ĐỒ án môn học kết cấu TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ đốt trong

Phần I

Tính nhiệt, động học, động lực học
động cơ R330

1


Chơng 1. Hớng phát triển, thực trạng và nhu cầu

sử dụng động cơ đốt trong ở nớc ta
1.1. Quá trình phát triển của động cơ đốt trong
1.1.1. Những thành tựu
Cùng với sự phát triển xà hội và nhu cầu cuộc sống của
con ngời, động cơ đốt trong chuyển từ chạy bằng hơi nớc
(James Woat-1789) vào khoảng giữa thế kỷ XVIII sang động
cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu Cacbua Hydro là một cuộc
cách mạng khoa học kỹ thuật của nhân loại. Trong quá trình
hình thành và phát triển, động cơ đốt trong đà trải qua
nhiều giai đoạn lịch sử và những thay đổi cả về hình dáng
và kỹ thuật, có những giai đoạn tởng nh không tồn tại đợc loại
động cơ này. Cho đến thời điểm hiện nay cha có gì có thể
thay thế đợc. Vào năm 1879, Rudorf Diesel, một kỹ s ngời Đức
đà chế tạo thành công động cơ đốt trong tự cháy do nén
nhiên liệu ở áp suất cao. Đợc gọi là động cơ DIESEL, đây là
động cơ DIESEL đầu tiên - tên của nhà phát minh ra loại
động cơ này. Sự ra đời của động cơ DIESEL có hiệu suất
cao hơn động cơ xăng, giá thành nhiên liệu hạ nên nó đợc sử
dụng rộng rÃi. Nó đà thay thế cho các phơng tiện thủ công
trong công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, Trên những
phơng tiện giao thông đờng bộ, đờng thuỷ, đờng sắt, gày

nay hầu hết đều sử dụng động cơ đốt trong. Động cơ đốt
trong ngày càng hoàn thiện các tính năng của mình để
càng ngày càng phù hợp với nhu cầu sử dụng của con ngời. Nó
là một phơng tiện hữu hiệu của loài ngời. Tuy nhiên thử thách
lớn nhất đợc đặt ra đối với động cơ đốt trong là nguồn
nhiên liệu đang dần bị cạn kiệt, câu hỏi đặt ra là loại nhiên
2


liệu nào sẽ thaythế các loại nhiên liệu đang đợc sử dụng hiện
nay. Tiếp đến phải kể đến vấn đề ô nhiễm môi tròng do
khí thải của động cơ đốt trong. Đây là vấn đề đang đợc
toàn thể các nớc trên thế giới quan tâm, nghiên cứu tìm ra
giải pháp hạn chế các vấn đề trên.
ở Việt Nam hiện nay động cơ đốt trong vẫn cha đợc
sản xuất hàng loạt, cha đủ cạnh tranh với các nớc trong khu
vực và trên thế giới về chất lợng và mức độ hoàn chỉnh của
nó. Tuy nhiên, để phù hợp với điều kiện địa lý kinh tế cần
nhiều máy móc phục vụ cho n«ng nghiƯp, víi sù th«ng minh
khÐo lÐo vèn cã cđa dân tộc Việt Nam, chúng ta đà cải tiến
và cho ra đời rất nhiều chủng loại máy phục vụ cho nông
nghiệp, công nghiệp. Những máy móc này đà góp phần giải
phóng sức lao động cho ngời nông dân Việt Nam, giúp tăng
năng suất lao động. Để ngày càng có nhiều máy móc ứng
dụng trong sản xuất phù hợp điều kiện Việt Nam, chúng ta
luôn cần những sáng kiến cải tiến để góp phần vào sự phát
triển của đất nớc.
1.1.2. Xu hớng phát triển của động cơ đốt trong
theo các tiêu trí sau
- Để giảm thiểu ô nhiễm môi trờng, một vấn đề nhức

nhối đối với tất cả các nớc trên thế giới, nhất là các nớc phát
triển, một phần gây ảnh hởng trực tiếp đến con ngời là khí
thải động cơ đốt trong.
- Do nhu cầu tất yếu của con ngời ngày một cao, để
đáp ứng nhu cầu của ngời tiêu dùng thì động cơ ngày càng
phải tối u hơn nh tốc độ cao hơn, tính tự động cao, đảm
bảo đợc độ bền, tiết kiệm nhiên liệu, an toàn cao hơn, hiện
đại hơn.v.v
3


- Mở rộng khả năng đa nhiên liệu.
- Khả năng thích ứng tốt đối với các quốc gia khác nhau
nh địa hình, thời tiết cũng nh nhu cầu con ngời ở mỗi quốc
gia là khác nhau.
- Giảm trọng lợng và kích thớc của thiết bị nhng vẫn
đảm bảo chắc chắn với độ an toàn, tin cậy cao.
- Động cơ không dùng nhiên liệu dầu mỏ, khí đốt mà đợc thay thế bằng các loại nhiên liệu khác.
Bớc sang một thế kỉ mới, thế kỉ XXI, động cơ đốt trong
hứa hẹn bớc phát triển vợt bậc. Những công bố mới đây của
các nhà khoa học về loại động cơ đốt trong chạy bằng nhiên
liệu không phải là cacbuahidrô nh H2, dầu thực vật, năng lợng
mặt trời, cồn.v.vsẽ khắc phục đợc vấn đề cạn kiệt về
nhiên liệu và nạn ô nhiễm môi trờng, hai vấn đề đợc xem là
yếu tố quyết định sự tồn tại của động cơ đốt trong.

1.2. Tình hình phát triển động cơ ở nớc ta và nhu cầu
sử dụng
ở nớc ta hiện tồn tại một thực tế mâu thuẫn đó là nhu
cầu sử dụng và việc sản xuất các loại động cơ của các nhà

máy trong nớc. Là một đất nớc nông nghiệp nên nhu cầu sử
dụng các loại động cơ để phục vụ cho ngời nông dân là rất
lớn, nhất là thời kỳ đổi mới đất nớc với các chính sách đẩy
mạnh phát triển nông nghiệp thì nhu cầu về việc thay thế
lao động thủ công bằng máy móc càng đòi hỏi cấp thiết
hơn.
Nhu cầu đi lại của nhân dân, đây cũng là thị trờng
rất lớn trong vấn đề tiêu thụ xe, ngời tiêu dùng luôn đòi hái vÒ
4


kỹ thuật ngày càng cao, chất lợng, giá thành, các chỉ tiêu
khác; Điều này cũng dúng trong phát triển ng nghiệp, thuỷ hải
sản.
Trên thực tế, đất nớc ta cha thể đáp ứng nổi nhu cầu
của ngời tiêu dùng mà hầu hết là nhập hay liên doanh với các
hÃng nớc ngoài, sản xuất và tự sản xuất dang là hớng phát
triển của dất nớc ta.
1.1.3. Giới thiệu qua về động cơ R330
+Động cơ :Đây là loại động cơ 4 kỳ có kết cấu gồm 6 xylanh được bố trí thẳng
hàng,thứ tự làm việc của các xylanh(thứ tự nổ) là 1-5-3-6-2-4 tương ng vi gúc
cụng tỏc l 1200

. Động cơ R330 là động cơ có công suất 370 mà lực.
Với động cơ này có các thông số nh :
- Hành trình của pistông = 145 mm,
- Số vòng quay n = 2300 vòng/phút,

Chơng 2. Tính toán nhiệt động cơ
Các thông số kỹ tht

CÁC SỐ LIỆU CỦA PHẦN TÍNH TỐN NHIỆT
T

Tên thơng số

Ký hiệu
5

Giá trị

Đơn vị

Ghi chú


T
1

Kiểu động cơ

R330

Thẳng hàng

2

Số kỳ

τ

4

3

Số xilanh

i

6

4

Thứ tự nổ

5

Hành trình piston

S

145

mm

6

Đường kính xilanh

D

120

mm

7

Góc mở sớm xupáp nạp

α1

16

độ

8

Góc đóng muộn xupáp nạp

α2

36

độ

9

Góc mở sớm xupáp xả

β1

60

độ

10 Góc đóng muộn xupáp xả

β2

16

độ

11 Góc phun sớm

ϕi

13

độ

12 Chiều dài thanh truyền

ltt

228

mm

13 Công suất động cơ

Ne

370

mã lực

14 Số vòng quay động cơ

n

2300

15 Suất tiêu hao nhiên liệu

ge

215

vòng/ph
út
g/kW.h

16 Tỷ số nén

ε

18

17 Trọng lượng thanh truyền

mtt

3,9

kg

18 Trọng lượng nhúm piston

mpt

3,4

kg

Bung chỏy thng nht, dng Omega

Tốc độ trợt trung b×nh cđa piston:
S .n
30

kỳ

1-5-3-6-2-4

19 Hình dạng buồng cháy

Cm =

Đ/cơ diesel
tăng ỏp

=

=11,116(m/s)

Động cơ thuộc loại có tốc độ trung bỡnh

6


2.1. Các thông số chọn
Các thông số đợc chọn theo điều kiện môi trờng, đặc
điểm kết cấu động cơ, chủng loại động cơ.
2.1.1. áp suất môi trờng pk
áp suất môi trờng pk là áp suất khí quyển trớc khi nạp
vào ®éng c¬. pk thay ®ỉi theo ®é cao, ë níc ta có thể chọn:
pk =0,1 (MPa)
2.1.2. Nhiệt độ môi trờng Tk
Lựa chọn nhiệt độ môi trờng theo nhiệt độ bình quân
cả năm
Nớc ta chọn: Tk = 273 + 24oC = 297 oK
2.1.3. áp suất cuối quá trình nạp pa
áp suất pa phụ thuộc vào rất nhiều thông số nh chủng
loại động cơ, tính năng tốc độ, đờng nạp, tiết diện lu
thông
Đối với động cơ không tăng áp:
pa = (0,8ữ 0,9).pk
Chọn pa =0,9. pk = 0,9.0,1 = 0,09 (MPa)
2.1.4. ¸p suÊt khí thải Pr
Có thể chọn pr nằm trong phạm vi:

pr = (1,10 ÷ 1,15).pk
Ta chän: pr = 1,15.pk = 1,15.0,1 = 0,115 (MPa).
2.1.5. Nhiệt độ khí thải Tr
Đối với động cơ DIESEL :
Tr = (700 ữ 1000) oK
Ta chọn : Tr = 750 oK
ChØ sè gi·n në ®a biÕn trung bình của khí sót m = 1,5
2.1.6. Hệ số nạp thªm λ 1

7


Phụ thuộc chủ yếu vào pha phân phối khí, thờng ta
chọn trong khoảng:
1 = 1,02 ữ 1,07
Ta chọn:1 = 1,03
2.1.7. Hệ số hiệu đính đồ thị công t
Tỷ nhiệt của môi chất công tác thay đổi rất phức tạp
nên ta thờng phải căn cứ vào hệ số d lợng không khí để
hiệu đính.
Thông thờng đối với động cơ DIESEl cã λ = 1,2 ÷ 1,8 ta
chän λt = 1,1
2.1.8. Hệ số quét buồng cháy 2
Đối với động cơ không tăng áp : 2 = 1
2.1.9. Mức độ sấy nóng môi chất T
Chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành khí hỗn
hợp ở bên ngoài hay bên trong xilanh.
Đối với động cơ DIESEL

:

Đối với động cơ này ta chän

∆T = 20o ÷ 40o
:

∆T = 25o

2.1.10. HƯ sè lợi dụng nhiệt tại điểm z: z
Thể hiện lợng nhiệt phát ra của nhiên liệu dùng để sinh
công và tăng nội năng ở điểm z với lợng nhiệt phát ra khi đốt
cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu.
Do đó z phụ thuộc vào chu trình công tác của động
cơ.
Đối với động cơ DIESEl z = 0,65 ữ 0,85
Ta chọn : z = 0, 75
2.1.11. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b: b
Môi chất nhận đợc nhiệt nên b bao giờ cũng lớn hơn z
Thông thờng đối với động c¬ DIESEL
8


ξb = 0,80 ÷ 0,90 , Ta chän :

ξb = 0,82

2.1.12. Hệ số hiệu đính đồ thị công
Thể hiện sự sai lệch khi tính toán lý thuyết chu trình
công tác của động cơ với chu trình công tác thực tế do đó
không xét đến pha phối khí, tổn thất lu động của dòng

khí, thời gian cháy và tốc độ tăng áp suấtSự sai lệch giữa
chu trình thực tế và chu trình tính toán lý thuyết

của

động cơ DIESEL nhiều hơn của động cơ Xăng vì vậy hệ số
của động cơ DIESEL thợng chọn trị số nhỏ, thờng ta chọn
trong khoảng :
Ta chọn:

= 0,92 ữ 0,97
= 0,92

2.2. Tính toán các chu trình công tác của động cơ 3 xylanh
2.2.1. Tính toán quá trình nạp
2.2.1.1. Hệ số khí sót

Trong đó: chỉ số giÃn nở đa biến trung bình của khí
sót là : m = 1,5

= 0,0318
2.2.1.2. Nhiệt độ cuối quá trình nạp

9


Phù hợp với động cơ không tăng áp: Ta = 310 ữ 350 oK
2.2.1.3. Hệ số nạp

2.2.1.3. Lợng khí nạp mới

Trong đó:

Ne = 370.0,7355 = 272,135(kW)
ge =

= 292,32(g/kW.h)

2.2.1.5. Lợng không khí cần thiết để đốt cháy 1
kg nhiên liệu

10


Nhiên liệu động cơ Diesel:
C = 0,87 ; H = 0,126 ; O = 0,004

2.2.1.6. Hệ số d lợng không khí

Phù hợp với động cơ DIESEL buồng cháy thống nhất.

11


2.2.2. Tính toán quá trình nén
2.2.2.1. Tính tỷ nhiệt
a. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí
(kj/kmol.độ)
b. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy
mcv

''

= 19,876+

1,634 1
187
,36 − 5
+  427
,86+
.10 T
α
2
α 

= 21,0364 + 0,00281.T
c. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới

Thay số ta có:
(kj/kmol.độ)
2.2.2.2. Chỉ số nén đa biến trung bình

Thay các giá trị đà biết và thử chọn với n1 = 1,3678, ta
đợc :

0,3678 = 0,3678

với sai số nh vậy thì n1 là chấp

nhận đợc .

12


Vậy n1= 1,3678
2.2.2.3. áp suất cuối quá trình nén
pc = pa . εn1 = 0,09.181,3678 = 4,6903 (MPa)
2.2.2.4. NhiƯt ®é cuối quá trình nén
Tc = Ta.n1-1 = 335,5.180,3678= 971,4 (0K )
2.2.2.5. Lợng môi chất cuối quá trình nén
Mc =M1 + Mr = M1(1+γ r) = 0,6911(1+0,0311) = 0,713
(kmol/kgnl)
2.2.3. TÝnh to¸n quá trình cháy
2.2.3.1. Hệ số thay đổi phần tử lý thuyết

= ,0458

2.2.3.2. Hệ số thay đổi phần tử thực tế

2.2.3.3. Hệ số thay đổi phần tử thực tế tại z

13


z =

z = 1,0406
2.2.3.4. Lợng sản vật cháy
M2 = M1 + ∆M = βo.M1 = 1,0458. 0,6911 = 0,7227
(kmol/kg.nl)
2.2.3.5. NhiÖt độ tại điểm z Tz

Tính Tz bằng cách giải phơng trình cháy của động cơ:
Đối với động cơ diesel, ta có:
(**)
Trong đó:
QH là nhiệt trị thấp QH = 42,5 (MJ/Kgnl) = 42,5 .103
(kj/kgmol)

(kj/kmol.®é)

=
=20,9416 + 0,00275.Tz

14



Chọn hệ số tăng áp suất: = 1,6
Thay tất cả vào phơng trình (*) ta đợc :



0,00286.Tz2 + 30,442.Tz 78890,63 = 0
Giải phơng trình này ta có: Tz = 2154,7 0K
Phù hợp với động cơ DIESEL có : Tz = (1800 ữ 2200 ) oK



Tỷ số tăng áp suất :
= 1,6
2.2.3.6. áp suất tại điểm z

pz = λ.pc = 1,6.4,6903 = 7,505 (Mpa)
2.2.3.7. Tû sè gi·n në ban đầu

= z .

=1,0406.

= 1,4426 < Thoả mÃn.

2.2.3.8. Tỷ số giÃn nở sau
=

=12,4775

2.2.4. Quá trình giÃn nở
2.2.4.1. Chỉ số giÃn nở đa biến trung bình
(***)
Trong đó :
Tb =
avz” =20,9416;

0,00275
15


Chän n2 = 1,2438 thay vµo (***) ta cã:

⇔

0,2438 = 0.2437

Từ pt trên ta thấy n2 = 1,2438 thoả mÃn.
2.2.4.2. áp suất cuối quá trìng giÃn nở
pb =

(Mpa)

2.2.4.3. Nhiệt độ cuối quá trình giÃn nở
Tb =

=1164,5 0K

2.2.4.4. Kiểm tra nhiệt ®é khÝ th¶i
Tr(tÝnh) = Tb .

= 1164,5.

= 823,64 0K

KiĨm tra :
Tr =


%=

% = 8,94%

Tr thỏa mÃn khoảng giá trị cho phép 15% .
Vậy Tr chọn nh ở trên là ®óng.

16

17


PHầN II
TíNH BềN MộT Số CHI TIÊT CủA
Động cơ 3tn66

18


Chơng 3:

tính bền trục khuỷu

Bảng 3-1. Số liệu tính bền trục khuỷu
Số LIệU TíNH BềN TRụC KHUỷU
tt
1
2
3
4
5
6
7
8

Thông số
đờng kính ngoài chốt

Ký
hiệu

Giá trị

Đơnv Ghi
ị

dch

38

mm

ch

20

mm

dck
khuỷu
Đờng kính trong cổ khuỷu ck
Khối lợng riêng vật liệu làm

trục khuỷu
Chiều dài chốt khuỷu
lch
Chiều dài cổ trục

lck
Các kích thớc của má
b,h
khuỷu
Khối lợng li tâm má
mmk

45

mm

20

mm
kg/m

Koảng cách từ trọng tâm

rmk

30

mm

Khoảng cách a

a

23

mm

Khối lợng của đối trọng

mđt

0,5

kg

Khoảng cách từ trọng tâm

rđt

45

mm

c,c

20,20

mm

khuỷu
Đờng kính trong chốt
khuỷu
đờng kính ngoài cổ

7800

25
25
20 ,
100
0,106

chú

3

mm
mm
mm
kg

đối trọng đến tâm quay
9

đối trọng đến tâm quay
Khoảng cách c và c

Trục khuỷu là một dầm siêu tĩnh,chịu lực phức tạp .Để đơn
giản phép tính,ngời ta phân đoạn trục khuỷu thành dầm tĩnh
định ứng với một khuỷu.Sơ đồ tính mghiệm bền trơc khủu nh
h×nh:
19


P r1

C1

a

a

R

Z'

P r1

C2

Z"

Z

b'

b"

c
l'

Pr2

l"

l0

P r1
C1

Z"
T"

C2
P r1

T
Z
x

Z'

P r2

T'

M k"
h

y
b x
y

M k'
H×nh 3-1. Sơ đồ tính bền trục khuỷu
Các khoảng kích thớc:

b = 20 (mm) = 0,020 (m) , h = 100 (mm) , R = 30 mm =
0,03 (m),
a = 23 (mm) = 0,023(m) , c’ = c” = 20(mm) = 0,02(m).
ChiÒu dµi chèt khy :lch = 25 (mm) = 0,025(m)
ChiỊu dµi cỉ khủu : lck = 25(mm) = 0,025(m)
20