Đồ án động cơ đốt trong

Lời nói đầu
Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, là nguồn
động lực cho các phương tiện vận tải như: ô tô, máy kéo……
Đồ án môn học : ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG nằm trong chương trình
đào tạo chính thức của ngành Cơ khí động lực – Khoa Cơ Điện – Học viện
Nông nghiệp Việt Nam có vai tò quan trọng nhằm tạo cho sinh viên có cơ hội
tổng hợp và khắc sâu tất cả các kiến thức đã được học về động cơ đốt trong,
đồng thời được một cách cơ bản nhất quy trình thiết kế động cơ trong thực tế.
Dưới đây là phần bài làm được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo Nguyễn Trọng Minh đã được hoàn thành nhưng không tránh những sai
sót. Em rất mong được sự giúp đỡ và góp ý của các thầy trong bộ môn và các
bạn cùng lớp để đồ án được thành công tốt đẹp.
Mặc dù vậy, bản thiết kế này cũng đã đạt được những yêu cầu cơ bản
của bài tập. Qua bài thiết kế này chúng ta có thể gặp lại một số phương pháp
tính toán và thiết kế cơ bản mà đã được làm quen trong chương trình các môn
đã học, chúng ta có thể khắc sâu thêm về các phương pháp tính và lựa chọn và
chúng ta cũng biết được những bước cần thiết để hoàn thành một bản thiết kế.
Em xin trân thành cảm ơn sự tận tình hướng dẫn và sự giúp đỡ của các
thầy trong bộ môn Động Lực mà đặc biệt là thầy Nguyễn Trọng Minh và các
bạn cùng lớp để em có thể hoàn thành bài thiết kế này.
Sinh viên thực hiện

1


MỤC LỤC

2


NHIỆM VỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

ĐỒ ÁN MÔN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
(NHÓM ĐỀ:02)

1.Yêu cầu thiết kế:
- Công suất động cơ Ne= 140(ml)
- Số vòng quay
n = 3500(v/p)
- Số xi lanh
i = 6
- Hệ số thời kì
τ= 4
- Dạng buồng đốt : Buồng xoáy
2. Nội dung tính toán thiết kế động cơ
Nội dung tính toán thiết kế bao gồm 4 phần:
Phần 1 : Tính toán nhiệt các quá trình => Tìm ra D,S.
Phần 2 : Tính toán động lực học và động học cơ cấu biên tay quay.
Phần 3 : Tính toán động lực học và động học cơ cấu phân phối khí.
Phần 4 : Tính toán các hệ thống phụ như bôi trơn, làm mát…

3


PHẦN I
TÍNH TOÁN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

1.1 Quá trình nạp:
1.1.1 Tính áp suất tuyệt đối cuối thời kỳ nạp (Pa)
- Tính theo công thức:

'

p r .To + ηh .To .p o .( ε − 1)
pa =
ε.To

(kG cm2 )

( 1)

Trong đó:
+Pr: Áp suất cuối thời kỷ xả được tính theo công thức thức nghiệm Pê-trôp
Pr = 1.033(1+0,55.10-4.n) = 1.033(1+0,55.10-4.3500) = 1,23 (kG/cm2)
+To: Nhiệt độ khí quyển, lấy To = 273 + 25 = 2980K
+∆T: Độ đốt nóng thêm, lấy ∆T = 120
'
T0
+

: Nhiệt độ khối khí quyển đã bị đốt nóng bởi chu trình trước:

'
T0
=

To +∆T=3100K

η

η

+ h : Hệ số nạp đầy, lấy h =0,79.

+ε: Tỷ số nén của động cơ. Khi chọn tỷ số nén của động cơ diesel cần
tính đến kích thước của xi lanh, vật liệu làm piston và xi lanh, chế độ tốc độ và
tải động cơ…tỷ số nén của động cơ còn phụ thuộc vào phương pháp hình
thành hòa khí của động cơ nhằm đảm bảo cho động cơ được khởi động dễ
dàng khi máy lạnh,đối với dạng buồng xoáy (ε= 12÷24),chọn ε = 17
+p0: Áp suất khí quyển, P0= 1 (kG/cm2)
- Thay các giá trị trên vào công thức (1) ta được:
pa =

(

)

1,23.298 + 0,79.310.1. 17 − 1
17.298

(

= 0,85 kG cm 2

)

1.1.2. Thể tích cuối thời kỳ nạp Va:
- Theo công thức:
Va= ε.Vc(2)
Trong đó : + Va:Thể tích toàn bộ của xilanh
+ Vc:Thể tích buồng đốt
+ Vh:Thể tích làm việc
Ta có thể sơ bộ lấy Vc= 1 đơn vị thể tích, thay vào (2) ta được:
Va= ε.Vc = 17.1= 17 (đơn vị thể tích)

4


- Thể tích công tác:
Vh= Va – Vc = 17 (đơn vị thể tích)
1.1.3. Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta:
- Để xác định nhiệt độ cuối quá trình nạp ta thiết lập phương trình cân
bằng nhiệt giữa khí sót và khí nạp mới,tức là lượng nhiệt do khí sót nhả ra Q r,
thì khí nạp mới hoàn toàn nhận được Qkr hay Qr = Qkr .
- Theo công thức:
ε.p a .T0
17.0,85.298
Ta =
=
= 330,80 K
T
298
.1,23
ηh ( ε − 1) p0 + 0 .p r 0,79 ( 17 − 1) 1 +
973
Tr
(3)
+ Tr: Nhiệt độ khí còn lại trong xy lanh( Tr= 700 ÷1200).chọn Tr =
0

973 K
1.2 Tính toán quá trình nén
1.21. Tính chỉ số đa biến n1
Theo lý thuyết thì quá trình nén là đoạn nhiệt vì coi như trong quá trình
này không có sự trao đổi nhiệt. Nhưng trong thực tế quá trình trao đổi nhiệt

luôn luôn xảy ra khi động cơ làm việc. Do đó trong thực tế quá trình nén là quá
trình đa biến,trong đó các thông số thay đổi lien tục theo biểu thức :

p.vn1= const
100
Trong đó : n1=1,41 - n

=

100
1,41- 3500

= 1.38

với n là số vòng quay của động cơ
=> n1= 1,35÷1,38 => chọn : n1=1,37
1.2.2. Tính áp suất cuối thời kỳ nén pc:

p c = pa .ε n1 = 0,85.17 1.37 = 41, 2 (kG/cm 2 )
1.2.3. Tính thể tích cuối thời kỳ nén Vc:
Ta có thể lấy Vc= 1 (đvtt)
1.2.4. Nhiệt độ cuối thời kỳ nén Tc:
Theo công thức : Tc.Vcn1- 1 = Ta.Van1- 1

T = T .ε n1 −1 = 330,8.17 1.37 −1 = 943, 7 0 K

a
Suy ra : c
1.3 Tính toán quá trình cháy:
Quá trình cháy là quá trình hóa – lý phức tạp.Sự phát sinh,tiến triển và

cháy hoàn toàn,được xác định bởi đặc điểm tốc độ phản ứng hóa học,điều kiện
trao đổi nhiệt và biến đổi lượng chất trong phạm vi ngọn lửa,cũng như truyền

5


nhiệt ở thành xilanh.Tốc độ của quá trình ôxy hóa và sự cháy có thể đánh giá
tốc đọ tiêu tán những chất ban đầu là nhiên liệu ôxy, hoặc theo tốc độ tăng
nhiệt độ hay áp suất.
Trong quá trình cháy cả xupap nạp và thải đề đóng.Do nhiên liệu phun
vào xilanh ở cuối hành trình nén đã được chuẩn bị và tự bốc cháy, nên khi
piston đến điểm chết trên thì nhiên liệu cháy càng nhanh, làm áp suất khí cháy
trong xilanh tăng lên, hòa khí càng nhanh, làm cho áp suất trong xilanh tăng
lên rất lớn và đẩy piston từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới. Thời điểm
kết thúc quá trình cháy có thể cách xa điểm chết trên.
1.3.1Số lượng, thành phần khí trước khi cháy:
Trong quá trình nạp, ngoài môi chất mới được đưa vào xilanh M 1, chu
trước còn để lại trong buồng cháy một lượng khí sót M r, vì vậy lượng môi chất
có trong xilanh tại thời điểm cuối quá trình nạp hoặc đầu quá trình nén M c
được xác định theo công thức:
Mc= Mr + Ml (4)
Trong đó:
Mc: Lượng hỗn hợp trước khi cháy (kmol)
Mr: Lượng môi chất mới nạp (kmol)
Ml: Lượng không khí còn lại (kmol)
a, Lượng khí và thành phần hỗn hợp đưa vào xi lanh
Gọi kmol hỗn hợp đưa vào xi lanh động cơ là M 1, ở động cơ diesel nhiên
liệu được đưa trực tiếp vào xi lanh ở cuối kỳ nén lên hỗn hợp đưa vào xi lanh lúc
này chỉ là không khí. Ta có số kmol không khí tham gia đốt cháy 1kg nhiên liệu là:
Ml = L = α.L0+ 1/MT

Trong đó :
+ α : hệ số dư không khí đối với động cơ diesel ,việc phun nhiên liệu
được bắt đầu gần cuối quá trình nén do vậy α >1,3 nếu chọn α thấp hơn thì sẽ
cháy không hết , có phần khí CO trong khí thải và xả khói đen , ở đây ta chọn
α = 1,35
+ MT là khối lượng phân tử của nhiên liệu
+ L0 là lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu ,theo phản ứng
cháy của nhiên liệu
C + O2 = CO2
2 H2 + O2 = 2H2O
- Lượng khí cấn thiết để đốt cháy hết 1kg nhên liệu tính theo thể tích là:

6


1 C H 2 O2
( +
− )
0,
21
12
4
32
L0 =
+Trong đó thành phần các nguyên tố la: H2= 13,3 %;O2= 1,0 %;C= 85,7 %
Thay vào ta tính được:

1 0,857 0,133 0,01
(
+

−
) = 0,5 ( kmol )
0, 21 12
4
32
- Trong thực tế lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết nhiên liệu lơn hơn
Ml=α.L0= 1,35.0,5= 0,675 (kmol)
b, xác định lượng khí sót lại trong xi lanh của chu trình trước Mr
M
γ= r
αL
Từ công thức :
nên ta có Mr= γ.α.L
L0 =

- Hệ số khí còn lại γ được xác định từ phương trình đặc tính
p r .T0
1,23.298
M
γ=
=
= 0,03
γ= r
Tr .pε0 ( 1− η) h 973.1.(17 1).0,79
−
αL
=>

Suy ra số mol khí còn lại trong xy lanh là:
Mr= γ.α.L0= 0,0294.1,35.0,5=0,02 (kmol)

Vậy số mol mồi mới nạp :
Mc=Mr+L=0,02+1,35.0,5=0,695 (Kmol)
1.3.2. Số lượng thành phần khí sau khi cháy:
- Thành phần của sản phẩm cháy được tính theo kmol, gọ số kmol sẩn
phẩm cháy là M. Đối với động cơ diesel luôn hoạt động với hệ số thừa không
khíα> 1 nên xảy ra sự đốt cháy hoàn toàn. Khi đó cacbon cháy thành cacbonic
(CO2) và hidro cháy thành hơi nước. Ngoài ra sản phẩm cháy còn chứa nitơ
của khí quyển và ôxy thừa, nên ta có:
M = MCO2 + MH2O + MO2 + MN2 kmol/kg nl
- Theo công thức:

7


0,133 0, 01
H O 
M = α .L0  +  + nl ÷ = 1,35.0,5 +
+
= 0, 708 ( kmol / kg nl )
4
32
 4 32 
kmol/kg

nl- Sau khi cháy hỗn hợp gồm sản phẩm cháy M và không khí thừa của chu
trình trước Mr, gọi số mol sau khi cháy là Mz ta có:
Mz = M + M r
(5)
Trong đó: Mr = 0,02(kmol)
Mz = 0,018 + 0,708 = 0,726( kmol)

1.3.3. Phương trình cháy của động cơ điesel:
- Đối với động cơ diesel, lượng không khí thực tế được đưa vào xilanh
nhiều hơn lượng không khí cần theo lý thuyết, nhưng lượng ôxy tham gia phản
ứng.Như vậy phương trình cháy trong trình này như sau:
8
11
(gCkgC + gHkgH2 + gOnlkgO2 ) + α( 3 gC + 8gH – gOnl)kgO2 = 3 gCkgCO2 +
8
9gHkgH2O + (α-1)( 3 gC + 8gH – gOnl)kgO2
- Nhiệt độ khí thể cuối quá trình cháy nhiên liệu động cơ diesel làm việc
theo chu trình cấp nhiệt hỗn hợp nên phương trình cháy có thể xác
định theo nguyên thứ nhất động học đối với điểm Z.
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của khí trước và sau khi cháy:
ξ.Q H
TC ( C V1 + 1,985.λ ) +
= μ.C 'P .TZ ( 6)
α.L 0 .(1 + γ )

Trong đó:
+ TC : Nhiệt độ cuối quá trình nén,ta có: TC = 943,7○K
+ Cv1: Nhiệt dung phân tử trung bình đẳng tích của môi mới nạp còn gọi
là tỷ nhiệt của hỗn hợp nạp mới. Đối với động cơ diesel nhiệt dung riêng của
hỗn hợp nạp mới chính là nhiệt dung riêng của không khí. Theo công thức :
CV1= A1 + B1.TC= 4,815 + 0,4151.10-3.943,7 = 5,2 (kcal/kmol.độ)
+ CP’: Nhiệt dung phân tử tb đẳng áp của sản phẩm cháy
CP’= 1,985 + CV’ (7)
+ Cv’ là nhiệt dung phân tử tb đẳng tích của sản phẩm cháy
Với α>1 ta có:
CV’ = (4,8 + 0,22/α) + (3,7 +3,3/α).10-4.TZ
Thay số vào ta tính được: CV’= 4,963 + 6,144.10-4.TZkcal/mol.độ (8)

Suy ra:
CP’= 1,985 +4,963 + 6,144.10-4.TZ= 6,948 + 6,144.10-4.TZkcal/mol.độ (9)
+ μ: Hệ số biến thiên phần tử tính toán, thể hiện sự thay đổi số mol
các khí trước khi cháy so với sau khi cháy.
8


μ=

M Z 0, 726
=
= 1, 05
M C 0, 695

+ λ: mức tăng áp suất λ=

Pz
Pc đối với động cơ diesel có buồng đốt

phân chia thì λ=1,2÷1,8. Ở đây ta chọn λ= 1,6
+ ξ: hệ số sử dụng nhiệt có kể đến tổn thất khi cháy nhiên liệu do
cháy rớt ,nhả nhiệt ra bên ngoài qua buồng cháy. Với động cơ diesel có buồng
đốt phân chia thì ξ=0,7÷0,9 . Ở đây ta chọn ξ= 0,75
+ QH: nhiệt trị thấp của nhiên liệu,đối với nhiên liệu diesel thì
QH=7500÷10500 kcal/kg nl. Ở đây ta chọn QH= 10100kcal/kg nl
* Tính nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz:
Thay các giá trị vào phương trình (6) ta được phương trình bậc hai :
6,45.10-4Tz2 +7,2954Tz- 18800 = 0
Giải phương trình bậc hai ta được Tz= 21630K và Tz =-13473(loại)
* Áp suất cuối quá trình cháyPz

PZ= λ.PC= 1,6.41,2= 65,92 (kG/cm2)
* Thể tích cuối quá trình cháy Vz:
Từ pt trạng thái tại hai điểm C và Z trên đồ thị trạng thái ta có
1,05 2163
.
.1 = 1,5
VZ= ρ.VC= (μ/λ.TZ/TC).VC= 1,6 943, 7
(đvtt)

1.4 Quá trình giãn nở sinh công:
- Quá trình giãn nở từ điểm Z đến điểm b’ .Khi giản nở xảy ra sự biến đổi
nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cháy thành công cơ học.Thực ra đầu quá trình
giản nỡ còn có trình cấp nhiệt do cháy dớt.Mặt khác còn có hiện tượng trao đổi
nhiệt giữa môi chất với thành vách các chi tiết.Vì vậy quá trình giản nở là một quá
trình nhiệt động phức tạp.Tương tự như quá trình nén, người ta coi gần đúng đây
là một quá trình đa biến với chỉ số giản nở đa biến là n2.
1.4.1. Xác định chỉ số đa biến trung bình của quá trình giãn nở n2
Đối với động cơ diesel thì n2= 1,18÷1,28,nên ở đây ta chọn n2= 1,18
1.4.2 . Tính áp suất cuối quá trình giãn nở pb
Theo lý thuyết thì đây là quá trình đoạn nhiệt. Nhưng trong thực tế quá
trình giẫn nở được thực hiện trong điều kiện có nhiều hiện tượng phát sinh
như :
+ Cháy nốt đường giãn nở
+ Sự phân giải sản phẩm cháy và sự hoàn nguyên
+ Sự truyền nhiệt sang nước làm nguội
9


+ Sự lọt khí qua khe hở
Do đó trong thực tế thì đường cong của quá trình giãn nở sinh công là

quá trình đa biến :
Pz.Vzn2 = pb.Vbn2 = const
1
p b = p Z . n2
δ
Trong đó δ là độ giãn liên tiếp của chu trình
δ=

V
b = Va = ε = 17 = 11,33
V
Vρ 1,5
Z
Z

Thay vào ta được :
65,92.

1
= 3,76 (kG/cm 2 )
11,331,18

pb=
1.4.3. Tính nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T
1
1
Tb = TZ . n 2 −1 = 2163
= 1397,30 K
1,18−1
δ

11,33
1.4.4.Thể tích cuối thời kỳ giãn:
Vb= Va= ε.VC= 17 (đvtt)
1.5 Tính toán áp suất chỉ thị trung bình:
1.5.1 Áp suất chỉ thị trung bình tính toán
'
pi

- Gọi ( kG/cm2) là áp chỉ thị trung bình theo lý thuyết thì đối với động
cơ diesel theo công thức
p 
'
pλi =ρ C
1 
ε −1



=

(

−

) 1+

1 
1 
1 
1−

−
 − n −1 ÷

n1−1 ÷
÷ n −1
÷
n2 −1 
2
δ
 1  ε

λρ 


41, 2 
1,6.1,5 
1
1 
1

1,6
1,5
−
1
+
1
−
−
1
−

(
)


÷

÷
17 − 1 
1,18 − 1  11, 331,18−1  1,37 − 1  171,37 −1 

= 9,7 (kG/cm2)
1.5.2. Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi:
- Sau khi hiệu định các đồ thị công của động cơ để đồ thị sát với chu
trình thực tế hơn, nên công chỉ thị thực tế Li sẽ nhỏ hơn công chỉ thị lý thuyết
Li’ , vậy ta có : pi < pi’.Do chu trình thực tế của động cơ việc bốc cháy trước
điểm chết trên, cháy với tốc độ hữu hạn. Xupap xả mở trước điểm chết dưới,

10


làm giảm một phần công giản nhưng một phần làm giảm công đẩy khí đã làm
việc và làm sạch tốt hơn xilanh.
- Giá trị thực tế của áp suất chỉ thị trung bình đối với động cơ diesel 4 kỳ
được theo công thức :
pi= ν. pi’ – ∆p
Trong đó :
+ ν: Hệ số lượn tròn của đồ thị, lấy ν = 0,92
+ ∆p: Tổn thất của bơm, ∆p = pr- pa
Suy ra:pi = 0,92.9,7 – (1,23 – 0,85) = 8,5 (kG/cm2)
1.6 Xác định các chỉ tiêu cơ bản của đông cơ

1.6.1 Hiệu suất chỉ thị của động cơ
Nó đánh giá mức sử dụng nhiệt lượng của động cơ để biến thành công

ηi =

1,985.M C .Tε
C ( 1− p)
p C .Q H

i

=

1,985.0,695.943,7.(17 − 1).8,5
= 0,425
41,2.10100

Vậy ηi = 42,5 %
1.6.2. Hiệu suất cơ học của động cơ ηm
N
p
p −p
ηm = e = e = i T
N i pi
pi
- Ta có:
Trong đó :
+ pT là áp suất hao tổn bên trong và truyền động cho máy nén khí.Đối
với động cơ diesel kiểu buồng xoáy có thể xác định pT theo công thức:
pT= 0,922 + 0,00101.n = 4,457 kG/cm2

p −p
8.5 − 4,475
ηm = i T =
= 0,473
p
8.5
i
Suy ra
Vậy ηm = 47,3 %
1.6.3. Công suất chỉ thị Ni:
N
140
Ni = e =
= 296 (ml)
ηm
0,473

η
1.6.4. Hiệu suất hiệu dụng e
Đây là thông số đánh giá hiệu suất về cơ và nhiệt
ηe = η .ηm = 0,425.0,473 = 0,20 = 20 %
i

1.6.5. Tổn thất công suất cơ học Nm:
11


NT= Ni – Ne= 296– 140 = 156 (ml)
1.6.6. Chi phí nhiên liệu riêng:
Là số gam nhiên liệu mà máy kéo tiêu thụ trong 1 giờ làm việc

632
632.103
3
ge =
.10 =
= 312,8 (g/ml.h)
ηe .Q H
0,2.9950
1.6.7 Chi phí nhiên liệu giờ:

GT =

g e .N e 312,8.140
=
= 43,79 (kgnl/h)
103
103

1.7 Tính toán cân bằng nhiệt động cơ:
- Từ phân tích chu trình động cơ cho thấy rằng chỉ một phần năng lượng
nhiệt hình thành do cháy nhiên liệu được chi phí vào thực hiện công có ích. Để
xác định được tính năng sử dụng năng lượng nhiệt và tìm cách nâng cao hiệu
quả sử dụng nhiệt, cũng như tính toán cho quá trình làm mát và thiết kế tận
dụng năng lượng nhiệt của động cơ, cần xác định các thành phần năng lượng
riêng của phân phôi nhiệt(cân bằng nhiệt) phụ thuộc vào các thông số khác
nhau, đặc trưng cho điều kiện khai thác (chế độ tải,tốc độ quay, thành phần hỗn
hợp,…)
- Phương trình cân bằng nhiệt động cơ:
Q0 = Qe+ Qlm+Qth+Qchk+Qch ,kcal/h
Trong đó:

+Q0 : Lượng nhiệt toàn phần do đốt cháy nhiên liệu cung cấp cho động
cơ ở chế độ công tác thực hiện,ta có
Q0 = QH .GT = 10100.43,79 = 442279 (kcal/h)
+Qe : Lượng nhiệt tương đương công có ích của động cơ,ta có
Qe = Ne = Q0.ηe = 442279.0,2 = 88455,8(kcal/h)
+Qth: Lượng nhiệt mang từ động cơ theo khí thải,ta có
Qth = GT(M2.Cp’.Tr’- Ml.Cp1.T0) kcal/h
Với :
+Tr’: Nhiệt độ khí thải đo sau đường ống thải, Tr’= 10230K
+T0: Nhiệt độ khí nạp mới trên đường ống nạp vào xi lanh , T0 = 2980K
+Cp’: Nhiệt dung riêng mol đẳng áp của khí thải
Cp’= 1,985 + Cv’

12


0, 22
’
Cv =(4,8+ α

3,3
) + (3,7+ α

0, 22
).10-4.Tr’= (4,8+ 1,35

3,3
) + (3,7 + 1,35

).10-4.1023

=5,59(kcal/kmol)
=> Cp’=1,985 + 5,59 = 7,575(kcal/kmol)
+Cp’ : Nhiệt dung riêng mol đẳng áp của khí nạp mới
Cp1 = 1,985 + Cv1 = 1,985 + 5,2 = 7,185(kmol/kcal)
Vậy nhiệt lượng mang theo khí thải là :
Qth = 43,79(0,708.7,575.1023 – 0,675.7,185.298) =176963,65 kcal/h
+Qchk: Phần nhiệt của nhiên liệu mất mát do cháy không hoàn toàn,đối
với động cơ diesel α > 1 suy ra nhiên liệu cháy hoàn toàn : Qchk= 0
+Qch: Lượng nhiệt trao đổi do dầu bôi trơn hay nhiên liệu do tổn thất cơ
học,ta có :
Qch = Q0(ηi - ηe) = 442279.(0,425 – 0,2) = 99512,7 kcal/h
+Qlm: Lượng nhiệt nhả cho môi trường làm mát
Qlm = Q0 – (Qe+Qth+Qchk+Qch)
= 442279 – (88455,8 + 176963,65 +99512,7) = 77346,85 kcal/h
1.8 Xác định các kích thước cơ bản của động cơ:
- Động cơ 4 xi lanh 4 kì
- Công suất động cơ : Ne = 140 (ml)
- Số vòng quay : n = 3500 (v/ph)
- Số xi lanh : i = 6
- Hệ số thời kì :
=4
- Dạng buồng đốt : Buồng xoáy
1.8.1 Xác định đường kính xylanh D và hành trình piston S:
Ta có đường kính xilanh D và hành trình piston S có mối quan hệ với
nhau. Tỷ số S/D đặc trưng về kết cấu cho tải trọng động lực học của động cơ.
Cụ thể là với số vòng quay n nhất định , nếu ta tăng tỷ số S/D thì tốc độ trung
bình của piston tăng làm giảm hiệu suất và làm tăng hao mòn và công ma sát,
ngoài ra còn làm giảm độ cứng trục khuỷu dẫn đến dễ bị xoắn, làm tăng chiều
cao động cơ làm cho động cơ khó cân bằng. Nếu chọn tỷ số S/D nhỏ thì áp lực
lên piston tăng làm độ bền giảm và làm tăng kích thước bề ngang của động cơ

(do D lớn ). Từ những phân tích trên và căn cứ vào tải trong và số vòng quay
13


của động cơ đang thiết kế nhằm xác định giá trị của D và S sao cho hợp lý. Ta
chọn S/D = 1,2
Từ công thức công suất động cơ :

Ne =

p e .Vh .n.i
450.τ.N e 450.τ.N e
⇒ Vh =
=
450.τ
p e .n.i
p i .η m .n.i

Vh =

450.4.140
= 2,985 (dm 3 )
8,5.0,473.3500.6

- Mặt khác ta có : Vh= SπD2/4
- vì S/D = 1,2 suy ra S = 1,2 D thay vào trên ta được :

1,2π D3
4Vh
Vh =

⇒D= 3
=
4
1,2π

3

4.2,985
= 1, 469 (dm)
1,2.3,14

* Hành trình pistonS = 1,2D = 1,2.1,469 = 1,762 (dm)
1.8.2.Xác định khe hở lắp ghép của pison
Tính toán nguội:
+Khe hở phần đầu: Δd = 0,007D = 0,007.1,469 = 0,01003 (dm)
+Khe hở phần thân : Δt = 0,002D = 0,002.1,469 = 0,002938 (dm)

14


1.8.3. Xác định các thông số kích thước của piston
Các thông số kích thước được chọn tổng học theo bảng sau:
Thông Số Piston
Đ/C ô tô máy kéo Diesel
Chiều dày đỉnh δ có làm mát (dm)
0,05D
Khoảng cách h từ đỉnh đến xec măng thứ nhất
1,0 δ
0,05D
Chiều dày s phần đầu (dm)

1,0D
Chiều cao H của piston (dm)
0,5D
Vị trí chốt piston (dm)
0,3D
Đường kính chốt piston dcp (dm)
1,3dcp
Đường kính bệ chốt piston db (dm)
0,6dcp
Đường kính trong chốt piston do (dm)
5mm
Chiều dày phần thân s1 (mm)
Số xec măng khí

3

Chiều dày hướng kính t (dm)

1/22D

Chiều cao a (mm)

2,2mm

Số xec măng dầu

1

Chiều dày bờ rãnh a1 (mm)

>= a

Thay số và tính toán ta có được các thông số kích thước của piston :
Thông Số Piston
Đ/C ô tô máy kéo Diesel
Chiều dày đỉnh δ có làm mát (dm)
0,073
Khoảng cách h từ đỉnh đến xec măng thứ nhất
0,146
0,073
Chiều dày s phần đầu (dm)
1,469
Chiều cao H của piston (dm)
0,734
Vị trí chốt piston (dm)
0,44
Đường kính chốt piston dcp (dm)
0,572
Đường kính bệ chốt piston db (dm)
0,26
Đường kính trong chốt piston do (dm)
5 mm
Chiều dày phần thân s1 (mm)
Số xec măng khí

3

Chiều dày hướng kính t (dm)

0,066

Chiều cao a (mm)

2,2 mm

Số xec măng dầu

1

Chiều dày bờ rãnh a1 (mm)

2,5 mm

*Tính toán kiểm tra bền chốt piston:
15


[ σ u ] = 450 MN / m 2
2
Ở đây ta sử dụng thép hợp kim cao cấp có: [ τ u ] = 150 MN / m
Khi chịu lực khí thể, chốt bị uốn lớn nhất ở tiết diện giữa chốt. Momen uốn
chốt có thể xác định theo công thức:
Pz  1 ld 
 − ÷
2
Mu =  2 4  MN.m
Trong đó Pz là lực khí thể:

π D2
Pz = pz .

MN
4
Môđun chống uốn của tiết diện chốt piston bằng:
4
4
π  d cp − d o 
3
4
3
Wu =

÷ ≈ 0,1d cp ( 1 − a )          ( m )
32  d ch 
Ứng suất uốn chốt piston

1
π D 2  1 ld 
pz .
−
Mu
2
4 
2
4÷

    MN / m 2
σu =
=
3
4

Wu
0,1.d cp 1 − α

(

)

(

Trong đó :
+ pz : Áp suất cuối quá trình cháy.
Pz = 65,92 ( KG / cm2 ) = 6,59 ( MN / m2 )
+ D : Đường kính piston.
+ l : Khoảng cách giữa 2 gối đỡ; l = 0,9D
+ ld : Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền; ld = 0,3D
+ dcp : Đường kính chốt piston; dcp = 0,3D
+ d0 : Đường kính trong của chốt; d0 = 0,6dcp
+ Hệ số độ rỗng củ chốt :

α=

d 0 0, 6d cp
=
= 0, 6
d cp
d cp

Thay các giá trị trên vào t có:

1

π D 2  0,9 0,3 
3
pz .
D
−
p zπ D 3
÷
2
4
2
4

  =
64
σu =
3
4
0,1.d cp 1 − α
0,1.d cp 3 1 − α 4

(

)

3
.6, 59π .0,1469
= 64
= 414, 92MN / m 2
3
4

0,1.0, 044 1 − 0.6

(

)

- Chốt piston chịu cắt với ứng suất cắt xác định theo công thức :

16

(

)

)


π D2
π .0,14692
pz .
6,59.
Pz
4
4
τu =
=
 =
= 36,73 ( MN / m 2 )
2
2

πd
π 0, 044
2 Fcp
2.
2. cp
4
4
Ta có:

[ σ u ] = 450MN / m2 => σ u < [ σ u ]
[ τ u ] = 100MN / m2 => τ u < [ τ u ]

=> Vật liệu đủ bền

*Tính toán và kiểm tra bền xecmăng:
Kiểm tra ứng xuất uốn của xecmang theo công thức:
2Cm AE
σ u1 =
D 
π ( 3 − ξ ) D  − 1÷
 t


(1-20)

Trong đó :
+ Cm : Hệ số ứng suất phần miệng xéc măng; Cm = 1,8
+ ξ : Hệ số phân bố áp suất; ξ = 0,196
+ E : Mô đun đàn hồi của hợp kim gang; E = 1,2.105 ( MN / m2 )
+ A : Độ hở miệng xéc măng ở trạng thái tự do.

+ t : Chiều dày xéc măng.
+ D : Đường kính xy lanh.

D
A
A 3
= 25; = 3; =
t
t
D 25
Thay các giá trị trên vào ta có :

σ u1 =

2.1,8.1, 2.105.3
= 245, 02 MN / m 2
π ( 3 − 0,196 ) .25. ( 25 − 1)

(

)

1.8.4: Xác định thông số thanh truyền
Các thông số kích thước được chọn tổng học theo bảng sau:
Đ/C ô tô máy kéo Diesel

Thông số thanh truyền
Đường kính ngoài bạc d1 (dm)
Đường kính d2 (dm)
chiếu dày đầu nhỏ ld (dm)

Chiều dày bạc đầu nhỏ (dm)

1,2 dcp
1,5 dcp
0,3D
0,08 dcp

Thay số và tính toán ta có được các thông số kích thước của thanh truyền :
Thông số thanh truyền
Đ/C ô tô máy kéo Diesel
Đường kính ngoài bạc d1 (dm)

0,207
17


Đường kính d2 (dm)
chiếu dày đầu nhỏ ld (dm)
Chiều dày bạc đầu nhỏ (dm)

0,26
0,44
0,014

1.8.4.Tính lại các thể tích
V
2,985
V = h =
= 0,186 (dm3 )
C ε −1

16
Vε.V
17.0,186
=
3,162
= (dm ) 3
a =
C
V = Va = 3,162 (dm3 )
b
Vr = V = 0,186 (dm3 )
C
Thể tích cuối quá trình cháy đẳng áp :
Vz = ρ.Vc = 1,5.0,186 = 0,279 (dm3)
1.8.5. Công suất riêng của động cơ
Là công suất danh nghĩa ứng với một đơn vị diện tích đáy của tất cả
cácpiston:
Ne
140
2
Nr =
2 =
2 = 13,77 ( ml/dm )
πD
π.1, 469
i
6.
4
4
1.8.6. Công suất thể tích Nl

Nl =

Ne
Ne
N 13,77
=
= r=
= 7,81
2
πD
i.Vh
S 1,762
i
.S
4

18

( ml dm )
3


PHẦN II
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU BIÊN_TAY QUAY.
Cơ cấu biên tay quay là cơ cấu gồm các chi tiết liên hợp với nhau để
thực hiện chu trình làm việc của động cơ và biến chuyển động tịnh tiến của
piston trong kỳ cháy dãn nỡ thành chuyển động quay của trục khuỷu.
Khi động cơ làm việc, các chi tiết cơ cấu biên tay quay chịu tác động
của áp suất môi chất trong xilanh, lực quán tính của các chi tiết chuyển động

và lực ma sát, luôn biến đổi phương chiều và độ lớn. Các lực tác động lên
piston rồi qua tay biên tạo ra moomen làm quay trục khuỷu.
Động cơ đốt trong được thiết kế sao cho đảm bảo sự luân phiên đều đặn
các hành trình làm việc. Luân phiên đều đặn hành trình làm việc của động cơ
được đảm bảo nhờ cơ cấu của trục khuỷu và trục phân phối khí khi đó xilanh
của động cơ sẽ có một trật tự làm việc xác định, đối với động cơ 6 xilanh là 15-3-6-2-4.

H1: Cơ cấu biên tay quay

19


2.1_Động học cơ cấu:
Ở đây ta xét cơ cấu biên tay quay trùng tâm lý tưởng, quay đều với vận
tốc góc không đổi ω và không có khe hở liên kết giữ các chi tiết. Khi đó tất cả
các thông số động học có thể biểu diễn là hàm số của góc quay φ, có nghĩa là
được nghiên cứu như cơ cấu có một bậc tự do.
Các thông số cấu trúc cơ bản của biên tay quay là:
+ S- hành trình của piston;
r- bán kính tay quay(r= S/2);
l- chiều dài tay biên;
λ- thông số động học của động cơ (λ=r/l);
Thông số này ảnh hưởng nhiều tới trị số động học ( Vận tốc, gia tốc ) và
đặc điểm cấu trúc của động cơ, nó xác định chiều cao động cơ.
Nếu ta chọn λ nhỏ ( r nhỏ hoặc l lớn ) sẽ làm giảm lực pháp tuyến N do
đó hao mòn giữa piston và xilanh giảm. Nhưng sẽ làm tăng khối lượng và
chiều cao của động cơ.
Nhưng khi ta chọn λ lớn ( r lớn hoặc l nhỏ ) Do r lớn lên tốc độ dịch
chuyển piston lớn, do đó sẽ làm tăng lực quán tính và hao mòn.
Vì vậy khi tính toán, thiết kế Ô tô, Máy kéo người ta thường chọn tỷ số

động học động cơ trong khoảng : λ =

1
1
÷
3,5 4, 5

=>Để đảm bảo động học cơ cấu và kích thước của động cơ sao cho gọn
1
nhất ta chọn λ = 4 = 0,25

2.1.1. Hành trình của piston và đồ thị chuyển vị của piston
- Theo bài ra ta có: λ = 1/4;
- Phương trình chuyển vị của piston:
x = f(φ) = r[(1- cos φ) + λ/4(1- cos2 φ)] (16)
với λ = r/l = 1/4 và S = 2r
Suy ra chiều dài của biên là l = r/λ = S/2λ = 1,762/(2.0,25) = 3,53 (dm)
r = S/2 = 1,762/2 = 0,881 (dm)
Vậy ta có phương trình biểu diễn hành trình của piston tương ứng
với góc quay φ như sau:
x = f(φ) = 0,881 [(1- cos φ) + 1/16(1- cos2 φ)] (17)
- Như đã biết, các động cơ 4 kỳ, chu trình làm việc được thực hiện sau
hai vòng quay của trục khuỷu – 7200. Sử dụng phần mền Matlab ta vẽ đồ thị
20


chuyển vị của piston x = f(φ) với φ = [0 ÷ 7200] hay φ =[0 ÷ 4Л],ta được đồ thị
như sau:
- Dùng Matlab để vẽ đồ thị ta có đồ thị sau:
DO THI HANH TRINH CUA PISTON

1.8
1.6
1.4

x[dm]

1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

0

2

4

6

8

10

12

14

phy[rad]

H2: Đồ thị chuyển vị của pitston X = f(α).
2.1.2. Vẽ đồ thị tốc độ chuyển động của piton
- Ta có phương trình tốc độ chuyển động của Piston :

dx dx dϕ
λ


=
.
= ω.r  sinϕ + sin( 2ϕ ) 
dt dϕ dt
2


Với ω = πn/30 = π.3500/30 = 367 (rad/s)
Suy ra:
v=

λ
1




v = 367.0,881 sinφ + sin ( 2φ ) ÷ = 323,3  sinφ + sin ( 2φ ) ÷ dm/s
2
8






(18)
- Từ phương trình (18) với φ = [0 ÷ 720 ] ta sẽ được các giá trị của vận
tốc đươc các điểm tương ứng trên đồ thị v = f(φ)
- Từ phương trình vận tốc ta thấy rằng khi φ= 90º , φ = 270º tốc độ của
piston bằng tốc độ vòng v = r.ω còn φ =0 º , φ = 180º piston ở điểm
chết trên và điểm chết dưới, tốc độ v = 0 và chuyển động đổi chiều.
- Dùng Matlab ta vẽ được đồ thị vận tốc chuyển vị của pitston
0

21


dx
v = dt

ϕ =  00 − 7200 
ϕ = [ 0 − 4π ]
) với
hay

= f(φ

DO THI TOC DO CUA PISTON
400
300

200

v[dm/s]

100
0
-100
-200
-300
-400

0

2

4

6
8
phy [rad]

10

12

14

H3: Đồ thị vận tốc : v = f(φ)
- Giá trị cực đại tuyệt đối tốc độ của piston có thể tìm bằng cách giải cực
trị hàm số v = f(φ). Trong một vòng quay của trục khuỷu sẽ có:

1
= 333,3dm/s
42
- Với mỗi giá trị của φ ta được một giá trị của chuyển vị x, tương ứng có
giá trị của tốc độ chuyển vị v, như vậy ta có thể vẽ đồ thị v = f(x):
v max = r.ω. 1 + λ 2 = 0,881.367 1 +

v=
-

dx dx dφ
1


=
.
= 323,3  sinφ + sin ( 2φ ) ÷ dm/s
dt dφ dt
8



Vị trí của góc α tương ứng với vmax :

22


2

 1  1
−4λ + 
÷ +
4
λ

 2
Cosφvmax =

Với λ = 1/4 thì φmax = 770
Sử dụng phần mềm Matlab ta vẽ tốc độ của piston với x = (0;-1,762)
Ta được đồ thị :
DO THI TOC DO CUA PISTON v=f(x)
400
300
200

v[dm/s]

100
0
-100
-200
-300
-400

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
x[dm]

1.2

1.4

1.6

H4. Đồ thị vận tốc : v = f(x)
2.1.3. Vẽ đồ thị gia tốc của piston:
Ta có phương trình:

dv
j = f(φ )ω= .r cos
= 2 (λcos(2
φ+)
φ )
dt
1


j = 3672.π  cosφ + cos ( 2φ ) ÷ (dm/s2 ) ( 19 )
4



j = 423137,97 cosφ + 105784,49 cos2φ
Ta có các giá trị cực trị của biểu thức: φ=0º, φ=180º
-Khi φ=0º giá trị cực đại tuyệt đối của gia tốc là:
2

Jmax=r. ω (1+λ) = 0,881.3672(1+0.25)= 148326,26 dm/s2
-Khi φ=180º giá trị j có dấu ngược lại
23

1.8


2
Jmin = - r. ω (1+λ) = -148326,26 dm/s2
dv
Sử dụng phần mền Matlab ta vẽ đồ thị gia tốc của piston j = dt = f(ϕ )

với φ = [0 ÷ 7200] hay φ =[0 ÷ 4π], ta có đồ thị như sau:
5

6

DO THI TOC DO GIA TOC CUA PISTON j=f(phy)

x 10

5
4
3

j[dm/s2]

2
1
0
-1
-2
-3
-4

0

2

4

6

8

10

12

14

phy[rad]

H5.Đồ thị gia tốc của piston: j = f(α)

-Ta có đồ thi biểu diễn mối quan hệ của gia tốc j với độ dịch chuyển x
của piston như sau:
x = f(φ) = 0,881 [(1- cos φ) + 1/16(1- cos2 φ)] dm

1


j = 367 2.π  cosα + cos ( 2α ) ÷
4

 dm/s2
Sử dụng phần mền Matlab ta vẽ đồ thị gia tốc của piston j = f(x) với φ =
[0 ÷ 7200] hay φ =[0 ÷ 4π], ta có đồ thị như sau:

24


5

6

x 10

5
4
3

j[dm/s2]

2

1
0
-1
-2
-3
-4

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
x[dm]

1.2

1.4

1.6

1.8

H6. Đồ thị gia tốc của piston : j = f(x)
2.2 Động lực học cơ cấu biên tay quay
2.2.1.Lực tác dụng lên cơ cấu biên tay quay

Khi nghiên cứu các hiện tượng động lực học của động cơ đốt trong ,
trước hết cần nghiên cứu lực từ áp suất khí giãn nở P g và lực quán tính Pj, tổng
đại số của chúng được tính theo công thức sau:
P = Pg+ Pj
Lực P tác dụng lên piston dọc theo trục xilanh. Lực P được phân tích
thành hai thành phần:
- Lực ngang N ép piston về phía nào đó của xilanh : N= P.tgβ
- Lực dọc biên S được truyền đế cổ biên: S= P.(1/cosβ)
Lực S được tách thành hai thành phần: Lực tiếp tuyến T sinh ra moomen quay
T= P.sin(φ+β)/cosβ
và lực hướng kính K vuông góc với T
K= P.cos(φ+β)/cosβ
Mômen quay của động cơ khi đó tính theo:
Mk= T.r= P.r.sin(φ+β)/cosβ
Đồng thới xuất hiện mômen lật:
Mlật= -N.h
Trong đó: h= r.sin(φ+β)/sinβ
Mặt khác ta có thể viết:
25