tính toán động cơ đốt trong

Tính toán động cơ đốt trong tính toán các chi tiết cơ cấu phân phối khí, tính toán kiểm nghiệm piston, thanh truyền, trục khuỷu, cơ cấu phan phpois khí, các chu trình làm việc của động cơ toyota camry 2.5q

học,động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền của động cơ

Tính quá trình nạp

1 Tính hệ số khí sót  r :

3 Tính nhiệt độ cuối quá trình nạp T a (K):

Loại động cơ  v  r Ta [K] Động cơ xăng 0,75 - 0,85 0,07 - 0,12 340 - 400 Động cơ Diesel 0,75 - 0,95 0,03 - 0,06 310 - 340

4 Tính số mol không khí để đốt cháy một kg nhiên liệu M 0 (kmolKK/kgnl):

Thành phần trong 1 kg nhiên liệu [kg] Khối lượng phân tử  nl [kg/kmol]

5 Tính số mol khí nạp mới M 1 : (1-5)

= 0.9*0.5119=0.4607 (động cơ Diesel, động cơ phun xăng) = 0.9*0.5119 + = 0.4690 ( động cơ xăng dùng bộ chế hoà khí)

Tính quá trình nén

6 Tỷ nhiệt của không khí (kJ/kmol.K):

7 Tỷ nhiệt mol của sản phẩm cháy (kJ/kmol.K):

8 Tỷ nhiệt của hỗn hợp cháy (kJ/kmol.K):

Có thể viết dưới dạng:

9 Tính chỉ số nén đa biến trung bình n 1 :

Chọn trước n1, thế vào phương trình sau, xác định n1 bằng phương pháp gần đúng.

Khi sai số hai vế nhỏ hơn 0,001 thì lấy giá trị n1 đã chọn.

10 Tính nhiệt độ cuối kỳ nén T c (K):

11 Tính áp suất cuối kỳ nén p c (MN/m 2 ):

Loại động cơ n1 pc [MN/m 2 ] Tc [K]

Tính quá trình cháy

13 Tính số mol sản phẩm cháy M 2 (kmol/kgnl):

14 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết.

15 Hệ số biến đổi phân tử thực tế.

16 Hệ số biến đổi phân tử tại z.

17 Tính hệ số toả nhiệt x z tại z:

18 Tổn thất nhiệt do cháy không hòan toàn: (1-19)

 1) suy ra a= 0.05, b=0.0155 Động cơ a b Động cơ xăng S/D  1 0,05 0,0155

S/D  1 0,04 0,0135 Động cơ Diesel buồng cháy thống nhất i6 0,09 0,012 i >6 0,03 0,012 Động cơ Diesel buồng cháy xoáy lốc 0,09 0,0138 Động cơ Diesel buồng cháy dự bị 0,015 0,0156

34 Áp suất có ích trung bình (MN/m 2 ):

36 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g/kw.h):

Loại động cơ  m p e [MN/m 2 ] g e [g/kw.h]  e

38 Thể tích công tác của động cơ (dm 3 ):

39 Kiểm nghiệm đường kính xi lanh (mm):

Nếu sai lệch thì đạt, nếu không thì phải tính lại.

Vẽ đồ thị công

Để vẽ được đồ thị công cần phải thực hiện những bước sau:

40 Xác định các điểm trên đường nén với chỉ số nén đa biến n1

Phương trình đường nén: , do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì:

Rút ra: Đặt ta có:

- n1 là chỉ số nén đa biến trung bình, xác định thông qua tính toán nhiệt.

41 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở:

Phương trình của đường giãn nở đa biến:, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì:

Chú ý rằng , đặt do đó

- n2 là chỉ số giãn nở đa biến trung bình, xác định thông qua tính toán nhiệt

42 Lập bảng xác định đường nén và đường giãn nở:

Vx i Đường nén Đường giãn nở

43 Xác định các điểm đặc biệt:

Chọn các tỷ lệ xích  v và  p sau đó vẽ hệ trục toạ độ (p, V).

Các điểm đặc biệt đó là: r(Vc,pr); a(Va,pa); b(Va,pb); c(Vc,pc); y(Vc,pz); z(Vz,pz). r(0.0663,0.11); a(0.6898,0.08);b(0.6898;0.383) c(0.0663,1.984);y(0.0663,8.8350);z(0.0663,8.8350)

Chú ý các quan hệ thể tích: Va = Vc + Vh;

44 Nối các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặc biệt, sẽ được đồ thị công lý thuyết.

45 Dùng đồ thị Brick xác định các điểm:

 Phun sớm (c’ - động cơ Diesel), Đánh lửa sớm (c’ - động cơ xăng)

 Mở sớm (b’), đóng muộn (r’’) xupáp thải.

 Mở sớm (r’), đóng muộn (a’) xupáp nạp.

46 Hiệu chỉnh đồ thị công: Ở động cơ xăng lấy áp suất cực đại bằng (0,85 - 0,9) pz

Xác định các điểm trung gian:

 Trên đoạn cy lấy điểm c’’ với c’’c = 1/3cy c’’(0.0663;4,3005)

 Trên đoạn yz lấy điểm z’’ với yz’’ = 1/2 yz z’’(0.0663;8.835)

 Trên đoạn ba lấy điểm b’’ với bb’’ = 1/2ba b’’(0.6898;0.383)

Nối các điểm c’c’’z’’ và đường giãn nở để tạo thành một đường cong liên tục tại ĐCT và ĐCD, đồng thời tiếp xúc với đường thải, sẽ cho ra đồ thị công đã được hiệu chỉnh.

Hình 1.1 Đồ thị công động cơ xăng

Hình 1.2 Tính toán các thông số bằng phần mềm excel

Hình 1.3 Tính toán các thông số bằng phần mềm excel

Hình 1.4 Tính toán các thông số cần để vẽ biểu đồ

10.0000 Đường nén Đường giãn nở r a b c y z c’’ z’’ b’’ rb cc c ar

Hình 1.5 Đồ thị công khi chưa hiệu chỉnh

Hình 1.6 Biểu đồ Brick sau khi được hiệu chỉnh trong phần mềm soliwork

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU

Động học

Các đường biểu diễn được vẽ trên một hoành độ thống nhất, tương ứng với hành trình của pittong S=2R Do đó, đồ thị sử dụng hoành độ tương ứng với Vh từ điểm 1Vc đến εVc.

2.1.1 Xác định quy luật bằng phương pháp giải tích

- Bán kính quay trục khuỷu là

- Xác định vận tốc của chốt khuỷu: � =

+ Độ dịch chuyển của piston x = R.[(1 - cosα) + λ/4.(1 - cos2α)]

+ Vận tốc dịch chuyển của piston V = R.ω.(Sinα + λ/2.Sin2α)

+ Gia tốc chuyển động của piston j = Rω.(cosα λ.cos2α)

Hình 2.1 Đồ thị động học

Động lực học

2.2.1 Xác định các khối lượng quy dẫn

* Xác định các khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến

Lực quán tính của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền gồm lực quán tính chuyển động tịnh tiến và lực quán tính chuyển động quay

2.2.2.1 Xác định lực quán tính chuyển động thẳng

2.2.2.2 Lực quán tính chuyển động quay pkt

Sử dụng đồ thị brick để tính chiều cao áp suất tại các góc cho trước rồi nhân với tỷ lệ xích để tính pkt

Bảng excel tính toán để vẽ biểu đồ

Hình 2.2 Đồ thị khai triển Pkt,Pj,P1

Sau đó lập bảng để tính các lực tác dụng lên chốt khuỷu :

Bảng excel biểu diễn thành phần theo lực N=f(α), Z=f(α), N = f(α)

Hình 2.3 Biểu đồ lực tiếp tuyến, pháp tuyến, lực ngang

Tính tổng T trong động cơ nhiều xi lanh phân bố thẳng hàng

- Xác định thứ tự làm việc của động cơ

- Xác định góc lệch công tác của các xi lanh

- Lập bảng xác thứ tự làm việc của các xi lanh

- Xác định lực T như ở động cơ 1 xi lanh

- Lập bảng để tính các giá trị T, ở từng xi lanh.

Tính giá trị Dựa theo công thức

Sau đó vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu:

Hình 2.5 Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

Vẽ hệ trục tọa độ vuông góc Z-T với trục Z có chiều dương hướng xuống dưới Đặt các giá trị T và Z lên hệ trục T-Z, mỗi cặp giá trị tương ứng tạo thành một điểm được đánh số từ 0 đến 72 Khi nối các điểm này lại, ta thu được đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Dịch gốc tọa độ xuống một đoạn bằng giá trị lực quán tính ly tâm.

= -R[MN/m²] Đây chính là tâm chốt khuỷu 0

Xác định phương chiều và điểm đặt lực

Giá trị của lực được biểu diễn dưới dạng véctơ, kéo dài từ gốc đến một vị trí cụ thể Chiều của lực hướng từ tâm ra ngoài Điểm đặt của lực nằm trên phương kéo dài của véctơ và cắt vòng tròn đại diện cho chốt khuỷu.

Khai triển đô thị véc tơ phụ tải Z-T thành đô thị Q-

Vẽ hệ trục tọa độ Q-, chọn tỉ lệ xích =0,05[độ/mm]và Trên các điểm chia của trục Q- ta lần lượt đặt các véctơ tương ứng với các góc.

Nối các dầu mút vécto lại ta có đỗ thị khai triển Q = f(a).

Hình 2.6 Đồ thị khai triển của vector phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Đồ thị mài mòn chốt khuỷu :

Chia vòng tròn tượng trưng cho chốt khuỷu thành 24 phần bằng nhau đánh số thứ tự theo chiều ngược kim đồng hồ.

Từ các điểm chia 0, 1, 2, 3, đến 23 trên vòng tròn 0, ta xác định các tia 0°, 1°, 2°, đến 23° kéo dài, cắt đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu Qua đó, chúng ta có thể lập tổng phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tại các điểm đã xác định.

Điểm đặt là giá trị tổng được ghi vào các ô đã được đánh dấu, sau đó thực hiện phép cộng tất cả các giá trị trên từng cột để tính tổng phụ tải tác dụng tại các điểm trên bề mặt chốt.

Bảng xác định vùng ảnh hưởng của

Hình 2.7 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu

TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí

3.1.Thông số cho trước và đã chọn:

3.2. Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí

3.2.1 Xác định tiết diện lưu thông của xupap

Trong đó: - Tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế xupáp (m/s).

- Tiết diện lưu thông của họng đế xupáp (cm 2 ).

- Đường kính họng đế xupáp

Động cơ xăng có kiểu 4 kỳ với 4 xylanh, trong đó góc mở sớm của xupap nạp là 15 độ và góc đóng muộn là 30 độ Xupap xả có góc mở sớm 55 độ và góc đóng muộn 35 độ Động cơ đạt công suất 134 kW với số vòng quay tối đa 6000 v/ph Tỷ số nén là 10.4, áp suất môi trường là 0.1 MPa và nhiệt độ môi trường là 300 độ Áp suất cuối quá trình nạp là 0.8 MPa, trong khi áp suất khí sót là 0.11 MPa Mức độ sấy nóng của môi chất là K 20.

Nhiệt độ khí sót (khí thải) T r (K) 900

Hệ số hiệu đính tỉ nhiệt λ t 1,17

Hệ số quét buồng cháy λ2 1

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξz 0,88

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b ξb 0,9

Hệ số điền đầy đồ thị φd 0,97 Đường kính xi lanh D (mm) 90

Góc đánh lửa sớm 20 và - mật độ của dòng khí ở họng xupáp và ở trong xilanh, coi=

- Tốc độ bình quân của pittông.

Từ công thức (4 – 1) ta có:

Từ (4 – 2) ta rút ra tốc độ bình quân của dòng khí qua họng đế xupáp.

(4 – 3) Đường kính họng đế xupáp: (4– 4)

Thay vào (4 – 5) ta được: f kx = h.(d h cos + h.sin.cos 2 ) (4 – 6)

Hệ số f kx phụ thuộc vào hành trình h và tiết diện lưu thông; khi tiết diện lưu thông nhỏ, f kx sẽ lớn hơn Hành trình h càng lớn thì f kx cũng tăng theo, tuy nhiên, hành trình h bị giới hạn bởi tiết diện của họng đế xupáp, do đó, tiết diện lưu thông không thể vượt quá tiết diện của họng đế xupáp.

Khi = 0 0 , thì f kx = và hành trình xupáp h max = d h /4

Khi hành trình xupáp đạt 45 độ, nó cần phải lớn hơn để đảm bảo tiết diện lưu thông tương đương với tiết diện họng đế xupáp Hiện nay, hành trình xupáp trong động cơ thường nằm trong khoảng từ 0,18 đến 0,3 lần đường kính của nó.

* Tiết diện lưu thông qua xupáp nạp:

Theo thực nghiệm và tính toán nhiệt tốc độ của dòng khí nạp được chọn: v kn = (40 115) (m/s) chọn v kn = 67,8086 (m/s)

Từ (4 – 4) suy ra đường kính họng nạp: d hn = = = 0.0315 Góc côn của nấm xupáp nạp: = 45 0

Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupáp nạp theo (4 – 2). v kn = v p = 67,8086 (m/s). v kn (70 90) (m/s) Vậy v kn thỏa mãn điều kiện.

* Tiết diện lưu thông qua xupáp thải:

Theo thực nghiệm và tính toán nhiệt tốc độ của dòng khí thải được chọn: v kt = (1,2 1,5) v kn = 1,2.67,8086= 81,3702 (m/s)

Từ (4 – 4) suy ra đường kính họng thải: d ht = = = 0.02625 (mm)

Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupáp thải theo (4 – 2). v kt = v p v p = = 88,00336 (m/s). v kt < (70 90) (m/s) Vậy v kt thỏa mãn điều kiện.

Cam - Con đội

- Góc công tác của cam nạp: 2,5

- Đường kính trục cam: #mm

- Độ nâng lớn nhất của con đội: = 6

- Bán kính lưng cam: (mm)

- Chọn bán kính cung đỉnh cam nạp: =5mm

(Chọn r trong khoảng từ 2mm đến 5mm)

- Bán kính của cung đỉnh cam (mm): r = R - = 12,5 - = 3,64 h nmax = Đặt = R + h nmax – r ,5+5-3,64 ,86

- Bán kính cung tiếp tuyến cam nạp:

- Góc công tác cam thải:

- Bán kính cung tiếp tuyến cam thải:

3.3.1.Động học con đội đáy bằng trong giai đoạn I nạp: = = (61,4741-1,25) (1-cos 4) = 0,119298 thải: = = (27,33332-1,25) (1-cos 13,92) = 0,435617 nạp: = = (61,4741-1,25) (1-cos 11,26) = 0.942691996 thải: = = (27,33332-1,25) (1-cos 31,32) 2,161549988

Gia tốc của con đội: nạp := (61,4741-1,25).cos4 = 4816,888589 thải : = = (27,33332-1,25).cos13,92 = 1419.5563

Hình 3.1 Động lực học của con đội trong giai đoạn I

3.3.2 Động học con đội đáy bằng trong giai đoạn II a.Chuyển vị con đội :

Khi con đội trượt đến vị trí M trên cung BC với một góc quay nhất định, chuyển vị của con đội được tính theo công thức: γ nạp là 19.67 và γ thải là 22.75.

=3,64 + 13,44333333.cos22,74-12,5 = 3.537455 b Vận tốc con đội:

- Ta có công thức tính vận tốc con đội như sau:

- Tại điểm C có = 0 và tại điểm B có = như vậy góc tính ngược lại với chiều quay của trục cam nên:

= 314 13,86.sin19,67 =1.464906 (m/s) = 314 13,44333333.sin22,74 = 1.420868 (m/s) c Gia tốc con đội:

Ta có công thức tính gia tốc con đội :

Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ

3.4.1 Tính toán kiểm nghiệm lò xo - supap: Để xác định được lực quán tính của cơ cấu phân phối khí, cần phải quy dẫn toàn bộ khối lượng của các chi tiết máy trong cơ cấu phân phối khí về đường tâm xupáp Do đó lực quán tính tác dụng lên cơ cấu phân phối khí có thể tính theo công thức sau: n n t t n n t t

- jk - gia tốc của xupáp.

- mok - khối lượng của cơ cấu phối khí quy dẫn về đường tâm xupáp.

Trong động cơ, cơ cấu phân phối khí sử dụng hệ thống dẫn động trực tiếp cho xupáp Khối lượng mok được xác định bằng tổng khối lượng của xupáp, con đội, móng hãm và khối lượng quy dẫn của lò xo.

Do khối lượng quy dẫn của lò xo molx = = 22,5

Nên ta có khối lương quy dẫn cả cơ cấu : mok = mxpn+mđl +mmh+mlx + mcđ

Trong bài viết này, các khối lượng của các bộ phận được liệt kê như sau: khối lượng của xupáp nạp (mxpn) là 97,5 g, khối lượng của đĩa lò xo (mđl) là 30 g, khối lượng của móng hãm (mmh) chưa được xác định, khối lượng của lò xo xupáp (mlx) là 67,5 g, và khối lượng của con đội (mcđ) cũng chưa được xác định Tổng khối lượng (mok) của các bộ phận đã biết là 246 g, được tính bằng cách cộng tổng các giá trị: 97,5 + 30 + 10 + 67,5 + 86.

3.4.2 Tính toán kiểm nghiệm trục cam :

Nếu bỏ qua ma sát và trọng lực (vì các lực này rất nhỏ so với các lực khác) thì lực tác dụng lên trục cam sẽ là:

P lxo - lực nén ban đầu của lò xo xupáp (Trạng thái xupáp đóng kín).

P jt - Lực quán tính của cơ cấu phối khí khi bắt đầu mở xupáp quy dẫn về đường tâm con đội.

P kt - Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm xupáp thải qui dẫn về đường tâm con đội.

Với: - Diện tích mặt nấm xupáp nạp.

(m 2 ). p kt – Áp suất khí thể trong buồng cháy khi bắt đầu mở xupáp

Thay vào công thức (5 – 5) ta có:

- Ứng suất uốn của trục cam được tính theo công thức:

- Mômen xoắn đạt cực đại khi lực PT ở xa tâm trục cam nhất, con đội lúc này trượt hết phần cung có bán kính

- Mômen xoắn trục cam do lực lò xo và lực quán tính gây ra trên mặt cam được xác định theo công thức:

Nếu trên đoạn trục tính toán có hai cam cùng tên thì độ võng cho phép của trục cam được tính theo công thức:

Chọn E!000 ( MN/ f = 3,4.P Tmax f = 0,066157195 Độ võng cho phép của trục cam nằm trong phạm vi [f] = (0,05 0,1) mm.

Vậy trục cam thỏa mãn về độ võng.

* Ứng suất tiếp xúc trên mặt cam:

Trong quá trình làm việc, trên mặt cam và con đội xuất hiện ứng suất tiếp xúc Ứng suất tiếp xúc được tính theo công thức:

3.4.3 Tính toán sức bền con đội:

Kiểm nghiệm áp suất tiếp xúc trên thân con đội thường được thực hiện Tại điểm B, khi cam tiếp xúc với con đội, mômen xoắn trục cam Mx đạt giá trị tối đa, dẫn đến việc con đội bị nghiêng và tiếp xúc không đều Áp suất tiếp xúc được tính toán theo công thức cụ thể.

(5 – 11) Trong đó: d và l – Đường kính và chiều dài tiếp xúc của thân con đội. d = 40 (mm) và l = 25,5 (mm).

* Áp suất trên mặt chốt

*Áp suất trên bạc chốt

3.4.4 Tính toán sức bền xupáp:

Tính sức bền của nấm xupáp có thể áp dụng công thức Back, với giả thuyết rằng nấm xupáp hình tròn được đặt trên một đế tựa hình trụ Ứng suất trên mặt nấm được xác định thông qua công thức cụ thể.

(5 – 12) Với: pz – Áp suất khí thể lớn nhất Chọn pz = 5,1 (MN/m 2 ). d – Đường kính trung bình của nấm xupáp; d = dnn = 28 (mm).

- Chiều dày mặt nấm; = 3 (mm).

MÔ PHỎNG CHI TIẾT CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

Giới thiệu phần mềm solidwokds

Hiện nay, Solidworks đang trở thành phần mềm phổ biến trên toàn cầu, đặc biệt tại Việt Nam Phần mềm này không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí mà còn mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác như điện, khoa học ứng dụng và cơ mô phỏng.

Phần mềm Solidworks nổi bật với các tính năng thiết kế chi tiết 3D và lắp ráp các thành phần, giúp người dùng tạo ra các bộ phận máy móc một cách hiệu quả Ngoài ra, khả năng xuất bản vẽ 2D cho các chi tiết cũng là một trong những điểm mạnh phổ biến của phần mềm này.

Solidworks không chỉ cung cấp các tính năng cơ bản mà còn hỗ trợ phân tích động học và động lực học thông qua các công cụ motion và simulation Ngoài ra, phần mềm còn tích hợp module Solidcam, giúp tối ưu hóa quá trình gia công CNC với các chức năng phay và tiện Đặc biệt, Solidcam cho phép gia công nhiều trục, trong khi module 3Dquickmold hỗ trợ thiết kế khuôn hiệu quả.

Hình 4.1 Logo phần mềm solidworks.

Việc tích hợp nhiều tính năng, modul và Add-in trên phần mềm Solidworks giúp người dùng chuyên môn hóa hơn và giảm thiểu việc sử dụng nhiều phần mềm khác nhau Để học Solidworks, bạn có thể tham gia khóa học thiết kế hoặc tham khảo bộ tài liệu hướng dẫn sử dụng nếu không có nhiều thời gian đến trung tâm.

Sử dụng phần mềm solidworks để mô phỏng trục cam

Để bắt đầu, hãy tạo một bản vẽ trong môi trường 3D Pard Sử dụng các lệnh cơ bản trong thư mục Sketch để vẽ biên dạng của vấu cam, trục cam và ổ đỡ Tiếp theo, áp dụng các lệnh trong thư mục Features để tạo khối 3D và thiết lập kích thước cho từng chi tiết.

Hình 4.2 bản vẽ 3d trục cam nạp.

Hình 4.3 Bản vẽ 3d trục cam thải.

Xuất bản vẽ 2d của trục cam

Sau khi hoàn thành việc vẽ hình 3D, bước tiếp theo là xuất bản bản vẽ 2D cho trục cam trong môi trường Drawing Người dùng cần chọn loại giấy và kích cỡ phù hợp, sau đó lựa chọn các hình biểu diễn chi tiết từ thư mục view platele và thực hiện hiệu chỉnh hình chiếu Cuối cùng, tiến hành đo các kích thước của hình chiếu và ghi chú các thông tin cần thiết.

Hình 4.4 bản vẽ 2d trục cam nạp.

Hình 4.5 Bản vẽ 2d trục cam thải.