Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

MỤC LỤC
Trang
Lời nói đầu
Chương I:

3
PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ
VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC

4

1.1

Nhiệm vụ của hệ thống phát lực

4

1.2

Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại
của từng bộ phận trong hệ thống

Chương II: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

4
8

2.1

Chọn phương án thiết kế các chi tiết trong hệ thống

8

2.2

Sơ đồ cấu tạo hệ thống phát lực đã chọn

9

2.3

Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống phát lực đã chọn

10

Chương III: TÍNH TỐN VÀ CHỌN CÁC THƠNG SỐ
BỐ TRÍ CHUNG CỦA HỆ THỐNG

12

3.1

Tính tốn nhiệt

12

3.2

Phân tích động học và động lực học cơ cấu

thanh truyền – trục khuỷu

17

3.3

Chọn thơng số kết cấu và kích thước cơ bản

26

3.4

Thiết kế sơ bộ mặt cắt ngang của hệ thống

26

3.5

Thiết kế sơ bộ mặt cắt dọc của hệ thống

27

Chương IV: THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ TÍNH BỀN CÁC NHĨM

4.1

VÀ CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG

28

Nhóm piston

28

4.1.1 Các thơng số ban đầu

28

4.1.2 Piston

28

4.1.3 Chốt piston

32

1


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

4.2

Chương V:

4.1.4 Xéc-măng

35

Nhóm thanh truyền

37

4.2.1 Các thơng số ban đầu

37

4.2.2 Tính tốn sức bền nhóm thanh truyền

37

QUY TRÌNH THÁO, LẮP, ĐIỀU CHỈNH,
BẢO DƯỠNG VÀ SỬA CHỮA HỆ THỐNG

42

5.1

Quy trình tháo lắp hệ thống

42

5.2

Kiểm tra và sửa chữa hệ thống

45

TÀI LIỆU THAM KHẢO

51

LỜI NÓI ĐẦU
2


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Đồ án môn học Động cơ đốt trong là một khâu quan trọng trong khối kiến thức của
ngành Ơ tơ – Máy động lực, là một kỹ sư thiết kế phải biết và có khả năng thiết kế. Hơn
nữa, đất nước ta là một đất nước đang phát triển rất cần phát triển các ngành cơng nghiệp
mà trong đó cơng nghiệp ô tô giữ một vai trò hết sức quan trọng. Trong khi đó, bộ phận
quan trọng nhất của một chiếc ô tô là cái sinh ra nguồn động lực cho ô tô – chính là động
cơ ô tô. Vậy thiết kế động cơ là khâu hết sức quan trọng để có thể phát triển ngành cơng
nghiệp ơ tơ.
Sau ba năm học tại ngành Ơ tơ – Máy động lực, chúng em đã được trang bị nhiều
kiến thức về các môn học cơ sở như Nguyên lý máy, Sức bền vật liệu, Vật liệu học và
Nhiệt động lực học cũng như nhiều môn học chuyên ngành khác, Đồ án Thiết kế Động cơ
chính là cơ hội cho chúng em tổng hợp và áp dụng những kiến thức mình đã học.
Trong quá trình thực hiện đồ án em gặp rất nhiều khó khăn trong phương pháp thiết
kế và tính tốn cũng như việc hồn thành các bản vẽ của mình, nhờ sự hướng dẫn tận tình
của Thầy hướng dẫn cùng sự góp ý của các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này.
Sau một thời gian làm việc với nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ từ tất cả mọi
người, em đã hoàn thành Đồ án Thiết kế Động cơ đốt trong này. Nay em xin gửi lời cảm
ơn chân thành tới giáo viên hướng dẫn Thầy Nguyễn Đình Hùng, các thầy trong bộ mơn Ơ
tơ – Máy động lực cùng các bạn trong lớp Ơ tơ K09.
Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng trong quá trình thực hiện khó tránh khỏi thiếu
sót, rất mong được sự góp ý chân thành từ phía các thầy và các bạn. Em xin chân thành
cảm ơn.

Sinh viên Hoàng Trọng Hiếu

Chương I

3


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU
CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC
1.1.

1.2.

Nhiệm vụ của hệ thống phát lực:
 Tiếp nhận năng lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến của piston
(trong xy – lanh) và biến nó thành cơ năng làm quay trục khuỷu, tạo mô –
men có ích cho động cơ làm việc.
 Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ khơng cho khí cháy trong buồng cháy lọt
xuống
 Các- te (hay hộp trục khuỷu) và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu
sục lên buồng cháy.
 Làm nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy
trong q trình nạp.
Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại của từng bộ phận trong hệ thống:
1.2.1 Piston:
 Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác như
xy-lanh, nắp xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của
khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực từ thanh truyền để nén khí.

 Điều kiện làm việc:
 Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ, áp suất lớn có thể đạt tới 120
kG/cm2, lực quán tính lớn đặc biệt nếu là động cơ cao tốc.
 Tải trọng nhiệt cao vì piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên có thể
đạt nhiệt độ cao từ 500 – 8000K. Nhiệt độ cao khiến piston chịu ứng
suất nhiệt lớn gây bó kẹt, nứt, giảm sức bền, gây kích nổ..vv…
 Ma sát lớn và ăn mịn hóa học. Ma sát gây nên do lực ngang nên có
giá trị lớn với điều kiện bơi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bơi trơn
tốt. Ăn mịn hóa học do piston thường xuyên tiếp xúc với sản vật
cháy.
 Yêu cầu:
 Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất.
 Có độ bền và độ cứng đủ để tránh biến dạng q lớn và chịu mài
mịn.
 Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không bị giảm sút
do hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte.
 Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt quá mức khi động cơ đang làm
việc, ngoài ra tránh được hư hỏng piston do ứng suất nhiệt.
 Phân loại: Theo dạng đỉnh piston
 Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản
 Đỉnh lõm: có thể tạo xốy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình
thành hỗn hợp và đốt cháy. Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu
nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.
 Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp ở động cơ Diesel.

4


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

1.2.2 Chốt Piston: Là chi tiết nối Piston với thanh truyền.
 Nhiệm vụ: Truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền.
Chốt piston thường có cấu tạo rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và
đầu nhỏ thanh truyền.
 Điều kiện làm việc: Chốt piston chịu lực va đập, tuần hồn, nhiệt độ cao và
điều kiện bơi trơn khó khăn. Chốt piston cịn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt
piston dễ bị mòn.
 Yêu cầu:
 Chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền
và độ cứng vững. Bề mặt làm việc của piston cần tôi theo công nghệ
đặc biệt để đảm bảo chốt có độ cứng cao, chịu mài mịn tốt.
 Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt. Mặt chốt phải mài bóng để
chống ứng suất tập trung và khi lắp ghép với piston và thanh truyền
khe hở phải nhỏ.
 Phân loại:
 Theo kiểu lắp ghép chốt:
 Cố định chốt piston trên bệ chốt piston.
 Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền.
 Chốt piston lắp tự do.
 Theo hình dạng: bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ hoặc côn
1.2.3 Xec – măng:
 Nhiệm vụ: Đảm bảo piston di động dễ dàng trong xylanh. Xec – măng có 2
loại là xec – măng khí và xec – măng dầu. Xec – măng khí làm nhiệm vụ
bao kín buồng cháy tránh lọt khí cịn xec – măng dầu ngăn dầu bôi trơn từ
hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy.
 Điều kiện làm việc: Xec – măng chịu tải trọng cơ học lớn (áp lực khí cháy),
chịu lực quán tính lớn, có chu kỳ và va đập. Ngồi ra xec – măng còn chịu
nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mịn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu.
 Yêu cầu:
 Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí

cháy.
 Chịu lực va đập: vì khi làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng
lên xec – măng.
 Chịu mài mòn: khi làm việc xec – măng ma sát với các xylanh rất
lớn.
 Phân loại: có hai loại xec – măng là xec – măng khí và xec – măng dầu.
1.2.4 Nhóm thanh truyền:

5


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

 Nhiệm vụ: Thanh truyền là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với
piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu. Thanh truyền có nhiệm vụ truyền
lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu.
 Điều kiện làm việc: Thanh truyền có chuyển động phức tạp bao gồm: đầu
nhỏ chuyển động tịnh tiến cùng piston, thân thanh truyền chuyển động lắc,
đầu to chuyển động quay cùng với trục khuỷu. Vậy thanh truyền chịu lực va
đập tuần hoàn như lực khí thể, lực qn tính của nhóm piston và của chính
bản thân thanh truyền.
 Yêu cầu: Lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo hợp lý để thanh truyền
chịu được các lực va đập tuần hoàn như trên.
 Phân loại: Theo tiết diện thân thanh truyền.
 Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất
phổ biến từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn.
 Tiết diện hình chữ nhật, ơ van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường
dùng ở động cơ mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ.
1.2.5 Trục khuỷu:
 Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo moment quay kéo các máy

công tác và nhận năng lượng của bánh đà. Sau đó, truyền cho thanh truyền
và piston thực hiện q trình nén cũng như trao đổi khí trong xylanh.
 Điều kiện làm việc: Trục khuỷu chịu lực T, Z do lực khí thể và lực quán tính
của nhóm piston – thanh truyền gây ra. Ngồi ra trục khuỷu cịn chịu lực
qn tính ly tâm của các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu
và của thanh truyền. Những lực này gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao
động ngang của trục khuỷu lên các ổ đỡ.
 Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo các yêu cầu:
 Đảm bảo động cơ làm việc đồng đều, biên độ dao động của moment
xoắn tương đối nhỏ.
 Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ.
 Động cơ làm việc cân bằng ít rung động.
 Cơng nghệ chế tạo đơn giản.
 Phân loại: có hai loại là trục khuỷu nguyên là trục khuỷu ghép.
1.2.6 Bánh đà:
 Nhiệm vụ: Giữ cho độ không đồng đều của động cơ nằm trong giới hạn cho
phép. Ngồi ra bánh đà cịn là nơi lắp vành răng khởi động và khắc vạch
chia độ góc quay trục khuỷu.
 u cầu: Trong q trình làm việc, bánh đà tích trữ năng lượng dư sinh ra
trong q trình sinh cơng (lúc này moment chính của động cơ có giá trị lớn
hơn moment cản nên nó làm cho trục khuỷu quay nhanh) để bù đắp phần
năng lương hao hụt trong các hành trình tiêu hao cơng (lúc này moment cản

6


Đồ án mơn học Thiết kế Động cơ đốt trong

có giá trị lớn hơn moment chính của động cơ) khiến cho trục khuỷu quay
đều hơn, giảm được biên độ dao động của tốc độ góc trục khuỷu.

 Phân loại: Theo kết cấu:
 Bánh đà dạng đĩa: là bánh đà mỏng có moment qn tính nhỏ nên chỉ
dùng cho động cơ tốc độ cao.
 Bánh đà dạng vành: là bánh đà có moment qn tính lớn.
 Bánh đà dạng chậu: là bánh đà có dạng trung gian của hai loại bánh
đà trên, có moment qn tính và sức bền lớn.
 Bánh đà dạng vành có nan hoa: để tăng moment quán tính của bánh
đà, phần lớn khối lượng bánh đà ở dạng vành xa tâm quay và nối với
mayơ bằng các gân kiểu nan hoa.

Chương II
CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

7


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

2.1.

Chọn phương án thiết kế các chi tiết trong hệ thống:
2.1.1 Piston
Đối với động cơ xăng để thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
 Phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia nhiên liệu
phun vào buồng cháy để tổ chức tạo thành hỗn hợp tốt nhất.
 Tận dụng được xốy lốc của khơng khí trong q trình nén.
 Dựa trên mẫu động cơ tham khảo là 2AR-FE có 16 van với 4 xylanh,
vậy có 4 van là 2 van xả, 2 van nạp cho một xylanh làm việc, đảm
bảo hiệu suất nạp tốt nhất.
Vậy piston có đỉnh chứa buồng cháy có dạng đỉnh lõm như sau được chọn:

Hình 1
2.1.2 Chốt piston
Để có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và vì tỷ số nén động cơ xăng được thiết kế
khơng lớn lắm nên chọn chốt piston có dạng mà bề mặt bên trong là hình trụ.
2.1.3 Nhóm thanh truyền
2.1.3.a. Đầu nhỏ thanh truyền: Có hai dạng.
 Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng. Khi ấy chốt piston lắp tự
do.
 Đầu nhỏ thanh truyền của các động cơ dùng kiểu lắp chốt piston cố
định trên đầu nhỏ thanh truyền.
Động cơ được thiết kế công suất không lớn nên chọn phương án đầu nhỏ
thanh truyền có dạng trụ rỗng và có khoan lỗ hứng dầu.
2.1.3.b. Thân thanh truyền:
Thân thanh truyền có tiết diện hình chữ I được sử dụng phổ biến vì
đảm bảo sức bền theo hai phương. Vậy chọn phương án thân thanh truyền có
tiết diện chữ I.

8


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

2.1.3.c. Đầu to thanh truyền: Có các loại sau:
 Phương án phổ biến nhất là một phần của đầu to thanh truyền được
gắn liền với thân thanh truyền, phần còn lại được ghép với phần trên
nhờ hai bulông.
 Phương án tương tự trên nhưng dùng nhiều bu lông hơn (4 hoặc 6
bulông) để lắp ghép với đầu to thanh truyền. Như vậy đường kính
bulơng sẽ nhỏ hơn so với phương án trên. Tuy nhiên nhược điểm là

các bu lông chịu lực khơng đều có thể dẫn đến hiện tượng mài mịn
khơng đều và đứt gãy bulông.
 Tương tư phương án đầu tiên nhưng cắt chia đầu to thanh truyền theo
mặt nghiêng 300 đến 600 so với đường tâm thanh truyền.
 Dùng chốt côn để lắp ghép đầu to thanh truyền theo kiểu khớp bản lề.
Do tính đơn giản và phổ biến nên chọn phương án đầu tiên.

Hình 2
2.1.4 Trục khuỷu
Theo phân loại có hai loại là trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép. Do
động cơ xăng 4 xylanh phổ biến là dùng trục khuỷu nguyên nên chọn phương án
thiết kế là trục khuỷu nguyên.
2.2

Sơ đồ cấu tạo
Sau khi đã chọn tất cả các phương án như trên, ta có được cấu tạo hệ thống như sau

9


Đồ án mơn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Hình 3

2.3

Nguyên lý làm việc
Sơ đồ nguyên lý hệ thống phát lực như sau:

Trong

Hình động
4
cơ đốt trong kiểu pit-tơng cụm chi tiết chuyển động chính (pit-tơng,
thanh truyền, trục khuỷu) làm việc trên ngun tắc sau:
- Nhóm pit-tơng chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho
thanh truyền

10


Đồ án mơn học Thiết kế Động cơ đốt trong

-

-

Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian, có chuyển động
phức tạp để biến chuyển động tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động
quay của trục khuỷu
Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay và
truyền cơng suất của động cơ ra ngồi để dẫn động máy công tác khác.

Theo chu kỳ lý thuyết, mỗi kỳ khởi sự ngay tại một điểm chết mà cũng chấm dứt
ngay tại một điểm chết. Trong động cơ bốn kỳ thì mỗi kỳ sẽ thực hiện một q trình
và có:
-

-

-

-

Kỳ nạp/hút: pit-tông nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục
khuỷu và thanh truyền dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm
chết dưới (ĐCD) thực hiện quá trình nạp mơi chất cơng tác.
Kỳ nén: pit-tơng cũng nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục
khuỷu và thanh truyền dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, thực hiện q trình
nén, thể tích xylanh nhỏ lại từ Va đến Vc .
Kỳ sinh cơng: xảy ra q trình cháy – giãn nở và sinh công. Pit-tông
nhận áp lực từ khí cháy sinh ra trong xylanh động cơ dịch chuyển từ
ĐCT xuống ĐCD và truyền ra ngoài cho thiết bị công tác thông qua cơ
cấu trục khuỷu – thanh truyền.
Kỳ thải/xả/thốt: pit-tơng tiếp tục nhận năng lượng từ bánh đà thông qua
cơ cấu truc khuỷu – thanh truyền, dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT thực
hiện quá trình thải sản vật cháy ra ngồi.

Chương III
TÍNH TỐN VÀ CHỌN CÁC THƠNG SỐ

11


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

BỐ TRÍ CHUNG CỦA HỆ THỐNG
3.1

Tính tốn nhiệt
3.1.1 Giới thiệu:

Tính tốn nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý
thuyết đồ thị công chỉ thị của một động cơ cần thiết kế thơng qua việc tính tốn các
thơng số nhiệt động lực học của chu trình cơng tác trong động cơ gồm các quá
trình:
+ Quá trình nạp
+ Quá trình nén
+ Quá trình cháy
+ Quá trình giãn nở
- Mỗi q trình trên được đặc trưng bởi các thơng số trạng thái là nhiệt độ,
áp suất, thể tích của môi chất công tác (MCCT) ở đầu và cuối của quá trình. Trên
cơ sở lý thuyết của nhiệt động lực học kỹ thuật, nhiệt động hóa học, lý thuyết động
cơ đốt trong xác định giá trị của các thông số nêu trên.
- Tiếp theo ta tính các thơng số đánh giá tính năng của chu trình gồm các
thơng số chỉ thị và các thơng số có ích của chu trình cơng tác như: áp suất chỉ thị
trung bình pi, áp suất có ích trung bình pe, cơng suất chỉ thị Ni, cơng suất có ích Ne,
hiệu suất e và suất tiêu hao nhiên liệu ge của động cơ, …
- Cuối cùng, bằng kết quả các q trình tính tốn nói trên ta xây dựng giản
đồ công chỉ thị của động cơ và đây là các số liệu cơ bản cho các bước tính tốn
động lực học và thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ.
- Trong tính tốn kiểm nghiệm động cơ cho trước, việc tính tốn nhiệt có thể
được thay thế bằng cách đo đồ thị công thực tế trên động cơ đang hoạt động nhờ
các phương tiện, các dụng cụ đo ghi kỹ thuật hiện đại. Tuy nhiên với phương pháp
tính tốn dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động hóa học trong động cơ đốt trong,
người ta cũng có thể tiến hành khảo sát những chỉ tiêu động lực và chỉ tiêu kinh tế
của các động cơ đã có sẵn này với kết quả đáng tin cậy.
Tồn bộ q trình tính tốn nhiệt tn theo tài liệu [1].
3.1.2 Các thơng số cho trước của động cơ:
-Kiểu động cơ: Xăng 4 kỳ
- Động cơ tham khảo tương đương: TOYOTA 2AR-FE
+ Số chu kỳ:

4

+ Số xy lanh:

4

12


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

+ Đường kính x hành trình:

90/98 (mm)

+ Tỉ số nén:

10,4 : 1

+ Loại nhiên liệu:

Xăng

+ Công suất cực đại:

133,5 (Kw) tại 6000 (vòng/phút)

+ Momen xoắn cực đại:

23,3 (kG.m) tại 4100 (vòng/phút)

+ Hệ thống nhiên liệu:

Phun trực tiếp (EFI)

+ Hệ thống làm mát:

Bằng nước

+ Hệ số dư lượng khơng khí:

 = 0,95

3.1.3 Chọn các thơng số cho tính tốn nhiệt:
a. Áp suất khơng khí nạp (po)
Áp suất khơng khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển: po = 0,1013
(MN/m2)
b. Nhiệt độ khơng khí nạp mới (To)
Nhiệt độ khơng khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của
mơi trường, nơi mà xe đang sử dụng. Miền nam nước ta thuộc khu vực nhiệt
đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk = 29oC
Do đó: To = (tkk + 273)oK = 29 + 273 = 302 (oK)
c. Áp suất khí nạp trước xupap nạp (pk):
Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = po = 0,1013 (MN/m2)
d. Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk)
Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: Tk = To = 302 (oK)
e. Áp suất cuối quá trình nạp (pa)
-

Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xy lanh
thường nhỏ hơn áp suất khí quyển do có tổn thất trên ống nạp và tại bầu
lọc gây nên.
- Động cơ 4 kỳ không tăng áp: pa = 0,8.po = 0,8.0,1013 = 0,08104
(MN/m2)
f. Chọn áp suất khí sót (pr)
- Là thơng số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm khí cháy ra
khỏi xy lanh động cơ.
- Giá trị áp suất khí sót pr phụ thuộc vào các yếu tố:
+ Diện tích thơng qua của các xupap xả
+ Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả
+ Động cơ có lắp tăng áp bằng khí xả hay khơng

13


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

+ Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả…
- Đối với động cơ xăng chọn pr = 0,12 (MN/m2)
g. Nhiệt độ khí sót (Tr)
- Phụ thuộc thành phần hỗn hợp khí, mức độ giãn nở và sự trao đổi nhiệt
trong quá trình giãn nở và thải.
- Đối với động cơ xăng chọn Tr = 1000 (oK)
h. Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (T)
- Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xy lanh động
cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là
T.
- Đối với động cơ xăng chọn  T = 10 (oC)
i. Chọn hệ số nạp thêm  1

- Hệ số nạp thêm 1 biểu thị sự tương quan lượng tương đối của hỗn hợp khí
cơng tác sau khi nạp thêm so với lượng khí cơng tác chiếm chỗ ở thể tích V a.
Động cơ thiết kế có tốc độ cao, cơ cấu phân phối khí hiện đại, có đường ống
nạp dài tạo qn tính lớn cho dịng khí nạp có thể chọn 1 ở giới hạn cao.
- Đối với động cơ xăng chọn  1 = 1,07
j. Chọn hệ số quét buồng cháy  2
Đối với động cơ không tăng áp do khơng có qt buồng cháy nên chọn  2 =
1.
k. Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt  t
- Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp  và
nhiệt độ khí sót Tr.
- Đối với động cơ xăng  = 0,95 ta chọn  t =1,12
l. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( Z)
- Là thông số số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệ
lượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z.
- Chọn  Z = 0,85
m. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ( b)
- Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b (b) phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi tốc độ
động cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến b nhỏ. Chọn  b = 0,95
n. Chọn hệ số dư lượng khơng khí 

14


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

- Khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu cần M o (kmol) khơng khí. Tuy
nhiên, lượng khơng khí đi vào xy lanh M 1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn M o.
Điều này được đánh giá bằng hệ số dư lượng khơng khí  = .
- M1: lượng khơng khí thực tế nạp vào xylanh (kmol)

- Mo: lượng khơng khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hồn tồn
1kg nhiên liệu
- Theo đề bài  = 0,95
o. Chọn hệ số điền đầy đồ thị công ( d)
- Hệ số điền đầy đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị
cơng thực tế so với đồ thị cơng tính tốn.
- Đối với động cơ xăng chọn  d = 0,96
p. Chọn tỷ số tăng áp ( p)
- Là tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí trong xylanh ở cuối q trình cháy và
q trình nén:

p 

pz
pc .

- Trong đó:

pz - áp suất cuối quá trình cháy
pc - áp suất cuối quá trình nén

- Đối với động cơ xăng, sau khi tính tốn ta có:  p = 3,5351
q. Chọn thông số kết cấu ()
- Là tỷ số giữa bán kính quay trục khuỷu R và chiều dài thanh truyền L.
Trị số  lớn thì góc lắc thanh truyền tăng, thanh truyền có thể va chạm
phía dưới lót xylanh. Trị số  lớn có ưu điểm là giúp giảm chiều cao và
trọng lượng của động cơ. Đối với động cơ ô tô giá trị phổ biến là
0,25÷0,29. Chọn  = 0,3
3.1.4 Tính tốn nhiệt
Tính tốn nhiệt nhằm xác định các thơng số của chu trình lý thuyết và các

chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ. Đồ thị công chỉ thị của động cơ được xây
dựng trên cơ sở các kết quả tính tốn nhiệt và là các số liệu cơ bản cho các bước
tính tốn động lực học và tính tốn thiết kế động cơ tiếp theo.
Sau khi tính tốn cho các q trình nạp, nén, cháy – dãn nở và xả thì ta có
được bảng kết quả tính tốn như sau:
BẢNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘNG CƠ
ST

Thơng

Đơn vị

 = 0,95 ST
15

Thơng

Đơn vị

 = 0,95


Đồ án mơn học Thiết kế Động cơ đốt trong

T
1

số
n

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

Ne

S
D
T0
T
1
t
d
r
v
z

b
p
n1
n2
Tr

vịng/phú
t
kW
mm
mm
0
K
0
K

0

K

6000

T
19

số
Ta

133,5
10,4

98
90
302
10
1,07
1,12
0,96
0,05
0,7968
0,85
0,95
3,5351
1,371
1,23
1000

20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33

34
35
36

Tc
Tz
Tb
p0
pa
pr
pc
pz
pb
pi
pm
pe
m
i
e
gi
ge

0

K

342,57

0

K
K
0
K
MN/m2
MN/m2
MN/m2
MN/m2
MN/m2
MN/m2
MN/m2
MN/m2
MN/m2

745
2734
1595
0,1013
0,08104
0,12
2,0093
5,436
0,3986
0,9924
0,3592
1,02
0,638
0,3479
0,2619
kg/kW.h 0,2353

kg/kW.h 0,3101
0

3.1.5 Tính thơng số kết cấu của động cơ
a. Tính thể tích cơng tác Vh
- Thể tích cơng tác Vh của 1 xylanh động cơ:
Vh 

30. .N e 30.4.133,5

 0, 6544
pe .ne .i 1,02.6000.4
(dm3) = 654,4 (cm3)

- Trong đó:
  = 4: số chu kỳ của động cơ
 i = 4: số xylanh của động cơ
 ne = 6000 (vòng/phút): số vòng quay của động cơ
 Ne = 133,5 (kW): công suất động cơ
 pe = 1,02 (MN/m2): áp suất có ích trung bình
b. Đường kính piston
D

3

4.Vh
4.654400

 91, 4654( mm); D  1, 63%
�S � 3

�98 �
 . � � 3,1416. � �
�D �
�90 �

16


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

c. Hành trình piston
S = (S/D).D = (98/90).91,4654 = 99,5956 (mm); S = 1,64%
3.1.6 Vẽ đồ thị công chỉ thị
- Đồ thị công chỉ thị biểu diễn quan hệ hàm số giữa áp suất của môi chất công
tác trong xy lanh với thể tích của nó khi tiến hành các q trình nạp, nén, cháy –
giãn nở và thải trong một chu trình cơng tác của động cơ:
pkt = f(Vxl)
- Đồ thị công cho thấy một cách trực quan nhất diện tích thể hiện cơng chỉ thị
của chu trình (Li). Áp suất chỉ thị trung bình p i=, là các thơng số đánh giá tính hiệu
quả của động cơ.

Hình 5
3.2

Phân tích động học và động lực học cơ cấu thanh truyền – trục khuỷu
3.2.1 Phân tích động học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu
3.2.1.1 Phân tích động học cơ cấu

17

Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cụm chi tiết chuyển động chính (piston,
thanh truyền, trục khuỷu) làm việc theo nguyên tắc sau:
 Nhóm piston chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí
thể cho thanh truyền.
 Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian có
chuyển động phức tạp để biến chuyển động tịnh tiến của piston
thành chuyển động quay của trục khuỷu.
 Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động
quay và truyền cơng suất của động cơ ra ngồi để dẫn động
các máy cơng tác khác.
 Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ kiểu trục
khuỷu cắt đường tâm xylanh.

Hình 6

3.2.1.2 Động học của piston (theo phương pháp giải tích)
Với giả thiết trục khuỷu quay với vận tốc góc  = const, thì góc quay
trục khuỷu  tỷ lệ thuận với thời gian, còn tất cả các đại lượng động học là
các hàm phụ thuộc vào biến số .
2.2.1.2a Chuyển vị của piston
Chuyển vị của piston trong xylanh động cơ tính theo công thức
sau:

�
Sp  R �
 1  cos     1  cos   �
�

4
�
�

Với

Sp: Chuyển vị của piston
18

(1)


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

: Góc quay trục khuỷu
R: Bán kính quay trục khuỷu
: Thơng số kết cấu

Nhận xét: phân tích biểu thức 1 và đồ thị nhận thấy: khi trục khuỷu quay
tương ứng với  từ 00 đến 900 (1/4 vòng quay trục khuỷu thứ 1) thì piston dịch
chuyển được một quãng đường lớn hơn so với quãng đường ứng với  từ 900 đến
1800 (1/4 vịng quay trục khuỷu thứ 2) vì chuyển động của piston là chuyển động
lắc nghiêng của nó so với đường tâm xylanh. Ở ¼ vịng trịn trục khuỷu thứ 1 và 2
mang dấu “+” cùng hướng còn ở ¼ vịng quay trục khuỷu thứ 2 thì thành phần
mang dấu “-“. Trị số lớn hơn này vào khoảng (58-53)%S, phụ thuộc vào .
2.2.1.2b Tốc độ piston
Vi phân phương trình (1) theo thời gian
Sp
dt



d

�
�
�  V p  R �
sin   sin 2 �
d dt
2
�
�

dS p

dS p

Vì dt

 Vp

là tốc độ piston

d

dt
là vận tốc góc trục khuỷu

19

(2)


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Tại  = 73 – 780, vận tốc piston có giá trị max
Vp = (1,6 – 1,66)Vtb, khi tăng  thì Vp tăng và ngược lại.
Nhận xét: + Từ phương trình (2) ta thấy tốc độ piston là tổng 2 hảm điều
hòa cấp I và cấp II với chu kỳ điều hòa của hàm cấp II bằng 2 lần chu
kỳ điều hòa của hàm cấp I.
Vp = VpI + VpII với VpI = R.sin; VpII = R./2.sin2
Để phân loại động cơ đốt trong, trong thiết kế người ta chú ý
đến tốc độ trung bình của piston
Vtb 



Sn �2 � �
 � �R , m �
30 � � � s �[m/s] là vận tốc trung bình của piston

2 n �1 �
,
60 � s �là vận tốc góc của trục khuỷu.

2.2.1.2c Gia tốc piston
Vi phân phương trình (2) đối với thời gian, ta có cơng thức tính gia
tốc của piston
J

dv dv d dv

� 
�  R 2  cos    cos 2 
dt d dt d

(3)

Từ công thức (3), cho thấy gia tốc piston là tổng hai hàm điều hòa
cấp I và cấp II
J  J I  J II
� J I  R 2 cos 
� J II  R 2  cos 2

20


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Nhận xét:

+ Ý nghĩa của việc xác định giá trị gia tốc chuyển động của
piston là để xác định lực quán tính của khối lượng các chi tiết
chuyển động tỉnh tiến. Lực này có ảnh hưởng đến cơng suất
của động cơ và sự cân bằng của nó.
+ Trị số và gia tốc piston cực đại đối với động cơ ô tô máy kéo
nằm trong phạm vi:
5000 m

s2

 J p  20000 m

s2

, Jp

: phụ thuộc vào tính cao tốc n và

 của động cơ.
3.2.2 Phân tích động lực học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu
3.2.2.1 Sơ đồ lực và moment tác động lên cơ cấu

Hình 7
 Pkt: Lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston.
21


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

 Pj: Lực quán tính (văng) của khối lượng các chi tiết chuyển
động thẳng.
 P: Lực tổng cộng tác dụng lên piston.
 N: Lực ngang tác dụng lên vách xylanh, có hướng vng góc
với đường tâm.
 Ptt: Lực dọc theo đường tâm thanh truyền.
 Z: Lực pháp tuyến theo hướng nối từ tâm chốt đến tâm cổ
khuỷu.
 T: Lực tiếp tuyến vng góc với lực pháp tuyến.
 Mx: Moment xoắn của trục khuỷu.

 ML: Moment lật của động cơ.
3.2.2.2 Lực khí thể
Để xét lực và moment tác động lên cơ cấu, trước hết ta xét lực tác
dụng lên piston. Các lực này gồm có lực khí thể trong xylanh Pkt, lực quán
tính chuyển động tịnh tiến Pj.
Pkt   pkt  p0  Fp   pkt  p0  �

D2
4

P0 ≈ 0,1 (MN/m2): áp suất khí quyển
Pkt: Áp suất khí thể trong xylanh, (MN/m2)
Fp: diện tích tiết diện của piston, (m2)
Lực khí thể là một đại lượng thay đổi theo góc quay của trục khuỷu:
Pkt = f(), xác định được từ áp suất khí thể pkt ở tính tốn nhiệt của động cơ
tại chế độ công suất cực đại.
3.2.2.3 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động
Lực quán tính được xác định theo công thức sau:
Pqt = mxJ với m: khối lượng của các chi tiết chuyển động.
J: gia tốc chuyển động của các chi tiết.
 Khối lượng của nhóm piston
mn = mp + mx + mc = 550,5 + 85 + 232 = 867,5 (g)
với mn: khối lượng nhóm piston
mp: khối lượng của piston
mx: khối lượng của xéc – măng
mc: khối lượng của chốt piston
 Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay)

22

Đồ án mơn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Hình 8

 Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R là phần
khối lượng của chốt khuỷu
 Phần khối lượng chuyển động quay với bán kính  là phần khối
lượng của 2 má khuỷu mm, với  là khoảng cách từ trọng tâm
má khuỷu đến tâm cổ khuỷu
 Quy dẫn khối lượng má khuỷu mm về tâm chốt khuỷu ta phải
thay thế bằng khối lượng tương đương mmr và xác định bằng
phương trình cân bằng lực quán tình như sau:
mmr 
R�
 2� mm  2


mm
R

mmr

 Khối lượng chuyển động quay của trục khuỷu:
mK  mchK  2mmr  mchK  2mm


23
 0, 44  2 �1,3 �  1, 66( kg )
R

49

mchK  0, 44(kg )
mm  1,3(kg )

  23(mm)
R  49(mm)

 Khối lượng của thanh truyền
 Tham khảo khối lượng thanh truyền của động cơ mẫu ta
có khối lượng thanh truyền là 1,1316 (kg)
 Hiện nay đối với các loại động cơ ô tô khối lượng quy
về đầu nhỏ và đầu to thanh truyền xác định theo công
thức kinh nghiệm sau:
mA  (0, 275 �0,35)mtt  0,34 �1,1316  0,385( kg )
mB  (0, 725 �0, 65)mtt  0, 6 �1,1316  0,679( kg )

 Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu
m j  m p  mA  0,5505  0,385  0,9355(kg )

 Khối lượng chuyển động quay
mr  mK  mB  1, 66  0, 679  2,339(kg )

3.2.2.4 Lực quán tính (văng thẳng) của khối lượng chuyển động tịnh
tiến

23


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong

Pj  m j . j   m j R 2 (cos    cos 2 )
� PjI   m j R 2 cos 
� PjII  m j R 2 cos 2

PjI: Lực quán tính tịnh tiến cấp I
PjII: Lực quán tính tịnh tiến cấp II
Pj = PjI + PjII: là các hàm điều hòa với chu kỳ của PjI ứng với 1
vòng quay trục khuỷu và chu kỳ của PjII ứng với ½ vịng quay trục
khuỷu
 Lực Pj luôn luôn tác dụng trên đường tâm xylanh và có hướng
thay đổi khi piston đổi chiều chuyển động. Khi piston ở ĐCT,
Pj mang dấu âm, chiều quay lên phía trên (chiều ly tâm với
trục khuỷu)
 Khi piston ở ĐCD, Pj có dấu dương và chiều quay xuống
(hướng vào tâm trục khuỷu)
3.2.2.5 Lực quán tính (ly tâm) của khối lượng chuyển động quay PK
PK  mr R 2  const

3.2.2.6 Hệ lực tác động lên cơ cấu
 Lực tác động lên đỉnh piston là hợp lực khí thể và lực quán tính
của khối lượng chuyển động tịnh tiến, do chúng tác dụng trên
đường tâm xylanh nên lực tổng hợp của chúng có phương tác
dụng trên đường tâm xylanh và có giá trị bằng tồng đại số của
hai lực này
P  Pkt  Pj ,  MN 

 Lực P được phân thành lực tác dụng dọc tâm thanh truyền Ptt
và lực ngang N ép lên thành xylanh, các lực này xác định bằng
công thức sau:
Ptt 

P
; N  Ptg  .
cos 

 Lực Ptt sau khi dời xuống tâm chốt khuỷu lại được phân thành
hai thành phần lực: lực tiếp tuyến T, sinh ra moment quay và
lực pháp tuyến Z, gây uốn trục khuỷu. Chúng được tính bằng
quan hệ sau

24


Đồ án môn học Thiết kế Động cơ đốt trong
sin(   )
T  Ptt sin(   )  P �
cos 
cos(   )
Z  Ptt cos(   )  P �
cos 

Sau khi tính tốn các giá trị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z
và lực ngang N theo góc quay trục khuỷu thì ta thu được các
đồ thị biểu diễn lực tác động lên cơ cấu trục khuỷu – thanh
truyền như sau:

T, (MN)

Lực tiếp tuyến T
0.02

0.02
0.01
0.01
0
-0.01 0
-0.01
-0.02
-0.02

90

180

270

360

450

540

630

630

720

720

T

810



Lực pháp tuyến Z
0

Z, (MN)

-0.01

0

90

180

270

360

450

540

810

-0.01
-0.02

Z

-0.02
-0.03
-0.03
-0.04



Lực ngang N
0.06

, (MN)

0.04
0.02
0
-0.02

25
0

90

180

270

360

450

540

630

720

810

N