ĐAMH: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
NHIỆM VỤ: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT LỰC ĐỘNG CƠ 3 XI-LANH
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU

Trang

Chương 1. Phân tích điều kiện làm việc, yêu cầu của hệ thống
1. Pít – tơng
2. Chốt pít – tơng
3. Xéc măng

3
3
4

4. Nhóm thanh truyền
5. Trục khuỷu
6. Bánh đà

4
4
5

Chương 2. Chọn phương án thiết kế hệ thống
1.
2.
3.
4.

Phân tích các phương án

Sơ đồ cấu tạo
Ngun lý làm việc
Tính tốn nhiệt
4.1 Giới thiệu
4.2 Các thông số cho trước của động cơ

4.3 Chọn các thơng số cho tính tốn nhiệt
4.4 Tính tốn nhiệt
5. Tính tốn động học
5.1 Chuyển vị piston
5.2 Vận tốc của piston
5.3 Gia tốc của piston
6. Tính tốn động lực học
6.1 Sơ đồ lực, momen tác dụng lên cơ cấu thanh truyền trục khuỷu
6.2 Lực khí thể Pkt

6
7
7
9
9
9
9
11
23
23
26
28
29
30

32

6.3 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động
6.4 Hệ lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền – trục khuỷu

33
37

6.5 Moment quay của trục khuỷu động cơ 1 xylanh
6.6 Moment quay của trục khuỷu động cơ nhiều xylanh
6.7 Moment quay trung bình của trục khuỷu động cơ nhiều xylanh
6.8 Lực tác dụng lên chốt khuỷu

40
40
41
41

0


Chương 3. Tính và chọn các thơng số bố trí chung của hệ thống
1. Đại cương về thiết kế bố trí chung động cơ đốt trong
2. Các thơng số kết cấu và kích thước cơ bản của hệ thống

44
45

2.1 Pit-tơng


44

2.2 Thanh truyền

46

2.3 Trục khuỷu

47

2.4 Bánh đà

49

Chương 4. Thiết kế tính tốn các cụm, các chi tiết của hệ thống
1.
2.
3.
4.
5.

Tính bền pít – tơng
Tính bền chốt pít – tơng
Tính bền séc – măng
Tính bền nhóm thanh truyền
Tính bền trục khuỷu

50
54
58

60
66

Chương 5. Quy trình tháo, lắp, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống
1. Tháo nhóm piston, séc – măng, thanh truyền
2. Kiểm tra tình trạng kỹ thuật của nhóm pit – tơng, séc – măng,
thanh truyền
3. Sửa chữa nhóm pit – tơng, séc – măng, thanh truyền
4. Tháo lắp nhóm trục khuỷu, bánh đà
5. Kiểm tra – sửa chữa nhóm trục khuỷu, bánh đà

94
98
102
105
110

Kết luận

116

Tài liệu tham khảo

117

1


LỜI NĨI ĐẦU
Trong xã hội hiện đại cơng nghiệp ngày nay, khơng ai có thể phủ nhận vai trị quan

trọng của động cơ đốt trong. Động cơ đốt trong xuất hiện trên nhiều lĩnh vực thiết yếu
của cuộc sống như: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp hay giao thông vận tải. Ở các
nước có nền cơng nghiệp phát triển song đều có một nền cơng nghiệp sản xuất, chế tạo
động cơ tiên tiến, không những để đáp ứng nhu cầu trong nước mà cịn để xuất khẩu .
Việt Nam có nền khoa học cơng nghệ cịn lạc hậu, chưa thể tự sản xuất được
những động cơ tốt, công suất lớn nhưng khơng vì thế mà chúng ta xem nhẹ việc phát triển
ngành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong. Hiện nay, nhờ sự tập trung nghiên cứu
cũng như chuyển giao cơng nghệ, chúng ta đã có thể sản xuất được các động cơ diesel cỡ
nhỏ và trong tương lai sẽ ngày càng hồn thiện hơn .
Trong chương trình đào tạo kỹ sư ô tô của khoa Kỹ Thuật Giao Thông, trường Đại
học Bách Khoa TP HCM, đồ án môn học Thiết kế động cơ đốt trong là một môn học tối
quan trọng, nhằm trang bị cho sinh viên về phương pháp luận để thiết kế động cơ đốt
trong cũng như những hiểu biết sâu sắc về kết cấu và tính tốn thiết kế động cơ . Để giúp
sinh viên nắm vững những lý thuyết đã học cũng như để làm quen với trình tự thiết kế
động cơ theo như thực tế ở bên ngồi, vì vậy bộ mơn ơ tô đã đưa vào môn học Đồ án thiết
kế động cơ đốt trong này .
Vì đây là lần đầu tiên thực hiện một đồ án chuyên ngành về động cơ đốt trong nên
khơng tránh khỏi những sai xót,em kính mong q Thầy (Cơ) góp ý và chỉ ra những thiếu
xót, khuyết điểm của em trong Đồ án này, để em có thể rút kinh nghiệm và cố gắng hồn
thiện tốt hơn kiến thức chuyên ngành của mình . Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn
Đình Hùng đã tận tình hướng dẫn em hồn thành đồ án này. Kính chúc quý Thầy (Cô)
luôn dồi dào sức khỏe và thành công.
HỒ NGUYỄN CÔNG MINH

2


CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU HỆ THỐNG
 Nhiệm vụ của hệ thống phát lực :
- Nhóm các chi tiết phát lực có nhiệm vụ biến áp lực của khí thể cháy sinh ra trong

xylanh thành mô men của trục khuỷu động cơ để dẫn động máy cơng tác
- Nhóm các chi tiết phát lực bao gồm : nhóm pit-tơng, nhóm thanh truyền, nhóm trục
khuỷu bánh đà
1. Pit-tông :
a) Công dụng :.
- Pit-tông là một chi tiết máy quan trọng của động cơ đốt trong . Trong q trình làm
việc của động cơ, pit-tơng tiếp nhận lực khí thể và truyền lực ấy cho thanh truyền (trong
quá trình cháy và giãn nở ) để làm quay trục khuỷu; nén khí trong q trình nén; đẩy khí
thải ra khỏi xylanh trong q trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong q
trình nạp
b) Điều kiện làm việc của pit-tơng :
- Trong q trình làm việc của động cơ, pit-tông chịu lực rất lớn, nhiệt độ rất cao và
ma sát mài mòn lớn. Lực tác dụng và nhiệt độ cao do khí thể và lực quán tính sinh ra gây
nên ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong pit-tơng, cịn mài mịn là do thiếu dầu bôi
trơn mặt ma sát của pit-tông với xylanh khi chịu lực
c) Kết cấu :
Pit-tơng gồm 3 phần chính :
- Đỉnh pit-tông là phần trên cùng của pit-tông cùng với xylanh và quy-lát tạo thành
buồng cháy . Ta thiết kế đỉnh pit-tơng theo dạng đỉnh bằng, nó có tiết diện chịu nhiệt bé
nhất,kết cấu đơn giản dễ chế tạo .
- Đầu pit-tông bao gồm đỉnh pit-tông và vùng đai lắp các xecmăng dầu và khí, làm
nhiệm vụ bao kín .
- Thân pit-tơng là phần phía dưới rãnh xecmăng dầu cuối cùng ở đầu pit-tông, làm
nhiệm vụ dẫn hướng pit-tông
2. Chốt pit-tông :
a) Công dụng :
- Chốt pit-tông là chi tiết máy nối piston với thanh truyền, nó truyền lực tác dụng của
khí thể tác dụng trên pit-tơng cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu. Vì vậy, tuy là một
chi tiết máy đơn giản nhưng rất quan trọng
b) Điều kiện làm việc và yêu cầu :

- Trong quá trình làm việc, chốt pit-tơng chịu lực khí thể và lực qn tinh rất lớn. Mà
chốt pit-tơng lại khó chuyển động xoay trịn trong bệ chốt nên khó bơi trơn. Ma sát dưới
dạng nửa ướt, chốt pit-tơng dễ bị mịn.
- Nên yêu cầu phải chế tạo pit-tông bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền và độ cứng
vững. Chốt pit-tông phải được nhiệt luyện theo công nghệ đặc biệt, đảm bảo bề mặt làm
3


việc của chốt có độ cứng cao, chống mịn tốt, nhưng ruột chốt lại phải dẻo để chống mỏi
tốt. Mặt chốt phải mài bóng để tránh ứng suất tập trung, khi lắp ráp khe hở phải nhỏ
c) Vật liệu chế tạo :
- Vật liệu chế tạo chốt piston là thép hợp kim
3. Xéc măng :
a) Công dụng :
- Xéc măng dùng để bao kin buồng cháy khơng cho khí cháy lọt xuống đáy dầu và
không cho dầu lọt vào buồng cháy.
- Xéc măng truyền phần lớn nhiệt lượng từ đầu pit-tông sang thành xylanh rồi ra nước
làm mát hoặc không khí để làm mát cho động cơ.
b) Điều kiện làm việc :
- Xéc-măng làm việc trong điều kiện xấu : chịu nhiệt độ cao, áp suất va đập lớn, ma
sát mài mịn nhiều và chịu ăn mịn hóa học của khí cháy và dầu nhờn
c) Vật liệu chế tạo :
- Hầu hết ngày nay các nước trên thế giới cũng như nước ta đều dùng gang xám hợp
kim để chế tạo xéc măng
4. Nhóm thanh truyền :
a) Cơng dụng :
- Biến chuyển động tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động quay trịn của trục
khuỷu, nhận lực của pit-tơng biến thành mơ men của trục khuỷu. Nhận lực qn tính
quay trịn của trục khuỷu truyền chuyển động cho pit-tông.
b) Điều kiện làm việc :

- Thanh truyền có chuyển động phức tạp
- Chịu lực quán tính chuyển động thẳng, chịu lực quán tính chuyển động quay
c) Kết cấu :
- Nhóm thanh truyền bao gồm các chi tiết : đầu nhỏ thanh truyền, bạc lót đầu nhỏ nắp
đầu to thanh truyền, hai nửa bạc lót đầu to thanh truyền, đầu to thanh truyền, đai
ốc và bulông thanh truyền.
5. Trục khuỷu :
a) Nhiệm vụ :
- Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn nhất
và giá thành cao nhất của động cơ.
- Tiếp nhận lực tác dụng trên pit-tông truyền qua thanh truyền và biến chuyển động
tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động quay của trục để đưa cơng suất ra ngồi (dẫn
động các máy cơng tác khác).
b) Điều kiện làm việc :
- Chịu tác dụng của lực khí thể trong xylanh
- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm pit-tơng
- Lực qn tính của trục khuỷu
- Những lực này có trị số rất lớn và thay đổi theo chu kỳ nhất định nên có tính chất va
đập rất mạnh
c) Yêu cầu kỹ thuật :
4


-

Trục khuỷu phải có sức bền lớn, độ cứng vững lớn, trọng lượng nhỏ và ít mịn
Độ chính xác gia công cao
Các bề mặt làm việc của trục khuỷu cần có độ bóng bề mặt và độ cứng cao
Khơng xảy ra hiện tượng dao động cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng
Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng và tính đồng đều của dộng cơ

Đảm bảo tính cơng nghệ dễ chế tạo
d) Chọn phương án thiết kế :
- Vật liệu chế tạo : thép Cacbon
- Sử dụng phương pháp bối trơn cưỡng bức bằng các mạch dầu
- Sử dụng trục khuỷu co chốt khuỷu rỗng
6. Bánh đà :
a) Cơng dụng :
- Tích trữ năng lượng dư sinh ra trong hành trình sinh cơng để bù đắp phần năng
lượng thiếu hụt trong các hành trình tiêu hao công, khiến cho trục khuỷu quay đồng đều
hơn
b) Vật liệu chế tạo :
- Động cơ tốc độ cao : thép các bon có thành phần các bon thấp

CHƯƠNG 2: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
1. Phân tích các phương án
a) Theo số xi - lanh
- Động cơ một xilanh:
Đơn giản, số lượng chi tiết máy ít, dễ chế tạo, song không thể thỏa mãn nhu cầu tăng
công suất được, vì khi tăng cơng suất động cơ có đường kính xilanh lớn, khối lượng
nhóm pít - tơng lớn làm tăng lực quán tính hơn nữa khối lượng của các chi tiết máy khác
như thanh truyền, trục khuỷu…cũng lớn, rất cồng kềnh, tính ưu việt giảm sút.
5


- Động cơ nhiều xilanh:
Từ những nhược điểm của động cơ một xilanh,biện pháp tốt nhất để tăng công suất động
cơ là tăng số xilanh.
- Động cơ đứng:
Là các loại động cơ đốt trong có các xilanh lắp đặt theo phương thẳng đứng. Động cơ
đứng chiếm tuyệt đại bộ phận.

- Động cơ nằm:
Gồm các loại động cơ đốt trong có các xilanh lắp đặt theo phương nằm ngang. Thường
dùng trong máy nơng nghiệp vì kết cấu đơn giản, cơng suất thường nhỏ.
- Động cơ hình sao:
Gồm các động cơ mà đường tâm xilanh nằm trong mặt phẳng thẳng góc với đường tâm
trục khuỷu. Động cơ có nhiều xilanh sắp xếp theo các hình sao 3,5,7,9 cánh.
b) Theo số hàng xilanh
- Động cơ một hàng xilanh:
Là loại động cơ chúng ta thường thấy, thường dùng làm động cơ tĩnh tại, ôtô máy kéo, tàu
thủy…để giảm đến mức thấp nhất rung động do chuyển động thẳng đứng của píttơng và
mang lại sự êm dịu thì động cơ bố trí nhiều xilanh, động cơ thẳng hàng thường có 4 hay 6
xilanh.
- Động cơ hai hàng xi - lanh:
Loại động cơ kiểu này trước kia thường dùng trong máy bay nhất là động cơ chữ V làm
mát bằng nước, sau đó được dùng nhiều trên ơtơ và xe tăng, có thế nói rằng động cơ chữ
V đang dần dần chiếm ưu thế tuyệt đối trong các xe du lịch có cơng suất lớn.
- Động cơ ba hàng xi - lanh:
Bố trí theo hình chữ W trước kia thường dùng cho máy bay còn bây giờ thì khơng dùng
nữa, chỉ cịn dùng trên một số loại xe tăng ngày nay.
- Động cơ bốn hàng xi - lanh:
Thường dùng trong ngành hàng khơng. Cách bố trí có thể theo kiểu chữ X,H hay hai chữ
V chắp vào nhau.
c) Chọn phương án thiết kế
Từ những phân tích ưu nhược điểm của các loại động cơ đốt trong trên ta chọn động cơ
thiết kế là động cơ 3 xi – lanh thẳng hàng. Vì kích thước khơng q cồng kềnh, khả năng
cân bằng tốt , kết cấu khá đơn giản, không phức tạp như loại động cơ chữ V hay W.
2. Sơ đồ cấu tạo

6



Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý





Thứ tự nổ: 1 – 3 – 2
Góc lệch cơng tác: 2400
Góc lệch trục khuỷu: 1200
Bảng thứ tự nổ:

3. Nguyên lý làm việc
Trong động cơ đốt trong kiểu pit-tơng cụm chi tiết chuyển động chính (pit-tông, thanh
truyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau:
- Nhóm pit-tơng chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền
- Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian, có chuyển động phức tạp để
biến chuyển động tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động quay của trục khuỷu
- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay và truyền cơng
suất của động cơ ra ngồi để dẫn động máy cơng tác khác.
- Theo chu kỳ lý thuyết, mỗi kỳ khởi sự ngay tại một điểm chết mà cũng chấm dứt
ngay tại một điểm chết. Trong động cơ bốn kỳ thì mỗi kỳ sẽ thực hiện một q trình và
có:
7


Hình 2.2 Các kỳ của động cơ
- Kỳ nạp/hút : pit-tông nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và
thanh truyền dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD thực hiện q trình nạp mơi chất cơng tác
- Kỳ nén : pit-tông cũng nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và

thanh truyền dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, thực hiện quá trình nén, thể tích xylanh nhỏ
lại từ Va đến Vc
- Kỳ sinh cơng : xảy ra q trình cháy – giãn nở và sinh cơng. Pit-tơng nhận áp lực từ
khí cháy sinh ra trong xylanh động cơ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD và truyền ra
ngồi cho thiết bị cơng tác thơng qua cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền
- Kỳ thải/xả/thoát : pit-tông tiếp tục nhận năng lượng từ bánh đà thông qua cơ cấu
truc khuỷu – thanh truyền, dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT thực hiện quá trình thải sản vật
cháy ra ngồi

4. Tính tốn nhiệt
4.1 Giới thiệu

8


Tính tốn nhiệt đơng cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thị
công chỉ thị của một động cơ cần được thiết kế thông qua việc tính tốn các thơng số
nhiệt đơng học của chu trình cơng tác trong động cơ gồm các q trình :
Nạp – Nén – Cháy – Dãn nở
4.2 Các thông số cho trước của động cơ
Trường hợp thiết kế mới động cơ :
a. Loại động cơ :
Diesel DI / 3 xylanh / Áp suất phun 2.94 – 3.24 MPa
b. Công suất :
Ne/ nN = 26,1 / 2800 [kW/ v/p]
c. Số vòng quay :
nmax = 2800 [v/p]
d. Tỷ số nén :
 = 18
e. Các thông số kết cấu :

Tỷ số S / D = 92.4 / 87 [mm x mm]
Suy ra : Dung tích xylanh V = 1647 [cm3]
4.3 Chọn các thơng số cho tính tốn nhiệt :
4.3.1. Áp suất khơng khí nạp (po)
Áp suất khơng khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển :
po = 0.1013 [MN/m2]
4.3.2. Nhiệt độ khơng khí nạp mới (T0)
Nước ta khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là t kk =
o

29 C
Do đó: To = (tkk + 273)K = 29 + 273 = 302 K
4.3.3. Áp suất khí nạp trước xupap nạp (pk)
Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = po = 0.1013 [MN/m2]
4.3.4. Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk)
Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp Tk = To = 302 K
9


4.3.5. Áp suất cuối quá trình nạp (pa)
Đối với động cơ khơng tăng áp, áp suất cuối q trình nạp thường nhỏ hơn áp
suất khí quyển, do có tổn thất trên ống nạp và bầu lọc gây nên
pa = 0.83*po = 0.83*0.1=0.084 [MN/m2]
4.3.6. Chọn áp suất khí sót (pr)
Đối với động cơ diesel chọn pr = 0.115 [MN/m2]
4.3.7. Nhiệt độ khí sót (Tr)
Động cơ diesel chọn: Tr = 800 K
4.3.8. Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (T)
Chọn T = 10 oC
4.3.9. Chọn hệ số nạp thêm 1

Hệ số nạp thêm 1 biểu thị sự tương quan lượng tương đối của hỗn hợp khí cơng
tác sau khi nạp thêm so với lượng khí cơng tác chiếm chỗ thể tích Va.
Chọn :

1 = 1.03

4.3.10. Chọn hệ số quét buồng cháy 2
Động cơ khơng tăng áp do khơng có qt buồng cháy nên chọn 2 = 1
4.3.11. Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t
Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp  và nhiệt độ khí
sót Tr
Đối với động cơ Diesel  = 1.42 - 1.75 ta chọn t =1.11
4.3.12. Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm Z (Z)
Là thông số số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệ
lượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z.
Căn cứ theo bảng 1.7 chọn Z = 0.65
4.3.13. Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm b (b)
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b b phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi tốc độ động
cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến nhỏ.
Căn cứ theo bảng 1.8 chọn b = 0.9
10


4.3.14. Chọn hệ số dư lượng khơng khí 
Lượng khơng khí đi vào xy lanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo
 = M1/Mo
Trong đó: M1 - lương khơng khí thực tế nạp vào xylanh
M o - lượng khơng khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hồn tồn 1kg nhiên
liệu
Theo đề bài  = 1.42 - 1.75

4.3.15. Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (d)
Hệ số điền đây đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị cơng
thực tế so với đồ thị cơng tính tốn
Theo bảng 1.10 chọn d = 0.9
4.3.16. Chọn tỷ số tăng áp
Là tỷ số giữa áp suất hỗn hợp khí trong xylanh ở cuối q trình cháy và q trình
nén:

p 

pz
pc

Trong đó: pz - áp suất cuối quá trình cháy
pc - áp suất cuối quá trình nén
Chọn

 p  1.8

4.4 Tính tốn nhiệt :
4.4.1 Q trình nạp :
- Hệ số nạp (v) :
1
�
�
m
�
�
p
1

Tk
pr �
a �
ηv 
.
ελ1  λ t λ 2 � �
ε  1 TK  T p k �
�p a � �
�
�
1
�
�
1.5
1
302
0.084 �
�0.115 �

�
�
�18 �1.03  1.11 ��
1 �
� � 0.8115
18  1 302  10 0.1013 �
�0.084 � �
�
�

Trong đó: m = 1.5 - là chỉ số đa biến trung bình của khơng khí

- Hệ số khí sót (r) :
11


r 

2
P T
1
0.115 302
. r. k 
�
�
 0.0311
   1 V Pk Tr  18  1 �0.8115 0.1013 800

- Nhiệt độ cuối quá trình nạp ( Ta) :
m 1

1.5 1

�P �m
�0.084 �1.5
Tk  T  t  r Tr � a �
302  10  1.11�0.0311 �800 ��
�
�Pr � 
�0.115 �  327.0635 K
Ta 
1  r

1  0.0311

4.4.2 Q trình nén :
- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới
mcv  19.806 

0.00419.T
 19.806  0.002095.T  kJ / Kmol.K 
2

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy
"
1.634 � 1 �
184.36 � 5
�
mcv  �
19.806 
427.38 
.10 .T
� �
2 � 2�
 �
�
�
 20.623  0.00275 �T  kJ / Kmol.K 

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong q trình nén
"
v


mcγv mcr
mc 
1γ r
'
v

b
 19.8306  0.002115 �T  av'  .T  kJ / kmol .K 
2

- Xác định chỉ số nén đa biến trung bình n1 :
n1  1 

8.314
b
a 'v  Tε
a
2



n1 1

1





8.314

19.306+0.002115 �327.0635 �18n1 1  1





Bằng cách thay dần các giá trị n1 vào hai vế của phương trình trên đến khi cân
bằng nhau ta được giá trị : n1 = 1.37
- Áp suất quá trình nén pc :
Pc  Pa n1  0.084 �181.37  4.4097  MPa 

- Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc :
Tc  Ta n1 1  327.0635 �18(1.37 1)  952.9781K

4.4.3. Quá trình cháy :
12


- Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu xăng
Mo 

1 �C H O � 1 �0.87 0.126 0.004 �
��   �
��


=0.4947
�
0.21 �
12 4 32 � 0.21 �12

4
32 �
[kmol kk/kg nl]

- Lượng khí nạp mới thực tế vào xylanh
M 1   �M 0  1.5 �0.4947  0.74205 [kmol kk/kg nl]

- Lượng sản vật cháy
M2 

O H
0.004 0.126
   .M 0 

 1.5 �0.4947  0.7737
32 4
32
4
[kmol kk/kg nl]

- Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết
0 

M 2 0.7737

 1.0426
M 1 0.74205

- Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế



-

 1
M 2  M r 0   r
1.0426  1

 1 0
 1
 1.0413
M1  M r
1  r
1  r
1  0.0311

Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm z
z  1

0  1
1.0426  1 0.65
�xz  1 
�
 1.03
1  r
1  0.03
0.9

Với xz là phần nhiên liệu đã cháy tại điểm z
xz 


ξ z 0.65

ξb
0.9

- Tổn thất nhiệt lượng cháy khơng hồn tồn QH
QH  0

- Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điêm Z
� γ � �
M 2 �x z  r �
mc v  M1  1  x z  mc v
β
''
b
o
�
�
mc vz 
 19.8248  0.00211�T  avz'  z .T
2
� γ �
M 2 �x z  r � M1  1  x z 
� βo �

- Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz
13







''
ξ z .Q H
� �
�
�
mc vc  8.314 � p �
.Tβ
+8.314
T *z 
vz
c  mc
z
M1 (1γ ) r �
�



với QH = 42530 (kJ/kg)
�
Thế mc vc , mc vz vào công thức (*) sẽ đưa đến một phương trình bậc 2:
"

0.002173 �Tz2  28.98 �Tz  71212.1  0

Giải phương trình đó và chọn nghiệm dương là giá trị Tz = 2120.21 oK
-


Áp suất cuối quá trình cháy
pz   p . pc  1.8 �4.4097  7.9375

MN/m2

4.4.4. Quá trình dãn nở :
- Tỷ số giãn nở đầu


 z Tz 1.03 2120.21
� 
�
 1.2729
 p Tc 1.8 952.9781

- Tỷ số giãn nở sau



18

 14.1408
 1.2729

- Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2
Ở nhiệt độ từ 1200 – 2600 oK, sai khác của tỷ nhiệt không lớn lắm do đó ta có thể
xem:
a’vb = a’vz ; bb = bz ; và  = z ta có :
n2 1 


Tb 

8.314
(ξ b  ξ z )Q H
b
 a'vz  z (Tz  Tb )
M1 (1γ ) r (  z T ) b
2

Tz
2120.21

n 2 1
ε
18n2 1 ( Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở )

Giải hệ phương trình trên bằng cách thay dần từng cặp các giá trị n 2 và Tb vào các
phương trình giải bằng cách lặp lại nhiều lần, ta nhận được giá trị :
n2 = 1.255
Tb = 1078.97 K
-

Áp suất cuối quá trình dãn nở
14


Pb 

-


Pz
7.9375

 0.2857
n2

14.14081.255
MN/m2

Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr
m 1

1.51

�P �m
�0.115 �1.5
Tr  Tb � r �  1078.97 �
�  796.6993K
�0.2857 �
�Pb �
Tr
800  796.6993
�100% 
�100%  0.41%
T
796.6993
r
Sai số :
< 10%


-

� Kết quả nhận được cho thấy nhiệt độ khí sót chọn lúc ban đầu là chấp nhận được.
4.4.5 Tính tốn các thơng số đặc trưng của chu trình :
�
- Áp suất chỉ thị trung bình tính tốn pi
Pi�




 . p .
Pc �
��
 p .    1 
ε 1 �
n2  1

�
� 1 � 1
� 1 �
��
1  n2 1 �
��
1  n1 1 �
�
� 
� n1  1 �  �
�


4.4097 �
1.2729 1.8 1.0413 �
1
1 �
� 1
�
1.8 � 1.2729  1 
1

��
1  1.37 1 �
�
�
�
1.255 1 �
18  1 �
1.255  1
� 14.1408
� 1.37  1 � 18
�
�

=0.8589 MN/m2
- Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi
Pi   d �Pi '  0.9 �0.8589  0.773  MN / m 2 

- Áp suất tổn thất cơ khí Pm
Chọn hiệu suất tổn thất cơ giới m  0.87
Pm  (1   m ) Pi  (1  0.87) �0.773  0.1005  MN / m 2 


- Áp suất có ích trung bình Pe
Pe  Pi  Pm  0.773  0.1005  0.6725  MN / m 2 

- Hiệu suất chỉ thị i
Là tỷ số giữa phần nhiệt lượng chuyển thành công mà ta thu được và nhiệt lượng mà
nhiên liệu tỏa ra :
15


M �P �T
0.74205 �0.773 �302
i  8.314 � 1 i k  8.314 �
 0.4119
QH �Pk �v
42530 �0.1013 �0.8115

- Hiệu suất có ích e
M �P �T
0.74205 �0.6725 �302
e  8.314 � 1 e k  8.314 �
 0.3584
QH �Pk �v
42530 �0.1013 �0.8115

- Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi
gi 

3600
3600
�103 

�103  205.4853
QH �i
42530 �0.4119

[g/kW.h]

- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge
ge 

3600
3600
�103 
�103  236.19
QH � e
42530 �0.3584

[g/kW.h]

4.4.6. Tính thơng số kết cấu của động cơ :
- Tính thể tích cơng tác Vh
Thể tích cơng tác của một xylanh động cơ
Vh 

30 � �N e
30 �4 �26.1

 0.5544 (l) = 554.4  cm3 
Pe �ne �i 0.6725 �2800 �3

Thể tích của 3 xy-lanh : V = 554.4 �3 = 1663.2


 cm 
3

1647  1663.2
.100%  0.97%
1663.2
Sai số thể tích :

 = 4 - số chu kỳ của động cơ
i = 3 - số xylanh của động cơ
ne = 2800 v/p - số vòng quay của động cơ
Ne = 26.1 kW - công suất động cơ
pe = 0.6725 MN/m2 - áp suất có ích trung bình
16


- Đường kính piston
D

-

Hành trình piston
S

-

3

4 �Vh

4 �554.4

 0.8727 (m) = 87.27  mm 
3
�S �  �92.4
 �� �
87
�D �

S
92.4
�D 
�87.27  0.9269 (m) = 92.69  mm 
D
87

Công suất động cơ :
Ne 

pe �n �Vh �i 0.6571�2800 �0.5675 �3

 26.1033  kW 
30 �
30 �4

17


Bảng kết quả tính tốn :
TT Thơng số


Đơn vị

 = 1.5

TT Thơng số Đơn vị

 = 1.5

1

ne

v/ph

2800

19

Tz

K

2120.21

2

Ne

kW


26.1

20

Tb

K

1078.97

3



18

21

Po

MPa

0.1013

4

S

mm


92.69

22

Pa

MPa

0.084

5

D

mm

87.27

23

Pr

MPa

0.115

6

To


K

302

24

Pc

MPa

4.4097

7

T

K

10

25

p

8

1

1.03


26

Pz

MPa

7.9375

9

t

1.11

27

Pb

MPa

0.2857

10

d

0.9

28


Pi(ttế)

MPa

0.773

11

r

0.0311

29

Pm

MPa

0.1005

12

v

0.8115

30

Pe


MPa

0.6725

13

b

0.9

31

m

%

85

14

n1

1.37

32

e

%


35.01

15

n2

1.255

33

gi

g/kW.h 205.4853

16

Tr (tính

K

796.6993

34

ge

g/kW.h

236.19


17

Ta

K

327.0635

35

Ne

kW

26.1033

18

Tc

K

952.9781

36

tóan)

1.8


4.4.7 Đồ thị
18


 Vẽ đồ thị cơng chỉ thị
- Thể tích cuối hành trình nén
Vc 

Vh
554.4

 32.61
ε  1 18  1
cm3

- Thể tích cuối q trình nạp
Va  Vh  Vc  587 cm3

-

Dạng đường cong nén

- Bằng cách thay giá trị Vxn đi từ Va đến Vc ta lần lượt xác định được các giá trị pxn
-

Dạng đường công giãn nở

Bằng cách thay giá trị Vxg đi từ Vz đến Vb ta lần lượt xác định được các giá trị pxg
- Dựng và hiệu đính đồ thị cơng

Nối liền các điểm đã xác định được nói trên bằng một đường cong đều ta có đồ thị
cơng tính tốn của động cơ (đường cong nét đứt)
Để xây dựng được đồ thị công chỉ thị của động cơ cần phải thực hiện các bước hiệu
chỉnh dưới đây :
+ Dùng đồ thị Brich xác định điểm đánh lửa sớm c’ và các điểm phối khí (mở sớm
và đóng muộn của các xupap nạp, thải : r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công.
+ Dựng phía dưới đồ thị cơng nữa vịng trịn có bán kính R, tâm O là trung điểm của
đoạn Vh

19


-

Góc đánh lửa sớm và góc phối khí:
Loại động cơ

φs

Ơtơ du lịch

15

Xupap nạp

Xupap thải

φ1

φ2


φ3

φ4

20

50

55

25

+ Lấy từ tâm O một khoảng OO’ vẽ phía phải, với:
thơng số kết cấu, đã được chọn trước.)

OO' 

λ*R
2

(trong đó  là

+ Từ tâm O’ ta vẽ các tia hợp với đường kính nửa vịng trịn tâm O đã vẽ ở trên
những góc nói trên. Các góc này có thể chọn theo động cơ tham khảo.
+ Từ giao điểm các tia cắt nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trên ta đóng các đường
song song với trục tung cắt đồ thị công và từ các điểm này ta xác định được các điểm (c’,
r’, a’, b’, r”) trên đồ thị cơng.
+ Hiệu đính phần đường cong của q trình cháy trên đồ thị cơng.
Ở động cơ xăng áp suất cực đại (điểm z’) có tung độ pz’= 0.85 pz

+ Điểm z” là trung điểm đoạn thẳng qua điểm z’ song song vớI trục hoành và cắt
đường cong giãn nở.
+ Điểm c” lấy trên đoạn cz’ với cc”= cz’/3.
+ Điểm b” là trung điểm của đoạn ab.
Dùng thước cong nối liền tất cả các điểm xác định trên thành một đường cong liên
tục ta được đồ thị cơng chỉ thị của đơng cơ tính tốn.

20


Hình 2.3 Đồ thị cơng chỉ thị
 Vẽ đồ thị

Pk t  f ( ), Pj  f ( ), P�  f ( )

– Đồ thị

Pk t  f ( )

:

Dựng trục hòanh (trục góc quay  ) nằm ngang bằng
với đường po của đồ thị công chỉ thị.
- Trục trung thể hiện áp lực khí thể với tỉ lệ xích:
Việc xác định quan hệ giữa chuyển vị piston và góc
quay alpha có thể xác định bằng phương pháp vòng tròn
Brick như sau:
-

-


Từ điểm O’ của đồ thị công chỉ thị dựng tia O’A, tia
này cắt đường tròn Brick tại 1 điểm, từ đó dựng
đường gióng thẳng đứng (song song trục áp suất) cắt
đồ thị công chỉ thị tại điểm tương ứng (với quá trình
nạp, nén, dãn nở hoặc thải). Từ giao điểm đó gióng
ngang sang đồ thị lực khí thể và cắt đường thẳng
đứng tương ứng gióng từ trục alpha lên. Giao điểm đó
chính là độ lớn của lực khí thể tại góc alpha tương
ứng trên đồ thị lực khí thể

Pk t  f ( )

.

21


-

Lần lượt cho góc alpha lớn dần (0 0, 100, 200, 300…) và
tiến hành tương tự như trên ta được tập hợp các giao
P  f ( )

-

điểm trên đồ thị k t
.
Nối các giao điểm nhận được bằng đường cong liên
tục ta nhận được đồ thị biến thiên lực khí thể theo

P  f ( )

-

-

góc quay alpha k t
Tại các đọan cong của quá trình cháy của quá trình
cháy (tính từ điểm c’ – c – c” – z’ – z “ đến điểm tiếp
xúc với đường cong giãn nở ) và quá trình thải sớm
(b’ – b”) được vẽ theo trình tự như trên với bước tăng
của alpha là 50 (từ góc 3500, 3550, 3600,… 3900).
Trong khỏang alpha = 350 đến 375 thường bị sai sót do
quá trình cháy mãnh liệt xảy và áp suất trong xylanh
đạt giá trị cực đại, cần chú thêm các giá trị alpha
trung gian:3650, 3700, 3750…

Hình 2.4 Đồ thị áp suất khí thể

22


5. Tính tốn động học
Nhiệm vụ phân tích động học của cơ cấu trục khuỷu - thanh
truyền là thiết lập quy luật chuyển động của piston và thanh
truyền trên cơ sở đã biết quy luật chuyển động của trục
khuỷu với giả thiết trục khuỷu quay với vận tốc góc  =
const
Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cụm phát lực ( piston, thanh
truyền, trục khuỷu ) chuyển động theo nguyên tắc sau :

Piston chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí

-

thể cho thanh truyền .
Thanh truyền chuyển động song phẳng trong mặt phẳng

-

lắc của nó: đầu nhỏ thanh truyền chuyển động tịnh
tiến cùng với piston , đầu to thanh truyền chuyển động
quay quanh 1 trục cố định là đường tâm của trục
khuỷu . thanh truyền là chi tiết trung gian biến đổi
chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động
quay của trục khuỷu.
Trục khuỷu chuyển động quay quanh 1 trục cố định,

-

truyền công suất ra ngoài.
ĐỘNG HỌC CỦA PISTON :
Giả thiết : trục khuỷu quay với vận tốc  = const, do đó
góc quay của trục khuỷu tỉ lệ thuận với thời gian t . Ta
có :
;

23


Vị trí của góc quay  là vị trí của chốt khuỷu khi chốt

piston ở vị trí điểm chết trên . Chiều dương của  là
chiều kim đồng hồ.
5.1 Chuyển vị của piston
Khi trục khuỷu quay 1 góc  thì piston dịch chuyển 1 đọan
là Sp. theo hình vẽ ta có :

Trong đó : R _ bán kính tay quay trục khuỷu;
R

S 92, 69

 46,3 mm
2
2

 _ góc quay trục khuỷu khi piston ở vị trí S p ( Sp
tính từ ĐCT )
l _ chiều dài thanh truyền ( tính từ tâm đầu
nhỏ của thanh truyền đến tâm đầu to thanh truyền)
 _ góc lệch giữa đường tâm xylanh và
đường tâm thanh truyền ứng với góc quay  của trục
khuỷu
 _ thông số kết cấu; = 0,25
Khi áp dụng hệ thức lượng trong tam giác ta suy ra :

Do đó :
Khai triển vế trái bằng nhị thức Newton, ta có :

24