Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
30
Lời nói đầu
Ngy nay ngnh động cơ đốt trong vẫn chiếm một vị trí vô cùng quan
trọng v khẳng định đợc u thế của mình. Đó l thiết bị động lực chủ yếu
đợc sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nh giao thông vận tải, nông nghiệp,
công nghiệp
Động cơ đốt trong sử dụng đợc những điều kiện khí hậu khác nhau,
nh vùng nhiệt đới nóng ẩm, vùng Cực Bắc. Tổng công suất của các động cơ
đốt trong chiếm khoảng 95% công suất các thiết bị. Kỹ thuật sử dụng v thiết
kế, chế tạo động cơ đốt trong đang trên đ phát triển.
ở nớc ta trớc Cách mạng Tháng Tám cơ sở vật chất của các ngnh
chế tạo cơ khí hầu nh không có gì, ngnh động cơ đốt trong hầu nh chỉ bó
hẹp trong phạm vi sửa chữa, thay thế v sử dụng bảo dỡng, trên khắp nớc ta
không có một Nh máy no có khả năng sản xuất phụ tùng chính của động cơ.
Nhng chỉ sau 20 năm từ ngy Cách mạng Tháng Tám thnh công đến nay
ngnh động cơ đốt trong ở nớc ta đã phát triển, các Nh máy sửa chữa ô tô,
máy kéo của nớc ta đã chế tạo đợc các phụ tùng thay thế nh Nh máy cơ
khí Trần Hng Đạo đã sản xuất hng loạt các động cơ Diezel 2-20; 4-40 v
đặc biệt l năm 1962 kết hợp với Trờng Đại Học Bách Khoa H Nội cùng với
các Xí nghiệp khác Nh
máy Cơ khí Trần Hug Đạo đã chế tạo thnh công
chiếc máy kéo Tháng Tám.
Hiện nay có rất nhiều Nh máy cơ khí chế tạo phụ tùng động cơ đốt
trong, phụ tùng ôtô máy kéo nh Nh máy Chế tạo phụ tùng ôtô số 1, Nh
máy chế tạo động cơ Diezel Sông Công - Thái Nguyên.
Mặt khác nớc ta vẫn nhập v sử dụng nhiều động cơ đốt trong, ôtô,
máy kéo của nớc ngoi. Điều đó đòi hỏi ngời cán bộ kỹ thuật phải biết
những kết hợp khoa học tiên tiến để giải quyết những vấn đề xảy ra trong thực
tế sản xuất.

Vì thời gian có hạn, trình độ còn hạn chế v lần đầu tiên em đợc giao
nhiệm vụ lớn ny cho nên không tránh khỏi những thiếu sót, em mong các
Thầy, Cô cùng ton thể các bạn đồng nghiệp chỉ bảo v đóng góp chân thnh
để em có kiến thức vững phục vụ trong công tác sau ny.
Một lần nữa em xin chân thnh cảm ơn PGS.TS Phạm Minh Tuấn
cùng các Thầy, Cô giáo bộ môn đã tận tình chỉ bảo để em hon thnh tốt đồ
án của mình.
Cẩm Phả, ngy tháng 06 năm
2009

Sinh viên thực hiện

Hoàng Tiến Hiệp
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
32
Phần 2

tính toán nhiệt động học v động lực học động cơ

A. Các thông số kỹ thuật động cơ 3 240:
1. Động cơ
3 240 l động cơ Diezel 4 kỳ không tăng áp.
2. Công suất động cơ: N
e
= 360 mã lực = 264,78 (kW)
3. Số vòng quay trục khuỷu: n = 2100 (vòng/ph)
4. Đờng kính xilanh: D = 130 (mm)
5. Hnh trình piston: S = 140 (mm)
6. Số lợng xilanh: i = 12

pt
= 2,780 (kg)
17. Khối lợng nhóm thanh truyền: M
tt
= 4,520 (kg)
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
33
B. Tính toán nhiệt động học v động lực học
Chơng I: Tính toán nhiệt
I. Các thông số cần chọn:
Xác định vận tốc trợt piston:
30
.nS
C
m
=

Trong đó:
S: hnh trình piston; S = 140 mm = 0,14 m
n: số vòng quay trục khuỷu; n = 2100 vòng/ph
Vậy
)/(8,9
30
2100.14,0
30
.
sm
nS
C

áp suất P
a
phụ thuộc vo rất nhiều yếu tố: thông số chủng loại động cơ,
tính năng tốc độ, đờng nạp, tiêt diện lu thông,
Đối với động cơ không tăng áp: P
a
= (0,8 ữ 0,9)P
0

Chọn P
a
= 0,88 P
0
= 0,088 (MPa)
4. áp suất khí thải: P
r

Đối với động cơ có tốc độ thấp có thể chọn P
r
trong phạm vi:
P
r
= (1,03 ữ 1,06)P
0

Ta chọn: P
r
= 1,10 P
0
= 1,10 . 0,1 = 0,110 (MPa)

1

= 1,2 ữ 1,8
Vậy chọn:
t
= 1,1
8. Hệ số quyết buồng cháy:

2

Với động cơ không tăng áp:
t
= 1
9. Mức độ sấy nóng môi chất:

T
Chủ yếu phụ thuộc vo quá trình hình thnh khí hỗn hợp bên ngoi hay
bên trong xilanh:
Với động cơ Diezel: T = 20K ữ 40K
Với động cơ
3 240 chọn: T = 30K
10. Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z:

Z
Thể hiện lợng nhiệt phát ra của nhiên liệu dùng để sinh công v tăng
nội năng ở điểm Z, với lợng nhiệt phát ra khi đốt cháy hon ton 1kg nhiên
liệu.
Do đó
Z
phụ thuộc vo chu trình công tác của động cơ.

xăng vì thế hệ số
d
của động cơ Diezel thờng chọn trị số nhỏ, trong khoảng
ữ 0,97.
Ta chọn:
d
= 0,954
13. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu: Q
n

Q
n
= 42.500 (KJ/Kg)
II. Tính toán quá trình công tác của động cơ:
1. Tính toán quá trình nạp:
1.1. Hệ số khí sót:

r

m
a
r
t
a
r
r
r
P
P
P

1
.
088,0
11,0
.
800
)30297(1
5,1
1
=







+
=
r


1.2. Nhiệt độ cuối quá trình nạp: T
a

KT
P
P
TTT
T









++
=





Với động cơ không tăng áp T
a
= (310 ữ 350)K. Vậy kết quả trên l phù
hợp.
1.3. Hệ số nạp:

v

Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
36
()( )




1
2.1
00
0

1




()( )
802,0
088,0
11,0
.1.1,102,1.5,16
11,0
088,0
.
3029715,16
297
5,1
1
=








=
Trong đó:

inV
N
P
h
e
e

30

=3
22
857,1
4
4,1.3,1.14,3
4

dm
SD
V
h
===


N

+=
32
0
41221,0
1
0
HC
M

Nhiên liệu động cơ Diezel: 1 kg nhiên liệu có:
C = 0,87; H = 0,126; 0 = 0,004
496,0
32
004,0
4
126.0
12
87.0
21,0
1
0
=






+=M (Kmol/kg.nl)
1.6. Hệ số d lợng không khí:

457,1
36,187
86,427
2
1
457,1
634,1
876,19
10.
36,187
86,427
2
1634,1
876,19
"
5
5"
+=






+++=






=
+
+
=



2.2. Chỉ số nén đa biến trung bình: n
1

Chỉ số nén đa biến trung bình phụ thuộc rất nhiều vo thông số kết cấu
v thông số vận hnh nh kích thớc xilanh, loại buồng cháy
Tuy nhiên n
1
lại tăng giảm theo quy luật: tất cả các nhân tố lm cho mỗi
chất mất nhiệt sẽ lm chỉ số n
1
giảm.
Giả thiết quá trình nén l đoản nhiệt, ta có thể xác định n
1
nh sau:
()
1
2
314,8
1
1
'
'
++

a
a
v
v

Chọn sơ bộ n
1
= 1,368 thay vo ta có:
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
38

()
VPVT
v
=
=
++
=

368,0368,0
15,16.3,342.00211,0838,19
314,8
1368,1
1368,1'

Vậy chọn n
1
= 1,368 l đợc
2.3. áp suất cuối quá trình nén: p

= M
1
(1 +
r
)
M
c
= 0,723 (1 + 0,033) = 0,767 (kmol/kg.nl)
3. Tính toán quá trình cháy:
3.1. Hệ số thay đổi phần tử lý thuyết:

0044,1
496,0.457,1
32
004,0
4
126,0
1
.
32
0
4
1
0
0
=
+

3.3. Hệ số thay đổi phần tử thực tế tại điểm Z
041,196,0.
033,01
1044,1
1
96,0
86,0
83,0
.
1
1
1
0
=
+

+=
===
+

+=
Z
b
Z
Z
Z
r
Z
X
X

"'
1
ZpZZcv
r
HZ
TmCTmC
M
Q



=++
+86,21959.00211,0838,19
2
'
''
=+=+=
c
v
vv
T
b
amC (kJ/kmol.độ)

314,8
'"
+=

00276,0956,20
96,01
044,1
033,0
96,0.044,1
00209,0802,1996,01
044,1
033,0
96,000278,099,20.044,1
**
1.
1.
"
"
0
0
'
0
"
0
"
+=
+






+








Vậy
Zvzpz
TmCmC 00276,027,29314,8
""
+=+=

Chọn hệ số tăng áp suất = 1,5
Thay tất cả vo phơng trình (*) ta đợc:

()
()( )
077,8054946,3000287,0
00276,027,29041,15,1.341,886,21
033,01.723,0
10.5,42.83,0
2
3
=+
+=++
+
ZZ
ZZ
TT

1
.
959
2192
.041,1
1
===


c
Z
Z
T
T

4.2. Tỷ số giãn nở sau:
479,10
535,1
5,16
===




4.3. Chỉ số giãn nở đa biến trung bình:
()
()
()
***
.


=
n
Z
b
T
T

: nhiệt độ tại điểm B (K)

00276,0
2
956,20
'"
"
=
=
vz
vz
b
a

Chọn sơ bộ n
2
= 1,26 thay vo (***) ta có:

()
()( )
26,026,0
5,16

5,16
2192
26,01
2
===



4.4. áp suất quá trình giãn nở:
317,0
497,10
314,6
26,1
2
===
n
Z
b
P
P


4.5. Kiểm tra nhiệt độ khí thải:
K
P
P
TT
m
m
b

%71,3%100.
831
800831
%100.
)(
=

=

=
r
chonrr
r
T
TT
T

-> T
r
15% thoả mãn
r
T
Vậy chọn
r
T
trên l đúng.
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
41
III. Tính toán các thông số của chu trình công tác:

a
i























+

=


























+

=



2. áp suất chỉ thị trung bình thực tế :

g
i
i
v
i
==
=


4. Hiệu suất chỉ thị:

i

434,0
5,42.195
10.6,3
.
10.6,3
33
===
Hi
i
Qg


5. áp suất tổn thất cơ giới trung bình: P
m

áp suất ny đợc biểu diễn bằng quan hệ tuyến tính với tốc độ trung
bình của piston.



8. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích: g
e

Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
42
)./(238
8205,0
195
hkwg
g
g
m
i
e
===


9. Hiệu suất có ích:

e3561,08205,0.432,0. ===
mie




858,1.4
.
.4
mmdm
S
V
h
===


D = D
t
- D
H
= 130 - 129,99 = 0,010 (mm)
So với đờng kính ban đầu thì sai lệch 0,01 0,1 l đảm bảo.
IV. Vẽ và hiệu đính đồ thị công:
Lập bảng tính toán quá trình nén và quá trình gin nở:
Ta có:
120,01199,0
15,16
858,1
1
==

=

=

h

3
)
* Giả thiết quá trình nạp áp suất bằng hằng số; P
a
= 0,088 (MPa)
* Giả thiết quá trình thải áp suất bằng hằng số: P
r
= 0,11 (MPa)
1. Xác định quá trình nén ac; quá trình gin nở Z
b

* Quá trình nén:
Ta có: P.V
n1
= const
-> P
x
.
11
.
n
cc
n
X
VPV =
Đặt V
x
= i.V
c
. Trong đó: i = 1 ữ






=








=

* Quá trình giãn nở:
P.V
n2
= const
-> P
x
.
12
.
n
zz
n
X
VPV =

cX
i
PP
=
2
2
.
n
n
zX
i
PP

=
iV
c
1
n
i

MPa mm
2
n
i

MPa mm
1 V
c
1 4,074 162,96 1,000
V

c
26,584 0,153 6,12 20,519 0,528 20,9
12 V
c
29,945 0,136 5,44 22,896 0,473 18,725
13 V
c
33,410 0,122 4,88 25,326 0,428 16,94
14 V
c
36,975 0,110 4,4 27,805 0,390 15,44
15 V
c
40,634 0,100 4,0 30,330 0,357 14,13
16 V
c
44,385 0,092 3,68 32,900 0,329 13,02
16,5 V
c
46,293 0,088 5,32 34,200 0,317 12,54

Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
44
Từ các thông số đợc chon: việc vẽ đồ thị so với lý thuyết phải tơng
đối chính xác nên sau khi vẽ xong ta phải hiệu đính lại số điểm trên đồ thị.
Trục honh V
c
thể hiện = 230 mm ~ 16,5 V
c





==
mm
mMN
mm
dm
mm
V
p
c
v
2
3
/
025,0
250
314,6
0086,0
1



Vẽ đồ thị Brick đặt giá trên đồ thị P -V
Ta có: 00
tt
= 75,8
2.280

- Trục honh thể hiện dung tích công tác: V (dm
2
)
- Chọn tỷ lệ xích hợp lý:






=








=
=
mm
MPa
mm
mMN
mmdm
p
v
025,0
/

-
)

)(75,8
2
25,0.70
00
25,0
280.2
140
.2
2
.
00
'
'
mm
L
S
L
R
R
HH
==
====
=



00


c
đợc xác định

()
()
)(82,4074,4314,6
3
1
074,4
3
1
'
MPa
PPPP
czcc
=+=
+=

P
c vẽ
= 8,192
025,0
82,4
=
Vậy có:
)(8,192
025,0
82,4
'

tức l 12
0
ữ 15
0
sau
ĐCT của quá trình cháy giãn nở.
Trên đồ thị Brick ta kẻ góc 15
0
rồi dóng xuống đồ thị công cắt tại Z.
Dùng 1 cung thích hợp nối điểm C với điểm Z v đờng cháy giãn nở.
3.4. Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình thải thực tế (b):
Căn cứ vo góc mở sớn xupáp thải
1
= 56
0
. Xác định
1
trên Brick
dóng song song trục tung cắt đờng thải ở đâu thì điểm đó l điểm (b

)
Xác định điểm (b

). áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế (Pb

) thờng
thấp hơn áp suất của quá trình giãn nở lý thuyết do xupap thải mở sớm.

() ()
)(2135,011,0317,0
Hình 2.1. Đồ thị công
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
47
Chơng II: Tính toán động học và động lực học
I. Vẽ đờng biểu diễn các quy luật động học:
Các đờng ny đều đợc vẽ trên 1 honh độ thống nhất ứng với hnh
trình piston: S = 2R. Vì vậy đồ thị đều lấy honh độ ứng với V
h
của đồ thị
công (từ điểm 1V
c
ữ V
c
)
1. Đờng biểu diễn hành trình piston:
()

fx =

Vẽ theo phơng pháp đồ thị dùng vòng tròn Brick đã vẽ ở phần hiệu
đính để vẽ.
+ Chọn tỷ lệ xích: 0,6 mm/độ ->
6,0=
x

) kéo ra cắt vòng
tròn (O) ở đâu thì dòng song song trục tung xuống phía dới. Từ các góc
tơng ứng trên trục tung dòng song song với trục honh cắt các đờng dóng
trên Brick xuống.
+ Nối các điểm cắt nhau đó ta đợc 1 đờng thể hiện hnh trình piston.
2. Đờng biểu diễn tốc độ piston:
()

fv =
- Vẽ đờng biểu diễn tốc độ piston theo phơng pháp đồ thị vòng.
Ta đã có:







2sin
2
.sin
2sin
2
sin
RR
RV
w
w
+=


nửa vòng tròn (O,R) của bán kính ny tạo thnh với trục honh các đờng
cong abc.
- Dùng đồ thị
()

fv =
v Brick để vẽ
()

fv =

+ Từ đờng tròn Brick ứng với góc (theo điểm chia) ta xác định đợc
các giá trị X


+ Từ
()

fv = ứng với góc ta xác định đợc các giá trị V
+ Trên toạ độ V-X ta đặt các điểm có toạ độ (V

, X

)
+ Nối các điểm đó ta đợc đồ thị
()

()
()
)/(30,422725,018,219.07,0
)/(1.
22
22
max
sm
smRJ
=+=
+=


()
()
)/(4,253625,0.8,219.07,0.3 3
)/(4,253625,018,219.07,0
)/(1.
222
22
22
max
smREF
sm
smRJ
===
==
=



Từ điểm A tơng ứng với ĐCT lấy AC = J
max

Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
49
Từ điểm B tơng ứng với ĐCT lấy BD = J
min

Nối C với D cắt trục honh tại E, lấy EF về phía BD. Nối C với F v F
với D; đẳng phân định hớng CF v FD nh hình vẽ, nối các điểm 11, 22,
33, Vẽ đờng bao trong với tiếp tuyến 11, 22, 33, ta có đờng cong biểu
diễn
()
xfJ =


: khối lợng piston
- m
c
: khối lợng chốt
- m
xm
: khối lợng xécmăng
- m
vh
: khối lợng vòng hãm.
55,209
13,0.14,3
4.78,2
4
22
====
D
M
F
M
m
np
d
np
np

(kg/m
2
)
m

1
= 209,55 + 95,35 = 304,9 (kg/m
2
)
2. Các khối lợng chuyển động quay:
m
K
= m
2
+ m
ch
+ m
0m
(kg/m
2
)
Trong đó:
m
2
= (m
tt
- m
1
) l khối lợng của thanh truyền quay dẫn về tâm chốt
khuỷu tính trên đơn vị diện tích piston (kg/m
2
)
4,340
13,0.14,3
4.52,4

.
- Chọn tỷ lệ xích
P
cùng với tỷ lệ xích với đồ thị công:






=
mm
Mpa
P
KT
30
1

- Chọn tỷ lệ xích cùng với tỷ lệ xích honh độ của
()
xfJ =
).1(
2
max

RmPj = (MPa)
8,1288904)25,01(8,219.07,0.9,304
2
min
=+= Pj (Pa)

''
===
J
CA (mm)
9,30
025,0
9,773342
025,0
min
''
===
J
DB (mm)
9,30
025,0
7411096,0
025,0
''
''
===
tinh
FE
FE
(mm)
4. Đờng biểu diễn:
()
xfv =
Dùng phơng pháp đồ thị vòng ta xác định đợc đồ thị
()


max
sẽ ứng với điểm j = 0.
5. Triển khai đồ thị công trên toạ độ P - V thành
()

fP =
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
52
Chọn tỷ lệ xích


= 2
0
/mm. Nh vậy ton bộ chu trình 720
0
sẽ ứng với
360
0
mm. Đặt honh độ ny cùng trên đờng đậm biểu diễn P
0
v cách ĐCD
của đồ thị công khoảng (4 ữ 5) cm.
- Tỷ lệ xích:


= 60
- Xác định trị số của P
kt
ứng với các góc của đồ thị Bride rồi đặt các



P


= P
kt
+ Pj.
Việc xây dựng đờng
()

fP =

chỉ l việc cộng toạ độ các giá trị tơng
ứng của P
kt
v Pj.
8. Vẽ đồ thị tiếp tuyến T= f(

)
Ta có:



cos
)sin(
+
=

PT (MPa)




cos
)sin(
+
=

PZ (MPa)
Giá trị



cos
)sin(
+
đợc tra trong bảng.
Sau khi tra bảng, lập bảng giá trị, ta vẽ đồ thị Z= f(

).
Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
53
Đồ thị Z= f(

) đợc vẽ trên cùng hệ toạ độ với đồ thị P

v có cùng tỷ
lệ xích với đồ thị P

Hình 2.3. Đồ thị khai triển P
kt
+ Pj = P

. Đồ án tốt nghiệp Trờng Đaị học Bách Khoa - Hà Nội
SV: Hoàng Tiến Hiệp
54
Bảng xác định động lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến
(độ) P

(mm)




cos

180 30,5 0,00 0,00 -1,00 -30,5
190 30,5 -0,1309 -3,9911 -0,9924 -30,2668
200 30,5 -0,2614 -1,9720 -0,9690 -29,5559
210 30,5 -0,3909 -11,9222 -0,9290 -28,3351
220 30 -0,5181 -15,5420 -0,8707 -26,1210
230 29 -0,6406 -18,5780 -0,7923 -22,9755
240 27 -0,7551 -20,3888 -0,6921 -18,6855