Báo cáo Đồ án PBL3: Thiết kế hệ thống động cơ đốt trong - ĐH Bách Khoa Đà Nẵng

Tài liệu báo cáo đồ án PBL3 thiết kế hệ thống động cơ đốt trong đầy đủ, chi tiết. Bao gồm tính toán, sơ đồ các hệ thống nhiên liệu, bôi trơn, làm mát.

• Tác giả: Trần Ngọc Khiêm
• Người hướng dẫn: ThS. Thái Thị Ngọc Hằng
• Trường học: Đại Học Đà Nẵng - Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Cơ Khí Giao Thông
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Động Cơ Đốt Trong
• Loại tài liệu: Báo Cáo Học Phần / Đồ Án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Báo Cáo PBL3 Thiết Kế Động Cơ Đốt Trong

Báo cáo PBL3: Thiết kế động cơ đốt trong là một đồ án học thuật quan trọng được thực hiện bởi sinh viên Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng. Đây là một công trình nghiên cứu toàn diện về thiết kế hệ thống động cơ đốt trong, tập trung vào động cơ BMW N63TU2. Báo cáo này được thực hiện bởi Nhóm 21 dưới sự hướng dẫn của ThS. Thái Thị Ngọc Hằng. Mục đích chính của báo cáo là phân tích, thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống chính của động cơ đốt trong, bao gồm hệ thống nhiên liệu, bôi trơn, làm mát, nạp-thải và điều khiển. Đây là một tài liệu tham khảo quý báu cho những ai quan tâm đến kỹ thuật động cơ ô tô và thiết kế hệ thống cơ khí.

1.1. Mục Đích Và Ý Nghĩa Của Đồ Án

Mục đích chính của báo cáo PBL3 là trang bị cho sinh viên kiến thức thực tiễn về thiết kế hệ thống động cơ đốt trong. Thông qua đồ án này, sinh viên học cách áp dụng lý thuyết vào thực tế công nghiệp, phát triển kỹ năng phân tích kỹ thuật và tính toán các thông số của động cơ. Ý nghĩa của báo cáo nằm ở việc giúp hiểu rõ cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ đốt trong hiện đại.

1.2. Động Cơ Tham Khảo BMW N63TU2

Động cơ BMW N63TU2 là một động cơ xăng tăng áp 8 xi-lanh hiện đại, được chọn làm mẫu tham khảo cho báo cáo này. Động cơ này được trang bị các công nghệ tiên tiến như phun nhiên liệu trực tiếp, tăng áp lớn, và hệ thống điều khiển động cơ tiên tiến. Các thông số kỹ thuật của N63TU2 bao gồm dung tích xi-lanh, công suất, mô-men xoắn, và tỷ số nén. Động cơ này đại diện cho xu hướng phát triển của công nghệ động cơ hiện đại, kết hợp hiệu suất cao với tiêu hao nhiên liệu thấp.

II. Thiết Kế Hệ Thống Nhiên Liệu Động Cơ

Hệ thống nhiên liệu đóng vai trò then chốt trong vận hành của động cơ đốt trong, chịu trách nhiệm cung cấp lượng xăng phù hợp cho quá trình đốt cháy. Báo cáo PBL3 chi tiết phân tích về thiết kế hệ thống nhiên liệu bao gồm các bộ phận chính như thùng chứa xăng, bơm xăng điện, bộ lọc, bơm cao áp và vòi phun cao áp Piezo. Báo cáo thực hiện tính toán các thông số cơ bản như lưu lượng xăng, áp suất hoạt động, và công suất của bơm cao áp. Phun nhiên liệu trực tiếp được áp dụng để cải thiện hiệu suất và giảm lượng khí thải. Sơ đồ hệ thống được lựa chọn dựa trên yêu cầu kỹ thuật và điều kiện hoạt động của động cơ.

2.1. Các Cụm Chi Tiết Và Nguyên Lý Hoạt Động

Hệ thống nhiên liệu bao gồm thùng chứa xăng có cấu tạo an toàn, bơm điện phiến gạt dạng con lăn cung cấp áp suất cơ bản, và bơm cao áp tạo áp suất phun cao. Ống phân phối dẫn xăng đến từng vòi phun, còn vòi phun Piezo điều khiển chính xác lượng xăng phun vào buồng cháy. Bộ lọc xăng loại bỏ tạp chất bảo vệ hệ thống. Nguyên lý hoạt động tuân theo sơ đồ phun xăng trực tiếp hiện đại.

2.2. Tính Toán Thông Số Bơm Cao Áp

Tính toán bơm cao áp là phần quan trọng trong thiết kế hệ thống nhiên liệu. Báo cáo xác định lưu lượng xăng cần thiết dựa trên công suất động cơ, số vòng quay và nhu cầu của từng trạng thái hoạt động. Áp suất hoạt động của bơm cao áp được tính toán để đảm bảo phun xăng hiệu quả. Công suất tiêu thụ của bơm được xác định từ các yếu tố như độ nhớt xăng, sự ma sát bên trong và công suất cơ học cần thiết.

III. Hệ Thống Bôi Trơn Và Làm Mát Động Cơ

Hệ thống bôi trơn và làm mát là hai hệ thống không thể thiếu đảm bảo hoạt động bền vững của động cơ đốt trong. Hệ thống bôi trơn cưỡng bức cung cấp dầu dưới áp suất đến các bề mặt tiếp xúc, giảm ma sát và hao mòn. Báo cáo phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý bôi trơn, các thành phần như bơm dầu, bầu lọc dầu, để đạt hiệu suất tối ưu. Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức điều tiết nhiệt độ động cơ thông qua chất lỏng làm mát. Tính toán lượng nhiệt cần tỏa và thiết kế két nước được thực hiện dựa trên công suất động cơ và điều kiện hoạt động. Quạt gió được tính toán để cấp lựu lượng không khí đủ cho tản nhiệt hiệu quả.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Thống Bôi Trơn Cưỡng Bức

Bôi trơn cưỡng bức sử dụng bơm để tuần hoàn dầu trên toàn động cơ. Dầu được hút từ bể dầu, đi qua bộ lọc dầu loại bỏ tạp chất, rồi được bơm tới các ổ trượt, thanh truyền và trục cam. Áp suất dầu được điều chỉnh bằng van an toàn. Thông gió trục khuỷu kín giúp kiểm soát áp suất bên trong động cơ và ngăn rò rỉ dầu.

3.2. Thiết Kế Hệ Thống Làm Mát Tuần Hoàn Cưỡng Bức

Hệ thống làm mát bao gồm két nước chứa nước làm mát, bơm nước tuần hoàn, hệ thống ống dẫn qua động cơ, và tản nhiệt. Chất lỏng làm mát hấp thụ nhiệt từ động cơ tại áo nước quanh xi-lanh. Nhiệt được tỏa tại dàn tản nhiệt bằng quạt gió cưỡng bức. Nắp két nước duy trì áp suất hệ thống, nâng điểm sôi của nước làm mát.

IV. Hệ Thống Nạp Thải Và Điều Khiển Động Cơ

Hệ thống nạp-thải của động cơ đốt trong là yếu tố quyết định hiệu suất và lượng khí thải. Báo cáo PBL3 trình bày chi tiết về hệ thống nạp cưỡng bức sử dụng turbo tăng áp để tăng lượng không khí hút vào buồng cháy, nâng công suất động cơ. Thiết kế bộ giảm âm được tính toán để giảm tiếng ồn mà không làm giảm lưu lượng không khí. Hệ thống thải khí bao gồm ống thải và bộ xúc tác chuyển đổi giảm lượng khí thải độc hại. Hệ thống điều khiển động cơ sử dụng ECU (Engine Control Unit) để quản lý các quá trình phun xăng, điều khiển đánh lửa, và tối ưu hóa hiệu suất. Các cảm biến như cảm biến oxy, cảm biến vị trí trục cam cung cấp dữ liệu cho ECU để điều chỉnh hoạt động động cơ trong thời gian thực.

4.1. Nguyên Lý Tăng Áp Turbo Và Tính Toán Thông Số

Turbo tăng áp tận dụng năng lượng của khí thải để quay turbine, lần lượt quay compressor nén không khí hút vào. Áp suất tăng áp được điều tiết bằng van xả áp để tránh quá tải. Tính toán thông số bao gồm xác định tỷ số nén, lưu lượng khí thải, và công suất turbo. Bộ giảm âm nạp được thiết kế với lồng lõi lọc phù hợp để giảm tiếng ồn mà vẫn đảm bảo lưu lượng không khí cần thiết.

4.2. Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Với ECU

ECU là bộ vi xử lý điều khiển toàn bộ hoạt động của động cơ. Cảm biến kích nổ phát hiện các dao động tương ứng với sự kích nổ, cảm biến vị trí bướm ga loại Hall xác định ý định của tài xế. Cảm biến áp suất đường ống nạp, cảm biến nhiệt độ nước, và cảm biến oxy cung cấp thông tin về trạng thái động cơ. ECU xử lý dữ liệu này để điều chỉnh thời gian phun xăng, thời gian đánh lửa, và tỷ lệ khí-nhiên liệu tối ưu hóa hiệu suất và giảm lượng khí thải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong quá trình thiết kế ô tô, việc thiết kế động cơ đóng vai trò không thể phủ nhận trong việc định hình và nâng cao chất lượng của phương tiện. Động cơ, như trái tim của chiếc ô tô, đóng góp quyết định đến hiệu suất, hiệu quả năng lượng và khả năng vận hành của xe. Việc chọn lựa và tối ưu hóa các chi tiết động cơ không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa mà còn đảm bảo sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải độc hại. Thiết kế chi tiết động cơ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ an toàn và độ bền của ô tô.

Các chi tiết phải được thiết kế sao cho có khả năng chịu tải, chống mài mòn, và duy trì hiệu suất ổn định trong thời gian dài sử dụng. Đồng thời, quá trình thiết kế còn phải đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về tiêu thụ nhiên liệu, tiếng ồn, và khí thải để đồng bộ với các quy định và yêu cầu về bảo vệ môi trường. Trong học phần này “ Thiết kế các hệ thống trong động cơ ”chúng em được tổ bộ môn giao nhiệm vụ làm đồ án môn học. Vì bước đầu làm quen với công việc tính toán , thiết kế ôtô nên không tránh khỏi những bỡ ngỡ và vướng mắc.

Nhưng với sự quan tâm , động viên , giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn , cùng giáo viên giảng dạy và các thầy giáo trong khoa nên chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án trong thời gian được giao. Qua đồ án này giúp sinh viên chúng em nắm được các nguyên lý, kết cấu cơ bản của động cơ đốt trong. Vì thế nó rất thiết thực với sinh viên ngành Cơ khí – chuyên ngành cơ khí Động lực. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện dù đã cố gắng rất nhiều không tránh khỏi những thiếu sót.

Vì vậy chúng em rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy để chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn và cũng qua đó rút ra được những kinh nghiệm quý giá cho bản thân nhằm phục vụ tốt cho quá trình học tập và công tác sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm thực hiện: Nhóm 21 GVHD: ThS. Thái Thị Ngọc Hằng 7 PBL3: Thiết kế hệ thống động cơ đốt trong Hình 4. 14: Van hằng nhiệt kiểu hộp xếp chứa chất lỏng.

15: Sơ đồ tính toán bơm nước li tâm. 16: Quan hệ nkk = f( fnπ. 1: Sơ đồ tổng thể hệ thống ACIS………………………………………. 2: Bộ lọc khí.

3: Bộ giảm âm thanh kiểu thẳng. 4: Cổ họng gió. 5: Ống dẫn khí nạp. 6: Van tuần hoàn khí thải.

7: Cơ cấu làm mát khí thải tuần hoàn. 10: Sơ đồ tính toán bầu giảm âm. 1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ…. 2: Sơ đồ mạch hệ thống nhiên liệu động cơ N63TU2.

3: Sơ đồ mạch phun nhiên liệu. 4: Sơ đồ mạch điều khiển bơm nhiên liệu. 5: Kết cấu cảm biến lưu lượng khí nạp. 6: Sơ đồ mạch cảm biển lưu lượng khí nạp.

7: Kết cấu và sơ đồ mạch điện cảm biến oxy. 8: Kết cấu và sơ đồ điện cảm biến vị trí trục khuỷu. 9: Kết cấu và sơ đồ mạch cảm biến vị trí trục cam. 10: Kết cấu và sơ đồ mạch cảm biến vị trí bướm ga.

11: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát. 12: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát. 13: Kết cấu cảm biến kích nổ. 14: Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ.

15: Chuỗi tín hiệu nhị phân. 16: Sơ đồ khối cấu trúc của ECU. 17: Mạch điện của bộ chuyển đổi A/D. 18: Sơ đồ mạch điện bộ đếm.

19: Sơ đồ bộ nhớ trung gian. 20: Sơ đồ mạch khuyếch đại.86 Nhóm thực hiện: Nhóm 21 GVHD: ThS. Thái Thị Ngọc Hằng 5 PBL3: Thiết kế hệ thống động cơ đốt trong 1. Nhóm trục khuỷu - Trục khuỷu được làm bằng thép, có khả năng chịu lực tốt, có bốn cổ trục và năm đối trọng được giữ bởi các bulong, bốn bulong chính và hai bulong bên nhằm tăng tối đa độ cứng vững.

- Gia công góc lượn cổ trục, chốt khuỷu, má khuỷu để giảm tập trung ứng suất giúp tăng sức bền trục khuỷu. 3: Trục khuỷ động cơ N63 1. Cơ cấu phân phối khí - Cơ cấu cam nạp xả với hai trục cam phía trên xi lanh-DOHC - Sử dụng hệ thống DV VT-I –Dual Variable Valve Timing with Intelligence: Hệ thống điều khiển xu-páp kép với góc mở biến thiên thông minh. - Các trục cam được chế tạo bằng hợp kim gang - Các trục cam được điều khiển thông qua trục khuỷu thông qua truyền động xích chính.

Trục cam cửa nạp của hàng xilanh tương ứng kép theo trục cam thải thông qua truyền động xích thứ hai. Các xu páp được điều khiển trực tiếp bởi 4 trục cam. Bộ điều khiển VVT-I được cài đặt trên cả trục nạp và xả. - Khoảng thời gian thay đổi là -40 độ đối với lượng và 35 độ đối với khí thải.

Ống dẫn dầu được chế tạo trong trục cam để cung cấp dầu động cơ tới hệ thống DVVT- i. Một rô to điều chỉnh thời gian được chế tạo phía trước của bộ điều khiển DVVT- I để phát hiện các vị trí thực tế của trục cam nạp. Nhóm thực hiện: Nhóm 21 GVHD: ThS. Thái Thị Ngọc Hằng 10 PBL3: Thiết kế hệ thống động cơ đốt trong Hình 4.

14: Van hằng nhiệt kiểu hộp xếp chứa chất lỏng. 15: Sơ đồ tính toán bơm nước li tâm. 16: Quan hệ nkk = f( fnπ. 1: Sơ đồ tổng thể hệ thống ACIS……………………………………….

2: Bộ lọc khí. 3: Bộ giảm âm thanh kiểu thẳng. 4: Cổ họng gió. 5: Ống dẫn khí nạp.

6: Van tuần hoàn khí thải. 7: Cơ cấu làm mát khí thải tuần hoàn. 10: Sơ đồ tính toán bầu giảm âm. 1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ….

2: Sơ đồ mạch hệ thống nhiên liệu động cơ N63TU2. 3: Sơ đồ mạch phun nhiên liệu. 4: Sơ đồ mạch điều khiển bơm nhiên liệu. 5: Kết cấu cảm biến lưu lượng khí nạp.

6: Sơ đồ mạch cảm biển lưu lượng khí nạp. 7: Kết cấu và sơ đồ mạch điện cảm biến oxy. 8: Kết cấu và sơ đồ điện cảm biến vị trí trục khuỷu. 9: Kết cấu và sơ đồ mạch cảm biến vị trí trục cam.

10: Kết cấu và sơ đồ mạch cảm biến vị trí bướm ga. 11: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát. 12: Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát. 13: Kết cấu cảm biến kích nổ.

14: Sơ đồ mạch điện cảm biến kích nổ. 15: Chuỗi tín hiệu nhị phân. 16: Sơ đồ khối cấu trúc của ECU. 17: Mạch điện của bộ chuyển đổi A/D.

18: Sơ đồ mạch điện bộ đếm. 19: Sơ đồ bộ nhớ trung gian. 20: Sơ đồ mạch khuyếch đại.86 Nhóm thực hiện: Nhóm 21 GVHD: ThS. Thái Thị Ngọc Hằng 5 PBL3: Thiết kế hệ thống động cơ đốt trong Hình 6.

22: Sơ đồ giao tiếp đầu ra.87 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1. 1: Thông số kỹ thuật động cơ tham khảo và động cơ thiết kế. 1: Kết quả tính toán ổ đầu to thanh truyền của động cơ GN8-024 48 Bảng 3. 2: Kích thước lõi lọc.

1: Thông số chọn theo cấp độ giảm âm…………………………………… 75 Nhóm thực hiện: Nhóm 21 GVHD: ThS. Thái Thị Ngọc Hằng 6 PBL3: Thiết kế hệ thống động cơ đốt trong Hình 1. Nhóm thanh truyền - Thanh truyền được chế tạo bằng thép cường độ cao và gọn nhẹ, chiều rộng thanh truyền giảm để giảm ma sát, bỏ đai ốc dùng bulông siết chặt Hình 1. 2: Thanh truyền động cơ N63 Nhóm thực hiện: Nhóm 21 GVHD: ThS.

Thái Thị Ngọc Hằng 9 PBL3: Thiết kế hệ thống động cơ đốt trong MỞ ĐẦU Trong quá trình thiết kế ô tô, việc thiết kế động cơ đóng vai trò không thể phủ nhận trong việc định hình và nâng cao chất lượng của phương tiện. Động cơ, như trái tim của chiếc ô tô, đóng góp quyết định đến hiệu suất, hiệu quả năng lượng và khả năng vận hành của xe. Việc chọn lựa và tối ưu hóa các chi tiết động cơ không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc và tốc độ tối đa mà còn đảm bảo sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải độc hại. Thiết kế chi tiết động cơ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ an toàn và độ bền của ô tô.

Các chi tiết phải được thiết kế sao cho có khả năng chịu tải, chống mài mòn, và duy trì hiệu suất ổn định trong thời gian dài sử dụng. Đồng thời, quá trình thiết kế còn phải đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về tiêu thụ nhiên liệu, tiếng ồn, và khí thải để đồng bộ với các quy định và yêu cầu về bảo vệ môi trường. Trong học phần này “ Thiết kế các hệ thống trong động cơ ”chúng em được tổ bộ môn giao nhiệm vụ làm đồ án môn học. Vì bước đầu làm quen với công việc tính toán , thiết kế ôtô nên không tránh khỏi những bỡ ngỡ và vướng mắc.

Nhưng với sự quan tâm , động viên , giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn , cùng giáo viên giảng dạy và các thầy giáo trong khoa nên chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án trong thời gian được giao. Qua đồ án này giúp sinh viên chúng em nắm được các nguyên lý, kết cấu cơ bản của động cơ đốt trong. Vì thế nó rất thiết thực với sinh viên ngành Cơ khí – chuyên ngành cơ khí Động lực. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện dù đã cố gắng rất nhiều không tránh khỏi những thiếu sót.

Vì vậy chúng em rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy để chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn và cũng qua đó rút ra được những kinh nghiệm quý giá cho bản thân nhằm phục vụ tốt cho quá trình học tập và công tác sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm thực hiện: Nhóm 21 GVHD: ThS. Thái Thị Ngọc Hằng 7 PBL3: Thiết kế hệ thống động cơ đốt trong Hình 6. 22: Sơ đồ giao tiếp đầu ra.87 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.

1: Thông số kỹ thuật động cơ tham khảo và động cơ thiết kế. 1: Kết quả tính toán ổ đầu to thanh truyền của động cơ GN8-024 48 Bảng 3. 2: Kích thước lõi lọc. 1: Thông số chọn theo cấp độ giảm âm…………………………………… 75 Nhóm thực hiện: Nhóm 21 GVHD: ThS.