Báo cáo bài tập lớn Thiết kế động cơ đốt trong - Chủ đề: Thiết kế hệ thống phân phối khí

Nội dung text: Báo cáo bài tập lớn Thiết kế động cơ đốt trong - Chủ đề: Thiết kế hệ thống phân phối khí

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN KỸ THUẬT Ô TÔ MÁY ĐỘNG LỰC BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chủ đề: Thiết kế hệ thống phân phối khí Giáo viên hướng dẫn: Hồng Đức Thông Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hữu 1411666 Trần Hoàng Ý 1414852 Phan Trọng Nghĩa 1412469 Lê Trọng Hiếu 1411177 Trần Tấn Đạt 1410847 TP. HCM, THÁNG 11 NĂM 2016
2. 1. Điều kiện làm việc, yêu cầu 1.1. Điều kiện làm việc a/ Xupap Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm xupáp từ 10000  20000 N và chịu tác động của lực quán tính nên khi làm việc luôn bị va đập mạnh với đế xupáp nên rất dễ gây biến dạng Do xupap làm việc trực tiếp với khí cháy nên còn phải chịu đựng nhiệt độ rất cao. Xupáp xả làm việc trực tiếp với dòng khí thải có nhiệt độ khoảng 1100 1200 0C và với tốc độ dòng khí vào cỡ 400 600 (m/s), xupáp xả thường quá nóng và bị xâm thực. Xupáp nạp nhờ dòng khí nạp làm mát nên chịu nhiệt nhỏ hơn xupáp xả. Do trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khí cháy tạo tạo ra axit ăn mòn mặt nấm xupap. b/ Cam - Trục cam chịu hầu hết các lực của cơ cấu phân phối khí như: lực lò xo xupáp, lực quán tính con đội, lực khí thể bắt đầu thải, chịu mài mòn, 1.2. Yêu cầu a/ Xupap -Vật liệu chế tạo xupap cần có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống được ăn mòn hóa học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải ở nhiệt độ cao. - Đóng mở xupáp đúng thời gian qui định. - Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông - Đóng kín và không được hở (tì chặt lên đế xupáp). Tránh gây lọt khí sẽ làm giảm áp suất trong hành trình nén làm giảm công suất của động cơ. - Ít mòn và ít ồn ào (do va đập). - Dễ điều chỉnh, sửa chữa, giá thành hạ. - Đóng mở các cửa nạp và cửa thải theo đúng qui luật pha phối khí động cơ. b/ Cam: đòi hỏi trục cam phải có độ cứng vững, độ bền tốt. c/ Yêu cầu cả hệ thống - Đóng mở đúng thời gian quy định. - Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông. - Đóng kín, xupap thải không tự mở trong quá trình nạp. - Ít mòn, tiếng kêu bé. - Dễ điều chỉnh và sửa chữa, giá thành chế tạo rẻ. - Yêu cầu từ khách hàng. Thiết kế Động cơ đốt trong 2
3. Hình 2.3 b/ Có 2 dãy trục cam (DOHC): - Ưu điểm: Hoạt động hiệu quả, đáp ứng nhanh. Dùng cho các động cơ dùng tính năng cao. - Nhược điểm: Kết cấu phức tạp. 2.3. Số lượng xupap: Hình 2.4 a/ Ba xupap - Ưu điểm: có thể thực hiện đánh lửa kép, nhiên liệu cháy trọn vẹn hơn. - Nhược điểm: Nạp không đầy và xả không sạch do ít xupap. Hình 2.5 Ba xupap b/ Bốn xupap - Ưu điểm: Nạp nhiều, thải nhanh nhờ có nhiều xupap. - Nhược điểm: Kết cấu phức tạp. c/ Năm xupap Hình 2.6 Bốn xupap - Ưu điểm: Tiết diện không khí lưu thông là tối đa - Nhược điểm: Kết cấu phức tạp. Hình 2.7 Năm xupap Thiết kế Động cơ đốt trong 4
4. b/ Dẫn động trục cam bằng xích: Ưu: Gọn nhẹ, có thể dẫn động ở khoảng cách lớn. Nhược: Chi phí cao. Dùng một thời gian thì xích dễ bị rung động, bị rão, gây tiếng ồn và làm sai lệch. c/ Dẫn động bằng đai răng: - Ưu điểm: Gọn nhẹ, có thể dẫn động ở khoảng cách lớn. Giá rẻ, không ồn, không cần bôi trơn. - Nhược điểm: Độ bền không cao, có thể trượt ngang. Hình 2.12 Dẫn động trục Hình 2.13 Dẫn động trục cam bằng xích cam bằng đai răng 2.5. Biên dạng cam Hình 2.14. Các biên dạng cam Thiết kế Động cơ đốt trong 6
5. 3.2. Tính toán sơ bộ a/ Xupáp: Xupáp là chi tiết trực tiếp cho dòng khí nạp vào buồng đốt và thải khí cháy ra ngoài với một thời gian ngắn trong một chu kì làm việc của pittông. Trong quá trình làm việc xupáp chịu tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt. Về tải trọng cơ học: Nấm xupáp chịu áp suất khí thể từ 0,6  1,5 MN/m2 và chịu tác động của lực quán tính nên khi làm việc luôn bị va đập mạnh với đế xupáp nên rất dễ gây biến dạng. Về tải trọng nhiệt: Xupáp thải làm việc trực tiếp với khí thải có nhiệt độ khoảng 1000 1200 0C và với tốc độ dòng khí vào cỡ 400 600 (m/s), xupáp thải thường quá nóng và bị xâm thực. Xupáp nạp nhờ dòng khí nạp làm mát nên chịu nhiệt nhỏ hơn xupáp xả. Do xupáp làm việc trực tiếp với khí cháy nên vật liệu chế tạo xupáp là các thép hợp kim chịu nhiệt tốt. Với lớp hợp kim này làm cho xupáp ít mòn và chống được gỉ của mặt nấm xupáp thải. Kết cấu của xupáp gồm 3 phần chính: Phần nấm xupáp, thân xupáp và phần đuôi. * Phần nấm: Kết cấu của nấm xupáp chẳng những có ảnh hưởng quyết định đến giá thành chế tạo xupáp mà còn ảnh hưởng đến độ bền, trọng lượng và tình trạng của dòng khí lưu động qua họng đế xupáp nữa. Nấm xupáp nạp và xupáp xả của động cơ Skoda6l-350 được sử dụng là loại nấm bằng. Ưu điểm của loại này là đơn giản dễ chế tạo. Mặt làm việc quan trọng của phần nấm là mặt côn, có góc độ 450. Điều này vừa đảm bảo được độ bền của nấm, vừa đảm bảo tiết diện lưu thông khi mở xupáp và vừa đảm bảo dòng khí lưu động dễ dàng. Góc này càng nhỏ thì tiết diện lưu thông càng lớn. Tuy nhiên nếu càng nhỏ thì mặt nấm càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế xupáp. Đôi khi góc của mặt côn trên nấm xupáp còn làm nhỏ hơn góc của mặt côn trên đế xupáp từ (0,5 10) để xupáp có thể tiếp xúc với đế theo vòng tròn ở mép ngoài của mặt côn. Làm như vậy có thể đảm bảo tiếp xúc được kín khít dù mặt nấm có bị biến dạng nhỏ. Chiều dày của nấm xupáp nạp bằng (0,08 0,12). Xn . Chiều dày của nấm xupáp thải bằng (0,08 0,12). Xt . * Phần thân xupáp: Thân xupáp có đường kính thích đáng để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịu được lực nghiêng khi xupáp đóng mở. Để giảm nhiệt độ cho xupáp người ta có xu hướng tăng đường kính của thân xupáp và kéo dài ống dẫn hướng đến gần nấm xupáp. Khi lực nghiêng nhỏ như động cơ tham khảo dẫn động xupáp bằng đòn bẩy, thân xupáp thường có đường kính dt = (0,16  0,25).dn .Trong đó dn là đường kính của nấm xupap.Thân xupáp nạp và thải có dạng hình trụ dài. Chỗ chuyển tiếp giữa thân và nấm có góc lượn. Thiết kế Động cơ đốt trong 8
6. Lò xo chịu tải trọng thay đổi theo chu kỳ và chịu dao động. Kết cấu lò xo dạng hình trụ. Bước xoắn trên cùng của lò xo có đường kính nhỏ hơn so với các vòng còn lại của lò xo. Kết cấu lò xo của xupáp nạp và thải trong động cơ là giống nhau. Nếu số vòng công tác của là xo càng ít thì mỗi vòng của lò xo biến dạng càng nhiều vì vậy lò xo chịu ứng suất xoắn càng lớn. Ngược lại, nếu số vòng công tác nhiều quá, lò xo quá dài, độ cứng của lò xo giảm, tần số dao động tự do thấp dễ bị cộng hưởng, sinh va đập với mặt cam. Bước xoắn của lò xo được quấn giống nhau trên toàn bộ chiều dài của lò xo. Lò xo xupáp làm việc trong điều kiện tải trọng động thay đổi rất đột ngột. Vì vậy vật liệu chế tạo lò xo thường dùng dây . Lò xo làm việc trong điều kiện tải trọng động thay đổi đột ngột. Loại lò xo thường dùng nhất là lò xo xoắn ốc hình trụ. Hai vòng ở hai đầu lò xo quấn sít với nhau và mài phẳng để lắp ghép với nhau. Số vòng công tác càng ít thì mỗi vòng lò xo biến dạng càng lớn, vì vậy lò xo chịu ứng suất xoắn càng lớn. Ngược lại, nếu số vòng công tác nhiều thì thì biến dạng càng ít nhưng độ cứng giảm dần, tần số dao động tự do thấp dễ bị dao động cộng hưởng sinh ra va đập với mặt cam. Ngày nay người ta thường hai lò xo lồng vào để: - Ứng suất trên từng lò xo nhỏ so với chỉ dùng một lò xo, vì vậy ít bị gẫy lò xo. - Tránh được hiện tượng cộng hưởng do các vòng đều có tần số dao động tự do khác nhau. - Khi một lò xo gẫy động cơ vẫn tiếp tục làm việc an toàn trong một thời gian ngắn vì lò xo không bị tụt xuống xylanh. e/ Kết cấu con đội: Trong phương án dẫn động cơ cấu phối khí gián tiếp, con đội là chi tiếp máy truyền lực trung gian, đồng thời con đội chịu lực nghiêng do cam phối khí gây ra trong quá trình dẫn động xupap, khiến cho xupap hoàn toàn không chịu lực nghiêng Trong kết cấu con đội gồm hai phần: phần dẫn hướng (thân con đội) và phần mặt tiếp xúc với mặt cam. Thân con đội có dạng hình trụ còn mặt tiếp xúc thường có dạng khác nhau. Các loại con đội hình trụ có kết cấu đơn giản và dễ chế tạo. Thân con đội hình trụ có kích thước vừa bằng đường kính mặt tiếp xúc. Sở dĩ làm như vậy vì để tránh hiện tượng mòn vẹt mặt con đội (hoặc mặt cam) khi đường tâm con đội không thẳng góc với đường tâm trục cam. Khi mặt tiếp xúc là mặt cầu, con đội tiếp xúc với mặt cam tốt hơn nên tránh được hiện tượng cào xước. Ngoài ra để con đội mòn đều thì thường lắp con độ lệch với mặt cam một khoảng  = 13 mm. Như thế trong quá trình làm việc, con đội vừa chuyển động tịnh tiến vừa chuyển động quay chung quanh đường tâm của nó. Thiết kế Động cơ đốt trong 10
7. Độ nâng lớn nhất của con đội: h (0,18  0,3)dh h.cos Bán kính cung đỉnh cam nạp: r = R - 2 1 1 cos 2 Đường kính trục cam: dc Độ nâng lớn nhất của con đội: hmax Bán kính cung đỉnh cam nạp: r Bán kính lưng cam: R1 0 Cách dựng: Đối với cam nạp n 148 . + Vẽ vòng tròn tâm O bán kính , xác định góc AOA’ = n . + Trên đường phân giác của góc AOA’ ta lấy EC = hnmax (E thuộc vòng tròn bán kính R1). + Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O1 bán kính r nằm trên đường phân giác đó. Vòng tròn này đi qua điểm C. + Vẽ cung tròn có bán kính tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O2 nằm trên đường kéo dài của OA. + Sau khi đã xác định được R1, hmax, , và r1 bán kính cung tiếp tuyến ngoài có thể xác định từ quan hệ tam giác vuông O1MO2 như sau: C B B' r 1 O 24,8 E A A' 148 O r R O2 O2 Hình 3.3 Dựng hình cam lồi của cam nạp. Kẻ O1M vuông góc với OA. Xét tam giác vuông O1MO2 có: 2 2 2 (O1O2) = (O1M) + (O2M) . Đặt D = R1 + hmax – r . Thiết kế Động cơ đốt trong 12
8. 180 0   * Cam thải: Góc công tác của cam thải 1 2 t 2 Trong đó 1 Góc mở sớm của xupáp thải.  2 Góc đóng muộn của xupáp thải. Đường kính trục cam: dc Độ nâng lớn nhất của con đội: hmax = (0,18÷0,3)dt h.cos Bán kính cung đỉnh cam thải: r = = R - 2 1 1 cos 2 Bán kính lưng cam: R1 Cách dựng: Đối với cam thải t . + Vẽ vòng tròn tâm O bán kính R1 , xác định góc AOA’ = t . + Trên đường phân giác của góc AOA’ ta lấy EC = hnmax (E thuộc vòng tròn bán kính R1). + Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O1 bán kính r nằm trên đường phân giác đó. Vòng tròn này đi qua điểm C. + Vẽ cung tròn có bán kính tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O2 nằm trên đường kéo dài của OA. + Sau khi đã xác định được R1, hmax, t , và r1 bán kính cung tiếp tuyến ngoài có thể xác định từ quan hệ tam giác vuông O1MO2 như sau: C B B' 1 r O 21,75 E A r A' 138 O R O2 O2 Hình 3.5 Dựng hình cam lồi của cam thải. Kẻ O1M vuông góc với OA. Xét tam giác vuông O1MO2 có: 2 2 2 (O1O2) = (O1M) + (O2M) . Đặt D = R1 + hmax – r = 42 + 21,75 – 29,85 = 33,9 (mm). Thiết kế Động cơ đốt trong 14
9. 4. Thiết kế kỹ thuật 4.1. Tính toán xupap a/ Tính toán tiết diện lưu thông của xupap Tính toán tiết diện lưu thông của xupap dựa vào giả thuyết: dòng khí đi qua họng đế xupap lưu thông ổn định, coi dòng khí nạp (hoặc thải) có tốc độ bình quân và tốc độ của piston không đổi Hình 4.1 Tiết diện lưu thông cuẩ xupap Căn cứ vào giả thuyết tính ổn định, liên tục của dòng khí ta có thể xác định được tốc độ khí qua họng xupap: 2 푣 퐹 푣 = = 푣 2 𝑖 𝑖 ℎ Trong đó vk – tốc độ trung bình của dòng khí chảy qua họng đế xupap (m/s) dh – đường kính họng đế xupap i – số xupap 2 fk – tiết diện lưu thông của họng đế xupap (cm ) vp – tốc độ bình quân của piston (m/s) 2 Fp – diện tích piston (cm ) Qua tính toán và thực nghiệm tốc độ của dòng khí nạp ở chế độ toàn tải nằm trong phạm vị sau: 푣 푛 = 40 ÷ 115 /푠 ( động cơ ô tô và máy kéo) 푣 푛 = 30 ÷ 80 /푠 ( động cơ tàu thủy và tỉnh tại) 푣 푛 = 100 ÷ 125 /푠 ( động cơ máy bay) Thiết kế Động cơ đốt trong 16
10. 4.2. Tính lò xo xupap Lo xo xupap có nhiệm vụ đóng kín xupap trên đế và đảm bảo xupap đống mở theo đúng quy luật của can, nhất là trong giai đoạn chuyển động cảu con đội có gia tốc âm, vì khi có gia tốc âm các chi tiết máy chuyển động khác có xu hướng rời khỏi mặt cam. Do đó, lực lò xo Plx phải luôn lón hơn lực quán tính Pjk ở mọi chế độ tốc độ. 푃푙 = 푃푗 trong đó: k – hệ số an toàn Ta xác định đường đặc tính của lò xo. Khi biết được đường đặc tính của lò xo, độ cứng C của lò xo hình trụ được xác định bằng công thức: 푃 − 푃 = 푙 푙 표 ℎ Sau khi lựa chọn được đường đặc tính của lò xo, cần căn cứ điều kiện bố trí chung và tiêu chuẩn vật liệu để xác định kích thước của lò xo (gồm đường kính trung bình của lò xo Dtb, đường kính dây cuốn lò xo d, số vòng công tác i và bước xoắn t) 푡 = (0,8 ÷ 0,9) ℎ푛 3 8푃 = √ 푙 푡 [휏 ] 𝑖 = 𝑖 푡 + (2 ÷ 3) 푣ò푛 푡 = + + 훥 푖푛 𝑖 푡 Trong đó: : dhn – đường kính họng đế xupap nạp (m) Plxmax – lực lò xo khi mở hết xupap (MN) [τx] - ứng suất xoắn cho phép (MN/ma) ict – số vòng công tác của lò xo Δmin – khe hưởng giữa các vòng lò xo ( m) Fmax – độ biến dạng cực đại của lò xo (m) Giả thuyết lực lò xo Plx tác dụng trên phương đường tâm của lò xo, moment xoắn của lò xo được tính bằng : = 푃 푡 푙 2 Ứng suất xoắn của lò xo: 8푃 휏 = 푙 푡 표 3 Thiết kế Động cơ đốt trong 18
11. 4.4. Tính toán động lực học trục cam: Mặt làm việc của cam gồm hai phần: phần cung bán kính 휌 và phần cung bán kính r. Vì vậy qui luật động học của con đội trên hai cung cũng khác nhau. Trong giai đoạn I, con đội trượt trên mặt cam từ A đến B tương ứng với góc quay của cam 휃 = 0 đến 휃 = 휃max. Giai đoạn II, con đội trượt trên cung r, từ B đến với C ứng với góc quay 훾 = 훾max= 휑/2 − 휃max nên 훾= 0. Động học con đội trong giai đoạn I (đi từ A đến B) Chuyển vị của con đội: ℎ휃 = = − 푅1 = 휌 − (휌 − 푅1) 표푠휃 − 푅1 hoặc ℎ휃 = (휌 − 푅)(1 − 표푠휃) Hình 4.4 Động học con đội trong giai đoạn I Vận tốc của con đội: ℎ휃 ℎ휃 휃 푣휃 = = . = 휔 . (휌 − 푅1)푠𝑖푛휃 푡 휃 푡 Gia tốc của con đội: Ta lấy đạo hàm của vận tốc theo thời gian sẽ tính được gia tốc: 푣휃 푣휃 휃 2 휃 = = . = 휔 (휌 − 푅1) 표푠휃 푡 휃 푡 Vậy trong giai đoạn I con đội đáy bằng tiếp xúc với mặt cam trượt trên đường cong có bán kính 휌 chuyển vị một đoạn ℎ휃 tương ứng với góc quay của trục cam. Thiết kế Động cơ đốt trong 20
12. Ứng với số vòng quay trục khuỷu ta có được chuyển vị của cam như sau: 휑0 0 30 60 90 120 150 180 h(mm) 0 0 0 0 0 0 0 휑0 210 240 270 300 330 360 h(mm) 0 5,239 7,5 5,239 0 0 Hình 4.6 Đồ thị quan hệ giữa góc quay trục cam và chuyển vị đứng của con đội 4.5. Tính Toán Bền a/ Tính sức bền trục cam: . Trục cam chịu uốn: Giả thiết: Ta xem trục cam như 1 dầm có tiết diện đồng đều đặt tựu do trên hai gối tựa. Trong đó: 푃 là tổng hợp lực của lực khí thể quy về cam, lực quán tính của trục cam và lực nén ban đầu của xupap. Hình 4.7 Sơ đồ tính toán bền khi trục cam chịu uốn Thiết kế Động cơ đốt trong 22
13. Công thức xác định độ võng: 64푃 푃 푃 = 1 2 4 4 3 푙( − 표 ) E là modun đàn hồi của vật liệu = (2 ÷ 2,2). 105 / 3 푃1, 푃2 là hai phản lực dọc tại gối tựa. . Ứng suất tiếp xúc: Trong khi làm việc thì cam và con đội luôn tiếp xúc với nhau, điều này dẫn tới ứng suất tiếp xúc. ứng suất tiếp xúc được tính theo công thức Hert: 푃 . 휎 = √ ( ⁄ 3) 휌 b là chiều rộng biên dạng cam (m) 휌 là bán kinh độ cong biên dạng vấu cam. b/ Tính áp suất con đội: Khi moment xoắn đạt cực đại thì lúc ấy moment này cũng làm cho thân con đội bị nghiêng đi, ngay tại lúc này áp suất tiếp xúc của con đội sẽ thay đổi lớn nhất. Hình 4.9 Sơ đồ tính toán áp suất con đội Áp suất cảu con đội có thể tính như sau: 6 퐾 = 푙2 Trong đó: 푙 là chiều dài con đội ở trong ống dẫn hướng. d là đường kính con đội. là moment xoắn của trục cam 2 Áp suất cho phép [퐾 ] ≤ 10 / Thiết kế Động cơ đốt trong 24
14. 7. Tài liệu tham khảo: - Sách Kết cấu và Tính Toán Động Cơ Đốt Trong tập II. Tác giả Hồ Tấn Chuẩn – Nguyễn Đức Phú – Trần Văn Tế - Nguyễn Tất Tiến. - Sách Kỹ Thuật Ô Tô và Xe Máy Hiện Đại. Nhiều tác giả. - Sách Lý Thuyết Động Cơ Đốt Trong. Tác giả Văn Thị Bông – Huỳnh Thành Công. Thiết kế Động cơ đốt trong 26