Đại học SPKT Vinh
Lực

Khoa: Cơ Khí Động

LỜI NÓI ĐẦU
Trong bối cảnh của đất nước ta hiện nay đã và đang phát triển một cách
nhanh chóng và đang trên đà phát triển thành một nước công nghiệp trong thời gian
sắp tới, thì vai trò của ngành động cơ đốt trong nói chung và nền công nghiệp ôtô
nói riêng rất là quan trọng. Cụ thể hơn thì nền công nghiệp ôtô đã góp phần rất
nhiều trong các ngành nông nghiệp ,công nghiệp ,dịch vụ…,và đặc biệt là khả năng
di chuyển rất linh động đã làm cho phần lớn người dân Việt Nam đã chọn ôtô xe
máy làm phương tiện di chuyển qua đó thúc đẩy ngành công nghiệp ôtô phát
triển.Học qua môn kết cấu tính toán động cơ đốt trong đã giúp chúng ta phần nào có
thể hình dung ra được cách tính toán thiết kế ra một động cơ đốt trong.Và dưới đây
là bản thiết kế tính toán động cơ đốt trong mà tôi đã áp dụng những kiến thức về
tính toán động cơ để thiết kế.Hi vọng bạn đọc có thể có góp ý giúp tôi để tôi có thể
rút kinh nghiệm trong những bản thiết kế tiếp theo.Và xin cảm ơn thầy Phạm Hữu
Truyền đã giúp đỡ em tận tình trong quá trình thực hiện bản thiết kế.
Xin chân thành cảm ơn thầy cô!
Vinh,ngày 27 tháng 12 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Vũ Đình Công

CHƯƠNG I
TÍNH TOÁN CHU TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Đồ án : Môn học ĐCĐT

1

SVTH: Vũ Đình Công


( mm)

5 – Dung tích công tác

Vh = 0.74613

( dm3 )

6 – Số xi lanh

i=8

7 – Tỷ số nén

ε = 6.5

)

8 – Thứ tự làm việc của xi lanh

1–5–4–2–6–3–7–8

9 – Suất tiêu hao nhiên liệu

ge = 220

( g/ml.h)
10 – Góc mở sớm xupap nạp
Góc đóng muộn xupap nạp

mtt = 1.272

( mm )

1. Áp suất môi trường :

pk = 0.1

( Mpa)

2. Nhiệt độ môi trường:

Tk = 297

( ok )

3. Áp suất cuối quá trình nạp:

pa = 0.085

( Mpa)

4. Âp suất khí thải:

pr = 0.105

( Mpa)

5. Mức độ sấy nóng môi chất:


Đồ án : Môn học ĐCĐT

2

SVTH: Vũ Đình Công


Đại học SPKT Vinh
Lực

Khoa: Cơ Khí Động

11. Hệ số lợi dụng nhiệt tại b

ξb = 0.856

12. Hệ số hiệu đính đồ thị công:

φd = 0.929

13. Chỉ số mũ đa biến:

m = 1.45

1.2. Tính toán các quá trình công tác
1.2.1. Tính toán quá trình nạp:
1. Hệ số khí sót γr :
Hệ số khí sót γr dược tính theo công thức
γr =


6,5.1, 02 − 1,1.1. 
÷
 0, 085 

Trong đó: m là chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót. m = 1,45
1. Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta:
Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta được tính theo công thức:
 m −1 

÷
m 

 p 
(Tk + ∆T ) + λt .γ r .Tr .  a ÷
 pr 
Ta =
1+ γ r

( oK )

1,45−1
1,45

 0, 085 
(297 + 6) + 1,1.0, 0699.1000. 
0,105 ÷


Ta =
1 + 0, 0699

0, 085 
0,105

 1,45  
ηv =
.
.
. 6,5.1, 02 − 1,1.1. 
÷
 = 0.8116
6,5 − 1 (297 + 6) 0,105 
 0, 085 



2. Lượng khí nạp mới M1 :
Đồ án : Môn học ĐCĐT

3

SVTH: Vũ Đình Công


Đại học SPKT Vinh
Lực

Khoa: Cơ Khí Động

Lượng khí nạp mới M1 được xác định theo công thức :
M1 =

220.0.7155.297

( dm3 )

( kmol/kg nhiên liệu )

2. Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu Mo :
Lượng không khí lí thuyết cấn để đốt cháy 1 kg nhiên liệu Mo được tính
theo công thức :
Mo =

1 C H O
 + − ÷ = 0,5120
0, 21  12 4 32 

( kmol/kg nhiên liệu )

Đối với nhiên liệu của động cơ xăng ta có:
C = 0,855 ;

H = 0,145.

3. Hệ số dư lượng không khí α:
Trọng lượng phân tử của xăng là μnl = 114 nên đối với động cơ xăng ta
có:

α=

1.2.2


Đại học SPKT Vinh
Lực

Khoa: Cơ Khí Động

1
mcv '' = (17,997 + 3,504α ) + (360,34 + 252, 4α )10 −5 T =
2
1
mcv '' = (17,997 + 3,504.1, 05) + (360,34 + 252, 4.1, 05)10 −5 T =21,74337T
2

(kJ/kmol.độ)
3. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp.
Được tính theo công thức:
mc 'v =

mcv + γ r .mcv''
b'
= av' + v T
1+ γ r
2

Ta đặt :
bv
= 0, 0209
2

av = 19,806 ,


mcv' = 19,930 + 0, 00216.297 = 20,5712

( kJ/kmol.độ )

4. Chỉ số nén đa biến trung bình n1:
Được tính theo công thức:
n1 − 1 =

8,314

8,314
⇒ n1 − 1 =
b
n1 −1
19,930 + 0, 00216.350,5. 6,5n1 −1 + 1
a + .Ta . ε + 1
2
'
v

'
v

(

(

)

)

7.Lượng môi chất công tác của quá trình nén Mc:
Lượng môi chất công tác của quá trình nén Mc được tính theo công thức:
Mc = M1 + Mr = M1. ( 1 + γr) = 0.5516.( 1 + 0.0699) = 0.590
1.2.3: Tính toán quá trình cháy :
1. Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết βo :
Ta có độ tăng mol ∆M của các loại động cơ được xác định theo công
thức:
H O
1 
+ −
÷
 4 32 µnl 

∆M = 0.21.( 1 – α ). Mo + 

Nên hệ số thay đổi phan tử lý thuyết βo được xác định theo công thức:
H O
1
0.21. ( 1 – α ) . M o +  + −
 4 32 µnl
βo = 1 +
1
α .M o +
µnl


÷
=

 0,145 1 


Trong đó:
Đồ án : Môn học ĐCĐT

6

SVTH: Vũ Đình Công


Đại học SPKT Vinh
Lực

χz =

Khoa: Cơ Khí Động

ξ z 0,85
=
= 0,9930
ξb 0,856
⇒ βz = 1+

1, 0381 − 1
.0,9930 = 1, 0353
1 + 0, 0699

4. Lượng sản vật cháy M2 :
Ta có lượng sản vật cháy M2 được xác định theo công thức:
M2 = M1 + ∆M = βo.M1 = 1,0381+ 0,5516 = 0,5726


β o .  χ z + r ÷.m.cv'' + ( 1 − χ z ) .m.cv
βo 

m.cvz'' =
= avz'' + bvz'' .Tz

γ 
β o .  χ z + r ÷+ ( 1 − χ z )
βo 


Ta có:

γ 
β o .av'' .  χ z + r ÷+ ( 1 − χ z ) .av'
βo 

avz'' =
=

γr 
β o .  χ z + ÷+ ( 1 − χ z )
βo 


Đồ án : Môn học ĐCĐT

7

SVTH: Vũ Đình Công

.  χ z + r ÷+ ( 1 − χ z ) . v
2 
βo 
2
=

γr 
β o .  χ z + ÷+ ( 1 − χ z )
βo 


0, 0699 

1, 0381.0, 0314.  0,9930 +
+ ( 1 − 0,9930 ) .0, 00216
1, 0381 ÷


=
= 0, 00313
0, 0699 

1, 0381.  0,9930 +
+ ( 1 − 0,9930 )
1, 0381 ÷


⇒ mcvz'' = 21, 70070 + 0, 00313.Tz .

Thay vào phương trình ( * ) ta được:


8

SVTH: Vũ Đình Công


Đại học SPKT Vinh
Lực

Khoa: Cơ Khí Động

1. Hệ số giản nở sớm ρ:

ρ=

β z .Tz
λ.Tc

Đối với động cơ xăng:

ρ=1

2. Hệ số giản nở sau δ :
Ta có hệ số giản nở sau δ được xác định theo công thức: δ =

ε
ρ

Với động cơ xăng : δ = ε = 6,5
3. Chỉ số giản nở đa biến trung bình n2 :

( oK )

QH* : Nhiệt trị tính toán
Đối với động cơ xăng:
QH* = QH - ∆QH = 4400 – 0 = 4400
( kJ/kg.độ )
Thay vào phương trình;

n2 − 1 =

8,314

( 0,856 − 0,85) .44000

2689,1 

+ 21, 70070 + 0, 00313.  2689,1 +
2689,1 
6,5n2 −1 ÷



0,5516. ( 1 + 0, 0699 ) .1, 0356.  2659,1 −
n2 −1 ÷
6,5 


Chọn n2 = 1.23 thay vào hai vế của phương trình trên ta được phương trình
tương đương:
0,223 = 0,2303

Áp suất cuối quá trình giản nở pb được xác định theo công thức :
pb =

pz 4,389
=
= 0, 439
δ n2 6,51,23

( MPa )

6. Tính nhiệt độ khí thải Trt :
Tính nhiệt độ khí thải được xác định theo công thức:
m −1

1.45−1

p m
 0.105  1.45
Trt = Tb .  r ÷ = 1748. 
= 1121.56
÷
 0.4390 
 pb 

( oK )

Sai số của nhiệt độ khí thải tính toán Trt và nhiệt độ khí thải đã chọn
ban đầu Tr = 1000 không vượt quá 15%, nghĩa là :
∆Trt =




.
. 1 −
−
1 − 1,375−1 ÷ = 0,9411 ( MPa)

1,23−1 ÷
6,5 − 1 1, 23 − 1  6,5
 1,375 − 1  6,5


2. Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi :
Do có sự sai khác giữa tính toán và thực tế do đó ta có áp suất chỉ thị trung
bình thực tế pi được xác định theo công thức :
pi = p’i . φd = 0,9411 . 0,929 = 0,8743

( MPa )

Trong đó φd – Hệ số hiệu đính đồ thị công. Chọn theo tính năng và chủng
loại động cơ.
3. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi :
Ta có công thức xác định suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi :

Đồ án : Môn học ĐCĐT

10

SVTH: Vũ Đình Công


tốc độ trung bình của động cơ là:
S .n 95.10−3.3100
vtb =
=
= 9,8111167
30
30

( m/s )

Theo số liệu thực nghiệm, có thể tính pm theo công thức sau:
Đối với động cơ xăng i = 8, S/D < 1:
pm = 0.04 + 0.012. vtb = 0,04 + 0,012.9,811167 = 0,1578

(MPa)

6. Áp suất có ích trung bình pe :
Ta có công thức xác định áp suất có ích trung bình thực tế được xác định
theo công thức:
pe = pi – pm = 0,8743 – 0,1578 = 0,71648

( MPa )

Sau khi tính toán được pe phải so sánh với trị số pe dã tính ở phần tính toán
quá trình nạp. Nếu có sai lệch thì phải tính lại. So với pe ở quá trình nạp là pe =
0,7155
7. Hiệu suất cơ giới ηm :
Ta có công thức xác định hiệu suất cơ giới:
ηm =



9. Hiệu suất có ích ηe :
Ta có công thức xác định hiệu suất có ích ηe được xác định theo công thức:
ηe = ηm. ηi = 0,8195 . 0,3342 = 0,2739
10. Kiểm nghiệm đường kính xy lanh D theo công thức:
Dkn =

4.Vh
π .S

Ta có thể tích công tác tính toán được xác định theo công thức :
Vh =
⇒ Dkn =

N e .30.τ
150.30.4
=
= 0, 74508
pe .i.n
0, 71648.8.3100

( lít )

4.Vh
4.0, 74508
=
.100 = 99,955014
π .S
3,14.95.10−2



i.Vc
0.1357
0.1696
0.2035
0.2374

Đồ án : Môn học ĐCĐT

px =pc.

Giá trị biểu

(1/i^n1)
1.1147
0.8202
0.6383
0.5164

diễn
55.8790
41.1147
31.9980
25.8864
12

1

QUÁ TRÌNH GIẢN NỞ
Giá trị biểu

0.4070
0.5426
0.6783
0.8140
0.8818

0.4298
0.3162
0.2461
0.1657
0.1219
0.0949
0.0850

21.5443
15.8519
12.3369
8.3065
6.1117
4.7565
4.2608

1.8710
1.4219
1.1363
0.7977
0.6062
0.4844
0.4390


0.2374
0.2713
0.3391
0.4070
0.5426
0.6783
0.8140
0.8818

Giá trị

px =pc.

Giá trị biểu

biểu diễn
30.7692
38.4614
46.1537
53.8460
61.5383
76.9229
92.3075
123.0766
153.8458
184.6150
199.9995

(1/i^n1)
1.1147

2.2050
1.8710
1.4219
1.1363
0.7977
0.6062
0.4844
0.4390

biểu diễn
220.0000
167.1950
133.6074
110.5314
93.7898
71.2781
56.9591
39.9842
30.3871
24.2827
22.0059

Tung độ thường chọn tương ứng với pz = 220 mm. Từ đó ta có tỷ lệ xích:
1µ p =

4,3888
= 0, 0199
220

Đồ án : Môn học ĐCĐT

z

PZ

c'

c
c"
b'

r
0

b"
a

Sau khi vẽ xong ta phải hiệu đính đồ thị công để có đồ thị công chỉ thị. Các
bước hiệu đính như sau:
* Vẽ vòng tròn Brick dặt phía trên đồ thị công:
Ta chọn tỉ lệ xích của hành trình piston S là :
µS =

gttS
S
95
=
=
= 0, 475
gtbd S gtbd S 200


Lực

Khoa: Cơ Khí Động

Giá trị biểu diễn của OO’ trên đồ thị:
gtbd OO' =

gttOO' 6.094
=
= 12,82
µS
0, 475

( mm )

Ta có nửa hành trình của piston là:
R=

S 95
=
= 47,5
2 2

( mm )

Giá trị biểu diễn của R trên đồ thị :
gtbd R =

gtt R
47,5

=
= 99, 76
µp
0,199

( mm )

1.3.3. Hiệu đính điểm phum sớm : ( điểm c’’ )
Do có hiện tượng phun sớm nên đường nén trong thực tế tách khỏi đường
nén lý thuyết tại điểm c’’. Điểm c’’ được xác định bằng cách: Từ điểm O’ trên đồ
thị Brick ta xác định góc đánh lửa sớm θ, bán kính này cắt vòng tròn Brick tại 1
điểm. Từ điểm này ta gióng song song với trục tung cắt đường nén tại điểm c’’.
Dùng một cung thích hợp nối điểm c’’ với điểm c’.
Đồ án : Môn học ĐCĐT

15

SVTH: Vũ Đình Công


Đại học SPKT Vinh
Lực

Khoa: Cơ Khí Động

1.3.4. Hiệu đính điểm đạt pzmax thực tế
Áp suất pzmax thực tế trong quá trình cháy – giãn nở không đạt trị số lý thuyết
của động cơ xăng. Theo thực nghiệm, điểm đạt trị số áp suất cao nhất là điểm thuộc
miền 372o ÷ 375o ( tức là 12o ÷ 15o sau ĐCT của quá trình cháy và giãn nở).
* Hiệu đính điểm z:

pb'' 0, 27195
yb'' =
=
= 13, 6658
µ p 0, 0199

( mm )

Sau khi xác định được các điểm b’, b’’ ta dùng cung thích hợp nối với đường
thải rr .

Đồ án : Môn học ĐCĐT

16

SVTH: Vũ Đình Công


Đại học SPKT Vinh
Lực

Khoa: Cơ Khí Động

VßNG TRßN BRICK

ĐỒ THỊ CÔNG
µ
µ

0.00199

2. Chọn gốc tọa độ cách gốc của đồ thị công khoảng 15 ÷ 18 cm
3. Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 10o, 20o, .. , 180o .
4. Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm 10o, 20o, .. , 180o
tương ứng trên trục tung của đồ thị x = f ( α ) ta được các điểm xác định chuyển vị x
tương ứng với các góc 10o, 20o, .. , 180o .
5.Nối các điểm xác định chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệx= f(α).
2.1.2. Đường biểu diễn tốc độ của piston 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:
1.

Vẽ nửa vòng tròn tâm O bán kính R, phía dưới đồ thị x = f ( α ), sát

mép dưới của bản vẽ.
2.

Vẽ vòng tròn tâm O bán kính là Rλ/ 2

3.

Chia nửa vòng tròn tâm O bán kính R và vòng tròn và vòng tròn

tâm O bán kính là Rλ/ 2 thành 18 phần có chiều ngược nhau.
4.

Từ các điểm chia 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
xuất phát từ các điểm chia tương ứng trên vòng tròn tâm O bán kính là Rλ/ 2 tại các
điểm a, b, c,..


- Gia tốc cực đại:
jmax = R.ω2.( 1 + λ) = 0,0475 . 324,472.( 1 + 0,2566 ) = 6284,059

(m/s2 )

Vậy ta được giá trị biểu diễn jmax là:
gtbd jmax =

gtt jmax

µj

=

6284, 0519
= 78,55
80

( mm )

- Gia tốc cực tiểu:
jmin = − R.ω 2 ( 1 − λ ) = 0, 0475.324, 47 2. ( 1 − 0, 2566 ) = −3716, 752

( m/s2 )

Vậy giá trị biểu diễn của jmin là:

Đồ án : Môn học ĐCĐT



gttEF −3849, 64
=
= −48,12
µj
80

( mm )

3. Từ điểm A tương ứng điểm chết trên lấy AC = jmax, từ điểm B tương ứng
điểm chết dưới lấy BD = jmin; nối CD cắt trục hoành ở E; lấy EF = - 3.R.λ. ω2 về
phía BD. Nối CF va FD, chia đoạn này thành 8 phần , nối 11, 22, 33 .. Vẽ đường
bao trong tiếp tuyến với 11, 22, 33, .. ta được đường cong biểu diễn quan hệ j = f ( x
).
j

§å THÞ GIA TèC
µ = 80,001
j

f(x)

2.2. Tính toán động lực học
2.2.1. Các khối lượng chuyển động tịnh tiến:
- Khối lượng nhóm piston mnpt được cho trong số liệu ban đầu của đề bài ( kg ).

Đồ án : Môn học ĐCĐT

20


-

( kg )

Khối lượng của chốt khuỷu: mch

mch =

π . ( d ch2 − δ ch2 ) .lch
4

.ρ =

3,14. ( 0, 0652 − 02 ) .0, 048
4

.7800 = 1, 241

( kg )

Trong đó ta có:
dch : là đường kính ngoài của chốt khuỷu. dch = 65

( mm )

δch : là đường kính trong của chốt khuỷu. δch = 0

( mm )

lch : là chiều dài của chốt khuỷu .

= 317, 47
R
0, 0475

Trong đó:

m0m – khối lượng của má khuỷu
rmk – bán kính trọng tâm má khuỷu rmk = 58 ( MN/m2 )
R – bán kính quay của khuỷu

2.2.3. Lực quán tính:
Lực quán tính chuyển động tịnh tiến:
pj = - m.j = - mRω2 ( cosα + λcos2α )
Với thông số kết cấu λ ta có bảng tính pj:

α

cos α + λ cos 2α

p

j

= −m. j = −mRω 2 ( cos α + λ cos 2α )

0
10
20
30
40

- 1405,5
1581,7
4169,4
6254,2
7787,4
8809,6

130
140
150

- 0,697
- 0,712
- 0,711

9374,5
9576,3
9562,8

Đồ án : Môn học ĐCĐT

22

SVTH: Vũ Đình Công


Đại học SPKT Vinh
Lực

160


−3 2

= 7, 654.10−3

( m2 )

Lực quán tính chuyển động tịnh tiến cực đại:
p jmax

m.R.ϖ 2 . ( 1 + λ )
=
Fpt

( MPa )

Trong đó:
m: Khối lượng chuyển động tịnh tiến:

m = 1,54316 (kg )
S
= 0, 0475
2

R : Bán kính quay trục khuỷu:

R=

ω: Tốc độ góc trục khuỷu :


p jmax

1,5316.0, 0476.324, 632. ( 1 + 0, 256 )
=
= 1270,88.10−3
3
7, 654.10

⇔ p jmax = 1, 27088

( Pa )

( MPa )

Vậy ta được giá trị biểu diễn p j là:
max

gtbd p j

max

p jmin

=

gtt p j

max

µp


-

=

gtt p j

min

µp

=

là:

0, 75027
= 37, 7
0, 0199

( mm )

Ta xác định giá trị E’F’ là:

E 'F ' =

3m.R.ϖ 2 3.1,54316.0, 0475.0, 2566.324, 632
=
= 776,91.10−3 ( Pa )
Fpt
7, 654.10−3

Lực

Khoa: Cơ Khí Động

F’D’, chia các đoạn thẳng này ra làm 8 phần, nối 11, 22, 33, …. Vẽ đường bao
trong tiếp tuyến với 11, 22, 33, …. Ta được đường cong quan hệ - pj = f ( x )
j

ĐỒ THỊ LỰC QUÁN TÍNH
µ = 80,001
j

f(x)

2.2.5. Đường biểu diễn v = f ( x).
Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn quan hệ v = f ( x ) dựa trên hai đồ thị là đồ
thị x = f ( α ) và đồ thị v = f ( α ) ( sử dụng phương pháp đồ thị vòng). Ta tiến hành
theo trình tự sau:
1. Từ tâm các điểm đã chia độ trên cung của đồ thị Brick ta gióng các
đường song song với trục tung tương ứng với các góc quay α = 10o, 20o, 30o, ..,180o.
2. Đặt các giá trị của vận tốc v này ( đoạn thẳng biểu thị giá trị của v có một
đầu mút thuộc đồ thị v = f ( α ), một đầu thuộc nửa vòng tròn tâm O, bán kính R
trên đồ thị) trên các tia song song với trục tung nhưng xuất phát từ các góc tương
ứng trên đồ thị Brick gióng xuống hệ trục tọa độ của đồ thị x = f ( α ).
3. Nối các điểm trên đồ thị ta được đường biểu diễn quan hệ v = f ( x ).
Chú ý : nếu vẽ đúng, điểm vmax sẽ ứng với điểm j = 0.
2.2.6. Khai triển đồ thị công P – V thành pkt = f ( α ).
Để thuận tiên cho việc tính toán sau này ta tiến hành khai triển đồ thị công P
– V thành pkt = f ( α ). Khai triển đồ thị công theo trình tự sau: