Tính toán nhiệt và kiểm nghiệm bền cho piston của động cơ HONDA D15B1

Thuyết minh đồ án môn học động cơ
Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Động Lực

THUYẾT MINH
ĐỒ ÁN MƠN HỌC ĐỘNG CƠ
Họ và Tên Sinh viên

: Lưu Huy Tuấn

Mã số
: 11110710597
Lớp
: K43E
Tên đề tài
:
Tính tốn nhiệt và kiểm nghiệm bền cho piston của động cơ HONDA D15B1
Giáo viên hướng dẫn

: Nguyễn Minh Châu

1


Thuyết minh đồ án mơn học động cơ

Lời nói đầu
Đồ án môn học Động cơ là một môn học quan trọng, có tính tổng hợp kiến
thức về động cơ đốt trong, giúp người thực hiện nghiệm lại lý thuyết và hiểu rõ
hơn về các quá trình diễn ra trong động cơ đốt trong, hiểu rõ hơn về cách xây dựng
đồ thị công, xác định các phụ tác dụng lên chốt khuỷu , vẽ được đồ thị mài mòn để

xác định vị trí khoan lỗ dầu bơi trơn. Ngồi ra đồ án cũng giúp người thực hiện
biết cách tính nghiệm cho 1 số chi tiết trong động cơ như piston, thanh truyền, trục
khuỷu...
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy trong bộ môn Động lực
đặc biệt là thầy Nguyễn Minh Châu đã tạo điều kiện và hướng dẫn em hồn thành
đồ án mơn học động cơ của mình.
Sinh viên thực hiện
Lưu Huy Tuấn

CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ
HONDA D15B1
1
2
3
4

Kiểu động cơ
Loại động cơ
Lắp trên xe
Thể tích cơng tác(cm2)

HONDA D15B1

Xăng
Honda Civic Hatchback
1493
2


Thuyết minh đồ án mơn học động cơ

5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

Đường kính xilanh D (mm)
Hành trình Piston S (mm)
Tỷ số nén ε
Nemax/nN (Kw(ml)/v/ph)
Memax/nM (Nm(KGm)/v/ph)
Số kỳ τ
Số xilanh
k
Kiểu làm mát
Bố trí trục cam
Góc mở sớm xupáp nạp
Góc đóng muộn xupáp nạp
Góc mở sớm xupáp thải
Góc đóng muộn xupáp thải

Góc đánh lửa sớm

75
84,5
9,2
52,2(70,9)/ 5500
112(11,4)/ 3000
4
4
1.09269
Bằng chất lỏng
L4OHC
20 o
30 o
50 o
30o
15 o

Mục lục
1. Tổng quan về piston
Trang
1.1 Nhiệm vụ của piston.....................................................................................5
1.2 Điều kiện làm việc của piston ......................................................................5
1.3.Yêu cầu đối với piston…………………………………………………….6
1.4 Vật liệu chế tạo piston……………………………………………….........6
1.5 Cấu tạo nhóm piston………………………………………………………6
2.Tính tốn nhiệt động cơ ……………………………………………………13
2.1. Các thơng số chọn.……………………………………………………….13
2.2. Tính tốn các q trình cơng tác…………………………………………14
2.3. Vẽ và hiệu đính đồ thị cơng……………………………………………...22

3. Tính tốn động lực học………………………………………………….....27
3.1. Vẽ các đường biểu diễn các quy luật động học………………………….27
3.2.Tính tốn động lực học…………………………………………………...30
4.Tính nghiệm bền piston ……………………………………………………41
3


Thuyết minh đồ án mơn học động cơ
4.1. Tính nghiệm bền đỉnh piston…………………………………………….41
4. 2. Tính nghiệm bền đầu piston……………………………………………..42
4.3. Tính nghiệm bền thân piston……………………………………………..43

1.Tổng quan về piston.
1.1. Nhiệm vụ của piston
Nhóm piston có piston , chốt piston , séc măng ( khí hoặc là dầu ) các chi
tiết hãm chốt piston.
Nhiêm vụ chính của nhóm piston
-Nhiệm vụ chính của pitton là cùng với các chi tiết khác như xy lanh, lắp xy
lanh bao kín buồng cháy , khơng cho khí cháy lọt vào trong buồng đốt xuống đáy
cacte và không cho dầu nhờn sục từ cácte lên buồng đốt .
-Tiếp nhân lực khí thể và truyền lực cho thanh truyền để làm quay trục
khuỷu trong q trình sinh cơng , nén khí nạp mới trong q trình nén , đẩy khí
thải ra khỏi xylanh trong q trình thải và hút khí nạp mới vào trong xy lanh trong
q trình nạp .
-Trong động cơ hai kỳ piston có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp , cửa thải ,
cửa quét để thay đổi khí .

1.2. Điều kiện làm việc của piston
Trong quá trình làm việc piston chịu điều khiện làm việc rất khắc nghiệt
-Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ:

+
+

Lực khí thể.

Lực qn tính của nhóm piston, đặc biệt là ở động cơ cao tốc.

Các lực gây cho piston sự va đập và ứng suất lớn.
4


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
-Nhiệt độ cao do tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy. Nhiệt độ cao có thể gây
nên tác hại
+Ứng suất nhiệt lớn cho thể gây rạn nứt , pisston.
+Gây biến dạng làm bó kẹt piston trong xy lanh.
+Giảm sức bền của piston.
+Giảm hệ số nạp động cơ.
+Làm phân huỷ dầu nhờn.
+Có thể gây kích nổ đối với động cơ xăng.
+Chịu ma sát lớn do thiếu dầu nhờn bôi trơn, do lực ngang ép piston vào
trong xy lanh làm cho piston bị mòn.
+Pison ln tiếp xúc với sản vật cháy nên có thể bị ăn mịn.

1.3.u cầu đối với piston
-Dạng piston phải có hình dạng sao cho tạo ra cho khí nạp có độ xốy lốc
hợp lý nhất, đảm bảo q trình cháy tốt nhất, và hình thành buồng cháy tốt nhất.
Tản nhiệt tốt để giảm ứng suất và tránh kích nổ
-Khối lượng nhỏ để giảm quán tính.

-Đủ bền và cứng vững để tránh biến dạng trong quá trình làm việc.
-Đảm bảo bao kín buồng cháy, khơng bị cháy và tiêu hao dầu nhờn.
-Kết cấu đơn giả , dễ chế tạo.

1.4. Vật liệu chế tạo
Vật liệu chế tạo piston phải đảm bảo các yêu cầu sau :
-Có độ bền lớn cả ở nhiệt độ cao và tải trọng thay đổi.
-Trọng lượng riêng nhỏ.
-Hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, nhưng hệ số dẫn nhiệt lớn.
-Chịu mài mịn tốt trong điều kiện bơi trơn kém.
-Chịu ăn mịn hố học của các sản vật cháy.
Các loại vật liệu thường dùng là
-Gang xám hợp kim GX15-32, hoặc là GX24-44
-Hợp kim nhơm

1.5. Cấu tạo nhóm piston
1.5.1. Cấu tạo piston
Ta có thể chia piston ra làm 3 phần chính:

5


Thuyết minh đồ án môn học động cơ

d

Cấu tạo của piston
a. cấu tạo các phần của piston: 1- piston; 2- đầu piston; 3- thân piston; 4- rãnh
lắp séc măng khí; 5- rãnh lắp séc măng dầu; 6- bệ chốt piston; 7- chân pi ston;
8- vùng

đai séc măng. b,c,d- một số dạng thân piston
-Đầu
piston
Là phần trên cùng của piston, cùng với xy lanh và nắp xylanh tạo thành buồng
cháy.
-Đỉnh piston có nhiều dạng :
+Loại đỉnh bằng là loại phổ biến nhất, có diện tích chịu nhiệt nhỏ nhất, kết
cấu đơn giản nhất, dễ chế tạo. Loại này sử dụng nhiều cho động cơ xăng và động
cơ điezel có nhiều buồng cháy phân cách .
+Loại đỉnh lồi có độ cứng vững cao, ít muội than nhưng có diện tích chịu
nhiệt lớn nên ảnh hưởng xấu tới nhiệt độ của piston. Loại này thường dùng cho
động cơ xăng có buồng cháy chỏm cầu , xupap treo và động cơ xăng hai kỳ
+Loại đỉnh lõm có diện tích chịu nhiệt lớn nhưng toạ ra xốy lốc cho khí nạp
trong q trình nén. Loại này dùng cho động có điêzel có buồng cháy thống nhất,
mặc dù đầu piston nặng khó giải quyết vấn đề nhiệt độ của piston , nhưng tạo được
chỉ tiêu kinh tế nên thường được sử dụng nhiều.
Trên phần đầu piston có các rãnh séc
để lắpkhí
séc măng bao kín buồng
3-4măng
séc măng
cháy. Số lượng séc măng phụ thuộc vào1-3
tốcséc
độ của
piston
măng
dầu. và loại độn cơ:
Động cơ xăng:

3-6 séc măng khí

Động cơ diezel cao tốc

1-3 séc măng dầu.
6
5-7 séc măng khí
1-4 séc măng dầu.


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
Động cơ diezel tốc độ thấp

Rãnh séc măng dầu có khoan lỗ để dầu nhờn được hồi về đáy cácte
Rãnh xécmăng sâu hơn chiều dày của séc măng 0.05 ÷ 0.015mm để lắp séc
măng dễ và tránh bó kẹt secmăng trong rãnh.
Để đảm bảo độ bền và tản nhiệt tốt , phía trong piston có các gân chịu lực.
Có rất nhiều kiểu gân, gân ngang , gân song song,... có thể thêm gân dọc theo bệ
chốt piston.
Ở một số động cơ, trên đầu piston có rãnh chắn nhiệt tránh cho secmăng trên
cùng khơng bị quá nhiệt .
Ở một số loại động cơ người ta lắp vòng tránh nhiệt bằng thép, hay cả vành
đai lắp xecmăng bằng thép chịu nhiệt sau đó đúc vào đầu piston.
Để tránh piston bị bó kẹt trong xylanh khi động cơ làm việc, phần đầu piston
thường được làm dạng côn.
-Thân piston
Là phần từ dưới rãnh séc măng dưới cùng nằm phía trên chốt piston. Thân
piston làm nhiệm vụ dẫn hướng cho piston trong xylanh và chịu lực ngang. Để dẫn
hướng cho tốt, ít va đập, khe hở giữa thân piston và xylanh phải nhỏ. Vì vậy tiệt
diện thân piston thường khơng phải hình trịn và là hình ơ van, độ ơ van cần thiết
thường là 0,12 ÷ 0,15 mm, Trục lớn ở phía chịu lực ngang hoặc là vát ở hai phía

chốt piston để khi làm việc piston khơng bị bó kẹt trong xy lanh.
Chiều dài thân piston phụ thuộc vào loại động cơ:
Động cơ diezel có lực ngang lớn nên thân thường dài hơn piston động cơ
xăng. Nếu thân piston quá dài thì dẫn hướng tốt nhưng piston sẽ nặng và tổn thất
lớn do mat sát. Nếu thân piston quá ngắn thì tác dụng dẫn hướng sẽ kém.
Đối với động cơ hai kỳ, thân piston phải đủ dài để khi piston lên đến điểm chết
trên nó vẫn đóng kín của thải và của quét nhưng lại mở của nạp để nạp khí nạp vào
cácte
Thân piston có bệ chốt để lắp chốt piston. Trong quá trình làm việc piston
chịu lực ngang và lực ma sát có xu hướng quay chốt. Nếu lỗ chốt đặt chính giữa
7


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
chiều dài thân piston thì áp suất của piston nén xylanh sẽ khơng đều. Do đó bệ chốt
thường làm cao hơn trọng tâm của phần thân piston.
Vị trí của phần bệ chốt piston tính từ dưới lên là( 0.6 ÷ 0,74)*H ( H là chiều
cao piston)
Một số piston còn được rẽ rãnh phòng nở dạng chữ T hoặc là chữ Π , khi lắp
pison vào trong xylanh, rãnh phịng nở ở phía lực ngang nhỏ.
Để thân piston ít bị mịn, người ta phải phủ một lớp thiếc mỏng 0,004 ÷
0,036mm.
Để tránh giãn nở về hai phía chốt piston một số động cơ người ta đúc thép
bản hợp kim invar ở hai đầu bệ chốt. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi
nhưng nhược điểm là hợp kim invar khá đắt.
-Chân piston
Thường có vành đai để tăng độ cứng cho piston. Là nơi để điều chỉnh trọng
lượng piston. Đối với 1 số động cơ diezel phần đi cịn có các rãnh lắp xéc măng
dầu.
1.5.2. chốt piston

- Nhiệm vụ
Chốt piston là chi tiết nối piston với thanh truyền, truyền lực tác dụng của
khí thể lên piston cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu.
-Điều kiện làm việc
Chốt piston chịu lực khí thể và lực quán tính lớn, thay đổi theo chu kỳ sinh
ra va đập. Nhiệt độ của chốt piston cao (>373oK), khó xoay trong bệ chốt lên bơi
trơn kém , dễ bị mài mịn.
-u cầu của chốt piston
Do chốt piston làm việc trong điều kiện như vậy nên yêu cầu phải có độ bền
và độ cứng vững cao, bề mặt phải đảm bảo cứng bóng để chống mài mịn, trong
ruột phải đủ dẻo để tránh gẫy và chống mỏi. Chốt phải có khối lượng nhỏ để giảm
lực quán tính.
-Vật liêu chế tạo chốt piston
Thường dùng là thép hợp kim có hàm lượng các bon thấp 20, 20X,
15XA,vv...
-Kết cầu và lắp ghép chốt piston
Chốt piston có kết cầu đơn giản là một ống thép ,mặt ngồi là hình trụ trơn ,
được tơi cứng và mài bóng .Mặt trong có thể là trục thẳng , trục bậc hoặc là cơn.
Có 3 phương pháp lắp ghép chốt piston:
8


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
+ cố định chốt piston trên bệ chốt
+cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền
+ lắp tự do
1.5.3. Séc măng
+Nhiệm vụ
Để piston dịch chuyển dễ dàng trong xylanh giữa piston và xylanh phải có
khe hở .Do đó để bao kín vùng buồng cháy phải dùng secmăng khí có nhiệm vụ

bao kín buồng cháy , khơng cho khí cháy lọt xuống cacte .Sécmăng dầu không cho
dầu sục lên buồng cháy .
+điều kiện làm việc:
Chịu nhiệt độ cao do tiếp xúc với khí cháy , do piston truyền nhiệt cho
xylanh qua secmăng do ma sát giữa sécmăng với thành xylanh.
Nhiệt độ của sécmăng khí thứ nhất : 623-673K0, sécmăng khác 473-523K0.
Chịu lực va đập lớn , lực khí thể lực qn tính của nhóm piston lớn , luôn luôn
thay đổi cả chiều và trị số , đều tác dụng lên séc măng . Ngay cả khi động cơ
không làm việc sécmăng dầu vẫn chịu ứng suất uốn , chịu mài mòn , do ma sát
thành xilanh lớn , việc bôi trơn kém , chịu ăn mịn hố học do tiếp xúc với khí cháy
+Vật liệu chế tạo secmăng
u cầu
-Có khả năng chịu mịn tốt ở ma sát tới hạn
-Có hệ số ma sát nhỏ với thành xilanh
-Có sức bền và đàn hồi cao , ổn định ở nhiệt độ cao
-Có khả năng rà khít với mặt xilanh nhanh chóng
Vật liệu thường dùng là gang xám hợp kim , Gang có tổ chức ferit nhỏ mịn ,
trên nền ferit có phân bố đều các hạt graphit. Trong gang pha thêm một só nguyên
tố hợp kim niken, crom , vv...để cải thiện cơ lý tính của gang
+Kết cấu của secmăng

a)

b)

3

b)

2

Miệng sécmăng

a, b, c, d- miệng sécmăng của động cơ bốn kỳ
e- miệng sécmăng của động cơ hai kỳ: 1- piston; 2- chốt định vị; 3sécmăng
9


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
Sécmăng đơn giản là vòng kim loại hở miệng , kết cầu của secmăng chỉ
khác nhau ở kích thước và tiết diện ngang
Kích thước cơ bản D=60-120mm; có D/t=20-25
Miệng secmăng có nhiều dạng :
-Miệng cắt thẳng : thông dụng đơn giản , song lọt khí nhiều
-Miệng cắt chéo :ít lọt khí thường dùng cho động cơ tốc độ thấp
-Miệng cắt bậc : bao kín tốt , khó cắt dùng cho động cơ tốc độ thấp
Secmăng chia làm hai loại theo sự phân bố áp suất đó là secmang đẳng áp và
sécmăng khơng đẳng áp
sécmăng g dầu , nếu khơng có sécmăng dầu thì sécmăng khí dưới tác dụng
của áp suất sẽ giống như một bơm dầu bôi trơn lên buồng đốt .
Sécmăng dầu gồm có hai loại :
Sécmăng đơn là secmăng một chi tiết ,dùng cho đa số các loại động cơ .Các
loại sécmăng có tiết diện khác nhau song đều đạt mục đích là tăng áp suất nên
xilanh
Sécmăng tổ hợp gồm một số vòng thép ghép lại với nhau thành
sécmăng .Loại này dùng cho các loại động cơ xăng như GAZ, ZIL.

10

Thuyết minh đồ án mơn học động cơ

2.Tính tốn nhiệt động cơ
2.1. Các thông số chọn.
2.1.1. Áp suất môi trường: pk
Áp suất mơi trường pk là áp suất khí quyển trước khi nạp và động cơ. pk
thay đổi theo độ cao. Ở nước ta, chọn pk = 0,1 (Mpa)
2.1.2. Nhiệt độ môi trường: Tk
Lựa chọn nhiệt độ môi trường theo nhiệt độ bình quân của cả năm.
Ở nước ta Tk = 240C (2970K)
2.1.3. Áp suất cuối quá trình nạp: pa
Áp suất môi trường Pa phụ thuộc vào nhiều thông số như chủng loại động
cơ, tính năng tốc độ n, hệ số cản trên đường nạp, tiết diện lưu thơng Có thể chọn

÷

pa trong phạm vi sau. pa = (0,8 0,9)pk
Chọn pa = 0,09 (MPa)
2.1.4. Áp suất khí thải: pr
Áp suất này cũng phụ thuộc vào các thông số giống như pa. Có thể chọn

÷

pr trong phạm vi: pr = (1,10 1,15)pk
Chọn pr = 0,115 (MPa)
2.1.5. Mức độ sấy nóng mơi chất: T
Chủ yếu phụ thuộc vào quá trình hình thành khí hỗn hợp ở bên ngồi hay
bên trong xi lanh. Đối với động cơ xăng T = 00
2.1.6. Nhiệt độ khí sót (khí thải): Tr
Phụ thuộc vào chủng loại động cơ.

Động cơ xăng Tr = 900

÷

÷

200C. Chọn T = 100C

10000K. Chọn Tr = 9000K

λ

2.1.7. Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt: t
Tỉ nhiệt của môi chất thay đổi rất phức tạp nên thường phải căn cứ vào hệ
số dư lượng không khí ỏ để hiệu đính. Có thể chọn

λ

11

λ
t

t

theo bảng sau:

0,8

1,0

1,2

1,4

1,13

1,17

1,14

1,11

t

Chọn

λ

= 1,17
11


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
2.1.8. Hệ số quét buồng cháy:

λ
2

λ

Động cơ không tăng áp: Chọn

2

λ

=1

2.1.9. Hệ số nạp thêm: 1
Phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí. Thơng thường có thể chọn:

λ

λ

÷

= 1,02 1,07. Chọn 1 = 1,05
2.1.10. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z: ξ z
Thể hiện lượng nhiệt phát ra của nhiên liệu đã cháy ở điểm z so với lượng
1

nhiệt phát ra khi đốt cháy hồn tồn 1kg nhiên liệu.

÷

Đối với động cơ xăng ξ z = 0,85 0,92. Chọn ξ z = 0,85
2.1.11. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b: ξb
ξ b bao giờ cũng lớn hơn ξ z. Thông thường:Đối với động cơ xăng ξ b =

÷

0,85 0,95. Chọn ξ b = 0,945
2.1.12. Hệ số hiệu đính đồ thị cơng: φd
Thể hiện sự sai lệch khi tính tốn lý thuyết chu trình cơng tác của động cơ
với chu trình cơng tác thực tế. Sự sai lệch giữa chu trình thực tế với chu trình
tính tốn của động cơ xăng ít hơn của động cơ điêden vì vậy hệ số ϕd của động
cơ xăng thường chọn trị số lớn. Nói chung có thể chọn trong phạm vi: ϕd = 0,92

÷

0,97. Chọn ϕd = 0,97.

2.2. Tính tốn các q trình cơng tác
2.2.1. Tính tốn q trình nạp.
2.2.1.1. Hệ số khí sót
λ (T + ∆T) pr
γr = 2 k
. .
Tr
pa

γr =

1.(297 + 10) 0,115
.
.
900
0,09

γ

r

1
1

 p m
ελ1 − λ tλ 2 r 
 pa 
1
1

 0,115  1,5
9,2.1,05 − 1,17.1. 

 0,09 

γ

=0,0526
Trong đó m là chỉ số giãn nở đa biến của khí sót m= 1,45÷1,5
r

12

12

Thuyết minh đồ án môn học động cơ
2.2.1.2. Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta:

( TΔT
)λ+.γ t.Tr.
k +
Ta =

1γ+

m −1
m

r

 pa 
 ÷
 pr 

r
1,5 −1

 0,09  1,5
297 + 10 + 1,17.0,0526.900. 
÷
 0,115 
Ta =
1 + 0,0526

Ta =340,20K

2.2.1.3. Hệ số nạp ηv
1


m


Tk
pa 
pr 
1
ηv =
.
. . ε .λ − λ .λ .
( ε − 1) ( Tk + ∆T ) pk  1 t 2  pa ÷ 



1


1
297
0, 09 
 0,115 1,5 
ηv =
.
.
. 9, 2.1, 05 − 1,17.1. 
÷


9,
2
−
1
297
+
10
0,1
(
) (
)
 0, 09  



ηv = 0,879
2.2.1.4. Lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0:
1 C H O
M0 =
. + − 
0,21 12 4 32
Nhiên liệu của động cơ xăng: C = 0,855; H = 0,145; O = 0
M0 =

1  0,855 0,145 0 
.
+
+ 
0,21  12

4
32 

M0 = 0,512 (kmol/kg nh.liệu)
2.2.1.5. Lượng khí nạp mới M1:

432.10 3.Pk .η v
M1 =
g e . pe .Tk

(*)
Chọn ge = 325 (g/kwh)

Pe =
Ta có

N e.30.τ
i.Vh .n

Trong đó Vh =
13

ΠD 2
.S
4

=

3,14.752 .84,5
= 0.3731

4.1000000

13

(dm3)


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
52, 2.30.4
4.0,3731.5500

⇒pe =

= 0,7631 (MPa ) thay vào (*) ta được

3

432.10 .0,1.0,879
= 0.516
325.0, 7631.297

M1 =
(kmol/kgnl)
2.2.1.6. Hệ số dư lượng khơng khí α
Hệ số d lng ko khớ = 0,9ữ1,05.
=

M1

1

àhl

M0

=

1
114 = 0.990
0,512

0,516 −

µhl

Trong đó: là trọng lượng phân tử của xăng
2.2.2 Tính tốn q trình nén.
2.2.2.1. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới
mcv = 19,806
+ 0,00209.T
(kJ/kmol.độ)
2.2.2.2. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí sót
mc v = ( 17,997 + 3,504.α ) +
"

= ( 17, 997 + 3, 504.0,99 ) +

1
( 360,34 + 252, 4.α ) .10−5.T
2

1
( 360,34 + 252, 4.0,99 ) .10 −5.T
2

"

mc v = 21, 466 + 0, 003051.T

(kJ/kmol.độ)
2.2.2.3. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp
'

Trong q trình nén
'

mc v =
'

mcv

tính theo công thức sau:

mv v + γ r .mc 19,806 + 0, 00209T + 0,0526 ( 21, 466 + 0, 003051.T )
=
1+ γ r
1 + 0, 0526
"
v

mc v = 19,88906 + 0, 002138.T = av' +

bv'
.T
2

(kJ/kmol.độ)

2.2.2.4. Chỉ số nén đa biến trung bình n1
Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc vào rất nhiều thông số kết cấu và
thông số vận hành như kích thước xilanh, loại buồng cháy, phụ tải, trạng thái
nhiệt của động cơ v v…Tuy nhiên n1 tăng theo quy luật sau: Tất cả những nhân

14

14


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
tố làm môi chất mất nhiệt sẽ khiến cho n1 tăng, n1 được xác định bằng các giải
phương trình sau:

n1 − 1=

8,314
b'v
a + .Ta.(ε n1−1 + 1)
2
'
v

Chọn n1 = 1,374
VT = 1,374 – 1 = 0,374
VP =

8,314
= 0,37309
19,88906 + 0, 002138.340, 2. ( 9, 21,374−1 + 1)

0,374 – 0,37309
.100 = 0.0912
0,374

Sai số: Δn1 =
(%)
Thỏa mãn=> chọn n1 = 1,374
2.2.2.5. áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén pc
pc = pa .ε n = 0, 09.9, 21,374 = 1,8988
(MPa)
2.2.2.6. Nhiệt độ cuối quá trình nén
Tc = Ta .ε n1 −1 = 340, 2.9, 21,374 −1 = 780,1
(0K)
2.2.2.7. Lượng môi chất công tác của qúa trình nén
Mc = M1 + Mr = M1(1+γr) = 0,516.(1 + 0,0526)
Mc = 0,5429 (Kmol/kg nh.liệu)
2.2.3. Tính tốn q trình cháy:
2.2.3.1. Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết β 0
1

β0 =

M 2 M 1 + ∆M
∆M
=
= 1+
M1
M1
M1

Độ tăng mol

∆

M của các loại động cơ xác định theo công thưc sau:

H O
1 
∆M = 0.21.(1 − α ).M 0 + +
ữ
4 32 ànl

Do ú i với động cơ xăng
H O
1 
0.21.(1 − α ).M 0 + +
ữ
4 32 ànl

0 = 1 +
1
.M 0 +

µ nl

15

15


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
1 
 0.145 0
0.21.(1 − 0.99).0,512 + 
+ −
÷
4
32 114 

β0 = 1 +
1
0,99.0,512 +
114
β 0 = 1, 0553

2.2.3.2. Hệ số thay đổi phân tử thực tế β
β=

β 0 + γ r 1, 0553 + 0, 0526
=
= 1, 0525
1+ γ r
1 + 0, 0526

2.2.3.3. Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z

β z = 1+
βz = 1+

β0 − 1
.χ
1+ γ r z

χz =

Trong đó:

ζ z 0,85
=
= 0,8995
ζ b 0,945

1, 0553 − 1
.0,8995 = 1, 0472
1 + 0, 0526

2.2.3.4. Lượng sản vật cháy M2
M 2 = M 1 + ∆M = β 0 .M 1 = 1, 0553.0,516 = 0, 5443

(Kmol/kg nh.liệu)

2.2.3.5. Nhiệt độ tại điểm z
Đối với động cơ xăng, nhiệt độ Tz được tính từ phương trình cháy:

'
"
ξ z .(QH − ∆Q)
+ mc cv .Tc = β z mc vz .Tz (**)
M1 ( 1 + γ r )

Trong đó:
QH - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
3

QH = 44.10 (kJ/kg nh.liệu)
ΔQ- Nhiệt trị tổn thất do nhiên liệu cháy không hết khi đốt 1kg nhiên liệu.
∆Q = 120.103. ( 1 − α ) .M 0 = 120.103. ( 1 − 0,99 ) .0,512 = 588,1 ( kJ / kgnl )

Tỷ nhiệt trung bình của mơi chất tại điểm z:

16

16


Thuyết minh đồ án môn học động cơ

γ 
β 0 .  χ z + r ÷mcv" + ( 1 − χ z ) .mcv'
β0 
bv''

"
''

mcvz =
= av + T
2

γr 
β 0 .  χ z + ÷+ ( 1 − χ z )
β0 

0, 0526 

1, 0553.  0,8995 +
. ( 21, 466 + 0, 003051.T ) + ( 1 − 0,8995 ) . ( 19,88906 + 0, 002138.T )
1, 0553 ÷
"


mcvz =
0, 0526 

1, 0553.  0,8995 +
+ ( 1 − 0,8995 )
1, 0553 ÷


mcvz" = 21,3235 + 0, 002968.Tz

Thay giá trị vào (**) ta được:
0,85. ( 44.103 − 588,1)
0,516. ( 1 + 0, 0526 )

+ ( 19,88906 + 0, 002138.780,1) .780,1 = 1, 0472. ( 21,3235 + 0, 002968.Tz ) .Tz

⇔ 0, 003109.Tz2 + 22,3306.Tz − 84782, 629 = 0

Giải phương trình trên ta được: Tz = 2746,6 0K

βz.

Tỉ số tăng áp suất:
λ=
2.2.3.6. áp suất tại điểm z

Tz
2746, 6
= 1,0472.
= 3, 6871
Tc
780,1

Pz = λ. pc = 3, 6871.1,8988 = 7( MPa)

2.2.4 Tính q trình giãn nở
2.2.4.1. Hệ số giãn nở sớm ρ
Đối với động cơ xăng:
2.2.4.2. Hệ số giãn nở sau δ

ρ =1

δ = ε = 9, 2

2.2.4.3. Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2
8,314
n2 − 1=
"
(ξb − ξz ) Q*H
bvz
"
(T + T )
+ avz +
M 1(1+ γ r ) β( Tz − Tb)
2 z b
17

17


Thuyết minh đồ án môn học động cơ

Tb =

Tz

ε n2 −1

=

2746, 6
9, 2n2 −1

Trong đó:

Q*H
- Nhiệt trị tính tốn. Đối với động cơ xăng:
QH* = QH − ∆QH = 44000 − 588,1 = 43411,9

(kJ/kg nl)

Chọn n2 = 1,237, ta có

8,314

VP =

(0,945 − 0,85).43411,9
2746,6 

+ 21,3235 + 0,002968.  2746,6 + n2 −1 ÷
2746,6 
9, 2 


0,5158 ( 1 + 0,0526 ) .1,0525.  2746,6 − n2 −1 ÷
9, 2 

= 0, 26969
(1, 27-1) – 0, 26969
.100 = 0.115(%)
(1, 27-1)

Sai số: Δn2 =
Thỏa mãn=> chọn n2 = 1,27

2.2.4.4. nhiệt độ cuối quá trình giãn nở

Tb =

2746, 6
= 1508,59
9, 21,27 −1

(0K)
2.2.4.5. áp suất cuối quá trình giãn nở

pb =

pz
7
=
= 0, 418
δ n2 9, 21,27

(MPa)
Kiểm tra nhiệt độ của khí thải Trt:
m −1
m

p 
Trt = Tb  r ÷
 pb 

1,5−1

 0,115  1,5
= 1508,59. 
÷ = 981,18
 0, 418 

(0K)
Sai số của Trt so với Tr đã chọn ban đầu được xác định như sau:

∆Tr =

Trt − Tr
981,18 − 900
.100% =
.100% = 9, 02% < 15%
Tr
981,18

2.2.5. Tính tốn các thơng số chu trình cơng tác
p'i
2.2.5.1. áp suất chỉ thị trung bình
18

18


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
Đối với động xăng:
pi' =

pc  λ 

1 
1 
1 
.
.1 − n2 −1  −
.1 − n1 −1 
ε − 1  n2 − 1  ε
 n1 − 1  ε


pi ' =

1,8988  3, 6871 
1 
1
1 

.
1
−
−
.
1
−

1,374 −1 ÷
9, 2 − 1 1, 27 − 1  9, 21,27−1 ÷
 1,374 − 1  9, 2


pi’ = 1,076 MPa
2.2.5.2. áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi
pi = φd . pi' = 0,97.1, 076 = 1, 044
(MPa)
2.2.5.3. áp suất tổn thất cơ giới pm
Áp suất này thường được biểu diễn bằng quan hệ tuyến tính đối với tốc
độ trung bình của piston.
S .n 84,5.5500
vtb =
=
= 15, 49
30
30.1000

(m/s)
Theo số liệu thực nghiệm, đối với động cơ xăng có i ≤6, S/D>1 thì
Pm = 0,05 + 0,015.vtb = 0,05 + 0,015.15,49 = 0,282 (MPa)
2.2.5.4. áp suất có ích trung bình pe
Pe = pi - pm = 1,044 - 0,282 = 0,762 (MPa)
2.2.5.5. Hiệu suất cơ giới ηm
ηm =

pe 0, 762
=
= 0,73
pi 1.044

2.2.5.6. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi
432.103.ηv . pk 432.103.0,879.0,1
gi =

=
= 237, 6
M 1. pi .Tk
0,5158.1, 044.297
2.2.5.7. Suất tiêu hao nhiên liệu ge
g
237, 6
ge = i =
= 325, 7
ηm
0, 73
(g/KW.h)
2.2.5.8. Hiệu suất chỉ thị ηi
ηi =

3, 6.103
3, 6.103
=
= 0, 251
g i .QH
237, 6.10−3.44.103

2.2.5.9. Hiệu suất có ích ge
19

19

(g/KW.h)

Thuyết minh đồ án môn học động cơ

ηe = ηi .η m = 0, 251.0, 73 = 0,183
2.2.5.10. Kiểm nghiệm đường kính xilanh D theo cơng thức

Vh =

30τ .N e
30.4.52, 2
=
= 0,374
Pe .i.n
0, 762.4.5500

dm3

4.Vh
4.0,374
=
= 0, 75077 dm = 75, 077 mm
π .S
3,14.84,5.10 −2

Dtính tốn =

∆D = Dthực- Dtính = 75 – 75,077 = 0,077mm < 0,1mm ( thoả mãn )

2.3. Vẽ và hiệu đính đồ thị cơng
2.3.1 Xác định dung tích buồng cháy
Vh =

Vc =

π D2
3,14.0, 75.0,845
.S =
= 0,3731
4
4

Vh
0,3731
=
= 0, 0455
ε − 1 9, 2 − 1

(dm3)

(dm3)

- Giả thiết quá trình nạp áp suất bằng hằng số và bằng pa= 0,09 Mpa
-Giả thiết quá trình thải áp suất bằng hằng số và bằng pr= 0,115 Mpa
2.3.2 Xác định quá trình nén ac, quá trình giãn nở zb
Để xác định ta phải lập bảng :

-

Q trình nén:

Ta có pvn1= const ⇒ pxvxn1 = pcvcn1

đặt vx = ivc, trong đó i = 1÷ε
n1

n1

v 
v 
Px = Pc .  c ÷ = Pc .  c ÷
 vx 
 ivc 

 1 
Px = Pc .  n1 ÷
i 

20

20


Thuyết minh đồ án mơn học động cơ

-

Q trình giãn nở:

pvn2= const ⇒ pxvxn2 = pzvzn2
Đối với động cơ xăng : vz= vc ( vì ρ= 1 )
⇒

 1 
Px = Pz .  n 2 ÷
i 

Bảng 1.1 : Bảng xác định quá trình nén và quá trình giãn nở
iVc

q trình nén

q trình giãn nở

i

in1

Px=Pc/in1

in2

Px=Pz/in1

1Vc

1

1,0000

1,8988

1,0000

7,0000

2Vc

2

2,5919

0,7326

2,4116

2,9026

3Vc

3

4,5244

0,4197

4,0359

1,7344

4Vc

4

6,7179

0,2826

5,8159

1,2036

5Vc

5

9,1282

0,2080

7,7213

0,9066

6Vc

6

11,7268

0,1619

9,7331

0,7192

7Vc

7

14,4932

0,1310

11,8379

0,5913

8Vc

8

17,4119

0,1091

14,0257

0,4991

9,2Vc

9,2

21,0982

0,0900

16,7498

0,4179

2.3.3 Vẽ và hiệu đính đồ thị công
2.3.3.1 Vẽ đồ thị công
Dựa vào bảng đã lập ta vẽ đường nén và đường giãn nở, vẽ tiếp đường biểu
diễn quá trình nạp và quá trình thải lý thuyết bằng hai đường song song với trục
hoành, đi qua hai điểm pa và pr. Sau khi vẽ xong ta phải hiệu đính để có đồ thị
cơng chỉ thị, các bước hiệu đính như sau:
- Chọn µp = 0,025(MPa/mm)
- Chọn µv = 0,0017231(dm3/mm)
Từ bảng trên ta có
21

21


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
Vc
iVc
1Vc

áp suất quá trình nén

biểu diễn
(mm)

giá trị thực
(Mpa)

l

biểu diễn
(mm)

áp xuất quá trình giãn nở
giá trị thực
(Mpa)

biểu diễn
(mm)

1,8988

75,9520

7,0000 280,0000

2Vc

52,173913

0,7326

29,3038

2,9026 116,1047

3Vc

78,26087

0,4197

16,7871

1,7344

69,3768

4Vc

104,34783

0,2826

11,3060

1,2036

48,1440

5Vc

130,43478

0,2080

8,3206

0,9066

36,2632

6Vc

156,52174

0,1619

6,4768

0,7192

28,7678

7Vc

182,6087

0,1310

5,2405

0,5913

23,6529

8Vc

208,69565

0,1091

4,3621

0,4991

19,9634

240

0,0900

3,5999

0,4179

16,7166

9,2Vc

S

Ta chọn tỉ lệ xích của hành trình piston
µS =

là:

gtt S
S
84,5
=
=
= 0, 395
gtbd S gtbd S 213.91

Ta có thơng số kết cấu của động cơ là:
λ=

R
S
84,5
=
=
= 0,325
Ltt 2.Ltt 2.130

Vậy ta được khoảng cách
OO ' =

OO'

là:

λ .R 0,325.84,5
=
= 6,87(mm)
2
4

→ gtbdOO' =

gttOO'

µS

=

6,87
= 17,39( mm)
0,395

Ta có nửa hành trình của piston
22

22


Thuyết minh đồ án môn học động cơ
R=

S 84,5
=

= 42, 25( mm)
2
2

→ gtbd R =

gtt R 42, 25
=
= 106,96( mm)
µS
0,395

Vẽ đồ thị Brick đặt phía trên đồ thị cơng
2.3.3.2.Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp
Từ O’ của đồ thị Brich xác định góc đóng muộn φ5 = 300 của xupáp thải,
bán kính này cắt vịng trịn Brich ở a’, từ a’ gióng đường song song với tung độ
cắt đường pa ở r’. Nối điểm r trên đường thải với r’. Ta có đường chuyển tiếp từ
q trình thải sang q trình nạp.
2.3.3.2.Hiệu đính áp suất cuối q trình nén (điểm c)
Áp suất cuối quá trình nén thực tế do có sự đánh lửa sớm (động cơ xăng)
nên thường lớn hơn áp suất cuối quá trình nén lý thuyết pc đã tính. Theo kinh

nghiệm, áp suất cuối q trình nén thực tế

p'c

có thể xác định theo cơng thức

sau:
pc ' = pc +

1
1
( 0,85. pz − pc ) = 1,8988 + ( 0,85.7 − 1,8988 ) = 3, 25( MPa)
3
3

Cũng từ O’ của đồ thị Brich xác định góc đóng đánh lửa sớm φ3 = 150,
bán kính này cắt vịng trịn Brich ở C’’’, từ C’’’ gióng đường song song với tung
độ cắt đường nén ở C’’.Dùng một cung thích hợp nối C’’ và C’, thể hiện đường
nén thực tế tách khỏi đường nén lý thuyết.
2.3.3.3.Hiệu đính điểm đạt pzmax thực tế
Áp suất pzmax thực tế trong quá trình giãn nở không đạt trị số lý thuyết như
của động cơ xăng. Theo thực nghiệm, điểm đạt trị số áp suất cao nhất là 372o
÷375 tức là 12 ÷25o sau ĐCT của quá trình cháy giãn nở.
Từ đồ thị Brich xác định góc 120 gióng xuống đoạn đẳng áp 0,85Pz để xác
định điểm z’’.
Dùng cung thích hợp nối C’ với Z’’ lượn sát với đượng giãn nở.
2.3.3.4- Hiệu đính điểm q trình thải thực tế (điểm b)

23

23


Thuyết minh đồ án mơn học động cơ
Hiệu đính điểm b căn cứ vào góc mở sớm φ4 của xupap thải. Áp suất cuối
quá trình giãn nở thực tế pb” thường thấp hơn cuối quá trình giãn nở lý thuyết do
xupap thải mở sớm.
Xác định thời điểm xupap thải b’: Từ đồ thị Brick xác định góc φ4 =500

dóng xuống đường giãn nở ta xác định được điểm b’.
Xác định pb” theo công thức kinh nghiệm sau:
p ''b = p r +

1
1
( p b − p r ) = 0,115 + ( 0,418 − 0,115 ) = 0, 2665( MPa)
2
2

Điểm b” lấy bằng 1/2 đoạn biểu diễn br
Sau khi xác định b’, b” dùng cung thích hợp nối với đường thải r.
p (MPa) µp=0,025(MPa /mm)
O
O'
z

30°

50°

12°

15°

7

z''

0.85Pz

c'''
a'

3,25

1,8988

c'

c
c''

b'
p0

b''
a

r
r'

3
V (dm )

Đồ thị cơng

24

24

Thuyết minh đồ án mơn học động cơ

3. Tính tốn động lực học
3.1. Vẽ các đường biểu diễn các quy luật động học
x = f (α )

3.1.1. Đường biểu diễn hành trình của piston
.
Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn hành trình của piston theo trình tự sau:
- Chọn tỉ lệ xích góc 0,7 mm/độ.
- Chọn hệ gốc toạ độ cách gốc đồ thị công 1 khoảng bằng đoạn biểu diễn
Vc.
- Từ tâm

O'

100 , 200.......1800

của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với

.
0

- Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm
tương ứng trên trục tung của đồ thị
vị

x

tương ứng với các góc

x = f (α)

10 , 20 .......1800

ta được các điểm xác định chuyển

100 , 200.......1800
x

- Nối các điểm xác định chuyển vị
x = f (α)

0

.

3.1.2. Đường biểu diễn tốc độ của piston

ta được đồ thị biểu diễn quan hệ

v = f (α)

.

Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn tốc độ của piston

v = f (α)

theo phương

pháp đồ thị vòng. Tiến hành theo các bước cụ thể sau:
- Vẽ nửa vòng tròn tâm
- Vẽ vòng tròn tâm

O

O

2

R

λ.R

bán kính là

- Chia nửa vịng trịn tâm
λ.R

bán kính

O

.

2

bán kính

R

và vịng trịn tâm

O

bán kính là

thành 18 phần theo chiều ngược nhau.
- Từ các điểm chia trên nửa vòng tròn tâm

O

bán kính

R

kẻ các đường

song song với tung độ, các đường này sẽ cắt các đường song song với hoành độ
25

25