo biên dạng cam 59 Đồ án Học phần động cơ đốt trong 2 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương 4.5. Tốc độ trung bình của khí xả qua tiết diện lưu thông 61 4.6. Tính toán lò xo xu páp qua phương pháp đồ thị .64 Tài liệu tham khảo .69 Bản vẽ Đồ án Học phần động cơ đốt trong 3 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương 1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ: - Động cơ được thiết kế là loại 4 kỳ, có 4 xylanh, bố trí thẳng hàng + Công suất danh nghĩa: Ne n = 58 KW + Số vòng quay danh nghĩa: n n = 3900 vòng/phút - Động cơ này được sử dụng trang bị trên ISUZU DMAX/VAN 1.2. TỔ CHỨC QUÁ TRÌNH CHÁY : 1) Loại nhiên liệu. - Nhiên liệu dùng cho động cơ là điesel - Các thành phần có trong nhiên liệu: Chọn nhiên liệu diesel nhẹ có thành phần khối lượng C = 0,87 ; H = 0,126 ; O = 0,004 ; S = 0(TL1/tr 51) 2) Buồng đốt. Buồng cháy động cơ diesel là nơi hòa khí được hình thành và bốc cháy và gây ảnh hưởng đến các chỉ tiêu: công suất, hiệu suất, độ tin cậy cũng như ô nhiễm môi trường bởi khí xã. Chọn loại buồng đốt thống nhất vì : Ưu điểm: cấu tạo đơn giản tổn thất nhiệt ít, tiết kiệm nhiên liệu khởi động dễ, thông dụng Nhược điểm: tỷ số nén cao, áp suất phun lớn, phải dùng kim phun có nhiều lỗ dễ bị nghẹt Đồ án Học phần động cơ đốt trong 4 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương Hình 1: Buồng đốt thống nhất 3) Hệ thống nhiên liệu. - Chọn hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel phun dầu điều khiển điện tử (Common Rail), do dùng buồng cháy thống nhất thì đòi hỏi cao đến chất lượng phun (nhiên liệu cần được phun nhỏ, đều, phân bố khắp không gian buông cháy) chỉ có vậy mới đảm bảo nhiên liệu được sấy nóng và bay hơi nhanh và hòa trộn đều với không khí trong đó để tạo thành hòa khí. Tỷ lệ hòa khí được xác định bởi các thông số:Áp suất phun, thời gian phun, kết cấu lỗ tia, thời điểm phun, vận tốc dòng khí nạp, khối lượng không khí nạp nhờ các cảm biến - Nhiên liệu được trữ với áp suất cao trong bộ tích áp và sẵn sàng để phun, và lượng nhiên liệu được phun ra được quyết định bởi người lái xe và thời điểm phun và áp lực phun được tính toán và điều khiển bằng ECU. - Lượng nhiên liệu phun và áp suất phun độc lập với nhau trong từng điều kiện hoạt động của động cơ. Các cảm biến sẽ gởi tín hiệu về ECU từ đó ECU sẽ phân tích và điều khiển quá trình phun thông qua các van. Các cảm biến: tốc độ trục khủy, tốc độ cam, cảm biến nhiệt độ nhiên liệu, cảm biến áp suất ống phân phối, cảm biến vị trí chân ga, cảm biến áp suất không khí vào, cảm biến lưu lượng khí (cảm biến nhiệt độ không khí vào),cảm biến nhiệt độ nước làm mát - Qúa trình phun: Đồ án Học phần động cơ đốt trong 5 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương Hình 2: đường đặc tính phun Phun sơ khởi (mồi): diễn ra trước khi khi piston đến điểm chết trên trong thời kỳ nén nhưng không thước 40 0 sẽ làm loãng dầu bôi trơn do nhiên liệu bám vào bề mặt thành xy lanh và piston. Phun mồi sẽ có 1 lượng nhỏ nhiên liệu (1-4 mm 3 ) được phun vào xy lanh để mồi. Điều này giúp áp suất cuối quá trình cháy tăng 1 ít nhờ nhiên liệu cháy 1 phần và phun mồi, giảm được thời gian cháy trễ quá trình cháy êm dịu hơn. Phun chính: xảy ra sau giai đoạn phun mồi và đây cũng chính là giai đoạn quan trọng giúp động cơ tăng lực kéo và sinh công Phun thứ cấp( xử lý khí thải): để đốt cháy NO x nó xảy ra sau quá trình phun chính nhiên liệu không bị cháy mà sẽ được bốc hơi nhờ khí nóng của khí thải bộ hóa khử lắp đẻ giảm NO x chúng tận dụng nhiên liệu trong khí thải như là nhân tố hóa học để giảm nồng độ NO x rồi 1 phần nhiên liệu sẽ được thu lại đưa vào buồng đốt thông qua EGR ( luân hồi khí xã). Đồ án Học phần động cơ đốt trong 6 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương Hình 3: Sơ đồ cấu tạo Hình 4: Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý hoạt động: Đồ án Học phần động cơ đốt trong 7 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương Bơm(2) hút nhiên liệu từ thùng chứa(1) qua bầu lọc(3) trên đường ống thấp áp, từ đây nhiên liệu được đảy đi với áp lực cao đến ống tích trữ áp lực cao ( ống sáo) (7) để rồi đi đến các kim phun (9) sẵn sành phun vào các xylanh cảu dộng cơ. Việc tạo áp suất và phun nhiên liệu hoàn toàn tách biệt với nhau trong hệ thống Common Rail. Áp suất phun được tạo ra dộc lập với tốc độ và lượng nhiên liệu phun ra. Hệ thống Common Rail Diesel có 5 ưu điểm: + Tiêu hao nhiên liệu thấp +Hạn chế được việc ô nhiễm môi trường do khí thải. Động cơ Diesel thế hệ “cũ”, trong quá trình làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu tạo ra tiếng ồn khá lớn. Khi khởi động và tăng tốc đột ngột lượng khói đen thải lớn.Vì vậy làm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm cao. Ở HTNL Common Rail áp suất phun lên đến 1500 bar, có thể phun ở mọi thời điểm, mọi chế độ làm việc và ngay cả động cơ lúc thấp tốc mà áp suất phun vẫn không thay đổi. Với áp suất cao, nhiên liệu được phun càng tơi nên quá trình cháy càng sạch hơn. +Động cơ hoạt động êm dịu, giảm được tiếng ồn. Động cơ làm việc êm dịu là nhờ cải tiến Bơm cao áp. Với kiểu bơm pittông bố trí hình sao lệch nhau 120 độ. +Cải thiện tính năng động cơ: Hoạt động nhẹ nhàng, linh hoạt và năng suất cao, giảm được tải trọng động trên động cơ +Thiết kế phù hợp để thay thế cho các động cơ Diesel đang sử dụng . Tuy nhiên, HTNL Common Rail còn các tồn tại là: + Thiết kế và chế tạo phức tạp đòi hỏi có ngành công nghệ cao. + Khó xác định và lắp đặt các chi tiết Common Rail trên động cơ cũ. 1.3. HỆ THỐNG NẠP - XẢ: Đối với động cơ 4 kỳ: - Cơ cấu phối khí có nhiệm vụ điều khiển quá trình thay đổi môi chất công tác trong động cơ. Thải sạch khí thải khỏi xylanh và nạp đầy không khí mới vào xylanh động cơ - Điều kiện làm việc: Tải trọng cơ học cao Nhiệt độ cao Tải trọng va đập tốt - Yêu cầu: Đồ án Học phần động cơ đốt trong 8 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương Đóng mở đúng quy luật và thời điểm Độ mở lớn Đóng kín xupap thải không tự mở trong quá trình nạp Ít mòn, tiếng ồn nhỏ, dễ dàng điều chỉnh sữa chữa, giá thành chế tạo thấp - Từ đó ta chọn: - Chọn cơ cấu phân phối khí kiểu xu páp treo: dung tích buồng cháy của động cơ Diesel nhỏ, tỷ số nén rất cao. - Kiểu truyền động gián tiếp trục cam được truyền động qua trung gian bởi bánh răng trung gian ( bánh răng nghiêng) ăn khớp êm dịu bền. - Trục cam lắp ở thân máy điều khiển xupap qua trung gian của con đội đũa đẩy cần mổ - Phương pháp dẫn động: cam-con đội - đũa đẩy - đòn gánh vì kết cấu đơn giản, Là loại cơ cấu phối khí được dùng phổ biến,có kết cấu dơn giản, dễ chế tạo dễ điều chỉnh, giá thành không cao lắm. - Điều chỉnh khe hở nhiệt xu páp bằng tay( khe hở nhiệt là khe hở được tạo ra bởi tất cả các chi tiết từ trục cam đến xupáp khi xupáp đóng. Khe hở này được biểu thị bằng khoảng cách giữa đuôi xupáp và đầu cò mổ khi xupáp đóng) Đồ án Học phần động cơ đốt trong 9 GVHD : Thầy Hoàng Ngọc Dương Hình 5: Cơ cấu phân phối khí Nguyên lý hoạt động: Trục khủyu quay làm bánh răng trung gian quay mà bánh răng trung gian ăn khớp với bánh răng cam nên trục cam được dẫn động. Trục cam quay trên trục cam có các bánh lệch tâm nên khi quay làm con đội, đũa đẩy, cò mổ chuyển động làm thay đổi đóng mở xupap nạp, xã. 1.4. HỆ THỐNG LÀM MÁT: - Khi động cơ đốt trong làm việc nhiệt lượng do nó sinh ra rất lớn. Nên cần có hệ thống làm mát để hạ nhiệt cho các chi tiết của động cơ và đảm bảo cho các chi tiết động cơ làm việc ở nhiệt độ thích hợp. Duy trì mức nhiệt 85-95 0 C tốt nhất cho động cơ ở từng chế độ hoạt động, khi khởi động động cơ được làm nóng nhanh, khi hoạt động ở cực đỉnh động cơ phải giải nhiệt tốt - Việc chạy động cơ quá nóng có thể gây ra : • Đánh lửa sớm • Kích nổ • Piston và xupap bị cháy Đồ án Học phần động cơ đốt trong 10